Делаем микросхемы дома — шаг 2

С момента публикации первой статьи ^[1] 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 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 старые мои мысли о кварцевой оптике, 248нм 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. Прокол pn перехода из-за использования чистого алюминия можно избежать разными способами.
• 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 относительно дорогого TMAH ^[2]) 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…

И заморская, плавиковая. Это — моя самая большая в жизни ошибка. В магазине отказались её 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 ^[3] — 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. И подарил всю лишнюю кислоту 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 — BBr3 и POCl3 я купил самым минимальным необходимым объемом (но хочу заметить, что они менее ядовиты, чем банальный хлор, знакомый всем по запаху). 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 ^[4]) — 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:

1. 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.
2. Лабораторный генератор азота ^[5] — 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.
3. 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.

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 (я надеюсь) будет реализован на крупносерийном производстве: микроконтроллер общего назначения — но об этом в другой раз.

Вопросы/советы/комментарии?

Автор: BarsMonster