Mạch tích hợp được chế tạo như thế nào?

Làm thế nào các mạch tích hợp (ví dụ như một bộ vi xử lý) được chế tạo từ đầu đến cuối? Ví dụ, phải có một số hệ thống dây với điện trở, tụ điện để lưu trữ năng lượng (bit) trong một trường, bóng bán dẫn, vv ....

Làm thế nào được thực hiện? Những máy móc và quá trình hóa học là cần thiết để xây dựng một mạch tích hợp?

Không có vấn đề lớn thực sự. Đầu tiên bạn nhận được một đống silicon. Một thùng cát bãi biển thông thường chứa nguồn cung cấp trọn đời nếu bạn định tự làm khoai tây chiên. Có rất nhiều silicon trên hành tinh này, nhưng chủ yếu là rất khó chịu với oxy. Bạn phải phá vỡ các liên kết đó, loại bỏ những thứ không phải silicon, sau đó tinh chỉnh những gì còn sót lại.

Bạn cần silicon rất rất tinh khiết để tạo ra những con chip hữu ích. Chỉ cần nung chảy oxit silic thành silic nguyên tố không ở đâu đủ gần. Xô cát chủ yếu là silicon dioxide, nhưng sẽ có một ít khoáng chất khác, bit vỏ ốc (canxi cacbonat), phân chó, và bất cứ thứ gì khác. Một số yếu tố từ những thứ này sẽ kết thúc trong hỗn hợp silicon nóng chảy. Để thoát khỏi điều này, có nhiều cách khác nhau, hầu hết phải làm với việc rất cẩn thận cho phép silicon kết tinh ở nhiệt độ và tốc độ phù hợp. Điều đó kết thúc bằng cách đẩy hầu hết các tạp chất ở phía trước ranh giới kết tinh. Nếu bạn làm điều này đủ lần, đủ các tạp chất được đẩy đến một đầu của thỏi, và đầu kia có thể đủ tinh khiết. Để chắc chắn, bạn vẫy một con cá chết trên nó trong một lần trăng tròn trong khi chỉ nghĩ những suy nghĩ thuần túy. Nếu sau đó hóa ra chip của bạn không tốt, thì có khả năng là bạn đã thực hiện bước này bằng cách sử dụng sai loài cá hoặc suy nghĩ của bạn không đủ tinh khiết. Nếu vậy, lặp lại từ bước một.

Khi bạn có silicon tinh thể tinh khiết, thì bạn đã hoàn thành, chỉ cần 100 bước nữa hoặc tất cả phải vừa phải. Bây giờ cắt silicon nguyên chất của bạn thành tấm wafer. Có lẽ điều đó có thể được thực hiện với một cái cưa bàn hoặc một cái gì đó. Kiểm tra với Sears để xem họ có bán lưỡi cắt silicon không.

Tiếp theo đánh bóng các tấm wafer để chúng rất rất mịn. Tất cả những thứ thô ráp từ lưỡi cưa bàn cần phải biến mất. Tốt nhất là đưa nó xuống một bước sóng hoặc hơn ánh sáng. Ồ, và đừng để oxy ở bề mặt mở. Bạn sẽ phải làm ngập tầng hầm của bạn với một ít khí trơ và nín thở trong một thời gian dài trong khi bạn hoàn thành việc đánh bóng.

Tiếp theo bạn thiết kế chip. Đó chỉ là nối một loạt các cổng với nhau trên màn hình và chạy một số phần mềm. Hoặc chi tiêu vài trăm k $ hoặc tự kiếm tiền nếu bạn có một vài 10 năm miễn phí. Bạn có thể có thể làm một hệ thống bố trí cơ bản, nhưng bạn sẽ phải đánh cắp một số bí mật thương mại để có thể thực hiện những công việc thực sự tốt. Những người tìm ra các thuật toán thực sự thông minh đã tiêu tốn nhiều M $ để thực hiện nó, vì vậy đừng muốn cung cấp miễn phí tất cả các bit tuyệt vời.

Khi bạn có bố cục, bạn sẽ phải in nó trên mặt nạ. Điều đó cũng giống như in ấn thông thường, ngoại trừ một vài đơn đặt hàng chi tiết lớn hơn.

Sau khi bạn có mặt nạ cho các lớp khác nhau và các bước quang khắc, bạn cần phơi chúng ra trên wafer. Trước tiên, bạn sử dụng bộ phận quang điện, đảm bảo nó có độ dày đồng đều trong một phần nhỏ bước sóng của ánh sáng bạn sẽ sử dụng. Sau đó, bạn tiếp xúc và phát triển các kháng chiến. Lá đó chống lại một số khu vực của wafer của bạn và không hơn những khu vực khác, giống như mặt nạ được chỉ định. Đối với mỗi lớp bạn muốn tích tụ hoặc khắc hoặc khuếch tán vào chip, bạn áp dụng các hóa chất đặc biệt, thường là khí, ở nhiệt độ và thời gian được kiểm soát rất chính xác. Ồ, và đừng quên xếp hàng các mặt nạ cho mỗi lớp ở cùng một vị trí trên wafer đến vài 100nm hoặc tốt hơn. Bạn cần thực sự vững tay cho điều đó. Không có cà phê ngày hôm đó. Oh, và nhớ, không có oxy.

Sau một tá các bước mặt nạ, chip của bạn gần như đã sẵn sàng. Bây giờ có lẽ bạn nên kiểm tra từng cái để tìm ra cái nào đánh vào tạp chất hoặc bị rối tung lên. Không có điểm nào đặt chúng vào các gói. Bạn sẽ cần một số đầu dò phạm vi thực sự rất nhỏ cho điều đó. Cố gắng không thở khi bạn đang giữ hàng tá đầu dò trong mục tiêu của họ trong một vài miếng trên các miếng đệm đặc biệt mà bạn thiết kế vào các con chip cho mục đích đó. Nếu bạn đã thực hiện bước thụ động, bạn có thể thực hiện việc này trong môi trường oxy và hít thở ngay bây giờ.

Sắp xong. Bây giờ bạn cắt wafer thành chip, cẩn thận để loại bỏ những cái bạn tìm thấy trước đó là không tốt. Có thể bạn có thể tách chúng ra hoặc nhìn thấy chúng, nhưng tất nhiên bạn không thể chạm vào đỉnh của wafer.

Bây giờ bạn có chip, nhưng bạn vẫn cần kết nối với chúng bằng cách nào đó. Hàn trên silicon sẽ tạo ra quá nhiều hỗn độn và dù sao thì bàn ủi cũng không có mẹo đủ tốt. Thông thường, bạn sử dụng dây liên kết vàng rất mỏng được hàn giữa các miếng đệm trên chip và bên trong các chân của bất kỳ gói nào bạn quyết định sử dụng. Tát trên đỉnh và toàn cầu trên epoxy đủ để đảm bảo nó được đóng lại.

Ở đó, điều đó không tệ lắm phải không?

Câu hỏi này tương đương với câu hỏi: "Tôi muốn chế tạo máy bay phản lực 747 trong tầng hầm của mình, nhưng tôi chỉ cần làm điều đó từ bản vẽ và nguyên liệu thô". Việc một câu hỏi như thế này được hỏi thực sự chỉ cho thấy mức độ ít được đánh giá cao về sự phức tạp của những gì liên quan đến sản xuất chất bán dẫn hiện đại và tính sáng tạo thuần túy mà nó đòi hỏi.

Điều cần biết về chế biến là bạn xây dựng mọi thứ từ nguyên liệu thô. Ngoại trừ tấm wafer; bạn có thể dễ dàng mua chúng Nhưng một khi bạn đã bắt đầu, bạn đang đặt thiết bị lên khi bạn đi; nó giống như nướng bánh Bạn có thể xây dựng máy bay của riêng mình bằng cách đặt hàng riêng trong động cơ và vật liệu composite carbon. Nhưng ở đây bạn phải làm mọi thứ từ nguyên liệu thô. Và sự phức tạp trong sản xuất để có được các thiết bị làm việc là rất khó khăn.

Tôi sẽ chỉ liệt kê một số lượng nhỏ những điều cần được xem xét.

Ngành công nghiệp:

1. Đã có nhiều nỗ lực hơn về tiền chi tiêu, nhân lực tiêu thụ hoặc giấy tờ viết, tiến sĩ thu được, vv rằng bất kỳ nỗ lực kỹ thuật nào khác dẫn đến một sản phẩm được sản xuất trong lịch sử của nhân loại.

   Không liên quan đến kích thước tính năng và khả năng, bạn cần lưu ý những điều sau đây bất kể bạn sẽ cố gắng làm gì.

Sạch sẽ:

1. $15 \: \Omega \cdot \text{cm}$

2. Trong chế biến, nước khử ion (DI) được sử dụng. Điều này là tinh khiết đến mức điện trở được đo bằng megaohms. Có quá ít chất gây ô nhiễm trong nước khiến nó ngừng dẫn điện. Một chất gây ô nhiễm chính trong những ngày đầu xử lý chất bán dẫn (được phát hiện bởi Andy Grove của danh tiếng Intel) là natri. Các quy trình CMOS rất nhạy cảm với chất gây ô nhiễm này đến nỗi natri từ muối trong mồ hôi của bạn có trong một bản in ngón tay cái trung bình đủ để làm nhiễm bẩn 10.000 gallon (25.000 L) nước DI.

3. Môi trường hoạt động: mỗi mét vuông không gian sàn phải có một không khí trên và dưới để di chuyển không khí qua, lọc và đưa nó trở lại. Trong một fab tiêu chuẩn, họ di chuyển hàng triệu mét khối không khí mỗi ngày. Trên thực tế, mỗi fab bao gồm ba tầng với việc xử lý không khí bằng cách sử dụng lên các tầng dưới cùng và trên cùng, và chỉ có tầng giữa có người / thiết bị. Có vẻ loại quan trọng.

Loại hóa chất khó chịu giết chết bạn ngay lập tức hoặc các loại hóa chất đốt cháy mặt chậm hơn:

1. Axit hydrofluoric: ăn qua thủy tinh chỉ thích tất cả lượng canxi ngon trong xương của bạn. Nếu rơi trên da của bạn, nó thâm nhập qua da (da thấm vào điều này) và đi đến các kênh canxi trong dây thần kinh và đầu đến xương. Rất đau đớn.

2. Hóa chất etch chuyên dụng: Hãy xem ... yêu thích của tôi là một thứ gọi là "Piranha etch". Nó được gọi là bởi vì nó ăn vật liệu hữu cơ, cần chạy ở nhiệt độ 80 đến 90 ° C nhưng cũng cần được làm mát tích cực vì nó có xu hướng chạy trốn và phun trào trong một mớ hỗn độn.

3. Silane - một loại khí pyrophoric - có nghĩa là nó bùng cháy và phát nổ khi có oxy. Nó độc hại, và khi cháy, nó để lại hơi SiO ₂ - có nghĩa là không khí chứa đầy các hạt thủy tinh siêu nhỏ có lẽ là ~ 900 ° C. Và đây là một trong những khí phản ứng lành tính hơn, có một số hóa chất khác hiện diện khi báo động rò rỉ tắt, người ta thường cảm thấy rằng không có điểm nào để chạy: đã quá muộn.

4. Dopants: Chúng ta đừng quên các dopants cần thiết sẽ cho phép tạo ra chất bán dẫn loại N và loại P. Boron, Photpho, Asen, Gali (ít phổ biến hơn).

5. Hãy dừng lại ở đây ... nó sẽ quá bệnh hoạn. Và không, bạn không có lựa chọn nào khác, trừ khi bạn nghĩ rằng bạn có thể làm tốt hơn hàng nghìn tỷ đô la đầu tư.

6. Vật liệu nói chung đều phải là loại bán dẫn. Vì vậy, bạn phải ở trong một trung tâm lớn và các nhà cung cấp địa phương phải có tài liệu trong tay. Một số nguyên liệu thô phải được sản xuất tại địa phương vì bạn không thể vận chuyển chúng.

Dưới đây là một số điều mẫu về thiết bị được sử dụng:

1. Bơm chân không: hầu hết các quá trình chạy trong điều kiện chân không.

2. Lò nướng, bạn cần một lò có thể duy trì 1200 ° C với nhiều loại hóa chất được bơm vào như silane và oxy siêu tinh khiết, v.v.

3. Cấy ghép: hầu hết các chất dẫn truyền được đưa vào chất nền thông qua máy gia tốc hạt nhân được sửa đổi. Tin tốt là nó không thể quá mạnh bởi vì các bộ cấy trên 3 MeV có xu hướng biến chất phóng xạ cơ chất để chúng không tạo ra chúng để có năng lượng quá cao, nhưng bạn vẫn cần ít nhất một bộ cấy 1 MeV. Bạn có thể chọn không sử dụng máy cấy năng lượng cao nhưng sau đó bạn phải chạy lò trong nhiều giờ để cho phép các chất dẫn xuất khuếch tán vào.

   Đặt cược tốt nhất là mua thiết bị đã qua sử dụng. Thật không may, đã ít nhất 20 năm kể từ khi bất cứ ai đã thiết kế và chế tạo thiết bị cho các tấm wafer đường kính 100 mm và 150 mm, và không có bất kỳ sản phẩm nào trên thị trường đã sử dụng. Các trường đại học khác nhau có thiết bị dự trữ. Tôi khuyên bạn nên mua thiết bị 200 mm đã qua sử dụng. Tin tốt là giờ đây chỉ có thể có khoảng 15% trên đồng đô la. Vì vậy, những gì sẽ là một bước 10 triệu đô la (được sử dụng trong hình ảnh các tấm wafer) bây giờ chỉ là 1,5 triệu đô la.

Có những người làm việc này ở nhà, nhưng nó giống như cố gắng xây dựng một chương trình không gian trong khu vườn sau nhà của bạn. Nó khó hơn nhiều so với máy in 3D, và liên quan đến một số hóa học khó chịu và kỹ thuật chính xác cao đáng kinh ngạc.

https://code.google.com.vn/p/homecmos/ , mặc dù họ chưa thực sự sản xuất một thiết bị.

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/ : rõ ràng là một thiết bị làm việc với nhiều hơn một bóng bán dẫn.

Chỉnh sửa: cho các mục đích thực tế và nếu bạn quan tâm đến điện tử hơn hóa học, hãy bắt đầu học Verilog và FPGA.

Trên trang web này , quá trình tạo ra một bộ vi xử lý được giải thích. Chi tiết rõ ràng mặc dù không thể minh họa cho mỗi trong số 1500 bước cần thiết.

Một câu hỏi thích hợp hơn là "Mạch điện tử được kết hợp với nhau để tạo ra bộ vi xử lý như thế nào?" Mạch điện tử không được cấy vào bộ vi xử lý. Bộ vi xử lý bao gồm các mạch điện tử.

Điện trở, tụ điện và cuộn cảm là các phần tử mạch tương tự thụ động. Sự phát triển / phát minh / khám phá chất bán dẫn nhường chỗ cho điốt và bóng bán dẫn. Các bóng bán dẫn được cấu hình thành các cổng logic cơ bản thực hiện đại số boolean và flip-flop thực hiện các phần tử bộ nhớ cơ bản. Các cổng logic cơ bản này được cấu hình thành các mạch phức tạp hơn để thực hiện phép cộng (phép cộng) hoặc phép trừ (phép trừ) hoặc ghép kênh (chuyển mạch) hoặc ghép kênh, hoặc dịch chuyển trái hoặc dịch chuyển phải, v.v. Các mạch phức tạp này bị kẹt cùng với một số logic điều khiển để tạo ALU hoặc bộ giải mã lệnh hoặc bộ giải mã địa chỉ bộ nhớ hoặc một số giao diện khác. ALU này được kết hợp với bộ giải mã lệnh, bộ giải mã địa chỉ bộ nhớ, bộ nhớ hoặc 2 và một số thành phần khác để tạo thành CPU hoặc Bộ vi xử lý.

Tất cả điều này chiếm hàng triệu (hoặc thậm chí hàng tỷ bây giờ) của các cổng bán dẫn. Một số công nghệ hiện tại sử dụng công nghệ xử lý 28 nanomet, trong đó, AFAIK, có nghĩa là một cổng duy nhất dài 28 nanomet. Thiết kế và xây dựng các mạch tích hợp quy mô lớn (LSI) và quy mô rất lớn (VLSI) là một quá trình đòi hỏi kiến ​​thức rất chuyên sâu về vật lý và hóa học và các thiết bị rất chuyên dụng và đắt tiền.

Nếu bạn muốn thiết kế một cách chức năng một bộ vi xử lý, đó là điều mà bạn có thể làm. Và bạn có thể có thể thực hiện nó trên phần cứng có thể cấu hình lại, chẳng hạn như một FPGA. Nếu bạn muốn thiết kế vật lý một bộ vi xử lý, đó là một câu chuyện khác. Những người thiết kế mạch tích hợp thường thậm chí không chỉ định bố cục vật lý của cổng. Họ sử dụng các công cụ thiết kế, không giống như những gì các kỹ sư phần mềm sử dụng, để nói những gì họ muốn mạch tích hợp của họ thực hiện bằng cách sử dụng thứ gọi là Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL), và sau đó các công cụ này đưa HDL xuống một đặc điểm kỹ thuật ở mức cổng.

Bạn chắc chắn sẽ không thể hoàn thành việc này ở nhà! Sản xuất chip là một quá trình phức tạp bao gồm rất nhiều máy móc chính xác, đắt tiền, phức tạp.

Nếu bạn quan tâm đến việc phát triển bộ vi xử lý của riêng mình, hãy bắt đầu bằng cách học VHDL hoặc Verilog và làm cho nó hoạt động trên một đồ họa. Sau đó, bạn có thể xem xét việc học thiết kế chip ở cấp độ bóng bán dẫn và sản xuất IC. Đây không phải là rẻ hoặc đơn giản và đòi hỏi một bộ kỹ năng rất cụ thể.

Đừng quên rằng, ngoài việc KIẾM IC thực tế (được trình bày theo kiểu rất hài hước và chính xác đã có ở đây), bạn cũng cần biết cách thiết kế các mạch cho vay để thực hiện IC. Bạn sẽ không tìm thấy rất nhiều thành phần thụ động trong một IC - chúng không hoạt động tốt và thường chiếm một diện tích lớn không tương xứng. Thay vào đó, bạn sẽ tìm thấy rất nhiều gương, nguồn và bồn rửa hiện tại. Các thiết bị loại P và N không được tạo ra bằng nhau, do đó, bạn cũng cần phải hiểu sự bất bình đẳng ở đó. Trên thực tế, vì bạn đang tự mình thực hiện quy trình, bạn sẽ cần phải quay một số tấm thử nghiệm với mức độ tập trung pha tạp khác nhau ("tấm cầu vồng" ) với một loạt các cấu trúc thử nghiệm và sau đó dành rất nhiều thời gian và công sức (hình ít nhất là 10 năm) để mô tả những gì bạn kết thúc - để có được một thư viện các loại bóng bán dẫn. Được trang bị với thư viện của bạn, bạn có thể bắt đầu thiết kế mạch của mình - giả sử bạn có một số hiểu biết về bố cục. Đừng quên rằng SAU fab, sau đó bắt đầu kiểm tra và gỡ lỗi. Đó là một chương hoàn toàn MỚI!