Demnächst in einem Maker Space in Ihrer Nähe: Integrierte Schaltkreise zum Selbermachen

Eines Tages in naher Zukunft werden Sie vielleicht in denselben Maker Space gehen, in dem Sie jetzt Teile mit einem 3D-Drucker herstellen können, und Ihre eigenen integrierten Schaltkreise bauen. Bevor Sie das für eine Schnapsidee halten, sollten Sie sich die Leistung des 22-jährigen Sam Zeloof vor Augen führen, über den kürzlich im Wired Magazine berichtet wurde. Zeloof produzierte einen Chip mit 1.200 Transistoren in der Garage seiner Familie mit Ausrüstung, die er hauptsächlich bei eBay gekauft hatte. Zurzeit arbeitet er an einem Chip mit einer ALU (arithmetic logic unit - arithmetische Logikeinheit), den er schließlich irgendwann zu einem vollwertigen Mikroprozessor ausbauen will.

Das erste, was Ihnen auf den Fotos von Zeloofs Arbeitsbereich auffällt, ist, dass weder ein sauberer Raum in Sicht ist, noch läuft Zeloof in einem Reinraumanzug herum. Er erzählte Wired, dass Patente und Lehrbücher aus den 1960er und 70er Jahren erklären, wie Chips damals auf normalen Werkbänken hergestellt wurden. Die Informationen über die Herstellung von Masken mit X-Acto-Klingen und Klebeband reichten ihm aus, um loszulegen.

Zeloof sagt, dass die gesamte Ausrüstung in seiner Werkstatt von Technikunternehmen ausgemustert und auf Auktionsseiten angeboten wurde. Bemerkenswert ist, dass Zeloof in New Jersey lebt, so dass er keine Gelegenheit hatte, im Silicon Valley auf Müllsuche zu gehen, um seine Ausrüstung zu besorgen. Er erzählt von einem Fund, einem kaputten Rasterelektronenmikroskop (REM), das Anfang der 90er Jahre 250.000 Dollar kostete und das er für 1.000 Dollar kaufte und reparierte.

Bei einem solchen Schnäppchenpreis fragt man sich, ob Zeloof bei der Anschaffung seiner Ausrüstung einfach nur Glück hatte. Um herauszufinden, ob andere Möchtegern-Chiphersteller das System des 22-Jährigen nachbauen können, haben wir bei eBay nachgeforscht.

Bei der Suche nach einem REM haben wir nicht ganz so gut abgeschnitten wie Zeloof, aber wir haben ein angeblich funktionierendes Modell eines REM von Bausch & Lomb für 3.400 Dollar gefunden. Ebenfalls erhältlich war eine Edelstahl-Vakuumkammer, die der Zeloofs ähnelt, zum Preis von 555 Dollar. Das Beste, was wir als eine Hochvakuum-Turbomolekularpumpe zum Evakuieren der Vakuumkammer auftun konnten, war ein Angebot für 250 Dollar.

Der Aufbau von Zeloof für die Fotolithografie ist überraschend kostengünstig. Er begann mit einem DLP-Heimkinoprojektor, der eine Quecksilberdampflampe anstelle einer LED-Lichtquelle enthielt, um eine hohe UV-Lichtleistung zu erzielen. Der Projektor, der auf Amazon etwa 400 Dollar kostet, wird verwendet, um Bilder von Chipgeometrien zur Bearbeitung auf einen Wafer zu projizieren. Das Bild des Projektors läuft durch ein gewöhnliches Labormikroskop (ca. 300 Dollar), dessen Objektiv umgedreht ist, so dass es die Bilder verkleinert und nicht vergrößert. Der Wafer, der das Bild aufnimmt, wird über einen motorisierten X-Y-Tisch, ebenfalls im 300-Dollar-Bereich, bewegt, der normalerweise zur Positionierung von Teilen auf CNC-Fräsmaschinen dient. Ein Vakuumtisch (ca. 100 Dollar) hält den Wafer fest, während er belichtet wird.

Obwohl Zeloofs Lithographieausrüstung preisgünstig ist, musste er viel Mühe aufwenden, damit alle Komponenten zusammenarbeiten. Er riss Teile aus dem DLP-Projektor heraus, die ursprünglich im Interesse der Sicherheit eingebaut worden waren und die Intensität der UV-Strahlung begrenzen sollten. Außerdem musste er den Projektor umprogrammieren, damit der glaubte, die Sicherheitsmaßnahmen seien noch vorhanden, und um das Bild mit der Bewegung des X-Y-Tisches zu synchronisieren. Die Optik des DLP-Projektors ist normalerweise für die schräge Projektion von Bildern auf eine Wand ausgelegt, so dass der Projektor im rightigen Winkel ausgerichtet werden musste, um ein quadratisches Bild auf dem Mikroskopobjektiv zu erzeugen.

Außerdem erforderte der Aufbau der Fotolithografie die Behebung einiger anfänglicher Fehler. Die Beleuchtung des Projektors erwies sich als ungleichmäßig, was zu über- und unterbelichteten Stellen auf dem Wafer führte. Also musste Zeloof das projizierte Lichtmuster aufzeichnen (mit einer gewöhnlichen Webcam) und daraus eine Kalibrierungsmaske erstellen, die das Licht des Projektors in eine gleichmäßigere Ausgabe korrigierte.

Das bringt uns zu der Idee zurück, die Selbstbau-Chipfabrik von Zeloof als Maker Space nachzubauen. Vielleicht kann man aus dem Bereich der Leichtathletik eine Lehre ziehen. Leser, die etwas älter sind, erinnern sich vielleicht daran, dass vor dem ersten Meilenlauf unter vier Minuten im Jahr 1954 wissende Beobachter diese Leistung für unmöglich hielten. Nachdem der Läufer Roger Bannister bewiesen hatte, dass es möglich ist, die Vier-Minuten-Grenze zu unterbieten, gelang dies einem zweiten Läufer nur 46 Tage später und einem dritten etwa ein Jahr später. Das ging soweit, dass die Unterschreitung der Vier-Minuten-Marke durch den ersten High-School-Schüler 1964 schließlich zwar bemerkenswert, aber nicht berichtenswert war.

Die Moral von der Geschichte von der Meile in unter vier Minuten ist, dass es manchmal nur eine Demonstration des Möglichen braucht, um das Denken erfahrener Praktiker zu verändern. Zweifelsohne lernen Makerspace-Fans wegen der Leistungen von Sam Zeloof und den Details, die er in seinen YouTube-Videos liefert, noch einiges dazu. Wundern Sie sich also nicht, wenn Sie in Hackerspaces von Zeloof inspirierte Ausrüstungen sehen.

Zum Schluss noch eine ganz andere Perspektive auf eine Selbstbau-Chipfabrik: Für nur 50.000 Dollar oder so können Sie sich einen neuwertigen 1969er Chevy Camaro kaufen. Der stünde aber vermutlich 99 % der Zeit in Ihrer Garage. Stattdessen können Sie weit weniger als die Hälfte dieses Betrags ausgeben, um Ihre Garage in eine funktionierende Chipfabrik zu verwandeln, die wahrscheinlich viel mehr Ihrer Zeit in Anspruch nimmt als jedes Muscle Car.