Bagaimana sirkuit terintegrasi dibuat?

Bagaimana sirkuit terintegrasi (mis. Mikroprosesor) dibuat dari awal hingga akhir? Misalnya, harus ada beberapa kabel dengan resistor, kapasitor untuk menyimpan energi (bit) di lapangan, transistor, dll ....

Bagaimana ini dilakukan? Mesin dan proses kimia apa yang diperlukan untuk membangun sirkuit terpadu?

Bukan masalah besar kok. Pertama, Anda mendapatkan setumpuk silikon. Seember pasir pantai biasa berisi persediaan seumur hidup jika Anda akan membuat keripik sendiri. Ada banyak silikon di planet ini, tetapi sebagian besar semuanya sangat mengganggu terikat dengan oksigen. Anda harus memutuskan ikatan-ikatan itu, membuang barang-barang non-silikon, kemudian memperbaiki apa yang tersisa.

Anda membutuhkan silikon yang sangat sangat murni untuk membuat chip yang bermanfaat. Hanya peleburan oksida silikon menjadi silikon unsur tidak cukup dekat. Ember pasir sebagian besar silikon dioksida, tetapi akan ada sedikit mineral lain, serpihan kulit siput (kalsium karbonat), kotoran anjing, dan apa pun lainnya. Beberapa elemen dari bahan ini akan berakhir dalam campuran silikon cair. Untuk menghilangkan ini, ada berbagai cara, sebagian besar harus dilakukan dengan sangat hati-hati memungkinkan silikon untuk mengkristal pada suhu dan kecepatan yang tepat. Yang akhirnya mendorong sebagian besar kotoran di depan batas kristalisasi. Jika Anda melakukan ini cukup banyak, cukup banyak kotoran yang didorong ke salah satu ujung ingot, dan ujung lainnya mungkin cukup murni. Yang pasti, Anda melambaikan seekor ikan mati di atasnya selama bulan purnama sambil hanya memikirkan pikiran murni. Jika nantinya ternyata keripik Anda tidak baik, maka satu kemungkinan Anda merusak langkah ini dengan menggunakan spesies yang salah untuk ikan atau bahwa pikiran Anda tidak cukup murni. Jika demikian, ulangi kembali dari langkah pertama.

Setelah Anda memiliki silikon kristal murni, maka Anda hampir selesai, hanya 100 langkah atau lebih sehingga semuanya harus tepat. Sekarang potong silikon murni Anda menjadi wafer. Mungkin itu bisa dilakukan dengan gergaji meja atau sesuatu. Periksa dengan Sears untuk melihat apakah mereka menjual pisau pemotong ingot silikon.

Selanjutnya poles wafer sehingga sangat halus. Semua barang kasar dari meja melihat pisau harus pergi. Lebih disukai turunkan ke panjang gelombang cahaya. Oh, dan jangan biarkan oksigen di permukaan terbuka. Anda harus membanjiri ruang bawah tanah Anda dengan gas inert dan menahan napas untuk waktu yang lama saat Anda menyelesaikan pemolesan.

Selanjutnya Anda merancang chip. Itu hanya memasang sekelompok gerbang bersama di layar dan menjalankan beberapa perangkat lunak. Baik menghabiskan beberapa 100 k $ atau membuat sendiri jika Anda punya beberapa 10-tahun gratis pria. Anda mungkin dapat melakukan sistem tata letak dasar, tetapi Anda harus mencuri beberapa rahasia dagang untuk dapat melakukan hal-hal yang benar-benar bagus. Orang-orang yang mengetahui algoritma yang benar-benar pintar menghabiskan banyak M $ melakukannya, jadi tidak ingin memberikan semua bit keren secara gratis.

Setelah memiliki tata letak, Anda harus mencetaknya di topeng. Itu seperti pencetakan biasa, kecuali untuk beberapa pesanan dengan detail yang lebih halus.

Setelah Anda memiliki topeng untuk berbagai lapisan dan langkah-langkah fotolitografi, Anda perlu memaparkannya ke wafer. Pertama Anda mengolesi photoresist, pastikan ia memiliki ketebalan yang seragam hingga sepersekian dari panjang gelombang cahaya yang akan Anda gunakan. Kemudian Anda mengekspos dan mengembangkan perlawanan. Yang membuat menolak beberapa area wafer Anda dan tidak atas yang lain, seperti topeng yang ditentukan. Untuk setiap lapisan yang ingin Anda buat atau etsa atau difus ke dalam chip, Anda menerapkan bahan kimia khusus, biasanya gas, pada suhu dan waktu yang sangat terkontrol. Oh, dan jangan lupa untuk menyejajarkan masker untuk setiap lapisan di lokasi yang sama di wafer menjadi beberapa 100 nm atau lebih baik. Anda membutuhkan tangan yang sangat mantap untuk itu. Tidak ada kopi hari itu. Oh, dan ingat, tidak ada oksigen.

Setelah selusin langkah topeng, chip Anda hampir siap. Sekarang Anda mungkin harus menguji masing-masing untuk mengetahui mana yang terkena kotoran atau jika tidak, akan berantakan. Tidak ada gunanya memasukkannya ke dalam paket. Anda akan memerlukan beberapa probe lingkup sangat kecil untuk itu. Cobalah untuk tidak bernafas saat Anda memegang selusin probe dalam target mereka dalam beberapa μm pada bantalan khusus yang Anda rancang ke dalam chip untuk tujuan itu. Jika Anda sudah melakukan langkah passivasi, Anda dapat melakukan ini dalam atmosfer oksigen dan mengambil napas sekarang.

Hampir selesai. Sekarang Anda memotong wafer menjadi keripik, berhati-hati untuk membuang yang Anda temukan sebelumnya tidak baik. Mungkin Anda dapat memisahkan mereka, atau melihatnya, tetapi tentu saja Anda tidak dapat menyentuh bagian atas wafer.

Anda memiliki chip sekarang, tetapi Anda masih harus terhubung dengan mereka. Menyolder silikon akan membuat kekacauan terlalu banyak, dan menyolder setrika tidak memiliki tip yang cukup baik. Biasanya Anda menggunakan kabel ikatan emas sangat tipis yang dilas di antara bantalan pada chip dan bagian dalam pin dari paket apa pun yang Anda memutuskan untuk digunakan. Tampar di bagian atas dan glob pada epoksi yang cukup untuk memastikannya tetap tertutup.

Di sana, itu tidak terlalu buruk, bukan?

Pertanyaan ini setara dengan bertanya: "Saya ingin membuat pesawat jet 747 di ruang bawah tanah saya, tetapi saya hanya perlu melakukannya dari gambar dan bahan mentah." Fakta bahwa pertanyaan seperti ini memang ditanyakan benar-benar hanya menunjukkan betapa sedikitnya menghargai kompleksitas dari apa yang terlibat dalam pembuatan semikonduktor modern dan daya cipta murni yang dimilikinya.

Yang perlu diketahui tentang pemrosesan adalah Anda membangun semuanya dari bahan mentah. Kecuali untuk wafer; Anda dapat dengan mudah membelinya. Tapi begitu Anda sudah mulai, Anda meletakkan perangkat saat Anda pergi; itu seperti memanggang kue. Anda dapat membuat pesawat sendiri dengan memesan mesin dan material komposit karbon secara terpisah. Tapi di sini Anda harus membuat semuanya dari bahan baku. Dan kompleksitas manufaktur untuk mendapatkan perangkat yang berfungsi sangat sulit.

Saya hanya akan mendaftar sejumlah kecil hal yang perlu dipertimbangkan.

Industri:

1. Telah ada lebih banyak upaya dalam hal uang yang dihabiskan, tenaga yang dikonsumsi atau surat-surat tertulis, PhD diperoleh dll. Bahwa upaya teknis tunggal lainnya yang mengarah ke produk manufaktur yang pernah ada dalam sejarah umat manusia.

   Tanpa memperhatikan ukuran dan kemampuan fitur, Anda perlu mengetahui yang berikut terlepas dari apa yang akan Anda coba.

Kebersihan:

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

2. Dalam pengolahan, air deionisasi (DI) digunakan. Ini sangat murni sehingga hambatan listrik diukur dalam megaohms. Ada sangat sedikit kontaminan di dalam air sehingga berhenti melakukan. Suatu kontaminan utama pada hari-hari awal pemrosesan semi-konduktor (ditemukan oleh Andy Grove dari Intel fame) adalah natrium. Proses CMOS sangat sensitif terhadap kontaminan ini sehingga natrium dari garam dalam keringat Anda yang terkandung dalam cetakan ibu jari rata-rata cukup untuk mencemari 10.000 galon (25.000 L) air DI.

3. Lingkungan pengoperasian: setiap meter persegi ruang lantai harus memiliki plenum udara di atas dan di bawah untuk menggerakkan udara, menyaringnya dan membawanya kembali. Dalam standar standar mereka memindahkan jutaan meter kubik udara setiap hari. Sebenarnya setiap fab terdiri dari tiga lantai dengan penanganan udara menggunakan lantai bawah dan atas, dan hanya orang-orang tengah / peralatan. Agak penting.

Jenis bahan kimia membunuh-Anda-mati-langsung yang jahat atau jenis luka bakar-wajah-mati-yang lebih baik:

1. Asam hidrofluorik: makan melalui gelas hanya menyukai semua kalsium yang enak di tulang Anda. Jika jatuh di kulit Anda menembus melalui kulit (kulit permeabel untuk ini) dan menuju ke saluran kalsium di saraf dan kepala ke tulang. Sangat menyakitkan.

2. Bahan kimia etsa khusus: Mari kita lihat ... favorit saya adalah sesuatu yang disebut "Piranha etch". Disebut demikian karena memakan bahan organik, perlu dijalankan pada suhu 80 hingga 90 ° C tetapi juga perlu didinginkan secara aktif karena memiliki kecenderungan untuk melarikan diri dan meletus dalam kekacauan mendidih.

3. Silane - gas piroforik - yang artinya meledak menjadi api dan meledak di hadapan oksigen. Ini beracun, dan ketika terbakar, ia meninggalkan uap SiO ₂ - yang berarti udara dipenuhi dengan partikel kecil mikroskopis kaca yang mungkin ~ 900 ° C. Dan ini adalah salah satu gas reaktif yang lebih jinak, ada bahan kimia lain yang hadir bahwa ketika alarm kebocoran padam biasanya dirasakan bahwa tidak ada gunanya berjalan: sudah terlambat.

4. Dopant: Jangan lupa tentang dopan yang diperlukan yang memungkinkan pembuatan semikonduktor tipe-N dan tipe-P. Boron, Fosfor, Arsenik, Gallium (kurang umum).

5. Mari kita berhenti di sini ... itu akan menjadi terlalu tidak wajar. Dan tidak, Anda tidak punya pilihan, kecuali Anda pikir Anda bisa melakukan lebih baik dari triliunan investasi.

6. Material pada umumnya semua harus kelas semikonduktor. Jadi Anda harus berada di pusat utama dan pemasok lokal harus memiliki materi di tangan. Beberapa bahan baku harus diproduksi secara lokal karena Anda tidak dapat mengirimkannya.

Berikut beberapa contoh hal tentang peralatan yang digunakan:

1. Pompa vakum: sebagian besar proses berjalan dalam kondisi vakum.

2. Oven, Anda membutuhkan oven yang dapat menopang 1200 ° C dengan berbagai bahan kimia yang disuntikkan seperti silane dan oksigen ultra murni dll.

3. Implan: kebanyakan dopan dimasukkan ke dalam substrat melalui akselerator nuklir yang dimodifikasi. Berita baiknya adalah itu tidak bisa terlalu kuat karena implan di atas 3 MeV cenderung mengubah substrat radioaktif sehingga mereka tidak membuatnya menjadi energi yang terlalu tinggi, tetapi Anda masih membutuhkan setidaknya 1 implan 1 MeV. Anda dapat memilih untuk tidak menggunakan implan energi tinggi tetapi kemudian Anda harus menjalankan oven selama berjam-jam untuk memungkinkan dopan berdifusi.

   Taruhan terbaik adalah membeli peralatan bekas. Sayangnya sudah setidaknya 20 tahun sejak seseorang telah merancang dan membangun peralatan untuk wafer berdiameter 100 mm dan 150 mm, dan tidak ada satupun di pasar bekas. Berbagai universitas memiliki peralatan yang ditimbun. Saya akan merekomendasikan membeli peralatan 200 mm bekas. Berita baiknya adalah bahwa sekarang hanya dapat dimiliki sekitar 15% dari dolar. Jadi apa yang seharusnya menjadi $ 10 juta stepper (digunakan dalam pencitraan wafer) sekarang hanya $ 1,5 juta.

Ada yang orang yang melakukan ini di rumah, tapi itu sedikit seperti mencoba untuk membangun sebuah program luar angkasa di kebun belakang Anda. Ini jauh lebih sulit daripada misalnya printer 3D, dan melibatkan beberapa kimia yang buruk dan teknik presisi tinggi yang menakjubkan.

https://code.google.com/p/homecmos/ , meskipun mereka belum benar-benar menghasilkan perangkat.

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/ : tampaknya perangkat yang berfungsi dengan lebih dari satu transistor.

Sunting: untuk tujuan praktis, dan jika Anda lebih tertarik pada elektronik daripada kimia, mulailah belajar Verilog dan FPGA.

Di situs ini dijelaskan proses pembuatan mikroprosesor. Terperinci dengan baik meskipun tidak mungkin untuk menggambarkan masing-masing dari 1500 langkah yang diperlukan.

Pertanyaan yang lebih tepat adalah "Apa dan bagaimana sirkuit elektronik digabungkan untuk membuat mikroprosesor?" Sirkuit elektronik tidak ditanamkan ke mikroprosesor. Mikroprosesor terdiri dari sirkuit elektronik.

Resistor, kapasitor, dan induktor adalah elemen rangkaian analog pasif. Pengembangan / penemuan / penemuan semikonduktor memberi jalan kepada dioda dan transistor. Transistor dikonfigurasikan ke gerbang logika dasar yang mengimplementasikan aljabar boolean, dan sandal jepit yang menerapkan elemen memori dasar. Gerbang logika dasar ini dikonfigurasikan ke sirkuit yang lebih kompleks yang menerapkan penambahan (penambah), atau pengurangan (pengurangan), atau multiplexing (switching), atau de multiplexing, atau shift kiri atau shift kanan dan sebagainya. Sirkuit kompleks ini macet bersama dengan beberapa logika kontrol untuk membuat ALU, atau instruksi decoder, atau decoder alamat memori atau antarmuka lainnya. ALU ini dikombinasikan dengan decoder instruksi, decoder alamat memori, memori atau 2, dan beberapa elemen lain untuk membentuk CPU atau Mikroprosesor.

Semua ini memakan Jutaan (atau bahkan mungkin milyaran sekarang) gerbang transistor. Beberapa teknologi FPGA saat ini menggunakan teknologi proses 28 nanometer, yang, AFAIK, berarti bahwa gerbang tunggal memiliki panjang 28 nanometer. Merancang dan membangun sirkuit terpadu skala besar (LSI) dan skala sangat besar (VLSI) adalah proses yang membutuhkan pengetahuan yang sangat khusus dalam fisika dan kimia dan peralatan yang sangat khusus dan mahal.

Jika Anda ingin mendesain mikroprosesor secara fungsional, itu adalah sesuatu yang dapat Anda lakukan. Dan Anda mungkin bisa menerapkannya pada perangkat yang dapat dikonfigurasi ulang seperti FPGA. Jika Anda ingin secara fisik merancang mikroprosesor, itu adalah cerita lain. Orang-orang yang merancang sirkuit terpadu umumnya bahkan tidak menentukan tata letak fisik gerbang. Mereka menggunakan alat desain, tidak seperti apa yang digunakan insinyur perangkat lunak, untuk mengatakan apa yang mereka inginkan agar sirkuit terpadu mereka menggunakan sesuatu yang disebut Hardware Description Language (HDL), dan kemudian alat tersebut mendidihkan HDL ke spesifikasi tingkat gerbang.

Anda pasti tidak akan bisa menyelesaikan ini di rumah! Chip manufaktur adalah proses kompleks yang melibatkan banyak mesin yang presisi, mahal, dan rumit.

Jika Anda tertarik untuk mengembangkan mikroprosesor Anda sendiri, mulailah dengan mempelajari VHDL atau Verilog dan membuatnya bekerja pada FPGA. Maka Anda mungkin mempertimbangkan untuk belajar desain chip di tingkat transistor dan membuat IC diproduksi. Ini tidak murah atau sederhana dan membutuhkan keahlian khusus.

Jangan lupa bahwa, selain MEMBUAT IC yang sebenarnya (tercakup dalam gaya yang sangat lucu dan akurat sudah ada di sini) Anda juga perlu tahu bagaimana merancang sirkuit yang cocok untuk implementasi IC. Anda tidak akan menemukan banyak komponen pasif dalam IC - mereka tidak berperilaku baik dan biasanya mengambil area yang tidak proporsional. Sebagai gantinya, Anda akan menemukan banyak mirror, sumber, dan sink saat ini. Perangkat tipe P dan N tidak dibuat sama, jadi Anda harus memahami ketidakadilan di sana. Sebenarnya, karena Anda sedang "menggulung sendiri", Anda perlu menembak beberapa wafer uji dengan berbagai tingkat konsentrasi doping ("wafer pelangi" ) dengan berbagai struktur tes dan kemudian menghabiskan banyak waktu dan usaha (angka setidaknya 10 tahun manusia) untuk mengkarakterisasi apa yang Anda dapatkan - untuk mendapatkan perpustakaan jenis transistor. Berbekal perpustakaan Anda, Anda dapat memulai desain sirkuit Anda - dengan asumsi Anda memiliki pemahaman tata letak. Jangan lupa SETELAH itu hebat, kemudian mulai tes dan debug. Itu seluruh bab BARU!