Jak se čip získá: návštěva globalfoundries

Vždy mě fascinuje, když jsem se dozvěděl, co to opravdu znamená, aby byla zařízení, která považujeme za samozřejmost, a žádný proces, o kterém vím, není tak složitý, komplikovaný nebo důležitý jako výroba procesorů, které pohánějí telefony, počítače a servery. které vedou náš každodenní život. Skočil jsem tedy na šanci navštívit špičkovou továrnu GlobalFoundries na Maltě v New Yorku, abych viděl, jak se v posledních několika letech vyvíjelo zařízení na výrobu čipů (nebo fab).

Je to úžasný proces - fab zahrnuje více než 1 400 pokročilých nástrojů pro výrobu čipů, které jsou všechny spojeny dohromady, a výroba typického oplatku, který obsahuje čipy, může trvat až šest měsíců. Byl jsem velmi ohromen stále se zvyšující složitostí tohoto procesu a mimořádnou přesností, která je nutná k tomu, abychom vytvořili čipy, které všichni používáme.

Navštívil jsem továrnu - známou jako Fab 8 - předtím, když byla ve výstavbě a kdy začala vyrábět své první produkty: procesory určené pro 32nm nebo 28nm procesní uzly.

Závod se nachází na zajímavém místě: Technologický areál Luther Forest na Maltě, asi půl hodiny severně od Albany. Po celé roky se stav New Yorku snaží přinést více technologií do regionu, s úsilím, včetně podpory SUNY Polytechnic Institute College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) a Albany Nanotech Complex, jednoho z nejmodernějších čipů na světě výzkumná zařízení, která zahrnují zástupce společností GlobalFoundries, Samsung, IBM, mnoha výzkumných univerzit a všech předních výrobců nástrojů pro výrobu čipů. AMD se přihlásila k vybudování továrny v areálu; Když společnost AMD v roce 2009 oddělila své činnosti v oblasti výroby čipů a stala se GlobalFoundries (nyní zcela ve vlastnictví investiční společnosti Mubadala v Abú Dhabí), nová společnost postavila továrnu.

Při mé poslední návštěvě před téměř šesti lety byla první fáze - která zahrnovala čistou místnost o rozloze 210 000 čtverečních stop - pro skutečnou výrobu - právě spuštěna a prováděna včasná výroba, zatímco fáze 2 s dalšími 90 000 čtverečních stop byla ve výstavbě. Na místě bylo 1300 lidí, ale v té době se vyrábělo relativně málo produktů.

(Obrázek z GlobalFoundries)

V současné době jsou tyto první dvě fáze čistým prostorem o rozloze 300 000 čtverečních stop (šířka 300 stop až 1000 stop) a další fáze 3 000 000 čtverečních stop je také v plném provozu. Viděl jsem spoustu aktivity a mnoho křemíkových destiček plných produkovaných třísek.

Tom Caulfield, ředitel SVP a generální ředitel společnosti Fab 8, zdůraznil, že společnost GlobalFoundries investovala do upstate New York mnohem více než její původní závazek. Když byl projekt poprvé naplánován, společnost se zavázala investovat 3, 2 miliardy dolarů a přímý počet zaměstnanců 1 200 lidí za roční mzdu ve výši 72 milionů dolarů. Nyní řekl, že společnost skutečně investovala více než 12 miliard dolarů a má asi 3 300 zaměstnanců a roční mzdu ve výši 345 milionů dolarů. A to nepočítá ani 500 až 700 dalších jednotlivců, kteří pracují na veletrhu, ale jsou zaměstnáni jinými subjekty, poznamenal, například technici, kteří pracují pro dodavatele nástrojů, jako jsou ASML, Applied Materials nebo LAM Research.

GlobalFoundries také provozuje to, co nyní nazývá Fab 9 v Burlingtonu, Vermontu a Fab 10 ve East Fishkill v New Yorku, což jsou starší továrny, které získala od IBM. Společnost má také hlavní pohádky v německém Drážďanech, kde pracuje na procesu izolace křemíku na izolátoru FDX; Chengdu, Čína; a v Singapuru. Celkově společnost tvrdí, že má více než 250 zákazníků.

Caulfield řekl, že fab je jediný zdroj pro procesory AMD Ryzen, Radeon GPU a Epyc serverové čipy, ale má také desítky dalších zákazníků.

GlobalFoundries je jednou ze čtyř společností, které vyrábějí špičkové logické čipy. Ostatní jsou Intel, který primárně vyrábí čipy pro vlastní použití; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), průkopnická slévárna čipů, která vyrábí čipy pro mnoho různých zákazníků a je hlavní konkurencí GlobalFoundries; a Samsung, který dělá obojí.

Uvnitř továrny

Při této návštěvě jsem já a několik dalších novinářů prošli prohlídkou zařízení a dozvěděli se, jak se vyrábějí žetony. Spíše než začněte s čistým prostorem, ve kterém jsou čipy skutečně vyráběny, prohlídka začala v „sub-fabu“, v rozsáhlé oblasti pod čistým prostorem, která zpracovává vybavení potřebné ke spuštění nástrojů, které tvoří čipy. To zahrnuje elektrické, mechanické, vodní a chemické systémy.

John Painter, vrchní ředitel zařízení, který provedl prohlídku této oblasti, vysvětlil, že celé místo zahrnuje více než 70 000 kusů vybavení, z nichž většina podporuje menší nástroje pro výrobu čipů v čisté místnosti. Téměř všechny tyto nástroje musí být chlazeny a všechny pracují lépe v předvídatelných teplotách, za určitých podmínek vlhkosti a tlaku, takže je vynaloženo značné úsilí na kontrolu životního prostředí. To je složitější, protože nástroje jsou neustále obnovovány, některé se pohybují dovnitř a jiné mimo zařízení. Painter vysvětlil, že obecně trvá šestkrát tolik prostoru pro podpůrné zařízení než pro čistou místnost.

Viděli jsme oblasti, které zpracovávají chlazenou vyčištěnou vodu používanou ve výrobě, a chemické kaly pro věci, jako je leštění oplatek. Společnost fab má komplexní zařízení, která tyto systémy monitorují a ovládají - které jsou schopny měřit věci v částech na bilion, aby mohly detekovat jakýkoli únik v systému - a také sofistikovaný systém bezpečnosti života. Sub-fab má strop 30 stop a oblast Phase 2 zahrnuje mezanin, který usnadňuje technikům přístup ke všem zařízením. Toto patro obsahuje mnoho samostatných oblastí s jednotlivými částmi vybavení (od skladovacích prostor pro vodu a chemikálie po monitorovací systémy), s kilometry potrubí, které je spojují s čistým prostorem výše. Všiml jsem si, že většina potrubí byla ve skutečnosti zdvojnásobena, se senzory uvnitř potrubí, aby se zjistilo, zda došlo k úniku.

Na místě je také řada dalších budov, včetně centrální obslužné budovy s většími kotli a chladiči, systémů hromadného odpadu atd.

Celkově tato továrna využívá 80 megawattů energie, která je napájena duálními 150 000 voltovými linkami. Je rozhodující, že síla je nepřetržitá, protože jakákoli varianta by mohla narušit výrobu a případně poškodit zpracovávané oplatky. Zařízení má proto záložní systém UPS, setrvačníky a dieselový generátor.

Zejména mě zajímalo, kolik místa vyžaduje nové vybavení EUV (o kterém se budu dále zabývat). Dokonce i v podzemí vyžaduje toto zařízení masivní prostor, včetně vlastního miniaturního čistého prostoru, kde nástroje produkují vysoce intenzivní laserový světelný zdroj, který se ohýbá podlahou k nástroji EUV v čisté místnosti. Samotný systém EUV vyžadoval nové chladicí a elektrické systémy spolu s ultračistou vodou a speciální nádrže a potrubí, které snižují kontaminaci částic.

Aby se systém EUV dostal do budovy, byl hlavní fábor nejprve utěsněn. Ve stropě byl nainstalován 10tunový jeřáb a do boku budovy byl vyříznut otvor, aby se uvnitř posunul nový masivní systém. Tomuto procesu pomohl částečně systém pro návrh počítačů 3D, který používal naskenované obrázky, které zachytily umístění stávajícího zařízení až na milimetrovou úroveň.

Až do čistého prostoru

(Obrázek z GlobalFoundries)

Abychom mohli navštívit samotnou čistou místnost, museli jsme se obléknout do „bunny obleků“ (viz můj obrázek v horní části tohoto příspěvku), jejichž cílem je snížit počet částic v oblasti a riziko, že by taková částice mohla narušit oplatky zpracovává se.

Jedna věc, kterou jsem si všiml, je, že zatímco v podlaze čisté místnosti je spousta strojů - podle GlobalFoundries více než 1 400 - není mnoho lidí.

Christopher Belfi, hlavní inženýr pro výrobní operace, který nám dal prohlídku čisté místnosti, vysvětlil, že cílem je mít na podlaze nulové operátory. Jediní lidé, které vidíte, buď dělají instalaci nebo údržbu nástrojů, řekla Belfi.

(Obrázek z GlobalFoundries)

Namísto toho, aby technici pohybovali oplatky z jednoho nástroje na druhý, oplatky jsou směrovány mezi nástroji prostřednictvím jednotných pods otvíracích front nebo FOUP, jak je nazývají, z nichž každý drží 25 oplatek - a můžete vidět, jak se tyto pohyby pohybují po celé čisté místnosti. Celkem se na nástrojích pohybujících a ukládajících oplatky mezi nástroji nachází 550 vozidel na 14 mil. Tratě. Tito také pohybují mřížkami (maskami čipu, které vedou světlo pro každou vrstvu výroby čipů) mezi centrálním úložným zařízením k nástrojům, kde budou použity. To nesnižuje počet potřebných lidí, řekl Belfi, protože nástroje musí být stále kontrolovány, ale snižuje čas a chyby. Poznamenal, že v kterémkoli daném okamžiku jsou desítky produktů v různých fázích výroby, pro několik desítek zákazníků, a každý produkt má svou vlastní síťku a vlastní specifický proces, který používá různé nástroje. Belfi označil Fab 8 za „nejautomatičtější model na světě“. Samozřejmě je to také jeden z nejnovějších.

Některá z nich má žluté světlo, protože v jednom okamžiku v historii výrobního procesu bylo důležité zajistit, aby nebyla oplatka vystavena normálnímu světlu. V dnešní době však nejsou oplatky vůbec vystaveny vnějšímu světlu, takže je to méně nutné.

Při výrobě oplatky existuje mnoho kroků a každý má svou vlastní oblast čistého prostoru: implantát (přidávání iontů do křemíku), chemická mechanická planarizace nebo CMP (leštění oplatky), difúze, nanášení tenkých vrstev, litografie a etch. Metrologické nástroje používané k měření funkcí čipu v každém kroku na cestě jsou umístěny po celém obvodu.

Máme tendenci mluvit o litografii nejvíce (což se týká použití světla k odhalení vzoru na oplatce), protože to je to, co se stalo nejsložitějším krokem v posledních několika letech. Současná technika, která zahrnuje použití 193nm světla v kapalině (známé jako ponořená litografie), již není dostatečně jemná, aby vytvořila nejmenší prvky v čipu v jednom průchodu, takže pro uzly, jako je 14nm a 7nm, více expozic (někdy nazývané dvojité nebo dokonce čtyřúhelníkové). Extrémní ultrafialové záření nebo EUV je složitější alternativou, ale ta, která může být nezbytná, pokud chceme i nadále získávat menší čipy na čipy, a společnost GlobalFoundries právě instaluje dva z těchto strojů EUV s prostorem pro další dva. (Budu mít další podrobnosti v příštím příspěvku.) Protože to není připraveno, prozatím jsou všechny žetony vyrobené v GlobalFoundries (a skutečně všechny komerční žetony, o kterých vím, že jsou vyrobeny kdekoli), vyráběny ponořením litografie. Ale všechny kroky jsou zásadní a jakákoli chyba v jakémkoli kroku pravděpodobně povede k tomu, že čipy na oplatce budou zbytečné.

Celkově může aktuální čip zahrnovat až 80 vrstev a dokonce i více kroků, jak oplatky procházejí mezi různými kroky procesu, zejména když se pohybují tam a zpět mezi litografií a leptáním v každém kroku vícenásobného vzorování (může to trvat měsíce) vyrobit typický špičkový čip). Je to fascinující proces a já jsem ráda, že jsem se měla na vlastní oči vidět.

Ve svém dalším příspěvku se zaměřím více na zařízení EUV, která byla nedávno nainstalována v továrně, a na plány GlobalFoundries pro další kroky v procesu výroby čipů.

Zajímá vás rychlost připojení k internetu? Vyzkoušejte to hned!