Z2 – Garajda Litografiyle Üretilen IC

 (sam.zeloof.xyz)
6 puan yazan GN⁺ 2025-12-08 | 1 yorum | WhatsApp'ta paylaş
  • Lise 3. sınıfta evinin garajında Z1 çipini üreterek tanınan Sam Zeloof, üniversitenin 3. sınıfındayken Z2'yi duyurdu
  • Z2 çipi, yaklaşık 100 transistör içeren, kendi kendine üretilmiş polisilisyum kapı tabanlı bir entegre devre olarak, ev tipi ekipmanlarla gerçekleştirilen yüksek performanslı silikondur
  • Önceki nesil olan Z1 çipi (6 transistör, metal gate) ile karşılaştırıldığında, 10µm polisilisyum gate süreci kullanılarak eşik gerilimi (Vth) 1.1V'a düşürüldü ve 2.5V~3.3V mantık uyumluluğu sağlandı
  • NMOS transistör özellikleri yükselme/kapanma süresi 10ns'in altında, sızıntı akımı 932pA, açma/kapama oranı 4.3×10⁶ gibi değerler sunarak, kirli kimyasallar ve temiz olmayan ortamda bile yüksek performans elde edildi
  • Fotoresist yalıtım katmanı olarak kullanılarak ve fabrika çıkışı waferin polisilisyum katmanının işlenmesiyle pahalı ve riskli süreçler atlanarak, minimum ekipman ve kimyasal ile üretim yapıldı
  • Bu proje, DIY yarı iletken üretiminin uygulanabilirliğini kanıtlayarak, gelecekte karmaşık dijital ve analog devre tasarımına geçiş için temel hazırladı

Z2 Çipine Genel Bakış

  • Z2, 10×10 transistör dizisinden oluşan deneysel bir entegre devredir; süreç özelliklerini ölçmek ve optimize etmek için bir test yapısıdır
    • Aynı silikon wafer üzerinde yaklaşık 1.200 transistör üretildi
    • Intel 4004 (2,200 transistör) ile aynı 10µm polisilisyum gate teknolojisi temelinde gerçekleştirildi
  • Z1 (6 transistör, metal gate) karşısında transistör sayısında ve performansta büyük artış
    • Z1, yüksek eşik gerilimi ( >10V ) nedeniyle iki adet 9V pille çalışıyordu; buna karşılık Z2 düşük gerilimde sürülebiliyor

Polisilisyum Kapı Sürecine Geçiş

  • Mevcut alüminyum gate sürecinin sınırlamalarını aşmak için polisilisyum gate sürecine geçildi
    • Kendiliğinden hizalanmış kapı (self-aligned gate) yapısı ile üst üste binen kapasitans azaltıldı
    • Eşik gerilimi 1.1V, maksimum Vgs 8V, Cgs <0.9pF, yükselme/kapanma süresi <10ns
  • Sızıntı akımı 932pA(Vds=2.5V) oldukça düşük seviyede olup, aydınlatılmış ortamda yaklaşık 100 kat artıyor
  • Kirli kimyasallar ve temiz olmayan ortamda bile sağlam NMOS karakteristiği elde edildi
Reklam

Çip Tasarımı ve Yapısı

  • Çip alanı 2.4mm², önceki IC'nin dörtte biri
  • Photoshop ile layout tasarımı, basit yapı sayesinde üretimi kolay
    • On transistör aynı gate'i paylaşıyor
    • Her satır seri olarak bağlanarak NAND flash benzeri bir yapı oluşturuluyor
  • Problama kolaylık sağlamak için büyük pad tasarımı
  • Üretimi tamamlanan 15 çipten en az 1'i tamamen çalışır, 2'si yaklaşık %80 çalışır durumda
    • Ana hata, drain/source bulk kısa devreleri, gate sızıntısı nadir görüldü

Düzenlenmiş DIY Polisilisyum Süreci

  • Silane (SiH₄) gazı olmadan yüksek sıcaklık difüzyon doping yöntemi ile değiştirildi
    • Fabrikadan polisilisyum kaplı wafer satın alınıp doğrudan paternlendi
    • Lazer tavlama ile amorf silikon biriktirme de alternatif olarak belirtildi
  • Kullanılan kimyasallar: su, alkol, aseton, fosforik asit, fotoresist, KOH geliştirici, N tipi dopant (P509), HF (%1) veya CF₄/CHF₃ RIE, HNO₃ veya SF₆ RIE
  • Kullanılan ekipmanlar: hotplate, tube furnace, litografi cihazı, mikroskop, metal kaplama için vakum kabini
Reklam

Süreç Detayları ve Kesit Yapısı

  • 10nm gate oksiti ve 300nm polisilisyum katmanı içeren wafer kullanıldı
    • eBay'den 200mm wafer, 25 adet 45 dolara satın alındı
    • Yüksek kaliteli oksit sayesinde sülfürik asit gibi güçlü asit temizlik adımı kaldırılabildi
  • Alan oksidi yerine geçen fotoresist yalıtım katmanı (1µm) kullanıldı
    • 250°C kür ile kalıcı bir yalıtım katmanı elde edilir, CVD SiO₂'nin yerini alabilir
    • Spin-on-glass (sol-gel) da alternatif olarak belirtildi
  • Oksit aşındırma pas giderici bazlı HF çözeltisi veya RIE ile yapılıyor

Üretim Sonuçları ve Gelecek Planlar

  • SEM kesit görüntüleri ile NMOS yapısı doğrulandı
    • Polisilisyum doping maskesi olarak kullanıldı, hard-bake fotoresist alan yalıtkanı olarak kullanıldı
    • Bu sayede basamaklı yapı oluştu
  • Süreçte CMOS uyumluluğu yetersiz olsa da, asgari ekipman ve güvenlik açısından avantajlı
  • Gelecekte otomatik test sistemi kurulumu ve karmaşık devre tasarımı ile genişleme planlanıyor

Topluluk Tepkisi

  • Çoğu yorum "şaşırtıcı başarı", "DIY yarı iletkenin mümkün olduğu" şeklinde değerlendirdi
  • Bazıları SOI wafer kullanımı, DVD-R tabanlı fotolitografi gibi geliştirme önerileri sundu
  • Çok sayıda takip önerisi arasında Z3 geliştirme beklentisi, ses için transistör uygulamaları yer alıyor
  • Genel olarak kişisel ölçekte yarı iletken üretim inovasyonunun yüksek ilgiyi ve övgüyü çektiği bir örnek olarak görüldü

İlgili okumalar

1 yorum

 
GN⁺ 2025-12-08
Hacker News görüşleri

  • Programlamaya 1980'lerin sonunda 8MHz Mac Plus ile başladım
    ardından 1990'ların sonunda bilgisayar mühendisliği diploması aldım; bu süreçte tek iş parçacıklı performans neredeyse yerinde sayarken yalnızca transistör sayısının patladığı bir tür "ters Moore yasası"nı bizzat hissettim
    Şimdi çip başına 100 milyardan fazla transistör sığarken yeni yaklaşımlar denemek için bir fırsat doğduğunu düşünüyorum
    Özellikle CMOS uyumluluğu ve açık kaynak tabanlı ev tipi litografi mümkün hale gelirse, MIPS ya da Pentium düzeyinde performansa sahip çekirdekleri bizzat deneyebileceğimizi düşünüyorum
    Örneğin Raspberry Pi RP2040 (266 MIPS, 2 çekirdek, 32 bit, 264kB RAM) sadece 1 dolara mal oluyor ve ilk Pentium'dan 5 kat daha hızlı
    Bu tür ucuz çekirdeklerden 256 tanesini dizip otomatik paralelleştirme dili yapılabilirse, genetik algoritmalar veya yapay yaşam simülasyonları gibi deneyleri özgürce yapabileceğimizi hayal ediyorum

  • Son zamanlarda evde fotolitografi denemek için rehber veya kit arıyordum; tam bu sırada bu projeye rastlayınca şaşırdım
    Çocuklara modern teknolojiyi doğrudan göstermek istiyordum ama şimdilik fazla karmaşık; ileride birlikte denemek isterim

    • Carnegie Mellon'un Hacker Fab projesi, fotolitografi ve sputtering sistemi gibi basit ekipmanları yapmaya yönelik rehberler yayımlıyor
      Daha karmaşık ekipmanlar için InchFab kurucularının materyallerine de bakılabilir
      En kolay yöntem dry film photoresist kullanmak. eBay veya Amazon'da yaklaşık 20 dolara bulunabiliyor
    • Ben Krasnow'un Applied Science kanalındaki videoda (bağlantı) litografi maskesi yapım süreci kolay anlaşılır biçimde görülebiliyor
    • Çocuklara kavramı anlatmanın en kolay yolu serigrafi baskı ile başlamak. Maker space'lerde veya sanat topluluklarında bununla ilgili dersler bulunabilir
    • Cyanotype Paper ile güneş baskısı yapmak ya da tuz kristali büyütme, elektrostatik çubuk oyuncakları, fosforlu boya ve strob ışık gibi deneyler de ilgi çekici
      Çocukların ilgileri farklı olabilir ama bu tür deneyimler ekrandan çok daha canlı bir deneyim sunar

  • Bu sadece havalı bir şey değil, dünyayı değiştirebilecek bir gelişme
    Evde doğrudan donanım üretmek, evde özgür yazılım geliştirmekle aynı anlama geliyor
    Uzun vadede hesaplama özgürlüğünü korumanın yolu bu diye düşünüyorum

    • Ben de katılıyorum ama dünya henüz o yönde ilerlemiyor gibi görünüyor
      Sam Zeloof'un ilk IC projesi 2018'de çıktı ama DIY ekosistemi büyük bir sıçrama yapmadı
      Yine de kişisel olarak denemeyi düşünüyorum ve gerçek bir değişim görmeyi umuyorum
    • Gerçekten inanılmaz bir çalışma. Gelişmeler paylaşılmaya devam ederse harika olur

  • 1970'lerin sonu seviyesindeki bir çip sürecinin aile garajında yeniden kurulabilmiş olması inanılmaz
    Mikroişlemci, insanlığın yaptığı en karmaşık icatlardan biri; böyle bir girişimin mümkün olması hayranlık verici

  • Bu tür hobi ölçekli yarı iletken projelerini her gördüğümde, büyük laboratuvarların dışında da yeniliğin sürdüğünü hissediyorum
    Bu yaklaşımın ne kadar ölçeklenebileceğini merak ediyorum

    • 1950'lerden 1970'lerin başına kadar yarı iletken sektöründe bilgi paylaşımı çok aktifti
      Araştırma makalelerinde kimyasalların miktarı, sıcaklık ve süre gibi ayrıntıların tamamı yayımlanırdı; böylece herkes aynı süreci yeniden üretebilirdi
      Bu açıklık hızlı teknolojik ilerlemeyi sağladı, ancak daha sonra IP koruması odaklı yönetim yaygınlaştıkça bilgi kısıtlanmaya başladı
      Çin'de bu açık paylaşım kültürünün hâlâ bir ölçüde sürdüğü ve bunun hızlı gelişimin itici gücü olduğu söyleniyor

  • İlk başta "bu kadarı küçük bir makineyle otomatikleştirilemez mi?" diye düşündüm, ama görünüşe göre Atomic Semi gerçekten o yönde ilerliyor

  • Geçmişte JLCPCB'nin ortaya çıkışı hobi elektroniği dünyasını tamamen değiştirmişti; umarım birkaç yıl içinde yarı iletken tarafında da benzer bir değişim olur
    Şu anda sadece milyonlarca dolarlık şirketler çip üretebiliyor, ama bu tür DIY girişimleri o duvarı yıkabilir

    • Gerçekçi olmak gerekirse, esnek IC'ler (plastik tabanlı çipler) yaygınlaşmadıkça bunun zor olduğunu düşünüyorum
    • Google Silicon geliştirici sayfasına da bakılabilir
    • Bu akım hesaplama özgürlüğü için gerekli
      Büyük endüstriyel fabrikalar düzenlemelere veya piyasa mantığına bağlı kalabilir; bu yüzden bireylerin doğrudan donanım üretebilme yeteneği önemli

  • Garajda bile IC üretilebilmesi şaşırtıcı
    Elbette çok fazla bilgi ve emek gerekiyor ama milyarlarca dolarlık bir temiz oda olmadan da mümkün olması etkileyici

    • Garajda analog devreler (ör. ses amplifikatörleri, işlemsel yükselteçler, düşük frekanslı RF devreleri) üretmek mümkün
      Ancak dijital devreler pratikte zor; FPGA kullanmak daha mantıklı görünüyor
      El yapımı bir dijital IC ile en fazla büyük bir dijital saat yapılabilir

  • (Bu proje 2021'de yürütülmüştü)

    • Haberi o zaman duymuştum ve güncelleme gelmesini umuyordum; şimdi yapımcının üniversiteye başladığını duydum
      Mezun olduktan sonra yeniden yarı iletken deneylerine dönmesini umuyorum