95後up主低成本DIY納米級光刻機!一紙一桌研究半年,挑戰最難環節
2020-11-23 騰訊網
大數據文摘出品
作者：笪潔瓊
2020年可以說是國產晶片製造商的生死時刻。
時隔一年，美國再次打壓華為，之後所有給華為生產晶片的代工廠只要涉及美國技術和設備，都必須經美國同意。並且，美國還在千方百計阻止「臺積電」給華為供應7納米晶片。
整個晶片生產流程中，最讓國人頭疼的還是光刻機。作為晶片製造中最重要的一環，光刻機佔據了晶片成本的1/3以上，可以說是集成電路生產線中最昂貴複雜的核心設備。貴、重要、技術難攻、ASML是圍繞著光刻機的關鍵詞，光刻機製造也因此被譽為工業上的皇冠。
目前在光刻機製造賽道，全球基本只有日本和荷蘭兩大玩家，因為近期的晶片卡脖子事件，光刻機正成為中國目前最需要克服的尖端技術，沒有之一。正因如此，有段時間網上還流傳一個段子，疫情期間，某光刻機技術大國想買我國口罩，有人大膽獻上一計：拿光刻機技術來換口罩！
雖然是個玩笑，但由此可見光刻機的技術之重要，製造之艱難。
不過最近，B站上一位本科生自製光刻機的視頻火了。是的，你沒聽錯，一位大連理工大學化工學院的Up主彭譯鋒，竟然憑著一張圖紙給成功在家裡搭建了納米級光刻機，還成功光刻出~75微米（75000納米）的孔徑，被網友盛讚：後浪可畏！
更讓人驚掉下巴的是，這位同學還在讀本科，整個製造過程都是在一間超簡陋的小書桌上完成的，全部數學演算全靠一張白板，所有的材料都堆放在桌上地上，簡直就是「家居實驗室模範」。
大概長這個樣子，非常接地氣了。
彭同學在視頻中表示，他製造光刻機的圖紙來自自己西安電子科技大學的同學，圖紙大概長下圖這個亞子。彭同學也正是憑藉著這張圖紙，完整復刻了整臺納米級光刻機。
小彭同學拿到圖紙第一反應：這不是兩臺顯微鏡嘛？
其實早在今年5月，彭同學已經發布了一個半導體光刻教程-1CM工藝教程成果，目前75μm工藝是在1cm的研究上研究出來的，當時由於時間有限，所以他之前完成了一層，真正量產的晶片不止一層哈，這裡是做一個簡單的示範。
在他的其它視頻中是有做準備工作的，比如培養單晶矽片，需要把整個矽片的表面全部用氧化層覆蓋。光刻掩板也需要小心放置，非常的脆弱，容易直接碎掉。Nmos板掩蓋部分還需要上膠水。
他目前的研究成果花了大概半年自己琢磨出來的，最早的興趣來自高中的時候，那個時候還沒有視頻和資料，但是他就是想自研晶片。
並且彭同學也想通過視頻給大家證明，環境怎麼樣不重要，有動手能力和興趣就足夠啦！
專業技術，超低成本，挑戰自製光刻機的極限
小彭同學在一段21分鐘的快進視頻中呈現了自製光刻機的整個過程。
首先他先自建微納米平臺，兩臺顯微鏡加一個雷射雕刻機等部件就位。雕刻機的功率是500毫瓦。由於矽片具有反射性，所以在雕刻時必須要帶上護目鏡。
左邊這臺帶屏幕的顯微鏡還是找同學借的，主要是用來觀察實驗結果的。
還有旋塗設備，用來旋塗比較大的設備。用顯微鏡改裝成微縮光刻機，用普通的鏡頭先對焦，對焦好以後再用光刻的鏡頭進行操作。
光刻鏡頭是用錫紙改裝的，起到散熱和遮蔽外洩紫外線的作用。連接線加LED紫外燈，大約10瓦的功率，由於紫外線容易對人體造成傷害，所以務必要用錫紙做遮掩，鏡頭裡也需要掩膜以及遊標卡尺，黃光燈來配合。
晶片少不了光刻膠這種原料，小彭同學花了不少力氣，終於淘到了一小瓶光刻膠（150元），光刻膠的外袋是黑色遮光的，但Bug的是裝光刻膠的瓶子卻是透明的，所以說不能一拿到手就打開，一旦隨意打開就容易全部曝光了，最好是在黃光（特定區域）的背景下打開。還要把光刻膠進行分裝，大概每次3-4ml，取膠劑、顯影液的就準備自己調試一下。
由於光刻膠的瓶子都是日本進口的，小彭同學不僅感嘆：我們還有很多需要學習的地方，比起現有的技術還有很大的距離。
配置顯影液，使用袋裝的氫氧化鈉，為什麼沒有用成品顯影液呢？因為小彭同學還是學生，預算不夠，僅有的錢拿去買光刻膠了，配上某臣氏的蒸餾水，雖然不是鏈子級別的超純水和去離子水，但是蒸餾水也能湊合。經過反覆調試，配置的顯影液的PH值大概在9.3左右，需要配置500ml左右。
再就是預熱加熱臺，110°C，打開除溼用的淨化器。
仔細閱讀光刻膠說明書。把玻璃片進行懸塗之前，要用氮氣除去表面的灰塵。
再開始滴一些光刻膠，就可以開始懸塗了。細節部分也很充分，風扇的轉數需要達到4000轉以上，否則達不到效果。
懸塗完成後放在預熱好的加熱臺上，放置時間為90秒，過程中最好用錫紙蓋上，以免灰塵異物落在玻璃片上。
接下來就可以進行工藝參數的設置，速度調成2000左右，功率調到40%，選擇點雕刻，並選擇每mm兩個點，停留時間為2毫秒，全部設置好後，開啟熱光模式。
然後進行對焦，就可以開始光刻了。
再拿出剛配好的顯影液，不要倒太多，以免濃度過高，沒有空間可以稀釋以及補充鹼液。
配置妥當後，反影就可以開始了。玻璃片的表面會有紅色物質生成，是重新溶解的光刻膠。
由於是自配的顯影液，所以在某些參數的位置掌握得不太好。
顯像的位置不是很明顯，只能看到一片玻色顯影。
如果要看詳細的，只能在顯微鏡下面看，有的地方是被腐蝕的不是很好。並在中等位列的情況下，是可以看到做出來的效果還可以，黑影的位置是在剛剛處理的不夠充分，還缺少一些腐蝕時間。
最高解析度的情況下，一個點的結構：
根據對孔徑的測量，大概是75μm的直徑。
網友評論：用最簡陋的設備嘗試最有趣的事
目前，小彭同學的視頻在b站上已經有了近20萬的播放量。網友們對此評價也相當高，淦翻臺積電！
有的網友勸畢業後直接去上海微電子應聘，評論區也有博世精密大佬邀請一起合作研發~
光刻機技術目前屬於尖端技術，那是因為我們還尚未突破，一旦突破了，就不是尖端了！
話說，一旦突破了，說不定就真的光刻機滿地跑啦~
U1S1，回到當下現實，確實如此，卡脖子什麼時候可以停？
光刻機製造卡脖子，中國何時能摘取這隻「工業上的皇冠」？
光刻機技術一直被譽為「工業之光」「工業上的皇冠」，整套製作真的非常難。
目前國內最為先進的技術在上海微電子的，國產光刻機精度大約是28納米，中芯國際目前掌握的技術為14納米，而華為目前所需的晶片精度為5納米和7納米。
成功生產半導體晶片的技術主要分成，溼洗、光刻、離子注入、幹蝕刻、溼蝕刻、等離子衝洗、熱處理、快速熱退火、退火、熱氧化、化學氣相澱積（CVD）、物理氣相澱積（PVD）、分子束外延（MBE）、電鍍處理、化學/機械處理、晶圓測試和晶圓打磨，經過這些步驟都成功後，才能出廠封裝。
這裡文摘菌簡單羅列一下晶圓製作的一些必要步驟。
第一步：溼洗，主要是用試劑保持矽晶圓表面雜質。第二步：光刻，用紫外線透過蒙版照射矽晶圓，被照射的位置就會被洗掉，因為還沒加入雜質，所以還是一片矽晶圓。第三部：離子注入，在矽晶圓不同的位置加入不同的雜質，不同的雜質和濃度還有位置就組成了場效應管，第四步：幹蝕刻，用等離子洗掉不需要的光刻形狀。第五步：溼蝕刻，用試劑來進一步洗掉。PS：以上步驟不止做一次，需要達到場效應管的要求，可能需要重複以上步驟。第六步：熱處理，通過大功率照射平臺將矽晶圓片照射到規定的高溫，然後再冷卻，這步是為了讓注入的離子能更好的被啟動以及熱氧化，還有退火和熱氧化，要製作出二氧化矽。第七步：化學氣相澱積（CVD），精細處理表面物質。第八步：物理氣相澱積（PVD），精細表面處理。第九步：分子束外延（MBE），如果有長單晶就需要這步。第十步：電鍍處理。第十一步：化學/機械處理。第十二步：晶圓測試。第十三步：晶圓打磨以及出廠。
看著步驟挺多，但是再看看製作工序，其中的第二步就是光刻，也就是說，如果我們還沒有掌握5納米和7納米的技術工藝，後面的工藝基本就無法繼續。所以這個光刻機技術卡脖子的位置就是在這裡。
而目前的情況是，華為等一系列企業已被納入管制企業，直接卡脖子的操作，極有可能讓企業的正常研發和產出無法落地，一旦無法落地就等於一切都沒了。
為了能研發出我們國家的自產晶片，不知道有多少優秀的人才正在日以繼夜的進行苦心鑽研，早日國產化，突破卡脖子，是我們每一個中國人的心願。
就像小彭同學的評論裡說的那樣：他放上這個手把手微納加工平臺的組裝教學視頻，以專業技術、超低成本，挑戰自製光刻機的極限-75μm工藝，只為喚醒更多後浪們對科技的追求和探索！
我們也祝他，早日夢想成真。
相關報導：
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
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