1970年，一位IBM中层经理的愿景：在一天内制成一块芯片。
1970年，威廉•E.“比尔”•哈丁（William E. "Bill" Harding）设想了一条完全自动化的晶圆生产线，可在不到一天的时间里生产出集成电路（IC）。这一目标不仅在54年前显得极为大胆，对今天价值数十亿美元的芯片制造厂来说也堪称激进，因为高级集成电路制造通常需要数周时间，而不是几天。那时，随机存取存储器（RAM）芯片等集成电路的生产通常需要一个月的时间，走走停停，经过在几十个人工工作站。
那时，哈丁是IBM制造研究小组（位于纽约州东菲什基尔）的负责人。当时，他领导的一个项目致力于将愿景变为现实。这个项目被称为“SWIFT”，这个名字在今天已几乎无人知晓。要想实现如此短的制造周期，需要一定水平的自动化，而这种自动化只能通过彻底改变集成电路生产线设计来实现。哈丁及其团队成功实现了这一目标，他们取得的进步最终在全球半导体行业中得到体现。SWIFT项目的许多突破性创新成果已成为今天高度自动化的芯片制造厂的常规做法，但SWIFT所创造的惊人短周期至今无人能及。
SWIFT项目完成一层制造工艺平均需要5小时，而最快的现代晶圆厂完成一层工艺需要19小时，行业平均时间为36小时。虽然今天的集成电路制造层数更多，晶圆也更大，尺寸接近小型披萨，且加工过程更复杂，但这些因素并未完全弥补这个差距。哈丁的自动化生产线真的非常快。
我第一次遇到哈丁是在1962年，当时我很希望那是最后一次。IBM那时正在准备生产第一台全固态计算机——System/360。那次会面有些不顺。在我演示如何成批自动化处理测试和分类未封装的微小半导体芯片时，他冲我怒吼道：“这到底有什么用？”
哈丁是一位创新的思想家和发明家。1961年，他已在IBM从事半导体及其制造技术的开发工作三年，IBM成立了新的元器件部门，哈丁成为新部门的中层管理者，负责开发和生产用于制造System/360固态设备和电路模块的设备。
作为一名IBM经理，哈丁有些粗枝大叶。但这或许可以理解。他出生在纽约布鲁克林，在乔治•S.巴顿（George S.Patton）将军的第三军服役，并在第二次世界大战中三次受伤。战争结束后，哈丁获得了数学和物理学的学士和硕士学位，并成为IEEE会员。
我于1961年加入IBM，之前在通用电气公司从事火箭发动机的开发工作。和大多数工程师一样，那时的我对半导体制造一无所知。再往前五年，我上过一门真空管电子课程，教授曾形容晶体管是“实验室里的珍品，或许永远成不了气候”。
每次和哈丁碰面，他略显粗鲁的做派都彰显无疑。我怀疑他是否上过IBM的“魅力学校”（管理培训），至少看不出有什么上过的痕迹。尽管如此，在完成任务方面，他是成功的。1964年，System/360的固态逻辑模块开始从元器件部门新建工厂流出，新建工厂位于东菲什基尔，原先是个农场。
1970年7月，我结束了三年的研究生学习，回到了IBM。在这段学习经历之前，我曾在IBM担任四年的初级管理职务，我不想再做管理工作，希望从事纯技术工作，于是加入了东菲什基尔的制造研究（MR）小组。
我和哈丁再次相遇。1970年8月中旬，他成了MR小组的最高负责人。在此之前，他花了一年时间为IBM制定未来超大规模集成（VLSI）电路的生产和使用战略。他受命接管MR小组就是为了证明他的制造概念的可行性。
在MR小组宣布这一管理变动的全体员工会议上，哈丁介绍了他对未来超大规模集成电路应用和制造的看法。他提出的要点如下：
超大规模集成电路将基于场效应晶体管技术（当时，双极性结型晶体管占主导地位）；
高产且无瑕疵至关重要；
制造过程将完全自动化；
最佳结果是一次加工一片晶圆；
缩短生产时间将带来重要的收益；
成功复制生产线，增加产量。
在这场教育讲座之后，哈丁从“教授”转变为“指挥官”，就像巴顿将军一样。MR小组的唯一使命就是验证哈丁的理念，任何与此目标不相符的项目将被转移到IBM的其他部门或者直接放弃。MR小组的目标是证明，所构建的自动化系统每天可处理大约100片晶圆，一次加工一片，产量高且生产周期为一天。
什么？我没听错吧？从裸晶圆到成品电路的生产周期为一天，这在今天看来就像登月一样难。要知道，当时的生产周期通常在一个月以上。哈丁是认真的吗？
哈丁知道这在理论上是可能实现的，因此决心要做到这一点。他宣称，如果能够在一天（而不是几个月）内生产出集成电路设计的试验原型，那么IBM将拥有巨大的竞争优势。他希望电路设计师在向生产线提交数字描述后，第二天就能拿到可测试的电路。
哈丁立刻在MR小组内部组建了一个设备组和一个工艺组，并指派我负责设备组。我原本不想再做管理工作，但现在只好勉强接受，成为了一个二级经理，负责开发制程和晶圆处理需要的所有设备，用于一条尚未定义、我甚至还没有形成设想的生产线。我梦想中的研究工作仅持续了一个多月。
沃尔特•J.“沃利”•克莱因（Walter J. “Wally” Kleinfelder）被调到MR小组负责管理工艺组。工艺组负责选择要制造的产品，并定义制造工艺，也就是从空白硅晶圆开始，通过一系列化学、热和光刻步骤，以高产率在晶圆表面制造集成电路的详细步骤。
克莱因选择了随机存取存储器芯片IBM RAM II作为我们的论证产品。这款产品是在美国东菲什基尔工厂现场生产的，因此我们可以利用所有的现有资源来制造它，并将我们的结果与现有的非自动化生产线结果进行比较。
集成电路制造的第一步是在硅晶圆表面的适当位置创建晶体管和其他元件，然后添加一层铝薄膜，通过选择性蚀刻制作所需的布线图案，并将它们连接起来。这层导体薄膜被称为布线层或金属化层。
集成电路制造工艺利用影印光刻技术来制造一个集成电路所需的许多层，每一层都有独特的图案。其中包括金属布线层，现在的高级芯片可能有十几个金属布线层。在这些步骤中，晶圆上的金属布线层被涂上了一层光敏光刻胶材料，然后将图案的影像曝光到该材料上，遮挡要形成导线的区域。图像显影后，在被曝光的区域去除光刻胶，这些区域将被酸蚀刻，其余区域仍由耐酸的光刻胶保护。蚀刻完成后，去除剩下的保护光刻胶，只留下所需图案的布线层。
集成电路制造工艺还用光刻技术在硅晶圆上制作晶体管和其他元件。在这个过程中，绝缘层上被蚀刻出孔洞，少量的特定杂质可以通过这些孔洞注入纯硅的暴露点，改变其电气特性。制造RAM-II集成电路需要使用4种不同的图案，进行4次不同的光刻操作：其中3种用于创建晶体管和其他元件，1种用于创建金属布线层。要成功制造芯片，这4种图案必须完全对准。
然而，光刻只是集成电路制造过程的一部分。在现有的生产线中，加工一片RAM-II晶圆通常需要几周时间，而实际的加工时间（即晶圆在各个热处理、光刻、化学和沉积站的实际加工时间）不到48小时。晶圆的大部分时间花费在了等待下一个加工步骤上。而且，如果晶圆能迅速从一个步骤进入到下一个步骤，一些步骤完全可以被省略，特别是化学清洗步骤。
克莱因组的责任是确定哪些步骤可以省略，哪些步骤可以加快。最终，实际加工时间被压缩到不到15小时。接下来，我们组负责化学设备开发的毛昂•图（Maung Htoo）经理开始对提出的工艺进行测试。他的团队将直径1.25英寸的晶圆推入实验室，使用各种设置对工艺进行评估和改进。经过简化的工艺程序成功在约15小时内生产出了可以工作的电路，达到了预期目标。
自动化系统架构变成了现实。我们最初设想的是一系列相连的机器，每台执行一个工艺步骤，就像汽车生产线那样。但是，还要考虑到设备进行预防性保养和维修的停机时间。为此，我们在工序链的特定点插入了短期存储“缓冲区”，必要时将晶圆暂时存储在那里。
但考虑到光刻图案成像，这个工序链的概念后来被颠覆了。当时，晶圆曝光光刻胶一般采用类似于接触印相的工艺。光刻掩模相当于照相底片，当曝光光刻胶时，光线会照射在光刻掩模上。掩模上的任何缺陷或颗粒都会在芯片同一位置形成相应的缺陷，影响一片又一片晶圆。
东菲什基尔的光刻组开发了一种按照10:1比例缩小的非接触式步进重复图像投影仪。可以把它想象成一种幻灯片投影仪，能够投影出包含芯片单层图案的缩小图像。然后，它会“步进”穿过晶圆，每次曝光一个芯片位置。与接触式掩模相比，这种光刻机的颗粒污染敏感度更低，因为任何杂散颗粒的阴影都将被以10:1的比例缩小。其他优点还包括更高的光学分辨率和更长的掩模寿命。
但由于速度较慢，为了达到产量目标，需要使用多台光刻机。在进行多重图案曝光时，为了确保每片晶圆上的图案达到最佳对准精度，在工艺链中的每一层曝光时，需要将晶圆送回同一台光刻机，这可以消除不同机器之间的细微差异引起的图像失真影响。在制造RAM-II电路时，晶圆需要分4次前往指定的光刻机，如此便将线性流程分成了5个区域。单轨“出租车”负责把晶圆从一个加工区域运输到指定的光刻机，稍后再返回来将其送往下一个区域。
这5个区域中的每一个区域都可被设想为一个封闭空间，其中包含完成工序链中的每个环节所需的所有自动化晶圆加工和处理设备。这些封闭区域及“出租车”系统将为晶圆提供洁净室级别的局部环境。在每个封闭区域内，晶圆通常会从湿化学舱进入微型炉，再到光刻胶应用舱，最后到达“出租车”上车点。例如，晶圆将在湿化学舱中经历清洗、光刻胶显影与光刻胶去除，以及蚀刻等步骤。
整条生产线的控制分为3个层级。生产线的整体管理、记录保存、“出租车物流”和过程监控由一个中央计算机系统处理。每个区域均有专门的控制器，负责管理区域内的晶圆“物流”，并将晶圆的运输情况和加工数据传输到中央系统。每个封闭区域内部的加工和晶圆处理舱都有专门的控制系统，按需进行独立设置和维护。
最终配置完成后，RAM-II芯片自动化生产演示线将包括5个区域、1台“出租车”和1个光刻图案成像中心，均由计算机管理。哈丁接管工作6个月后，MR小组开始设计和建造实际的系统。
哈丁频繁前往IBM纽约阿蒙克总部汇报进展，申请资源，回应挑战，并说服高层管理人员相信花费的项目资金是对未来的一笔良好投资。这是一项艰巨的任务。他召开的员工周例会时间都特别长，常常反映出他所承受的压力。他会就一些他明知我们已经了解的事情发表长篇大论，说一些寓言故事，还会旁征博引、类比阐释。
那时，我并没有意识到他是在用员工会议来形成和完善他在阿蒙克的演讲思路。他会注意我们的反应，并据此对他的演讲思路作出相应调整。他对高层的演讲介绍非常有效。在整个项目期间约3年的时间里，MR小组获得了开发、设计、建造和运营整个系统所需的所有资金和支持。
在一次员工会议上，哈丁大声朗读了海伍德•布鲁恩（Heywood Broun）的短篇故事《第51条龙》，强调一个名字或口号是激励人们达成不可能目标的力量。当然，他的意思是，我们需要为项目起一个非常好的名字，最终我们选择了“SWIFT”。哈丁始终强调这不是一个首字母缩略词，但人们还是认为它是“Semiconductor Wafer Integrated Factory Technology”（半导体晶圆集成工厂技术）的缩写。
SWIFT的加工和晶圆传送设备完全由IBM的元器件部门定制设计。主要设计目标是自动、一致、均匀地加工晶圆，并保持晶圆干净和无损伤。晶圆处理实验找出了最清洁、最温和的技术。传送设备的设计目的是支撑晶圆而不是抓住晶圆。一种新型晶圆送料器利用晶圆上方的气流将晶圆抬起，不需要物理接触，成功地用于部分晶圆转送。
SWIFT晶圆处理设备的“清洁和温和”设计有一个例外。位于佛蒙特州伯灵顿的组件部门管理层向哈丁施压，要求使用他们开发的“气轨”晶圆运输设备。这款设备利用气流抬起和移动晶圆，原理类似于桌上冰球游戏的冰球。哈丁需要伯灵顿的持续支持，因此他下令在SWIFT中使用一些气轨设备。而且确实这样做了，尽管晶圆污染和可靠性问题尚未解决。
另一项自上而下的命令解释了为什么SWIFT最终使用了两种不同的区域控制系统——这与良好的可维护性设计截然相反。定制控制器设计好了，而且5个单元正在制造（每个区域一个），这时，总部要求我们采用刚刚发布的IBM System/7，一款专为工厂设备和过程控制应用开发的系统。毕竟，如果IBM自己都不在先进生产线上使用System/7，潜在客户就会问“为什么不用呢？”如果SWIFT使用System/7并取得了成功，这将有助于System/7的销售。因此，SWIFT最终为5个区域分别配备了4个定制控制器和一个System/7系统，两者都表现得不错。
设备可靠性是SWIFT的致命弱点。为了提高可靠性并易于维护，在整个系统使用中，我们选择了对某些机制和控制装置标准化，选择的标准是可靠性和简易性，而不是新颖性或优雅性。比如，观察系统运行的人会发现，许多动作是通过离散的平稳步进来完成的，而不是单一的穿越。该特性基础的是广泛使用的简单、稳健且可靠的日内瓦驱动器，它最早是几百年前为时钟设计的，但现在经过改进，也适用于必须平稳且终点精确锁定的线性和旋转运动。轻松控制日内瓦驱动器的输入轴转动一圈，就走一步。长距离的穿越需要输入轴转动多圈，导致移动看起来很怪异。
另一项简化设计是旋转晶圆，利用离心力扩散滴在晶圆中心的液态光刻胶。在现有的生产线中，“错误的旋转速度”常被认为是造成与光刻胶相关的晶圆加工不合格的原因。通过使用同步交流电动机，利用60赫兹的交流电源将SWIFT的旋转器锁定在每分钟3600转，就像驱动留声机转盘一样，旋转速度不再是一个变量。也不再需要速度控制器。通过调整温度、粘度和/或旋转时间等其余变量，可实现所需的光刻胶薄膜厚度。去除4个独立的速度控制器后，系统可靠性最终得到了提高。
随着SWIFT从构想到实际的硬件实施，哈丁调整了MR的组织架构，并获得了支持团队的合作。他确保团队拥有完成工作的资源，并能专注于项目。这让我对他的组织能力和从公司内部挑选和招募顶尖人才的能力产生了深深的敬佩。
哈丁建立了一个团队来开发SWIFT的主控系统，负责实时监控每一片晶圆在各个区域的进度。该执行控制系统（ECS）基于IBM 1800。每片晶圆都有一个序列号，在生产线上的每一步都能跟踪到。执行控制系统存储和监控着每片晶圆的工艺参数，能够快速发现并应对不符合规格的情况。虽然系统使用的打孔卡和磁带盒现在看起来都已过时，但在当时，这是晶圆生产线在生产控制和监控方面的一大进步。
他还将山姆•坎贝尔（Sam Campbell）领导的整个仪器部门从恩迪科特迁移到了东菲什基尔。坎贝尔的部门随后为SWIFT开发了开创性的实时现场过程控制方法。
我们还搭建和测试了熔炉和化学处理器实体模型。罗伯特•J. 斯特劳布（Robert J. Straub）的部门隶属于东菲什基尔制造工程小组，他们设计并建造了5个区域及其内部的工艺设备构件。哈丁还邀请了比万•P. F. 吴（Bevan P.F. Wu）来管理生产线的安装、调试和运营工作。随着各项设备和设施集合到SWIFT 375平方米的专用空间，在比万•P. F. 吴的领导下，曾负责管理一部分区域设计和真空金属沉积设备开发工作的罗尔夫•H. 布鲁纳（Rolf H. Brunner）承担了设备安装、启动和调试的任务。
整个过程中只有一个操作未能实现完全自动化：晶圆对准。将图案曝光在光刻胶上，这项工作仍然依赖训练有素的操作员。在最终的系统中，SWIFT既有一台10:1的光学光刻机，也有一台1:1的接触式掩模机，但在实际工作中，大多数芯片是由1:1机器生产的，因为这种方法产量高。
到了1973年底，IBM总部已经确信全自动化的晶圆加工可以成功实现，因此将这一目标确立为新的晶圆加工线的主要目标，为IBM下一代计算机“FS”（未来系统）制造电路。这条新加工线被命名为“FMS”（未来制造系统），SWIFT则被更名为“FMS可行性验证线”。
比万•P. F. 吴成功地管理了生产线的建成、测试运行、人员培训，以及设备、工艺和程序的改进。他将生产线提升到可以为IBM产品生产电路的水平。从1974年中期到1975年初，系统完成了5次连续运行。在运行间隙，他的团队会分析结果和实施改进。最长的一次连续运行持续了12天。晶圆的平均产量为每天58片，达到了最大设计产量的83%。从输入裸晶圆到输出可测试电路的平均生产周期约为20小时，其中实际加工时间为14小时。最终，其产量与东菲什基尔传统的RAM-II生产线所达到的最好水平相当。
共有135名来自IBM全球各工作地的技术人员、工程师和管理人员接受了这个系统的操作培训。他们生产了600片产品级质量的晶圆，包含1.7万个RAM-II场效应晶体管存储芯片。
就像二战指挥官巴顿将军那样，哈丁未能领导“大戏出演”，即建立FMS自动化生产线。他离开了管理岗位，被提升为IBM院士。在IBM，这是最高级别的非管理岗位。
原名SWIFT的FMS可行性验证线于1975年初进行了最后一次连续运行，完成了所有目标。随后需要其团队成员帮助建设生产FS计算机的FMS生产线。然而，在1975年晚些时候，FS项目被取消，FMS生产线变得多余。部分原计划用于FMS的设备被重新用于东菲什基尔的QTAT（快速周转）生产线，该生产线成为IBM的一大标志性成果，知名度远超其鲜为人知的前身SWIFT项目。
尽管SWIFT项目的生命很短暂，并未受到太多关注，但其许多创新成果在今天的半导体工厂中清晰可见。如同SWIFT一样，这些工厂高度自动化，由计算机控制；采用了中央运输系统和“伯努利”处理器（利用气流抬起晶圆，不需要物理接触）；在氧化物或金属膜形成后立即涂光刻胶；使用光刻机进行光刻图案曝光；采用实时过程控制。这些正是50年前SWIFT项目的开创性成果。
对我而言，在哈丁手下为SWIFT项目工作的三年是一次变革性体验，从最初的惊恐不安到最终的由衷钦佩，我认为哈丁是一位真正的天才，有他自己独特的方式。在他独特管理风格的激励和支持下，一个敬业的团队完成了远超最初设想的目标，甚至超出了我们自己的想象。
行业里的第一批成功者往往被称为某某发明“之父”，爱迪生、贝尔、福特和莱特兄弟皆是如此。从这个意义上说，哈丁显然可以称得上是价值数十亿美元的现代自动化晶圆厂“之父”。
