光刻技术历史与发展

编号

与技术

2010届本科毕业论文 光刻技术历史与发展 姓 名： 作者学号：1003618023 所在学院：所学专业：电子信息科学导师姓名： 导师职称：讲师 河南大学

摘要 光刻工艺是集成电路最重要的加工工艺，他起到的作用 如题金工车间中车床的作用，光刻机如同金属加工工车间的车床。在整个芯片制造工艺中，几乎每个工艺的实施，都离不开光刻的技束。光刻也是制造IC的最关键技术，他占芯片制造成本的35%以上。在如今的科技与社会发展中，光刻已经每年以百分之三十五的速度增长，他的增长，直接关系到大型计算机的运作等高科技领域，现在大型计算机的每个芯片上可以大约有10亿个零件。这就需要很高的光刻技术。如今各个大国都在积极的发展光科技束。光刻技术与我们的生活息息相关，我们用的手机，电脑等各种各样的电子产品，里面的芯片制作离不开光科技束。

在我们的日常生活中，也需要用到光刻技术制造的各种各样的芯片，最普通的就是我们手里的手机和电脑。如今是一个信息社会，在这个社会中各种各样的信息流在世界流动。而光刻技术是保证制造承载信息的载体。在社会上拥有不可替代的作用。

本论文的作用是向大家普及光刻的发展历史和光刻的发展方向，以及光刻的种类，每种光刻种类的优点和缺点。并且向大家讲述光刻的发展前景。在光刻这一方面，我国的专利意识稀薄，很多技术都没有专利，希望我辈能改变这个状况

关键字:光刻技术 ；光刻种类；光刻中外历史。

Lithography 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 lithography technology of beam. Lithography is the key technology of manufacturing IC, he war more than 35% of the chip manufacturing cost. In today's science and technology and social development, lithography has been growing at thirty-five percent a year, his growth, is directly related to the operation 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 electronic 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 the 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, and the types of lithography, and to talk about the development of lithography. In lithography on the one hand, China's 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

编号 ............................................................................................................................................. - 1 -

第一章 绪论 ............................................................................................................................ - 5 -

第二章，光刻的历史 .................................................................................................................. - 5 -

2.1光科技束的诞生 ........................................................................................................... - 5 -

2.2光科技束的发展初级阶段 ............................................................................................ - 5 -

2.3光刻发展历史的快速阶段 ............................................................................................ - 6 -

2.4十一世纪光科技束的发展 ............................................................................................ - 7 -

第三章 光刻的分类 .................................................................................................................... - 7 -

3.1光学光刻 ........................................................................................................................ - 7 -

3.2电子束光刻 .................................................................................................................... - 8 -

3.3聚焦粒子束光刻 ............................................................................................................ - 8 -

3.4移相掩模 ........................................................................................................................ - 9 -

3.5X射线光刻 ................................................................................................................... - 10 -

第四章总结与感谢 .................................................................................................................... - 12 -

正文

第一章 绪论 光刻的作用就是把芯片制作所需要的线路与功能区做出来。利用光刻机发出的光通过具有图形的光罩对涂有光刻胶的薄片曝光，光刻胶见光后会发生性质变化，从而使光罩上得图形复印到薄片上，从而使薄片具有电子线路图的作用。这就是光刻的作用，类似照相机照相。照相机拍摄的照片是印在底片上，而光刻刻的不是照片，而是电路图和其他电子元件。

第二章，光刻的历史

2.1光科技束的诞生 1947年，贝尔实验室发明第一只点接触晶体管。从此光刻技术开始了发展.当时的人们已经开始了计算机的发展，人们大量利用计算机，芯片的需求量大增，许多科学家都在研究证明发展计算机，于是光刻技术迅速被人们重视，并飞速发展，不过比较遗憾的是当时我国仍处于战乱之中，制版光刻还是个空白，半导体技术和科研号处在起步阶段。

2.2光科技束的发展初级阶段 在五十年代，结晶晶体管在国外诞生奥尔发明离子注入工艺，弗雷提出扩散节工艺。在五十年代的国外，光刻技术是百花齐放。在1959年制造出来世界上第一架晶体管计算机，提出光刻工艺，仙童半导体研制世界第一个适用单结构硅晶片。新中国成立后，也很重视光刻技术的发展。有周总理亲自挂帅主持制定“十年科学发展技术远景规划纲要”光科技束半导体技术等列为国家重点研究科目。北大复旦南大厦大和东北人大等高校抽调精兵强将成立联合半导体专门化，中国科学院物理研究所成立半导体研究室。黄昆，谢希德，林兰英，王守武等前辈开始研究光刻技术。1956年我国研制出来了第一根锗合金晶体管。1957年我国建立第一条半导体试验线研制成功锗合金三极管。1958年建立了109厂，这是微电子所的前身，研制的锗合金三极管和磁膜储存器应用于109丙计算机1 如果说在五十年代对于光刻技术是以研究为主的话，那么在六十年代就是以生产为主了。经过了十年发展，光刻技术已经基本成型。在六十年代，光科技束已经从实验室走向了生产线。鲁尔发明外延生长工艺仙童提出互补氧化物半导体场效应晶体CMOSIC制造工艺，并且成功研制了世界上第一台IC计算机IBM360。在1965提出摩尔定律，研制出100个元件的小鬼吗集成电路和1000个元件的中闺蜜集成电路。成功研制CMOS门系列，并且建立了世界上第一台2英寸集成电路生

产线，GCA公司开发出光学图形发生器和分布重复精缩机。

在世界技术发展的同时，我国的仍以三极管为主的制版光科技束萌芽年代，沿用古老传统的照相术级显微镜缩小曝光，人工光刻，坐标值加喷黑漆铜版纸加手术刀，精度和特征尺寸为几十微米，在1964年，我国成立中国半导体研究所和河北半导体研究所，并且研制成功第一只硅平面晶体管。并且在1964年成功研制第一个硅平面数字集成电路，并且成功研制第一台第三代计算机，在此后不久我国研制了PMOS集成电路和NMOS集成电路，开发并制造第一批接触式曝光小掩模板。

经过六十年代的小规模制造和技术研究，到了七十年代，微光刻技术已经基本成熟，在七十年代，大规模集成电路制造设备已经蓬勃的发展起来。斯皮勒等发明光刻工艺研制出来了1024位DRAM进入LSI时代，这个时代是以八微米工艺为代表的。并且在这个时代研制出来了第一块微处理器Intel4004，建立了世界上第一条3英寸集成电路生产线、在1973年半导体设备和材料国际组织举行了第一次国际标准化会议，并且退出了第一块CMOS微处理器1802.外国科学家提出比例缩小定律。随后国外相机开发出地字数曝光机，投影光刻机等关键工艺设备技术，并且在1973年建立世界上第一条4英寸集成电路生产线，在1979年IBM推出世界第一台PC机 intel8088.

在六七十年代，我国正在经受着文革的阵痛和西方的封锁，在这场浩劫下，我们的光刻水平缺依然向前发展。我国在1975年成功研制出了1024为DRAM，在1975年，北京大学研制成功我国第一台100万次计算机。在1976年，中科院研制成功我国第一台1000玩次计算机，并且在1978年我国建立了第一条2英寸集成电路生产线1

2.3光刻发展历史的快速阶段

八十年代，是伟光刻集成电路进行自动化大生产的十年，在1988年，世界上

第一条8寸集成电路生产线建立，并研制出了16M位DRAM，进入ULSI时代，CMOS工艺120万个晶体管，IBM DRAM进入市场。集成电路和光科技束已经百花齐放的时代。而在此时，我国的技术也在突飞猛进的发展着，汲取着来自世界的只是。在1988年我国第一条4英寸集成电路生产线建立。这标志着我国在国科技术的进步，而且国家重视技术，无锡八五 IC战略研讨加快基地建设。我国的掩模制造业形成规模，分辨路犹豫1.25微米以CAD制版为主。（参考集成电路制造工艺光刻技术的历史演化）

经过三十年的发展，在九十年代，为光科技束特征尺寸想沈微米推进。在1990年研制出了64M DRAM,在1991年研制1.8为你工艺，1992年研制出了64位微处理器，在1995年，研制出来了64位微处理器DRAM和66MHZPentium微处理器.在1999年，研制出1G DRAM, 世界上进入集成度打到10亿个单元的巨大规模集成电

路时代并且研制出来1G位SDRAM0.18微米工艺和光子计算机芯片。

在这个年代，我国成立了南方产业基地和北方研究基地，1991年9月24日国家技术监督局组织成立“中国 SEMI标准化工作组”翻译出版SEMI标准1990中译版成立。在1992年，我国第一条五英寸集成电力生产线建立。在1999年，我国第一台哦8英寸集成电路生产线2月工艺技术提升到0.35微米工艺。我国开展亚微米加工技术研究，逐渐进入壹EB高精度制版光刻年代。

虽然我国的光刻技术发展十分迅速，但是不可避免的出现很多问题，很多高校的研究重复，很多单位的研发处于较低的重复工作。而且不重视精细化分工，不能充分发挥研究成员多的优势。在科研项目的集体公关、科技成果转化、成果走产业化道路等方面进行深层次的合作，从而为我国实现具有自主知识产权的道路。

2.4十一世纪光科技束的发展

进入二十一世纪，人们对电子产品的要求也在提高，以前电脑的运算速度在现在已经完全落后。随着智能手机的发明，芯片的缩小技术已经越来越重要，智能手机的运算速度快，越来越对光刻技术的缩小有了更高的要求。进入二十一世纪，光刻技术向着缩小化的方向飞速发展。现在光刻的线宽以每三年减少70%的速度减少。

第三章 光刻的分类

3.1光学光刻 光学光刻是通过广德照射用投影方法将掩模上的大规模集成电路器件的结构图形画在涂有光刻胶的硅片上，通过光的照射，光刻胶的成分发生化学反应，从而生成电路图。限制成品所能获得的最小尺寸与光刻系统能获得的分辨率直接相关，而减小照射光源的波长是提高分辨率的最有效途径。因为这个原因，开发新型短波长光源光刻机一直是各个国家的研究热点。目前，商业化光刻机的光源波长已经从过去的汞灯紫外光波段进入到深紫外波段（DUV），如用于0.25微米技术的分子激光（波长为248纳米）和用于0.18微米技术的准分子激光(波长为193纳米)。

除此之外，根据光的干涉特性，利用各种波前技术优化工艺参数也是提高 分辨率的重要手段。这些技术是运用电磁理论结合光刻实际对曝光成像进行深入的分析所取得的突破。其中有移相掩膜、离轴照明技术、邻近效应校正等。运用这些技术，可在目前的技术水平上获得更高分辨率的光刻图形。如1999年初Canon公司推出的FPA-1000ASI扫描步进机，该机的光源为193纳米，通过采用波前技术，可在300毫米硅片上实现0.13微米光刻线宽。

光刻技术是包含光刻机、掩模、光刻材料等一系列技术，涉及光、机、电、物理、化学、材料等多个研究方向。目前科学家正在探索更短波长的F2激光（波

长为157纳米）光刻技术。由于大量的光吸收，获得用于光刻系统的新型光学及掩模衬底材料是该波段技术的主要困难。光科技束是很多学科的综合，任何一门学科的突破就能对光刻技术的发展做出巨大贡献。图为光学光刻原理图，

3.2电子束光刻

电子束光刻技术是微型技术加工发展的关键技术,他在纳米制造领域中起着不可替代的作用。电子束光刻主要是刻画微小的电路图，电路通常是以纳米微单位的 随着中国纳米技术和纳米电子学的蓬勃发展,纳米加工技术的研究越来越重要,而电子束光刻技术将是纳米结构图形加工中非常重要的手段。电子束光刻技术要应用于纳米尺度微小结构的加工和集成电路的光刻,必须解决几个关键的技术问题:电子束高精度扫描成像曝光效率低;电子在抗蚀剂和基片中的散射和背散射现象造成的邻近效应;在实现纳米尺度加工中

2。 电子抗蚀剂和电子束曝光及显影、刻蚀等工艺技术问题

实践证明,电子束邻近效应校正技术、电子束曝光与光学曝光系统的匹配和混合光刻技术及抗蚀剂曝光工艺优化技术的应用,是一种提高电子束光刻系统实际光刻分辨能力非常有效的办法。电子束光刻最主要的就是金属化剥离，第一步是在光刻胶表面扫描到自己需要的图形。第二部是将曝光的图形进行显影，去除未曝光的部分，第三部在形成的图形上沉淀金属，第四部将光刻胶去除，在金属剥离的过程中，关键在于光刻工艺的胶型控制。最好使用厚胶，这样有利于胶剂的渗透，形成清晰的形貌。

3.3聚焦粒子束光刻

聚焦离子束(Focused Ion beam, FIB)的系统是利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割仪器，她的原理与电子束光刻相近，不过是有电子变成离子。目前商业用途系统的离子束为液态金属离子源，金属材质为镓，因为镓元素

具有熔点低、低蒸气压、及良好的抗氧化力；典型的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子侦测器、5-6轴向移动的试片基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电子控制面板、和计算机等硬设备，外加电场于液相金属离子源 可使液态镓形成细小尖端，再加上负电场(Extractor) 牵引尖端的镓，而导出镓离子束，在一般工作电压下，尖端电流密度约为1埃10-8 Amp/cm2，以电透镜聚焦，经过一连串变化孔径 (Automatic Variable Aperture, AVA)可决定离子束的大小，再经过二次聚焦至试片表面，利用物理碰撞来达到切割之目的。

在成像方面，聚焦离子束显微镜和扫描电子显微镜的原理比较相近，其中离子束显微镜的试片表面受镓离子扫描撞击而激发出的二次电子和二次离子是影像的来源，影像的分辨率决定于离子束的大小、带电离子的加速电压、二次离子讯号的强度、试片接地的状况、与仪器抗振动和磁场的状况，目前商用机型的影像分辨率最高已达 4nm，虽然其分辨率不及扫描式电子显微镜和穿透式电子显微镜，但是对于定点结构的分析，它没有试片制备的问题，在工作时间上较为经济。

聚焦离子束投影曝光除了前面已经提到的曝光灵敏度极高和没有邻近效应之外还包括焦深大于曝光深度可以控制。离子源发射的离子束具有非常好的平行性，离子束投影透镜的数值孔径只有0.001，其焦深可达100μm，也就是说，硅片表面任何起伏在100μm之内，离子束的分辨力基本不变。而光学曝光的焦深只有1～2μm为。她的主要作用就是在电路上进行修补 ，和生产线制成异常分析或者进行光阻切割。

3.4移相掩模

光刻分辨率取决于照明系统的部分相干性、掩模图形空间频率和衬比及成象系统的数值孔径等。相移掩模技术的应用有可能用传统的光刻技术和i线光刻机在最佳照明下刻划出尺寸为传统方法之半的图形，而且具有更大的焦深和曝光量范围。例如使用PSM，在NA=0.5，λ=248nm，分辨率可达0.15um；NA=0.6，λ=365nm，实际分辨率可达0.2um。相移掩模方法有可能克服线/间隔图形传统光刻方法的局限性。

随着移相掩模技术的发展,涌现出众多的种类, 大体上可分为交替式移相掩膜技术、衰减式移相掩模技术；边缘增强型相移掩模, 包括亚分辨率相移掩模和自对准相移掩模；无铬全透明移相掩模及复合移相方式( 交替移相+ 全透明移相+ 衰减移相+ 二元铬掩模) 几类。尤其以交替型和全透明移相掩模对分辨率改善最显著, 为实现亚波长光刻创造了有利条件。全透明移相掩模的特点是利用大于某宽度的透明移相器图形边缘光相位突然发生180度变化, 在移相器边缘两侧衍射场的干涉效应产生一个形如“刀刃”光强分布, 并在移相器所有边界线上形成光强为零的暗区, 具有微细线条一分为二的分裂效果, 使成像分辨率提高近1 倍

光学曝光技术的潜力, 无论从理论还是实践上看都令人惊叹, 不能不刮目相看。其中利用控制光学曝光过程中的光位相参数, 产生光的干涉效应,部分抵消了限制光学系统分辨率的衍射效应的波前面工程为代表的分辨率增强技术起到重要作用, 包括: 移相掩模技术、光学邻近效应校正技术、离轴照明技术、光瞳空间滤波技术、驻波效应校正技术、离焦迭加增强曝光技术、表面成像技术及多级胶结构工艺技术。在实用化方面取得最引人注目进展的要数移相掩模技术、光学邻近效应校正技术和离轴照明技术, 尤其浸没透镜曝光技术上的突破和两次曝光技术的应用, 为分辨率增强技术的应用更创造了有利条件。

3.5X射线光刻

软Ｘ射线投影光刻作为特征线宽小于０．１μｍ的集成电路制造技术，倍受日美两个集成电路制造设备生产大国重视。随着用于软Ｘ射线投影光刻的无污染激光等离子体光源、高分辨率大视场投影光学系统、无应力光学装调工艺、深亚纳米级镜面加工和多层膜制备、低缺陷反射式掩膜、表面成像光刻胶、精密扫描机构等关键技术均取得了突破3

在光刻系统中,光刻胶的好坏直接影响着生产效能。软X射线投影光刻系统的光刻胶应具有小于 0.1纳米的分辨本领及20mJ每平方厘米感光度,大于0.5纳米抗刻蚀能力和85° 的侧壁倾角

始于70年代末的我国软X射线光学技术研究涉及软X射线光源、软X射线辐射计量、超精密光学加工检测和软X射线多层膜技术等。在作为主要技术基础的软X射线成像光学方面,长春光机所居国内领先。近年在投影光刻的关键技术及系统集成上有了重要进展。

参考文献【1】电子束光刻在纳米加工及器件制备中的应用

【2】集成电路制造工艺光刻技术的历史演化

【3】http://baike.baidu.com/link?url=bm4SueHFxcEz

1xjR_zR2DrmaVeFz-G5NezJcsaqP9YRjkH3pd8y4v1_IZ9wJlHOyGMpBJ016WzuRatlg5K3n5q#3

- 11 -

第四章总结与感谢 本文主要讲述了光刻技术的历史和我国光刻技术的发展史。光刻技束是一项关系到国力民生的技术。在二十一世纪，任何人类活动都离不开芯片，小到你的手机，大到超级计算机的制作和航空领域的发展，这些都是一个个的芯片和电路组成，通过论文我了解了光刻的发展和历史，对于光刻的重要性有了新的认识。希望在以后的学习和工作中能为光刻的发展尽到自己的一份力。在论文完成之际，我首先要感谢我的父母，他们含辛茹苦的将我养育成人，出资让我读大学。其次要感谢所有在大学四年里教育过我的导师，是他们不辞辛苦的教育我，让我学到许多在校园外面学不到的东西。最后隆重感谢谷城老师，在我毕业之际指导我写论文，为我的大学生活划下完美的句号。谢谢大家

- 12 -