Wie werden integrierte Schaltkreise hergestellt?

Wie werden integrierte Schaltkreise (z. B. ein Mikroprozessor) von Anfang bis Ende hergestellt? Beispielsweise muss eine Verdrahtung mit Widerständen, Kondensatoren zum Speichern von Energie (Bits) in einem Feld, Transistoren usw. vorhanden sein.

Wie geht das? Welche Maschinen und chemischen Prozesse sind zum Aufbau einer integrierten Schaltung erforderlich?

Eigentlich keine große Sache. Zuerst bekommst du einen Haufen Silikon. Ein Eimer gewöhnlicher Strandsand enthält einen lebenslangen Vorrat, wenn Sie Ihre eigenen Chips herstellen möchten. Es gibt viel Silizium auf diesem Planeten, aber meistens ist alles so ärgerlich an Sauerstoff gebunden. Sie müssen diese Bindungen aufbrechen, das Nicht-Silizium-Zeug wegwerfen und dann verfeinern, was übrig bleibt.

Sie benötigen sehr, sehr reines Silizium, um nützliche Chips herzustellen. Nur das Siliziumoxid in elementares Silizium zu schmelzen, ist bei weitem nicht genug. Der Sandeimer bestand größtenteils aus Siliziumdioxid, aber es werden kleine Teile anderer Mineralien, Schneckenhäuser (Kalziumkarbonat), Hundekot und was auch immer übrig sein. Einige der Elemente aus diesem Material werden in der geschmolzenen Siliziummischung enden. Um dieses Problem zu lösen, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die meisten haben damit zu tun, dass das Silizium bei genau der richtigen Temperatur und Geschwindigkeit kristallisiert. Das führt dazu, dass die meisten Verunreinigungen vor die Kristallisationsgrenze geschoben werden. Wenn Sie dies genügend oft tun, wird genug von den Verunreinigungen an ein Ende des Barrens gedrückt, und das andere Ende ist möglicherweise rein genug. Natürlich winkt man bei Vollmond einen toten Fisch darüber und denkt dabei nur an reine Gedanken. Wenn sich später herausstellt, dass Ihre Chips nicht gut sind, besteht eine Möglichkeit darin, dass Sie diesen Schritt verpatzt haben, indem Sie die falsche Fischart verwendet haben, oder dass Ihre Gedanken nicht rein genug waren. Wenn ja, wiederholen Sie den ersten Schritt.

Sobald Sie reines kristallines Silizium haben, sind Sie fast fertig, nur noch 100 Schritte oder so, dass alle genau richtig sein müssen. Nun schneide dein reines Silizium in Waffeln. Vielleicht geht das mit einer Tischkreissäge oder so. Wenden Sie sich an Sears, um zu sehen, ob sie Schneidklingen für Silikonbarren verkaufen.

Anschließend die Wafer so polieren, dass sie sehr, sehr glatt sind. Alle rauen Sachen vom Tischsägeblatt müssen weg sein. Bringen Sie es vorzugsweise auf eine Wellenlänge des Lichts herunter. Oh, und lass keinen Sauerstoff an die offene Oberfläche. Sie müssen Ihren Keller mit etwas Inertgas überfluten und den Atem für eine lange Zeit anhalten, während Sie das Polieren beenden.

Als nächstes entwerfen Sie den Chip. Das ist nur ein Bündel von Toren auf einem Bildschirm miteinander zu verbinden und eine Software auszuführen. Geben Sie entweder ein paar Hunderttausend k $ aus oder machen Sie es sich selbst, wenn Sie ein paar Zehntel Mannjahre frei haben. Sie können wahrscheinlich ein einfaches Layout-System erstellen, aber Sie müssen einige Geschäftsgeheimnisse stehlen, um die wirklich guten Dinge tun zu können. Die Leute, die die wirklich cleveren Algorithmen herausfanden, gaben viele M $ dafür aus, also wollen sie nicht alle coolen Teile kostenlos herausgeben.

Sobald Sie das Layout haben, müssen Sie es auf Masken drucken. Das ist genau wie beim normalen Drucken, mit Ausnahme einiger Größenordnungen feinerer Details.

Nachdem Sie die Masken für die verschiedenen Schichten und Fotolithografieschritte erstellt haben, müssen Sie sie auf dem Wafer belichten. Zuerst wird der Fotolack aufgeschlämmt, um sicherzustellen, dass er eine gleichmäßige Dicke innerhalb eines Bruchteils der Wellenlänge des zu verwendenden Lichts aufweist. Dann belichten und entwickeln Sie den Resist. Das lässt Widerstand über einigen Bereichen Ihres Wafers und nicht über anderen, genau wie die angegebene Maske. Für jede Schicht, die Sie aufbauen, ätzen oder in den Chip diffundieren möchten, verwenden Sie spezielle Chemikalien, in der Regel Gase, bei sehr genau kontrollierten Temperaturen und Zeiten. Oh, und vergessen Sie nicht, die Masken für jede Schicht an derselben Stelle auf dem Wafer auf einige 100 nm oder besser auszurichten. Dafür braucht man wirklich ruhige Hände. Kein Kaffee an diesem Tag. Oh, und denk dran, kein Sauerstoff.

Nach ungefähr einem Dutzend Maskenschritten sind Ihre Chips fast fertig. Jetzt sollten Sie wahrscheinlich jeden einzelnen testen, um herauszufinden, welche Verunreinigungen aufweisen oder auf andere Weise durcheinander gebracht wurden. Es macht keinen Sinn, diese in Pakete zu packen. Dafür benötigen Sie einige wirklich sehr kleine Zielfernrohrsonden. Versuchen Sie nicht zu atmen, während Sie ein Dutzend Sonden in ihren Zielen auf wenige µm genau auf den speziellen Pads halten, die Sie für diesen Zweck in die Chips eingebaut haben. Wenn Sie den Passivierungsschritt bereits durchgeführt haben, können Sie dies in einer Sauerstoffatmosphäre tun und jetzt atmen.

Fast fertig. Jetzt schneiden Sie die Waffel in Chips, wobei Sie darauf achten, diejenigen herauszuwerfen, die Sie zuvor für nicht gut befunden haben. Vielleicht können Sie sie auseinanderbrechen oder sie sehen, aber natürlich können Sie die Oberseite des Wafers nicht berühren.

Sie haben jetzt die Chips, müssen sich aber trotzdem irgendwie mit ihnen verbinden. Das Löten auf Silizium würde zu viel Chaos verursachen, und Lötkolben haben ohnehin keine ausreichend feinen Spitzen. Normalerweise verwenden Sie sehr dünne Goldbonddrähte, die zwischen den Kontaktstellen auf dem Chip und der Innenseite der Kontaktstifte der von Ihnen verwendeten Baugruppe punktgeschweißt werden. Schlagen Sie auf die Oberseite und kleben Sie genug Epoxy auf, um sicherzustellen, dass es geschlossen bleibt.

Das ist doch nicht so schlimm, oder?

Diese Frage entspricht der Frage: "Ich möchte einen 747-Jetliner in meinem Keller bauen, aber ich muss es nur anhand von Zeichnungen und Rohstoffen tun." Die Tatsache, dass eine solche Frage gestellt wird, zeigt, wie wenig die Komplexität der modernen Halbleiterfertigung und der damit verbundene reine Erfindungsreichtum geschätzt wird.

Das Wichtigste bei der Verarbeitung ist, dass Sie alles aus Rohstoffen aufbauen. Mit Ausnahme der Waffeln; Sie können diese leicht kaufen. Aber wenn Sie einmal angefangen haben, überlagern Sie das Gerät, während Sie fortfahren. Es ist wie ein Kuchen backen. Sie können Ihr eigenes Flugzeug bauen, indem Sie Motoren und Carbon-Verbundmaterial separat bestellen. Aber hier muss man alles aus Rohstoffen machen. Und die Herstellungskomplexität, um überhaupt funktionierende Geräte zu bekommen, ist erstaunlich schwierig.

Ich werde nur eine kleine Anzahl von Dingen auflisten, die berücksichtigt werden müssen.

Die Branche:

1. Es gab mehr Anstrengungen in Bezug auf ausgegebenes Geld, verbrauchte Arbeitskräfte oder schriftliche Arbeiten, erhaltene Promotionen usw. als jedes andere technische Unterfangen, das jemals in der Geschichte der Menschheit zu einem hergestellten Produkt führte.

   Unabhängig von der Funktionsgröße und -fähigkeit müssen Sie Folgendes berücksichtigen, unabhängig davon, was Sie versuchen werden.

Sauberkeit:

1. Si-Wafer gehören zu den reinsten Substanzen, die es jemals auf diesem Planeten gegeben hat. Wenn ich einen Standard benutze$15 \: \Omega \cdot \text{cm}$

2. Bei der Verarbeitung wird entionisiertes (DI) Wasser verwendet. Dies ist so rein, dass der elektrische Widerstand in Megaohm gemessen wird. Das Wasser enthält so wenig Verunreinigungen, dass es nicht mehr leitet. Eine Hauptverunreinigung in den frühen Tagen der Halbleiterverarbeitung (entdeckt von Andy Grove von Intel) ist Natrium. CMOS-Prozesse reagieren so empfindlich auf diese Verunreinigung, dass das Natrium aus dem Salz in Ihrem Schweiß, das in einem durchschnittlichen Daumenabdruck enthalten ist, ausreicht, um 10.000 Gallonen (25.000 l) DI-Wasser zu verunreinigen.

3. Betriebsumgebung: Jeder Quadratmeter Bodenfläche muss über und unter der Luftkammer liegen, damit die Luft durchströmt, gefiltert und wieder eingezogen werden kann. In einer Standardfabrik bewegen sie täglich Millionen Kubikmeter Luft. Tatsächlich besteht jede Fabrik aus drei Etagen mit Luftbehandlung, wobei die untere und die obere Etage verwendet werden und nur die mittlere Etage Personen / Ausrüstung hat. Scheint irgendwie wichtig.

Böse Kill-You-Dead-Instant-Art von Chemikalien oder schöner Burn-Your-Face-Off-Slow-Typen:

1. Flusssäure: ißt durch Glas und liebt all das leckere Kalzium in Ihren Knochen. Wenn es auf Ihre Haut fällt, dringt es durch die Haut ein (die Haut ist dafür durchlässig) und gelangt zu den Kalziumkanälen in den Nerven und zu den Knochen. Sehr schmerzhaft.

2. Spezialisierte Ätzchemikalien: Mal sehen ... mein Favorit ist das sogenannte "Piranha-Ätzen". Es heißt, weil es organische Materialien frisst, bei 80 bis 90 ° C laufen muss, aber auch aktiv gekühlt werden muss, weil es die Tendenz hat, wegzulaufen und in einem kochenden Durcheinander auszubrechen.

3. Silan - ein pyrophores Gas - das heißt, es geht in Flammen auf und explodiert in Gegenwart von Sauerstoff. Es ist giftig und hinterlässt beim Verbrennen SiO ₂ -Dampf - das heißt, die Luft ist mit winzigen mikroskopisch kleinen Glaspartikeln gefüllt, die etwa 900 ° C warm sind. Und dies ist eines der harmloseren reaktiven Gase. Es sind noch andere Chemikalien vorhanden, bei denen nach dem Auslösen des Leckagealarms im Allgemeinen das Gefühl besteht, dass es keinen Sinn macht zu laufen: Es ist bereits zu spät.

4. Dotierstoffe: Vergessen wir nicht die notwendigen Dotierstoffe, die die Erzeugung von Halbleitern vom N- und P-Typ ermöglichen. Bor, Phosphor, Arsen, Gallium (seltener).

5. Lassen Sie uns hier aufhören ... sonst wird es zu morbide sein. Und nein, Sie haben keine Wahl, es sei denn, Sie glauben, Sie könnten mehr als Billionen US-Dollar investieren.

6. Materialien im Allgemeinen müssen alle Halbleiterqualität haben. Man muss also in einem großen Zentrum sein und die lokalen Lieferanten müssen das Material zur Hand haben. Einige der Rohstoffe müssen vor Ort hergestellt werden, da Sie sie nicht versenden können.

Hier einige Beispiele zu den verwendeten Geräten:

1. Vakuumpumpen: Die meisten Prozesse laufen unter Vakuumbedingungen.

2. Für den Ofen benötigen Sie einen Ofen, der mit verschiedenen Chemikalien wie Silan und ultrareinem Sauerstoff usw. 1200 ° C aushält.

3. Implantierer: Die meisten Dotierstoffe werden über einen modifizierten Kernbeschleuniger in das Substrat eingebracht. Die gute Nachricht ist, dass es nicht zu leistungsfähig sein kann, da Implantierer über 3 MeV dazu neigen, das Substrat radioaktiv zu machen, damit sie nicht zu energiereich werden, aber Sie benötigen immer noch mindestens einen 1 MeV-Implantierer. Sie könnten sich dafür entscheiden, keinen Hochenergie-Implantierer zu verwenden, aber dann müssen Sie den Ofen viele, viele Stunden laufen lassen, damit die Dotierstoffe eindiffundieren können.

   Die beste Wette ist es, gebrauchte Ausrüstung zu kaufen. Leider ist es mindestens 20 Jahre her, dass jemand Geräte für Wafer mit einem Durchmesser von 100 mm und 150 mm entwickelt und gebaut hat, und es gibt keine auf dem Gebrauchtmarkt. Verschiedene Universitäten haben Geräte gelagert. Ich würde den Kauf von gebrauchten 200 mm Geräten empfehlen. Die wirklich gute Nachricht ist, dass der Dollar nur noch für etwa 15% verfügbar ist. Was also ein Stepper von 10 Millionen US-Dollar gewesen wäre (für die Abbildung der Wafer), sind jetzt nur noch 1,5 Millionen US-Dollar.

Es gibt Leute, die dies zu Hause tun, aber es ist ein bisschen wie der Versuch, ein Weltraumprogramm in Ihrem Garten zu erstellen. Es ist viel schwieriger als z. B. ein 3D-Drucker und erfordert ein wenig Chemie und erstaunlich hohe Präzision.

https://code.google.com/p/homecmos/ , obwohl sie noch kein Gerät hergestellt haben.

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/ : anscheinend ein funktionierendes Gerät mit mehr als einem Transistor.

Bearbeiten: Wenn Sie sich aus praktischen Gründen mehr für Elektronik als für Chemie interessieren, lernen Sie Verilog und FPGAs.

Auf dieser Seite wird der Herstellungsprozess eines Mikroprozessors erklärt. Gut detailliert, obwohl es unmöglich ist, jeden der 1500 erforderlichen Schritte zu veranschaulichen.

Eine zutreffendere Frage lautet: "Was und wie werden elektronische Schaltungen zu Mikroprozessoren kombiniert?" Auf Mikroprozessoren sind keine elektronischen Schaltkreise implantiert. Mikroprozessoren bestehen aus elektronischen Schaltkreisen.

Widerstände, Kondensatoren und Induktivitäten sind passive analoge Schaltungselemente. Die Entwicklung / Erfindung / Entdeckung von Halbleitern machte Dioden und Transistoren Platz. Transistoren sind in grundlegende Logikgatter konfiguriert, die eine Boolesche Algebra implementieren, und Flip-Flops, die grundlegende Speicherelemente implementieren. Diese grundlegenden Logikgatter sind in komplexeren Schaltungen konfiguriert, die Addition (einen Addierer) oder Subtraktion (einen Subtrahierer) oder Multiplexing (Schalten) oder De-Multiplexing oder Linksverschiebung oder Rechtsverschiebung und so weiter implementieren. Diese komplexen Schaltungen werden zusammen mit einer Steuerlogik blockiert, um eine ALU oder einen Befehlsdecodierer oder einen Speicheradressendecodierer oder eine andere Schnittstelle herzustellen. Diese ALU wird mit einem Befehlsdecodierer, einem Speicheradressendecodierer, einem Speicher oder 2 und einigen anderen Elementen kombiniert, um eine CPU oder einen Mikroprozessor zu bilden.

All dies beansprucht Millionen (oder vielleicht sogar Milliarden) von Transistor-Gates. Einige aktuelle FPGA-Technologien verwenden eine 28-Nanometer-Prozesstechnologie. AFAIK bedeutet, dass ein einzelnes Gate 28 Nanometer lang ist. Das Entwerfen und Bauen von integrierten Schaltkreisen im großen Maßstab (LSI) und im sehr großen Maßstab (VLSI) ist ein Prozess, der sehr spezielle Kenntnisse in Physik und Chemie sowie sehr spezielle und teure Geräte erfordert.

Wenn Sie einen Mikroprozessor funktional entwickeln möchten, können Sie dies tun. Und Sie könnten es wahrscheinlich auf rekonfigurierbarer Hardware wie einem FPGA implementieren. Wenn Sie einen Mikroprozessor konstruieren möchten, ist das eine andere Geschichte. Die Leute, die integrierte Schaltkreise entwerfen, spezifizieren im Allgemeinen nicht einmal die physikalische Anordnung von Gattern. Sie verwenden Design-Tools, ähnlich wie die Software-Ingenieure, um zu sagen, was ihre integrierte Schaltung mit der sogenannten Hardware Description Language (HDL) tun soll, und die Tools reduzieren die HDL dann auf eine Gate-Level-Spezifikation.

Sie werden es auf keinen Fall zu Hause schaffen! Die Herstellung von Chips ist ein komplexer Prozess mit vielen präzisen, teuren und komplexen Maschinen.

Wenn Sie daran interessiert sind, Ihren eigenen Mikroprozessor zu entwickeln, lernen Sie zunächst VHDL oder Verilog und bringen Sie es auf einem FPGA zum Laufen. Dann könnten Sie überlegen, das Chipdesign auf Transistorebene zu erlernen und einen IC herstellen zu lassen. Dies ist nicht billig oder einfach und erfordert sehr spezielle Fähigkeiten.

Vergessen wir nicht, dass Sie neben der Erstellung des eigentlichen IC (der hier bereits auf sehr humorvolle und genaue Weise behandelt wird) auch wissen müssen, wie Sie Schaltungen entwerfen, die sich für die IC-Implementierung eignen. In einem IC gibt es nicht viele passive Komponenten - sie verhalten sich nicht so gut und nehmen normalerweise eine unverhältnismäßig große Fläche ein. Stattdessen finden Sie viele aktuelle Spiegel, Quellen und Senken. Geräte vom Typ P und N sind nicht gleich Geräte, daher müssen Sie auch die dortigen Ungleichheiten verstehen. Tatsächlich müssen Sie einige Test-Wafer mit unterschiedlichen Dopingkonzentrationen ("Regenbogen-Wafer") abschießen, weil Sie Ihren eigenen Prozess "rollen". ) mit einer Vielzahl von Teststrukturen und verbringen Sie dann viel Zeit und Mühe (Abbildung mindestens 10 Mannjahre), um zu charakterisieren, was Sie am Ende haben - um eine Bibliothek von Transistortypen zu erhalten. Ausgerüstet mit Ihrer Bibliothek können Sie mit dem Schaltungsdesign beginnen - vorausgesetzt, Sie haben ein Verständnis für das Layout. Vergessen Sie nicht, dass NACH Fab, dann startet der Test und das Debuggen. Das ist ein ganz neues Kapitel!