光刻机编年史（1959-1969）
2020-02-29
17:29:42
来源: Sophie
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）。
........................................
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。
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
）。
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
。
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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