Comment sont fabriqués les circuits intégrés?

Comment les circuits intégrés (par exemple, un microprocesseur) sont-ils fabriqués du début à la fin? Par exemple, il doit y avoir un câblage avec des résistances, des condensateurs pour stocker de l’énergie (bits) dans un champ, des transistors, etc.

Comment est-ce fait? Quelles machines et quels processus chimiques sont requis pour la construction d'un circuit intégré?

Pas grave, vraiment. D'abord, vous obtenez une pile de silicium. Un seau de sable de plage ordinaire contient une réserve pour la vie si vous voulez faire vos propres jetons. Il y a beaucoup de silicium sur cette planète, mais il est principalement lié de manière si ennuyeuse à l'oxygène. Vous devez rompre ces liens, jeter le matériel non-silicium, puis affiner ce qui reste.

Vous avez besoin de silicium très très pur pour fabriquer des puces utiles. La simple fusion de l'oxyde de silicium en silicium élémentaire est loin d'être suffisante. Le seau de sable était principalement constitué de dioxyde de silicium, mais il y aura un peu d'autres minéraux, des morceaux de coquilles d'escargots (carbonate de calcium), de crottes de chiens, etc. Certains éléments de ce matériau se retrouveront dans le mélange de silicium fondu. Pour se débarrasser de cela, il existe différentes manières, la plupart d'entre elles permettant au silicium de se cristalliser à la température et à la vitesse appropriées. Cela finit par pousser la plupart des impuretés devant la limite de cristallisation. Si vous faites cela suffisamment de fois, une quantité suffisante d'impuretés est poussée à une extrémité du lingot et l'autre extrémité peut être suffisamment pure. Bien sûr, vous agitez un poisson mort dessus pendant la pleine lune en ne pensant qu'à des pensées pures. S'il s'avère par la suite que vos frites ne sont pas bonnes, une possibilité est que vous échouiez dans cette étape en utilisant la mauvaise espèce de poisson ou que vos pensées n'étaient pas assez pures. Si tel est le cas, répétez à partir de la première étape.

Une fois que vous avez du silicium cristallin pur, alors vous avez presque terminé, il vous suffit de faire une centaine d’étapes supplémentaires pour que tout soit parfait. Maintenant, coupez votre silicium pur en plaquettes. Peut-être que cela peut être fait avec une scie à table ou quelque chose. Vérifiez auprès de Sears pour savoir s'ils vendent des lames de coupe en silicium.

Ensuite, polissez les plaquettes de sorte qu'elles soient très très lisses. Toute la matière brute de la lame de scie à table doit être partie. Obtenez-le de préférence jusqu'à une longueur d'onde de lumière. Oh, et ne laisse pas l'oxygène à la surface ouverte. Vous devrez inonder votre sous-sol avec un peu de gaz inerte et retenir votre souffle pendant que vous aurez terminé le polissage.

Ensuite, vous concevez la puce. Il ne s'agit que de câbler un ensemble de portes sur un écran et d'exécuter certains logiciels. Vous pouvez dépenser quelques centaines de k $ ou utiliser le vôtre si vous avez quelques 10 années d’homme-années gratuites. Vous pouvez probablement faire un système de mise en page de base, mais vous devrez voler des secrets commerciaux pour pouvoir faire le très bon travail. Les personnes qui ont compris les algorithmes très intelligents ont dépensé beaucoup de M $ pour le faire, alors ne voulez pas donner gratuitement tous les éléments intéressants.

Une fois que vous avez la mise en page, vous devrez l’imprimer sur des masques. C'est comme une impression normale, à l'exception de quelques ordres de grandeur plus fins.

Une fois que vous avez les masques pour les différentes couches et étapes de photolithographie, vous devez les exposer sur la tranche. D'abord, vous appliquez de la colle sur la résine photosensible, en vous assurant qu'elle a une épaisseur uniforme ne dépassant pas une fraction de la longueur d'onde de la lumière que vous utiliserez. Ensuite, vous exposez et développez la réserve. Cela laisse de la résistance sur certaines zones de votre plaquette et non sur d'autres, tout comme le masque spécifié. Pour chaque couche que vous souhaitez construire, graver ou diffuser dans la puce, vous appliquez des produits chimiques spéciaux, généralement des gaz, à des températures et à des moments très précisément contrôlés. Oh, et n'oubliez pas d'aligner les masques de chaque couche au même endroit sur la tranche à quelques centaines de nm ou mieux. Vous avez besoin de mains vraiment stables pour cela. Pas de café ce jour-là. Oh, et rappelez-vous, pas d'oxygène.

Après une douzaine d'étapes de masque, vos jetons sont presque prêts. Maintenant, vous devriez probablement tester chacun d’entre eux pour savoir lesquels ont frappé des impuretés ou qui ont été endommagés. Inutile de les mettre dans des paquets. Pour cela, vous aurez besoin de sondes vraiment minuscules. Essayez de ne pas respirer car vous tenez une douzaine de sondes dans leurs cibles à quelques µm près des pads spéciaux que vous avez conçus pour les puces. Si vous avez déjà effectué l'étape de passivation, vous pouvez le faire dans une atmosphère d'oxygène et respirer maintenant.

Presque fini. Maintenant, vous coupez la plaquette en copeaux, en prenant soin de jeter ceux que vous avez trouvés plus tôt ne servent à rien. Peut-être pouvez-vous les séparer ou les voir, mais vous ne pouvez bien sûr pas toucher le haut de la plaquette.

Vous avez les jetons maintenant, mais vous devez toujours vous y connecter d'une manière ou d'une autre. Souder sur du silicium causerait trop de gâchis, et les fers à souder n'ont pas assez de bouts de toute façon. Vous utilisez généralement des fils de liaison dorés très minces soudés par points entre les plots de la puce et l'intérieur des broches de l'emballage que vous décidez d'utiliser. Tapez sur le dessus et appliquez-y suffisamment d'époxy pour qu'il reste bien fermé.

Là, ce n'était pas si terrible, n'est-ce pas?

Cette question équivaut à demander: "Je veux construire un avion de ligne 747 dans mon sous-sol, mais je dois le faire uniquement à partir de dessins et de matières premières." Le fait de poser une question comme celle-ci montre bien à quel point on comprend mal la complexité de la fabrication des semi-conducteurs modernes et la pure inventivité que cela implique.

Ce qu'il faut savoir sur le traitement, c'est que vous construisez tout à partir de matières premières. Sauf les gaufrettes; vous pouvez facilement les acheter. Mais une fois que vous avez commencé, vous superposez l’appareil au fur et à mesure; c'est comme faire un gâteau. Vous pouvez construire votre propre avion en commandant des moteurs et des matériaux composites de carbone séparément. Mais ici, vous devez tout fabriquer à partir de matières premières. Et la complexité de la fabrication, même pour obtenir des appareils en fonctionnement, est incroyablement difficile.

Je vais juste énumérer un petit nombre de choses à considérer.

L'industrie:

1. Les efforts consacrés à l’argent dépensé, à la consommation de main-d’œuvre ou au nombre de communications écrites, de doctorats obtenus, etc. ont été plus importants que tous les autres projets techniques aboutissant à un produit manufacturé dans l’histoire de l’humanité.

   Sans tenir compte de la taille et de la capacité des fonctionnalités, vous devez être conscient des éléments suivants, indépendamment de ce que vous allez essayer.

Propreté:

1. Les plaquettes de silicium font partie des substances les plus pures qui aient jamais existé sur cette planète. Si j’utilise une plaquette standard (ce qui est habituellement utilisé dans la CMOS), la densité de dopant est de 1 × 10 ¹⁵ atomes / cm ^-3 . Il y a 5 × 10 ²² atomes / cm ^-3 dans Si. Cela signifie donc que pour 50 millions d'atomes de silicium, il y a un atome de dopant. Vous avez vraiment besoin d’équipements, de procédures et de procédures spécialisées pour pouvoir le maintenir.$15 \: \Omega \cdot \text{cm}$

2. Lors du traitement, de l'eau déminéralisée (DI) est utilisée. Ceci est si pur que la résistance électrique est mesurée en mégaohms. Il y a tellement peu de contaminants dans l'eau que l'eau cesse de conduire. Le sodium est un contaminant majeur au début du traitement des semi-conducteurs (découvert par Andy Grove, célèbre pour Intel). Les processus CMOS sont si sensibles à ce contaminant que le sodium du sel de votre sueur contenu dans l'empreinte moyenne est suffisant pour contaminer 10 000 gallons (25 000 L) d'eau désionisée.

3. Environnement d'exploitation: chaque mètre carré de surface de plancher doit avoir un plénum d'air au-dessus et au-dessous pour faire passer l'air, le filtrer et le ramener. Dans une usine standard, ils déplacent des millions de mètres cubes d'air chaque jour. En réalité, chaque usine comprend trois étages avec traitement de l’air utilisant les étages inférieur et supérieur, et seul le centre ayant des personnes / équipements. Cela semble assez important.

Une sorte de produit chimique tue-tu-tu-mort-instantanément ou de types plus doux qui brûlent lentement votre visage:

1. L'acide fluorhydrique: mange à travers un verre, aime tout ce goût de calcium dans vos os. En cas de chute sur votre peau, il pénètre à travers la peau (la peau est perméable à celle-ci) et se dirige vers les canaux calciques des nerfs et se dirige vers les os. Très douloureux.

2. Produits chimiques de gravure spécialisés: Voyons voir ... mon préféré est quelque chose appelé "Piranha etch". Parce qu'il mange des matières organiques, il doit fonctionner entre 80 et 90 ° C, mais doit également être refroidi activement, car il a tendance à fuir et à faire irruption dans un gâchis bouillant.

3. Silane - un gaz pyrophorique - ce qui signifie qu'il s'enflamme et explose en présence d'oxygène. Il est toxique et laisse une vapeur de SiO ₂ lorsqu’il brûle, ce qui signifie que l’air est rempli de minuscules particules microscopiques de verre pouvant atteindre environ 900 ° C. Et c’est l’un des gaz réactifs les plus bénins. Il ya d’autres produits chimiques présents. Lorsque l’alerte de fuite se déclenche, on a généralement l’impression inutile de courir: c’est déjà trop tard.

4. Dopants: N'oublions pas les dopants nécessaires à la création de semi-conducteurs de type N et de type P. Bore, Phosphore, Arsenic, Gallium (moins commun).

5. Arrêtons-nous ici… ce sera trop morbide sinon. Et non, vous n’avez pas le choix, à moins que vous ne pensiez pouvoir faire mieux que des billions de dollars d’investissement.

6. Les matériaux en général doivent tous être de qualité semi-conductrice. Il faut donc être dans un grand centre et les fournisseurs locaux doivent avoir le matériel en main. Certaines matières premières doivent être fabriquées localement car vous ne pouvez pas les expédier.

Voici quelques exemples de matériel utilisé:

1. Pompes à vide: la plupart des processus fonctionnent dans des conditions de vide.

2. Pour le four, vous avez besoin d’un four pouvant supporter une température de 1200 ° C avec divers produits chimiques injectés comme du silane et de l’oxygène ultra-pur, etc.

3. Implants: la plupart des dopants sont introduits dans le substrat via un accélérateur nucléaire modifié. La bonne nouvelle est qu'il ne peut pas être trop puissant, car les implanteurs de plus de 3 MeV ont tendance à rendre le substrat radioactif, ils ne les construisent donc pas avec une énergie trop élevée, mais vous aurez toujours besoin d'un implanteur d'au moins 1 MeV. Vous pouvez choisir de ne pas utiliser d'implanteur à haute énergie, mais vous devez ensuite faire fonctionner le four pendant de nombreuses heures pour permettre aux dopants de diffuser.

   Le mieux est d'acheter de l'équipement usagé. Malheureusement, cela fait au moins 20 ans que tout le monde a conçu et construit des équipements pour plaquettes de 100 et 150 mm de diamètre, et il n'y en a pas sur le marché usagé. Diverses universités ont stocké du matériel. Je recommanderais d'acheter du matériel usagé de 200 mm. La très bonne nouvelle est que l’on ne peut se procurer que 15% du dollar. Donc, ce qui aurait été un stepper de 10 millions de dollars (utilisé dans l'imagerie des wafers) ne représente plus que 1,5 million de dollars.

Il y a des gens qui le font à la maison, mais c'est un peu comme essayer de construire un programme spatial dans votre jardin. C'est beaucoup plus difficile que, par exemple, une imprimante 3D, et implique une chimie désagréable et une ingénierie d'une précision étonnante.

https://code.google.com/p/homecmos/ , bien qu'ils n'aient pas encore produit d'appareil.

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/ : apparemment un dispositif en fonctionnement avec plusieurs transistors.

Edit: pour des raisons pratiques, et si vous êtes plus intéressé par l’électronique que par la chimie, commencez à apprendre le Verilog et les FPGA.

Sur ce site, le processus de fabrication d'un microprocesseur est expliqué. Bien détaillé même s'il est impossible d'illustrer chacune des 1500 étapes requises.

Une question plus appropriée est "quoi et comment les circuits électroniques sont combinés pour créer des microprocesseurs?" Les circuits électroniques ne sont pas implantés sur les microprocesseurs. Les microprocesseurs sont composés de circuits électroniques.

Les résistances, les condensateurs et les inductances sont des éléments de circuit analogiques passifs. Le développement / invention / découverte des semi-conducteurs a cédé le pas aux diodes et transistors. Les transistors sont configurés dans des portes logiques de base qui implémentent l'algèbre booléenne et des bascules qui implémentent des éléments de mémoire de base. Ces portes logiques de base sont configurées dans des circuits plus complexes qui implémentent l'addition (un additionneur), la soustraction (un soustracteur), le multiplexage (commutation), ou le multiplexage, ou le décalage à gauche ou à droite, etc. Ces circuits complexes sont coincés avec une logique de commande pour créer une unité ALU, un décodeur d’instructions, un décodeur d’adresses mémoire ou une autre interface. Cette unité ALU est combinée à un décodeur d’instructions, un décodeur d’adresses mémoire, une mémoire ou 2 et quelques autres éléments pour former une CPU ou un microprocesseur.

Tout cela prend des millions (ou peut-être même des milliards maintenant) de grilles de transistors. Certaines technologies FPGA actuelles utilisent une technologie de traitement de 28 nanomètres. AFAIK signifie qu’une porte simple a une longueur de 28 nanomètres. La conception et la construction de circuits intégrés à grande échelle (LSI) et à très grande échelle (VLSI) est un processus qui nécessite des connaissances très spécialisées en physique et en chimie ainsi que des équipements très spécialisés et coûteux.

Si vous souhaitez concevoir de manière fonctionnelle un microprocesseur, vous pouvez le faire. Et vous pourriez probablement l'implémenter sur du matériel reconfigurable tel qu'un FPGA. Si vous voulez concevoir physiquement un microprocesseur, c'est une autre histoire. Les personnes qui conçoivent des circuits intégrés ne spécifient généralement même pas la disposition physique des portes. Ils utilisent des outils de conception, similaires à ceux utilisés par les ingénieurs logiciels, pour indiquer ce qu’ils veulent que leur circuit intégré fasse en utilisant un langage appelé HDL (Hardware Description Language), puis les outils réduisent le HDL à une spécification de niveau de porte.

Vous ne pourrez certainement pas le faire chez vous! La fabrication de puces est un processus complexe impliquant de nombreuses machines complexes, coûteuses et précises.

Si vous souhaitez développer votre propre microprocesseur, commencez par apprendre le langage VHDL ou Verilog et familiarisez-vous avec le travail sur un FPGA. Vous pourriez alors envisager d’apprendre à concevoir des puces au niveau des transistors et à fabriquer un circuit intégré. Ce n'est pas cher ni simple et nécessite un ensemble de compétences très spécifiques.

N'oublions pas qu'outre la FABRICATION du circuit intégré actuel (déjà couvert ici de manière très humoristique et précise), vous devez également savoir comment concevoir des circuits qui se prêtent à la mise en œuvre de circuits intégrés. Vous ne trouverez pas beaucoup de composants passifs dans un CI - ils sont moins bien comportés et occupent généralement une superficie disproportionnée. Au lieu de cela, vous trouverez de nombreux miroirs, sources et puits actuels. Les périphériques de type P et N ne sont pas créés égaux, vous devez donc également comprendre les inégalités. En fait, comme vous «lancez votre propre processus», vous devrez utiliser des plaquettes d’essai présentant différents niveaux de concentration de dopage («plaquettes arc-en-ciel»). ) avec une variété de structures de test, puis consacrez beaucoup de temps et d’efforts (calculez au moins 10 années-homme) pour caractériser ce que vous obtenez - pour obtenir une bibliothèque de types de transistors. Armé de votre bibliothèque, vous pouvez commencer la conception de votre circuit, à condition de bien comprendre la mise en page. N'oubliez pas APRÈS fab, commence le test et le débogage. C'est un tout nouveau chapitre!