光刻机的发展里程碑1959~2006

文摘   2024-11-18 17:11   河南  

平版印刷作为一种艺术形式的历史
一种利用油脂和水不相溶性的平版印刷工艺。在平版印刷工艺中,油墨被涂在平面印刷表面上的油脂处理过的图像上;非图像(空白)区域会保留水分,从而排斥平版印刷油墨。然后将这个油墨表面印刷在纸上,- 大英百科全书
慕尼黑的阿洛伊斯·塞内费尔德(Alois Senefelder)在 1798 年左右发现了平版印刷的基本原理,即“在石头上书写”。塞内费尔德使用一块多孔的石头,用一种油脂物质勾勒出他的设计,这种物质被石头吸收。然后,他用阿拉伯胶和水的混合物(润版液)润湿整个表面。只有石头区域吸收了溶液;设计区域排斥它。在由肥皂、蜡、油和油烟制成的油墨上滚动,这种油脂物质覆盖了设计,但没有扩散到潮湿的空白区域。当一张纸压在石头表面上时,设计就清晰可见。
----------- 半导体制造的光刻技术历史 ---------
1959 年 - GCA 收购 David W. Mann。随后开发了步进重复相机
GCA/David W. Mann 是第一家向半导体制造商提供商业两级步进重复掩模缩小设备(光中继器)的公司。他们于 1961 年春季首次展示了该设备,并将第一台设备卖给了 Clevite Corporation。这些设备使用了尼康光学元件。
1965 年 - Kulick & Soffa 推出首款商用接触式对准器
在 20 世纪 70 年代,接触式印刷是将图案曝光到 IC 晶圆上的主力技术。在 60 年代初期,芯片制造商都在自行制造设备。K&S 是第一家销售商用工具的公司。他们非常成功,在 60 年代占据了近 100% 的市场份额(尽管非常小)。 1970 年,K&S 与 Computervision Corp. 合作开发了第一台自动对准器,并在 WESCOM 展会上展出。在销售了大约 50 台之后,K&S 对这项业务失去了兴趣并退出了市场。此后,Cobilt 和 Kasper 接管了市场。
1968 年 - Kasper Instruments 成立
到 1973 年,该公司占据了接触式对准器市场约一半的份额。1973 年,Kasper 推出了第一台配备近距离功能的接触式对准器。接触式对准器使用起来简单快捷,但需要将掩模和晶圆直接接触,这可能会损坏掩模或污染晶圆。1973 年推出了近距离对准器来解决这些问题。尽管从 1974 年起,Kasper 销售的近一半对准器都具备此功能,但 Kasper 对准器很少在近距离模式下使用(因为效果不佳),随着佳能的接管,销售额稳步下降,该公司于 1981 年退出该行业。
1969 年 - 尼康开发出第一台光刻中继器
1970 年 - 佳能发布日本第一台掩模对准器 PPC-1。
1972 年 - Cobilt 凭借 Autolign 产品线进入对准器市场
在 K&S 撤退后,Computervision Corp. 收购了 Cobilt 并发布了该产品。Autolign 大获成功,Cobillt 成为领先供应商。当时,Cobilt 还制造了晶圆轨道,后来成为东京电子轨道的起源。Computervision 于 1981 年以 1500 万美元的价格将 Cobilt 出售给 Applied Materials。Applied Materials 希望借此将光刻工具添加到其产品组合中,但最终解散了 Cobilt 部门。

1973 年 - 发明扫描投影打印机
Perkin Elmer(成为 SVG 光刻技术公司,后来被 ASML 收购)推出了 Micralign 投影扫描仪,NA=0.167。该公司于 1969 年根据与 Wright Patterson 空军基地签订的合同开始了研发工作。投影印刷与正性光刻胶的结合大大降低了缺陷率。凭借此工具,Perkin Elmer 成为业内最大的公司。
1973 年 - 佳能推出了日本第一台接触式掩模对准器 PLA-300
佳能后来在近距离对准器市场占据主导地位,因为它是第一台真正以近距离模式工作的工具,具有固体掩模/晶圆间隙设定机制(Kasper 工具缺乏这种机制),并且对衍射有很好的理解(在近距离印刷中,必须考虑近场或菲涅尔衍射),而这在接触式印刷中是不存在的。一些后期产品,如 PLA-500/600,至今仍在积极打印芯片图案(用于分立器件、MEMS 和 LED)... 在推出后的四分之一世纪中仍在生产,这是一项了不起的壮举。
1975 年 - IBM 的 Wilczynski 团队演示了步进重复打印
使用 405 nm(H 线)的曝光波长,NA 为 0.32,成功打印了 1μm 的特征。
1978 年 - GCA 开发了步进重复系统(步进机)
GCA 推出了 DSW 4800,这是第一台成功的晶圆步进机(g 线、10 倍、蔡司 0.28NA、10 x 10 毫米场大小),被认为是 D.W. Mann 光刻机的自然延伸。这是缩减印刷的开始。具有讽刺意味的是,GCA 差点为此采用了尼康镜头,但最终决定采用蔡司,因为它的聚焦均匀性更好。 GCA 的早期客户包括 IBM、ATT、Fairchild、National Semiconductor 和 Siemens 等。尽管实际发布时间是 1978 年,但测试版工具于 1977 年交付给 IBM。步进式光刻机彻底改变了半导体图案化,但 GCA 花了一段时间才从 Perkin Elmer 手中夺取市场领导地位。步进式光刻机的缺陷率低得多,重叠性能明显更好,产量也更高。但是,与 Perkin Elmer 投影对准器相比,其吞吐量较低。256K DRAM 一代才真正让步进式光刻机成为主流光刻工具。
1978 年 - 尼康原型步进重复系统 NSR-1
这是由 NTT 和 MITI 于 1976 年启动的国家项目 VLSI 研究计划资助的。该工具并未商业化。
1980 年 - 尼康推出日本第一台商用步进式光刻机 NSR-1010G。
尼康凭借其成功击败了 GCA。尼康通过生产比 GCA 提供的分辨率更高的镜头来吸引客户。尼康能够以 5 倍而不是 10 倍的缩小率实现 1μm 的分辨率。这样,步进机就不再是一台“慢速”机器了。GCA 努力跟上这一发展,但蔡司是他们唯一的镜头供应商,他们很难及时储备足够的材料。因此,GCA 迟迟未能提供具有竞争力的工具。GCA 步进机在日本的市场份额(当时约占 WW 市场的 50%)已从 1981 年的 68% 下降到 1983 年的约 45%。
1980 年 - IBM 提出了化学放大光刻胶的概念
第一份报告发表于 1982 年,由 H Ito 和 G. Wilson 撰写。
1980 年 - 尼康的 M. Shibuya 申请了相移掩模的专利
IBM 的 M. D. Levenson 独立于 Shibuya 的工作测试并证明了这一概念。涩谷博士于 2001 年从尼康退休,目前担任东京理工大学教授。
1980 年 - 佳能推出首款投影对准仪 MPA-500


虽然起步缓慢,但 1981 年 Perkin Elmer 仍占有日本投影对准仪市场 60% 的份额。然而,1983 年,这一份额下降到 20% 以下,到 1986 年,佳能已占据日本 90% 的市场份额。
1981 年 - Perkin Elmer 宣布推出 Micralign 500
虽然价格是 Micralign300 的两倍多,但 Micralign500 是首个达到 100wph 吞吐量的工具
1982 年 - 尼康在硅谷成立 Nikon Precision Inc.
凭借这一立足点,尼康开始从 GCA 手中抢夺 IBM、ATT、英特尔、RCA、德州仪器和 AMD 等客户。
1984 年 - 尼康首款 i 线步进式光刻机 NSR-1010i3 出货。
1984 年 - 佳能首台步进光刻机(g-line)FPA-1500FA 出货。
这一年,全球共出货了 1,000 多台步进光刻机。其中近 600 台在日本销售。这帮助佳能腾飞。
1984 年 - Perkin Elmer 收购 Lichtenstein 步进光刻机制造商 Censor
Perkin-Elmer 花了 18 个月试图在美国销售 Censor 的晶圆步进光刻机,但没有成功。
1984 年 - 飞利浦和 ASM 成立合资企业 ASML
虽然 ASM 这个名字仍然保留,但 ASM International 于 1990 年抛售了股份,不再持有 ASML 的股份。
1985 年 - ASML 首台商用步进光刻机 PAS 2000/10 g-line。
赛普拉斯半导体公司是其主要客户
1986 年 - Cymer Inc. 成立
Cymer 成立时尚未专注于光刻光源。正式进入市场是在 1989 年。Cymer 在 90 年代和 00 年代初期占据了超过 80% 的市场份额。
1987 年 - 尼康宣布推出 NSR-1505G4B
第一台达到亚微米分辨率(0.9μm)的步进机
1987 年 - ASML 推出第一台 i-line 步进机,PAS 2500/40
0.4NA,0.7μm 分辨率,70wph(在 150mm 晶圆上)
1987 年 - 小松推出第一台用于光刻的 KrF 激光器,KLE-630S
这被用于次年发布的尼康工具
1988 年 - General Signal 以 7600 万美元收购陷入财务困境的 GCA。
此后,Sematech 资助 GCA 开发 KrF 步进机。然而,由于 General Signal 无法找到买家,GCA 业务于 1993 年解散。知识产权被转让给 Integrated Solutions, Inc. (ISI),后者后来于 1998 年被 Ultratech 收购。
1988 年 - Cymer 推出其第一台用于光刻的 KrF 激光器原型 CX-2LS
这款激光器也用于尼康 NSR1505EX。200Hz 重复频率,输出功率为 3W,FWHM=3pm。


1988 年 - 尼康首台 KrF 步进式光刻机 NSR-1505EX 出货

这是用于早期学习 DUV 光刻的研发工具,并未用于量产。光刻胶供应商使用该工具开发 KrF 光刻胶。NA=0.42,分辨率为 0.5μm。

1988 年 - Lambda Physik 正式进入 DUV 光源市场

Lambda 已经是一家知名的准分子激光器制造商(主要是 Xe-Cl),但其应用范围超出了半导体制造。Lambda 后来被 Coherent Inc. 收购(在 2003-2005 年期间用了两年时间完成收购),并成为 Coherent 的一个部门。

1990 年 - 佳能首台 i 线步进式光刻机 FPA-2000i1 出货。
1990 年 - Perkin Elmer 的光刻业务被硅谷集团收购

1980 年,美国供应商占据了光刻工具市场的 90%。到那时,这一份额已跌至 10%。GCA 和 Ultratech 各占 4-5% 左右,SVGL 约占 1%。他们甚至落后于最新加入者 ASML。

1990 年 - SVGL 推出业界首款步进扫描(扫描仪)工具 Micrascan

该工具由 Perkin-Elmer 开发,分辨率为 0.5μm。Sematech 投入大量资金帮助 SVGL 开发 Micrascan。然而,在 91-94 年间,它每年仅售出不到 10 台。直到 1997 年,SVGL 才能够推出第 100 台 Micrascan 系统及其第三代 Micrascan III
1991 年 - ASML 推出首台 KrF 步进式光刻机,PAS 5000/70
0.42NA。
1994 年 - 日立退出步进式光刻机业务
日立的步进式光刻机收入曾一度达到数亿美元,当时其 LD-50xx 产品线的销量超过 500 台。然而,在 1993 年,他们销售的量不到 20 台,而当年全球出货的步进式光刻机数量超过 500 台。即使失去了内部客户,日立也悄悄退出了光学步进式光刻机业务。他们的最后一款工具是 NA=0.5 的 i 线步进式光刻机。2005 年,他们也退出了 EB 直写光刻机业务。
1995 年 - 尼康推出首款步进扫描工具 NSR-S201A

世界上第一台完全基于衍射的扫描仪(因为 SVGL 是折反射式的),分辨率为 0.25μm。这实际上是业内第一台值得生产的 KrF 扫描仪,

1995 年 - Cymer 推出首款固态 PPM 供电的 KrF 激光器

在此之前,必须使用闸流管电路来提供产生光源放电所需的脉冲高压。固态开关使激光器能够以更高的重复率运行。这款激光器 ELS-4000F 以 600Hz 的频率运行,平均输出功率为 6W。

1996 年 - Advantest 推出其首款 EB 直写工具 F5120

该工具能够打印 180nm 图案。
1996 年 - SVGL 发布 Micrascan III,这是其首款基于 KrF 激光的 DUV 扫描仪
NA=0.6,分辨率=0.25μm。早期的 Micrascan 型号是灯 DUV 系统。由于其折反射设计,激光光源不必缩小线宽。基本价格为 720 万美元。英特尔、摩托罗拉和德州仪器于 1995 年向 SVG 股票共投入 3000 万美元,以加快该工具的开发。在此之前,除了 IBM 的初始资金外,Sematech 还注入了 3000 万美元更早。这是第一款接近竞争的 Micrascan 型号。由于英特尔和 IBM 是其主要客户,Micrascan III 以及随后的 IV 和 V 型号每年销售约 50 台,并让 SVGL 存活了一段时间。
1997 年 - ASML 的第一台步进扫描工具 PAS 5500/500 出货。
分辨率为 0.22μm,吞吐量为 96wph(200mm),比竞争对手快得多。
1997 年 - 佳能第一台 KrF 扫描步进机 FPA-4000ES1 出货。1997 年 - 佳能推出业界第一台 300mm KrF 步进机 FPA-3000EX3L 1998 年 - ASML 开发出其第一台 ArF 步进扫描工具 PAS 5500/900。 1998 年 - 佳能推出业界首款 300 毫米 i 线步进机 FPA-3000i5L 1999 年 - 尼康开发出首款 ArF 扫描仪 NSR-S302A。
1999 年 - 佳能首款 ArF 扫描步进机 FPA-5000AS1 出货。
2000 年 - Gigaphoton 成立,由小松和 Ushio 合资经营
小松是 DUV 光源业务的早期参与者,已经拥有 2KHz KrF 激光器,但苦于 ArF 激光器的研发成本。Ushio 是 g 线和 i 线步进机汞弧灯的领先供应商,于 1999 年开发出 4KHz ArF 激光器。两家公司注意到市场规模不足以容纳四家供应商,因此决定合作成立一家 50-50% 合资公司,专注于光刻光源。
2000 年 - ASML 推出 TWINSCAN 产品平台

2001 年 10 月,第一套系统在台积电安装。此时,ASML 的市场份额已从 1995 年的 14% 飙升至 30%。

2001 年 5 月,ASML 收购 SVG 光刻技术公司。

比最初宣布合并意向晚了六个多月。由于美国的安全问题,收购推迟了很长时间。ASML 在年底前剥离了 Tinsley Labs,以缓解担忧。2001 年 11 月,SVGL 的 Micrascan 248nm 和 193nm 工具系列停产。尽管 SVGL 目前没有做出任何实质性贡献,但此次收购使 ASML 得以渗透到英特尔。

2002 年 - ASML 实现市场份额第一

ASML 首次以 47% 的市场份额占据市场领先地位。尤其是 ASML 在韩国的实力非常强大。
2003 年 - ASML 向 IMEC 交付首款 157nm 工具,
这是 SVGL 部门的 Micrascan VII。
2004 年 - ASML 交付业界首款商用 ArF 浸没系统 XT:1250i。
2003 年 12 月,在 Semicon Japan 上宣布了这一消息。1250i 的 NA 为 0.85,可干/湿转换。该工具的首批出货时间为 2004 年 10 月,早期订单来自 IBM 和 TSMC。在此之前,ASML 在 IBM/Albany Nanotech 安装了基于 XT:1150 的实验工具,用于早期学习。后来,ASML 宣布 XT:1400i 的 NA=0.93,然后转向超 NA。
2004 年 - Lambda Physik 退出 DUV 光源市场
由于光刻市场的客户数量不足,Lambda 无法证明研发负担的合理性。由此,只有两家准分子激光器供应商幸存下来:Cymer 和 Gigaphoton。
2005 年 - 尼康推出业界首款超 NA 工具 NSR-609B
首次达到 NA>1.0(1.07),并且是首款投入商用芯片量产的浸没式工具。
2005 年 - ASML 在 Semicon West 上宣布推出其首款超 NA 工具 XT:1700i
NA=1.2,122wph。首批出货于 2006 年第一季度。
2006 年 - 尼康发布第二代浸没式工具 NSR-610C
NA=1.3,45nm 分辨率,130wph。首批出货于 2007 年 3 月。


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一个爱跳舞的半导体民工~
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