Як виготовляються інтегральні схеми?

Як виготовляються інтегральні схеми (наприклад, мікропроцесор) від початку до кінця? Наприклад, повинна бути якась проводка з резисторами, конденсаторами для зберігання енергії (біт) у полі, транзисторах тощо.

Як це робиться? Які машини та хімічні процеси потрібні для побудови інтегральної схеми?

Насправді нічого великого. Спочатку ви отримуєте купу силіцію. Відро звичайного пляжного піску містить запас всього життя, якщо ви збираєтеся робити власні чіпси. Кремнію на цій планеті багато, але в основному все це так дратує, пов'язане з киснем. Ви повинні розірвати ці зв’язки, відкинути несиліконові речі, а потім уточнити те, що залишилося.

Для отримання корисних чіпсів вам потрібен дуже дуже чистий кремній. Просто виплавлення оксиду кремнію в елементарний кремній недостатньо десь. У відрі піску в основному був діоксид кремнію, але в ньому буде мало шматочків інших мінералів, шматочків равликових раковин (карбонату кальцію), собачого копа та іншого. Деякі елементи цього матеріалу потраплять у розплавлений кремнієву суміш. Щоб позбутися від цього, існують різні способи, більшість з яких потрібно робити дуже обережно, щоб кремній кристалізувався лише за потрібної температури та швидкості. Це закінчується виштовхуванням більшості домішок перед межею кристалізації. Якщо ви робите це достатньо разів, достатня кількість домішок підштовхується до одного кінця злитка, а інший кінець може бути досить чистим. Щоб бути впевненим, ви махаєте над ним мертву рибу під час повного місяця, думаючи лише про чисті думки. Якщо пізніше виявиться, що ваші чіпси не приносять користі, то одна з можливостей полягає в тому, що ви переграли цей крок, використовуючи неправильний вид для риби або що ваші думки були недостатньо чистими. Якщо так, повторіть назад з першого кроку.

Коли у вас є чистий кристалічний кремній, то ви майже готові, ще лише 100 кроків або близько того, що все повинно бути правильно. Тепер наріжте свій чистий кремній на вафлі. Можливо, це можна зробити за допомогою настільної пилки чи чогось іншого. Зверніться до компанії Sears і дізнайтеся, чи продають вони леза для різання кремнію.

Далі відшліфуйте вафлі, щоб вони були дуже гладкими. Усі шорсткі речі зі столової пилки потрібно пропасти. Переважно опускайте його до довжини хвилі або близько світла. О, і не дайте кисню на відкриту поверхню. Вам доведеться затопити підвал деяким інертним газом і затримати дихання надовго, поки ви закінчите полірування.

Далі ви проектуєте чіп. Це просто з'єднання купу воріт разом на екрані та запуск деякого програмного забезпечення. Або витратьте кілька сотень доларів або зробіть свій власний, якщо у вас є кілька 10-ти років чоловічих років безкоштовно. Можливо, ви можете зробити базову систему компонування, але вам доведеться вкрасти деякі комерційні таємниці, щоб мати змогу зробити справді хороші речі. Люди, які з’ясували дійсно розумні алгоритми, витратили на це багато M $, тому не хочуть безкоштовно видавати всі класні біти.

Як тільки ви матимете макет, вам доведеться роздрукувати його на масках. Це так само, як і звичайний друк, за винятком кількох тонких деталей.

Після того, як у вас з’являться маски для різних шарів і етапів фотолітографії, потрібно виставити їх на пластину. Спочатку ви кладете на фоторезист, переконуючись, що він має рівномірну товщину, щоб добути частки довжини хвилі світла, який ви будете використовувати. Тоді ви виставляєте і розвиваєте опір. Листя протистоять деяким областям вашої пластини, а не іншим, як зазначено в масці. Для кожного шару, який ви хочете накопичити чи травити або розпорошити в мікросхему, ви застосовуєте спеціальні хімічні речовини, як правило, гази, при дуже точно контрольованій температурі та часі. О, і не забудьте скласти маски для кожного шару в одному місці на пластині до декількох 100 нм і вище. Для цього вам потрібні справді стійкі руки. У той день немає кави. О, і пам’ятайте, кисню немає.

Після десятка кроків маскування ваші фішки майже готові. Тепер ви, мабуть, повинні протестувати кожного, щоб дізнатись, які з них потрапляють домішки чи іншим чином переплуталися. Немає сенсу складати їх у пакети. Для цього вам знадобляться кілька дійсно крихітних зондів. Постарайтеся не робити подих, коли ви тримаєте десяток зондів у своїх цілях, щоб на протязі декількох мкм на спеціальних колодках, які ви створили для чіпів для цієї мети. Якщо ви вже зробили крок пасивації, ви можете зробити це в атмосфері кисню і зробити подих зараз.

Майже зроблено. Тепер ви розрізаєте вафлі на фішки, обережно викидаючи ті, що знайшли раніше, не принесли користі. Можливо, ви можете розірвати їх або побачити, але, звичайно, не можете торкатися до верху вафель.

Зараз у вас є фішки, але вам все одно потрібно якось підключитися до них. Пайка на кремнієві створила б надто велике безладдя, а паяльники все одно не мають достатньо тонких порад. Зазвичай ви використовуєте дуже тонкі дроти із золотої зв'язки, які точково приварюються між колодками на мікросхемі та внутрішньою стороною шпильок будь-якого пакету, який ви вирішите використовувати. Брязьте по верху і покладіть достатньо епоксидної смоли, щоб переконатися, що вона залишається закритою.

Там це не так вже й погано, чи не так?

Це питання рівнозначне запитуванню: "Я хочу побудувати 747 реактивних літаків у своєму підвалі, але це потрібно робити тільки з креслень та сировини". Той факт, що подібне запитання задається насправді, просто показує, наскільки мало оцінено складність того, що пов'язано з сучасним виробництвом напівпровідників, і чиста винахідливість, яку він спричиняє.

Що потрібно знати про переробку, це те, що ви будуєте все з сировини. За винятком вафель; їх можна легко придбати. Але після того, як ви розпочали роботу, ви накладаєте пристрій під час руху; це як спекти торт. Ви можете побудувати свій власний літак, замовивши двигуни та вуглецевий композитний матеріал окремо. Але тут треба зробити все з сировини. А складність виготовлення навіть для роботи робочих пристроїв надзвичайно складна.

Я просто перерахую невелику кількість речей, які потрібно врахувати.

Галузь:

1. Було докладено більше зусиль щодо витрачених грошей, споживання енергії або написання паперів, докторів наук тощо., Ніж будь-яке інше технічне починання, яке веде до виготовленого продукту, коли-небудь в історії людства.

   Незалежно від розміру та можливостей функції, вам потрібно знати про наступне, незалежно від того, що ви намагаєтесь.

Чистота:

1. $15 \: \Omega \cdot \text{cm}$

2. При переробці використовується деіонізована (DI) вода. Це настільки чисто, що електричний опір вимірюється в мегаомах. У воді так мало забруднень, що вона перестає проводити. Основним забруднювачем у перші дні переробки напівпровідників (виявлений Енді Гроувом від Intel слави) є натрій. Процеси CMOS настільки чутливі до цього забруднення, що натрію з солі у вашому поті, що міститься в середньому пальці, достатньо для забруднення 10 000 галонів (25 000 л) води DI.

3. Робоче середовище: кожен квадратний метр підлоги повинен мати повітряний пленум вгорі та внизу, щоб переміщувати повітря, фільтрувати його та повертати назад. У стандартному кабіні вони переміщують мільйони кубічних метрів повітря щодня. Насправді кожен кабінет складається з трьох поверхів з обробкою повітря, використовуючи нижній і верхній поверхи, і лише середній має людей / обладнання. Здається, що це важливо.

Неприємні миттєві сорти хімічних речовин або приємніші опіки - поспішають повільно:

1. Фтороводородна кислота: їсть через скло просто любить все те смачне кальцій у ваших кістках. Якщо потрапляє на вашу шкіру, вона проникає через шкіру (шкіра проникна для цього) і прямує до каналів кальцію в нервах і головах до кісток. Дуже болісно.

2. Спеціалізовані хімічні речовини для травлення: Подивимось ... моє улюблене - це щось, що називається "Піранья травлення" Це називається тому, що він їсть органічні матеріали, він повинен працювати при 80 до 90 ° C, але також повинен бути активно охолоджений, оскільки він має тенденцію бігти і вивергатися в киплячій каші.

3. Силан - пірофорний газ - це означає, що він спалахне полум'ям і вибухає в присутності кисню. Він токсичний, і коли він згорає, він залишає після себе пари SiO ₂ - це означає, що повітря наповнене крихітними мікроскопічними частинками скла, які, можливо, ~ 900 ° C. І це один з найбільш доброякісних реактивних газів, є й інші хімічні речовини, що коли сигналізація про витік гасне, як правило, відчувається, що бігати немає сенсу: вже запізно.

4. Допанти: Не будемо забувати про необхідні допанти, які дозволять створювати напівпровідники типу N та P. Бор, Фосфор, Арсен, Галій (рідше).

5. Зупинимось тут ... інакше буде занадто хворобливо. І ні в кого у вас немає вибору, якщо ви не думаєте, що можете зробити краще, ніж трильйони $$ інвестицій.

6. Загалом усі матеріали мають бути напівпровідниковими. Таким чином, ви повинні бути у великому центрі, а місцеві постачальники повинні мати матеріал під рукою. Частина сировини повинна вироблятися місцево, тому що ви не можете їх доставити.

Ось декілька прикладних речей щодо використовуваного обладнання:

1. Вакуумні насоси: більшість процесів працює у вакуумних умовах.

2. Духовка, вам потрібна піч, яка може підтримувати 1200 ° C з різними хімічними речовинами, що вводяться, як силан і надчистий кисень і т.д.

3. Імплантанти: більшість допантів вводяться в субстрат через модифікований ядерний прискорювач. Хороша новина полягає в тому, що він не може бути надто потужним, оскільки імплантатори вище 3 МеВ, як правило, перетворюють субстрат радіоактивним, щоб вони не створювали їх занадто високою енергією, але вам все одно знадобиться принаймні імплантатор на 1 МеВ. Ви можете не використовувати імплантатор з високою енергією, але тоді вам доведеться запускати духовку протягом багатьох годин, щоб дозанти могли розсіятися.

   Найкраща ставка - придбання вживаного обладнання. На жаль, минуло щонайменше 20 років, як хтось спроектував і виготовив обладнання для вафель діаметром 100 мм і 150 мм, а на ринку, що застосовується, такого немає. У різних університетах є запаси обладнання. Я рекомендую придбати б / в обладнання 200 мм. Дійсно хороша новина полягає в тому, що зараз на долар можна придбати лише близько 15%. Тож те, що було б кроком у розмірі 10 мільйонів доларів (використовувалося для зображень вафель), зараз становить лише 1,5 мільйона доларів.

Там є люди роблять це вдома, але це трохи схоже на спробу побудувати космічну програму в вашому саду. Це набагато важче, ніж, наприклад, 3D-принтер, і передбачає деяку неприємну хімію та приголомшливо високу техніку точності.

https://code.google.com/p/homecmos/ , хоча вони ще не створили пристрій.

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/ : мабуть, робочий пристрій з більш ніж одним транзистором.

Редагування: для практичних цілей, і якщо вас більше цікавить електроніка, ніж хімія, починайте вивчати Verilog та FPGA.

На цьому сайті пояснюється процес виготовлення мікропроцесора. Добре деталізовано, хоча неможливо проілюструвати кожен з 1500 необхідних кроків.

Більш відповідне питання "Що і як поєднуються електронні мікросхеми для створення мікропроцесорів?" Електронні схеми не імплантуються на мікропроцесори. Мікропроцесори складаються з електронних схем.

Резистори, конденсатори та індуктори є пасивними аналоговими елементами ланцюга. Розробка / винахід / відкриття напівпровідників поступилися місцем діодам і транзисторам. Транзистори налаштовані на основні логічні ворота, що реалізують булеву алгебру, і тригери, які реалізують основні елементи пам'яті. Ці основні логічні ворота налаштовані на більш складні схеми, які реалізують додавання (суматор), або віднімання (віднімання), або мультиплексування (перемикання), або de мультиплексування, або зсув ліворуч, або правий зсув тощо. Ці складні схеми заклинюються разом з деякою логікою управління, щоб зробити ALU, або декодер інструкцій, або декодер адреси пам'яті або якийсь інший інтерфейс. Цей ALU поєднується з декодером інструкцій, декодером адреси пам'яті, пам'яттю або 2 та деякими іншими елементами для формування процесора або мікропроцесора.

Все це займає мільйони (а може, навіть мільярди зараз) транзисторних воріт. У деяких сучасних технологіях FPGA використовується технологічна технологія 28 нанометрів, що, як свідчить AFAIK, означає, що один затвор має довжину 28 нанометрів. Проектування та побудова інтегральних мікросхем великого масштабу (LSI) та дуже масштабних (VLSI) - це процес, який вимагає дуже спеціалізованих знань з фізики та хімії та дуже спеціалізованого та дорогого обладнання.

Якщо ви хочете функціонально спроектувати мікропроцесор, ви можете це зробити. І ви, ймовірно, могли реалізувати це на конфігуруваному обладнанні, такому як FPGA. Якщо ви хочете фізично спроектувати мікропроцесор, це вже інша історія. Люди, які проектують інтегральні схеми, взагалі навіть не конкретизують фізичну компоновку воріт. Вони використовують інструменти дизайну, не на відміну від тих, що використовують інженери програмного забезпечення, щоб сказати, що вони хочуть, щоб їх інтегральна схема робила, використовуючи щось, що називається Hardware Description Language (HDL), а потім інструменти зводять HDL до специфікації рівня воріт.

Ви точно не зможете зробити це вдома! Виробництво мікросхем - це складний процес, що включає багато точних, дорогих і складних машин.

Якщо ви зацікавлені в розробці власного мікропроцесора, почніть з вивчення VHDL або Verilog і налагодження його роботи на FPGA. Тоді ви можете розглянути можливість вивчення дизайну мікросхем на транзисторному рівні та отримання ІМС. Це не дешево і просто і вимагає дуже специфічного набору навичок.

Давайте не забуватимемо, що окрім ВИРОБЛЕННЯ СУЧАСНОГО СК (висвітлено дуже гумористично та акуратно тут), Ви також повинні знати, як розробити схеми, які піддаються реалізації ІС. Ви не знайдете дуже багато пасивних компонентів всередині ІМС - вони не так добре поводяться і зазвичай займають непропорційно велику площу. Натомість ви знайдете безліч поточних дзеркал, джерел та раковин. Пристрої типу P і N не створюються рівними, тому вам також потрібно зрозуміти нерівності. Насправді, оскільки ви «прокатуєте свій власний» процес, вам потрібно буде зняти кілька тестових вафель із різним рівнем допінгової концентрації («веселки ваги» ) з різноманітними тестовими структурами, а потім витратите багато часу та зусиль (цифра не менше 10 чоловічих років), щоб охарактеризувати те, що ви закінчите, - отримати бібліотеку типів транзисторів. Озброївшись вашою бібліотекою, ви можете розпочати свою схему дизайну - якщо припустити, що ви розумієте компонування. Не забувайте, що ПІСЛЯ fab, після чого починається тест і налагодження. Це ціла НОВА глава!