光刻機(jī)編年史（1959-1969）

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(dòng)了半導(dǎo)體技術(shù)的革命。那時(shí)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(shí)，掩膜版曝光還非常簡(jiǎn)單，半導(dǎo)體公司通常自己設(shè)計(jì)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(duì)準(zhǔn)器。
 
光刻機(jī)的發(fā)展經(jīng)過(guò)了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，1960 年代的接觸式光刻機(jī)、接近式光刻機(jī)，到 1970 年代的投影式光刻機(jī)，1980 年代的步進(jìn)式光刻機(jī)，到步進(jìn)式掃描光刻機(jī)，到浸入式光刻機(jī)和現(xiàn)在的 EUV 光刻機(jī)，設(shè)備性能不斷提高，推動(dòng)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(duì)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(chǎng)的關(guān)鍵，贏家通吃。經(jīng)過(guò)多年混戰(zhàn)，目前已經(jīng)開成 ASML 一家獨(dú)大的局面。
 
芯思想研究院為此整理了從 1959 年以來(lái)的半導(dǎo)體曝光系統(tǒng)發(fā)展編年簡(jiǎn)史，每十年為一個(gè)章節(jié)。

下面我們來(lái)看看半導(dǎo)體曝光工具的發(fā)展歷程的第一個(gè)十年（1959-1969）。

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1947 年 12 月 23 日，首個(gè)晶體管誕生。
1945 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃針對(duì)硅和鍺等新材料進(jìn)行有目標(biāo)的基礎(chǔ)研究，成立了以 William Shockley 為組長(zhǎng)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(diǎn)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(diǎn)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(xiàn)；1956 年，Bardeen、Brattain、Shockley 獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1950 年，日本東北大學(xué)的 Jun-ichi Nishizawa（西澤潤(rùn)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(chǎng)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(jī)就投入市場(chǎng)；1954 年 1 月，貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Morris Tanenbaum 制備了第一個(gè)硅晶體管；1954 年 4 月 14 日，德州儀器的 Gordon Teal（原貝爾實(shí)驗(yàn)室）實(shí)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(shí)驗(yàn)室的 Dawon Kahng 和 Martin Atalla 發(fā)明了金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)，這是 1925 年 Julius Edgar Lilienfeld 提出的場(chǎng)效應(yīng)晶體管概念的具體實(shí)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(chǔ)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。
 
1950 年代，雙極工藝流行。
1949 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Shcokley 提出 pn 結(jié)和雙極型晶體管理論，1951 年貝爾實(shí)驗(yàn)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(fù)性光刻膠。
1958 年，Eastman Kodak 開發(fā)成功環(huán)化橡膠 - 雙疊氮系負(fù)性光刻膠，首次應(yīng)用于半導(dǎo)體制造過(guò)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(zhǎng)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(guò)分辨率增強(qiáng)技術(shù)不斷提升光刻膠的分辨率水平。
 
1959 年，第一臺(tái)“步進(jìn)重復(fù)（step and repeat）”相機(jī)問(wèn)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(tái)“步進(jìn)重復(fù)（step and repeat）”相機(jī)，使用光刻技術(shù)在單個(gè)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(shí)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(guó)地埋物理公司，Geophysical Corporation of America）收購(gòu) David W. Mann Company，并利用 David W. Mann 的精密運(yùn)動(dòng)能力制造在硅片之間精確對(duì)準(zhǔn)電路圖案的曝光裝備。光電中繼器是一款采用離軸對(duì)準(zhǔn)，采用 e 線（577 納米）曝光光源，用于給半導(dǎo)體制造過(guò)程中縮小光掩模的兩步重復(fù)式曝光裝備，Clevite Corporation 是其首個(gè)客戶。David W. Mann 的光電中繼器型號(hào)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(tái)掩模對(duì)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(jī)（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(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍（摩爾定律起初說(shuō)是每年翻一番，十年后改為兩年翻一番）。
這個(gè)定律本來(lái)是描述此前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn)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(jìn)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(guó)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(guó)臺(tái)灣等半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)。從 1998 年開始，半導(dǎo)體技術(shù)國(guó)際路線圖( International Technology Roadmap for Semiconductors)每?jī)赡臧l(fā)布一次。然而，2016 年發(fā)布的新的路線圖，首次不再?gòu)?qiáng)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(kù)力索法）推出首款商用接觸式對(duì)準(zhǔn)器（aligners）。
1951 年 Kulick＆Soffa 成立。
 
1966 年，中國(guó)科學(xué)院 109 廠與上海光學(xué)儀器廠協(xié)作，研制成功我國(guó)首臺(tái) 65 型接觸式曝光系統(tǒng)，由上海無(wú)線電專用設(shè)備廠進(jìn)行生。
1958 年 8 月，為研制高技術(shù)專用 109 計(jì)算機(jī)，我國(guó)第一個(gè)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(guó)科學(xué)院應(yīng)用物理所。
 
1968 年，Veridyne Semiconductor 收購(gòu) 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(duì)準(zhǔn)器。
 
1968 年，Carl Zeiss 為德國(guó)半導(dǎo)體商 Telefunken 提供了第一款用于電路板印刷機(jī)（circuit board printer）的鏡頭，分辨率為 15 微米。
這是 Carl Zeiss 首次進(jìn)入曝光系統(tǒng)鏡頭領(lǐng)域。成立于 1946 年的 Carl Zeiss 主導(dǎo)過(guò)一系列鏡頭設(shè)計(jì)，包括有名的 Planar、Tessar 和 Sonnar。
 
1969 年中國(guó)科學(xué)院 109 廠與丹東精密儀器廠協(xié)作，研制成功全自動(dòng)步進(jìn)重復(fù)照相機(jī)，套刻精度達(dá) 3 微米，由北京 700 廠批量生產(chǎn)。
 
1969 年，Computervision Corp. 由 Philippe Villers 在美國(guó)波士頓創(chuàng)立。
創(chuàng)立時(shí)籌集了 100 萬(wàn)美元啟動(dòng)資金，進(jìn)入 CADDS（Computer-Aided Design and Drafting System）。KLA 創(chuàng)始人 Ken Levy 當(dāng)時(shí)在公司負(fù)責(zé) Autolign 半導(dǎo)體掩模對(duì)準(zhǔn)儀設(shè)備業(yè)務(wù)，通過(guò)公司研發(fā)的自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)（Joe Sliwkowski 負(fù)責(zé)開發(fā)）配合 Kulicke＆Soffa 的手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)器來(lái)完成。
 
1969 年，Nikon（尼康）開發(fā)了第一臺(tái)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(shí)別 1000 根以上的線條；1964 年推出刻線機(jī) 1 號(hào)，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(cè)距設(shè)備 MND-2，成功用于在光掩模上進(jìn)行坐標(biāo)測(cè)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(cè)和高精密對(duì)準(zhǔn)精度的曝光裝備奠定了基礎(chǔ)。