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.
Вебинар поможет в выборе недорогих источников питания оптимальных для систем охраны, промышленных и телекоммуникационных приложений, а также для широкого применения. Будут представлены основные группы источников питания по конструктивным признакам и по областям применения в контексте их стоимости или их особенностей, позволяющих снизить затраты на электропитание конечного устройства.
1) без «сложного» оборудования. Только руками, растворами, порошками. Как в 60-80-е делали дефицитные комплектующие. (или уникальные)
2) Или современные из пока что не применяемых массово — например органика, или графен скотчем надергать. В публикациях они их сделают и рады. Пока что некто не показал даже мультивибратор работающий. Или блютуз глушилку. Дальше ВАХ не идут. Поэтому спрашиваю у вас а не у них.
Реклама
Реклама
Приглашаем всех желающих 13 октября 2021 г. посетить вебинар, посвященный искусственному интеллекту, машинному обучению и решениям для их реализации от Microchip. Современные среды для глубинного обучения нейронных сетей позволяют без детального изучения предмета развернуть искусственную нейронную сеть (ANN) не только на производительных микропроцессорах и ПЛИС, но и на 32-битных микроконтроллерах. А благодаря широкому портфолио Microchip, включающему в себя диапазон компонентов от микроконтроллеров и датчиков до ПЛИС, средств скоростной передачи и хранения информации, возможно решить весь спектр задач, возникающий при обучении, верификации и развёртывании модели ANN.
Неожиданно попался ролик: Make a Point Contact Transistor at home. («Как сделать точечный транзистор дома«) Идея в нём заявлена довольно интересная: сделать точечный транзистор из точечного диода, вмешавшись в его конструкцию вот так.
Здесь а — дополнительный точечный контакт к кристаллу германия, введённый в диод через нарушенную стеклянную оболочку.
По идее должна получиться примерно вот такая структура:
Я, конечно, понимаю, что строгать ролики на коленке легче, чем сами транзисторы, но похоже, что опыт этот завершается там успешно!
Кстати, вот такая конструкция у точечных триодов от RCA:
1 («Как сделать точечный транзистор дома») картинка с сечением
1.0) а дополнительная облость n-проводимости у контакта зачем?
1.1) Полевой транзистор? (ну или полевой плюс диод ?
1.2) какая глубина диффузии в кремний от точечного электрода? Читал про диоды шотки. Там поле на 1 микром вокруг наложеного контакта на кремний. Если рядом два поставить так чтоб слегка перекрывались. Как считаете будет канал?
1.3) Если по показаной вами — как зависит глубина диффузии в кремний от тока? Чтоб расположив например (незнаю как глубоко проникает примесь) на растояни 500 мкм два вольфрамовых и подав ток с конденсатора создать эмитер и калектор , а зарядом на конденсаторе контролировать ширину базы. Нечто вроде МП42? Какие токи нужны? У меня при привариваннии меди к 0804 smd конденсаторам (термодатчики на печке) без резистора, с 50-ти вольт (390мкФ) уже взрывались и трескались:) Токи какие ставить? И как считаете какова повторимость. Или можно добавляя ешо импульс углублять дифузию?
2.1) флюс для полировки кремния. Пока знаю только вазелин- он не пахнет. Рекомендовали в керасине, но это на лето . Парафин нужно греть. . Борирование. Борная мазь. Шлиф прямо в нем. На куске электроной создать слой с дырочной. Кто пробовал? Отжиг для дифузии какой? Локальный нагрев? Еслии ультрозвуковой паяльник? (кстати а с иглы ГЗМ311 будет греть точку куда касается? Трубку развернуть на 90 гр.)
2.2) Как нанести под вазелином метал? Подскажите если кто знает электролит чтоб электролизом нанести. Чтоб не рушить весь слой вазелина. Пока знаю только сплав вуда чтоб припаять под флюсом на легированую поверхность. Но это тоскливо.
2.2) Для наколенного (одиночного, большого) — чтоб намазав там где должен быть электрод его создать. Например при отжиге. Вазилин испарится, поверхность не покрытая флюсом пассивируется.
3 Чем крепят кристалы в 140уд501? Чтоб его выташить с корпуса.
4 — как можно электролизом (и можно ли вобше) перенести кремний на контакт а потом «намазать» на оксид? (на поверхности пасивированого кремния например ОУ ) Или только тонкие пленки в ваккуме? Или не кремний:(
Забавная книженция мне попалась: Кун Алекс.Броненосцы Петра Великого Так вот в её части III — «Петербург» Автор довольно популярно излагает основы производства кустарного триода, что так и подмывает озаглавить текст — «Транзисторы Петра I«.
А если серьёзно — то ответов на список ваших вопросов у меня нет и для изделий, предназначенных для «выпечки» на кухне, эти ответы вряд ли возможны.
А что касается диода с дополнительным выводом, то это модель биполярного точечного германиевого транзистора. И по отзывам — она работоспособна. И есть рекомендации — как вывод приформовывается.
Ответы на другие Ваши вопросы, вероятно, сподручнее поискать в книге И.Г.Пичугина, Ю.М.Таирова «Технология полупроводниковых приборов«
У меня ещё значительные сомнения по поводу «паяльником (газовым)» и «над плитой». Транзисторов я не «испекал», но вот что мы «пекли» в технологичке — так делали это в муфельной печи в кварцевой «лодочке», при этом строго придерживались температуры и времени. А наличие перехода определяли методом шарового шлифа и селективного травления. Что-то там должно было окраситься и становилось виднО под микроскопом. Так что чисто «дома на кухне» — что-то говорит мне что с разбегу не получится.
PS.Пообщался со своими знакомыми — кто ещё помнит технологию. В домашних условиях трудно достичь температур, при которых протекают необходимые нам процессы в кремнии. С германием — более-менее результат может быть достижим. Таблетку n-германия для получения сплавного транзистора нагревают с каплей индия в графитовой ванночке в условиях вакуума или инертного газа. Похожий процесс подробно описан вот здесь.
у кого он разыскал файлом древнюю книгу: Practical Transistors and Transistor Circuits, by J.S. Kendall, first appeared in the U.K. in 1954. Книга посвящена как раз приемам практического изготовления работающего транзистора из германия Р-типа, извлеченного как раз из диода.
Автор ссылается на статью некого G3HMO в «The Short Wave Magazine«, который не только сделал транзистор сам, но и собрал на нём передатчик на 160m дальностью до 30 миль.
Такс.. товарищи полит-срач-разводители. Пока вы тут хулиганили с разными хим опытами, буржуи освоили производство первого транзюка контактного типа в домашних условиях.А нам то основы производства нафиг нужны? всеж делают терь в китае. Стыдно. стыыыдно. Потому что у нас вроде куча хим лабораторий — но радиопромышленность как и РКК в полной жопе. Вотс видеос. http://www.youtube.com/watch?v=PdcKwOo7dmM&feature=related Видео в двух частях http://www.youtube.com/watch?v=eFzsyQOTXbM&feature=fvwrel
Тема дубль. Сюда перенес.
_________________ если набегут инопланетяне — то я присоединюсь к их карающему отряду.
Текущая ситуация следующая — я иду по пути использования заводских кремниевых пластин и около-заводских планарных техпроцессов. Это значит — с печкой на 1100C для легирования и мокрого/сухого окисления. Сплавная технология — слишком ограниченный путь.
Проблемных и неясных мест пока нет, все упирается в логистику.
По вопросам выше — само собой паяльником легировать ничего не выйдет, там видимые скорости легирования для фосфора/бора начинаются от 800-900 градусов.
Пожалуй, можно подвести некоторый итог: самодельный транзистор дома на кухне сделать можно!
И если под рукой нет германиевых точечных диодов (а это менее спортивно), то, пожалуй, медно-закисный (купроксный) транзистор, или как называет его сам автор: Cuprous Oxide Transistor, наиболее оптимальная конструкция для изготовления в домашних условиях без привлечения дорогостоящих приборов и материалов.
Скажу сразу — с пол-пинка и этот простой на взгляд прибор так просто «испечь» не получится. И об этом, и о том, как различные технологические трудности проеодолеть, автор конструкции пишет в своей книге: Instruments Of Amplification: Fun With Homemade Tubes, Transistors, And More.
Но если кто не собирается ставить производство «медных» транзисторов на коммерческую основу, прочитать об их изготовлении (да и много о чем ещё другом в плане домашних технологий) можно вот по этому адресу: http://ishare.iask.sina.com.cn/f/9808248.html , нажав там на вот эту кнопочку:
поскольку как по-русски, так и по-англицки понять там что-либо трудно.
Надеюсь, что при наличии весьма подробного описания процесса и эскизов конструкции:
повторить у себя на кухне медно-закисный триод сможет, как мне кажется, всякий желающий, имеющий хотя бы минимум технических навыков. Хотя, конечно же, и не с первого раза.
Желаю удачи всем на этом нелегком, но интересном пути развития «кухонных» технологий производства полупроводниковых приборов.
С момента публикации первой статьи по моему проекту домашних микросхем прошел (скорее пролетел) год, пора поделится прогрессом и новыми проблемами.
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.
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
