Wie ein Chip entsteht: Besuch bei globalfoundries

Ich bin immer fasziniert zu erfahren, was es wirklich braucht, um die Geräte herzustellen, die wir für selbstverständlich halten, und kein Prozess, den ich kenne, ist so komplex, kompliziert oder wichtig wie die Prozessoren, die die Telefone, PCs und Server antreiben die unser tägliches Leben führen. Ich nutzte die Gelegenheit, GlobalFoundries 'hochmodernes Werk in Malta, New York, zu besuchen, um zu sehen, wie sich die Chipherstellungsanlage (oder Fabrik) in den letzten Jahren entwickelt hat.

Es ist ein erstaunlicher Prozess - die Fabrik enthält über 1.400 fortschrittliche Werkzeuge zur Herstellung von Chips, die alle miteinander verbunden sind, und die Herstellung eines typischen Wafers, der Chips enthält, kann bis zu sechs Monate dauern. Ich war sehr beeindruckt von der ständig wachsenden Komplexität dieses Prozesses und der außerordentlichen Präzision, die erforderlich ist, um die Chips herzustellen, die wir alle verwenden.

Ich habe die Fabrik - die als Fab 8 bekannt ist - bereits besucht, als sie im Bau war und gerade mit der Produktion ihrer ersten Produkte begonnen hatte: Prozessoren für die 32-nm- oder 28-nm-Prozessknoten.

Die Anlage befindet sich an einem interessanten Ort: dem Luther Forest Technology Campus in Malta, etwa eine halbe Stunde nördlich von Albany. Seit Jahren bemüht sich der Bundesstaat New York, mehr Technologie in die Region zu bringen. Dazu gehören die Unterstützung der Colleges für Nanowissenschaften und -technik des SUNY Polytechnic Institute (CNSE) und des Albany Nanotech Complex, eines der modernsten Chips der Welt Forschungseinrichtungen, zu denen Vertreter von GlobalFoundries, Samsung, IBM, vielen Forschungsuniversitäten und allen führenden Herstellern von Werkzeugen für die Chipherstellung gehören. AMD hatte sich verpflichtet, eine Fabrik in dem Komplex zu errichten. Als AMD im Jahr 2009 seine Chipherstellung auf GlobalFoundries aufteilte (jetzt zu 100% im Besitz der Mubadala Investment Company von Abu Dhabi), baute das neue Unternehmen die Fabrik.

Bei meinem letzten Besuch vor fast sechs Jahren war die erste Phase, zu der ein 210.000 Quadratmeter großer Reinraum für die eigentliche Fertigung gehörte, bereits in Betrieb und lief bereits in der Frühproduktion, während Phase 2 mit weiteren 90.000 Quadratmetern im Bau war. Es waren 1.300 Leute vor Ort, aber zu dieser Zeit wurden relativ wenige Produkte hergestellt.

(Bild von GlobalFoundries)

Heutzutage sind diese ersten beiden Phasen ein einzelner Reinraum von 300.000 Quadratfuß (300 Fuß breit und 1000 Fuß lang) und eine zusätzliche Phase 3 von 160.000 Quadratfuß ist ebenfalls in vollem Betrieb. Ich sah viel Aktivität und viele Siliziumwafer, die mit Chips gefüllt waren, wurden produziert.

Tom Caulfield, SVP & General Manager von Fab 8, betonte, dass GlobalFoundries viel mehr in New York investiert habe als ursprünglich. Als die Fabrik erstmals geplant wurde, verpflichtete sich das Unternehmen zu einer Investition von 3, 2 Milliarden US-Dollar und einer direkten Belegschaft von 1.200 Mitarbeitern für eine jährliche Lohnsumme von 72 Millionen US-Dollar. Jetzt habe das Unternehmen tatsächlich mehr als 12 Milliarden US-Dollar investiert, etwa 3.300 Mitarbeiter und 345 Millionen US-Dollar Jahreslohn. Und das sind nicht einmal die 500 bis 700 anderen Personen, die in der Fabrik arbeiten, sondern bei anderen Unternehmen angestellt sind, wie z. B. Technikern, die für Werkzeughersteller wie ASML, Applied Materials oder LAM Research arbeiten.

GlobalFoundries betreibt auch Fab 9 in Burlington (Vermont) und Fab 10 in East Fishkill (New York), ältere Fabriken, die es von IBM erworben hat. Das Unternehmen hat auch große Fabriken in Dresden, wo es an seinem FDX-Silizium-auf-Isolator-Verfahren arbeitet. Chengdu, China; und in Singapur. Insgesamt hat das Unternehmen mehr als 250 Kunden.

Caulfield sagte, dass die Fabrik eine Quelle für AMDs Ryzen-Prozessoren, Radeon-GPUs und Epyc-Serverchips ist, aber auch Dutzende anderer Kunden hat.

GlobalFoundries ist eines von vier Unternehmen, das hochmoderne Logik-Chips herstellt. Die anderen sind Intel, das hauptsächlich Chips für den Eigenbedarf herstellt. Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), die wegweisende Chipgießerei, die Chips für viele verschiedene Kunden herstellt und die Hauptkonkurrenz von GlobalFoundries darstellt; und Samsung, das ein wenig von beidem macht.

In der Fabrik

Bei diesem Besuch bekamen ich und einige andere Journalisten einen Rundgang durch die Anlage und erfuhren, wie die Chips hergestellt werden. Anstatt mit dem Reinraum zu beginnen, in dem die Späne tatsächlich hergestellt werden, begann die Tour in der "Unterfertigung", dem riesigen Bereich unter dem Reinraum, der die Ausrüstung handhabt, die für den Betrieb der Werkzeuge zur Herstellung der Späne erforderlich ist. Dies schließt die elektrischen, mechanischen, Wasser- und Chemikalienhandhabungssysteme ein.

John Painter, Senior Director of Facilities, der diesen Bereich besichtigte, erklärte, dass der gesamte Standort über 70.000 Ausrüstungsgegenstände umfasst, von denen ein Großteil die kleineren Chipmaking-Werkzeuge im Reinraum unterstützt. Fast alle dieser Werkzeuge müssen gekühlt werden, und sie funktionieren bei vorhersehbaren Temperaturen unter bestimmten Luftfeuchtigkeits- und Druckbedingungen besser. Daher sind erhebliche Anstrengungen erforderlich, um die Umgebung zu kontrollieren. Dies wird komplexer, da die Werkzeuge ständig aktualisiert werden, wobei einige ein- und andere aus der Einrichtung herausgezogen werden. Der Maler erklärte, dass für die Hilfsausrüstung im Allgemeinen sechsmal so viel Platz benötigt wird wie für den Reinraum.

Wir haben Bereiche gesehen, die das gekühlte gereinigte Wasser verarbeiten, das bei der Herstellung verwendet wird, und chemische Aufschlämmungen zum Beispiel zum Polieren der Wafer. Die Fabrik verfügt über komplexe Einrichtungen zur Überwachung und Steuerung dieser Systeme, die in der Lage sind, Dinge in Teilen pro Billion zu messen, so dass sie jedes Leck im System erkennen können, sowie über ein ausgeklügeltes System zur Lebenssicherung. Der Unterbau hat eine Decke von 30 Fuß und der Bereich der Phase 2 enthält ein Zwischengeschoss, damit die Techniker die gesamte Ausrüstung leichter erreichen können. Dieser Boden enthält viele separate Bereiche mit einzelnen Ausrüstungsgegenständen (von Lagerbereichen für Wasser und Chemikalien bis hin zu Überwachungssystemen). Ich bemerkte, dass ein Großteil der Rohrleitungen tatsächlich verdoppelt war und Sensoren in den Rohren feststellten, ob es ein Leck gab.

Es gibt auch eine Reihe anderer Gebäude vor Ort, einschließlich eines zentralen Versorgungsgebäudes mit größeren Kesseln und Kältemaschinen, Schüttgutsystemen usw.

Insgesamt verbraucht die Fabrik 80 Megawatt Leistung, die über zwei 150.000-Volt-Leitungen bereitgestellt wird. Es ist wichtig, dass die Leistung kontinuierlich ist, da jede Veränderung die Herstellung stören und möglicherweise die zu bearbeitenden Wafer beschädigen kann. Daher verfügt die Anlage über ein USV-Reservesystem, Schwungräder und einen Dieselgenerator.

Besonders interessiert hat mich der Platzbedarf der neuen EUV-Geräte (auf den ich später noch eingehen werde). Selbst im Unterboden beansprucht dieses Gerät einen großen Bereich, einschließlich eines eigenen Miniatur-Reinraums, in dem Werkzeuge eine hochintensive Laserlichtquelle erzeugen, die sich durch den Boden zum EUV-Werkzeug im Reinraum biegt. Das EUV-System selbst erforderte neue Kühl- und Elektrosysteme sowie ultrareines Wasser und spezielle Tanks und Rohrleitungen, die die Partikelverunreinigung verringern.

Um das EUV-System in das Gebäude zu bekommen, wurde zunächst die Hauptfabrik abgeriegelt. In die Decke wurde ein 10-Tonnen-Kran eingebaut und dann ein Loch in die Seite des Gebäudes geschnitten, um das massive neue System hinein zu bewegen. Dieser Prozess wurde teilweise durch ein 3D-Computer-Design-System unterstützt, das gescannte Bilder verwendete, die die Platzierung vorhandener Geräte bis auf den Millimeter-Bereich festhielten.

Bis zum Reinraum

(Bild von GlobalFoundries)

Um den Reinraum selbst zu besuchen, mussten wir uns die "Häschenanzüge" anziehen (siehe mein Bild oben in diesem Beitrag), um die Anzahl der Partikel in dem Bereich und das Risiko zu verringern, dass ein solches Partikel den Wafer stören könnte wird bearbeitet.

Eine Sache, die mir aufgefallen ist, ist, dass sich zwar viele Maschinen auf dem Reinraumboden befinden - laut GlobalFoundries mehr als 1.400 -, aber nicht so viele Menschen.

Christopher Belfi, ein leitender Ingenieur für Produktionsabläufe, der uns die Besichtigung des Reinraums ermöglichte, erklärte, dass das Ziel darin bestehe, keine Bediener am Boden zu haben. Die einzigen Leute, die Sie sehen, sind entweder die Installation oder die Wartung der Werkzeuge, sagte Belfi.

(Bild von GlobalFoundries)

Anstatt dass Techniker Wafer von einem Werkzeug zu einem anderen bewegen, werden die Wafer zwischen den Werkzeugen über Front-Opening Unified Pods (FOUPs) geleitet, die jeweils 25 Wafer aufnehmen. Sie können sehen, wie sich diese über Kopf im gesamten Reinraum bewegen. Insgesamt befinden sich 550 Fahrzeuge auf einer Strecke von 22 km, die Wafer zwischen Werkzeugen bewegen und lagern. Diese bewegen auch Fadenkreuze (die Chipmasken, die das Licht für jede Schicht der Chipherstellung leiten) zwischen einer zentralen Lagereinrichtung und den Werkzeugen, in denen sie verwendet werden. Dies verringert nicht die Anzahl der erforderlichen Personen, sagte Belfi, da die Werkzeuge immer noch gesteuert werden müssen, verringert aber Zeit und Fehler. Er stellte fest, dass sich zu einem bestimmten Zeitpunkt Dutzende von Produkten in verschiedenen Herstellungsstadien für mehrere Dutzend Kunden befinden und jedes Produkt einen eigenen Satz von Absehen und einen eigenen spezifischen Prozess hat, bei dem unterschiedliche Werkzeuge verwendet werden. Belfi nannte Fab 8 "die am meisten automatisierte Fabrik der Welt". Natürlich ist es auch eines der neuesten.

Einige der Fabriken haben ein gelbes Licht, da es zu einem Zeitpunkt in der Geschichte des Herstellungsprozesses wichtig war, sicherzustellen, dass der Wafer keinem normalen Licht ausgesetzt war. Heutzutage sind die Wafer jedoch überhaupt keinem äußeren Licht ausgesetzt, so dass dies weniger notwendig ist.

Die Herstellung eines Wafers umfasst viele Schritte, und jeder hat seinen eigenen Bereich im Reinraum: Implantation (Hinzufügen von Ionen zum Silizium), chemisch-mechanische Planarisierung oder CMP (Polieren des Wafers), Diffusion, Dünnfilmabscheidung, Lithographie und ätzen. Messinstrumente, mit denen die Chipmerkmale bei jedem Schritt auf dem Weg gemessen werden, befinden sich in der gesamten Fabrik.

Wir sprechen meistens über Lithographie (was bedeutet, dass ein Muster auf dem Wafer mit Licht belichtet wird), da dies der komplizierteste Schritt in den letzten Jahren ist. Die derzeitige Technik, bei der 193-nm-Licht in einer Flüssigkeit verwendet wird (sogenannte Immersionslithographie), reicht nicht mehr aus, um die kleinsten Elemente in einem Chip in einem Durchgang zu erzeugen. Für Knoten wie 14 nm und 7 nm sind daher mehrere Belichtungen erforderlich (manchmal) genannt Double Patterning oder sogar Quad Patterning) erforderlich. Extremes Ultraviolett oder EUV ist eine komplexere Alternative, aber eine, die möglicherweise notwendig ist, um weiterhin kleinere Funktionen für Chips zu erhalten, und GlobalFoundries ist dabei, zwei dieser EUV-Maschinen mit Platz für zwei weitere zu installieren. (Ich werde im nächsten Beitrag näher darauf eingehen.) Da dies noch nicht fertig ist, werden alle bei GlobalFoundries hergestellten Chips (und tatsächlich alle kommerziellen Chips, von denen ich weiß, dass sie überall hergestellt werden) mit Immersionslithographie hergestellt. Alle Schritte sind jedoch von entscheidender Bedeutung, und jeder Fehler in einem Schritt macht wahrscheinlich Chips auf dem Wafer unbrauchbar.

Insgesamt kann ein aktueller Chip bis zu 80 Schichten umfassen, und noch mehr Schritte, wenn Wafer zwischen den verschiedenen Schritten des Prozesses verlaufen, insbesondere, wenn sie zwischen Lithographie und Ätzen in jedem Schritt mit mehreren Mustern hin und her gehen (dies kann Monate dauern) um einen typischen High-End-Chip herzustellen). Es ist ein faszinierender Prozess und ich bin froh, dass ich ihn aus erster Hand sehen durfte.

In meinem nächsten Beitrag werde ich mich mehr auf die EUV-Ausrüstung konzentrieren, die kürzlich in der Fabrik installiert wurde, sowie auf die Pläne von GlobalFoundries für zukünftige Schritte im Chipherstellungsprozess.

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