Derin Okuma — TSMC Fab 18

Güneye inen sessiz nehir

Tayvan'ın güneyinde, Tainan kentinin dışında, denizden birkaç kilometre içeride, tarım arazilerinin ortasında camdan ve çelikten dev bir yapı yükseliyor. Dışarıdan bakınca bir havaalanı terminali kadar büyük, ama içeriye hiçbir uçak inmiyor. İçeride, saniyede milyarlarca kez açılıp kapanan ışık huzmeleri var. Buranın adı Fab 18. Dünyanın en gelişmiş mantık çiplerinin üretildiği tesis. Peki neden bu kadar önemli?

Bir çipin doğuşu, kumdan başlar

Silisyum, kumun içindeki en yaygın elementlerden biri. Ama kumdan çip çıkarmak, kumdan cam çıkarmaya hiç benzemiyor. Fabrikaya giren silisyum külçesi önce eritilip tek kristal haline getiriliyor, sonra elmas testereyle jilet inceliğinde dilimleniyor. Her dilim, bir tabak kadar ince ve bir tabak kadar pürüzsüz olmak zorunda. Yüzeyde bir atom kalınlığında bile çizik olsa, üstüne kurulacak milyarlarca transistör çöp olur.

İşte bu yüzden fabrikaların içi, hastanelerden daha temiz. Bir metreküp havada kaç toz parçacığı olabileceğini tanımlayan bir sınıflandırma var. Fab 18'in temiz odaları, bu ölçeğin en üst basamağında çalışıyor. Kabaca bir insan saçı kalınlığının binde biri kadar bir parçacık bile, bir çipin tamamını hurdaya çevirebilir.

Peki bu kadar hassas bir ortamda üretim nasıl ölçekleniyor? Cevap, ölçeğin kendisinde değil, akışkanlıkta. Fab 18'in temiz odaları, ISO 1 sınıfına yakın bir bantta tutuluyor. Bu, bir metreküp havada 0,1 mikrometreden büyük parçacık sayısının onu geçmediği anlamına geliyor. Standart bir hastane odası ISO 7 sınıfında çalışır, yani aynı hacimde kabaca on bin kat daha fazla parçacık barındırır. Aradaki fark, filtreleme değil, hava akışının mimarisi.

Temiz odanın havası, aşağıdan yukarıya doğru tek yönlü akıyor. Tavan, filtreyle kaplı. Zemin, delikli panellerden oluşuyor. Hava sürekli aşağı itiliyor, parçacıkları beraberinde sürüklüyor. Bir metrekarelik alandan saniyede yaklaşık 0,5 metre hızla geçen bu akış, insan vücudundan dökülen deri hücrelerini bile yatay olarak taşımıyor. Peki bu akışı kim yönetiyor?

Fabrika içindeki her taşıma, raylı bir sistemle yapılıyor. İnsanlar temiz odada yürürken bile belirli koridorlarda kalıyor. Bir dilim, bir işlem istasyonundan diğerine giderken kapalı bir kapsül içinde taşınıyor. Kapsüllerin içindeki ortam, temiz odadan da temiz. Çünkü asıl kritik olan, dilimin yüzeyi. Fab 18'de bir dilimin bir uçtan diğerine yolculuğu, kabaca üç ay sürüyor ve bu süre boyunca yüzlerce işlem adımından geçiyor.

Üç aylık yolculuğun ilk adımı, ısıl oksidasyon. Dilim, kabaca 1.000 santigrat dereceye ayarlanmış bir fırında oksijenle buluşuyor ve yüzeyinde birkaç nanometre kalınlığında silisyum dioksit tabakası büyüyor. Tabakanın kalınlığı, sonraki tüm kapıların yalıtımını belirliyor. Kalınlık on nanometrenin üstüne çıkarsa transistör yavaşlıyor, beş nanometrenin altına inerse yalıtım sızdırıyor. Bant, kabaca iki nanometre genişliğinde. Peki bu kadar ince bir tabakayı hangi ölçüm yakalıyor?

Optik reflektometri, tabakadan yansıyan ışığın girişim desenini okuyarak kalınlığı atom katmanı hassasiyetinde veriyor. Her dilimde bu ölçüm, süreç boyunca yüzlerce kez tekrarlanıyor. Bir sapma tespit edilirse, dilim hattan çıkarılıyor ve ölçüm verisi merkezi bir süreç kontrol sistemine işleniyor. Sistem, aynı sapmanın diğer makinelerde de başlayıp başlamadığını izliyor. Böylece tek bir dilimin hatası, partinin tamamını kurtarabiliyor.

Işığın dalga boyu, çipin kaderi

Bir transistörün ne kadar küçük olabileceğini, onu çizen ışığın dalga boyu belirliyor. Litografi denen bu işlem, aslında bir fotoğrafçılık. Işık, üzerinde devre deseni olan bir maskeden geçiyor, sonra silisyum dilimin üzerindeki ışığa duyarlı kimyasal tabakaya düşüyor. Desen ne kadar ince olursa, çip o kadar küçük ve o kadar hızlı oluyor.

Fab 18'in kilit teknolojisi, aşırı morötesi litografi. İngilizce kısaltmasıyla EUV. Işığın dalga boyu 13,5 nanometre. Karşılaştırma için, görünür ışığın dalga boyu 400 ile 700 nanometre arasında. Yani EUV, gördüğümüz ışıktan otuz kat daha ince bir kalemle yazıyor.

Kalemi üretmek için, erimiş kalay damlacıkları saniyede elli bin kez lazerle vuruluyor ve plazmaya dönüştürülüyor. Her damla, bir saç telinden küçük. Damlaların çapı, kabaca 25 mikrometre. Lazer darbesi, damlayı iki kez vuruyor. İlk darbe damlayı yassı bir disk haline getiriyor, ikinci darbe onu plazmaya çeviriyor. Plazma, saniyenin milyarda biri kadar bir süre parlıyor ve o kısa anda 13,5 nanometrelik ışık salıyor.

Peki bu ışık nasıl yönlendiriliyor? Cevap, bir tür optik labirentte. Işık kaynağından çıkan fotonların sadece küçük bir kısmı dilime ulaşıyor. Geri kalanı, aynalar arasında kayboluyor ya da emiliyor. Bir EUV makinesinin ışık verimi, kaynaktan dilime kadar yüzde birin altında kalıyor.

Yani üretilen her yüz fotonun ancak biri işe yarıyor. Düşük verim, makinelerin neden bu kadar büyük ve pahalı olduğunu açıklıyor.

Düşük foton verimini telafi etmek için, kaynak tarafında ışık üretimi sürekli çalışıyor. Kalay damlası jeneratörü, saniyede binlerce damlayı lazerle karşılıyor ve plazma sabit tutuluyor. Sistemin bir saatte ürettiği ışık enerjisi, dilim üzerinde ancak birkaç on milijoule'lük doz oluşturuyor. Sensör üzerindeki ışığa duyarlı kimyasal tabaka, bu dozu tam olarak yakalamak zorunda. Doz yüzde bir saparsa, çizilen çizgi genişliği birkaç nanometre kayıyor. Kayma, transistörün eşik gerilimini değiştiriyor ve çipi işe yaramaz hale getiriyor.

EUV makinesinin çalışma ritmi de bu yüzden dakikada yaklaşık 170 dilim civarında. Bu, bir dilimin makinede geçirdiği sürenin kabaca üçte bir saniye olduğu anlamına geliyor. Ama her dilim, aynı odada onlarca kez dönüyor. Çünkü tek bir EUV katmanı, tipik bir mantık çipinin sadece birkaç katmanını çiziyor. Geri kalan katmanlar, daha eski ve daha ucuz derin morötesi litografi makinelerinde üretiliyor. Fab 18'in kimyası, pahalı ve ucuz makineleri aynı hatta harmanlamak üzerine kurulu.

Aynalar neden bu kadar pürüzsüz

EUV ışığı, bildiğimiz merceklerden geçemiyor. Cam onu yutuyor. O yüzden tüm optik sistem, içi boş bir tüpte, sırayla dizilmiş onlarca aynadan oluşuyor. Her ayna, molibden ve silisyumun atom katmanlarıyla kaplanmış. Yüzey pürüzlülüğü, bir atomun yarıçapından küçük olmak zorunda. Almanya'nın bir kasabasında, sadece birkaç şirketin üretebildiği bu aynalar, tek başına bir uçak fiyatına satılıyor.

Bir aynanın yüzeyi, kabaca 50 çift molibden-silisyum katmanıyla kaplanıyor. Her çift, yaklaşık 7 nanometre kalınlığında. Katmanların kalınlığı, ışığın dalga boyunun yarısına denk gelecek şekilde ayarlanıyor. Böylece her katman, gelen ışığın bir kısmını yansıtıyor ve yansımalar birbirini güçlendiriyor. Tek bir aynanın yansıtma verimi, yüzde yetmiş civarında. On ayna kullanan bir sistemde bu verim, yüzde üçe kadar düşüyor. İşte bu yüzden aynaların sayısı, doğrudan maliyeti belirliyor.

Işık, aynalar arasında gidip gelirken havayla bile temas edemiyor. Çünkü hava, EUV'u emer. Tüm sistem vakum altında çalışıyor. Bir litografi makinesinin içindeki basınç, uzay boşluğuna yakın bir değerde tutuluyor. Kabaca 10 üzeri eksi 7 milibar civarında. Basıncı korumak için, makinenin içindeki tüm hareketli parçalar, yağsız yataklarla çalışıyor. Yağ molekülleri bile optik yüzeye yapışıp verimi düşürebiliyor.

Makinelerin her biri, bir otobüs büyüklüğünde ve yaklaşık iki yüz milyon dolar civarında. Fab 18'de bu makinelerden onlarca var. Peki bu makinelerin verimi ne?

Aynaların yüzeyine düşen ışığın bir kısmı, yansımadan önce yüzeyde ısıya dönüşüyor. Her ayna, üzerine düşen enerjinin kabaca yüzde otuzunu emiyor ve ısınıyor. On aynalı bir sistemde bu ısı, optik elemanların geometrisini değiştirecek kadar yüksek oluyor.

O yüzden aynaların arkasında, sıvı soğutma kanalları var. Sıcaklık bir derece saparsa ayna yüzeyi genleşiyor ve odak kayıyor. Odak kayması, dilim üzerindeki deseni birkaç nanometre bulanıklaştırıyor. Bulanıklık, kritik boyutların tutturulamaması demek.

Optik sistemin tamamı, dünyanın en hassas titreşim izolasyon platformlarından biri üzerinde duruyor. Fabrika tabanı, zemin titreşimini birkaç nanometreye kadar bastıracak şekilde inşa ediliyor. Yakındaki bir kamyonun geçişi bile, izole edilmemiş bir platformda ölçülebilir bir kaymaya yol açıyor. O yüzden EUV makineleri, fabrikanın en iç katmanında, yer altı suyu akışından ve trafik yollarından uzakta konumlandırılıyor.

Verim, çipin gerçek fiyatı

Bir silisyum dilimin üzerine yüzlerce çip sığdırılıyor. Ama hepsi çalışmıyor. Çalışanların oranına verim deniyor. Yeni bir üretim teknolojisinin ilk aylarında bu oran yüzde ellinin altına düşebiliyor. Zamanla, süreç parametreleri ayarlandıkça yüzde doksanın üzerine çıkıyor. Fab 18'in ürettiği en gelişmiş çiplerde, olgunlaşma süreci aylar alıyor.

Verimin neden bu kadar dalgalandığını anlamak için, bir dilimin üzerindeki çip sayısına bakmak gerekiyor. 300 milimetre çapındaki bir dilim, üzerine yüzlerce çip sığdırılabilecek bir alan sunuyor. Bir 5 nanometre çipin alanı, kabaca 100 milimetrekare civarında. Durumda bir dilimden teorik olarak yaklaşık 600 çip çıkıyor. Ama dilimin kenarlarına yakın çipler, genelde kusurlu oluyor. Çünkü litografi, dilimin merkezinde daha keskin çalışıyor.

Verim kaybının büyük kısmı, rastgele kusurlardan geliyor. Bir metrekarelik silisyumda kaç kusur olduğunu tanımlayan bir ölçü var. Kusur yoğunluğu, olgun bir süreçte santimetrekare başına 0,1'in altına iniyor. Ama yeni bir teknolojide bu sayı, on kat yüksek olabiliyor. Kusur yoğunluğu arttıkça, verim üstel olarak düşüyor. Yani kusur sayısındaki küçük bir artış, çalışan çip sayısında büyük bir kayba yol açıyor.

Her dilim, üretim hattında yaklaşık üç ay geçiriyor. Sürede yüzlerce işlem adımından geçiyor. Her adımda sıcaklık, basınç, süre ve kimyasal konsantrasyon hassas bantlarda tutulmak zorunda. Bir adımda sapma olursa, tüm dilim çöp oluyor. Örneğin bir tavlama adımında sıcaklık, kabaca 1.000 santigrat dereceye çıkıyor. Sıcaklığın birkaç derece sapması, transistörün eşik gerilimini kaydırıyor ve çipi işe yaramaz hale getiriyor.

O yüzden fabrikalar, hata tespitini gerçek zamanlı yapıyor. Her dilimin üzerinde, süreç boyunca ölçüm yapılan test yapıları var. Yapılar, dilimin kenarındaki küçük kareler halinde duruyor. Süreç tamamlandığında, bu kareler elektriksel olarak test ediliyor. Bir sapma tespit edilirse, aynı partideki tüm dilimler karantinaya alınıyor. Peki bu kadar hassasiyet neden bu kadar pahalı?

Çünkü verim kaybı, sadece hatalı çiplerin maliyeti değil. Aynı zamanda hattın durması. Bir parti karantinaya alındığında, onu takip eden partiler de bekliyor. Fabrika içindeki her bekleme, makinelerin boş kalması demek. Bir EUV makinesinin saatlik işletme maliyeti, kabaca binlerce dolar. Yirmi dört saatlik bir duruş, milyonlarca dolarlık üretim kaybı yaratıyor.

O yüzden fabrikalar, hata tespitini süreç içine gömüyor. Her ölçüm, bir sonraki adımın ayarını besliyor. Süreç kontrolü, üretimin kendisi kadar pahalı bir disiplin haline geliyor.

Piyasa Hafızası - 2020, Fab 18'in açılışı

2020 yılında TSMC, Fab 18'in ilk fazını devreye aldı. Tesis, 5 nanometre üretim teknolojisiyle başladı. Aynı yıl, dünya pandeminin ortasında çip talebinin patladığı bir döneme girdi. Fab 18, Apple'ın yeni nesil işlemcilerinin üretildiği yer oldu. Tesisin inşası, Tayvan'ın güneyinde yeni bir sanayi ekosistemi doğurdu. Binlerce mühendis ve teknisyen bölgeye taşındı.

Fab 18, sadece bir fabrika değil, bir şehir gibi çalışmaya başladı. Açılış, küresel çip tedarik zincirinin merkezini Tayvan'a daha da bağladı.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. Verim yüzde doksandan yüzde elliye düşerse, çip başına ham maliyet iki katına çıkar. Aynı fabrika, aynı makineler, aynı işçilik. Değişen tek şey, süreç kontrolünün kalitesi. İşte bu yüzden fabrikalar, verim için milyarlarca dolar harcıyor.

Üç katmanlı okuma

Birincisi, çip üretimi bir ölçek oyunu. Küçük bir fabrika, aynı teknolojiyi kullansa bile rekabet edemiyor. Çünkü maliyet, hacimle düşüyor. Fab 18'in büyüklüğü, onu sadece bir üretim yeri değil, bir maliyet avantajı makinesi yapıyor.

İkincisi, tedarik zinciri tek bir coğrafyaya bağlı. EUV makineleri Hollanda'dan, aynalar Almanya'dan, tasarım ABD'den geliyor. Ama üretim Tayvan'da. Bağımlılık, hem verimlilik hem kırılganlık demek.

Üçüncüsü, verim bir mühendislik meselesi değil, bir zaman meselesi. Yeni bir teknoloji, ilk günden kar getirmiyor. Aylarca ayar, ölçüm, düzeltme gerekiyor. Fab 18'in değeri, bu sabrı ölçekleyebilmesinde.

Bir çip fabrikası, aslında bir zaman makinesi. İçine kum giriyor, dışına hesaplama gücü çıkıyor. Aradaki fark, sabırla ölçülen bir mesafe.