Fab-Tour: In der Wiege der Phenoms

Der Reinraum von Globalfoundries in Dresden von innen. Seit über zehn Jahren steht die früher "Fab 30" genannte Chipfabrik in Dresden, nun hat der neue Eigentümer Globalfoundries erstmals Journalisten sein Allerheiligstes gezeigt. Gebaut werden dort sämtliche AMD-Prozessoren, unter für die Arbeiter schwierigen Bedingungen.

12. November 2009 um 12:10 Uhr / Nico Ernst

In Dresden betreibt Globalfoundries seit der Aufspaltung von AMD mit dem jetzt "Fab 1" genannten Werk eine der modernsten Chipfabriken Europas. Derzeit werden dort AMD-Prozessoren in 45 Nanometern Strukturbreite in Serie sowie erste Muster von 32-Nanometer-Wafern hergestellt. Die Kapazität des Standortes liegt bei über 50.000 Wafer-Starts im Monat, voll ausgelastet ist die Fab jedoch nicht, was für AMD ein wesentlicher Grund für die Auslagerung war.

Wie lange die Herstellung eines Wafers dauert, ist in der Halbleiterbranche ein gut gehütetes Firmengeheimnis, auch Globalfoundries gibt diesen Wert nicht öffentlich an. Nur dass die Fertigung mehrere Wochen dauert, ist publik. Ein typischer Wert beträgt bei Prozessoren aber rund acht bis zwölf Wochen.

Die Wafer sind auch das Endprodukt der Dresdner Fab – zersägt und ins Chipgehäuse gesetzt, das sogenannte Package, werden die Dies vor allem in Malaysia. Daher steht auf AMD-CPUs auch "Diffused in Germany, Made in Malaysia" . Einen Schritt vor dem Packaging vollzieht Globalfoundries in Dresden aber dennoch, nämlich das Testen der Chips auf dem Wafer und das Anbringen von lötfähigen Verbindungen, die dann die feinen Golddrähte aufnehmen, die zu den Beinchen der CPU führen. Für diesen "Bump and Test" genannten Prozess wurde die Fab erst 2006 erweitert , vorher war dies in eigenen Bereichen in jedem der Reinräume vorgesehen. Seit 2007 gibt es dafür eine eigene Abteilung für alle Wafer.

Im Reinraum für Bump and Test kann Globalfoundries zudem vollständige Prozessoren inklusive Packaging in Kleinserien herstellen. Das ist nicht nur für AMD ein Vorteil, die so die Korrelationen zwischen der Halbleiterfertigung und dem Package sofort kontrollieren können. Auch zukünftige Kunden sollen von der Fähigkeit profitieren, Kleinserien direkt vor Ort zu produzieren.

Ähnlich arbeiten auch andere Foundries wie TSMC, die beispielsweise an Nvidia fertige Grafikprozessoren liefern, die dann in der Firmenzentrale in Santa Clara auf Prototypen von Grafikkarten gesetzt werden.

• Das Tabernakel öffnet sich – mit Auflagen
• Automatische Produktion mit Wafer-Eisenbahn
• Noch viel AMD in Globalfoundries

Das Tabernakel öffnet sich – mit Auflagen

In den rund acht Jahren, seit AMD in Dresden Chips in Serie hergestellt hat, waren die Reinräume stets Sperrgebiet. Auch Journalisten, die sich in die "Bunny Suits" zwängen wollten, hatten keinen Zutritt: zu gefährlich, zu riskant für die Produktion. Globalfoundries hat diese strikte Politik jedoch etwas gelockert, so dass Anfang November 2009 eine erste Gruppe von Journalisten die Fab 1 von innen betrachten konnte.

Dabei alle Schritte vom blanken Wafer bis zum Die eines Prozessors nachzuvollziehen, ist jedoch kaum möglich: Insgesamt vergehen je nach Produkt 700 bis 1.000 Bearbeitungsschritte. Diese laufen sämtlich in geschlossenen Maschinen ab, die trotz Millionenkosten in der Halbleiterindustrie schlicht "Tools" genannt werden.

Welche dieser Tools eingesetzt werden – es gibt dafür meist mehrere Hersteller -, will auch Globalfoundries für sich behalten. Das geschieht nach Aussage des Unternehmens nicht nur, um Konkurrenten keine Tipps zu geben, sondern vor allem, um die Lieferanten der Tools nicht gegeneinander aufzubringen.

Folglich konnte Golem.de zwar eigene Bilder in den Reinräumen aufnehmen, die aber einer Vorauswahl von Globalfoundries unterlagen. Vor allem die Logos der Toolhersteller fielen dabei der Schere zum Opfer. So viel sei aber gesagt: Alles, was in der Toolbranche Rang und Namen hat, ist auch in Dresden vertreten, allzu viele Anbieter gibt es in diesem Segment ohnehin nicht.

Wie in jeder anderen Chipfabrik besteht die Produktion in Dresden aus drei wesentlichen Teilen, die in sechs Bereichen ablaufen. Zuerst kommt die Belichtung (Lithographie), dann das Processing der Wafer und schliesslich die Endaufbereitung. Der zweite Schritt umfasst unter anderem das Ätzen der Verbindungen und die Einbringung von anderen Materialien außer Silizium. In der Fab 1 ist das vor allem Kupfer für die Verbindungen der Chiplagen untereinander, auch Interconnects genannt.

Der dritte Schritt verfeinert die Oberflächen, legt die Verbindungen frei und heißt "Chemical and Mechanical Polishing". Für alle drei Bereiche braucht es außer den Tools und den Wafern eine Vielzahl an Chemikalien und technischen Gasen. Rund 150 verschiedene Stoffe sind es, das größte Volumen nehmen einige 100 Hektoliter hochreines Wasser ein, das Globalfoundries selbst herstellt. Die Abwässer werden vor Ort geklärt. In einem früheren Gespräch scherzte der damalige Werksleiter Hans Deppe: "Das ist reiner als Leitungswasser."

Dass die Fab 1 so viel Wasser braucht, liegt auch am Verfahren der Immersionslithographie: Wasser hat einen anderen Brechungsindex als Luft, so dass bei der Belichtung mit gleichlangen Wellen feinere Strukturen erzeugt werden können. Daneben ist das hochreine Wasser für zahlreiche Spülvorgänge nötig, diese Prozesse benötigen noch deutlich mehr Wasser als die Immersionslithographie.

Automatische Produktion mit Wafer-Eisenbahn

Im Prinzip läuft die Produktion der Wafer vollautomatisch ab. Die kostbaren Scheiben werden von "Vehicles" im Paket von Tool zu Tool gebracht. Diese Wägelchen werden über ein Schienensystem an der Decke transportiert und können sich mit bis zu zwei Metern pro Sekunde bewegen. Das Schienensystem verfügt über Weichen, Umkehrpunkte und Wartebereiche – ganz wie bei einer Modelleisenbahn.

Im Inneren der Vehikel haben die Wafer eine nochmals reinere Atmosphäre als im Reinraum selbst. Dieser ist nach Klasse 100 ausgelegt, es gibt also pro Quadratfuß maximal 100 Partikel. In den Vehikeln und den Tools selbst ist es stets nur ein Partikel, oder Klasse 1.

Schon um Klasse 100 zu erreichen, muss die Luft des gesamten Reinraums 80-mal pro Stunde ausgetauscht werden. Die Lüftung sorgt dabei für ein konstantes Geräusch, das selbst die Tools und das Transportsystem übertönt. Das dürfte wesentlich zum Stressfaktor für die Arbeiter in den Reinräumen beitragen.

Die größten der Tools sind die "Stepper", in denen die einzelnen Lagen der Chips hergestellt werden. Bis zu 50 Schritte, oder Steps, kann ein Stepper durchführen. Die Geräte haben das Format eines Kleinbusses und kosten je nach Ausführung zwischen 20 und 40 Millionen US-Dollar. Neben der Infrastruktur der Fab selbst sind diese Tools ein wesentlicher Grund, warum eine moderne Halbleiterfabrik nicht mehr unter 2 Milliarden US-Dollar zu bauen ist – und auch nicht ohne staatliche Förderung, wie das auch in Dresden der Fall war. Dafür gibt es nun 2.600 Arbeitsplätze, 700 davon sind von Hochschulabsolventen besetzt.

Eine Besonderheit der Fab 1 ist die Verwendung von Kupfer. Das Edelmetall kann Silizium leicht verunreinigen, auch wenn nur feinste Stäube in ein Tool gelangen. Deshalb tragen die Arbeiter, die im Kupferbereich arbeiten, rote Markierungen an ihren Anzügen: Sie dürfen nicht in andere Bereiche der Fabrik.

Die auf einigen Bildern zu sehende gelbe Beleuchtung ist ein Standardverfahren für die Bereiche, in denen belichtet wird. Weißes Licht, also mit einem umfassenderen Spektrum, könnte einige der Materialen wie Fotolacke zum vorzeitigen Reagieren bringen, was es zu vermeiden gilt. In anderen Zonen der Fab 1 gibt es jedoch sogar Fenster mit Blick auf die ländliche Umgebung von Dresden. Angesichts der sonst vorherrschenden grellen Neonbeleuchtung ist das fast schon Luxus.

Noch viel AMD in Globalfoundries

Da die Produktion selbst vollautomatisch abläuft, sind die Arbeiter vor allem mit Überwachung und Reparatur der Tools beschäftigt. Unter Reinraumbedingungen ist das jedoch nicht einfach. Sämtliches Werkzeug, alle Ersatzteile müssen vor Einsatz gesäubert werden und dürfen die Reinräume dann nicht mehr verlassen. Die Tools selbst werden bei einem größeren Defekt schlicht stillgelegt: Sie aus dem Reinraum zu entfernen und außerhalb zu reparieren, würde sie so kontaminieren, dass sie hinterher unbrauchbar sind.

Obwohl die Chipbranche stets unter Zeitdruck steht, herrscht im Reinraum der Fab 1 verdächtige Ruhe: Niemand läuft, alle Bewegungen geschehen mit Bedacht. Das liegt nicht nur an der eingeschränkten Bewegungsfreiheit in der Arbeitskleidung, den "Bunny Suits". Jede Erschütterung der Tools kann Dutzend Wafer zerstören und die Produktion aufhalten. Würde ein Arbeiter gegen eine der Maschinen rumpeln, wären unter Umständen hunderttausende US-Dollar verloren.

Außerdem will niemand ins Schwitzen kommen, denn die Arbeitskleidung ist kaum atmungsaktiv und die Luft staubtrocken. Daher gibt es auch mehrere Wasserstationen, in denen die Arbeiter trinken können – essen ist logischerweise streng verboten. Eine Schicht dauert zwölf Stunden, die Fab arbeitet rund um die Uhr. Um dabei auf eine 40-Stunden-Woche zu kommen, gibt es folgendes Schema: vier Tage Arbeit, drei Tage frei, drei Tage Arbeit, vier Tage frei.

Zu einer Zwölf-Stunden-Schicht gehören anderthalb Stunden Pause, in der man den Reinraum auch verlassen kann, dabei kommt aber nur die äußere Schicht der Arbeitskleidung ab. Daher sieht man bei Globalfoundries auch noch jede Menge Grüppchen, die vom Werkssport zu kommen scheinen: weißes T-Shirt mit AMD-Logo und grüne Jogginghosen sind dort ganz normal. Diese beiden Teile stellen die untere Schicht der Reinraumuniform dar.

Wer in den Reinraum will, darf von seinen eigenen Kleidungsstücken nur die Unterwäsche anbehalten. Alles andere bleibt in einem Spind. Nach dem Anlegen des Sportdress kommt der eigentliche Anzug, der außer dem bekannten Overall noch aus Schuhen, einer Haube, Haarnetz, Mundschutz und Handschuhen besteht. Genauer: aus zwei Handschuhen, die inneren sind aus Stoff, die äußeren aus Latex.

Sämtliche Teile des Reinraumanzuges bleiben nach Gebrauch im Umkleidebereich und werden sofort in die Reinigung gegeben, die ebenfalls in der Fab erfolgt. Für die Reinigung des Personals ist dieses selbst verantwortlich, denn natürlich gibt es Duschen – deren Benutzung ist schon nach zwei Stunden im Bunny Suit sehr empfehlenswert.