Entegre devreler nasıl üretilir?

Entegre devreler (örneğin bir mikroişlemci) baştan sona nasıl üretilir? Örneğin, dirençler, bir alanda enerji depolamak için kapasitörler, transistörler vb.

Bu nasıl yapılır? Entegre devre oluşturmak için hangi makine ve kimyasal prosesler gereklidir?

Gerçekten önemli değil. İlk önce bir silikon yığını alırsın. Eğer kendi cipslerinizi yapacaksanız, sıradan bir sahil kumu kovası, bir ömür boyu tedarik sağlar. Bu gezegende çok fazla silikon var, ama çoğunlukla hepsi sinir bozucu bir şekilde oksijenle bağlı. Bu bağları koparmalı, silikon olmayan maddeleri atmalı, sonra kalanları düzeltmelisin.

Kullanışlı cipsler yapmak için çok çok saf bir silikon gerekir. Sadece silisyum oksidinin elemental silisyum içine eritilmesi yeterince yakın bir yerde değildir. Kum kovası çoğunlukla silikon dioksittir, ancak başka mineraller, salyangoz kabukları (kalsiyum karbonat), köpek kakası ve başka her neyse çok az parça olacaktır. Bu malzemeden bazı elementler erimiş silikon karışımına girer. Bundan kurtulmak için, silikonun doğru sıcaklık ve hızda kristalleşmesini sağlamak için çok dikkatli bir şekilde yapmak zorunda olan çeşitli yollar vardır. Bu, kirliliklerin çoğunu kristalleşme sınırının önünde itmekle sona erer. Bunu yeterince zaman yaparsanız, yeterli miktarda yabancı madde külçe ucuna itilir ve diğer ucu yeterince saf olabilir. Emin olmak için, sadece saf düşünceler düşünürken, dolunay boyunca ölü bir balık sallıyorsunuz. Eğer cipslerinizin iyi olmadığı daha sonra ortaya çıkarsa, bir olasılıkla bu adımı balıklar için yanlış türler kullanarak ya da düşüncelerinizin yeterince saf olmadığını kullanarak batırmanızdır. Eğer öyleyse, ilk adımdan itibaren tekrarlayın.

Saf kristalin silikonunuz olduğunda, neredeyse bitti, sadece 100 adım daha kaldı, ya da hepsi doğru olmalı. Şimdi saf silikonunuzu gofretler halinde kesin. Belki bu bir masa testeresiyle veya başka bir şeyle yapılabilir. Silikon külçe kesme bıçakları satıp satmadıklarını görmek için Sears ile kontrol edin.

Daha sonra gofretleri cilalayın, böylece çok pürüzsüzler. Masadaki bütün kaba malzemelerin testere bıçağının gitmesi gerekiyor. Tercihen, onu bir dalga boyuna veya buna benzer bir ışığa indiriniz. Oh, ve açık yüzeyde oksijene izin vermeyin. Parlatma işleminizi bitirirken bodrumunuzu bir inert gazla doldurmanız ve nefesini uzun süre tutmanız gerekecektir.

Daha sonra çipi tasarlayacaksınız. Bu sadece bir ekranda bir demet kapıyı birbirine bağlamak ve bazı yazılımları çalıştırmak. Birkaç 100 yıl k $ harcamak ya da 10 yıl erkeğe sahip olmamak için kendin yap. Muhtemelen temel bir düzen sistemi yapabilirsiniz, ancak gerçekten iyi şeyler yapabilmek için bazı ticari sırları çalmanız gerekecektir. Gerçekten akıllı algoritmaları bulan insanlar birçok M $ harcadı, bu yüzden tüm harika bitleri ücretsiz olarak vermek istemiyorlar.

Düzeni elde ettikten sonra, maskelere yazdırmanız gerekir. Bu, birkaç büyüklük derecesinde daha ince ayrıntıların olması dışında, normal baskıya benzer.

Çeşitli katmanlar ve fotolitografi adımları için maskeleriniz olduktan sonra, bunları gofretin üzerine getirmeniz gerekir. Öncelikle, kullanacağınız ışığın dalga boyunun bir kısmıyla aynı kalınlığa sahip olduğundan emin olarak, fotorezistin üzerine çarpın. Sonra resist ortaya çıkarır ve geliştirirsiniz. Bu yapraklar, tıpkı belirtilen maske gibi, gofretinizin bazı bölgelerine dayanır, diğerlerine değil. Çipin içinde oluşturmak veya dağlamak veya dağmak istediğiniz her katman için, çok hassas bir şekilde kontrol edilen sıcaklık ve zamanlarda özel kimyasallar, genellikle gazlar uygularsınız. Oh, ve gofret üzerinde aynı yerde bulunan her katmanın maskelerini birkaç 100 nm veya daha iyi bir seviyeye getirmeyi unutmayın. Bunun için gerçekten sağlam ellere ihtiyacınız var. O gün kahve yok. Oh, hatırla, oksijen yok.

Bir düzine kadar maskeden sonra, cipsleriniz neredeyse hazır. Şimdi hangisini safsızlıklara çarptığını veya başka bir şekilde batırdığını bulmak için muhtemelen her birini test etmelisiniz. Bunları paketlere koymanın anlamı yok. Bunun için gerçekten çok küçük kapsam problarına ihtiyacınız olacak. Hedeflerinde bir düzine prob tuttuğunuzdan, çiplerin içine bu amaçla tasarladığınız özel pedler üzerinde birkaç µm'lik bir mesafe bırakmayı deneyin. Pasivasyon adımını şimdiden yaptıysanız, bunu oksijen atmosferinde yapabilir ve şimdi nefes alabilirsiniz.

Neredeyse bitti. Şimdi gofreti cips şeklinde kestiniz, daha önce iyi olmadıklarını bulmaya özen gösteriniz. Belki onları parçalara ayırabilir veya onları görebilirsin, ama elbette gofretin tepesine dokunamazsın.

Şimdi fişleri aldın, ama yine de bir şekilde bağlantı kurman gerekiyor. Silikonda lehimleme çok fazla karışıklık yaratabilir ve lehimleme ütülerinde zaten yeterince ince uç yoktur. Genellikle, çip üzerindeki pedler ve kullanmaya karar verdiğiniz paketin pimlerinin iç kısımları arasına nokta kaynaklı çok ince altın bağ teli kullanırsınız. Üstüne tokatlayın ve kapalı kaldığından emin olmak için yeterince epoksi ile toplayın.

İşte bu o kadar da kötü değil miydi?

Bu soru sormaya eşdeğerdir: "Bodrumumda bir 747 jet uçağı inşa etmek istiyorum, ancak bunu sadece çizimlerden ve hammaddelerden yapmam gerekiyor." Bunun gibi bir sorunun gerçekten sorulması, modern yarı iletken imalatında yer alanların karmaşıklığını ve içerdiği saf yaratıcılığı ne kadar takdir ettiğini gösteriyor.

İşleme hakkında bilmeniz gereken şey, her şeyi hammaddeden topladığınızdır. Gofretler hariç; Bunları kolayca satın alabilirsiniz. Ancak, bir kez başladıktan sonra, cihazı ilerledikçe düzenlersiniz; Bir pasta pişirme gibi. Motorları ve karbon kompozit malzemeyi ayrı sipariş ederek kendi düzleminizi inşa edebilirsiniz. Fakat burada her şeyi ham maddeden yapmak zorundasınız. Ve çalışma cihazlarını bile elde etmek için üretim karmaşıklığı şaşırtıcı derecede zordur.

Göz önünde bulundurulması gereken şeylerin bir kısmını listeleyeceğim.

Endüstri:

1. Harcanan para, tüketilen insan gücü veya yazılı bildiri, doktora, vb. İnsanlık tarihinde hiç üretilmeyen bir ürüne yol açan tüm diğer teknik çabalar açısından daha fazla çaba sarf edilmiştir.

   Özellik boyutu ve kabiliyeti dikkate alınmaksızın, ne deneyeceğinize bakmaksızın aşağıdakilerden haberdar olmanız gerekir.

Temizlik:

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

2. İşleme sırasında deiyonize (DI) su kullanılır. Bu o kadar saf ki elektriksel direnç megaomm cinsinden ölçülür. Suda iletkenliği durduran çok az kirletici var. Yarı iletken işlemenin ilk günlerinde (Intel ününden Andy Grove tarafından keşfedilen) büyük bir kirletici madde sodyumdur. CMOS prosesleri bu kirleticiye o kadar duyarlıdır ki, ortalama bir parmak izinde bulunan terinizdeki tuzdan gelen sodyum, 10.000 galon (25.000 L) DI suyu kirletmek için yeterlidir.

3. Çalışma ortamı: her metrekarelik zemin boşluğu, havayı hareket ettirmek, filtrelemek ve tekrar içeri getirmek için aşağı ve yukarı bir hava plenumuna sahip olmalıdır. Aslında her bir fab, alt ve üst katları kullanarak hava taşıma ile üç kattan oluşur ve sadece ortada kişi / ekipman bulunur. Biraz önemli görünüyor.

Neredeyse anında öldürün derhal bir tür kimyasallar veya daha yavaş yüzünüze yakışan daha nazik türleri:

1. Hidroflorik asit: Camın içinden yemek sadece kemiklerinizdeki tüm o lezzetli kalsiyumu seviyor . Cildinize düşerse cilde nüfuz eder (cilt buna elverişlidir) ve sinirlerdeki kalsiyum kanallarına gider ve kemiklere doğru gider. Çok acı verici.

2. İhtisas etch kimyasalları: Bakalım ... benim favorim "Piranha etch" denilen şey. Organik malzemeler yediğinden, 80 ila 90 ° C'de çalışması gerektiğine, ancak aynı zamanda aktif bir şekilde soğutulmaya ihtiyaç duyduğundan, kaynama düzeneğinde kaçma ve patlama eğiliminde olduğu için aktif olarak soğutulması gerektiği denir.

3. Silan - bir piroforik gaz - bu, alev alması ve oksijen varlığında patlaması anlamına gelir. Bu toksik ve yanıklar zaman, SiO bırakır ₂ buhar - belki ~ 900 ° C olan bir cam küçük mikroskopik parçacıkları ile dolu olan hava anlamına gelmektedir. Ve bu daha iyi huylu reaktif gazlardan biridir, sızıntı alarmı çaldığında genel olarak kaçmanın bir anlamı olmadığı hissedilen başka kimyasallar vardır: zaten çok geç.

4. Dopants: N tipi ve P tipi yarı iletkenlerin oluşturulmasını sağlayacak gerekli dopantları unutmayalım. Bor, Fosfor, Arsenik, Galyum (daha az yaygın).

5. Burada duralım ... aksi takdirde çok fazla hastalık olacak. Ve hayır, hiçbir seçeneğiniz yok, trilyonlarca dolarlık yatırımdan daha iyisini yapabileceğinizi düşünmüyorsanız.

6. Genel olarak malzemelerin tümü yarı iletken dereceli olmalıdır. Yani büyük bir merkezde olmalısınız ve yerel tedarikçiler bu materyali elinizde bulundurmalı. Hammaddelerin bazılarının yerel olarak üretilmesi gerekiyor, çünkü onları sevk edemezsiniz.

Kullanılan ekipmanla ilgili bazı örnekler:

1. Vakum pompaları: çoğu işlem vakum koşullarında çalışır.

2. Fırın, silan ve ultra saf oksijen vb. Enjekte edilen çeşitli kimyasallarla 1200 ° C'yi kaldırabilecek bir fırına ihtiyacınız var.

3. İmplantlar: Çoğu katkı maddesi alt tabakaya modifiye edilmiş bir nükleer hızlandırıcı ile sokulur. İyi haber şu ki bu çok güçlü olamaz çünkü 3 MeV'in üzerindeki implantlar substratı radyoaktif hale getirme eğilimindedir, bu yüzden onları çok yüksek bir enerji olmayacak şekilde inşa ederler, ancak yine de en az bir 1 MeV implante ihtiyacınız olacaktır. Yüksek enerjili bir implant kullanmamayı tercih edebilirsiniz, ancak daha sonra, dopantların dağılması için fırını birkaç saat çalıştırmanız gerekir.

   En iyi bahis, kullanılmış ekipman satın almaktır. Ne yazık ki, herkes 100 mm ve 150 mm çapındaki gofretler için ekipman tasarlayıp ürettiğinden beri en az 20 yıl geçti ve kullanılmış pazarda hiç bulunmadı. Çeşitli üniversiteler ekipman stokladı. 200 mm'lik ikinci el ekipman satın almanızı tavsiye ederim. Gerçekten iyi haber şu ki, şu an dolar için sadece% 15 civarında bir oranın olabileceği. Öyleyse, 10 milyon dolarlık bir adım olacaktı (gofret görüntülemede kullanılan) şimdi sadece 1,5 milyon dolar.

Orada olan evde bunu yaparken insanlar, ama biraz da arka bahçede bir uzay programını oluşturmak için çalışmak gibi. Örneğin bir 3D yazıcıdan çok daha zor ve bazı kötü kimya ve şaşırtıcı derecede yüksek hassasiyetli mühendislik içeriyor.

https://code.google.com/p/homecmos/ , gerçekte henüz bir cihaz üretmemiş olmalarına rağmen.

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/ : görünüşe göre birden fazla transistörlü çalışan bir cihaz.

Düzenleme: pratik amaçlar için ve kimyadan ziyade elektronikle ilgileniyorsanız, Verilog ve FPGA'ları öğrenmeye başlayın.

On Bu sitenin bir mikroişlemci yapma süreci açıklanmıştır. Gereken her 1500 basamağın her birini göstermek imkansız olsa da, oldukça ayrıntılı.

Daha uygun bir soru "Mikroişlemciler oluşturmak için elektronik devreler ne ve nasıl birleştirilir?" Elektronik devreler mikroişlemcilere yerleştirilmez. Mikroişlemciler elektronik devrelerden oluşur.

Rezistörler, kapasitörler ve indüktörler pasif analog devre elemanlarıdır. Yarı iletkenlerin gelişimi / buluşu / keşfi diyotlara ve transistörlere yol açtı. Transistörler, boolean cebirini uygulayan temel mantık kapıları ve temel bellek öğelerini uygulayan flip-flop'lar halinde yapılandırılmıştır. Bu temel mantık geçitleri, toplama (toplayıcı) veya çıkarma (bir çıkarma) veya çoklama (anahtarlama) veya çoklama veya sola kayma veya sağa kayma gibi işlemleri gerçekleştiren daha karmaşık devrelere yapılandırılmıştır. Bu karmaşık devreler, bir ALU veya bir talimat kod çözücüsü veya bir bellek adres kod çözücüsü veya başka bir arabirim yapmak için bazı kontrol mantığı ile birlikte sıkıştı. Bu ALU, bir CPU veya Mikroişlemci oluşturmak için bir talimat kod çözücüsü, bir bellek adres kod çözücüsü, bir bellek veya 2 ve bazı diğer elemanlarla birleştirilir.

Bütün bunlar, transistör kapılarını Milyonlarca (ya da belki şimdi milyarlarca) kapar. Mevcut bazı FPGA teknolojileri, 28 nanometre işlem teknolojisini kullanmaktadır; bu, AFAIK, tek bir geçidin 28 nanometre uzunluğunda olduğu anlamına gelir. Büyük ölçekli (LSI) ve çok büyük ölçekli (VLSI) entegre devrelerin tasarlanması ve inşa edilmesi, fizik ve kimya konusunda çok özel bilgiler ve çok özel ve pahalı ekipmanlar gerektiren bir işlemdir.

İşlevsel olarak bir mikroişlemci tasarlamak istiyorsanız, bu yapabileceğiniz bir şeydir. Ve muhtemelen FPGA gibi yeniden yapılandırılabilir donanımlara da uygulayabilirsiniz. Fiziksel olarak bir mikroişlemci tasarlamak istiyorsanız, bu başka bir hikaye. Entegre devreler tasarlayan insanlar genellikle geçitlerin fiziksel yerleşimini bile belirlemezler. Hangi yazılım mühendislerinin kullandıklarından farklı olarak, tasarım devrelerini Donanım Açıklama Dili (HDL) adı verilen bir şey kullanarak tümleşik devrelerinin ne yapmasını istediklerini söylemek için kullanıyorlar ve ardından araçlar HDL'yi geçit seviyesi spesifikasyonuna indirgiyor.

Bunu kesinlikle evde yapamazsınız! Talaş üretimi, çok sayıda hassas, pahalı ve karmaşık makine içeren karmaşık bir işlemdir.

Kendi mikroişlemcinizi geliştirmekle ilgileniyorsanız, VHDL veya Verilog'u öğrenerek ve bir FPGA üzerinde çalışarak başlayın. O zaman bir transistör seviyesinde yonga tasarımını öğrenmeyi ve bir IC üretmeyi düşünebilirsiniz. Bu ucuz veya basit değildir ve çok özel bir beceri seti gerektirir.

Asıl IC'nin (zaten burada çok komik ve doğru bir şekilde kapsanmış) yapılmasının yanı sıra, kendilerini IC uygulamasına ödünç veren devrelerin nasıl tasarlandığını da bilmeniz gerektiğini unutmayalım. Bir IC içinde çok fazla pasif bileşen bulamazsınız - çok iyi davranmazlar ve tipik olarak orantısız şekilde geniş bir alanı kaplarlar. Bunun yerine, birçok güncel ayna, kaynak ve lavabo bulacaksınız. P ve N tipi cihazlar eşit yaratılmamıştır, dolayısıyla oradaki eşitsizlikleri de anlamanız gerekir. Aslında, "kendi işini" uyguladığın için, değişik doping konsantrasyonları seviyesine sahip bazı test gofretleri vurman gerekecek ("gökkuşağı gofretleri"). ) çeşitli test yapılarıyla ve daha sonra neyle uğraştığınızı tanımlamak için çok az zaman ve çaba harcayın (en az 10 adam yıl) - transistör türlerinden oluşan bir kütüphane edinin. Kütüphanenizle donanmış olarak devre tasarımınıza başlayabilirsiniz - bazı yerleşim düzenine sahip olduğunuzu varsayarak. Unutmayın fab sonra, sonra test başlar ve hata ayıklama. Bu tamamen yeni bir bölüm!