你是否還記得2021年8月，那位22 歲的美國紐澤西小夥 Sam Zeloof，宣布自己獨立完成了一顆1200個半導體的晶片，日前他又表示自己正在開發第三代晶片，可以實作加法器功能。
Zeloof 用到了一系列回收的半導體裝置，他将矽晶圓切薄，用紫外線對其進行顯微設計圖案化，然後将它們浸泡在酸中，并在 YouTube 和他的部落格上記錄了這一過程。有趣的是，他家距離全球首個制造出半導體的貝爾實驗室，僅30英裡的路程。
2018 年，高三的他自己制作了第一代晶片 Z1 隻包含 6 個半導體，屬于一塊純粹的制程與裝置測試晶片。Z2是在 10 微米制程上內建了1200個半導體。盡管制程遠落後于英特爾，但Zeloof 開玩笑道，第二個晶片的半導體數量是第一個的200倍，已經遠超“摩爾定律”。
Zeloof 現在希望能夠趕上英特爾 1971 年推出的 4004 晶片，這是第一個商用微處理器，它有 2300 個半導體，用于電腦和其他商用機器。12 月，他開始研究可以執行簡單加法的電路設計。
Zeloof 表示，讓DIY晶片變得更容易将促進科技領域的創新。攝影：SAM KANG
在 Zeloof 的車庫外，新冠疫情引發了全球半導體短缺，從汽車到遊戲機的産品供應陷入困境。經過數十年的離岸外包之後，目前美國正在重塑自己的晶片制造業。
車庫制造的晶片不會為你的 PlayStation 提供動力，但 Zeloof 表示，他的這一愛好讓他相信，即便沒有數百萬美元的預算，愛好者同樣可以接觸到晶片制造過程。“晶片高進入門檻會讓你極度厭惡風險，這對創新不利。”Zeloof 說。
2018年，高中三年級時，Zeloof 開始制作自己的晶片。發明家和企業家Jeri Ellsworth 的 YouTube 視訊給他留下了深刻的印象，她在視訊中制作了拇指大小的半導體，其中包括用乙烯切割模闆。Zeloof 着手複制 Ellsworth 的項目，并采取他認為合乎邏輯的下一步：從孤立的半導體到內建電路，曆史上大約需要十年的時間。Ellsworth現在是一家名為 Tilt Five 的增強現實初創公司的首席執行官，她稱贊Zeloof道：“他把它（DIY晶片）向前推進了一大步。提醒世界，這些看似遙不可及的行業都是從一個不起眼的地方開始，你可以自己做，這具有巨大的價值。”
計算機晶片制造有時被描述為世界上最困難和最精确的制造過程。當 Zeloof 開始在部落格上介紹他的項目目标時，一些行業專家通過電子郵件告訴他這是不可能的。“老實說，這樣做的原因是因為我認為這很有趣，不過當我聽到這件事不可能時，我确實更加小心謹慎了。”
Zeloof 的家人表示支援，但也很謹慎。他的父親請一位他認識的半導體工程師提供一些安全建議。這位在半導體公司工作40年，如今是OLED制造相關的工程師Mark Rothman表示：“我的第一反應是這不可能，這隻是一個車庫。”而看到Zeloof的進步後，Rothman頗感震驚，并表示“他做了我從未想過有人會做的事情。”
Zeloof 的項目涉及曆史和工程。現代晶片制造在其昂貴的潔淨間中，裝置高達數十億美元。Zeloof 無法比對這些技術，是以他閱讀了 1960 年代和 70 年代的專利和教科書，當時仙童半導體等先驅公司的工程師僅在普通工作台上制造晶片。“他們當年使用了 X-Acto 刀片、膠帶以及燒杯，而不是這些大型裝置。”Zeloof說。
Zeloof 還必須為他的實驗室配備老式裝置。在 eBay 和其他拍賣網站上，他發現了 1970 年代和 80 年代的廉價裝置，這些裝置曾經屬于已關閉的加州科技公司。盡管許多裝置需要修理，但舊機器比現代實驗室機器更容易修理。Zeloof 最好的發現之一是一台破損的電子顯微鏡，在 90 年代初價值 250,000 美元，他隻花了 1,000 美元購買及修理，用來檢查晶片的缺陷。
Zeloof的車庫實驗室
有時 Zeloof 不得不即興發揮。就像在真正的晶片工廠中一樣，他想使用一種稱為光刻的工藝将他的微觀細節設計轉移到他的裝置上。它涉及将光敏材料塗在晶圓上，并使用像超精密投影儀這樣的裝置在MASK層進行刻錄。光刻機價格昂貴（高達 1.5 億美元），是以 Zeloof 在亞馬遜上購買了一台經過改進的會議室投影儀固定在顯微鏡上，進而制造了自己的光刻機。它将他的設計以微小的規模投射到矽晶片上，Zeloof 用對紫外線敏感的材料塗敷。
2018 年，Zeloof開發了一個帶有六個半導體的簡單放大器，當時一位代課老師指導學生做功課。Zeloof非常喜歡Grateful Dead樂隊，是以他的晶片上都有那隻跳舞的小熊，用來表示對Grateful Dead的熱愛。
Z2與小熊，每個Z2包含100個半導體，12個組成一個“封裝”
Z2全貌
Z1 使用的半導體被Zeloof 稱為“1970 年代的産物”，其特征線寬為 175 微米，大約是頭發的寬度。他将這些晶片放在一個電路闆上工作，該電路闆會閃爍一個 LED 和一個吉他失真踏闆。
2018年末，Zeloof 開始在卡内基梅隆大學學習電氣工程，同時在他的宿舍裡進行開發，盡管他表示遵守安全規程，但大學仍不允許其在宿舍裡使用 X 光機。不過他在家中更新了他的設定，為他的第二個晶片 Z2 做準備。它使用一種更快的開關半導體設計，這種設計基于一種稱為多晶矽原材料，這種晶片在 1970 年代占據主導地位。
Zeloof 在一個自制的小型轉盤上以每分鐘 4,000 轉的速度手工切割的半英寸見方的多晶矽，每一個都成為一個單獨的晶片，并在其上仔細塗上感光材料，然後利用自己的光刻機進行開發。一個由 12 個電路組成的網格，每個電路有 100 個半導體（和一隻跳舞的熊），總共有 1,200 個半導體。
Zeloof 的第一款晶片 Z1 是在 2018 年制造的，當時他還在上高中，擁有六個半導體。
他的第二個晶片 Z2 于 2021 年 8 月完成，擁有 1,200 個半導體。
Zeloof 正在開發 Z3，這是一款能夠實作加法器的晶片，作為完整微處理器的一個步驟。攝影：SAM KANG
然後用酸蝕刻每個晶片，并在大約 1,000 攝氏度的爐子中烹煮，以烘烤磷原子調整其導電性。然後分别進行三輪光刻，包括紫外線刻蝕等。今天的商業晶圓廠以大緻相似的方式生産晶片，使用一系列步驟在設計的不同部分逐漸添加和移除材料。這些晶片要複雜得多，有數十億個半導體，這些步驟是由機器而不是手工完成的。Zeloof 第二代晶片上的半導體比第一代速度快大約 10 倍，并且具有小至 10 微米的尺寸。
8 月，Zeloof 将 Z2 連接配接到40多年壽命的惠普半導體分析儀上進行測試，出現的電流-電壓曲線意味着晶片可以work。“這條曲線令人驚歎，”Zeloof 說，“在你整天把這些小碎片浸入裝有化學品的燒杯中後，現在的這個反應就好像生命的迹象一樣。”
晶片制作成功後是如何慶祝的？“發推！”Zeloof 說。他的項目赢得了衆多 Twitter的關注以及數百萬YouTube 播放量，甚至 1970 年代的半導體行業資深人士都關注了這件事，并向他提供了一些實用技巧。
Zeloof 表示，他不确定今年春天畢業後想做什麼，但他一直在思考 DIY 晶片制造在現代科技生态中的作用。在許多方面，DIY 實驗從未如此強大：機器人裝置和 3D 列印機很容易買到，Arduino 微控制器和 Raspberry Pi 等創客友好型硬體也使得硬體開發更加容易。“但這些晶片仍然是在某些大工廠生産的，”Zeloof 說。“在晶片制造方面的DIY進展非常受限。”
Ellsworth 的自制半導體啟發了 Zeloof，高品質的動手打造晶片制造可能很有價值。“我們今天擁有的工具可以讓小規模營運觸手可及，對于某些問題，我認為這很有意義。”Ellsworth 表示，被領先晶圓廠視為過時的晶片加工技術仍然對工程師有用。
Zeloof 最近更新了他的光刻機，可以列印小至約 0.3 微米或 300 納米的尺寸，這與 90 年代中期的商業化晶片的制程大緻相當。現在，他正在考慮可以實作英特爾4004的晶片功能。“我想進一步推動車庫晶片文化，讓人們對在家中制造晶片感興趣起來。”他表示。
來源：編譯自wired