光刻技術(shù)歷史與發(fā)展

1、編號(hào) 河南大學(xué)2010屆本科畢業(yè)論文光刻技術(shù)歷史與發(fā)展姓 名：作者學(xué)號(hào)：1003618023所在學(xué)院：所學(xué)專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)導(dǎo)師姓名：導(dǎo)師職稱：講師 摘要 光刻工藝是集成電路最重要的加工工藝，他起到的作用 如題金工車間中車床的作用，光刻機(jī)如同金屬加工工車間的車床。在整個(gè)芯片制造工藝中，幾乎每個(gè)工藝的實(shí)施，都離不開(kāi)光刻的技束。光刻也是制造IC的最關(guān)鍵技術(shù)，他占芯片制造成本的35%以上。在如今的科技與社會(huì)發(fā)展中，光刻已經(jīng)每年以百分之三十五的速度增長(zhǎng)，他的增長(zhǎng)，直接關(guān)系到大型計(jì)算機(jī)的運(yùn)作等高科技領(lǐng)域，現(xiàn)在大型計(jì)算機(jī)的每個(gè)芯片上可以大約有10億個(gè)零件。這就需要很高的光刻技術(shù)。如今各個(gè)大國(guó)都在積極

2、的發(fā)展光科技束。光刻技術(shù)與我們的生活息息相關(guān)，我們用的手機(jī)，電腦等各種各樣的電子產(chǎn)品，里面的芯片制作離不開(kāi)光科技束。 在我們的日常生活中，也需要用到光刻技術(shù)制造的各種各樣的芯片，最普通的就是我們手里的手機(jī)和電腦。如今是一個(gè)信息社會(huì)，在這個(gè)社會(huì)中各種各樣的信息流在世界流動(dòng)。而光刻技術(shù)是保證制造承載信息的載體。在社會(huì)上擁有不可替代的作用。 本論文的作用是向大家普及光刻的發(fā)展歷史和光刻的發(fā)展方向，以及光刻的種類，每種光刻種類的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。并且向大家講述光刻的發(fā)展前景。在光刻這一方面，我國(guó)的專利意識(shí)稀薄，很多技術(shù)都沒(méi)有專利，希望我輩能改變這個(gè)狀況 關(guān)鍵字:光刻技術(shù) ；光刻種類；光刻中外歷史。 Lith

3、ography process is the most important processing technology of integrated circuit, he play a role Such as the role of the lathe in machining shop, lithography as metalworking shop lathe. In the whole chip manufacturing technology, implementation of almost every process is inseparable from the lithog

4、raphy technology of beam. Lithography is the key technology of manufacturing IC, he war more than 35% of the chip manufacturing cost. In todays science and technology and social development, lithography has been growing at thirty-five percent a year, his growth, is directly related to the operation

5、of large computer and other high-tech areas, large computer per chip can now has about 1 billion parts. This will require a very high lithography. Now the big countries are actively the development of light beam technology.Lithography is closely related to our life, we use the phone, all kinds of el

6、ectronic products such as computer, the inside of the chip production without light beam of science and technology. In our daily life, also need to use photolithography technology manufacturing all kinds of chips, the most common is our cell phones and computers. Today is a information society, in t

7、he society all kinds of traffic flow in the world. And make the bearing lithography technology is to make sure the carrier of information. Has an irreplaceable role in society. Role of this paper is to popularize the development direction of the development history of lithography and lithography, an

8、d the types of lithography, and to talk about the development of lithography. In lithography on the one hand, Chinas patent consciousness is thin, a lot of technology patents, hope that we can change the situation.Key words: lithography; Lithography species; Lithography Chinese and foreign history 編

9、號(hào)- 1 -第一章 緒論- 4 -第二章，光刻的歷史- 4 -2.1光科技束的誕生- 4 -2.2光科技束的發(fā)展初級(jí)階段- 4 -2.3光刻發(fā)展歷史的快速階段- 5 -2.4十一世紀(jì)光科技束的發(fā)展- 6 -第三章 光刻的分類- 6 -3.1光學(xué)光刻- 6 -3.2電子束光刻- 7 -3.3聚焦粒子束光刻- 8 -3.4移相掩模- 8 -3.5X射線光刻- 9 -第四章總結(jié)與感謝- 10 - 正文第一章 緒論光刻的作用就是把芯片制作所需要的線路與功能區(qū)做出來(lái)。利用光刻機(jī)發(fā)出的光通過(guò)具有圖形的光罩對(duì)涂有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見(jiàn)光后會(huì)發(fā)生性質(zhì)變化，從而使光罩上得圖形復(fù)印到薄片上，從而使薄片具有電子

10、線路圖的作用。這就是光刻的作用，類似照相機(jī)照相。照相機(jī)拍攝的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是電路圖和其他電子元件。第二章，光刻的歷史2.1光科技束的誕生 1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明第一只點(diǎn)接觸晶體管。從此光刻技術(shù)開(kāi)始了發(fā)展.當(dāng)時(shí)的人們已經(jīng)開(kāi)始了計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人們大量利用計(jì)算機(jī)，芯片的需求量大增，許多科學(xué)家都在研究證明發(fā)展計(jì)算機(jī)，于是光刻技術(shù)迅速被人們重視，并飛速發(fā)展，不過(guò)比較遺憾的是當(dāng)時(shí)我國(guó)仍處于戰(zhàn)亂之中，制版光刻還是個(gè)空白，半導(dǎo)體技術(shù)和科研號(hào)處在起步階段。 2.2光科技束的發(fā)展初級(jí)階段 在五十年代，結(jié)晶晶體管在國(guó)外誕生奧爾發(fā)明離子注入工藝，弗雷提出擴(kuò)散節(jié)工藝。在五十年代的國(guó)外，光刻

11、技術(shù)是百花齊放。在1959年制造出來(lái)世界上第一架晶體管計(jì)算機(jī)，提出光刻工藝，仙童半導(dǎo)體研制世界第一個(gè)適用單結(jié)構(gòu)硅晶片。新中國(guó)成立后，也很重視光刻技術(shù)的發(fā)展。有周總理親自掛帥主持制定“十年科學(xué)發(fā)展技術(shù)遠(yuǎn)景規(guī)劃綱要”光科技束半導(dǎo)體技術(shù)等列為國(guó)家重點(diǎn)研究科目。北大復(fù)旦南大廈大和東北人大等高校抽調(diào)精兵強(qiáng)將成立聯(lián)合半導(dǎo)體專門(mén)化，中國(guó)科學(xué)院物理研究所成立半導(dǎo)體研究室。黃昆，謝希德，林蘭英，王守武等前輩開(kāi)始研究光刻技術(shù)。1956年我國(guó)研制出來(lái)了第一根鍺合金晶體管。1957年我國(guó)建立第一條半導(dǎo)體試驗(yàn)線研制成功鍺合金三極管。1958年建立了109廠，這是微電子所的前身，研制的鍺合金三極管和磁膜儲(chǔ)存器應(yīng)用于109

12、丙計(jì)算機(jī)1 如果說(shuō)在五十年代對(duì)于光刻技術(shù)是以研究為主的話，那么在六十年代就是以生產(chǎn)為主了。經(jīng)過(guò)了十年發(fā)展，光刻技術(shù)已經(jīng)基本成型。在六十年代，光科技束已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向了生產(chǎn)線。魯爾發(fā)明外延生長(zhǎng)工藝仙童提出互補(bǔ)氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體CMOSIC制造工藝，并且成功研制了世界上第一臺(tái)IC計(jì)算機(jī)IBM360。在1965提出摩爾定律，研制出100個(gè)元件的小鬼嗎集成電路和1000個(gè)元件的中閨蜜集成電路。成功研制CMOS門(mén)系列，并且建立了世界上第一臺(tái)2英寸集成電路生產(chǎn)線，GCA公司開(kāi)發(fā)出光學(xué)圖形發(fā)生器和分布重復(fù)精縮機(jī)。 在世界技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，我國(guó)的仍以三極管為主的制版光科技束萌芽年代，沿用古老傳統(tǒng)的照相術(shù)級(jí)顯

13、微鏡縮小曝光，人工光刻，坐標(biāo)值加噴黑漆銅版紙加手術(shù)刀，精度和特征尺寸為幾十微米，在1964年，我國(guó)成立中國(guó)半導(dǎo)體研究所和河北半導(dǎo)體研究所，并且研制成功第一只硅平面晶體管。并且在1964年成功研制第一個(gè)硅平面數(shù)字集成電路，并且成功研制第一臺(tái)第三代計(jì)算機(jī)，在此后不久我國(guó)研制了PMOS集成電路和NMOS集成電路，開(kāi)發(fā)并制造第一批接觸式曝光小掩模板。經(jīng)過(guò)六十年代的小規(guī)模制造和技術(shù)研究，到了七十年代，微光刻技術(shù)已經(jīng)基本成熟，在七十年代，大規(guī)模集成電路制造設(shè)備已經(jīng)蓬勃的發(fā)展起來(lái)。斯皮勒等發(fā)明光刻工藝研制出來(lái)了1024位DRAM進(jìn)入LSI時(shí)代，這個(gè)時(shí)代是以八微米工藝為代表的。并且在這個(gè)時(shí)代研制出來(lái)了第一塊微

14、處理器Intel4004，建立了世界上第一條3英寸集成電路生產(chǎn)線、在1973年半導(dǎo)體設(shè)備和材料國(guó)際組織舉行了第一次國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化會(huì)議，并且退出了第一塊CMOS微處理器1802.外國(guó)科學(xué)家提出比例縮小定律。隨后國(guó)外相機(jī)開(kāi)發(fā)出地字?jǐn)?shù)曝光機(jī)，投影光刻機(jī)等關(guān)鍵工藝設(shè)備技術(shù)，并且在1973年建立世界上第一條4英寸集成電路生產(chǎn)線，在1979年IBM推出世界第一臺(tái)PC機(jī) intel8088.在六七十年代，我國(guó)正在經(jīng)受著文革的陣痛和西方的封鎖，在這場(chǎng)浩劫下，我們的光刻水平缺依然向前發(fā)展。我國(guó)在1975年成功研制出了1024為DRAM，在1975年，北京大學(xué)研制成功我國(guó)第一臺(tái)100萬(wàn)次計(jì)算機(jī)。在1976年，中科院研

15、制成功我國(guó)第一臺(tái)1000玩次計(jì)算機(jī)，并且在1978年我國(guó)建立了第一條2英寸集成電路生產(chǎn)線12.3光刻發(fā)展歷史的快速階段八十年代，是偉光刻集成電路進(jìn)行自動(dòng)化大生產(chǎn)的十年，在1988年，世界上第一條8寸集成電路生產(chǎn)線建立，并研制出了16M位DRAM，進(jìn)入U(xiǎn)LSI時(shí)代，CMOS工藝120萬(wàn)個(gè)晶體管，IBM DRAM進(jìn)入市場(chǎng)。集成電路和光科技束已經(jīng)百花齊放的時(shí)代。而在此時(shí)，我國(guó)的技術(shù)也在突飛猛進(jìn)的發(fā)展著，汲取著來(lái)自世界的只是。在1988年我國(guó)第一條4英寸集成電路生產(chǎn)線建立。這標(biāo)志著我國(guó)在國(guó)科技術(shù)的進(jìn)步，而且國(guó)家重視技術(shù)，無(wú)錫八五IC戰(zhàn)略研討加快基地建設(shè)。我國(guó)的掩模制造業(yè)形成規(guī)模，分辨路猶豫1.25微米

16、以CAD制版為主。（參考集成電路制造工藝光刻技術(shù)的歷史演化）經(jīng)過(guò)三十年的發(fā)展，在九十年代，為光科技束特征尺寸想沈微米推進(jìn)。在1990年研制出了64M DRAM,在1991年研制1.8為你工藝，1992年研制出了64位微處理器，在1995年，研制出來(lái)了64位微處理器DRAM和66MHZPentium微處理器.在1999年，研制出1G DRAM,世界上進(jìn)入集成度打到10億個(gè)單元的巨大規(guī)模集成電路時(shí)代并且研制出來(lái)1G位SDRAM0.18微米工藝和光子計(jì)算機(jī)芯片。在這個(gè)年代，我國(guó)成立了南方產(chǎn)業(yè)基地和北方研究基地，1991年9月24日國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局組織成立“中國(guó)SEMI標(biāo)準(zhǔn)化工作組”翻譯出版SEMI標(biāo)準(zhǔn)

17、1990中譯版成立。在1992年，我國(guó)第一條五英寸集成電力生產(chǎn)線建立。在1999年，我國(guó)第一臺(tái)哦8英寸集成電路生產(chǎn)線2月工藝技術(shù)提升到0.35微米工藝。我國(guó)開(kāi)展亞微米加工技術(shù)研究，逐漸進(jìn)入壹EB高精度制版光刻年代。雖然我國(guó)的光刻技術(shù)發(fā)展十分迅速，但是不可避免的出現(xiàn)很多問(wèn)題，很多高校的研究重復(fù)，很多單位的研發(fā)處于較低的重復(fù)工作。而且不重視精細(xì)化分工，不能充分發(fā)揮研究成員多的優(yōu)勢(shì)。在科研項(xiàng)目的集體公關(guān)、科技成果轉(zhuǎn)化、成果走產(chǎn)業(yè)化道路等方面進(jìn)行深層次的合作，從而為我國(guó)實(shí)現(xiàn)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的道路。2.4十一世紀(jì)光科技束的發(fā)展進(jìn)入二十一世紀(jì)，人們對(duì)電子產(chǎn)品的要求也在提高，以前電腦的運(yùn)算速度在現(xiàn)在已經(jīng)完全

18、落后。隨著智能手機(jī)的發(fā)明，芯片的縮小技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越重要，智能手機(jī)的運(yùn)算速度快，越來(lái)越對(duì)光刻技術(shù)的縮小有了更高的要求。進(jìn)入二十一世紀(jì)，光刻技術(shù)向著縮小化的方向飛速發(fā)展。現(xiàn)在光刻的線寬以每三年減少70%的速度減少。 第三章 光刻的分類3.1光學(xué)光刻 光學(xué)光刻是通過(guò)廣德照射用投影方法將掩模上的大規(guī)模集成電路器件的結(jié)構(gòu)圖形畫(huà)在涂有光刻膠的硅片上，通過(guò)光的照射，光刻膠的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成電路圖。限制成品所能獲得的最小尺寸與光刻系統(tǒng)能獲得的分辨率直接相關(guān)，而減小照射光源的波長(zhǎng)是提高分辨率的最有效途徑。因?yàn)檫@個(gè)原因，開(kāi)發(fā)新型短波長(zhǎng)光源光刻機(jī)一直是各個(gè)國(guó)家的研究熱點(diǎn)。目前，商業(yè)化光刻機(jī)的光源波長(zhǎng)已經(jīng)從

19、過(guò)去的汞燈紫外光波段進(jìn)入到深紫外波段（DUV），如用于0.25微米技術(shù)的分子激光（波長(zhǎng)為248納米）和用于0.18微米技術(shù)的準(zhǔn)分子激光(波長(zhǎng)為193納米)。 除此之外，根據(jù)光的干涉特性，利用各種波前技術(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)也是提高分辨率的重要手段。這些技術(shù)是運(yùn)用電磁理論結(jié)合光刻實(shí)際對(duì)曝光成像進(jìn)行深入的分析所取得的突破。其中有移相掩膜、離軸照明技術(shù)、鄰近效應(yīng)校正等。運(yùn)用這些技術(shù)，可在目前的技術(shù)水平上獲得更高分辨率的光刻圖形。如1999年初Canon公司推出的FPA-1000ASI掃描步進(jìn)機(jī)，該機(jī)的光源為193納米，通過(guò)采用波前技術(shù)，可在300毫米硅片上實(shí)現(xiàn)0.13微米光刻線寬。光刻技術(shù)是包含光刻機(jī)、掩模

20、、光刻材料等一系列技術(shù)，涉及光、機(jī)、電、物理、化學(xué)、材料等多個(gè)研究方向。目前科學(xué)家正在探索更短波長(zhǎng)的F2激光（波長(zhǎng)為157納米）光刻技術(shù)。由于大量的光吸收，獲得用于光刻系統(tǒng)的新型光學(xué)及掩模襯底材料是該波段技術(shù)的主要困難。光科技束是很多學(xué)科的綜合，任何一門(mén)學(xué)科的突破就能對(duì)光刻技術(shù)的發(fā)展做出巨大貢獻(xiàn)。圖為光學(xué)光刻原理圖， 3.2電子束光刻電子束光刻技術(shù)是微型技術(shù)加工發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),他在納米制造領(lǐng)域中起著不可替代的作用。電子束光刻主要是刻畫(huà)微小的電路圖，電路通常是以納米微單位的隨著中國(guó)納米技術(shù)和納米電子學(xué)的蓬勃發(fā)展,納米加工技術(shù)的研究越來(lái)越重要,而電子束光刻技術(shù)將是納米結(jié)構(gòu)圖形加工中非常重要的手段。

21、電子束光刻技術(shù)要應(yīng)用于納米尺度微小結(jié)構(gòu)的加工和集成電路的光刻,必須解決幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題:電子束高精度掃描成像曝光效率低;電子在抗蝕劑和基片中的散射和背散射現(xiàn)象造成的鄰近效應(yīng);在實(shí)現(xiàn)納米尺度加工中電子抗蝕劑和電子束曝光及顯影、刻蝕等工藝技術(shù)問(wèn)題2。實(shí)踐證明,電子束鄰近效應(yīng)校正技術(shù)、電子束曝光與光學(xué)曝光系統(tǒng)的匹配和混合光刻技術(shù)及抗蝕劑曝光工藝優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用,是一種提高電子束光刻系統(tǒng)實(shí)際光刻分辨能力非常有效的辦法。電子束光刻最主要的就是金屬化剝離，第一步是在光刻膠表面掃描到自己需要的圖形。第二部是將曝光的圖形進(jìn)行顯影，去除未曝光的部分，第三部在形成的圖形上沉淀金屬，第四部將光刻膠去除，在金屬剝離的

22、過(guò)程中，關(guān)鍵在于光刻工藝的膠型控制。最好使用厚膠，這樣有利于膠劑的滲透，形成清晰的形貌。 3.3聚焦粒子束光刻聚焦離子束(Focused Ion beam, FIB)的系統(tǒng)是利用電透鏡將離子束聚焦成非常小尺寸的顯微切割儀器，她的原理與電子束光刻相近，不過(guò)是有電子變成離子。目前商業(yè)用途系統(tǒng)的離子束為液態(tài)金屬離子源，金屬材質(zhì)為鎵，因?yàn)殒壴鼐哂腥埸c(diǎn)低、低蒸氣壓、及良好的抗氧化力；典型的離子束顯微鏡包括液相金屬離子源、電透鏡、掃描電極、二次粒子偵測(cè)器、5-6軸向移動(dòng)的試片基座、真空系統(tǒng)、抗振動(dòng)和磁場(chǎng)的裝置、電子控制面板、和計(jì)算機(jī)等硬設(shè)備，外加電場(chǎng)于液相金屬離子源 可使液態(tài)鎵形成細(xì)小尖端，再加上負(fù)電場(chǎng)

23、(Extractor) 牽引尖端的鎵，而導(dǎo)出鎵離子束，在一般工作電壓下，尖端電流密度約為1埃10-8 Amp/cm2，以電透鏡聚焦，經(jīng)過(guò)一連串變化孔徑 (Automatic Variable Aperture, AVA)可決定離子束的大小，再經(jīng)過(guò)二次聚焦至試片表面，利用物理碰撞來(lái)達(dá)到切割之目的。在成像方面，聚焦離子束顯微鏡和掃描電子顯微鏡的原理比較相近，其中離子束顯微鏡的試片表面受鎵離子掃描撞擊而激發(fā)出的二次電子和二次離子是影像的來(lái)源，影像的分辨率決定于離子束的大小、帶電離子的加速電壓、二次離子訊號(hào)的強(qiáng)度、試片接地的狀況、與儀器抗振動(dòng)和磁場(chǎng)的狀況，目前商用機(jī)型的影像分辨率最高已達(dá) 4nm，雖然

24、其分辨率不及掃描式電子顯微鏡和穿透式電子顯微鏡，但是對(duì)于定點(diǎn)結(jié)構(gòu)的分析，它沒(méi)有試片制備的問(wèn)題，在工作時(shí)間上較為經(jīng)濟(jì)。聚焦離子束投影曝光除了前面已經(jīng)提到的曝光靈敏度極高和沒(méi)有鄰近效應(yīng)之外還包括焦深大于曝光深度可以控制。離子源發(fā)射的離子束具有非常好的平行性，離子束投影透鏡的數(shù)值孔徑只有0.001，其焦深可達(dá)100m，也就是說(shuō)，硅片表面任何起伏在100m之內(nèi)，離子束的分辨力基本不變。而光學(xué)曝光的焦深只有12m為。她的主要作用就是在電路上進(jìn)行修補(bǔ) ，和生產(chǎn)線制成異常分析或者進(jìn)行光阻切割。3.4移相掩模光刻分辨率取決于照明系統(tǒng)的部分相干性、掩模圖形空間頻率和襯比及成象系統(tǒng)的數(shù)值孔徑等。相移掩模技術(shù)的應(yīng)用

25、有可能用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)和i線光刻機(jī)在最佳照明下刻劃出尺寸為傳統(tǒng)方法之半的圖形，而且具有更大的焦深和曝光量范圍。例如使用PSM，在NA=0.5，=248nm，分辨率可達(dá)0.15um；NA=0.6，=365nm，實(shí)際分辨率可達(dá)0.2um。相移掩模方法有可能克服線/間隔圖形傳統(tǒng)光刻方法的局限性。隨著移相掩模技術(shù)的發(fā)展,涌現(xiàn)出眾多的種類, 大體上可分為交替式移相掩膜技術(shù)、衰減式移相掩模技術(shù)；邊緣增強(qiáng)型相移掩模, 包括亞分辨率相移掩模和自對(duì)準(zhǔn)相移掩模；無(wú)鉻全透明移相掩模及復(fù)合移相方式( 交替移相+ 全透明移相+ 衰減移相+ 二元鉻掩模) 幾類。尤其以交替型和全透明移相掩模對(duì)分辨率改善最顯著, 為實(shí)現(xiàn)亞波

26、長(zhǎng)光刻創(chuàng)造了有利條件。全透明移相掩模的特點(diǎn)是利用大于某寬度的透明移相器圖形邊緣光相位突然發(fā)生180度變化, 在移相器邊緣兩側(cè)衍射場(chǎng)的干涉效應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)形如“刀刃”光強(qiáng)分布, 并在移相器所有邊界線上形成光強(qiáng)為零的暗區(qū), 具有微細(xì)線條一分為二的分裂效果, 使成像分辨率提高近1 倍光學(xué)曝光技術(shù)的潛力, 無(wú)論從理論還是實(shí)踐上看都令人驚嘆, 不能不刮目相看。其中利用控制光學(xué)曝光過(guò)程中的光位相參數(shù), 產(chǎn)生光的干涉效應(yīng),部分抵消了限制光學(xué)系統(tǒng)分辨率的衍射效應(yīng)的波前面工程為代表的分辨率增強(qiáng)技術(shù)起到重要作用, 包括: 移相掩模技術(shù)、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)、離軸照明技術(shù)、光瞳空間濾波技術(shù)、駐波效應(yīng)校正技術(shù)、離焦迭加增強(qiáng)曝光技術(shù)、表面成像技術(shù)及多級(jí)膠結(jié)構(gòu)工藝技術(shù)。在實(shí)用化方面取得最引人注目進(jìn)展的要數(shù)移相掩模技術(shù)、光學(xué)鄰近效應(yīng)校正技術(shù)和離軸照明技術(shù), 尤其浸沒(méi)透鏡曝光技