С момента публикации первой статьи по моему проекту домашних микросхем прошел (скорее пролетел) год, пора поделится прогрессом и новыми проблемами. Изначальная цель проекта — научиться изготавливать микросхемы в домашних условиях, состоящие из сотен/тысяч транзисторов (уровня КР580ВМ80А / Z80).
Из-за того, что проект получился достаточно большим по требуемым ресурсам и времени — я решил получить в качестве дополнительного результата — документированный, максимально простой open-source техпроцесс, позволяющий создавать микросхемы в ограниченных условиях. В США, возможно, это было бы хорошим поводом для проекта на kickstarter, но видимо не судьба.
О решении сложных проблем и человеческой ограниченности
Первые полгода задача, стоящая передо мной, иногда казалась просто неподъемной. Не везде все ясно, список вещей, которые необходимо сделать или с которыми нужно разобраться — был нескончаемым. Лишь позднее я понял основной принцип решения сложных проблем:
Человек — в принципе не способен решать сложные проблемы. Все что ему под силу — сделать один следующий простой и очевидный шаг по длинной лестнице, ведущей к решению проблемы. Если стоящая проблема не очевидная чтобы решить её за один шаг — остаётся только изучать и разбивать её на подзадачи, пока она не станет очевидной. После этого она в худшем случае превращается в логистическую проблему — проблему управления большим количеством простых подзадач.
Именно так и случилось, по мере изучения и проработки — задача стала логистической, и свелась к поиску всех необходимых компонент и выбору из известных вариантов решения каждой технологической проблемы исходя из имеющихся ограничений по габаритам, финансам и безопасности.
О технологических решениях
- Техпроцесс — NMOS (или PMOS в крайнем случае), с одним типом транзисторов и одним легированием. Как там все работает и проектируется — понятно. CMOS достаточно сложен для диффузионного легирования, и его оставляю на потом.
- Из сжатых газов — будет только Аргон для высокотемпературного отжига и распыления металлов. Но буду пробовать обойтись без него — водородом / азотом.
- Кислород (для выращивания слоя окисла на кремнии) и водород (для отжига) — будут получаться электролизом воды на никелевых электродах в щелочном электролите. Небольшое загрязнение щелочными металлами не должно стать большой проблемой. Я думаю понятно, что баллоны с кислородом и тем более водородом тащить домой я бы не хотел.
- Не будет эпитаксиальных слоев (т.е. выращивания слоя кремния), т.к. моносилан (газ, из которого растят слой кремния) слишком опасен для дома в силу своей взрывоопасности, и получать его «на месте» в микроскопических количествах не выйдет. Соответственно, транзисторы будут с металлическим затвором, т.е. относительно медленные.
- Фотолитография — все мои старые и наивные мысли о кварцевой оптике, жестком 253/184нм УФ — уходят на свалку. Будут стандартные объективы и 365/405нм ближний УФ свет. Это снимает вопросы и с относительно экзотическими фоторезистами.
- Распыление металлов в вакууме — плазмой, а не нагреванием в вольфрамовой лодочке. Это намного проще и гибче, не требует собственно лодочек и сложной электроники нагрева и контроля температуры. Металл — алюминий. Про желательный 1% сплав с кремнием я знаю, но пока точно не знаю что с этим буду делать. Прокола pn перехода из-за использования чистого алюминия можно избежать разными способами, а электромиграция не значимая проблема для данной задачи.
- Печка — банальный нихром на кварцевой трубке. Контроль температуры — по изменению сопротивления Нихрома или в худшем случае — по выдаваемой на спираль мощности (т.е. вслепую). Термопары высокотемпературные я купил — но они слишком большие для моих сверхкомпактных размеров.
- Фоторезист — банальный новолачный фоторезист с щелочным проявителем. Опять же, загрязнение ионами щелочных металлов не фатальны для первоначальной задачи, поэтому с дорогими без-металлическими проявителями (на основе TMAH) я решил пока не заморачиваться.
Продвижение по материалам
В дополнение к пластинам из унылого кремния — кремний на сапфире (на производстве — используется для радиационно-стойких микросхем). В моём случае — техпроцесс на некоторых шагах может быть упрощен:
Приехал из Китая двухступенчатый вакуумный насос с фурнитурой (краники с электроприводом, вакуумные шланги, манометры и проч.) — его должно быть достаточно для напыления металлов:
Кислоты — серная, соляная, азотная, борная, ортофосфорная… Многих беспокоят прекурсоры и госнаркоконтроль — у меня все приобретено легально, с прохождением соответствующих бюрократических процедур.
И заморская, плавиковая. Это — моя самая большая в жизни ошибка. В магазине отказались разливать (из-за её опасности), и сказали, что могут продать только целиком, 24кг. Тогда я не видел других вариантов, и согласился. А ведь её я реально боялся — после того, как я давно посмотрел видео о работе с плавиковой кислотой — потом кошмар приснился, что я ей отравился, антидота нет и всё, конец (что недалеко от истины, тема раскрыта в 20-й серии 4-го сезона ER/Скорой помощи). Идея была «гениальна» — хрен с ним, сам разолью и продам лишнюю. Но после первых 2-х килограммов, которые переливать пришлось 20-и кубовым шприцем, в противогазе и проч., когда у ног задорно шипит бетон, растворяясь в тех местах, где я пару капель пролил — я решил — ну его нафиг. Получился своего рода чемодан без ручки, который не просто жалко выкидывать — нельзя, т.к. чертовски опасен. В итоге, этот чемодан я подарил продавцу химией с самовывозом, оставив себе минимально необходимое количество. Это был хороший урок.
После этого, самые опасные вещества в производстве микросхем, которые мне придется использовать — источники фосфора и бора для легирования: BBr3 и POCl3 — их я купил самым минимальным необходимым объемом. Есть и более безопасные альтернативы — так называемые spin-on dopants — но производители не хотят мне его продавать, из-за liability issues. Если не выйдет с процессом по старинке, буду додавливать производителей.
Кварцевая посуда для микро-печки до 1000C
Нихромовая проволока (диаметр 0.4 и 0.8мм), никелевый прокат для электродов электролизера:
Промышленный фоторезист для микроэлектронного применения. Я решил не гнаться за максимально тонким резистом, этот — достаточно дубовый 2-х микронный. Толще слой — проще работать, по началу его должно быть достаточно. Пока нет промотора адгезии (HMDS) — его не оказалось в наличии, буду пробовать без него:
Как заметили некоторые люди, помогавшие мне советами — сделать микросхемы можно только в лаборатории. Сделать их дома можно только если дома — лаборатория. Похоже к этому дело и идет В целом, самые необходимые вещи по логистике уже все есть.
Есть вещи, к которым меня пока не пускает жаба:
- Металлографический микроскоп — в России китайские микроскопы перепродают по 100-300 тыс рублей, на родине слонов они — 1500$-3000$. Это пожалуй тоже необходимая вещь, не могу пока только найти китайцев, которые бы с Escrow его мне продали.
- Лабораторный генератор азота — чертовки хитрая штука. Азот получает из воздуха, расходников нет. С ним можно было бы сделать бескислородный бокс и снять проблему инертного газа. Но стоит порядка 190 тыс рублей. Буду обходиться без него.
- Генератор деионизированной воды — тоже полезная вещь в хозяйстве, но очень уж простая для ~45тыс рублей. Буду пробовать «колхозить» свою на ионообменных смолах (исключительно из интереса, понятно, что ДИ воду можно и покупать)
Остающиеся проблемы и что я ищу
- Подробные описания (старых) техпроцессов с конкретными цифрами. Один я нашел, и он очень мне помог, но еще на 1-2 взглянуть было бы крайне полезно.
- «Открытые» (т.е. когда непосредственно видны по слоям содержимое standard cells) цифровые библиотеки для относительно толстых техпроцессов
- Ищу, кто поможет настроить софт для проектирования микросхем и подскажет как там что — чтобы иметь общее представление, и я мог синтезировать простые тестовые схемы. Понятно, что сдвиговой регистр я и на бумажке нарисовать могу, а вот что-то чуть сложнее...
- Пока не удалось купить вакуумную резину для камеры напыления металлов.
- Также буду неспешно искать где купить образцы spin-on dopants и spin-on glass для ILD (диэлектрика, который разделяет уровни металлической разводки).
- Небольшие объемы TMAH, HMDS и TEOS.
Смело пишите мне в почту, если есть мысли о решении этих проблем.
Дальнейшие шаги
В целом, впереди еще большой путь, но он уже не покрыт туманом, как раньше. Теперь, когда основные компоненты уже есть — впереди создание электронных блоков контроля накала печки с контролем температуры (или даже автоматическим калькулятором толщины окисла) и электролизера с разделением и осушкой водорода и кислорода.
Должен отметить, что без помощи людей (как информацией/советами, так и материалами), откликнувшихся на предыдущую статью — моё продвижение получилось бы существенно скромнее.
Да, и еще раз о самом избитом вопросе — «зачем все это» лично для меня и вообще: это я делаю потому что мне это интересно, своего рода хобби. С другой стороны, работа над этим проектом уже позволила мне разобраться в том, как работает «большая» микроэлектроника (с технологической и финансовой точки зрения). Помимо этого — теперь я работаю и над «классическим» микроэлектронным проектом, который (если все пойдет по плану) будет реализован на крупносерийном производстве: микроконтроллер общего назначения — но об этом в другой раз.
Вопросы/советы/комментарии?