集積回路はどのように製造されますか？

集積回路（マイクロプロセッサなど）は、最初から最後までどのように製造されますか？たとえば、抵抗、フィールドにエネルギー（ビット）を保存するためのコンデンサ、トランジスタなどの配線が必要です。

これはどのように行われますか？集積回路を構築するには、どのような機械および化学プロセスが必要ですか？

大したことはありません。まず、シリコンの山を取得します。独自のチップを作成する場合、通常のビーチサンドのバケツには生涯の供給が含まれています。この惑星にはたくさんのシリコンがありますが、ほとんどすべてが酸素に悩まされています。これらの結合を解除し、シリコン以外のものを破棄し、残ったものを改善する必要があります。

有用なチップを作るには、非常に純粋なシリコンが必要です。酸化ケイ素を元素シリコンに精錬するだけでは不十分です。砂のバケツは主に二酸化ケイ素でしたが、他の鉱物、カタツムリの殻（炭酸カルシウム）、犬の糞、その他何でも少ししかありません。このようなものの一部の要素は、溶融シリコン混合物になります。これを取り除くには、さまざまな方法がありますが、ほとんどの場合、シリコンを適切な温度と速度で結晶化することを非常に慎重に行う必要があります。その結果、ほとんどの不純物が結晶化境界の前に押し出されます。これを十分な回数行うと、インゴットの一方の端に十分な不純物が押し込まれ、もう一方の端が十分に純粋になる場合があります。確かに、あなたは純粋な考えだけを考えながら、満月の間に死んだ魚を振りかけます。後でチップが良くないことが判明した場合、1つの可能性は、魚に間違った種を使用することによってこのステップに失敗したか、あなたの考えが十分に純粋ではなかったことです。その場合は、手順1から繰り返します。

純粋な結晶シリコンが得られたら、もうほぼ100ステップで完了です。次に、純粋なシリコンをウェーハに切断します。たぶんそれはテーブルソーか何かでできます。シアーズがシリコンインゴット切断ブレードを販売しているかどうかを確認してください。

次に、非常に滑らかになるようにウェーハを研磨します。テーブルソーブレードからのすべての荒いものはなくなる必要があります。光の波長程度まで下げることが望ましい。ああ、そして、開いた表面で酸素をさせないでください。地下室を不活性ガスで満たして、研磨を終えるまで長時間息を止めなければなりません。

次に、チップを設計します。それは、画面上で多数のゲートをつなぎ合わせて、いくつかのソフトウェアを実行するだけです。数十万ドルを費やすか、数十万人年分の空きがある場合は自分で作成します。おそらく基本的なレイアウトシステムを実行できますが、本当に優れた機能を実行するには、いくつかの企業秘密を盗む必要があります。本当に賢いアルゴリズムを見つけた人々は多くのM $を費やしていたので、すべてのクールなビットを無料で提供したくありません。

レイアウトができたら、マスクに印刷する必要があります。これは通常の印刷と似ていますが、数桁の細かい詳細を除きます。

さまざまな層とフォトリソグラフィーステップ用のマスクを作成したら、それらをウェーハに露光する必要があります。まず、フォトレジストを削り、使用する光の波長の数分の一まで均一な厚さになるようにします。次に、レジストを露光および現像します。指定されたマスクのように、ウェーハの一部の領域ではレジストが残り、他の領域ではレジストが残りません。ビルドまたはエッチングまたはチップへの拡散を行う各レイヤーに対して、非常に正確に制御された温度と時間で、通常はガスである特殊な化学物質を適用します。ああ、ウェーハ上の同じ場所にある各層のマスクを数100 nm以上に揃えることを忘れないでください。そのためには本当に安定した手が必要です。その日のコーヒーはありません。ああ、覚えておいてください、酸素はありません。

十数個のマスクステップの後、あなたのチップはほとんど準備ができています。今度は、それぞれをテストして、どれが不純物にぶつかるか、さもなければ混乱したかを調べる必要があります。それらをパッケージに入れる意味はありません。そのためには、本当に小さなスコーププローブが必要になります。その目的のためにあなたがチップに設計した特別なパッド上で、ターゲットに数十μm以内の数十個のプローブを保持しているので、呼吸しないようにしてください。すでに不動態化のステップを完了している場合は、酸素雰囲気でこれを行い、今すぐ息を吸うことができます。

ほぼ完了しました。これで、ウェーハをチップに分割し、以前に見つけたものを捨てるのに注意して、それは良くありませんでした。たぶん、それらをバラバラにしたり、見たりすることはできますが、もちろん、ウェーハの上部に触れることはできません。

これでチップは手に入りましたが、それでも何らかの方法で接続する必要があります。シリコンへのはんだ付けは非常に面倒であり、はんだごてにはとにかく十分なチップがありません。通常、チップのパッドと使用するパッケージのピンの内側の間にスポット溶接された非常に細い金のボンドワイヤを使用します。上部をたたいて、エポキシが十分に詰まっていることを確認してください。

そこでは、それほど悪くはないでしょうか？

この質問は、「地下に747ジェット旅客機を建設したいのですが、図面と原材料からのみ行う必要があります」という質問に相当します。このような質問が実際に聞かれるという事実は、現代の半導体製造に関与するものの複雑さと、それに伴う純粋な創意性をあまり評価していないことを示しています。

処理について知っておくべきことは、原料からすべてを構築することです。ウェーハを除く。簡単に購入できます。ただし、開始したら、デバイスを階層化していきます。ケーキを焼くようなものです。エンジンと炭素複合材料を個別に注文することで、独自の飛行機を構築できます。しかし、ここでは原料からすべてを作成する必要があります。また、動作するデバイスを取得するための製造の複雑さは驚くほど困難です。

検討する必要のある少数の項目をリストします。

業界：

1. 消費されたお金、消費された人力、書かれた論文、博士号取得などに関して、人類の歴史の中でこれまでに製造された製品をもたらす他の単一の技術的努力がありました。

   機能のサイズと機能に関係なく、何をしようとしているかに関係なく、次のことに注意する必要があります。

清潔さ：

1. Siウェーハは、この惑星に存在する最も純粋な物質の一部です。標準のを使用する場合$15 \: \Omega \cdot \text{cm}$

2. 処理では、脱イオン（DI）水が使用されます。これは非常に純粋なので、電気抵抗はメガオームで測定されます。水には汚染物質がほとんどないため、伝導が停止します。半導体処理の初期の主要な汚染物質（Intelの名声のAndy Groveによって発見された）はナトリウムです。CMOSプロセスはこの汚染物質に非常に敏感であるため、平均的な指紋に含まれる汗の塩からのナトリウムは、10,000ガロン（25,000 L）のDI水を汚染するのに十分です。

3. 動作環境：床面積のすべての平方メートルは、空気を通過させ、ろ過し、戻すために上下に空気プレナムを持たなければなりません。標準的な工場では、毎日何百万立方メートルの空気を移動します。実際には、各ファブは3階から成り、最下階と最上階を使用する空気処理を行い、中央にのみ人/機器があります。重要なようです。

厄介な殺し屋-瞬時に化学物質を殺すか、より良いあなたの顔をゆっくりと焼くタイプ：

1. フッ化水素酸：ガラス越しに食べるのは、骨に含まれるすべてのおいしいカルシウムが大好きです。皮膚に落とすと、皮膚を貫通し（皮膚はこれを透過します）、神経のカルシウムチャンネルに向かい、骨に向かいます。とても痛い。

2. 特殊なエッチング薬品：見てみましょう...私のお気に入りは「ピラニアエッチング」と呼ばれるものです。有機材料を食べるため、80〜90°Cで動作する必要があるだけでなく、沸騰して混乱して噴出する傾向があるため、積極的に冷却する必要があると言われています。

3. シラン-自然発火性ガス-これは、炎の中で爆発し、酸素の存在下で爆発することを意味します。それは有毒であり、燃えるとSiO ₂蒸気を残します。つまり、空気は〜900℃のガラスの小さな微粒子で満たされます。そして、これはより良性の反応性ガスの1つであり、漏れ警報が鳴ったときに一般的に実行する意味がないと感じられる他の化学物質が存在します。すでに手遅れです。

4. ドーパント：N型およびP型半導体の作成を可能にする必要なドーパントを忘れないでください。ホウ素、リン、ヒ素、ガリウム（あまり一般的ではありません）。

5. ここで止めましょう...それ以外の場合は病的すぎます。そして、あなたはあなたが何兆ドルもの投資よりもうまくやれると思わない限り、選択の余地はありません。

6. 一般に、材料はすべて半導体グレードでなければなりません。だから、主要な中心地である必要と現地のサプライヤーは、手持ちの材料を持っている必要があります。一部の原材料は、出荷できないため、現地で製造する必要があります。

使用する機器に関するサンプルを次に示します。

1. 真空ポンプ：ほとんどのプロセスは真空状態で実行されます。

2. オーブンには、シランや超純酸素などのさまざまな化学物質を注入して1200°Cを維持できるオーブンが必要です。

3. 注入装置：ほとんどのドーパントは、改良された核加速器を介して基板に導入されます。良いニュースは、3 MeVを超える注入器は基質を放射性に変える傾向があるため、あまり強力ではないということです。したがって、高エネルギーになるようにそれらを構築することはできませんが、少なくとも1 MeVの注入器が必要です。高エネルギー注入装置を使用しないことを選択することもできますが、ドーパントを拡散させるために何時間もオーブンを稼働させる必要があります。

   最善の策は、中古機器を購入することです。残念ながら、直径100 mmおよび150 mmのウェーハ用の装置を設計および製造してから少なくとも20年が経過しており、中古市場にはありません。さまざまな大学が備品を備蓄しています。中古の200 mm機器を購入することをお勧めします。本当に良いニュースは、ドルで約15％しか手に入らないということです。したがって、1000万ドルのステッパー（ウエハーのイメージングに使用）は、たったの150万ドルです。

あります自宅でこれを行う人々は、それは少しあなたの裏庭での宇宙プログラムを構築しようとしているようなものです。これは、たとえば3Dプリンターよりもはるかに難しく、いくつかの厄介な化学と驚くほど高精度のエンジニアリングを伴います。

https://code.google.com/p/homecmos/。実際にはまだデバイスを製造していません。

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/：明らかに複数のトランジスタを備えた動作デバイス。

編集：実用的な目的で、化学よりも電子工学に興味がある場合は、VerilogとFPGAの学習を開始してください。

で、このサイトマイクロプロセッサの製造工程について説明します。必要な1500の各ステップを説明することは不可能ですが、非常に詳細です。

より適切な質問は、「マイクロプロセッサを作成するために電子回路をどのように、どのように組み合わせますか？」です。電子回路はマイクロプロセッサに埋め込まれていません。マイクロプロセッサは電子回路で構成されています。

抵抗、コンデンサ、およびインダクタは、受動アナログ回路要素です。半導体の開発/発明/発見は、ダイオードとトランジスタに取って代わりました。トランジスタは、ブール代数を実装する基本的な論理ゲートと、基本的なメモリ要素を実装するフリップフロップに構成されます。これらの基本的な論理ゲートは、加算（加算器）、減算（減算器）、多重化（スイッチング）、多重化解除、または左シフトまたは右シフトなどを実装するより複雑な回路に構成されます。これらの複雑な回路は、ALU、命令デコーダー、メモリアドレスデコーダー、または他のインターフェイスを作成するために、いくつかの制御ロジックと一緒に妨害されます。このALUは、命令デコーダ、メモリアドレスデコーダ、メモリまたは2、その他の要素と組み合わされて、CPUまたはマイクロプロセッサを形成します。

これはすべて、何百万（または多分数十億）のトランジスタゲートを占有します。現在のFPGAテクノロジーの中には28ナノメートルプロセステクノロジーを使用しているものがあります。これは、1つのゲートの長さが28ナノメートルであることを意味します。大規模（LSI）と超大規模（VLSI）の統合回路の設計と構築は、物理学と化学の非常に専門的な知識と非常に専門的で高価な機器を必要とするプロセスです。

マイクロプロセッサを機能的に設計する場合は、それを行うことができます。また、FPGAなどの再構成可能なハードウェアに実装することもできます。マイクロプロセッサを物理的に設計する場合、それは別の話です。集積回路を設計する人々は、一般に、ゲートの物理的なレイアウトさえ指定していません。彼らは、ソフトウェアエンジニアが使用するものとは異なり、ハードウェア記述言語（HDL）と呼ばれるものを使用して集積回路に何をさせたいかを言うために設計ツールを使用します。

あなたは間違いなくこれを自宅で行うことはできません！チップの製造は、多くの精密で高価な複雑な機械を含む複雑なプロセスです。

独自のマイクロプロセッサの開発に興味がある場合は、VHDLまたはVerilogを学習し、FPGAで動作させることから始めてください。次に、トランジスタレベルでチップ設計を学習し、ICを製造することを検討します。これは安価でも簡単でもないため、非常に具体的なスキルセットが必要です。

実際のICの作成（非常にユーモラスで正確な方法で既に説明している）以外に、ICの実装に役立つ回路の設計方法を知る必要があることを忘れないでください。IC内には非常に多くの受動部品はありません。それらはあまりうまく動作せず、通常は不均衡に大きな領域を占有します。代わりに、現在のミラー、ソース、シンクがたくさんあります。PタイプとNタイプのデバイスは同等に作成されないため、そこにある不平等も理解する必要があります。実際には、「独自の」プロセスを使用しているため、ドーピング濃度のレベルが異なるいくつかのテストウェーハ（「レインボーウェーハ」）を撮影する必要があります。）さまざまなテスト構造を使用し、最終的に何が起こるかを特徴付けるために多くの時間と労力（少なくとも10人年）を費やします-トランジスタタイプのライブラリを取得します。ライブラリを用意して、レイアウトをある程度理解していれば、回路設計を開始できます。製造後、テストとデバッグを開始することを忘れないでください。それはまったく新しい章です！