Делаем микросхемы дома — часть 3

:

Прошло чуть больше года после предыдущих статей о моем проекте создания микросхем дома ( 1, 2), люди продолжают интересоваться результатами — а значит пора рассказать о прогрессе.

Напомню цель проекта: научиться изготавливать несложные кремниевые цифровые микросхемы в «домашних» условиях. Это никоим образом не позволит конкурировать с серийным производством — помимо того, что оно на порядки более совершенное (~22нм против ~20мкм, каждый транзистор в миллион раз меньше по площади), так еще и чудовищно дешевое (этот пункт не сразу стал очевиден). Тем не менее, даже простейшие работающие микросхемы, изготовленные в домашних условиях будут иметь как минимум образовательную и конечно декоративную ценность.

Как я уже упоминал в комментариях к другому топику, попытка выйти с этим проектом на kickstarter провалилась — проект не прошел модерацию из-за отсутствия прототипа. Это заставило в очередной раз переосмыслить пути коммерциализации этой упрощенной технологии. Возможность релиза технологии домашних микросхем в виде RepRap-подобного opensource-кита покрыта туманом: очень уж много опасной, дорогой и нестойкой химии — так просто рассылать по почте не выйдет. Также по видимому отсутствует возможность делать мелкие партии микросхем дешевле серийных заводов: сейчас минимальные тестовые партии микросхем можно изготавливать примерно по 30-50$ штука (в партии ~25 штук), и существенно дешевле 30$ за микросхему сделать это на самодельной упрощенной установке не получится. Кроме того, не смотря на низкую цену на обычных заводах — любительские микросхемы практически никто не делает, задач где они имели бы преимущества перед FPGA/CPLD/микроконтроллерами практически нет, а стоимость и сложность разработки — остается очень высокой.

Но как я уже упоминал выше — даже с этими недостатками проект остается для меня интересным.

Из того, что уже упоминалось в моих других статьях в последние месяцы — куплен кислородный концентратор, позволяет получить ~95% кислород без головной боли. Из вредных примесей — похоже только углекислый газ (35ppm), будем надеяться, этого будет достаточно. Также едет из Китая генератор озона (ему на входе нужен кислород) — есть результаты исследований, показывающих что им удобно растить тонкие подзатворные диэлектрики и использовать как один из этапов для очистки пластин.

Уже достаточно давно куплен металлографический микроскоп, и исследованы кучи существующих микросхем. В целом, стало намного понятнее с чем придется иметь дело. И наконец, поскольку микроскоп — симметричный прибор, его можно использовать для проекции уменьшенного изображения при фотолитографии. Совмещение изображения — визуальное и ручное. Источник освещения для проецирования — даже не обязательно УФ диодом делать, белый свет также вполне подойдет — качество изображения позволяет (хотя мощные 405нм диоды у меня тоже есть). Достижимые таким образом нормы фотолитографии — микронные (если сильно постараться — то до ~350нм), но смысла сильно уменьшать транзисторы нет — т.к. пропорционально уменьшается и «размер кадра», контакты к которым придется приваривать выводы станут слишком мелкими. Так что придется первоначально ограничиться нормами 10-20мкм, как и планировалось.

Микроскоп несколько поколебал веру как в отечественных производителей, так и в китайских. Оказалось, некоторые «отечественные» микроскопы — перемаркированные китайцы за 200-300% цены. С другой стороны — один из объективов похоже немного кривоват и предметный столик имел небольшой дефект литья — пришлось дорабатывать напильником (в прямом смысле этого слова).

Один из важных химических элементов для производства микросхем — вода. Опять-же в Китае куплен кондуктометр — измеритель электропроводности воды. По электропроводности можно оценить количество растворенных солей (+-50%, если не известно что именно растворено). В воде обычно растворены соли калия, натрия, кальция и марганца — и все они очень опасны для микросхем (особенно натрий и калий), т.к. их ионы могут быстро двигаться в кремнии и оксиде кремния при обычных температурах и изменять электрические параметры транзисторов (для полевых транзисторов — пороговое напряжение, утечку).

Измерил имеющиеся образцы воды, и получил следующее:

Концентрация примесей
Водопроводная вода 219ppm
«Новый» бытовой фильтр 118ppm
«Старый» бытовой фильтр 210ppm
Кипяченая вода из нового фильтра 140ppm
(!!! 2 раза перепроверял)
Бидистиллированная вода из Русхима
(Не похоже на бидистиллированную)
10ppm
Деионизировнаная вода из института микробиологии 0ppm
Деионизированная после 6 часов на воздухе
(Из-за растворения углекислого газа из воздуха)
8ppm
«Правильная» деионизированная вода — должна иметь 0.1ppm и менее, что меньше того, что может измерить мой прибор. Тем не менее, сразу видно, что далеко не любой источник воды подойдет. Куплены ионообменные смолы — они используются для очистки воды до деионизированной. Оказалось, закрома родины очень глубоки — одна из банок расфасована в 1968-м году

Также удалось купить и TMAH (тетраметиламмония гидроксид) — используется как проявитель для фоторезиста, не содержащий ионов щелочных металлов (которые как мы знаем — зло).

Для вакуумной системы — вместо покупки вакуумной резины (несколько раз пытался — но так и не осилил), нашелся в Китае вот такой вот gasket maker — паста, которую можно выдавить в нужную форму, она затвердевает — и становится резиновой.

По печке: для теплоизоляции — куплено вот такое базальтовое полотно, используется для теплоизоляции ядерных реакторов. Выдерживает 1000-1200 градусов.

Под микроскопом — видно отдельные нити расплавленного базальта, из которых сплетено полотно. Вот это настоящие нанотехнологии!!! В голове по началу не укладывается: как из камня можно сделать тончайшие нити, и соткать гибкий материал? (масштаб: 1 пиксель ~ 3 микрометра):

Найдены и порезаны кварцевые трубки для печки разного диаметра. Первый уровень теплоизоляции — воздушный зазор межу вставленными друг в друга трубками.

Изначально я думал питать печку прямо от 220 вольт — но все-же благоразумно решил перейти на питание постоянным напряжением 48 Вольт — это позволит как точнее регулировать и контролировать мощность, так и сделает конструкцию безопаснее. Куплены 2 блока питания на 400Вт. Как китайцы такой блок производят и доставляют за 19$ — загадка:

Для контроля температуры — изначально были куплены высокотемпературные термопары, рассчитанные на 1200 градусов (про них писал в прошлой серии — но фотографии не было). Размер конечно конский. Вероятно будет проще следить за уровнем инфракрасного излучения на длине волны 1мкм — кварц для него прозрачен.

И наконец — инертная среда для печки. В моем случае это Аргон. Из-за особенностей разделения газов — аргон получается чище, чем азот, хоть и несколько дороже. Я купил маленький 10л баллон, и регулятор. Регулятор внезапно не подошел — резьба не совпадает, нужно или переходник искать, или другой регулятор покупать.

Оказалось, сжатые газы продают рядом с домом (жизнь в промышленной зоне Москвы имеет свои преимущества) — и я приехал за ним с тележкой. Рабочий не оценил мой порыв — и настоятельно рекомендовал завернуть баллон в картон, чтобы прохожие не переживали. За 15 минут мы справились с камуфляжем. В общем, встреча с реальным миром вечно дарит сюрпризы :-)

Самое главное — удалось досконально разобраться в том, как работает микросхемы по NMOS технологии, зачем там 3 напряжения питания (или 2, со снижением скорости). Также наконец найден качественный open-source софт для разработки простых микросхем, в том числе поддерживающий и NMOS процесс — gnuelectric:

Из того, что упоминал в предыдущей статье — TEOS видимо не нужен, слишком сложно с ним работать, HMDS — не обязателен, по крайней мере для «больших» транзисторов.

Генератор азота — это конечно удобно, работать с пластинами в инертной атмосфере и не возиться с баллонами, но также не критично.

Единственное, что серьёзно могло бы облегчить работу — это образцы spin-on dopants и spin-on glass. В России по различным причинам их не используют и не производят, за рубежем — производителей мало, продается большими партиями и стоит дорого (тысячи $). Компания Emulsitone, у которой покупала образцы Jeri Ellsworth когда делала свои транзисторы — похоже загнулась, с ними связаться так и не удалось. Но это также не обязательный пункт — работать можно и без них (с фосфорной и борной кислотами, POCl3 и BBr3), хоть и намного сложнее / несколько опаснее.

И наконец — конечно не хватает спонсора для моих проектов, иногда между дополнительными затратами времени и дополнительными затратами денег приходится выбирать первое. Если кто-то из компаний или частных лиц имеет желание спонсировать мои проекты (условия обсуждаемы) — вы знаете, где меня найти :-).
Update: Ориентировочная смета есть, высылаю по запросу — т.е. представление на что именно нужны деньги — есть.

В прошлой статье я упоминал о моём классическом микроэлектронном проекте — я хотел разработать и производить на серийных заводах микроконтроллеры. Исследовав под микроскопом конкурентов (нормы производства, площадь), и узнав цены производства на практически всех заводах (как отечественных, так и зарубежных) — стало понятно, что бизнес это хороший, хоть и очень капиталоемкий. Тем не менее, тут похоже пока не судьба — в Сколково проект дважды завернули, из-за отсутствия у меня профильного опыта. С одной стороны они безусловно правы, с другой — пришел бы Цукерберг в Сколково, а ему «А сколько социальных сетей вы уже создали?». Вводить в команду фиктивных членов — совершенно нет желания. Так что жизнь как всегда вносит коррективы в радужные планы — видимо сначала придется зарабатывать деньги на проект другими путями, и вернуться к нему через 3-5 лет (если он тогда еще будет кому-то нужен). Следующий шаг — сборка печки с управляющей электроникой, и наконец производство первых образцов. Для начала — кремниевые диоды, исследование их характеристик, солнечные батареи, затем — полевые транзисторы, возможно и биполярные. Можно попробовать сделать диоды Шоттки — но с ними все не так просто (высокие требования к интерфейсу металл-полупроводник и краям диода).

Затем нужно думать, как в домашних условиях сделать ультразвуковую или термокомпрессионную сварку проволоки с кремниевой пластиной — это нужно для подключения выводов.

Надеюсь, в обозримом будущем домашние микросхемы мы все-же увидим :-)