Пятьдесят лет назад один дерзкий менеджер поставил перед собой невероятную задачу: создавать готовые чипы всего за один день. И справился с ней.
В 1970 году Билл Хардинг задумал создать полностью автоматизированную линию по производству кремниевых пластин, способную выпускать полностью готовые интегральные схемы с производственным циклом не более одних суток. В наши дни сроки изготовления передовых ИС измеряются неделями, а не днями. Представьте себе, как смело и даже дерзко выглядела эта задача 54 года назад! В те времена производство ИС, например, чипов памяти с произвольным доступом, растягивалось на месяц и требовало выполнения многих десятков ручных операций на всех этапах.
На тот момент Хардинг руководил отделом производственных исследований IBM в Ист-Фишкилле, штат Нью-Йорк. А проект, который он открыл, чтобы воплотить задуманное в жизнь, и который сегодня практически неизвестен, назывался Project SWIFT. Чтобы добиться столь короткого производственного цикла, требовался невероятный уровень автоматизации, достичь которого можно было только путем кардинального переосмысления принципов проектирования линий по производству микросхем. Хардинг и его команда справились с поставленной задачей, совершив прорыв, который впоследствии отразился на всей мировой полупроводниковой промышленности. Многие новаторские идеи SWIFT стали обыденностью на современных высокоавтоматизированных заводах, однако добиться такого же короткого рабочего цикла, как у SWIFT, до сих пор никому не удавалось.
В среднем на каждый слой в SWIFT уходило не более 5 часов, в то время как на самых быстрых современных фабриках каждый слой требует порядка 19 часов, а в среднем по отрасли — и вовсе 36. Несмотря на то что современные интегральные схемы состоят из гораздо большего количества слоев, изготавливаются на крупных пластинах размером с небольшую пиццу, а процесс обработки чрезвычайно сложен, эти факторы не слишком-то сокращают разрыв. Автоматизированная производственная линия Хардинга была по-настоящему быстрой.
Манифест производства полупроводников
Я познакомился с Хардингом в 1962 году и надеялся, что это будет последняя наша встреча. IBM как раз готовилась к выпуску своего компьютера System/360. Это было весьма неприятное знакомство. «Что это за чертовщина?» — кричал он мне, когда я показал, как можно автоматически обрабатывать крошечные неупакованные полупроводниковые «кубики» для тестирования и сортировки.
Уильям Э. («Билл») Хардинг отличался новаторским мышлением и изобретательностью. На тот момент он уже три года занимался разработкой полупроводников и технологий их производства в IBM. Хардинг получил должность менеджера среднего звена в новом подразделении и отвечал за разработку и производство оборудования, необходимого для изготовления полупроводниковых устройств и модулей для System/360.
Для менеджера IBM он был грубоват. Но, возможно, этого следовало ожидать от человека, выросшего в Бруклине и трижды раненного в боях во время Второй мировой войны. После войны Хардинг получил степени бакалавра и магистра по математике и физике и стал членом IEEE.
Я устроился в IBM в 1961 году, перейдя туда из компании General Electric, занимавшейся разработкой ракетных двигателей.
Как и большинство инженеров того времени, я ничего не знал о производстве микросхем. За пять лет до этого я посещал курсы по вакуумным электронным приборам, на которых профессор описывал транзисторы как «лабораторную диковинку, которая может взлететь, а может оказаться пшиком».
Грубость и бесцеремонность Хардинга бросались в глаза каждый раз, когда я с ним пересекался. Тем не менее, в своем деле он преуспел. К 1964 году модули полупроводниковой логики для System/360 уже поставлялись новым заводом подразделения Components Division, расположенного на бывшей ферме в Ист-Фишкилле.
В июле 1970 года я вновь пришел в IBM после трех лет учебы в аспирантуре. До перерыва на учебу я четыре года был менеджером первого уровня и больше не желал заниматься управленческой работой. Мне захотелось построить сугубо техническую карьеру, и я присоединился к команде производственных исследований (MR) в Ист-Фишкилле, надеясь добиться своей цели.
Наши с Хардингом пути снова совпали. В середине августа 1970 года он стал топ-менеджером MR. Перед этим он в течение года разрабатывал корпоративную стратегию IBM для будущего производства и использования очень больших интегральных схем (VLSI). Ему поручили управлять MR, чтобы наглядно убедиться в жизнеспособности его производственных принципов. Для объявления о смене руководства было созвано собрание сотрудников MR. После вступительного слова Хардинг рассказал о своем видении перспектив применения и производства VLSI. Среди ключевых моментов было следующее:
Схемы VLSI будут основаны на технологии полевых транзисторов (в то время доминировали транзисторы с биполярным переходом);
Высокий выход продукции без дефектов будет иметь первостепенное значение;
Производство будет полностью автоматизировано;
Наилучшие результаты будут достигнуты при обработке по одной пластине за раз;
Короткие сроки выполнения заказов дадут серьезные преимущества;
Объемы производства будут увеличиваться за счет клонирования успешных производственных линий.
После просветительской лекции Хардинг махом превратился из профессора в полководца, прямо как генерал Паттон. Единственной задачей MR была реализация идей Хардинга, а текущие проекты, не соответствующие этой цели, должны были быть переданы в другие подразделения IBM или вовсе заброшены. MR предстояло доказать, что можно создать автоматизированную систему, способную ежедневно обрабатывать около 100 пластин в день, по одной за раз, с высокой производительностью и однодневным производственным циклом.
Что? Я все правильно понял? За один день превратить голую пластину в готовую микросхему казалось чем-то таким же невероятным, как первый шаг человека по Луне. Не забывайте, что в те годы на изготовление микрочипа уходило больше месяца. Неужели Хардинг и правда замахнулся на нечто грандиозное?
Хардинг был уверен, что теоретически подобное возможно, и был полон решимости добиться результата. Он заявил, что IBM получит значительное конкурентное преимущество, если опытные образцы экспериментальных микросхем будут производиться за день, а не месяц. Он хотел, чтобы разработчик микросхем получал тестовые образцы уже на следующий день после отправки цифрового описания на производственную линию.
Хардинг немедленно организовал в MR группы технологического оснащения и производственных процессов, поручив мне управление первой. Я не хотел снова заниматься менеджментом. Но все же, скрепя сердце, занял должность менеджера второго уровня, в чьи обязанности входила разработка всего оборудования для обработки и перемещения пластин для еще не сформированной производственной линии. Научно-исследовательская деятельность, о которой я так мечтал, продлилась чуть больше месяца.
Уолтер Дж. («Уолли») Кляйнфельдер перешел в MR, чтобы руководить группой производственных процессов. Группа должна была выбрать продукт для производства и определить технологию его изготовления — подробную последовательность химических, термических и литографических операций, необходимых для получения пустой кремниевой пластины и создания на ее поверхности интегральных схем.
Для демонстрации Кляйнфельдер выбрал микросхему памяти с произвольным доступом — IBM RAM II. Этот продукт производился прямо на месте, в Ист-Фишкилле, поэтому у нас было все необходимое для его создания и оценки результатов по сравнению с существующей неавтоматизированной производственной линией.
На экспериментальном заводе SWIFT было свое монорельсовое «такси»
Производство интегральных микросхем предполагает сперва размещение транзисторов и других компонентов в нужных местах на поверхности кремниевой пластины, а затем их соединение путем добавления тонкой пленки алюминия, полученной методом травления.
При производстве ИС для создания множества слоев, каждый из которых имеет свой характерный рисунок, используется фотолитография. Среди таких слоев — металлические проводящие поверхности, которых в современном чипе может быть более десятка. На металлический слой на подложке наносится светочувствительный компонент, фоторезист, после чего на него проецируется рисунок. Области, где планируется сформировать проводники, защищаются от света. Когда изображение проявляется, фоторезист удаляется с экспонированных участков, позволяя протравить их кислотой. Остальная часть поверхности остается защищенной кислотостойким резистом. После завершения травления остатки резиста удаляются, и остается только запланированный слой «проводки».
Обзор Project SWIFT
Производственная линия Project SWIFT состояла из пяти «секторов».
Каждый из них представлял собой закрытую систему размером с автомобиль, которая выполняла все необходимые технологические операции. За исключением первого и пятого секторов, пластины поступали в сектор с фоторезистом, готовым к проявке, а выходили из сектора со свежим фоторезистом, готовым к следующей экспозиции шаблона. «Такси» перевозило отдельные пластины из сектора на станцию экспонирования литографических масок, а затем в следующий по порядку сектор.
Однако — это только часть процесса производства ИС. На действующей производственной линии обработка одной пластины RAM-II занимала несколько недель. Но чистое время обработки без учета логистики и ночных/дневных смен составляло менее 48 часов. Большую часть времени пластина находилась в ожидании следующего этапа техпроцесса. А некоторые этапы, в частности химическую чистку, можно было бы и вовсе исключить, если бы пластины быстро переходили от одного этапа к другому.
Группа Кляйнфельдера определила, какие этапы можно исключить, а какие ускорить. В результате общее время технологического процесса составило менее 15 часов. Маунг Хту, руководитель направления по разработке химического оборудования, занялся тестированием предложенного процесса. Его сотрудники прогнали пластины диаметром 1,25 дюйма через лабораторную установку, чтобы оценить и доработать ее. Как и предполагалось, сокращенная процедура позволила получать рабочие микросхемы примерно за 15 часов.
Сформировалась общая архитектура автоматизированной системы. Поначалу она представляла собой цепочку связанных между собой машин, каждая из которых выполняла один шаг технологического процесса, подобно автомобильному сборочному конвейеру. Но все равно требовалось учитывать время простоя оборудования для профилактического обслуживания и ремонта. Для этого были введены «буферы» кратковременного хранения, в которых пластины временно хранились при необходимости.
Еще сильнее исходная концепция производственной цепочки осложнилась из-за трудностей, связанных с литографическим нанесением рисунка. Экспонирование фоторезиста на пластинах в то время обычно осуществлялось с помощью процесса, похожего на контактную фотопечать. Литографическая маска, через которую проникал свет, была своеобразным аналогом фотографического негатива. Любой дефект или пылинка на маске приводили к появлению соответствующего дефекта на чипе, в том же самом месте, пластина за пластиной.
Специалисты по литографии из Ист-Фишкилла разработали «пошаговый» бесконтактный проектор 10:1. Его можно представить как своего рода фотопроектор, создающий уменьшенное изображение конкретного слоя на чипе. Он перемещается по полупроводниковой пластине, экспонируя по одному участку чипа за раз. По сравнению с контактным маскированием, степпер обеспечивал меньшую чувствительность к загрязнению, так как размер тени от случайной пылинки уменьшался в соотношении 10:1. Среди прочих достоинств можно отметить высокое оптическое разрешение и более длительный срок службы маски.
Однако из-за невысокой скорости работы устройства для достижения заданной производительности требовалось сразу несколько степперов. Чтобы добиться идеального выравнивания рисунка на каждой пластине при многократном экспонировании, необходимо было направлять пластину на один и тот же степпер для экспонирования каждого слоя в технологической цепочке. Это позволяло свести на нет искажения картинки, возникающие из-за незначительных погрешностей на разных машинах. Для создания микросхем RAM-II требовалось, чтобы пластина четыре раза подводилась к одному и тому же степперу на разных этапах производства. Таким образом, линия разбивалась на пять отдельных секторов. Монорельсовое «такси» доставляло пластину из сектора обработки к соответствующему степперу, а затем возвращалось, чтобы перевезти ее в следующий сектор.
Каждый из пяти секторов представлял собой шкаф, содержащий весь комплекс устройств для автоматизированной обработки и перемещения пластин. Корпусы и само такси проектировались таким образом, чтобы обеспечить для пластин среду, соответствующую требованиям чистого помещения. Внутри корпуса сектора, как правило, пластина проходила непосредственно от модуля «мокрой химии» к миниатюрным печам, блоку нанесения фоторезиста и, наконец, к площадке такси. В модуле «мокрой химии», к примеру, пластина проходила очистку, нанесение фоторезиста или его удаление, а также процедуру травления.
В итоге автоматизированная демонстрационная линия для чипов RAM-II состояла из пяти секторов, такси и центра литографической обработки изображений, управляемых компьютером. Спустя шесть месяцев после того, как Хардинг принял командование, MR приступила к проектированию и созданию действующей системы.
Дерзкий менеджер черпал вдохновение в литературе
Хардинг совершал частые поездки в штаб-квартиру IBM в Армонке, штат Нью-Йорк, чтобы доложить о прогрессе, запросить ресурсы, развеять сомнения и убедить высшее руководство в том, что потраченные деньги - это хорошая инвестиция в будущее. Это была трудная миссия. Длительные еженедельные совещания с сотрудниками нередко становились отражением того давления, которое он испытывал. Он читал подробные лекции о вещах, с которыми мы работали, рассказывал аллегорические истории и проводил аналогии.
В то время я не подозревал, что он использует эти совещания для формирования и совершенствования своих презентаций в Армонке. Он отмечал нашу реакцию и соответствующим образом корректировал свои мысли. Его доклады высшему руководству были весьма эффективны. На протяжении всего проекта, длившегося около трех лет, MR получала все необходимое финансирование и поддержку для разработки, проектирования, строительства и эксплуатации системы.
На одном из совещаний с сотрудниками Хардинг прочитал вслух рассказ Хейвуда Брауна «Пятьдесят первый дракон», чтобы подчеркнуть силу названия или слогана, мотивирующего людей на достижение невозможного. Разумеется, его мысль заключалась в том, что нам нужно придумать для проекта по-настоящему хорошее название. В конечном итоге мы остановились на «SWIFT». Хардинг всегда настаивал на том, что это не аббревиатура, но, тем не менее, все решили, что это сокращение от «Semiconductor Wafer Integrated Factory Technology».
Оборудование для обработки и перемещения полупроводниковых пластин SWIFT было разработано по индивидуальному заказу в подразделении IBM, специализирующемся на нестандартных комплектующих. Ключевыми целями проекта были автоматическая, последовательная и равномерная обработка пластин и поддержание их в чистом и целостном состоянии. Эксперименты с обработкой пластин позволили выявить наиболее безопасные и деликатные методы. Оборудование было спроектировано таким образом, чтобы пластину можно было нежно поддерживать снизу, а не грубо хватать по пути. Для ряда операций по транспортировке был успешно применен новый манипулятор, поднимающий пластину силой воздуха, без физического контакта.
Ахиллесовой пятой SWIFT оказалась надежность оборудования. Чтобы добиться высокой эффективности и простоты обслуживания, некоторые механизмы и элементы управления были стандартизированы для использования во всей системе, и их выбирали скорее за простоту и безотказность, чем за новизну или элегантность. Например, наблюдая за работой системы, можно было заметить, что многие операции выполняются последовательностью плавных шагов, а не за один проход. В основе этой особенности лежит активное применение простого, прочного и долговечного женевского механизма, изначально разработанного много веков назад для часов, а теперь адаптированного для совершения продольных и вращательных движений, требующих плавности и точной остановки в конечных точках. При каждом легко контролируемом повороте входного вала женевского привода совершался один шаг. А вот длинные траверсы требовали многократного проворачивания вала, что могло в итоге привести к сбоям.
Еще одно упрощение — раскручивание пластин для центробежного распределения жидкого фоторезиста, нанесенного на центр пластины. В действующих линиях причиной брака в процессе обработки пластин, связанного с резистом, часто являлась «неправильная скорость вращения». Частота вращения была исключена как переменная величина благодаря использованию в качестве привода спиннеров SWIFT синхронных двигателей, которые фиксируются на 3 600 об/мин 60-герцовым источником переменного тока, подобно тому, как приводятся в движение проигрыватели фонографов. Никаких регуляторов скорости не требовалось. Необходимая толщина пленки фоторезиста достигалась путем регулировки остальных переменных — температуры, вязкости и/или времени отжима. В итоге надежность системы была повышена за счет отказа от четырех отдельных регуляторов скорости.
По мере того как SWIFT продвигался от концепции к реальной аппаратной реализации, Хардинг корректировал организационную структуру MR и добивался взаимодействия со вспомогательными группами. Он следил за тем, чтобы его сотрудники имели все необходимые ресурсы для выполнения работы и могли сосредоточиться на проекте. Я восхищался его организаторскими способностями и умением находить и набирать высококлассных специалистов внутри компании.
Хардинг организовал специальную группу для разработки главной системы управления SWIFT, которая отслеживала продвижение каждой пластины по секторам. Система контроля исполнения (ECS) была построена на базе IBM 1800. Каждая пластина имела серийный номер и отслеживалась на всех этапах перемещения по линии. ECS хранила и контролировала параметры обработки каждой пластины, обнаруживая нестандартные ситуации и быстро реагируя на них. Перфокарты и ленточные картриджи теперь, конечно, выглядят архаично, но тогда их применение казалось нам едва ли не технологическим прорывом.
Короткая жизнь системы и ее непреходящее наследие в производстве микросхем
Только одна операция во всем процессе не была полностью автоматизирована. Выравнивание пластины для экспонирования рисунка на фоторезисте по-прежнему зависело от квалифицированного оператора. В окончательном варианте SWIFT имел как оптический степпер 10:1, так и машину с контактной маской 1:1, но так получилось, что большинство чипов было произведено на машине 1:1, потому что ее производительность была выше.
К концу 1973 года в штаб-квартире IBM уже были уверены, что полная автоматизация обработки пластин может увенчаться успехом. Настолько, что эта цель рассматривалась как основная для новой линии по обработке пластин для производства микросхем для следующего поколения компьютеров IBM, «FS» (Future System). Новая линия получила название «FMS» (Future Manufacturing System), а SWIFT было решено переименовать в «FMS Feasibility Line».
В общей сложности 135 техников, инженеров и менеджеров из подразделений IBM по всему миру прошли обучение работе с системой. Они изготовили 600 пластин с 17 000 микросхем памяти RAM-II FET.
Но, как и его командира времен Второй мировой войны генерала Паттона, Хардинга отстранили от руководства — новой автоматизированной линии FMS. Он оставил позади карьеру менеджера и получил должность IBM Fellow — высочайший неруководящий пост в компании.
FMS Feasibility Line, оригинальная линия SWIFT, была запущена в последний раз в начале 1975 года. Свои задачи она выполнила. Теперь ее сотрудники требовались для участия в разработке линии FMS. Но в конце 1975 года проект FS отменили, и FMS стала не нужна. Часть оборудования, предназначенного для FMS, вошла в линию QTAT (Quick Turn Around Time) компании East Fishkill.
Несмотря на то, что жизнь SWIFT была коротка и он никогда не был в центре внимания, многие из его инноваций хорошо заметны и на современных заводах по производству чипов. Как и SWIFT, эти фабрики высоко автоматизированы и управляются компьютерами, имеют центральную транспортную систему и манипуляторы «Бернулли», которые используют поток воздуха для подъема пластин без физического контакта. Резист наносится сразу после образования оксидной или металлической пленки. Степперы применяются для экспонирования литографического рисунка. Все это было революционными особенностями проекта SWIFT 50 лет назад!
Опыт работы под руководством Хардинга над SWIFT в течение трех лет был для меня судьбоносным. То, что начиналось с неприятия, закончилось восхищением. Я стал считать Билла Хардинга настоящим гением, в своем роде. Подстегиваемая и поддерживаемая его уникальным стилем управления, небольшая группа преданных своему делу людей достигла гораздо большего, чем кто-либо изначально предполагал. Даже больше, чем мы сами считали возможным.
Мы рассматриваем первопроходцев в той или иной отрасли как «отцов» современного воплощения их изобретений. Именно так принято говорить об Эдисоне, Белле, Форде и братьях Райт. Уильям Э. Хардинг с этой точки зрения является отцом всех современных автоматизированных фабрик по производству чипов с миллиардными оборотами.