Kuinka siru tehdään: vierailevat globaaleissa perustamisyrityksissä

Olen aina kiehtova oppia siitä, mitä meidän itsestäänselvyyteen saamien laitteiden tekemiseen todellakaan kuluu, eikä mikään tiedän prosessia, joka olisi yhtä monimutkainen, monimutkainen tai tärkeä kuin puhelinten, tietokoneiden ja palvelimien virran suorittimien tekeminen jotka johtavat jokapäiväistä elämäämme. Joten hyppäsin tilaisuuteen vierailla GlobalFoundriesin huipputeknisessä tehtaassa Maltalla, New Yorkissa, nähdäksesi kuinka sirujen valmistuslaitos (tai fab) on kehittynyt viime vuosina.

Se on uskomaton prosessi - fab sisältää yli 1 400 edistynyttä työkalua sirujen valmistukseen, jotka kaikki on kytketty toisiinsa, ja tyypillisen sirujen sisältävän kiekon valmistaminen voi viedä jopa kuusi kuukautta. Olin erittäin vaikuttunut tämän prosessin jatkuvasti kasvavasta monimutkaisuudesta ja sen ylimääräisestä tarkkuudesta, jota vaaditaan kaikkien käyttämämme sirujen tekemiseen.

Olen käynyt tehtaassa, joka tunnetaan nimellä Fab 8, ennen kuin se oli rakenteilla ja kun se oli juuri alkanut tuottaa ensimmäisiä tuotteitaan: prosessoreita, jotka on suunniteltu 32 nm: n tai 28 nm: n prosessisolmuille.

Tehdas sijaitsee mielenkiintoisella paikalla: Lutherin metsäteknologian kampuksella Maltalla, noin puoli tuntia Albanystä pohjoiseen. New Yorkin osavaltio on vuosien ajan pyrkinyt tuomaan lisää tekniikkaa alueelle pyrkien tukemaan SUNY-ammattikorkeakoulujen korkeakoulututkimusta (CNSE) ja Albany Nanotech -kompleksia, joka on yksi maailman edistyneimmistä siruista. tutkimuslaitokset, joihin kuuluu edustajia GlobalFoundriesista, Samsungista, IBM: stä, monista tutkimusyliopistoista ja kaikista johtavista siruvalmistusvälineiden valmistajista. AMD oli allekirjoittanut tehtaan rakentamisen kompleksiin; Kun AMD jakoi siruvalmistustoimintonsa GlobalFoundries -yhtiöksi vuonna 2009 (nykyisin kokonaan Abu Dhabin Mubadala Investment Company omistaa), uusi yritys rakensi tehtaan.

Viimeisellä vierailullani lähes kuusi vuotta sitten ensimmäinen vaihe - joka sisälsi 210 000 neliöjalkaa puhdastilaa varsinaista valmistusta varten - oli juuri käynnissä ja käynnissä ja tuotti varhain tuotantoa, kun taas vaihe 2, jossa oli lisäksi 90 000 neliöjalkaa, oli rakenteilla. Paikalla oli 1300 ihmistä, mutta tuolloin valmistettiin suhteellisen vähän tuotteita.

(Kuva yrityksestä GlobalFoundries)

Nykyään nämä kaksi ensimmäistä vaihetta ovat yksi 300 000 neliömetrin puhdastila (300 jalkaa leveä ja 1000 jalkaa pitkä) ja lisäksi 160 000 neliöjalkaa vaihe 3 on myös täysin toiminnassa. Näin paljon toimintaa, ja tuotettiin monia piikiekkoja, jotka oli täytetty siruilla.

Fab 8: n johtaja ja toimitusjohtaja Tom Caulfield korosti, että GlobalFoundries oli investoinut paljon enemmän New Yorkin osavaltioon kuin alkuperäinen sitoumus. Kun fab suunniteltiin ensimmäisen kerran, yritys sitoutui 3, 2 miljardin dollarin investointeihin ja välittömään henkilöstömäärään 1, 200 henkilöä vuotuiseen palkkalaskuun, joka on 72 miljoonaa dollaria. Nyt hän sanoi, että yritys on tosiasiallisesti investoinut yli 12 miljardia dollaria, ja sillä on noin 3 300 työntekijää ja vuotuinen palkkasumma 345 miljoonaa dollaria. Eikä siinä edes lasketa 500–700 muuta henkilöä, jotka työskentelevät työpaikalla, mutta ovat muiden yksiköiden palveluksessa, hän totesi, kuten teknikot, jotka työskentelevät työkalumyyjien, kuten ASML, Applied Materials tai LAM Research, kanssa.

GlobalFoundries toimii myös nimellä Fab 9 Burlingtonissa Vermontissa ja Fab 10 East Fishkillissä New Yorkissa, jotka ovat vanhempia tehtaita, jotka se on hankkinut IBM: ltä. Yhtiöllä on myös suuria näytteitä Dresdenissä, Saksassa, jossa se työskentelee FDX-pii-eristysprosessissaan; Chengdu, Kiina; ja Singaporessa. Yrityksen mukaan sillä on yli 250 asiakasta.

Caulfield kertoi, että fab on yhden lähteen lähde AMD: n Ryzen-prosessoreille, Radeon GPU: lle ja Epyc-palvelinpiirille, mutta sillä on myös kymmeniä muita asiakkaita.

GlobalFoundries on yksi neljästä yrityksestä, jotka valmistavat huipputekijöitä logiikkapiirejä. Muut ovat Intel, joka tekee pääasiassa siruja omaan käyttöön; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), edelläkävijä siruvalimo, joka valmistaa siruja monille eri asiakkaille ja on GlobalFoundriesin pääkilpailu; ja Samsung, joka tekee vähän molemmista.

Tehtaan sisällä

Tällä vierailulla minulle ja useille muille toimittajille tehtiin kiertue laitoksella ja he saivat kuulla kuinka sirut valmistetaan. Sen sijaan, että aloittaisimme puhdashuoneessa, jossa sirut tosiasiallisesti valmistetaan, kiertue alkoi "alifab-luokassa", puhtaan tilan alla olevalle laajalle alueelle, joka käsittelee sirut valmistavien työkalujen ajamiseen tarvittavia laitteita. Tämä sisältää sähkö-, mekaaniset, vesi- ja kemikaalinkäsittelyjärjestelmät.

Alueen kiertueella käynyt tilat-yksikön johtaja John Painter selitti, että koko sivusto sisältää yli 70 000 laitetta, joista suuri osa tukee puhtaan tilan pienempiä siruvalmistustyökaluja. Lähes kaikki näistä työkaluista on jäähdytettävä, ja ne kaikki toimivat paremmin ennustettavissa lämpötiloissa tietyissä kosteus- ja paineolosuhteissa, joten ympäristön hallintaan pyritään huomattavasti. Tämä on monimutkaisempaa, koska työkaluja päivitetään jatkuvasti, ja osa liikkuu sisään ja toiset pois laitoksesta. Maalari selitti, että tukivarusteisiin kuluu yleensä kuusinkertaisesti tilaa kuin puhdastiloihin.

Näimme alueita, joissa prosessoidaan valmistuksessa käytettyä jäähdytettyä puhdistettua vettä, ja kemiallisia lietteitä mm. Kiekkojen kiillottamiseen. Fab-laitteistossa on monimutkaisia ​​laitteita, jotka seuraavat ja hallitsevat näitä järjestelmiä - jotka pystyvät mittaamaan asioita triljoonia kohti, jotta ne voivat havaita järjestelmän mahdolliset vuodot - sekä hienostunutta hengen turvajärjestelmää. Alifabissa on 30 jalkaa oleva katto, ja vaiheen 2 alue sisältää mezzanineen, jotta teknikkojen olisi helpompi päästä kaikkiin laitteisiin. Tämä kerros sisältää useita erillisiä alueita, joissa on yksittäisiä laitteita (veden ja kemikaalien varastotiloista valvontajärjestelmiin), ja mailia putkistoja yhdistää sen puhdastilaan. Huomasin, että suuri osa putkistosta kaksinkertaistui, ja putkissa oli anturit, jotka havaitsivat, onko vuotoa.

Alueella on myös joukko muita rakennuksia, mukaan lukien keskuslaitosrakennus, jossa on suuremmat kattilat ja jäähdyttimet, irtotavarajätejärjestelmät jne.

Kokonaisuutena tehdas käyttää 80 megawattia tehoa, joka toimitetaan kaksois-150.000 voltin linjoilla. On kriittistä, että teho on jatkuvaa, koska kaikki muutokset saattavat häiritä valmistusta ja vahingoittaa prosessoitavia kiekkoja. Siksi laitoksessa on vara-UPS-järjestelmä, vauhtipyörät ja dieselgeneraattori.

Minua kiinnosti erityisesti uuden EUV-laitteen vaatima tila (siitä puhun myöhemmin). Jopa pohjakerroksessa tämä laite vaatii valtavan alueen, mukaan lukien oma pienikokoinen puhdastila, jossa työkalut tuottavat korkean intensiteetin laservalolähteen, joka taipuu lattian läpi puhdastilassa olevaan EUV-työkaluun. Itse EUV-järjestelmä edellytti uusia jäähdytys- ja sähköjärjestelmiä sekä erittäin puhdasta vettä ja erityisiä säiliöitä ja putkistoja, jotka vähentävät hiukkasten saastumista.

Päästäkseen EUV-järjestelmästä rakennukseen pääkansi suljettiin ensin. Kattoon asennettiin 10 tonnin nosturi ja sitten reikä leikattiin rakennuksen sivulle uuden massiivisen järjestelmän siirtämiseksi sisälle. Tätä prosessia auttoi osittain 3D-tietokonesuunnittelujärjestelmä, joka käytti skannattuja kuvia, jotka kaapasivat olemassa olevien laitteiden sijoituksen millimetritasolle.

Jopa puhdastilaan

(Kuva yrityksestä GlobalFoundries)

Jotta voimme käydä itse puhdastilassa, meidän piti pukeutua "pupupukuihin" (katso kuvani tämän viestin yläosassa), joiden tarkoituksena on vähentää hiukkasten lukumäärää alueella ja riskiä siitä, että sellainen hiukkas voi häiritä kiekkoa. käsittely.

Yksi asia, jonka huomasin, on, että vaikka puhdastilan lattialla on paljon koneita - GlobalFoundriesin mukaan yli 1400 -, ei ole niin paljon ihmisiä.

Tuotantotoimintojen pääinsinööri Christopher Belfi, joka antoi meille puhdastilan kiertueen, selitti, että tavoitteena on olla nolla operaattoria lattialla. Ainoat näkemäsi ihmiset tekevät joko asennusta tai huoltoa työkaluille, Belfi kertoi.

(Kuva yrityksestä GlobalFoundries)

Sen sijaan, että teknikot siirtäisivät kiekkoja yhdestä työkalusta toiseen, kiekot johdetaan työkalujen välillä etuosan avautuvien yhtenäisten palkkien tai FOUP-soittimien avulla, kun he kutsuvat niitä, joista jokaisessa on 25 kiekkoa - ja voit nähdä nämä liikkuvat yläpuolella koko puhdastilassa. Kaikkiaan 14 mailia radalla liikkuvia ja kiekkojen varastoimiseen työkalujen välillä kulkevia 550 ajoneuvoa on 550. Ne myös siirtävät hiusverkkoja (sirumaskit, jotka ohjaavat valoa jokaiselle siruvalmistuskerrokselle) keskusvaraston välillä työkaluihin, joissa niitä käytetään. Tämä ei vähennä tarvittavien ihmisten määrää, Belfi sanoi, koska työkaluja on vielä hallittava, mutta se vähentää aikaa ja virheitä. Hän huomautti, että tietyllä hetkellä kymmeniä tuotteita on eri valmistusasteissa useille kymmenille asiakkaille ja jokaisella tuotteella on oma hiussarja ja oma erityinen prosessi, joka käyttää erilaisia ​​työkaluja. Belfi nimitti Fab 8 "maailman automatisoidimmaksi fab: ksi". Tietenkin, se on myös yksi uusimmista.

Jollakin fabista on keltainen valo, koska yhdessä valmistusprosessin vaiheessa oli tärkeää varmistaa, että kiekko ei altistunut normaalille valolle. Nykyään vohveleita ei kuitenkaan altisteta lainkaan ulkopuoliselle valolle, joten se on vähemmän välttämätöntä.

Vohvelin valmistukseen liittyy monia vaiheita, ja jokaisella on oma puhdastilansa alue: implantti (ionien lisääminen piin), kemiallinen mekaaninen planarisointi tai CMP (kiekon kiillotus), diffuusio, ohutkalvokerrostuminen, litografia ja etch. Metrologiatyökalut, joita käytetään siruominaisuuksien mittaamiseen kullakin vaiheella matkan varrella, sijaitsevat koko kerroksessa.

Meillä on tapana puhua eniten litografiasta (joka viittaa valon käyttämiseen paljastaaksesi kuvion kiekkoon), koska tästä on tullut viime vuosien monimutkaisin askel. Nykyinen tekniikka, joka käsittää 193 nm: n valon käytön nesteessä (tunnetaan nimellä upotus litografia), ei ole enää riittävän hieno luomaan pienimpiä elementtejä sirulle yhdellä kierroksella, joten solmuille, kuten 14 nm ja 7 nm, useita valotuksia (joskus joita kutsutaan kaksoiskuvioiksi tai jopa nelikokoisiksi kuvioiksi) vaaditaan. Äärimmäinen ultravioletti tai EUV on monimutkaisempi vaihtoehto, mutta se voi olla tarpeen, jos aiomme jatkossakin saada pienempiä ominaisuuksia siruille, ja GlobalFoundries asentaa parhaillaan kahta näistä EUV-koneista, joissa on tilaa vielä kahdelle. (Minulla on lisätietoja seuraavassa viestissä.) Koska se ei ole vielä valmis, nyt kaikki GlobalFoundriesissa tehdyt sirut (ja tosiasiassa kaikki kaupalliset sirut, jotka tiedän valmistettu missä tahansa) on valmistettu upotus litografialla. Mutta kaikki vaiheet ovat tärkeitä, ja mikä tahansa virhe missä tahansa vaiheessa tekee todennäköisesti kiekon sirut hyödytöntä.

Yhteensä nykyinen siru voi sisältää jopa 80 kerrosta ja jopa enemmän vaiheita, kun kiekot kulkevat prosessin eri vaiheiden välillä, etenkin kun ne kulkevat edestakaisin litografian ja etsauksen välillä kussakin monikuviointivaiheessa (se voi viedä kuukausia tyypillisen huippuluokan sirun tuottamiseksi). Se on kiehtova prosessi, ja olen iloinen siitä, että sain nähdä ensikäden.

Seuraavassa viestissäni keskityn enemmän EUV-laitteisiin, jotka on äskettäin asennettu tehtaalla, samoin kuin GlobalFoundriesin suunnitelmiin tulevien vaiheiden valmistuksessa sirujen valmistusprosessissa.

Kiinnostaako laajakaista-Internet-nopeutesi? Testaa nyt!