光刻机编年史(1959-1969)

光刻机编年史(1959-1969)
2020年02月29日 12:29 半导体行业观察

来源:内容来自「芯思想」,作者:赵元闯,谢谢。

1950年代未,仙童半导体发明了至今仍在使用的掩膜版曝光刻蚀技术,极大的推动了半导体技术的革命。那时的掩膜版是以1:1的比例紧贴在硅晶圆上,而晶圆也多只有1英寸大小。那时,掩膜版曝光还非常简单,半导体公司通常自己设计工具,另外GCA、K&S和Kasper等公司也提供相关掩膜版曝光设备。当年掩膜版曝光工具有很多种,包括光学图形发生器、光电中继器和和对准器。

光刻机的发展经过了一个漫长的过程,1960年代的接触式光刻机、接近式光刻机,到1970年代的投影式光刻机,1980年代的步进式光刻机,到步进式扫描光刻机,到浸入式光刻机和现在的EUV光刻机,设备性能不断提高,推动集成电路按照摩尔定律往前发展。

曝光光源方面,从1960年代初到1980年代中期,汞灯已用于光刻,其光谱线分别为436纳米(g线)、405纳米(h线)和365纳米(i线)。然而,随着半导体行业对更高分辨率(集成度更高和速度更快的芯片)和更高产量(更低成本)的需求,基于汞灯光源的光刻工具已不再能够满足半导体业界的高端要求。

而随着工艺制程的微缩,曝光技术领先成为夺取市场的关键,赢家通吃。经过多年混战,目前已经开成ASML一家独大的局面。

芯思想研究院为此整理了从1959年以来的半导体曝光系统发展编年简史,每十年为一个章节。

下面我们来看看半导体曝光工具的发展历程的第一个十年(1959-1969)。

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1947年12月23日,首个晶体管诞生。

1945年,贝尔实验室计划针对硅和锗等新材料进行有目标的基础研究,成立了以William Shockley为组长的“半导体小组”,成员包括John Bardeen和Walter Brattain;Bardeen和Brattain在1947年12月发明了点接触式晶体管;1948年1月,Shockley发明了三明治结构的双极性结式晶体管;点接触式晶体管的产量非常有限,不能算是商业上的成功;结式晶体管却使得现代半导体工艺成为可能,为许多半导体公司的兴起做出了重大贡献;1956 年,Bardeen、Brattain、Shockley获得了诺贝尔物理学奖;1950年,日本东北大学的Jun-ichi Nishizawa(西泽润一)和Y. Watanabe(渡边宁)发明了发明了SIT(静电感应晶体管,static induction transistor);1952年Shockley提出结式场效应晶体管(Junction Field-Effect Transistor,JFET),同年基于晶体管的助听器和收音机就投入市场;1954年1月,贝尔实验室的Morris Tanenbaum制备了第一个硅晶体管;1954年4月14日,德州仪器的Gordon Teal(原贝尔实验室)实现了商业化的硅晶体管;1956年,通用电气发明了晶闸管;1959年,贝尔实验室的Dawon Kahng和Martin Atalla发明了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),这是1925年Julius Edgar Lilienfeld提出的场效应晶体管概念的具体实现;1967年,卡恩和施敏(S. M. Sze)制作了浮栅型MOSFET(FGMOS),为半导体存储技术奠定了基础。

1950年代,双极工艺流行。

1949年,贝尔实验室的Shcokley提出pn结和双极型晶体管理论,1951年贝尔实验室制造出第一只锗双极型晶体管,1956年德州仪器制造出第一只硅双极型晶体管,1970年硅平面工艺技术成熟,双极型集成电路开始大批量生产。

1958年,Eastman Kodak研发成功适合半导体工业的负性光刻胶。

1958年,Eastman Kodak开发成功环化橡胶-双叠氮系负性光刻胶,首次应用于半导体制造过程。同期Shipley也研发成功适合半导体工业的光刻胶。

为适应集成电路线宽不断缩小的要求,光刻胶的波长由紫外宽谱向g线(436纳米)到i线(365纳米)到KrF(248纳米)到ArF(193纳米)到EUV(13.5纳米)的方向转移,并通过分辨率增强技术不断提升光刻胶的分辨率水平。

1959年,第一台“步进重复(step and repeat)”相机问世。

1959年,仙童半导体的Jay Last和Robert Noyce在母公司的支持下,制造了世界上第一台“步进重复(step and repeat)”相机,使用光刻技术在单个晶圆片上制造了许多相同的硅晶体管。

1959年,仙童公司的Robert Noyce提交了平面工艺的专利,用铝作为导电条制备集成电路。从此,集成电路的时代开始了。

Jean Hoerni(金·赫尔尼,1924年9月26日-1997年1月12日)是硅晶体管先驱。他发明的平面工艺成为了1962年颁发的专利3025589《制造半导体器件的方法》的基础,也为Robert Noyce(罗伯特·诺伊斯,1927年12月12日-1990年6月3日)开创现代集成电路奠定了基础。

1961年,GCA/David W. Mann首次发布光电中继器(photo-repeaters)。

1959年,由Ephraim Radner创办仅一年的GCA(美国地埋物理公司,Geophysical Corporation of America)收购David W. Mann Company,并利用David W. Mann的精密运动能力制造在硅片之间精确对准电路图案的曝光装备。光电中继器是一款采用离轴对准,采用e线(577纳米)曝光光源,用于给半导体制造过程中缩小光掩模的两步重复式曝光装备,Clevite Corporation是其首个客户。David W. Mann的光电中继器型号有971、1080、1280、1480、1795和3095。

1963年,Süss(苏斯)为Siemens(西门子)开发了第一台掩模对准仪MJB3的原型。

1949年Karl Süss GmbH成立,主要提供光学设备,1962年和Siemens合作开发了用于晶体管的打线机(bonding)。

1965年,仙童公司的摩尔(G. Moore) 提出了摩尔定律(Moore’s law):集成电路上可容纳的元器件的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍(摩尔定律起初说是每年翻一番,十年后改为两年翻一番)。

这个定律本来是描述此前半导体产业发展的经验公式,结果竟然奇迹般地揭示了此后五十多年信息技术进步的速度。为了协调半导体产业的发展,从90年代起,国际半导体产业界开始筹划研究路线图,包括美、欧、日、韩及中国台湾等半导体产业发达的国家和地区。从1998年开始,半导体技术国际路线图( International Technology Roadmap for Semiconductors)每两年发布一次。然而,2016年发布的新的路线图,首次不再强调摩尔定律,而是超越摩尔的战略(More than Moore strategy):以前是芯片先行、应用跟随(应用跟着芯片走),今后则是芯片为应用服务。

1965年,Kulick&Soffa(库力索法)推出首款商用接触式对准器(aligners)。

1951年Kulick&Soffa成立。

1966年,中国科学院109厂与上海光学仪器厂协作,研制成功我国首台65型接触式曝光系统,由上海无线电专用设备厂进行生。

1958年8月,为研制高技术专用109计算机,我国第一个半导体器件生产厂成立,命名为“109厂”,作为高技术半导体器件和集成电路研制生产中试厂,归属中国科学院应用物理所。

1968年,Veridyne Semiconductor收购Electromask。

Electromask于1965年,在加州成立,初期制造光掩模(photomasks)。

1968年,Kasper Instruments成立。

专业生产接触式掩模对准器。

1968年,Carl Zeiss为德国半导体商Telefunken提供了第一款用于电路板印刷机(circuit board printer)的镜头,分辨率为15微米。

这是Carl Zeiss首次进入曝光系统镜头领域。成立于1946年的Carl Zeiss主导过一系列镜头设计,包括有名的Planar、Tessar和Sonnar。

1969年中国科学院109厂与丹东精密仪器厂协作,研制成功全自动步进重复照相机,套刻精度达3微米,由北京700厂批量生产。

1969年,Computervision Corp.由Philippe Villers在美国波士顿创立。

创立时筹集了100万美元启动资金,进入CADDS(Computer-Aided Design and Drafting System)。KLA创始人Ken Levy当时在公司负责Autolign半导体掩模对准仪设备业务,通过公司研发的自动对准系统(Joe Sliwkowski负责开发)配合Kulicke&Soffa的手动对准器来完成。

1969年,Nikon(尼康)开发了第一台光电中继器。

1917年Nikon成立,是一家综合性光学公司。尼康在1962年推出具有高分辨率的镜头Ultra Micro-NIKKOR,其分辨率可在1毫米中识别1000根以上的线条;1964年推出刻线机1号,可在在玻璃背板上刻印凹槽,其精度可在1毫米的宽幅中刻印1000根线条;1971年推出精密光学测距设备MND-2,成功用于在光掩模上进行坐标测量;这些技术积累为研制高分辨率光学系统、高精度位置检测和高精密对准精度的曝光装备奠定了基础。

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