那是2021年的秋天,新闻头条充斥着关于“芯片阻塞”的报道.”

一群365wm完美体育官网登录工程专业的学生选修了一门名为“集成电路制造”的课程, 或集成电路Fab, 密切关注这些故事. 在2019冠状病毒病大流行带来的中断之后,装配线正在恢复生机. 然而, 许多公司再次陷入停滞,等待他们的产品设计中一些最微小的组件:半导体芯片. 自大多数世界上最先进的半导体 从一家位于台湾岛的芯片制造商那里,没有一个简单的解决方案. 福特汽车公司. 开始在肯塔基赛车场填满数英亩的停车场, 几乎完全组装的超级皮卡, 最终积累了大量的储备 从太空看.

芯片堵塞的故事让公众感到愤怒和难以置信:一个像缩略图一样薄的部件怎么能阻止数十亿美元的产业发展呢?

但对于IC Fab的365wm完美体育官网登录学生来说,故事是另一回事:让人产生共鸣. 那是因为他们, 太, 我们是芯片制造商, 他们自己也被芯片噎住了.

进入纳米制造实验室

IC Fab平凡的名字背后,隐藏着一个大胆的挑战. 每个学生都以一片纯晶硅片开始课程,称为晶圆片. 学生们的任务是在11周内学习并执行一个复杂的35步过程. 如果他们成功了, 在课程结束时,他们将把晶圆转换成2毫米× 3毫米的尺寸,000个晶体管芯片能够播放圣母院战斗歌曲的著名音符, “胜利游行”.”

在报名参加IC fab时,很少有学生意识到摆在他们面前的项目——或者他们需要在实验室里花大约90个小时来完成它. 大多数人被实验室本身所吸引.

“我知道我想在365wm完美体育官网登录的某个时候在无尘室工作,电气工程专业的大四学生布伦纳·萨特菲尔德解释道, 谁在2021年秋季选修了IC Fab.

穿着防护服的人在洁净室工作. 洁净室内的设备. 两个穿着防护服的人在洁净室工作. 洁净室内的设备.
洁净室包含用于集成电路制造过程的各个部分的独立区域. 光学光刻区域具有橙色,以防止用于在晶圆上创建图案的照相材料曝光.

被称为洁净室的设施有一个更正式的名字:洁净室 365wm完美体育官网登录纳米制造设施. 部分 工程学院, 它是365wm完美体育官网登录的核心研究设施之一, 但很少有本科生踏进过这个圈子——尽管他们经常发现自己站在外面往里看. 9,000平方英尺的设施面对着斯丁森-雷米克工程大厅的大中庭, 许多工程专业的学生在哪里上第一门课. 他们经常经过,在琥珀色的灯光下移动时,他们想知道里面的研究人员在做什么, 看起来像是穿着防护服.

IC Fab是他们找到答案的主要机会. 甚至在学生们进入洁净室的第一个小时之前, 他们发现了它被如此严格控制的一些原因. 在纳米制造的世界里,“干净”意味着远远超过典型医院手术室的清洁程度. 洁净室最敏感区域的标准要求每立方英尺空气中不超过100个半微米大小的颗粒. 因为肉眼看不到小于40微米的物体, 这意味着微观层面的清洁.

保持其清洁标准, 洁净室是精心控制气候,并配备了一个精心设计的空气过滤系统. 但关键是首先不要引入污染. 学生们在入学前要遵循一个复杂的准备仪式. 他们用吸尘器把鞋子盖上. 他们戴发网, 手套, 戴上护目镜,穿上防静电连帽工作服.

斯丁森-雷米克大厅的无尘室
365wm完美体育官网登录纳米制造设施, 也被称为洁净室, 斯廷森-雷米克工程学院

在洁净室内, 学生们还要遵守一套严格的安全措施,以处理他们用来蚀刻芯片的酸,以及操作足以熔化许多金属的熔炉.

学生保持安全和清洁标准不仅仅是出于对自己和实验伙伴的关心, 还有他们的晶圆饼. 他们花了几十个小时来指导晶圆片通过精细的工艺, 像处理易碎的鸡蛋一样处理它们, 并在上面蚀刻复杂的图案, 学生产生依恋.

“到下课的时候, 就像你的孩子一样,电气工程专业的大四学生Sofia Main说, 谁也在2021年的IC Fab队列中. “你发现自己会说,‘哦,威化4621,这是我的最爱.’”

一层一层地

当然,不可避免的事情确实会发生. 晶圆片在熔炉中破裂或学生执行的程序出了问题. 当它们从一台机器转移到另一台机器时,它们被丢弃了,或者只是被植入了芯片. (即使是晶圆片周长上的一个小缺口也会产生一个应力点,使晶圆片变弱,并使其有可能裂成碎片.)一个学生,在这个过程的关键时刻,不小心打了个喷嚏.

她说,尽管错误可能令人心碎,但它们是这个过程的重要组成部分 艾伦Seabaugh弗兰克·M. 弗莱曼电气工程教授,每年秋季教授IC Fab课程.

艾伦·西博的大头照
艾伦·西博,弗兰克·M. 弗赖曼电气工程教授.

“学生们从第一次把事情做好中获得信心,他说, 但他们也会从错误中吸取教训,并意识到大多数时候错误是可以补救的,从而获得适应力.”

Seabaugh, 她也是365wm完美体育官网登录纳米科学与技术中心NDnano的负责人, 在大多数课程中留出时间用于故障排除. 这允许学生们一起工作来追溯他们的步骤, 讨论他们对晶圆片的担忧, 并决定在这个过程中要采取什么步骤.

“他们知道做芯片是, 在某种程度上, 就像油画一样:你一层一层地画, 添加, 模式, 和删除, 随着时间的推移,情况逐渐显现,西博说。. “通常情况下,在进入下一层之前,你需要退后一步,把事情做好.”

确保所有设备和材料准备就绪, 西博和他的研究生助教们也用他们自己的一些晶圆片完成了这个过程, 走在学生前面. 洁净室全天24小时开放给参加课程的学生, 大家都知道,西博在家打FaceTime电话,或者半夜去学校纠正一个特别困难的问题. 助教和洁净室的工作人员也在业余时间和周末帮助学生,使他们能够满足课程规定的紧迫期限.

“这是一个非常艰巨的挑战,电气工程专业的科林·芬南说, 2021年IC晶圆厂的另一名成员. “但你意识到你得到了多少支持, 即使你犯了错误,并努力解决它们,这也会让你继续前进.”

给芬南和其他学生, 另一个主要的支持来源来自班级的团队结构. 西博将学生分成三人一组,以确保学生能够互相帮助,遵守清洁和安全协议, 提醒对方如何遵循课堂学习的过程, 也许最重要的是,在做出正确的决定时相互支持. 每组的学生把他们的晶圆片放在一起,如果有一个甚至两个坏了, 他们仍然可以看到整个过程,直到最后一步.

芯片的图像,上面有一便士,以显示尺寸.
为365wm完美体育官网登录集成电路制造课程制作的完整晶圆片与一分钱有关. 晶圆片包含与365wm完美体育官网登录相关的图像(如照片底部边缘的小妖精),以帮助学生定位他们相对于电路模式的位置. 在照片的右侧可以看到四个声音芯片.

“向胜利进发”

当学生们在课堂上花时间理解越来越复杂的分层材料迷宫时, 渠道, 在他们的晶圆上连接, 一些圣母院的标志帮助他们找到了路. 学生们蚀刻一个小小的365wm完美体育官网登录小妖精, 主楼金色圆顶的剪影, 还有一个联锁的ND字母组合. 通过玩听起来像《365wm完美体育官网登录》的游戏, 学生们一起看他们的晶圆饼, 喊出诸如, “看看小妖精前面两排的环形振荡器.”

对很多学生来说, 课堂上最令人难忘的时刻是,他们不仅看到了,而且还听到了刻在工作芯片上的电路的效果. 他们将芯片连接到电源上,就能听到歌词中熟悉的曲调:

加油,为老365wm完美体育官网登录加油,
唤醒呼唤她名字的回声,
向高处发出一声齐射欢呼,
把天上的雷声抖下来.
不管机会是大是小
365wm完美体育官网登录将赢得一切,
而她忠诚的儿女们
向胜利进军.

一个微芯片的视频,上面刻着一个小妖精在唱圣母院的战歌.
学生们把他们的晶圆变成了能够演奏圣母院战斗歌曲中著名音符的芯片, “胜利游行”.”

这门课以音乐结尾的想法在二十多年前就出现了,并经历了一个逐渐完善的过程. 最初的概念来自于一组六名大四本科生,他们参加了由 加里·伯恩斯坦, 格雷戈里·斯奈德, 杰布鲁克曼, 彼得Kogge 在21世纪初. 为了他们的顶点项目, 学生们计算出了构成战斗歌曲主副歌的所有65个音符的频率和持续时间,并设计了几个电路来产生声音. 斯奈德当时正在教授IC Fab,他决定把这个想法融入到课程中. 随着课程的每次迭代, 斯奈德改进了工艺和设计, 哪一个, 反过来, 提高了声音芯片的产量.

使用“原始文本”

学生们经常发现,学习IC Fab对他们未来的计划有影响——有时是令人惊讶的影响. 一旦他完成了IC Fab, 芬南放弃了他的第二专业,这样他就可以花更多的时间在微电子和纳米制造设施上做更多的研究. 而不是找一份行业工作, 就像他原来计划的那样, 他将去读研,在那里他计划继续他的研究.

同样,萨特菲尔德在上完这门课程后,将重点转移到了半导体领域. 她很快就得到了一份在无尘室制造芯片的重要实习工作,并最终得到了一份在实验室测试芯片的工作.

送给同学路易斯·埃尔南德斯, 谁也是电气工程专业的大四学生, 这门课程激发了我对半导体设计的热情.

“我上这门课的时候刚转到365wm完美体育官网登录, 这是我第一次接触集成电路. 但我对它的一切都很着迷——各个部分,制作过程,以及所有东西是如何组合在一起的,”他说.

埃尔南德斯现在计划找一份设计半导体的工作. 尽管他可能会使用计算机辅助设计软件,而不是在洁净室里与芯片本身一起工作, 他说,他很感激能对芯片的制造过程有深刻的了解.

一个穿着防化服的人看着显微镜. 那个人的旁边是一个电脑屏幕,上面显示着一个微芯片的特写.
学生们使用洁净室的显微镜检查过程的结果.
两个穿着防护服的人盯着屏幕.
本科生和研究生在洁净室工作人员的清晨训练后

“有些设计师从未真正制造过芯片,他说, “但我认为,不仅要有技术上的理解,还要有第一手的经验,亲眼看到芯片一层一层地组装在一起,这是有帮助的。, 要知道这一切是如何交织和相互联系的.”

Sofia Main计划在机器人领域而不是集成电路领域工作. 然而,, 她仍然认为这门课程帮助她找到了自己的道路,塑造了自己作为一名工程师的身份.

“这门课是我上过的所有课程中最需要动手的, 一开始很吓人,她说。. “但这让我在新的环境中工作得很舒服,也让我相信自己能在一个新的领域迅速成长.”

西博用人文学科课程的类比来解释学生在课程中获得的信心. 在这些课程中, 教师让学生学习原文, 所以他们知道处理原始材料是什么感觉,而不仅仅是阅读别人的解释. 这与我们在这里所做的类似。. “学生们自己深入学习这些技术,而不是听别人说. 这拓宽了他们对可能性的理解.”

融入集成电路的世界

德州仪器的招聘广告
这则广告刊登在1957年的《365wm完美体育官网登录》杂志上,旨在吸引365wm完美体育官网登录的大四学生成为德州仪器公司的水晶“拉工”, 然后是最大的硅晶体管生产商.

365wm完美体育官网登录的工程师被招聘到半导体行业,这并不是什么新鲜事. 早在20世纪50年代, 比如德州仪器公司, 集成电路是在哪里发明的, 在《365wm完美体育官网登录》上刊登广告,希望吸引圣母院毕业生加入他们的行列.

当半导体研究公司, 由领先的半导体公司组成的财团, 从20世纪80年代开始资助研究, 它最早资助的项目之一是在365wm完美体育官网登录. 从那以后,它资助了三个主要的研究中心 中西部纳米电子学发现研究所, 低能耗系统技术中心,和 节能集成纳米技术应用与系统驱动中心在这所大学工作了15年.

然而,有趣的是,最新的机会正在365wm完美体育官网登录自己的后院出现. 去年,为了避免第二次芯片堵塞,立法者通过了 芯片与科学法案 该法案拨款520亿美元鼓励公司将半导体制造业迁回美国.S. 土壤和英特尔 破土动工 在俄亥俄州投资200亿美元的大型半导体制造工厂. 大约在同一时间,365wm完美体育官网登录进入了一个 伙伴关系 与其他一流大学共同创建 中西部半导体网络 激发研究活力, 更好地教育学生, 并提供建设新的“硅草原”所需的劳动力.”

西博解释说:“许多决定我们未来的重要决定都将以这样或那样的方式涉及半导体. 什么样的价值观将推动这些决策并指导这些对话? 没有人知道所有问题的答案, 但我知道,如果365wm完美体育官网登录的工程师和科学家参与讨论,我们都会过得更好.”