当下，我们在谈论计算时，通常会聚焦于软件以及编写软件的工程师。然而，没有硬件和物理科学的贡献，计算领域将一事无成。正是光学、材料科学和机械工程等学科的进步使得我们能够制造出承载数字世界中所有1和0的芯片。
在所有制造芯片的精确机器中，光刻工具是最关键和最复杂的。它们需要数十万个组件和数十亿美元的投资。发展至今，光刻技术已不光是商业竞争对象和科学奇迹，它们还处于一场地缘政治竞争的中心，关乎对未来计算能力的控制权。
图：杰伊·拉斯罗普
图源：《麻省理工科技评论》
光刻机的发明
半导体光刻技术的发明，可追溯到70年前。当时计算机使用的是真空管或晶体管，它们体积庞大到肉眼可见，因此制造起来相对容易，无需创造全新的工具类别。
作为20世纪50年代中期美国陆军钻石炮弹引信实验室的工程师，物理学家杰伊·拉斯罗普的任务是设计一个可以放入直径只有几英寸的迫击炮引信的新型引信。这个引信需要一个晶体管组件，但由于炮弹体积非常小，现有的晶体管很难适应其中。
当时，晶体管的制造处于早期阶段，它们由一块化学元素锗上面覆盖不同材料层构成，在制作时，首先在锗上覆盖一滴蜡，然后涂上一种化学物质，它会腐蚀掉没有被覆盖的锗部分。当蜡被去除时，只有被蜡覆盖的锗留在金属板上。这个系统对于大型晶体管来说运作良好，但要使其微型化几乎不可能。
拉斯罗普花了多年时间研究，后来他们使用一种叫做光刻胶的化学物质覆盖在一块锗材料上，这种物质是从照相机公司柯达获得的，光与光刻胶相互作用，会使其变得更坚硬或更脆弱。
拉斯罗普利用了这个特性，制作了一个锥形的“光刻版”，并将其放置在倒置的显微镜上。光通过光刻版上的孔洞后，经过显微镜的透镜缩小，并投射到光刻胶上。光照射的地方，化学物质变得硬化。光被光刻版阻挡的地方，化学物质可以被洗去，留下一个精确的、微型化的锥形锗结构。
拉斯罗普将这一过程命名为光刻术——用光进行印刷，并与纳尔一起申请了专利。他们在1957年的年度国际电子器件会议上提交了一篇关于该主题的论文，并因此发明获得了美国陆军授予的2.5万美元奖金。
早期的推动者们
在冷战期间，迫击炮引信市场正在增长，但是拉斯罗普的光刻技术得以普及，是因为生产民用电子产品的公司意识到了其具有变革性的潜力。光刻术不仅能以前所未有的精度制造晶体管，还为进一步微型化打开了大门。领导商业晶体管竞赛的两家公司——仙童半导体和德州仪器——早早就意识到了其中的影响。
罗伯特·诺伊斯是仙童半导体的联合创始人之一，在麻省理工学院时与拉斯罗普一同作为物理学博士生进行学习。在仙童半导体，诺伊斯迅速决定聘用拉斯罗普的实验室伙伴纳尔，并通过自制设备，带领公司推进光刻技术的发展。
与此同时，拉斯罗普接受了仙童半导体的竞争对手德州仪器的一份工作。芯片公司们都在努力将晶体管缩小，以便将更多晶体管集成到芯片中，而光刻术提供了微型制造所需的精确性。
仙童半导体和德州仪器最初在内部制造了他们的第一台光刻机，但是机器的日益复杂很快吸引了新的进入者。随着晶体管的尺寸从厘米级下降到毫米级和微米级，光学精度的重要性也逐渐增加。佩金埃尔默是一家位于康涅狄格州的公司，在20世纪60年代末，该公司意识到这种专业知识也可以用于光刻术。他们开发了一种扫描仪，可以将掩膜图案投影到硅晶片上，扫描仪像复印机一样在晶片上移动光线，以光线的形式进行绘制。
图：罗伯特·诺伊斯在仙童半导体公司的办公室里拿着半导体图表。
图源：《麻省理工科技评论》
然而，随着芯片特征变得更小，这种方法变得不实用。到了20世纪70年代末，扫描仪开始被步进式曝光机所取代，这种机器可以将光以离散的步进方式移动到晶片上。步进式曝光机的挑战在于以微米级精确度移动光线，以确保每个闪光都与芯片完美对齐。
新英格兰的专业光刻公司很快面临激烈的竞争。在20世纪80年代，随着日本芯片制造商在存储芯片生产方面获得了重要市场份额，他们开始购买日本国内的两家光刻设备制造商尼康和佳能的产品。与此同时，荷兰芯片制造商飞利浦剥离出了自己的光刻设备制造部门，成立了名为ASML的新公司。
GCA作为美国的光刻领军企业，难以应对竞争压力。尽管其光刻技术被广泛认为是一流的，但其设备相比新日本和荷兰竞争对手的设备可靠性较差。到了20世纪90年代，光刻行业由两家日本公司和一家荷兰公司主导。
一个行业的衰落
美国光刻工业的衰落与该领域技术复杂性的戏剧性飞跃不谋而合。到20世纪80年代，波长为数百纳米的可见光对于绘制最小的晶体管来说太宽了。因此，该行业转向使用氟化氪和氟化氩等新化学物质来产生波长低至193纳米的深紫外光。到21世纪初，在这种紫外线本身被证明是一种过于钝的工具后，光刻机被发明出来，可以在水中拍摄光线，产生更尖锐的折射角，从而实现更高的精度。然后，在这种“浸入式”光刻被证明不足以实现芯片上最精细的功能后，光刻师开始使用多重图案化，在一层层的基础上应用多层光刻，在硅上产生更精确的图案。
在20世纪90年代，美国最大的芯片制造商英特尔领导了对极紫外光刻的早期投资，该光刻使用了一种波长为13.5纳米的光。这足够精确，可以用大致相等的尺寸来塑造形状。但在世界上仅存的光刻机公司中，只有ASML有勇气将自己的未来押在这项技术上。
为了生产足够的规模的EUV光，ASML的方法需要取一个30微米宽的锡球，用超高功率二氧化碳激光器将其粉碎两次。这将锡球爆炸成温度高达数十万度的等离子体。等离子体发射EUV光，然后用最平坦的反射镜收集。如今，EUV光刻工具被用于生产手机、PC和数据中心的许多关键芯片。
本文节选自《麻省理工科技评论》，内容有删改。
作者：克里斯·米勒
原文标题：Lithography’s long journey
继续阅读
阅读原文