- Sam Zeloof, que se hizo conocido por fabricar el chip Z1 en el garaje de su casa cuando estaba en tercer año de preparatoria, presentó Z2 al llegar a tercer año de universidad
- El chip Z2 es un circuito integrado de puerta de polisilicio hecho en casa con alrededor de 100 transistores, un silicio de alto rendimiento logrado con equipos de uso doméstico
- En comparación con la generación anterior, el chip Z1 (6 transistores, puerta metálica), al aplicar un proceso de puerta de polisilicio de 10µm redujo el voltaje umbral (Vth) a 1.1V y aseguró compatibilidad con lógica de 2.5V~3.3V
- Las características del transistor NMOS muestran tiempo de subida/bajada menor a 10 ns, corriente de fuga de 932 pA y relación on/off de 4.3×10⁶, entre otros, logrando gran rendimiento incluso con químicos impuros y ambiente no limpio
- Al usar el fotorresistente como capa aislante y patronar la capa de polisilicio de obleas enviadas de fábrica, se evitaron procesos costosos y peligrosos, permitiendo fabricar con equipo y químicos mínimos
- Este proyecto demuestra la viabilidad de la fabricación de semiconductores DIY y sienta las bases para escalar a diseños de circuitos digitales y analógicos más complejos
Resumen del chip Z2
- Z2 es un circuito integrado experimental conformado por una matriz de 10×10 transistores, que actúa como una estructura de prueba para medir y optimizar las características del proceso
- Se fabricaron unos 1,200 transistores en la misma oblea de silicio
- Basado en la tecnología de puerta de polisilicio de 10µm usada por el Intel 4004 (2,200 transistores)
- En comparación con Z1 (6 transistores, puerta metálica), se mejoró de forma significativa la cantidad de transistores y el rendimiento
- Z1 requería dos baterías de 9 V por su alto voltaje umbral (>10V), pero Z2 puede funcionar con bajo voltaje
Transición al proceso de puerta de polisilicio
- Para superar las limitaciones del proceso de puerta de aluminio existente, se migró a puerta de polisilicio
- La estructura de puerta autoalineada (self-aligned gate) redujo la capacitancia de superposición
- Voltaje umbral 1.1V, Vgs máximo 8V, Cgs <0.9pF, tiempos de subida/bajada <10ns
- La corriente de fuga de 932pA (Vds=2.5V) es muy baja, con un aumento de unas 100 veces en condiciones de iluminación
- Se lograron buenas características de transistor incluso con químicos impuros y entorno no limpio
Diseño y estructura del chip
- El chip tiene 2.4 mm², lo que equivale a 1/4 del tamaño del IC anterior
- Diseño del layout en Photoshop, con estructura simple para facilitar la fabricación
- Diez transistores comparten la misma puerta
- Cada fila está en serie formando una estructura similar a NAND flash
- Diseño de pads grandes para facilitar el probing
- De 15 chips fabricados, al menos 1 funcionó por completo y 2 funcionaron ~80%
- El defecto principal fue cortocircuito de bulk en drenaje/fuente, y la fuga de puerta fue poco común
Proceso DIY de polisilicio modificado
- Reemplazo del gas silano (SiH₄) por dopaje por difusión a alta temperatura
- Se adquiren wafer de silicio con polisilicio depositado en fábrica y se les hace patrón directamente
- También se mencionó como alternativa el revestimiento de silicio amorfo con recocido láser
- Químicos utilizados: agua, alcohol, acetona, ácido fosfórico, fotorresistencia, revelador KOH, dopante tipo N (P509), HF (1%) o CF₄/CHF₃ RIE, HNO₃ o SF₆ RIE
- Equipos utilizados: placa calefactora, horno de tubo, equipo de fotolitografía, microscopio, cámara de vacío para deposición metálica
Detalles del proceso y estructura transversal
- Se usaron obleas con óxido de puerta (10nm) y capa de polisilicio (300nm)
- Se compraron 25 obleas de 200 mm en eBay por USD $45
- La capa de óxido de alta calidad permite eliminar el proceso de limpieza con ácidos fuertes como el ácido sulfúrico
- Uso de capa aislante de fotorresina (1µm) en lugar del óxido de campo
- El curado a 250°C forma una capa aislante permanente, y puede sustituir al CVD SiO₂
- También se menciona spin-on-glass (sol-gel) como alternativa
- El grabado del óxido se realizó con solución de HF basada en removedor de óxido o con RIE
Resultados de fabricación y próximos pasos
- La imagen de sección transversal SEM confirmó la estructura NMOS
- El polisilicio se usó como máscara de dopado y el fotorresistente endurecido como aislante de campo
- Esto generó una estructura escalonada
- Aunque el proceso tiene poca compatibilidad con CMOS, es ventajoso para minimizar herramientas y mejorar la seguridad
- Se prevé construir un sistema de pruebas automatizado y expandirse hacia el diseño de circuitos más complejos
Reacción de la comunidad
- En numerosos comentarios se lo calificó como “un logro impresionante” y “la posibilidad real del semiconductor DIY”
- Algunos propusieron mejoras como usar obleas SOI y fotolitografía basada en DVD-R
- También hubo muchas propuestas de seguimiento, como el desarrollo de Z3 y aplicaciones de transistores para audio
- En general, se recibió gran interés y elogios como un caso de innovación en fabricación de semiconductores a nivel personal
1 comentarios
Comentarios de Hacker News
Empecé a programar a finales de los 80 con una Mac Plus de 8MHz
Luego obtuve un título en ciencias de la computación a finales de los 90, y en ese tiempo sentí una especie de “ley de Moore inversa”, donde el rendimiento de un solo hilo casi se estancó mientras la cantidad de transistores se disparó
Ahora que ya hay más de 100 mil millones de transistores por chip, creo que se abre una oportunidad para probar nuevos enfoques
En particular, si se vuelve posible la compatibilidad con CMOS y una litografía casera basada en open source, pienso que podríamos experimentar directamente con núcleos de nivel MIPS o Pentium
Por ejemplo, el Raspberry Pi RP2040 (266 MIPS, 2 núcleos, 32 bits, 264kB RAM) cuesta apenas 1 dólar y es 5 veces más rápido que un Pentium inicial
Imagino que, si se acomodaran 256 de estos núcleos baratos en un arreglo y se creara un lenguaje de paralelización automática, podríamos hacer libremente experimentos como algoritmos genéticos o simulaciones de vida artificial
Últimamente estaba buscando guías o kits para probar fotolitografía en casa, y justo me encontré con este proyecto, lo cual me sorprendió
Quería mostrarles tecnología moderna a mis hijos de forma directa; todavía es demasiado complejo, pero me gustaría intentarlo con ellos más adelante
Para equipos un poco más complejos, también vale la pena revisar el material de los fundadores de InchFab
La forma más fácil es usar dry film photoresist. Se puede comprar en eBay o Amazon por unos 20 dólares
Cada niño tiene intereses distintos, pero este tipo de experiencias será mucho más vívido que una pantalla
Esto no es simplemente genial, es algo que puede cambiar el mundo
Poder fabricar hardware directamente en casa tiene el mismo significado que crear software libre en casa
A largo plazo, creo que es una forma de proteger la libertad de cómputo
El primer proyecto de IC de Sam Zeloof salió en 2018, pero el ecosistema DIY no ha avanzado tanto
Aun así, personalmente pienso experimentar, y espero que sí llegue un cambio real
Cuesta creer que hayan recreado en el garaje de sus padres un proceso de fabricación de chips al nivel de finales de los 70
El microprocesador es uno de los inventos más complejos que ha creado la humanidad, y resulta asombroso que algo así sea posible
Cada vez que veo este tipo de proyectos de semiconductores a escala hobby, siento que la innovación sigue viva fuera de los grandes laboratorios
Me da curiosidad hasta dónde se puede escalar este enfoque
En los artículos de investigación se publicaba todo, incluso cantidades de químicos, temperatura y tiempo, para que cualquiera pudiera reproducirlo
Esa apertura impulsó un rápido avance tecnológico, pero después, con la expansión de una gestión centrada en la protección de IP, la información empezó a restringirse
Dicen que en China todavía queda parte de esa cultura de intercambio abierto, y que eso es un motor importante de su rápido desarrollo
Al principio pensé: “¿no se podría automatizar esto con una máquina pequeña?”, pero al parecer Atomic Semi ya va en esa dirección
Así como antes apareció JLCPCB y cambió por completo el mundo de la electrónica hobby, ojalá en unos años llegue un cambio parecido también en semiconductores
Por ahora, solo empresas de millones de dólares pueden fabricar chips, pero tal vez estos intentos DIY puedan derribar esa barrera
Las fabs industriales grandes pueden verse arrastradas por regulaciones o por la lógica del mercado, así que es importante que las personas tengan la capacidad de fabricar hardware por sí mismas
Sorprende que se puedan fabricar IC incluso en un garaje
Claro que hace falta mucho conocimiento y esfuerzo, pero impresiona que sea posible sin un clean room de miles de millones de dólares
Pero los circuitos digitales son difícilmente viables en la práctica, y parece mejor usar FPGA
Con un IC digital hecho a mano, probablemente el límite sería algo como un reloj digital grande
(Fue un proyecto realizado en 2021)
Ojalá retome los experimentos con semiconductores después de graduarse