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光刻机编年史（1959-1979）

赵元闯与非网特约撰稿人“芯思想semi-news”微信公众号主笔 。 非211非985非半导体专业非电子专业毕业 ， 混迹半导体产业圈20余载 ， 熟悉产业链各环节情况 ， 创办过半导体专业网站 ， 参与中国第一家IC设计专业孵化器的运营 ， 担任《全球半导体晶圆制造业版图》一书主编 ， 现供职于北京时代民芯科技有限公司发展计划部 。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） 。欢迎大家拍砖指正！中国日本荷兰欧洲美国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 。下面我们来看看半导体曝光工具的发展历程的第二个十年（1970-1979） 。欢迎大家拍砖指正！ 1970 年 ， Canon（佳能）发布了日本第一台掩模对准仪 PPC-1 。 1937 年 Canon 成立 。 其曝光系统源于对相机镜头技术的高度应用 ， 利用在相机镜头开发中积累的技术 ， 成功研发用于光掩膜制造的高分辨率镜头 ， 随后开始了曝光系统的研发 ， 于 1970 年研发成首台曝光系统 PPC-1 ， 正式进入半导体光刻机领域 。1970 年 ， Kulick＆Soffa 推出第一台自动掩模对准仪 Micralign 。 采用了自己研发的手动对准器配合 Computervision 的自动对准系统 。1970 年 ， 苏联在全球首度成功激发准分子激光 。 1970 年 ， 莫斯科物理研究所的 Nikolai Basov、V. A. Danilychev 和 Yu. M. Popov 等人发现准分子激光 ， 使用电子束激发氙气二聚体 ， 产生的准分子激光波长为 172 纳米 。 常见的波长有 157 纳米、193n 纳米、248 纳米、308 纳米、351-353 纳米 。1971 年 ， Cobilt 成立 。 Peter Wolken 创办 Cobilt ， 从事接触式打印机业务 ， 1972 年被 Computervision 收购 。1972 年 ， Computervision 推出 Autolign 产品线 ， 进入对准仪市场 。 1972 年 Computervision 收购 Cobilt ， 并将 Autolign 产线整合进 Cobilt ， Autolign 市场反响良好 ， Cobilt 成为了领先的供应商 。 1981 年 Computervision 以 1500 万美元的价格将 Cobilt 卖给了 Applied Materials（应用材料） 。1972 年 ， Electromask 推出首个光学图形发生器 。 1971 年 ， Electromask 从 Veridyne 管理层回购；1972 年 ， TRE 收购 Electromask ， 名称更改为 TRE Electromask（TRE Semiconductor） ， 同年推出光学图形发生器 SLR700（Single Lens Repeater） ， 采用镜头对准 ， 标线转换器有四个标线 ， 更方便对准 。 SLR700 的后续产品是 SLR800 。1972 ， TOK（东京应化）开发出半导体用正性光刻胶 。 TOK 是日本首个生产正性光刻胶的公司 。 其在 1968 年开发成功半导体用负性光刻胶 。1973 年 ， Kasper 推出了第一台配备接近功能的接触式对准器 ， 但在接近模式下无法正常工作 。 接触式对准器使用起来简单、快速 ， 但是会对晶圆造成污染 。 接近式对准仪可有效解决污染问题 。1973 年 ， PerkinElmer 发明了的扫描投影印刷设备（Scanning Projection Printer） ， 推出了 Micralign 扫描投影印刷设备 ， 其 NA=0.167 。 1969 年 ， PerkinElmer 与 Wright Patterson Air Force Base 签订研发合同 。 投影印刷与正性光刻胶的组合可大大降低缺陷率 。 借助此工具 ， PerkinElmer 成为该行业最大的公司 。1973 年 ， Canon 推出了掩模对准器 PLA-300 。 这是日本第一台接近式掩模对准器 。 佳能的对准器型号有 PLA、MPA、FPA（FPA=Fine Pattern Projection Mask Aligner；PLA=Proximity Mask Aligner；MPA=Mirror Proximity Mask Aligner） 。1975 年 ， Süss 推出双面掩模对准仪 MJB55 。 1974 年 Süss 发明了双面掩模对准系统（double-side mask aligner） ， 可以实现双面光刻对准工 。 随后 ， EVG、OAI、Ultratech 也陆续推出双面对准工具 。1975 年 ， TRE 采用 700SLR 中的掩模光电中继技术制作 10X 步进机 。1975 年 ， IBM 的 Wayne Wilczynski 研究小组演示了分步重复曝光技术（step & repeat printing） 。 该研究小组使用 405 纳米的曝光光源（H 线） ， NA=0.32 ， 分辨率可达 1μm 。1975 年 ， Canon 推出了日本第一台接近式掩模对准器 PLA-500 。 Canon 后来在接近对准器市场上占据了主导地位 ， 因为它是第一个在接近模式下实际工作的工具 ， 具有牢固的掩模 / 晶圆间隙设置机制（Kasper 工具所缺少的） 。 PLA-500（PLA-500F/501A/501FA/521FA）和 PLA-600 甚至在今天仍用于分立器件、MEMS 和 LED 生产 。 采用 USHIO 的 250W 超高压汞灯 。1975 年 ， 佳能的 FPA-141F 光刻机在世界上首次实现了 1 微米以下的曝光 。 使用佳能的 U 透镜 ， 分辨率可达 0.8 微米 。 2010 年日本国立科学博物馆产业技术历史资料信息中心将其作为“重要科学技术历史遗产”收录 。1976 年 ， Nikon 和 Canon 受 VLSI 技术联合研发体委托开发将电路图案缩小为十分之一的半导体曝光装备 ， 其目标是采用不同技术的两家美国公司 GCA 和 Perkin-Elmer 。 其中 Nikon 的目标是 GCA ， 而 Canon 的目标是 Perkin-Elmer 。 1976 年 3 月 ， 由日本通商产业省牵头 ， 以 Hitachi（日立）、Mitsubishi（三菱）、Fujitsu（富士通）、Toshiba（东芝）、NEC 五大公司作为骨干 ， 联合通产省的电气技术实验室（EIL）、日本工业技术研究院电子综合研究所和计算机综合研究所 ， 组建“VLSI 技术联合研发体” ， 投资 720 亿日元（其中日本政府出资 320 亿日元） ， 攻坚超大规模集成电路的技术难关 。1977 年 ， 上海光学机械厂（公安部上海八三二厂）研制成功半自动接触 / 接近式曝光系统 JGK-3 。 一次可装 25 片 ， 在进行接近式曝光试验时 ， 分离间隙在 10-30 微米负性光刻胶的分辨率可达 3-5 微米 ， 进行软接触式曝光分辨率为 2.5 微米 。1977 年 ， 中电科 45 所（原 1445 研究所）研制成功 2 英寸半自动接触式曝光系统 GK-3 型 。1977 年 ， Philips（飞利浦）研发晶圆步进机 PAS2000 ， 供内部使用 。1977 年 ， Perkin-Elmer 起诉 Cobilt 侵权 。 Perkin-Elmer 认为 Cobilt 的 Autolign 产品侵犯了公司的 Micralign 的专利 ， 1984 年 Cobilt 的母公司 Computervision 支付 1800 万美元和解 。1977 年 ， Carl Zeiss 推出分辨率为 1 微米的镜头 S-Planar 10/0.28 。 S-Planar 10/0.28 帮助 Carl Zeiss 在半导体制造领域取得大发展 。1978 年 ， GCA 推出了革命性的曝光装备 Mann 4800 DSW（Direct Step on Wafer） ， 这是全球首台分步重复（Steppers）曝光装备 ， 研发费用达 500 万美元 。 该装备用波长 436 纳米的 g 线作为曝光光源 ， 采用 Carl Zeiss 的 S-Planar 10/0.28 镜头 ， 进行 10:1 的缩小比例曝光 ， 可以对 10 毫米 x10 毫米的区域进行曝光 ， 分辨率可达 1 微米 。 售价为 45 万美元 ， 客户包括 IBM、AT&T、Fairchild（飞兆半导体）、National Semiconductor（国家半导体）和 Siemens（西门子） 。 在此之前的都是接触、接近式投影对准器 ， 容易造成污染 ， 而分步重复曝光覆盖面更大 ， 良率更高 ， 但是相较投影对准器 ， 分步重复曝光装备的吞吐量低 。 凭借分步重复曝光装备 ， GCA 在 1979 年挤下 PerkinElmer ， 占据了市场领导地位 。 但真正使步进器成为主流光刻工具的是 256K DRAM 一代 。1978 年 3 月 ， Nikon 向 VLSI 技术联合研发体交付分步重复原型 1 号机“NSR-1” 。1978 年 ， Canon 推出带有激光自动对准功能的掩模对准仪 PLA-500FA 。1979 年 ， 中电科 45 所推出 3 英寸半自动触式光光刻机 GK-4 型 。1979 年 ， Ultratech Stepper 推出首款 1X 微光刻步进器 。 1979 年 ， Leo de Bos 在 Ultratech Corp. 的基础上创办 Ultratech Stepper ， 并基于 Martin Lee 的机械设计和 Ron Hershel 的光学设计推出首款 1X 微光刻步进器（microlithography steppers） 。1979 年 ， JSR（日本合成橡胶）成功研发负性光刻胶 ， 正式进军电子材料领域 。1979 年 ， Lambda Physik 公司生产出第一台商业用准分子激光器 。 原联邦德国 Lambda Physik 的工程师 Bernd Steyer 和 Dirk Basting 研制成功第一台商业用准分子激光器 EMG500 。 2004 年 5 月被 Coherent Inc. 收购 。


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