В 2018 году на Хабре рассказывали о школьнике, который изготовил двойной дифференциальный усилитель Z1 в гараже своих родителей. Накупив устаревшего оборудования на распродажах, Сэм Зилоф (Sam Zeloof) оборудовал настоящую лабораторию или мини-фабрику по вытравливанию микросхем. Мы опубликовали перевод его статьи 2021 года с описанием нового чипа Z2 с сотней транзисторов c поликремниевым затвором 10 мкм — той же технологией, что и в первом процессоре Intel.
По сути, 22-летний парень повторяет развитие полупроводниковой индустрии прошлого века, а скоро достигнет уровень 1990-х годов. Сэм показал свою лабораторию и рассказал о работе над новым чипом Z3.
Первая микросхема, изготовленная литографическим способом в домашних (гаражных) условиях, представляла собой PMOS-чип двойного дифференциального усилителя Z1.
Z1
В 2018 году школьник сделал макет ИС в программе Magic VLSI для процесса PMOS с четырьмя масками (активная/легированная область, подзатворный оксид, контактное окно и верхний металлический слой).
Если вкратце, процесс изготовления состоит из 66 отдельных шагов и занимает примерно 12 часов.
Пластина N-типа 50 мм
Кремниевые пластины 50 мм (2") разбиваются на кристаллы 5,08×3,175 мм (площадь около 16 мм²) волоконным лазером Epilog.
Влажное термическое оксидирование
Защитный окисел термически выращивается в водяном паре окружающего воздуха (влажное оксидирование) до толщины 5000−8000 Å.
Трубчатая печь
Фоторезист AZ4210 наносится на вращающуюся примерно на 3000 оборотах в минуту подолжку, формируя плёнку толщиной около 3,5 мкм, которая аккуратно подсушивается при 90°С на электроплитке.
Травление активной зоны
Маску активной зоны обрабатывает фотолитографический степпер Mark IV в ультрафиолете с шагом 365 нм.
Затем на слое металла формируется рисунок методом фотолитографии и происходит травление в горячей фосфорной кислоте. Подробнее см. статью 2018 года «Первая микросхема :)».
Z2
Вторая микросхема Z2 была изготовлена в августе 2021 года.
Z2 — по сути, просто массив 10×10 транзисторов для тестирования, определения характеристик и настройки процесса, но это был огромный шаг к более продвинутым самодельным чипам. В Intel 4004 было 2200 транзисторов, а Сэм разместил 1200 на такой же пластине.
Электрические свойства Z2:
- Vth = 1,1 В
- Vgs MAX = 8 В
- Cgs = <0,9 пФ
- Время нарастания/спада = <10 нс
- Соотношение уровней on/off = 4.3e6
- Ток утечки = 932 пА (Vds=2,5 В)
Таким образом, к настоящему моменту Сэм изготовил усилитель (Z1) и массив транзисторов, похожий на память (Z2).
Z3
Вскоре Зилоф надеется сравняться с прорывным чипом Intel 4004 от 1971 года. Это был первый в мире коммерческий микропроцессор. С 2300 транзисторами он использовался в калькуляторах и других устройствах.
В декабре 2021 года Сэм начал работу над промежуточной микросхемой Z3, которая может выполнять сложение. Это важный шаг на пути к полноценному миропроцессору.
Домашняя лаборатория
В прошлый раз Сэм описал техпроцесс производства Z2, включая список оборудования в своей домашней лаборатории.
Химикаты для изготовления транзисторов с поликремниевым затвором в домашних условиях:
- Вода
- Cпирт
- Ацетон
- Фосфорная кислота
- Фоторезист
- Проявитель (2% KOH)
- Допант n-типа (Filmtronics P509)
- HF (1%) или CF4/CHF3 RIE
- HNO3 для травления или SF6 RIE
Оборудование для изготовления транзисторов с поликремниевым затвором:
- Плита
- Трубная печь
- Литографический аппарат (ссылка)
- Микроскоп
- Вакуумная камера для осаждения металла
На фотографии видно, что оборудование занимает почти всё пространство гаража:
В Нью-Джерси такое оборудование можно найти дешевле, потому что здесь много компаний, которые работают в этой отрасли очень давно, ещё с середины прошлого века.
Конкретно этот гараж находится в 45 километрах от того места, где Bell Labs изготовила первый в мире транзистор в 1947 году. Это довольно символично, потому что парень идёт примерно по такому же пути, только с опозданием в полвека:
Траектория развития производства (рисунок Сэма Зилофа), шутка
Сейчас студент рассказывает, что часть оборудования в своей лаборатории он спас от утилизации, а кое-что изготовил самостоятельно.
В последнее время ситуация за пределами гаража изменилась, так что его работа начала приобретать более важное значение. В мире обострился глобальный дефицит чипов, что вызвало новый интерес со стороны политиков к восстановлению потенциала США по производству собственных компьютерных чипов. После десятилетий политики аутсорсинга американцы вновь начинают строить заводы. Недавно Intel объявила о строительстве крупнейшей в мире полупроводниковой фабрики в Огайо.
Сэм увлёкся микроэлектроникой ещё в школе, под впечатлением видеороликов Джери Эллсворт, которая изготавливала шаблоны транзисторов из виниловых пластинок и вытравливала дорожки средством для удаления ржавчины. Кстати, сейчас девушка работает гендиректором компании Tilt Five, которая занимается разработкой дополненной реальности.
После этого он взялся за дело, оборудовал лабораторию старинным оборудованием. Большая часть оборудования требовала ремонта, но старые машины легче подлатать, чем современные. Одной из лучших находок стал сломанный электронный микроскоп, который в начале 90-х годов стоил $250 000. Он купил его за $1000 и отремонтировал. С его помощью микросхемы проверяются на наличие дефектов.
Временами приходилось импровизировать. Например, установку для фотолитографии он изначально смастерил сам, прикрутив к микроскопу модифицированный проектор для конференц-зала, купленный на Amazon. Но недавно сделал апгрейд, новая машина позволяет засвечивать детали размером около 0,3 микрона, или 300 нанометров — примерно на уровне коммерческой индустрии середины 90-х.
Кто знает, может и Сэм когда-нибудь выйдет на промышленный уровень производства. Но в любом случае его необычное хобби доказывает всем, что производство чипов доступно для энтузиастов без многомиллионных бюджетов. Здесь нет слишком высокого барьера для входа, как раньше.
