Как сделать чип: посещение globalfoundries

Мне всегда интересно узнать, что на самом деле нужно для того, чтобы сделать устройства, которые мы считаем само собой разумеющимся, и ни один процесс, о котором я знаю, не является настолько сложным, сложным или важным, как создание процессоров, которые питают телефоны, ПК и серверы которые управляют нашей повседневной жизнью. Поэтому я воспользовался возможностью посетить передовую фабрику GlobalFoundries на Мальте, в Нью-Йорке, чтобы увидеть, как за последние несколько лет развивалось предприятие по производству чипов (или фабрика).

Это удивительный процесс - фабрика включает в себя более 1400 современных инструментов для изготовления чипов, соединенных вместе, и изготовление обычной пластины, содержащей чипы, может занять до шести месяцев. Я был очень впечатлен постоянно растущей сложностью этого процесса и необычайной точностью, необходимой для изготовления чипов, которые мы все используем.

Я побывал на заводе, который известен как Fab 8, раньше, когда он находился в стадии разработки и когда он только начал выпускать свои первые продукты: процессоры, предназначенные для 32-нм или 28-нм технологических узлов.

Завод находится в интересном месте: технологический городок Лютер Форест на Мальте, примерно в получасе езды к северу от Олбани. В течение многих лет штат Нью-Йорк стремился привнести больше технологий в регион, прилагая усилия, включая поддержку Политехнического колледжа SUNY по наноразмерной науке и технике (CNSE) и нанотехнологического комплекса Albany, одного из самых современных чипов в мире. исследовательские центры, в состав которых входят представители GlobalFoundries, Samsung, IBM, многих исследовательских университетов и всех ведущих производителей инструментов для изготовления микросхем. AMD подписала контракт на строительство завода в комплексе; Когда AMD в 2009 году прекратила производство чипов и стала GlobalFoundries (теперь она полностью принадлежит инвестиционной компании Mubadala в Абу-Даби), новая компания построила завод.

Во время моего последнего визита почти шесть лет назад первый этап, который включал чистые помещения площадью 210 000 квадратных футов для фактического производства, был только запущен и запущен на ранней стадии производства, в то время как этап 2 с дополнительными 90 000 квадратных футов находился в стадии строительства., На сайте было 1300 человек, но в то время производилось относительно немного продуктов.

(Изображение из GlobalFoundries)

Сегодня эти первые две фазы представляют собой одну чистую комнату площадью 300 000 кв. Футов (шириной 300 футов и длиной 1000 футов), и еще одна фаза 3 площадью 160 000 кв. Футов также находится в полной эксплуатации. Я видел много активности, и производилось много кремниевых пластин, заполненных чипсами.

Том Колфилд, старший вице-президент и генеральный директор Fab 8, подчеркнул, что GlobalFoundries инвестировала в северную часть штата Нью-Йорк гораздо больше, чем изначально. Когда фабрика была впервые спланирована, компания взяла на себя обязательство инвестировать 3, 2 миллиарда долларов, а численность персонала - 1200 человек, а годовой фонд заработной платы - 72 миллиона долларов. Теперь, по его словам, компания фактически инвестировала более 12 миллиардов долларов и имеет около 3300 сотрудников и годовой фонд заработной платы в 345 миллионов долларов. И это даже не считая от 500 до 700 других людей, которые работают на заводе, но работают в других организациях, отметил он, таких как технические специалисты, которые работают на поставщиков инструментов, таких как ASML, Applied Materials или LAM Research.

GlobalFoundries также управляет тем, что сейчас называется Fab 9 в Берлингтоне, штат Вермонт, и Fab 10 в Ист-Фишкилле, Нью-Йорк, которые являются более старыми фабриками, приобретенными у IBM. У компании также есть крупные заводы в Дрездене, Германия, где она работает над процессом FDX «кремний на изоляторе»; Чэнду, Китай; и в Сингапуре. В целом, компания говорит, что у нее более 250 клиентов.

Колфилд сказал, что этот фаб является одним из источников для процессоров AMD Ryzen, графических процессоров Radeon и серверных чипов Epyc, но также имеет десятки других клиентов.

GlobalFoundries - одна из четырех компаний, выпускающих передовые логические чипы. Другие - это Intel, которая в основном производит чипы для собственного использования; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), новаторский завод по производству микросхем, который производит чипы для множества различных клиентов и является основным конкурентом GlobalFoundries; и Samsung, который делает мало того и другого.

Внутри фабрики

Во время этого визита я и несколько других журналистов ознакомились с объектом и узнали, как изготавливаются чипы. Вместо того, чтобы начинать с чистой комнаты, где фактически изготавливаются чипы, тур начался в «субфабе», обширной области под чистой комнатой, где работает оборудование, необходимое для запуска инструментов, которые делают чипсы. Это включает в себя электрические, механические, водные и химические системы обработки.

Джон Пейнтер, старший директор по оборудованию, который провел экскурсию по этой области, объяснил, что весь сайт включает в себя более 70 000 единиц оборудования, большая часть которого поддерживает небольшие инструменты для изготовления чипов в чистых помещениях. Почти все эти инструменты должны быть охлаждены, и все они работают лучше при предсказуемых температурах, при определенных условиях влажности и давления, поэтому значительные усилия затрачиваются на контроль окружающей среды. Это становится более сложным, потому что инструменты постоянно обновляются, некоторые из них въезжают, а другие покидают объект. Пейнтер объяснил, что в целом для вспомогательного оборудования требуется в шесть раз больше места, чем для чистого помещения.

Мы видели участки, которые обрабатывают охлажденную очищенную воду, используемую в производстве, и химические растворы для таких вещей, как полировка вафель. Завод имеет сложные средства мониторинга и управления этими системами, которые способны измерять вещи по частям на триллион, чтобы они могли обнаружить любую утечку в системе, а также сложную систему безопасности жизнедеятельности. Подвесной завод имеет 30-футовый потолок, а область Фазы 2 включает в себя мезонин, чтобы облегчить техническим специалистам доступ ко всему оборудованию. Этот этаж содержит много отдельных зон с отдельными единицами оборудования (от хранилищ для воды и химикатов до систем мониторинга), с множеством трубопроводов, соединяющих его с чистой комнатой выше. Я отметил, что большая часть трубопровода была фактически удвоена, с датчиками в трубах, чтобы обнаружить, была ли утечка.

На территории также имеется ряд других зданий, в том числе центральное коммунальное здание с более крупными котлами и холодильными установками, системы массовых отходов и т. Д.

В целом, фабрика потребляет 80 мегаватт электроэнергии, которая поставляется по двум линиям на 150 000 вольт. Очень важно, чтобы мощность была непрерывной, так как любое изменение может нарушить производство и, возможно, повредить обрабатываемые пластины. Таким образом, на предприятии имеется резервная система ИБП, маховики и дизельный генератор.

Я был особенно заинтересован в количестве места, необходимого для нового оборудования EUV (о котором я расскажу позже). Даже на нижнем этаже это оборудование требует большой площади, включая собственную миниатюрную чистую комнату, где инструменты производят высокоинтенсивный лазерный источник света, который наклоняется через пол к инструменту EUV в чистой комнате. Сама система EUV требовала новых систем охлаждения и электричества, а также сверхчистой воды, а также специальных резервуаров и трубопроводов, которые уменьшают загрязнение частиц.

Чтобы внедрить систему EUV в здание, главный завод был сначала опечатан. В потолке был установлен 10-тонный кран, а затем отверстие в стене, чтобы переместить новую массивную систему внутрь. Этому процессу частично способствовала система компьютерного проектирования 3D, которая использовала отсканированные изображения, которые фиксировали размещение существующего оборудования до миллиметрового уровня.

До чистой комнаты

(Изображение из GlobalFoundries)

Чтобы посетить саму чистую комнату, нам пришлось одеться в «костюмы кролика» (см. Мою фотографию в верхней части этого поста), предназначенные для уменьшения количества частиц в этой области и риска того, что такая частица может нарушить пластину. обработка.

Одна вещь, которую я заметил, состоит в том, что, хотя на полу чистой комнаты много машин - более 1400, согласно данным GlobalFoundries, - людей не так много.

Кристофер Белфи, главный инженер по производственным операциям, который провел для нас экскурсию по чистой комнате, объяснил, что цель состоит в том, чтобы на площадке не было операторов. По словам Бельфи, единственные люди, которых вы видите, занимаются либо установкой, либо обслуживанием инструментов.

(Изображение из GlobalFoundries)

Вместо того, чтобы технические специалисты перемещали пластины от одного инструмента к другому, пластины направляются между инструментами через открытые передние блоки или блоки FOUP, как они их называют, каждая из которых содержит 25 пластин, и вы можете видеть, как они перемещаются над головой по всей чистой комнате. В общей сложности на 14 милях гусеницы перемещается 550 автомобилей и хранятся пластины между инструментами. Они также перемещают сетки (маски от стружки, которые направляют свет на каждый слой изготовления микросхем) между центральным хранилищем и инструментами, где они будут использоваться. По словам Бельфи, это не сокращает количество необходимых людей, поскольку инструменты все еще нуждаются в контроле, но сокращает время и ошибки. Он отметил, что в любой момент времени десятки продуктов находятся на разных стадиях производства для нескольких десятков покупателей, и каждый продукт имеет свой собственный набор прицелов и свой собственный конкретный процесс, в котором используются различные инструменты. Belfi назвал Fab 8 «самым автоматическим в мире». Конечно, это также один из самых новых.

Некоторые из них имеют желтый свет, поскольку в какой-то момент в истории производственного процесса было важно убедиться, что пластина не подверглась воздействию нормального света. Однако в наши дни вафли вообще не подвергаются воздействию внешнего света, поэтому это менее необходимо.

Существует много этапов изготовления вафли, и у каждого есть своя собственная область чистого помещения: имплантат (добавление ионов к кремнию), химико-механическая планаризация или CMP (полировка вафли), диффузия, осаждение тонких пленок, литография и др. травление. Метрологические инструменты, используемые для измерения характеристик микросхем на каждом этапе пути, расположены по всему заводу.

Мы склонны больше всего говорить о литографии (которая относится к использованию света для демонстрации рисунка на пластине), поскольку это стало самым сложным шагом за последние несколько лет. Текущий метод, который включает использование света 193 нм в жидкости (известный как иммерсионная литография), уже недостаточно хорош для создания мельчайших элементов в чипе за один проход, поэтому для таких узлов, как 14 нм и 7 нм, многократные экспозиции (иногда называемые двойным или даже четырехугольным). Экстремальный ультрафиолет или EUV - более сложная альтернатива, но она может понадобиться, если мы хотим продолжать получать меньшие функции на чипах, а GlobalFoundries находится в процессе установки двух из этих машин EUV, с местом для еще двух. (У меня будет больше подробностей в следующем посте.) Поскольку это еще не готово, на данный момент все чипы, сделанные в GlobalFoundries (и действительно, все коммерческие чипы, которые я знаю где-либо), производятся с помощью иммерсионной литографии. Но все шаги очень важны, и любая ошибка на любом этапе, вероятно, сделает микросхемы на пластине бесполезными.

В общей сложности текущая микросхема может содержать до 80 слоев, и даже больше этапов, по мере того как пластины проходят между различными этапами процесса, особенно когда они переходят между литографией и травлением на каждом этапе формирования нескольких паттернов (это может занять месяцы для производства типичного чипа высокого класса). Это увлекательный процесс, и я рад, что мне удалось увидеть это из первых рук.

В моем следующем посте я остановлюсь больше на оборудовании EUV, которое было недавно установлено на заводе, а также на планах GlobalFoundries относительно будущих шагов в процессе производства чипов.

Хотите узнать скорость вашего широкополосного интернета? Проверьте это сейчас!