Jak powstają układy scalone?

Jak powstają układy scalone (np. Mikroprocesor) od początku do końca? Na przykład musi być trochę okablowania z rezystorami, kondensatorami do przechowywania energii (bitów) w polu, tranzystorami itp.

Jak to się robi? Jakie maszyny i procesy chemiczne są wymagane do budowy układu scalonego?

Naprawdę nic wielkiego. Najpierw dostajesz kupkę krzemu. Wiadro ze zwykłym piaskiem plażowym zawiera dożywotnie zapasy, jeśli zamierzasz robić własne żetony. Na tej planecie jest dużo krzemu, ale w większości jest tak irytująco związany z tlenem. Musisz zerwać te więzi, odrzucić niesilikonowe rzeczy, a następnie udoskonalić to, co zostało.

Potrzebujesz bardzo czystego krzemu, aby tworzyć użyteczne układy scalone. Samo przetapianie tlenku krzemu w elementarny krzem nie jest wystarczająco blisko. Wiadro piasku składało się głównie z dwutlenku krzemu, ale będzie niewiele kawałków innych minerałów, kawałków muszli ślimaków (węglan wapnia), kupa psów i cokolwiek innego. Niektóre pierwiastki z tego materiału trafią do stopionej mieszanki krzemu. Aby się tego pozbyć, istnieją różne sposoby, z których większość musi bardzo ostrożnie pozwolić krystalizacji krzemu we właściwej temperaturze i szybkości. To ostatecznie powoduje wypchnięcie większości zanieczyszczeń przed granicę krystalizacji. Jeśli zrobisz to wystarczająco dużo razy, wystarczająca ilość zanieczyszczeń zostanie zepchnięta na jeden koniec wlewka, a drugi koniec może być wystarczająco czysty. Oczywiście, machasz nad nim martwą rybą podczas pełni księżyca, myśląc tylko czystymi myślami. Jeśli później okaże się, że twoje żetony nie są dobre, jedną z możliwości jest to, że spartaczyłeś ten krok, używając niewłaściwych gatunków ryb lub że twoje myśli nie były wystarczająco czyste. Jeśli tak, powtórz od kroku pierwszego.

Gdy masz już czysty krystaliczny krzem, to prawie już skończyłeś, kolejne 100 kroków, żeby wszystko było w porządku. Teraz pokrój czysty krzem w wafle. Może można to zrobić za pomocą piły stołowej lub czegoś takiego. Sprawdź w Sears, czy sprzedają ostrza do cięcia wlewków krzemu.

Następnie wypoleruj wafle, aby były bardzo bardzo gładkie. Wszystkie szorstkie rzeczy z piły stołowej muszą zniknąć. Najlepiej sprowadzić go do długości fali światła lub podobnej. Och, i nie pozwólcie tlenowi na otwartej powierzchni. Będziesz musiał zalać piwnicę jakimś gazem obojętnym i wstrzymać oddech przez długi czas, gdy zakończysz polerowanie.

Następnie zaprojektuj układ. To tylko połączenie kilku bramek na ekranie i uruchomienie oprogramowania. Albo wydaj kilkaset kilogramów $, albo stwórz własną, jeśli masz kilka dziesiątek osobolat za darmo. Prawdopodobnie możesz zrobić podstawowy układ, ale będziesz musiał ukraść niektóre tajemnice handlowe, aby móc robić naprawdę dobre rzeczy. Ludzie, którzy wymyślili naprawdę sprytne algorytmy, wydali na to wiele M $, więc nie chcę rozdawać wszystkich fajnych bitów za darmo.

Po utworzeniu układu musisz wydrukować go na maskach. To tak jak zwykłe drukowanie, z wyjątkiem kilku drobniejszych szczegółów.

Po przygotowaniu masek dla różnych warstw i etapów fotolitografii należy nałożyć je na opłatek. Najpierw przyłóż się do fotorezystu, upewniając się, że ma on jednolitą grubość w granicach ułamka długości fali światła, którego użyjesz. Następnie wystawiasz i rozwijasz odporność. To pozostawia odporność na niektóre obszary wafla, a nie na inne, tak jak określona maska. Do każdej warstwy, którą chcesz zbudować, wytrawić lub rozproszyć w układzie, stosujesz specjalne chemikalia, zwykle gazy, w bardzo precyzyjnie kontrolowanych temperaturach i czasie. Aha, i nie zapomnij wyrównać masek dla każdej warstwy w tym samym miejscu wafla do kilku 100 nm lub więcej. Potrzebujesz do tego naprawdę stabilnych rąk. Tego dnia nie ma kawy. I pamiętajcie, nie ma tlenu.

Po kilkunastu krokach maskowania twoje żetony są prawie gotowe. Teraz prawdopodobnie powinieneś przetestować każdy z nich, aby dowiedzieć się, które z nich uderzają w zanieczyszczenia lub zostały w inny sposób popsute. Nie ma sensu umieszczać ich w paczkach. Potrzebne będą do tego naprawdę bardzo małe sondy lunety. Staraj się nie oddychać, gdy trzymasz kilkanaście sond w ich celach z dokładnością do kilku µm na specjalnych podkładkach, które zaprojektowałeś w chipach do tego celu. Jeśli wykonałeś już krok pasywacji, możesz to zrobić w atmosferze tlenu i odetchnąć teraz.

Prawie skończone. Teraz kroisz opłatek na kawałki, uważając, aby wyrzucić te, które wcześniej znalazłeś, nie były dobre. Może możesz je rozdzielić lub zobaczyć, ale oczywiście nie możesz dotknąć górnej części wafla.

Masz teraz chipy, ale nadal musisz się z nimi połączyć. Lutowanie na krzemie byłoby zbyt wielkim bałaganem, a lutownice i tak nie mają wystarczająco dobrych końcówek. Zwykle używasz bardzo cienkich złotych drutów, które są zgrzewane punktowo między elektrodami na chipie a wnętrzem pinów dowolnego opakowania, którego zdecydujesz się użyć. Uderz w górę i nałóż odpowiednią ilość żywicy epoksydowej, aby upewnić się, że pozostaje zamknięta.

To nie jest takie złe, prawda?

To pytanie jest równoważne z pytaniem: „Chcę zbudować odrzutowiec 747 w mojej piwnicy, ale muszę to zrobić tylko na podstawie rysunków i surowców”. Fakt, że takie pytanie jest zadawane naprawdę pokazuje, jak mało doceniono złożoność tego, co jest związane z nowoczesną produkcją półprzewodników i czystą inwencję z tym związaną.

Ważne jest, aby wiedzieć o przetwarzaniu, że wszystko składa się z surowców. Z wyjątkiem opłatków; możesz je łatwo kupić. Ale kiedy już zaczniesz, ustawiasz urządzenie na bieżąco; to jak pieczenie ciasta. Możesz zbudować własny samolot, zamawiając osobno silniki i kompozyt węglowy. Ale tutaj musisz zrobić wszystko z surowców. A złożoność produkcji, aby uzyskać nawet działające urządzenia, jest niezwykle trudna.

Wymienię tylko kilka rzeczy, które należy wziąć pod uwagę.

Przemysł:

1. Podjęto więcej wysiłku pod względem wydanych pieniędzy, zużycia siły roboczej lub napisanych dokumentów, doktoratów itp., Niż jakikolwiek inny wysiłek techniczny, który prowadzi do wytworzenia produktu w historii ludzkości.

   Bez względu na rozmiar funkcji i możliwości, musisz pamiętać o następujących rzeczach, niezależnie od tego, co będziesz próbował.

Czystość:

1. Wafle Si to jedne z najczystszych substancji, jakie kiedykolwiek istniały na tej planecie. Jeśli użyję standardowego podstawowego wafla (co zwykle stosuje się w CMOS) - gęstość domieszki wynosi 1 × 10 ¹⁵ atomów / cm ^-3 . Jest 5 × 10 ²² atomów / cm ^-3 w Si. Oznacza to, że na każde 50 milionów atomów krzemu przypada jeden atom domieszki. Naprawdę potrzebujesz specjalistycznego sprzętu, obsługi i procedur, aby móc to utrzymać.$15 \: \Omega \cdot \text{cm}$

2. Do przetwarzania używa się wody dejonizowanej (DI). Jest tak czysty, że rezystancja elektryczna jest mierzona w megaomach. W wodzie jest tak mało zanieczyszczeń, że przestaje przewodzić. Głównym zanieczyszczeniem we wczesnych dniach przetwarzania półprzewodników (odkrytym przez Andy Grove z firmy Intel) jest sód. Procesy CMOS są tak wrażliwe na to zanieczyszczenie, że sód z soli w pocie zawarty w przeciętnym odcisku kciuka jest wystarczający do zanieczyszczenia 10 000 galonów (25 000 l) wody DI.

3. Środowisko operacyjne: każdy metr kwadratowy powierzchni podłogi musi mieć komorę powietrzną powyżej i poniżej, aby przepuszczać powietrze, filtrować je i przywracać. W standardowym fabryce przenoszą miliony metrów sześciennych powietrza każdego dnia. Właściwie każda fabryka składa się z trzech pięter z klimatyzacją z wykorzystaniem dolnych i górnych pięter, a tylko środkowa ma ludzi / sprzęt. Wydaje się to trochę ważne.

Paskudne zabijające cię od razu chemikalia lub ładniejsze typy spalające się powoli:

1. Kwas fluorowodorowy: jedzenie przez szkło uwielbia cały ten smaczny wapń w twoich kościach. Po upuszczeniu na skórę przenika przez skórę (skóra jest do tego przepuszczalna) i kieruje się do kanałów wapniowych w nerwach i kieruje się do kości. Bardzo bolesne.

2. Specjalistyczne chemikalia do wytrawiania: Zobaczmy ... moim ulubionym jest coś o nazwie „Piranha etch”. Nazywa się to, ponieważ zjada materiały organiczne, musi pracować w temperaturze od 80 do 90 ° C, ale także musi być aktywnie chłodzony, ponieważ ma tendencję do ucieczki i wybuchania we wrzącym bałaganie.

3. Silan - gaz piroforyczny - co oznacza, że ​​pęka w płomieniach i wybucha w obecności tlenu. Jest toksyczny, a kiedy się pali, pozostawia po sobie parę SiO ₂ - co oznacza, że ​​powietrze jest wypełnione drobnymi mikroskopijnymi cząsteczkami szkła, które mogą wynosić ~ 900 ° C. Jest to jeden z bardziej łagodnych reaktywnych gazów, są obecne inne chemikalia, które gdy uruchamia się alarm wycieku, ogólnie uważa się, że nie ma sensu biegać: jest już za późno.

4. Domieszki: Nie zapominajmy o niezbędnych domieszkach, które pozwolą na tworzenie półprzewodników typu N i P. Bor, fosfor, arsen, gal (rzadziej).

5. Zatrzymajmy się tutaj ... inaczej byłoby zbyt chorobliwie. I nie , nie masz wyboru, chyba że uważasz, że możesz zrobić lepiej niż tryliony $$ inwestycji.

6. Ogólnie rzecz biorąc, wszystkie materiały muszą być klasy półprzewodnikowej. Musisz być w dużym centrum, a lokalni dostawcy muszą mieć pod ręką materiał. Niektóre surowce muszą być wytwarzane lokalnie, ponieważ nie można ich wysłać.

Oto kilka przykładowych rzeczy na temat używanego sprzętu:

1. Pompy próżniowe: większość procesów przebiega w warunkach próżniowych.

2. W piekarniku potrzebujesz piekarnika, który może wytrzymać 1200 ° C z różnymi chemikaliami wtryskiwanymi, takimi jak silan i ultra czysty tlen itp.

3. Implanty: większość domieszek wprowadza się do podłoża przez zmodyfikowany akcelerator jądrowy. Dobrą wiadomością jest to, że nie może być zbyt mocny, ponieważ implanty powyżej 3 MeV mają tendencję do przekształcania substratu w radioaktywne, więc nie budują ich tak, aby były zbyt wysokie, ale nadal potrzebujesz co najmniej 1 MeV. Możesz zrezygnować z użycia wysokoenergetycznego implantu, ale potem musisz uruchomić piekarnik na wiele godzin, aby umożliwić przenikanie domieszek.

   Najlepiej jest kupić używany sprzęt. Niestety minęło co najmniej 20 lat, odkąd ktokolwiek zaprojektował i zbudował sprzęt do płytek o średnicy 100 mm i 150 mm i nie ma go na rynku używanym. Różne uniwersytety mają zapasy sprzętu. Polecam kupowanie używanego sprzętu 200 mm. Naprawdę dobrą wiadomością jest to, że można już uzyskać za około 15% dolara. Tak więc, co byłoby krokowcem o wartości 10 milionów dolarów (używanym do obrazowania płytek), teraz wynosi tylko 1,5 miliona dolarów.

Tam są ludzie robią to w domu, ale to trochę jak próba zbudowania programu kosmicznego w swoim ogrodzie. Jest to o wiele trudniejsze niż np. Drukarka 3D i wymaga nieprzyjemnej chemii i zadziwiająco wysokiej precyzji inżynierii.

https://code.google.com/p/homecmos/ , chociaż tak naprawdę nie wyprodukowali jeszcze urządzenia.

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/ : najwyraźniej działające urządzenie z więcej niż jednym tranzystorem.

Edycja: w celach praktycznych, a jeśli bardziej interesujesz się elektroniką niż chemią, zacznij uczyć się Verilog i FPGA.

Na tej stronie wyjaśniono proces tworzenia mikroprocesora. Dobrze szczegółowy, chociaż niemożliwe jest zilustrowanie każdego z 1500 wymaganych kroków.

Bardziej odpowiednie pytanie brzmi: „Co i jak łączy się obwody elektroniczne w celu stworzenia mikroprocesorów?” Obwody elektroniczne nie są wszczepiane w mikroprocesory. Mikroprocesory składają się z obwodów elektronicznych.

Rezystory, kondensatory i induktory są pasywnymi analogowymi elementami obwodu. Rozwój / wynalazek / odkrycie półprzewodników ustąpiło miejsca diodom i tranzystorom. Tranzystory są skonfigurowane w podstawowe bramki logiczne, które implementują algebrę logiczną, oraz przerzutniki, które implementują podstawowe elementy pamięci. Te podstawowe bramki logiczne są skonfigurowane w bardziej złożone obwody, które implementują dodawanie (sumator) lub odejmowanie (odejmowanie) lub multipleksowanie (przełączanie) lub de multipleksowanie lub przesunięcie w lewo lub przesunięcie w prawo i tak dalej. Te złożone obwody są blokowane wraz z pewną logiką sterowania, aby utworzyć ALU, dekoder instrukcji lub dekoder adresu pamięci lub inny interfejs. Ta jednostka ALU jest połączona z dekoderem instrukcji, dekoderem adresu pamięci, pamięcią lub 2 i niektórymi innymi elementami w celu utworzenia procesora lub mikroprocesora.

Wszystko to zajmuje miliony (a może nawet miliardy teraz) bram tranzystorowych. Niektóre obecne technologie FPGA wykorzystują technologię procesową 28 nanometrów, co, AFAIK, oznacza, że ​​pojedyncza bramka ma długość 28 nanometrów. Projektowanie i budowa układów scalonych o dużej skali (LSI) i bardzo dużej skali (VLSI) to proces wymagający bardzo specjalistycznej wiedzy z zakresu fizyki i chemii oraz bardzo specjalistycznego i kosztownego sprzętu.

Jeśli chcesz funkcjonalnie zaprojektować mikroprocesor, możesz to zrobić. I prawdopodobnie można go zaimplementować na sprzęcie rekonfigurowalnym, takim jak FPGA. Jeśli chcesz fizycznie zaprojektować mikroprocesor, to inna historia. Ludzie, którzy projektują układy scalone, na ogół nawet nie określają fizycznego układu bram. Używają narzędzi projektowych, podobnie jak inżynierowie oprogramowania, aby powiedzieć, co chcą, aby ich układ scalony zrobił, używając czegoś o nazwie Hardware Description Language (HDL), a następnie narzędzia sprowadzają HDL do specyfikacji poziomu bramki.

Na pewno nie będziesz w stanie tego zrobić w domu! Produkcja wiórów to złożony proces obejmujący wiele precyzyjnych, drogich, skomplikowanych maszyn.

Jeśli jesteś zainteresowany rozwojem własnego mikroprocesora, zacznij od nauki VHDL lub Verilog i uruchomienia go na FPGA. Następnie możesz rozważyć naukę projektowania układów na poziomie tranzystorów i uzyskanie układu scalonego. To nie jest tanie ani proste i wymaga bardzo specyficznego zestawu umiejętności.

Nie zapominajmy, że oprócz WYKONANIA rzeczywistego układu scalonego (już w bardzo humorystyczny i dokładny sposób), musisz także wiedzieć, jak projektować obwody, które nadają się do wdrożenia układu scalonego. Nie znajdziesz bardzo wielu pasywnych elementów w układzie scalonym - nie są one tak dobrze wychowane i zazwyczaj zajmują nieproporcjonalnie duży obszar. Zamiast tego znajdziesz wiele bieżących kopii lustrzanych, źródeł i zlewów. Urządzenia typu P i N nie są sobie równe, więc musisz zrozumieć także nierówności. W rzeczywistości, ponieważ „toczisz swój własny” proces, będziesz musiał zastrzelić kilka płytek testowych o różnych poziomach stężenia dopingu („płytki tęczowe”) ) z różnorodnymi strukturami testowymi, a następnie poświęcić dużo czasu i wysiłku (rysunek co najmniej 10 osobolat), aby scharakteryzować to, co się skończy - aby uzyskać bibliotekę typów tranzystorów. Uzbrojeni w bibliotekę możesz rozpocząć projektowanie obwodów - zakładając, że rozumiesz układ. Nie zapominaj o tym PO fab, a następnie rozpoczyna test i debugowanie. To cały NOWY rozdział!