Ako sa čip vyrába: návšteva svetozápadov

Vždy ma fascinuje, keď sa učím o tom, čo skutočne znamená, aby boli zariadenia, ktoré považujeme za samozrejmé, a žiadny proces, o ktorom viem, nie je taký zložitý, komplikovaný alebo dôležitý ako procesory, ktoré napájajú telefóny, počítače a servery. ktoré riadia náš každodenný život. Skočil som teda na príležitosť navštíviť poprednú továreň spoločnosti GlobalFoundries na Malte v New Yorku, aby som zistil, ako sa zariadenie na výrobu čipov (alebo fab) vyvíjalo v posledných rokoch.

Je to úžasný proces - veľtrh obsahuje viac ako 1 400 pokročilých nástrojov na výrobu čipov, ktoré sú všetky spojené, a vytvorenie typickej oblátky, ktorá obsahuje čipy, môže trvať až šesť mesiacov. Veľmi ma ohromila stále sa zvyšujúca zložitosť tohto procesu a mimoriadna presnosť, ktorá sa vyžaduje na to, aby sa mohli čipy vyrábať všetci.

Navštívil som továreň, ktorá sa nazýva Fab 8, predtým, ako bola vo výstavbe a kedy začala vyrábať svoje prvé produkty: procesory navrhnuté pre 32nm alebo 28nm procesné uzly.

Závod sa nachádza na zaujímavom mieste: Technologický areál Luther Forest na Malte, asi pol hodiny severne od Albany. Po celé roky sa štát v New Yorku snaží priniesť viac technológií do regiónu, s úsilím, vrátane podpory pre SUNY polytechnický inštitút, vysoké školy pre vedu a techniku ​​v nanoscale (CNSE) a Albany Nanotech Complex, jeden z najmodernejších čipov na svete výskumné zariadenia, ktoré zahŕňajú zástupcov spoločností GlobalFoundries, Samsung, IBM, mnohých výskumných univerzít a všetkých popredných výrobcov nástrojov na výrobu čipov. AMD sa prihlásila na vybudovanie továrne v areáli; Keď spoločnosť AMD v roku 2009 prerušila svoje činnosti spojené s výrobou čipov, aby sa v roku 2009 stala spoločnosťou GlobalFoundries (teraz v 100% vlastníctve investičnej spoločnosti Mubadala v Abú Zabí), nová spoločnosť postavila továreň.

Pri mojej poslednej návšteve pred takmer šiestimi rokmi bola prvá fáza - ktorá zahŕňala čistú miestnosť s rozlohou 210 000 štvorcových stôp pre skutočnú výrobu - práve v prevádzke a prebiehala včasná výroba, zatiaľ čo fáza 2 s ďalšími 90 000 štvorcových stôp bola vo výstavbe., Na mieste bolo 1300 ľudí, ale v tom čase sa vyrábalo relatívne málo výrobkov.

(Obrázok z GlobalFoundries)

Dnes sú tieto prvé dve fázy jediným čistým priestorom s rozlohou 300 000 štvorcových stôp (šírka 300 stôp a 1 000 stôp) a ďalšia fáza 3 160 000 štvorcových stôp je tiež v plnej prevádzke. Videl som veľa aktivity a veľa kremíkových doštičiek naplnených trieskami.

Tom Caulfield, generálny riaditeľ spoločnosti SV 8 a generálny riaditeľ spoločnosti Fab 8, zdôraznil, že spoločnosť GlobalFoundries investovala oveľa viac do pôvodného podnikania v New Yorku ako pôvodný záväzok. Keď bol projekt prvýkrát naplánovaný, spoločnosť sa zaviazala investovať 3, 2 miliardy dolárov a priamy počet zamestnancov 1 200 ľudí za ročnú mzdu 72 miliónov dolárov. Teraz povedal, že spoločnosť skutočne investovala viac ako 12 miliárd dolárov a má asi 3 300 zamestnancov a ročnú mzdu vo výške 345 miliónov dolárov. A to nepočíta ani 500 až 700 ďalších osôb, ktoré pracujú na veľtrhu, ale sú zamestnané inými subjektmi, poznamenal, napríklad technici, ktorí pracujú pre dodávateľov nástrojov, ako sú ASML, Applied Materials alebo LAM Research.

GlobalFoundries tiež prevádzkuje to, čo teraz nazýva Fab 9 v Burlingtone, Vermonte a Fab 10 vo East Fishkill v New Yorku, čo sú staršie továrne, ktoré získala od IBM. Spoločnosť má významné koncerty aj v nemeckom Drážďanoch, kde pracuje na procese izolácie kremíka a izolátora FDX; Čcheng-tu, Čína; av Singapure. Celkovo spoločnosť tvrdí, že má viac ako 250 zákazníkov.

Caulfield uviedol, že veľtrh je jediný zdroj pre procesory AMyz's Ryzen, GPU Radeon a serverové čipy Epyc, ale má aj desiatky ďalších zákazníkov.

GlobalFoundries je jednou zo štyroch spoločností, ktoré vyrábajú špičkové logické čipy. Ďalšími sú Intel, ktorý primárne vyrába čipy pre svoje vlastné použitie; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), priekopnícka zlieváreň čipov, ktorá vyrába čipy pre mnoho rôznych zákazníkov a je hlavnou konkurenciou GlobalFoundries; a Samsung, ktorý robí z oboch málo.

Vo vnútri továrne

Pri tejto návšteve som ja a niekoľko ďalších novinárov absolvovali prehliadku zariadenia a dozvedeli sa, ako sa vyrábajú žetóny. Namiesto toho, aby sa začalo s čistým priestorom, kde sa čipy skutočne vyrábajú, prehliadka sa začala v „sub-fab“, rozsiahlej oblasti pod čistým priestorom, ktorá spracováva vybavenie potrebné na spustenie nástrojov na výrobu čipov. Patria sem elektrické, mechanické, vodné a chemické manipulačné systémy.

John Painter, senior riaditeľ zariadení, ktorý absolvoval prehliadku tejto oblasti, vysvetlil, že celé miesto obsahuje viac ako 70 000 kusov vybavenia, z ktorých väčšina podporuje menšie nástroje na výrobu čipov v čistej miestnosti. Takmer všetky tieto nástroje je potrebné chladiť a všetky fungujú lepšie pri predvídateľných teplotách, za určitých podmienok vlhkosti a tlaku, takže sa vynakladá značné úsilie na kontrolu životného prostredia. Je to zložitejšie, pretože nástroje sa neustále obnovujú, niektoré sa sťahujú a iné mimo zariadenia. Painter vysvetlil, že vo všeobecnosti trvá šesťkrát toľko priestoru pre podporné zariadenie ako pre čistú miestnosť.

Videli sme oblasti, ktoré spracovávajú chladenú vyčistenú vodu používanú pri výrobe, a chemické kaly na také účely, ako je leštenie doštičiek. Spoločnosť fab má komplexné zariadenia na monitorovanie a riadenie týchto systémov - ktoré dokážu merať veci v dieloch na trilión, aby dokázali odhaliť akýkoľvek únik v systéme - ako aj sofistikovaný systém bezpečnosti života. Sub-fab má strop 30 stôp a oblasť Phase 2 obsahuje mezanín, ktorý technickým technikom uľahčuje prístup ku všetkým zariadeniam. Na tomto poschodí je veľa samostatných priestorov s jednotlivými časťami vybavenia (od skladovacích priestorov pre vodu a chemikálie až po monitorovacie systémy), pričom kilometre potrubia ho spájajú s čistým priestorom vyššie. Všimol som si, že väčšina potrubia bola v skutočnosti zdvojnásobená, so senzormi vo vnútri potrubí, aby sa zistilo, či došlo k úniku.

V areáli sa nachádza aj mnoho ďalších budov vrátane centrálnej úžitkovej budovy s väčšími kotlami a chladičmi, systémov hromadného odpadu atď.

Celkovo továreň využíva 80 megawattov energie, ktorá je dodávaná duálnymi 150 000 voltovými vedeniami. Je rozhodujúce, že výkon je nepretržitý, pretože akákoľvek zmena môže narušiť výrobu a prípadne poškodiť spracovávané oblátky. Preto má zariadenie záložný systém UPS, zotrvačníky a dieselový generátor.

Obzvlášť ma zaujímalo množstvo miesta, ktoré vyžaduje nové zariadenie EUV (o ktorom sa budem venovať neskôr). Dokonca aj v podzemí si toto zariadenie vyžaduje rozsiahlu oblasť vrátane vlastného miniatúrneho čistého priestoru, kde nástroje produkujú vysoko intenzívny laserový svetelný zdroj, ktorý sa ohýba podlahou k nástroju EUV v čistej miestnosti. Samotný systém EUV si vyžadoval nové chladiace a elektrické systémy, spolu s ultračistou vodou a špeciálne nádrže a potrubia, ktoré znižujú znečistenie časticami.

Aby sa systém EUV dostal do budovy, bol hlavný uzáver najskôr zapečatený. Do stropu bol nainštalovaný 10-tonový žeriav a do boku budovy bol vyrezaný otvor, aby sa vnútri presunul obrovský nový systém. Tento proces bol sčasti podporovaný systémom 3D počítačového dizajnu, ktorý používal naskenované obrázky, ktoré zachytili umiestnenie existujúceho zariadenia až po milimeter.

Až do čistého priestoru

(Obrázok z GlobalFoundries)

Aby sme mohli navštíviť samotnú čistú miestnosť, museli sme sa obliecť do „bunny oblekov“ (pozri môj obrázok v hornej časti tohto stĺpca), ktorých cieľom je znížiť počet častíc v oblasti a riziko, že takáto častica môže narušiť oblátku. spracovanie.

Jedna vec, ktorú som si všimol, je, že zatiaľ čo na podlahe čistých priestorov je veľa strojov - podľa GlobalFoundries viac ako 1 400 - nie je ich veľa.

Christopher Belfi, hlavný inžinier pre výrobné operácie, ktorý nám dal prehliadku čistej miestnosti, vysvetlil, že cieľom je mať na zemi nulových operátorov. Jediní ľudia, ktorých vidíte, buď robia inštaláciu alebo údržbu nástrojov, povedala Belfi.

(Obrázok z GlobalFoundries)

Namiesto toho, aby technici premiestňovali oblátky z jedného nástroja na druhý, oblátky sú vedené medzi nástrojmi prostredníctvom zjednotených toboliek s predným otváraním alebo FOUP, keď ich nazývajú, z ktorých každý drží 25 oblátok - a tieto vidíte, ako sa pohybujú nad hlavou v čistej miestnosti. Celkom existuje 550 vozidiel na 14 míľach koľaje, ktoré sa pohybujú a ukladajú oblátky medzi nástrojmi. Tieto tiež pohybujú krížikmi (masky čipov, ktoré vedú svetlo pre každú vrstvu tvorby čipov) medzi centrálnym úložným zariadením k nástrojom, kde sa budú používať. To neznižuje počet potrebných ľudí, povedal Belfi, pretože nástroje je stále potrebné kontrolovať, ale znižuje čas a chyby. Poznamenal, že v ktoromkoľvek danom čase sú desiatky výrobkov v rôznych štádiách výroby, pre niekoľko desiatok zákazníkov, a každý výrobok má svoju vlastnú sadu krížoviek a svoj vlastný špecifický proces, ktorý využíva rôzne nástroje. Belfi nazval Fab 8 „najautomatizovanejším veľtrhom na svete“. Samozrejme, je to tiež jeden z najnovších.

Niektoré z nich majú žlté svetlo, pretože v jednom okamihu výrobného procesu bolo dôležité uistiť sa, že oblátka nebola vystavená normálnemu svetlu. V súčasnosti však oblátky vôbec nie sú vystavené vonkajšiemu svetlu, takže je to menej potrebné.

Pri výrobe oblátok je veľa krokov a každý z nich má svoju vlastnú oblasť čistého priestoru: implantát (pridanie iónov do kremíka), chemická mechanická planarizácia alebo CMP (leštenie oblátky), difúzia, usadzovanie v tenkej vrstve, litografia a etch. Metrologické nástroje používané na meranie prvkov čipu v každom kroku na ceste sú umiestnené v rámci fab.

Máme tendenciu hovoriť o litografii najviac (čo sa týka použitia svetla na odhalenie vzoru na doštičke), pretože to je to, čo sa stalo najkomplikovanejším krokom v posledných niekoľkých rokoch. Súčasná technika, ktorá zahŕňa použitie 193nm svetla v kvapaline (známa ako ponorná litografia), už nie je dosť jemná na to, aby vytvorila najmenšie prvky v čipe v jednom priechode, takže pre uzly ako 14nm a 7nm viacnásobné expozície (niekedy nazývané dvojité alebo štvorcové). Extrémne ultrafialové žiarenie alebo EUV je zložitejšou alternatívou, ktorá však môže byť potrebná, ak chceme aj naďalej využívať menšie funkcie na čipy, a spoločnosť GlobalFoundries práve inštaluje dva z týchto strojov EUV s priestorom pre ďalšie dve. (Budem mať viac podrobností v ďalšom príspevku.) Pretože to ešte nie je pripravené, zatiaľ sa všetky čipy vyrobené v GlobalFoundries (a skutočne všetky komerčné čipy, o ktorých viem, že sa vyrábajú kdekoľvek), vyrábajú ponornou litografiou. Všetky tieto kroky sú však rozhodujúce a akákoľvek chyba v ktoromkoľvek kroku pravdepodobne spôsobí, že čipy na doštičke budú zbytočné.

Celkovo môže aktuálny čip zahrnúť až 80 vrstiev a dokonca viac krokov, keď oblátky prechádzajú medzi rôznymi krokmi procesu, najmä keď sa pohybujú tam a späť medzi litografiou a leptaním v každom kroku viacerých vzorov (môže to trvať mesiace) na výrobu typického špičkového čipu). Je to fascinujúci proces a som rád, že som sa s tým stretol na vlastnej koži.

Vo svojom nasledujúcom príspevku sa viac sústredím na zariadenia EUV, ktoré boli nedávno nainštalované v továrni, ako aj na plány GlobalFoundries týkajúce sa budúcich krokov v procese výroby čipov.

Zaujíma vás vaša rýchlosť širokopásmového internetu? Vyskúšajte to hneď!