He respondido esto de otra forma. Pasar de arena a CPU es lo mismo que pasar de arena a transistores, ya que una CPU es solo una tonelada de transistores (las CPU modernas tienen más de mil millones de transistores ahora) conectados entre sí para funciones específicas.
Conceptos básicos de la fabricación de semiconductores por Jacob VanWagoner en X-Ray Visions
He estado respondiendo esto por un tiempo desde que sabía que tomaría mucho tiempo responder. Este es el tema de varias clases de posgrado. Pasar por lo básico de todo el proceso en un nivel de detalle viable es una clase completa de pregrado.
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Es un proceso muy largo, detallado y costoso. No puedo describir todo el proceso en su totalidad, en parte debido al “secreto comercial” y en parte al hecho de que puede variar mucho en función de lo que se necesita. Pero cubriré lo básico.
Primero, comencemos con una sección transversal de un transistor para mostrar qué pasos son necesarios:
Sí, este es realmente un diagrama bastante preciso para un MOSFET.Entonces … necesita el semiconductor, alguna forma de doparlo, una forma de colocar y cortar aisladores, y una forma de colocar y modelar capas de metal. Dejaré de lado los matices involucrados en cada paso, pero digamos que hay expertos en cada paso individual que saben “todo” al respecto y poco más sobre el resto del proceso.
Preparación del material semiconductor:
Con la excepción del nitruro de galio, los dispositivos semiconductores deben fabricarse en material monocristalino para que funcionen correctamente. El procedimiento más común para obtener material monocristalino de material policristalino o amorfo de alta pureza es alguna modificación del proceso de Cochralski:
Comience con el semiconductor policristalino fundido puro, agregue una pequeña cantidad de cualquier dopante con el que desee dopar la masa, mantenga la masa fundida cerca de su punto de congelación, baje cuidadosamente en un cristal semilla (uno que ya es de un solo cristal) y tire lentamente hacia arriba y gírelo. Los átomos individuales en la masa fundida se organizarán para alinearse con el cristal semilla, dando como resultado una gran cosa de semiconductor de cristal único. Esa gran cosa luego se pule, se corta en cubitos en obleas, y luego las obleas se pulen para que estén casi atómicamente planas.
Colocando patrones en la superficie
Todos los patrones se realizan a través de un proceso llamado fotolitografía. Resulta que la técnica ha existido durante mucho tiempo como arte, pero resulta muy conveniente para su uso en el procesamiento de semiconductores planos.
Una fotoprotección en el procesamiento de semiconductores es una sustancia química que se adherirá a una superficie, resistirá a ser dañada o cambiada por cualquier otra sustancia química, y sufrirá un cambio químico cuando se exponga a la luz UV para que la parte expuesta (pero no la parte no expuesta) se disuelva cuando se coloca en otra sustancia química.El proceso de fotolitografía consiste en recubrir la superficie con el material fotoprotector, alinearlo debajo de una máscara que bloqueará todo lo que no se supone que esté expuesto, irradiarlo con luz ultravioleta y disolver la parte expuesta, dejando parte de la superficie protegida. y parte expuesta para que las características específicas de forma plana se puedan grabar en la superficie.
Esto debe hacerse junto con cualquier otro proceso en la fabricación de semiconductores.
Colocación de películas aislantes.
El aislante más común utilizado en los semiconductores es el dióxido de silicio (SiO2), principalmente porque crece naturalmente en el silicio cuando se expone a suficiente calor.
Se utilizan muchos otros aislantes, pero no tan comúnmente como el SiO2. Hay muchas otras razones por las cuales el SiO2 es común, pero el “crecimiento en silicio” es probablemente el argumento más económico.Otro proceso para colocar aisladores es el depositante de vapor químico o CVD.
Inserte el gas a una temperatura suficientemente alta, y algunas reacciones químicas superficiales depositan muy lentamente la capa aislante diseñada en capas agradables, incluso delgadas, en la superficie de las obleas. Agregar gas de silano y oxígeno, por ejemplo, depositará una capa de dióxido de silicio que no necesita crecer en la superficie del silicio (por ejemplo, si desea otro aislante en la parte superior de un montón de capas de metal), pero las propiedades eléctricas de este método no son tan buenas como el dióxido de silicio producido térmicamente ya que el proceso agrega un montón de impurezas. Otro aislante común depositado en CVD es el nitruro de silicio, depositado mediante el uso de silano y nitrógeno.
Dopando la fuente y drene
Existen algunos métodos diferentes para dopar el silicio en los puntos de origen y drenaje. Todos ellos requieren primero que se coloque algún tipo de película protectora sobre la oblea, como una capa de óxido con agujeros que van directamente al silicio. Las secciones a doparse deben estar expuestas y todo lo demás debe estar protegido.
Probablemente, el método más popular de dopaje es la implantación de iones, en la que los iones del dopante pasan a través de un acelerador para alcanzar una determinada velocidad específica, luego un haz de ellos sale disparado y golpea la oblea. Genial, ¿eh?
No importa cuál sea el dopante en este caso, ya que cualquier tipo de átomo puede ionizarse y lanzarse a través de un acelerador de partículas. A medida que los iones chocan con los átomos de silicio, disminuyen la velocidad y se detienen:
Algunos otros métodos comunes son la difusión de espín sobre vidrio y la difusión de gas. En el método de giro sobre vidrio, algún tipo de vidrio disuelto con una alta concentración de dopante se deposita en la superficie de la oblea, luego se gira para dejar solo el vidrio dopado en la superficie. Luego se coloca en un horno, donde el calor hace que los dopantes se dispersen, incluida la difusión en el semiconductor.
En el método de difusión de vapor, el dopante se introduce en el horno como un gas y parte de él se difunde en el semiconductor.Depositar capas de metal para contactos y enrutamiento
La forma más común de depositar capas metálicas es por evaporación (deposición).
Coloque el sustrato semiconductor en el vacío junto con un trozo del metal del que desee colocar una capa sobre el semiconductor. Calienta el metal y, cuando se derrite, una pequeña cantidad se evapora. En la presión extremadamente baja, los átomos metálicos vuelan en líneas rectas a altas velocidades y se adhieren a todo lo que pueden alcanzar viajando en líneas rectas.
Otro método utilizable para el back-end (una vez que ya no queda expuesto ninguno de los semiconductores) implica el uso de galvanoplastia.Eso es mucho más complicado de hacer a mano, pero resulta que en un proceso automatizado es probablemente la mejor manera de obtener capas de cobre de alta calidad para circuitos integrados de alta velocidad.
Eso es lo básico.
Todo lo demás es una cuestión de preferencia, necesidad y resultados deseados. Algunos procesos funcionan mejor que otros. Algunas fundiciones realizan un proceso de “último portón” en el que se coloca una especie de compuerta ficticia, luego se trabaja la fuente y el drenaje a su alrededor, luego se retira la compuerta ficticia y se construye una nueva compuerta de trabajo. Algunos realizan un proceso de “primera puerta” en el que la puerta está completamente hecha y luego la fuente y el drenaje se fabrican a su alrededor, teniendo cuidado de no dañar la puerta en el proceso.
Espero que esto sea suficiente para satisfacer su curiosidad, si solo lo quería como FYI, y también lo suficiente como para darle una buena ventaja para comprender más si desea seguirlo. De ninguna manera está cerca de ser exhaustivo o incluso altamente técnico. Su único objetivo es cubrir los conceptos básicos de la fabricación de semiconductores.
