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蔡司显微镜也可以作光刻机!

发布日期:2022-04-25 15:00:58

 
    随着全球缺芯问题的持续,越来越多的圈外人也开始关心起半导体的发展现状。心灵手巧(发现新财路)的小伙伴们已经开始寻思着能不能自己做点芯片出来用用。这不,前段时间在社交媒体上有一位美国小哥Sam Zeloof(点击查看)在自家车库里做芯片的新闻刷遍了蔡司君的朋友圈。而且,这位Sam小哥的芯片已经出到了第二代,其迭代速度已经超过了摩尔定律!

    除了感叹小哥高超的动手能力,对能够拥有一车库的装备蔡司君也表示实名羡慕。其中,蔡司君※感兴趣的就是他用显微镜和投影仪搭建的“光刻机”(见左下图)。

    ▲ 左图:利用二手显微镜加投影仪搭建的“Mark VI”亚微米级光刻机,还搭载了小哥自己打造的2英寸晶圆台。右图:Sam Zeloof放出的一代及二代放大器芯片以及与迭代速率与摩尔定律的对比。
所谓的光刻机,就是现代芯片大规模生产中用于将设计好的图形,通过光刻这一手段批量转移到晶圆表面的设备(点击查看)。光刻机可谓是人类工业文明皇冠上的钻石,因此普遍价格不菲,特别是高端的EUV光刻机售价可能高达上亿元。     01     难道不是腰缠万贯就没法做芯片?其实,用显微镜改造的光刻机也是小规模光刻的好帮手。比如这位来自Pomona College的物理教授David Tanenbauma,他的团队很早就尝试了投影仪和显微镜的组合。这样的设计避免了光掩模(photo mask)的制作和使用,只需在电脑里画出图形就可以在衬底上进行无光掩模(maskless)的光刻。
    ▲ 图(a)为装置示意图,包括了电脑(L),投影仪(P),显微镜(M),相机(C),和屏幕(V)。图(b)和(c)分别是用体式显微镜和金相显微镜组成的光刻系统。图(d)为结果示例,一个直径只有500微米的笑脸。参考文献:Am. J. Phys. 2005, 73, 980-984.
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    想在投影仪上玩出一些花样的人还有很多,比如一个来自University of Bayreuth的团队,他们就把DLP投影仪里的微阵列芯片(Digital Micromirror Device, DMD)直接抽离出来,作为可以直接输入图像信息的光源模组,通过和显微镜的组合来定向合成DNA阵列。
    ▲ 图(a)和(b)分别为系统的俯视照片和示意图。图(c)为合成的DNA阵列的荧光成像。其中每一个方块的长度为14微米,其荧光强度代表了目标DNA的浓度。参考文献:Rev. Sci. Instrum. 2006, 77, 063711.
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    对于追求自由度的玩家,这里有另外一个方案可以参考。来自庆北大学的Young-Gu Ju教授运用手头的光学元件和3D打印的固件组装了一套光刻系统。光掩模的部分他选择使用高分辨率的液晶屏代替,同样获得了不错的效果。
    ▲ 图(a)和(b)分别为系统的示意图和照片。图(c)系统工作时打开紫外LED光源的照片。参考文献:Eur. J. Phys. 2020, 41, 055301.
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    如果觉得以上的改装还是太复杂,也可以利用现成的显微镜来做光刻。来自哈佛大学的George Whitesides教授就是利用实验室的一台现成的光镜,在视场光阑(field stop)的位置放上在透明纸上打印的图案(光掩模),就完成了一次光刻。
    ▲ 图(a)为系统示意图。图(b)为光学显微镜下的光掩模照片。图(c)为通过光刻系统曝光和显影之后的光刻胶的图形。我们可以看到在该系统中,15和10微米光掩模图形的线宽※终都显影为0.6微米的线宽,反映出该系统的加工极限在0.6微米左右。参考文献:Langmuir, 2001, 17, 6005-6012.
    看到这里,蔡司君也和您一样跃跃欲试,马上去某宝上买了一瓶3D打印用的光敏树脂来测试。在这里先放出一点点结果,我们会在后续的显微镜光刻系列文章中分析影响光刻质量的各种因素及选择光学元件的技巧。
    ▲ 图(a)为测试使用的光掩模。图(b)为光刻之后的光敏树脂的三维形貌图。
     无锡灵恩机电设备有限公司是蔡司工业测量代理,主要经营蔡司三坐标、蔡司显微镜、3D扫描仪以及蔡司工业CT等。热线:4009699806.