Cómo se hace un chip: visitando globalfoundries

Siempre me fascina saber qué se necesita para crear los dispositivos que damos por sentado, y ningún proceso que conozco es tan complejo, complicado o importante como hacer los procesadores que alimentan los teléfonos, las PC y los servidores. que manejan nuestra vida diaria. Así que aproveché la oportunidad de visitar la fábrica de vanguardia de GlobalFoundries en Malta, Nueva York, para ver cómo la instalación de fabricación de chips (o fab) ha evolucionado en los últimos años.

Es un proceso sorprendente: el fab incluye más de 1, 400 herramientas avanzadas para hacer chips, todos conectados entre sí, y hacer una oblea típica que contenga chips puede tomar hasta seis meses. Me impresionó mucho la complejidad cada vez mayor de este proceso y la precisión extraordinaria que se requiere para hacer los chips que todos usamos.

He visitado la fábrica, que se conoce como Fab 8, antes, cuando estaba en construcción y cuando acababa de comenzar a producir sus primeros productos: procesadores diseñados para los nodos de proceso de 32nm o 28nm.

La planta se encuentra en un lugar interesante: el Luther Forest Technology Campus en Malta, aproximadamente media hora al norte de Albany. Durante años, el estado de Nueva York ha estado presionando para traer más tecnología a la región, con esfuerzos que incluyen el apoyo a las Escuelas del Instituto Politécnico SUNY de Ciencia e Ingeniería a Nanoescala (CNSE) y el Complejo de Nanotecnología Albany, uno de los chips más avanzados del mundo. instalaciones de investigación, que incluyen representantes de GlobalFoundries, Samsung, IBM, muchas universidades de investigación y todos los principales fabricantes de herramientas de fabricación de chips. AMD había firmado para construir una fábrica en el complejo; Cuando AMD separó sus operaciones de fabricación de chips para convertirse en GlobalFoundries en 2009 (ahora totalmente propiedad de Mubadala Investment Company de Abu Dhabi), la nueva compañía construyó la fábrica.

En mi última visita, hace casi seis años, la primera fase, que incluía una sala limpia de 210, 000 pies cuadrados para la fabricación real, estaba en funcionamiento y produciendo temprano, mientras que la Fase 2, con 90, 000 pies cuadrados adicionales, estaba en construcción. Había 1.300 personas en el sitio, pero se fabricaban relativamente pocos productos en ese momento.

(Imagen de GlobalFoundries)

Hoy, esas dos primeras fases son una sola sala limpia de 300, 000 pies cuadrados (300 pies de ancho por 1000 pies de largo) y una Fase 3 adicional de 160, 000 pies cuadrados también está en pleno funcionamiento. Vi mucha actividad y se produjeron muchas obleas de silicio llenas de chips.

Tom Caulfield, vicepresidente sénior y gerente general de Fab 8, enfatizó que GlobalFoundries había invertido mucho más en Nueva York que su compromiso original. Cuando se planeó por primera vez la fábrica, la compañía se comprometió a una inversión de $ 3.2 mil millones y un recuento directo de 1.200 personas para una nómina anual de $ 72 millones. Ahora, dijo, la compañía ha invertido más de $ 12 mil millones, y tiene unos 3, 300 empleados y una nómina anual de $ 345 millones. Y eso ni siquiera cuenta las 500 a 700 personas que trabajan en la fábrica pero que trabajan para otras entidades, señaló, como los técnicos que trabajan para proveedores de herramientas como ASML, Materiales Aplicados o Investigación LAM.

GlobalFoundries también opera lo que ahora llama Fab 9 en Burlington, Vermont, y Fab 10 en East Fishkill, Nueva York, que son fábricas más antiguas que adquirió de IBM. La compañía también tiene fábricas importantes en Dresden, Alemania, donde está trabajando en su proceso de silicio sobre aislante FDX; Chengdu, China; y en Singapur En general, la compañía dice que tiene más de 250 clientes.

Caulfield dijo que el fab es una fuente única para los procesadores Ryzen de AMD, las GPU Radeon y los chips de servidor Epyc, pero también tiene docenas de otros clientes.

GlobalFoundries es una de las cuatro compañías que fabrica chips lógicos de vanguardia. Los otros son Intel, que principalmente fabrica chips para su propio uso; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), la pionera fundición de chips, que fabrica chips para muchos clientes diferentes y es la principal competencia de GlobalFoundries; y Samsung, que hace un poco de ambos.

Dentro de la fábrica

En esta visita, a mí y a varios otros periodistas nos hicieron un recorrido por las instalaciones y pudimos escuchar cómo se hacen los chips. En lugar de comenzar con la sala limpia donde se fabrican las astillas, el recorrido comenzó en la "subfabricación", la vasta área debajo de la sala limpia que maneja el equipo necesario para ejecutar las herramientas que hacen las astillas. Esto incluye los sistemas eléctricos, mecánicos, de agua y de manejo de químicos.

John Painter, Director Senior de Instalaciones, quien dio el recorrido por esta área, explicó que todo el sitio incluye más de 70, 000 equipos, muchos de los cuales son compatibles con las herramientas de fabricación de chips más pequeñas dentro de la sala limpia. Casi todas esas herramientas necesitan ser enfriadas, y todas funcionan mejor en temperaturas predecibles, bajo ciertas condiciones de humedad y presión, por lo que se realiza un esfuerzo significativo para controlar el medio ambiente. Esto se hace más complejo porque las herramientas se actualizan constantemente, con algunas entrando y otras saliendo de la instalación. Painter explicó que, en general, se necesita seis veces más espacio para el equipo de soporte que para la sala limpia.

Vimos áreas que procesan el agua purificada enfriada utilizada en la fabricación y lodos químicos para cosas como pulir las obleas. El fab tiene instalaciones complejas que monitorean y controlan estos sistemas, que pueden medir cosas en partes por billón, para que puedan detectar cualquier fuga en el sistema, así como un sofisticado sistema de seguridad de vida. El subfabricante tiene un techo de 30 pies, y el área de la Fase 2 incluye un entrepiso para facilitar a los técnicos el acceso a todo el equipo. Este piso contiene muchas áreas separadas con equipos individuales (desde áreas de almacenamiento de agua y productos químicos hasta sistemas de monitoreo), con kilómetros de tuberías que lo conectan a la sala limpia de arriba. Noté que gran parte de la tubería se duplicó, con sensores dentro de las tuberías para detectar si había una fuga.

También hay una serie de otros edificios en el sitio, incluido un edificio de servicios públicos central con calderas y enfriadores más grandes, sistemas de desechos a granel, etc.

En general, la fábrica utiliza 80 megavatios de potencia, que se suministra a través de líneas duales de 150, 000 voltios. Es crítico que la potencia sea continua, ya que cualquier variación podría interrumpir la fabricación y posiblemente dañar las obleas que se procesan. Por lo tanto, la instalación cuenta con un sistema UPS de respaldo, volantes y un generador diesel.

Estaba particularmente interesado en la cantidad de espacio requerido por el nuevo equipo EUV (que discutiré más adelante). Incluso en el subsuelo, este equipo exige un área masiva, que incluye su propia sala limpia en miniatura, donde las herramientas producen una fuente de luz láser de alta intensidad, que se dobla a través del piso hasta la herramienta EUV en la sala limpia. El propio sistema EUV necesitaba nuevos sistemas eléctricos y de enfriamiento, junto con agua ultrapura y tanques y tuberías especiales que reducen la contaminación por partículas.

Para introducir el sistema EUV en el edificio, primero se cerró la fábrica principal. Se instaló una grúa de 10 toneladas en el techo, y luego se hizo un agujero en el costado del edificio para mover el nuevo sistema masivo al interior. Este proceso fue ayudado en parte por un sistema de diseño de computadora en 3D que utilizaba imágenes escaneadas que capturaban la ubicación del equipo existente hasta el nivel milimétrico.

Hasta la sala limpia

(Imagen de GlobalFoundries)

Para visitar la sala limpia en sí, tuvimos que vestirnos con los "trajes de conejito" (vea mi foto en la parte superior de esta publicación), diseñados para reducir la cantidad de partículas en el área y el riesgo de que dicha partícula pueda alterar la oblea tratamiento.

Una cosa que noté es que si bien hay muchas máquinas en el piso de la sala limpia, más de 1, 400, según GlobalFoundries, no hay tanta gente.

Christopher Belfi, un ingeniero principal para operaciones de fabricación, que nos dio un recorrido por la sala limpia, explicó que el objetivo es tener cero operadores en el piso. Las únicas personas que ves están haciendo la instalación o el mantenimiento de las herramientas, dijo Belfi.

(Imagen de GlobalFoundries)

En lugar de que los técnicos muevan las obleas de una herramienta a otra, las obleas se enrutan entre las herramientas a través de vainas unificadas de apertura frontal o FOUP como las llaman, cada una de las cuales tiene 25 obleas, y puede verlas moviéndose por encima de la sala limpia. En total, hay 550 vehículos en 14 millas de vías en movimiento y almacenando obleas entre herramientas. Estos también mueven retículas (las máscaras de chips que guían la luz para cada capa de fabricación de chips) entre una instalación de almacenamiento central a las herramientas donde se utilizarán. Esto no reduce la cantidad de personas requeridas, dijo Belfi, ya que las herramientas aún necesitan ser controladas, pero sí reduce el tiempo y los errores. Señaló que en un momento dado, docenas de productos se encuentran en diversas etapas de fabricación, para varias docenas de clientes, y cada producto tiene su propio conjunto de retículas y su propio proceso específico que utiliza diferentes herramientas. Belfi llamó a Fab 8 "el fab más automatizado del mundo". Por supuesto, también es uno de los más nuevos.

Algunos de los fab tienen luz amarilla, ya que en un momento de la historia del proceso de fabricación era importante asegurarse de que la oblea no estuviera expuesta a la luz normal. Sin embargo, en estos días las obleas no están expuestas a la luz exterior, por lo que es menos necesario.

Hay muchos pasos involucrados en la fabricación de una oblea, y cada uno tiene su propia área de la sala limpia: implante (agregando iones al silicio), planarización química química o CMP (pulido de la oblea), difusión, deposición de película delgada, litografía y grabar al agua fuerte. Las herramientas de metrología utilizadas para medir las características de los chips en cada paso del camino se encuentran en todo el fab.

Tendemos a hablar más sobre la litografía (que se refiere al uso de la luz para exponer un patrón en la oblea), ya que este es el paso más complicado en los últimos años. La técnica actual, que implica el uso de luz de 193 nm en un líquido (conocida como litografía de inmersión), ya no es lo suficientemente fina como para crear los elementos más pequeños en un chip en una sola pasada, por lo que para nodos como 14 nm y 7 nm, exposiciones múltiples (a veces se requieren patrones dobles o incluso patrones cuádruples). El ultravioleta extremo o EUV es una alternativa más compleja, pero una que puede ser necesaria si queremos continuar obteniendo características más pequeñas en los chips, y GlobalFoundries está en proceso de instalar dos de estas máquinas EUV, con espacio para dos más. (Tendré más detalles en la próxima publicación). Dado que eso no está listo, por ahora todos los chips fabricados en GlobalFoundries (y de hecho, todos los chips comerciales que conozco fabricados en cualquier lugar) se producen con litografía de inmersión. Pero todos los pasos son cruciales, y cualquier error en cualquier paso probablemente hará que los chips de la oblea sean inútiles.

En total, un chip actual puede involucrar hasta 80 capas, e incluso más pasos a medida que las obleas pasan entre los diversos pasos del proceso, particularmente a medida que van y vienen entre la litografía y el grabado en cada paso de patrones múltiples (puede llevar meses para producir un chip típico de alta gama). Es un proceso fascinante y me alegro de haberlo visto de primera mano.

En mi próxima publicación, me centraré más en el equipo EUV que se instaló recientemente en la fábrica, así como en los planes de GlobalFoundries para futuros pasos en el proceso de fabricación de chips.

¿Tienes curiosidad por tu velocidad de internet de banda ancha? ¡Pruébalo ahora!