光刻机编年史（1959-1969）

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）。

欢迎大家拍砖指正！中国 日本 荷兰 欧洲 美国1947 年 12 月 23 日，首个晶体管诞生。

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。

1950 年代，双极工艺流行。

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）。

1951 年 Kulick＆Soffa 成立。

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。

专业生产接触式掩模对准器。

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。