Hvordan en brikke blir laget: å besøke global fundundries

Jeg er alltid fascinert av å lære om hva det egentlig trengs for å gjøre enhetene vi tar for gitt, og ingen prosesser som jeg vet om er så komplekse, kompliserte eller viktige som å lage prosessorer som driver telefoner, PC-er og servere. som kjører hverdagen vår. Så jeg hoppet av sjansen til å besøke GlobalFoundries 'ledende fabrikk på Malta, New York, for å se hvordan fabrikasjonen av brikke (eller fab) har utviklet seg de siste årene.

Det er en fantastisk prosess - fab-en inneholder over 1400 avanserte verktøy for å lage brikker, alt sammen koblet sammen, og det kan ta opptil seks måneder å lage en typisk skive som inneholder brikker. Jeg ble veldig imponert over den stadig økende kompleksiteten i denne prosessen, og den ekstraordinære presisjonen som kreves for å lage brikkene som vi alle bruker.

Jeg har besøkt fabrikken - som er kjent som Fab 8 - før, da den var under bygging, og da den nettopp hadde begynt å produsere sine første produkter: prosessorer designet for prosessnodene 32nm eller 28nm.

Anlegget er et interessant sted: Luther Forest Technology Campus på Malta, omtrent en halvtime nord for Albany. I årevis har staten New York presset for å bringe mer teknologi til regionen, med innsats inkludert støtte til SUNY Polytechnic Institute Colleges of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) og Albany Nanotech Complex, en av verdens mest avanserte brikker forskningsfasiliteter, som inkluderer representanter fra GlobalFoundries, Samsung, IBM, mange forskningsuniversiteter og alle de ledende produsentene av brikkeproduksjonsverktøy. AMD hadde signert for å bygge en fabrikk på komplekset; da AMD delte av sin chipmaking-virksomhet for å bli GlobalFoundries i 2009 (nå heleid av Abu Dhabis Mubadala Investment Company), bygde det nye selskapet fabrikken.

På mitt siste besøk for snart seks år siden, var den første fasen - som inkluderte et 210 000 kvadratmeter rent rom for faktisk produksjon - bare i gang og var i gang med tidlig produksjon, mens fase 2, med ytterligere 90 000 kvadratmeter, var under bygging. Det var 1.300 mennesker på stedet, men relativt få produkter ble laget på den tiden.

(Bilde fra GlobalFoundries)

I dag er de første to fasene et enkelt renholdsrom på 300 000 kvadratmeter (300 fot bredt og 1000 fot langt) og en ytterligere 160 000 kvadratmeter stor fase 3 er også i full drift. Jeg så mye aktivitet, og mange silisiumskiver fylt med chips ble produsert.

Tom Caulfield, SVP og daglig leder for Fab 8, understreket at GlobalFoundries hadde investert mye mer i upstate New York enn det opprinnelige engasjementet. Da fabelen først ble planlagt, forpliktet selskapet seg til en investering på 3, 2 milliarder dollar, og et direkte antall på 1200 mennesker for en årlig lønn på 72 millioner dollar. Nå, sa han, har selskapet faktisk investert mer enn 12 milliarder dollar, og har rundt 3.300 ansatte og en årlig lønningsliste på 345 millioner dollar. Og det er ikke en gang å telle de 500 til 700 andre personene som jobber hos fab, men som er ansatt i andre enheter, bemerket han, for eksempel teknikere som jobber for verktøyleverandører som ASML, Applied Materials eller LAM Research.

GlobalFoundries driver også det det nå kaller Fab 9 i Burlington, Vermont, og Fab 10 i East Fishkill, New York, som er eldre fabrikker den kjøpte fra IBM. Selskapet har også store fabrikker i Dresden, Tyskland, hvor det jobber med sin FDX silisium-på-isolator-prosess; Chengdu, Kina; og i Singapore. Totalt sett sier selskapet at det har mer enn 250 kunder.

Caulfield sa at faben er en enkeltkilde for AMDs Ryzen-prosessorer, Radeon GPU-er og Epyc-serverbrikker, men har også dusinvis av andre kunder.

GlobalFoundries er et av fire selskaper som lager ledende logikkbrikker. De andre er Intel, som først og fremst lager brikker til eget bruk; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), det banebrytende chipstøperiet, som lager chips for mange forskjellige kunder og er GlobalFoundries 'viktigste konkurranse; og Samsung, som gjør litt av begge deler.

Inne i fabrikken

På dette besøket fikk jeg og flere andre journalister en omvisning på anlegget og fikk høre om hvordan sjetongene lages. I stedet for å begynne med renrommet der sjetongene faktisk er produsert, startet turen i "sub-fab", det enorme området under cleanroom som håndterer utstyret som trengs for å kjøre verktøyene som lager brikkene. Dette inkluderer systemer for elektrisk, mekanisk, vann og kjemisk håndtering.

John Painter, Senior Director of Facility, som ga turen i dette området, forklarte at hele nettstedet inneholder over 70 000 utstyrsstoffer, hvorav mye støtter de mindre sponproduksjonsverktøyene i renrommet. Nesten alle verktøyene må kjøles ned, og de fungerer alle bedre i forutsigbare temperaturer, under visse fuktighets- og trykkforhold, så det blir brukt betydelig innsats for å kontrollere miljøet. Dette gjøres mer komplekst fordi verktøy stadig blir oppdatert, med noen innflytting og andre ut av anlegget. Maler forklarte at det generelt tar seks ganger så mye plass for støtteutstyret som det gjør for renrommet.

Vi så områder som behandler det avkjølte rensede vannet som ble brukt i produksjonen, og kjemiske slam for ting som polering av skiver. Fabrikken har komplekse fasiliteter som overvåker og kontrollerer disse systemene - som er i stand til å måle ting i deler per billion, slik at de kan oppdage enhver lekkasje i systemet - så vel som et sofistikert livssikkerhetssystem. Underfabrikken har et 30 fot stort tak, og fase 2-området inneholder en mesanin for å gjøre det enklere for teknikere å nå alt utstyret. Denne etasjen inneholder mange separate områder med individuelle utstyrsstykker (fra lagringsområder for vann og kjemikalier til overvåkningssystemer), med miles av rør som kobler det til rensrommet over. Jeg bemerket at mye av rørføring faktisk ble doblet, med sensorer i rørene for å oppdage om det var en lekkasje.

Det er også en rekke andre bygninger på stedet, inkludert et sentralt bruksbygg med større kjeler og kjølere, bulkavfallssystemer, etc.

Som en helhet bruker fabrikken 80 megawatt strøm, som leveres av doble 150 000 volt linjer. Det er kritisk at strømmen er kontinuerlig, da enhver variasjon kan forstyrre produksjonen og muligens skade skivene som behandles. Derfor har anlegget et backup-UPS-system, svinghjul og en dieselgenerator.

Jeg var spesielt interessert i hvor mye plass som kreves av det nye EUV-utstyret (som jeg vil diskutere senere). Selv i underetasjen krever dette utstyret et enormt område, inkludert eget miniatyrrengjøringsrom, der verktøy produserer en høyintensiv laserlyskilde, som bøyer seg gjennom gulvet til EUV-verktøyet i renserommet. EUV-systemet selv nødvendiggjorde nye kjøle- og elektriske systemer, sammen med ultra-rent vann, og spesielle tanker og rørledninger som reduserer partikkelforurensning.

For å få EUV-systemet inn i bygningen ble hovedfabrikken først forseglet. En kran på 10 tonn ble installert i taket, og deretter et hull skåret inn på siden av bygningen for å flytte det enorme nye systemet inne. Denne prosessen ble til dels hjulpet av et 3D datamaskindesignsystem som brukte skannede bilder som tok plassering av eksisterende utstyr ned til millimeternivået.

Opp til Cleanroom

(Bilde fra GlobalFoundries)

For å besøke selve renserommet, måtte vi kle oss i "bunny suitene" (se bildet mitt øverst i dette innlegget), designet for å redusere antall partikler i området og risikoen for at en slik partikkel kan forstyrre skive behandling.

Én ting jeg la merke til, er at selv om det er mange maskiner i renromgulvet - mer enn 1400, ifølge GlobalFoundries - er det ikke så mange mennesker.

Christopher Belfi, en hovedingeniør for produksjonsdrift, som ga oss omvisningen til renrommet, forklarte at målet er å ha null operatører på gulvet. De eneste du ser er enten å installere eller vedlikeholde verktøyene, sa Belfi.

(Bilde fra GlobalFoundries)

I stedet for at teknikere flytter skiver fra ett verktøy til et annet, blir skivene ført mellom verktøyene via Front-Opening Unified Pods, eller FOUPs som de kaller dem, som hver rommer 25 skiver - og du kan se disse bevege seg over hodet på hele rommet. Totalt er det 550 biler på 14 mil med spor som beveger seg og lagrer skiver mellom verktøy. Disse flytter også retikler (brikkemasker som leder lyset for hvert lag med sponproduksjon) mellom et sentralt lagringsanlegg til verktøyene der de skal brukes. Dette reduserer ikke antallet personer som kreves, sa Belfi, ettersom verktøyene fremdeles må kontrolleres, men reduserer tid og feil. Han bemerket at til enhver tid er dusinvis av produkter i forskjellige stadier av produksjonen, for flere dusin kunder, og hvert produkt har sitt eget sett med retikler og sin egen spesifikke prosess som bruker forskjellige verktøy. Belfi kalte Fab 8 "den mest automatiserte fab i verden." Selvfølgelig er det også en av de nyeste.

Noen av fabene har gult lys, da det på et tidspunkt i produksjonsprosessens historie var viktig å sørge for at skiven ikke ble utsatt for normalt lys. Imidlertid blir skivene i disse dager ikke utsatt for lys utenfor, så det er mindre nødvendig.

Det er mange trinn involvert i å lage en skive, og hver har sitt eget område av renrommet: implantat (tilsetning av ioner til silisiumet), kjemisk mekanisk planarisering eller CMP (polering av skive), diffusjon, tynnfilmavsetning, litografi og etch. Metrologiverktøy som brukes til å måle brikkefunksjoner på hvert trinn underveis, er lokalisert i hele fab.

Vi har en tendens til å snakke mest om litografi (som refererer til å bruke lys for å eksponere et mønster på skiven), da det er dette som har blitt det mest kompliserte trinnet de siste årene. Den nåværende teknikken, som innebærer å bruke 193nm lys i en væske (kjent som nedsenkingslitografi), er ikke lenger fin nok til å lage de minste elementene i en brikke i en enkelt passering, så for noder som 14nm og 7nm, flere eksponeringer (noen ganger kalt dobbel mønstring eller til og med firemønster) er påkrevd. Ekstrem ultrafiolett eller EUV er et mer komplekst alternativ, men det kan være nødvendig hvis vi skal fortsette å få mindre funksjoner på chips, og GlobalFoundries er i ferd med å installere to av disse EUV-maskinene, med plass til to til. (Jeg vil ha flere detaljer i neste innlegg.) Siden det ikke er klart, er foreløpig alle sjetongene som er laget på GlobalFoundries (og faktisk alle kommersielle sjetonger jeg vet om hvor som helst laget) produsert med nedsenkingslitografi. Men alle trinnene er avgjørende, og enhver feil i ethvert trinn vil sannsynligvis gjøre brikker på skiven ubrukelig.

Totalt kan en nåværende brikke innebære opptil 80 lag, og enda flere trinn når skiver går mellom de forskjellige trinnene i prosessen, spesielt når de går frem og tilbake mellom litografi og etsning i hvert flermønstertrinn (det kan ta måneder å produsere en typisk high-end chip). Det er en fascinerende prosess og jeg er glad jeg fikk se førstehånds.

I mitt neste innlegg skal jeg fokusere mer på EUV-utstyret som nylig ble installert på fabrikken, samt på GlobalFoundries 'planer for fremtidige trinn i chip-prosessen.

Er du nysgjerrig på bredbåndets internetthastighet? Test det nå!