晶片戰爭-63：光刻工藝技術誕生，從照相雕版到光刻
照相製版進步在哪裡
晶片戰爭-63：光刻工藝技術誕生，從照相雕版到光刻
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2020-04-05
中國半導體產業的思考—隨筆之《晶片戰爭——亮劍！國運之戰》
晶片戰爭63—光刻工藝技術誕生，從照相雕版到光刻
（曙光初現，1960-1964年）
從照相雕版/蝕刻（
Photoengraving
）到光刻（
Photolithography
），陸軍金剛石彈藥引信實驗室JayLathrop和James Nall、貝爾實驗室Jules Andrus和Walter L Bond發展光刻工藝。
正文：
第三章
曙光初現第四節：光刻工藝技術誕生，從從照相雕版到光刻
下面，我們再來看看今天享譽半導體產業界大名鼎鼎的光刻技術的最初的發展過程。 貝爾實驗室的科學家
卡爾.弗洛希（CarlFrosch）
和
林肯.德里克（Lincoln Derick）
將他們的工作寫成了一篇論文《矽擴散的表面保護和選擇性遮蔽》。
在論文中，卡爾。弗洛希和林肯。德里克描述了一種全新的關鍵技術：在矽的表面生成一層凝聚態氧化膜，在其上面蝕刻出一個視窗圖形，使得雜質原子只能夠從視窗擴散到矽襯底中去，而把有氧化膜的矽保護起來。這篇論文後被髮表在1957年9月份的《電化學學會（J。Eletrochem。Soc。）》雜誌上。
隨後，1955年，貝爾實驗室的
朱爾斯.安德魯斯（JulesAndrus）
和
沃爾特.L.邦德（Walter L Bond）
開始採用現有的光刻（也稱為照相製版）技術並應用在印刷電路板上進行圖案的製作，他們在卡爾。弗洛希（Carl Frosch）和林肯。德里克（Lincoln Derick）的論文中所論述矽片的氧化膜層—二氧化矽上製作出了更加精細、更加複雜的電路設計。
Jules Andrus（朱爾斯。安德魯斯）和沃爾特。L。邦德（William LBond），從1955年到1957年，兩人共同合作將用於製造印刷電路的光刻技術應用於
矽加工
。在這種方法中，在二氧化矽氧化層上首先塗上或者沉積了一層“感光塗層”或“光致抗蝕劑”，這種光活性化學物質在照相過程中用於在層中確定精確的視窗，透過該視窗雜質可以擴散到下面的矽襯底中，從而在那裡建立所需的電效能。
透過光學掩模將所期望的圖案暴露在該塗層上，並且在塗層中精確確定了所需要的視窗區域，最後透過化學蝕刻進行最後的工作—“視窗”的製成，其中未曝光的抗蝕劑同時被去除之。最後，所需要的雜質透過這些“視窗”擴散到下面的矽襯底中，並最終建立起半導體器件所需要的n型和p型矽的區域——N區和P區。隨後在1964年，Jules Andrus（朱爾斯。安德魯斯）和沃爾特。L。邦德（William L Bond）申請並獲得了這項技術的專利。 1956年，貝爾實驗室在第三次半導體電晶體技術分享交流會議上，正式公佈了光刻、擴散技術和氧化層掩膜技術——這就是
第三份“瑪貝爾食譜”
。
圖：1956年第三份“瑪貝爾的食譜”，貝爾實驗室第三次半導體電晶體技術交流分享
在第三份“瑪貝爾的食譜”中，其中就完整的公佈了貝爾實驗室的朱爾斯。安德魯斯（Jules Andrus）和沃爾特。L。邦德（Walter L Bond）的“
光刻工藝技術
”—
Photoengraving in Transistor Fabrication（晶體管制造中的光刻工藝）
。需要說明的是，當時，還沒有“光刻”這一名詞，當時正確的學名應該叫做
“照相雕版（Photoengraving）”或者叫“蝕刻”
。
圖：貝爾實驗室關於“光刻”工藝技術的文章1
光刻，就是把晶片製作所需要的線路與功能區製造出來。利用光刻機發出的光透過具有圖形的光罩對塗有光刻膠的晶圓曝光，光刻膠見光後會發生性質變化，從而使光罩上得圖形“影印”到晶圓上，進而使得晶圓具有電子線路圖的作用。
圖：貝爾實驗室關於“光刻”工藝技術的文章2
這就是光刻的作用，類似照相機照相。照相機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。
圖：貝爾實驗室關於“光刻”工藝技術的文章3
光刻技術，是一種精密的微細加工技術。常規光刻技術是採用波長為2000～4500埃的紫外光作為影象資訊載體，以光致抗蝕劑為中間（影象記錄）媒介實現圖形的變換、轉移和處理，最終把影象資訊傳遞到晶圓（主要指矽片）或介質層上的一種工藝技術。
圖：貝爾實驗室關於“光刻”工藝技術的文章4
在廣義上，光刻包括光復印和刻蝕工藝兩個主要方面：
第一是，
光復印工藝
：經曝光系統將預製在掩模版上的器件或電路圖形按所要求的位置，精確傳遞到預塗在晶圓表面或介質層上的光致抗蝕劑薄層上。
第二是，
刻蝕工藝
：利用化學或物理方法，將抗蝕劑薄層未掩蔽的晶圓表面或介質層除去，從而在晶圓表面或介質層上獲得與抗蝕劑薄層圖形完全一致的圖形。積體電路各功能層是立體重疊的，因而光刻工藝總是多次反覆進行。例如，大規模積體電路要經過約10次以上的光刻才能完成各層圖形的全部傳遞。
圖：貝爾實驗室關於“光刻”工藝技術的文章5
而光刻技術在狹義上，光刻工藝僅指“光復印工藝”。
1957年，
傑伊.拉特羅普（Jay Lathrop）和詹姆斯.納爾（James Nall）
在貝爾實驗室研究成果的基礎上更進一步推進和發展了光刻技術。 但是實際上，他們兩人在更早之前就開始對光刻技術的工作進行了研究，1957年，他們發表了第一篇關於在晶體管制造中使用照相技術的論文，並創造了
“光刻（Photolithography）”
一詞來描述這一過程。
馬里蘭州，美國陸軍金剛石彈藥引信實驗室，傑伊。拉特羅普（Jay Lathrop）和詹姆斯。納爾（James Nall）開始嘗試進行電子線路小型化的工作，最終他們在一片陶瓷基板上，採用光刻技術形成了一條沉積約為200微米寬的薄膜金屬線條，並將分立電晶體之間進行電路連線。這一技術隨後被申請了專利，
專利號為US289039
5，1959年獲得專利批准。
圖：Jay Lathrop和James Nall提出的光刻工藝技術，並申請專利，圖1
圖：Jay Lathrop和James Nall提出的光刻工藝技術，並申請專利，圖2
當時的
美國國家標準局（NBS，後更名為美國陸軍的金剛石彈藥引信實驗室DOFL）
進行了一項計劃，以開發一種新的方法，並可以輕鬆整合到小型電子電路中。 從1952年開始，傑伊。拉特羅普（Jay Lathrop）和詹姆斯。納爾（James Nall）開始使用光刻膠來製作鍺電晶體。他們透過特殊改良的三目顯微鏡投射光線，並最終獲得了一種鍺電晶體，這種電晶體可以輕鬆的整合到小型化的電晶體—陶瓷的混合電路中。
1958-1959年，傑伊。拉特羅普（JayLathrop）和詹姆斯。納爾（James Nall）將他們的發現發表了論文，並在論文中，錯誤的使用了一個詞“
Photolithography”
。傑伊。拉特羅普（Jay Lathrop）曾經如此說道：“實際上的操作是
Involved Etching
，而不是
Lithography
”。有趣的是，Photolithography似乎更加具有魅力，從此獲得了產業界的廣泛認同。這就是光刻（Photolithography）一詞的由來。 傑伊。拉特羅普（Jay Lathrop）和詹姆斯。納爾（James Nall）還採用這一技術，在二氧化矽中蝕刻出了空穴，並最終成功研製出了二極體陣列。這兩個牛bi的科學家，曾經一個戰壕裡面的戰友，最後卻是“拔刀相向”。
1959年，傑伊。拉特羅普（Jay Lathrop）去了德州儀器，為傑克。基爾比工作。而，詹姆斯。納爾（James Nall）去了快捷半導體公司，為羅伯特。諾伊斯工作。有時候，不得不感慨，命運就是這麼神奇。
JayLathrop（傑伊.拉特羅普）
，1927年出生於美國馬薩諸塞州的班戈，在緬因州的奧羅諾長大。他獲得了麻省理工學院的理學學士、理學碩士和博士學位。1952年，他加入了美國國家標準局，也就是後來的美國陸軍的金剛石彈藥引信實驗室。在那裡，他和詹姆斯。納爾一起為國防部研究固態電路的微型化。
1958年，傑伊。拉特羅普加入德克薩斯州達拉斯的德州儀器公司，在那裡他與積體電路的發明者—傑克。基爾比一起研究固態電路（積體電路）。1968年，他以電氣工程教授的身份加入克萊姆森大學。上世紀70年代，他與傑克。基爾比共同發明了太陽能化學轉換系統。
JamesNall（詹姆斯.納爾）
，大學畢業後，在美國國家標準局（也叫作哈里鑽石實驗室，還有被稱為DOFL-鑽石軍械熔絲實驗室），詹姆斯。納爾與傑伊。拉特羅普合作，為國防部實現固態電路的微型化。1959年，詹姆斯。納爾加入了矽谷山景城的快捷半導體公司，他在Jay Last（拉斯特）領導的團隊中工作，該團隊開發了平面積體電路的微邏輯家族。基於他在DOFL光刻技術方面的開創性經驗，納爾為該專案做出了重要貢獻，包括對掩模對準裝置的步進和重複控制進行了重大改進。
1962年，他與快捷半導體的同事D。斯皮特豪斯（D。Spittlehouse）共同建立了Molector公司。 無論是美國陸軍金剛石彈藥引信實驗室的傑伊。拉特羅普（Jay Lathrop）和詹姆斯。納爾（James Nall），還是貝爾實驗室的朱爾斯。安德魯斯（Jules Andrus）和沃爾特。L。邦德（Walter L Bond），他們的有效工作極大的推進了光刻工藝技術的向前發展。
圖：光刻工藝流程
到了積體電路時代，光刻技術更是取得了更進一步的發展，最終奠定了後來的平面工藝技術。 從照相雕版（
Photoengraving
）到光刻（
Photolithography
）工藝技術的誕生、演進，有力的推動了全球半導體工業的歷史發展；光刻工藝技術在全球半導體矽週期的歷史長河中寫下了濃重的一筆。
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