這個美國高中生在車庫裡自己造出了晶片

在自家車庫造晶片？還用到光刻技術？先別吃驚，國外真有人這麼幹了，而且還是一名高中生。

美國小夥Sam Zeloof從高中開始就嘗試自行研發晶片，Zeloof稱他最開始是在油管上看到一位博主分享了自制電晶體的影片，很有興趣，因此自己也開始收集製作晶片所需的原材料和二手裝置，為晶片製造做準備。

2018年4月，17歲的Zeloof釋出了自己研發的第一代晶片Z1，Z1採用5微米PMOS（指n型襯底、p溝道，靠空穴的流動運送電流的MOS管）製程，雖然只有6個電晶體，但Z1對Zeloof而言更多是一塊裝置測試用晶片，當逐漸除錯好裝置和掌握了晶片的生產流程後，Zeloof未來的目標是製造出能達到英特爾歷史上第一款處理器Intel 4004水平的晶片。

Zeloof表示他用第一個晶片做了一些很酷的專案，如LED閃光器，還有吉他的失真效果器，雖然它們的工作狀態都不錯，但問題也很明顯，像是mosfet（一種可以廣泛使用在類比電路與數位電路的場效電晶體）的閾值電壓很高，因此需要連線1-2個9伏的電池，Zeloof想在他的新一代晶片上解決這個問題。

終於，今年Zeloof的新一代晶片Z2來了，他在其個人部落格（http://sam.zeloof.xyz）上分享了其製作的升級版Z2晶片的全過程。

據其透露，Z2晶片採用10微米多晶矽柵極工藝並可容納100個電晶體，這與Intel 4004處理器的技術相同，Z2晶片是一個簡單的10×10電晶體陣列，用於測試、表徵和調整過程，但這是向更先進的 DIY 計算機晶片邁出的一大步。

Zeloof做了12個電晶體的陣列，因此整個矽片上集成了1200個電晶體，英特爾的第一款處理器Intel 4004也只有2000個電晶體，Zeloof表示產自“手工作坊”Z2晶片目前也達到了一個不錯的複雜水平，畢竟他一個人幹了上個世紀70年代英特爾一組人做的事情，Zeloof表示他很快就會製作更多有趣的電路。

現在來看一下Zeloof是如何在自家車庫“肝”出Z2晶片的。

Zeloof表示這款新晶片是透過多晶矽柵極工藝製造的，它的閾值電壓僅為1伏左右，能在非常低的電壓下良好的工作，同時，它的邏輯電壓可以低至3.3伏到5伏，因此功耗更低，並且可以封裝成更小的晶片。

令人驚異的是，Z2晶片的第一道工序竟然是從PS中開始的，Zeloof表示他使用PS來做晶片設計的原因是PS相較於一些複雜的專業晶片設計軟體使用起來更加方便。

Z2晶片的製作首先透過200mm的晶圓開始，這些初始晶圓比較大，因此Zeloof首先用金剛石劃片把晶圓切成了半英寸正方形的小塊。

Zeloof首先要做晶片的摻雜層，它能形成mosfet的源極和漏極，他把切好的晶圓放到自旋機上，然後在上面沉積光刻膠，只需要大概100微升光刻膠就能覆蓋整個晶圓，然後以4000rpm的速度旋轉30秒將多餘的光刻膠旋出。

隨後將晶圓放在約95度的電熱板上乾燥1分鐘用來除去剩下的溶劑，在溶劑乾燥後會留下一層固態薄膜。

然後將晶圓送入自制的無掩模光刻機中進行曝光，目的是將之前PS中的影象投影到晶片上，透過dlp投影儀把一些光學器件將影象縮小並投射至晶片。晶圓中心的藍點是整個曝光場，它大約會持續9秒，當曝光一次結束後繼續移動晶圓，以曝光其它區域。

下一個步驟是顯影。首先把晶圓放在一定百分比的氫氧化鉀溶液中約一分鐘，從而蝕刻掉暴露的光刻膠部分，接著用水洗去殘留的顯影劑，並用顯微鏡檢查以確保一切正常，如果出現了問題可以把光刻膠層揭掉，然後用不同的曝光或顯影時間再來一次。

光刻的影象是在光刻膠層中形成的，下一步是要用蝕刻劑把影象轉移到多晶矽層，因此暫時不需要光刻膠掩膜層，可以用丙酮將其剝離。

隨後對晶片進行清潔乾燥，然後加上磷溶液並進行旋轉，接著在一千多攝氏度的高溫下烘烤45分鐘，這樣才能將磷原子轉移到剛才用光刻膠形成的小井中，以形成mosfet的源極和漏極。

接著重複旋塗、烘烤、顯影的過程，製作出晶片的柵極層以及接觸層。

晶圓在高溫步驟後表面會有一層絕緣的二氧化矽覆蓋，因此在接觸層掩膜結束後，還要用氫氟酸（美劇《絕命毒師》中的“化屍水”，雖然是弱酸但腐蝕性驚人，玻璃容器也能腐蝕，化工學子們有道“寧用硫酸鹽酸硝酸不用氫氟酸”）或者三氟甲烷之類的試劑進行刻蝕，從而剝離絕緣體來確保通電。

然後將晶圓放入真空室，來蒸發一個約1微米厚的鋁層，然後再重複整個光刻過程，炫圖曝光和顯影，以形成金屬層。

最後給晶圓進行磷酸浴，以蝕刻殘留的鋁，一枚晶片就這樣產生了。

但這並不意味著整個晶片生產流程的完成，還需要對製作的晶片進行檢查，例如測量柵極的長寬和層厚等引數；用探針臺檢測電晶體的完好程度。當然，這一步相當繁瑣而且這些電晶體非常小，所以連線這些電晶體並不容易。

最後，用一臺上世紀80年代生產的老貨惠普4145A精密半導體引數分析儀，來對電晶體進行電流、電壓測試。

Zeloof製造的電晶體測量後得到的N溝道mosfet的I-V曲線（電流、電壓特性曲線，通常用作工具確定和理解元件或裝置的基本引數，並且還可以用於在電子電路中對其行為進行數學建模），Zeloof表示最後結果還算不錯。

當然，實際的晶片製造過程遠沒有上述介紹的那麼簡單，即便是Zeloof在車庫中自制的晶片良品率也並不算高，一般12個Z2晶片中只有一個是完全沒有缺陷的，剩下的大約只能實現80%的功能，生產流程還需要不斷調整和完善。

Zeloof表示，在開始自制晶片這個專案之前並不知道自己將進入哪個領域獲得什麼，透過這段車庫自制晶片經歷，他在物理、化學、光學、電子學以及諸多學科領域中學到的東西遠超自己的想象。

Zeloof從2017年開始在部落格中陸續分享的他的專案，獲得了不少積極的反饋，有不少晶片專業人士以及愛好者與他聯絡，甚至得到了一位上世紀70年代使用類似晶片生產流程的資深工程師的幫助。就像Zeloof受他人影響開始了自己的車庫晶片專案，Zeloof也希望自己的經歷能激勵他人對手工製造晶片的熱愛。

*注：本文圖片來自Zeloof個人網站及網路影片截圖。