從零開始造芯片!

今天,我將在自己的車庫裏做一件事 我要用業餘設備 復刻價值數十億美元的芯片 工廠裏最核心的工藝 這項工藝就是光刻 你可能知道 幾十年前的計算機是龐然大物 它們能填滿整個房間 由一個個獨立的晶體管構成 而現在 指甲蓋大小的CPU裏 能塞進數十億個晶體管 這一切的奇蹟 源於一項誕生於1950年代的技術 這項技術就是光刻 簡單來說 就是用光在半導體上雕刻 雕刻出的圖案極其精密 要想真正製造器件 我必須掌握光刻技術 於是我雄心勃勃地開始了計劃 可我沒想到 第一個問題差點讓我直接放棄 光刻的核心材料是一種化學品 它叫光刻膠 在光照後會發生化學變化 然而這種專業的化學品 在工業界隨處可見 實驗室裏也有 但對於我這樣的業餘愛好者來說 找到它比登天還難 我在網上找了很久 一無所獲 就在我快要絕望時 我找到了唯一的替代品 這玩意兒是未童設計的 它能不能粘在櫃上 能不能抵抗我那要命的氫復酸 分辨率夠不夠 我心裏全是問號 但別無選擇 只能硬着頭皮上了 有了光刻膠 下一步就是製作研磨板 它是用來遮光的圖案 工業上用的是昂貴的鍍鉻玻璃板 我當然用不起 於是我想到了一個絕妙的替代品 它就是學校裏用的那種投影儀膠片 我用激光打印機 把設計好的測試圖案打在膠片上 這臺打印機精度有1200DPI 理論上應該夠用了 可當我把打印好的膠片 放到顯微鏡下時 我傻眼了 打印出來的黑色線條 根本不是實心的 它們由無數細小的塑料碳粉顆粒組成 中間全是縫隙 這些縫隙會讓光漏過去 這會兒毀掉整個實驗 我退然地坐着 我盯着顯微鏡裏那糟糕的圖像 我感覺這個項目又要完蛋了 就在這時 一個念頭閃過我的腦海 我記得3D打印社區裏 有人用餅銅蒸汽來平滑打印件的表面 碳粉既然是塑料 是不是也行 我立刻找來一個培養民 我倒了點餅銅 我把膠片粘在蓋子上 進行蒸汽浴 奇蹟發生了 在顯微鏡下 我能清楚地看到那些碳粉顆粒慢慢融化 它們融合在一起 它們填補了所有的縫隙 10分鐘後 我得到了一張近乎完美的研磨板 爲了確保萬無一失 我還打印了兩張 我用膠水精確對齊 把它們粘在一起 這下總算夠黑了 下一步 是把這張脆弱的幹膜光刻膠 貼到小小的硅片上 這個過程叫層壓 它需要加熱加壓 我把芯片和幹膜 小心翼翼地送進一臺廉價的速風機 結果出來的成品慘不忍睹 全是氣泡 我試了一遍又一遍 我花了整整幾天 這幾乎要把我逼瘋了 成功率只有可憐的10% 我重新查閱了資料 我發現問題出在溫度和流程上 這臺速風機溫度太高了 直接熱壓會導致薄膜變形 於是我摸索出了一套新流程 先把芯片和幹膜冷壓一遍 讓它們初步貼合 然後關掉速風機 等它冷卻到合適的100攝氏度左右 再進行熱壓 這個簡單的改變 居然讓我的成功率 從10%飆升到了80% 那一刻我長長的輸了一口氣 我感覺自己像個 攻克了世紀難題的科學家 一切準備就緒 我將貼好膜的芯片蓋上研磨板 我用紫外線手電筒 從12英寸的高度照射了20秒 光透過研磨板的透明區域 它讓下方的光刻膠變得堅固 被遮擋的部分則保持原樣 然後我把它進入顯影液 顯影液就是碳酸鈉溶液 理論上 沒被照射的光刻膠會被溶解掉 但我又遇到了新問題 反應速度太慢了 溶解下來的廢料堆積在表面 這阻礙了新鮮的顯影液接觸 整個過程幾乎停滯 工業上用高壓噴槍解決 我沒有 於是我拿起一支小畫筆 我在芯片表面輕輕刷動 我手動攪動液體 果然 顯影時間縮短了 從可能損壞成品的三分鐘 縮短到了一分半 一個精確的模板 終於出現在了芯片表面 終於到了最終的決戰 我要用氫氟酸石刻 我準備了三種不同濃度的石刻劑 首先是2%濃度的除鏽劑 它比較溫和 我把芯片泡了進去 10分鐘 20分鐘 一切正常 可當時間超過30分鐘 災難發生了 光刻膠開始從邊緣脫落 石刻液滲入到保護層下方 造成了嚴重的測試 整個圖案都變得模糊不清 經過研究 我發現罪魁禍首不是氫氟酸 而是水 這種爲PCB設計的廉價光刻膠 根本不適合長時間泡在水溶液裏 這意味着 對於較厚的氧化層 我必須用更快的辦法解決戰鬥 於是我換上了10%濃度的瓷器石刻劑 只用了短短6分鐘 我在光刻膠失效前完成了任務 最後我用上了最強的玻璃石刻膏 3分鐘 僅僅3分鐘 300納米厚的氧化層 就被幹淨利落的石刻掉了 邊緣清晰 效果完美 雖然手一抖摔碎了一片 但看着碎片上那完美的石刻邊緣 我知道 我成功了 雖然磕磕絆絆 但我總算成功了 我用這些業餘的材料和土辦法 在車庫裏走通了芯片製造最關鍵的一步 我在硅片上留下了微米級的精確圖案