Z2 – IC ที่ผลิตด้วยรีโซแกราฟีในโรงรถ

 (sam.zeloof.xyz)
6 คะแนน โดย GN⁺ 2025-12-08 | 1 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp
  • เมื่ออยู่ชั้นมัธยมปลายปีที่ 3 Sam Zeloof ที่มีชื่อเสียงจากการทำชิป Z1 ใน โรงรถของบ้าน เปิดตัว Z2 ในขณะที่เป็นนักศึกษาปีที่ 3 มหาวิทยาลัย
  • ชิป Z2 เป็น วงจรรวมเกตโพลีซิลิคนที่ทำเอง โดยมีทรานซิสเตอร์ประมาณ 100 ตัว เป็นซิลิคอนประสิทธิภาพสูงที่ทำได้ด้วยอุปกรณ์ใช้ในบ้าน
  • เมื่อเทียบกับ ชิป Z1 รุ่นก่อนหน้า (6 ทรานซิสเตอร์ เกตโลหะ) โดยใช้ กระบวนการเกตโพลีซิลิคน 10µm ทำให้ แรงดันเกณฑ์ (Vth) ลดลงเหลือ 1.1V และได้ความเข้ากันได้กับลอจิก 2.5~3.3V
  • คุณสมบัติทรานซิสเตอร์ NMOS คือ เวลาเพิ่ม/ลดต่ำกว่า 10ns, กระแสรั่ว 932pA และอัตราส่วน on/off 4.3×10⁶ เป็นต้น ซึ่งสามารถทำประสิทธิภาพได้ดีแม้ใช้สารเคมีไม่บริสุทธิ์และสภาพแวดล้อมไม่สะอาด
  • โดย ใช้ photoresist เป็นชั้นฉนวน และ ขึ้นรูปชั้นโพลีซิลิคนบนเวเฟอร์ที่มาจากโรงงานโดยตรง เพื่อลดการพึ่งพากระบวนการที่มีต้นทุนสูงและอันตราย จึงสามารถผลิตได้ด้วยอุปกรณ์และสารเคมีขั้นต่ำ
  • โครงการนี้ยืนยัน ความเป็นไปได้จริงของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์แบบ DIY และวางฐานเพื่อขยายไปสู่ การออกแบบวงจรดิจิทัลและแอนะล็อกที่ซับซ้อน ในอนาคต

ภาพรวมชิป Z2

  • Z2 เป็นวงจรรวมทดลองที่ประกอบด้วย อาร์เรย์ทรานซิสเตอร์ 10×10 สำหรับการวัดและปรับประสิทธิภาพกระบวนการ
    • ผลิตทรานซิสเตอร์บนเวเฟอร์ซิลิคอนเดียวกันประมาณ 1,200 ตัว
    • ใช้เทคโนโลยีเกตโพลีซิลิคนขนาด 10µm เหมือนกับ Intel 4004 (2,200 ทรานซิสเตอร์)
  • เมื่อเทียบกับ Z1 (6 ทรานซิสเตอร์ เกตโลหะ) มี การเพิ่มขึ้นอย่างมากทั้งจำนวนทรานซิสเตอร์และประสิทธิภาพ
    • Z1 มีแรงดันเกณฑ์สูงกว่า 10V จึงต้องใช้แบตเตอรี่ 9V สองก้อน ขณะที่ Z2 สามารถขับเคลื่อนได้ที่แรงดันต่ำ

การเปลี่ยนมาใช้กระบวนการเกตโพลีซิลิคน

  • เปลี่ยนมาใช้ โพลีซิลิคนเกต เพื่อแก้ข้อจำกัดของ กระบวนการเกตอะลูมิเนียม เดิม
    • โครงสร้าง self-aligned gate ช่วยลด capacitance ซ้อนทับ
    • แรงดันเกณฑ์ 1.1V, Vgs สูงสุด 8V, Cgs <0.9pF, และ เวลา rise/fall <10ns
  • กระแสรั่ว 932pA (Vds=2.5V) อยู่ในระดับต่ำมาก และสูงขึ้นประมาณ 100 เท่าในสภาวะแสง
  • ได้คุณสมบัติทรานซิสเตอร์ที่ดีแม้ในสภาพสารเคมีปนเปื้อนและสภาพแวดล้อมไม่สะอาด

การออกแบบและโครงสร้างของชิป

  • ขนาดชิปคือ 2.4mm² อยู่ที่ 1/4 ของ IC ก่อนหน้า
  • ออกแบบ layout ด้วย Photoshop โครงสร้างค่อนข้างเรียบง่ายจึงผลิตได้ง่าย
    • ทรานซิสเตอร์สิบตัวใช้เกตร่วมกัน
    • แต่ละแถวต่ออนุกรมกันเป็นโครงสร้างคล้าย NAND Flash
  • ออกแบบ pad ขนาดใหญ่เพื่อความสะดวกในการ probing
  • จากชิ้นงานที่ผลิตได้ 15 ตัว มีอย่างน้อย 1 ตัวทำงานได้สมบูรณ์ และ 2 ตัวมีการทำงานประมาณ 80%
    • ความล้มเหลวหลักคือ การชอร์ตตัว bulks ของ drain/source ในขณะที่ การรั่วของเกตเกิดขึ้นน้อยมาก

โพรเซสเซสซิส DIY โพลีซิลิคนที่ปรับแก้

  • แทนที่การใช้ก๊าซซิลาน (SiH₄) ด้วย การ doped แบบ diffusion ที่อุณหภูมิสูง
    • ซื้​​เวเฟอร์ที่มีการเคลือบโพลีซิลิคนจากโรงงาน แล้วทำการ patterning โดยตรง
    • การสังเคราะห์โพลีซิลิคนอะโมร์ฟผ่าน laser annealing ก็ได้รับการกล่าวถึงเป็นทางเลือก
  • สารเคมีที่ใช้: น้ำ, แอลกอฮอล์, อะซิโตน, กรดฟอสฟอริก, photoresist, KOH developer, โดปันต์ชนิด N (P509), HF (1%) หรือ CF₄/CHF₃ RIE, HNO₃ หรือ SF₆ RIE
  • อุปกรณ์ที่ใช้: hotplate, tube furnace, อุปกรณ์ lithography, กล้องจุลทรรศน์, ห้องสุญญากาศสำหรับการชุบโลหะ

รายละเอียดกระบวนการและโครงสร้างหน้าตัด

  • ใช้เวเฟอร์ที่มี ชั้น oxide-gate 10nm และ ชั้นโพลีซิลิคน 300nm
    • ซื้อเวเฟอร์ขนาด 200mm จำนวน 25 แผ่นจาก eBay ในราคา 45 ดอลลาร์
    • คุณภาพ oxide ชั้นดีพอให้ตัดขั้นตอนทำความสะอาดด้วยกรดเข้มข้นเช่นกรดซัลฟิวริกได้
  • ใช้ ชั้นฉนวน photoresist 1µm แทน field oxide
    • การเผาที่ 250°C สร้างชั้นฉนวนถาวร ทำให้สามารถทดแทน CVD SiO₂ ได้
    • sol-gel ถูกกล่าวถึงเป็นตัวเลือกทางเลือกอีกทางหนึ่ง
  • การกัด oxide ทำได้ด้วย สารละลาย HF ที่มีส่วนผสมจากสารล้างคราบสนิม หรือด้วย RIE

ผลการผลิตและแผนในอนาคต

  • ภาพตัดขวาง SEM ใช้ยืนยันโครงสร้าง NMOS
    • ใช้โพลีซิลิคนเป็นหน้ากากการโดป และใช้ photoresist hard-baked เป็นตัวกลางฉนวนสนาม
    • ส่งผลให้เกิด โครงสร้างลักษณะบันได
  • แม้กระบวนการยังมี ข้อจำกัดเรื่องความเข้ากันได้กับ CMOS แต่มีข้อดีด้าน ลดจำนวนเครื่องมือและเพิ่มความปลอดภัย
  • วางแผนพัฒนา ระบบทดสอบอัตโนมัติ และขยายไปสู่การออกแบบ วงจรที่ซับซ้อนขึ้น

ปฏิกิริยาชุมชน

  • ในคอมเมนต์จำนวนมากมีการประเมินว่าเป็น “ความสำเร็จที่น่าทึ่ง”, “ศักยภาพของเซมิคอนดักเตอร์ DIY”
  • บางคนเสนอแนวคิดปรับปรุง เช่น การใช้ SOI wafer และ รีโซแกราฟีแบบใช้ DVD-R
  • มีข้อเสนอมากมายสำหรับการพัฒนา Z3 และการประยุกต์ใช้งานทรานซิสเตอร์สำหรับงานเสียง
  • โดยรวมได้รับความสนใจสูงและคำชมในฐานะกรณีศึกษาความสำเร็จด้านนวัตกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในระดับบุคคล

บทความที่เกี่ยวข้อง

1 ความคิดเห็น

 
GN⁺ 2025-12-08
ความเห็นจาก Hacker News

  • ผมเริ่มเขียนโปรแกรมด้วย Mac Plus 8MHz ในช่วงปลายทศวรรษ 1980
    จากนั้นก็จบปริญญาด้านวิทยาการคอมพิวเตอร์ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 และตลอดช่วงนั้นผมรู้สึกได้ถึง “กฎของมัวร์แบบย้อนกลับ” ที่ ประสิทธิภาพแบบ single-thread แทบไม่ขยับ แต่จำนวนทรานซิสเตอร์กลับพุ่งสูงมาก
    ตอนนี้ชิปหนึ่งตัวมีทรานซิสเตอร์เกิน 1 แสนล้านตัวแล้ว จึงน่าจะเป็นโอกาสให้ลองแนวทางใหม่ ๆ
    โดยเฉพาะถ้าสามารถทำ home lithography ที่รองรับ CMOS compatibility และอิงกับโอเพนซอร์สได้ ก็น่าจะทดลองคอร์ระดับ MIPS หรือ Pentium ได้ด้วยตัวเอง
    ตัวอย่างเช่น Raspberry Pi RP2040 (266 MIPS, 2 คอร์, 32 บิต, RAM 264kB) ราคาเพียง 1 ดอลลาร์ แต่เร็วกว่า Pentium รุ่นแรกถึง 5 เท่า
    ถ้านำคอร์ราคาถูกแบบนี้มาเรียง 256 ตัวแล้วสร้าง ภาษาแบบทำ parallelization อัตโนมัติ ขึ้นมา ก็จินตนาการได้ว่าจะเปิดทางให้ทดลองสิ่งอย่าง genetic algorithm หรือการจำลอง artificial life ได้อย่างอิสระ

  • ช่วงนี้ผมกำลังหาคู่มือหรือคิทสำหรับลองทำ photolithography ที่บ้านอยู่พอดี แล้วก็แปลกใจมากที่มาเจอโครงการนี้
    ผมอยากให้เด็ก ๆ ได้เห็นเทคโนโลยีสมัยใหม่ด้วยตัวเอง แม้ตอนนี้มันยังซับซ้อนเกินไป แต่ในอนาคตก็อยากลองทำด้วยกัน

    • ใน โครงการ Hacker Fab ของ Carnegie Mellon มีการเผยแพร่คู่มือทำอุปกรณ์พื้นฐานอย่างระบบ photolithography และ sputtering system
      ถ้าเป็นอุปกรณ์ที่ซับซ้อนขึ้นก็อาจดู เอกสารจากผู้ก่อตั้ง InchFab เพิ่มเติมได้
      วิธีที่ง่ายที่สุดคือใช้ dry film photoresist ซึ่งซื้อได้จาก eBay หรือ Amazon ในราคาราว 20 ดอลลาร์
    • ใน วิดีโอช่อง Applied Science ของ Ben Krasnow(ลิงก์) สามารถดูขั้นตอนการทำ lithography mask ได้แบบเข้าใจง่าย
    • สำหรับเด็ก ๆ วิธีที่ง่ายที่สุดในการอธิบายแนวคิดคือ การพิมพ์ซิลค์สกรีน สามารถหาคลาสเกี่ยวกับเรื่องนี้ได้จาก makerspace หรือกลุ่มศิลปะ
    • การพิมพ์ภาพด้วยแสงอาทิตย์บน Cyanotype Paper หรือการทดลองอย่าง การเพาะผลึกเกลือ, ของเล่นไม้กายสิทธิ์ไฟฟ้าสถิต, สีเรืองแสงกับไฟ strobe ก็น่าสนใจเช่นกัน
      เด็กแต่ละคนสนใจไม่เหมือนกัน แต่ประสบการณ์แบบนี้น่าจะให้ความรู้สึกจริงกว่าการมองผ่านหน้าจอมาก

  • นี่ไม่ใช่แค่เรื่องเจ๋ง ๆ แต่เป็นสิ่งที่ อาจเปลี่ยนโลกได้
    การสร้างฮาร์ดแวร์เองที่บ้านมีความหมายพอ ๆ กับการสร้างซอฟต์แวร์เสรีเองที่บ้าน
    ในระยะยาว ผมคิดว่านี่คือหนทางในการรักษา เสรีภาพด้านคอมพิวติ้ง

    • ผมก็เห็นด้วย แต่ดูเหมือนโลกยังไม่ได้ขยับไปทางนั้น
      โปรเจกต์ IC ชิ้นแรกของ Sam Zeloof ออกมาตั้งแต่ปี 2018 แต่ ecosystem แบบ DIY ก็ยังไม่ได้เติบโตมากนัก
      ถึงอย่างนั้นผมก็ยังตั้งใจจะลองทดลองเอง และหวังว่าจะได้เห็นการเปลี่ยนแปลงจริง ๆ
    • เป็นงานที่น่าทึ่งมาก หวังว่าจะมีการแชร์ความคืบหน้าต่อไปเรื่อย ๆ

  • แทบไม่น่าเชื่อว่าจะสามารถทำกระบวนการผลิตชิประดับปลายทศวรรษ 1970 ได้ซ้ำในโรงรถของพ่อแม่
    ไมโครโปรเซสเซอร์ เป็นหนึ่งในสิ่งประดิษฐ์ที่ซับซ้อนที่สุดที่มนุษย์เคยสร้างขึ้น และการที่ความพยายามแบบนี้เป็นไปได้ก็น่าอัศจรรย์มาก

  • ทุกครั้งที่เห็น โปรเจกต์เซมิคอนดักเตอร์ระดับงานอดิเรก แบบนี้ ผมจะรู้สึกว่านวัตกรรมยังคงเกิดขึ้นต่อไปนอกห้องแล็บขนาดใหญ่
    ผมสงสัยว่าแนวทางนี้จะขยายต่อได้ไกลแค่ไหน

    • จนถึงช่วงต้นทศวรรษ 1950~70 วงการเซมิคอนดักเตอร์ยังมี การแบ่งปันข้อมูล กันอย่างมาก
      ในงานวิจัยจะเปิดเผยหมดทั้งปริมาณสารเคมี อุณหภูมิ และเวลา ทำให้ใครก็ทำซ้ำได้
      ความเปิดกว้างแบบนี้ช่วยเร่งการพัฒนาเทคโนโลยีอย่างรวดเร็ว แต่ต่อมาพอแนวทางบริหารที่เน้น การปกป้อง IP แพร่หลาย ข้อมูลก็ถูกจำกัดมากขึ้น
      ว่ากันว่าในจีนยังคงมีวัฒนธรรมการแบ่งปันแบบเปิดลักษณะนี้อยู่ และนั่นเป็นแรงขับสำคัญของการพัฒนาที่รวดเร็ว

  • ตอนแรกผมคิดว่า “ระดับนี้น่าจะทำเครื่องเล็ก ๆ มา automate ได้แล้วหรือเปล่า?” แล้วดูเหมือนว่า Atomic Semi ก็กำลังไปในทิศทางนั้นจริง ๆ

  • เหมือนตอนที่ JLCPCB โผล่มาแล้วเปลี่ยนโลกงานอดิเรกอิเล็กทรอนิกส์ไปเลย ผมก็หวังว่าอีกไม่กี่ปีข้างหน้า วงการเซมิคอนดักเตอร์จะมีการเปลี่ยนแปลงแบบนั้นบ้าง
    ตอนนี้มีแค่บริษัทระดับหลายล้านดอลลาร์เท่านั้นที่ผลิตชิปได้ แต่ความพยายามแบบ DIY นี้อาจช่วยพังกำแพงนั้นลงได้

    • ในทางปฏิบัติ ผมมองว่าน่าจะยาก ถ้า flexible IC (ชิปฐานพลาสติก) ยังไม่แพร่หลาย
    • หน้า Google Silicon สำหรับนักพัฒนา ก็น่าลองดูเช่นกัน
    • กระแสแบบนี้จำเป็นต่อ เสรีภาพด้านคอมพิวติ้ง มาก
      เพราะโรงงานผลิตขนาดใหญ่ในอุตสาหกรรมอาจถูกกำกับด้วยกฎระเบียบหรือแรงกดดันของตลาด ดังนั้นความสามารถที่บุคคลทั่วไปจะสร้างฮาร์ดแวร์เองได้จึงสำคัญมาก

  • น่าทึ่งที่แม้แต่ในโรงรถก็ยังสร้าง IC ได้
    แน่นอนว่าต้องใช้ทั้งความรู้และความพยายามมาก แต่การที่มันเป็นไปได้โดยไม่ต้องมีคลีนรูมมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์ก็น่าประทับใจ

    • ในโรงรถยังสามารถทำ วงจรแอนะล็อก (เช่น แอมป์เสียง, operational amplifier, วงจร RF ความถี่ต่ำ) ได้
      แต่ วงจรดิจิทัล นั้นในโลกความเป็นจริงยากมาก และน่าจะคุ้มกว่าถ้าใช้ FPGA
      ถ้าทำ digital IC เอง ขีดจำกัดก็คงประมาณนาฬิกาดิจิทัลขนาดใหญ่

  • (เป็นโปรเจกต์ที่ทำในปี 2021)

    • ตอนนั้นผมได้ยินข่าวแล้วก็หวังว่าจะมีอัปเดตเพิ่มเติม ตอนนี้ได้ยินว่าผู้สร้างเข้าเรียนมหาวิทยาลัยแล้ว
      หวังว่าหลังเรียนจบเขาจะกลับมาทำ การทดลองด้านเซมิคอนดักเตอร์ ต่ออีกครั้ง