칩을 만드는 방법 : 세계 파운드리 방문

필자는 우리가 당연한 것으로 생각하는 장치를 만드는 데 실제로 필요한 것이 무엇인지, 그리고 전화, PC 및 서버에 전력을 공급하는 프로세서를 만드는 것만 큼 복잡하거나 복잡하거나 중요하지 않은 프로세스에 대해 배우는 것에 항상 매료되어 있습니다. 우리의 일상을 운영합니다. 그래서 저는 뉴욕 몰타에있는 GlobalFoundries의 최첨단 공장을 방문하여 지난 몇 년 동안 칩 제조 시설 (또는 팹)이 어떻게 발전했는지 살펴 보았습니다.

놀라운 공정입니다.이 팹에는 칩을 만들고 서로 연결하고 칩이 포함 된 일반적인 웨이퍼를 만드는 데 최대 6 개월이 소요될 수있는 1, 400 개 이상의 고급 도구가 포함되어 있습니다. 저는이 프로세스의 복잡성 증가와 우리 모두가 사용하는 칩을 만드는 데 필요한 탁월한 정밀도에 깊은 인상을 받았습니다.

Fab 8로 알려진 공장을 방문하기 전에, 공장이 건설 중이거나 첫 제품을 생산하기 시작했을 때인 32nm 또는 28nm 공정 노드를 위해 설계된 프로세서를 방문했습니다.

이 공장은 흥미로운 위치에 있습니다. 알바니에서 북쪽으로 약 30 분 거리에있는 몰타의 루터 포레스트 테크놀로지 캠퍼스. 수년 동안 뉴욕주는 SUNY Polytechnic Institute의 나노 규모 과학 및 공학 대학 (CNSE)과 세계에서 가장 진보 된 칩 중 하나 인 Albany Nanotech Complex에 대한 지원을 포함하여이 지역에 더 많은 기술을 도입하기 위해 노력해 왔습니다. GlobalFoundries, Samsung, IBM, 많은 연구 대학 및 모든 주요 칩 제작 도구 제조업체의 대표를 포함하는 연구 시설. AMD는 단지에 공장을 짓기 위해 서명했다. AMD가 2009 년 칩 제조 사업을 분리하여 글로벌 파운드리 (현재 아부 다비의 Mubadala Investment Company 소유)가되면서 공장을 설립했습니다.

거의 6 년 전 마지막 방문에서 실제 제조를위한 210, 000 평방 피트의 클린 룸을 포함하는 첫 번째 단계가 시작되어 초기 생산 단계에 있었고 추가로 90, 000 평방 피트의 2 단계가 건설 중이었습니다.. 현장에는 1, 300 명의 직원이 있었지만 그 당시에는 상대적으로 적은 제품이 생산되었습니다.

(글로벌 파운드리의 이미지)

오늘날, 처음 두 단계는 단일 300, 000 평방 피트 클린 룸 (길이 300 피트 x 1000 피트)이며 추가 160, 000 평방 피트 3 단계도 완전히 작동합니다. 나는 많은 활동과 칩으로 채워진 많은 실리콘 웨이퍼를 보았습니다.

Fab 8의 SVP 및 총괄 책임자 인 Tom Caulfield는 GlobalFoundries가 원래의 약속보다 뉴욕 북부 지역에 훨씬 더 많은 투자를했다고 강조했습니다. 이 팹이 처음 계획되었을 때, 회사는 32 억 달러의 투자와 1, 200 명의 직접 직원 수로 연간 2, 700 만 달러를 지불했습니다. 그는이 회사가 실제로 120 억 달러 이상을 투자했으며 약 3, 300 명의 직원과 3 억 3 천 5 백만 달러의 연간 급여를 받았다고 말했다. 그는 팹에서 일하는 500 ~ 700 명의 다른 개인도 포함하지 않지만 ASML, Applied Materials 또는 LAM Research와 같은 툴 벤더에서 일하는 기술자와 같이 다른 단체에서 고용 한 다른 직원도 포함하지 않습니다.

GlobalFoundries는 또한 현재 버몬트 버 링턴에있는 Fab 9와 뉴욕 이스트 피쉬 킬 (East Fishkill)에있는 Fab 10이라고하는 것을 IBM에서 인수 한 오래된 공장으로 운영하고 있습니다. 이 회사는 또한 독일 드레스덴에 FDX 실리콘 온 인슐레이터 공정을 진행하는 주요 팹을 보유하고 있습니다. 중국 청두; 싱가포르에서. 전체적으로이 회사는 250 명 이상의 고객이 있다고 말합니다.

Caulfield는이 팹은 AMD의 Ryzen 프로세서, Radeon GPU 및 Epyc 서버 칩의 단일 소스이지만 수십 명의 다른 고객들도 있다고 말했다.

GlobalFoundries는 최첨단 로직 칩을 만드는 4 개의 회사 중 하나입니다. 다른 하나는 인텔이 주로 사용하는 칩입니다. 선구적인 칩 파운드리 인 TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Corp)는 다양한 고객을 위해 칩을 제조하고 GlobalFoundries의 주요 경쟁사입니다. 삼성도 마찬가지입니다.

공장 내부

이번 방문에서 나와 다른 여러 언론인들이 시설을 둘러보고 칩이 어떻게 만들어 졌는지 들었습니다. 실제로 칩이 제조되는 클린 룸부터 시작하지 않고 칩을 만드는 도구를 실행하는 데 필요한 장비를 처리하는 클린 룸 아래의 넓은 영역 인 "서브-팹"에서 둘러보기가 시작되었습니다. 여기에는 전기, 기계, 물 및 화학 처리 시스템이 포함됩니다.

이 지역을 둘러 본 시설 담당 수석 책임자 인 John Painter는 전체 현장에 70, 000 개가 넘는 장비가 포함되어 있으며 그 중 상당수가 클린 룸 내에서 작은 칩 제작 도구를 지원한다고 설명했습니다. 이러한 도구는 거의 모두 냉각해야하며 특정 습도 및 압력 조건에서 예측 가능한 온도에서 더 잘 작동하므로 환경을 제어하는 ​​데 상당한 노력이 필요합니다. 도구가 지속적으로 새로 고쳐지고 일부는 시설 밖으로 이동하기 때문에 더 복잡해집니다. 페인터는 일반적으로 클린 룸에 비해지지 장비에 6 배의 공간이 필요하다고 설명했다.

우리는 제조에 사용 된 냉각수와 웨이퍼 연마와 같은 화학 슬러리를 처리하는 영역을 보았습니다. 이 팹에는이 시스템을 모니터링하고 제어하는 ​​복잡한 시설이 있습니다.이 시스템은 1 조분의 1의 부품을 측정 할 수있어 시스템의 누출을 감지 할 수있을뿐만 아니라 정교한 생명 안전 시스템을 찾을 수 있습니다. 서브 팹에는 천장이 30 피트이며 2 단계에는 메 자닌이 포함되어있어 기술자가 모든 장비에 쉽게 접근 할 수 있습니다. 이 층에는 개별 장비 (물 및 화학 물질 저장 영역에서 모니터링 시스템에 이르기까지)가있는 여러 개의 개별 영역이 있으며, 수 마일의 배관이 위의 클린 룸에 연결됩니다. 나는 파이프의 센서가 누출 여부를 감지하기 위해 실제로 파이프의 두 배가 두 배가되었다고 언급했다.

더 큰 보일러 및 냉각 장치가있는 중앙 유틸리티 건물, 벌크 폐기물 시스템 등을 포함하여 여러 다른 건물이 현장에 있습니다.

전체적으로 공장은 80 메가 와트의 전력을 사용하며 이중 150, 000 볼트 라인으로 공급됩니다. 변형이 제조를 방해하고 처리중인 웨이퍼를 손상시킬 수 있으므로 전력이 지속적으로 유지되어야합니다. 따라서이 시설에는 백업 UPS 시스템, 플라이휠 및 디젤 발전기가 있습니다.

특히 새로운 EUV 장비에 필요한 공간에 관심이있었습니다 (나중에 설명하겠습니다). 서브 플로어에서도이 장비는 자체 소형 클린 룸을 포함하여 대규모 레이저 영역을 필요로하며, 툴은 고강도 레이저 광원을 생성합니다.이 레이저 광원은 바닥을 통해 클린 룸의 EUV 툴로 구부러집니다. EUV 시스템 자체에는 초순수, 입자 오염을 줄이는 특수 탱크 및 배관과 함께 새로운 냉각 및 전기 시스템이 필요했습니다.

EUV 시스템을 건물에 도입하기 위해 주요 팹이 먼저 봉쇄되었습니다. 천장에 10 톤 크레인을 설치 한 다음 건물 측면으로 구멍을 뚫어 거대한 새로운 시스템을 내부로 옮겼습니다. 이 프로세스는 기존 장비의 배치를 밀리미터 수준까지 캡처 한 스캔 이미지를 사용한 3D 컴퓨터 설계 시스템에 의해 부분적으로 도움이되었습니다.

클린 룸까지

(글로벌 파운드리의 이미지)

클린 룸 자체를 방문하기 위해 해당 지역의 입자 수와 이러한 입자가 웨이퍼를 방해 할 수있는 위험을 줄 이도록 설계된 "토끼 정장"(이 게시물 상단의 그림 참조)을 입어야했습니다. 가공.

GlobalFoundries에 따르면 클린 룸 층에는 많은 기계가 있지만 1, 400 대 이상이 있지만 그다지 많은 사람들이 없다는 것을 알았습니다.

클린 룸 둘러보기를 제공 한 제조 작업의 수석 엔지니어 인 크리스토퍼 벨피 (Christopher Belfi)는 바닥에 작업자가없는 것이 목표라고 설명했습니다. Belfi는 사용자가 툴에서 설치 또는 유지 보수를 수행하는 유일한 사람이라고 말합니다.

(글로벌 파운드리의 이미지)

한 도구에서 다른 도구로 웨이퍼를 이동하는 기술자 대신 웨이퍼는 각각 25 개의 웨이퍼를 보유하고있는 FOUP (Front-Opening Unified Pod)를 통해 도구간에 라우팅되며 클린 룸 전체에서 이러한 오버 헤드를 볼 수 있습니다. 툴 사이에서 웨이퍼를 14 마일 이동하고 저장하는 데 총 550 대의 차량이 있습니다. 이들은 또한 중앙 저장 시설 사이에서 사용될 도구로 레티클 (각 칩 제조 층의 빛을 안내하는 칩 마스크)을 이동시킵니다. Belfi는 도구를 여전히 제어해야하므로 시간과 오류는 줄이면서 필요한 인원을 줄이지는 않는다고 말했다. 그는 특정 시점에 수십 개의 제품이 수십 명의 고객을 위해 다양한 제조 단계에 있으며 각 제품에는 고유 한 레티클 세트와 서로 다른 도구를 사용하는 고유 한 프로세스가 있다고 언급했습니다. Belfi는 Fab 8을 "세계에서 가장 자동화 된 팹"이라고 불렀습니다. 물론, 그것은 또한 최신 중 하나입니다.

제조 공정 이력의 한 시점에서 웨이퍼가 정상적인 빛에 노출되지 않았는지 확인하는 것이 중요했기 때문에 일부 팹에는 노란색 빛이 있습니다. 그러나 요즘 웨이퍼는 외부 광선에 전혀 노출되지 않으므로 덜 필요합니다.

웨이퍼를 만드는 과정에는 여러 단계가 있으며 각각 클린 룸 영역에는 임플란트 (실리콘에 이온 추가), 화학적 기계적 평탄화 또는 CMP (웨이퍼 연마), 확산, 박막 증착, 리소그래피 및 에칭. 이 과정에서 각 단계에서 칩 특성을 측정하는 데 사용되는 계측 도구는 팹 전체에 있습니다.

우리는 리소그래피에 대해 가장 많이 이야기하는 경향이 있습니다 (이것은 웨이퍼에 패턴을 노출시키기 위해 빛을 사용하는 것을 말합니다). 이것은 지난 몇 년 동안 가장 복잡한 단계가 되었기 때문입니다. 액체 (침지 리소그래피라고도 함)에 193nm 광을 사용하는 현재 기술은 더 이상 단일 패스로 칩에서 가장 작은 요소를 생성하기에 충분하지 않으므로 14nm 및 7nm와 같은 노드의 경우 다중 노출 (때로는 이중 패터닝 또는 쿼드 패터닝이라고도 함)가 필요합니다. 극 자외선 또는 EUV는 더 복잡한 대안이지만 칩에서 더 작은 기능을 계속 사용하려면 필요할 수 있습니다. GlobalFoundries는이 EUV 머신 중 두 대를 설치할 공간이 두 개 이상 있습니다. (다음 포스트에서 더 자세한 내용을 볼 것입니다.) 아직 준비가되지 않았으므로 이제 GlobalFoundries에서 만든 모든 칩 (그리고 실제로 내가 아는 모든 상용 칩)은 침지 리소그래피로 생산됩니다. 그러나 모든 단계가 중요하며, 모든 단계에서 오류가 발생하면 웨이퍼의 칩이 쓸모 없게 될 수 있습니다.

전체적으로, 현재의 칩은 최대 80 개의 층을 포함 할 수 있으며, 웨이퍼가 프로세스의 다양한 단계 사이를 통과 할 때, 특히 각 다중 패터닝 단계에서 리소그래피와 에칭 사이에서 앞뒤로 이동함에 따라 더 많은 단계를 수행 할 수 있습니다 (수개월이 걸릴 수 있음) 전형적인 고급 칩을 생산하기 위해). 그것은 매혹적인 과정이며 직접 보니 기쁩니다.

다음 포스트에서는 칩 팩토리 프로세스의 향후 단계에 대한 GlobalFoundries의 계획뿐만 아니라 공장에 최근 설치된 EUV 장비에 대해 더 중점적으로 다룰 것입니다.

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