Делаем микросхемы дома — шаги 0 и 1
В этой статье я расскажу о начале своей работы над совершенно безбашенной задачей: конечная цель в том, чтобы получить рабочую микросхему по «толстым» нормам (5-10µm) дома. Это не первое апреля и я не сумасшедший, это просто моё хобби.
Возникла эта идея не сейчас и неспроста. С детства я хотел быть газосварщиком, и… делать микросхемы. И если по первому пункту мне достаточно быстро удалось сделать дома сварочный аппарат (бутан-водород/кислород), то с микросхемами все никак не складывалось. Долгое время все мысли останавливались на том, что я не знал где можно взять собственно полупроводники необходимой чистоты (и мысли останавливались на ковырянии мощных транзисторов), пока на форуме не подсказали что в принципе, можно и купить пластины. Затем я даже наткнулся на человека, который 20 лет работал над похожей задачей, и в итоге сдался. Пожалуй, тут можно было опустить руки и перестать тратить время на глупые мечты. Но, однажды я увидел ролик чудовищно гениальной женщины – Jeri Ellsworth – она смогла сделать отдельные полевые транзисторы на основе заводских пластин – и тогда я решил, что настало время поплотнее заняться этой проблемой.
В этой статьях я расскажу о своём текущем прогрессе, но не ждите быстрого продолжения – весь процесс может легко занять пару лет.
Шаг 0:
Были скуплены все книги по теме из местных Интернет-магазинов (как раз на 1 полку), повыкачаны из торрентов все доступные сборники оцифрованных книг. Теоретической информации там конечно много, но с практической стороны – многое покрыто мраком. Даже старые техпроцессы в деталях не описаны нигде, и потому придется много пробовать. Также перерыл интернет в поисках местных поставщиков всех потенциально необходимых материалов (собственно кремний, фоторезисты, химия, газы). Пока найти не удалось местную компанию которая может изготавливать асферическую оптику из оптического/кварцевого стекла – но это в ближайший год не станет препятствием.
Шаг 1: Кремний
Монокристаллический кремний – сердце домашней микросхемы. Вырастить дома – хоть и реально (по моим безумным меркам), но чертовски дорого. Потому я стал гуглить местных производителей кремния – кто-то говорил что они свернули производство и занимаются только сдачей помещений в аренду, кто-то не отвечал, пока наконец я не дошел до компании Терасил – там я наконец смог купить все что мне нужно. Самое главное – разрезанные и отполированные пластины монокристаллического кремния легированного в P и N тип (справа на фото).
Далее – куча разбитых пластин для тренировки. Потренировался раскалывать пластину на кусочки (оказалось, что они все с ориентацией кристаллической решетки 111 – раскалываются треугольниками, а не квадратами). Т.к они еще не отполированы – я попробовал и отполировать – провал полный: паста гои кремний не берет, нужна алмазная паста. Если со временем получится полировать, можно будет пробовать делать солнечные батареи (а из монокристаллического кремния они получаются довольно эффективные).
И наконец – кусочки монокристаллического кремния. Те что толстые слева – погрязнее (но достаточно чистые для микросхем), 2 тоненьких справа – сверхчистые, намного выше требований чистоты кремния для обычных микросхем. Само собой, разрезать их дома не выйдет (если конечно не завалялась алмазная дисковая пила) – только разбить. Нужны для того чтобы пробовать осаждать пленки аморфного кремния химическим (PE CVD SiH4) или физическим (испарение в вакууме) путем.
Какие дальше стоят задачи
- В первую очередь – строительство печи на 1200 градусов для маленького образца. Промышленные печи под такую температуру в квартире не поставить, и стоят огого. Потому буду пробовать нагревать образец галогеновыми лампами с рефлекторами.
- Переезд в отдельную квартиру: меня сразу выгонят увидев бородатого мужика в противогазе и резиновых перчатках с кучей подозрительных баночек.
- Далее – необходимая химия и фоторезисты – и можно пробовать делать 1 транзистор по процессу Jeri.
Что я ищу и пока не нахожу
В первую очередь – это информация. Хотелось бы иметь контакты людей, которые работают на производстве – ведь я соберу все грабли, которые технологи собирали последние 50 лет Затем – информация о техпроцессах и главное – библиотеки под толстые техпроцессы – пока мне их не удалось достать, а из отдельных транзисторов особо не по-проектируешь. Ну и наконец, хочу найти разработчика ASIC, который показал бы мне основные шаги разработки (кое-что я думаю что знаю, но много пробелов и я могу ошибаться сильно). По всем этим вопросам приглашаю на форум по этому проекту (English only).
Источник
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 (
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.
Начнем с неудач и драмы
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.
Логистика
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 🙂 
Софт и разработка
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:
Чего еще не хватает
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.
О «серийном» проекте
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).
Дальнейшие планы
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 🙂
Источник
