1974年IBM首条全自动晶圆产线：20小时快速周转的半导体制造革命

《IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing》：The First and Fastest Automated Fab

本文推荐一项开创性研究：为突破传统半导体制造周期长、依赖人工的瓶颈，IBM的William E. Harding团队于1974年成功构建了全球首条全自动晶圆加工线（FMS Feasibility Line）。该系统集成光刻、化学处理、热加工及金属化等工序于一体，实现单晶圆连续自动化处理，将RAM-II芯片制造周期从数周缩短至20小时，晶圆日均产量达58片，功能测试良率最高达40%。此项研究为现代半导体自动化制造奠定了关键技术基础，证明了快速周转（TAT）与全自动化生产的可行性。

　　

20小时能完成一片晶圆的全部电路制造？在1970年代的半导体行业，这听起来像是天方夜谭。当时，集成电路（IC）的生产线充斥着人工操作：工人们手动将成批的晶圆装入卡匣，用小推车在不同工序间搬运，生产控制依赖纸质表格，整个流程耗时长达一个月。良率波动大、工艺一致性差、新产品研发周期漫长等问题严重制约行业发展。面对未来大规模集成电路（LSI）制造的挑战，IBM的William E. Harding提出了一个颠覆性构想——构建一条全自动、单晶圆处理、24/7连续运行的晶圆产线，将周转时间压缩至一天以内。

这一构想最终在1974年于纽约伊斯顿弗利什基尔的IBM工厂变为现实，即“FMS可行性产线”（原名SWIFT项目）。该系统以制造IBM RAM-II存储器芯片（1024位n沟道FET）为验证目标，通过五大自动化“扇区”（Sector）串联所有工艺步骤，由计算机控制的单轨“出租车”（Taxi）实现晶圆在扇区间的精准转运。结果令人振奋：从空白晶圆到可测试电路，平均周转时间仅20小时，其中纯工艺时间14小时，日均处理58片晶圆，最佳批次良率达40%。这项成果不仅证明了全自动化生产的可行性，更开创了半导体制造“快速迭代”的新范式。

为实现这一目标，研究团队突破了多项关键技术：

1. 1.
   扇区集成化设计：将光刻之间的湿法、热法、金属化等工序集成于汽车大小的密闭扇区内，实现局部洁净环境下的单晶圆连续处理；
2. 2.
   单晶圆物流系统：通过高架单轨“出租车”与伯努利手柄（Bernoulli Handler）实现晶圆在扇区与光刻站间的无损转运；
3. 3.
   分级控制系统：采用IBM 1800中央计算机整体调度，搭配System/7扇区控制器与子工艺单元独立控制，实时监控晶圆流程与工艺参数；
4. 4.
   模块化工艺单元：包括迷你浸渍（Mini-Dip）湿法站、迷你炉（Mini-Furnace）热加工站、真空蒸发金属化站、光涂胶烘干站等，均支持快速更换维护；
5. 5.
   缓冲策略优化：在关键节点设置FIFO缓存区，平衡设备故障时的晶圆流转，最小化在制品（WIP）积压。

系统架构与运行逻辑

产线核心突破在于打破传统线性流水线模式。为解决光刻机图像畸变对套刻精度的影响，团队设计了一种“循环回流”架构：每片晶圆四次光刻均返回同一台曝光机，使工艺链被划分为五个扇区。每个扇区集成化完成特定阶段的所有工序，如扇区2负责显影、刻蚀、去胶、磷扩散及光刻胶涂布。这种设计既保障了工艺连续性，又通过扇区并联处理（如迷你炉同时处理4片晶圆）满足吞吐需求。

创新工艺单元实现高精度控制

湿法站采用双机械臂迷你浸渍槽，可为每片晶圆更换新鲜药液，并通过振荡提升刻蚀均匀性；热工艺站使用定制石英舟迷你炉，支持四片晶圆批处理，且故障时可在1小时内完成整机更换；真空蒸发站实现铝铜合金薄膜的单片沉积，厚度实时监控终点控制；光刻胶涂布站创新采用同步电机驱动旋转台，消除人为转速设置误差，保障膜厚一致性。

自动化物流与实时监控系统

晶圆进入系统时被刻录唯一序列号，IBM 1800执行控制系统（ECS）全程追踪其位置与工艺参数。出租车通过探针从下方吸附晶圆，在微型洁净罩保护下沿高架轨道运行，实现扇区与光刻站间的无缝衔接。系统还设有专用维护间，储备迷你炉等关键备件，保障24/7连续运行。

研究成果与行业影响

在1974年6月至1975年3月间，产线累计完成5次连续生产，最长连续运行12天，产出600片合格晶圆，提取17,000个良品芯片。其20小时周转纪录至今未被超越。尽管该产线后续被拆除，但其技术理念深刻影响了半导体制造业：IBM据此建设了QTAT（快速周转时间）产线，实现电子束直写无掩模光刻；其“复制成功产线”的扩产思路与Intel的“Copy Exactly!”策略异曲同工；DARPA/德州仪器的微电子制造科技项目（MMST）也延续了单晶圆自动化处理的研究方向。

William E. Harding领导的SWIFT项目不仅验证了全自动化、短周期制造的可行性，更揭示了半导体产业向分布式、高柔性制造模式演进的潜力。在半个世纪后的今天，其集成化扇区设计、实时监控逻辑与快速迭代理念，仍在为先进制程研发提供重要借鉴。