Comment une puce est fabriquée: visiter des fondations mondiales

Je suis toujours fasciné d'apprendre ce qu'il faut vraiment faire pour rendre les périphériques que nous prenons pour acquis, et aucun processus à ma connaissance n'est aussi complexe, aussi complexe ou aussi important que de créer les processeurs qui alimentent les téléphones, les ordinateurs et les serveurs. qui dirigent nos vies quotidiennes. J'ai donc sauté sur l'occasion de visiter l'usine de pointe de GlobalFoundries à Malte, à New York, pour voir comment l'installation de fabrication de puces (ou fab) a évolué au cours des dernières années.

C'est un processus étonnant - l'usine comprend plus de 1 400 outils avancés de fabrication de puces, tous connectés entre eux, et la fabrication d'une plaquette typique contenant des puces peut prendre jusqu'à six mois. J'ai été très impressionné par la complexité croissante de ce processus et par la précision extraordinaire nécessaire pour fabriquer les puces que nous utilisons tous.

J'ai déjà visité l'usine - connue sous le nom de Fab 8 - auparavant, lorsqu'elle était en construction et qu'elle commençait tout juste à produire ses premiers produits: des processeurs conçus pour les nœuds de processus de 32 ou 28 nm.

L’usine occupe un emplacement intéressant: le Luther Forest Technology Campus à Malte, à environ une demi-heure au nord d’Albany. Depuis des années, l'État de New York s'efforce de mettre davantage de technologie dans la région, notamment auprès des collèges de sciences et d'ingénierie à l'échelle nanométrique (CNSE) du SUNY Polytechnic Institute et du complexe Albany Nanotech, l'un des plus perfectionnés au monde. des installations de recherche, comprenant des représentants de GlobalFoundries, Samsung, IBM, de nombreuses universités de recherche et de tous les principaux fabricants d'outils de fabrication de puces. AMD avait signé pour construire une usine sur le complexe; Lorsque AMD a scindé ses activités de fabrication de puces pour devenir GlobalFoundries en 2009 (désormais détenue à 100% par Mubadala Investment Company, société basée à Abou Dhabi), la nouvelle société a construit l’usine.

Lors de ma dernière visite il y a près de six ans, la première phase, qui comprenait une salle blanche de 210 000 pieds carrés destinée à la fabrication, était tout juste prête à fonctionner. La phase 2 était en cours de production, tandis que la phase 2 était en construction.. Il y avait 1 300 personnes sur place, mais relativement peu de produits étaient fabriqués à cette époque.

(Image de GlobalFoundries)

Aujourd'hui, ces deux premières phases consistent en une seule salle blanche de 300 000 pieds carrés (300 pieds de large sur 1 000 pieds de long) et une phase 3 supplémentaire de 160 000 pieds carrés est également en pleine activité. J'ai vu beaucoup d'activité et de nombreuses plaquettes de silicium remplies de puces étaient produites.

Tom Caulfield, vice-président directeur et directeur général de Fab 8, a souligné que GlobalFoundries avait investi beaucoup plus dans le nord de l'État de New York que son engagement initial. Lorsque l'usine a été planifiée pour la première fois, la société s'est engagée à investir 3, 2 milliards de dollars et un effectif direct de 1 200 personnes pour une masse salariale annuelle de 72 millions de dollars. Maintenant, a-t-il déclaré, la société a investi plus de 12 milliards de dollars, emploie environ 3 300 personnes et affiche une masse salariale annuelle de 345 millions de dollars. Et cela ne compte même pas les 500 à 700 autres personnes qui travaillent dans l’usine mais qui sont employées par d’autres entités, comme des techniciens qui travaillent pour des fournisseurs d’outils tels que ASML, Applied Materials ou LAM Research.

GlobalFoundries exploite également ce qu’il appelle maintenant les usines 9 à Burlington, dans le Vermont, et 10 à East Fishkill, dans l’État de New York, qui sont d’anciennes usines qu’elle a acquises à IBM. La société possède également d’importantes usines de fabrication à Dresde, en Allemagne, où elle travaille sur son procédé FDX silicium sur isolant; Chengdu, Chine; et à Singapour. Au total, la société affirme avoir plus de 250 clients.

Caulfield a déclaré que la fab est une source unique pour les processeurs AMD, les GPU Radeon et les puces de serveur Epyc d'AMD, mais qu'elle compte également des dizaines d'autres clients.

GlobalFoundries est l'une des quatre sociétés qui fabriquent des puces logiques de pointe. Les autres sont Intel, qui fabrique principalement des puces pour son propre usage; Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC), fonderie pionnière dans le domaine des puces, qui fabrique des puces pour de nombreux clients différents et constitue le principal concurrent de GlobalFoundries; et Samsung, qui fait un peu des deux.

À l'intérieur de l'usine

Lors de cette visite, plusieurs journalistes et moi-même avons visité les installations et appris comment les puces sont fabriquées. Plutôt que de commencer par la salle blanche où les copeaux sont réellement fabriqués, la visite a débuté dans la "sous-fabrique", la vaste zone située sous la salle blanche qui gère l'équipement nécessaire pour utiliser les outils nécessaires à la fabrication des copeaux. Cela comprend les systèmes électriques, mécaniques, hydrauliques et de traitement des produits chimiques.

John Painter, directeur principal des installations, qui a fait le tour de la région, a expliqué que l'ensemble du site comprend plus de 70 000 équipements, dont une grande partie prend en charge les outils de fabrication de puces plus petits dans la salle blanche. Presque tous ces outils doivent être refroidis et ils fonctionnent tous mieux à des températures prévisibles, dans certaines conditions d'humidité et de pression. Des efforts importants sont donc déployés pour contrôler l'environnement. Cela est rendu plus complexe parce que les outils sont constamment mis à jour, certains s'installant et d'autres sortant de l'installation. Painter a expliqué qu'en général, il fallait six fois plus d'espace pour l'équipement de support que pour la salle blanche.

Nous avons vu des zones qui traitent l’eau purifiée réfrigérée utilisée dans la fabrication et des boues chimiques pour le polissage des wafers, par exemple. L'usine dispose d'installations complexes de surveillance et de contrôle de ces systèmes (capables de mesurer des éléments par billion, afin de pouvoir détecter toute fuite dans le système), ainsi que d'un système sophistiqué de sécurité des personnes. La sous-usine a un plafond de 30 pieds et la zone de la phase 2 comprend une mezzanine pour permettre aux techniciens d'accéder plus facilement à tous les équipements. Cet étage contient de nombreuses zones séparées avec des équipements individuels (des zones de stockage d’eau et de produits chimiques aux systèmes de surveillance), avec des kilomètres de tuyauterie le reliant à la salle blanche située au-dessus. J'ai remarqué qu'une grande partie de la tuyauterie avait en fait été doublée, avec des capteurs dans les tuyaux pour détecter les fuites éventuelles.

Il existe également un certain nombre d'autres bâtiments sur le site, notamment un bâtiment de service central avec des chaudières et des refroidisseurs plus grands, des systèmes de traitement des déchets en vrac, etc.

Au total, l’usine utilise 80 mégawatts d’énergie, alimentés par deux lignes de 150 000 volts. Il est essentiel que l’alimentation soit continue, car toute variation pourrait perturber la fabrication et éventuellement endommager les plaquettes en cours de traitement. Par conséquent, l'installation dispose d'un système d'alimentation sans coupure de secours, de volants d'inertie et d'un générateur diesel.

J'étais particulièrement intéressé par la quantité d'espace requis par le nouvel équipement EUV (dont je parlerai plus tard). Même au sous-sol, cet équipement exige une grande surface, y compris sa propre salle blanche, où les outils produisent une source de lumière laser de haute intensité, qui se plie à travers le sol jusqu'à l'outil EUV dans la salle blanche. Le système EUV lui-même nécessitait de nouveaux systèmes de refroidissement et électriques, ainsi que de l'eau ultra-pure, ainsi que des réservoirs et des conduites spéciaux réduisant la contamination par les particules.

Pour faire entrer le système EUV dans le bâtiment, l'usine principale a d'abord été fermée. Une grue de 10 tonnes a été installée au plafond, puis un trou a été creusé dans le côté du bâtiment afin de déplacer le nouveau système massif à l'intérieur. Ce processus a été facilité en partie par un système de conception informatique en 3D qui utilisait des images numérisées qui capturaient l'emplacement d'équipement existant jusqu'au millimètre près.

Jusqu'à la salle blanche

(Image de GlobalFoundries)

Afin de visiter la salle blanche elle-même, nous avons dû nous vêtir de «costumes de lapin» (voir ma photo en haut de ce billet), conçus pour réduire le nombre de particules dans la zone et le risque qu'une telle particule perturbe la tranche En traitement.

Une chose que j’ai remarquée, c’est que s’il ya beaucoup de machines dans les salles blanches - plus de 1 400, selon GlobalFoundries -, il n’ya pas beaucoup de monde.

Christopher Belfi, un ingénieur principal pour les opérations de fabrication, qui nous a fait visiter les salles blanches, a expliqué que l'objectif est d'avoir zéro opérateur sur le sol. Les seules personnes que vous voyez sont en train de faire l'installation ou la maintenance des outils, a déclaré Belfi.

(Image de GlobalFoundries)

Au lieu que les techniciens déplacent les plaquettes d'un outil à un autre, les plaquettes sont acheminées entre les outils via des modules unifiés à ouverture frontale, ou FOUP comme ils les appellent, chacun contenant 25 plaquettes - et vous pouvez les voir passer dans la salle blanche. Au total, 550 véhicules circulent sur 14 milles de pistes et stockent des plaquettes entre les outils. Ceux-ci déplacent également les réticules (les masques de copeaux qui guident la lumière pour chaque couche de fabrication de copeaux) entre une installation de stockage centrale et les outils où ils seront utilisés. Cela ne réduit pas le nombre de personnes nécessaires, a déclaré Belfi, car les outils doivent encore être contrôlés, mais réduit le temps et les erreurs. Il a noté qu’à un moment donné, des dizaines de produits en étaient à différentes étapes de fabrication, pour plusieurs dizaines de clients, et que chaque produit avait son propre ensemble de réticules et son propre processus utilisant des outils différents. Belfi a appelé Fab 8 "l'usine de fabrication la plus automatisée au monde". Bien sûr, c'est aussi l'un des plus récents.

Certaines usines de fabrication ont une lumière jaune, car à un moment de l’histoire du processus de fabrication, il était important de s’assurer que la plaquette n’était pas exposée à une lumière normale. Cependant, de nos jours, les plaquettes ne sont pas du tout exposées à la lumière, elles sont donc moins nécessaires.

La fabrication d’une plaquette comporte de nombreuses étapes et chacune a sa propre zone de la salle blanche: implant (ajout d’ions au silicium), planarisation chimico-chimique ou CMP (polissage de la plaquette), diffusion, dépôt de film mince, lithographie, etc. graver. Les outils de métrologie utilisés pour mesurer les caractéristiques des puces à chaque étape du processus sont répartis dans l’usine.

Nous avons tendance à parler le plus souvent de la lithographie (qui consiste à utiliser la lumière pour exposer un motif sur la tranche), cette étape étant devenue l'étape la plus compliquée de ces dernières années. La technique actuelle, qui consiste à utiliser une lumière de 193 nm dans un liquide (connue sous le nom de lithographie par immersion), n’est plus assez fine pour créer les plus petits éléments d’une puce en une seule passe. Par conséquent, pour des nœuds tels que 14 nm et 7 nm, des expositions multiples (parfois double pattern ou même quad pattern) sont nécessaires. L’ultraviolet extrême ou l’UEV constituent une alternative plus complexe, mais c’est peut-être nécessaire si nous voulons continuer à utiliser des fonctionnalités plus petites sur les puces. GlobalFoundries est en train d’installer deux de ces machines EUV, avec suffisamment d’espace pour deux. (J'aurai plus de détails dans le prochain post.) Comme ce n'est pas prêt, toutes les puces fabriquées chez GlobalFoundries (et toutes les puces commerciales que je connais fabriquées n'importe où) sont produites avec une lithographie par immersion. Mais toutes les étapes sont cruciales, et toute erreur dans une étape rendra probablement les puces sur la plaquette inutiles.

Au total, une puce de courant peut comporter jusqu'à 80 couches et encore plus d'étapes lors du passage des plaquettes entre les différentes étapes du processus, en particulier lorsqu'elles vont et viennent entre la lithographie et la gravure lors de chaque étape de multi-modélisation (cela peut prendre des mois). produire une puce haut de gamme typique). C'est un processus fascinant et je suis heureux de l'avoir vu de mes propres yeux.

Dans mon prochain article, je me concentrerai davantage sur l'équipement EUV récemment installé à l'usine, ainsi que sur les projets de GlobalFoundries concernant les prochaines étapes du processus de fabrication de puces.

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