Como são fabricados os circuitos integrados?

Como os circuitos integrados (por exemplo, um microprocessador) são fabricados do início ao fim? Por exemplo, deve haver alguma fiação com resistores, capacitores para armazenar energia (bits) em um campo, transistores, etc.

Como isso é feito? Que máquinas e processos químicos são necessários para a construção de um circuito integrado?

Não é grande coisa realmente. Primeiro você recebe uma pilha de silício. Um balde de areia comum na praia contém um suprimento vitalício se você for fazer suas próprias batatas fritas. Há muito silício neste planeta, mas tudo é tão irritantemente ligado ao oxigênio. Você precisa quebrar esses vínculos, descartar as coisas que não são de silicone e refinar o que resta.

Você precisa de silício muito, muito puro, para produzir chips úteis. Apenas fundir o óxido de silício em silício elementar não chega nem perto do suficiente. O balde de areia era principalmente dióxido de silício, mas haverá pequenos pedaços de outros minerais, pedaços de conchas de caracóis (carbonato de cálcio), cocô de cachorro e qualquer outra coisa. Alguns elementos desse material acabam na mistura de silício fundido. Para se livrar disso, existem várias maneiras, a maioria delas com muito cuidado, permitindo que o silício cristalize na temperatura e taxa certas. Isso acaba empurrando a maioria das impurezas para frente do limite da cristalização. Se você fizer isso o suficiente, as impurezas suficientes serão empurradas para uma extremidade do lingote e a outra extremidade poderá ser pura o suficiente. Para ter certeza, você acena com um peixe morto durante a lua cheia enquanto pensa apenas em pensamentos puros. Se, mais tarde, suas fichas não forem boas, então uma possibilidade é que você estrague essa etapa usando as espécies erradas para peixes ou que seus pensamentos não sejam puros o suficiente. Nesse caso, repita a partir do passo um.

Uma vez que você tenha silício cristalino puro, estará quase pronto, apenas mais 100 etapas ou mais, para que tudo tenha que ser perfeito. Agora corte seu silício puro em bolachas. Talvez isso possa ser feito com uma serra de mesa ou algo assim. Verifique com a Sears se eles vendem lâminas de corte de lingotes de silicone.

Em seguida, polir as bolachas para que fiquem muito, muito suaves. Todo o material bruto da lâmina da serra de mesa precisa desaparecer. De preferência, reduza-o a um comprimento de onda mais ou menos claro. Ah, e não deixe oxigênio na superfície aberta. Você terá que inundar seu porão com um pouco de gás inerte e prender a respiração por um longo tempo enquanto termina o polimento.

Em seguida, você cria o chip. Isso é apenas conectar vários portões em uma tela e executar algum software. Gaste algumas centenas de k $ ou faça a sua própria se tiver algumas 10s de homem-ano grátis. Você provavelmente pode criar um sistema básico de layout, mas precisará roubar alguns segredos comerciais para poder fazer as coisas realmente boas. As pessoas que descobriram os algoritmos realmente inteligentes gastaram muitos M $ fazendo isso, então não querem distribuir todos os bits legais de graça.

Depois de ter o layout, você precisará imprimi-lo em máscaras. É como a impressão regular, exceto por algumas ordens de detalhes mais finos.

Depois de ter as máscaras para as várias camadas e etapas da fotolitografia, você precisa expô-las à bolacha. Primeiro, você repousa sobre o fotorresistente, certificando-se de que ele tenha uma espessura uniforme até uma fração do comprimento de onda da luz que você usará. Então você expõe e desenvolve a resistência. Isso deixa resistir a algumas áreas da sua bolacha e não a outras, assim como a máscara especificada. Para cada camada que você deseja acumular, gravar ou difundir no chip, aplica produtos químicos especiais, geralmente gases, em temperaturas e tempos controlados com muita precisão. Ah, e não se esqueça de alinhar as máscaras para cada camada no mesmo local da bolacha a alguns 100 nm ou mais. Você precisa de mãos realmente firmes para isso. Sem café naquele dia. Ah, e lembre-se, sem oxigênio.

Depois de mais ou menos uma dúzia de etapas de máscara, suas fichas estão quase prontas. Agora você provavelmente deve testar cada um deles para descobrir quais atingiram as impurezas ou foram danificadas. Não faz sentido colocá-los em pacotes. Você precisará de algumas sondas realmente muito pequenas para isso. Tente não respirar enquanto segura uma dúzia de sondas em seus alvos para dentro de alguns µm nos blocos especiais que você projetou nos chips para esse fim. Se você já fez o passo da passivação, pode fazer isso em uma atmosfera de oxigênio e respirar agora.

Quase pronto. Agora você corta a bolacha em lascas, tendo o cuidado de jogar fora as que encontrou antes não eram boas. Talvez você possa separá-los ou vê-los, mas é claro que não pode tocar no topo da bolacha.

Você tem os chips agora, mas ainda precisa se conectar a eles de alguma forma. Soldar com silício faria muita bagunça, e os ferros de solda não têm dicas suficientes de qualquer maneira. Geralmente, você usa fios de liga de ouro muito finos que são soldados entre as almofadas no chip e a parte interna dos pinos de qualquer embalagem que você decidir usar. Dê um tapa na parte superior e aplique uma quantidade suficiente de epóxi para garantir que ela fique fechada.

Lá, isso não foi tão ruim, foi?

Essa pergunta é equivalente a perguntar: "Quero construir um avião 747 no meu porão, mas preciso fazê-lo apenas a partir de desenhos e matérias-primas". O fato de uma pergunta como essa realmente ser feita mostra apenas quão pouco apreciada é a complexidade do que está envolvido na fabricação moderna de semicondutores e a pura inventividade que ela implica.

O importante a saber sobre o processamento é que você constrói tudo a partir de matérias-primas. Exceto pelas bolachas; você pode facilmente comprá-los. Mas uma vez iniciado, você está colocando o dispositivo em camadas à medida que avança; é como assar um bolo. Você pode construir seu próprio avião solicitando motores e material composto de carbono separadamente. Mas aqui você tem que fazer tudo, desde matérias-primas. E a complexidade de fabricação para obter dispositivos funcionando é incrivelmente difícil.

Vou apenas listar um pequeno número de coisas que precisam ser consideradas.

A industria:

1. Tem havido mais esforço em termos de dinheiro gasto, mão-de-obra consumida ou trabalhos escritos, doutorados obtidos etc. que qualquer outro esforço técnico único que leve a um produto manufaturado na história da humanidade.

   Sem levar em consideração o tamanho e a capacidade do recurso, você precisa estar ciente do seguinte, independentemente do que estiver tentando.

Limpeza:

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

2. No processamento, a água desionizada (DI) é usada. Isso é tão puro que a resistência elétrica é medida em megaohms. Existem tão poucos contaminantes na água que ela para de conduzir. Um dos principais contaminantes nos primeiros dias do processamento de semicondutores (descoberto por Andy Grove, da Intel) é o sódio. Os processos CMOS são tão sensíveis a esse contaminante que o sódio do sal no suor contido em uma impressão digital média é suficiente para contaminar 10.000 galões (25.000 L) de água desionizada.

3. Ambiente operacional: todo metro quadrado de área útil precisa ter um plenum de ar acima e abaixo para movimentar o ar, filtrá-lo e trazê-lo de volta. Em uma fábrica padrão, eles movem milhões de metros cúbicos de ar por dia. Na verdade, cada fábrica é composta por três andares, com tratamento de ar, usando os pisos inferior e superior, e apenas o meio com pessoas / equipamentos. Parece meio importante.

Tipos desagradáveis ​​de matar você morto instantaneamente ou tipos mais agradáveis ​​de queimar o rosto lentamente:

1. Ácido fluorídrico: come através do vidro adora todo o cálcio saboroso de seus ossos. Se cair na pele, ela penetra na pele (a pele é permeável a isso) e segue para os canais de cálcio nos nervos e segue para os ossos. Muito doloroso.

2. Produtos químicos especializados em gravura: Vamos ver ... o meu favorito é algo chamado "Piranha etch". É chamado assim porque come materiais orgânicos, precisa correr de 80 a 90 ° C, mas também precisa ser resfriado ativamente porque tem uma tendência a fugir e entrar em erupção em uma bagunça fervente.

3. O silano - um gás pirofórico - significa que ele explode em chamas e explode na presença de oxigênio. É tóxico e, quando queima, deixa para trás o vapor de SiO ₂ - o que significa que o ar é preenchido com pequenas partículas microscópicas de vidro que são talvez ~ 900 ° C. E esse é um dos gases reativos mais benignos; existem outros produtos químicos presentes que, quando o alarme de vazamento dispara, geralmente se sente que não há sentido em correr: já é tarde demais.

4. Dopantes: Não vamos esquecer os dopantes necessários que permitirão a criação de semicondutores do tipo N e P. Boro, Fósforo, Arsênico, Gálio (menos comum).

5. Vamos parar por aqui ... será mórbido demais. E não, você não tem escolha, a menos que pense que pode fazer melhor do que trilhões de $$ em investimentos.

6. Todos os materiais em geral precisam ser de grau semicondutor. Então você precisa estar em um grande centro e os fornecedores locais precisam ter o material em mãos. Algumas das matérias-primas precisam ser fabricadas localmente porque você não pode enviá-las.

Aqui estão alguns exemplos de coisas sobre o equipamento usado:

1. Bombas de vácuo: a maioria dos processos é executada em condições de vácuo.

2. O forno, você precisa de um forno que possa suportar 1200 ° C com vários produtos químicos injetados como silano e oxigênio ultra-puro etc.

3. Implantadores: a maioria dos dopantes é introduzida no substrato através de um acelerador nuclear modificado. A boa notícia é que ele não pode ser muito poderoso, porque os implantes acima de 3 MeV tendem a tornar o substrato radioativo, para que não os construam com uma energia muito alta, mas você ainda precisará de pelo menos um implante de 1 MeV. Você pode optar por não usar um dispositivo de implante de alta energia, mas, em seguida, é necessário acionar o forno por muitas horas para permitir a difusão dos dopantes.

   A melhor aposta é comprar equipamentos usados. Infelizmente, faz mais de 20 anos que alguém projetou e construiu equipamentos para bolachas de 100 mm e 150 mm de diâmetro, e não há no mercado usado. Várias universidades armazenaram equipamentos. Eu recomendo comprar equipamentos usados ​​de 200 mm. A notícia realmente boa é que agora pode ser obtido por apenas cerca de 15% do dólar. Então, o que seria um stepper de US $ 10 milhões (usado na criação de imagens das bolachas) agora é de apenas US $ 1,5 milhão.

Não são pessoas que fazem isso em casa, mas é um pouco como tentar construir um programa de espaço no seu quintal. É muito mais difícil do que, por exemplo, uma impressora 3D, e envolve uma química desagradável e uma engenharia de precisão incrivelmente alta.

https://code.google.com/p/homecmos/ , embora ainda não tenham produzido um dispositivo.

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/ : aparentemente um dispositivo de trabalho com mais de um transistor.

Edit: para fins práticos, e se você está mais interessado em eletrônica do que em química, comece a aprender Verilog e FPGAs.

No site o processo de fazer um microprocessador é explicado. Bem detalhado, embora seja impossível ilustrar cada uma das 1500 etapas necessárias.

Uma pergunta mais apropriada é "O que e como os circuitos eletrônicos são combinados para criar microprocessadores?" Os circuitos eletrônicos não são implantados nos microprocessadores. Microprocessadores são compostos de circuitos eletrônicos.

Resistores, capacitores e indutores são elementos passivos do circuito analógico. O desenvolvimento / invenção / descoberta de semicondutores deu lugar a diodos e transistores. Os transistores são configurados em portas lógicas básicas que implementam álgebra booleana e flip-flops que implementam elementos básicos de memória. Esses portões lógicos básicos são configurados em circuitos mais complexos que implementam adição (somador), subtração (subtrator) ou multiplexação (comutação), desmultiplexação, deslocamento à esquerda ou deslocamento à direita e assim por diante. Esses circuitos complexos são congestionados com alguma lógica de controle para criar uma ALU, ou um decodificador de instruções, ou um decodificador de endereço de memória ou alguma outra interface. Essa ALU é combinada com um decodificador de instruções, um decodificador de endereço de memória, uma memória ou 2 e alguns outros elementos para formar uma CPU ou microprocessador.

Tudo isso ocupa milhões (ou talvez bilhões agora) de portões de transistor. Algumas tecnologias FPGA atuais usam tecnologia de processo de 28 nanômetros, o que, AFAIK, significa que um único portão possui 28 nanômetros de comprimento. Projetar e construir circuitos integrados em larga escala (LSI) e em escala muito grande (VLSI) é um processo que requer conhecimento muito especializado em física e química e equipamentos muito especializados e caros.

Se você deseja projetar funcionalmente um microprocessador, é algo que você pode fazer. E você provavelmente poderia implementá-lo em hardware reconfigurável, como um FPGA. Se você deseja projetar fisicamente um microprocessador, isso é outra história. As pessoas que projetam circuitos integrados geralmente nem estão especificando o layout físico dos portões. Eles usam ferramentas de design, não muito diferentes do que os engenheiros de software usam, para dizer o que querem que seu circuito integrado faça usando algo chamado HDL (Linguagem de Descrição de Hardware) e, em seguida, as ferramentas reduzem o HDL até uma especificação no nível do portão.

Você definitivamente não será capaz de fazer isso em casa! A fabricação de chips é um processo complexo que envolve muitas máquinas precisas, caras e complexas.

Se você estiver interessado em desenvolver seu próprio microprocessador, comece aprendendo VHDL ou Verilog e trabalhando com um FPGA. Em seguida, considere aprender o design de chips no nível do transistor e obter um CI fabricado. Isso não é barato ou simples e requer um conjunto de habilidades muito específico.

Não se esqueça que, além de FAZER o IC real (coberto de uma maneira bem humorada e precisa já aqui), você também precisa saber como projetar circuitos que se prestam à implementação do IC. Você não encontrará muitos componentes passivos dentro de um CI - eles não são tão bem-comportados e normalmente ocupam uma área desproporcionalmente grande. Em vez disso, você encontrará muitos espelhos, fontes e pias atuais. Os dispositivos dos tipos P e N não são criados iguais, portanto, você precisará entender as desigualdades também. Na verdade, como você está fazendo o seu próprio processo, precisará filmar algumas bolachas de teste com níveis variados de concentração de doping ("bolachas arco-íris" ) com uma variedade de estruturas de teste e, em seguida, gasta muito tempo e esforço (calcule pelo menos 10 anos-homem) para caracterizar com o que você termina - para obter uma biblioteca de tipos de transistores. Armado com sua biblioteca, você pode iniciar seu projeto de circuitos - assumindo que você tenha alguma compreensão do layout. Não esqueça que AFTER fab, então inicia o teste e depura. Esse é um novo capítulo inteiro!