三个月,700步!为什么生产一颗芯片需要这么长时间?

2021-08-22 12:28:10 来源:EETOP
芯片设计完成之后,需要交给代工厂生产,可能有人会觉得依托工厂的全自动流水线,生产一颗芯片估计也就几天时间吧。其实实际时间要将近三个月,共700多到工序,这还不包括后续的封装等需要花费的更多的时间。

接下来我们跟随工厂的高级部门经理克里斯托弗·贝尔菲(Christopher Belfi)走进GF车间,看一下GF是如何生产出芯片的。

 
GF工厂的高级部门经理 Christopher Belfi

Belfi最初是一名技术员,负责修理在机器之间运送硅芯片的自动化设备。随着时间的推移,他开始监督自动化系统,该系统沿着天花板上的轨道推动数千个吊舱,每个吊舱都携带 25 个闪亮的圆盘,有朝一日将为移动电话、飞机或汽车安全气囊提供动力。

最近,这些轨道上挤满了比以往任何时候都多的吊舱,因为GlobalFoundries 工厂——美国为数不多的类似工厂之一——竞相跟上对计算机芯片飙升的需求。

前开式统一吊舱,也称为 FOUP,在 GlobalFoundries 工厂上方运输硅晶片

他管理着 95 个人,并学会了在他们的西装中识别他们。“你可以通过人们走路的步幅来认出他们,”他说。

GlobalFoundries 由阿布扎比政府全资拥有,总部位于奥尔巴尼以北 30 分钟路程的马耳他,是美国生产的主要来源之一。马耳他工厂每天 24 小时运行,每年生产 500,000 个复杂的硅芯片,然后将其切割成单个芯片

数百名员工在每个班次开始时都会穿上称为兔子服的精心制作的防护装备,以防止散落的棉绒或头发损坏晶圆。即使是一粒灰尘也会破坏生产芯片的艰苦过程。

12 英寸的硅盘在出厂时看起来就像闪亮的光滑镜子。三个月后,它们被复杂的蚀刻覆盖,形成数十亿个晶体管,这些微型开关控制电流并允许芯片执行任务。

整个过程大约有 700 个加工步骤,通过这些步骤,按照每个芯片客户提供的设计,在彼此的顶部印刷和蚀刻数十层图案。

“考虑做一个蛋糕”贝尔菲在机器的噪音中说道。“在这种情况下,它将是一个 60 到 75 层的蛋糕,这个蛋糕大约需要两个半月、三个月的时间。”

为了创建每一层,芯片都涂有光敏化学物质。然后被称为光刻机的高科技打印机在晶圆上一遍又一遍地投射相同的微小图案,就好像它在棋盘的每个方块上印上相同的图案,每个方块代表一个未来的芯片

之后,蚀刻机将这些图案雕刻到芯片上,更多的化学物质沉积并烘烤到表面上。当不同的图案相互叠加以创建数十层晶体管时,这个过程会一遍又一遍地重复。然后这些层通过铜线相互连接,以允许信号和电源在整个芯片中传输。

在这三个月的过程中,承载晶圆的吊舱很少休息,根据预先编程的路线从一台机器移动到另一台机器。

Belfi 和其他工程师在那里确保机器不会发生故障,随着需求的飙升,这项任务变得更加紧迫。典型的芯片工厂(称为晶圆厂)中的机器大约 90% 的时间都在运行,10% 的停机时间用于计划或紧急维护。

工厂中最关键和最昂贵的设备是在晶圆上打印复杂设计的光刻机。GF马耳他工厂有 20 个;每个成本大约为 1 亿美元。

“当机器发生故障时,重要的是要尽快修复它,”工厂总经理 Peter Benyon 说,他之前在新加坡经营一家GlobalFoundries 工厂。

去年夏天,随着芯片需求飙升,马耳他工厂的一台光刻机出现故障。通常情况下,设备制造商荷兰公司 ASML 会派遣一名工程师来帮助修复它,但由于冠状病毒危机,这是不可能的。Benyon 说,取而代之的是,工厂技术人员戴着增强现实耳机与荷兰的 ASML 工程师联系,以便他们可以查看机器内部并监督维修。

让机器快速恢复运行可以帮助工厂挤出更多芯片。Benyon说,因此可以减少每个晶圆的故障芯片数量。

半导体芯片被印刷到硅晶片上,并在 GF 工厂装入容器中

半导体工厂优秀人才缺失

在谈到半导体工厂的技术人才时,Belfi 说:“对我们来说,困难之一实际上是获得优秀人才,因为你在这里看到的很多东西,没有很多大学提供围绕半导体制造的课程,芯片公司强调需要更好的 STEM 教育和工人培训,为半导体制造劳动力做好准备。

他说,工厂的其他团队正在寻找拥有材料科学、化学或工程学位的员工。GlobalFoundries提供学徒制,为没有学位的员工提供两年的在职培训,并与社区学院合作,帮助设计与芯片相关的课程。

贝尔菲本人在大学期间主要学习软件和计算机科学,但更喜欢动手建造东西。

“我更受设备驱动,喜欢用手工作”他说。

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