22岁小伙在自家车库做出芯片全流程，目前正在开发加法处理器

来源：电子工程世界

你是否还记得2021年8月，那位22 岁的美国新泽西小伙 Sam Zeloof，宣布自己独立完成了一颗1200个晶体管的芯片，日前他又表示自己正在开发第三代芯片，可以实现加法器功能。
Zeloof 用到了一系列回收的半导体设备，他将硅晶圆切薄，用紫外线对其进行显微设计图案化，然后将它们浸泡在酸中，并在 YouTube 和他的博客上记录了这一过程。有趣的是，他家距离全球首个制造出晶体管的贝尔实验室，仅30英里的路程。
2018 年，高三的他自己制作了第一代芯片 Z1 只包含 6 个晶体管，属于一块纯粹的制程与设备测试芯片。Z2是在 10 微米制程上集成了1200个晶体管。尽管制程远落后于英特尔，但Zeloof 开玩笑道，第二个芯片的晶体管数量是第一个的200倍，已经远超“摩尔定律”。
Zeloof 现在希望能够赶上英特尔 1971 年推出的 4004 芯片，这是第一个商用微处理器，它有 2300 个晶体管，用于计算器和其他商用机器。12 月，他开始研究可以执行简单加法的电路设计。
在 Zeloof 的车库外，新冠疫情引发了全球半导体短缺，从汽车到游戏机的产品供应陷入困境。经过数十年的离岸外包之后，目前美国正在重塑自己的芯片制造业。
车库制造的芯片不会为你的 PlayStation 提供动力，但 Zeloof 表示，他的这一爱好让他相信，即便没有数百万美元的预算，爱好者同样可以接触到芯片制造过程。“芯片高进入门槛会让你极度厌恶风险，这对创新不利。”Zeloof 说。
2018年，高中三年级时，Zeloof 开始制作自己的芯片。发明家和企业家Jeri Ellsworth 的 YouTube 视频给他留下了深刻的印象，她在视频中制作了拇指大小的晶体管，其中包括用乙烯切割模板。Zeloof 着手复制 Ellsworth 的项目，并采取他认为合乎逻辑的下一步：从孤立的晶体管到集成电路，历史上大约需要十年的时间。Ellsworth现在是一家名为 Tilt Five 的增强现实初创公司的首席执行官，她称赞Zeloof道：“他把它（DIY芯片）向前推进了一大步。提醒世界，这些看似遥不可及的行业都是从一个不起眼的地方开始，你可以自己做，这具有巨大的价值。”
计算机芯片制造有时被描述为世界上最困难和最精确的制造过程。当 Zeloof 开始在博客上介绍他的项目目标时，一些行业专家通过电子邮件告诉他这是不可能的。“老实说，这样做的原因是因为我认为这很有趣，不过当我听到这件事不可能时，我确实更加小心谨慎了。”
Zeloof 的家人表示支持，但也很谨慎。他的父亲请一位他认识的半导体工程师提供一些安全建议。这位在半导体公司工作40年，如今是OLED制造相关的工程师Mark Rothman表示：“我的第一反应是这不可能，这只是一个车库。”而看到Zeloof的进步后，Rothman颇感震惊，并表示“他做了我从未想过有人会做的事情。”
Zeloof 的项目涉及历史和工程。现代芯片制造在其昂贵的洁净间中，设备高达数十亿美元。Zeloof 无法匹配这些技术，因此他阅读了 1960 年代和 70 年代的专利和教科书，当时仙童半导体等先驱公司的工程师仅在普通工作台上制造芯片。“他们当年使用了 X-Acto 刀片、胶带以及烧杯，而不是这些大型设备。”Zeloof说。
Zeloof 还必须为他的实验室配备老式设备。在 eBay 和其他拍卖网站上，他发现了 1970 年代和 80 年代的廉价设备，这些设备曾经属于已关闭的加州科技公司。尽管许多设备需要修理，但旧机器比现代实验室机器更容易修理。Zeloof 最好的发现之一是一台破损的电子显微镜，在 90 年代初价值 250,000 美元，他只花了 1,000 美元购买及修理，用来检查芯片的缺陷。
有时 Zeloof 不得不即兴发挥。就像在真正的芯片工厂中一样，他想使用一种称为光刻的工艺将他的微观细节设计转移到他的设备上。它涉及将光敏材料涂在晶圆上，并使用像超精密投影仪这样的设备在MASK层进行刻录。光刻机价格昂贵（高达 1.5 亿美元），因此 Zeloof 在亚马逊上购买了一台经过改进的会议室投影仪固定在显微镜上，从而制造了自己的光刻机。它将他的设计以微小的规模投射到硅晶片上，Zeloof 用对紫外线敏感的材料涂敷。
2018 年，Zeloof开发了一个带有六个晶体管的简单放大器，当时一位代课老师指导学生做功课。Zeloof非常喜欢Grateful Dead乐队，所以他的芯片上都有那只跳舞的小熊，用来表示对Grateful Dead的热爱。

Z1 使用的晶体管被Zeloof 称为“1970 年代的产物”，其特征线宽为 175 微米，大约是头发的宽度。他将这些芯片放在一个电路板上工作，该电路板会闪烁一个 LED 和一个吉他失真踏板。
2018年末，Zeloof 开始在卡内基梅隆大学学习电气工程，同时在他的宿舍里进行开发，尽管他表示遵守安全规程，但大学仍不允许其在宿舍里使用 X 光机。不过他在家中升级了他的设置，为他的第二个芯片 Z2 做准备。它使用一种更快的开关晶体管设计，这种设计基于一种称为多晶硅原材料，这种芯片在 1970 年代占据主导地位。Zeloof 在一个自制的小型转盘上以每分钟 4,000 转的速度手工切割的半英寸见方的多晶硅，每一个都成为一个单独的芯片，并在其上仔细涂上感光材料，然后利用自己的光刻机进行开发。一个由 12 个电路组成的网格，每个电路有 100 个晶体管（和一只跳舞的熊），总共有 1,200 个晶体管。
然后用酸蚀刻每个芯片，并在大约 1,000 摄氏度的炉子中烹煮，以烘烤磷原子调整其导电性。然后分别进行三轮光刻，包括紫外线刻蚀等。今天的商业晶圆厂以大致相似的方式生产芯片，使用一系列步骤在设计的不同部分逐渐添加和移除材料。这些芯片要复杂得多，有数十亿个晶体管，这些步骤是由机器而不是手工完成的。Zeloof 第二代芯片上的晶体管比第一代速度快大约 10 倍，并且具有小至 10 微米的尺寸。
8 月，Zeloof 将 Z2 连接到40多年寿命的惠普半导体分析仪上进行测试，出现的电流-电压曲线意味着芯片可以work。“这条曲线令人惊叹，”Zeloof 说，“在你整天把这些小碎片浸入装有化学品的烧杯中后，现在的这个反应就好像生命的迹象一样。”
芯片制作成功后是如何庆祝的？“发推！”Zeloof 说。他的项目赢得了众多 Twitter的关注以及数百万YouTube 播放量，甚至 1970 年代的半导体行业资深人士都关注了这件事，并向他提供了一些实用技巧。
Zeloof 表示，他不确定今年春天毕业后想做什么，但他一直在思考 DIY 芯片制造在现代科技生态中的作用。在许多方面，DIY 实验从未如此强大：机器人设备和 3D 打印机很容易买到，Arduino 微控制器和 Raspberry Pi 等创客友好型硬件也使得硬件开发更加容易。“但这些芯片仍然是在某些大工厂生产的，”Zeloof 说。“在芯片制造方面的DIY进展非常受限。”
Ellsworth 的自制晶体管启发了 Zeloof，高质量的动手打造芯片制造可能很有价值。“我们今天拥有的工具可以让小规模运营触手可及，对于某些问题，我认为这很有意义。”Ellsworth 表示，被领先晶圆厂视为过时的芯片加工技术仍然对工程师有用。
Zeloof 最近升级了他的光刻机，可以打印小至约 0.3 微米或 300 纳米的尺寸，这与 90 年代中期的商业化芯片的制程大致相当。现在，他正在考虑可以实现英特尔4004的芯片功能。“我想进一步推动车库芯片文化，让人们对在家中制造芯片感兴趣起来。”他表示。
*来源：编译自wired