¿Cómo se fabrican los circuitos integrados?

¿Cómo se fabrican los circuitos integrados (por ejemplo, un microprocesador) de principio a fin? Por ejemplo, debe haber algún cableado con resistencias, condensadores para almacenar energía (bits) en un campo, transistores, etc.

¿Cómo se hace esto? ¿Qué maquinaria y procesos químicos se requieren para construir un circuito integrado?

No es gran cosa realmente. Primero obtienes un montón de silicio. Un cubo de arena de playa ordinaria contiene un suministro de por vida si vas a hacer tus propias fichas. Hay mucho silicio en este planeta, pero en su mayoría está tan molestamente ligado al oxígeno. Tienes que romper esos enlaces, descartar las cosas que no sean de silicio y luego refinar lo que queda.

Necesitas silicio muy muy puro para hacer chips útiles. Simplemente fundir el óxido de silicio en silicio elemental no está lo suficientemente cerca. El cubo de arena era principalmente dióxido de silicio, pero habrá pequeños trozos de otros minerales, trozos de conchas de caracol (carbonato de calcio), excremento de perro y cualquier otra cosa. Algunos de los elementos de este material terminarán en la mezcla de silicio fundido. Para deshacerse de esto, hay varias formas, la mayoría de las cuales tienen que ver con permitir con mucho cuidado que el silicio cristalice a la temperatura y velocidad correctas. Eso termina empujando la mayoría de las impurezas frente al límite de cristalización. Si hace esto suficientes veces, una cantidad suficiente de impurezas será empujada hacia un extremo del lingote, y el otro extremo podría ser lo suficientemente puro. Para estar seguro, agitas un pez muerto sobre él durante la luna llena mientras piensas solo pensamientos puros. Si luego resulta que tus chips no son buenos, entonces una posibilidad es que hayas estropeado este paso usando las especies incorrectas para peces o que tus pensamientos no fueran lo suficientemente puros. Si es así, repita desde el paso uno.

Una vez que tenga silicio cristalino puro, entonces casi habrá terminado, solo otros 100 pasos más o menos para que todo tenga que ser correcto. Ahora corta tu silicio puro en obleas. Tal vez eso se pueda hacer con una sierra de mesa o algo así. Verifique con Sears para ver si venden cuchillas de corte de lingotes de silicio.

A continuación, pule las obleas para que estén muy muy lisas. Todas las cosas ásperas de la hoja de sierra de mesa deben desaparecer. Preferiblemente desciéndalo a una longitud de onda más o menos de luz. Ah, y no dejes oxígeno en la superficie abierta. Tendrás que inundar tu sótano con un poco de gas inerte y contener la respiración durante mucho tiempo mientras terminas el pulido.

Luego diseñas el chip. Eso es solo conectar un grupo de puertas en una pantalla y ejecutar algún software. Gaste unos cientos de k $ o gane los suyos si tiene unos 10s de años-hombre gratis. Probablemente pueda hacer un sistema de diseño básico, pero tendrá que robar algunos secretos comerciales para poder hacer cosas realmente buenas. Las personas que descubrieron los algoritmos realmente inteligentes gastaron muchos M $ haciéndolo, por lo que no quieren dar todos los bits geniales de forma gratuita.

Una vez que tenga el diseño, deberá imprimirlo en máscaras. Eso es igual que la impresión regular, excepto por unos pocos órdenes de magnitud con detalles más finos.

Después de tener las máscaras para las distintas capas y los pasos de fotolitografía, debe exponerlas en la oblea. Primero, aplique la fotorresistencia, asegurándose de que tenga un grosor uniforme dentro de una fracción de la longitud de onda de la luz que usará. Luego expones y desarrollas la resistencia. Eso deja resistencia sobre algunas áreas de su oblea y no sobre otras, al igual que la máscara especificada. Para cada capa que desea acumular, grabar o difundir en el chip, aplica productos químicos especiales, generalmente gases, a temperaturas y tiempos controlados con mucha precisión. Ah, y no olvide alinear las máscaras para cada capa en la misma ubicación en la oblea a unos 100 nm o más. Necesitas manos realmente firmes para eso. No hay café ese día. Ah, y recuerda, no hay oxígeno.

Después de una docena de pasos de máscara, sus chips están casi listos. Ahora, probablemente deberías probar cada uno para descubrir cuáles golpean las impurezas o se equivocan. No tiene sentido ponerlos en paquetes. Necesitará algunas sondas de alcance realmente muy pequeñas para eso. Trate de no respirar mientras sostiene una docena de sondas en sus objetivos dentro de unos pocos µm en las almohadillas especiales que diseñó en los chips para ese propósito. Si ya ha realizado el paso de pasivación, puede hacerlo en una atmósfera de oxígeno y respirar ahora.

Casi termino. Ahora corta la oblea en papas fritas, teniendo cuidado de tirar las que encontró anteriormente no eran buenas. Tal vez pueda separarlos o verlos, pero, por supuesto, no puede tocar la parte superior de la oblea.

Ahora tiene los chips, pero aún necesita conectarse a ellos de alguna manera. Soldar con silicio causaría un gran desorden, y los soldadores no tienen puntas lo suficientemente finas de todos modos. Por lo general, utiliza cables de enlace de oro muy delgados que están soldados por puntos entre las almohadillas del chip y el interior de las clavijas de cualquier paquete que decida usar. Dé una palmada en la parte superior y aplique suficiente epoxi para asegurarse de que permanezca cerrado.

Ahí, eso no es tan malo, ¿verdad?

Esta pregunta es equivalente a preguntar: "Quiero construir un avión 747 en mi sótano, pero necesito hacerlo solo a partir de dibujos y materias primas". El hecho de que se haga una pregunta como esta realmente muestra cuán poco se aprecia la complejidad de lo que implica la fabricación moderna de semiconductores y la inventiva pura que conlleva.

Lo que debe saber sobre el procesamiento es que construye todo a partir de materias primas. Excepto por las obleas; Puedes comprarlos fácilmente. Pero una vez que ha comenzado, está colocando en capas el dispositivo a medida que avanza; Es como hornear un pastel. Puede construir su propio avión ordenando motores y material compuesto de carbono por separado. Pero aquí tienes que hacer todo, desde las materias primas. Y la complejidad de fabricación para incluso conseguir dispositivos de trabajo es asombrosamente difícil.

Solo enumeraré una pequeña cantidad de las cosas que deben considerarse.

La industria:

1. Ha habido más esfuerzo en términos de dinero gastado, mano de obra consumida o documentos escritos, doctorados obtenidos, etc., que cualquier otro esfuerzo técnico que conduzca a un producto manufacturado en la historia de la humanidad.

   Independientemente del tamaño y la capacidad de la función, debe tener en cuenta lo siguiente, independientemente de lo que intente.

Limpieza:

1. Las obleas de Si son algunas de las sustancias más puras que han existido en este planeta. Si uso una oblea estándar prime (lo que generalmente se usa en CMOS), la densidad del dopante es 1 × 10 ¹⁵ átomos / cm ^-3 . Hay 5 × 10 ²² átomos / cm ^-3 en Si. Eso significa que por cada 50 millones de átomos de silicio hay un átomo dopante. Realmente necesita equipo especializado, manejo y procedimientos para poder mantener eso.$15 \: \Omega \cdot \text{cm}$

2. En el procesamiento, se utiliza agua desionizada (DI). Esto es tan puro que la resistencia eléctrica se mide en megaohmios. Hay tan pocos contaminantes en el agua que deja de conducir. Un contaminante importante en los primeros días del procesamiento de semiconductores (descubierto por Andy Grove de la fama de Intel) es el sodio. Los procesos CMOS son tan sensibles a este contaminante que el sodio de la sal en su sudor contenido en una huella de pulgar promedio es suficiente para contaminar 10,000 galones (25,000 L) de agua DI.

3. Entorno operativo: cada metro cuadrado de superficie debe tener una cámara de aire arriba y abajo para mover el aire, filtrarlo y devolverlo. En un fab estándar, mueven millones de metros cúbicos de aire cada día. En realidad, cada fábrica consta de tres pisos con manejo de aire usando los pisos inferior y superior, y solo el medio tiene personas / equipos. Parece un poco importante.

Tipo desagradable de productos químicos que te matan instantáneamente o tipos más agradables de quemarte la cara lentamente:

1. Ácido fluorhídrico: se come a través del vidrio, simplemente ama todo ese sabroso calcio en sus huesos. Si cae sobre su piel, penetra a través de la piel (la piel es permeable a esto) y se dirige a los canales de calcio en los nervios y se dirige a los huesos. Muy doloroso.

2. Productos químicos de grabado especializados: Veamos ... mi favorito es algo llamado "Grabado de piraña". Se llama así porque come materiales orgánicos, necesita funcionar a una temperatura de 80 a 90 ° C, pero también debe enfriarse activamente porque tiene una tendencia a escapar y estallar en un desastre hirviendo.

3. Silano, un gas pirofórico, lo que significa que estalla en llamas y explota en presencia de oxígeno. Es tóxico y, cuando se quema, deja vapor de SiO ₂ , lo que significa que el aire se llena con pequeñas partículas microscópicas de vidrio que pueden alcanzar los ~ 900 ° C. Y este es uno de los gases reactivos más benignos, hay otros productos químicos presentes que cuando suena la alarma de fuga, generalmente se siente que no tiene sentido funcionar: ya es demasiado tarde.

4. Dopantes: No olvidemos los dopantes necesarios que permitirán la creación de semiconductores de tipo N y tipo P. Boro, Fósforo, Arsénico, Galio (menos común).

5. Paremos aquí ... de lo contrario será demasiado mórbido. Y no , no tiene otra opción, a menos que piense que puede hacerlo mejor que billones de $$ de inversión.

6. Todos los materiales en general tienen que ser de grado semiconductor. Por lo tanto, debe estar en un centro importante y los proveedores locales deben tener el material a mano. Algunas de las materias primas deben fabricarse localmente porque no se pueden enviar.

Aquí hay algunas cosas de muestra sobre el equipo utilizado:

1. Bombas de vacío: la mayoría de los procesos funcionan en condiciones de vacío.

2. Para el horno, necesita un horno que pueda soportar 1200 ° C con varios químicos inyectados como silano y oxígeno ultra puro, etc.

3. Implantes: la mayoría de los dopantes se introducen en el sustrato a través de un acelerador nuclear modificado. La buena noticia es que no puede ser demasiado potente porque los implantadores por encima de 3 MeV tienden a activar el sustrato radioactivo, por lo que no los construyen para tener una energía demasiado alta, pero aún necesitará al menos un implantador de 1 MeV. Puede optar por no utilizar un implantador de alta energía, pero luego debe hacer funcionar el horno durante muchas horas para permitir que los dopantes se difundan.

   La mejor apuesta es comprar equipos usados. Desafortunadamente, han pasado al menos 20 años desde que alguien ha diseñado y construido equipos para obleas de 100 mm y 150 mm de diámetro, y no hay ninguna en el mercado usado. Varias universidades tienen equipos almacenados. Recomiendo comprar equipos usados ​​de 200 mm. La buena noticia es que ahora solo se puede obtener por alrededor del 15% del dólar. Entonces, lo que hubiera sido un paso a paso de $ 10 millones (utilizado para obtener imágenes de las obleas) ahora es de solo $ 1.5 millones.

No son gente que hace esto en casa, pero es un poco como tratar de construir un programa de espacio en su jardín trasero. Es mucho más difícil que, por ejemplo, una impresora 3D, e implica algo de química desagradable y una ingeniería asombrosamente de alta precisión.

https://code.google.com/p/homecmos/ , aunque todavía no han producido un dispositivo.

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/ : aparentemente un dispositivo que funciona con más de un transistor.

Editar: para fines prácticos, y si está más interesado en la electrónica que en la química, comience a aprender Verilog y FPGA.

En este sitio se explica el proceso de hacer un microprocesador. Bien detallado, aunque es imposible ilustrar cada uno de los 1500 pasos necesarios.

Una pregunta más apropiada es "¿Qué y cómo se combinan los circuitos electrónicos para crear microprocesadores?" Los circuitos electrónicos no se implantan en microprocesadores. Los microprocesadores están compuestos por circuitos electrónicos.

Las resistencias, condensadores e inductores son elementos pasivos de circuitos analógicos. El desarrollo / invención / descubrimiento de semiconductores dio paso a diodos y transistores. Los transistores se configuran en puertas lógicas básicas que implementan álgebra booleana y flip-flops que implementan elementos de memoria básicos. Estas puertas lógicas básicas se configuran en circuitos más complejos que implementan la suma (un sumador), o la resta (un sustractor), o la multiplexación (conmutación), o la multiplexación, o los desplazamientos hacia la izquierda o hacia la derecha, etc. Estos circuitos complejos están atascados junto con alguna lógica de control para hacer una ALU, o un decodificador de instrucciones, o un decodificador de direcciones de memoria o alguna otra interfaz. Esta ALU se combina con un decodificador de instrucciones, un decodificador de dirección de memoria, una memoria o 2 y algunos otros elementos para formar una CPU o un microprocesador.

Todo esto ocupa millones (o tal vez incluso miles de millones ahora) de puertas de transistores. Algunas tecnologías FPGA actuales usan tecnología de proceso de 28 nanómetros, lo que, AFAIK, significa que una sola puerta tiene 28 nanómetros de largo. Diseñar y construir circuitos integrados a gran escala (LSI) y muy grande (VLSI) es un proceso que requiere un conocimiento muy especializado en física y química y equipos muy especializados y costosos.

Si desea diseñar funcionalmente un microprocesador, eso es algo que puede hacer. Y probablemente podría implementarlo en hardware reconfigurable como un FPGA. Si desea diseñar físicamente un microprocesador, esa es otra historia. Las personas que diseñan circuitos integrados generalmente ni siquiera especifican el diseño físico de las puertas. Usan herramientas de diseño, no muy diferentes de las que usan los ingenieros de software, para decir lo que quieren que haga su circuito integrado usando algo llamado Lenguaje de descripción de hardware (HDL), y luego las herramientas reducen el HDL a una especificación de nivel de puerta.

¡Definitivamente no podrás hacer esto en casa! La fabricación de chips es un proceso complejo que involucra mucha maquinaria precisa, costosa y compleja.

Si está interesado en desarrollar su propio microprocesador, comience por aprender VHDL o Verilog y hacerlo funcionar en un FPGA. Entonces, podría considerar aprender a diseñar un chip a nivel de transistor y obtener un IC fabricado. Esto no es barato ni simple y requiere un conjunto de habilidades muy específico.

No olvidemos que, además de HACER el IC real (cubierto de una manera muy humorística y precisa aquí), también necesita saber cómo diseñar circuitos que se presten a la implementación de IC. No encontrará muchos componentes pasivos dentro de un IC: no se comportan tan bien y, por lo general, ocupan un área desproporcionadamente grande. En cambio, encontrará muchos espejos, fuentes y sumideros actuales. Los dispositivos de tipo P y N no se crean de la misma manera, por lo que también deberá comprender las desigualdades allí. En realidad, debido a que está "rodando su propio" proceso, deberá disparar algunas obleas de prueba con diferentes niveles de concentración de dopaje ("obleas arcoiris" ) con una variedad de estructuras de prueba y luego dedican mucho tiempo y esfuerzo (figura al menos 10 años-hombre) para caracterizar con qué terminan, para obtener una biblioteca de tipos de transistores. Armado con su biblioteca, puede comenzar el diseño de su circuito, suponiendo que comprenda algo sobre el diseño. No olvide que DESPUÉS de fabuloso, luego comienza la prueba y la depuración. ¡Ese es un capítulo completamente NUEVO!