Делаем микросхемы дома — шаг 2

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 :

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 - 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.
• 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.