深入GlobalFoundries的晶元前沿領域探索之路

世界上只有少數幾家公司設計使用尖端技術的處理器，製造這些晶元的配備更少。英特爾自己製造晶元，台灣台積電和GlobalFoundries是為其他公司生產晶元的純代工廠，而三星兩者都稍有涉及。競爭也是頗為激烈，晶圓廠的成本高達數十億美元，開發新工藝並投入批量生產需要花費數年的時間。這些晶元製造商通常謹慎小心，所以當GlobalFoundries最近在紐約州北部邀請少數幾家媒體記者參觀其晶圓廠時，這成為了看看領先晶圓廠眼下正在做什麼的一個難得機會。

如此一個先進的大型工廠坐落在紐約馬爾他、奧爾巴尼以北一個小鎮的樹林里，這多少讓人覺得有些新奇。但這並不是一條輕鬆的道路。GlobalFoundries是晶元製造商AMD在2009年剝離其製造業務時創建的，當年他們在一個佔地250英畝、通用電氣科學家冷戰期間測試火箭的地方上破土動工。該州為GlobalFoundries提供了12億美元的獎勵，作為交換， GlobalFoundries同意投資32億美元建設一個工廠，僱用1200名員工，工資總額約為7200萬美元。

GlobalFoundries當時計劃在2011年之前開始32納米工藝生產，每月生產60000片晶圓，並在此之上進行額外擴展。但32納米和28納米節點的製造收益率都很低——這要求有新的材料——而且其關鍵客戶AMD正在努力跟上英特爾的發展腳步。20納米節點對整個行業來說是一個顛覆，因為所謂的平面晶體管架構已經失去了動力（英特爾已經轉向3D晶體管，稱為FinFET，始於22納米）。GlobalFoundries突然面臨開發一種全新架構的問題，同時還要讓晶圓廠加速生產。

「馬爾他工廠掙扎著發展，因為我們一直在努力嘗試提升晶圓廠，同時開發新工藝，」 GlobalFoundries首席技術官Gary Patton說。「這不是成功的秘訣所在。」

相反，GlobalFoundries授權三星的14納米FinFET技術加快上市的速度。與此同時，AMD重新調整產品陣容以提高競爭力，如今GlobalFoundries全力推出所有Ryzen處理器、Epyc伺服器晶元和Radeon Vega圖形處理器。此外GlobalFoundries還生產用於主流遊戲平台的AMD半定製處理器，以及IBM 14納米的Power9伺服器和z14大型機晶元。十年時間過去，馬爾他工廠顯然已經邁出了一大步。GlobalFoundries高級副總裁兼總經理Tom Caulfield（剛剛被任命為首席執行官）表示，GlobalFoundries如今擁有120億美元的「地面」資產，僱用了3300人，工資總額約為3.45億美元。

作為一名半導體分析師，筆者對先進晶元製造的規模和複雜性有一定的了解，但親自看到卻是另外一回事。馬爾他工廠的規模非常大，最初的建築一直在擴大，位於二樓的潔凈室現在佔地30萬平方英尺。GlobalFoundries在隔壁建造了第二座工廠，通過一座「潔凈橋」連接起來，使得連續潔凈面積達到了46萬平方英尺，相當於八個足球場。在這麼大的空間內空氣每小時回收循環10到15次，因為即使是最微小的粒子所造成的污染也會破壞價值數十萬美元的晶圓。

總的來看，潔凈室包含1400個位於RMF（Raised Modular Flooring）上的工具，讓氣流可以去除微小顆粒，控制靜電放電，並通向下層的次潔凈區。這些工具通過CMP（化學和機械拋光）、沉積、擴散退火、蝕刻和最終光刻這一系列從前到後的功能進行分組。在整個過程中都會用到測量晶元功能的計量工具。RMF建在由大塊混凝土樂高一樣塊狀構成的地板上（每塊重達22至24噸），能夠抑制即使是最微小的振動，並且由厚厚的混凝土走道環繞，讓工人可以在潔凈室周圍移動，在安裝時支持重型工具。對振動不敏感的一些步驟（如離子注入）則位於側面。

另一個讓筆者驚喜是工廠的自動化水平。工廠的天花板上覆蓋著14英里的軌道，有多達550個小車圍繞著裝載了從一個工具載入到另一個工具的晶圓盒飛快移動。被稱為FOUP（Front Opening Universal Pod）的盒子可容納25片晶片，每片晶片的直徑約為1英尺。一些FOUP還提供光掩模或掩模版，用於將圖形投影到晶圓上，在光刻工具之間移動——GlobalFoundries說，目前世界上沒有其他晶圓廠能夠做到這一點。複雜的編排全部由軟體管理，FOUP通常保存在高架集結區，而不是集中的「儲存區」，以便在下面的工具空閑時即可裝載。

設備工程師Stephen Miller解釋說：「這就像是你正在儘可能多地將煤塊鏟到爐中，以保持發動機運轉。」

這並不是說潔凈室就沒有人了。幾位員工經常會走來走去，GlobalFoundries員工穿著白色像兔子一樣的制服，外部供應商穿著的是灰色制服，以便區分——但他們實際上並不操作這些工具。相反，他們要做的是安裝或維護工具，監控處理步驟或解決問題。

大多數人只關注潔凈室，但正如設備高級總監John Painter所說的那樣，這個晶圓廠就像冰山一樣，冰山下面還有很多很多東西確保這些工具全天候地運轉。每1平方英尺的潔凈室空間，就有在一層次潔凈室以及周邊Central Utility Buildings（即「CUB」）的6平方英尺空間，為該工廠提供80兆瓦的電力、化學製品、氣體和超純凈水，水是通過數英里的線路和管道輸送的。

但這次參觀中最有趣的部分就是在生產環境中看到下一代光刻工具了。光刻技術被認為是最關鍵的一步，因為它決定了晶元的最小特性——這一指標已經讓摩爾定律持續了50年之久。今天，GlobalFoundries像其他領先的晶元製造商一樣，依靠使用波長為193納米的 Deep UV光工具來打造最關鍵的層。

浸入式光刻技術——用具有更高折射率的水取代透鏡和晶片之間的氣隙——的引入有助於擴展193納米工具，但這些工具已經達到了最基本的局限。為了構建最小的層，晶元製造商現在需要採取多個步驟，這是一個複雜的過程，稱為多重構圖，不僅會降低生產力，還會增加可變性，導致產量降低。

解決方案就是使用波長為13.5納米的Extreme UV (EUV)光的新型光刻技術。波長越小，特徵越精細。這聽起來很簡單，但事實證明這是非常複雜的，因為EUV光很難產生；幾乎任何材料包括空氣都能被完全吸收，這意味著得在真空中使用；並且不能使用鏡頭或傳統鏡子聚焦。自20世紀90年代後期以來，作為世界唯一EUV工具供應商的荷蘭公司ASML一直致力於此項工作，現在才剛剛開始商業化生產。

在主潔凈室後面的Phase 2，GlobalFoundries安裝了一個EUV工具，第二個正在開發中，此外還有兩個工具。每個工具和一輛巴士一樣大小，成本大約是1.3億美元。為了讓這些工具運進Fab 8，GlobalFoundries不得不在大樓的一側挖出一個洞，然後在天花板上安裝一個10噸的起重機，將它們提升到位，同時還要保持潔凈室的環境和氣閘。

更具挑戰的是，EUV需要一個強大的激光系統在次潔凈室內產生紫外線輻射。27千瓦的二氧化碳激光器通過光束傳輸，將兩組脈衝發射到上方的潔凈室，在那裡被引導到等離子體容器中，並撞擊微小錫液滴（直徑約20微米）。預脈衝使錫液滴變平，並且主脈衝將其蒸發，產生髮射EUV光子的激光產生的等離子體（LPP）。這些由一個特殊的鏡子收集，該鏡子將輻射導入掃描儀，在那裡它被掩模反射到硅晶片上。該系統非常複雜，以至於承包商Total Facility Solutions（隸屬於該晶圓廠建築商M+W）花了數月的時間在現場使用3D激光掃描儀和BIM（建築信息模型）工作站繪製出每個組件的確切位置。

經過多年試錯之後，EUV已經為大批量生產做好了準備。「我們正處在臨界點上，我們全身心投入其中，我非常有信心EUV將成為7納米的一部分，但眼下它還沒有準備好，」Caulfield這樣說道。

GlobalFoundries計劃在下個季度啟動7納米的「風險生產」（意味著將在2019年上半年的某個時候開始商業化生產），不使用EUV，而是依靠193納米浸入式四重陣列。這個7LP工藝可以使晶體管性能提高40％（功耗降低55％），並降低30％的成本。高性能版本將使得速度有10％的額外提升。但GlobalFoundries表示，隨後將有7納米版本的EUV用於接觸和通孔，最終還有一些金屬層，將關鍵層數減少20％，從而縮短周期時間和成本，並降低可變性。台積電也在研究類似的策略，但三星已選擇等到EUV就緒的時候推出7納米，英特爾的計劃尚不清楚。

過去一年中，GlobalFoundries走過了很長一段路，但是要與這些競爭對手針鋒相對，它需要在兩個領域不斷取得進展。

首先，需要使其客戶群多樣化。GlobalFoundries在2010年對新加坡Chartered和2015年對IBM Microelectronics的收購能起到一定的幫助作用。GlobalFoundries現在擁有5個晶圓廠，第6個晶圓廠正在中國成都建設中，所有這些晶圓廠每月可生產超過80萬片晶圓（200毫米當量），供大約250家客戶使用。但它需要更多業務在前沿領域超越AMD和IBM。

GlobalFoundries表示，GlobalFoundries在14納米工藝上有82個設計，並且已經發布了FX-14 ASIC工藝，該工藝將競爭不斷增長的AI加速器業務。雖然GlobalFoundries高端移動SoC方面運氣不佳，但也一直推動以另一種晶圓襯底生產的替代品，即FD-SOI（Fully-Depleted Silicon-On-Insulator），這種替代品非常適合低成本移動應用，如中端手機、可穿戴設備或物聯網設備。

其次，GlobalFoundries需要很好地執行其技術路線圖。GlobalFoundries剛剛開始為AMD量產12納米晶圓，但7納米才是真正的考驗，這是由大約400名工程師組成的團隊開發的。

目前的路線圖大約截止於2020年，但Patton表示研發團隊有很多不錯的想法。GlobalFoundries大約有700名技術專家專註於未來解決方案，在Fab 8特定領域，以及通過與IBM和三星的Albany NanoTech聯盟、設備和材料供應商、以及SUNY Polytechnic Institute展開合作。未來還有很多選擇，包括新材料，例如III-V化合物，或垂直納米線或水平納米片等全柵結構。去年，Albany NanoTech聯盟宣布已經開發出首批使用EUV製造納米片的5納米晶元，有朝一日可以使處理器擁有多達300億個晶體管。

這些都是十分艱巨的挑戰。但是，近距離看到這樣一個先進，不僅讓人對這個行業已經克服的諸多挑戰讚賞不已，更加確信他們將繼續尋找創新的方式，實現更小、更快、更高效。

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