Делаем микросхемы дома — шаги 0 и 1 / Хабр
В этой статье я расскажу о начале своей работы над совершенно безбашенной задачей: конечная цель в том, чтобы получить рабочую микросхему по «толстым» нормам (5-10µm) дома. Это не первое апреля и я не сумасшедший, это просто моё хобби.
Возникла эта идея не сейчас и неспроста. С детства я хотел быть газосварщиком, и… делать микросхемы. И если по первому пункту мне достаточно быстро удалось сделать дома сварочный аппарат (бутан-водород/кислород), то с микросхемами все никак не складывалось. Долгое время все мысли останавливались на том, что я не знал где можно взять собственно полупроводники необходимой чистоты (и мысли останавливались на ковырянии мощных транзисторов), пока на форуме не подсказали что в принципе, можно и купить пластины. Затем я даже наткнулся на человека, который 20 лет работал над похожей задачей, и в итоге сдался. Пожалуй, тут можно было опустить руки и перестать тратить время на глупые мечты.
Но, однажды я увидел ролик чудовищно гениальной женщины – Jeri Ellsworth – она смогла сделать отдельные полевые транзисторы на основе заводских пластин – и тогда я решил, что настало время поплотнее заняться этой проблемой.
В этой статьях я расскажу о своём текущем прогрессе, но не ждите быстрого продолжения – весь процесс может легко занять пару лет.
Шаг 0:
Были скуплены все книги по теме из местных Интернет-магазинов (как раз на 1 полку), повыкачаны из торрентов все доступные сборники оцифрованных книг. Теоретической информации там конечно много, но с практической стороны – многое покрыто мраком. Даже старые техпроцессы в деталях не описаны нигде, и потому придется много пробовать. Также перерыл интернет в поисках местных поставщиков всех потенциально необходимых материалов (собственно кремний, фоторезисты, химия, газы). Пока найти не удалось местную компанию которая может изготавливать асферическую оптику из оптического/кварцевого стекла – но это в ближайший год не станет препятствием.
Шаг 1: Кремний
Монокристаллический кремний – сердце домашней микросхемы. Вырастить дома – хоть и реально (по моим безумным меркам), но чертовски дорого. Потому я стал гуглить местных производителей кремния – кто-то говорил что они свернули производство и занимаются только сдачей помещений в аренду, кто-то не отвечал, пока наконец я не дошел до компании Терасил – там я наконец смог купить все что мне нужно. Самое главное – разрезанные и отполированные пластины монокристаллического кремния легированного в P и N тип (справа на фото).
Далее – куча разбитых пластин для тренировки. Потренировался раскалывать пластину на кусочки (оказалось, что они все с ориентацией кристаллической решетки 111 – раскалываются треугольниками, а не квадратами). Т.к они еще не отполированы – я попробовал и отполировать – провал полный: паста гои кремний не берет, нужна алмазная паста. Если со временем получится полировать, можно будет пробовать делать солнечные батареи (а из монокристаллического кремния они получаются довольно эффективные).
И наконец – кусочки монокристаллического кремния. Те что толстые слева – погрязнее (но достаточно чистые для микросхем), 2 тоненьких справа – сверхчистые, намного выше требований чистоты кремния для обычных микросхем. Само собой, разрезать их дома не выйдет (если конечно не завалялась алмазная дисковая пила) – только разбить. Нужны для того чтобы пробовать осаждать пленки аморфного кремния химическим (PE CVD Sih5) или физическим (испарение в вакууме) путем.
Какие дальше стоят задачи
- В первую очередь – строительство печи на 1200 градусов для маленького образца. Промышленные печи под такую температуру в квартире не поставить, и стоят огого. Потому буду пробовать нагревать образец галогеновыми лампами с рефлекторами.
- Переезд в отдельную квартиру: меня сразу выгонят увидев бородатого мужика в противогазе и резиновых перчатках с кучей подозрительных баночек.
- Далее – необходимая химия и фоторезисты – и можно пробовать делать 1 транзистор по процессу Jeri.
Что я ищу и пока не нахожу
В первую очередь – это информация. Хотелось бы иметь контакты людей, которые работают на производстве – ведь я соберу все грабли, которые технологи собирали последние 50 лет Затем – информация о техпроцессах и главное – библиотеки под толстые техпроцессы – пока мне их не удалось достать, а из отдельных транзисторов особо не по-проектируешь. Ну и наконец, хочу найти разработчика ASIC, который показал бы мне основные шаги разработки (кое-что я думаю что знаю, но много пробелов и я могу ошибаться сильно). По всем этим вопросам приглашаю на форум по этому проекту (English only).
Комментарии / мнения — в студию.
Студент освоил производство микросхем в гараже на самодельном «железе» и крушит незыблемый «закон Мура»
Бизнес Кадры Техника
|
22-летний Сэм Зилоф построил собственный мини-завод по выпуску микросхем.
Он собрал его из устаревшего оборудования, а также из «железа», разработанного своими силами. За его плечами уже две микросхемы. За четыре года он развил производство со 175 микрон до 0,3 микрона и нарастил количество транзисторов с шести до 1200, то есть в 200 раз. «Закон Мура», которому следует Intel, говорит о двукратном приросте числа транзисторов каждые два года.
Гаражная фабрика по выпуску микросхем
22-летний на момент публикации материала разработчик оснастил свой гараж многочисленными установками для полного цикла производства микросхем. Он скупает подержанное устаревшее оборудование, большую часть приобретая в штате Нью-Джерси (США).
Часть оснащения он изготовил собственными руками, в том числе и фотолитографическую станцию. Он просто купил на Amazon подержанный проектор для конференц-залов, немного модернизировал его и совместил с микроскопом. Это сэкономило ему десятки миллионов долларов, в которые оцениваются заводские машины для фотолитографии.
По темпам развития завод Зилофа опережает мировую индустрию полупроводников
Лаборатория Зилофа включает в себя оборудование, которое он буквально спас от утилизации. Нередко он покупает «железо» и на интернет-аукционах. К примеру, на eBay он нашел набор из дешевого оборудования для производства чипов 40- и даже 50-летней давности, которое когда-то принадлежало закрытым калифорнийским технологическим компаниям.
Всего за три года Зилоф разработал две полноценные микросхемы. В декабре 2021 г. он приступил к созданию третьей.
От чипа к чипу возможности его творений растут. Как пишет портал ArsTecnnica, Сэм Зилоф проходит тот же путь, что и мировая индустрия полупроводников, только с отставанием на несколько десятков лет.
Быстрее, чем Intel
Над транзисторами собственной разработки Зилоф начал работать в 2016 г. Его вдохновили видеоролики изобретательницы Джери Эллсуорт (Jeri Ellsworth), размещенные на YouTube.
Гаражная «мастерская» Зилофа
В них Эллсуорт демонстрировала процесс создания собственных транзисторов, но они у нее были размером с большой палец. Зилоф решил взять за основу разработанный ею техпроцесс, усовершенствовать его и перейти от одиночных транзисторов к интегральным схемам.
В 2018 г. Зилоф создал свою первую микросхему, которую назвал Z1. Также он с нуля проработал и весь процесс ее изготовления, который состоит почти из 70 отдельных шагов. В общей сложности на изготовление одной микросхемы у Зилофа уходило около 12 часов.
Z1, самое первое творение Сэма
Оригинальная Z1 состояла из шести транзисторов. Спустя три года, к августу 2021 г., у Зилофа был готов второй проект с предсказуемым названием – Z2. Он создавал ее с нуля, самостоятельно нарезая кремниевые пластины и рисуя на них микроскопические узоры с помощью ультрафиолета. Весь процесс он документировал в роликах на своем YouTube-канале и в личном блоге.
Мобильное приложение как главная точка формирования клиентского опыта
ПО
Для производства Z2 использовал всего пять устройств – вакуумную камеру для осаждения металла, микроскоп, плиту, собственный фотолитографический аппарат и трубную печь.
Чип Z2 с 1200 транзисторами
Данный «закон» представляет собой наблюдение, сделанное в 1965 г. основателем Intel Гордоном Муром (Gordon Moore). Оно гласит, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца или каждые два года.
Планы на ближайшее будущее
С декабря 2021 г. и по настоящее время Сэм Зилоф занят проектом под ожидаемым названием Z3. Это микросхема, способная выполнять операцию сложения и, по всей видимости, это лишь промежуточный чип.
В планы Зилофа входит выпуск полноценного микропроцессора, способного тягаться со знаковым для Intel и всей планеты чипом с индексом 4004. Это первый в мире коммерческий микропроцессор. Он состоял из 2300 транзисторов.
Работа над Z3 идет полным ходом
Параллельно Зилоф постепенно совершенствует собственную мини-фабрику.
Если оригинальная микросхема Z1 имеет техпроцесс 175 микрон, то с недавних пор Зилофу доступна топология 0,3 микрона или 300 нм.
Как в VK создали корпоративный суперапп для 10 тысяч сотрудников
Цифровизация
Это уровень коммерческой индустрии микросхем образца середины 1990-х годов. Столь внушительный скачок Зилоф сделал благодаря небольшим изменениям, внесенным в конструкцию его самодельной фотолитографической станции.
Сэм не исключает, что свою жизнь он свяжет именно с полупроводниками
В 2022 г. Зилоф окончит вуз. С его слов, он пока не знает, чем будет заниматься после учебы. Один из вариантов – это все та же разработка микросхем, только на современном оборудовании.
- Почём сегодня объектное хранилище на 2 000 Гб? Предложения десятков поставщиков ― на ИТ-маркетплейсе Market.CNews
Эльяс Касми
Изготовление микросхем | Компьютерный мир
Практическое руководство
org/Person» itemprop=»author»> Гэри АнтесКомпьютерный мир |
В мире мало вещей столь же простых, как песок, и, возможно, таких сложных, как компьютерные чипы. Тем не менее, простой элемент кремний в песке является отправной точкой для создания интегральных схем, которые сегодня питают все, от суперкомпьютеров до сотовых телефонов и микроволновых печей.
Превращение песка в крошечные устройства с миллионами компонентов — выдающийся научный и инженерный подвиг, который казался невозможным, когда в 1947 году в Bell Labs был изобретен транзистор.
Подробнее
Computerworld
QuickStudies
Кремний — природный полупроводник. При некоторых условиях он проводит электричество; под другими он действует как изолятор. Электрические свойства кремния могут быть изменены добавлением примесей — процесс, называемый легированием. Эти характеристики делают его идеальным материалом для изготовления транзисторов — простых устройств, усиливающих электрические сигналы.
Транзисторы также могут действовать как переключатели — устройства включения/выключения, используемые в комбинации для представления логических операторов «и», «или» и «не».
Сегодня производится несколько типов микросхем. Микропроцессоры — это логические микросхемы, которые выполняют вычисления внутри большинства коммерческих компьютеров. Чипы памяти хранят информацию. Процессоры цифровых сигналов преобразуют аналоговые и цифровые сигналы (QuickLink: a2270). Интегральные схемы для конкретных приложений — это специализированные микросхемы, используемые в таких вещах, как автомобили и бытовая техника.
Процесс
Чипы производятся на многомиллиардных заводах, называемых фабриками. Фабрики плавят и очищают песок для производства 9Слитки монокристаллического кремния чистотой 9,9999%. Пилы нарезают слитки на пластины толщиной примерно с монетку и диаметром в несколько дюймов. Пластины очищаются и полируются, и каждая из них используется для создания нескольких чипов.
Эти и последующие шаги выполняются в среде «чистой комнаты», где принимаются всесторонние меры предосторожности для предотвращения загрязнения пылью и другими посторонними веществами.
Непроводящий слой диоксида кремния выращивается или осаждается на поверхности кремниевой пластины, и этот слой покрывается светочувствительным химическим веществом, называемым фоторезистом.
Фоторезист подвергается воздействию ультрафиолетового света, проходящего через узорчатую пластину или «маску», которая затвердевает на участках, подвергающихся воздействию света. Неэкспонированные области затем вытравливаются горячими газами, чтобы обнажить основу из диоксида кремния внизу. Основание и слой кремния под ним дополнительно травятся на разную глубину.
Затем фоторезист, затвердевший в процессе фотолитографии, удаляется, оставляя на чипе трехмерный ландшафт, который повторяет схему схемы, воплощенную в маске. Электропроводность некоторых частей чипа также можно изменить, легируя их химическими веществами под воздействием тепла и давления.
Фотолитографию с использованием разных масок с последующим дополнительным травлением и легированием можно повторять сотни раз для одного и того же чипа, создавая на каждом этапе более сложную интегральную схему.
Чтобы создать проводящие пути между компонентами, выгравированными на чипе, весь чип покрывается тонким слоем металла — обычно алюминия — и снова используется процесс литографии и травления, чтобы удалить все, кроме тонких проводящих путей. Иногда укладывают несколько слоев проводников, разделенных стеклянными изоляторами.
Каждый чип на пластине проверяется на правильную работу, а затем отделяется от других чипов на пластине с помощью пилы. Хорошие микросхемы помещаются во вспомогательные пакеты, которые позволяют вставлять их в печатные платы, а плохие микросхемы маркируются и выбрасываются.
См. также Computerworld QuickStudies
Связанный:
- Компьютеры и периферийные устройства
Copyright © 2002 IDG Communications, Inc.
Чат-бот Bing с искусственным интеллектом пришел работать на меня. Я должен был уволить его.
Как производятся компьютерные чипы?
© НИМЕДИА/Shutterstock.com
Ключевые пункты:
- Наиболее распространенными полупроводниковыми материалами, используемыми для производства компьютерных микросхем, являются диоксид кремния (или песок), германий и арсенид галлия.
- Одним из этапов процесса изготовления компьютерного чипа является фотолитография, при которой светочувствительный материал используется для переноса рисунка на подложку.
- Рисунок, сформированный в процессе травления, называется «маской», и именно он придает чипу форму и функциональность.
Компьютерные чипы, также известные как кремниевые микрочипы, представляют собой невероятно маленькие электронные устройства, используемые для хранения и обработки информации. Они контролируют все, от электроприборов до оргтехники, цифровых камер и медицинского оборудования.
Они берут всю эту информацию, будь то простое цифровое изображение или целый фильм, и превращают ее в полезный продукт. Каждый раз, когда вы нажимаете «Отправить» или «Ввод» на своем компьютере, вы используете новейшие технологии микрочипов для обработки и отправки ваших данных через Интернет или ваше офисное здание. Но откуда берутся эти чипы? Как они сделаны? Эта статья проведет вас через каждый шаг, связанный с процессом создания этих основных продуктов, которые держат нас на связи и ежедневно информируют.
Какие химические вещества используются при изготовлении компьютерных микросхем?
Компьютерный чип, также известный как интегральная схема, состоит из полупроводникового материала. Наиболее распространенным типом полупроводникового материала является кремний. Диоксид кремния, или песок (основной материал в компьютерных чипах). Другие материалы, используемые при изготовлении компьютерных микросхем, включают германий и арсенид галлия. Эти материалы используются, потому что они обладают особыми свойствами, которые делают их пригодными для изготовления транзисторов.
Когда вы включаете транзистор, прикладывая напряжение к его электроду затвора, вы заставляете электроны течь от электрода истока к электроду стока.
Изолятор препятствует протеканию тока до тех пор, пока транзистор не будет открыт. После включения транзистор действует как проводник, позволяя течь току. Если на электрод затвора не подается напряжение, ток не будет течь. Одним из важных моментов в этом процессе является то, что электрод затвора отключает ток только после того, как он достигает стока. Он не останавливает ток на полпути через устройство.
Другим ключевым элементом является то, что эти операции выполняются очень быстро, обычно с периодами, измеряемыми в наносекундах (миллиардных долях секунды). На одном куске кремниевой пластины можно создавать схемы, содержащие сотни тысяч транзисторов!
Как делают компьютерные чипы? Пошаговое руководство
Компьютерные микросхемы изготавливаются в процессе, называемом производством полупроводников. Полупроводники — это материалы, проводящие электричество, и их можно разделить на два основных типа: кремний (используемый для компьютерных микросхем) и германий.
Вот обзор процесса.
Шаг 1: Начните с песка
Промытый кварцевый песок перед поставкой. Кварцевый песок используется для производства кремния электронного класса, который используется в производстве микрочипов.©Nimit Ketkham/Shutterstock.com
Процесс изготовления компьютерного чипа начинается с особого вида песка, называемого кварцевым песком, который состоит из диоксида кремния. Основной компонент производства полупроводников, кремний, должен быть чистым, чтобы его можно было использовать в производственном процессе.
Этап 2: Очистка для получения слитка кремния
Слиток кремния представляет собой цилиндрический кусок чрезвычайно чистого кремния, выращенный в контролируемой среде. Кремний электронного класса чистоты 99,9999%, производится путем ряда процедур очистки и фильтрации. Затем он разрезается на прямоугольные пластины, которые в конечном итоге станут компьютерными чипами. Размер и форма пластины зависят от конечного использования.
Острые края сглажены и сделаны идеально ровными, чтобы электрические сигналы могли беспрепятственно проходить по его поверхности.
Этап 3: Нарезка пластин
На следующем этапе круглый слиток кремния нарезается на пластины. Производители чипов сначала разрезают кремниевые пластины до нужного размера, чтобы сделать компьютерный чип. Затем пластины полируются и очищаются перед дальнейшей обработкой. После того, как они нарезаны, они подвергаются ряду процессов, в ходе которых на поверхность штампа добавляются слои различных материалов. Эти слои служат разным целям, например, создают электрические пути или изолируют разные области чипа.
Этап 4: Фотолитография
Затем на пластину наносится тонкий слой фоторезиста. В фотолитографии светочувствительный материал используется для переноса рисунка на подложку. Первым шагом является покрытие подложки светочувствительным материалом, называемым фоторезистом. Затем пластина подвергается воздействию света с помощью маски, содержащей желаемый рисунок.
Затем открытые области фоторезиста проявляются, что создает отверстия в резисте, соответствующие желаемому рисунку. Затем пластина протравливается, что переносит рисунок на нижележащую подложку.
Этап 5: Ионы и легирование
Легирование — это процесс бомбардировки кремниевой пластины ионами для изменения ее проводимости после того, как экспонированный фоторезист был стерт. После смывания остатков фоторезиста выявляется рисунок импактного и неповрежденного материала.
Этап 6: Травление
Тонкий слой кремния удаляется с поверхности путем нанесения реактивных химикатов. Они применяются с разной скоростью в зависимости от того, насколько глубоко вы хотите, чтобы они вошли в поверхность. Если вы хотите удалить большое количество материала, применяйте химикаты в течение более длительного времени, чтобы они были как можно более сильными. Таким образом, многократно вытравливая и перерисовывая изображения, инженеры могут создавать сложные шаблоны для различных компонентов, таких как микросхемы памяти и процессоры.
Рисунок, сформированный в процессе травления, называется «маской», и именно он придает чипу его форму и функциональность. Маска изготовлена из фоторезистов — материалов, которые можно химически модифицировать для создания рисунка на поверхности.
Компьютерные микросхемы производятся в условиях «чистой комнаты» с соблюдением всех мер предосторожности во избежание загрязнения.©Gorodenkoff/Shutterstock.com
Шаг 7: Гальваническое покрытие
Почти готовый транзистор покрывается изолирующим слоем, и в нем вырезаются три отверстия. Затем производители наносят ионы меди на поверхность транзистора, используя процедуру, называемую гальванопокрытием, чтобы создать слой меди поверх изолятора. После удаления лишней меди в отверстиях изоляционного слоя остается только три отложения меди.
Шаг 8: Многоуровневые межсоединения
Компьютерные чипы, на которых работают наши устройства, состоят из множества слоев межсоединений, каждый толщиной всего в несколько атомов.
Межблочные соединения изготавливаются из металлических проводов, которые соединяют различные типы электрических компонентов. Каждый провод имеет определенную функцию, предназначенную для совместимости друг с другом, чтобы они могли общаться друг с другом. Теперь, когда все транзисторы взаимосвязаны, чип может выполнять операции, подобные процессору.
Шаг 9: Тестирование и разрезание кубика
Вафля разрезается на небольшие квадраты, называемые штампом. Каждый кристалл содержит миллионы транзисторов. Затем штампы тестируются и нарезаются на отдельные чипы. Затем чипы упаковываются и отправляются производителям компьютеров.
Шаг 10: Упаковка
В упаковку кристаллов входит подложка и теплораспределитель, и они принимают узнаваемую форму процессора для настольных ПК. Тепло передается от кремния теплораспределителем к расположенному над ним радиатору. После этого процессоры тестируются с точки зрения энергопотребления, максимальной частоты и других показателей производительности.
Далее…
- 5 лучших рождественских огней на солнечных батареях Приближается Рождество, и вы хотите украсить свои залы огнями… с ограниченным бюджетом. Вот как это сделать в солнечном стиле.
- Изучите историю Fairchild Semiconductor Мы расскажем об истории и вкладе Fairchild Semiconductor в технологии.
- 10 лучших фильмов о космосе Вы любитель научной фантастики? Тогда ознакомьтесь с нашей подборкой лучших когда-либо снятых космических фильмов!
Как производятся компьютерные чипы? FAQs (часто задаваемые вопросы)
Как делают микросхемы для компьютеров?
Микрочипы создаются путем наслоения взаимосвязанных рисунков на кремниевой пластине. От проектирования до массового производства, процесс производства микрочипа включает в себя сотни операций и может занимать до четырех месяцев.
Что заставляет работать компьютерные чипы?
Транзисторы функционируют как крошечные электрические переключатели на микросхеме, которые могут включать и выключать ток.
На кремниевой пластине формируется многослойная решетка из соединенных форм, создающая узор микроскопических переключателей.
Из чего большей частью состоят компьютерные микросхемы?
Кремний и металл — два основных компонента каждого компьютерного чипа. Процессор состоит из множества транзисторов, находящихся на каждом чипе. На одном чипе могут быть десятки миллионов транзисторов.
Как компьютерные чипы хранят данные?
Каждый двоичный бит данных хранится на полупроводниковой микросхеме памяти в ячейке памяти, небольшой схеме, состоящей из одного или нескольких транзисторов. Ячейки памяти на поверхности чипа расположены прямоугольными массивами.
об авторе
Элизабет Милн
Элизабет была внештатным писателем и редактором более 10 лет. Она начала свою карьеру, работая в Cisco Systems в качестве технического писателя, специализирующегося на электронных книгах, содержании веб-сайтов, официальных документах и практических руководствах по внутренним технологическим обновлениям.
