lightanddesign.ru
You might also like
Прошло чуть больше года с момента выхода наших предыдущих статей о проектах домашних микрочипов (1, 2), но люди по-прежнему интересуются результатами. Другими словами, пришло время говорить 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 говорил выше, даже с этими недостатками работа остается для меня интересной.
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.
Микроскопы несколько пошатнули мою веру как в отечественных, так и в китайских производителей. Некоторые "отечественные" микроскопы оказались китайскими супермарками, на 200-300% дороже. С другой стороны, одна из линз оказалась слегка погнутой, а на сцене имелся небольшой дефект литья. Мне пришлось подать его (буквально).
Одним из ключевых химических элементов в производстве чипсов является вода. Опять же в Китае я купил измеритель проводимости — измеритель проводимости воды. Проводимость можно использовать для оценки количества растворенной соли (+ -50%, если вы не знаете, что именно растворилось). В воде обычно растворены соли калия, натрия, кальция и марганца. Все они очень опасны для микросхем, особенно натрий и калий. Это связано с тем, что эти ионы могут быстро мигрировать в кремний и оксид кремния при комнатной температуре, потенциально изменяя электрические параметры. транзисторов (для полевых транзисторов — пороговое напряжение, утечка).
Были измерены имеющиеся образцы воды и получена следующая информация
| Концентрация примесей | |
| Водопроводная вода | 219 стр. |
| ‘Новый’ бытовой фильтр | 118 стр. |
| ‘Старые’ бытовые фильтры | 210 стр. |
| Кипяченая вода из нового фильтра | 140 ppm (. (дважды проверьте) |
| Дистиллированная вода от Ruschem (не похоже на передистиллированную воду) | 10 стр. |
| Деионизированная вода из микробиологической лаборатории | 0 промилле |
| Деионизированный после 6 часов на воздухе (из-за растворения углекислого газа из воздуха) | 8 стр. |
"Подходящая" деионизированная вода — должна быть менее 0,1 ppm. Это меньше, чем может измерить мое оборудование. Однако вскоре становится очевидным, что не все источники воды подходят для этого. Были закуплены ионообменные смолы. Они используются для очистки воды в деионизированной воде. В конце концов, мой родной город очень глубокий — одна из коробок датируется 1968 годом.
Мне также удалось купить TMAH (гидроксид тетраметиламмония) — без ионов щелочных металлов (которые, как мы знаем, вредны) и используется в качестве проявителя для фоторезистов.
Для вакуумных систем вместо того, чтобы покупать вакуумную резину (мы пытались несколько раз, но безуспешно), мы нашли этого производителя прокладок в Китае. Это паста, которая прессуется в нужную форму, затвердевает и становится резиной.
Для изоляции реактора был закуплен базальт, который использовался для изоляции. Он выдерживает температуру 1000-1200 градусов Цельсия.
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):
Были найдены и нарезаны кварцевые трубы разного диаметра для печи. Первый уровень изоляции — это воздушный зазор между трубами, вставленными друг в друга.
Сначала мы рассматривали возможность питания нагревателя непосредственно от 220 вольт, но все же благоразумно решили перейти на постоянное напряжение 48 вольт. Это позволяет более точно регулировать и управлять мощностью, делая конструкцию более безопасной. Были приобретены два блока питания на 400 Вт. Как китайцам удалось произвести и поставить такие устройства за 19 долларов — загадка.
Для контроля температуры — сначала купил высокотемпературную термопару, рассчитанную на 1200 градусов (писал о них в прошлой ветке — но фотографий не было). Размер — это, конечно, пони. Возможно, проще контролировать инфракрасное излучение с длиной волны 1 мм. Кварц пропускает свет.
Наконец, инертные среды для печи. В моем случае это происходит медленно. Из-за способа разделения газов аргон чище азота, но немного дороже. Я купил маленькую 10-литровую бутылку и регулятор. Регулятор внезапно перестал подходить. Нити не совпадают. Мне нужно найти адаптер или купить другой регулятор.
Оказалось, что рядом с моим домом продают сжатый газ (есть преимущества жизни в промышленном районе Москвы) — и я стал набирать его в тачку. Рабочие не оценили моей жизнерадостности — и посоветовали завернуть цилиндр в картон, чтобы прохожие не насторожились. Мне потребовалось 15 минут, чтобы успешно замаскировать его. Вообще, встречи с реальным миром всегда полны сюрпризов:-)
Самое главное, я получил глубокое понимание того, как работает чип по технологии NMOS и почему он имеет три напряжения питания (или два при пониженных скоростях). Я также наконец-то нашел отличное программное обеспечение с открытым исходным кодом для разработки простой микросхемы, включающей поддержку NMOS-процессов — gnuelectric:.
Исходя из того, что я говорил в предыдущих статьях, TEOS, вероятно, не нужен, а HMDS не нужен, по крайней мере, для "больших" транзисторов, поскольку он слишком сложен в эксплуатации.
Генератор азота — определенно полезен для обработки плитки в инертной атмосфере, не нужно беспокоиться о бутылках, но не важен.
Единственное, что может серьезно облегчить реализацию проекта, — это спин-он допанты и спин-он стекло. Они не используются и не производятся в России по целому ряду причин. Немногие иностранные производители продают их в больших количествах, и они дороги (тысячи долларов). Компания Emulsitone, у которой Джери Эллсворт покупал образцы во время производства транзисторов, похоже, умерла. Но это даже не обязательно — можно работать и без них (используя фосфорную и борную кислоты, POCl3 и BBr3), хотя это гораздо сложнее и несколько опаснее.
Наконец, моего спонсорства проекта явно недостаточно. Иногда приходится выбирать между дополнительным временем и дополнительными деньгами. Если компания или частное лицо захочет финансировать мой проект (условия обсуждаемы) — вы знаете, где меня найти :-). Обновление: У меня есть приблизительная смета и я могу выслать ее вам по запросу — т.е. у меня есть представление о том, что такое деньги.
В своей прошлой статье я упомянул о своем классическом проекте по микроэлектронике. Я хотел разработать и собрать микроконтроллер для массового производства. После тщательного изучения конкуренции (стандарты производства, площадь) и изучения цен на продукцию почти на всех заводах (национальных и международных) стало ясно, что дела идут хорошо, хотя и очень капиталоемко. Тем не менее, здесь, похоже, не судьба — в Сколково проект дважды отклоняли из-за отсутствия соответствующего опыта. С одной стороны, они, безусловно, правы, но с другой стороны, Цукерберг пришел в Сколково и спросил: "Сколько социальных сетей вы создали? Мы никогда не вводим в наши группы фиктивных членов. Всегда корректируйте розовый дизайн — очевидно, сначала монетизируйте проект другими способами, а затем вернитесь к нему в течение 3-5 лет (если он еще кому-то нужен).
Следующий этап — сборка печи с электронной системой управления и, наконец, изготовление первых образцов. Сначала кремниевые диоды, исследование их свойств, солнечные батареи, затем полевые транзисторы, возможно, биполярные. Диоды Шоттки также могут быть изготовлены, но они не так просты (высокие требования к интерфейсу металл-полупроводник и кромке диода).
Далее необходимо продумать, как припаять провода к силиконовой плитке в домашних условиях с помощью ультразвука или термокомпрессии. Это необходимо для соединения контактов.
