Làm thế nào một con chip được tạo ra: truy cập vào địa cầu

Tôi luôn thích tìm hiểu về những gì thực sự cần thiết để làm cho các thiết bị mà chúng ta được cấp, và không có quy trình nào tôi biết là phức tạp, phức tạp hoặc quan trọng như tạo ra các bộ xử lý cung cấp năng lượng cho điện thoại, PC và máy chủ mà điều hành cuộc sống hàng ngày của chúng tôi. Vì vậy, tôi đã nhảy vào cơ hội đến thăm nhà máy hàng đầu của GlobalFoundries tại Malta, New York, để xem cơ sở chế tạo chip (hoặc fab) đã phát triển như thế nào trong vài năm qua.

Đó là một quá trình đáng kinh ngạc, fab bao gồm hơn 1.400 công cụ tiên tiến để tạo ra chip, tất cả được kết nối với nhau và tạo ra một wafer thông thường có chứa chip có thể mất đến sáu tháng. Tôi đã rất ấn tượng bởi sự phức tạp ngày càng tăng của quy trình này và độ chính xác phi thường cần có để tạo ra các con chip mà tất cả chúng ta sử dụng.

Trước đây, tôi đã đến thăm nhà máy, được biết đến với cái tên Fab 8, khi nó đang được xây dựng và khi nó mới bắt đầu sản xuất các sản phẩm đầu tiên: bộ xử lý được thiết kế cho các nút xử lý 32nm hoặc 28nm.

Nhà máy nằm ở một vị trí thú vị: Khu công nghệ rừng Luther ở Malta, cách Albany khoảng nửa giờ về phía bắc. Trong nhiều năm, tiểu bang New York đã nỗ lực mang đến nhiều công nghệ hơn cho khu vực, với những nỗ lực bao gồm hỗ trợ cho Viện Khoa học và Kỹ thuật Nanoscale thuộc Đại học Khoa học và Kỹ thuật Nanoscale (CNSE) và Tổ hợp công nghệ Albany Nanotech, một trong những con chip tiên tiến nhất thế giới các cơ sở nghiên cứu, bao gồm đại diện của GlobalFoundries, Samsung, IBM, nhiều trường đại học nghiên cứu và tất cả các nhà sản xuất công cụ sản xuất chip hàng đầu. AMD đã ký kết xây dựng một nhà máy tại khu phức hợp; Khi AMD tách ra hoạt động sản xuất chip để trở thành GlobalFoundries vào năm 2009 (hiện thuộc sở hữu hoàn toàn của Công ty Đầu tư Mubadala của Abu Dhabi), công ty mới đã xây dựng nhà máy.

Trong chuyến viếng thăm gần đây nhất của tôi gần sáu năm trước, giai đoạn đầu tiên bao gồm một phòng sạch 210.000 feet vuông để sản xuất thực tế, vừa mới hoạt động và sản xuất sớm, trong khi Giai đoạn 2, với thêm 90.000 feet vuông, đang được xây dựng . Có 1.300 người trên trang web, nhưng tương đối ít sản phẩm được sản xuất tại thời điểm đó.

(Hình ảnh từ GlobalFoundries)

Ngày nay, hai giai đoạn đầu tiên là một phòng sạch 300.000 feet vuông (rộng 300 feet dài 1000 feet) và Giai đoạn 3 rộng hơn 160.000 feet vuông cũng đang hoạt động đầy đủ. Tôi đã thấy rất nhiều hoạt động, và nhiều tấm silicon chứa đầy chip được sản xuất.

Tom Caulfield, SVP & Tổng Giám đốc Fab 8, nhấn mạnh rằng GlobalFoundries đã đầu tư nhiều hơn vào ngoại ô New York so với cam kết ban đầu. Khi fab được lên kế hoạch lần đầu tiên, công ty đã cam kết đầu tư 3, 2 tỷ đô la, và số lượng đầu người trực tiếp là 1.200 người cho mức lương hàng năm là 72 triệu đô la. Bây giờ, ông nói, công ty đã thực sự đầu tư hơn 12 tỷ đô la, và có khoảng 3.300 nhân viên và một bảng lương hàng năm 345 triệu đô la. Và điều đó thậm chí không đếm được 500 đến 700 cá nhân khác làm việc tại nhà máy nhưng được các thực thể khác thuê, ông lưu ý, chẳng hạn như các kỹ thuật viên làm việc cho các nhà cung cấp công cụ như ASML, Ứng dụng vật liệu hoặc Nghiên cứu LAM.

GlobalFoundries cũng vận hành cái mà ngày nay gọi là Fab 9 ở Burlington, Vermont và Fab 10 ở East Fishkill, New York, là những nhà máy cũ mà nó mua lại từ IBM. Công ty cũng có các nhà máy lớn tại thành phố Dresden, Đức, nơi họ đang nghiên cứu quy trình cách điện trên silicon FDX; Thành Đô, Trung Quốc; và ở Singapore. Nhìn chung, công ty cho biết họ có hơn 250 khách hàng.

Caulfield nói rằng fab là một nguồn duy nhất cho bộ xử lý Ryzen của AMD, GPU Radeon và chip máy chủ Epyc, nhưng cũng có hàng tá khách hàng khác.

GlobalFoundries là một trong bốn công ty sản xuất chip logic hàng đầu. Những người khác là Intel, công ty chủ yếu sản xuất chip để sử dụng riêng; Công ty sản xuất chất bán dẫn Đài Loan (TSMC), nhà máy đúc chip tiên phong, sản xuất chip cho nhiều khách hàng khác nhau và là đối thủ cạnh tranh chính của GlobalFoundries; và Samsung, một trong hai.

Bên trong nhà máy

Trong chuyến thăm này, bản thân tôi và một số nhà báo khác đã được đưa đi tham quan cơ sở và được nghe về cách thức sản xuất chip. Thay vì bắt đầu với phòng sạch nơi sản xuất chip thực sự, chuyến tham quan bắt đầu trong "tiểu fab", khu vực rộng lớn bên dưới phòng sạch xử lý các thiết bị cần thiết để chạy các công cụ sản xuất chip. Điều này bao gồm các hệ thống xử lý điện, cơ khí, nước và hóa chất.

John Painter, Giám đốc cấp cao của Cơ sở, người đã tham quan khu vực này, giải thích rằng toàn bộ trang web bao gồm hơn 70.000 thiết bị, phần lớn hỗ trợ các công cụ sản xuất chip nhỏ hơn trong phòng sạch. Hầu như tất cả các công cụ đó cần được làm mát, và tất cả chúng đều hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ có thể dự đoán được, trong điều kiện độ ẩm và áp suất nhất định, vì vậy nỗ lực đáng kể được dành để kiểm soát môi trường. Điều này được thực hiện phức tạp hơn vì các công cụ liên tục được làm mới, với một số di chuyển và một số khác ra khỏi cơ sở. Họa sĩ giải thích rằng nhìn chung, cần nhiều gấp sáu lần không gian cho các thiết bị hỗ trợ so với phòng sạch.

Chúng tôi đã thấy các khu vực xử lý nước tinh khiết ướp lạnh được sử dụng trong sản xuất và bùn hóa học cho những thứ như đánh bóng các tấm wafer. Fab có các cơ sở phức tạp giám sát và kiểm soát các hệ thống này, có khả năng đo lường mọi thứ theo phần nghìn tỷ, do đó họ có thể phát hiện bất kỳ rò rỉ nào trong hệ thống cũng như hệ thống an toàn cuộc sống tinh vi. Khung phụ có trần cao 30 feet và khu vực Giai đoạn 2 bao gồm một tầng lửng để giúp các kỹ thuật viên dễ dàng tiếp cận với tất cả các thiết bị. sàn này chứa nhiều khu vực riêng biệt với phần riêng lẻ của thiết bị (từ các khu vực lưu trữ cho nước và hóa chất với các hệ thống giám sát), với dặm đường ống kết nối nó vào phòng sạch trên. Tôi lưu ý rằng phần lớn các đường ống đã thực sự tăng gấp đôi, với các cảm biến trong các đường ống để phát hiện nếu có rò rỉ.

Ngoài ra còn có một số tòa nhà khác trên trang web, bao gồm một tòa nhà tiện ích trung tâm với nồi hơi và thiết bị làm lạnh lớn hơn, hệ thống chất thải số lượng lớn, v.v.

Nhìn chung, nhà máy sử dụng 80 megawatt điện, được cung cấp bởi hai đường dây 150.000 volt. Điều quan trọng là sức mạnh là liên tục, vì bất kỳ biến thể nào cũng có thể làm gián đoạn quá trình sản xuất và có thể làm hỏng các tấm wafer đang được xử lý. Do đó, cơ sở có hệ thống UPS dự phòng, bánh đà và máy phát điện diesel.

Tôi đặc biệt quan tâm đến lượng không gian cần thiết của thiết bị EUV mới (mà tôi sẽ thảo luận sau). Ngay cả ở tầng dưới, thiết bị này đòi hỏi một khu vực rộng lớn, bao gồm phòng sạch thu nhỏ của riêng nó, nơi các công cụ tạo ra nguồn ánh sáng laser cường độ cao, uốn cong qua sàn đến công cụ EUV trong phòng sạch. Bản thân hệ thống EUV cần có hệ thống điện và làm mát mới, cùng với nước siêu tinh khiết, các bể chứa và đường ống đặc biệt giúp giảm ô nhiễm hạt.

Để đưa hệ thống EUV vào tòa nhà, fab chính trước tiên được niêm phong. Một cần cẩu nặng 10 tấn đã được lắp đặt trên trần nhà, và sau đó một lỗ được cắt vào bên hông tòa nhà để di chuyển hệ thống mới đồ sộ bên trong. Quá trình này được hỗ trợ một phần bởi hệ thống thiết kế máy tính 3D sử dụng các hình ảnh được quét để ghi lại vị trí của thiết bị hiện có xuống mức milimet.

Lên phòng sạch

(Hình ảnh từ GlobalFoundries)

Để đến thăm phòng sạch, chúng tôi phải mặc "bộ đồ thỏ" (xem hình của tôi ở đầu bài này), được thiết kế để giảm số lượng hạt trong khu vực và nguy cơ hạt đó có thể phá vỡ wafer Chế biến.

Một điều tôi nhận thấy là trong khi có rất nhiều máy trên sàn phòng sạch hơn 1.400, theo GlobalFoundries thì không có nhiều người.

Christopher Belfi, một kỹ sư chính cho các hoạt động sản xuất, người đã cho chúng tôi tham quan phòng sạch, giải thích rằng mục tiêu là không có nhà khai thác nào trên sàn. Những người duy nhất bạn thấy đang thực hiện cài đặt hoặc bảo trì các công cụ, Belfi nói.

(Hình ảnh từ GlobalFoundries)

Thay vì các kỹ thuật viên di chuyển các tấm wafer từ công cụ này sang công cụ khác, các tấm wafer được định tuyến giữa các công cụ thông qua Pod-Unified mở trước, hoặc FOUP khi họ gọi chúng, mỗi công cụ chứa 25 tấm wafer và bạn có thể thấy những chiếc này di chuyển trên khắp phòng sạch. Tổng cộng, có 550 xe trên 14 dặm theo dõi di chuyển và lưu trữ tấm giữa các công cụ. Chúng cũng di chuyển các mặt kẻ ô (mặt nạ chip dẫn ánh sáng cho từng lớp chế tạo chip) giữa một cơ sở lưu trữ trung tâm đến các công cụ mà chúng sẽ được sử dụng. Điều này không làm giảm số lượng người cần thiết, Belfi nói, vì các công cụ vẫn cần phải được kiểm soát, nhưng không làm giảm thời gian và lỗi. Ông lưu ý rằng tại bất kỳ thời điểm nào, hàng chục sản phẩm đang trong các giai đoạn sản xuất khác nhau, cho vài chục khách hàng và mỗi sản phẩm có một bộ lưới riêng và quy trình cụ thể sử dụng các công cụ khác nhau. Belfi gọi Fab 8 là "fab tự động nhất trên thế giới." Tất nhiên, nó cũng là một trong những cái mới nhất.

Một số fab có đèn vàng, vì tại một thời điểm trong lịch sử của quá trình sản xuất, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng wafer không tiếp xúc với ánh sáng bình thường. Tuy nhiên, ngày nay các tấm wafer không tiếp xúc với ánh sáng bên ngoài, vì vậy nó ít cần thiết hơn.

Có nhiều bước liên quan đến việc tạo ra một wafer, và mỗi nơi có một khu vực riêng của phòng sạch: cấy ghép (thêm các ion vào silicon), hóa phẳng cơ học hóa học hoặc CMP (đánh bóng wafer), khuếch tán, lắng đọng màng mỏng, in thạch bản, và khắc Các công cụ đo lường được sử dụng để đo các tính năng chip ở mỗi bước trên đường đi được đặt trong toàn bộ fab.

Chúng ta có xu hướng nói về in thạch bản nhiều nhất (trong đó đề cập đến việc sử dụng ánh sáng để phơi bày một mô hình trên wafer), vì đây là điều đã trở thành bước phức tạp nhất trong vài năm qua. Kỹ thuật hiện tại, bao gồm sử dụng ánh sáng 193nm trong chất lỏng (được gọi là quang khắc ngâm), không còn đủ tốt để tạo ra các phần tử nhỏ nhất trong chip trong một lần truyền, do đó, đối với các nút như 14nm và 7nm, nhiều lần phơi sáng (đôi khi được gọi là tạo khuôn đôi hoặc thậm chí là tạo hình tứ giác). Cực tím hoặc EUV là một giải pháp thay thế phức tạp hơn, nhưng có thể cần thiết nếu chúng ta tiếp tục có các tính năng nhỏ hơn trên chip và GlobalFoundries đang trong quá trình cài đặt hai trong số các máy EUV này, với không gian cho hai máy nữa. (Tôi sẽ có thêm thông tin chi tiết trong bài tiếp theo.) Vì chưa sẵn sàng, nên hiện tại tất cả các chip được sản xuất tại GlobalFoundries (và thực tế, tất cả các chip thương mại mà tôi biết được sản xuất ở bất cứ đâu) đều được sản xuất với kỹ thuật in chìm. Nhưng tất cả các bước đều rất quan trọng và bất kỳ lỗi nào trong bất kỳ bước nào cũng có khả năng khiến chip trên wafer trở nên vô dụng.

Tổng cộng, một con chip hiện tại có thể bao gồm tới 80 lớp, và thậm chí nhiều bước hơn nữa khi các tấm wafer vượt qua giữa các bước khác nhau của quy trình, đặc biệt là khi chúng qua lại giữa in thạch bản và khắc trong mỗi bước đa lớp (có thể mất vài tháng để sản xuất một con chip cao cấp điển hình). Đó là một quá trình hấp dẫn và tôi rất vui khi được tận mắt nhìn thấy.

Trong bài đăng tiếp theo của tôi, tôi sẽ tập trung nhiều hơn vào thiết bị EUV được lắp đặt gần đây tại nhà máy, cũng như các kế hoạch của GlobalFoundries cho các bước trong tương lai trong quy trình sản xuất chip.

Tò mò về tốc độ internet băng thông rộng của bạn? Kiểm tra nó ngay bây giờ!