中文

95后低成本DIY纳米级光刻机！

二维码
大数据文摘出品
作者：笪洁琼

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纳米级光刻机，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。
               
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。
               
还有旋涂设备，用来旋涂比较大的设备。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，就可以开始旋涂了。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。

旋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，淦翻台积电！
               
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。
第三部：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。

相关报道：
http://www.211ic.com/forum.php?gid=1
http://www.smee.com.cn/eis.pub?service=newsService&method=show_every_news&showform=news/showEveryNews.ftl&onclicknodeno=1_8_1&newseq=1589851133943&differ_net=0

*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，芯聚能转载仅为了传达一种不同的观点，不代表芯聚能对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系。


分享
微信
新浪微博
QQ
QQ空间
豆瓣网
百度贴吧
上一篇 挑战龙头的芯片“后浪”们
下一篇 IGBT是啥？看完这篇文章我不信你还不明白