光刻技術(shù)歷史與發(fā)展

編號(hào)河南大學(xué)2023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)：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)行，都離不開光刻的技束。光刻也是制造IC的最關(guān)鍵技術(shù)，他占芯片制導(dǎo)致本的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光科技束。在我們的平常生活中，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)和缺陷。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。Lithographyprocessisthemostimportantprocessingtechnologyofintegratedcircuit,heplayaroleSuchastheroleofthelatheinmachiningshop,lithographyasmetalworkingshoplathe.Inthewholechipmanufacturingtechnology,implementationofalmosteveryprocessisinseparablefromthelithographytechnologyofbeam.LithographyisthekeytechnologyofmanufacturingIC,hewarmorethan35%ofthechipmanufacturingcost.Intoday'sscienceandtechnologyandsocialdevelopment,lithographyhasbeengrowingatthirty-fivepercentayear,hisgrowth,isdirectlyrelatedtotheoperationoflargecomputerandotherhigh-techareas,largecomputerperchipcannowhasabout1billionparts.Thiswillrequireaveryhighlithography.Nowthebigcountriesareactivelythedevelopmentoflightbeamtechnology.Lithographyiscloselyrelatedtoourlife,weusethephone,allkindsofelectronicproductssuchascomputer,theinsideofthechipproductionwithoutlightbeamofscienceandtechnology.Inourdailylife,alsoneedtousephotolithographytechnologymanufacturingallkindsofchips,themostcommonisourcellphonesandcomputers.Todayisainformationsociety,inthesocietyallkindsoftrafficflowintheworld.Andmakethebearinglithographytechnologyistomakesurethecarrierofinformation.Hasanirreplaceableroleinsociety.Roleofthispaperistopopularizethedevelopmentdirectionofthedevelopmenthistoryoflithographyandlithography,andthetypesoflithography,andtotalkaboutthedevelopmentoflithography.Inlithographyontheonehand,China'spatentconsciousnessisthin,alotoftechnologypatents,hopethatwecanchangethesituation.Keywords:lithography;Lithographyspecies;LithographyChineseandforeignhistory編號(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。運(yùn)用光刻機(jī)發(fā)出的光通過具有圖形的光罩對(duì)涂有光刻膠的薄片曝光，光刻膠見光后會(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)開始了發(fā)展.當(dāng)時(shí)的人們已經(jīng)開始了計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人們大量運(yùn)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，但是比較遺憾的是當(dāng)時(shí)我國(guó)仍處在戰(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，光刻技術(shù)是百花齊放。在1959年制造出來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)合用單結(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，王守武等前輩開始研究光刻技術(shù)。1956年我國(guó)研制出來了第一根鍺合金晶體管。1957年我國(guó)建立第一條半導(dǎo)體實(shí)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丙計(jì)算機(jī)1假如說在五十年代對(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。通過了十年發(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公司開發(fā)出光學(xué)圖形發(fā)生器和分布反復(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，精度和特性尺寸為幾十微米，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，開發(fā)并制造第一批接觸式曝光小掩模板。通過六十年代的小規(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。斯皮勒等發(fā)明光刻工藝研制出來了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)代研制出來了第一塊微解決器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微解決器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，我們的光刻水平缺仍然向前發(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)100萬次計(jì)算機(jī)。在1976年，中科院研制成功我國(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120萬個(gè)晶體管，IBMDRAM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，并且國(guó)家重視技術(shù)，無錫八五 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，分辨路躊躇1.25微米以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）通過三十年的發(fā)展，在九十年代，為光科技束特性尺寸想沈微米推動(dòng)。在1990年研制出了64MDRAM,在1991年研制1.8為你工藝，1992年研制出了64位微解決器，在1995年，研制出來了64位微解決器DRAM和66MHZPentium微解決器.在1999年，研制出1GDRAM, 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)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)提高到0.35微米工藝。我國(guó)開展亞微米加工技術(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)很多問題，很多高校的研究反復(fù)，很多單位的研發(fā)處在較低的反復(fù)工作。并且不重視精細(xì)化分工，不能充足發(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)品的規(guī)定也在提高，以前電腦的運(yùn)算速度在現(xiàn)在已經(jīng)完全落后。隨著智能手機(jī)的發(fā)明，芯片的縮小技術(shù)已經(jīng)越來越重要，智能手機(jī)的運(yùn)算速度快，越來越對(duì)光刻技術(shù)的縮小有了更高的規(guī)定。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)圖形畫在涂有光刻膠的硅片上，通過光的照射，光刻膠的成分發(fā)生化學(xué)反映，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。由于這個(gè)因素，開發(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)從過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，運(yùn)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)行進(jìn)一步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、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)。由于大量的光吸取，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)的重要困難。光科技束是很多學(xué)科的綜合，任何一門學(xué)科的突破就能對(duì)光刻技術(shù)的發(fā)展做出巨大奉獻(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。電子束光刻重要是刻畫微小的電路圖，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。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)象導(dǎo)致的鄰近效應(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。電子束光刻最重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，在金屬剝離的過程中，關(guān)鍵在于光刻工藝的膠型控制。最佳使用厚膠，這樣有助于膠劑的滲透，形成清楚的形貌。3.3聚焦粒子束光刻聚焦離子束(FocusedIonbeam,FIB)的系統(tǒng)是運(yùn)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，但是是有電子變成離子。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，由于鎵元素具有熔點(diǎn)低、低蒸氣壓、及良好的抗氧化力；典型的離子束顯微鏡涉及液相金屬離子源、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)(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10-8Amp/cm2，以電透鏡聚焦，通過一連串變化孔徑(AutomaticVariableAperture,AVA)可決定離子束的大小，再通過二次聚焦至試片表面，運(yùn)用物理碰撞來達(dá)成切割之目的。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，它沒有試片制備的問題，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有鄰近效應(yīng)之外還涉及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)100μm，也就是說，硅片表面任何起伏在100μm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1～2μm為。她的重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)用有也許用傳統(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，并且具有更大的焦深和曝光量范圍。例如使用PSM，在NA=0.5，λ=248nm，分辨率可達(dá)0.15um；NA=0.6，λ=365nm，實(shí)際分辨率可達(dá)0.2um。相移掩模方法有也許克服線/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)杰出多的種類,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)；邊沿增強(qiáng)型相移掩模,涉及亞分辨率相移掩模和自對(duì)準(zhǔn)相移掩模；無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。特別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)亞波長(zhǎng)光刻發(fā)明了有利條件。全透明移相掩模的特點(diǎn)是運(yùn)用大于某寬度的透明移相器圖形邊沿光相位忽然發(fā)生180度變化,在移相器邊沿兩側(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。其中運(yùn)用控制光學(xué)曝光過程中的光位相參數(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,涉及: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)