Az áramköri forradalom a garázsban
A néhány éve készített Z1 erősítő nyomán, amely mindössze hat tranzisztort tartalmazott, most elkészült a Z2 kódnevű chip – egy egyszerű 1010-es mátrix, 1000 tranzisztorral, ami valójában 1200 tranzisztort jelent a teljes lapkán. Ez óriási ugrás: az Intel 4004 processzora 2200 tranzisztorral dolgozott, ehhez képest a házi chip már több mint féltávon túl jár. A méret persze kicsi: 2,4 mm², azaz negyede a korábban készült saját IC-k fizikai területének, így a mérhetőség és a tesztelés igazi kihívás. Az egyszerű elrendezés – oszloponként közös kapu, soronként sorba kötött tranzisztorok – leginkább NAND flash memóriára emlékeztet, a cél azonban a minél egyszerűbb tesztelhetőség és az adatok gyűjtése a gyártási folyamat finomításához volt.
Az alumíniumot felváltja a poliszilícium: Lépés a modern chipek felé
Korábban a tranzisztorok kapuja alumíniumból készült, ami magas kapcsolási feszültséget (több mint 10 V) és jókora fogyasztást eredményezett; a prototípusokhoz két 9 V-os elem is kellett. A poliszilíciumos kaputechnológia alapjaiban változtatta meg a helyzetet: a kapcsolási küszöbfeszültség 1,1 V-ra csökkent, így a chip már kompatibilis 2,5 V- és 3,3 V-os logikai szintekkel is. A sorozat legújabb NMOS tranzisztorai kiválóan teljesítenek: a kapcsolási idő 10 ns alatt marad, a záró- és nyitóirányú áram közötti arány 4,3 milliószoros, míg a szivárgási áram (amely fény hatására a 100-szorosára nő) kevesebb mint egy nanoamper. Házilag, tisztaszoba nélkül, nem félvezetőipari tisztaságú vegyi anyagokkal ilyen paramétereket elérni szinte hihetetlen.
Műszaki bravúr: Egyszerű eszközök, pontos munka
A prototípus létrehozása során az egyszerűség volt a kulcsszó. Photoshopban tervezték az elrendezést, minden chipen 1010 NMOS tranzisztor sorakozik, oszloponként közös kapuval, soronként összekötve. Maga a gyártás is minimális anyag- és eszközigénnyel zajlott: víz, alkohol, aceton, foszforsav, fotoreziszt, némi dopáns, fejlesztőszer, HF vagy CF4/CHF3, valamint salétromsav, továbbá hőlap, csőkemence, vákuumkamra és természetesen mikroszkóp elegendő volt.
A gyártás folyamatát sikerült leegyszerűsíteni: az előre lerakott vékony (10 nm-es) oxidréteg és vastagabb (300 nm-es) poliszilícium együttes jelenléte jelentősen megkönnyítette a lépéseket. Az oxidréteg különösen kényes, de a kész ostyák használata lehetővé tette, hogy ne legyen szükség veszélyes vagy agresszív vegyszerekre – a gyártó eBay-ről 45 dollárért (kb. 16 000 forintért) 25 darab 200 mm-es ostyával gyakorlatilag egy életnyi alapanyagot szerzett be.
A poliszilícium titkai és az alternatív folyamat
Valószínűsíthető, hogy a legdurvább laborfelszerelés helyett a legokosabb megoldás az egyszerűsítés: a monokristályos szilícium csak leválasztással növeszthető, ami egy házi laborban gyakorlatilag lehetetlen. A poliszilícium már praktikusabb: gyárilag leválasztva megvásárolható, majd mintázással és diffúzióval kialakítható a szükséges szerkezet. Az iparban használt szilán gáz helyett így lehetséges más, veszélytelenebb eljárást alkalmazni. Az extra maszkolási lépéssel, a poliszilícium saját maszként és keményre sütött fotoreziszt szigetelőrétegként való alkalmazásával sikerült kikerülni azokat az eljárásokat, amelyek drágák, veszélyesek vagy otthoni körülmények között kivitelezhetetlenek lennének.
A szigetelőréteg helyét ugyan egy egyszerű fotoreziszt tölti be, amelyet 250 °C-on keményre sütnek, mégis megfelelő elektromos szigetelést nyújt. Az SiO2 marása is egyszerű eszközökkel, akár oldószeres vagy plazmakezeléssel megoldható.
Tesztelés és eredmények: már csak a türelem kérdése
Összesen 15 chip készült, tehát 1500 tranzisztor, ebből legalább egy teljesen, kettő pedig majdnem tökéletesen működik (a tranzisztorok 80%-ával). Az elrontott tranzisztorok jellemző hibája a forrás vagy a nyelő zárlata a szilíciumalappal, nem pedig a kapu szivárgása – ami előrelépés a Z1-hez képest. A profilométeres és pásztázó elektronmikroszkópos mérések közel tökéletes szerkezetet igazoltak még ilyen egyszerű otthoni körülmények között is.
Miközben a chipgyártás továbbra is kézimunkát és nagyfokú precizitást igénylő folyamat, az automatizálás elkezdődött, így a következő cél a további komplex digitális és analóg áramkörök megtervezése és legyártása házilag. Valószínűsíthető, hogy a garázslaborok új lendületet adhatnak az otthoni kutatásnak – azaz tényleg eljött az amatőr félvezetőgyártás korszaka!
