集成电路制造工艺光刻技术的历史演化

世界IC与微光刻发展史
提出摩尔定律 1965 研制出 100个元件的小规模集成 电路（SSI） 1000个元件的中规模集 成电路（MSI）
六 十 年 代
中国IC与微光刻发展史
我国研制成功第一块硅平面 数字集成电路 1965 我国研制成功第一台第三代 计算机
半 导 体 从 实 验 研制成功CMOS门阵列（50门） 室 走 世界第一条2英寸集成电路生产线 向 生 GCA公司开发出光学图形发生器 产 (PG)和分步重复精缩机（PR） 的 1968 十 年
世界产业 8.0 um 在中国的产业 5.0 um 3〞 4〞 3〞 3.0 um 2.0 um 16G 4〞 5〞 1.3 um ◆ 5〞 0.8 um 1G 1980年最细线宽 6〞 6〞 0.5 um ◆ 1.0um 8〞 8〞 0.35um 1986年最细线宽 0.25um 0.5um 16M ◆ 0.18um 移相掩模研究达 ◆ 12〞 12〞 0.13um 0.18 ～0.2um 1M 1995年最细线宽 90 nm ◆ 0.18um 65 nm ◆ 45 nm 16K 中国研究 2004年最细线宽 32 nm 实验室 22～50nm ◆ 22 nm ◆
Introduction to Micro-ElectroMechanical Systems
哈尔滨工业大学 超精密光电仪器与工程研究所 金 鹏 教授
微光刻与电子束光刻技术
卫星电视 接收机 卫星通讯
测控 航天 航空 电脑
微光刻与 微纳米加工技术
进步
MicroLithography Micro-Nano Facturing CPU
世界IC与微光刻发展史
16K位DRAM和4K位SRAM问世
七 十 年 代
中国IC与微光刻发展史
我国研制成1024位PMOS GaAs 场效应DRAM 1977
研制出64K位DRAM 世界进入VLSI时代
IBM推出世界第一台PC机 （Intel 8088）
1979
大 规 我国研制成功4096位N 模 沟DRAM GaAs 单片 IC 集 1978 成 电 路 制 造 设 备 我国第一条2英寸集成电路 的 生产线 1978 十 年
世界产业
芯 片 集 成 度
尽管设备条件落后，但我们的微纳加工技术始终紧紧咬住国际先进水平!!
光 刻 工 艺 特 征 尺 寸
开展PSM ，OPC，OAI， PXL，PEL，EUV，EPL，ML2研究 1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 2016
Beam Current: 100nA Sensitivity: 1792μC/cm2 Designed pattern width: 1nm Scanning Step: 42nm Writing result: 250nm
10nm CD Uniformity within 500μm field (40nm pitch L&S
世界IC与微光刻发展史
卢耳发明外延生长工艺 研制出外延平面晶体管 发明化学气相淀积技术
六 十 年 代
中国IC与微光刻发展史
•人工为主的制版光刻技术萌芽年代 沿用古老传统的照相术及显微镜缩 小曝光，人工光刻，坐标纸 + 喷黑 漆铜板纸 + 手术刀，精度和特征尺 寸为几十微米
半 导 研制成功MOSFET 体 从 MOS IC制造工艺研制 实 出12个元件基础IC模块 我国成立中国科 验 仙童提出互补金属氧化物半导体 学院半导体研究 室 场效应晶体CMOS IC制造工艺 所和河北半导体 走 研究所 向 生 产 的 我国研制成功第一只硅平面晶体管 世界第一台IC计算机IBM-360 1964 十 1964 年
中国微电子与微光刻技术 发展的历程
Developmental course of MicroElectronics & Micro-Lithography Technology in China
546nm E线 --10um 8.0 um
光 刻 工 艺 特 征 尺 寸
开展PSM ，OPC，OAI， PXL，PEL，EUV，EPL，ML2研究 1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 wenku.baidu.com992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 2016
CMOS器件和 电路直写实验
实验条件：电压100KV；曝光束流 6nA；扫描步距 4nm；抗蚀剂厚度170nm； （Fox14：MIBK=1：1） 2000转60秒；TMAH2.38%显影，23℃，5分钟；灵敏 度3200uC/cm2
世界IC与微光刻发展史
世界第一台机械计算机
五 十 年 代 半 导 体 制 造 基 本 工 艺 材 料 的 十 年
世界第一条3英寸集成电路生产线 1972
世界IC与微光刻发展史
1973年半导体设备和材料国际组织 （SEMI）举行第一次国际标准化会议 推出第一块CMOS微处理器 1802 Dennard 提出等比例缩小定律 相继开发出电子束曝光机、投影 光刻机、离子注入机、洁净室等 关键工艺设备技术 世界第一条4英寸集成电路生产线
七 十 年 代 大 规 模 集 成 电 路 制 造 设 备 的 十 年
中国IC与微光刻发展史
我国研制成功CMOS集成电路
1971
我国进入大规模集成电路(LSI) 研制时代 我国也投入大量的人力物力研制 大型刻绘图机、大型照相机、图 形发生器、超微粒干版E 线精缩 机和接触式光刻机制版光刻精度 1微米、特征尺寸为十微米
1980年左右曾经有人预言：光刻线宽不能小于1微米 1989年曾经有预言：到1997年光刻技术将走到尽头 1994年也曾经有比较乐观的长期预测，2007年线宽达到0.1微米（保守的预计为0.5 微米）
这些预测都被光刻技术神话般的进步的步伐远远抛在后头 ！
过去的几十年中证明，只要通过光刻技术的专家们的努力， 就有办法实现当时看来已经超过现有光刻工艺物理极限的加工精 度，不断地编写着新的神话。
七 十 年 代 大 规 模 集 成 电 路 制 造 设 备 的 十 年
中国IC与微光刻发展史
我国研制成功 1024位DRAM 1975
北京大学研制成功我国第一台 100万次计算机 1975
中科院研制成功我国第一台 1000万次计算机 1976
1975
世界IC与微光刻发展史
16K位DRAM和4K位SRAM问世
世界IC与微光刻发展史
研制出256K DRAM和64K CMOS SRAM 1980 研制出世界上第一台便携式计 算机 Osborne I 1981 世界第一条5英寸集成电路 生产线 1982 16位微处理器 1.5微米工艺 80286 CPU 80C86 CPU 1M DRAM
1×1012 在中国的产业 256×109 半自动精缩机与劳动牌光刻机 超微粒干板 5.0 um 3〞 E线 4〞 3〞 +G线 10-2.0um 64×109 3.0 um 自动精缩机与劳动牌光刻机 超微粒干板+铬板 9 2.0 um 16G 16×109 4〞 2.0--0.5um 5〞 E线 +G线 4×10 1.3 um ◆ GCA3600+3696+ASML1500投影光刻 5〞 1×109 0.8 um 1G 1980年最细线宽 6〞 6〞 365nm I线 0.08--0.28um 256×106 0.5 um ◆ 1.0um 8〞 8〞 ASML5000投影光刻+电子束制版 64×106 0.35um 1986年最细线宽 248nm KrF 0.5--0.13um 6 16×10 0.25um 0.5um 16M JBX5000LS 电子束光刻 6 ◆ 4×10 0.18um 移相掩模研究达 ◆ 12〞 PSM+OPC+OAI 12〞 1×106 0.13um 0.18 ～0.2um 1M MEBES4700S 3 1995年最细线宽 256×10 90 nm ◆ 电子束 64×103 0.18um 65 nm ◆ 16×103 45 nm 16K 中国研究 2004年最细线宽 4×103 32 nm ◆ 实验室 22～50nm 1×103 22 nm ◆
10 nm
100kV 600pA HSQ (30 nm) 6400 μC/cm2
15 nm
电子束 光刻
100kV ； 100nm ZEP520 ；50nm pitch 32295μC/cm2 100pA Nickel-chromium lift-off
Beam Current: 15nA Sensitivity: 3210μC/cm2 Designed pattern width: 48nm Scanning Step: 16nm Writing result: 100nm
闪存
内存
Integrated 网络系统 Information Circuit Technology
促进
集成电路 制造业
发展
计算机
带动整个
信息 移动通讯 产业
汽车 手机
数码技术 视频音频
影像
芯片器件 基础工艺 单元技术 系统
自从1958年世界上出现第一块平面集成电路开始算起，在 短短的五十年中，微电子技术以令世人震惊的速度突飞猛进地 发展，创造了人间奇迹。人类社会、世界、科学、未来都离不 开微电子。 作为微电子技术工艺基础的微光刻技术与微纳米加工技术是 人类迄今为止所能达到的精度最高的加工技术。
1×1012 256×109 64×109 16×109 4×109 1×109 256×106 64×106 16×106 4×106 1×106 256×103 64×103 16×103 4×103 1×103
芯 片 集 成 度
High beam current exposure (100kV) (500nm pitch L/S pattern writing with 1μm thick resist)
中国IC与微光刻发展史
周总理主持制定“十年科学技术发 展远景规划纲要” 半导体科技等 列为国家重要科技项目。 北大复旦南大厦大东北人大等五校 在北大成立联合半导体专门化;中 国科学院应用物理所成立半导体研 究室 黄昆,谢希德,林兰英,王守武 我国研制成功第一只锗合金晶体管
发表集成电路设想 发明场效应晶体管 开创聚乙烯醇肉桂酸酯系光刻胶 富勒提出扩散结工艺 1956
1956
世界IC与微光刻发展史
世界第一台晶体管计算机TX-O
五 十 年 代
中国IC与微光刻发展史
1957 我国建立第一条半导体实验 线研制成功锗合金晶体三极 管 1958 建立109厂(微电子所前身） 研制的锗合金晶体三极管和 磁膜存贮器用于109丙计算 机
半 导 体 提出光刻工艺 制 仙童第一只商品化原始平面晶体管 造 生产出环化橡胶双叠氮系光刻胶 基 本 德州仪器研制成功世界第一块数 工 字集成电路（锗） 艺 材 仙童半导体研制世 界第一块适用单结 料 构硅芯片集成电路 的 1959 十 年
七 十 年 代
中国IC与微光刻发展史
我国研制成1024位PMOS GaAs 场效应DRAM 1977
研制出64K位DRAM 世界进入VLSI时代
IBM推出世界第一台PC机 （Intel 8088）
1979
大 规 我国研制成功4096位N 模 沟DRAM GaAs 单片 IC 集 1978 成 电 路 制 造 设 备 我国第一条2英寸集成电路 的 生产线 1978 十 年
中国IC与微光刻发展史
发明半导体材料 世界第一台电子管计算机 ENIAC 贝尔实验室发明世 界第一只点接触晶 体管
那时的我国制版光刻还是 个空白 我国半导体技术教育和科 研还处在起步阶段
1947
世界IC与微光刻发展史
发明重氮萘醌酚醛树脂系光刻胶 1950 结型晶体管诞生 奥耳发明离子注入工艺
五 十 年 代 半 导 体 制 造 基 本 工 艺 材 料 的 十 年
我国研制成功 PMOS 集成电路 NMOS 集成电路
开发超微粒感光乳胶湿板 制造工艺技术 开发超微粒感光乳胶干板 制造工艺技术 制造第一批接触式曝光小 掩模版
世界IC与微光刻发展史
斯皮勒等发明光刻工艺 Bell Western 开发出 激光扫描图形发生器 研制出1024位DRAM 进入LSI时代 （8微米工艺） 研制出第一块微 处理器 Intel 4004