كيف يتم صنع رقاقة: زيارة جلوبل

إنني مفتون دائمًا بالتعرف على ما يتطلبه الأمر حقًا لجعل الأجهزة التي نأخذها على أنها من المسلمات ، وليس هناك أي عملية أعرفها معقدة أو معقدة أو مهمة مثل جعل المعالجات التي تشغل الهواتف وأجهزة الكمبيوتر والخوادم التي تدير حياتنا اليومية. لذلك قفزت إلى فرصة زيارة المصنع الرائد لشركة GlobalFoundries في مالطا ، نيويورك ، لمعرفة كيف تطورت منشأة تصنيع الرقاقات (أو القوات المسلحة البوروندية) خلال السنوات القليلة الماضية.

إنها عملية مذهلة - حيث تضم القوات المسلحة البوروندية أكثر من 1400 أداة متطورة لصنع الرقائق ، وكلها متصلة معًا ، ويمكن أن يستغرق الرقاقة النموذجية التي تحتوي على الرقائق ستة أشهر. لقد تأثرت بشدة بالتعقيد المتزايد لهذه العملية ، والدقة الاستثنائية المطلوبة من أجل صنع الرقائق التي نستخدمها جميعًا.

لقد زرت المصنع - والمعروف باسم Fab 8 - من قبل ، عندما كان قيد الإنشاء ، وعندما بدأت للتو في إنتاج أول منتجاتها: معالجات مصممة لعقد عملية 32nm أو 28nm.

يقع المصنع في موقع مثير للاهتمام: الحرم الجامعي لوثر فوريست تكنولوجي في مالطا ، على بعد حوالي نصف ساعة إلى الشمال من ألباني. على مدار سنوات ، تسعى ولاية نيويورك إلى جلب المزيد من التكنولوجيا إلى المنطقة ، مع بذل الجهود بما في ذلك دعم معهد SUNY Polytechnic Institute لكليات العلوم والهندسة النانوية (CNSE) ومجمع Albany Nanotech ، أحد أكثر شرائح العالم تقدماً مرافق البحث ، والتي تضم ممثلين عن GlobalFoundries و Samsung و IBM والعديد من جامعات الأبحاث وجميع الشركات الرائدة في تصنيع أدوات تصنيع الرقاقات. وقعت AMD لبناء مصنع في المجمع ؛ عندما قامت AMD بتقسيم عمليات صناعة الرقاقات لتصبح GlobalFoundries في عام 2009 (مملوكة بالكامل الآن لشركة مبادلة للاستثمار في أبوظبي) ، قامت الشركة الجديدة ببناء المصنع.

في زيارتي الأخيرة منذ ما يقرب من ست سنوات ، كانت المرحلة الأولى - التي شملت مساحة تنظيف تبلغ مساحتها 210،000 قدم مربع للتصنيع الفعلي - جاهزة للتشغيل والانتاج المبكر ، في حين أن المرحلة الثانية ، التي تبلغ مساحتها 90،000 قدم مربع إضافية ، كانت قيد الإنشاء. كان هناك 1300 شخص في الموقع ، ولكن تم تصنيع عدد قليل نسبيًا من المنتجات في ذلك الوقت.

(صورة من GlobalFoundries)

اليوم ، هاتان المرحلتان الأوليان هما غرفة واحدة تبلغ مساحتها 300000 قدم مربع (يبلغ عرضها 300 قدم وعرضها 1000 قدم) ، كما أن المرحلة الثالثة البالغة 160.000 قدم مربع تعمل بكامل طاقتها. لقد رأيت الكثير من النشاط ، والعديد من رقائق السيليكون المليئة بالرقائق التي يتم إنتاجها.

أكد توم كولفيلد ، مدير SVP والمدير العام لـ Fab 8 ، أن GlobalFoundries استثمرت الكثير في ولاية نيويورك أكثر من التزامها الأصلي. عندما تم التخطيط للقوات المسلحة البوروندية لأول مرة ، التزمت الشركة باستثمار قدره 3.2 مليار دولار ، ومبلغ مباشر يبلغ 1200 شخص مقابل رواتب سنوية قدرها 72 مليون دولار. الآن ، كما قال ، استثمرت الشركة بالفعل أكثر من 12 مليار دولار ، ولديها حوالي 3300 موظف وجدول الرواتب السنوي 345 مليون دولار. وأشار إلى أن هذا لا يحسب حتى 500 إلى 700 شخص آخر يعملون في القوات المسلحة البوروندية ولكنهم يعملون لدى كيانات أخرى ، مثل الفنيين الذين يعملون لدى بائعي الأدوات مثل ASML أو Applied Materials أو LAM Research.

تعمل GlobalFoundries أيضًا على ما تسميه الآن Fab 9 في Burlington و Vermont و Fab 10 في East Fishkill ، نيويورك ، وهي المصانع الأقدم التي حصلت عليها من IBM. وتمتلك الشركة أيضًا قطعًا رئيسية في دريسدن بألمانيا ، حيث تعمل على عملية FDX للسيليكون على عازل ؛ تشنغدو ، الصين ؛ وفي سنغافورة. بشكل عام ، تقول الشركة إن لديها أكثر من 250 عميل.

وقال كولفيلد إن القوات المسلحة البوروندية هي مصدر وحيد لمعالجات أيه إم دي Ry Ryin ، ووحدات معالجة الرسومات Radeon ، وخوادم Epyc ، ولكن لديها أيضًا عشرات العملاء الآخرين.

GlobalFoundries هي واحدة من أربع شركات تصنع رقائق المنطق الرائدة. أما الشركات الأخرى فهي Intel ، التي تصنع الرقائق بشكل أساسي للاستخدام الخاص ؛ شركة Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp (TSMC) ، مسبك الرقائق الرائد ، والذي يصنع الرقائق للعديد من العملاء المختلفين ، وهي المنافسة الرئيسية لشركة GlobalFoundries ؛ وسامسونغ ، الذي يفعل القليل من كليهما.

داخل المصنع

في هذه الزيارة ، تلقيت أنا وعدة صحفيين آخرين جولة في المنشأة وتم التعرف على كيفية تصنيع الرقائق. بدلاً من البدء بغرف التنظيف حيث يتم تصنيع الرقائق بالفعل ، بدأت الجولة في "المساحة الفرعية" ، وهي المساحة الشاسعة أسفل غرفة التنظيف التي تتعامل مع المعدات اللازمة لتشغيل الأدوات التي تصنع الرقائق. يشمل ذلك أنظمة المناولة الكهربائية والميكانيكية والمياه.

أوضح جون بينتر ، مدير أول المرافق ، الذي قام بجولة في هذه المنطقة ، أن الموقع بأكمله يضم أكثر من 70،000 قطعة من المعدات ، يدعم الكثير منها أدوات تصنيع الرقاقات الأصغر داخل غرفة التنظيف. يجب تبريد جميع هذه الأدوات تقريبًا ، وتعمل جميعها بشكل أفضل في درجات حرارة يمكن التنبؤ بها ، في ظل ظروف رطوبة وضغط معينة ، لذا يتم بذل جهد كبير للتحكم في البيئة. لقد أصبح هذا الأمر أكثر تعقيدًا نظرًا لأن الأدوات يتم تحديثها باستمرار ، مع نقل بعضها إلى الداخل والخروج منها. أوضح الرسام أنه بشكل عام يستغرق مساحة دعم معدات ستة أضعاف مساحة غرف التنظيف.

لقد رأينا مناطق تعالج المياه النقية المثلجة المستخدمة في التصنيع ، والطينات الكيماوية لأشياء مثل تلميع الرقاقات. تمتلك القوات المسلحة البوروندية منشآت معقدة تراقب هذه الأنظمة وتتحكم فيها - وهي قادرة على قياس الأشياء في أجزاء لكل تريليون ، حتى يتمكنوا من اكتشاف أي تسرب في النظام - بالإضافة إلى نظام أمان متطور للحياة. يحتوي السقف الفرعي على 30 قدمًا ، وتشمل منطقة المرحلة الثانية ميزانين لتسهيل وصول الفنيين إلى جميع المعدات. يحتوي هذا الطابق على العديد من المناطق المنفصلة التي تحتوي على قطع فردية من المعدات (من مناطق تخزين المياه والمواد الكيميائية إلى أنظمة المراقبة) ، مع توصيل أنابيب من الأميال بغرف التنظيف أعلاه. لاحظت أن الكثير من الأنابيب تضاعف بالفعل ، مع وجود أجهزة استشعار داخل الأنابيب لاكتشاف ما إذا كان هناك تسرب.

يوجد أيضًا عدد من المباني الأخرى في الموقع ، بما في ذلك مبنى مرافق مركزي به غلايات ومبردات أكبر ، وأنظمة النفايات السائبة ، وما إلى ذلك.

ككل ، يستخدم المصنع 80 ميغاواط من الطاقة ، والتي يتم توفيرها من خلال خطين مزدوجين قدره 150،000 فولت. من الأهمية بمكان أن تكون الطاقة مستمرة ، لأن أي اختلاف يمكن أن يعطل التصنيع وربما يتلف الرقاقات التي تتم معالجتها. لذلك ، لدى المنشأة نظام UPS احتياطي وحذافات ومولد ديزل.

لقد كنت مهتمًا بشكل خاص بمساحة المساحة التي تتطلبها معدات EUV الجديدة (والتي سأناقشها لاحقًا). حتى في الطابق الفرعي ، يتطلب هذا الجهاز مساحة هائلة ، بما في ذلك غرفه المصغرة الخاصة به ، حيث تنتج الأدوات مصدر ضوء ليزر عالي الكثافة ، ينحني عبر الأرضية إلى أداة EUV في غرفة التنظيف. استلزم نظام EUV نفسه أنظمة تبريد وكهرباء جديدة ، إلى جانب مياه فائقة النقاء ، وخزانات وأنابيب خاصة تقلل من تلوث الجسيمات.

لإدخال نظام EUV إلى المبنى ، تم إغلاق القوات المسلحة البوروندية الرئيسية أولاً. تم تثبيت رافعة 10 أطنان في السقف ، ثم تم قطع فتحة في جانب المبنى من أجل تحريك النظام الجديد الهائل في الداخل. تم دعم هذه العملية جزئيًا بواسطة نظام تصميم كمبيوتر ثلاثي الأبعاد استخدم صورًا ممسوحة ضوئيًا استولت على وضع المعدات الموجودة وصولًا إلى مستوى الملليمتر.

حتى غرف الأبحاث

(صورة من GlobalFoundries)

من أجل زيارة غرف الأبحاث نفسها ، كان علينا ارتداء "بدلات الأرنب" (انظر صورتي في الجزء العلوي من هذا المنشور) ، والمصممة لتقليل عدد الجسيمات في المنطقة وخطر أن مثل هذه الجسيمات يمكن أن تعطل الرقاقة معالجة.

أحد الأشياء التي لاحظتها هو أنه بينما يوجد الكثير من الآلات على أرضية غرف الأبحاث - أكثر من 1400 جهاز ، وفقًا لجلوبل فاندرز - ليس هناك الكثير من الأشخاص.

أوضح كريستوفر بلفي ، المهندس الرئيسي لعمليات التصنيع ، الذي قدم لنا جولة في غرف الأبحاث ، أن الهدف من ذلك هو عدم وجود مشغلين على الأرض. وقال بيلفي إن الأشخاص الوحيدين الذين تراهم هم إما يقومون بالتركيب أو الصيانة على الأدوات.

(صورة من GlobalFoundries)

بدلاً من الفنيين الذين يقومون بنقل الويفر من أداة إلى أخرى ، يتم توجيه الويفر بين الأدوات عبر السنفات الموحدة ذات الفتحات الأمامية ، أو FOUP كما يسمونها ، كل منها يحمل 25 رقاقة - ويمكنك أن ترى هذه تتحرك بشكل علني في جميع أنحاء غرفة التنظيف. في المجموع ، هناك 550 مركبة على مسافة 14 ميلًا تعمل على نقل وتخزين الرقاقات بين الأدوات. هذه أيضًا تنقل إعادة المقالات (أقنعة الرقائق التي توجه الضوء لكل طبقة من شرائح الرقائق) بين منشأة تخزين مركزية إلى الأدوات التي سيتم استخدامها فيها. وقال بلفي إن هذا لا يقلل من عدد الأشخاص المطلوبين ، لأن الأدوات لا تزال بحاجة إلى السيطرة عليها ، ولكنها تقلل الوقت والخطأ. وأشار إلى أنه في أي وقت من الأوقات ، توجد العشرات من المنتجات في مراحل مختلفة من التصنيع ، لعدة عشرات من العملاء ، ولكل منتج مجموعة خاصة به من عمليات إعادة النشر وعملية محددة خاصة به تستخدم أدوات مختلفة. دعا بيلفي فاب 8 "القوات المسلحة البوروندية الأكثر الآلي في العالم." بالطبع ، هي أيضًا واحدة من الأحدث.

تحتوي بعض القوات المسلحة البوروندية على ضوء أصفر ، حيث كان من المهم في مرحلة ما من تاريخ عملية التصنيع التأكد من عدم تعرض الرقاقة للضوء الطبيعي. ومع ذلك ، في هذه الأيام لا تتعرض الرقاقات للضوء الخارجي على الإطلاق ، لذلك فهي أقل ضرورة.

هناك العديد من الخطوات المتضمنة في صنع رقاقة ، ولكل منها مساحة خاصة بها من غرفة التنظيف: الزرع (إضافة أيونات إلى السيليكون) ، أو الاستواء الميكانيكي الكيميائي أو CMP (تلميع الرقاقة) ، والانتشار ، وترسيب الأغشية الرقيقة ، والطباعة الحجرية ، و حفر. أدوات القياس المستخدمة لقياس ميزات الرقاقة في كل خطوة على طول الطريق موجودة في جميع أنحاء القوات المسلحة البوروندية.

نحن نميل إلى الحديث عن الطباعة الحجرية (والتي تشير إلى استخدام الضوء لفضح نمط على الرقاقة) ، حيث أصبح هذا هو الخطوة الأكثر تعقيدًا في السنوات القليلة الماضية. لم تعد التقنية الحالية ، التي تتضمن استخدام ضوء 193nm في سائل (المعروف باسم الطباعة الحجرية الغاطسة) ، جيدة بما يكفي لإنشاء أصغر العناصر في شريحة في مسار واحد ، لذلك بالنسبة للعقد مثل 14nm و 7 nm ، تعرضات متعددة (أحيانًا تسمى النقش المزدوج أو حتى الزخرفة الرباعية). يعد المتطرف فوق البنفسجي أو EUV بديلاً أكثر تعقيدًا ، ولكنه قد يكون ضروريًا إذا أردنا الاستمرار في الحصول على ميزات أصغر على الرقائق ، وتقوم جلوبال فاوندريز بعملية تثبيت اثنين من هذه الآلات من نوع EUV ، مع مساحة لاثنين آخرين. (سيكون لدي المزيد من التفاصيل في المنشور التالي.) نظرًا لأن ذلك غير جاهز ، يتم إنتاج جميع الرقائق المصنوعة في GlobalFoundries (وفي الواقع ، جميع الرقائق التجارية التي أعلم أنها مصنوعة في أي مكان) باستخدام الطباعة الحجرية. لكن كل الخطوات مهمة ، وأي خطأ في أي خطوة من شأنه أن يجعل الرقائق على الرقاقة عديمة الفائدة.

إجمالاً ، يمكن أن تتضمن الشريحة الحالية ما يصل إلى 80 طبقة ، وحتى خطوات أخرى مع مرور الرقائق بين الخطوات المختلفة للعملية ، لا سيما لأنها تتحول جيئة وذهابا بين الطباعة الحجرية والحفر في كل خطوة متعددة الأنماط (قد يستغرق الأمر عدة أشهر لإنتاج رقاقة الراقية نموذجي). إنها عملية رائعة وأنا سعيد لأنني رأيتها مباشرة.

في مشاركتي التالية ، سأركز أكثر على معدات EUV التي تم تثبيتها مؤخرًا في المصنع ، وكذلك على خطط GlobalFoundries للخطوات المستقبلية في عملية صنع الرقاقات.

هل لديك فضول بشأن سرعة الإنترنت عريض النطاق؟ اختبرها الآن!