这位美国高中生在车库里自制了芯片。

在你的车库里做薯片？还用光刻？别惊讶。有些人在国外做，现在还是高中生。

美国男孩萨姆泽洛夫(Sam Zeloof)从高中起就一直试图自己开发芯片。Zeloof说，他第一次看到一个博主分享油管上自制晶体管的视频，非常感兴趣，于是开始收集制作芯片所需的原材料和二手设备，为芯片制造做准备。

2018年4月，17岁的Zeloof发布了自己研发的第一代芯片Z1。Z1采用5微米PMOS工艺(指N型衬底、P沟道、通过空穴流动传输电流的MOS管)。虽然只有6个晶体管，但Z1更像是Zeloof的器件测试芯片。在逐步调试设备，掌握芯片的生产工艺后，Zeloof未来的目标是制造英特尔历史上第一款处理器英特尔。

Zeloof说，他用第一个芯片做了一些很酷的项目，比如LED闪光器和吉他的失真效果器。虽然都工作良好，但问题也很明显，比如mosfet(一种可以广泛应用于模拟电路和数字电路的场效应晶体管)的阈值电压较高，需要连接1-2节9V电池。Zeloof想在他的新一代芯片上解决这个问题。

终于，今年Zeloof的新一代芯片Z2来了，他在个人博客(http://Sam . zelof . XYZ)上分享了自己升级版Z2芯片的全过程。

报道称，Z2芯片采用10微米多晶硅栅技术，可容纳100个晶体管，与英特尔4004处理器的技术相同。Z2芯片是一个简单的1010晶体管阵列，用于测试、表征和调整，但它是向更先进的DIY计算机芯片迈出的一大步。

Zeloof制作了一个由12个晶体管组成的阵列，因此整个硅片集成了1200个晶体管，而英特尔的第一个处理器英特尔4004只有2000个晶体管。Zeloof表示，“人工车间”生产的Z2芯片目前已经达到了很好的复杂程度。毕竟，他一个人做了上世纪70年代一群英特尔人做的事，Zeloof说他很快会做出更有趣的电路。

现在我们来看看Zeloof是如何在他的车库里开发Z2芯片的。

Zeloof表示，这款新芯片采用多晶硅栅工艺制造，其阈值电压只有1伏左右，可以在极低的电压下很好地工作。同时，其逻辑电压可以低至3.3伏至5伏，因此功耗更低，可以封装成更小的芯片。

令人惊讶的是，Z2芯片的第一个过程其实是从PS开始的。Zeloof表示，之所以用PS进行芯片设计，是因为PS比一些复杂的专业芯片设计软件使用起来更方便。

Z2芯片的制造从200毫米晶圆开始。这些最初的晶片相对较大，所以Zeloof首先用钻石划片将晶片切成半英寸见方的小块。

Zeloof首先需要是芯片的掺杂层，可以形成mosfet的源极和漏极。他把切好的晶圆放在旋转机上，然后在上面沉积光刻胶，只需要100微升左右的光刻胶就可以覆盖整个晶圆，然后以4000转/分的速度旋转30秒，将多余的光刻胶旋出。

然后，将晶片在电热板上以约95度干燥1分钟，以除去剩余的溶剂，在溶剂干燥后将留下固体膜。

然后，晶片被送到自制的无掩模掩模对准器进行曝光。目的是将PS中的图像投射到芯片上，利用一些光学器件将图像缩小，通过dlp投影仪投射到芯片上。晶圆中心的蓝点是整个曝光场，持续约9秒。一次曝光后，继续移动晶圆以曝光其他区域。

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下一个步骤是显影。首先把晶圆放在一定百分比的氢氧化钾溶液中约一分钟，从而蚀刻掉暴露的光刻胶部分，接着用水洗去残留的显影剂，并用显微镜检查以确保一切正常，如果出现了问题可以把光刻胶层揭掉，然后用不同的曝光或显影时间再来一次。

光刻的图像是在光刻胶层中形成的，下一步是要用蚀刻剂把图像转移到多晶硅层，因此暂时不需要光刻胶掩膜层，可以用丙酮将其剥离。

随后对芯片进行清洁干燥，然后加上磷溶液并进行旋转，接着在一千多摄氏度的高温下烘烤45分钟，这样才能将磷原子转移到刚才用光刻胶形成的小井中，以形成mosfet的源极和漏极。

接着重复旋涂、烘烤、显影的过程，制作出芯片的栅极层以及接触层。

晶圆在高温步骤后表面会有一层绝缘的二氧化硅覆盖，因此在接触层掩膜结束后，还要用氢氟酸（美剧《绝命毒师》中的“化尸水”，虽然是弱酸但腐蚀性惊人，玻璃容器也能腐蚀，化工学子们有道“宁用硫酸盐酸硝酸不用氢氟酸”）或者三氟甲烷之类的试剂进行刻蚀，从而剥离绝缘体来确保通电。

然后将晶圆放入真空室，来蒸发一个约1微米厚的铝层，然后再重复整个光刻过程，炫图曝光和显影，以形成金属层。

最后给晶圆进行磷酸浴，以蚀刻残留的铝，一枚芯片就这样产生了。

但这并不意味着整个芯片生产流程的完成，还需要对制作的芯片进行检查，例如测量栅极的长宽和层厚等参数；用探针台检测晶体管的完好程度。当然，这一步相当繁琐而且这些晶体管非常小，所以连接这些晶体管并不容易。

最后，用一台上世纪80年代生产的老货惠普4145A精密半导体参数分析仪，来对晶体管进行电流、电压测试。

Zeloof制造的晶体管测量后得到的N沟道mosfet的I-V曲线（电流、电压特性曲线，通常用作工具确定和理解组件或设备的基本参数，并且还可以用于在电子电路中对其行为进行数学建模），Zeloof表示最后结果还算不错。

当然，实际的芯片制造过程远没有上述介绍的那么简单，即便是Zeloof在车库中自制的芯片良品率也并不算高，一般12个Z2芯片中只有一个是完全没有缺陷的，剩下的大约只能实现80%的功能，生产流程还需要不断调整和完善。

Zeloof表示，在开始自制芯片这个项目之前并不知道自己将进入哪个领域获得什么，通过这段车库自制芯片经历，他在物理、化学、光学、电子学以及诸多学科领域中学到的东西远超自己的想象。

Zeloof从2017年开始在博客中陆续分享的他的项目，获得了不少积极的反馈，有不少芯片专业人士以及爱好者与他联系，甚至得到了一位上世纪70年代使用类似芯片生产流程的资深工程师的帮助。就像Zeloof受他人影响开始了自己的车库芯片项目，Zeloof也希望自己的经历能激励他人对手工制造芯片的热爱。

*注：本文图片来自Zeloof个人网站及网络视频截图。