文 | 芯東西 程茜
編輯 | Panken
距離貝爾實驗室大約30英里的一間車庫里，有一個22歲的小伙正在追趕芯片制造巨頭。
上世紀70年代，芯片制造巨頭英特爾研發(fā)了世界上第一款商用計算機微處理器4004。2021年8月，山姆·澤洛夫（Sam Zeloof）宣布了自己的半導體里程碑——在車庫里打造的Z2芯片，這塊芯片與微處理器4004采用了相同技術。
澤洛夫的Z1和Z2芯片
受著名黑客、硬件設計師杰里·埃爾斯沃思（Jeri Ellsworth）成功自制晶體管的啟發(fā)，澤洛夫開始探索自研芯片。
2018年，澤洛夫制成了第一代芯片Z1，這顆芯片采用5微米PMOS電路工藝，集成6個晶體管。僅隔三年，芯片二代Z2就已問世。Z2集成了1200個晶體管，是第一個芯片的200倍。
而按照摩爾定律的說法，每隔18~24個月，集成電路上能容納晶體管數(shù)量會增加1倍。如果從這個角度來看，澤洛夫的芯片進化速度可以說是遠超摩爾定律了。
雖然澤洛夫的芯片在技術上落后于英特爾，但他總是半開玩笑地說，他的進步比半導體行業(yè)早期的進步更快。
摩爾定律下商業(yè)芯片和澤洛夫自研芯片對比
從1947年貝爾實驗室里誕生晶體管，到現(xiàn)在廣泛落地，芯片制程技術已經發(fā)展到5nm，英特爾等芯片巨頭占據市場主導地位，自己制作一顆芯片似乎費力不討好。那么，澤洛夫自研芯片的契機是什么？他又是如何在簡陋的環(huán)境下成功的？我們從他的博客和YouTube里找到了答案。
博客鏈接：http://sam.zeloof.xyz/second-ic/
01.2年從晶體管“變”芯片，66個步驟制成
2010年，埃爾斯沃思在自己的實驗室里成功制造了拇指大小的晶體管。機緣巧合下，看到埃爾斯沃思在YouTube發(fā)布的視頻后，2016年，高中三年級的澤洛夫開始了探索。
除了復制埃爾斯沃思的晶體管制造項目，澤洛夫還希望研發(fā)出世界上第一塊自制芯片。僅僅2年，他就實現(xiàn)了這個目標。從單獨的晶體管到集成電路這一過程，在歷史上大約需要花費十年的時間。他說：“埃爾斯沃思把它向前推進了一大步，同時提醒世界，這些看似遙不可及的行業(yè)，能夠開始于更尋常的地方，是非常有價值的?！?/p>
2018年，澤洛夫的第一塊芯片在一節(jié)體育課上誕生了，它帶有6個晶體管，可以用于制程與設備測試。他在博客上說：“制造這個芯片需要66個步驟，花費了大約12個小時。”
在芯片上，澤洛夫選擇了跳舞的熊作為標識，它們是美國搖滾樂隊Grateful Dead（感恩至死）的象征。
澤洛夫芯片上的跳舞小熊
2021年8月，在Z1芯片的基礎上，澤洛夫研發(fā)出包含1200個晶體管的Z2芯片，這塊芯片上的晶體管大小僅為10微米，和紅細胞的大小相近。
Z2采用的是多晶硅柵極工藝，與Z1不同，Z2可以在非常低的電壓下工作，它們的閾值電壓僅為1伏左右，這意味著能將它們封裝在更加簡單的芯片上。
2021年年底，他開始研究可以執(zhí)行簡單加法的臨時電路設計，希望能趕上英特爾1971年突破性的、擁有2300個晶體管的4004芯片的規(guī)模。
02.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描述為世界上最困難和最精確的制造過程，澤洛夫是如何在車庫里完成如此復雜的過程？
芯片制造是以光刻為特征的制造工藝，其中最為重要的就是通過光刻工藝按照芯片設計布局，然后一層一層把不同的半導體材料安置在硅片上，最后形成一個有結構的線路元器件層。
澤洛夫首先用金剛石劃線器將200毫米的晶圓切成半英寸見方的小塊，然后就正式開啟了芯片制造過程。
切割晶圓
第一步是涂膠，這塊半英寸見方的晶圓上需要均勻涂抹光刻膠。澤洛夫利用回收材料自制了旋涂機，為晶圓涂上100微升的光刻膠，旋涂機以每分鐘4000轉的速度旋轉30秒，光刻膠就會均勻地覆蓋在晶圓上，并且多余的光刻膠也會被甩掉，之后在大約95攝氏度的熱板上干燥一分鐘，就可以留下一層完整的固體薄膜。
旋涂機涂抹光刻膠
第二步是曝光，澤洛夫自制的無掩膜光刻機派上了用場。相比于全球最大的光刻機供應商ASML的大面積曝光接觸式光刻機，無掩膜光刻機適用于前期工藝不是很成熟且需要小批量樣品量產的情況。在計算機中生成圖像后，無掩膜光刻機、DLP（數(shù)碼光處理）投影儀和一些光學器件，就可以將圖像向下投射并將其縮小到晶圓大小的尺寸。
曝光過程
曝光結束后，下一步就是顯影。晶圓在氧化鉀溶液中大約放置一分鐘，蝕刻掉曝光的光刻膠部分，接著將殘留的顯影劑用清洗水去除。
顯影之后，澤洛夫會通過電子顯微鏡來檢查晶圓的各項部件是否一切正常，如果出現(xiàn)問題，他會使用不同的曝光或顯影時間再重復試驗。
然后進行蝕刻和除膠，圖像在光刻膠中形成后，澤洛夫使用蝕刻劑將其轉移到下面的多晶硅層中，蝕刻后使用丙酮剝離光刻膠掩膜層。
在清潔和干燥晶圓步驟中，他將晶圓放到磷溶液中，在超過1000攝氏度的高溫下烘烤約45分鐘，將磷原子驅動到使用光刻定義的晶片上以調整其導電性。
高溫烘烤過程
晶片被放入真空室中濺射或熱蒸發(fā)金屬，然后再次進行整個步驟，以封裝金屬層。完成之后，澤洛夫將整塊晶圓放入溫暖的磷酸溶液中，蝕刻掉殘留的鋁，這也表示芯片已經制造成功了。
最后，澤洛夫將徹底檢查芯片并拍攝大量特寫照片，以測量柵極長度、寬度和層厚等參數(shù)。
2021年8月，Zeloof將Z2連接到一臺古老的惠普方形米色半導體分析儀中進行測試。在其發(fā)光的綠色屏幕上出現(xiàn)了一系列平滑上升的電流-電壓曲線，這也證明了他的芯片自制成功?！斑@條曲線令人驚嘆?！睗陕宸蛘f，“在你整天把這片小晶體碎片浸入裝有化學品的燒杯中后，這是成功的第一個跡象?！?/p>
Z2的電流-電壓參數(shù)曲線
這之后，他把所有的制作步驟、講解都共享到了博客、Twitter、YouTube上，這些視頻獲得了數(shù)百萬的瀏覽量，同時還有半導體行業(yè)資深人士為他提供了一些實用技巧。
今天的商業(yè)晶圓廠和上述步驟大致相似，都是在芯片設計的不同環(huán)節(jié)逐漸添加和移除材料。不過，現(xiàn)在最先進的芯片工藝是由機器而不是手工完成，機器可以將數(shù)十億個晶體管緊密排列在一起。澤洛夫的成功證明了在車庫里也可以將沙子變成芯片。
03.二手網站回收材料，自制光刻機
那么他是如何解決芯片制造過程中出現(xiàn)的設備短缺問題？
現(xiàn)代芯片的制造過程，需要使用昂貴的HVAC（供暖通風與空氣調節(jié)）系統(tǒng)，來清除制造工廠中的灰塵，為了避免其價值數(shù)十億美元的芯片制造機器受到影響。在資源、場地有限的條件下，他并不能擁有相似的設備和技術。
因此他閱讀了20世紀60年代和70年代的專利和教科書，了解到飛兆半導體（俗稱“仙童半導體”）等先驅公司的工程師如何在普通工作臺上制造芯片?！八麄兠枋隽耸褂肵-Acto刀片和膠帶以及一些燒杯的方法，而不是‘我們擁有這臺價值1000萬美元的房間大小的機器?！睗陕宸蛘f。
除此之外，芯片制造過程中的設備還有很多，澤洛夫只能選擇在eBay和其他拍賣網站上挑選，他發(fā)現(xiàn)了1970年代和80年代的廉價芯片設備?？上攵?，許多設備由于年久失修，需要大量的維修、護理，但相比于獲取現(xiàn)代實驗室的機器還是修補更加容易。
最令澤洛夫驚喜的是，他發(fā)現(xiàn)了一臺破損的電子顯微鏡，可以用來檢查芯片是否有缺陷。這臺顯微鏡在90年代初期可能價值25萬美元，然而他只花了1000美元就買到并修好了顯微鏡。
在芯片制造過程中，澤洛夫缺少的設備和技術還很多，有時他不得不即興發(fā)揮。光刻機作為芯片制造中必不可少的設備，可以將前期的微觀細節(jié)設計轉移到芯片上，對后續(xù)的處理步驟也至關重要。他將亞馬遜上購買的會議室投影儀和電子顯微鏡組織起來，就變成了簡易版的“車庫光刻機”，這臺設備可以將圖像設計以微小的規(guī)模投射到硅晶片上。
澤洛夫自制的光刻機
這臺光刻機最近又被澤洛夫更新升級了，它可以打印小至約0.3微米或300納米的細節(jié)，這已經相當于90年代中期的商業(yè)芯片技術。現(xiàn)在，他正考慮在英特爾4004規(guī)模的芯片中構建相關功能?！拔蚁脒M一步推動自制芯片，讓人們更相信我們可以在家中做這些事情?！彼f。
澤洛夫今年春天將從卡內基梅隆大學畢業(yè)，他一直在思考DIY（自己動手制作）芯片制造在現(xiàn)代科技生態(tài)系統(tǒng)中的地位。
從整個行業(yè)來看，現(xiàn)在的技術和設備都為DIY實驗提供了幫助，包括容易買到的機器人設備和3D打印機、硬件成熟的開發(fā)平臺Arduino微控制器和Raspberry Pi（樹莓派）等?！暗@些芯片仍然是在某個地方的大工廠生產的，這讓芯片技術在易于制造方面收效甚微?！睗陕宸蛘f。
剛開始，這個22歲的年輕人開始在博客上介紹他的項目目標時，一些行業(yè)專家通過電子郵件告訴他這是不可能的。不過澤洛夫認為，這個行業(yè)中擁有這么多工具，可以讓人們小規(guī)模制造芯片成為可能。
澤洛夫的家人在支持他的同時還提供了一些幫助。OLED屏幕制造技術公司半導體工程師馬克·羅斯曼（Mark Rothman），在芯片工程領域工作了40年，是澤洛夫的父親的朋友。羅斯曼為澤洛夫提供了一些安全建議，但他認為在車庫里自制芯片的想法是異想天開。
看到澤洛夫的成功后，這位半導體工程師逐漸對這個項目改觀，并說：“他做了我從未想過人們會做的事情?！?/p>
04.結語：小作坊vs大工廠，車庫芯片的逆襲
澤洛夫正在開發(fā)他的第三塊“車庫芯片”Z3，將進一步探索制造完整的微處理器。這塊誕生于車庫的芯片可能不會安裝到你的手機、電腦、游戲機上，但它為那些沒有數(shù)百萬美元預算的“發(fā)明家們”，展現(xiàn)了更多可能性。
現(xiàn)在芯片制造技術動輒上百萬、上億美元的投入，如此高的進入門檻讓芯片制造技術越來越壟斷于大公司之手，只有將技術還給社會，才能對其創(chuàng)新發(fā)展有利。
雖然小規(guī)模的芯片作坊可能無法解決大環(huán)境下芯片供應短缺的問題，但是在未來，小規(guī)模芯片制造工廠越來越多，或許會促進半導體技術的飛速發(fā)展。
來源：WIRED