- Sam Zeloof, devenu célèbre pour avoir fabriqué la puce Z1 dans le garage de sa maison lorsqu’il était en 3e année de lycée, a annoncé la Z2 en 3e année d’université.
- La puce Z2 est un circuit intégré basé sur une grille polysilicium auto-fabriqué avec environ 100 transistors, un silicium haute performance mis en œuvre avec du matériel domestique.
- Comparée à la génération précédente, la puce Z1 (6 transistors, grille métallique), l’application d’un processus de grille polysilicium de 10µm a permis d’abaisser la tension de seuil (Vth) à 1,1V et d’obtenir une compatibilité logique 2.5V~3.3V.
- Les caractéristiques des transistors NMOS (temps de montée/descente <10ns, courant de fuite 932pA, rapport on/off 4.3×10⁶, etc.) atteignent d’excellentes performances, même avec des produits chimiques impurs et un environnement non propre.
- En utilisant le photoresist comme couche isolante et en usinant la couche de polysilicium d’un wafer sorti d’usine, la méthode évite des processus coûteux et dangereux, et peut être réalisée avec un minimum d’équipements et de produits chimiques.
- Ce projet démontre la faisabilité d’une fabrication de semi-conducteurs en DIY et jette les bases d’une extension vers la conception de circuits numériques et analogiques complexes.
Vue d’ensemble de la puce Z2
- La Z2 est un circuit intégré expérimental composé d’une matrice de 10×10 transistors servant de structure de test pour mesurer et optimiser les caractéristiques de procédé.
- Environ 1,200 transistors ont été fabriqués sur la même plaquette de silicium.
- Basée sur la même technologie de grille polysilicium 10µm que la Intel 4004 (2,200 transistors).
- Par rapport à Z1 (6 transistors, grille métallique), il y a une forte amélioration du nombre de transistors et des performances.
- Z1, avec une tension de seuil élevée (>10V), nécessitait deux piles 9V, alors que la Z2 peut fonctionner en basse tension.
Transition vers le procédé à grille polysilicium
- Pour surmonter les limites du procédé à grille aluminium précédent, passage à la grille polysilicicon.
- La structure de self-aligned gate réduit la capacité parasite de recouvrement.
- Tension de seuil 1.1V, Vgs max 8V, Cgs <0.9pF, temps de montée/descente <10ns.
- Le courant de fuite de 932pA (Vds=2.5V) est à un niveau très bas et augmente d’environ 100 fois en environnement éclairé.
- Des caractéristiques transistoriales satisfaisantes sont obtenues malgré des produits chimiques impurs et un environnement non propre.
Conception et structure de la puce
- La taille de la puce est de 2.4mm², soit un quart de l’IC précédent.
- Conception du layout avec Photoshop, structure simple pour faciliter la fabrication.
- Dix transistors partagent une grille commune.
- Chaque ligne est connectée en série, formant une structure de type NAND flash.
- Pads de grande taille conçus pour faciliter le probing.
- Parmi les 15 puces fabriquées, au moins 1 fonctionne parfaitement et 2 sont opérationnelles à environ 80%.
- Les défauts principaux sont des courts-circuits bulk/drain/source, la fuite de grille étant quasi inexistante.
Procédé polysilicium DIY modifié
- Remplacement du gaz SiH₄ par un dopage par diffusion haute température.
- Achat d’un wafer avec une couche de polysilicium déjà déposée en usine, puis patterning direct.
- Le dépôt de silicium amorphe par laser annealing est également mentionné comme alternative.
- Produits chimiques utilisés : eau, alcool, acétone, acide phosphorique, photoresist, révélateur KOH, dopant de type N (P509), HF (1%) ou RIE CF₄/CHF₃, HNO₃ ou RIE SF₆.
- Équipements utilisés : hotplate, four tubulaire, appareil de lithographie, microscope, chambre à vide pour dépôt métallique
Détails de procédé et structure en coupe
- Utilisation d’un wafer incluant une oxyde de grille (10nm) et une couche polysilicium (300nm).
- Achat de 25 wafers 200mm sur eBay pour 45 $.
- Grâce à un oxyde de bonne qualité, il est possible de supprimer le nettoyage à l’acide sulfurique et autres acides forts.
- Utilisation d’une couche isolante en photoresist de 1µm pour remplacer l’oxyde de champ.
- Un recuit à 250°C forme une couche isolante permanente et peut remplacer le CVD SiO₂.
- Spin-on-glass (sol-gel) est également mentionné comme substitut.
- La gravure de l’oxyde est effectuée avec une solution HF à base de décapant anti-rouille, ou par RIE.
Résultats de fabrication et perspectives
- Les images de section en SEM confirment la structure NMOS.
- Utilisation du polysilicium comme masque de dopage, et du photoresist durci comme isolant de champ.
- Cela crée une structure en escalier.
- Le procédé n’est pas compatible CMOS, mais il est avantageux pour la réduction des outils et la sécurité.
- Il est prévu de mettre en place un système de test automatisé et d’étendre vers une conception de circuits plus complexes.
Réactions de la communauté
- De nombreux commentaires saluent une “réalisation impressionnante” et les “possibilités du semi-conducteur DIY”.
- Certains proposent des idées d’amélioration, comme l’usage de wafers SOI et une photolithographie basée sur DVD-R.
- De nombreuses propositions de suivi émergent, notamment l’attente du développement de Z3 et les applications de transistors audio.
- Dans l’ensemble, le projet reçoit un fort intérêt et des éloges en tant qu’exemple d’innovation dans la fabrication de semi-conducteurs au niveau individuel.
1 commentaires
Avis sur Hacker News
J’ai commencé à programmer à la fin des années 1980 sur un Mac Plus à 8 MHz
Puis j’ai obtenu un diplôme d’informatique à la fin des années 1990, et pendant cette période, j’ai eu l’impression de vivre une « loi de Moore inversée » : les performances en mono-thread stagnaient presque, alors que seul le nombre de transistors explosait
Maintenant qu’on dépasse les 100 milliards de transistors par puce, je pense qu’il devient possible d’essayer de nouvelles approches
En particulier, si la compatibilité CMOS et la lithographie maison basée sur l’open source deviennent possibles, on pourra expérimenter soi-même avec des cœurs de niveau MIPS ou Pentium
Par exemple, le Raspberry Pi RP2040 (266 MIPS, 2 cœurs, 32 bits, 264 kB de RAM) coûte à peine 1 dollar et est 5 fois plus rapide qu’un Pentium de première génération
En imaginant une matrice de 256 de ces cœurs bon marché et un langage à parallélisation automatique, on pourrait librement mener des expériences comme des algorithmes génétiques ou des simulations de vie artificielle
Je cherchais récemment des guides ou des kits pour essayer la photolithographie à la maison, et je suis tombé sur ce projet par hasard, ce qui m’a vraiment surpris
Je voulais montrer concrètement aux enfants comment fonctionne la technologie moderne, mais c’est encore trop complexe pour le moment ; j’aimerais essayer avec eux plus tard
Pour du matériel plus complexe, les ressources des fondateurs d’InchFab valent aussi le détour
La méthode la plus simple consiste à utiliser un photoresist en film sec. On peut en acheter pour environ 20 dollars sur eBay ou Amazon
Chaque enfant a ses propres centres d’intérêt, mais ce type d’expérience sera bien plus vivant qu’un écran
Ce n’est pas seulement impressionnant, c’est quelque chose qui peut changer le monde
Fabriquer son propre matériel chez soi a la même signification que produire du logiciel libre chez soi
À long terme, je pense que c’est une manière de préserver la liberté informatique
Le premier projet d’IC de Sam Zeloof est sorti en 2018, mais l’écosystème DIY n’a pas vraiment connu de grand essor
Cela dit, j’ai l’intention d’expérimenter de mon côté, et j’espère voir de vrais changements apparaître
Il est difficile à croire qu’un procédé de fabrication de puces de niveau fin des années 1970 ait pu être reproduit dans le garage de ses parents
Le microprocesseur est l’une des inventions les plus complexes jamais réalisées par l’humanité, et le simple fait qu’une telle tentative soit possible est stupéfiant
Chaque fois que je vois ce genre de projet semi-conducteur à l’échelle d’un hobby, je me dis que l’innovation continue aussi en dehors des grands laboratoires
Je me demande jusqu’où cette approche peut monter en échelle
Les articles de recherche publiaient tout : quantité de produits chimiques, température, durée, de sorte que n’importe qui pouvait reproduire les expériences
Cette ouverture a permis une progression technique rapide, mais plus tard, avec la généralisation d’une gestion centrée sur la protection de la propriété intellectuelle, l’accès à l’information s’est restreint
On dit qu’en Chine, cette culture du partage ouvert existe encore, et qu’elle constitue un moteur important de leur développement rapide
Au début, je me suis dit : « à ce niveau-là, on pourrait peut-être automatiser tout ça avec une petite machine ? », mais il semble qu’Atomic Semi travaille justement dans cette direction
Comme JLCPCB avait complètement transformé le monde de l’électronique amateur à son arrivée, j’aimerais voir un changement comparable dans les semi-conducteurs d’ici quelques années
Aujourd’hui, seules des entreprises pesant plusieurs millions de dollars peuvent fabriquer des puces, mais ce type d’initiative DIY pourrait peut-être faire tomber cette barrière
Les grandes fabs industrielles peuvent être soumises aux régulations ou aux logiques du marché ; il est donc important que les individus puissent eux-mêmes fabriquer du matériel
Le fait qu’on puisse fabriquer des IC même dans un garage est impressionnant
Bien sûr, cela demande énormément de connaissances et d’efforts, mais le fait que ce soit possible sans salle blanche à plusieurs milliards de dollars est remarquable
En revanche, les circuits numériques sont difficilement réalisables en pratique, et il vaut mieux utiliser des FPGA
Avec un IC numérique fabriqué soi-même, la limite serait probablement quelque chose comme une grande horloge numérique
(C’était un projet mené en 2021)
J’espère qu’après son diplôme, il reprendra ses expériences sur les semi-conducteurs