集成电路是如何制造的？

从头到尾如何制造集成电路（例如微处理器）？例如，必须存在一些与电阻器，电容器的连接线，以在现场存储能量（位），晶体管等。

怎么做？构建集成电路需要哪些机械和化学过程？

没什么大不了的。首先，您会得到一堆硅。如果您要制造自己的薯条，那么一桶普通的海滩沙子可以终生供应。这个星球上有很多硅，但是大部分硅都被氧气束缚住了。您必须打破这些纽带，丢弃非硅材料，然后完善剩余的产品。

您需要非常纯净的硅才能制造有用的芯片。仅将氧化硅熔炼成单质硅还远远不够。一桶沙子主要是二氧化硅，但是几乎没有其他矿物质，蜗牛壳（碳酸钙），狗屎等等。这些材料中的某些元素最终会进入熔融硅混合物中。为了摆脱这种情况，有多种方法，大多数方法都必须非常仔细地使硅以正确的温度和速率结晶。最终将大多数杂质推到结晶边界的前面。如果您这样做足够多次，则足够的杂质会被推到铸锭的一端，而另一端可能足够纯。可以肯定的是，在满月时，您只想着纯净的想法就在上面挥舞着一条死鱼。如果以后发现您的薯条不好，那么一种可能就是您使用错误的鱼类来破坏这一步骤，或者您的想法不够纯正。如果是这样，请从步骤1开始重复。

一旦有了纯净的晶体硅，就差不多完成了，只需要再执行100步，那么所有步骤都必须正确。现在将纯硅切成薄片。也许可以用台锯之类的东西来完成。与西尔斯（Sears）核对，看看他们是否出售切割硅锭的刀片。

接下来抛光晶片，使其非常光滑。台式锯片上的所有粗糙物品都需要清除。最好将其降低到大约一个波长的光。哦，不要让氧气进入敞开的表面。完成抛光过程中，您将不得不在惰性气体中充满地下室并屏住呼吸。

接下来，您将设计芯片。那只是在屏幕上将一堆门连接在一起并运行一些软件。花费几百k $或自己赚几千人年，自己动手做。您可能可以做一个基本的布局系统，但是您必须窃取一些商业秘密才能做真正的好东西。弄清楚真正聪明的算法的人花了许多M $来做，所以不想免费给出所有很酷的东西。

一旦有了布局，就必须在蒙版上进行打印。就像常规打印一样，只是细节要好几个数量级。

在具有用于各种层和光刻步骤的掩模之后，您需要将其暴露在晶片上。首先，在光致抗蚀剂上涂上一层薄薄的斑点，确保其厚度均匀，且厚度不超过所用光波长的几分之一。然后，曝光并显影抗蚀剂。就像在指定的掩模上一样，这会在晶片的某些区域而不是其他区域留下抗蚀剂。对于要建立或蚀刻或扩散到芯片中的每一层，都需要在非常精确的温度和时间下施加特殊的化学物质（通常是气体）。哦，别忘了将晶圆上同一位置的每一层的掩模排列到几百纳米或更好。为此，您需要真正的双手。那天没有咖啡。哦，记住，没有氧气。

一打左右的掩膜步骤后，您的芯片几乎准备就绪。现在，您可能应该测试每个人，以找出哪些人碰到了杂质或以其他方式弄乱了。将它们放入包装中没有意义。为此，您将需要一些非常小的示波器探头。为此，您要在将目标中的十几个探针固定在专用垫上几微米以内的情况下，不要呼吸。如果您已经完成钝化步骤，则可以在氧气气氛中进行此操作并立即呼吸。

快完成了 现在，您将晶圆切成芯片，小心地将先前发现的芯片扔掉。也许您可以将它们分开或看到它们，但是您当然不能触摸晶圆的顶部。

您现在拥有芯片，但是仍然需要以某种方式连接它们。在硅上进行焊接会造成很多麻烦，而且烙铁的烙铁头还不够细。通常，您使用非常细的金焊线，这些焊线点焊在芯片上的焊盘与您决定使用的任何封装的引脚内部之间。拍打在上面，并滴在足够的环氧树脂上，以确保它保持关闭状态。

在那里，还不错吗？

这个问题等同于问：“我想在地下室建造一架747喷气客机，但我只需要使用图纸和原材料即可。” 确实出现了这样的问题，这一事实实际上只是表明，人们很少意识到现代半导体制造所涉及的复杂性及其所带来的纯粹的发明性。

关于加工的要知道的是，您使用原材料来构建一切。晶圆除外；您可以轻松购买。但是一旦开始，就可以随身携带设备。就像烤蛋糕一样。您可以通过分别订购发动机和碳复合材料来建造自己的飞机。但是在这里，您必须使用原材料制造一切。而且，制造复杂的设备甚至很难获得工作设备。

我将只列出少数需要考虑的事情。

行业：

1. 在花费的金钱，消耗的人力或书面的论文，获得的博士学位等方面，人们付出了更多的努力，这是人类历史上任何其他导致制成产品的单一技术努力。

   不考虑功能部件的大小和功能，无论您尝试什么，都需要了解以下内容。

清洁度：

1. 硅晶片是地球上曾经存在过的最纯净的物质。如果我使用标准的原始晶圆（通常在CMOS中使用），则掺杂剂密度为1×10 ¹⁵原子/ cm ^-3。Si中有5×10 ²²原子/ cm ^-3。因此，这意味着每五千万个硅原子中都有一个掺杂原子。您确实需要专门的设备，处理程序和程序来维护该设备。$15 \: \Omega \cdot \text{cm}$

2. 在处理过程中，使用去离子水。它是如此纯净，以至于电阻的测量单位为兆欧。水中的污染物极少，因此无法传导。半导体加工早期（由英特尔公司的安迪·格鲁夫发现）中的主要污染物是钠。CMOS工艺对这种污染物非常敏感，以至于平均拇指指纹中所含汗水中的盐中的钠足以污染10,000加仑（25,000升）的去离子水。

3. 操作环境：每平方米的建筑面积都必须在上方和下方设有一个空气流通室，以使空气流通，过滤并带回。在标准工厂中，它们每天要转移数百万立方米的空气。实际上，每个晶圆厂包括三层，底层和顶层都装有空气处理设备，只有中间有人/设备。似乎很重要。

令人讨厌的会立即杀死您的化学物质或更慢地烧掉您的面部：

1. 氢氟酸：通过玻璃吃就可以爱骨骼中所有美味的钙。如果掉落在皮肤上，它会穿透皮肤（皮肤对此具有渗透性），并到达神经中的钙通道，然后到达骨骼。非常痛苦。

2. 特种蚀刻化学品：让我们看看……我最喜欢的是一种叫做“食人鱼蚀刻”的东西。之所以这样称呼是因为它吃有机材料，因此需要在80至90°C的温度下运行，而且还需要主动冷却，因为它有逃逸并在沸腾的混乱中喷发的趋势。

3. 硅烷-发火气体-意味着它会爆炸成火焰，并在有氧的情况下爆炸。它有毒，燃烧时会留下SiO ₂蒸气-这意味着空气中充满了微小的玻璃微粒，温度约为900°C。这是一种较温和的反应性气体，还有其他化学物质存在，当泄漏警报响起时，通常感觉运行毫无意义：为时已晚。

4. 掺杂剂：我们不要忘记必要的掺杂剂，这些杂质将允许创建N型和P型半导体。硼，磷，砷，镓（较不常见）。

5. 让我们在这里停止...否则病态太严重了。而没有你没有选择，除非你认为你能比$$投资万亿做得更好。

6. 通常，所有材料都必须是半导体级的。因此，您必须在主要中心工作，本地供应商必须拥有手头的材料。有些原材料必须在本地生产，因为您无法运输它们。

以下是有关所用设备的一些示例内容：

1. 真空泵：大多数过程在真空条件下运行。

2. 烤箱，您需要一个可以承受1200°C的烤箱，并注入各种化学物质，例如硅烷和超纯氧等。

3. 注入器：大多数掺杂剂是通过改良的核促进剂引入衬底的。好消息是它不能太强大，因为高于3 MeV的注入机往往会使基质具有放射性，因此它们不会使它们的能量过高，但是您仍然至少需要1 MeV注入机。您可以选择不使用高能注入机，但是必须运行烤箱很多小时才能使掺杂剂扩散。

   最好的选择是购买二手设备。不幸的是，距任何人都已经设计和制造出用于100毫米和150毫米直径晶圆的设备已有20年了，而二手市场上没有任何设备。各种大学都有库存设备。我建议购买二手200毫米设备。真正的好消息是，现在仅能兑现美元汇率的15％。因此，原本需要1000万美元的步进器（用于对晶圆成像）现在只有150万美元。

这里是人们在家里做这个，但它是一个有点像试图建立在你的后花园太空计划。它比3D打印机要难得多，并且涉及一些令人讨厌的化学反应和惊人的高精度工程。

https://code.google.com/p/homecmos/，尽管他们实际上尚未生产设备。

http://hackaday.com/2010/03/10/jeri-makes-integrated-circuits/：显然是一种具有多个晶体管的工作设备。

编辑：出于实际目的，并且如果您对电子学比化学学更感兴趣，请开始学习Verilog和FPGA。

在该站点上说明了制造微处理器的过程。即使无法说明所需的1500个步骤中的每一个，它的细节也很详尽。

一个更合适的问题是“什么以及如何将电子电路组合在一起以创建微处理器？” 电子电路没有植入微处理器。微处理器由电子电路组成。

电阻器，电容器和电感器是无源模拟电路元件。半导体的发展/发明/发现让位于二极管和晶体管。晶体管被配置为实现布尔代数的基本逻辑门和实现基本存储元件的触发器。这些基本逻辑门配置成更复杂的电路，这些电路实现加法（加法器）或减法（减法器）或多路复用（切换）或解多路复用或左移或右移等。这些复杂的电路与某些控制逻辑卡在了一起，构成一个ALU，一个指令解码器，一个存储器地址解码器或一些其他接口。该ALU与指令解码器，内存地址解码器，存储器2或其他一些元素组合在一起，形成CPU或微处理器。

所有这些都占用了数百万个（甚至现在数十亿个）晶体管栅极。当前的某些FPGA技术使用28纳米处理技术，即AFAIK，意味着单个门的长度为28纳米。设计和构建大规模（LSI）和超大规模（VLSI）集成电路是一个过程，需要非常专业的物理和化学知识以及非常专业和昂贵的设备。

如果您要在功能上设计微处理器，那是您可以做的。您可能可以在可重配置的硬件（例如FPGA）上实现它。如果要物理设计微处理器，那就是另一回事了。通常，设计集成电路的人甚至没有指定门的物理布局。他们使用与软件工程师不同的设计工具来表达他们希望集成电路使用称为硬件描述语言（HDL）的功能做什么，然后这些工具将HDL简化为门级规范。

您绝对无法在家中完成此操作！制造芯片是一个复杂的过程，涉及许多精密，昂贵，复杂的机械。

如果您对开发自己的微处理器感兴趣，请先学习VHDL或Verilog并使其在FPGA上运行。然后，您可以考虑在晶体管级别学习芯片设计并制造IC。这并不便宜也不简单，并且需要非常具体的技能。

别忘了，除了制作实际的IC（这里已经以非常幽默和精确的方式发现）之外，您还需要知道如何设计适合于IC实现的电路。您不会在IC内找到太多无源元件-它们的性能不佳，通常占用不成比例的大面积。相反，您会发现许多当前的镜像，源和接收器。P型和N型设备的创建并不相等，因此，您还需要了解那里的不平等情况。实际上，由于您是在“自行生产”工艺，因此需要拍摄一些掺杂浓度不同的测试晶圆（“彩虹晶圆” ），并使用各种测试结构，然后花费大量时间和精力（至少花费10个人年）来表征最终的结果-获得晶体管类型库。有了库，您就可以开始电路设计-假设您对布局有所了解。不要忘了那家工厂，然后开始测试和调试。那是一个全新的篇章！