IBM 发明了半导体制造自动化

# IBM如何发明半导体制造自动化 来源：https://spectrum.ieee.org/semiconductor-fabrication Project SWIFT 制造线基于“扇区”架构，如这张1973年系统专利图所示。每个扇区包含在一个封闭空间内，完成光刻图案曝光之间所需的所有晶圆处理设备。 IBM/美国专利商标局 **1970年，比尔·哈丁**构想了一条全自动晶圆制造线，能够在**不到一天**内生产出**集成电路**（https://spectrum.ieee.org/tag/integrated-circuits）。这个目标在54年前不仅大胆，即使在今天价值数十亿美元的晶圆厂中——先进集成电路的制造时间以周计而非天——也堪称雄心勃勃。当时，诸如随机存取存储器芯片等IC，通常需要经过数十个手动工作站、以走走停停的方式耗时一个月才能生产出来。 那时，哈丁是IBM位于纽约州**东菲什基尔**（https://www.poughkeepsiejournal.com/story/money/companies/ibm/2014/07/12/ibm-history-fishkill-microprocessors/12583461/）的制造研究部门经理。他主导的、旨在实现其愿景的项目，如今几乎不为人知，名为“SWIFT项目”。要实现如此惊人的短周期，所需的**自动化**（https://spectrum.ieee.org/tag/automation）水平只有通过**集成电路制造**（https://www.hitachi-hightech.com/global/en/knowledge/semiconductor/room/manufacturing/process.html）线的范式转变才能达成。哈丁和他的团队做到了，取得的进步最终反映在整个全球**半导体行业**（https://spectrum.ieee.org/tag/semiconductor-industry）中。SWIFT的许多开创性创新如今在高度自动化的**芯片制造**（https://spectrum.ieee.org/tag/chip-fabrication）工厂中已是司空见惯，但其极短的周转时间至今未被超越。 SWIFT完成制造过程的每一层平均耗时5小时，而最快现代晶圆厂每处理一层需要19小时，行业平均水平则为36小时。尽管今天的集成电路层数更多，使用的晶圆尺寸更大（如同小披萨），且处理过程更复杂，但这些因素并不能完全弥合差距。哈丁的自动化制造线确实名副其实——名副其实的“迅捷”。 ## 半导体制造业宣言 我第一次遇见哈丁是在1962年，并希望那是最后一次。当时**IBM**（https://www.ibm.com/us-en）正紧锣密鼓地准备生产其首台全固态计算机**System/360**（https://spectrum.ieee.org/building-the-system360-mainframe-nearly-destroyed-ibm）。那是一次颇不愉快的邂逅。“那他妈的有什么用？”当我演示如何自动批量处理微小、未封装的半导体裸片进行测试和分选时，他对我吼道。 八名穿衬衫系领带的男子演奏着各种乐器；一名男子站在图表前说话，另两名男子在旁注视；一张微笑、灰白头发、中老年人的头像照片。作者Jesse Aronstein [上方照片最右边]在管理Project SWIFT设备组之余，每周抽一晚与Southern Dutchess Pops Orchestra一起吹奏法国号。另一位关键经理Walter J. “Wally” Kleinfelder [左下]，右立者，主管Project SWIFT的工艺组。William E. “Bill” Harding [右下]，摄于1973年，是一位直率的二战老兵和创新先驱。他构思并领导了IBM的Project SWIFT，成功在一天内制造出集成电路。顺时针方向：IBM/计算机历史博物馆；IBM（2） William E.（“Bill”）**Harding**（https://www.legacy.com/us/obituaries/sandiegouniontribune/name/william-harding-obituary?id=20554418）是一位创新思想家和发明家。当IBM于1961年成立新的**组件部门**（https://ibm-1401.info/Highlights-of-IBM-History.html）时，他已在公司从事**半导体**（https://spectrum.ieee.org/topic/semiconductors/）及其制造技术开发三年。哈丁成为新部门的中层经理，负责开发和制造生产System/360固态器件及电路模块所需的设备。 作为IBM的经理，他有些粗枝大叶。但想想他是在纽约布鲁克林长大，二战期间在乔治·S·巴顿将军的第三集团军服役并三次负伤，或许也情有可原。战后，哈丁获得了**数学**（https://spectrum.ieee.org/tag/mathematics）和物理学的学士与硕士学位，并成为IEEE会员。 我于1961年加入IBM，此前在**通用电气**（https://spectrum.ieee.org/tag/general-electric）从事火箭发动机开发。和当时大多数工程师一样，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，教授将晶体管描述为“一种实验室新奇玩意，可能永远不会有什么出息”。 一张黑白照片显示了20世纪60年代IBM半导体设施俯瞰图。Project SWIFT占据了IBM庞大的东菲什基尔半导体设施310号楼的一小块区域，图中以黄色标出。IBM 每次我和哈丁相遇，他那粗鲁无礼的作风都会显露出来。如果他曾经上过IBM的“**礼仪学校**”（https://www.ese.wustl.edu/~nehorai/paper/silverman.pdf）（管理培训），那也丝毫看不出痕迹。尽管如此，他成功地完成了使命。到1964年，System/360的固态逻辑模块已从东菲什基尔一座昔日农场上的组件部门新工厂源源不断地产出。 1970年7月，我经过三年研究生学习后回到IBM。休假前，我担任了四年一线经理，不想再干管理工作。我渴望纯技术生涯，于是加入了东菲什基尔的制造研究（MR）小组，希望能如愿以偿。 然后我和哈丁又碰面了。1970年8月中旬，他成为MR的最高主管。在此之前，他花了一年时间制定IBM关于未来制造和使用**超大规模集成电路**（https://vlsiweb.com/the-history-of-vlsi/）（**VLSI**（https://spectrum.ieee.org/tag/vlsi））的企业战略。他被赋予MR的领导权，以证明其制造概念的可行性。 MR全体成员被召集起来宣布管理层变动。在介绍之后，哈丁阐述了他对未来VLSI应用和制造的展望。以下是他关键的几点： - VLSI电路将基于**场效应晶体管**（https://spectrum.ieee.org/tag/field-effect-transistor）技术（当时**双极结型晶体管**（https://spectrum.ieee.org/tag/transistors）占主导地位）； - 无缺陷的高良率至关重要； - 制造将完全自动化； - 最佳结果来自一次处理一片晶圆； - 短周转时间将带来重要优势； - 产量将通过复制成功的生产线进行扩展。 在“教育性讲座”结束后，哈丁从教授变成了巴顿将军式的指挥官。MR的唯—使命是证明哈丁的想法，与这一目标不符的现有项目将被转移到IBM其他部门或废弃。MR将证明，可以构建一个自动化系统，每天处理约100片晶圆，一次一片，达到高良率和一天周转时间。 **什么？** 我没听错吧？从空白晶圆到完成电路的一天周转时间，就是我们今天所说的**登月**（https://spectrum.ieee.org/tag/moon）计划。记住，那时通常需要一个多月。他真的这么想吗？ 哈丁知道这在理论上是可能的，他决心实现它。他宣称，如果原型实验性IC设计能在一天而不是几个月内生产出来，IBM将拥有巨大的竞争优势。他希望电路设计者在向生产线提交数字描述后的第二天就能拿到可测试的电路。 从空白晶圆到完成电路的一天周转时间，就是我们今天所说的登月计划。 哈丁立即在MR内部组建了设备组和工艺组，指定我管理设备组。我不想再当经理了。现在，我不情愿地成了一名二级经理，负责为一条尚未定义、我刚刚开始构思的制造线开发所有处理和晶圆搬运设备。我梦想的研究工作只持续了不到一个月。 Walter J.（“Wally”）**Kleinfelder**（https://ieeexplore.ieee.org/author/37377557600）调任MR管理工艺组。他们将选择要制造的产品并定义制造工艺——将空白**硅晶圆**（https://spectrum.ieee.org/tag/silicon-wafer）转化为其表面高良率集成电路所需的一系列详细的化学、热学和光刻步骤。 Kleinfelder选择了随机存取**存储器芯片**（https://spectrum.ieee.org/tag/memory-chip）IBM RAM II作为演示产品。该产品当时正在东菲什基尔现场生产，因此我们拥有建造它所需的一切，并能将我们的结果与现有非自动化生产线的结果进行比较。 ## IBM的SWIFT试验性晶圆厂配备单轨“出租车” 集成电路制造首先涉及在硅晶圆表面的正确位置创建晶体管和其他组件，然后通过添加一层选择性蚀刻以形成所需布线图案的**薄膜**（https://spectrum.ieee.org/tag/thin-film）铝将它们连接起来。这层导体薄膜称为布线层或金属化层。 IC制造使用**光刻技术**（https://mirai-intex.com/blog/photolithography-in-chip-making-process）来创建制造IC所需的许多层，每一层都有独特的图案。这些层包括金属布线层，对于今天的先进芯片来说可以超过十几层。在这些步骤中，晶圆上的金属层涂覆一层光敏**光刻胶**（https://www.universitywafer.com/photoresist.html）材料，然后将图案图像曝光在其上。将形成导体的区域遮挡住光线。显影后，曝光区域的胶被去除，使这些区域能被酸蚀刻。表面其余部分由抗酸的光刻胶保护。蚀刻完成后，剩余的防护胶被去除，只留下所需图案的布线层。 IC工艺也使用**光刻**（https://spectrum.ieee.org/tag/lithography）在硅晶圆上创建晶体管和其他组件。在此，在绝缘层中蚀刻出开口，通过开口可以将微量特定杂质注入纯硅的暴露点，以改变电学特性。生产RAM-II IC需要四次单独的光刻操作，使用四种不同的掩模版：三次用于创建晶体管和其他组件，一次用于创建金属布线层。这四种掩模版必须精确互相对准，才能成功创建芯片。 然而，**光刻**（https://www.youtube.com/watch?v=SLLVOwB7i3g）仅是IC制造过程的一部分。在现有生产线上，处理一片RAM-II晶圆需要数周时间。但原始工艺时间——晶圆实际在各种热处理、光刻、化学和沉积站接受加工的时间——少于48小时。晶圆的大部分时间都花在等待下一步处理上。而且，如果晶圆能快速从一个步骤转到下一个步骤，某些步骤（特别是化学清洗）是可以省略的。 Kleinfelder小组的职责是确定哪些步骤可以省略，哪些可以加速。由此产生的原始工艺时间少于15小时。然后由我的化学设备开发经理**Maung Htoo**（https://www.sigmaxi.org/members/sigma-xi-fellows/2021-fellows/maung-htoo）负责测试拟议的工艺。他的团队在“锅碗瓢盆”式的实验室装置中快速处理1.25英寸直径的晶圆，以评估和完善工艺。正如预期，简化的流程成功地在约15小时内生产出了工作电路。 自动化系统的架构逐渐成形。最初设想为一系列相互连接的机器，每台执行一个工艺步骤，如同汽车**装配线**（https://spectrum.ieee.org/tag/assembly-line）。但必须考虑因预防性维护和故障修理导致的设备停机。这通过在工艺链中选定点插入短期存储“缓冲区”来实现，必要时可临时存放晶圆。 这种工艺链概念进一步被与**光刻图案成像**（https://spectrum.ieee.org/a-little-light-magic）相关的考量所颠覆。当时，晶圆上**光刻胶**（https://spectrum.ieee.org/tag/photoresist）的曝光通常通过类似于照相接触式印相的过程完成。光刻掩模版相当于照相底片，光线透过它照射以曝光**光刻胶**（https://spectrum.ieee.org/getting-euv-ready-for-2020）。掩模版上的任何缺陷或颗粒都会导致芯片上相应位置出现缺陷，一片接一片，位置相同。 东菲什基尔光刻小组开发了一种非接触式10:1缩小**分步重复图像投影仪**（https://www.chemeurope.com/en/encyclopedia/Stepper.html）。可以将其想象成一种照相幻灯片投影仪，它能产生包含单层芯片图案的缩小图像。然后它在晶圆上“步进”，一次曝光一个芯片位置。与接触式掩模相比，**步进光刻机**（https://spectrum.ieee.org/seeing-double）有望降低对颗粒污染的敏感度，因为任何杂散颗粒的阴影大小将按10:1缩小。其他优势包括更高的光学分辨率和更长的掩模版寿命。 -**YouTube**（https://spectrum.ieee.org/tag/youtube）www.youtube.com（https://www.youtube.com/watch?v=qFUSkFbKlXs） 然而，由于速度较慢，需要多台步进光刻机才能达到产量目标。为了实现晶圆上多个图案曝光的最佳图案对准，需要将晶圆送回同一台步进光刻机，以曝光工艺链中的每一层。这将抵消不同机器间微小差异引起的图像畸变影响。因此，制造RAM-II电路需要一片晶圆四次往返于其指定的步进光刻机。这将线性序列分成了五个扇区。一条单轨“出租车”将晶圆从一个处理扇区送到其指定的步进光刻机，之后返回将其送往下一个扇区。 每个扇区设想为一个封闭空间，包含完成该段工艺链所需的所有自动化晶圆处理和加工设备。扇区封闭空间和出租车设计旨在为晶圆提供洁净室级别的局部环境。在扇区内