Sådan fremstilles en chip: Besøg globalfoundries

Jeg er altid fascineret af at lære om, hvad det virkelig kræver at gøre de enheder, vi tager for givet, og ingen proces, som jeg kender til, er så kompleks, kompliceret eller vigtig som at gøre de processorer, der driver telefoner, pc'er og servere som kører vores daglige liv. Så jeg sprang ved chancen for at besøge GlobalFoundries 'førende fabrik i Malta, New York, for at se, hvordan chipfremstillingsfaciliteten (eller fab) har udviklet sig de sidste par år.

Det er en forbløffende proces - fab'en inkluderer over 1.400 avancerede værktøjer til at fremstille chips, alt sammen forbundet, og at fremstille en typisk skive, der indeholder chips, kan tage op til seks måneder. Jeg var meget imponeret over den stadigt stigende kompleksitet i denne proces og den ekstraordinære præcision, der kræves for at fremstille de chips, som vi alle bruger.

Jeg har besøgt fabrikken - som er kendt som Fab 8 - før, da den var under opførelse, og da den netop var begyndt at fremstille sine første produkter: processorer designet til procesknudepunkterne 32nm eller 28nm.

Anlægget er et interessant sted: Luther Forest Technology Campus på Malta, cirka en halv time nord for Albany. I årevis har staten New York presset på for at bringe mere teknologi til regionen med bestræbelser inklusive støtte til SUNY Polytechnic Institute Colleges of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) og Albany Nanotech Complex, en af ​​verdens mest avancerede chip forskningsfaciliteter, der inkluderer repræsentanter fra GlobalFoundries, Samsung, IBM, mange forskningsuniversiteter og alle de førende producenter af chipfremstillingsværktøjer. AMD havde logget på for at bygge en fabrik på komplekset; da AMD opsplittede sine chipfremstillingsaktiviteter til at blive GlobalFoundries i 2009 (nu helt ejet af Abu Dhabis Mubadala Investment Company), byggede det nye selskab fabrikken.

På mit sidste besøg for næsten seks år siden var den første fase - som omfattede et 210.000 kvadratmeter rent rum til faktisk produktion - lige ved at køre og udføre tidlig produktion, mens fase 2, med yderligere 90.000 kvadratmeter, var under opførelse. Der var 1.300 mennesker på stedet, men der blev relativt lavet produkter på det tidspunkt.

(Billede fra GlobalFoundries)

I dag er disse to første faser et enkelt renrum på 300.000 kvadratfod (300 fod bredt og 1000 fod langt) og en yderligere 160.000 kvadratfods fase 3 er også i fuld drift. Jeg så masser af aktivitet, og mange siliciumskiver fyldt med chips blev produceret.

Tom Caulfield, SVP & General Manager for Fab 8, understregede, at GlobalFoundries havde investeret meget mere i det statslige New York end dets oprindelige engagement. Da fab var først planlagt, forpligtede virksomheden sig til en investering på 3, 2 milliarder dollars og et direkte medarbejder på 1.200 mennesker for en årlig lønningsliste på 72 millioner dollars. Nu, sagde han, har virksomheden faktisk investeret mere end 12 milliarder dollars og har omkring 3.300 ansatte og en årlig lønningsliste på $ 345 millioner. Og det tæller ikke engang de 500 til 700 andre personer, der arbejder hos fab, men er ansat i andre enheder, bemærkede han, såsom teknikere, der arbejder for værktøjsudbydere som ASML, Applied Materials eller LAM Research.

GlobalFoundries driver også det, det nu kalder Fab 9 i Burlington, Vermont, og Fab 10 i East Fishkill, New York, som er ældre fabrikker, det erhvervede af IBM. Virksomheden har også store fabrikker i Dresden, Tyskland, hvor det arbejder på sin FDX-silicium-på-isolatorproces; Chengdu, Kina; og i Singapore. Samlet set siger virksomheden, at det har mere end 250 kunder.

Caulfield sagde, at fab'en er en enkelt kilde til AMDs Ryzen-processorer, Radeon GPU'er og Epyc-serverchips, men også har snesevis af andre kunder.

GlobalFoundries er et af fire virksomheder, der fremstiller førende logiske chips. De andre er Intel, der primært fremstiller chips til eget brug; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), det banebrydende chipstøberi, der skaber chips til mange forskellige kunder og er GlobalFoundries 'største konkurrence; og Samsung, der gør lidt af begge dele.

Inde i fabrikken

På dette besøg fik jeg og flere andre journalister en rundvisning i anlægget og fik hørt om, hvordan chipsene fremstilles. I stedet for at starte med renrummet, hvor chipsene faktisk fremstilles, startede turen i "sub-fab", det store område under cleanroom, der håndterer det nødvendige udstyr til at køre de værktøjer, der fremstiller chips. Dette inkluderer de elektriske, mekaniske, vand- og kemiske håndteringssystemer.

John Painter, senior manager for faciliteter, der gav turen i dette område, forklarede, at hele webstedet indeholder over 70.000 udstyr, hvoraf en stor del understøtter de mindre chipfremstillingsværktøjer i renrummet. Næsten alle disse værktøjer skal afkøles, og de fungerer alle bedre i forudsigelige temperaturer under visse fugtigheds- og trykforhold, så der bruges en betydelig indsats for at kontrollere miljøet. Dette gøres mere kompliceret, fordi værktøjer konstant opdateres, med nogle flytter ind og andre ud af anlægget. Maler forklarede, at det generelt tager seks gange så meget plads til støtteudstyret, som det gør for renrummet.

Vi så områder, der behandler det afkølede rensede vand, der blev brugt til fremstilling, og kemiske opslæmninger til ting som polering af skiver. Fabrikken har komplekse faciliteter, der overvåger og kontrollerer disse systemer - som er i stand til at måle ting i dele pr. Billioner, så de kan registrere enhver lækage i systemet - samt et sofistikeret livssikkerhedssystem. Underfabrikken har et loft på 30 meter, og fase 2-området inkluderer en mezzanin for at gøre det lettere for teknikere at nå alt udstyret. Denne etage indeholder mange separate områder med individuelle udstyrsstykker (fra opbevaringsområder for vand og kemikalier til overvågningssystemer), med miles af rørledninger, der forbinder det til renrummet ovenfor. Jeg bemærkede, at meget af rørene faktisk blev fordoblet med sensorer i rørene for at registrere, om der var lækage.

Der er også en række andre bygninger på stedet, herunder en central brugsbygning med større kedler og køleapparater, bulkaffaldssystemer osv.

Som helhed bruger fabrikken 80 megawatt strøm, der leveres med dobbelt 150.000 volt-linjer. Det er kritisk, at strømmen er kontinuerlig, da enhver variation kan forstyrre fremstillingen og muligvis skade skiverne, der behandles. Derfor har anlægget et backup-UPS-system, svinghjul og en dieselgenerator.

Jeg var især interesseret i den mængde plads, der kræves af det nye EUV-udstyr (som jeg vil diskutere senere). Selv i underetagen kræver dette udstyr et massivt område, inklusive dets eget miniatyrrensrum, hvor værktøjer producerer en højintensiv laserlyskilde, der bøjes gennem gulvet til EUV-værktøjet i renrummet. EUV-systemet krævede selv nye køle- og elektriske systemer sammen med ultra-rent vand og specialtanke og rørledninger, der reducerer partikelforurening.

For at få EUV-systemet ind i bygningen blev hovedfabrikken først forseglet. En kran på 10 ton blev installeret i loftet, og derefter blev der skåret et hul i bygningens side for at bevæge det massive nye system ind. Denne proces blev delvist hjulpet af et 3D-computerdesignsystem, der brugte scannede billeder, der fandt placeringen af ​​eksisterende udstyr ned til millimeterniveauet.

Op til Cleanroom

(Billede fra GlobalFoundries)

For at besøge selve renrummet var vi nødt til at klæde os i "bunny suit" (se mit billede øverst i dette indlæg), designet til at reducere antallet af partikler i området og risikoen for, at en sådan partikel kan forstyrre skiven forarbejdning.

Én ting, jeg bemærkede, er, at selvom der er masser af maskiner på renrumsgulvet - mere end 1.400 ifølge GlobalFoundries - er der ikke så mange mennesker.

Christopher Belfi, en hovedingeniør for produktionsoperationer, der gav os turen til renrummet, forklarede, at målet er at have nul operatører på gulvet. De eneste, du ser, er enten at gøre installation eller vedligeholdelse af værktøjerne, sagde Belfi.

(Billede fra GlobalFoundries)

I stedet for at teknikere flytter skiver fra et værktøj til et andet, dirigeres skiverne mellem værktøjerne via Front-Opening Unified Pods, eller FOUPs, som de kalder dem, som hver har 25 skiver - og du kan se disse bevæge sig overalt i hele renrummet. I alt er der 550 køretøjer på 14 mil med spor, der bevæger sig og opbevarer skiver mellem værktøjer. Disse flytter også retikler (chipmaskerne, der leder lyset for hvert lag af chipfremstilling) mellem en central lagerfacilitet til værktøjerne, hvor de vil blive brugt. Dette reducerer ikke antallet af krævede mennesker, sagde Belfi, da værktøjerne stadig skal kontrolleres, men reducerer tid og fejl. Han bemærkede, at på et givet tidspunkt er snesevis af produkter i forskellige produktionsstadier for flere dusin kunder, og hvert produkt har sit eget sæt retikler og sin egen specifikke proces, der bruger forskellige værktøjer. Belfi kaldte Fab 8 "den mest automatiserede fab i verden." Selvfølgelig er det også en af ​​de nyeste.

Nogle af fablerne har gult lys, da det på et tidspunkt i fremstillingsprocessens historie var vigtigt at sikre, at skiven ikke blev udsat for normalt lys. Men i disse dage udsættes skiverne overhovedet ikke for lys udefra, så det er mindre nødvendigt.

Der er mange trin involveret i fremstilling af en skive, og hver har sit eget område i renrummet: implantat (tilføjelse af ioner til siliciumet), kemisk mekanisk planarisering eller CMP (polering af skiven), diffusion, tyndfilmsaflejring, litografi og etch. Metrologeværktøjer, der bruges til at måle chipfunktioner på hvert trin undervejs, findes i hele fab.

Vi har en tendens til at tale mest om litografi (som henviser til at bruge lys til at udsætte et mønster på skiven), da det er dette, der er blevet det mest komplicerede trin i de sidste par år. Den nuværende teknik, der involverer anvendelse af 193nm lys i en væske (kendt som nedsænkningslithografi), er ikke længere fin nok til at skabe de mindste elementer i en chip i en enkelt passage, så for noder som 14nm og 7nm er der flere eksponeringer (undertiden kaldet dobbelt mønstring eller endda firemønster) er påkrævet. Ekstrem ultraviolet eller EUV er et mere komplekst alternativ, men det kan være nødvendigt, hvis vi skal fortsætte med at få mindre funktioner på chips, og GlobalFoundries er i færd med at installere to af disse EUV-maskiner, med plads til to mere. (Jeg vil have flere detaljer i det næste indlæg.) Da det ikke er klar, produceres i øjeblikket alle de chips, der er lavet på GlobalFoundries (og faktisk alle de kommercielle chips, jeg kender til, hvor som helst) med nedsænkningslithografi. Men alle trinene er afgørende, og enhver fejl i ethvert trin vil sandsynligvis gøre chips på skiven ubrugelig.

I alt kan en nuværende chip involvere op til 80 lag, og endnu flere trin, når skiver går mellem de forskellige trin i processen, især når de går frem og tilbage mellem litografi og ætsning i hvert multimønstertrin (det kan tage måneder at fremstille en typisk high-end-chip). Det er en fascinerende proces, og en er jeg glad for, at jeg fik se førstehånds.

I mit næste indlæg vil jeg fokusere mere på det EUV-udstyr, der for nylig blev installeret på fabrikken, samt på GlobalFoundries 'planer for fremtidige trin i chipfremstillingsprocessen.

Er du nysgerrig efter din bredbåndsinternethastighed? Test det nu!