Hoe een chip wordt gemaakt: een bezoek aan globalfoundries

Ik ben altijd gefascineerd om te leren wat er echt nodig is om de apparaten die we als vanzelfsprekend beschouwen, en geen enkel proces dat ik ken, is zo complex, ingewikkeld of belangrijk als het maken van de processors die de telefoons, pc's en servers van stroom voorzien die ons dagelijks leven leiden. Dus maakte ik van de gelegenheid gebruik om de toonaangevende fabriek van GlobalFoundries in Malta, New York, te bezoeken om te zien hoe de chipfabriek (of fabrieken) de afgelopen jaren is geëvolueerd.

Het is een geweldig proces - het fab bevat meer dan 1400 geavanceerde tools voor het maken van chips, allemaal met elkaar verbonden, en het maken van een typische wafer die chips bevat, kan tot zes maanden duren. Ik was erg onder de indruk van de steeds toenemende complexiteit van dit proces en de buitengewone precisie die nodig is om de chips te maken die we allemaal gebruiken.

Ik heb de fabriek - die bekend staat als Fab 8 - eerder bezocht, toen deze in aanbouw was en net begon met het produceren van zijn eerste producten: processors ontworpen voor de 32nm of 28nm procesknooppunten.

De fabriek bevindt zich op een interessante locatie: de Luther Forest Technology Campus in Malta, ongeveer een half uur ten noorden van Albany. Jarenlang heeft de staat New York aangedrongen op meer technologie in de regio, met onder meer ondersteuning voor de SUNY Polytechnic Institute Colleges of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) en het Albany Nanotech Complex, een van 's werelds meest geavanceerde chip onderzoeksfaciliteiten, waaronder vertegenwoordigers van GlobalFoundries, Samsung, IBM, vele onderzoeksuniversiteiten en alle toonaangevende fabrikanten van hulpmiddelen voor het maken van chips. AMD had getekend om een ​​fabriek op het complex te bouwen; Toen AMD in 2009 zijn chipproductie-activiteiten afsplitste om GlobalFoundries te worden (nu volledig eigendom van Mubadala Investment Company in Abu Dhabi), bouwde het nieuwe bedrijf de fabriek.

Tijdens mijn laatste bezoek, bijna zes jaar geleden, was de eerste fase - inclusief een cleanroom van 210.000 vierkante voet voor daadwerkelijke productie - net in gebruik en vroeg in productie, terwijl fase 2, met een extra 90.000 vierkante voet, in aanbouw was. Er waren 1.300 mensen ter plaatse, maar er werden op dat moment relatief weinig producten gemaakt.

(Afbeelding van GlobalFoundries)

Vandaag zijn die eerste twee fasen een enkele cleanroom van 300.000 vierkante voet (300 voet breed bij 1000 voet lang) en een extra fase van 160.000 vierkante voet is ook volledig in bedrijf. Ik zag veel activiteit en er werden veel siliciumwafels gevuld met chips geproduceerd.

Tom Caulfield, SVP & General Manager van Fab 8, benadrukte dat GlobalFoundries veel meer in upstate New York had geïnvesteerd dan zijn oorspronkelijke toezegging. Toen het fab voor het eerst werd gepland, zette het bedrijf zich in voor een investering van $ 3, 2 miljard en een direct personeelsbestand van 1.200 mensen voor een jaarlijkse loonlijst van $ 72 miljoen. Nu, zei hij, heeft het bedrijf eigenlijk meer dan $ 12 miljard geïnvesteerd en heeft het ongeveer 3.300 werknemers en een jaarlijkse loonlijst van $ 345 miljoen. En dat telt niet eens de 500 tot 700 andere personen die bij de fabrieken werken, maar in dienst zijn van andere entiteiten, merkte hij op, zoals technici die werken voor gereedschapsverkopers zoals ASML, Applied Materials of LAM Research.

GlobalFoundries exploiteert ook wat het nu Fab 9 noemt in Burlington, Vermont en Fab 10 in East Fishkill, New York, oudere fabrieken die het van IBM heeft overgenomen. Het bedrijf heeft ook grote fabels in Dresden, Duitsland, waar het werkt aan zijn FDX silicium-op-isolatorproces; Chengdu, China; en in Singapore. Over het algemeen zegt het bedrijf meer dan 250 klanten te hebben.

Caulfield zei dat de fabuleuze bron is voor AMD's Ryzen-processors, Radeon GPU's en Epyc-serverchips, maar heeft ook tientallen andere klanten.

GlobalFoundries is een van de vier bedrijven die toonaangevende logica-chips maken. De anderen zijn Intel, dat voornamelijk chips voor eigen gebruik maakt; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), de baanbrekende chipgieterij, die chips maakt voor veel verschillende klanten en de belangrijkste concurrentie van GlobalFoundries is; en Samsung, die een beetje van beide doet.

Binnen in de fabriek

Tijdens dit bezoek kregen ik en verschillende andere journalisten een rondleiding door de faciliteit en kregen ze te horen hoe de chips worden gemaakt. In plaats van te beginnen met de cleanroom waar de chips daadwerkelijk worden vervaardigd, begon de tour in de 'subfabriek', het enorme gebied onder de cleanroom dat de apparatuur afhandelt die nodig is om de gereedschappen te laten draaien die de chips maken. Dit omvat de elektrische, mechanische, water- en chemische behandelingssystemen.

John Painter, Senior Director of Facilities, die de rondleiding door dit gebied gaf, legde uit dat de hele site meer dan 70.000 apparaten bevat, waarvan een groot deel de kleinere hulpmiddelen voor het maken van chips in de cleanroom ondersteunt. Bijna al deze gereedschappen moeten worden gekoeld en ze werken allemaal beter bij voorspelbare temperaturen, onder bepaalde luchtvochtigheid en druk, dus er wordt veel moeite gedaan om de omgeving te beheersen. Dit wordt ingewikkelder gemaakt omdat tools voortdurend worden vernieuwd, waarbij sommige intrekken en andere de faciliteit verlaten. Painter legde uit dat over het algemeen zes keer zoveel ruimte nodig is voor de ondersteunende apparatuur als voor de cleanroom.

We zagen gebieden die het gekoelde gezuiverde water verwerken dat wordt gebruikt bij de productie, en chemische suspensies voor dingen zoals het polijsten van de wafels. De fab heeft complexe faciliteiten die deze systemen bewaken en besturen - die dingen in delen per biljoen kunnen meten, zodat ze elk lek in het systeem kunnen detecteren - evenals een geavanceerd systeem voor levensveiligheid. De onderfabriek heeft een plafond van 30 voet en het fase 2-gebied bevat een mezzanine om het voor technici gemakkelijker te maken om alle apparatuur te bereiken. Deze verdieping bevat veel afzonderlijke ruimtes met afzonderlijke apparatuur (van opslagruimtes voor water en chemicaliën tot bewakingssystemen), met kilometers leidingen die het verbinden met de cleanroom erboven. Ik merkte op dat een groot deel van de leidingen eigenlijk was verdubbeld, met sensoren in de leidingen om te detecteren of er een lek was.

Er zijn ook een aantal andere gebouwen op het terrein, waaronder een centraal utiliteitsgebouw met grotere ketels en koelmachines, bulkafvalsystemen, enz.

Over het algemeen gebruikt de fabriek 80 megawatt vermogen, dat wordt gevoed door dubbele 150.000 volt lijnen. Het is van cruciaal belang dat het vermogen continu is, omdat elke variatie de productie kan verstoren en mogelijk de wafels die worden verwerkt kan beschadigen. Daarom beschikt de faciliteit over een back-up UPS-systeem, vliegwielen en een dieselgenerator.

Ik was vooral geïnteresseerd in de hoeveelheid ruimte die nodig is voor de nieuwe EUV-apparatuur (die ik later zal bespreken). Zelfs in de ondervloer vereist deze apparatuur een enorm gebied, inclusief een eigen miniatuur cleanroom, waar gereedschappen een laserlichtbron van hoge intensiteit produceren, die door de vloer buigt naar de EUV-tool in de cleanroom. Het EUV-systeem zelf vereiste nieuwe koel- en elektrische systemen, samen met ultrazuiver water en speciale tanks en leidingen die deeltjesvervuiling verminderen.

Om het EUV-systeem in het gebouw te krijgen, werd de hoofdfabriek eerst afgesloten. Een 10-tons kraan werd in het plafond geïnstalleerd en vervolgens een gat in de zijkant van het gebouw gesneden om het enorme nieuwe systeem naar binnen te verplaatsen. Dit proces werd gedeeltelijk geholpen door een 3D computerontwerpsysteem dat gescande afbeeldingen gebruikte die de plaatsing van bestaande apparatuur tot op millimetersiveau vastlegden.

Naar de Cleanroom

(Afbeelding van GlobalFoundries)

Om de cleanroom zelf te bezoeken, moesten we ons in de "konijnenpakken" kleden (zie mijn foto bovenaan deze post), ontworpen om het aantal deeltjes in het gebied te verminderen en het risico dat een dergelijk deeltje de wafel kan verstoren verwerken.

Een ding dat me opviel, is dat hoewel er veel machines op de cleanroom-vloer zijn - volgens GlobalFoundries meer dan 1.400 - er niet zoveel mensen zijn.

Christopher Belfi, een hoofdingenieur voor productie, die ons de rondleiding door de cleanroom gaf, legde uit dat het doel is om nul operators op de vloer te hebben. De enige mensen die je ziet, zijn installatie of onderhoud aan de tools, zei Belfi.

(Afbeelding van GlobalFoundries)

In plaats van technici die wafels van het ene gereedschap naar het andere verplaatsen, worden de wafels tussen de gereedschappen gerouteerd via Unified Pods aan de voorkant of FOUP's zoals ze ze noemen, die elk 25 wafels bevatten - en je kunt deze boven je hoofd zien bewegen door de cleanroom. In totaal zijn er 550 voertuigen op 14 mijl baan die wafels tussen gereedschappen verplaatsen en opslaan. Deze verplaatsen ook dradenkruis (de chipmaskers die het licht voor elke laag van het maken van chips geleiden) tussen een centrale opslagfaciliteit naar de gereedschappen waar ze zullen worden gebruikt. Dit vermindert niet het aantal benodigde mensen, zei Belfi, omdat de tools nog steeds moeten worden gecontroleerd, maar het vermindert wel tijd en fouten. Hij merkte op dat op elk willekeurig moment tientallen producten in verschillende stadia van fabricage zijn, voor enkele tientallen klanten, en elk product zijn eigen set dradenkruis heeft en zijn eigen specifieke proces dat verschillende gereedschappen gebruikt. Belfi noemde Fab 8 "de meest geautomatiseerde fab in de wereld." Natuurlijk is het ook een van de nieuwste.

Een deel van het fab heeft een geel licht, omdat het op een bepaald punt in de geschiedenis van het productieproces belangrijk was om ervoor te zorgen dat de wafer niet werd blootgesteld aan normaal licht. Tegenwoordig worden de wafels echter helemaal niet blootgesteld aan buitenlicht, dus het is minder noodzakelijk.

Er zijn veel stappen betrokken bij het maken van een wafel, en elk heeft zijn eigen gebied van de cleanroom: implantaat (ionen toevoegen aan het silicium), chemische mechanische planarisering of CMP (polijsten van de wafer), diffusie, dunne-filmafzetting, lithografie en etsen. Metrologische hulpmiddelen die worden gebruikt om chipfuncties te meten bij elke stap onderweg, bevinden zich overal in de fab.

We hebben de neiging het meest over lithografie te praten (wat verwijst naar het gebruik van licht om een ​​patroon op de wafel te belichten), omdat dit de meest gecompliceerde stap is geworden in de afgelopen jaren. De huidige techniek, waarbij 193 nm licht in een vloeistof wordt gebruikt (bekend als immersielithografie), is niet langer fijn genoeg om de kleinste elementen in een chip in een enkele doorgang te maken, dus voor knooppunten zoals 14 nm en 7 nm, meerdere belichtingen (soms genaamd dubbele patronen of zelfs quad-patronen) zijn vereist. Extreem ultraviolet of EUV is een complexer alternatief, maar een die nodig kan zijn als we kleinere functies op chips willen blijven ontvangen, en GlobalFoundries is bezig met het installeren van twee van deze EUV-machines, met ruimte voor twee meer. (Ik zal meer details in het volgende bericht geven.) Omdat dat nog niet klaar is, worden alle chips die op GlobalFoundries zijn gemaakt (en inderdaad, alle commerciële chips die ik ken overal gemaakt) geproduceerd met immersielithografie. Maar alle stappen zijn cruciaal, en elke fout in elke stap zal waarschijnlijk chips op de wafel onbruikbaar maken.

In totaal kan een huidige chip tot 80 lagen omvatten, en zelfs meer stappen als wafels tussen de verschillende stappen van het proces passeren, vooral als ze heen en weer gaan tussen lithografie en etsen in elke stap met meerdere patronen (het kan maanden duren om een ​​typische high-end chip te produceren). Het is een fascinerend proces en ik ben blij dat ik het uit de eerste hand heb gezien.

In mijn volgende post zal ik me meer concentreren op de EUV-apparatuur die onlangs in de fabriek is geïnstalleerd, evenals op de plannen van GlobalFoundries voor toekomstige stappen in het chipproductieproces.

Benieuwd naar je breedband internet snelheid? Test het nu!