车库光刻制造的核心在于用低成本消费级工具实现亚微米级对齐的功能集成电路（IC），典型如 Sam Zeloof 的 Z2 芯片，该芯片采用 10μm 多晶硅栅极工艺，集成 1200 个晶体管，与 Intel 4004 同级技术 [1]。观点是：通过自制无掩膜对准器（mask aligner）、优化光刻胶处理和湿法蚀刻，即可避开昂贵洁净室和商用光刻机，产出良率约 80% 的测试芯片。证据来自 Zeloof 的开源博客，其 Mark IV 步进式光刻仪使用 DLP 投影仪和 Nikon 显微镜，实现 < 250nm 衍射极限分辨率，并在无尘环境下手动操作晶圆对齐。
自制掩膜对准器的关键参数包括光学系统和步进控制。核心组件为消费级 DLP 投影仪（分辨率 1920x1080，像素间距8μm，经光学缩小至晶圆尺度）和二手 Nikon 光学显微镜镜头（物镜 NA>0.5，提供高对比）。曝光源为 365nm UV LED 阵列或汞灯，强度80mW/cm²，单点曝光 9 秒，手动移位晶圆至下一曝光场（场大小～1mm²）。对准采用计算机视觉：LabView 软件实时捕捉对准标记（alignment marks），亚微米精度通过伺服电机驱动真空卡盘（wafer chuck，自制 3D 打印 + 真空泵）。落地清单：1) 组装光学路径，总放大率 1:100；2) 校准步进间距误差 <50nm；3) 集成原位 UV-VIS 光谱仪监控曝光剂量；4) 软件补偿畸变（distortion map）。风险监控：尘埃导致短路，阈值设为显微镜下 > 1μm 颗粒即清洗晶圆；回滚：若对准漂移 > 0.5μm，暂停重对准。
光刻胶处理聚焦正性胶（如 AZ MiR 701 用于氧化物，AZ 4210 用于金属），旋涂参数为 3000rpm/30s，得 1.5-3.5μm 膜厚，软烤 90°C/1min 去除溶剂。曝光剂量依厚度调至 200-500mJ/cm²，显影用 2% KOH 或 TMAH 1min。优化要点：HMDS 蒸汽底涂（vapor prime，200°C/5min）提升附着力；硬烤 145°C/20-30min 增强蚀刻耐性，避免 HF 下剥离。为亚微米对齐，采用双层胶（bottom thick adhesion layer + top imaging layer）。清单：1) 脱水烤 700°C/30min（管式炉）；2) 旋涂仪自制（回收电机 + 真空基座）；3) 显影后电子显微镜检查线宽均匀性（CD-SEM，自制或 eBay 二手）；4) 剥离用丙酮超声。监控：附着力测试（tape test），阈值 < 5% 剥落重工；参数表如下：
| 步骤 | 参数 | 容差 |
|---|---|---|
| 旋涂 | 3000rpm, 30s | ±100rpm |
| 软烤 | 90°C, 1min | ±5°C |
| 曝光 | 365nm, 9s / 场 | ±10% 剂量 |
| 硬烤 | 145°C, 20min | ±10°C |
蚀刻流程强调湿法兼容消费化学品：场氧化物用缓冲 HF（BOE: NH4F:HF=20g:50ml，20°C/20min 蚀 6000Å SiO2）；多晶硅用 HNO3 或 SF6 等离子；铝用热磷酸（50°C）。Z2 工艺 “gate first” 自对准：买预沉积 poly-Si 晶圆（eBay 200mm EPI，$45 / 片），蚀刻有源区→掺杂（硼固源，1000°C/45min）→蚀 poly 栅极→沉积介质（硬烤光刻胶 250°C）→接触孔→金属溅射→最终蚀刻。清单：1) 化学品：锈渍去除剂 HF、硼酸杀虫剂；2) 设备：热板、管炉、自制真空室；3) 安全：通风柜，PPE 全套。风险：过蚀（overetch）导致栅极短路，监控四探针片阻（sheet rho<250Ω/sq）；回滚：若缺陷 > 20%，批次丢弃，优化掺杂时间。
实际落地中，Zeloof 产出 15 片 Z2（1500 晶体管），1 片全功能、2 片 80% 良率，常见失效为源漏短路至衬底（dust-induced）。监控要点：SEM 横截验证层厚（栅氧10nm，poly300nm）；曲线示踪仪测 Vth~1.1V、泄漏 < 1nA（Vds=2.5V）。扩展：加 CMOS 兼容需场氧化物，未来激光退火沉积 poly。总之，此方案参数化强，预算 < 1 万美元，适合 DIY fab 原型验证。
资料来源： [1] https://sam.zeloof.xyz/second-ic/ [2] https://news.ycombinator.com/item?id=419xxxx (Z2 HN 帖) [3] Sam Zeloof 博客系列：maskless-photolithography, sio2-patterning