Come vengono fabbricati i circuiti integrati?

Come vengono fabbricati i circuiti integrati (ad esempio un microprocessore) dall'inizio alla fine? Ad esempio, ci deve essere un cablaggio con resistori, condensatori per immagazzinare energia (bit) in un campo, transistor, ecc ....

Come si fa? Quali macchinari e processi chimici sono necessari per la costruzione di un circuito integrato?

Davvero un grosso problema. Per prima cosa ottieni un mucchio di silicio. Un secchio di normale sabbia da spiaggia contiene una scorta a vita se hai intenzione di creare le tue patatine. C'è molto silicio su questo pianeta, ma è principalmente tutto così fastidiosamente legato all'ossigeno. Devi rompere quei legami, scartare le cose non siliconiche, quindi perfezionare ciò che resta.

Hai bisogno di silicio molto molto puro per produrre chip utili. La sola fusione dell'ossido di silicio in silicio elementare non è abbastanza vicina. Il secchio di sabbia era principalmente diossido di silicio, ma ci saranno piccoli frammenti di altri minerali, frammenti di gusci di lumaca (carbonato di calcio), cacca di cane e quant'altro. Alcuni degli elementi di questa roba finiranno nella miscela di silicio fuso. Per sbarazzarsi di questo, ci sono vari modi, molti dei quali hanno a che fare con molta attenzione permettendo al silicio di cristallizzarsi alla giusta temperatura e velocità. Ciò finisce per spingere la maggior parte delle impurità di fronte al confine di cristallizzazione. Se lo fai abbastanza volte, abbastanza delle impurità vengono spinte a un'estremità del lingotto e l'altra estremità potrebbe essere abbastanza pura. A dire il vero, ci agiti sopra un pesce morto durante la luna piena mentre pensi solo pensieri puri. Se in seguito si scopre che le tue patatine non sono buone, allora una possibilità è che tu abbia fallito questo passaggio usando le specie sbagliate per i pesci o che i tuoi pensieri non fossero abbastanza puri. In tal caso, ripetere dal passaggio uno.

Una volta che hai silicio cristallino puro, allora hai quasi finito, solo altri 100 passi o così che tutti devono essere giusti. Ora taglia il tuo silicio puro in wafer. Forse questo può essere fatto con una sega circolare o qualcosa del genere. Verificare con Sears se vendono lame per il taglio di lingotti di silicio.

Successivamente lucidare i wafer in modo che siano molto lisci. Tutte le cose ruvide dalla lama della sega da tavolo devono essere sparite. Preferibilmente portalo fino a una lunghezza d'onda o giù di lì di luce. Oh, e non lasciare che l'ossigeno sulla superficie aperta. Dovrai inondare il tuo seminterrato con un po 'di gas inerte e trattenere il respiro a lungo mentre finisci la lucidatura.

Successivamente si progetta il chip. Questo è solo il cablaggio di un gruppo di porte insieme su uno schermo e l'esecuzione di alcuni software. O spendi qualche centinaio di k $ o fai il tuo se hai qualche decennio di anni uomo gratuiti. Probabilmente puoi fare un sistema di layout di base, ma dovrai rubare alcuni segreti commerciali per essere in grado di fare davvero le cose buone. Le persone che hanno capito gli algoritmi davvero intelligenti hanno speso molti M $ per farlo, quindi non vogliono dare gratuitamente tutti i pezzi interessanti.

Una volta che hai il layout, dovrai stamparlo su maschere. È proprio come la stampa normale, ad eccezione di alcuni ordini di grandezza più dettagliati.

Dopo aver ottenuto le maschere per i vari livelli e le fasi della fotolitografia, è necessario esporle sul wafer. Per prima cosa ti affidi al fotoresist, assicurandoti che abbia uno spessore uniforme entro una frazione della lunghezza d'onda della luce che utilizzerai. Quindi esponi e sviluppi la resistenza. Le foglie resistono su alcune aree del wafer e non su altre, proprio come la maschera specificata. Per ogni strato che si desidera costruire, incidere o diffondere nel chip, si applicano sostanze chimiche speciali, di solito gas, a temperature e tempi controllati con precisione. Oh, e non dimenticare di allineare le maschere per ogni strato nella stessa posizione sul wafer a qualche 100 nm o meglio. Hai bisogno di mani davvero ferme per questo. Niente caffè quel giorno. Oh, e ricorda, niente ossigeno.

Dopo una dozzina di passaggi maschera, le tue chips sono quasi pronte. Ora dovresti probabilmente testare ognuno per scoprire quali colpiscono le impurità o sono altrimenti incasinati. Inutile metterli in pacchetti. Per questo avrai bisogno di alcune sonde di portata davvero minuscole. Cerca di non respirare mentre stai trattenendo una dozzina di sonde nei loro obiettivi entro pochi µm sugli appositi pad che hai progettato nei chip a tale scopo. Se hai già eseguito la fase di passivazione, puoi farlo in un'atmosfera di ossigeno e fare un respiro adesso.

Quasi fatto. Ora hai tagliato il wafer in trucioli, facendo attenzione a buttare via quelli che hai trovato prima non andavano bene. Forse puoi spezzarli o vederli, ma ovviamente non puoi toccare la parte superiore del wafer.

Adesso hai i chip, ma devi comunque connetterti in qualche modo. Saldare sul silicio farebbe troppo casino, e comunque i ferri da saldatura non hanno abbastanza suggerimenti. Di solito si usano fili d'oro molto sottili che sono saldati a punti tra i pad sul chip e l'interno dei pin di qualsiasi confezione che si decide di utilizzare. Schiaccia in alto e glob su abbastanza resina epossidica per assicurarti che rimanga chiuso.

Lì, non era poi così male, vero?

Questa domanda equivale a porre: "Voglio costruire un aereo di linea 747 nel mio seminterrato, ma devo farlo solo da disegni e materie prime". Il fatto che si ponga una domanda del genere dimostra davvero quanto poco apprezzata la complessità di ciò che è coinvolto nella moderna produzione di semiconduttori e la pura inventiva che esso comporta.

La cosa da sapere sulla lavorazione è che si costruisce tutto dalle materie prime. Tranne i wafer; puoi facilmente acquistarli. Ma una volta che hai iniziato, stai stratificando il dispositivo mentre procedi; è come cuocere una torta. Puoi costruire il tuo aereo ordinando separatamente motori e materiali compositi in carbonio. Ma qui devi fare tutto dalle materie prime. E la complessità produttiva persino per ottenere dispositivi funzionanti è incredibilmente difficile.

Elencherò solo un piccolo numero di cose che devono essere considerate.

L'industria:

1. Ci sono stati maggiori sforzi in termini di denaro speso, consumo di energia umana o documenti scritti, dottorati di ricerca ecc. Rispetto a qualsiasi altro singolo sforzo tecnico che porta a un prodotto fabbricato nella storia dell'umanità.

   Indipendentemente dalle dimensioni e dalla funzionalità delle funzionalità, è necessario essere consapevoli di quanto segue indipendentemente da ciò che si proverà.

Pulizia:

1. I wafer Si sono alcune delle sostanze più pure che siano mai esistite su questo pianeta. Se uso un wafer primo standard (ciò che viene solitamente utilizzato in CMOS) - la densità del drogante è 1 × 10 ¹⁵ atomi / cm ^-3 . Ci sono 5 × 10 ²² atomi / cm ^-3 in Si. Ciò significa che per ogni 50 milioni di atomi di silicio esiste un atomo di drogante. Hai davvero bisogno di attrezzature specializzate, gestione e procedure per poterlo mantenere.$15 \: \Omega \cdot \text{cm}$

2. Nella lavorazione viene utilizzata acqua deionizzata (DI). Questo è così puro che la resistenza elettrica viene misurata in megaohm. Ci sono così pochi contaminanti nell'acqua che smette di condurre. Un importante contaminante nei primi tempi dell'elaborazione dei semiconduttori (scoperto dalla fama di Andy Grove di Intel) è il sodio. I processi CMOS sono così sensibili a questo contaminante che il sodio del sale contenuto nel sudore, contenuto in un'impronta media, è sufficiente per contaminare 25.000 L di 10.000 DI di acqua.

3. Ambiente operativo: ogni metro quadrato di superficie deve avere un plenum d'aria sopra e sotto per spostare l'aria, filtrarla e riportarla dentro. In un fab standard si muovono milioni di metri cubi di aria ogni giorno. In realtà ogni fab comprende tre piani con trattamento dell'aria che utilizza i piani inferiore e superiore e solo il centro ha persone / attrezzature. Sembra un po 'importante.

Brutti tipi di sostanze chimiche che ti uccidono-morti-istantaneamente o tipi più belli da bruciare-faccia-a-faccia-a-faccia:

1. Acido fluoridrico: mangia attraverso il vetro ama solo tutto quel calcio gustoso nelle tue ossa. Se lasciato cadere sulla pelle penetra attraverso la pelle (la pelle è permeabile a questo) e si dirige verso i canali del calcio nei nervi e si dirige verso le ossa. Molto doloroso.

2. Prodotti chimici per incisioni speciali: vediamo ... il mio preferito è qualcosa chiamato "incisione Piranha". Si chiama così perché mangia materiali organici, deve funzionare a una temperatura compresa tra 80 e 90 ° C ma deve anche essere attivamente raffreddato perché ha la tendenza a scappare e scoppiare in un disordine bollente.

3. Silano - un gas piroforico - il che significa che esplode in fiamme ed esplode in presenza di ossigeno. È tossico e quando brucia lascia dietro il vapore di SiO ₂ , il che significa che l'aria viene riempita con minuscole microscopiche particelle di vetro che sono forse ~ 900 ° C. E questo è uno dei gas reattivi più benigni, ci sono altri prodotti chimici presenti che quando si attiva l'allarme di dispersione si sente generalmente che non ha senso correre: è già troppo tardi.

4. Dopanti: non dimentichiamoci dei droganti necessari che consentiranno la creazione di semiconduttori di tipo N e di tipo P. Boro, fosforo, arsenico, gallio (meno comuni).

5. Fermiamoci qui ... altrimenti sarebbe troppo morboso. E no , non hai scelta, a meno che tu non pensi di poter fare meglio di trilioni di dollari di investimento.

6. I materiali in generale devono essere tutti di grado semiconduttore. Quindi devi essere in un centro importante e i fornitori locali devono avere il materiale a portata di mano. Alcune delle materie prime devono essere fabbricate localmente perché non è possibile spedirle.

Ecco alcune cose di esempio sull'apparecchiatura utilizzata:

1. Pompe per vuoto: la maggior parte dei processi funziona in condizioni di vuoto.

2. Il forno, è necessario un forno in grado di sostenere 1200 ° C con vari prodotti chimici iniettati come silano e ossigeno ultra puro ecc.

3. Impianti: la maggior parte dei droganti viene introdotta nel substrato tramite un acceleratore nucleare modificato. La buona notizia è che non può essere troppo potente perché gli implanter sopra i 3 MeV tendono a trasformare il substrato in radioattivo in modo da non costruirli per essere un'energia troppo alta, ma avrai comunque bisogno di almeno un implanter da 1 MeV. Potresti scegliere di non utilizzare un implanter ad alta energia, ma poi devi far funzionare il forno per molte ore per consentire ai droganti di diffondersi.

   La scommessa migliore è acquistare attrezzatura usata. Sfortunatamente sono passati almeno 20 anni da quando qualcuno ha progettato e costruito attrezzature per wafer di diametro 100 mm e 150 mm, e non ce ne sono sul mercato dell'usato. Varie università hanno accumulato attrezzature. Consiglio di acquistare attrezzature usate da 200 mm. La buona notizia è che ora si può avere solo il 15% circa sul dollaro. Quindi quello che sarebbe stato uno stepper da $ 10 milioni (utilizzato nell'imaging dei wafer) ora è solo $ 1,5 milioni.

Ci sono persone che lo fanno a casa, ma è un po 'come provare a costruire un programma spaziale nel tuo giardino sul retro. È molto più difficile rispetto ad esempio a una stampante 3D e comporta una cattiva chimica e un'ingegnerizzazione sorprendentemente di alta precisione.

https://code.google.com/p/homecmos/ , sebbene in realtà non abbiano ancora prodotto un dispositivo.

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/ : apparentemente un dispositivo funzionante con più di un transistor.

Modifica: per scopi pratici e se sei più interessato all'elettronica che alla chimica, inizia ad imparare Verilog e FPGA.

Su questo sito viene spiegato il processo di creazione di un microprocessore. Ben dettagliato, anche se è impossibile illustrare ciascuno dei 1500 passaggi richiesti.

Una domanda più appropriata è "Cosa e come vengono combinati i circuiti elettronici per creare microprocessori?" I circuiti elettronici non sono impiantati su microprocessori. I microprocessori sono costituiti da circuiti elettronici.

Resistori, condensatori e induttori sono elementi circuitali analogici passivi. Lo sviluppo / invenzione / scoperta di semiconduttori ha lasciato il posto a diodi e transistor. I transistor sono configurati in porte logiche di base che implementano l'algebra booleana e infradito che implementano elementi di memoria di base. Queste porte logiche di base sono configurate in circuiti più complessi che implementano l'addizione (un sommatore) o la sottrazione (un sottrattore) o il multiplexing (commutazione) o il depllexing, oppure i turni di sinistra o di destra e così via. Questi circuiti complessi sono bloccati insieme con una logica di controllo per creare un ALU, un decodificatore di istruzione, un decodificatore di indirizzo di memoria o qualche altra interfaccia. Questo ALU è combinato con un decodificatore di istruzione, un decodificatore di indirizzo di memoria, una memoria o 2 e alcuni altri elementi per formare una CPU o un microprocessore.

Tutto ciò occupa milioni (o forse persino miliardi) di porte a transistor. Alcune attuali tecnologie FPGA utilizzano una tecnologia di processo a 28 nanometri, che, AFAIK, significa che un singolo gate è lungo 28 nanometri. La progettazione e costruzione di circuiti integrati su larga scala (LSI) e su larga scala (VLSI) è un processo che richiede conoscenze molto specializzate in fisica e chimica e attrezzature molto specializzate e costose.

Se vuoi progettare funzionalmente un microprocessore, è qualcosa che puoi fare. E probabilmente potresti implementarlo su hardware riconfigurabile come un FPGA. Se vuoi progettare fisicamente un microprocessore, questa è un'altra storia. Le persone che progettano circuiti integrati in genere non stanno nemmeno specificando la disposizione fisica delle porte. Usano strumenti di progettazione, non diversamente da quanto usano gli ingegneri del software, per dire cosa vogliono che facciano i loro circuiti integrati usando qualcosa chiamato Hardware Description Language (HDL), e quindi riducono l'HDL fino a una specifica di livello gate.

Sicuramente non sarai in grado di farlo a casa! La produzione di chip è un processo complesso che coinvolge molti macchinari precisi, costosi e complessi.

Se sei interessato a sviluppare il tuo microprocessore, inizia imparando VHDL o Verilog e facendolo funzionare su un FPGA. Quindi potresti prendere in considerazione l'apprendimento della progettazione di chip a livello di transistor e la produzione di un circuito integrato. Questo non è economico o semplice e richiede un set di abilità molto specifico.

Non dimentichiamo che, oltre a FARE l'IC reale (coperto in modo molto divertente e accurato già qui), devi anche sapere come progettare circuiti che si prestano all'implementazione dell'IC. Non troverai molti componenti passivi all'interno di un IC: non sono così ben educati e in genere occupano un'area sproporzionatamente ampia. Invece, troverai molti mirror, fonti e sink attuali. I dispositivi di tipo P e N non sono creati uguali, quindi dovrai anche capire le disuguaglianze lì. In realtà, poiché stai "lanciando il tuo" processo, dovrai sparare alcuni wafer di prova con livelli variabili di concentrazione di doping ("wafer arcobaleno" ) con una varietà di strutture di test e quindi dedicare molto tempo e sforzi (figura almeno 10 anni-uomo) per caratterizzare ciò che si ottiene - per ottenere una libreria di tipi di transistor. Grazie alla tua libreria, puoi iniziare la progettazione del tuo circuito, supponendo che tu abbia una certa comprensione del layout. Non dimenticare che DOPO fav, quindi avvia il test e il debug. Questo è un capitolo completamente NUOVO!