1950 年代未,仙童半導(dǎo)體發(fā)明了至今仍在使用的掩膜版曝光刻蝕技術(shù),極大的推動了半導(dǎo)體技術(shù)的革命。那時的掩膜版是以 1:1 的比例緊貼在硅晶圓上,而晶圓也多只有 1 英寸大小。那時,掩膜版曝光還非常簡單,半導(dǎo)體公司通常自己設(shè)計工具,另外 GCA、K&S 和 Kasper 等公司也提供相關(guān)掩膜版曝光設(shè)備。當(dāng)年掩膜版曝光工具有很多種,包括光學(xué)圖形發(fā)生器、光電中繼器和和對準(zhǔn)器。
光刻機的發(fā)展經(jīng)過了一個漫長的過程,1960 年代的接觸式光刻機、接近式光刻機,到 1970 年代的投影式光刻機,1980 年代的步進式光刻機,到步進式掃描光刻機,到浸入式光刻機和現(xiàn)在的 EUV 光刻機,設(shè)備性能不斷提高,推動集成電路按照摩爾定律往前發(fā)展。
曝光光源方面,從 1960 年代初到 1980 年代中期,汞燈已用于光刻,其光譜線分別為 436 納米(g 線)、405 納米(h 線)和 365 納米(i 線)。然而,隨著半導(dǎo)體行業(yè)對更高分辨率(集成度更高和速度更快的芯片)和更高產(chǎn)量(更低成本)的需求,基于汞燈光源的光刻工具已不再能夠滿足半導(dǎo)體業(yè)界的高端要求。
而隨著工藝制程的微縮,曝光技術(shù)領(lǐng)先成為奪取市場的關(guān)鍵,贏家通吃。經(jīng)過多年混戰(zhàn),目前已經(jīng)開成 ASML 一家獨大的局面。
芯思想研究院為此整理了從 1959 年以來的半導(dǎo)體曝光系統(tǒng)發(fā)展編年簡史,每十年為一個章節(jié)。
下面我們來看看半導(dǎo)體曝光工具的發(fā)展歷程的第一個十年(1959-1969)。
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1947 年 12 月 23 日,首個晶體管誕生。
1945 年,貝爾實驗室計劃針對硅和鍺等新材料進行有目標(biāo)的基礎(chǔ)研究,成立了以 William Shockley 為組長的“半導(dǎo)體小組”,成員包括 John Bardeen 和 Walter Brattain;Bardeen 和 Brattain 在 1947 年 12 月發(fā)明了點接觸式晶體管;1948 年 1 月,Shockley 發(fā)明了三明治結(jié)構(gòu)的雙極性結(jié)式晶體管;點接觸式晶體管的產(chǎn)量非常有限,不能算是商業(yè)上的成功;結(jié)式晶體管卻使得現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝成為可能,為許多半導(dǎo)體公司的興起做出了重大貢獻;1956 年,Bardeen、Brattain、Shockley 獲得了諾貝爾物理學(xué)獎;1950 年,日本東北大學(xué)的 Jun-ichi Nishizawa(西澤潤一)和 Y. Watanabe(渡邊寧)發(fā)明了發(fā)明了 SIT(靜電感應(yīng)晶體管,static induction transistor);1952 年 Shockley 提出結(jié)式場效應(yīng)晶體管(Junction Field-Effect Transistor,JFET),同年基于晶體管的助聽器和收音機就投入市場;1954 年 1 月,貝爾實驗室的 Morris Tanenbaum 制備了第一個硅晶體管;1954 年 4 月 14 日,德州儀器的 Gordon Teal(原貝爾實驗室)實現(xiàn)了商業(yè)化的硅晶體管;1956 年,通用電氣發(fā)明了晶閘管;1959 年,貝爾實驗室的 Dawon Kahng 和 Martin Atalla 發(fā)明了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET),這是 1925 年 Julius Edgar Lilienfeld 提出的場效應(yīng)晶體管概念的具體實現(xiàn);1967 年,卡恩和施敏(S. M. Sze)制作了浮柵型 MOSFET(FGMOS),為半導(dǎo)體存儲技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
1950 年代,雙極工藝流行。
1949 年,貝爾實驗室的 Shcokley 提出 pn 結(jié)和雙極型晶體管理論,1951 年貝爾實驗室制造出第一只鍺雙極型晶體管,1956 年德州儀器制造出第一只硅雙極型晶體管,1970 年硅平面工藝技術(shù)成熟,雙極型集成電路開始大批量生產(chǎn)。
1958 年,Eastman Kodak 研發(fā)成功適合半導(dǎo)體工業(yè)的負性光刻膠。
1958 年,Eastman Kodak 開發(fā)成功環(huán)化橡膠 - 雙疊氮系負性光刻膠,首次應(yīng)用于半導(dǎo)體制造過程。同期 Shipley 也研發(fā)成功適合半導(dǎo)體工業(yè)的光刻膠。
為適應(yīng)集成電路線寬不斷縮小的要求,光刻膠的波長由紫外寬譜向 g 線(436 納米)到 i 線(365 納米)到 KrF(248 納米)到 ArF(193 納米)到 EUV(13.5 納米)的方向轉(zhuǎn)移,并通過分辨率增強技術(shù)不斷提升光刻膠的分辨率水平。
1959 年,第一臺“步進重復(fù)(step and repeat)”相機問世。
1959 年,仙童半導(dǎo)體的 Jay Last 和 Robert Noyce 在母公司的支持下,制造了世界上第一臺“步進重復(fù)(step and repeat)”相機,使用光刻技術(shù)在單個晶圓片上制造了許多相同的硅晶體管。
1959 年,仙童公司的 Robert Noyce 提交了平面工藝的專利,用鋁作為導(dǎo)電條制備集成電路。從此,集成電路的時代開始了。
Jean Hoerni(金·赫爾尼,1924 年 9 月 26 日 -1997 年 1 月 12 日)是硅晶體管先驅(qū)。他發(fā)明的平面工藝成為了 1962 年頒發(fā)的專利 3025589《制造半導(dǎo)體器件的方法》的基礎(chǔ),也為 Robert Noyce(羅伯特·諾伊斯,1927 年 12 月 12 日 -1990 年 6 月 3 日)開創(chuàng)現(xiàn)代集成電路奠定了基礎(chǔ)。
1961 年,GCA/David W. Mann 首次發(fā)布光電中繼器(photo-repeaters)。
1959 年,由 Ephraim Radner 創(chuàng)辦僅一年的 GCA(美國地埋物理公司,Geophysical Corporation of America)收購 David W. Mann Company,并利用 David W. Mann 的精密運動能力制造在硅片之間精確對準(zhǔn)電路圖案的曝光裝備。光電中繼器是一款采用離軸對準(zhǔn),采用 e 線(577 納米)曝光光源,用于給半導(dǎo)體制造過程中縮小光掩模的兩步重復(fù)式曝光裝備,Clevite Corporation 是其首個客戶。David W. Mann 的光電中繼器型號有 971、1080、1280、1480、1795 和 3095。
1963 年,Süss(蘇斯)為 Siemens(西門子)開發(fā)了第一臺掩模對準(zhǔn)儀 MJB3 的原型。
1949 年 Karl Süss GmbH 成立,主要提供光學(xué)設(shè)備,1962 年和 Siemens 合作開發(fā)了用于晶體管的打線機(bonding)。
1965 年,仙童公司的摩爾(G. Moore) 提出了摩爾定律(Moore’s law):集成電路上可容納的元器件的數(shù)目,約每隔 18-24 個月便會增加一倍,性能也將提升一倍(摩爾定律起初說是每年翻一番,十年后改為兩年翻一番)。
這個定律本來是描述此前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗公式,結(jié)果竟然奇跡般地揭示了此后五十多年信息技術(shù)進步的速度。為了協(xié)調(diào)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,從 90 年代起,國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界開始籌劃研究路線圖,包括美、歐、日、韓及中國臺灣等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)達的國家和地區(qū)。從 1998 年開始,半導(dǎo)體技術(shù)國際路線圖( International Technology Roadmap for Semiconductors)每兩年發(fā)布一次。然而,2016 年發(fā)布的新的路線圖,首次不再強調(diào)摩爾定律,而是超越摩爾的戰(zhàn)略(More than Moore strategy):以前是芯片先行、應(yīng)用跟隨(應(yīng)用跟著芯片走),今后則是芯片為應(yīng)用服務(wù)。
1965 年,Kulick&Soffa(庫力索法)推出首款商用接觸式對準(zhǔn)器(aligners)。
1951 年 Kulick&Soffa 成立。
1966 年,中國科學(xué)院 109 廠與上海光學(xué)儀器廠協(xié)作,研制成功我國首臺 65 型接觸式曝光系統(tǒng),由上海無線電專用設(shè)備廠進行生。
1958 年 8 月,為研制高技術(shù)專用 109 計算機,我國第一個半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠成立,命名為“109 廠”,作為高技術(shù)半導(dǎo)體器件和集成電路研制生產(chǎn)中試廠,歸屬中國科學(xué)院應(yīng)用物理所。
1968 年,Veridyne Semiconductor 收購 Electromask。
Electromask 于 1965 年,在加州成立,初期制造光掩模(photomasks)。
1968 年,Kasper Instruments 成立。
專業(yè)生產(chǎn)接觸式掩模對準(zhǔn)器。
1968 年,Carl Zeiss 為德國半導(dǎo)體商 Telefunken 提供了第一款用于電路板印刷機(circuit board printer)的鏡頭,分辨率為 15 微米。
這是 Carl Zeiss 首次進入曝光系統(tǒng)鏡頭領(lǐng)域。成立于 1946 年的 Carl Zeiss 主導(dǎo)過一系列鏡頭設(shè)計,包括有名的 Planar、Tessar 和 Sonnar。
1969 年中國科學(xué)院 109 廠與丹東精密儀器廠協(xié)作,研制成功全自動步進重復(fù)照相機,套刻精度達 3 微米,由北京 700 廠批量生產(chǎn)。
1969 年,Computervision Corp. 由 Philippe Villers 在美國波士頓創(chuàng)立。
創(chuàng)立時籌集了 100 萬美元啟動資金,進入 CADDS(Computer-Aided Design and Drafting System)。KLA 創(chuàng)始人 Ken Levy 當(dāng)時在公司負責(zé) Autolign 半導(dǎo)體掩模對準(zhǔn)儀設(shè)備業(yè)務(wù),通過公司研發(fā)的自動對準(zhǔn)系統(tǒng)(Joe Sliwkowski 負責(zé)開發(fā))配合 Kulicke&Soffa 的手動對準(zhǔn)器來完成。
1969 年,Nikon(尼康)開發(fā)了第一臺光電中繼器。
1917 年 Nikon 成立,是一家綜合性光學(xué)公司。尼康在 1962 年推出具有高分辨率的鏡頭 Ultra Micro-NIKKOR,其分辨率可在 1 毫米中識別 1000 根以上的線條;1964 年推出刻線機 1 號,可在在玻璃背板上刻印凹槽,其精度可在 1 毫米的寬幅中刻印 1000 根線條;1971 年推出精密光學(xué)測距設(shè)備 MND-2,成功用于在光掩模上進行坐標(biāo)測量;這些技術(shù)積累為研制高分辨率光學(xué)系統(tǒng)、高精度位置檢測和高精密對準(zhǔn)精度的曝光裝備奠定了基礎(chǔ)。