Inte perfekt ännu

Tillverkningen är inte optimerad. Kiselkarbidskivan köps färdigdopad med sex lager i omväxlande n- och p-dopning, och kvaliteten är inte helt övertygande.

– Ibland blir det bra, ibland inte. Vi etsar ut transistorer och andra komponenter genom att etsa bort de p- och n-lager vi inte behöver. Sedan lägger vi på ledarlager av aluminium. Det materialet är dock inte särskilt stabilt, och guld är inte mycket bättre. Vi lutar åt att övergå till platina, säger Carl-Mikael Zetterling.

Han tror att ledarmönstren kommer att bli det stora problemet.

– Vi gör ledarmönstren med både traditionell påångning och etsning, eller så kallad lift-off. Vid traditionell förångning lägger man först på metall och därefter ett lager fotoresist och etsar sedan bort den metall man inte vill ha kvar. Vid lift-off lägger man först på fotoresist och sedan metall, varefter man lyfter bort fotoresisten och metallen på denna med aceton, det är snällt mot skivan. Då får man kvar det önskade ledarmönstret.

Dopning? Bondning?

Dopning: Man skjuter in avvikande atomer i ett material, i vårt fall kiselkarbid. Kisel är normalt helt neutralt, men när man stör det med exempelvis fosfor här och där i kristallen får det ett överskott på elektroner och blir halvledande.

Bondning: Att kontaktera kiselbiten och kapslingen med så kallade bondtrådar. Man punktsvetsar på en tunn tråd på kislet, drar ut den och punktar fast den på lämplig kontaktpunkt i kap
seln.

Lagren kan råka reagera

Båda metoderna har sina för- och nackdelar, till exempel finns problem med att kanterna kan etsas ut felaktigt eller att det kan bli bryggor av metall kvar. Anslutningarna till kretsen måste göras i titan-volfram, ovanpå aluminium, så det blir många metallager som kan råka reagera med varandra.

– Sedan måste vi kunna göra ”kretskort”. Ett keramiskt basmaterial i aluminiumnitrid, i storlek som en kakelplatta, med ledarmönster av platina. Aluminiumnitrid har ungefär samma temperaturutvidgning som kiselkarbid.
Kretsarna kan fästas mot substratet genom omsmältning med så kallat nanosilver. Därefter måste de bondas mot ledarmönstret på substratet.

Bondning med guldtråd tenderar att bli instabil vid 600 grader, och platina är inte mycket bättre. De kan också skaka sönder av de våldsamma vibrationerna när raketen startar.

kiselchip

Till vänster: kiselkarbid-wafer med 100 millimeters diameter. Det här exemplaret är belagt med testkretsar och testkomponenter. En tom sådan wafer kostar cirka 1 000 euro och dopningen kostar 1 000 euro till.

Till höger: En kiselkarbidkrets med flera testkomponenter. De enkla, stora yt­orna är kondensatorer på uppåt 30 pF. Det finns också lösa transistorer
och induktanser, medan de fullständiga kretsarna bland annat är ringoscillatorer, op-förstärkare och logikgrindar.

Kanske keramisk kapsel

Ett alternativ är så kallad flip-chip, när man lägger chippen upp och ned på substratet, med komponenterna nedåt, och smälter fast kontaktpunkterna direkt mot substratet. Det eliminerar både bondtrådar och behovet av kapsling.

– Vi har ännu inte löst problemet med hur kretsarna ska förpackas, men en keramisk kapsel av den typ som användes i integrerad krets-teknikens barndom torde klara temperaturen, säger Carl-Mikael Zetterling.

Omvandlaren ska tåla 500 grader

Vid mätdatainsamling för efterföljande digital bearbetning behövs en a/d-omvandlare, och har man bara en d/a-omvandlare kan med enkelt bygga en a/d-omvandlare. KTH:s arbete har inriktats på att bygga en åttabitars d/a-omvandlare som ska fungera bra vid 500 grader Celsius.

stat

D/a-omvandlaren är av typen r-2r-resistorstege, där man skapar en utström (iout) till op-förstärkaren genom att välja in strömmar från lämpliga motstånd i en stege av motstånd, motsvarande den digitala insignalen, som representeras av switcharna s1-sn, där npn-transistorerna fungerar som konstantströmgeneratorer. Iout omvandlas av op-förstärkaren till en utspänning mellan 0,06 volt för binär 00000000 och 9,34 volt för binär 11111111.

krets

Så här ser omvandlaren ut i ljusmikroskop, vid prov. De svarta konerna är probspetsar som pekar ned på anslutningarna.

Trådmönstret i mitten är resistorstegen, och metallmönstren kring detta är de darlington-transistorer (dubblerade) som utför de digitala kopplingarna.

Transistorena ytterst utgör strömgeneratorerna. Av op-förstärkaren syns inte ett spår – den var ännu inte integrerad vid det här experimentet, utan hängde externt.

grad

Oscilloskopbilden visar åtta bitars indata till d/a-omvandlaren i gult i de åtta nedre kanalerna och den utmatade kurvformen i grönt, överst. Vid 500 grader Celsius är omvandlaren inget fartmonster, utan håller en settling time på 6 mikrosekunder – men var så säker på att forskningen fortsätter!

Fakta

KTH:s projekt:
www.hotsic.se och
www.workingonvenus.se
Nasas kiselkarbidsida:
tinytw.se/sic
Nasas studie för flaggskeppsresor:
vfm.jpl.nasa.gov
Om flaggskeppet till Venus (pdf):
tinytw.se/flaggvenus
Om problemen med kapsling:
tinytw.se/kapsling
Bra artikel om Venus på
Wiredcosmos:
tinytw.se/venuswired