如今，當我們談論計算時，我們傾向于談論軟件和編寫它的工程師。但如果沒有硬件和物理科學（光學、材料科學和機械工程等學科），我們就不會取得任何成就。正是由于這些領域的進步，我們才能制造出承載數字世界所有1和0的芯片。沒有它們，現代計算就不可能實現。

半導體光刻是生產計算機芯片的制造工藝，已有 70 年的歷史。它的起源故事很簡單，但今天的過程卻很復雜：這項技術始于 20 世紀 50 年代中期，當時一位名叫杰伊·拉斯羅普 (Jay Lathrop) 的物理學家將顯微鏡中的鏡頭倒置。

拉斯羅普于去年去世，享年 95 歲，但如今卻很少有人記得他。但他和他的實驗室伙伴于 1957 年申請專利的光刻工藝改變了世界。光刻方法的穩(wěn)步改進產生了越來越小的電路和以前難以想象的計算能力，改變了整個行業(yè)和我們的日常生活。

他并不是想徹底改變計算技術；而是想徹底改變計算技術。他后來回憶說，他對計算機一無所知。20 世紀 50 年代中期，作為美國陸軍鉆石軍械引信實驗室的一名工程師，他的任務是設計一種新型近炸引信，以進入直徑只有幾英寸的迫擊炮彈內。他的引信所需的組件之一是晶體管，但外殼太小，現有的晶體管很難安裝在里面。

當時，晶體管制造還處于早期階段。晶體管被用作收音機中的放大器，而分立晶體管則開始用于房間大小的計算機。引信實驗室已經擁有一些制造晶體管的設備，例如晶體生長器和擴散爐。但即使在先進的武器實驗室，制造它們所需的許多材料和工具也必須從頭開始開發(fā)。

這些早期的晶體管由化學元素鍺塊制成，頂部層疊有不同的材料，因此它們類似于沙漠臺面的形狀。這些平頂材料塊是通過首先用一滴蠟覆蓋一部分鍺而制成的。然后使用一種化學物質，蝕刻掉未被覆蓋的鍺。當蠟被去除后，只剩下它覆蓋的鍺，留在金屬板上。該系統(tǒng)對于大型晶體管來說工作得足夠好，但將它們小型化幾乎是不可能的。蠟以不可預測的方式滲出，限制了蝕刻鍺的精度。拉斯羅普和他的實驗室伙伴吉姆·納爾發(fā)現，近炸引信的進展被困在溢出的蠟的缺陷中。

拉斯羅普花了數年時間通過顯微鏡觀察，讓小東西看起來更大。當他對如何小型化晶體管感到困惑時，他和納爾想知道翻轉顯微鏡光學是否可以讓大的東西（晶體管的圖案）小型化。為了找到答案，他們用一種叫做光刻膠的化學物質覆蓋了一塊鍺材料，這種化學物質是從相機公司伊士曼柯達那里獲得的。光與光致抗蝕劑發(fā)生反應，使其變得更硬或更弱。拉斯羅普利用這一特性，制作了一個臺面形狀的“掩?！?，將其放置在具有倒置光學器件的顯微鏡上。穿過掩模上的孔的光被顯微鏡鏡頭縮小并投射到光刻膠化學品上。光線照射到的地方，化學物質就會硬化。被面罩擋住光線的地方，它們可以被沖走，留下一個精確的、微型的鍺臺地。已經找到了一種制造微型晶體管的方法。

拉斯羅普將這一過程命名為光刻技術——用光進行印刷——他和納爾申請了專利。他們在 1957 年的年度國際電子設備會議上發(fā)表了一篇關于該主題的論文，陸軍因這項發(fā)明向他頒發(fā)了 25,000 美元的獎金。拉斯羅普用這筆錢給家人買了一輛新旅行車。

在冷戰(zhàn)期間，迫擊炮引信的市場不斷增長，但拉斯羅普的光刻工藝開始騰飛，因為生產民用電子產品晶體管的公司意識到了其變革潛力。光刻技術不僅可以生產出具有前所未有精度的晶體管，而且還為進一步小型化打開了大門。引領商用晶體管競賽的兩家公司——仙童半導體公司和德州儀器公司——很早就明白了其中的含義。光刻技術是他們制造數以百萬計的晶體管所需的工具，并將其轉變?yōu)榇蟊娛袌?a target="_blank">商品。

用光作畫

仙童半導體公司的聯合創(chuàng)始人之一羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）在麻省理工學院攻讀物理學博士學位時曾與拉斯羅普一起學習。他們兩人在研究生院度過了周末，去新罕布什爾州的山區(qū)徒步旅行，畢業(yè)后他們一直保持聯系。在 Fairchild，諾伊斯迅速聘請了 Lathrop 的實驗室合作伙伴 Nall，并用從灣區(qū)一家攝影店購買的一套 20 毫米相機鏡頭臨時裝備了自己的設備，從而帶頭領導公司的光刻工作。

與此同時，拉斯羅普在仙童半導體的競爭對手德州儀器公司找到了一份工作，駕駛著他的新旅行車前往達拉斯。他到達時，他的新同事兼終生朋友杰克·基爾比（Jack Kilby）正準備制造一種半導體材料，其中內置或集成了多個電子元件。很快人們就發(fā)現，這些集成電路只能通過拉斯羅普的光刻方法才能有效地生產。隨著芯片公司努力縮小晶體管以將更多晶體管裝入芯片上，光刻技術提供了小型化制造所需的精度。

仙童和德州儀器公司在內部制造了第一臺***，但這些機器日益復雜的情況很快吸引了新的進入者。隨著晶體管的尺寸從厘米縮小到毫米再到微米，精密光學的重要性日益增加。珀金埃爾默是一家總部位于康涅狄格州的公司，為美國軍方生產從炸彈瞄準器到間諜衛(wèi)星等專業(yè)光學器件。20 世紀 60 年代末，它意識到這種專業(yè)知識也可以用于光刻。它開發(fā)了一種掃描儀，可以將掩模圖案投影到硅晶圓上，同時以幾乎完美的精度將它們對齊。然后，掃描儀像復印機一樣在晶圓上移動光線，在晶圓上繪制出光線。事實證明，該工具能夠制造小至微米（百萬分之一米）的晶體管。

但隨著芯片功能變得越來越小，這種方法并不實用。到 20 世紀 70 年代末，掃描儀開始被步進機所取代，步進機是在晶圓上以離散步驟移動光線的機器。步進器面臨的挑戰(zhàn)是以微米級精度移動光線，使每個閃光燈與芯片完美對齊。GCA 是一家總部位于波士頓的公司，據報道，它是在德州儀器 (TI) 高管張忠謀 (后來成為臺積電的創(chuàng)始人) 的建議下設計了第一個步進工具。

新英格蘭的專業(yè)光刻公司很快就面臨著激烈的競爭。20 世紀 80 年代，隨著日本芯片制造商開始贏得存儲芯片生產的主要市場份額，他們開始從尼康和佳能這兩家本土光刻工具生產商那里購買產品。大約在同一時間，荷蘭芯片制造商飛利浦分拆了自己的光刻工具制造部門，將新公司命名為 ASML。

GCA 仍然是美國光刻冠軍，但在競爭中舉步維艱。它的光刻技術被廣泛認為是一流的，但機器本身的可靠性不如日本和荷蘭新競爭對手的機器。此外，GCA未能預見到20世紀80年代的一系列芯片行業(yè)景氣周期。它很快發(fā)現自己財務過度擴張，到本世紀末，瀕臨破產。鮑勃·諾伊斯 (Bob Noyce) 試圖拯救這家公司；作為政府支持的半導體研究機構 Sematech 的負責人，該機構旨在振興美國芯片行業(yè)，他向 GCA 投入了數百萬美元。但這并不足以阻止該公司走向崩潰。光刻行業(yè)由此進入由三家公司（兩家日本公司和一家荷蘭公司）定義的 20 世紀 90 年代。

一個行業(yè)的衰落

美國光刻行業(yè)的衰落與該領域技術復雜性的巨大飛躍同時發(fā)生?？梢姽狻ㄩL為幾百納米——到了 20 世紀 80 年代，它的范圍太廣，無法用來描繪最小的晶體管。因此，該行業(yè)轉向使用氟化氪和氟化氬等新化學品來產生波長低至 193 納米的深紫外光。到了 2000 年代初，在這種紫外線本身被證明是一種過于遲鈍的工具之后，人們發(fā)明了可以通過水發(fā)射光的***，產生更銳利的折射角，從而提高精度。然后，在這種“浸沒式”光刻被證明不足以實現芯片上最精細的特征之后，光刻師開始使用多重圖案化，

然而，早在 20 世紀 90 年代，人們就清楚需要波長更小的新光源來繼續(xù)制造更小的晶體管。美國最大的芯片制造商英特爾主導了對極紫外 (EUV) 光刻技術的早期投資，該技術使用波長為 13.5 納米的光。這對于具有大致相同尺寸的圖案形狀來說足夠精確。但世界上僅存的光刻公司之一——阿斯麥公司（ASML）有勇氣將自己的未來押在這項需要三十年時間和數十億美元才能開發(fā)的技術上。很長一段時間，許多行業(yè)專家認為這永遠行不通。

產生足夠規(guī)模的 EUV 光是人類歷史上最復雜的工程挑戰(zhàn)之一。ASML 的方法需要取一個 30 微米寬的錫球，并用超高功率二氧化碳激光器將其粉碎兩次。這會將錫球爆炸成溫度高達數十萬度的等離子體。等離子體發(fā)射 EUV 光，然后必須用有史以來最平坦的鏡子收集這些光，每個鏡子由數十個交替的納米厚硅和鉬層制成。這些鏡子由一組執(zhí)行器和傳感器保持幾乎完全靜止，其制造商表示，這些執(zhí)行器和傳感器非常精確，可以用來引導激光擊打遠至月球的高爾夫球。

生產 EUV 系統(tǒng)中的專用組件需要構建復雜的國際供應鏈。這種高功率激光器由一家名為 Trumpf 的德國公司制造，該公司專門生產精密切割工具。這些鏡子由蔡司生產，蔡司是另一家在光學專業(yè)領域擁有悠久歷史的德國公司。錫球粉碎室由位于圣地亞哥的 Cymer 公司設計，后來被 ASML 直接收購。一臺擁有數十萬個零部件的機器只有在多個大洲的公司參與的情況下才能生產，即使其組裝由一家公司壟斷。

如今，EUV 光刻工具用于生產手機、個人電腦和數據中心的許多關鍵芯片。典型的智能手機處理器將擁有超過 100 億個微型晶體管，每個晶體管均采用 Lathrop 首創(chuàng)的光刻工藝印刷。光刻技術已被用來制造數以百萬計的晶體管，使它們成為人類歷史上生產最廣泛的制成品。

然而，也許最重要的是 EUV 光刻在生產先進數據中心所需的芯片中的作用。大型人工智能系統(tǒng)通常在尖端芯片上進行訓練，這意味著它們受益于只有 EUV 光刻才能有效制造的超先進晶體管。這使得光刻成為地緣政治爭奪的問題。隨著美國試圖阻止中國芯片行業(yè)生產尖端人工智能芯片，它限制了北京獲得關鍵工具。EUV光刻系統(tǒng)是中國芯片產業(yè)的最大瓶頸。

全球第二大經濟體的計算能力取決于對一家公司生產的單一工具的使用，這一事實說明了光刻在世界科技領域發(fā)揮的核心作用。該行業(yè)極其復雜——是全球光學和材料科學專家網絡深入研究努力以及數十億美元投資的結果。中國本土的光刻工具比尖端技術落后了好幾代，缺乏許多關鍵部件（如超平面鏡）以及系統(tǒng)集成方面的專業(yè)知識。

自從拉斯羅普研究引信以來，該行業(yè)已經取得了長足的進步。他于 1968 年離開德州儀器公司，在那里工作了十年，并在克萊姆森大學擔任教授，他的父親曾在那里學習過，而且離他父母當時居住的地方不遠。Lathrop 的余下職業(yè)生涯都在教學中度過，不過在 1970 年代和 1980 年代的夏天，他會回到 TI 與他的老朋友 Jack Kilby 一起開發(fā)太陽能光伏技術，但沒有成功。拉斯羅普于 1988 年從克萊姆森大學退休，給數千名電氣工程專業(yè)的學生留下了深刻的印象。

與此同時，他發(fā)明的光刻工藝也在不斷進步。幾年后，ASML 將發(fā)布其 EUV 技術的新版本，稱為高數值孔徑 EUV，該技術將實現更精確的光刻。對未來更加精確的工具的研究正在進行中，但尚不清楚它是否具有實際或商業(yè)可行性。我們必須希望如此，因為摩爾定律的未來及其帶來的計算進步取決于它。