Найсучасніший завод з виробництва чіпів в Америці Fab21

 

 

 

Fab21, мериканське підприємство тайванської компанії TSMC.

Ще кілька років тому пустеля Аризони була не чим іншим, як пилом. Сьогодні тут розташований найамбітніший напівпровідниковий проект Америки: сучасний завод TSMC з виробництва мікросхем. Ставка вартістю 165 мільярдів доларів на майбутнє мікрочіпів.

За іронією долі, США винайшли напівпровідники та досі лідирують у дизайні, програмному забезпеченні для електронних цифрових пристроїв (EDA) та обладнанні. Але домінування у виробництві знизилося. Частка США у виробництві мікросхем впала з 40% у 1990 році до приблизно 10% сьогодні.

Тепер ставки неймовірно високі: це не що інше, як місце Америки в майбутньому технологій. Чи зможе TSMC повернути передове виробництво мікросхем до США?

На папері план звучав просто: просто скопіювати фабрику напівпровідників з Тайваню на територію США. Але це виявилося набагато складніше, ніж хтось очікував.

Виробництво мікросхем у нанометровому масштабі — це не конструкція. Це хореографія: обладнання, хімікати та люди повинні рухатися в ідеальному ритмі. Зробите все правильно — і ви друкуєте гроші. Пропустите один крок — і мільярди перетворяться на дим. Насправді це жорстоко. На Тайвані TSMC може побудувати завод за 2 роки. В Аризоні кожен крок займав щонайменше вдвічі більше часу.

Причина проста: виробництво чіпів – це мистецтво усунення змінних. При 4 нм сотні змінних, розподілених по 4000 кроків, можуть знищити чіп. І змінні поводяться не однаково скрізь. Вода, повітря, електроенергія, постачальники і навіть культура – ​​все це впливає на виробничий вихід.

Аризона — це не Тайвань. Ґрунт твердіший, повітря інше, а води мало. Навіть культура праці інша. Будь-яка з цих змін може порушити нанорозмірну точність і знищити вихід продукції. Вихідність — це відсоток функціональних чіпів на пластину, і це все. При 90% виході TSMC друкує гроші. При 30% виході вона витрачає гроші.

В Аризоні панував хаос. Пилові бурі проривали чисті приміщення, системи дрейфували, а обсяги виробництва та виробництва різко зменшувалися. Можна постачати обладнання та залучати інженерів, але неможливо створити контекст, який забезпечує його роботу.

А ось прихована правда: кожен Фаб — це насправді чотири Фаби в одному.

Вода – це перша невидима фабрика всередині фабрики. У пустелі це найважча битва з усіх. Напівпровідникам потрібна надчиста вода (НЧВ), у 1000 разів чистіша за питну воду. Один забруднювач може зіпсувати пластину вартістю 30 000 доларів. Кожна пластина споживає ~2000 галонів протягом свого терміну служби. Тільки Fab 21 використовує понад 4 мільйони галонів на день (близько шести олімпійських басейнів).

Хімічне складання води в Аризоні відрізняється від тайванської. Щоб адаптуватися, TSMC довелося побудувати спеціальну водоочисну установку на території заводу, розроблену спеціально для місцевого водопостачання. Кожна крапля очищується та переробляється, що дозволяє отримати одну з найчистіших вод на землі, одночасно зменшуючи споживання обмежених ресурсів регіону.

Невдовзі вони зрозуміли, що води недостатньо. Ще одним важливим очищувачем у виробництві мікросхем є сірчана кислота — тиха основа виробництва. Вона знімає фоторезист, видаляє залишки та спалює всі сліди забруднення, щоб наступний шар міг приклеїтися. Без неї виробництво зупиняється. І не будь-яка кислота підійде. Як і вода, вона має бути надчистою.

Саме тут Аризона зіткнулася з труднощами. Американські постачальники могли виробляти чисту кислоту, але місцеві ціни були майже в п'ять разів вищими, ніж на Тайвані. Рішення? TSMC постачала надчисту сірчану кислоту на відстань 6500 миль з Тайваню. Як би не звучало парадоксально, це все одно було дешевше та надійніше, ніж купувати на місці.

Це не могло тривати вічно. Тож ланцюг поставок адаптувався. Sunlit, тайванський хімічний гігант і ключовий партнер TSMC, побудував новий завод у Фініксі. Не завод, що копіював матеріали, а завод, адаптований до водних та пустельних умов Аризони.

Копіювання фабрики означає копіювання її постачальників та розміщування їх прямо по сусідству.

Але навіть за умови контролю над водою та кислотою, виробництво все ще залежить від чогось набагато менш помітного: надчистих газів, які дають життя кожному етапу літографії та далі. І мова йде не про простий кисень чи азот, а про спеціальні гази, такі як неон, рідкісні та неймовірно важкодоступні для виробництва надвисокочистих мікросхем.

Неон має вирішальне значення для фотолітографічних лазерів. Він становить близько 95% газової суміші в інструментах глибокого ультрафіолетового випромінювання (DUV), які друкують більшість шарів чіпа. EUV обробляє найсучасніші шари, але DUV все ще друкує основну частину стеку. Без неону інструменти DUV просто не можуть працювати.

У чому загвоздка? ​​Неон має бути надчистим… знову ж таки. У виробництві мікросхем все, від води до кислоти та газів, має бути чистішим за чисте. Навіть слідова домішка може дестабілізувати лазер, розмити світло та призвести до дефектів, які зменшують вихід пластин.

В Аризоні немає місцевих поставок спеціальних газів. Більшість із них, включаючи неон, надходять з Тайваню, Японії чи Європи. Навіть кремнієві пластини доставляють з-за кордону.

→ Ззовні Fab 21 виглядає американським. Але під поверхнею він все ще працює на глобальному ланцюжку поставок, розтягнутому на тисячі миль.

Якщо вода — це проблема, то як щодо повітря? Ви можете подумати, що в Аризоні її вдосталь. Але у виробництві чіпсів повітря — найкрихкіший інгредієнт.

Під час написання магістерської дисертації я відвідав фабрику, щоб спостерігати за обробкою пластин. Саме тоді я побачив, наскільки екстремальними є ці середовища: герметично закриті світи. Чистота всередині не просто важлива, вона нав'язлива.

Інженери з голови до ніг закутані в костюми для чистих приміщень. Правила абсолютні: ніщо не вилітає з вашого тіла в повітря. Навіть одна вія, що падає на пластину, може зруйнувати тижні прогресу. Чіпи не народжуються в коді чи схемах, їх кують у чистих приміщеннях.

Чиста кімната Fab 21 займає площу 160 000 квадратних метрів (1,7 мільйона квадратних футів), що є однією з найбільших з коли-небудь побудованих. Більші кімнати важче підтримувати в чистоті, а пустеля Аризони лише ускладнює це.

Чисте повітря подається зі стелі, обтікає обладнання та виходить через підлогу. Тиск всередині трохи вищий, ніж зовні, що запобігає потраплянню пустельного пилу. TSMC залучила команди з Тайваню для точного налаштування повітряного потоку, доки він не досяг ідеального рівня. Усередині чистої кімнати температура підтримується на рівні 23°C, а вологість – на рівні 42%. Зовні лічильники частинок показують тисячі. Усередині вони ніколи не повинні перевищувати 10. Фабрика буквально дихає назовні, відштовхуючи пустелю.