Z2 – IC yang Dibuat dengan Litografi di Garasi

• Sam Zeloof, yang menjadi terkenal setelah membuat chip Z1 di garasi rumahnya saat kelas 12 SMA, kini memperkenalkan Z2 saat menjadi mahasiswa tahun ketiga
• Chip Z2 adalah sirkuit terpadu berbasis gerbang polisilikon buatan sendiri yang memuat sekitar 100 transistor, yakni silikon berperforma tinggi yang direalisasikan dengan peralatan rumahan
• Dibandingkan chip Z1 generasi sebelumnya (6 transistor, gerbang logam), Z2 menerapkan proses gerbang polisilikon 10µm untuk menurunkan tegangan ambang (Vth) menjadi 1.1V dan memperoleh kompatibilitas logika 2.5V~3.3V
• Karakteristik transistor NMOS meliputi waktu naik/turun di bawah 10ns, arus bocor 932pA, dan rasio on/off 4.3×10⁶, menunjukkan kinerja sangat baik meski dibuat dengan bahan kimia yang tidak murni dan lingkungan non-cleanroom
• Dengan memanfaatkan photoresist sebagai lapisan isolasi dan memproses lapisan polisilikon pada wafer keluaran pabrik, ia menghindari proses yang mahal dan berbahaya, sehingga pembuatan memungkinkan dengan peralatan serta bahan kimia minimal
• Proyek ini membuktikan kelayakan manufaktur semikonduktor DIY dan menyiapkan dasar untuk berkembang ke desain rangkaian digital dan analog yang lebih kompleks

---

Ikhtisar chip Z2

• Z2 adalah sirkuit terpadu eksperimental yang terdiri dari susunan transistor 10×10, sebuah struktur uji untuk mengukur dan mengoptimalkan karakteristik proses
  • Sekitar 1.200 transistor dibuat pada wafer silikon yang sama
  • Berbasis teknologi gerbang polisilikon 10µm yang sama dengan Intel 4004 (2.200 transistor)
• Dibandingkan Z1 (6 transistor, gerbang logam), jumlah transistor dan performanya meningkat drastis
  • Z1 memerlukan dua baterai 9V karena tegangan ambang yang tinggi (>10V), sedangkan Z2 dapat beroperasi pada tegangan rendah

Peralihan ke proses gerbang polisilikon

• Beralih ke gerbang polisilikon untuk mengatasi keterbatasan proses gerbang aluminium sebelumnya
  • Struktur self-aligned gate mengurangi kapasitansi overlap
  • Tegangan ambang 1.1V, Vgs maksimum 8V, Cgs <0.9pF, waktu naik/turun <10ns
• Arus bocor 932pA (Vds=2.5V) tergolong sangat rendah, meski meningkat sekitar 100 kali di bawah pencahayaan
• Karakteristik transistor yang baik tetap diperoleh meski memakai bahan kimia yang tidak murni dan lingkungan non-cleanroom

Desain dan struktur chip

• Ukuran chip adalah 2.4mm², sekitar seperempat dari IC sebelumnya
• Layout dirancang dengan Photoshop, dengan struktur sederhana agar mudah dibuat
  • Sepuluh transistor berbagi satu gerbang yang sama
  • Setiap baris terhubung seri sehingga membentuk struktur mirip NAND flash
• Desain pad besar untuk memudahkan probing
• Dari 15 chip yang dibuat, setidaknya 1 berfungsi sepenuhnya, dan 2 lainnya berfungsi sekitar 80%
  • Cacat utama adalah hubung singkat bulk pada drain/source, sementara kebocoran gerbang jarang terjadi

Proses polisilikon DIY yang dimodifikasi

• Menggantikan penggunaan gas silan (SiH₄) dengan metode doping difusi suhu tinggi
  • Membeli wafer dengan polisilikon yang sudah dideposisi di pabrik lalu mempolakannya sendiri
  • Deposisi silikon amorf melalui laser annealing juga disebut sebagai alternatif
• Bahan kimia yang digunakan: air, alkohol, aseton, asam fosfat, photoresist, developer KOH, dopan tipe-N (P509), HF(1%) atau CF₄/CHF₃ RIE, HNO₃ atau SF₆ RIE
• Peralatan yang digunakan: hot plate, tube furnace, perangkat litografi, mikroskop, ruang vakum untuk deposisi logam

Detail proses dan struktur penampang

• Menggunakan wafer yang mencakup oksida gerbang (10nm) dan lapisan polisilikon (300nm)
  • Membeli 25 wafer 200mm di eBay seharga $45
  • Berkat oksida berkualitas tinggi, proses pembersihan dengan asam kuat seperti asam sulfat dapat dihilangkan
• Menggunakan lapisan isolasi photoresist (1µm) sebagai pengganti field oxide
  • Pengerasan pada 250°C membentuk lapisan isolasi permanen, sehingga dapat menggantikan CVD SiO₂
  • Spin-on glass (sol-gel) juga disebut sebagai alternatif
• Etsa oksida dilakukan menggunakan larutan HF berbasis penghilang karat atau RIE

Hasil produksi dan rencana ke depan

• Gambar penampang SEM mengonfirmasi struktur NMOS
  • Polisilikon digunakan sebagai masker doping, dan photoresist hard-bake dipakai sebagai isolator medan
  • Hal ini menghasilkan struktur bertingkat
• Proses ini kurang kompatibel dengan CMOS, tetapi menguntungkan untuk meminimalkan alat dan meningkatkan keselamatan
• Ke depan, proyek ini akan diperluas ke pembangunan sistem pengujian otomatis dan desain rangkaian yang lebih kompleks

Respons komunitas

• Banyak komentar menilai ini sebagai “pencapaian luar biasa” dan bukti “potensi semikonduktor DIY”
• Sebagian mengusulkan ide perbaikan seperti penggunaan wafer SOI dan fotolitografi berbasis DVD-R
• Muncul banyak usulan lanjutan seperti harapan akan pengembangan Z3 dan aplikasi transistor untuk audio
• Secara keseluruhan, ini mendapat perhatian dan pujian besar sebagai contoh inovasi manufaktur semikonduktor di tingkat individu

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Saya mulai belajar pemrograman pada akhir 1980-an dengan Mac Plus 8MHz
  Lalu saya meraih gelar ilmu komputer pada akhir 1990-an, dan selama periode itu saya merasa mengalami semacam ‘hukum Moore terbalik’: kinerja single-thread nyaris mandek, sementara jumlah transistor meledak
  Sekarang, dengan lebih dari 100 miliar transistor dalam satu chip, saya rasa ada peluang untuk mencoba pendekatan baru
  Terutama jika kompatibilitas CMOS dan litografi rumahan berbasis open source benar-benar memungkinkan, kita bisa bereksperimen langsung dengan core berperforma setara MIPS atau Pentium
  Sebagai contoh, Raspberry Pi RP2040 (266 MIPS, 2 core, 32-bit, RAM 264kB) yang hanya seharga 1 dolar sudah 5 kali lebih cepat daripada Pentium awal
  Saya membayangkan, jika 256 core murah seperti ini disusun menjadi satu dan dibuatkan bahasa auto-paralelisasi, kita bisa bebas bereksperimen dengan hal-hal seperti algoritme genetika atau simulasi kehidupan buatan

• Belakangan ini saya sedang mencari panduan atau kit untuk mencoba fotolitografi di rumah, lalu saya kaget menemukan proyek ini
  Saya ingin memperlihatkan teknologi modern secara langsung kepada anak-anak saya; untuk saat ini masih terlalu rumit, tapi saya ingin mencobanya bersama mereka nanti

  • Di proyek Hacker Fab Carnegie Mellon, mereka membagikan panduan membuat peralatan sederhana seperti sistem fotolitografi dan sputtering
    Untuk peralatan yang lebih kompleks, materi dari para pendiri InchFab juga layak dijadikan referensi
    Cara termudah adalah memakai dry film photoresist. Harganya sekitar 20 dolar di eBay atau Amazon
  • Di video kanal Applied Science milik Ben Krasnow (tautan), proses pembuatan mask litografi bisa dilihat dengan cukup mudah
  • Untuk anak-anak, cara termudah memperkenalkan konsep ini adalah lewat cetak silkscreen. Anda bisa mencari kelas terkait di makerspace atau komunitas seni
  • Eksperimen seperti cetak matahari dengan Cyanotype Paper, menumbuhkan kristal garam, mainan tongkat elektrostatik, atau cat glow-in-the-dark dan lampu strobo juga menarik
    Minat tiap anak berbeda-beda, tetapi pengalaman seperti ini akan terasa jauh lebih hidup daripada layar

• Ini bukan sekadar keren, tapi sesuatu yang bisa mengubah dunia
  Membuat hardware sendiri di rumah punya makna yang setara dengan membuat perangkat lunak bebas di rumah
  Dalam jangka panjang, saya rasa ini adalah jalan untuk menjaga kebebasan komputasi

  • Saya juga setuju, tapi tampaknya dunia belum bergerak ke arah sana
    Proyek IC pertama Sam Zeloof terbit pada 2018, tetapi ekosistem DIY belum benar-benar berkembang besar sejak itu
    Meski begitu, saya sendiri tetap berniat bereksperimen dan berharap perubahan nyata akan muncul
  • Ini benar-benar pekerjaan yang luar biasa. Akan bagus kalau perkembangannya terus dibagikan

• Sulit dipercaya bahwa proses chip setingkat akhir 1970-an bisa direproduksi di garasi orang tua
  Mikroprosesor adalah salah satu ciptaan paling kompleks yang pernah dibuat manusia, jadi kenyataan bahwa percobaan seperti ini mungkin dilakukan terasa menakjubkan

• Setiap kali melihat proyek semikonduktor skala hobi seperti ini, saya merasa inovasi terus berjalan bahkan di luar laboratorium besar
  Saya penasaran sejauh mana pendekatan ini bisa diskalakan

  • Hingga awal 1950-an sampai 1970-an, industri semikonduktor masih sangat aktif dalam berbagi informasi
    Makalah riset memuat semuanya secara terbuka, sampai jumlah bahan kimia, suhu, dan waktu, sehingga siapa pun bisa mereproduksinya
    Keterbukaan seperti ini mendorong kemajuan teknologi yang cepat, tetapi kemudian informasi mulai dibatasi seiring meluasnya manajemen yang berpusat pada perlindungan IP
    Konon di Tiongkok budaya berbagi terbuka seperti ini masih tersisa, dan itulah salah satu pendorong perkembangan mereka yang cepat

• Awalnya saya berpikir, “kalau begini, bukankah ini bisa diotomatisasi dengan mesin kecil?” dan tampaknya Atomic Semi memang sedang bergerak ke arah itu

• Dulu JLCPCB muncul dan benar-benar mengubah dunia elektronik hobi; saya berharap dalam beberapa tahun ke depan ada perubahan serupa di bidang semikonduktor
  Saat ini hanya perusahaan bernilai jutaan dolar yang praktis bisa membuat chip, tetapi mungkin upaya DIY seperti ini bisa meruntuhkan tembok itu

  • Secara realistis, saya rasa itu akan sulit kecuali IC fleksibel (chip berbasis plastik) menjadi arus utama
  • Halaman Google Silicon developer juga layak dilihat
  • Arus seperti ini sangat penting untuk kebebasan komputasi
    Fab industri besar bisa tunduk pada regulasi atau logika pasar, jadi kemampuan individu untuk membuat hardware sendiri itu penting

• Mengejutkan bahwa IC bisa dibuat bahkan di garasi
  Tentu saja tetap butuh banyak pengetahuan dan usaha, tetapi fakta bahwa ini mungkin tanpa clean room bernilai miliaran dolar sangat mengesankan

  • Bahkan di garasi, rangkaian analog (misalnya amplifier audio, op-amp, atau rangkaian RF frekuensi rendah) bisa dibuat
    Namun rangkaian digital secara realistis sulit, dan saya rasa lebih baik memanfaatkan FPGA
    Dengan IC digital buatan sendiri, batas realistisnya mungkin hanya jam digital besar

• (Ini adalah proyek yang dikerjakan pada 2021)

  • Saat itu saya mendengar kabarnya dan berharap ada pembaruan; sekarang saya dengar pembuatnya sudah masuk universitas
    Semoga setelah lulus dia bisa melanjutkan lagi eksperimen semikonduktor