¿Cómo se fabrican los circuitos integrados (por ejemplo, un microprocesador) de principio a fin? Por ejemplo, debe haber un cableado con resistencias, condensadores para almacenar energía (bits) en un campo, transistores, etc. ....
¿Cómo se hace esto? ¿Qué maquinaria y procesos químicos son necesarios para construir un circuito integrado?
No es gran cosa, en realidad. Primero hay que conseguir un montón de silicona. Un cubo de arena de playa normal contiene un suministro de por vida si vas a hacer tus propios chips. Hay mucho silicio en este planeta, pero en su mayoría está tan molesto ligado al oxígeno. Hay que romper esos enlaces, desechar lo que no es silicio y luego refinar lo que queda.
Se necesita un silicio muy puro para hacer chips útiles. No basta con fundir el óxido de silicio para convertirlo en silicio elemental. El cubo de arena estaba compuesto en su mayor parte por dióxido de silicio, pero habrá pequeños trozos de otros minerales, trozos de conchas de caracol (carbonato cálcico), caca de perro y cualquier otra cosa. Algunos de los elementos de estas cosas acabarán en la mezcla de silicio fundido. Para eliminarlos, hay varias maneras, la mayoría de las cuales tienen que ver con dejar que el silicio se cristalice a la temperatura y velocidad adecuadas. Esto acaba empujando la mayor parte de las impurezas delante del límite de cristalización. Si se hace esto suficientes veces, las impurezas son empujadas a un extremo del lingote, y el otro extremo puede ser lo suficientemente puro. Para estar seguro, agita un pez muerto sobre él durante una luna llena mientras piensa sólo en pensamientos puros. Si más tarde resulta que tus fichas no son buenas, una posibilidad es que hayas estropeado este paso utilizando la especie de pez equivocada o que tus pensamientos no fueran lo suficientemente puros. Si es así, repite desde el primer paso.
Una vez que se tiene silicio cristalino puro, ya casi se ha terminado, sólo hay que dar otros 100 pasos más o menos que tienen que ser perfectos. Ahora corta tu silicio puro en obleas. Tal vez eso se puede hacer con una sierra de mesa o algo así. Comprueba en Sears si venden cuchillas para cortar silicio.
A continuación, pulir las obleas para que queden muy muy lisas. Hay que eliminar todas las asperezas de la hoja de la sierra de mesa. Preferentemente, hay que reducirla a una longitud de onda más o menos. Ah, y no dejes que el oxígeno en la superficie abierta. Tendrás que inundar tu sótano con algún gas inerte y aguantar la respiración durante mucho tiempo mientras terminas el pulido.
A continuación se diseña el chip. Eso es sólo cablear un montón de puertas en una pantalla y ejecutar algún software. O bien gastas unos cuantos cientos de k $ or make your own if you've got a few 10s of man-years free. You can probably do a basic layout system, but you'll have to steal some trade secrets to be able to do the really good stuff. The people that figured out the really clever algorithms spent many M$ haciéndolo, así que no quiero dar todas las partes geniales de forma gratuita.
Una vez que tengas el diseño, tendrás que imprimirlo en máscaras. Eso es igual que la impresión normal, excepto por unos cuantos órdenes de magnitud de detalles más finos.
Después de tener las máscaras para las distintas capas y pasos fotolitográficos, hay que exponerlas en la oblea. En primer lugar, se aplica la fotorresistencia, asegurándose de que tiene un grosor uniforme dentro de una fracción de la longitud de onda de la luz que se va a utilizar. A continuación, se expone y se revela el material de protección. Esto hace que la capa de resina cubra algunas zonas de la oblea y otras no, tal y como se especifica en la máscara. Para cada capa que se quiera acumular, grabar o difundir en el chip, se aplican productos químicos especiales, normalmente gases, a temperaturas y tiempos controlados con mucha precisión. Ah, y no hay que olvidar alinear las máscaras de cada capa en el mismo lugar de la oblea a unos 100 nm o más. Para ello se necesitan manos muy firmes. No hay café ese día. Ah, y recuerda, nada de oxígeno.
Después de una docena de pasos de enmascaramiento, sus fichas están casi listas. Ahora debería probar cada una de ellas para averiguar cuáles tienen impurezas o se han estropeado de alguna manera. No tiene sentido ponerlas en paquetes. Necesitarás algunas sondas de alcance realmente pequeñas para eso. Intenta no respirar mientras sostienes una docena de sondas en sus objetivos con una precisión de unas pocas µm en las almohadillas especiales que diseñaste en los chips para ese fin. Si ya has hecho el paso de pasivación, puedes hacerlo en una atmósfera de oxígeno y respirar ahora.
Ya casi está. Ahora cortas la oblea en trozos, teniendo cuidado de desechar los que antes te parecieron inservibles. Tal vez puedas partirlas, o serrarlas, pero por supuesto no puedes tocar la parte superior de la oblea.
Ahora tienes los chips, pero todavía tienes que conectarte a ellos de alguna manera. Soldar sobre silicona sería un desastre, y los soldadores no tienen puntas suficientemente finas. Por lo general, se utilizan hilos de oro muy finos que se sueldan por puntos entre las almohadillas del chip y el interior de las clavijas del paquete que se decida utilizar. Se coloca la parte superior y se aplica suficiente epoxi para asegurarse de que se mantiene cerrada.
Ya está, eso no fue tan malo, ¿verdad?
Esta pregunta equivale a preguntar: "Quiero construir un avión 747 en mi sótano, pero tengo que hacerlo sólo a partir de planos y materias primas". El hecho de que se plantee una pregunta como ésta demuestra lo poco que se aprecia la complejidad de la fabricación moderna de semiconductores y la pura inventiva que conlleva.
Lo que hay que saber sobre la transformación es que todo se construye a partir de materias primas. Excepto las obleas, que se pueden comprar fácilmente. Pero una vez que se ha empezado, se va construyendo el aparato a medida que se avanza; es como hornear un pastel. Puedes construir tu propio avión encargando los motores y el material compuesto de carbono por separado. Pero aquí hay que fabricar todo a partir de materias primas. Y la complejidad de la fabricación, incluso para conseguir dispositivos que funcionen, es asombrosamente difícil.
Me limitaré a enumerar un pequeño número de cosas que hay que tener en cuenta.
Ha habido más esfuerzo en términos de dinero gastado, fuerza humana consumida o documentos escritos, doctorados obtenidos, etc. que cualquier otro esfuerzo técnico que conduzca a un producto manufacturado en la historia de la humanidad.
Sin tener en cuenta el tamaño y la capacidad de las características, debe tener en cuenta lo siguiente, independientemente de lo que vaya a probar.
Las obleas de Si son algunas de las sustancias más puras que han existido en este planeta. Si utilizo un estándar \$15 \: \Omega \cdot \text{cm}\$ oblea de primera calidad (lo que se suele utilizar en CMOS) - la densidad de dopante es de 1×10 15 átomos/cm -3 . Hay 5×10 22 átomos/cm -3 en Si. Eso significa que por cada 50 millones de átomos de silicio hay un átomo dopante. Realmente se necesita un equipo, una manipulación y unos procedimientos especializados para poder mantener eso.
En el procesamiento se utiliza agua desionizada (DI). Es tan pura que la resistencia eléctrica se mide en megaohmios. Hay tan pocos contaminantes en el agua que deja de ser conductora. Uno de los principales contaminantes en los primeros tiempos del procesamiento de semiconductores (descubierto por Andy Grove, de la fama de Intel) es el sodio. Los procesos CMOS son tan sensibles a este contaminante que el sodio de la sal de tu sudor que contiene la huella de un pulgar medio es suficiente para contaminar 10.000 galones (25.000 L) de agua desionizada.
Entorno operativo: cada metro cuadrado de superficie tiene que tener una cámara de aire por encima y por debajo para mover el aire, filtrarlo y volver a introducirlo. En una fábrica estándar se mueven millones de metros cúbicos de aire cada día. En realidad, cada fábrica consta de tres plantas, en las que el tratamiento del aire se realiza en las plantas inferior y superior, y sólo en la central hay personas y equipos. Parece importante.
Ácido fluorhídrico: se come el vidrio sólo ama todo ese sabroso calcio en tus huesos. Si se deja caer sobre la piel, penetra a través de ella (la piel es permeable a esto) y se dirige a los canales de calcio de los nervios y se dirige a los huesos. Es muy doloroso.
Productos químicos especializados para el grabado: Veamos... mi favorito es algo llamado "Piranha etch". Se llama así porque se come los materiales orgánicos, necesita funcionar a 80 o 90 °C, pero también necesita ser enfriado activamente porque tiene tendencia a escaparse y estallar en un lío hirviente.
El silano es un gas pirofórico, lo que significa que estalla en llamas y explota en presencia de oxígeno. Es tóxico, y cuando se quema, deja atrás SiO 2 vapor, lo que significa que el aire está lleno de diminutas partículas microscópicas de vidrio que quizás estén a ~900 °C. Y éste es uno de los gases reactivos más benignos, hay otras sustancias químicas presentes que cuando salta la alarma de fuga generalmente se considera que no tiene sentido correr: ya es demasiado tarde.
Dopantes: No nos olvidemos de los dopantes necesarios que permitirán crear semiconductores de tipo N y de tipo P. Boro, fósforo, arsénico, galio (menos común).
Paremos aquí... será demasiado morboso si no. Y no no tienes opción, a menos que creas que puedes hacer algo mejor que billones de dólares de inversión.
Los materiales en general tienen que ser todos de grado semiconductor. Así que hay que estar en un centro importante et los proveedores locales tienen que tener el material a mano. Algunas de las materias primas tienen que fabricarse localmente porque no se pueden enviar.
Bombas de vacío: la mayoría de los procesos se desarrollan en condiciones de vacío.
El horno, se necesita un horno que pueda sostener 1200 °C con varios productos químicos inyectados como el silano y el oxígeno ultra puro, etc.
Implantadores: la mayoría de los dopantes se introducen en el sustrato mediante un acelerador nuclear modificado. La buena noticia es que no puede ser demasiado potente porque los implantadores de más de 3 MeV tienden a convertir el sustrato en radiactivo, así que no los construyen a una energía demasiado alta, pero aún así necesitarás al menos un implantador de 1 MeV. Puedes optar por no utilizar un implantador de alta energía, pero entonces tendrás que hacer funcionar el horno durante muchas horas para permitir que los dopantes se difundan.
La mejor opción es comprar equipos usados. Por desgracia, hace al menos 20 años que nadie diseña y construye equipos para obleas de 100 mm y 150 mm de diámetro, y no hay ninguno en el mercado de segunda mano. Varias universidades han hecho acopio de equipos. Yo recomendaría comprar equipos usados de 200 mm. La buena noticia es que ahora se pueden conseguir por sólo un 15% del precio. Así que lo que habría sido un $10 million stepper (used in imaging the wafers) is now only $ 1,5 millones de euros.
Allí son gente haciendo esto en casa, pero es un poco como intentar construir un programa espacial en tu jardín trasero. Es mucho más difícil que, por ejemplo, una impresora 3D, e implica una química desagradable y una ingeniería de precisión asombrosa.
https://code.google.com/p/homecmos/ aunque todavía no han fabricado un dispositivo.
http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/ : aparentemente un dispositivo que funciona con más de un transistor.
Edición: a efectos prácticos, y si te interesa más la electrónica que la química, empieza a aprender Verilog y FPGAs.
En este sitio se explica el proceso de fabricación de un microprocesador. Bien detallado aunque es imposible ilustrar cada uno de los 1500 pasos necesarios.
Una pregunta más adecuada es "¿Qué y cómo se combinan los circuitos electrónicos para crear microprocesadores?" Los circuitos electrónicos no se implantan en los microprocesadores. Los microprocesadores están formados por circuitos electrónicos.
Las resistencias, los condensadores y los inductores son elementos pasivos de los circuitos analógicos. El desarrollo/invención/descubrimiento de los semiconductores dio paso a los diodos y transistores. Los transistores se configuran en puertas lógicas básicas que implementan el álgebra booleana, y en flip-flops que implementan elementos de memoria básicos. Estas puertas lógicas básicas se configuran en circuitos más complejos que implementan la adición (un sumador), o la sustracción (un sustractor), o la multiplexación (conmutación), o la de multiplexación, o los desplazamientos a la izquierda o a la derecha, etc. Estos complejos circuitos se combinan con una lógica de control para crear una ALU, un decodificador de instrucciones, un decodificador de direcciones de memoria o cualquier otra interfaz. Esta ALU se combina con un decodificador de instrucciones, un decodificador de direcciones de memoria, una memoria o 2, y algunos otros elementos para formar una CPU o Microprocesador.
Todo esto ocupa millones (o quizás incluso miles de millones ahora) de puertas de transistores. Algunas tecnologías actuales de FPGA utilizan una tecnología de proceso de 28 nanómetros, lo que, según tengo entendido, significa que una sola puerta mide 28 nanómetros. El diseño y la construcción de circuitos integrados a gran escala (LSI) y a muy gran escala (VLSI) es un proceso que requiere conocimientos muy especializados en física y química y equipos muy especializados y costosos.
Si quieres diseñar funcionalmente un microprocesador, eso es algo que puedes hacer. Y probablemente podrías implementarlo en hardware reconfigurable como una FPGA. Si quieres diseñar físicamente un microprocesador, eso es otra historia. La gente que diseña circuitos integrados generalmente ni siquiera especifica la disposición física de las puertas. Utilizan herramientas de diseño, no muy diferentes de las que utilizan los ingenieros de software, para decir lo que quieren que haga su circuito integrado utilizando algo llamado Lenguaje de Descripción de Hardware (HDL), y luego las herramientas reducen el HDL a una especificación a nivel de puerta.
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