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当代晶圆厂，是若何降生的
1970 年，比尔·哈丁 (Bill Harding)设计了一条全自动晶圆坐褥线，该坐褥线可在不到一天的时期内坐褥出集成电路。这一想法不仅在 54 年前是骁勇的，即使在今天价值数十亿好意思元的晶圆厂中也号称骁勇，因为先进集成电路的制造时期以周而不是天来计较。其时，诸如未必存取存储器芯片之类的集成电路泛泛需要经过数十个手动作事站，在一个月内走走停停地坐褥出来。
其时，哈丁是位于纽约州东菲什基尔的 IBM 制造揣摸小组的司理。他将带领一个如今简直无东谈主领会的、旨在收场其愿景的模样，该模样被称为 SWIFT 模样。要收场如斯惊东谈主的短盘活时期，需要一定的自动化水平，而这只消通过集成电路坐褥线筹算的范式变嫌才能收场。哈丁和他的团队作念到了这小数，他们取得的跳跃最终将反馈在巨匠半导体行业。SWIFT 的好多打破性立异如今在高度自动化的芯片制造厂中已司空见惯，但 SWIFT 令东谈主难以置信的短盘活时期从未被非凡。
SWIFT 平均需要 5 小时才能完成其制造工艺的每一层，而最快的当代晶圆厂每处理一层需要 19 小时，行业平均时期为 36 小时。尽管刻下的集成电路采取更多层构建，晶圆尺寸更大（小比萨饼大小），而且处理过程也更复杂，但这些身分并不成都备弥补差距。哈丁的自动化坐褥线如实相当快。
半导体制造宣言
我（指代本文作家，下同Jesse Aronstein）第一次遭受哈丁是在 1962 年，其时我本以为这是临了一次。其时 IBM正准备坐褥其首台全固态计较机System/360。此次会面有些潦倒。当我演示如何自动批量处理未封装的袖珍半导体芯片进行测试和分类时，他对我吼谈：“这到底有什么用？”
威廉·E·（“比尔”）·哈丁是一位立异念念想家和发明家。1961年， IBM 新确立的零部件部门确随即，他照旧在 IBM 作事了三年，从事半导体尽头制造期间开发。哈丁成为新部门的中层司理，负责开发和坐褥制造 System/360 固态拓荒和电路模块所需的拓荒。
手脚 IBM 司理，他有点顽恶。但关于一个在纽约布鲁克林长大、在乔治·S·巴顿将军的第全军入伍期间在二战中三次受伤的东谈主来说，这也许是预感之中的事。战后，哈丁取得了数学和物理学学士和硕士学位，并成为 IEEE 会员。
1961 年，我加入 IBM，之前在通用电气从事火箭发动机开发作事。和其时的大大都工程师相通，我对半导体制造一无所知。五年前，我参加了一门真空管电子学课程，训诲将晶体管描绘为“一种推行室奇不雅，可能遥远不会有任何成就。”
SWIFT 模样占据了 IBM 浩荡的东菲什基尔半导体工场 310 号楼的一小块空间（图中黄色部分）
每次我和哈丁相逢，他顽恶失礼的行为都会露出出来。若是他也曾上过 IBM “魔力学校”（不断培训），那也看不出有什么昭彰的字据。尽管如斯，他照旧奏效完成了任务。到 1964 年，System/360 的固态逻辑模块从位于东菲什基尔一个前农场的零部件部门新工场流出。
1970 年 7 月，在完成三年的揣摸生学习后，我回到了 IBM。在学习中断之前，我担任了四年的一级司理，不想再从事不断作事。我想要一份纯正的期间事业，于是我加入了 East Fishkill 的制造揣摸 (MR) 小组，但愿能得到这么的作事。
其后我和哈丁又有了错杂。1970 年 8 月中旬，他成为 MR 的高管。在此之前，他花了一年时期制定 IBM 公司将来制造和使用 超大鸿沟集成电路(VLSI) 的企业政策。他被任命为 MR 的负责东谈主，以阐发其制造理念的可行性。
MR 召开了一次职工大会，晓谕了不断层变动。在先容之后，哈丁描绘了他对将来 VLSI 应用和制造的看法。以下是他的主要不雅点：
VLSI 电路将基于场效应晶体管期间（其时双极结型晶体管占主导地位）；
无残障的高产量至关进击；
制造业将都备自动化；
每次处理一块晶圆可取得最好效果；
较短的盘活时期将带来进击的克己；
通过复制奏效的坐褥线，产量将会扩大。
训诲讲座末端后，哈丁从训诲变成了教授官，就像巴顿将军相通。MR 的独一职责是展示哈丁的想法，与该想法不符的正在进行的模样将被变嫌到 IBM 的其他地点或被毁灭。MR 将阐发不错构建一个自动化系统，每天处理大致 100 个晶圆，一次一个，产量高，盘活时期为一天。
什么？我没听错吧？从裸晶圆到制品电路，一天的盘活时期便是咱们现在所说的“登月信营”。记取，其时泛泛需要一个多月的时期。他是持重的吗？
哈丁知谈这在表面上是可行的，他决心收场它。他声称，若是原型推行 IC 筹算概况在一天内而不是几个月内坐褥出来，IBM 将领有巨大的竞争上风。他但愿电路筹算师在将数字描绘提交给坐褥线后的第二天就能领有可测试的电路。
哈丁立即在 MR 里面组织了一个拓荒组和一个工艺组，并任命我负责不断拓荒组。我不想再当司理了。现在，我对付成为了二级司理，负责为一条尚未细想法坐褥线开发统共的加工和晶圆处理拓荒，而我其时简直还莫得初始设计这条坐褥线。我瞎想中的揣摸作事只捏续了一个多月。
Walter J. (“Wally”) Kleinfelder调入 MR 负责不断工艺组。他们会采用要制造的居品并界说制造工艺——获取空缺硅片并在其名义高产地构建集成电路所需的化学、热和光刻行动的留神递次。
克莱因费尔德采用了未必存取存储器芯片 IBM RAM II 进行演示。该居品在东菲什基尔现场坐褥，因此咱们领有制造该居品所需的一切，并根据现存的非自动化坐褥线评估咱们的驱散。
IBM 的 SWIFT 试点晶圆厂领有一辆单轨“出租车”
集成电路制造起初需要在硅片名义的合适位置制作晶体管和其他元件，然后通过添加一层经过采用性蚀刻的铝薄膜来创建所需的布线图案，从而将它们一语气在一谈。这种导体薄膜被称为布线层或金属化层。
IC 制造使用光刻期间来创建制造 IC 所需的多个层，每个层都有独到的图案。这些层包括金属布线层，如今，一个先进的芯片可能有十几个金属布线层。在这些行动中，晶圆上的金属层涂有感光光刻胶材料，然后将图案的图像曝光在其上。将要酿成导体的区域挡住后光。图像显影后，从曝光的图案区域去除光刻胶，使这些区域概况被酸蚀刻。其余名义仍受到耐酸光刻胶的保护。蚀刻完成后，去除剩余的保护光刻胶，只留住所需图案的布线层。
SWIFT 模样概览
Project SWIFT 坐褥线基于五个“区域”。每个区域都是一个禁闭的汽车大小的机器，在光刻掩模图案曝光之间实施统共工艺行动。除了第一和第五个区域外，晶圆投入一个区域时，光刻胶已曝光，准备显影；离开该区域时，光刻胶已崭新，准备进行下一次图案曝光。出租车将单个晶圆从一个区域运输到光刻图案曝光站，然后按递次运输到下一个区域。
WIFT 坐褥线由三级驱散系统驱散。最高层由一台 IBM 1800 计较机负责总体不断。它与五个加工区的每个驱散器进行通讯，加工区内有加工和晶圆处理子区，其中一些子区有我方的驱散器。
IC 工艺还使用光刻期间在硅片上制造晶体管和其他元件。在此，绝缘层上蚀刻出启齿，通过这些启齿不错将微量的特定杂质注入纯硅的袒露点中，以改变电气性情。坐褥 RAM-II IC 需要使用四种不同的图案进行四次单独的光刻操作：三种用于制造晶体管和其他元件，一种用于制造金属布线层。这四种图案必须都备对都才能奏效制造芯片。
光刻关联词，这仅仅 IC 制造过程的一部分。在现存的坐褥线上，处理 RAM-II 晶圆需要数周时期。但原始处理时期（晶圆在各式热、光刻、化学和千里积站本色处理的时期）不到 48 小时。晶圆的大部分时期都花在恭候下一个工艺行动上。若是晶圆从一个行动快速推崇到下一个行动，则不错省去某些行动，尤其是化学清洗。
克莱因菲尔德的团队负责细目哪些行动不错不祥，哪些行动不错加快。最终的原始工艺时期不到 15 小时。然后， 我的化学拓荒开发司理Maung Htoo负责测试冷落的工艺。他的团队将直径 1.25 英寸的晶圆放入“锅碗瓢盆”推行室拓荒中，对其进行评估和改良。正如预期的那样，简化的表率在大致 15 小时内奏效坐褥出作事电路。
自动化系统架构得以收场。领先设计是一系列衔接的机器，每台机器实施经由的一步，就像汽车安装线相通。但必须接头到拓荒停机时期，以进行驻守性崇拜和故障维修。这是通过插入短期存储“缓冲区”来收场的，这些缓冲区可在必要时将晶圆暂时存储在工艺链中的采用点。
这一工艺链看法因与光刻图案成像 关联的接头而进一步被颠覆。其时，光刻胶在晶圆上的曝光泛泛通过访佛于影相构兵印刷的工艺完成。光刻掩模异常于影相底片，当曝光光刻胶时，后光会穿过光刻掩模。掩模上的任何残障或颗粒都会导致芯片上出现相应的残障，在并吞个位置，一派又一派晶圆。
东菲什基尔光刻小组开发了一种非构兵式 10:1 大肆 步进重叠图像投影仪。不错将其视为一种摄影幻灯片投影仪，可产生大肆的图像，股民其中包含芯片上单个层的图案。然后，它“步进”穿过晶圆，一次曝光一个芯片位置。相干于构兵式掩模，步进式光刻机对颗粒欺侮的明锐度更低，因为任何杂散颗粒的暗影尺寸都会大肆 10:1。其他上风包括更高的光学分辩率和更长的掩模寿命。
然而，由于速率较慢，因此需要多台步进机才能达到产量想法。为了在每个晶圆上收场最好图案瞄准以收场屡次图案曝光，需要将晶圆送回并吞台步进机，以对工艺链中的每一层进行曝光。这么不错排斥因机器之间的狭窄互异而引起的图像失果真影响。然后，构建 RAM-II 电路需要晶圆四次单独赶赴其指定的步进机。这将线性序列分为五个区段。单轨“出租车”会将晶圆从一个处理区段运输到其指定的步进机，然后再复返将其运输到下一个区段。
设计将五个区域中的每一个区域都筹算成一个禁闭空间，其中包含完成该工艺链部分所需的统共自动晶圆加工和处理拓荒。区域禁闭空间和滑行舱的筹算将为晶圆提供洁净室质料的局部环境。在区域禁闭空间内，晶圆泛泛会径直从湿化学模块传送到袖珍熔炉，再传送到光刻胶应用模块，临了传送到滑行舱的取件口。举例，在湿化学模块内，晶圆将罗致清洁、光刻胶显影和去除、蚀刻等表率。
整条坐褥线的驱散将分三个线索完成。统共这个词坐褥线不断、纪录保存、滑行物流和过程监控将由中央计较机系统处理。每个区域均有专用驱散器，负责不断区域内的晶圆物流，并将晶圆流量和处理数据反馈给中央系统。每个区域外壳内的各个处理和晶圆处理模块将根据需要领有我方的专用驱散器，以进行沉寂成立和崇拜。
最终建树完成后，咱们的 RAM-II 芯片自动化演示线将由五个部门、一辆出租车和一个光刻图案成像中心构成，全部由计较机不断。哈丁接任六个月后，MR 初始筹算和建造本色系统。
孤高的中层司理从文体中寻找灵感
哈丁往往赶赴位于纽约州阿蒙克的 IBM 总部，陈诉推崇、申请资源、反驳挑战，并劝服高层带领，这笔钱是对将来的邃密投资。这是一项贫困的任务。他每周召开的冗长的职工会议时时反馈出他所承受的压力。他会就他知谈咱们知谈的事情发表虚浮无物，讲寓言故事，并进行类比。
其时，我并没特意志到他正在左右职工会议来制定和完善阿蒙克演示的想法。他留神到了咱们的反应，并相应地养息了他的演示想法。他向高层带领的演示相当灵验。在模样捏续约三年的时期里，MR 取得了开发、筹算、构建和运营统共这个词系统所需的统共资金和支捏。
在一次职工会议上，哈丁高声朗诵了海伍德·布朗的短篇演义《The 51st Dragon》，以强调称呼或标语激勉东谈主们收场不可能的力量。固然，他的不雅点是，咱们需要为这个模样起一个相当好的名字。最终采用了“SWIFT”。哈丁一直坚捏觉得这不是一个缩写词，但东谈主们仍然觉得它是“半导体晶圆集成工场期间”(Semiconductor Wafer Integrated Factory Technology)的简写。
SWIFT 的加工和晶圆处理拓荒都备由 IBM 的零部件部门定制筹算。主要筹算想法是自动、一致、均匀地处理晶圆，并保捏晶圆清洁无损。晶圆处理推行选出了最清洁、最和蔼的期间。处理拓荒的筹算想法是撑捏晶圆，而不是收拢晶圆。一种新颖的晶圆处理器左右晶圆上方的气流将其抬起，而无需物理构兵，奏效地应用于一些晶圆传输动作。
SWIFT 处理拓荒的“清洁而和蔼”筹算有一个例外。位于佛蒙特州伯灵顿的零部件部门不断层向 Harding 施压，条款其使用他们开发的“气轨”晶圆运输拓荒。该拓荒左右气流来提高和转移晶圆，就像空气曲棍球比赛中的冰球相通。Harding 需要伯灵顿的捏续支捏，因此他下令在 SWIFT 中使用一些气轨拓荒。尽管晶圆欺侮和可靠性问题尚未措置，但 Harding 照旧这么作念了。
另一项从上至下的号令解释了为什么 SWIFT 最终采取两种不同类型的部门驱散系统 - 这与邃密的可崇拜性筹算以火去蛾中。咱们筹算了一个定制驱散器，并建造了五个单位（每个部门一个），这时总部条款咱们采取新发布的 IBM System/7，它是专门为工场拓荒和过程驱散应用开发的。毕竟，若是 IBM 本人不在我方的先进坐褥线上使用计较机，潜在客户会想“为什么不呢？”但若是 SWIFT 使用 System/7，何况该模样被阐发是奏效的，它将有助于销售 System/7。因此，关于这五个部门，SWIFT 最终采取了四个定制驱散器和一个 System/7。两种类型都运行邃密。
拓荒可靠性是 SWIFT 的致命缺陷。为了收场高可靠性和易于崇拜，某些机制和控件被尺度化以供统共这个词系统使用，何况采用它们是因为可靠性和浅陋性，而不是新颖性或优雅性。举例，不雅察系统运行的东谈主会留神到好多动作所以翻脸的平滑行动而不是单一的横向转移完成的。这一性情的背后是浅陋、坚固且可靠的 日内瓦驱动器的普通使用，它领先是几个世纪前为钟表开发的，但现在适用于必须平滑且在端点精准锁定的线性和旋转开放。日内瓦驱动器的输入轴每放弃驱散动弹一次，就走一步。长横向转移需要轴动弹屡次，从而导致奇怪的开放。
另一项简化波及旋转晶圆，以离心方法分散液态光刻胶，然后滴在晶圆中心。在现存坐褥线中，“失实的旋转速率”往往被觉得是光刻胶关联晶圆加工不对格的原因。通过用同步相通电机驱动 SWIFT 的旋转器，旋转速率不再是变量，这些电机由 60 赫兹相通电源锁定为 3，600 rpm，就像驱动留声机转盘相通。无需速率驱散器。通过养息其余变量（温度、粘度和/或旋转时期），可收场所需的光刻胶膜厚度。临了，通过排斥四个单独的速率驱散器，系统可靠性得到了提高。
跟着 SWIFT 从逸想看法发展到本色硬件实施，Harding 养息了 MR 的组织结构，并取得了支捏团队的联结。他确保他的职工领有完成作事的资源，并不错专注于模样。我初始钦佩他的组织才智以及从公司里面挑选和招募顶尖东谈主才的才智。
哈丁确立了一个小组来开发 SWIFT 的主驱散系统，该系统监控每个晶圆在各个区域转移时的程度。该实施驱散系统 (ECS) 基于 IBM 1800。每个晶圆都有一个序列号，并在坐褥线的每一步都进行追踪。ECS 存储和监控每个晶圆的加工参数，检测并快速应付不对格情况。它的打孔卡和磁带盒以今天的尺度来看似乎有些逾期，但它是晶圆坐褥线坐褥驱散和监控方面的一项首要跳跃。
他还把由 Sam Campbell 不断的统共这个词容颜部门从 IBM Endicott 变嫌到了 East Fishkill。Campbell 的部门随后为 SWIFT 开发了创举性的及时现场过程驱踱行动。
半导体制造业顷然的一世却留住了捏久的遗产
建造并测试了熔炉和化学处理器的模子。东菲什基尔制造工程集团的Robert J. Straub部门筹算并建造了这些部门以尽头中的加工拓荒模块。哈丁请来Bevan PF Wu不断坐褥线的安装、调试和运行。跟着拓荒和设施在 SWIFT 专用的 4，000 平方英尺空间中合并，Rolf H. Brunner负责吴的安装、启动和调试，他曾不断过大部分部门筹算以及真空金属千里积拓荒的开发作事。
统共这个词过程中只消一个操作莫得都备自动化。晶圆瞄准以将图案曝光在光刻胶上仍然需要考研有素的操作员。SWIFT 的最终版块既有 10:1 光学步进机，也有 1:1 构兵式掩模机，但事实上，大大都芯片都是用 1:1 机器坐褥的，因为这么产量更高。
到 1973 年底，IBM 总部照旧信赖晶圆加工的全自动化不错奏效。因此，这一想法被手脚新晶圆加工线的主要想法，用于坐褥 IBM 下一代计较机“FS”（将来系统 ）的电路。拟建的新坐褥线被称为“FMS”（将来制造系统），SWIFT 改名为“FMS 可行性坐褥线”。
Bevan Wu 奏效地不断了坐褥线的完工、试运行、东谈主员培训以及拓荒、工艺和表率的改良。他使坐褥线达到坐褥 IBM 居品电路的水平。该系统在 1974 年中期至 1975 岁首进行了五次一语气运行。在运行期间，他的团队分析了驱散并实施了改良。最长的一语气运行捏续了 12 天。晶圆产量平均为每天 58 片晶圆，是其筹算最大值的 83%。从裸晶圆输入到可测试电路输出的平均盘活时期约为 20 小时。原始处理时期为 14 小时。最终产量与 East Fishkill 的传统 RAM-II 坐褥线有史以来的最好产量捏平。
IBM 巨匠各地共有 135 名期间东谈主员、工程师和不断东谈主员罗致了系统操作培训，坐褥出 600 个产等第晶圆，其中包含 17，000 个 RAM-II FET 内存芯片。
但就像他的二战教授官巴顿将军相通，哈丁被绕已往带领“大戏”——对哈丁来说，便是创造新的 FMS 自动化坐褥线。他毁灭了不断事业道路，被造就为 IBM 院士，这是公司中最高的非不断级别。
FMS 可行性坐褥线（领先称为 SWIFT）于 1975 岁首进行了临了一次一语气运行。它照旧完成了想法。现在需要它的东谈主员匡助创建 FMS 坐褥线以坐褥 FS 计较机。但在 1975 年晚些时候，FS 模样被取消，FMS 变得过剩。一部分运往 FMS 的拓荒成为了 East Fishkill 的 QTAT（快速盘活时期）坐褥线，这是 IBM 的一项创举性驱散，比其鲜为东谈主知的前身 SWIFT 模样更令东谈主记得。
尽管 SWIFT 的寿命很短，而且从未成为世东谈主关心的焦点，但它的浩荡立异在刻下的半导体工场中明晰可见。与 SWIFT 相通，这些工场高度自动化且由计较机驱散；领有中央传输系统和“伯努利”处理器，左右气流提高晶圆而无需物理构兵；在氧化物或金属膜酿成后立即涂上抗蚀剂；使用步进机进行光刻图案曝光；并采取及时过程驱散。统共这些都是 50 年前 SWIFT 模样的打破性特质。
在 Harding 辖下为 SWIFT 作事三年的阅历对我来说是一次转换。一初始的躁急最终化为钦佩。我初始觉得 Bill Harding 是一位的确的天才，他有我方的独到之处。在他独到的不断格调的激勉和支捏下，一小群敬业的东谈主取得了远超任何东谈主领先设计的成就。以致超出了咱们我方的瞎想。
咱们觉得行业中的第一批成就者是其发明的当代体现的“父亲”。东谈主们泛泛这么称呼爱迪生、贝尔、福特和莱特昆仲。从这个兴味上讲，威廉·E·哈丁显明是当代、自动化、价值数十亿好意思元的工场之父。