芯東西（公眾號：aichip001）
作者?| ?程茜
編輯 | ?Panken
距離貝爾實驗(yan)室大約30英(ying)里(li)的(de)一間車庫(ku)里(li)，有一個22歲的(de)小伙正在追趕芯片制(zhi)造巨(ju)頭。
上世紀70年(nian)代，芯(xin)(xin)片(pian)(pian)制造(zao)巨頭(tou)英特爾研(yan)發(fa)了世界上第一款商用(yong)(yong)計算機微處理器4004。2021年(nian)8月，山姆·澤洛(luo)夫（Sam Zeloof）宣布了自己(ji)的半導體里(li)程(cheng)碑——在(zai)車庫(ku)里(li)打造(zao)的Z2芯(xin)(xin)片(pian)(pian)，這塊芯(xin)(xin)片(pian)(pian)與微處理器4004采用(yong)(yong)了相同技術。
▲澤洛夫的Z1和(he)Z2芯片
受著(zhu)名黑客、硬件設計師杰里(li)·埃爾斯沃(wo)思（Jeri Ellsworth）成(cheng)功自(zi)制晶體管的啟發，澤洛夫開始(shi)探(tan)索自(zi)研芯片。
2018年，澤洛夫制成(cheng)了(le)第(di)一代(dai)芯片(pian)(pian)(pian)Z1，這(zhe)顆芯片(pian)(pian)(pian)采用(yong)5微米PMOS電路工(gong)藝，集成(cheng)6個晶(jing)體管。僅隔三年，芯片(pian)(pian)(pian)二代(dai)Z2就已問世。Z2集成(cheng)了(le)1200個晶(jing)體管，是(shi)第(di)一個芯片(pian)(pian)(pian)的200倍。
而按照摩爾定律的說法，每隔18~24個月，集成電路(lu)上(shang)能容(rong)納(na)晶(jing)體管數量會增(zeng)加(jia)1倍。如果從這個角(jiao)度來看，澤洛夫的芯片進化速度可以說是遠超摩爾定律了。
雖然澤(ze)洛夫的(de)芯(xin)片在技術上落后于英特爾(er)，但他總(zong)是半(ban)開玩笑地(di)說(shuo)，他的(de)進步比半(ban)導體行(xing)業早期的(de)進步更快(kuai)。
▲摩爾(er)定律下商業(ye)芯片和澤(ze)洛夫(fu)自(zi)研芯片對比
從(cong)1947年貝爾實(shi)驗室里誕(dan)生晶體管，到(dao)現在廣泛落地，芯片制程技術(shu)已經(jing)發(fa)展到(dao)5nm，英特爾等芯片巨(ju)頭占據市場(chang)主導地位，自己(ji)制作一顆芯片似乎費力不討(tao)好。那么，澤洛(luo)夫自研(yan)芯片的(de)契機是什么？他又是如何在簡陋的(de)環境下成功的(de)？我們從(cong)他的(de)博客和YouTube里找到(dao)了答案。
博客鏈接：//sam.zeloof.xyz/second-ic/
一、2年從晶體管“變”芯片，66個步驟制成
2010年(nian)(nian)，埃(ai)(ai)爾斯沃思在自(zi)己的實驗室里成功制造了(le)拇指大(da)小的晶(jing)體管。機(ji)緣巧合下，看到埃(ai)(ai)爾斯沃思在YouTube發布的視頻后，2016年(nian)(nian)，高中三年(nian)(nian)級的澤洛夫開始了(le)探索。
除了復(fu)制(zhi)(zhi)埃爾斯沃(wo)思的晶體(ti)(ti)管制(zhi)(zhi)造項目，澤洛夫還希望研發(fa)出世界上第一(yi)塊自制(zhi)(zhi)芯(xin)片。僅(jin)僅(jin)2年，他(ta)就實現了這個(ge)目標。從單獨的晶體(ti)(ti)管到集成電路這一(yi)過程，在歷史上大約需要(yao)花費十(shi)年的時間。他(ta)說：“埃爾斯沃(wo)思把(ba)它向前(qian)推進了一(yi)大步，同時提醒世界，這些看似遙不可及的行業，能夠開始于更(geng)尋(xun)常的地方，是(shi)非(fei)常有價值的。”
2018年(nian)，澤洛夫(fu)的(de)第(di)一塊芯片在(zai)一節體(ti)育(yu)課上誕生了，它帶有6個晶體(ti)管，可以用于(yu)制程與設備測試(shi)。他在(zai)博客上說：“制造這個芯片需(xu)要66個步驟，花(hua)費(fei)了大約(yue)12個小時。”
在芯片上，澤洛夫選(xuan)擇了跳舞的熊作(zuo)為標(biao)識，它們是美國搖滾樂隊Grateful Dead（感恩(en)至死）的象征。
▲澤洛夫芯片上(shang)的跳(tiao)舞小熊
2021年8月，在Z1芯片(pian)的(de)基礎上，澤洛夫研發(fa)出包含(han)1200個晶體管(guan)的(de)Z2芯片(pian)，這(zhe)塊芯片(pian)上的(de)晶體管(guan)大(da)小僅為10微米，和紅細胞(bao)的(de)大(da)小相近。
Z2采用的(de)是多晶硅柵極工藝，與Z1不(bu)同，Z2可以在(zai)(zai)非常低的(de)電壓下工作(zuo)，它(ta)們的(de)閾值電壓僅(jin)為1伏左右，這意味著能將它(ta)們封裝(zhuang)在(zai)(zai)更(geng)加簡單的(de)芯片上。
2021年年底，他(ta)開始(shi)研究可(ke)以執行簡單(dan)加(jia)法的臨(lin)時電路(lu)設計，希(xi)望能(neng)趕上英特爾1971年突(tu)破性的、擁有(you)2300個(ge)晶體管的4004芯(xin)片的規模(mo)。
二、在車庫里制造，工藝步驟與晶圓廠相似
計算機芯片制造時常被(bei)描述為世界(jie)上最(zui)困難和最(zui)精確的(de)制造過(guo)程，澤洛(luo)夫是如何在(zai)車庫里完(wan)成如此復(fu)雜的(de)過(guo)程？
芯片(pian)制造是以光刻為特征的制造工藝(yi)(yi)，其(qi)中最為重要的就是通過(guo)光刻工藝(yi)(yi)按(an)照(zhao)芯片(pian)設計布局，然后(hou)(hou)一(yi)層一(yi)層把不同的半導體(ti)材料安置在硅片(pian)上(shang)，最后(hou)(hou)形成一(yi)個有結構的線路(lu)元器件層。
澤洛(luo)夫首(shou)先用(yong)金剛石(shi)劃線器(qi)將200毫(hao)米的(de)晶圓切成(cheng)半(ban)英寸見方的(de)小塊，然(ran)后就正(zheng)式開啟了芯片(pian)制造過程。
▲切割晶圓
第(di)一步是涂膠，這塊半英寸(cun)見方(fang)的晶圓(yuan)上(shang)需要均勻(yun)(yun)涂抹光(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠。澤(ze)洛(luo)夫(fu)利(li)用回收材料(liao)自(zi)制了(le)旋涂機，為晶圓(yuan)涂上(shang)100微升的光(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠，旋涂機以(yi)每分鐘(zhong)4000轉(zhuan)的速度旋轉(zhuan)30秒(miao)，光(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠就會(hui)均勻(yun)(yun)地覆蓋在(zai)晶圓(yuan)上(shang)，并且多余的光(guang)(guang)刻(ke)(ke)膠也會(hui)被甩(shuai)掉，之后在(zai)大(da)約95攝氏度的熱板上(shang)干燥(zao)一分鐘(zhong)，就可以(yi)留下一層完整的固體薄膜。
▲旋涂機涂抹光刻膠
第二步是曝(pu)光(guang)(guang)(guang)，澤洛夫自制的無掩膜(mo)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)機(ji)(ji)派(pai)上了用(yong)場。相比于全(quan)球最(zui)大(da)的光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)機(ji)(ji)供(gong)應商ASML的大(da)面積(ji)曝(pu)光(guang)(guang)(guang)接觸式光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)機(ji)(ji)，無掩膜(mo)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)機(ji)(ji)適用(yong)于前期工藝不是很成(cheng)熟(shu)且需要小批量(liang)樣品量(liang)產的情況。在計算機(ji)(ji)中生成(cheng)圖像后，無掩膜(mo)光(guang)(guang)(guang)刻(ke)(ke)機(ji)(ji)、DLP（數碼(ma)光(guang)(guang)(guang)處(chu)理）投(tou)影儀(yi)和一些光(guang)(guang)(guang)學器件，就可(ke)以將圖像向下投(tou)射并將其縮小到(dao)晶圓(yuan)大(da)小的尺寸。
▲曝光過程
曝光(guang)結(jie)束后，下一(yi)步就是顯(xian)影。晶圓在氧化(hua)鉀溶液中大約放(fang)置一(yi)分鐘，蝕(shi)刻掉曝光(guang)的(de)光(guang)刻膠部分，接(jie)著將殘留(liu)的(de)顯(xian)影劑用清洗水去除。
顯(xian)影之后(hou)，澤(ze)洛夫會通過電子顯(xian)微鏡來檢查(cha)晶圓(yuan)的各項部件是否一切正常，如果出現(xian)問(wen)題，他會使用(yong)不(bu)同的曝光或顯(xian)影時間再重復試驗。
然(ran)后(hou)進行蝕(shi)刻和除(chu)膠(jiao)，圖像在光(guang)刻膠(jiao)中(zhong)形成后(hou)，澤洛夫使用蝕(shi)刻劑將(jiang)其轉(zhuan)移到(dao)下面的多晶硅層中(zhong)，蝕(shi)刻后(hou)使用丙酮剝離光(guang)刻膠(jiao)掩膜層。
在清潔(jie)和(he)干(gan)燥晶圓(yuan)步驟中(zhong)，他將晶圓(yuan)放到磷(lin)溶(rong)液中(zhong)，在超過1000攝氏(shi)度的高溫下烘烤約45分鐘，將磷(lin)原子(zi)驅動到使(shi)用光刻定義的晶片上以調(diao)整其導電性。
▲高溫烘烤過程
晶片被放入(ru)真空室中濺射或熱蒸發(fa)金屬，然后再次(ci)進行整(zheng)個步(bu)驟，以封裝金屬層。完成(cheng)之后，澤洛夫將整(zheng)塊晶圓放入(ru)溫暖(nuan)的(de)磷酸溶液(ye)中，蝕刻掉殘留的(de)鋁，這(zhe)也表示芯片已(yi)經制(zhi)造成(cheng)功了。
最后，澤洛夫將徹底檢(jian)查芯(xin)片(pian)并拍攝大(da)量(liang)特寫(xie)照片(pian)，以測量(liang)柵極(ji)長度(du)(du)、寬度(du)(du)和(he)層(ceng)厚等參數。
2021年8月，Zeloof將Z2連接到一臺古老的(de)(de)(de)惠(hui)普方形米(mi)色半導體(ti)分析儀中進(jin)行測試。在(zai)其(qi)發光的(de)(de)(de)綠色屏(ping)幕上出(chu)現了(le)一系列平(ping)滑上升(sheng)的(de)(de)(de)電流-電壓曲線，這也證明了(le)他(ta)的(de)(de)(de)芯片自制(zhi)成(cheng)功(gong)。“這條曲線令(ling)人(ren)驚嘆。”澤(ze)洛夫說，“在(zai)你整天把這片小晶(jing)體(ti)碎片浸入裝有化學品的(de)(de)(de)燒(shao)杯中后，這是(shi)成(cheng)功(gong)的(de)(de)(de)第(di)一個(ge)跡象(xiang)。”
▲Z2的電流-電壓(ya)參數曲線
這之后，他(ta)把所有(you)的制作步驟(zou)、講(jiang)解都(dou)共享到了博(bo)客、Twitter、YouTube上，這些(xie)視頻獲得了數百萬(wan)的瀏(liu)覽量(liang)，同(tong)時還有(you)半導體行業(ye)資深(shen)人士為他(ta)提供了一些(xie)實(shi)用技巧。
今天的(de)(de)(de)商業晶圓廠(chang)和上述步驟(zou)大致相似，都是在(zai)芯(xin)(xin)片設計的(de)(de)(de)不(bu)同環節逐漸添(tian)加和移除材(cai)料。不(bu)過，現(xian)在(zai)最先進的(de)(de)(de)芯(xin)(xin)片工藝是由機(ji)(ji)器(qi)而不(bu)是手工完成，機(ji)(ji)器(qi)可以將數十(shi)億個晶體管(guan)緊密排列在(zai)一(yi)起。澤洛夫的(de)(de)(de)成功證明了(le)在(zai)車庫里也可以將沙子變成芯(xin)(xin)片。
三、二手網站回收材料，自制光刻機
那么他是(shi)如何解決芯(xin)片制造過程中出(chu)現的設備短缺問題？
現(xian)代芯(xin)片的(de)制造過程，需要使(shi)用昂(ang)貴的(de)HVAC（供暖(nuan)通(tong)風與空氣調節）系統，來清除制造工廠中的(de)灰塵(chen)，為了避免其價值(zhi)數十億美元的(de)芯(xin)片制造機器(qi)受(shou)到影響。在資源、場地有(you)限的(de)條件(jian)下(xia)，他并(bing)不能(neng)擁有(you)相似的(de)設備和技術。
因此他閱(yue)讀(du)了(le)20世紀60年(nian)代和70年(nian)代的(de)專利和教科書(shu)，了(le)解到飛兆半導(dao)體(ti)（俗稱(cheng)“仙(xian)童半導(dao)體(ti)”）等(deng)先驅公司(si)的(de)工(gong)程(cheng)師如何(he)在(zai)普通工(gong)作臺上制造芯片。“他們描述了(le)使(shi)用X-Acto刀片和膠帶以及一些燒(shao)杯的(de)方法，而(er)不是‘我們擁有這臺價(jia)值1000萬美元的(de)房間大小(xiao)的(de)機器(qi)。’”澤(ze)洛夫說(shuo)。
除此(ci)之(zhi)外，芯片(pian)(pian)制造(zao)過(guo)程中的設(she)備(bei)還有很多，澤洛夫只能選擇在eBay和其他拍(pai)賣網站上(shang)挑選，他發現(xian)了(le)1970年(nian)代和80年(nian)代的廉價(jia)芯片(pian)(pian)設(she)備(bei)。可想而(er)知(zhi)，許多設(she)備(bei)由(you)于(yu)年(nian)久失(shi)修，需要大(da)量的維修、護理，但(dan)相比于(yu)獲取現(xian)代實驗室(shi)的機器還是修補更加容易。
最(zui)令澤(ze)洛夫驚喜的(de)是，他發現了一臺破損的(de)電子顯微(wei)鏡，可(ke)以用來檢查(cha)芯片(pian)是否(fou)有缺陷。這臺顯微(wei)鏡在90年代初(chu)期可(ke)能價值25萬美元，然(ran)而(er)他只花了1000美元就買(mai)到(dao)并修好(hao)了顯微(wei)鏡。
在芯片制(zhi)(zhi)造(zao)過程(cheng)中，澤洛夫缺少的設(she)備(bei)和(he)技(ji)術還(huan)很多，有時(shi)他不(bu)得不(bu)即(ji)興發揮(hui)。光刻(ke)機(ji)作(zuo)為(wei)芯片制(zhi)(zhi)造(zao)中必(bi)不(bu)可(ke)少的設(she)備(bei)，可(ke)以將前期的微(wei)觀(guan)細節設(she)計(ji)轉移到(dao)芯片上，對后續的處(chu)理步(bu)驟也至關重要。他將亞(ya)馬遜(xun)上購買(mai)的會議室投(tou)影儀和(he)電(dian)子顯微(wei)鏡組(zu)織(zhi)起來，就變成了簡易版的“車(che)庫(ku)光刻(ke)機(ji)”，這臺(tai)設(she)備(bei)可(ke)以將圖像設(she)計(ji)以微(wei)小的規模投(tou)射(she)到(dao)硅晶片上。
▲澤洛夫自制的光(guang)刻機
這(zhe)臺光刻機最近又被澤洛(luo)夫(fu)更新(xin)升(sheng)級(ji)了，它可以打印小至約0.3微米或300納米的(de)(de)細節，這(zhe)已(yi)經相當于90年代中期的(de)(de)商業芯片(pian)技(ji)術。現(xian)在，他(ta)正考慮在英特爾4004規模的(de)(de)芯片(pian)中構建(jian)相關功(gong)能。“我想進一步推動自制(zhi)芯片(pian)，讓(rang)人們更相信我們可以在家中做(zuo)這(zhe)些事情(qing)。”他(ta)說。
澤洛夫(fu)今年春天將從卡(ka)內(nei)基梅隆(long)大學畢業(ye)，他(ta)一直(zhi)在(zai)思考(kao)DIY（自己(ji)動手(shou)制作）芯片制造在(zai)現代科(ke)技生(sheng)態系統中的(de)地(di)位。
從整個行業來看，現在的(de)技術和(he)設備都為DIY實驗提(ti)供了幫助，包(bao)括容易買(mai)到的(de)機器人(ren)設備和(he)3D打印機、硬件(jian)成(cheng)熟的(de)開發平臺Arduino微控制器和(he)Raspberry Pi（樹(shu)莓派）等(deng)。“但這(zhe)些芯(xin)片仍然是在某(mou)個地方的(de)大工廠生產的(de)，這(zhe)讓芯(xin)片技術在易于制造方面收效甚微。”澤洛夫說。
剛開始，這(zhe)(zhe)個22歲(sui)的年輕人(ren)開始在博客上(shang)介紹他的項(xiang)目目標時，一些行(xing)業專家通過電子郵件告訴他這(zhe)(zhe)是不可能的。不過澤洛夫認為，這(zhe)(zhe)個行(xing)業中擁有(you)這(zhe)(zhe)么(me)多工具，可以讓人(ren)們小規模制(zhi)造芯片成為可能。
澤(ze)(ze)洛(luo)夫的家(jia)人在支持(chi)他的同時還提(ti)供(gong)了(le)一些(xie)幫助。OLED屏幕(mu)制造技術公司半導(dao)體工程師馬克·羅斯曼（Mark Rothman），在芯(xin)片工程領域工作了(le)40年，是澤(ze)(ze)洛(luo)夫的父親的朋友。羅斯曼為(wei)澤(ze)(ze)洛(luo)夫提(ti)供(gong)了(le)一些(xie)安全建議，但他認為(wei)在車庫(ku)里自(zi)制芯(xin)片的想法是異想天開。
看(kan)到澤洛夫的(de)成(cheng)功(gong)后，這(zhe)位(wei)半導(dao)體工程師逐(zhu)漸(jian)對這(zhe)個項目(mu)改觀(guan)，并說：“他做了(le)我從(cong)未想過人們會做的(de)事情。”
結語：小作坊vs大工廠，車庫芯片的逆襲
澤洛夫正在開發他的第(di)三塊“車庫芯片(pian)”Z3，將進(jin)一步探索制(zhi)造(zao)完整(zheng)的微處(chu)理器。這塊誕生于車庫的芯片(pian)可能不會安裝到(dao)你的手(shou)機、電腦、游戲機上，但它為那些沒有數(shu)百(bai)萬(wan)美(mei)元預算的“發明(ming)家們”，展(zhan)現了更多可能性。
現在芯(xin)片(pian)制(zhi)造(zao)技(ji)術(shu)動輒上百(bai)萬(wan)、上億美元(yuan)的投入，如此高的進入門檻(jian)讓芯(xin)片(pian)制(zhi)造(zao)技(ji)術(shu)越來越壟斷(duan)于大公司(si)之手，只有將技(ji)術(shu)還給(gei)社(she)會，才能對其創新發展有利。
雖然小(xiao)規模的芯片(pian)(pian)作坊可能無法解決大(da)環(huan)境下(xia)芯片(pian)(pian)供(gong)應短缺的問(wen)題，但是在未來，小(xiao)規模芯片(pian)(pian)制造工廠越來越多，或(huo)許會(hui)促進半(ban)導體技術的飛速發(fa)展。
來源：WIRED
