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(dǎo)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(shù)。
▲ 澤洛夫的 Z1 和 Z2 芯片
受著名黑客、硬件設(shè)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(shù)上落后于英特爾，但他總是半開玩笑地說，他的進步比半導(dǎo)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(shù)已經(jīng)發(fā)展到 5nm，英特爾等芯片巨頭占據(jù)市場主導(dǎo)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(fù)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(shè)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(chǔ)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(shè)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(fù)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(shè)計布局，然后一層一層把不同的半導(dǎo)體材料安置在硅片上，最后形成一個有結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn) 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(yīng)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(chǎn)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(xué)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(jié)束后，下一步就是顯影。晶圓在氫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(fù)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(zhuǎn)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(qū)動到使用光刻定義的晶片上以調(diào)整其導(dǎo)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?qū)⒄麎K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(jīng)制造成功了。
最后，澤洛夫?qū)氐讬z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(dǎo)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(xué)品的燒杯中后，這是成功的第一個跡象。”
▲ 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(dǎo)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(shè)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(wǎng)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(shè)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(fēng)與空氣調(diào)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(shè)備和技術(shù)。
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(dǎo)體（俗稱“仙童半導(dǎo)體”）等先驅(qū)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?X-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(shè)備還有很多，澤洛夫只能選擇在 eBay 和其他拍賣網(wǎng)站上挑選，他發(fā)現(xiàn)了 1970 年代和 80 年代的廉價芯片設(shè)備?？上攵?，許多設(shè)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(shè)備和技術(shù)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(shè)備，可以將前期的微觀細節(jié)設(shè)計轉(zhuǎn)移到芯片上，對后續(xù)的處理步驟也至關(guān)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(shè)備可以將圖像設(shè)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(jīng)相當(dāng)于 90 年代中期的商業(yè)芯片技術(shù)?，F(xiàn)在，他正考慮在英特爾 4004 規(guī)模的芯片中構(gòu)建相關(guān)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(nèi)基梅隆大學(xué)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(shù)和設(shè)備都為 DIY 實驗提供了幫助，包括容易買到的機器人設(shè)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。“但這些芯片仍然是在某個地方的大工廠生產(chǎn)的，這讓芯片技術(shù)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(shù)公司半導(dǎo)體工程師馬克?羅斯曼（Mark Rothman），在芯片工程領(lǐng)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(dǎo)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(jié)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(yù)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(shù)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(shù)越來越壟斷于大公司之手，只有將技術(shù)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(yīng)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(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展。
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