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复古构建:DIY光刻微特征制作

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在自己的家中学习如何使用光刻技术将设计缩小40倍。

在这个项目中,我们将使用光刻技术创建一个70年代风格的微观特征。在我们进一步讨论之前,我们应该确定这种DIY设置并不意味着要生产出适合现代应用的实用设备。我们正在构建这个以帮助我们了解老式IC制造过程中涉及的过程 - 并惊叹于过去50年来技术的进步。

 

硅和DIY晶体管的历史

集成电路是现代电子产品的核心,已经存在了数十年。令人惊讶的是,在适合指甲的设备上,每秒可以完成数十亿次计算,其中最小的细节仅为纳米宽度。

现代设备使用这样的精确设备,使得制造设施中的空气必须包含每立方米少于100个的灰尘颗粒。为了让您了解它的清洁程度,它比手术室更清洁。

在很大程度上,由于这些要求,在家里制作现代IC是不可能的。但是,您可以拥有在家中制造IC的经验,该IC将在20世纪60年代或70年代生产。毕竟,如果你看那个时代的照片,你会发现PCB制作发生在远不如任何手术室那么干净的环境中。

 

1967年在硅片上进行照片雕刻。注意缺乏高科技清洁设备。图片由IET档案博客提供。

 

在这个项目中,我们将从微设计,微光刻的第一步开始。

在我们继续之前,值得注意的是家庭整合的先驱,Jeri Ellsworth。埃尔斯沃思是第一个(如果不是第一个)在家里制造晶体管的业余爱好者之一。她的方法包括采用硅片,生长氧化物和添加触点以创建成功工作的FET。但是,使用这种方法一次只能制造一个晶体管,并且晶体管相当大(以英寸为单位)。  

如果这些晶体管的尺寸缩小了怎么办?如果可以添加图层怎么办?

该项目的目的是拍摄相当大的图像(2cm x 2cm)并将其缩小至至少2mm x 2mm。这意味着单个特征小于头发的宽度,并将为家庭中的集成电路提供基础。

 

我要特别感谢我的兄弟Toby Mitchell,他与我共同负责这个项目。如果没有他对科学的投入和能力,我将永远不会得到任何这项工作。

 

光学图像缩减

图像缩小是一个相当简单的过程,它涉及使用一系列镜头来获取紫外线(UV LED,白色LED)的点光源,准直光线,将光线聚焦在遮罩上,然后将遮罩图像缩小到工件。

下面显示了镜头设置的图表。在实验中,使用显微镜缩小掩模的投影,而不是使用定制镜头。显微镜能够将图像缩小400倍,但放大倍数为40用于测试目的。

 

图像缩小阶段的光学设置

 

所使用的非球面透镜是在eBay上发现的通用44mm LED准直器,价格仅为几美元。

 

44mm LED准直器。图片由  eBay提供。

 

准直透镜,艺术品和显微镜入口侧视图

 

初始实验的设置如下所示。请注意,显微镜侧面易于使用。显微镜抽取管(您看到的部分)与其正常位置成45度,这使得难以对准镜片。工件支架安装在可调节工作台上,以便能够聚焦突起。但随着时间的推移(由于重力),桌子会因自重而慢慢降低。因此,更容易将示波器放在侧面并使用平台对准镜头。

 

显微镜和镜头设置。LED熄灭。

 

显微镜和镜头设置。LED亮起,可以在40倍放大镜正上方看到投影。

 

显微镜和镜头设置。测试投影到黑色塑料上。

 

基板上的光刻胶膜

该行业使用旋涂材料作为光阻层,但由于我们无法获得这些化学品,我们使用干膜抗蚀剂代替。

该实验中的基板是FR2铜层压板,因为获得硅片不在我们的预算范围内,我们可以使用氯化铁(大量可用)来蚀刻铜。

以下是如何应用电影:

  1. 预热层压机

  2. 通过钢丝绒高度清洁铜,然后使用异丙醇(IPA)去除油脂

  3. 在氯化铁中蚀刻铜10秒钟。这做了几件事:

    1. 去除划痕

    2. 使铜平滑

    3. 清洁铜

    4. 使铜变暗,在显微镜下更容易看到

  4. 第二次清洁铜,但仅使用IPA

  5. 将干膜层压到铜上

请记住在安全光线(或低光照条件下)执行层压过程,因为您可能会暴露抗蚀剂并破坏基板。

准备好基材后,是时候准备曝光设置了!

 

面膜制作

掩模保存您希望曝光到工件上的图像。但要注意 - 你需要使用你打算放入铜中的图像的负片。

掩模上的黑暗区域将被蚀刻掉,光线区域将不受蚀刻剂的影响。因此,如果您想在工件上显示“hello”,则图像必须如下所示:

 

请注意,根据您使用的聚焦镜头数量,您的图像将被翻转。

 

可以使用喷墨或激光透明度来印刷掩模。重要的是图像是多么不透明,因为对比度越高,图像越好。暗区的不透明度越低,通过的光越多,这将导致图像更差。

建议使用高DPI,如果需要,您可以将多个蒙版加倍或甚至加倍,以创建非常精美的图像。

 

显微镜准备和基板曝光

在暴露基材之前,需要配置显微镜。这是因为抗蚀剂将开始对光起反应并可能在最终工件上产生重影。

所以要进行设置,得到一些废铜包层并将其放置在工件放置的显微镜下。您可以使用USB显微镜或眼睛(如果可以看到小细节)将图像正确地聚焦在工件上。

对设置感到满意后,将基板放入设置中并露出工件。

您需要通过实验确定曝光时间,但对于放大倍数为4x的典型5mm UV LED,5分钟后抗蚀剂将很好地曝光。

白色LED可以代替UV LED,但曝光时间可能会延长,可能需要数小时。然而,这确实可以选择将图像直接聚焦到基板上而不是使用废料片。

 

投影图像到光刻胶和铜上。用数码显微镜拍摄(图像尺寸约5mm x 5mm)。

 

曝光一小时后的图像(LED 3mm)。

 

化学发展

在1%碳酸钠溶液中小心地开发该片,直到不需要的抗蚀剂消失。这很难确定,但不要试图擦拭铜,因为你可能会损坏小的特征(很容易划伤ICfans)。与此同时,您也会惊讶于抗蚀剂的强度(考虑到它的尺寸)。

随着工件的开发,您应该在显微镜下检查该部件,以检查是否已移除了不需要的区域。在此阶段,您可以对系统进行故障排除,以提高图像的分辨率和清晰度。

 

设计大约3毫米。线宽约62.5um。

 

用10倍放大镜测试。图像约为2mm x 2mm。(这些功能小于头发的宽度!)

 

蚀刻

蚀刻将是困难的,因为氯化铁具有不自行整理的坏习惯。当铁置换铜时,它留下氧化铁残余物,其可以位于铜的顶部并防止进一步蚀刻铜。这就是为什么在蚀刻这么小的细节时必须进行搅拌,但是你必须小心不要打扰电影。

一种有希望的蚀刻剂是在盐酸水溶液中的氯化铜。这更接近理想,因为它不会留下残留物,但蚀刻需要比氯化铁长得多。

 

首次铜蚀刻测试。请注意,在碳酸钠浸没期间(器件约3mm x 3mm),器件未完全显影。

 

过去和未来的集成电路

在这个项目中,我们使用光刻完成了一个微观特征,而不需要在我们自己家外面的任何设施。这是迈向旧式微观设计的第一步。同样,从这个项目中衍生出的任何设备显然都无法与现代集成电路相媲美,现代集成电路更加精巧和复杂。

还记得60年代IC制造工厂文章开头的图像吗?与罗切斯特理工学院的洁净室相比:

 

罗彻斯特理工学院半导体和微系统制造实验室的研究人员。图片由RIT提供。

 

这种并置用于演示IC制造如何变化。IC现在非常敏感,灰尘可能会影响制造过程。

尖端集成电路不能在国内制造,没有实际的理由可以尝试这么多价格合理的专业级元件随时可用。尽管如此,Jeri Ellsworth和其他像她这样的先驱者已经表明,家庭晶体管创建过程是可能的 - 也许有一天我们可以看到家庭芯片制造。

无论未来如何,半个世纪前这项技术的发展仍然有相关的教训来教导当今的工程师。