格羅方德半導體股份有限公司(GlobalFoudaries)是一家總部位於美國加州硅谷桑尼維爾市的半導體晶元代工廠商,成立於2009年3月。格羅方德半導體股份有限公司由AMD拆分而來、與阿聯酋阿布扎比先進技術投資公司(ATIC)和穆巴達拉發展公司(Mubadala)聯合投資成立的半導體制造企業，現為阿布扎比穆巴達拉投資公司全資公司。

這個工廠擁有超過1400個用於製造芯片的先進工具，生產一個完整的晶元需要6個月。這家工廠是格羅方德第8家分廠，位於紐約州的Luther Forest技術學院。工廠有一個約2萬平方米的無塵車間，建立之初生產的第一批處理器為32 nm和28 nm製程。

8分廠的副總裁兼總經理湯姆·考菲爾德（Tom Caulfield）強調，格羅方德在紐約州北部的投資遠遠超過預期。該工廠最初計劃成立時，該公司預計投資32億美元，直接招聘1200名員工，總年薪為7200萬美元。他說，現在公司實際投資超過120億美元，擁有大約3300名員工，3.45億美元的年薪。這還不包括其他單位委派過來在工廠工作的500至700人，比如ASML、應用材料或LAM Research等設備供應商的技術人員。

格羅方德8分廠鳥瞰圖

格羅方德的第9分廠位於佛蒙特州伯靈頓；第10分廠在紐約東菲什基爾，這是它從IBM手中收購的老工廠。該公司還在德國德累斯頓設有工廠，目前正在德國德累斯頓生產FDX絕緣硅工藝；並在中國成都和新加坡設有工廠。總體而言，該公司在全球擁有250多個客戶。

考菲爾德說，8分廠是AMD的Ryzen處理器、Radeon GPU和Epyc服務器芯片的單一來源，此外還有數十個其他客戶。

格羅方德是四家生產領先邏輯芯片的公司之一。其他的三家分別是英特爾(Intel)，它主要為自己生產芯片；臺灣半導體制造公司(TSMC，臺積電)是芯片製造的先驅，為許多不同的客戶生產芯片，是格羅方德的主要競爭對手；三星(Samsung)則兩者兼而有之，其產品既有自用，也有供應其他客戶。

工廠內部

這次探訪先從無塵車間的“輔助車間”開始，這個區域位於無塵車間的下一層，用來處理製造芯片的工具所需的設備，包括電氣設施、機械設備、水和化學處理系統。

設施高級總監約翰·佩因特(John Painter)陪同參觀了這一地區。他說，整個場地包括7萬多件設備，其中許多設備用於維護無塵車間內的小型製片工具。幾乎所有這些工具都需要冷卻，它們在特定的溫度、特定的溼度和壓力條件下工作得更好，因此需要花費大量的精力來控制環境。這就使整個過程變得更加複雜，因為工具會不斷更換，一些工具會搬進來，而另一些工具則會離開該設施。佩因特解釋說，一般來說，這個設備車間的面積是無塵車間的6倍。

在這個輔助車間，有製造純淨水的冷凍處理系統（生產晶元需要），用於拋光晶元的化學漿液的處理系統等。車間內有一個專用的通道，便於技術人員取用這些所有設備。這層樓有許多獨立的區域，有獨立的設備(從儲存水和化學品的區域到監測系統)，並有數萬米長的管道連接到上面的無塵車間。其中大部分管道實際上是雙層的，內部有傳感器用來監測是否有液體洩漏。

工廠還有一些建築物，包括一座裝有更大鍋爐、散裝廢物系統等。整體而言，該廠使用80兆瓦的電力，由150，000伏的雙線供電。電源必須是持續供應，因為一旦斷電，就會造成正在加工的晶元報廢。因此，該設施有一個後備UPS系統和柴油發電機。

其中最令人驚奇的就是新的極紫外光刻（EUV）設備所需的空間。即使在地下，這種設備也需要很大的面積，包括它自己的微型無塵室，在那裡工具產生一個高強度的激光束，穿過地板彎到達無塵室的EUV工具上。EUV系統需要新的冷卻和電力系統，以及超純水，以及減少微粒汙染的特殊水箱和管道。

為了讓EUV系統進入大樓，首先密封了主廠房,在天花板上安裝了一個10噸重的吊車，然後在建築物的一側開了一個洞，以便將龐大的新系統移到裡面。這一過程在一定程度上得到了3D計算機設計系統的幫助，該系統使用掃描圖像，預先模擬擺放，以充分利用車間的空間面積。

無塵車間

在進入無塵車間之前每個人都要換上防塵服，以減少對無塵車間的汙染。在無塵車間的地板上有很多機器，超過1400臺，但卻沒有多少工作人員。

格羅方德的防塵服

克里斯托弗·貝爾菲(ChristopherBelfi)是一位負責製造業務的首席工程師，他陪同參觀了潔淨室。他說，公司的目標是在車間沒有一個操作人員。貝爾菲說，所能看到的人要麼是安裝工人，要麼是對設備維護工人。

8分廠無塵車間

晶元在設備間的流轉不是由技術人員從一個工具轉運到另一個工具，而是通過天花板上的自動吊倉車來完成的，每個吊倉可以裝載25個晶元。在22500多米的軌道上總共有550個吊倉車來回移動。貝爾菲說，這並不能減少所需的人數，因為這些工具仍然需要控制，但確實節約了時間和減少出錯。他指出，在任何時候，幾十種產品都處於不同的生產階段，供幾十個客戶使用，每種產品都有自己的一套產品和使用不同工具的具體工藝。貝爾菲稱8分廠是“世界上自動化程度最高的工廠”。當然它也是最新的。

無塵車間的自動吊倉車

一些工廠有黃燈，因為在以前的製造過程中，要確保晶元沒有暴露於正常的光亮。現在的晶元完全不受外界光線的照射，所以黃燈就不那麼必要了。

製作晶元需要經過許多步驟，每個步驟都有自己的無塵區域：植入(向硅中添加離子)、化學機械平坦化或CMP(拋光晶元)、擴散、薄膜沉積、光刻和蝕刻，包括計量、測量芯片等，所有的過程都在一個工廠完成。

重點說一下光刻(這是指用光在晶元上曝光一個圖案)，因為這是過去幾年中最複雜的一步。目前的技術涉及到在液體中使用193 nm的光(稱為浸沒光刻)，它已經不能以在一次性在芯片中產生最小的元素，因此對於14 nm和7 nm這樣的製程，需要多次曝光(有時被稱為雙圖案化或甚至四模式化)。極紫外線或EUV是一個更復雜的選擇，但如果要繼續在芯片上獲得更小的功能，這樣的選擇也許是必要的，格羅方德正在安裝兩臺這樣的EUV機器，如果多餘地方公司還將再安裝兩臺。目前格羅方德生產的所有芯片(實際上，任何地方製造的所有商業芯片)都是用浸入式光刻技術生產的。但是每一個步驟都至關重要，任何差錯都可能使晶元上的芯片報廢。

總之，目前的芯片可能涉及多達80道工序，甚至更多的。晶元之間的不同步驟之間的過程，特別是在光刻和蝕刻之間的每一個多模式的步驟(它可能需要幾個月來生產一個典型的高端芯片，都是很新奇的。

格羅方德在的康涅狄格州的一家工廠一臺EUV機器採用ASML提供的許多組件。這些巨大的工具使用極紫外線(EUV)光透過遮罩來勾勒出芯片極為細小線條，這是世界上最複雜的機器之一。它們被設計用來取代現在標準的浸沒式光刻機，這種光刻機在芯片製作的某些層中使用波長193 nm的光。

EUV機器工作的過程是非常複雜的，正如格羅方德技術研究副總裁喬治·貢巴(George Gomba)所解釋的那樣，這個過程從一個27千瓦的二氧化碳激光器開始，該激光器通過光束傳輸和聚焦系統發射到等離子體容器中，液滴發生器產生的微小錫滴(直徑約20微米)上。第一個脈衝使液滴變平，第二個脈衝使其蒸發，產生激光產生的等離子體(Lpp)。等離子體發射的EUV光子由反射13.5nm波長光的特殊反射鏡收集，該輻射被傳送到一箇中間焦點，在那裡它進入掃描儀並通過掩模投射到硅片上。在奧爾巴尼納米技術公司（Albany Nanotech）工廠工作的貢巴說，他自2013年以來一直在生產EUV系統，現在預計EUV將於2019年下半年在格羅方德全面投產。

這些工具太複雜了，它們需要幾個月的工作才能準備好開始生產。在紐約的8分廠已經安裝的前兩個EUV工具；一個接近完成，另一個正在生產過程中，還有空間再安裝兩個。

格羅方德全球研發公司副總裁兼首席技術官格雷·巴頓（Gary Patton）說，7nm今年將在8分廠使用浸沒光刻和四色圖案，進行試產，明年進行全面生產，但不是EUV。多模式化需要更長的時間，因為它需要更多的步驟，而且每一步都需要非常精確的準線（alignment），所以可能會出現問題，但是這些光刻工具很常見，很容易理解。該計劃目的是為以後製造7nm製程提供新的EUV工具。

巴頓說，EUV“現在還沒準備好”，他提到了電源、抗蝕材料和刻板方面的問題，特別是研製出合適的薄膜(一種覆蓋在刻板或刻線上的薄膜)。

目前EUV的速度還不是太快，一位工程師解釋說，他們每小時可以生產125塊晶元，而浸沒式光刻的每小時生產大約275塊晶元。考菲爾德說，EUV實際上可以節省時間，因為如果這個過程減少了多個圖案處理的次數，它不僅節省了光刻的步驟，而且還節省了蝕刻和準備的步驟。因此，當EUV準備好時，它的運行成本應該會更低。

貢巴指出，這個設計不僅能減少3或4層光學光刻，而且減少許多其他步驟，因為在每一個光刻步驟之間，在晶元上還要進行蝕刻和其他工藝。貢巴說，公司的目標是將晶元的生產週期縮短30天。

交叉點可能是四模式，但很大程度上取決於產量(這需要改進，因為EUV光刻步驟的可變性應該比多次浸沒光刻步驟少)和循環時間的改善。EUV還應使芯片設計者能夠在限制較少的條件下工作。他同時指出，除此之外，還有一些問題需要解決，尤其是在薄膜的問題。另一位工程師解釋說，EUV使用的13.5nm輻射幾乎被能被任何東西吸收，所以機器內部需要真空。使用EUV時，大部分能量不會通過刻線(闆闆)，而是加熱它。薄膜有助於保護刻板，但仍然需要提高極紫外光通過薄膜的光量(傳輸)，以及薄膜的使用壽命。這反過來將影響極紫外光的效率（throughput），以及刻板的使用壽命和整個機器的正常運行時間。

格羅方德EUV計劃

因此，巴頓說，該公司初衷是生產7nm製程，用EUV製作觸點和導通孔。光是這一項就可以使密度增加10%至15%，而不需要大量的設計投資。巴頓說，這些問題得到解決後，EUV還會有更多的作用。

巴頓指出，ASML是一家了不起的公司，應該得到“巨大的榮譽”，因為它推動了EUV向前發展，這是一個“令人難以置信的壯舉工程”。當被問及格羅方德是否真的致力於EUV時，考菲爾德回答說，該公司已經投資了6億美元，這意味著“必須這麼做”。

FDX與芯片製造未來路線圖

在一場關於芯片製造走向的廣泛討論中，曾在IBM長期從事芯片技術研發的巴頓以摩爾定律(Moore’s Law)的終結來闡明他的觀點。他指出，在芯片製造的最初幾年，都是關於硅CMOS的平面縮放。然後，從2000年到2010年，焦點轉向了新材料；現在大部分注意力集中在3D晶體管(目前大多數前沿工藝中使用的FinFETs)和3D堆疊上。

半導體技術發展歷程

他說，到2020年，我們將達到原子級的極限，因此我們需要專注於其他創新方式，包括設計晶體管的新方法(比如用納米線代替FinFET)、新的基板(比如格羅方德正在開發的純硅絕緣體技術)，包括系統集成的新技術(如先進封裝、硅光子學和嵌入式存儲器)。

格羅方德發展規劃圖

巴頓說，格羅方德公司有兩個方面的路線圖（如上圖藍色框所示）。第一種是基於當前的FinFET技術，是為高性能器件設計的，這意味著公司要從當前的14 nm製程轉移到的12 nm進程，然後在今年晚些時候轉移到7nm進程。這應該是最適合移動應用處理器和高性能CPU和GPU的，格羅方德承諾將使設備性能提高40%，與14nm製程相比，總功耗減少60%。同樣引人注目的是，它能將模具成本降低30%左右，比14nm節約45%以上。

格羅方德的另一種在路線圖與競爭對手臺積電(TSMC)或三星的路線圖相似（如上圖橙色框所示）。

在其他應用方面，該公司正專注於它所稱的FDX，這是它在絕緣體上純硅絕緣體技術的品牌。這是一種平面技術，意味著它不使用3d晶體管，巴頓說，它為低端和中端移動處理器、物聯網處理器和許多汽車應用提供了一個更符合成本效益的解決方案。雖然對此的一些研究正在8分廠進行，但FDX製程大多是在德國德累斯頓組織的。目前在格羅方德還在生產22 nm FDX製程；計劃到明年將過渡到nm製程。

考菲爾德指出，除此以外，格羅方德還將提供更多的性能，併為客戶帶來真正的價值。他指出，該公司跳過了20 nm和10 nm，而專注於7nm。與14 nm相比，該製程能夠降低成本，節約30%至45%支出，但由於需要更多的刻板來滿足多模式化增加了的額外步驟，因此略有抵消。

考菲爾德指出，該公司一半以上的收入仍來自於較老的製程，如28nm和40 nm製程。該公司在新加坡的工廠專注於40nm及更舊的製程，德累斯頓公司則在22nm及更舊的生產線上生產。與此同時，8分廠的工作集中在14nm和更新的製程的生產與研發上。

考菲爾德說，該公司希望在7nm製程方面成為一個趕超者，而在FDX方面，公司希望市場上取得突破性的成就。

巴頓指出，格羅方德公司在2015年展示了一款7 nm測試芯片，該芯片是與IBM和奧爾巴尼納米技術公司(Albany NanoTech Complex)合作開發的。在5nm研發上，該公司已經討論了納米片或柵極全能型晶體管，並著重於模塊內通信使用2.5D和3D芯片封裝在硅介入器上，以連接不同的芯片和混合存儲立方體。