チップの作り方：グローバルファウンドリーを訪れる

私たちが当たり前のデバイスを作るのに本当に必要なものについて学ぶことに常に魅了されており、私が知っているプロセスは、電話、PC、およびサーバーに電力を供給するプロセッサを作るほど複雑、複雑、または重要ではありません日常生活を営んでいます。 そこで、ニューヨークのマルタにあるGlobalFoundriesの最先端工場を訪れて、過去数年間でチップ製造施設（またはfab）がどのように進化してきたかを見る機会に飛びつきました。

これは驚くべきプロセスです。このファブには、チップを作成するための1, 400を超える高度なツールがすべて接続されており、チップを含む一般的なウェーハの作成には最大6か月かかります。 このプロセスがますます複雑になり、私たち全員が使用するチップを製造するために必要な並外れた精度に非常に感銘を受けました。

工場を訪問したことがあります。これは、Fab 8として知られていますが、建設中、および最初の製品である32nmまたは28nmプロセスノード向けに設計されたプロセッサの製造を始めたばかりです。

この工場は興味深い場所にあります。アルバニーの北へ約30分のマルタのルーサーフォレストテクノロジーキャンパスです。 ニューヨーク州は長年にわたり、SUNYポリテクニックインスティテュートオブナノスケールサイエンスアンドエンジニアリング（CNSE）および世界で最も先進的なチップの1つであるアルバニーナノテクコンプレックスへの支援を含む努力により、この地域により多くの技術をもたらすことを推し進めてきましたGlobalFoundries、Samsung、IBM、多くの研究大学、およびチップ製造ツールのすべての主要メーカーの代表者を含む研究施設。 AMDは複合施設に工場を建設するためにサインオンしていました。 2009年にAMDがチップ製造事業を分割してGlobalFoundries（現在はアブダビのMubadala Investment Companyの完全所有）になったとき、新しい会社は工場を建設しました。

ほぼ6年前の最後の訪問で、実際の製造用に210, 000平方フィートのクリーンルームを含む第1フェーズが稼働し、早期生産を行っていましたが、フェーズ2は追加の90, 000平方フィートで、建設中でした。 。 現場には1, 300人がいましたが、当時は比較的少数の製品しか製造されていませんでした。

（GlobalFoundriesからの画像）

現在、これらの最初の2つのフェーズは、単一の300, 000平方フィートのクリーンルーム（幅300フィート、長さ1000フィート）であり、追加の160, 000平方フィートのフェーズ3も完全に稼働しています。 私はたくさんの活動を見ました、そして、生産されているチップで満たされた多くのシリコンウェーハ。

ファブ8のSVP兼ゼネラルマネージャーであるトムコールフィールドは、GlobalFoundriesが当初のコミットメントよりもニューヨーク州北部に多くの投資をしていたことを強調しました。 ファブが最初に計画されたとき、同社は32億ドルの投資と、7, 200万ドルの年間給与に対して1, 200人の直接従業員を約束しました。 彼によると、同社は実際に120億ドル以上を投資しており、従業員数は約3, 300人、年間給与は3億4500万ドルです。 そして、それは、ファブで働いているが、ASML、アプライドマテリアルズ、またはLAM Researchなどのツールベンダーで働く技術者など、他のエンティティに雇用されている500〜700人の個人を数えていません。

GlobalFoundriesは、現在バーモント州バーリントンのFab 9、ニューヨークのイーストフィッシュキルのFab 10と呼ばれるIBMから取得した古い工場も運営しています。 同社はまた、ドイツのドレスデンに主要なファブを保有しており、FDXシリコンオンインシュレータープロセスに取り組んでいます。 中国成都; そしてシンガポール。 全体として、同社は250を超える顧客がいると述べています。

Caulfield氏によると、このファブはAMDのRyzenプロセッサー、Radeon GPU、Epycサーバーチップの単一ソースですが、他にも多数の顧客がいます。

GlobalFoundriesは、最先端のロジックチップを製造する4つの企業の1つです。 その他はIntelで、主にチップを独自の用途に使用しています。 台湾の半導体製造会社（TSMC）は先駆的なチップ製造会社であり、多くの異なる顧客向けにチップを製造しており、GlobalFoundriesの主要な競争相手です。 とサムスン、両方の少しを行います。

工場内

この訪問で、私と他の数人のジャーナリストは施設の見学を受け、チップの製造方法について聞きました。 チップが実際に製造されるクリーンルームから始めるのではなく、ツアーは、チップを製造するツールを実行するために必要な機器を扱うクリーンルームの下の広大なエリアである「サブファブ」で始まりました。 これには、電気、機械、水、および化学処理システムが含まれます。

このエリアのツアーを行った施設のシニアディレクターであるジョンペインターは、サイト全体に70, 000を超える機器が含まれており、その多くがクリーンルーム内の小さなチップ製造ツールをサポートしていると説明しました。 これらのツールのほとんどすべてを冷却する必要があり、それらはすべて、特定の湿度および圧力条件下で予測可能な温度でより良く機能するため、環境を制御するために多大な努力が費やされます。 これは、ツールが絶えず更新され、施設から出入りするものもあるため、より複雑になります。 ペインターは、一般に、クリーンルームの場合の6倍のスペースがサポート機器に必要であると説明しました。

製造に使用される冷却された精製水を処理する領域、およびウェーハの研磨などの化学スラリーが見られました。 ファブには、これらのシステムを監視および制御する複雑な設備があり、1兆分の1で部品を測定できるため、システムの漏れを検出できます。また、高度な生命安全システムも備えています。 サブファブには30フィートの天井があり、フェーズ2エリアには、技術者がすべての機器に到達しやすくするためのメザニンが含まれています。 このフロアには、個々の機器（水や化学薬品の保管エリアから監視システムまで）を含む多くの個別のエリアがあり、何マイルもの配管が上のクリーンルームに接続しています。 配管の多くは実際には2倍になっており、配管内に漏れがあるかどうかを検出するためのセンサーがあります。

敷地内には、大型のボイラーとチラー、バルク廃棄物システムなどを備えた中央ユーティリティビルなど、他の多くのビルもあります。

全体として、工場は80メガワットの電力を使用しており、この電力は2つの150, 000ボルトのラインで供給されます。 変動があると製造が中断され、処理中のウェーハが損傷する可能性があるため、電力が連続していることが重要です。 したがって、施設にはバックアップUPSシステム、フライホイール、ディーゼル発電機があります。

新しいEUV機器に必要なスペースの量に特に興味がありました（これについては後で説明します）。 床下でも、この機器は、ツールが高輝度レーザー光源を生成する独自のミニチュアクリーンルームを含む広大な領域を必要とし、床からクリーンルーム内のEUVツールに曲がります。 EUVシステム自体は、超純水、粒子汚染を減らす特別なタンクおよび配管に加えて、新しい冷却および電気システムを必要としました。

EUVシステムを建物に組み込むために、メインファブが最初に密閉されました。 天井に10トンのクレーンが設置され、その後、大規模な新しいシステムを内部に移動するために建物の側面に穴が開けられました。 このプロセスの一部は、既存の機器の配置をミリメートルレベルまでキャプチャしたスキャン画像を使用した3Dコンピュータ設計システムによって支援されました。

クリーンルームまで

（GlobalFoundriesからの画像）

クリーンルーム自体を訪問するために、「バニースーツ」を着せなければなりませんでした（この投稿の上部にある私の写真をご覧ください）。これは、エリア内のパーティクルの数とそのようなパーティクルがウェーハを破壊するリスクを減らすように設計されています処理。

私が気づいたことの1つは、クリーンルームの床には多くのマシンがありますが（GlobalFoundriesによれば1, 400台以上）、それほど多くの人はいないということです。

製造作業の主任エンジニアであるクリストファー・ベルフィ氏は、クリーンルームのツアーを提供してくれたが、目標は床にオペレーターをゼロにすることだと説明した。 あなたが目にする唯一の人は、ツールのインストールまたはメンテナンスを行うことです、とBelfiは言いました。

（GlobalFoundriesからの画像）

技術者がウェーハをあるツールから別のツールに移動する代わりに、ウェーハはフロントオープニングユニファイドポッド、またはそれぞれが25個のウェーハを保持するFOUPを介してツール間でルーティングされます。 合計14マイルのトラックに550台の車両があり、ツール間でウェーハを移動および保管しています。 また、これらはレチクル（チップ製造の各層の光を導くチップマスク）を中央保管施設からそれらが使用されるツールに移動します。 ツールを制御する必要があるため、これにより必要な人数は減りませんが、時間とエラーは減ります。 彼はいつでも、数十の顧客のために数十の製品がさまざまな製造段階にあり、各製品には独自のレチクルのセットと、さまざまなツールを使用する独自の特定のプロセスがあると指摘しました。 Belfiは、Fab 8を「世界で最も自動化されたファブ」と呼びました。 もちろん、それは最新のものでもあります。

製造プロセスの歴史のある時点で、ウェーハが通常の光にさらされていないことを確認することが重要だったため、一部の工場には黄色の光があります。 ただし、最近ではウェーハは外光にまったくさらされていないため、それほど必要ではありません。

ウェーハの作成には多くのステップがあり、それぞれにクリーンルームの領域があります：注入（シリコンへのイオンの追加）、化学機械平坦化またはCMP（ウェーハの研磨）、拡散、薄膜堆積、リソグラフィー、エッチング。 途中の各ステップでチップの特徴を測定するために使用される計測ツールは、工場全体に配置されています。

ここ数年で最も複雑なステップになったので、リソグラフィについて最もよく話します（これは、光を使用してウェーハ上のパターンを露光することを意味します）。 液中の193nm光の使用を含む現在の技術（液浸リソグラフィーとして知られている）は、シングルパスでチップ内の最小要素を作成するほど細かくはないため、14nmや7nmなどのノードでは、複数の露光（時々ダブルパターニングまたはクワッドパターニングとも呼ばれます）が必要です。 極端紫外線またはEUVはより複雑な代替手段ですが、チップ上でより小さな機能を引き続き使用する場合に必要になる可能性があり、GlobalFoundriesはこれら2台のEUVマシンをさらに2台のスペースでインストールするプロセスにあります。 （詳細は次の投稿で説明します。）準備ができていないため、現時点ではGlobalFoundriesで製造されたすべてのチップ（実際、どこでも製造されていることを知っているすべての商用チップ）は液浸リソグラフィで製造されています。 しかし、すべてのステップが重要であり、いずれかのステップでエラーが発生すると、ウェーハ上のチップが役に立たなくなる可能性があります。

合計すると、現在のチップには最大80層、さらにプロセスのさまざまなステップ間、特に各マルチパターニングステップでリソグラフィとエッチングの間を行き来する際に、さらに多くのステップが含まれます（数か月かかる場合があります）典型的なハイエンドチップを生産するため）。 それは魅力的なプロセスであり、直接目にすることができてうれしいです。

次回の投稿では、工場に最近設置されたEUV機器と、チップ製造プロセスの将来のステップに関するGlobalFoundriesの計画に焦点を当てます。

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