微光刻与电子束光刻技术(北京大学暑期班讲义版)

微光刻与电子束光刻技术Micro-LithographyandE-BeamLithographyTechnologies中国科学院微电子研究所微细加工与纳米技术研究室电子束光刻技术实验室赵珉吴璇王琴朱效立史丽娜李海亮柳江李金儒汤耀科薛丽君王德强任黎明胡勇王云翔龙世兵陆晶杨清华张立辉范东升牛洁斌李新涛徐秋霞谢常青刘明陈宝钦IMECAS010-82995580；13661034296；[e-mail]本讲座同时兼顾给同学们谈谈人生感言：如何做事，如何做人，然后如何做学问。虽然就这十来个字，我们整整干了四十多年，我这一辈子就干两件事，一是微光刻，二是微纳米加工，或者说一是光掩模制造，二是电子束光刻，也就是从微米到纳米。既有一些比较漂亮的工作，也有不少刚刚涉足的领域，有我们和我们的研究生们这些年中努力的成果，还有我们正在开展的研究工作。本讲座的相应文字内容（约八万字）已作为基金委组织编写“半导体科学与技术”一书的第九章，由科学出版社出版。并于《微纳电子技术》2011年第1、2、6期“技术论坛”中做了有关新进展的综述，供参考。本讲座的内容随着时间的推移，也会在不断地更新、拓展中，谢谢大家关注。(本报告已先后在北京大学、清华大学、北航、福州大学、厦门大学、兰州大学、复旦大学、上海交大、北方交大、北工大、吉林大学、长春理工、德州学院、宁波大学；中国科学院物理所、半导体所、电工所、上海微系统所、成都光电所、长春光机所等高等院校和科研院所研究生做过讲座，相近的内容前几年曾由物理所研究生们贴在网上，有兴趣也可以在网上Google“微光刻与微纳米加工技术;中国科学院微电子研究所;陈宝钦”了解情况。我的学生还在网上发现我有一位“粉丝”叫“涛声依旧”，谢谢您！)。最近在北京大学暑期班中的讲座内容已被“超星视频”录入，并预约再做一个系列的视频节目。北京大学2012年“硅基光电子技术及应用”暑期学校讲座(2012-06)四十年前后五十载结缘七十季春秋194219491955195819601966196819701985200320072010出生农民小学初中高中北京大学物理系半导体3174中国科学院半导体研究所微电子中心微电子所退休发挥余热晶体管诞生集成电路诞生半导体专门化SSIMSILSI1K4KVLSI16K64K1M超大ULSI特大GLSI巨大第一个矿石收音机100um10um1um0.5um0.35nm0.18um90nm22nm10nm5nm手工手术刀显微镜照相机1”劳动牌超微粒干版2”手摇半自动铬版4”计算机辅助电子束制版直写8nm。-2nm电子束斑18”无掩模传承沉淀责任坚持1963年与环卫工人劳动模范时传祥一块背粪便的照片社会分工有不同，一个人能力有大小，只要咱们脚踏实地地努力搞好本职工作，就会对国家有贡献，就会成为社会有用的人才。做好每一件简单的事，就是不简单；做好每一件平凡的事，就是不平凡。中国科学院微电子研究所邻近区域全景北辰西路北土城西路3号中国科学院微电子研究所国家奥林匹克公园鸟巢水立方民族园亚运村办公楼实验楼国家奥林匹克森林公园郭沫若老院长曾经说过：“有了109厂，中国就（开始）有半导体事业了”1958年，因研制“两弹一星”和高频晶体管计算机(109机），微电子研究所的前身中国科学院109厂应运而生，并先后为我国第一台锗晶体管计算机研制出合格的半导体晶体管；为我国第一台硅晶体管计算机研究生产了硅平面晶体管，提供了半导体器件；为我国第一颗人造卫星“东方红”一号提供了半导体晶体管；为我国首台1000万次/秒的晶体管计算机承担全部集成电路的研制生产任务。在几十年的变革与发展历史中，微电子研究所承担并完成了上百项国家科研任务，取得了丰硕的成果，为中国微电子技术的进步作出了重要贡献。前后工艺线中国科学院应用物理研究所《1950=中央研究院+北平研究院物理所中国科学院半导体研究所1960-中国科学院109厂1958-1985196019601958中国科学院微电子中心1986-2003一线一组一室一人一厂一室集成电路工艺研究室二室集成电路设计研究室三室微细加工技术研究室中国科学院微电子研究所2003-2007-2009-2010一室硅基器件与集成技术研究室二室专用集成电路与系统研究室三室微细加工与纳米技术研究室四室微波器件与集成电路研究室五室通信与多媒体SOC研究室六室电子系统总体技术研究室七室电子设计平台与共性研究室八室微电子设备技术研究室九室系统封装技术研究室十室集成电路先导技术研究室中国科学院EDA中心光掩模制造技术服务平台；电子束光刻技术公共平台管理部门所办公室科技处人教处党办信息财务处资产处支撑部门动力站公司研究生与流动研究人员国防科工委1424研究所京字129部队196519671975十一室射频集成电路设研究室自然界尺度与微光刻—长度宏观太空探索领域中观人类活动制造领域微观世界研究领域微纳加工开发领域hmHectometredamDecametredmdecimetrecmcentimetre米1mEmExametrePmPetametreTmTerametreGmGigametrMmMegametreKmKilometremmetremmmillimetreµmmicrometrenmnanometrepmpicometrefmfemtometreÅAngstrom毫米10-3m微米10-6m纳米10-9m皮米10-12m飞米10-15m千米103m兆米106m吉米109m太米1012m拍米1015m艾米1018m10-10微埃10-16µÅmicro-Angstrom光年0.94605＊1016m人类以人体尺度为长度基本单位毛发尺度10-4m微光刻技术加工尺度秒差距3.0857＊1016m阿米10-18mamattometre原子尺度核外电子分布半径Å最短的距离单位：普朗克量子长度10-35m天体物理地球物理高能粒子物理介观物理物理学研究对象的空间尺度跨越60多个长度尺寸的数量级银河系1021m;哈勃半径1026～1027m超星系1024m最近恒星距离1018m;太阳系1012m生物物理细胞/分子尺度µm-10µm核物理大气物理经典物理固体物理人类探索太空的尺度渺微纤沙尘埃漠逡巡溟清须净忽丝毫厘分米十百千萬百萬京垓8844.43m天文单位1.4959787＊1011m地球直径1.275628＊107m;宇宙半径1025m光分距离1.80＊1010m太阳地球平均距离光秒距离0.2997924＊109m经典电子半径2.817938＊10-15m光学显微镜可分辨200nm扫描隧道电子显微镜分辨极限0.001nm原子力显微镜可分辨0.01nm激光干涉引力波测量精度10-19m扫描电子显微镜分辨2nmC600.4-0.7nm秭泽米1021m兆亿尧米1024m1028m穰1032m溝萬十等：億兆京垓秭穰溝澗正載下數:10^510^610^710^810^910^1010^1110^1210^1310^14萬進:10^810^1210^1610^2010^2410^2810^3210^3610^4010^44中數:10^810^1610^2410^3210^4010^4810^5610^6410^7210^80上數:10^810^1610^3210^6410^12810^25610^51210^102410^204810^4096《五經算術》：按黃帝為法，數有十等。及其用也，乃有三焉。十等者，謂「億、兆、京、垓、秭、穰、溝、澗、正、載」也。三數者，謂「上、中、下」也。其下數者，十十變之。若言十萬曰億，十億曰兆，十兆曰京也。中數者，萬萬變之。若言萬萬曰億，萬萬億曰兆，萬萬兆曰京也。上數者，數窮則變。若言萬萬曰億，億億曰兆、兆兆曰京也。中国古代对无穷大数的数量级的处理十等：億兆京垓秭穰溝澗正載下數：十十變之，後者為前者十(10^1)倍。（十进制）萬進：後者為前者萬(10^4)倍。（萬進制）中數：萬萬變之，後者為前者萬萬倍(10^8）。（萬萬進制）上數：數窮則變，數到不能數了才換下一等单位，後者的数值為前者之平方。兆=10^12即一萬个億的概念：假如人工数数，按每分钟数200个数字，每小时就是12000个，每天288000个，每年就是105120000个（一亿零五百一十二万个），数完一兆，需九千五百多年现代物理学基本单位是10的三次方进位，而计算机行业存储一个字符所用的最小单位是8位二进制，不是1000倍数而是1024倍。例如：8bit(位)=1Byte(字节)、1024Byte(字节)=1KB、1024KB=1MB、1024MB=1GB、1024GB=1TB中国古代常用万进制；现代物理学常用千进制；计算机学常用1024bit进制10^01一10^-1ddeci分10^-2ccenti厘(釐)10^-3mmilli毫(毛)10^-4絲10^-5忽10^-6µmicro微/ppm10^-7纖10^-8沙10^-9nnano塵/纳/奈10^-10Å埃10^-11渺10^-12ppico漠/皮10^-13逡10^-14电子半径巡10^-15ffemto溟/飞/飛10^-16µÅ清(微埃）10^-17须10^-18aatto净/阿10^-21zzepto仄/介10^-24yyocto幺/攸10^-35普朗克量子长度10^22百垓10^21Zzetta百垓/澤/皆10^20垓10^19千京10^18Eexa百京/艾10^17十京10^16光年京/億億/經10^15Ppeta千兆/拍10^14百兆/下數載10^13太阳系▼十兆10^12Ttera兆/萬億/太10^11千億10^10百億10^9Ggiga十億/吉10^8億/萬萬10^7千萬/下數京10^6Mmega百萬/下數兆10^5十萬/下數億10^4萬10^3kkilo千10^2hhecta百10^1dadeca十10^4096平方進制上數載10^80萬萬進制中數載10^72一萬个無量/大數10^68唐朝时期無量10^67千不可思議10^66百不可思議10^65十不可思議10^64不可思議10^60那由他10^56阿僧祇10^52無量寿经恒河沙10^48無限大極10^44萬進制載10^40正10^36澗10^32溝10^28穰10^27哈勃半径千秭/四10^26百秭10^25宇宙半径十秭10^24Yyotta秭/杼/堯/佑10^23千垓中国古代表示数量的单位十进制与萬进制东汉时期《数术记遗》考银河系▼1947年贝尔实验室发明世界第一只点接触晶体管1957atTexasInstruments–JackKilbyBardeenandWalterBrattain;BellLabs1947第一个平面集成电路1961atFairchild–RobertNoyce这才是采用硅基平面双极型集成电路（不是单个器件）制造中光刻工艺技术的开始!仙童半导体第一只商品化原始平面晶体管1959年研制成功1952年世界上第一次提出利用光刻工艺制造平面集成电路的设想达默早在1952年就指出，由半导体构成的晶体管，可以把它们组装在一块平板上而去掉之间的连线。半导体材料的硅占地壳中所有元素含量的四分之一OSiAlFeCaNaMgKHTiCCl地球上应该有92种元素、天然产物中有90种、最轻的是原子序数为1的氢、最重的是原子序数为92的铀；另外发现超铀元素：93鎿、94钚、95镅、96锔、97锫、98锎、99釾、100钲氧、硅、铝、铁、钙五种元素占90.03%氧、硅、铝、铁、钙、钠钾镁氢钛碳氯十二种元素占99.29%元素半导体：是由单一元素制成的半导体材料。主要有硅、锗、硒、硼、碲、锑等以硅、锗应用最广。化合物半导体：二元系化合物半导体：Ⅲ-Ⅴ族（如砷化镓、磷化镓、磷化铟等）；Ⅱ-Ⅵ族（如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等）；Ⅳ-Ⅵ族（如硫化铅、硒化铅等）；Ⅳ-Ⅳ族（如碳化硅）化合物。三元系和多元系化合物半导体：主要为三元和多元固溶体：如镓铝砷、镓锗砷磷等固溶体。还有：Ⅰ－Ⅶ族化合物；Ⅴ-Ⅵ族化合物的温