- No 3º ano do ensino médio, o Sam Zeloof, que ficou famoso por fabricar o chip Z1 em sua garagem, anunciou o Z2 ao ingressar no 3º ano da universidade
- O chip Z2 é um circuito integrado baseado em gate de polissilício feito sob medida, com cerca de 100 transistores, representando silício de alto desempenho implementado com equipamentos domésticos
- Em comparação ao chip Z1 anterior (6 transistores, gate de metal), ao aplicar o processo de gate de polissilício de 10 µm, reduziu a tensão limiar (Vth) para 1,1V e garantiu compatibilidade lógica de 2,5V~3,3V
- As características do transistor NMOS ficaram com tempo de subida/descida abaixo de 10 ns, corrente de fuga de 932 pA e relação on/off de 4,3×10⁶, atingindo ótimo desempenho mesmo com químicos impuros e ambiente não limpo
- Ao usar fotoresiste como isolante e processar a camada de polissilício do wafer de saída de fábrica, evitou processos caros e perigosos, possibilitando a fabricação com o mínimo de equipamentos e químicos
- O projeto comprova a viabilidade da fabricação de semicondutores DIY e estabelece uma base para expansão para projetos de circuitos digitais e analógicos mais complexos
Visão geral do chip Z2
- O Z2 é um circuito integrado de teste, composto por uma matriz de transistores 10×10, para medição e otimização de características de processo
- No mesmo wafer de silício foram fabricados cerca de 1.200 transistores
- Com base na mesma tecnologia de gate de polissilício de 10 µm do Intel 4004 (2.200 transistores)
- Em comparação com o Z1 (6 transistores, gate de metal), houve grande melhora em número de transistores e desempenho
- O Z1 exigia 2 baterias de 9V por causa da alta tensão de limiar (>10V), enquanto o Z2 pode operar com baixa tensão
Transição para o processo de gate de polissilício
- Migração para gate de polissilício para superar limitações do antigo processo de gate de alumínio
- Estrutura self-aligned gate para reduzir a capacitância de sobreposição
- Vth 1.1V, Vgs máximo 8V, Cgs <0.9pF, tempo de subida/descida <10 ns
- A corrente de fuga de 932 pA (Vds=2.5V) é de nível muito baixo, aumentando cerca de 100 vezes em ambiente com iluminação
- Boas características de transistor foram obtidas mesmo com químicos impuros e ambiente não limpo
Projeto e estrutura do chip
- O chip tem 2,4mm², cerca de 1/4 do IC anterior
- Layout feito no Photoshop, com estrutura simples para facilitar a fabricação
- Dez transistores compartilham um gate comum
- Cada linha é conectada em série, formando uma estrutura semelhante ao NAND flash
- Pads grandes para facilitar a sondagem
- Entre os 15 chips fabricados, pelo menos 1 funcionou totalmente e 2 funcionaram em cerca de 80%
- O defeito principal foi curto-circuito no bulk do dreno/fonte, com fuga de gate rara
Processo de polissilício DIY modificado
- A dopagem por difusão em alta temperatura substituiu o uso de gás silano (SiH₄)
- Compra de wafers com polissilício já depositado em fábrica e realização de patterning
- A deposição de silício amorfo por laser annealing também foi citada como alternativa
- Químicos usados: água, álcool, acetona, ácido fosfórico, fotoresiste, solução de revelação de KOH, dopante tipo N (P509), HF (1%) ou RIE com CF₄/CHF₃, HNO₃ ou SF₆ RIE
- Equipamentos usados: hotplate, forno tubular, equipamento de litografia, microscópio, câmara de vácuo para deposição de metal
Detalhes do processo e estrutura transversal
- Foram usados wafers com óxido de gate (10nm) e camada de polissilício (300nm)
- 25 wafers de 200 mm comprados no eBay por US$ 45
- A alta qualidade do óxido permitiu remover processos de limpeza com ácidos fortes como o ácido sulfúrico
- Uso de camada isolante de fotoresiste de 1µm para substituir óxido de campo
- Cura a 250°C para formar uma camada isolante permanente, podendo substituir CVD SiO₂
- Spin-on-glass (sol-gel) também foi citado como alternativa
- A gravação do óxido foi feita com solução de HF à base de removedor de ferrugem ou com RIE
Resultados da fabricação e próximos planos
- Estrutura NMOS confirmada por imagens de seção transversal em SEM
- Polissilício usado como máscara de dopagem e fotoresiste hard bake como isolante de campo
- Isso resultou em uma estrutura em degrau
- O processo tem baixa compatibilidade CMOS, mas é favorável para minimizar ferramentas e aumentar a segurança
- Prevê-se construir um sistema de teste automatizado e ampliar para design de circuitos mais complexos
Reação da comunidade
- Em muitos comentários, o projeto foi avaliado como “conquista surpreendente” e “possibilidade de semicondutores DIY”
- Alguns sugeriram melhorias como uso de wafers SOI e fotolitografia baseada em DVD-R
- Muitas propostas de continuidade foram feitas, como expectativa de desenvolvimento do Z3 e aplicações de transistores para áudio
- Em geral, o projeto recebeu grande atenção e elogios como um caso de inovação em manufatura de semicondutores em nível pessoal
1 comentários
Comentários do Hacker News
Comecei a programar no fim dos anos 1980 em um Mac Plus de 8MHz
Depois me formei em ciência da computação no fim dos anos 1990 e, nesse período, senti na prática uma “lei de Moore reversa”, em que o desempenho single-thread quase estagnou enquanto só o número de transistores explodiu
Agora, com mais de 100 bilhões de transistores por chip, acho que surgiu uma oportunidade para tentar novas abordagens
Em especial, se compatibilidade com CMOS e litografia caseira baseada em open source se tornarem viáveis, acho que daria para experimentar diretamente com núcleos no nível de desempenho de um MIPS ou Pentium
Por exemplo, o Raspberry Pi RP2040 (266 MIPS, 2 núcleos, 32 bits, 264kB de RAM) custa só 1 dólar e é 5 vezes mais rápido que um Pentium inicial
Imagino que, ao organizar 256 desses núcleos baratos em arranjo e criar uma linguagem com paralelização automática, daria para fazer livremente experimentos como algoritmos genéticos ou simulações de vida artificial
Eu estava procurando recentemente guias ou kits para tentar fazer fotolitografia em casa, então fiquei surpreso ao dar de cara com este projeto
Eu queria mostrar tecnologia moderna diretamente para meus filhos, mas ainda é complexo demais; mesmo assim, quero tentar junto com eles mais para a frente
Para equipamentos um pouco mais complexos, também vale consultar os materiais dos fundadores da InchFab
O jeito mais fácil é usar dry film photoresist. Dá para comprar no eBay ou na Amazon por cerca de 20 dólares
Cada criança se interessa por coisas diferentes, mas esse tipo de experiência provavelmente será muito mais vívido do que uma tela
Isso não é só algo legal, é algo que pode mudar o mundo
Fazer hardware diretamente em casa tem o mesmo significado que fazer software livre em casa
Acho que, no longo prazo, esse é um caminho para proteger a liberdade de computação
O primeiro projeto de IC do Sam Zeloof saiu em 2018, mas o ecossistema DIY não avançou tanto assim
Mesmo assim, pretendo experimentar por conta própria e espero que uma mudança real apareça
É difícil acreditar que conseguiram reproduzir em uma garagem um processo de fabricação de chips no nível do fim dos anos 1970
O microprocessador é uma das invenções mais complexas já feitas pela humanidade, e é espantoso que uma tentativa dessas seja possível
Sempre que vejo esse tipo de projeto de semicondutores em escala hobby, sinto que a inovação continua acontecendo mesmo fora dos grandes laboratórios
Fico curioso para saber até onde essa abordagem pode escalar
Os artigos de pesquisa divulgavam tudo, inclusive quantidade de reagentes, temperatura e tempo, então qualquer um podia reproduzir
Essa abertura impulsionou o avanço rápido da tecnologia, mas depois, com a expansão de uma gestão centrada em proteção de PI, a informação passou a ser limitada
Dizem que na China essa cultura de compartilhamento aberto ainda existe, e que isso é uma das forças por trás do desenvolvimento rápido de lá
No começo pensei: “isso talvez não daria para automatizar com uma maquininha pequena?”; pelo visto a Atomic Semi está indo justamente nessa direção
Assim como a JLCPCB surgiu e transformou completamente o mundo da eletrônica hobby, seria ótimo se em poucos anos acontecesse algo parecido também na área de semicondutores
Hoje só empresas na faixa de milhões de dólares conseguem fabricar chips, mas talvez essas tentativas DIY possam derrubar essa barreira
Grandes fabs industriais podem ficar à mercê de regulações ou da lógica de mercado, então é importante que indivíduos tenham a capacidade de fabricar hardware diretamente
É surpreendente que dê para fazer ICs até numa garagem
Claro, exige muito conhecimento e esforço, mas impressiona que seja possível sem uma clean room de bilhões de dólares
Mas circuitos digitais são difíceis na prática, e acho melhor usar FPGA
Com um IC digital feito à mão, o limite provavelmente seria algo como um grande relógio digital
(Era um projeto de 2021)
Espero que, depois de se formar, ele volte a continuar os experimentos com semicondutores