Как изготавливаются интегральные схемы?

Как изготавливаются интегральные схемы (например, микропроцессор) от начала до конца? Например, должна быть какая-то проводка с резисторами, конденсаторами для хранения энергии (биты) в поле, транзисторами и т. Д ....

Как это сделать? Какие машины и химические процессы требуются для построения интегральной схемы?

Ничего страшного на самом деле. Сначала вы получаете кучу кремния. Ведро с обычным пляжным песком содержит запас на всю жизнь, если вы собираетесь делать свои чипсы. На этой планете много кремния, но все это так раздражающе связано с кислородом. Вы должны разорвать эти связи, отказаться от несиликонового материала, а затем уточнить то, что осталось.

Вам нужен очень чистый кремний, чтобы делать полезные чипсы. Просто плавление оксида кремния в элементарный кремний не достаточно близко. Ведро с песком в основном состояло из диоксида кремния, но будут и другие минералы, кусочки раковин улитки (карбонат кальция), собачьи какашки и все остальное. Некоторые элементы из этого материала попадут в смесь расплавленного кремния. Чтобы избавиться от этого, существуют различные способы, большинство из которых связано с очень осторожным разрешением кристаллизации кремния при правильной температуре и скорости. Это приводит к выталкиванию большинства примесей перед границей кристаллизации. Если вы делаете это достаточно много раз, достаточное количество примесей выталкивается к одному концу слитка, а другой конец может быть достаточно чистым. Конечно, вы махаете мертвой рыбой над ней в полнолуние, думая только о чистых мыслях. Если позже выясняется, что ваши чипсы не годятся, то одна из возможностей состоит в том, что вы испортили этот шаг, используя неправильный вид рыбы, или что ваши мысли были недостаточно чисты. Если так, повторите с первого шага.

Как только у вас будет чистый кристаллический кремний, вы почти закончили, еще 100 шагов или около того, чтобы все было правильно. Теперь нарежьте свой чистый кремний на вафли. Может быть, это можно сделать с помощью настольной пилы или чего-то еще. Обратитесь в Sears, чтобы узнать, продают ли они лезвия для резки слитков кремния.

Затем отполируйте вафли так, чтобы они были очень гладкими. Все грубые вещи со стола пилы должны быть удалены. Желательно, чтобы получить его до длины волны или около того света. Ох, и не позволяйте кислороду на открытой поверхности. Вам придется затопить подвал инертным газом и задержать дыхание на долгое время, пока вы закончите полировку.

Далее вы разрабатываете чип. Это просто связывает кучу ворот на экране и запускает некоторое программное обеспечение. Либо потратьте несколько сотен долларов, либо сделайте свое, если у вас есть несколько десятков человеко-лет бесплатно. Вы, вероятно, можете сделать базовую систему макетов, но вам придется украсть некоторые коммерческие секреты, чтобы иметь возможность делать действительно хорошие вещи. Люди, которые разобрались с действительно умными алгоритмами, потратили на это много M $, поэтому не хотят раздавать все интересные вещи бесплатно.

Как только у вас есть макет, вы должны будете напечатать его в масках. Это похоже на обычную печать, за исключением мелких деталей на несколько порядков.

После того, как у вас есть маски для различных слоев и этапов фотолитографии, вы должны выставить их на пластину. Сначала вы намазываете фоторезист, следя за тем, чтобы он имел одинаковую толщину с точностью до доли длины волны света, который вы будете использовать. Затем вы выставляете и развиваете сопротивление. Это оставляет сопротивление на некоторых участках вашей пластины, а не на других, как указанная маска. Для каждого слоя, который вы хотите нарастить, вытравить или рассеять в чипе, вы применяете специальные химические вещества, обычно газы, при очень точно контролируемых температурах и времени. Да, и не забудьте выстроить маски для каждого слоя в одном и том же месте на пластине с точностью до нескольких сотен нм или лучше. Вам нужны действительно устойчивые руки для этого. Нет кофе в этот день. Ох, и запомни, кислорода нет.

После дюжины шагов маскировки ваши фишки почти готовы. Теперь вы, вероятно, должны проверить каждого из них, чтобы выяснить, какие из них попали на примеси или иным образом испортились. Нет смысла складывать их в пакеты. Для этого вам понадобятся действительно очень маленькие зондовые датчики. Старайтесь не дышать, поскольку вы держите дюжину зондов в их мишенях с точностью до нескольких микрометров на специальных контактных площадках, которые вы спроектировали в микросхемы для этой цели. Если вы уже выполнили этап пассивации, вы можете сделать это в атмосфере кислорода и перевести дух.

Почти сделано. Теперь вы порезали вафлю на чипсы, стараясь выбрасывать те, которые вы нашли ранее, не годящиеся. Может быть, вы можете разорвать их или увидеть их, но, конечно, вы не можете коснуться верхней части пластины.

Теперь у вас есть чипы, но вам все равно нужно как-то к ним подключиться. Пайка на кремнии создаст слишком много беспорядка, а у паяльников все равно не будет достаточно тонких наконечников. Обычно вы используете очень тонкие золотые провода, которые сварены точками между контактными площадками на чипе и внутренними контактами любой упаковки, которую вы решили использовать. Наденьте сверху и нанесите достаточно эпоксидной смолы, чтобы она оставалась закрытой.

Там, это не так плохо, не так ли?

Этот вопрос эквивалентен вопросу: «Я хочу построить лайнер 747 в моем подвале, но мне нужно делать это только из чертежей и сырья». Тот факт, что такой вопрос действительно задают, на самом деле просто показывает, насколько мало ценится сложность того, что связано с современным производством полупроводников, и чистая изобретательность, которая влечет за собой.

Что нужно знать об обработке, так это то, что вы строите все из сырья. Кроме вафель; Вы можете легко купить их. Но как только вы начали, вы наложили слой на устройство; это как выпечка пирога. Вы можете построить свой собственный самолет, заказывая двигатели и углеродный композитный материал отдельно. Но здесь вы должны сделать все из сырья. А сложность изготовления даже для получения рабочих устройств ошеломительно сложна.

Я просто перечислю небольшое количество вещей, которые необходимо учитывать.

Индустрия:

1. Было приложено больше усилий с точки зрения потраченных денег, потребленной рабочей силы или написанных работ, полученных докторских степеней и т. Д., Чем любое другое единичное техническое начинание, которое ведет к производству продукта, когда-либо существовавшему в истории человечества.

   Безотносительно к размеру и возможностям функций вам нужно знать следующее, независимо от того, что вы будете пытаться.

Чистота:

1. Si вафли являются одними из самых чистых веществ, которые когда-либо существовали на этой планете. Если я использую стандартную простую пластину (что обычно используется в CMOS) - плотность легирующей примеси составляет 1 × 10 ¹⁵ атомов / см ^-3 . В Si 5 × 10 ²² атомов / см ^-3 . Это означает, что на каждые 50 миллионов атомов кремния приходится один атом легирующей примеси. Вам действительно нужно специальное оборудование, обработка и процедуры, чтобы поддерживать это.$15 \: \Omega \cdot \text{cm}$

2. При обработке используется деионизированная (ДИ) вода. Это настолько чисто, что электрическое сопротивление измеряется в мегом. В воде так мало загрязнений, что она перестает проводить. Основным загрязнителем в первые дни обработки полупроводников (обнаруженный Энди Гроувом из известности Intel) является натрий. Процессы CMOS настолько чувствительны к этому загрязнителю, что содержание натрия в поте, содержащееся в среднем отпечатке большого пальца, достаточно для загрязнения 10000 галлонов (25000 л) деионизированной воды.

3. Рабочая среда: каждый квадратный метр площади пола должен иметь воздушную камеру выше и ниже, чтобы пропустить воздух, отфильтровать его и вернуть обратно. В стандартном корпусе они перемещают миллионы кубометров воздуха каждый день. На самом деле каждый завод состоит из трех этажей с системой обработки воздуха, использующей нижний и верхний этажи, и только на среднем этаже есть люди / оборудование. Кажется, что-то важное.

Мерзкие химические вещества типа «убей, ты мертв» мгновенно набирают химические свойства, или получаются более приятные:

1. Плавиковая кислота: ест сквозь стекло, просто любит весь этот вкусный кальций в ваших костях. При попадании на кожу он проникает через кожу (кожа проницаема для этого) и направляется к кальциевым каналам в нервах и направляется к костям. Очень болезненный.

2. Специализированные химикаты для травления: Посмотрим ... моим любимым является то, что называется "травление Пираньи". Это называется потому, что он ест органические материалы, должен работать при температуре от 80 до 90 ° C, но также должен активно охлаждаться, потому что он имеет тенденцию убегать и извергаться в кипящем беспорядке.

3. Силан - пирофорный газ - это означает, что он взрывается в пламени и взрывается в присутствии кислорода. Он токсичен, и когда он горит, он оставляет после себя пары SiO ₂ - это означает, что воздух заполнен крошечными микроскопическими частицами стекла, температура которых, возможно, составляет ~ 900 ° C. И это один из наиболее благоприятных реактивных газов, присутствуют другие химические вещества, которые, когда срабатывает сигнализация утечки, обычно чувствуют, что нет смысла бежать: уже слишком поздно.

4. Допанты: не будем забывать о необходимых добавках, которые позволят создавать полупроводники N-типа и P-типа. Бор, фосфор, мышьяк, галлий (реже).

5. Остановимся здесь ... иначе это будет слишком болезненно. И нет, у вас нет выбора, если только вы не думаете, что можете добиться большего, чем триллионы долларов инвестиций.

6. Материалы в целом должны быть полупроводниковыми. Таким образом, вы должны быть в крупном центре, и у местных поставщиков должен быть материал под рукой. Некоторые из сырья должны быть изготовлены на месте, потому что вы не можете отправить их.

Вот несколько примеров того, как используется оборудование:

1. Вакуумные насосы: большинство процессов работают в условиях вакуума.

2. Духовка, вам нужна печь, которая может выдерживать 1200 ° C с различными химическими веществами, впрыскиваемыми в виде силана, ультрачистого кислорода и т. Д.

3. Имплантанты: большинство добавок вводятся в субстрат через модифицированный ядерный ускоритель. Хорошая новость заключается в том, что он не может быть слишком мощным, потому что имплантанты выше 3 МэВ имеют тенденцию превращать субстрат в радиоактивный, поэтому они не создают их слишком высокой энергии, но вам все равно понадобится как минимум 1 МэВ имплантат. Вы можете отказаться от использования высокоэнергетического имплантанта, но тогда вам придется работать духовку в течение многих часов, чтобы позволить примесям проникнуть внутрь.

   Лучше всего покупать бывшее в употреблении оборудование. К сожалению, прошло уже не менее 20 лет с тех пор, как кто-то разработал и изготовил оборудование для пластин диаметром 100 мм и 150 мм, и на рынке подержанных нет такого оборудования. Различные университеты имеют запасенное оборудование. Я бы порекомендовал купить б / у оборудование 200 мм. Действительно хорошая новость заключается в том, что теперь на доллар можно получить всего около 15%. Таким образом, то, что было бы степпером в 10 миллионов долларов (использованным для визуализации пластин), теперь составляет всего 1,5 миллиона долларов.

Там являются люди делают это дома, но это немного похоже на попытку построить космическую программу в вашем саду. Это гораздо сложнее, чем, например, 3D-принтер, и включает в себя некоторые неприятные химии и удивительно высокой точности проектирования.

https://code.google.com/p/homecmos/ , хотя на самом деле они еще не создали устройство.

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/ : очевидно, работающее устройство с более чем одним транзистором.

Изменить: для практических целей, и если вы больше заинтересованы в электронике, чем в химии, начните изучать Verilog и FPGA.

На этом сайте описан процесс изготовления микропроцессора. Очень подробно, хотя невозможно проиллюстрировать каждый из 1500 необходимых шагов.

Более подходящий вопрос: «Что и как объединяют электронные схемы для создания микропроцессоров?» Электронные схемы не имплантированы в микропроцессоры. Микропроцессоры состоят из электронных схем.

Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности являются пассивными элементами аналоговой схемы. Разработка / изобретение / открытие полупроводников уступили место диодам и транзисторам. Транзисторы настроены на базовые логические элементы, которые реализуют булеву алгебру, и триггеры, которые реализуют базовые элементы памяти. Эти базовые логические элементы сконфигурированы в более сложные схемы, которые реализуют сложение (сумматор) или вычитание (вычитатель), или мультиплексирование (переключение), или демультиплексирование, или сдвиг влево или сдвиг вправо и так далее. Эти сложные схемы заклинивают вместе с некоторой логикой управления для создания ALU, или декодера команд, или декодера адреса памяти или некоторого другого интерфейса. Этот ALU объединяется с декодером команд, декодером адреса памяти, памятью или двумя и некоторыми другими элементами для формирования процессора или микропроцессора.

Все это занимает миллионы (или, может быть, даже миллиарды) транзисторных вентилей. В некоторых современных технологиях ПЛИС используется технология процесса 28 нанометров, что, AFAIK, означает, что длина одного затвора составляет 28 нанометров. Проектирование и создание интегральных схем большого (LSI) и очень большого масштаба (VLSI) - это процесс, который требует очень специальных знаний в области физики и химии и очень специализированного и дорогостоящего оборудования.

Если вы хотите функционально спроектировать микропроцессор, это то, что вы можете сделать. И вы, вероятно, могли бы реализовать это на реконфигурируемом оборудовании, таком как FPGA. Если вы хотите физически разработать микропроцессор, это другая история. Люди, которые проектируют интегральные схемы, вообще даже не указывают физическое расположение ворот. Они используют инструменты проектирования, в отличие от того, что используют разработчики программного обеспечения, чтобы сказать, что они хотят, чтобы их интегральная схема делала, используя нечто, называемое языком описания аппаратных средств (HDL), а затем инструменты сводят HDL к спецификации уровня шлюза.

Вы определенно не сможете сделать это дома! Производство чипов - сложный процесс, включающий множество точного, дорогостоящего и сложного оборудования.

Если вы заинтересованы в разработке своего собственного микропроцессора, начните с изучения VHDL или Verilog и заставьте его работать на FPGA. Тогда вы могли бы изучить дизайн микросхемы на уровне транзистора и изготовить микросхему. Это не дешево или просто и требует очень определенного набора навыков.

Давайте не будем забывать, что, помимо ИЗГОТОВЛЕНИЯ фактической микросхемы (описанной здесь очень юмористическим и точным образом), вам также необходимо знать, как проектировать схемы, пригодные для реализации ИС. Вы не найдете очень много пассивных компонентов внутри ИС - они не так хорошо ведут себя и обычно занимают непропорционально большую площадь. Вместо этого вы найдете множество текущих зеркал, источников и стоков. Устройства типа P и N не созданы равными, поэтому вам также необходимо понять неравенства. На самом деле, потому что вы «катите свой собственный» процесс, вам нужно будет снимать несколько тестовых пластин с различными уровнями концентрации допинга («радужные пластинки») ) с различными тестовыми структурами, а затем потратить много времени и усилий (по крайней мере, на 10 человеко-лет), чтобы охарактеризовать то, что вы в конечном итоге - получить библиотеку типов транзисторов. Вооружившись своей библиотекой, вы можете приступить к проектированию схемы - при условии, что у вас есть некоторое представление о компоновке. Не забудьте, что ПОСЛЕ потрясающего, затем запускает тест и отладку. Это целая НОВАЯ глава!