芯片制造商

那是2021年的秋天，新闻头条充斥着关于“芯片阻塞”的报道。

一群参加集成电路制造（Integrated Circuit Fabrication，简称IC Fab）课程的圣母大学工程系学生密切关注着这些故事。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，等待他们产品设计中一些最微小的组件：半导体芯片。由于世界上大多数最先进的半导体都是由位于台湾岛的一家芯片制造商生产的，因此解决这个问题并不容易。福特汽车公司（Ford Motor Co.）开始在肯塔基赛车场（Kentucky Speedway）的几英亩停车场上摆满几乎完全组装好的新Super Duty皮卡，最终囤积了大量从太空都能看到的库存。

芯片窒息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的圣母大学学生来说，故事是另一回事：让人产生共鸣。这是因为它们也都是芯片制造商，而且它们自己也陷入了芯片瓶颈的痛苦之中。

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，那么在课程结束时，他们将把他们的晶圆转变成2毫米乘3毫米的5000晶体管芯片，能够演奏著名的巴黎圣母院战斗歌曲“胜利进行曲”。

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。

“我知道我想在巴黎圣母院的某个时候在无尘室工作，”高级电气工程专业的布伦纳·萨特菲尔德解释说，他在2021年秋季选修了IC Fab。

这个被称为“洁净室”的设施有一个更正式的名字：巴黎圣母院纳米制造设施。作为工程学院的一部分，它是圣母大学的核心九博体育研究机构之一，但很少有本科生走进它——尽管他们经常发现自己站在外面往里看。这座占地9000平方英尺的建筑正对着斯廷森-雷米克工程大厅的大中庭，许多工程专业的学生都在这里上他们的第一堂课。他们经常经过这里，想知道里面的九博体育研究人员在琥珀色的灯光下在做什么，他们穿着看起来像防护服一样的衣服。

IC Fab是他们找到答案的主要机会。在学生们进入洁净室的第一个小时之前，他们就发现了这里受到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。由于肉眼无法看到小于40微米的物体，这意味着微观水平的清洁。

为了保持洁净标准，洁净室精心控制气候，并配备了精密的空气过滤系统。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。他们戴上发网、手套和护目镜，穿上特制的防静电连帽工作服。

在洁净室里，学生们还要观察一套严格的安全措施，包括处理用于蚀刻芯片的酸，以及操作足以熔化许多金属的熔炉。

学生们保持安全和清洁标准不仅是出于对自己和实验伙伴的考虑，也是为了他们的晶圆片。学生们花了几十个小时精心制作晶圆片，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，他们对晶圆片产生了兴趣。

“到课程结束时，它就像你的孩子一样，”高级电气工程专业的索菲亚·梅因（Sofia Main）说，她也是2021年IC Fab队列中的一员。“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，不小心在他的wafer上打了个喷嚏。

每年秋天教授IC Fab的弗兰克·m·弗雷曼（Frank M. Freimann）电气工程教授艾伦·西博（Alan Seabaugh）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。

“学生们从第一次就把事情做好中获得信心，”他说，“但他们也通过克服错误和发现大多数情况下错误是可以补救的，获得了韧性。”

西博同时也是圣母大学纳米科学与技术中心NDnano的负责人，他在大多数课堂上都留出了时间来进行故障排除。这使学生能够一起工作，追溯他们的步骤，讨论他们对晶圆片的担忧，并确定在此过程中采取哪些步骤。

“他们知道制作芯片在某种程度上就像油画：你一层一层地工作，添加，图案，删除，随着时间的推移，画面浮现出来，”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。”

为了确保所有的设备和材料都准备好了，西博和他的九博体育研究生助教们也用自己的几片晶圆片完成了整个过程，比学生们抢先一步。无尘室全天24小时向学员开放。众所周知，西博会在家打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（Collin Finnan）说，他是2021年IC Fab团队的另一名成员。“但你意识到你有多少支持，即使你犯了错误并努力解决问题，这也会让你继续前进。”

对于Finnan和其他学生来说，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，提醒彼此如何遵循课堂上所学的流程，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放在一起，这样即使有一个或两个晶圆坏了，他们仍然可以看到整个过程，直到最后一步。

“向胜利进发”

当学生们在课堂上花时间了解晶圆片上越来越复杂的分层材料、通道和连接时，一些巴黎圣母院的标志帮助他们找到了方向。学生们在芯片上蚀刻一个小小的巴黎圣母院小妖精、主楼金色圆顶的剪影，以及一个互锁的ND字母组合。通过玩一个听起来像战舰游戏的游戏，学生们一起看着他们的晶圆片，喊出类似这样的话：“看看小妖精前面两排的环形振荡器。”

对许多学生来说，这门课最难忘的时刻是，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：

欢呼吧，为老巴黎圣母院欢呼吧，唤醒为她的名字欢呼的回声，向高处发出一阵欢呼，撼动天空的雷声。无论胜算是大是小，巴黎圣母院将赢得一切，而她忠诚的儿女们将走向胜利。

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，他们在21世纪初参加了由Gary Bernstein、Gregory Snider、Jay Brockman和Peter Kogge教授的一系列基于芯片的课程。在他们的终极项目中，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。随着课程的每一次迭代，斯奈德改进了工艺和设计，这反过来又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。Finnan一完成集成电路制造，就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九博体育研究。他没有像最初计划的那样去找一份工业工作，而是去读九博体育研究生，在那里他计划继续他的九博体育研究。

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。

对于同为电气工程专业大四学生的同学路易斯·埃尔南德斯（Luis Hernandez）来说，这门课程激发了他对半导体设计的热情。

“我上这门课的时候刚转到圣母大学，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。虽然他可能会使用计算机辅助设计软件，而不是在无尘室里与芯片本身一起工作，但他说，他很感激自己对芯片的制造过程有了深刻的了解。

“有些设计师从未真正制作过芯片，”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，了解它们是如何交织在一起的，这是很有帮助的。”

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，塑造了她作为一名工程师的身份。

她说：“这门课是我上过的所有课程中最需要动手的课程，一开始让人望而生畏。”“但它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，老师让学生们阅读原著，这样他们就知道如何处理原始材料，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

圣母大学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，像集成电路的发明者德州仪器（Texas Instruments）这样的公司就在圣母大学学术杂志（Notre Dame Scholastic）上刊登广告，希望吸引圣母大学的毕业生加入他们的行列。

当半导体九博体育研究公司（一个由领先半导体公司组成的财团）在20世纪80年代开始资助九博体育研究时，它的首批资助项目之一是在圣母大学。从那时起，它资助了三个主要的九博体育研究中心——中西部纳米电子发现九博体育研究所，低能量系统技术中心，以及节能集成纳米技术应用和系统驱动中心——在15年的时间里。

然而，有趣的是，最新的机会正在巴黎圣母院自己的后院出现。去年，为了避免第二次芯片瓶颈，立法者通过了“芯片和科学法案”，拨款520亿美元鼓励公司将半导体制造带回美国本土，英特尔在俄亥俄州破土动工了一个耗资200亿美元的大型半导体制造工厂。大约在同一时间，圣母大学与其他顶尖大学建立了合作伙伴关系，创建了中西部半导体网络，以促进九博体育研究，更好地教育学生，并为建设新的“硅草原”提供所需的劳动力。

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？没有人知道所有的答案，但我知道，如果巴黎圣母院的工程师和科学家参与讨论，我们都会过得更好。”