1970年，一位IBM中層經理的愿景：在一天內制成一塊芯片。

1970年，威廉?E.“比爾”?哈?。╓illiam E. "Bill" Harding）設想了一條完全自動化的晶圓生產線，可在不到一天的時間里生產出集成電路（IC）。這一目標不僅在54年前顯得極為大膽，對今天價值數十億美元的芯片制造廠來說也堪稱激進，因為高級集成電路制造通常需要數周時間，而不是幾天。那時，隨機存取存儲器（RAM）芯片等集成電路的生產通常需要一個月的時間，走走停停，經過在幾十個人工工作站。

那時，哈丁是IBM制造研究小組（位于紐約州東菲什基爾）的負責人。當時，他領導的一個項目致力于將愿景變為現實。這個項目被稱為“SWIFT”，這個名字在今天已幾乎無人知曉。要想實現如此短的制造周期，需要一定水平的自動化，而這種自動化只能通過徹底改變集成電路生產線設計來實現。哈丁及其團隊成功實現了這一目標，他們取得的進步最終在全球半導體行業中得到體現。SWIFT項目的許多突破性創新成果已成為今天高度自動化的芯片制造廠的常規做法，但SWIFT所創造的驚人短周期至今無人能及。

SWIFT項目完成一層制造工藝平均需要5小時，而最快的現代晶圓廠完成一層工藝需要19小時，行業平均時間為36小時。雖然今天的集成電路制造層數更多，晶圓也更大，尺寸接近小型披薩，且加工過程更復雜，但這些因素并未完全彌補這個差距。哈丁的自動化生產線真的非?？臁?/p>

我第一次遇到哈丁是在1962年，當時我很希望那是最后一次。IBM那時正在準備生產第一臺全固態計算機——System/360。那次會面有些不順。在我演示如何成批自動化處理測試和分類未封裝的微小半導體芯片時，他沖我怒吼道：“這到底有什么用？”

哈丁是一位創新的思想家和發明家。1961年，他已在IBM從事半導體及其制造技術的開發工作三年，IBM成立了新的元器件部門，哈丁成為新部門的中層管理者，負責開發和生產用于制造System/360固態設備和電路模塊的設備。

作為一名IBM經理，哈丁有些粗枝大葉。但這或許可以理解。他出生在紐約布魯克林，在喬治?S.巴頓（George S.Patton）將軍的第三軍服役，并在第二次世界大戰中三次受傷。戰爭結束后，哈丁獲得了數學和物理學的學士和碩士學位，并成為IEEE會員。

我于1961年加入IBM，之前在通用電氣公司從事火箭發動機的開發工作。和大多數工程師一樣，那時的我對半導體制造一無所知。再往前五年，我上過一門真空管電子課程，教授曾形容晶體管是“實驗室里的珍品，或許永遠成不了氣候”。

每次和哈丁碰面，他略顯粗魯的做派都彰顯無疑。我懷疑他是否上過IBM的“魅力學?！保ü芾砼嘤枺辽倏床怀鲇惺裁瓷线^的痕跡。盡管如此，在完成任務方面，他是成功的。1964年，System/360的固態邏輯模塊開始從元器件部門新建工廠流出，新建工廠位于東菲什基爾，原先是個農場。

1970年7月，我結束了三年的研究生學習，回到了IBM。在這段學習經歷之前，我曾在IBM擔任四年的初級管理職務，我不想再做管理工作，希望從事純技術工作，于是加入了東菲什基爾的制造研究（MR）小組。

我和哈丁再次相遇。1970年8月中旬，他成了MR小組的最高負責人。在此之前，他花了一年時間為IBM制定未來超大規模集成（VLSI）電路的生產和使用戰略。他受命接管MR小組就是為了證明他的制造概念的可行性。

在MR小組宣布這一管理變動的全體員工會議上，哈丁介紹了他對未來超大規模集成電路應用和制造的看法。他提出的要點如下：

• 超大規模集成電路將基于場效應晶體管技術（當時，雙極性結型晶體管占主導地位）；

• 高產且無瑕疵至關重要；

• 制造過程將完全自動化；

• 最佳結果是一次加工一片晶圓；

• 縮短生產時間將帶來重要的收益；

• 成功復制生產線，增加產量。

在這場教育講座之后，哈丁從“教授”轉變為“指揮官”，就像巴頓將軍一樣。MR小組的唯一使命就是驗證哈丁的理念，任何與此目標不相符的項目將被轉移到IBM的其他部門或者直接放棄。MR小組的目標是證明，所構建的自動化系統每天可處理大約100片晶圓，一次加工一片，產量高且生產周期為一天。

什么？我沒聽錯吧？從裸晶圓到成品電路的生產周期為一天，這在今天看來就像登月一樣難。要知道，當時的生產周期通常在一個月以上。哈丁是認真的嗎？

哈丁知道這在理論上是可能實現的，因此決心要做到這一點。他宣稱，如果能夠在一天（而不是幾個月）內生產出集成電路設計的試驗原型，那么IBM將擁有巨大的競爭優勢。他希望電路設計師在向生產線提交數字描述后，第二天就能拿到可測試的電路。

哈丁立刻在MR小組內部組建了一個設備組和一個工藝組，并指派我負責設備組。我原本不想再做管理工作，但現在只好勉強接受，成為了一個二級經理，負責開發制程和晶圓處理需要的所有設備，用于一條尚未定義、我甚至還沒有形成設想的生產線。我夢想中的研究工作僅持續了一個多月。

沃爾特?J.“沃利”?克萊因（Walter J. “Wally” Kleinfelder）被調到MR小組負責管理工藝組。工藝組負責選擇要制造的產品，并定義制造工藝，也就是從空白硅晶圓開始，通過一系列化學、熱和光刻步驟，以高產率在晶圓表面制造集成電路的詳細步驟。

克萊因選擇了隨機存取存儲器芯片IBM RAM II作為我們的論證產品。這款產品是在美國東菲什基爾工廠現場生產的，因此我們可以利用所有的現有資源來制造它，并將我們的結果與現有的非自動化生產線結果進行比較。

集成電路制造的第一步是在硅晶圓表面的適當位置創建晶體管和其他元件，然后添加一層鋁薄膜，通過選擇性蝕刻制作所需的布線圖案，并將它們連接起來。這層導體薄膜被稱為布線層或金屬化層。

集成電路制造工藝利用影印光刻技術來制造一個集成電路所需的許多層，每一層都有獨特的圖案。其中包括金屬布線層，現在的高級芯片可能有十幾個金屬布線層。在這些步驟中，晶圓上的金屬布線層被涂上了一層光敏光刻膠材料，然后將圖案的影像曝光到該材料上，遮擋要形成導線的區域。圖像顯影后，在被曝光的區域去除光刻膠，這些區域將被酸蝕刻，其余區域仍由耐酸的光刻膠保護。蝕刻完成后，去除剩下的保護光刻膠，只留下所需圖案的布線層。

集成電路制造工藝還用光刻技術在硅晶圓上制作晶體管和其他元件。在這個過程中，絕緣層上被蝕刻出孔洞，少量的特定雜質可以通過這些孔洞注入純硅的暴露點，改變其電氣特性。制造RAM-II集成電路需要使用4種不同的圖案，進行4次不同的光刻操作：其中3種用于創建晶體管和其他元件，1種用于創建金屬布線層。要成功制造芯片，這4種圖案必須完全對準。

然而，光刻只是集成電路制造過程的一部分。在現有的生產線中，加工一片RAM-II晶圓通常需要幾周時間，而實際的加工時間（即晶圓在各個熱處理、光刻、化學和沉積站的實際加工時間）不到48小時。晶圓的大部分時間花費在了等待下一個加工步驟上。而且，如果晶圓能迅速從一個步驟進入到下一個步驟，一些步驟完全可以被省略，特別是化學清洗步驟。

克萊因組的責任是確定哪些步驟可以省略，哪些步驟可以加快。最終，實際加工時間被壓縮到不到15小時。接下來，我們組負責化學設備開發的毛昂?圖（Maung Htoo）經理開始對提出的工藝進行測試。他的團隊將直徑1.25英寸的晶圓推入實驗室，使用各種設置對工藝進行評估和改進。經過簡化的工藝程序成功在約15小時內生產出了可以工作的電路，達到了預期目標。

自動化系統架構變成了現實。我們最初設想的是一系列相連的機器，每臺執行一個工藝步驟，就像汽車生產線那樣。但是，還要考慮到設備進行預防性保養和維修的停機時間。為此，我們在工序鏈的特定點插入了短期存儲“緩沖區”，必要時將晶圓暫時存儲在那里。

但考慮到光刻圖案成像，這個工序鏈的概念后來被顛覆了。當時，晶圓曝光光刻膠一般采用類似于接觸印相的工藝。光刻掩模相當于照相底片，當曝光光刻膠時，光線會照射在光刻掩模上。掩模上的任何缺陷或顆粒都會在芯片同一位置形成相應的缺陷，影響一片又一片晶圓。

東菲什基爾的光刻組開發了一種按照10:1比例縮小的非接觸式步進重復圖像投影儀。可以把它想象成一種幻燈片投影儀，能夠投影出包含芯片單層圖案的縮小圖像。然后，它會“步進”穿過晶圓，每次曝光一個芯片位置。與接觸式掩模相比，這種光刻機的顆粒污染敏感度更低，因為任何雜散顆粒的陰影都將被以10:1的比例縮小。其他優點還包括更高的光學分辨率和更長的掩模壽命。

但由于速度較慢，為了達到產量目標，需要使用多臺光刻機。在進行多重圖案曝光時，為了確保每片晶圓上的圖案達到最佳對準精度，在工藝鏈中的每一層曝光時，需要將晶圓送回同一臺光刻機，這可以消除不同機器之間的細微差異引起的圖像失真影響。在制造RAM-II電路時，晶圓需要分4次前往指定的光刻機，如此便將線性流程分成了5個區域。單軌“出租車”負責把晶圓從一個加工區域運輸到指定的光刻機，稍后再返回來將其送往下一個區域。

這5個區域中的每一個區域都可被設想為一個封閉空間，其中包含完成工序鏈中的每個環節所需的所有自動化晶圓加工和處理設備。這些封閉區域及“出租車”系統將為晶圓提供潔凈室級別的局部環境。在每個封閉區域內，晶圓通常會從濕化學艙進入微型爐，再到光刻膠應用艙，最后到達“出租車”上車點。例如，晶圓將在濕化學艙中經歷清洗、光刻膠顯影與光刻膠去除，以及蝕刻等步驟。

整條生產線的控制分為3個層級。生產線的整體管理、記錄保存、“出租車物流”和過程監控由一個中央計算機系統處理。每個區域均有專門的控制器，負責管理區域內的晶圓“物流”，并將晶圓的運輸情況和加工數據傳輸到中央系統。每個封閉區域內部的加工和晶圓處理艙都有專門的控制系統，按需進行獨立設置和維護。

最終配置完成后，RAM-II芯片自動化生產演示線將包括5個區域、1臺“出租車”和1個光刻圖案成像中心，均由計算機管理。哈丁接管工作6個月后，MR小組開始設計和建造實際的系統。

哈丁頻繁前往IBM紐約阿蒙克總部匯報進展，申請資源，回應挑戰，并說服高層管理人員相信花費的項目資金是對未來的一筆良好投資。這是一項艱巨的任務。他召開的員工周例會時間都特別長，常常反映出他所承受的壓力。他會就一些他明知我們已經了解的事情發表長篇大論，說一些寓言故事，還會旁征博引、類比闡釋。

那時，我并沒有意識到他是在用員工會議來形成和完善他在阿蒙克的演講思路。他會注意我們的反應，并據此對他的演講思路作出相應調整。他對高層的演講介紹非常有效。在整個項目期間約3年的時間里，MR小組獲得了開發、設計、建造和運營整個系統所需的所有資金和支持。

在一次員工會議上，哈丁大聲朗讀了海伍德?布魯恩（Heywood Broun）的短篇故事《第51條龍》，強調一個名字或口號是激勵人們達成不可能目標的力量。當然，他的意思是，我們需要為項目起一個非常好的名字，最終我們選擇了“SWIFT”。哈丁始終強調這不是一個首字母縮略詞，但人們還是認為它是“Semiconductor Wafer Integrated Factory Technology”（半導體晶圓集成工廠技術）的縮寫。

SWIFT的加工和晶圓傳送設備完全由IBM的元器件部門定制設計。主要設計目標是自動、一致、均勻地加工晶圓，并保持晶圓干凈和無損傷。晶圓處理實驗找出了最清潔、最溫和的技術。傳送設備的設計目的是支撐晶圓而不是抓住晶圓。一種新型晶圓送料器利用晶圓上方的氣流將晶圓抬起，不需要物理接觸，成功地用于部分晶圓轉送。

SWIFT晶圓處理設備的“清潔和溫和”設計有一個例外。位于佛蒙特州伯靈頓的組件部門管理層向哈丁施壓，要求使用他們開發的“氣軌”晶圓運輸設備。這款設備利用氣流抬起和移動晶圓，原理類似于桌上冰球游戲的冰球。哈丁需要伯靈頓的持續支持，因此他下令在SWIFT中使用一些氣軌設備。而且確實這樣做了，盡管晶圓污染和可靠性問題尚未解決。

另一項自上而下的命令解釋了為什么SWIFT最終使用了兩種不同的區域控制系統——這與良好的可維護性設計截然相反。定制控制器設計好了，而且5個單元正在制造（每個區域一個），這時，總部要求我們采用剛剛發布的IBM System/7，一款專為工廠設備和過程控制應用開發的系統。畢竟，如果IBM自己都不在先進生產線上使用System/7，潛在客戶就會問“為什么不用呢？”如果SWIFT使用System/7并取得了成功，這將有助于System/7的銷售。因此，SWIFT最終為5個區域分別配備了4個定制控制器和一個System/7系統，兩者都表現得不錯。

設備可靠性是SWIFT的致命弱點。為了提高可靠性并易于維護，在整個系統使用中，我們選擇了對某些機制和控制裝置標準化，選擇的標準是可靠性和簡易性，而不是新穎性或優雅性。比如，觀察系統運行的人會發現，許多動作是通過離散的平穩步進來完成的，而不是單一的穿越。該特性基礎的是廣泛使用的簡單、穩健且可靠的日內瓦驅動器，它最早是幾百年前為時鐘設計的，但現在經過改進，也適用于必須平穩且終點精確鎖定的線性和旋轉運動。輕松控制日內瓦驅動器的輸入軸轉動一圈，就走一步。長距離的穿越需要輸入軸轉動多圈，導致移動看起來很怪異。

另一項簡化設計是旋轉晶圓，利用離心力擴散滴在晶圓中心的液態光刻膠。在現有的生產線中，“錯誤的旋轉速度”常被認為是造成與光刻膠相關的晶圓加工不合格的原因。通過使用同步交流電動機，利用60赫茲的交流電源將SWIFT的旋轉器鎖定在每分鐘3600轉，就像驅動留聲機轉盤一樣，旋轉速度不再是一個變量。也不再需要速度控制器。通過調整溫度、粘度和/或旋轉時間等其余變量，可實現所需的光刻膠薄膜厚度。去除4個獨立的速度控制器后，系統可靠性最終得到了提高。

隨著SWIFT從構想到實際的硬件實施，哈丁調整了MR的組織架構，并獲得了支持團隊的合作。他確保團隊擁有完成工作的資源，并能專注于項目。這讓我對他的組織能力和從公司內部挑選和招募頂尖人才的能力產生了深深的敬佩。

哈丁建立了一個團隊來開發SWIFT的主控系統，負責實時監控每一片晶圓在各個區域的進度。該執行控制系統（ECS）基于IBM 1800。每片晶圓都有一個序列號，在生產線上的每一步都能跟蹤到。執行控制系統存儲和監控著每片晶圓的工藝參數，能夠快速發現并應對不符合規格的情況。雖然系統使用的打孔卡和磁帶盒現在看起來都已過時，但在當時，這是晶圓生產線在生產控制和監控方面的一大進步。

他還將山姆?坎貝爾（Sam Campbell）領導的整個儀器部門從恩迪科特遷移到了東菲什基爾?？藏悹柕牟块T隨后為SWIFT開發了開創性的實時現場過程控制方法。

我們還搭建和測試了熔爐和化學處理器實體模型。羅伯特?J. 斯特勞布（Robert J. Straub）的部門隸屬于東菲什基爾制造工程小組，他們設計并建造了5個區域及其內部的工藝設備構件。哈丁還邀請了比萬?P. F. 吳（Bevan P.F. Wu）來管理生產線的安裝、調試和運營工作。隨著各項設備和設施集合到SWIFT 375平方米的專用空間，在比萬?P. F. 吳的領導下，曾負責管理一部分區域設計和真空金屬沉積設備開發工作的羅爾夫?H. 布魯納（Rolf H. Brunner）承擔了設備安裝、啟動和調試的任務。

整個過程中只有一個操作未能實現完全自動化：晶圓對準。將圖案曝光在光刻膠上，這項工作仍然依賴訓練有素的操作員。在最終的系統中，SWIFT既有一臺10:1的光學光刻機，也有一臺1:1的接觸式掩模機，但在實際工作中，大多數芯片是由1:1機器生產的，因為這種方法產量高。

到了1973年底，IBM總部已經確信全自動化的晶圓加工可以成功實現，因此將這一目標確立為新的晶圓加工線的主要目標，為IBM下一代計算機“FS”（未來系統）制造電路。這條新加工線被命名為“FMS”（未來制造系統），SWIFT則被更名為“FMS可行性驗證線”。

比萬?P. F. 吳成功地管理了生產線的建成、測試運行、人員培訓，以及設備、工藝和程序的改進。他將生產線提升到可以為IBM產品生產電路的水平。從1974年中期到1975年初，系統完成了5次連續運行。在運行間隙，他的團隊會分析結果和實施改進。最長的一次連續運行持續了12天。晶圓的平均產量為每天58片，達到了最大設計產量的83%。從輸入裸晶圓到輸出可測試電路的平均生產周期約為20小時，其中實際加工時間為14小時。最終，其產量與東菲什基爾傳統的RAM-II生產線所達到的最好水平相當。

共有135名來自IBM全球各工作地的技術人員、工程師和管理人員接受了這個系統的操作培訓。他們生產了600片產品級質量的晶圓，包含1.7萬個RAM-II場效應晶體管存儲芯片。

就像二戰指揮官巴頓將軍那樣，哈丁未能領導“大戲出演”，即建立FMS自動化生產線。他離開了管理崗位，被提升為IBM院士。在IBM，這是最高級別的非管理崗位。

原名SWIFT的FMS可行性驗證線于1975年初進行了最后一次連續運行，完成了所有目標。隨后需要其團隊成員幫助建設生產FS計算機的FMS生產線。然而，在1975年晚些時候，FS項目被取消，FMS生產線變得多余。部分原計劃用于FMS的設備被重新用于東菲什基爾的QTAT（快速周轉）生產線，該生產線成為IBM的一大標志性成果，知名度遠超其鮮為人知的前身SWIFT項目。

盡管SWIFT項目的生命很短暫，并未受到太多關注，但其許多創新成果在今天的半導體工廠中清晰可見。如同SWIFT一樣，這些工廠高度自動化，由計算機控制；采用了中央運輸系統和“伯努利”處理器（利用氣流抬起晶圓，不需要物理接觸）；在氧化物或金屬膜形成后立即涂光刻膠；使用光刻機進行光刻圖案曝光；采用實時過程控制。這些正是50年前SWIFT項目的開創性成果。

對我而言，在哈丁手下為SWIFT項目工作的三年是一次變革性體驗，從最初的驚恐不安到最終的由衷欽佩，我認為哈丁是一位真正的天才，有他自己獨特的方式。在他獨特管理風格的激勵和支持下，一個敬業的團隊完成了遠超最初設想的目標，甚至超出了我們自己的想象。

行業里的第一批成功者往往被稱為某某發明“之父”，愛迪生、貝爾、福特和萊特兄弟皆是如此。從這個意義上說，哈丁顯然可以稱得上是價值數十億美元的現代自動化晶圓廠“之父”。

文章來源于 悅智網 ，作者 Jesse Aronstein

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