技术大牛用石子从零开始造 CPU
近日，YouTube 上一段从零开始造 CPU 的视频走红。博主名叫 Robert Elder，来自加拿大，擅长软件咨询与开发，目前成立了自己的软件公司。在视频中，Elder 展示了他从零开始造 CPU 的全部过程。
具体来说，整个过程总共分为 19 步：
以上就是制作 CPU 的完整步骤。
不过 Elder 表示，现代 CPU 的制造过程远比他所描述的更复杂，也更不明确，每一代新一代芯片通常都会改变在晶圆上构建特征的方式（不仅仅是在特征尺寸方面）。他在制作 CPU 的过程中也省略了很多重要的步骤和细节，比如光阻剂和显影液精确的的化学成分 / 浓度、在晶圆上构建特征的方式。
同时，Elder 还提醒大家，他在视频中使用的“光刻胶”和“显影剂”只是彩色道具，真的化学品相当危险，只能在通风良好的区域或通风橱中，并且使用适当的安全装置，才能使用它们。
Elder 表示，虽然业余爱好者不太可能自己造出尖端的纳米级芯片，但微米级的还是可行的。并且 YouTube 上另一博主 Sam Zeloof 确实试过。“如果你的光学系统正确的话，我认为你甚至可以用比他少得多的设备来制造一些基本的芯片”，Elder 在视频中提到。
Elder 提到的 Sam Zeloof 堪称天才少年。
2018 年，高三的 Sam Zeloof 在车库里制造了自己的第一代 Z1 芯片，该芯片只包含 6 个晶体管，属于一块纯粹的制程与设备测试芯片。今年大四的他，在掌握了更多芯片知识与工艺技能之后，做出了更进一步的尝试。这一次的 Z2 计划在 10 微米多晶硅栅极制程上容纳 100 个晶体管，这样的晶体管密度设计与英特尔推出的第一款处理器完全相同。
这块芯片包含一个简单的 10 x 10 晶体管阵列，用于测试、表征及调整制程，也作为迈向更先进 DIY 计算机芯片的重要一步。当初的英特尔 4004 包含 2200 个晶体管，而 Sam Zeloof 现在已经能够在同一块芯片上布设 1200 个晶体管。
这块芯片很小，大约是上一块芯片面积（2.4 平方毫米）的四分之一，所以检测工作很难进行。而每块芯片上都有一个简单的 10 x 10 N 沟槽 FET 阵列，可以为 Sam Zeloof 提供大量特性数据。因为设计非常简单，所以 Sam Zeloof 直接用 Photoshop 就完成了布局设置。每列 10 个晶体管共享一个公共栅极连接，每行与相信的晶体管串联在一起，共享同一源极 / 漏极端子。整个结构类似于 NAND 冷艳，但他这么设计只是为了让金属焊盘能足够大，降低探测难度。换句话说，如果每个 FET 都对应 3 个焊盘，那尺寸就太小了。
下图所示，为一个 10 微米 NMOS 晶体管，金属层上有轻微的未对准痕迹（左侧有一部分触点未能覆盖）。红线部分为多晶硅，蓝色则是源 / 漏栅极。
单 NMOS 晶体管到这里，Sam Zeloof 已经制作出一款运算放大器（Z1）与一个类似于内存的阵列（Z2）。尽管晶体管密度极低，但整个项目仍然非常有趣。具体制程还需要一点调整，但现在已经能够以稳定的方式制造高质量晶体管，接下来也应该可以设计出更复杂的数字与模拟电路。每个芯片的测试工作非常乏味，所以 Sam Zeloof 还打算自动化完成测试流程，并在成功后发布更多数据。
Sam Zeloof 已经制作了 15 个芯片（共 1500 个晶体管），而且其中至少有一个芯片实现了“功能完备”，至少两个芯片能实现“基本功能”—— 即至少约 80% 的晶体管能够正常工作。但目前 Z2 的产量数据还不乐观，最常见的缺陷出现在源或漏栅极同主体硅沟槽之间的短路上。顺带一提，Z1 的主要缺陷集中在栅极漏电或短路上。
有关 Z2 的“先栅极” 工艺可以阅读 Sam Zeloof 的博客：http://sam.zeloof.xyz/
在 Sam Zeloof 的博客中写道：整个制程工艺还有不少改进的空间，特别是应该与 CMOS 相兼容；但目前的方案至少简化了制造流程，也把必要工具控制在最低限度。
在理想情况下，1 微米厚的介电层（橙色）应该使用 CVD SiO2（可以在家中加工的 TEOS 氧化物），但我实际使用的是光刻胶。大多数光刻胶能够在 250°C 左右的烘烤下形成坚硬的永久介电层，可以直接替代 CVD 或 PECVD 氧化物。当然，这里也可以使用旋制氧化硅 / 溶胶凝胶。SiO2 蚀刻则是在由除锈剂或 RIE 制成的缓冲 HF 溶液中完成的。
下面就是拼合之后的晶片整体图了：
虽然还和先进的现代技术生产出来的芯片存在一定差距，但 Robert Elder 和 Sam Zeloof 向我们证明了，普通人也有徒手造芯片的可能。在芯片短缺的当下，如果有更多像他们一样充满创造力、想象力和动手能力，或许芯片危机也将迎来改变。
参考链接：
中国半导体设备及行业分析（汇总）
《2020年中国半导体设备行业市场研究报告》
《2020年中国半导体材料行业发展报告》
半导体系列专题报告
异构芯片研究框架合集
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