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來源：內容編譯自IEEE，謝謝。
1970 年，比爾·哈丁 (Bill Harding)設想了一條全自動晶圓生產線，該生產線可在不到一天的時間內生產出積體電路。這一目標不僅在 54 年前是大膽的，即使在今天價值數十億美元的晶圓廠中也堪稱大膽，因為先進積體電路的製造時間以周而不是天來計算。當時，諸如隨機存取儲存器晶片之類的積體電路通常需要經過數十個手動工作站，在一個月內走走停停地生產出來。
當時，哈丁是位於紐約州東菲什基爾的 IBM 製造研究小組的經理。他將領導一個如今幾乎無人知曉的、旨在實現其願景的專案，該專案被稱為 SWIFT 專案。要實現如此驚人的短週轉時間，需要一定的自動化水平，而這隻有透過積體電路生產線設計的正規化轉變才能實現。哈丁和他的團隊做到了這一點，他們取得的進步最終將反映在全球半導體行業。SWIFT 的許多突破性創新如今在高度自動化的晶片製造廠中已司空見慣，但 SWIFT 令人難以置信的短週轉時間從未被超越。
SWIFT 平均需要 5 小時才能完成其製造工藝的每一層，而最快的現代晶圓廠每處理一層需要 19 小時，行業平均時間為 36 小時。儘管當今的積體電路採用更多層構建，晶圓尺寸更大（小比薩餅大小），而且處理過程也更復雜，但這些因素並不能完全彌補差距。哈丁的自動化生產線確實非常快。
半導體制造宣言
我（指代本文作者，下同Jesse Aronstein）第一次遇到哈丁是在 1962 年，當時我本以為這是最後一次。當時 IBM正準備生產其首臺全固態計算機System/360。這次會面有些坎坷。當我演示如何自動批次處理未封裝的微型半導體晶片進行測試和分類時，他對我吼道：“這到底有什麼用？”
威廉·E·（“比爾”）·哈丁是一位創新思想家和發明家。1961年， IBM 新成立的零部件部門成立時，他已經在 IBM 工作了三年，從事半導體及其製造技術開發。哈丁成為新部門的中層經理，負責開發和生產製造 System/360 固態裝置和電路模組所需的裝置。
作為 IBM 經理，他有點粗魯。但對於一個在紐約布魯克林長大、在喬治·S·巴頓將軍的第三軍服役期間在二戰中三次受傷的人來說，這也許是意料之中的事。戰後，哈丁獲得了數學和物理學學士和碩士學位，併成為 IEEE 會員。
1961 年，我加入 IBM，之前在通用電氣從事火箭發動機開發工作。和當時的大多數工程師一樣，我對半導體制造一無所知。五年前，我參加了一門真空管電子學課程，教授將電晶體描述為“一種實驗室奇觀，可能永遠不會有任何成就。”
SWIFT 專案佔據了 IBM 龐大的東菲什基爾半導體工廠 310 號樓的一小塊空間（圖中黃色部分）
每次我和哈丁相遇，他粗魯無禮的舉止都會浮現出來。如果他曾經上過 IBM “魅力學校”（管理培訓），那也看不出有什麼明顯的證據。儘管如此，他還是成功完成了任務。到 1964 年，System/360 的固態邏輯模組從位於東菲什基爾一個前農場的零部件部門新工廠流出。
1970 年 7 月，在完成三年的研究生學習後，我回到了 IBM。在學習中斷之前，我擔任了四年的一級經理，不想再從事管理工作。我想要一份純粹的技術職業，於是我加入了 East Fishkill 的製造研究 (MR) 小組，希望能得到這樣的工作。
後來我和哈丁又有了交集。1970 年 8 月中旬，他成為 MR 的高管。在此之前，他花了一年時間制定 IBM 公司未來製造和使用 超大規模積體電路(VLSI) 的企業戰略。他被任命為 MR 的負責人，以證明其製造理念的可行性。
MR 召開了一次員工大會，宣佈了管理層變動。在介紹之後，哈丁描述了他對未來 VLSI 應用和製造的看法。以下是他的主要觀點：
VLSI 電路將基於場效應電晶體技術（當時雙極結型電晶體占主導地位）；
無缺陷的高產量至關重要；
製造業將完全自動化；
每次處理一塊晶圓可獲得最佳效果；
較短的週轉時間將帶來重要的好處；
透過複製成功的生產線，產量將會擴大。
教育講座結束後，哈丁從教授變成了指揮官，就像巴頓將軍一樣。MR 的唯一使命是展示哈丁的想法，與該目標不符的正在進行的專案將被轉移到 IBM 的其他地方或被放棄。MR 將證明可以構建一個自動化系統，每天處理大約 100 個晶圓，一次一個，產量高，週轉時間為一天。
什麼？我沒聽錯吧？從裸晶圓到成品電路，一天的週轉時間就是我們現在所說的“登月計劃”。記住，當時通常需要一個多月的時間。他是認真的嗎？
哈丁知道這在理論上是可行的，他決心實現它。他宣稱，如果原型實驗 IC 設計能夠在一天內而不是幾個月內生產出來，IBM 將擁有巨大的競爭優勢。他希望電路設計師在將數字描述提交給生產線後的第二天就能擁有可測試的電路。
哈丁立即在 MR 內部組織了一個裝置組和一個工藝組，並任命我負責管理裝置組。我不想再當經理了。現在，我勉強成為了二級經理，負責為一條尚未確定的生產線開發所有的加工和晶圓處理裝置，而我當時幾乎還沒有開始設想這條生產線。我夢想中的研究工作只持續了一個多月。
Walter J. (“Wally”) Kleinfelder調入 MR 負責管理工藝組。他們會選擇要製造的產品並定義製造工藝——獲取空白矽片並在其表面高產地構建積體電路所需的化學、熱和光刻步驟的詳細順序。
克萊因費爾德選擇了隨機存取儲存器晶片 IBM RAM II 進行演示。該產品在東菲什基爾現場生產，因此我們擁有製造該產品所需的一切，並根據現有的非自動化生產線評估我們的結果。
IBM 的 SWIFT 試點晶圓廠擁有一輛單軌“計程車”
積體電路製造首先需要在矽片表面的適當位置製作電晶體和其他元件，然後透過新增一層經過選擇性蝕刻的鋁薄膜來建立所需的佈線圖案，從而將它們連線在一起。這種導體薄膜被稱為佈線層或金屬化層。
IC 製造使用光刻技術來創建制造 IC 所需的多個層，每個層都有獨特的圖案。這些層包括金屬佈線層，如今，一個先進的晶片可能有十幾個金屬佈線層。在這些步驟中，晶圓上的金屬層塗有感光光刻膠材料，然後將圖案的影象曝光在其上。將要形成導體的區域擋住光線。影象顯影后，從曝光的圖案區域去除光刻膠，使這些區域能夠被酸蝕刻。其餘表面仍受到耐酸光刻膠的保護。蝕刻完成後，去除剩餘的保護光刻膠，只留下所需圖案的佈線層。
SWIFT 專案概覽
Project SWIFT 生產線基於五個“區域”。每個區域都是一個封閉的汽車大小的機器，在光刻掩模圖案曝光之間執行所有工藝步驟。除了第一和第五個區域外，晶圓進入一個區域時，光刻膠已曝光，準備顯影；離開該區域時，光刻膠已新鮮，準備進行下一次圖案曝光。計程車將單個晶圓從一個區域運送到光刻圖案曝光站，然後按順序運送到下一個區域。
WIFT 生產線由三級控制系統控制。最高層由一臺 IBM 1800 計算機負責總體管理。它與五個加工區的每個控制器進行通訊，加工區內有加工和晶圓處理子區，其中一些子區有自己的控制器。
IC 工藝還使用光刻技術在矽片上製造電晶體和其他元件。在此，絕緣層上蝕刻出開口，透過這些開口可以將微量的特定雜質注入純矽的暴露點中，以改變電氣特性。生產 RAM-II IC 需要使用四種不同的圖案進行四次單獨的光刻操作：三種用於製造電晶體和其他元件，一種用於製造金屬佈線層。這四種圖案必須完全對齊才能成功製造晶片。
光刻然而，這只是 IC 製造過程的一部分。在現有的生產線上，處理 RAM-II 晶圓需要數週時間。但原始處理時間（晶圓在各種熱、光刻、化學和沉積站實際處理的時間）不到 48 小時。晶圓的大部分時間都花在等待下一個工藝步驟上。如果晶圓從一個步驟快速進展到下一個步驟，則可以省去某些步驟，尤其是化學清洗。
克萊因菲爾德的團隊負責確定哪些步驟可以省略，哪些步驟可以加速。最終的原始工藝時間不到 15 小時。然後， 我的化學裝置開發經理Maung Htoo負責測試提議的工藝。他的團隊將直徑 1.25 英寸的晶圓放入“鍋碗瓢盆”實驗室裝置中，對其進行評估和改進。正如預期的那樣，簡化的程式在大約 15 小時內成功生產出工作電路。
自動化系統架構得以實現。最初設想是一系列相連的機器，每臺機器執行流程的一步，就像汽車裝配線一樣。但必須考慮到裝置停機時間，以進行預防性維護和故障維修。這是透過插入短期儲存“緩衝區”來實現的，這些緩衝區可在必要時將晶圓暫時儲存在工藝鏈中的選定點。
這一工藝鏈概念因與光刻圖案成像 相關的考慮而進一步被顛覆。當時，光刻膠在晶圓上的曝光通常透過類似於照相接觸印刷的工藝完成。光刻掩模相當於照相底片，當曝光光刻膠時，光線會穿過光刻掩模。掩模上的任何缺陷或顆粒都會導致晶片上出現相應的缺陷，在同一個位置，一片又一片晶圓。
東菲什基爾光刻小組開發了一種非接觸式 10:1 縮小 步進重複影象投影儀。可以將其視為一種攝影幻燈片投影儀，可產生縮小的影象，其中包含晶片上單個層的圖案。然後，它“步進”穿過晶圓，一次曝光一個晶片位置。相對於接觸式掩模，步進式光刻機對顆粒汙染的敏感度更低，因為任何雜散顆粒的陰影尺寸都會縮小 10:1。其他優勢包括更高的光學解析度和更長的掩模壽命。
但是，由於速度較慢，因此需要多臺步進機才能達到產量目標。為了在每個晶圓上實現最佳圖案對準以實現多次圖案曝光，需要將晶圓送回同一臺步進機，以對工藝鏈中的每一層進行曝光。這樣可以消除因機器之間的細微差異而引起的影象失真的影響。然後，構建 RAM-II 電路需要晶圓四次單獨前往其指定的步進機。這將線性序列分為五個區段。單軌“計程車”會將晶圓從一個處理區段運送到其指定的步進機，然後再返回將其運送到下一個區段。
設想將五個區域中的每一個區域都設計成一個封閉空間，其中包含完成該工藝鏈部分所需的所有自動晶圓加工和處理裝置。區域封閉空間和滑行艙的設計將為晶圓提供潔淨室質量的區域性環境。在區域封閉空間內，晶圓通常會直接從溼化學模組傳送到微型熔爐，再傳送到光刻膠應用模組，最後傳送到滑行艙的取件口。例如，在溼化學模組內，晶圓將接受清潔、光刻膠顯影和去除、蝕刻等程式。
整條生產線的控制將分三個層次完成。整個生產線管理、記錄儲存、滑行物流和過程監控將由中央計算機系統處理。每個區域均有專用控制器，負責管理區域內的晶圓物流，並將晶圓流量和處理資料反饋給中央系統。每個區域外殼內的各個處理和晶圓處理模組將根據需要擁有自己的專用控制器，以進行獨立設定和維護。
最終配置完成後，我們的 RAM-II 晶片自動化演示線將由五個部門、一輛計程車和一個光刻圖案成像中心組成，全部由計算機管理。哈丁接任六個月後，MR 開始設計和建造實際系統。
傲慢的中層經理從文學中尋找靈感
哈丁經常前往位於紐約州阿蒙克的 IBM 總部，彙報進展、請求資源、反駁挑戰，並說服高層領導，這筆錢是對未來的良好投資。這是一項艱鉅的任務。他每週召開的冗長的員工會議常常反映出他所承受的壓力。他會就他知道我們知道的事情發表長篇大論，講寓言故事，並進行類比。
當時，我並沒有意識到他正在利用員工會議來制定和完善阿蒙克演示的想法。他注意到了我們的反應，並相應地調整了他的演示想法。他向高層領導的演示非常有效。在專案持續約三年的時間裡，MR 獲得了開發、設計、構建和運營整個系統所需的所有資金和支援。
在一次員工會議上，哈丁大聲朗讀了海伍德·布朗的短篇小說《The 51st Dragon》，以強調名稱或口號激勵人們實現不可能的力量。當然，他的觀點是，我們需要為這個專案起一個非常好的名字。最終選擇了“SWIFT”。哈丁一直堅持認為這不是一個縮寫詞，但人們仍然認為它是“半導體晶圓整合工廠技術”(Semiconductor Wafer Integrated Factory Technology)的簡寫。
SWIFT 的加工和晶圓處理裝置完全由 IBM 的零部件部門定製設計。主要設計目標是自動、一致、均勻地處理晶圓，並保持晶圓清潔無損。晶圓處理實驗選出了最清潔、最溫和的技術。處理裝置的設計目的是支撐晶圓，而不是抓住晶圓。一種新穎的晶圓處理器利用晶圓上方的氣流將其抬起，而無需物理接觸，成功地應用於一些晶圓傳輸動作。
SWIFT 處理裝置的“清潔而溫和”設計有一個例外。位於佛蒙特州伯靈頓的零部件部門管理層向 Harding 施壓，要求其使用他們開發的“氣軌”晶圓運輸裝置。該裝置利用氣流來提升和移動晶圓，就像空氣曲棍球比賽中的冰球一樣。Harding 需要伯靈頓的持續支援，因此他下令在 SWIFT 中使用一些氣軌裝置。儘管晶圓汙染和可靠性問題尚未解決，但 Harding 還是這樣做了。
另一項自上而下的命令解釋了為什麼 SWIFT 最終採用兩種不同型別的部門控制系統 - 這與良好的可維護性設計背道而馳。我們設計了一個定製控制器，並建造了五個單元（每個部門一個），這時總部要求我們採用新發布的 IBM System/7，它是專門為工廠裝置和過程控制應用開發的。畢竟，如果 IBM 本身不在自己的先進生產線上使用計算機，潛在客戶會想“為什麼不呢？”但如果 SWIFT 使用 System/7，並且該專案被證明是成功的，它將有助於銷售 System/7。因此，對於這五個部門，SWIFT 最終採用了四個定製控制器和一個 System/7。兩種型別都執行良好。
裝置可靠性是 SWIFT 的致命弱點。為了實現高可靠性和易於維護，某些機制和控制元件被標準化以供整個系統使用，並且選擇它們是因為可靠性和簡單性，而不是新穎性或優雅性。例如，觀察系統執行的人會注意到許多動作是以離散的平滑步驟而不是單一的橫向移動完成的。這一特性的背後是簡單、堅固且可靠的 日內瓦驅動器的廣泛使用，它最初是幾個世紀前為鐘錶開發的，但現在適用於必須平滑且在端點精確鎖定的線性和旋轉運動。日內瓦驅動器的輸入軸每輕鬆控制轉動一次，就走一步。長橫向移動需要軸轉動多次，從而導致奇怪的運動。
另一項簡化涉及旋轉晶圓，以離心方式散佈液態光刻膠，然後滴在晶圓中心。在現有生產線中，“錯誤的旋轉速度”經常被認為是光刻膠相關晶圓加工不合格的原因。透過用同步交流電機驅動 SWIFT 的旋轉器，旋轉速度不再是變數，這些電機由 60 赫茲交流電源鎖定為 3,600 rpm，就像驅動留聲機轉盤一樣。無需速度控制器。透過調整其餘變數（溫度、粘度和/或旋轉時間），可實現所需的光刻膠膜厚度。最後，透過消除四個單獨的速度控制器，系統可靠性得到了提高。
隨著 SWIFT 從空想概念發展到實際硬體實施，Harding 調整了 MR 的組織結構，並獲得了支援團隊的合作。他確保他的員工擁有完成工作的資源，並可以專注於專案。我開始欽佩他的組織能力以及從公司內部挑選和招募頂尖人才的能力。
哈丁成立了一個小組來開發 SWIFT 的主控制系統，該系統監控每個晶圓在各個區域移動時的進度。該執行控制系統 (ECS) 基於 IBM 1800。每個晶圓都有一個序列號，並在生產線的每一步都進行跟蹤。ECS 儲存和監控每個晶圓的加工引數，檢測並快速應對不合格情況。它的打孔卡和磁帶盒以今天的標準來看似乎有些過時，但它是晶圓生產線生產控制和監控方面的一項重大進步。
他還把由 Sam Campbell 管理的整個儀表部門從 IBM Endicott 轉移到了 East Fishkill。Campbell 的部門隨後為 SWIFT 開發了開創性的實時現場過程控制方法。
半導體制造業短暫的一生卻留下了持久的遺產
建造並測試了熔爐和化學處理器的模型。東菲什基爾製造工程集團的Robert J. Straub部門設計並建造了這些部門以及其中的加工裝置模組。哈丁請來Bevan PF Wu管理生產線的安裝、除錯和執行。隨著裝置和設施在 SWIFT 專用的 4,000 平方英尺空間中合併，Rolf H. Brunner負責吳的安裝、啟動和除錯，他曾管理過大部分部門設計以及真空金屬沉積裝置的開發工作。
整個過程中只有一個操作沒有完全自動化。晶圓對準以將圖案曝光在光刻膠上仍然需要訓練有素的操作員。SWIFT 的最終版本既有 10:1 光學步進機，也有 1:1 接觸式掩模機，但事實上，大多數晶片都是用 1:1 機器生產的，因為這樣產量更高。
到 1973 年底，IBM 總部已經確信晶圓加工的全自動化可以成功。因此，這一目標被作為新晶圓加工線的主要目標，用於生產 IBM 下一代計算機“FS”（未來系統 ）的電路。擬建的新生產線被稱為“FMS”（未來製造系統），SWIFT 更名為“FMS 可行性生產線”。
Bevan Wu 成功地管理了生產線的完工、試執行、人員培訓以及裝置、工藝和程式的改進。他使生產線達到生產 IBM 產品電路的水平。該系統在 1974 年中期至 1975 年初進行了五次連續執行。在執行期間，他的團隊分析了結果並實施了改進。最長的連續執行持續了 12 天。晶圓產量平均為每天 58 片晶圓，是其設計最大值的 83%。從裸晶圓輸入到可測試電路輸出的平均週轉時間約為 20 小時。原始處理時間為 14 小時。最終產量與 East Fishkill 的傳統 RAM-II 生產線有史以來的最佳產量持平。
IBM 全球各地共有 135 名技術人員、工程師和管理人員接受了系統操作培訓，生產出 600 個產品級晶圓，其中包含 17,000 個 RAM-II FET 記憶體晶片。
但就像他的二戰指揮官巴頓將軍一樣，哈丁被繞過去領導“大戲”——對哈丁來說，就是創造新的 FMS 自動化生產線。他放棄了管理職業階梯，被提拔為 IBM 院士，這是公司中最高的非管理級別。
FMS 可行性生產線（最初稱為 SWIFT）於 1975 年初進行了最後一次連續執行。它已經完成了目標。現在需要它的人員幫助建立 FMS 生產線以生產 FS 計算機。但在 1975 年晚些時候，FS 專案被取消，FMS 變得多餘。一部分運往 FMS 的裝置成為了 East Fishkill 的 QTAT（快速週轉時間）生產線，這是 IBM 的一項開創性成果，比其鮮為人知的前身 SWIFT 專案更令人難忘。
儘管 SWIFT 的壽命很短，而且從未成為眾人關注的焦點，但它的眾多創新在當今的半導體工廠中清晰可見。與 SWIFT 一樣，這些工廠高度自動化且由計算機控制；擁有中央傳輸系統和“伯努利”處理器，利用氣流提升晶圓而無需物理接觸；在氧化物或金屬膜形成後立即塗上抗蝕劑；使用步進機進行光刻圖案曝光；並採用實時過程控制。所有這些都是 50 年前 SWIFT 專案的突破性特點。
在 Harding 手下為 SWIFT 工作三年的經歷對我來說是一次蛻變。一開始的惶恐最終化為欽佩。我開始認為 Bill Harding 是一位真正的天才，他有自己的獨特之處。在他獨特的管理風格的激勵和支援下，一小群敬業的人取得了遠超任何人最初設想的成就。甚至超出了我們自己的想象。
我們認為行業中的第一批成就者是其發明的現代體現的“父親”。人們通常這樣稱呼愛迪生、貝爾、福特和萊特兄弟。從這個意義上講，威廉·E·哈丁顯然是現代、自動化、價值數十億美元的工廠之父。
https://spectrum.ieee.org/semiconductor-fabrication
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