Как изготавливаются интегральные схемы?

Как интегральные схемы (например, микропроцессор) сфабрикованы от начала до конца? Например, должна быть какая-то проводка с резисторами, конденсаторы для хранения энергии (бит) в поле, транзисторы и т. Д.

Как это делается? Какие механизмы и химические процессы необходимы для построения интегральной схемы?

57 голосов | спросил Holly Jona 30 AMpTue, 30 Apr 2013 00:55:50 +040055Tuesday 2013, 00:55:50

7 ответов


134

Нет большой сделки. Сначала вы получите кучу кремния. Ведро с обычным пляжным песком содержит пожизненный запас, если вы собираетесь создавать свои собственные фишки. На этой планете много кремния, но в основном это так раздражающе связано с кислородом. Вы должны разорвать эти облигации, отказаться от материала, отличного от кремния, а затем уточнить, что осталось.

Для создания полезных микросхем вам нужен очень чистый кремний. Просто плавление оксида кремния в элементарный кремний не находится достаточно близко. Ведро с песком было главным образом двуокисью кремния, но там будут небольшие кусочки других минералов, кусочки раковин улитки (карбонат кальция), собачьи корма и все остальное. Некоторые элементы этого материала попадут в расплавленную кремниевую смесь. Чтобы избавиться от этого, существуют различные способы, большинство из которых связаны с очень тщательным образом, чтобы кремний мог кристаллизоваться только при правильной температуре и скорости. Это заканчивает толкание большей части примесей перед границей кристаллизации. Если вы делаете это достаточно времени, достаточное количество примесей попадает на один конец слитка, а другой конец может быть достаточно чистым. Конечно, вы мачете мертвую рыбу над ней во время полной луны, думая только о чистых мыслях. Если позже выяснится, что ваши фишки не хороши, то одна из возможностей - это то, что вы делаете это неудачно, используя неправильные виды для рыб или что ваши мысли недостаточно чисты. Если это так, повторите шаг с первого шага.

Как только у вас будет чистый кристаллический кремний, вы почти закончите, всего еще 100 шагов или около того, чтобы все было в порядке. Теперь вырежьте чистый кремний в вафли. Может быть, это можно сделать с помощью настольной пилы или чего-то еще. Обратитесь к Sears, чтобы узнать, продают ли они режущие лезвия из кремнезема.

Затем полируйте вафли так, чтобы они были очень гладкими. Все грубые вещи из пилы для стола должны исчезнуть. Предпочтительно, чтобы получить его до длины волны или около того света. О, и не позволяйте кислороду на открытой поверхности. Вам придется наполнить ваш подвал каким-то инертным газом и долго держать дыхание, пока вы закончите полировку.

Затем вы создадите чип. Это просто соединяет кучу ворот вместе на экране и запускает какое-то программное обеспечение. Либо потратите несколько 100 долларов США, либо сделайте свой собственный, если у вас есть несколько десятков человеко-лет бесплатно. Возможно, вы можете сделать базовую систему макета, но вам придется украсть некоторые секреты торговли, чтобы иметь возможность делать действительно хорошие вещи. Люди, которые придумали действительно умные алгоритмы, потратили много M $ на это, поэтому не хочу бесплатно раздавать все кусочки.

Как только у вас будет макет, вам придется распечатать его на масках. Это точно так же, как обычная печать, за исключением нескольких деталей мельчайших деталей.

После того, как у вас есть маски для различных уровней и шагов фотолитографии, вам нужно выставить их на пластину. Сначала вы набрасываетесь на фоторезист, убедившись, что он имеет равномерную толщину в пределах части длины волны света, который вы будете использовать. Затем вы открываете и развиваете сопротивление. Это оставляет сопротивление над некоторыми областями вашей пластины, а не над другими, точно так же, как указанная маска. Для каждого слоя, который вы хотите создать или протравить или рассеять в чипе, вы применяете специальные химикаты, обычно газы, при очень точно контролируемых температурах и времени. О, и не забудьте выровнять маски для каждого слоя в том же месте на пластине до нескольких 100 нм или лучше. Для этого вам нужны действительно устойчивые руки. В тот день кофе нет. О, и помните, нет кислорода.

После дюжины шагов маски ваши фишки почти готовы. Теперь вы, вероятно, должны проверить каждый, чтобы узнать, какие из них попали в загрязнение или иначе испортились. Нет смысла вкладывать их в пакеты. Для этого вам понадобятся действительно действительно крошечные зонды. Старайтесь не дышать, поскольку вы держите дюжину зондов в своих целях с точностью до нескольких минут на специальных пэдах, которые вы создали в чипах для этой цели. Если вы уже сделали шаг пассивации, вы можете сделать это в кислородной атмосфере и вздохнуть сейчас.

Почти сделано. Теперь вы разрезаете пластину на чипсы, пытаясь выбросить те, которые были найдены ранее, не были хорошими. Возможно, вы можете их разделить или увидеть, но, конечно, вы не можете коснуться верхней части пластины.

Теперь у вас есть фишки, но вам все равно нужно подключиться к ним. Пайка на кремнии создала бы слишком много беспорядка, и паяльники не имели бы достаточно тонких наконечников. Обычно вы используете очень тонкие золотые провода, которые свариваются между пэдами на чипе и внутри штырей любой упаковки, которую вы решили использовать. Похлопайте сверху и глобуйте на достаточно эпоксидной смоле, чтобы убедиться, что она закрыта.

Там, что не так плохо, не так ли?

ответил Olin Lathrop 30 AMpTue, 30 Apr 2013 01:37:55 +040037Tuesday 2013, 01:37:55
59

Этот вопрос эквивалентен запросу: «Я хочу построить реактивный лайнер 747 в своем подвале, но мне нужно сделать это только из рисунков и сырья». Тот факт, что такой вопрос действительно спрашивается, просто показывает, насколько мало ценится сложность того, что связано с современным производством полупроводников и чистой изобретательностью, которую оно влечет за собой.

Вещь, которую нужно знать о обработке, заключается в том, что вы создаете все из сырья. Кроме вафель; вы можете легко купить их. Но как только вы начнете, вы закладываете устройство, когда идете; это как выпекать торт. Вы можете построить свой собственный самолет, заказывая в двигателях и углеродном композитном материале отдельно. Но здесь вы должны сделать все от сырья. И сложность производства, чтобы даже получить рабочие устройства, ошеломляюще сложна.

Я просто перечислил небольшое количество вещей, которые нужно учитывать.

Промышленность:

  1. Было больше усилий с точки зрения потраченных денег, потребляемой человеком энергии или написанных документов, полученных кандидатами и т. д., что любое другое единственное техническое стремление, которое ведет к выпуску продукта за всю историю человечества.

    Независимо от размера и возможностей функции, вам необходимо знать следующее, независимо от того, что вы будете пытаться.

Чистота:

  1. Si-пластины являются одними из самых чистых веществ, которые когда-либо существовали на этой планете. Если я использую стандартную \ $ 15 \: \ Omega \ cdot \ text {cm} \ $ основную пластину (что обычно используется в CMOS) - плотность легирующей примеси составляет 1Ã-10 15 атомов /см < SUP> -3 . В Si имеется 5Ã-10 22 атомов /см -3 . Таким образом, для каждых 50 миллионов атомов кремния имеется один легирующий атом. Вам действительно нужно специализированное оборудование, обработка и процедуры, чтобы поддерживать это.

  2. При обработке используется деионизированная (DI) вода. Это настолько чисто, что электрическое сопротивление измеряется в мегаомах. В воде так много загрязняющих веществ, что она перестает проводить. Основным загрязнителем в первые дни обработки полупроводников (открытый Энди Гроув из славы Intel) является натрий. Процессы CMOS настолько чувствительны к этому загрязнителю, что натрий из соли в вашем потопе, который содержится в средней печати большого пальца, достаточен для загрязнения 10 000 галлонов (25 000 л) воды DI.

  3. Условия эксплуатации: каждый квадратный метр площади должен иметь воздушную камеру сверху и снизу, чтобы переместить воздух, отфильтровать его и вернуть обратно. В стандартном исполнении они перемещают миллионы кубических метров воздуха ежедневно. На самом деле каждая фабрика состоит из трех этажей с вентиляцией, использующей нижний и верхний этажи, и только середина имеет людей /оборудование. Кажется важным.

Неприятный уничтожающий-вы-мертвый-мгновенно тип химикатов или более приятные типы сжигания-высечки-медленно-медленно:

  1. Фтористоводородная кислота: ест через стекло только любит весь этот вкусный кальций в ваших костях. Если опустить на кожу, она проникает через кожу (кожа проницаема для этого) и направляется к кальциевым каналам в нервах и головах к костям. Очень больно.

  2. Специализированные химикаты для травления: посмотрим ... мой любимый - это что-то, что называется «Пиранья-травление». Это называется тем, что он ест органические материалы, должен работать 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, что означает, что он взрывается в пламя и взрывается в присутствии кислорода. Он токсичен, и когда он горит, он оставляет пары SiO 2 , что означает, что воздух заполнен крошечными микроскопическими частицами стекла, которые, возможно, составляют ~ 900 ° C. И это один из наиболее благоприятных реактивных газов, есть другие химические вещества, которые, когда сигнализация об утечке уходит, обычно считается, что нет смысла работать: уже слишком поздно.

  4. Dopants: Давайте не будем забывать о необходимых допантах, которые позволят создать полупроводники N-типа и P-типа. Борон, Фосфор, мышьяк, галлий (менее распространены).

  5. Давайте остановимся здесь ... в противном случае это будет слишком болезненно. И нет у вас нет выбора, если вы не думаете, что можете сделать лучше, чем триллионы долларов.

  6. Материалы вообще должны быть классами полупроводников. Таким образом, вы должны находиться в крупном центре и , у местных поставщиков должен быть материал. Некоторые из сырьевых материалов должны производиться на месте, потому что вы не можете их отправить.

Ниже приведены некоторые примеры использования оборудования:

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

  2. Печь, вам нужна печь, которая может выдерживать 1200 ° C с различными химикатами, впрыскиваемыми в виде силана и ультрачистого кислорода и т. д.

  3. Имплантеры: большинствоприсадки вводятся в подложку с помощью модифицированного ядерного ускорителя. Хорошая новость заключается в том, что он не может быть слишком сильным, потому что импланты выше 3 МэВ склонны превращать субстрат в радиоактивный, поэтому они не строят их слишком высоко, но вам все равно потребуется по крайней мере 1 МэВ имплантат. Вы можете отказаться от использования высокоэнергетического имплантата, но тогда вам нужно запустить печь в течение многих часов, чтобы позволить присадки диффундировать.

    Лучше всего купить подержанное оборудование. К сожалению, прошло не менее 20 лет с тех пор, как кто-то проектировал и строил оборудование для вафель диаметром 100 мм и 150 мм, и на рынке не существует. В разных университетах имеется запасное оборудование. Я бы рекомендовал купить подержанное 200-миллиметровое оборудование. Действительно хорошая новость заключается в том, что теперь можно получить только около 15% от доллара. Итак, что было бы шагером в 10 миллионов долларов (используется при визуализации вафель), теперь только 1,5 миллиона долларов.

ответил placeholder 1 Mayam13 2013, 02:39:29
17

Там есть люди, которые делают это дома, но это немного похоже на попытку построить космическую программу в вашем заднем саду. Это намного сложнее, чем, например, 3D-принтер, и включает в себя некоторые неприятные химия и удивительно высокой точности техники.

https://code.google.com/p/homecmos/, хотя они фактически не производятся устройство еще.

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes- интегральные схемы /: очевидно, рабочее устройство с более чем одним транзистором.

Изменить: для практических целей, и если вас больше интересует электроника, чем химия, начните изучать Verilog и FPGA.

ответил pjc50 30 AMpTue, 30 Apr 2013 01:15:34 +040015Tuesday 2013, 01:15:34
10

В этом сайте объясняется процесс создания микропроцессора. Хорошо подробно, хотя невозможно проиллюстрировать каждый из 1500 шагов.

ответил radagast 28 PM00000050000001931 2013, 17:20:19
9

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

Резисторы, конденсаторы и индукторы представляют собой пассивные аналоговые элементы схемы. Разработка /изобретение /открытие полупроводников уступили место диодам и транзисторам. Транзисторы сконфигурированы в базовые логические ворота, которые реализуют логическую алгебру и триггеры, которые реализуют основные элементы памяти. Эти базовые логические блоки сконфигурированы в более сложные схемы, которые реализуют сложение (сумматор) или вычитание (вычитание), или мультиплексирование (переключение), или мультиплексирование, или сдвиги влево или вправо, и так далее. Эти сложные схемы застряли вместе с некоторой логикой управления, чтобы сделать ALU или декодер команд или декодер адреса памяти или какой-либо другой интерфейс. Этот ALU объединяется с декодером команд, декодером адреса памяти, памятью или 2 и некоторыми другими элементами для формирования процессора или микропроцессора.

Все это занимает миллионы (или, может быть, даже миллиарды сейчас) транзисторных ворот. Некоторые современные технологии ПЛИС используют 28-нанометровую технологическую технологию, которая, AFAIK, означает, что один затвор имеет длину 28 нанометров. Проектирование и строительство крупномасштабных (LSI) и очень крупных масштабов (VLSI) интегрированных схем - это процесс, который требует очень специализированных 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 могли бы реализовать его на реконфигурируемом оборудовании, таком как FPGA. Если вы хотите физически спроектировать микропроцессор, это еще одна история. Люди, которые проектируют интегральные схемы, как правило, даже не указали физическую компоновку ворот. Они используют инструменты проектирования, в отличие от того, что используют разработчики программного обеспечения, чтобы сказать, что они хотят, чтобы их интегральная схема работала с использованием чего-то, называемого языком описания аппаратных средств (HDL), а затем инструменты кипятили HDL до спецификации уровня ворот.

ответил Jotorious 30 AMpTue, 30 Apr 2013 08:02:59 +040002Tuesday 2013, 08:02:59
6

Вы определенно не сможете это сделать дома! Производство чипов - сложный процесс, включающий множество точных, дорогостоящих сложных машин.

Если вы заинтересованы в разработке собственного микропроцессора, начните с изучения VHDL или Verilog и получите его работу над FPGA. Тогда вы можете подумать об изучении схемы чипа на уровне транзисторов и получении ИС. Это не дешево или просто и требует очень специфического набора навыков.

ответил Renan 30 AMpTue, 30 Apr 2013 01:31:17 +040031Tuesday 2013, 01:31:17
5

Не забывайте, что, помимо создания реальной IC (в этом очень юмористическом и точном виде уже есть), вам также нужно знать, как создавать схемы, которые поддаются реализации IC. Вы не найдете очень много пассивных компонентов внутри IC - они не так хорошо себя ведут и обычно занимают непропорционально большую площадь. Вместо этого вы найдете много текущих зеркал, источников и поглотителей. Устройства типа P и N не созданы равными, поэтому вам также нужно понять неравенство. На самом деле, поскольку вы выполняете «свой собственный» процесс, вам нужно будет снимать некоторые тестовые вафли с различными уровнями концентрации допинга («радужные пластины») с различными тестовыми структурами, а затем тратить много времени и усилий ( по крайней мере, 10 человеко-лет), чтобы охарактеризовать то, что вы в конечном итоге получаете - получить библиотеку транзисторных типов. Вооружившись своей библиотекой, вы можете начать свой дизайн схемы - если у вас есть некоторое представление о макете. Не забывайте, что AFTER fab, затем запускает тест и отлаживает. Это целая НОВАЯ глава!

ответил TomCircuit 1 Mayam13 2013, 05:34:33

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132