집적 회로는 어떻게 제조됩니까?

집적 회로 (예 : 마이크로 프로세서)는 처음부터 끝까지 어떻게 제조됩니까? 예를 들어, 저항, 필드에 에너지 (비트)를 저장하는 커패시터, 트랜지스터 등이있는 배선이 있어야합니다 ...

이것은 어떻게 이루어 집니까? 집적 회로를 구축하려면 어떤 기계 및 화학 공정이 필요합니까?

별거 아니야 먼저 실리콘 더미를 얻습니다. 당신이 당신의 자신의 칩을 만들 경우 일반 해변 모래 양동이 평생 공급이 포함되어 있습니다. 이 행성에는 많은 실리콘이 있지만 대부분 성가신 산소와 결합되어 있습니다. 그 유대를 끊고 비 실리콘 물질을 버린 다음 남은 것을 다듬어야합니다.

유용한 칩을 만들려면 매우 순수한 실리콘이 필요합니다. 실리콘 산화물을 원소 실리콘으로 제련하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 모래 양동이는 주로 이산화 규소 였지만, 약간의 다른 미네랄, 달팽이 껍질 (탄산 칼슘), 개똥 등이있을 것입니다. 이 재료의 일부 요소는 용융 실리콘 믹스로 끝납니다. 이를 제거하기 위해서는 실리콘이 적절한 온도와 속도로 결정화되도록 매우 신중하게해야하는 다양한 방법이 있습니다. 결국 결정화 경계 앞에서 대부분의 불순물을 밀어냅니다. 이 시간을 충분히하면 불순물이 잉곳의 한쪽 끝으로 밀려 나고 다른 쪽 끝이 충분히 순수 할 수 있습니다. 확실히, 당신은 순수한 생각 만 생각하면서 보름달 동안 죽은 물고기를 흔 듭니다. 나중에 칩이 좋지 않다는 것이 밝혀지면 물고기에 잘못된 종을 사용하거나 생각이 충분하지 않은 것으로이 단계를 멈출 수 있습니다. 그렇다면 1 단계부터 다시 반복하십시오.

순수한 결정질 실리콘이 완성되면, 거의 100 단계 만 거치면됩니다. 이제 순수한 실리콘을 웨이퍼로 자릅니다. 아마도 그것은 테이블 톱이나 무언가로 할 수 있습니다. 시어스 (Sears)에 실리콘 잉곳 절단 날이 판매되는지 확인하십시오.

다음으로 웨이퍼를 매우 매끄럽게 연마하십시오. 테이블 톱날의 거친 물건은 모두 없어야합니다. 바람직하게는 파장의 빛으로 내려가십시오. 아, 그리고 열린 표면에 산소를 두지 마십시오. 연마를 마치는 동안 지하실에 약간의 불활성 가스를 뿌려 숨을 오래 참 아야합니다.

다음으로 칩을 설계합니다. 화면에 여러 개의 게이트를 함께 연결하고 소프트웨어를 실행하는 것입니다. 10 년에 몇 십만 달러를 무료로 받으면 100 달러를 몇 달러 씩 쓰거나 직접 만들 수도 있습니다. 기본 레이아웃 시스템을 사용할 수도 있지만 실제로 좋은 일을하려면 영업 비밀을 훔쳐 야합니다. 정말 영리한 알고리즘을 알아 낸 사람들은 많은 M $를 썼기 때문에 모든 멋진 비트를 무료로주고 싶지 않습니다.

레이아웃이 완성되면 마스크에 인쇄해야합니다. 미세한 디테일을 제외하고는 일반 인쇄와 같습니다.

다양한 층과 포토 리소그래피 단계에 대한 마스크를 가지고 나면 웨이퍼에 노출시켜야합니다. 먼저 포토 레지스트를 얇게 펴서 사용할 빛의 파장의 일부 내에서 균일 한 두께를 갖도록합니다. 그런 다음 레지스트를 노출시키고 현상합니다. 지정된 마스크와 마찬가지로 웨이퍼의 일부 영역에는 저항이되고 다른 영역에는 저항하지 않습니다. 칩에 쌓이거나 식각하거나 확산시키려는 각 층에 대해 정밀하게 제어 된 온도와 시간에 특수 화학 물질 (일반적으로 가스)을 적용합니다. 아, 그리고 웨이퍼의 같은 위치에있는 각 층의 마스크를 몇 100nm 이상으로 정렬하는 것을 잊지 마십시오. 당신은 정말 꾸준한 손이 필요합니다. 그날 커피가 없습니다. 아, 그리고 산소가 없음을 기억하십시오.

마스크 단계가 12 회 정도 지나면 칩이 거의 준비된 것입니다. 이제 각각을 테스트하여 불순물에 부딪 히거나 엉망인 것들을 찾아야합니다. 그것들을 패키지에 넣을 필요는 없습니다. 이를 위해서는 정말 작은 스코프 프로브가 필요합니다. 그 목적으로 칩에 디자인 한 특수 패드를 사용하여 수십 개의 프로브를 대상에 몇 µm 이내에 들고 숨을 쉬지 마십시오. 패시베이션 단계를 이미 완료 한 경우 산소 대기에서이를 수행하고 숨을 쉴 수 있습니다.

거의 다됐다. 이제 웨이퍼를 칩으로 자르면서 이전에 발견했던 것을 버리지 않도록 조심하십시오. 어쩌면 그것들을 분리하거나 보았을 수도 있지만 물론 웨이퍼의 상단을 만질 수는 없습니다.

당신은 지금 칩을 가지고 있지만, 어떻게 든 칩에 연결해야합니다. 실리콘에 납땜하면 너무 많은 혼란을 겪을 수 있으며 납땜 인두에는 팁이 충분하지 않습니다. 일반적으로 칩의 패드와 사용하려는 패키지의 핀 내부 사이에 스폿 용접 된 매우 얇은 금 본드 와이어를 사용합니다. 상단을 때리고 충분한 에폭시를 입혀서 닫히지 않도록하십시오.

거기에 그렇게 나쁘지 않은가?

이 질문은 "지하실에 747 제트 라이너를 만들고 싶지만 도면과 원자재로만 제작해야합니다." 이와 같은 질문이 실제로 제기된다는 사실은 현대 반도체 제조와 관련된 복잡성과 그것이 수반하는 순수한 창의성을 얼마나 잘 인식하고 있는지를 보여줍니다.

가공에 대해 알아야 할 것은 원자재로 모든 것을 쌓아 올리는 것입니다. 웨이퍼를 제외하고; 쉽게 구입할 수 있습니다. 그러나 시작한 후에는 장치를 계층화합니다. 케이크를 굽는 것과 같습니다. 엔진과 탄소 복합 재료를 별도로 주문하면 자신 만의 비행기를 만들 수 있습니다. 그러나 여기서는 원료로 모든 것을 만들어야합니다. 또한 작업 장치를 구현하기위한 제조 복잡성은 엄청나게 어렵습니다.

고려해야 할 몇 가지 사항 만 나열하겠습니다.

업계:

1. 돈, 인력 소비 또는 논문 작성, 박사 학위 획득 등의 측면에서 인류 역사상 제조 된 제품으로 이끄는 다른 단일 기술 노력에 대한 노력이 더 많이있었습니다.

   기능 크기와 기능에 관계없이, 무엇을 시도하든 관계없이 다음 사항을 알고 있어야합니다.

청결:

1. Si 웨이퍼는이 행성에 존재했던 가장 순수한 물질 중 일부입니다. 표준 기본 웨이퍼 (CMOS에서 일반적으로 사용되는)를 사용하는 경우, 도펀트 밀도는 1 × 10 ¹⁵ atoms / cm ^-3 입니다. Si 에는 5 × 10 ²² 원자 / cm ^-3 가있다. 즉, 5 천만개의 실리콘 원자마다 하나의 도펀트 원자가 있습니다. 이를 유지하려면 특별한 장비, 취급 및 절차가 필요합니다.$15 \: \Omega \cdot \text{cm}$

2. 처리시 탈 이온수 (DI)가 사용됩니다. 이것은 전기 저항이 메가 옴 단위로 측정 될 정도로 순수합니다. 물에는 오염 물질이 거의 없어 전도가 중단됩니다. 반도체 가공 초기 (인텔 명성의 Andy Grove가 발견 한) 주요 오염 물질은 나트륨입니다. CMOS 공정은이 오염 물질에 매우 민감하여 평균 지문에 함유 된 땀에 함유 된 소금의 나트륨이 DI 물 10,000 갤런 (25,000 L)을 오염시키기에 충분합니다.

3. 운영 환경 : 모든 평방 미터의 바닥 공간에는 공기를 통과시키고, 여과하고, 다시 가져 오려면 공기 플레 넘의 위와 아래가 있어야합니다. 표준 팹에서는 매일 수백만 입방 미터의 공기를 이동시킵니다. 실제로 각 팹은 3 층으로 구성되어 있으며 바닥과 상단을 사용하는 공기 처리 기능이 있으며 중간에는 사람 / 장비가 있습니다. 중요한 것 같습니다.

불쾌한 킬-죽었-즉시 죽일 종류의 화학 물질 또는 더 나은 얼굴을 천천히 태워 :

1. 불화 수소산 : 유리를 통해 먹는 것은 뼈에있는 맛있는 칼슘을 모두 좋아 합니다. 피부에 떨어 뜨린 경우 피부를 관통하여 (피부가 투과 가능) 신경의 칼슘 채널로 향하고 뼈로 향합니다. 매우 고통스러운.

2. 특수 에칭 화학 물질 : 보자 ... 내가 가장 좋아하는 것은 "Piranha etch"입니다. 그것은 유기 물질을 먹기 때문에 80 ~ 90 ° C에서 달릴 필요가 있지만 끓는 엉망으로 도망가는 경향이 있기 때문에 적극적으로 냉각되어야합니다.

3. 발화성 가스 인 실란 (Silane)-불꽃이 터져 산소가있는 상태에서 폭발합니다. 독성이 있으며 연소시 SiO ₂ 증기 뒤에 남습니다. 즉, 공기는 ​​아마도 ~ 900 ° C의 작은 미세한 유리 입자로 채워집니다. 그리고 이것은 더 양성 반응 가스 중 하나이며, 누출 경보가 울릴 때 일반적으로 작동 지점이 없다고 생각되는 다른 화학 물질이 있습니다 : 이미 너무 늦었습니다.

4. 도펀트 : N 형 및 P 형 반도체를 만들 수있는 필수 도판 트를 잊지 마십시오. 붕소, 인, 비소, 갈륨 (흔하지 않음).

5. 여기서 멈추자 ... 그렇지 않으면 너무 병적 일 것이다. 그리고 더 당신은 당신이 투자 $$ 수조보다 더 잘 할 수 있다고 생각하지 않는 한 당신은 선택의 여지가 없어.

6. 일반적으로 재료는 모두 반도체 등급이어야합니다. 그래서 당신은 중심지에 있어야 하고 로컬 공급 업체는 손에 재료를 가지고 있습니다. 일부 원자재는 배송 할 수 없으므로 현지에서 제조해야합니다.

사용 된 장비에 대한 샘플은 다음과 같습니다.

1. 진공 펌프 : 대부분의 프로세스는 진공 조건에서 실행됩니다.

2. 오븐에는 실란이나 초순수 산소 등 다양한 화학 물질을 주입하여 1200 ° C를 유지할 수있는 오븐이 필요합니다.

3. 주입기 : 대부분의 도펀트는 변형 된 핵 촉진기를 통해 기판에 주입됩니다. 좋은 소식은 3 MeV 이상의 임플란트는 기판을 방사성으로 돌리는 경향이 있기 때문에 너무 강력하지 않아서 너무 높은 에너지로 만들지는 않지만 적어도 1 MeV 임플란트가 필요하다는 것입니다. 고 에너지 주입기를 사용하지 않도록 선택할 수 있지만 도펀트가 확산되도록 여러 시간 동안 오븐을 가동해야합니다.

   가장 좋은 방법은 중고 장비를 구입하는 것입니다. 불행히도 100mm 및 150mm 직경의 웨이퍼 용 장비를 설계하고 제작 한 이래 20 년 이상이 지났으며 중고 시장에는 없습니다. 여러 대학에서 장비를 비축했습니다. 중고 200mm 장비를 구입하는 것이 좋습니다. 정말 좋은 소식은 이제 달러에서 약 15 % 만 가질 수 있다는 것입니다. 따라서 1 천만 달러의 스테퍼 (웨이퍼 이미징에 사용)는 이제 150 만 달러에 불과합니다.

이 있는 집에서 이렇게 사람들은,하지만 약간 허리 정원에서 우주 프로그램을 만들려고 같아요. 예를 들어 3D 프린터보다 훨씬 어렵고 화학 반응이 심하고 초정밀 공학이 필요합니다.

https://code.google.com/p/homecmos/ 는 실제로 아직 기기를 제작하지는 않았지만

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/ : 하나 이상의 트랜지스터가있는 작동 장치 인 것 같습니다.

편집 : 실용적인 목적으로 화학보다 전자 공학에 더 관심이 있다면 Verilog 및 FPGA 학습을 시작하십시오.

에 이 사이트 마이크로 프로세서를 만드는 과정을 설명한다. 필요한 1500 단계 각각을 설명하는 것은 불가능하지만 잘 설명되어 있습니다.

더 적절한 질문은 "전자 프로세서가 어떻게 그리고 어떻게 결합되어 마이크로 프로세서를 만드는가?"입니다. 전자 회로는 마이크로 프로세서에 이식되지 않습니다. 마이크로 프로세서는 전자 회로로 구성됩니다.

저항기, 커패시터 및 인덕터는 수동 아날로그 회로 요소입니다. 반도체의 개발 / 발명 / 발견은 다이오드와 트랜지스터에 영향을 미쳤다. 트랜지스터는 부울 대수를 구현하는 기본 논리 게이트와 기본 메모리 요소를 구현하는 플립 플롭으로 구성됩니다. 이 기본 로직 게이트는 더하기 (가산기), 빼기 (감산기), 멀티플렉싱 (스위칭) 또는 디 멀티플렉싱 또는 왼쪽 시프트 또는 오른쪽 시프트 등을 구현하는보다 복잡한 회로로 구성됩니다. 이 복잡한 회로는 ALU, 명령 디코더, 메모리 주소 디코더 또는 다른 인터페이스를 만들기 위해 일부 제어 로직과 함께 멈춰 있습니다. 이 ALU는 명령 디코더, 메모리 주소 디코더, 메모리 또는 2 및 일부 다른 요소와 결합하여 CPU 또는 마이크로 프로세서를 형성합니다.

이 모든 것은 수백만 (또는 아마도 수십억)의 트랜지스터 게이트를 차지합니다. 현재 일부 FPGA 기술은 28 나노 미터 공정 기술을 사용하는데, 이는 AFAIK는 단일 게이트의 길이가 28 나노 미터임을 의미합니다. 대규모 (LSI) 및 초대형 (VLSI) 통합 회로 설계 및 구축은 물리 및 화학에 대한 매우 전문적인 지식과 매우 전문적이고 비싼 장비를 필요로하는 프로세스입니다.

기능적으로 마이크로 프로세서를 디자인하려면 할 수있는 일입니다. 또한 FPGA와 같은 재구성 가능한 하드웨어에서 구현할 수 있습니다. 실제로 마이크로 프로세서를 설계하려는 경우 또 다른 이야기입니다. 집적 회로를 설계하는 사람들은 일반적으로 게이트의 물리적 레이아웃을 지정하지도 않습니다. 소프트웨어 엔지니어가 사용하는 것과 달리 설계 도구를 사용하여 하드웨어 설명 언어 (HDL)를 사용하여 집적 회로가 원하는 것을 말한 다음이 도구를 사용하여 HDL을 게이트 레벨 사양으로 낮 춥니 다.

당신은 확실히 집에서 이것을 할 수 없을 것입니다! 제조 칩은 정확하고 값 비싼 복잡한 기계가 많이 포함 된 복잡한 프로세스입니다.

자체 마이크로 프로세서 개발에 관심이 있다면 VHDL 또는 Verilog를 배우고 FPGA에서 작동하도록 시작하십시오. 그런 다음 트랜지스터 레벨에서 칩 설계를 배우고 IC를 제조하는 것을 고려할 수 있습니다. 이것은 저렴하거나 단순하지 않으며 매우 특정한 기술이 필요합니다.

실제 IC 만들기 (이미 여기에서 매우 유머러스하고 정확한 방식으로 커버 됨) 외에도 IC 구현에 적합한 회로를 설계하는 방법을 알아야합니다. IC 내에서 많은 수동 구성 요소를 찾을 수는 없습니다. 제대로 작동하지 않으며 일반적으로 불균형이 큰 영역을 차지합니다. 대신 현재 미러, 소스 및 싱크가 많이 있습니다. P 및 N 유형 장치는 동일하게 생성되지 않으므로 그에 따른 불평등도 이해해야합니다. 실제로, "자체 롤링"공정이므로 다양한 레벨의 도핑 농도 ( "무지개 웨이퍼")로 일부 테스트 웨이퍼를 촬영해야합니다. )를 다양한 테스트 구조로 설정 한 다음 트랜지스터 유형 라이브러리를 얻기 위해 많은 시간과 노력을 들여 (최소 10 인 이상) 그림을 작성합니다. 라이브러리를 갖추면 레이아웃에 대한 이해가 있다고 가정하면 회로 설계를 시작할 수 있습니다. AFTER fab을 잊지 말고 테스트를 시작하고 디버그하십시오. 그것은 완전히 새로운 장입니다!