Z2 – गैरेज में लिथोग्राफी से बनाई गई IC

 (sam.zeloof.xyz)
6 पॉइंट द्वारा GN⁺ 2025-12-08 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • हाई स्कूल के तीसरे वर्ष में घर के गैरेज में Z1 चिप बनाकर प्रसिद्ध हुए Sam Zeloof ने कॉलेज के तीसरे वर्ष में Z2 जारी किया
  • Z2 चिप लगभग 100 ट्रांजिस्टर वाली स्वयं-निर्मित पॉलीसिलिकॉन गेट आधारित एकीकृत सर्किट (IC) है, जिसमें घरेलू उपकरणों से हाई-परफॉर्मेंस सिलिकॉन तैयार करने का प्रयास है
  • पूर्व संस्करण Z1 चिप (6 ट्रांजिस्टर, मेटल गेट) की तुलना में, 10µm पॉलीसिलिकॉन गेट प्रोसेस अपनाकर थ्रेशोल्ड वोल्टेज (Vth) को 1.1V तक घटाया और 2.5V~3.3V लॉजिक कम्पैटिबिलिटी हासिल की
  • NMOS ट्रांजिस्टर की विशेषताएँ में राइज़/फॉल टाइम 10ns से कम, लीकेज करंट 932pA और ऑन/ऑफ अनुपात 4.3×10⁶ है; अशुद्ध रसायनों और गैर-स्वच्छ वातावरण के बावजूद इसमें उत्कृष्ट प्रदर्शन मिला
  • फोटोरेज़िस्ट को इंसुलेटिंग लेयर की तरह उपयोग करके और फैक्ट्री-ग्रेड वेफर की पॉलीसिलिकॉन लेयर को प्रोसेस कर, महंगे और जोखिमभरे चरणों से बचते हुए न्यूनतम उपकरण व रसायनों से निर्माण संभव हुआ
  • यह प्रोजेक्ट DIY सेमीकंडक्टर निर्माण की व्यवहारिकता को सिद्ध करता है और आगे जटिल डिजिटल/एनालॉग सर्किट डिजाइन की ओर विस्तार की बुनियाद रखता है

Z2 चिप अवलोकन

  • Z2 एक टेस्ट स्ट्रक्चर के रूप में डिज़ाइन की गई 10×10 ट्रांजिस्टर एरे वाली प्रयोगात्मक IC है, जिसका उपयोग प्रोसेस पैरामीटर के मापन और अनुकूलन के लिए किया गया
    • समान सिलिकॉन वेफर पर लगभग 1,200 ट्रांजिस्टर बनाए गए
    • Intel 4004 (2,200 ट्रांजिस्टर) में उपयोग होने वाली समान 10µm पॉलीसिलिकॉन गेट तकनीक के आधार पर
  • Z1 (6 ट्रांजिस्टर, मेटल गेट) के मुकाबले ट्रांजिस्टर संख्या और परफॉर्मेंस में बड़ा सुधार
    • Z1 में उच्च थ्रेशोल्ड वोल्टेज (>10V) के कारण दो 9V बैटरियाँ चाहिए थीं, जबकि Z2 लो-वोल्टेज ड्राइव के लिए तैयार है

पॉलीसिलिकॉन गेट प्रोसेस में बदलाव

  • पहले की एल्यूमीनियम गेट प्रोसेस की सीमाओं को पार करने के लिए पॉलीसिलिकॉन गेट पर स्विच किया गया
    • सेल्फ-अलाइंड गेट (self-aligned gate) संरचना से ओवरलैप केपेसिटेंस कम हुई
    • थ्रेशोल्ड वोल्टेज 1.1V, अधिकतम Vgs 8V, Cgs < 0.9pF, राइज़/फॉल टाइम < 10ns
  • लीकेज करंट 932pA (Vds=2.5V) बहुत कम है और प्रकाश की स्थिति में लगभग 100 गुना बढ़ जाता है
  • अशुद्ध रसायन और गैर-स्वच्छ वातावरण में भी अच्छे ट्रांजिस्टर गुण हासिल किए गए

चिप डिजाइन और स्ट्रक्चर

  • चिप का आकार 2.4mm² है, जो पिछले IC का लगभग 1/4 है
  • Photoshop से लेआउट डिज़ाइन, साधारण स्ट्रक्चर होने के कारण निर्माण आसान
    • दस ट्रांजिस्टर एक साझा गेट साझा करते हैं
    • प्रत्येक पंक्ति सीरीज़ में जुड़कर NAND फ्लैश जैसा स्ट्रक्चर बनाती है
  • प्रोबिंग को आसान बनाने के लिए बड़े पैड डिज़ाइन
  • बने हुए 15 में से कम से कम 1 चिप पूरी तरह काम करती है, और 2 चिप लगभग 80% तक काम करती हैं
    • मुख्य दोष ड्रेन/स्रोत का बैक-शॉर्ट है, जबकि गेट लीकेज कम ही देखा गया

संशोधित DIY पॉलीसिलिकॉन प्रोसेस

  • सिलेन (SiH₄) गैस के बिना उच्च-तापमान डिफ्यूज़न डोपिंग तरीके से बदलाव
    • फैक्ट्री में पहले से डिपोज़िट किए गए पॉलीसिलिकॉन वेफर खरीदकर सीधे पैटर्निंग की गई
    • लेज़र एनीलिंग के जरिए अमॉर्फ़स सिलिकॉन डिपोज़िशन को वैकल्पिक विकल्प के रूप में भी बताया गया
  • उपयोग किए जाने वाले रसायन: पानी, अल्कोहल, एसिटोन, फॉस्फोरिक एसिड, फोटोरेज़िस्ट, KOH डेवलपर सॉल्यूशन, N-टाइप डोपेंट (P509), HF (1%) या CF₄/CHF₃ RIE, HNO₃ या SF₆ RIE
  • उपयोग में लाई गई उपकरण सूची: हॉटप्लेट, ट्यूब फर्नेस, लिथोग्राफी उपकरण, माइक्रोस्कोप, मेटल डिपोज़िशन के लिए वैक्यूम चैम्बर

प्रोसेस डिटेल्स और क्रॉस-सेक्शन

  • 10nm गेट ऑक्साइड और 300nm पॉलीसिलिकॉन लेयर वाले वेफर का उपयोग
    • eBay से 200mm वेफर की 25 शीट्स $45 में खरीदीं
    • अच्छे क्वालिटी के ऑक्साइड की वजह से सल्फ्यूरिक एसिड जैसे स्ट्रॉंग एसिड क्लीनिंग चरण हटाना संभव हुआ
  • फील्ड ऑक्साइड के विकल्प के रूप में 1µm फोटोरेज़िस्ट इंसुलेटिंग लेयर का उपयोग
    • 250°C पर बेक करने से स्थायी इंसुलेशन लेयर बनती है, जो CVD SiO₂ का विकल्प बन सकती है
    • स्पिन-ऑन-ग्लास (sol-gel) को भी विकल्प के रूप में उल्लेख किया गया
  • ऑक्साइड एचिंग HF सॉल्यूशन (रस्ट-रीमूवर आधारित) या RIE से की जाती है

निर्माण परिणाम और भविष्य की योजना

  • SEM क्रॉस-सेक्शन इमेज से NMOS स्ट्रक्चर की पुष्टि
    • पॉलीसिलिकॉन को डोपिंग मास्क की तरह और हार्ड-बेक फोटोरेज़िस्ट को फील्ड इंसुलेटर की तरह इस्तेमाल किया गया
    • इससे स्टेप-लाइक स्ट्रक्चर बना
  • प्रोसेस में CMOS कम्पैटिबिलिटी की कमी है, लेकिन उपकरणों की न्यूनतम जरूरत और सुरक्षा सुधार में फायदा है
  • आगे चलकर ऑटोमेटेड टेस्ट सिस्टम बनाने और जटिल सर्किट डिजाइन की दिशा में बढ़ने की योजना है

समुदाय की प्रतिक्रिया

  • कई टिप्पणियों में इसे “अद्भुत उपलब्धि” और “DIY सेमीकंडक्टर की संभावना” के रूप में सराहा गया
  • कुछ ने SOI वेफर के उपयोग, DVD-R आधारित फोटो-लिथोग्राफी जैसे सुधार सुझाव दिए
  • कई बाद की सिफारिशों में Z3 विकास की उम्मीद और ऑडियो के लिए ट्रांजिस्टर अनुप्रयोग शामिल थे
  • कुल मिलाकर इसे व्यक्तिगत स्तर पर सेमीकंडक्टर मैन्युफैक्चरिंग में नवाचार के रूप में काफी रुचि और प्रशंसा मिली

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 2025-12-08
Hacker News की राय

  • मैंने 1980 के दशक के आखिर में 8MHz Mac Plus पर प्रोग्रामिंग शुरू की थी
    बाद में 1990 के दशक के आखिर में कंप्यूटर साइंस की डिग्री ली, और इस दौरान मैंने एक तरह का ‘उल्टा Moore’s Law’ महसूस किया, जहाँ single-thread performance लगभग ठहरी रही जबकि transistor की संख्या विस्फोटक रूप से बढ़ती गई
    अब जब एक chip में 100 अरब से भी ज़्यादा transistor आ रहे हैं, तो लगता है कि नए approach आज़माने का मौका बन रहा है
    खासकर अगर CMOS compatibility और open source आधारित home lithography संभव हो जाए, तो MIPS या Pentium-स्तर के core पर सीधे प्रयोग किए जा सकते हैं
    उदाहरण के लिए, Raspberry Pi RP2040 (266 MIPS, 2-core, 32-bit, 264kB RAM) सिर्फ 1 डॉलर में शुरुआती Pentium से 5 गुना तेज़ है
    अगर ऐसे 256 सस्ते core को array में रखा जाए और automatic parallelization language बनाई जाए, तो genetic algorithm या artificial life simulation जैसे प्रयोग खुलकर किए जा सकते हैं

  • मैं हाल में घर पर photolithography आज़माने के लिए guide या kit ढूँढ रहा था, और तभी यह project देखकर हैरान रह गया
    मैं बच्चों को modern technology सीधे दिखाना चाहता था; अभी यह बहुत जटिल है, लेकिन बाद में उनके साथ इसे आज़माना चाहूँगा

    • Carnegie Mellon के Hacker Fab project में photolithography और sputtering system जैसे साधारण equipment बनाने की guide सार्वजनिक है
      थोड़ा अधिक जटिल equipment के लिए InchFab संस्थापकों की सामग्री भी उपयोगी हो सकती है
      सबसे आसान तरीका dry film photoresist का उपयोग है। eBay या Amazon पर यह लगभग 20 डॉलर में मिल जाता है
    • Ben Krasnow के Applied Science चैनल के वीडियो(लिंक) में lithography mask बनाने की प्रक्रिया आसानी से देखी जा सकती है
    • बच्चों को अवधारणा समझाने के लिए silkscreen printing सबसे आसान है। maker space या art group में इससे जुड़ी classes मिल सकती हैं
    • Cyanotype Paper से sun printing करना, नमक के crystal उगाना, electrostatic wand toys, और glow paint व strobe light जैसे प्रयोग भी रोचक हैं
      हर बच्चे की रुचि अलग होती है, लेकिन ऐसे अनुभव screen से कहीं ज़्यादा जीवंत होते हैं

  • यह सिर्फ़ शानदार नहीं है, बल्कि दुनिया बदल देने वाली बात है
    घर पर खुद hardware बनाना, वैसा ही महत्व रखता है जैसा घर पर free software बनाना
    लंबी अवधि में यह computing freedom की रक्षा का रास्ता है

    • मैं भी सहमत हूँ, लेकिन दुनिया अभी शायद इस दिशा में नहीं चल रही
      Sam Zeloof का पहला IC project 2018 में आया था, लेकिन DIY ecosystem में बहुत बड़ा विकास नहीं हुआ
      फिर भी मैं खुद प्रयोग करने का सोच रहा हूँ, और उम्मीद है कि असली बदलाव दिखाई देगा
    • यह सचमुच चौंका देने वाला काम है। काश प्रगति की जानकारी लगातार मिलती रहे

  • यह मानना मुश्किल है कि 1970 के दशक के आखिर के स्तर की chip process को किसी ने अपने माता-पिता के garage में दोहरा दिया
    Microprocessor मानव द्वारा बनाई गई सबसे जटिल inventions में से एक है, और यह संभव हुआ, यही विस्मयकारी है

  • जब भी मैं ऐसे hobby-scale semiconductor project देखता हूँ, तो लगता है कि innovation बड़े research lab के बाहर भी लगातार हो रही है
    यह approach कितनी दूर तक scale हो सकती है, यह जानने की जिज्ञासा है

    • 1950 से 1970 के शुरुआती दशक तक semiconductor उद्योग में जानकारी साझा करना बहुत सक्रिय था
      research paper में chemicals की मात्रा, temperature और time तक सब कुछ सार्वजनिक होता था, इसलिए कोई भी उन्हें दोहरा सकता था
      इस openness ने तेज़ तकनीकी प्रगति को आगे बढ़ाया, लेकिन बाद में IP protection-केंद्रित management फैलने के साथ जानकारी सीमित होने लगी
      कहा जाता है कि चीन में अब भी ऐसी खुली साझा-संस्कृति बची हुई है, और वही तेज़ प्रगति की एक बड़ी वजह है

  • पहले मुझे लगा, “क्या इसे छोटे machine से automate नहीं किया जा सकता?” और वास्तव में Atomic Semi शायद उसी दिशा में काम कर रहा है

  • जैसे कभी JLCPCB ने hobby electronics की दुनिया पूरी तरह बदल दी थी, वैसे ही उम्मीद है कि कुछ वर्षों में semiconductor क्षेत्र में भी वैसा बदलाव आए
    अभी सिर्फ़ लाखों डॉलर वाली कंपनियाँ ही chip बना सकती हैं, लेकिन ऐसे DIY प्रयास शायद उस दीवार को तोड़ सकें

    • व्यावहारिक रूप से देखें तो यह मुश्किल है, जब तक flexible IC (plastic-based chip) आम न हो जाए
    • Google Silicon developer page भी देखने लायक है
    • computing freedom के लिए यह प्रवृत्ति ज़रूरी है
      बड़े industrial fab नियमों या market logic से प्रभावित हो सकते हैं, इसलिए लोगों के पास खुद hardware बनाने की क्षमता होना महत्वपूर्ण है

  • garage में भी IC बनाया जा सकता है, यह चकित करने वाली बात है
    बेशक इसमें बहुत ज्ञान और मेहनत चाहिए, लेकिन अरबों डॉलर के clean room के बिना भी यह संभव है, यही सबसे प्रभावशाली है

    • garage में analog circuit (जैसे audio amplifier, operational amplifier, low-frequency RF circuit) बनाना संभव है
      लेकिन digital circuit व्यवहारिक रूप से कठिन है, और FPGA का उपयोग करना बेहतर होगा
      खुद बनाए गए digital IC से शायद बड़े digital clock जैसी चीज़ तक ही पहुँचा जा सके

  • (यह 2021 में किया गया project था)

    • तब यह खबर सुनकर लगा था कि आगे updates मिलेंगी, लेकिन अब सुना है कि निर्माता विश्वविद्यालय में दाखिल हो गया है
      उम्मीद है graduation के बाद वह फिर से semiconductor experiment जारी रखेगा