Bagaimana sebuah chip dibuat: mengunjungi perusahaan global

Saya selalu terpesona untuk belajar tentang apa yang benar-benar diperlukan untuk membuat perangkat yang kita terima begitu saja, dan tidak ada proses yang saya tahu adalah serumit, rumit, atau sepenting membuat prosesor yang memberi daya pada ponsel, PC, dan server yang menjalankan kehidupan kita sehari-hari. Jadi saya melompat pada kesempatan untuk mengunjungi pabrik terdepan GlobalFoundries di Malta, New York, untuk melihat bagaimana fasilitas fabrikasi chip telah berkembang selama beberapa tahun terakhir.

Ini adalah proses yang luar biasa - fab mencakup lebih dari 1.400 alat canggih untuk membuat chip, semuanya terhubung bersama, dan membuat wafer khas yang berisi chip dapat memakan waktu hingga enam bulan. Saya sangat terkesan dengan kompleksitas yang semakin meningkat dari proses ini, dan presisi luar biasa yang diperlukan untuk membuat chip yang kita semua gunakan.

Saya telah mengunjungi pabrik - yang dikenal sebagai Fab 8 - sebelumnya, ketika sedang dalam konstruksi, dan ketika baru saja mulai memproduksi produk pertamanya: prosesor yang dirancang untuk node proses 32nm atau 28nm.

Pabrik berada di lokasi yang menarik: Luther Forest Technology Campus di Malta, sekitar setengah jam di utara Albany. Selama bertahun-tahun, negara bagian New York telah mendorong untuk membawa lebih banyak teknologi ke wilayah tersebut, dengan upaya termasuk dukungan untuk SUNY Polytechnic Institute Colleges of Nanoscale Science and Engineering (CNSE) dan Albany Nanotech Complex, salah satu chip paling canggih di dunia. fasilitas penelitian, yang meliputi perwakilan dari GlobalFoundries, Samsung, IBM, banyak universitas riset, dan semua produsen alat pembuat chip terkemuka. AMD telah menandatangani untuk membangun pabrik di kompleks; ketika AMD memisahkan operasi pembuatan chipnya menjadi GlobalFoundries pada tahun 2009 (sekarang sepenuhnya dimiliki oleh Perusahaan Investasi Mubadala Abu Dhabi), perusahaan baru membangun pabrik.

Pada kunjungan terakhir saya hampir enam tahun yang lalu, fase pertama - yang mencakup kamar bersih 210.000 kaki persegi untuk pembuatan aktual - baru saja beroperasi dan menjalankan produksi awal, sementara Fase 2, dengan tambahan 90.000 kaki persegi, sedang dibangun. Ada 1.300 orang di lokasi, tetapi relatif sedikit produk yang dibuat saat itu.

(Gambar dari GlobalFoundries)

Saat ini, dua fase pertama adalah satu kamar bersih 300.000 kaki persegi (300 kaki lebar 1000 kaki panjang) dan tambahan 160.000 kaki persegi Fase 3 juga dalam operasi penuh. Saya melihat banyak kegiatan, dan banyak wafer silikon penuh dengan chip yang diproduksi.

Tom Caulfield, SVP & General Manager Fab 8, menekankan bahwa GlobalFoundries telah berinvestasi lebih banyak di New York bagian utara daripada komitmen awalnya. Ketika fab pertama kali direncanakan, perusahaan berkomitmen untuk investasi sebesar $ 3, 2 miliar, dan jumlah karyawan langsung 1.200 orang untuk penggajian tahunan sebesar $ 72 juta. Sekarang, katanya, perusahaan sebenarnya telah menginvestasikan lebih dari $ 12 miliar, dan memiliki sekitar 3.300 karyawan dan $ 345 juta gaji tahunan. Dan itu bahkan tidak termasuk 500 hingga 700 individu lain yang bekerja di pabrik tetapi dipekerjakan oleh entitas lain, katanya, seperti teknisi yang bekerja untuk vendor alat seperti ASML, Bahan Terapan, atau Riset LAM.

GlobalFoundries juga mengoperasikan apa yang sekarang disebut Fab 9 di Burlington, Vermont, dan Fab 10 di East Fishkill, New York, yang merupakan pabrik-pabrik lama yang diperolehnya dari IBM. Perusahaan ini juga memiliki pabrik besar di Dresden, Jerman, di mana ia bekerja pada proses FDX silicon-on-insulator; Chengdu, Tiongkok; dan di Singapura. Secara keseluruhan, perusahaan mengatakan memiliki lebih dari 250 pelanggan.

Caulfield mengatakan bahwa fab adalah sumber tunggal untuk prosesor AMD Ryzen, GPU Radeon, dan chip server Epyc, tetapi juga memiliki lusinan pelanggan lain.

GlobalFoundries adalah salah satu dari empat perusahaan yang membuat chip logika terdepan. Yang lain adalah Intel, yang terutama membuat chip untuk penggunaannya sendiri; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), pengecoran chip perintis, yang membuat chip untuk banyak pelanggan yang berbeda dan merupakan kompetisi utama GlobalFoundries; dan Samsung, yang melakukan keduanya.

Di dalam Pabrik

Pada kunjungan ini, saya dan beberapa jurnalis lainnya diberi tur keliling fasilitas dan mendengar tentang bagaimana chip dibuat. Daripada memulai dengan kamar bersih tempat chip sebenarnya diproduksi, tur dimulai di "sub-fab, " area luas di bawah kamar bersih yang menangani peralatan yang diperlukan untuk menjalankan alat yang membuat chip. Ini termasuk sistem penanganan listrik, mekanik, air, dan kimia.

John Painter, Direktur Senior Fasilitas, yang memberikan tur ke daerah ini, menjelaskan bahwa seluruh situs mencakup lebih dari 70.000 peralatan, yang sebagian besar mendukung alat pembuat chip yang lebih kecil di dalam Cleanroom. Hampir semua alat itu perlu didinginkan, dan semuanya bekerja lebih baik dalam suhu yang dapat diprediksi, dalam kondisi kelembaban dan tekanan tertentu, sehingga upaya yang signifikan dikeluarkan untuk mengendalikan lingkungan. Ini dibuat lebih kompleks karena alat-alat terus disegarkan, dengan beberapa bergerak masuk dan yang lain keluar dari fasilitas. Painter menjelaskan bahwa secara umum dibutuhkan ruang enam kali lebih banyak untuk peralatan pendukung seperti halnya untuk kamar bersih.

Kami melihat area yang memproses air murni dingin yang digunakan dalam pembuatan, dan bubur kimia untuk hal-hal seperti memoles wafer. Fab memiliki fasilitas kompleks yang memantau dan mengendalikan sistem ini - yang mampu mengukur berbagai bagian per triliun, sehingga mereka dapat mendeteksi kebocoran di sistem - serta sistem keselamatan jiwa yang canggih. Sub-fab memiliki langit-langit 30 kaki, dan area Fase 2 mencakup mezzanine untuk memudahkan teknisi menjangkau semua peralatan. Lantai ini berisi banyak area terpisah dengan masing-masing peralatan (dari area penyimpanan untuk air dan bahan kimia hingga sistem pemantauan), dengan bermil-mil pipa yang menghubungkannya ke ruang bersih di atas. Saya mencatat bahwa banyak pipa sebenarnya berlipat ganda, dengan sensor di dalam pipa untuk mendeteksi jika ada kebocoran.

Ada juga sejumlah bangunan lain di lokasi, termasuk bangunan utilitas pusat dengan boiler dan chiller yang lebih besar, sistem limbah curah, dan lain-lain.

Secara keseluruhan, pabrik menggunakan daya 80 megawatt, yang disuplai oleh saluran ganda 150.000 volt. Sangat penting bahwa daya terus menerus, karena variasi apa pun dapat mengganggu pembuatan dan mungkin merusak wafer yang sedang diproses. Oleh karena itu, fasilitas ini memiliki sistem cadangan UPS, roda gila, dan generator diesel.

Saya khususnya tertarik pada jumlah ruang yang dibutuhkan oleh peralatan EUV baru (yang akan saya bahas nanti). Bahkan di lantai dasar, peralatan ini menuntut area yang luas, termasuk kamar kecil miniaturnya sendiri, di mana alat menghasilkan sumber cahaya laser intensitas tinggi, yang membungkuk melalui lantai ke alat EUV di ruang bersih. Sistem EUV itu sendiri membutuhkan sistem pendingin dan listrik baru, bersama dengan air ultra-murni, dan tangki dan perpipaan khusus yang mengurangi kontaminasi partikel.

Untuk memasukkan sistem EUV ke dalam gedung, fab utama pertama kali ditutup. Sebuah crane 10 ton dipasang di langit-langit, dan kemudian sebuah lubang memotong ke sisi bangunan untuk memindahkan sistem besar baru di dalamnya. Proses ini sebagian dibantu oleh sistem desain komputer 3D yang menggunakan gambar pindaian yang menangkap penempatan peralatan yang ada hingga tingkat milimeter.

Sampai ke Cleanroom

(Gambar dari GlobalFoundries)

Untuk mengunjungi ruang bersih itu sendiri, kami harus mengenakan "pakaian kelinci" (lihat gambar saya di bagian atas posting ini), yang dirancang untuk mengurangi jumlah partikel di area tersebut dan risiko partikel seperti itu dapat mengganggu wafer. pengolahan.

Satu hal yang saya perhatikan adalah bahwa meskipun ada banyak mesin di lantai kamar bersih - lebih dari 1.400, menurut GlobalFoundries - tidak banyak orang.

Christopher Belfi, seorang insinyur utama untuk operasi manufaktur, yang memberi kami tur kamar bersih, menjelaskan bahwa tujuannya adalah untuk memiliki nol operator di lantai. Satu-satunya orang yang Anda lihat adalah melakukan instalasi atau pemeliharaan alat, kata Belfi.

(Gambar dari GlobalFoundries)

Alih-alih teknisi memindahkan wafer dari satu alat ke yang lain, wafer diarahkan di antara alat-alat melalui Front-Opening Unified Pods, atau FOUPs sebagaimana mereka menyebutnya, masing-masing memegang 25 wafer - dan Anda dapat melihat ini bergerak di atas kepala di seluruh Cleanroom. Secara total, ada 550 kendaraan di jalur 14 mil yang bergerak dan menyimpan wafer di antara alat-alat. Ini juga memindahkan retikel (topeng chip yang memandu cahaya untuk setiap lapisan pembuat chip) antara fasilitas penyimpanan pusat ke alat-alat di mana mereka akan digunakan. Ini tidak mengurangi jumlah orang yang dibutuhkan, kata Belfi, karena alat masih perlu dikontrol, tetapi mengurangi waktu dan kesalahan. Dia mencatat bahwa pada suatu waktu, lusinan produk berada dalam berbagai tahap pembuatan, untuk beberapa lusin pelanggan, dan setiap produk memiliki set retikel sendiri dan proses spesifiknya sendiri yang menggunakan alat yang berbeda. Belfi menyebut Fab 8 "fab paling otomatis di dunia." Tentu saja, ini juga salah satu yang terbaru.

Beberapa fab memiliki lampu kuning, karena pada satu titik dalam sejarah proses pembuatannya, penting untuk memastikan bahwa wafer tidak terkena cahaya normal. Namun, akhir-akhir ini wafer sama sekali tidak terkena cahaya dari luar, jadi itu kurang perlu.

Ada banyak langkah yang terlibat dalam membuat wafer, dan masing-masing memiliki area bersih sendiri: implan (menambahkan ion ke silikon), planarisasi mekanis kimia atau CMP (memoles wafer), difusi, deposisi film tipis, litografi, dan mengetsa. Alat metrologi yang digunakan untuk mengukur fitur chip pada setiap langkah di sepanjang jalan berada di seluruh fab.

Kita cenderung berbicara tentang litografi yang paling (yang mengacu pada penggunaan cahaya untuk mengekspos pola pada wafer), karena inilah yang telah menjadi langkah paling rumit dalam beberapa tahun terakhir. Teknik saat ini, yang melibatkan penggunaan cahaya 193nm dalam cairan (dikenal sebagai perendaman litografi), tidak lagi cukup baik untuk membuat elemen terkecil dalam sebuah chip dalam satu lintasan tunggal, jadi untuk node seperti 14nm dan 7nm, banyak eksposur (kadang-kadang disebut pola ganda atau bahkan pola quad) diperlukan. Ultraviolet ekstrem atau EUV adalah alternatif yang lebih kompleks, tetapi yang mungkin diperlukan jika kita ingin terus mendapatkan fitur yang lebih kecil pada chip, dan GlobalFoundries sedang dalam proses memasang dua mesin EUV ini, dengan ruang untuk dua lagi. (Saya akan memiliki detail lebih lanjut di posting berikutnya.) Karena itu belum siap, untuk saat ini semua chip yang dibuat di GlobalFoundries (dan memang, semua chip komersial yang saya tahu dibuat di mana saja) diproduksi dengan litografi imersi. Tetapi semua langkah sangat penting, dan kesalahan dalam langkah apa pun kemungkinan akan membuat chip pada wafer tidak berguna.

Secara total, chip saat ini dapat melibatkan hingga 80 lapisan, dan bahkan lebih banyak langkah ketika wafer melewati antara berbagai langkah proses, terutama ketika mereka bolak-balik antara litografi dan etsa dalam setiap langkah multi-pola (bisa memakan waktu berbulan-bulan) untuk menghasilkan chip high-end yang khas). Ini adalah proses yang menarik dan saya senang bisa melihat secara langsung.

Dalam posting saya berikutnya, saya akan lebih fokus pada peralatan EUV yang baru-baru ini dipasang di pabrik, serta pada rencana GlobalFoundries untuk langkah-langkah masa depan dalam proses pembuatan chip.

Ingin tahu tentang kecepatan internet broadband Anda? Uji sekarang!