Come viene realizzato un chip: visitare i fondi globali

Sono sempre affascinato dall'apprendere ciò che serve davvero per rendere i dispositivi che diamo per scontati, e nessun processo che conosco sia così complesso, complicato o importante come rendere i processori che alimentano telefoni, PC e server che gestiscono la nostra vita quotidiana. Così ho colto l'occasione per visitare la fabbrica all'avanguardia di GlobalFoundries a Malta, New York, per vedere come si è evoluta la struttura di fabbricazione di chip (o fab) negli ultimi anni.

È un processo straordinario: il fab include oltre 1.400 strumenti avanzati per la creazione di chip, tutti collegati tra loro e la realizzazione di un tipico wafer che contiene chip può richiedere fino a sei mesi. Sono rimasto molto colpito dalla sempre crescente complessità di questo processo e dalla straordinaria precisione richiesta per realizzare i chip che tutti noi utilizziamo.

Ho visitato la fabbrica - che è conosciuta come Fab 8 - prima, quando era in costruzione e quando aveva appena iniziato a produrre i suoi primi prodotti: processori progettati per i nodi di processo a 32 nm o 28 nm.

L'impianto si trova in una posizione interessante: il Luther Forest Technology Campus a Malta, circa mezz'ora a nord di Albany. Per anni, lo stato di New York ha spinto per portare più tecnologia nella regione, con sforzi tra cui il supporto per il SUNY Polytechnic Institute College of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) e l'Albany Nanotech Complex, uno dei chip più avanzati al mondo strutture di ricerca, che comprende rappresentanti di GlobalFoundries, Samsung, IBM, molte università di ricerca e tutti i principali produttori di strumenti per la produzione di chip. AMD aveva firmato per costruire una fabbrica nel complesso; quando AMD ha diviso le sue operazioni di produzione di chip per diventare GlobalFoundries nel 2009 (ora interamente di proprietà della Mubadala Investment Company di Abu Dhabi), la nuova società ha costruito la fabbrica.

Durante la mia ultima visita, quasi sei anni fa, la prima fase, che includeva una camera bianca di 210.000 piedi quadrati per la produzione effettiva, era appena iniziata e funzionante e in fase di produzione iniziale, mentre la Fase 2, con ulteriori 90.000 piedi quadrati, era in costruzione. C'erano 1.300 persone sul posto, ma relativamente pochi prodotti venivano realizzati in quel momento.

(Immagine da GlobalFoundries)

Oggi, queste prime due fasi sono una singola camera bianca di 300.000 piedi quadrati (300 piedi di larghezza per 1000 piedi di lunghezza) e una fase 3 aggiuntiva di 160.000 piedi quadrati è anche pienamente operativa. Ho visto molta attività e molti wafer di silicio riempiti di trucioli venivano prodotti.

Tom Caulfield, SVP e General Manager di Fab 8, ha sottolineato che GlobalFoundries aveva investito molto di più nello stato di New York rispetto al suo impegno originale. Quando il fab è stato pianificato per la prima volta, la società si è impegnata in un investimento di $ 3, 2 miliardi e un personale diretto di 1.200 persone per un libro paga annuale di $ 72 milioni. Ora, ha detto, la società ha effettivamente investito più di $ 12 miliardi e ha circa 3.300 dipendenti e un salario annuale di $ 345 milioni. E questo non conta nemmeno le altre 500-700 persone che lavorano nella fab ma sono impiegate da altre entità, ha osservato, come i tecnici che lavorano per i fornitori di strumenti come ASML, Applied Materials o LAM Research.

GlobalFoundries gestisce anche quello che ora chiama Fab 9 a Burlington, nel Vermont, e Fab 10 a East Fishkill, New York, che sono fabbriche più vecchie che ha acquisito da IBM. La società ha anche importanti fabs a Dresda, in Germania, dove sta lavorando al suo processo di silicio su isolante FDX; Chengdu, Cina; e a Singapore. Complessivamente, la società afferma di avere più di 250 clienti.

Caulfield ha affermato che il fab è un unico fornitore di processori AMD Ryzen, GPU Radeon e chip server Epyc, ma ha anche decine di altri clienti.

GlobalFoundries è una delle quattro società che produce chip logici all'avanguardia. Gli altri sono Intel, che produce principalmente chip per uso proprio; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), la pionieristica fonderia di chip, che produce chip per molti clienti diversi ed è la principale concorrenza di GlobalFoundries; e Samsung, che fa un po 'di entrambi.

All'interno della fabbrica

Durante questa visita, io e molti altri giornalisti abbiamo fatto un tour della struttura e abbiamo avuto modo di sapere come sono fatte le patatine. Invece di iniziare con la cleanroom in cui vengono effettivamente fabbricati i chip, il tour è iniziato nel "sub-fab", la vasta area sotto la cleanroom che gestisce le attrezzature necessarie per far funzionare gli strumenti che producono i chip. Ciò include i sistemi di movimentazione elettrica, meccanica, idrica e chimica.

John Painter, Senior Director of Facilities, che ha fatto il giro di quest'area, ha spiegato che l'intero sito comprende oltre 70.000 pezzi di equipaggiamento, molti dei quali supportano i più piccoli strumenti di produzione di chip all'interno della camera bianca. Quasi tutti questi strumenti devono essere raffreddati e funzionano tutti meglio a temperature prevedibili, in determinate condizioni di umidità e pressione, per cui è necessario uno sforzo significativo per controllare l'ambiente. Ciò è reso più complesso perché gli strumenti vengono costantemente aggiornati, con alcuni che si spostano all'interno e altri all'esterno della struttura. Painter ha spiegato che in generale occupa sei volte più spazio per l'attrezzatura di supporto rispetto alla camera bianca.

Abbiamo visto aree che trattano l'acqua purificata refrigerata utilizzata nella produzione e fanghi chimici per cose come la lucidatura dei wafer. Il fab ha strutture complesse che monitorano e controllano questi sistemi - che sono in grado di misurare le cose in parti per trilione, in modo che possano rilevare eventuali perdite nel sistema - così come un sofisticato sistema di sicurezza. Il sub-fab ha un soffitto di 30 piedi e l'area della Fase 2 include un mezzanino per facilitare ai tecnici il raggiungimento di tutte le attrezzature. Questo piano contiene molte aree separate con singoli pezzi di equipaggiamento (dalle aree di stoccaggio per acqua e prodotti chimici ai sistemi di monitoraggio), con miglia di tubazioni che lo collegano alla camera bianca sopra. Ho notato che gran parte delle tubazioni era effettivamente raddoppiata, con sensori all'interno delle tubazioni per rilevare se c'era una perdita.

Ci sono anche un certo numero di altri edifici in loco, tra cui un edificio di utilità centrale con caldaie e refrigeratori più grandi, sistemi di rifiuti sfusi, ecc.

Nel complesso, la fabbrica utilizza 80 megawatt di potenza, che viene fornita da due linee da 150.000 volt. È fondamentale che la potenza sia continua, poiché qualsiasi variazione potrebbe interrompere la produzione e possibilmente danneggiare i wafer in fase di elaborazione. Pertanto, la struttura dispone di un sistema UPS di backup, volani e un generatore diesel.

Ero particolarmente interessato alla quantità di spazio richiesta dalle nuove apparecchiature EUV (di cui parlerò più avanti). Anche nel sottofondo, questa apparecchiatura richiede una vasta area, compresa la propria camera bianca in miniatura, dove gli strumenti producono una sorgente di luce laser ad alta intensità, che si piega attraverso il pavimento allo strumento EUV nella camera bianca. Lo stesso sistema EUV necessitava di nuovi sistemi elettrici e di raffreddamento, insieme a acqua ultra pura e serbatoi e tubazioni speciali che riducono la contaminazione da particelle.

Per ottenere il sistema EUV nell'edificio, il fab principale è stato prima sigillato. Nel soffitto fu installata una gru da 10 tonnellate, quindi fu praticato un foro nel lato dell'edificio per spostare l'enorme nuovo sistema all'interno. Questo processo è stato in parte aiutato da un sistema di progettazione 3D che utilizzava immagini scansionate che catturavano il posizionamento delle apparecchiature esistenti fino al livello del millimetro.

Fino alla camera bianca

(Immagine da GlobalFoundries)

Per visitare la stessa camera bianca, abbiamo dovuto vestirci con i "semi da coniglio" (vedi la mia foto nella parte superiore di questo post), progettato per ridurre il numero di particelle nell'area e il rischio che una tale particella potesse interrompere il wafer in lavorazione.

Una cosa che ho notato è che mentre ci sono molte macchine sul pavimento della camera bianca - più di 1.400, secondo GlobalFoundries - non ci sono così tante persone.

Christopher Belfi, un ingegnere principale per le operazioni di produzione, che ci ha fornito il tour della camera bianca, ha spiegato che l'obiettivo è di avere zero operatori sul pavimento. Le uniche persone che vedi stanno eseguendo l'installazione o la manutenzione degli strumenti, ha detto Belfi.

(Immagine da GlobalFoundries)

Invece dei tecnici che spostano i wafer da uno strumento all'altro, i wafer vengono instradati tra gli strumenti tramite Pod unificati ad apertura frontale o FOUP come li chiamano, ognuno dei quali contiene 25 wafer e puoi vederli spostarsi in alto in tutta la camera bianca. In totale, ci sono 550 veicoli su 14 miglia di binari che si spostano e memorizzano i wafer tra gli strumenti. Questi spostano anche i reticoli (le maschere di chip che guidano la luce per ogni strato di chipmaking) tra una struttura di stoccaggio centrale verso gli strumenti in cui verranno utilizzati. Ciò non riduce il numero di persone richieste, ha affermato Belfi, poiché gli strumenti devono ancora essere controllati, ma riduce tempi ed errori. Ha notato che in qualsiasi momento, dozzine di prodotti sono in varie fasi di produzione, per diverse decine di clienti, e ogni prodotto ha il suo set di reticoli e il suo processo specifico che utilizza strumenti diversi. Belfi ha definito Fab 8 "il fab più automatizzato al mondo". Certo, è anche uno dei più recenti.

Alcuni dei fab hanno una luce gialla, poiché ad un certo punto della storia del processo di produzione era importante assicurarsi che il wafer non fosse esposto alla luce normale. Tuttavia, in questi giorni i wafer non sono affatto esposti alla luce esterna, quindi è meno necessario.

Ci sono molti passaggi coinvolti nella realizzazione di un wafer, e ognuno ha la propria area della camera bianca: impianto (aggiunta di ioni al silicio), planarizzazione meccanica chimica o CMP (lucidatura del wafer), diffusione, deposizione di film sottile, litografia e etch. Gli strumenti di metrologia utilizzati per misurare le caratteristiche dei chip ad ogni passo lungo il percorso si trovano in tutto il fab.

Tendiamo a parlare maggiormente della litografia (che si riferisce all'uso della luce per esporre uno schema sul wafer), poiché questo è quello che è diventato il passo più complicato degli ultimi anni. L'attuale tecnica, che prevede l'utilizzo di luce a 193 nm in un liquido (nota come litografia ad immersione), non è più sufficientemente fine per creare gli elementi più piccoli in un chip in un singolo passaggio, quindi per nodi come 14 nm e 7 nm, esposizioni multiple (a volte sono richiesti il ​​doppio modello o anche il modello quad). L'ultravioletto estremo o EUV è un'alternativa più complessa, ma potrebbe essere necessaria se vogliamo continuare a ottenere funzionalità più piccole sui chip e GlobalFoundries sta installando due di queste macchine EUV, con spazio per altre due. (Avrò maggiori dettagli nel prossimo post.) Dato che non è pronto, per ora tutti i chip prodotti da GlobalFoundries (e in effetti, tutti i chip commerciali che conosco fatti ovunque) sono prodotti con litografia ad immersione. Ma tutti i passaggi sono cruciali e qualsiasi errore in ogni passaggio renderà probabilmente inutili i chip sul wafer.

In totale, un chip corrente può coinvolgere fino a 80 strati e anche più passaggi quando i wafer passano tra le varie fasi del processo, in particolare mentre vanno avanti e indietro tra litografia ed incisione in ogni fase multi-pattern (possono essere necessari mesi per produrre un tipico chip di fascia alta). È un processo affascinante e sono contento di aver visto di persona.

Nel mio prossimo post, mi concentrerò maggiormente sulle apparecchiature EUV recentemente installate in fabbrica, nonché sui piani di GlobalFoundries per i futuri passi nel processo di produzione di chip.

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