วิธีสร้างชิป: เยี่ยมชม globalfoundries

ฉันมักจะสนใจที่จะเรียนรู้เกี่ยวกับสิ่งที่ต้องทำเพื่อให้อุปกรณ์ที่เราได้รับอนุญาตและไม่มีกระบวนการที่ฉันรู้ว่ามีความซับซ้อนซับซ้อนหรือมีความสำคัญเช่นเดียวกับการสร้างโปรเซสเซอร์ที่ให้พลังงานกับโทรศัพท์พีซีและเซิร์ฟเวอร์ ซึ่งดำเนินชีวิตประจำวันของเรา ดังนั้นฉันจึงได้มีโอกาสไปเยี่ยมชมโรงงานชั้นนำของ GlobalFoundries ในมอลต้านิวยอร์กเพื่อดูว่าโรงงานผลิตชิป (หรือ fab) มีการพัฒนาในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา

มันเป็นกระบวนการที่น่าทึ่ง - fab ได้รวมเครื่องมือขั้นสูงมากกว่า 1, 400 ชิ้นสำหรับการทำชิปทั้งหมดเชื่อมต่อกันและการทำเวเฟอร์ทั่วไปที่มีชิปอาจใช้เวลาถึงหกเดือน ฉันประทับใจมากกับความซับซ้อนที่เพิ่มมากขึ้นของกระบวนการนี้และความแม่นยำที่ไม่ธรรมดาซึ่งจำเป็นสำหรับการทำชิปที่เราทุกคนใช้

ฉันเคยเยี่ยมชมโรงงาน - ซึ่งเป็นที่รู้จักในนาม Fab 8 - ก่อนหน้านี้เมื่อมันอยู่ระหว่างการก่อสร้างและเมื่อมันเพิ่งเริ่มผลิตผลิตภัณฑ์แรก: โปรเซสเซอร์ที่ออกแบบมาสำหรับโหนดกระบวนการ 32nm หรือ 28nm

โรงงานแห่งนี้ตั้งอยู่ในสถานที่ที่น่าสนใจ: วิทยาเขต Luther Forest Technology ในมอลตาประมาณครึ่งชั่วโมงทางเหนือของ Albany เป็นเวลาหลายปีแล้วที่รัฐนิวยอร์กได้ผลักดันการนำเทคโนโลยีเข้ามาสู่ภูมิภาคมากขึ้นด้วยความพยายามรวมถึงการสนับสนุนสถาบันสารพัดช่างของ SUNY Polytechnic Institute วิทยาลัยวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมนาโน (CNSE) และ Albany Nanotech Complex หนึ่งในชิปที่ก้าวหน้าที่สุดในโลก สิ่งอำนวยความสะดวกด้านการวิจัยซึ่งรวมถึงตัวแทนจาก GlobalFoundries, Samsung, IBM, มหาวิทยาลัยการวิจัยหลายแห่งและผู้ผลิตชั้นนำของเครื่องมือการทำชิป AMD ได้ลงนามในการสร้างโรงงานที่ซับซ้อน เมื่อ AMD แยกการดำเนินงานด้านการผลิตชิปมาเป็น GlobalFoundries ในปี 2009 (ปัจจุบันเป็นเจ้าของโดย Mubadala Investment Company ของอาบูดาบี) บริษัท ใหม่ได้สร้างโรงงานขึ้น

ในการเยี่ยมชมครั้งล่าสุดของฉันเมื่อเกือบหกปีที่แล้วเฟสแรก - ซึ่งรวมห้องคลีนรูม 210, 000 ตารางฟุตสำหรับการผลิตจริง - เพิ่งเปิดใช้งานและทำการผลิตในช่วงแรก . มีผู้เข้าร่วมงาน 1, 300 คนในขณะนั้นมีการผลิตผลิตภัณฑ์ค่อนข้างน้อย

(ภาพจาก GlobalFoundries)

วันนี้สองเฟสแรกนั้นเป็นห้องคลีนรูม 300, 000 ตารางฟุต (กว้าง 300 ฟุตยาว 1, 000 ฟุต) และเฟส 3 เพิ่มเติมอีก 160, 000 ตารางฟุตก็ทำงานได้อย่างเต็มประสิทธิภาพ ฉันเห็นกิจกรรมมากมายและซิลิคอนเวเฟอร์จำนวนมากที่เต็มไปด้วยชิปที่ผลิต

Tom Caulfield, SVP และผู้จัดการทั่วไปของ Fab 8 กล่าวย้ำว่า GlobalFoundries ลงทุนมากขึ้นในนิวยอร์กตอนเหนือกว่าความมุ่งมั่นดั้งเดิม เมื่อวางแผนครั้งแรก fab บริษัท มุ่งมั่นที่จะลงทุน 3.2 พันล้านดอลลาร์และมีจำนวนพนักงานโดยตรง 1, 200 คนสำหรับการจ่ายเงินเดือนประจำปี 72 ล้านดอลลาร์ ตอนนี้เขากล่าวว่า บริษัท ได้ลงทุนจริงกว่า 12 พันล้านดอลลาร์และมีพนักงานประมาณ 3, 300 คนและเงินเดือนประจำปี 345 ล้านดอลลาร์ และนั่นไม่ใช่แม้แต่การนับคนอื่น ๆ ที่ทำงานอยู่ที่ fab แต่มีการจ้างงานโดยหน่วยงานอื่น ๆ นับ 500 ถึง 700 คนเช่นช่างเทคนิคที่ทำงานให้กับผู้ค้าเครื่องมือเช่น ASML, Applied Materials หรือ LAM Research

GlobalFoundries ยังทำงานในสิ่งที่เรียกว่า Fab 9 ในเบอร์ลิงตันเวอร์มอนต์และ Fab 10 ใน East Fishkill นิวยอร์กซึ่งเป็นโรงงานเก่าที่ซื้อมาจาก IBM บริษัท ยังมี fabs สำคัญ ๆ ในเมืองเดรสเดนประเทศเยอรมนีที่ซึ่งมันกำลังทำงานในกระบวนการ FDX silicon-on-insulator เฉิงตู, จีน; และในสิงคโปร์ โดยรวมแล้ว บริษัท บอกว่ามีลูกค้ามากกว่า 250 ราย

Caulfield กล่าวว่า fab เป็นแหล่งเดียวสำหรับโปรเซสเซอร์ Ryzen ของ AMD, Radeon GPUs และชิปเซิร์ฟเวอร์ Epyc แต่ยังมีลูกค้าอื่นอีกหลายสิบราย

GlobalFoundries เป็นหนึ่งในสี่ บริษัท ที่ผลิตชิปตรรกะระดับแนวหน้า ส่วนอื่น ๆ คือ Intel ซึ่งส่วนใหญ่จะผลิตชิปเพื่อใช้เอง Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC) โรงหล่อชิปผู้บุกเบิกซึ่งผลิตชิปสำหรับลูกค้าที่แตกต่างกันและเป็นการแข่งขันที่สำคัญของ GlobalFoundries และ Samsung ซึ่งทำทั้งสองอย่างเล็กน้อย

ภายในโรงงาน

ในการเยี่ยมชมครั้งนี้ฉันและนักข่าวอีกหลายคนได้รับการเยี่ยมชมโรงงานและได้ทราบเกี่ยวกับวิธีการทำชิป แทนที่จะเริ่มต้นด้วยคลีนรูมที่ผลิตชิปจริงทัวร์เริ่มต้นใน "sub-fab" พื้นที่กว้างใหญ่ใต้คลีนรูมที่จัดการอุปกรณ์ที่จำเป็นในการเรียกใช้เครื่องมือที่ทำชิป ซึ่งรวมถึงระบบไฟฟ้าเครื่องกลน้ำและระบบการจัดการสารเคมี

John Painter ผู้อำนวยการอาวุโสฝ่ายอำนวยความสะดวกซึ่งให้การท่องเที่ยวในพื้นที่นี้อธิบายว่าไซต์ทั้งหมดมีอุปกรณ์กว่า 70, 000 ชิ้นซึ่งส่วนใหญ่สนับสนุนเครื่องมือการทำชิปขนาดเล็กภายในห้องสะอาด เครื่องมือเหล่านี้เกือบทั้งหมดต้องถูกทำให้เย็นลงและเครื่องมือเหล่านี้ทำงานได้ดีกว่าในอุณหภูมิที่สามารถคาดการณ์ได้ภายใต้สภาพความชื้นและความดันที่แน่นอนดังนั้นจึงมีความพยายามอย่างมากในการควบคุมสภาพแวดล้อม สิ่งนี้ทำให้เกิดความซับซ้อนมากขึ้นเนื่องจากเครื่องมือมีการรีเฟรชอย่างต่อเนื่องโดยมีบางคนย้ายเข้ามาและบางส่วนอยู่นอกสถานที่ จิตรกรอธิบายว่าโดยทั่วไปจะใช้พื้นที่หกเท่าของอุปกรณ์สนับสนุนเช่นเดียวกับในคลีนรูม

เราเห็นพื้นที่ที่ดำเนินการกับน้ำบริสุทธิ์ที่แช่เย็นที่ใช้ในการผลิตและสารละลายเคมีสำหรับสิ่งต่าง ๆ เช่นการขัดเวเฟอร์ fab มีสิ่งอำนวยความสะดวกที่ซับซ้อนในการตรวจสอบและควบคุมระบบเหล่านี้ - ซึ่งสามารถวัดสิ่งต่าง ๆ ในส่วนต่อล้านล้านล้านคนดังนั้นพวกเขาจึงสามารถตรวจจับการรั่วไหลในระบบ - เช่นเดียวกับระบบความปลอดภัยในชีวิตที่ซับซ้อน ซับย่อยมีเพดานสูง 30 ฟุตและพื้นที่เฟส 2 มีชั้นลอยเพื่อให้ช่างเทคนิคเข้าถึงอุปกรณ์ทั้งหมดได้ง่ายขึ้น ชั้นนี้มีพื้นที่แยกต่างหากจำนวนมากพร้อมชิ้นส่วนอุปกรณ์ (จากพื้นที่จัดเก็บสำหรับน้ำและสารเคมีไปจนถึงระบบตรวจสอบ) โดยมีท่อหลายไมล์เชื่อมต่อกับห้องสะอาดด้านบน ฉันสังเกตว่าส่วนใหญ่ของท่อเป็นสองเท่าจริงด้วยเซ็นเซอร์ภายในท่อเพื่อตรวจสอบว่ามีการรั่วไหล

นอกจากนี้ยังมีอาคารอื่น ๆ อีกหลายแห่งในสถานที่รวมถึงอาคารสาธารณูปโภคส่วนกลางที่มีหม้อไอน้ำและเครื่องทำความเย็นขนาดใหญ่ระบบขยะจำนวนมากและอื่น ๆ

โดยรวมแล้วโรงงานใช้พลังงาน 80 เมกะวัตต์ซึ่งมาจากสายคู่ 150, 000 โวลต์ มันเป็นสิ่งสำคัญที่พลังงานอย่างต่อเนื่องเป็นรูปแบบใด ๆ ที่อาจขัดขวางการผลิตและอาจเกิดความเสียหายเวเฟอร์ที่กำลังประมวลผล ดังนั้นโรงงานจึงมีระบบสำรอง UPS ล้อและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าดีเซล

ฉันสนใจเป็นพิเศษเกี่ยวกับปริมาณของพื้นที่ที่อุปกรณ์ EUV ใหม่ต้องการ (ซึ่งฉันจะพูดถึงในภายหลัง) แม้แต่ในชั้นล่างอุปกรณ์นี้ยังต้องการพื้นที่ขนาดใหญ่รวมถึงคลีนรูมขนาดเล็กของตัวเองซึ่งเครื่องมือผลิตแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ความเข้มสูงซึ่งโค้งผ่านพื้นไปยังเครื่องมือ EUV ในคลีนรูม ระบบ EUV จำเป็นต้องมีระบบระบายความร้อนและระบบไฟฟ้าใหม่พร้อมกับน้ำบริสุทธิ์พิเศษและถังและท่อพิเศษที่ลดการปนเปื้อนของอนุภาค

เพื่อที่จะนำระบบ EUV เข้ามาในตัวอาคารผ้าคลุมหลักนั้นถูกปิดผนึกเป็นครั้งแรก มีการติดตั้งเครนขนาด 10 ตันบนเพดานจากนั้นมีรูเจาะเข้าด้านข้างของอาคารเพื่อย้ายระบบใหม่ขนาดใหญ่ภายใน กระบวนการนี้ได้รับความช่วยเหลือบางส่วนจากระบบการออกแบบคอมพิวเตอร์ 3 มิติที่ใช้ภาพสแกนที่จับตำแหน่งของอุปกรณ์ที่มีอยู่ลงไปจนถึงระดับมิลลิเมตร

จนถึงห้องคลีนรูม

(ภาพจาก GlobalFoundries)

ในการเยี่ยมชมคลีนรูมเองเราต้องแต่งตัวใน "ชุดกระต่าย" (ดูรูปของฉันที่ด้านบนของโพสต์นี้) ออกแบบมาเพื่อลดจำนวนอนุภาคในพื้นที่และความเสี่ยงที่อนุภาคดังกล่าวอาจรบกวนเวเฟอร์ การประมวลผล

สิ่งหนึ่งที่ฉันสังเกตเห็นคือในขณะที่มีเครื่องจักรจำนวนมากบนพื้นห้องสะอาด - มากกว่า 1, 400 ตาม GlobalFoundries - มีคนไม่มากนัก

Christopher Belfi วิศวกรหลักสำหรับการดำเนินการผลิตซึ่งให้การทัวร์ห้องคลีนรูมกับเราอธิบายว่าเป้าหมายคือมีผู้ปฏิบัติงานเป็นศูนย์บนพื้น คนเดียวที่คุณเห็นจะทำการติดตั้งหรือบำรุงรักษาเครื่องมือ, Belfi กล่าว

(ภาพจาก GlobalFoundries)

แทนที่จะเป็นช่างเทคนิคที่ย้ายเวเฟอร์จากเครื่องมือหนึ่งไปอีกอันหนึ่งเวเฟอร์จะถูกกำหนดเส้นทางระหว่างเครื่องมือผ่าน Front-Opening Unified Pods หรือ FOUPs ขณะที่พวกเขาเรียกพวกมันแต่ละอันมีเวเฟอร์ 25 อันและคุณจะเห็นค่าใช้จ่ายที่เคลื่อนไหวตลอดทั้งห้อง โดยรวมแล้วมียานพาหนะ 550 คันบนเส้นทางการเคลื่อนที่ 14 ไมล์และการเก็บเวเฟอร์ระหว่างเครื่องมือ สิ่งเหล่านี้จะย้ายเรติเคิล (มาสก์ของชิปที่นำทางแสงสำหรับการทำชิปแต่ละชั้น) ระหว่างสถานที่จัดเก็บส่วนกลางไปยังเครื่องมือที่จะใช้ สิ่งนี้ไม่ลดจำนวนคนที่ต้องการ Belfi กล่าวเนื่องจากเครื่องมือยังต้องมีการควบคุม แต่จะลดเวลาและข้อผิดพลาด เขาตั้งข้อสังเกตว่าในช่วงเวลาใดเวลาหนึ่งผลิตภัณฑ์จำนวนมากอยู่ในขั้นตอนการผลิตที่หลากหลายสำหรับลูกค้าหลายโหลและแต่ละผลิตภัณฑ์มีเรติเคิลของตนเองและกระบวนการเฉพาะของตนเองที่ใช้เครื่องมือต่าง ๆ Belfi เรียกว่า Fab 8 "fab อัตโนมัติที่สุดในโลก" แน่นอนว่ามันเป็นหนึ่งในรุ่นใหม่ล่าสุด

แสงบางส่วนมีแสงสีเหลืองเมื่อถึงจุดหนึ่งในประวัติศาสตร์ของกระบวนการผลิตสิ่งสำคัญคือต้องแน่ใจว่าเวเฟอร์ไม่ได้สัมผัสกับแสงปกติ อย่างไรก็ตามทุกวันนี้เวเฟอร์ไม่ได้ถูกแสงภายนอกดังนั้นจึงจำเป็นน้อยกว่า

มีหลายขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับการทำเวเฟอร์และแต่ละส่วนมีพื้นที่ของห้องคลีนรูม: การฝัง (เพิ่มไอออนซิลิกอน), การวางแผนเชิงกลทางเคมีเชิงเคมีหรือ CMP (การขัดเวเฟอร์), การแพร่กระจาย, การทับถมของฟิล์มบาง, การพิมพ์หิน จำหลัก เครื่องมือมาตรวิทยาที่ใช้ในการวัดคุณสมบัติของชิปในแต่ละขั้นตอนตลอดเส้นทางนั้นตั้งอยู่ทั่วทั้งโรงงาน

เรามักจะพูดถึงการพิมพ์หินมากที่สุด (ซึ่งหมายถึงการใช้แสงเพื่อเผยแพทเทิร์นของเวเฟอร์) เนื่องจากนี่คือสิ่งที่ได้กลายเป็นขั้นตอนที่ซับซ้อนที่สุดในไม่กี่ปีที่ผ่านมา เทคนิคในปัจจุบันซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้แสง 193nm ในของเหลว (รู้จักกันในชื่อการแช่หิน) ไม่ได้ดีพอที่จะสร้างองค์ประกอบที่เล็กที่สุดในชิปในการผ่านครั้งเดียวดังนั้นสำหรับโหนดเช่น 14nm และ 7nm การสัมผัสหลายครั้ง (บางครั้ง เรียกว่าการทำลวดลายคู่หรือการทำลวดลายสี่ด้าน) Extreme ultraviolet หรือ EUV เป็นทางเลือกที่ซับซ้อนกว่า แต่สิ่งหนึ่งที่อาจจำเป็นถ้าเรายังคงได้รับฟีเจอร์ที่มีขนาดเล็กลงบนชิปและ GlobalFoundries อยู่ในขั้นตอนการติดตั้งเครื่อง EUV สองเครื่องพร้อมที่ว่างอีกสองเครื่อง (ฉันจะมีรายละเอียดเพิ่มเติมในโพสต์ถัดไป) เนื่องจากยังไม่พร้อมสำหรับตอนนี้ชิปทั้งหมดที่ทำที่ GlobalFoundries (และแน่นอนชิปเชิงพาณิชย์ทั้งหมดที่ฉันรู้จักทำที่ใดก็ได้) ผลิตด้วยการพิมพ์หินแบบแช่ แต่ทุกขั้นตอนมีความสำคัญและข้อผิดพลาดใด ๆ ในขั้นตอนใด ๆ ที่อาจทำให้ชิปไม่สามารถใช้งานได้

โดยรวมแล้วชิปปัจจุบันสามารถมีส่วนร่วมได้มากถึง 80 เลเยอร์และมีขั้นตอนมากขึ้นเมื่อเวเฟอร์ส่งผ่านระหว่างขั้นตอนต่าง ๆ ของกระบวนการโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพวกมันกลับไปกลับมาระหว่างการพิมพ์หินและกัดในแต่ละขั้นตอนการทำลวดลายหลายขั้นตอน เพื่อผลิตชิประดับไฮเอนด์ทั่วไป) มันเป็นกระบวนการที่น่าสนใจและฉันดีใจที่ฉันได้เห็นโดยตรง

ในโพสต์ถัดไปของฉันฉันจะมุ่งเน้นเพิ่มเติมเกี่ยวกับอุปกรณ์ EUV ที่เพิ่งติดตั้งที่โรงงานรวมถึงแผนการของ GlobalFoundries สำหรับขั้นตอนในอนาคตในกระบวนการสร้างชิป

อยากรู้เกี่ยวกับความเร็วอินเทอร์เน็ตบรอดแบนด์ของคุณหรือไม่ ทดสอบตอนนี้!