Hogyan készül a chip: a globalfoundries felkeresése

Mindig örülök annak, hogy megtanulom, hogy mi szükséges ahhoz, hogy az általunk biztosított eszközöket biztosítsuk, és egyetlen olyan folyamat sem, amelyről ismerek, nem lenne olyan bonyolult, bonyolult vagy fontos, mint a telefonokat, a számítógépeket és a kiszolgálókat tápláló processzorok készítése. amelyek a mindennapi életünket mozgatják. Tehát arra megragadtam a lehetőséget, hogy meglátogassam a GlobalFoundries élvonalbeli gyárát Máltán (New York), hogy megnézhessem, hogyan fejlődött a forgácsgyártó üzem (vagy fab) az elmúlt években.

Csodálatos folyamat - a fab több mint 1400 fejlett szerszámot tartalmaz chipek készítéséhez, összekapcsolva, és egy tipikus ostya elkészítése, amely chipeket tartalmaz, akár hat hónapot is igénybe vehet. Nagyon lenyűgözött a folyamat folyamatosan növekvő komplexitása és a rendkívüli pontosság, amelyre szükség van ahhoz, hogy elkészítsük a chipeket, amelyeket mindannyian használunk.

Már meglátogattam a Fab 8 néven ismert gyárat, még akkor is, amikor építés alatt állt, és amikor éppen elkezdte gyártani első termékeit: a 32 nm-es vagy a 28 nm-es folyamatcsomópontokhoz tervezett processzorokat.

Az üzem érdekes helyen található: a máltai Luther Forest Technology Campusban, kb. Fél órával északra Albanytől. New York állam évek óta arra törekszik, hogy több technológiát hozzon a régióba, és erőfeszítéseket tett a SUNY Politechnikai Intézet Nanoskála Tudományos és Műszaki Főiskoláinak (CNSE) és az Albany Nanotech Komplexumnak, a világ egyik legfejlettebb chipjének támogatására. kutatóintézetek, amelyekbe beletartoznak a GlobalFoundries, a Samsung, az IBM, számos kutatási egyetem és a chipgyártó eszközök vezető gyártói. Az AMD aláírt egy gyár építésére a komplexumban; Amikor az AMD 2009-ben elválasztotta a chipegyártási tevékenységeit, hogy GlobalFoundriesré váljon (ma már teljes egészében az Abu Dhabi Mubadala Investment Company tulajdonában van), az új társaság építette a gyárat.

Az utolsó, majdnem hat évvel ezelőtt tett látogatásom alkalmával az első szakasz - amely magában foglalta a 210 000 négyzetláb hosszú tiszta helyiséget a tényleges gyártáshoz - éppen felkészült és működött, és korai előállítást végzett, míg a 2. fázis további 90 000 négyzetméterrel építés alatt volt.. 1300 ember volt a helyszínen, de abban az időben viszonylag kevés terméket gyártottak.

(Kép a GlobalFoundries-től)

Manapság ez az első két fázis egy 300 000 négyzetláb hosszú tiszta helyiség (300 láb széles és 1000 láb hosszú), és egy további 160 000 négyzetláb hosszú 3. fázis szintén teljes működésben van. Nagyon sok tevékenységet láttam, és sok szilikon ostyát gyártottak chipekkel töltve.

Tom Caulfield, a Fab 8 vezérigazgatója és vezérigazgatója hangsúlyozta, hogy a GlobalFoundries sokkal többet fektetett be New York államba, mint eredeti kötelezettségvállalása. A kivitelezés első tervezésekor a társaság 3, 2 milliárd dolláros beruházást vállalt, és közvetlen 1, 200 főt foglalkoztatott évente 72 millió dolláros bérszámfejtés mellett. Most, mondta -, a társaság ténylegesen több mint 12 milliárd dollárt fektetett be, körülbelül 3300 alkalmazottal és 345 millió dolláros éves fizetéssel rendelkezik. És ez még nem számolja az 500–700 egyént, akik a fab-ban dolgoznak, de más szervezeteknél foglalkoztatnak - jegyezte meg, például olyan technikusok, akik olyan szerszámgyártóknál dolgoznak, mint az ASML, az Applied Materials vagy a LAM Research.

A GlobalFoundries azt is működteti, amelyet most Fab 9-nek hívnak a vermonti Burlingtonban és a Fab 10-nek a New York-i East Fishkill-ben, amelyek régebbi gyárak, amelyeket az IBM-től szereztek be. A társaságnak jelentős németországai vannak a németországi Drezdában is, ahol FDX szilikon-szigetelő eljáráson dolgozik; Chengdu, Kína; és Szingapúrban. Összességében a cég szerint több mint 250 ügyfele van.

Caulfield elmondta, hogy a fab egyetlen forrás az AMD Ryzen processzorainak, a Radeon GPU-knak és az Epyc szerver chipeknek, de tucatnyi más ügyféllel is rendelkezik.

A GlobalFoundries egyike annak a négy cégnek, amely élvonalbeli logikai chipeket gyárt. A többi az Intel, amely elsősorban saját felhasználásra készít chipeket; A Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), az úttörő chipgyár, amely sokféle ügyfél számára gyárt chipet és a GlobalFoundries fő versenytársa; és a Samsung, amely mindkettőből csekély.

A gyár belsejében

Ezen a látogatáson nekem és több újságírónak körbeutazták a létesítményt, és meghallhatták a zsetonkészítés módját. Ahelyett, hogy a tiszta helyiséggel kezdenénk, ahol a forgácsot ténylegesen gyártják, a túra az "al-fab-ban" kezdődött, a tiszta helyiség alatt lévő hatalmas területen, amely kezeli a forgácsot előállító szerszámok futtatásához szükséges berendezéseket. Ide tartoznak az elektromos, mechanikus, víz- és vegyszerkezelő rendszerek.

John Painter, a létesítmények vezető igazgatója, aki körbejárta ezt a területet, elmondta, hogy az egész telek több mint 70 000 darabot tartalmaz, amelyek nagy része támogatja a tiszta helyiségben található kisebb forgácsoló eszközöket. Ezen eszközök szinte mindegyikét hűteni kell, és mindegyik jobban működik a kiszámítható hőmérsékleten, bizonyos páratartalom és nyomás mellett, így jelentős erőfeszítéseket kell tenni a környezet ellenőrzése érdekében. Ez még bonyolultabbá válik, mivel az eszközöket folyamatosan frissítik, néhányuk be-, mások ki szállnak a létesítményből. A festő kifejtette, hogy általában hatszor annyi helyet foglal el a tartóeszközöknek, mint a tisztaszobáknak.

Láttuk azokat a területeket, amelyek feldolgozzák a gyártáshoz használt hűtött tisztított vizet, valamint vegyi iszapokat például az ostya polírozásához. A fab komplex felszereltséggel rendelkezik ezeknek a rendszereknek a felügyeletére és vezérlésére - amelyek képesek mérni a dolgokat trillió részekben, így felismerni a rendszer szivárgását -, valamint egy kifinomult életbiztonsági rendszerrel. Az al-fab 30 méter magas mennyezettel rendelkezik, és a 2. fázis területén mezzanine található, hogy a műszaki szakemberek könnyebben elérhessék az összes berendezést. Ez a padló számos különálló területet tartalmaz, külön berendezésekkel (a víz és vegyszerek tárolóhelyeitől a felügyeleti rendszerekig), néhány mérföldnyi csővezetékkel összekötve azt a fenti tisztaszobával. Megjegyeztem, hogy a csövek nagy része valóban megduplázódott, szenzorokkal a csövekben, hogy észleljék, van-e szivárgás.

Számos egyéb épület is található a helyszínen, köztük egy központi közműépület nagyobb kazánokkal és hűtővel, ömlesztett hulladék rendszerekkel stb.

Összességében a gyár 80 megawatt teljesítményt használ fel, amelyet kettős 150 000 voltos vonal táplál. Fontos, hogy a teljesítmény folyamatos legyen, mivel bármilyen változtatás megzavarhatja a gyártást és károsíthatja a feldolgozandó ostyákat. Ezért a létesítményben van tartalék UPS rendszer, lendkerék és dízelgenerátor.

Különösen érdekelt az új EUV berendezés által igényelt hely (ezt később tárgyalom). Még a padlón is ez a berendezés hatalmas területet igényel, beleértve a saját miniatűr tisztatérét, ahol a szerszámok nagy intenzitású lézerfényforrást hoznak létre, amely a padlón áthajlik az EUV szerszámához a tisztaszobában. Maga az EUV rendszer új hűtési és elektromos rendszereket igényelt, az ultra-tiszta vízzel és a részecskék szennyeződését csökkentő speciális tartályokkal és csövekkel.

Annak érdekében, hogy az EUV rendszert beépítsék az épületbe, először lezárták a főablakot. Egy 10 tonnás darut telepítettek a mennyezetbe, majd egy lyukat vágtak az épület oldalába annak érdekében, hogy a hatalmas új rendszer belsejébe lépjen. Ezt a folyamatot részben egy 3D számítógépes tervező rendszer segítette, amely beolvasott képeket használt, amelyek rögzítették a meglévő berendezések elhelyezését milliméter szintre.

A tisztaszobáig

(Kép a GlobalFoundries-től)

Annak érdekében, hogy meglátogassuk magát a tisztatéri helyet, a "nyuszi öltönyökbe" kellett felöltöznünk (lásd a képemet ennek a hozzászólásnak a tetején), amelynek célja a részecskék számának csökkentése a környéken és annak kockázata, hogy egy ilyen részecske megzavarhatja a ostyát feldolgozás.

Az egyik dolog, amit észrevettem, hogy bár sok gép van a tisztatéri padlón - a GlobalFoundries szerint 1400-nál több, nem olyan sok ember.

Belfi Christopher, a gyártási műveletek főmérnöke, aki átadta nekünk a tisztatéri áttekintést, elmondta, hogy a cél az, hogy nulla üzemeltető legyen a földön. Az egyetlen ember, akit lát, vagy telepítését, vagy karbantartását végzi az eszközökkel - mondta Belfi.

(Kép a GlobalFoundries-től)

Ahelyett, hogy technikusok mozgatnák az ostyákat az egyik szerszámról a másikra, az ostyakat a szerszámok között az elülső nyitó egységes hüvelyek vagy FOUP-ek segítségével vezetik, amik hívják őket, amelyek mindegyike 25 ostyát tartalmaz - és ezeket láthatja a feje fölött mozogva a tisztaszobában. Összesen 550 jármű található 14 mérföldnyi pályán mozgatva és az ostyakat szerszámok között tárolva. Ezek továbbmozgatják a retikleket (a chipeket ábrázoló maszkok, amelyek megvilágítják a forgácskészítés minden rétegét) egy központi tárolóhely között az eszközökhöz, ahol azokat felhasználják. Ez nem csökkenti a szükséges emberek számát - mondta Belfi, mivel az eszközöket továbbra is ellenőrizni kell, de ugyanakkor csökkenti az időt és a hibákat. Megjegyezte, hogy egy adott időpontban több tucat termék van a gyártás különféle szakaszaiban, több tucat vevő számára, és minden terméknek megvan a saját tüskekészlete és saját saját folyamata, amely különböző eszközöket használ. A Belfi a Fab 8-at a "leginkább automatizált Fab-nak" hívta. Természetesen ez is az egyik legújabb.

A minták egy részének sárga fénye van, mivel a gyártási folyamat történetének egyik pontján fontos volt ellenőrizni, hogy az ostya nincs-e kitéve a normál fénynek. Manapság azonban az ostya egyáltalán nem van kitéve külső fénynek, tehát kevésbé szükséges.

Az ostya készítéséhez sok lépés szükséges, és mindegyiknek megvan a saját területe a tiszta helyiségben: implantátum (ionok hozzáadása a szilíciumhoz), kémiai mechanikai planarization vagy CMP (ostya polírozása), diffúzió, vékonyréteg-lerakódás, litográfia és etch. A chipek tulajdonságainak mérésére használt metrológiai eszközök az út minden egyes lépésénél az egész fabban megtalálhatók.

A leginkább a litográfiáról beszélünk (amely a fény használatára utal, hogy kitüntesse az ostya mintáját), mivel ez lett az utóbbi évek legbonyolultabb lépése. A jelenlegi módszer, amely magában foglalja a 193 nm-es fény felhasználását egy folyadékban (más néven immerziós litográfia), már nem elég finom ahhoz, hogy egyetlen chipben létrehozza a chip legkisebb elemeit, így olyan csomópontok esetében, mint a 14 nm és a 7 nm, a többféle expozíció (néha dupla mintázatnak vagy akár négyszeres mintázatnak hívják). Az extrém ultraibolya sugárzás vagy az EUV sokkal összetettebb alternatíva, de erre szükség lehet, ha továbbra is kisebb képességeket szeretnénk elérni a chipeken, és a GlobalFoundries jelenleg folyamatban van ezen EUV gépek kettőjének telepítésén, további kettő számára. (A részleteket a következő bejegyzésben fogom megtekinteni.) Mivel ez még nem áll készen, a GlobalFoundries által készített összes zsetont (sőt, az összes olyan kereskedelmilemet, amelyről tudom, hogy bárhol készítettem) merülő litográfiával készülnek. De az összes lépés elengedhetetlen, és bármely lépés bármely hibája valószínűleg haszontalanná teszi az ostya chipset.

Összességében egy pillanatnyi chip akár 80 réteget is tartalmazhat, és még több lépést, amikor a ostyák a folyamat különböző lépései között haladnak, különös tekintettel arra, hogy az egyes multi-mintázási lépésekben a litográfia és az etch között előre-vissza mennek (hónapokba is beletartozhatnak). tipikus csúcskategóriás chip gyártásához). Izgalmas folyamat, és örülök annak, hogy első kézből láttam.

Következő hozzászólásomban inkább a gyárban a közelmúltban telepített EUV berendezésekre, valamint a GlobalFoundries terveire foglalkozom a chipgyártási folyamat jövőbeli lépéseivel kapcsolatban.

Érdekel a szélessávú internet sebessége? Tesztelje most!