95 后 B 站 UP 主低成本 DIY 微纳米级光刻机!挑战芯片制造最难环节

2020/7/8 14:28:14 来源:大数据文摘微信公众号 作者:笪洁琼 责编:骑士

2020 年可以说是国产芯片制造商的生死时刻。

时隔一年,美国再次打压华为,之后所有给华为生产芯片的代工厂只要涉及美国技术和设备,都必须经美国同意。并且,美国还在千方百计阻止 “台积电”给华为供应 7 纳米芯片。

整个芯片生产流程中,最让国人头疼的还是光刻机。作为芯片制造中最重要的一环,光刻机占据了芯片成本的 1/3 以上,可以说是集成电路生产线中最昂贵复杂的核心设备。贵、重要、技术难攻、ASML 是围绕着光刻机的关键词,光刻机制造也因此被誉为工业上的皇冠。

目前在光刻机制造赛道,全球基本只有日本和荷兰两大玩家,因为近期的芯片卡脖子事件,光刻机正成为中国目前最需要克服的尖端技术,没有之一。正因如此,有段时间网上还流传一个段子,疫情期间,某光刻机技术大国想买我国口罩,有人大胆献上一计:拿光刻机技术来换口罩!

虽然是个玩笑,但由此可见光刻机的技术之重要,制造之艰难。

不过最近,B 站上一位本科生自制光刻机的视频火了。是的,你没听错,一位大连理工大学化工学院的 Up 主彭译锋,竟然凭着一张图纸给成功在家里搭建了微纳米光刻机,还成功光刻出~ 75 微米(75000 纳米)的孔径,被网友盛赞:后浪可畏!

更让人惊掉下巴的是,这位同学还在读本科,整个制造过程都是在一间超简陋的小书桌上完成的,全部数学演算全靠一张白板,所有的材料都堆放在桌上地上,简直就是 “家居实验室模范”。

大概长这个样子👇,非常接地气了。

下面是视频。

彭同学在视频中表示,他制造光刻机的图纸来自自己西安电子科技大学的同学,图纸大概长下图这个亚子。彭同学也正是凭借着这张图纸,完整复刻了整台微纳米级光刻机。

小彭同学拿到图纸第一反应:这不是两台显微镜嘛?

其实早在今年 5 月,彭同学已经发布了一个半导体光刻教程 - 1CM 工艺教程成果,目前 75μm 工艺是在 1cm 的研究上研究出来的,当时由于时间有限,所以他之前完成了一层,真正量产的芯片不止一层哈,这里是做一个简单的示范。

在他的其它视频中是有做准备工作的,比如培养单晶硅片,需要把整个硅片的表面全部用氧化层覆盖。光刻掩板也需要小心放置,非常的脆弱,容易直接碎掉。Nmos 板掩盖部分还需要上胶水。

他目前的研究成果花了大概半年自己琢磨出来的,最早的兴趣来自高中的时候,那个时候还没有视频和资料,但是他就是想自研芯片。

并且彭同学也想通过视频给大家证明,环境怎么样不重要,有动手能力和兴趣就足够啦!

专业技术,超低成本,挑战自制光刻机的极限

小彭同学在一段 21 分钟的快进视频中呈现了自制光刻机的整个过程。

首先他先自建微纳米平台,两台显微镜加一个激光雕刻机等部件就位。雕刻机的功率是 500 毫瓦。由于硅片具有反射性,所以在雕刻时必须要带上护目镜。

左边这台带屏幕的显微镜还是找同学借的,主要是用来观察实验结果的。

还有悬涂设备,用来悬涂比较大的设备。用显微镜改装成微缩光刻机,用普通的镜头先对焦,对焦好以后再用光刻的镜头进行操作。

光刻镜头是用锡纸改装的,起到散热和遮蔽外泄紫外线的作用。连接线加 LED 紫外灯,大约 10 瓦的功率,由于紫外线容易对人体造成伤害,所以务必要用锡纸做遮掩,镜头里也需要掩膜以及游标卡尺,黄光灯来配合。

芯片少不了光刻胶这种原料,小彭同学花了不少力气,终于淘到了一小瓶光刻胶(150 元),光刻胶的外袋是黑色遮光的,但 Bug 的是装光刻胶的瓶子却是透明的,所以说不能一拿到手就打开,一旦随意打开就容易全部曝光了,最好是在黄光(特定区域)的背景下打开。还要把光刻胶进行分装,大概每次 3-4ml,取胶剂、显影液的就准备自己调试一下。

由于光刻胶的瓶子都是日本进口的,小彭同学不仅感叹:我们还有很多需要学习的地方,比起现有的技术还有很大的距离。

配置显影液,使用袋装的氢氧化钠,为什么没有用成品显影液呢?因为小彭同学还是学生,预算不够,仅有的钱拿去买光刻胶了,配上某臣氏的蒸馏水,虽然不是链子级别的超纯水和去离子水,但是蒸馏水也能凑合。经过反复调试,配置的显影液的 PH 值大概在 9.3 左右,需要配置 500ml 左右。

再就是预热加热台,110°C,打开除湿用的净化器。

仔细阅读光刻胶说明书。把玻璃片进行悬涂之前,要用氮气除去表面的灰尘。

再开始滴一些光刻胶,就可以开始悬涂了。细节部分也很充分,风扇的转数需要达到 4000 转以上,否则达不到效果。

悬涂完成后放在预热好的加热台上,放置时间为 90 秒,过程中最好用锡纸盖上,以免灰尘异物落在玻璃片上。

接下来就可以进行工艺参数的设置,速度调成 2000 左右,功率调到 40%,选择点雕刻,并选择每 mm 两个点,停留时间为 2 毫秒,全部设置好后,开启热光模式。

然后进行对焦,就可以开始光刻了。

再拿出刚配好的显影液,不要倒太多,以免浓度过高,没有空间可以稀释以及补充碱液。

配置妥当后,反影就可以开始了。玻璃片的表面会有红色物质生成,是重新溶解的光刻胶。

由于是自配的显影液,所以在某些参数的位置掌握得不太好。

显像的位置不是很明显,只能看到一片玻色显影。

如果要看详细的,只能在显微镜下面看,有的地方是被腐蚀的不是很好。并在中等位列的情况下,是可以看到做出来的效果还可以,黑影的位置是在刚刚处理的不够充分,还缺少一些腐蚀时间。

最高分辨率的情况下,一个点的结构:

根据对孔径的测量,大概是 75μm 的直径。

网友评论:用最简陋的设备尝试最有趣的事

目前,小彭同学的视频在 b 站上已经有了近 20 万的播放量。网友们对此评价也相当高,淦翻英特尔!

有的网友劝毕业后直接去上海微电子应聘,评论区也有博世精密大佬邀请一起合作研发~

光刻机技术目前属于尖端技术,那是因为我们还尚未突破,一旦突破了,就不是尖端了!

话说,一旦突破了,说不定就真的光刻机满地跑啦~

U1S1,回到当下现实,确实如此,卡脖子什么时候可以停?

光刻机制造卡脖子,中国何时能摘取这只 “工业上的皇冠”?

光刻机技术一直被誉为 “工业之光”“工业上的皇冠”,整套制作真的非常难。

目前国内最为先进的技术在上海微电子的,国产光刻机精度大约是 28 纳米,中芯国际目前掌握的技术为 14 纳米,而华为目前所需的芯片精度为 5 纳米和 7 纳米。

成功生产半导体芯片的技术主要分成,湿洗、光刻、离子注入、干蚀刻、湿蚀刻、等离子冲洗、热处理、快速热退火、退火、热氧化、化学气相淀积(CVD)、物理气相淀积(PVD)、分子束外延(MBE)、电镀处理、化学 / 机械处理、晶圆测试和晶圆打磨,经过这些步骤都成功后,才能出厂封装。

这里文摘菌简单罗列一下晶圆制作的一些必要步骤。

第一步:湿洗,主要是用试剂保持硅晶圆表面杂质。

第二步:光刻,用紫外线透过蒙版照射硅晶圆,被照射的位置就会被洗掉,因为还没加入杂质,所以还是一片硅晶圆。

第三步:离子注入,在硅晶圆不同的位置加入不同的杂质,不同的杂质和浓度还有位置就组成了场效应管。

第四步:干蚀刻,用等离子洗掉不需要的光刻形状。

第五步:湿蚀刻,用试剂来进一步洗掉。PS:以上步骤不止做一次,需要达到场效应管的要求,可能需要重复以上步骤。

第六步:热处理,通过大功率照射平台将硅晶圆片照射到规定的高温,然后再冷却,这步是为了让注入的离子能更好的被启动以及热氧化,还有退火和热氧化,要制作出二氧化硅。

第七步:化学气相淀积(CVD),精细处理表面物质。

第八步:物理气相淀积(PVD),精细表面处理。

第九步:分子束外延(MBE),如果有长单晶就需要这步。

第十步:电镀处理。

第十一步:化学 / 机械处理。

第十二步:晶圆测试。

第十三步:晶圆打磨以及出厂。

看着步骤挺多,但是再看看制作工序,其中的第二步就是光刻,也就是说,如果我们还没有掌握 5 纳米和 7 纳米的技术工艺,后面的工艺基本就无法继续。所以这个光刻机技术卡脖子的位置就是在这里。

而目前的情况是,华为等一系列企业已被纳入管制企业,直接卡脖子的操作,极有可能让企业的正常研发和产出无法落地,一旦无法落地就等于一切都没了。

为了能研发出我们国家的自产芯片,不知道有多少优秀的人才正在日以继夜的进行苦心钻研,早日国产化,突破卡脖子,是我们每一个中国人的心愿。

就像小彭同学的评论里说的那样:他放上这个手把手微纳加工平台的组装教学视频,以专业技术、超低成本,挑战自制光刻机的极限 - 75μm 工艺,只为唤醒更多后浪们对科技的追求和探索!

我们也祝他,早日梦想成真。

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关键词:光刻机芯片

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