Как изготавливают интегральные схемы?

На самом деле ничего страшного. Сначала вы получите кучу кремния. Ведро обычного пляжного песка содержит запас на всю жизнь, если вы собираетесь делать чипсы самостоятельно. На этой планете много кремния, но в основном он так раздражающе связан с кислородом. Вы должны разорвать эти связи, отказаться от некремниевого материала, а затем усовершенствовать то, что осталось.

Вам нужен очень-очень чистый кремний, чтобы делать полезные чипы. Просто переплавить оксид кремния в элементарный кремний недостаточно. Ведро с песком состояло в основном из диоксида кремния, но там будут небольшие кусочки других минералов, кусочки раковин улиток (карбонат кальция), собачьи какашки и что-то еще. Некоторые элементы из этого материала окажутся в смеси расплавленного кремния. Чтобы избавиться от этого, существуют различные способы, большинство из которых связано с очень осторожной кристаллизацией кремния при правильной температуре и скорости. Это приводит к тому, что большинство примесей оказывается перед границей кристаллизации. Если вы сделаете это достаточное количество раз, достаточное количество примесей попадет на один конец слитка, а другой конец может быть достаточно чистым. Конечно, вы машете над ним дохлой рыбой в полнолуние, думая только о чистых мыслях. Если позже выяснится, что ваши чипсы никуда не годятся, то, возможно, вы ошиблись на этом этапе, выбрав не тот вид рыбы, или ваши мысли были недостаточно чистыми. Если это так, повторите с первого шага.

Если у вас есть чистый кристаллический кремний, то вы почти закончили, осталось еще около 100 шагов, чтобы все было как надо. Теперь нарежьте чистый кремний на пластины. Может быть, это можно сделать с помощью настольной пилы или чего-то еще. Узнайте у Sears, продают ли они лезвия для резки кремния.

Затем отполируйте вафли, чтобы они были очень-очень гладкими. Все шероховатости с пильного диска должны быть удалены. Предпочтительно получить его до длины волны или около того света. О, и не выпускайте кислород на открытую поверхность. Вам придется залить подвал инертным газом и надолго задержать дыхание, пока вы закончите полировку.

Затем вы проектируете чип. Это просто соединение нескольких ворот на экране и запуск некоторого программного обеспечения. Либо потратьте несколько сотен тысяч долларов, либо создайте свой собственный, если у вас есть несколько десятков человеко-лет бесплатно. Вы, вероятно, можете сделать базовую систему компоновки, но вам придется украсть некоторые профессиональные секреты, чтобы иметь возможность делать действительно хорошие вещи. Люди, которые придумали действительно умные алгоритмы, потратили на это много миллионов долларов, поэтому не хотят раздавать все крутые штуки бесплатно.

Когда у вас будет макет, вам нужно будет распечатать его на масках. Это то же самое, что и обычная печать, за исключением мельчайших деталей на несколько порядков.

После того, как у вас есть маски для различных слоев и этапов фотолитографии, вам нужно выставить их на пластину. Сначала вы наносите фоторезист, убедившись, что он имеет одинаковую толщину с точностью до доли длины волны света, который вы будете использовать. Затем вы раскрываете и развиваете сопротивление. Это оставляет сопротивление на некоторых участках вашей пластины, а не на других, как указано в маске. Для каждого слоя, который вы хотите создать, протравить или распылить на чип, вы наносите специальные химические вещества, обычно газы, при очень точно контролируемых температуре и времени. Да, и не забудьте выровнять маски для каждого слоя в одном и том же месте на пластине с шагом в несколько 100 нм или лучше. Для этого вам нужны очень твердые руки. Никакого кофе в тот день. О, и помните, без кислорода.

Примерно через дюжину шагов по маске ваши чипсы почти готовы. Теперь вам, вероятно, следует протестировать каждый из них, чтобы выяснить, какие из них попали в примеси или иным образом испортились. Нет смысла помещать их в пакеты. Для этого вам понадобятся действительно крошечные зонды. Старайтесь не дышать, пока вы держите дюжину зондов в их мишенях с точностью до нескольких микрон на специальных площадках, которые вы разработали для этой цели в чипах. Если вы уже сделали шаг пассивации, вы можете сделать это в кислородной атмосфере и сделать вдох сейчас.

Почти сделано. Теперь вы разрезаете вафлю на чипсы, стараясь выбросить те, которые вы нашли ранее, негодными. Может быть, вы можете разорвать их или распилить, но, конечно, вы не можете прикасаться к верхней части пластины.

Теперь у вас есть чипы, но вам все еще нужно как-то подключиться к ним. При пайке на кремнии будет слишком много беспорядка, а паяльники все равно не имеют достаточно тонких жал. Обычно вы используете очень тонкую золотую проволоку, которая приваривается точечной сваркой между контактными площадками на чипе и внутренней частью штырьков любого корпуса, который вы решите использовать. Шлепните сверху и капните достаточное количество эпоксидной смолы, чтобы убедиться, что он остается закрытым.

Ну, это не так уж и плохо, не так ли?

Этот вопрос эквивалентен вопросу: «Я хочу построить лайнер 747 в своем подвале, но мне нужно сделать это только из чертежей и исходных материалов». Тот факт, что подобный вопрос действительно задают, на самом деле просто показывает, насколько недооценена сложность того, что связано с современным производством полупроводников, и чистая изобретательность, которую оно влечет за собой.

Что нужно знать о переработке, так это то, что вы строите все из сырья. За исключением вафель; вы можете легко купить их. Но как только вы начали, вы наслаиваете устройство по мере продвижения; это как печь пирог. Вы можете построить свой собственный самолет, заказав двигатели и углеродный композитный материал отдельно. Но здесь приходится делать все из сырья. А сложность производства даже для того, чтобы получить работающие устройства, ошеломляюще сложна.

Я просто перечислю небольшое количество вещей, которые необходимо учитывать.

Индустрия:

1. Было приложено больше усилий с точки зрения потраченных денег, потребляемой рабочей силы или написанных статей, полученных докторских диссертаций и т. д., чем любого другого технического усилия, которое когда-либо в истории человечества приводило к промышленному продукту.

   Независимо от размера и возможностей функции, вы должны знать о следующем, независимо от того, что вы будете пробовать.

Чистота:

1. Кремниевые пластины — одни из самых чистых веществ, когда-либо существовавших на этой планете. Если я использую стандарт$15 \: \Omega \cdot \text{cm}$первичная пластина (то, что обычно используется в КМОП) - плотность легирующей примеси 1×10 ¹⁵ атомов/см ^-3 . В Si содержится 5×10 ²² атомов/см ^-3 . Это означает, что на каждые 50 миллионов атомов кремния приходится один легирующий атом. Вам действительно нужно специальное оборудование, обработка и процедуры, чтобы иметь возможность поддерживать это.

2. При обработке используется деионизированная (ДИ) вода. Это настолько чисто, что электрическое сопротивление измеряется в мегаомах. В воде так мало загрязняющих веществ, что она перестает проводить ток. Одним из основных загрязнителей на заре производства полупроводников (обнаружен Энди Гроувом из Intel) был натрий. Процессы CMOS настолько чувствительны к этому загрязнению, что натрия из соли в вашем поте, который содержится в среднем отпечатке большого пальца, достаточно, чтобы загрязнить 10 000 галлонов (25 000 л) деионизированной воды.

3. Рабочая среда: каждый квадратный метр площади пола должен иметь воздушную камеру сверху и снизу, чтобы пропускать воздух, фильтровать его и возвращать обратно. В стандартной фабрике они перемещают миллионы кубометров воздуха каждый день. На самом деле каждый завод состоит из трех этажей с кондиционированием воздуха, использующим нижний и верхний этажи, и только средний с людьми/оборудованием. Кажется важным.

Отвратительные химические вещества, способные мгновенно убить вас, или более приятные вещества, способные медленно сжечь ваше лицо:

1. Плавиковая кислота: ест сквозь стекло, просто обожает 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: давайте посмотрим... мне больше всего нравится то, что называется "травление пираний". Он так называется, потому что питается органическими материалами, должен работать при температуре от 80 до 90 °C, но также нуждается в активном охлаждении, потому что имеет тенденцию убегать и превращаться в кипящее месиво.

3. Силан — пирофорный газ — это означает, что он воспламеняется и взрывается в присутствии кислорода. Он токсичен, и когда он горит, он оставляет после себя пары SiO ₂ , что означает, что воздух наполнен крошечными микроскопическими частицами стекла, температура которых составляет около 900 °C. И это один из самых безопасных реактивных газов, там присутствуют и другие химические вещества, которые, когда срабатывает сигнализация об утечке, обычно чувствуют, что нет смысла бежать: уже слишком поздно.

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

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

6. В целом, все материалы должны быть полупроводникового качества. Таким образом, вы должны быть в крупном центре , а местные поставщики должны иметь материал под рукой. Некоторое сырье должно производиться на месте, потому что вы не можете его отправить.

Вот некоторые примеры вещей об используемом оборудовании:

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

2. Духовка, вам нужна печь, которая может выдерживать 1200 ° C с различными химическими веществами, такими как силан, сверхчистый кислород и т. д.

3. Имплантаторы: большинство легирующих добавок вводятся в субстрат с помощью модифицированного ядерного ускорителя. Хорошей новостью является то, что он не может быть слишком мощным, потому что имплантеры выше 3 МэВ имеют тенденцию превращать подложку в радиоактивную, поэтому они не строят их со слишком высокой энергией, но вам все равно понадобится имплантер как минимум на 1 МэВ. Вы можете не использовать высокоэнергетический имплантер, но тогда вам придется включать печь на много-много часов, чтобы примеси проникли внутрь.

   Лучше всего покупать бывшее в употреблении оборудование. К сожалению, уже как минимум 20 лет никто не проектировал и не производил оборудование для пластин диаметром 100 и 150 мм, а на рынке бывших в употреблении его нет. Различные университеты накопили оборудование. Я бы рекомендовал покупать бывшее в употреблении оборудование 200 мм. Действительно хорошая новость заключается в том, что теперь их можно купить всего за 15% за доллар. Таким образом, степпер стоимостью 10 миллионов долларов (используемый для визуализации пластин) теперь стоит всего 1,5 миллиона долларов.

Есть люди, которые делают это дома, но это немного похоже на попытку создать космическую программу у себя на заднем дворе. Это намного сложнее, чем, например, 3D-принтер, и включает в себя неприятную химию и поразительно высокую точность проектирования.

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

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

Редактировать: для практических целей, и если вы больше интересуетесь электроникой, чем химией, начните изучать Verilog и FPGA.

На этом сайте объясняется процесс изготовления микропроцессора. Хорошо детализировано, хотя невозможно проиллюстрировать каждый из 1500 необходимых шагов.

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

Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности являются пассивными элементами аналоговой схемы. Развитие/изобретение/открытие полупроводников уступило место диодам и транзисторам. Транзисторы конфигурируются как базовые логические вентили, реализующие логическую алгебру, и триггеры, реализующие 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 сдвиги влево или вправо и так далее. Эти сложные схемы соединяются вместе с некоторой управляющей логикой, образуя АЛУ, или декодер инструкций, или декодер адресов памяти, или какой-то другой интерфейс. Это АЛУ объединяется с декодером инструкций, декодером адреса памяти, памятью или 2 и некоторыми другими элементами для формирования ЦП или микропроцессора.

Все это занимает миллионы (или, может быть, даже миллиарды) транзисторных затворов. Некоторые современные технологии FPGA используют техпроцесс 28 нанометров, что, насколько мне известно, означает, что длина одного затвора составляет 28 нанометров. Проектирование и создание крупномасштабных (БИС) и сверхбольших (СБИС) интегральных схем — это процесс, который требует очень специальных знаний в области физики и химии, а также 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 спроектировать микропроцессор, это совсем другая история. Люди, разрабатывающие интегральные схемы, обычно даже не указывают физическое расположение вентилей. Они используют инструменты проектирования, мало чем отличающиеся от тех, что используют инженеры-программисты, чтобы сказать, что они хотят, чтобы их интегральная схема делала, используя нечто, называемое языком описания оборудования (HDL), а затем инструменты сводят HDL к спецификации уровня ворот.

Вы точно не сможете сделать это дома! Производство чипов — это сложный процесс, в котором задействовано много точного, дорогого и сложного оборудования.

Если вы заинтересованы в разработке собственного микропроцессора, начните с изучения VHDL или Verilog и заставьте его работать на ПЛИС. Затем вы можете рассмотреть возможность изучения конструкции микросхемы на уровне транзисторов и изготовления микросхемы. Это не дешево и не просто и требует очень специфического набора навыков.

Давайте не будем забывать, что, помимо СОЗДАНИЯ настоящей ИС (описанной здесь в очень юмористической и точной форме), вам также необходимо знать, как проектировать схемы, которые поддаются реализации ИС. Вы не найдете очень много пассивных компонентов в ИС - они не так хорошо себя ведут и обычно занимают непропорционально большую площадь. Вместо этого вы найдете множество текущих зеркал, источников и приемников. Устройства типа P и N не созданы равными, поэтому вам также необходимо понимать различия в них. На самом деле, поскольку вы «прокатываете свой собственный» процесс, вам нужно будет отстрелять несколько тестовых пластин с различными уровнями концентрации легирования («радужные пластины» ) с различными тестовыми структурами, а затем потратить много времени и усилий (по крайней мере, 10 человеко-лет), чтобы охарактеризовать то, что в итоге получится — получить библиотеку типов транзисторов. Вооружившись библиотекой, вы можете приступить к проектированию схемы, если у вас есть некоторое представление о компоновке. Не забывайте, что ПОСЛЕ fab, затем начинается тестирование и отладка. Это целая НОВАЯ глава!