如今，當(dāng)我們談?wù)撚?jì)算時(shí)，我們傾向于談?wù)撥浖途帉懰?a target="_blank">工程師。但如果沒有硬件和物理科學(xué)（光學(xué)、材料科學(xué)和機(jī)械工程等學(xué)科），我們就不會取得任何成就。正是由于這些領(lǐng)域的進(jìn)步，我們才能制造出承載數(shù)字世界所有1和0的芯片。沒有它們，現(xiàn)代計(jì)算就不可能實(shí)現(xiàn)。

半導(dǎo)體光刻是生產(chǎn)計(jì)算機(jī)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(fù)雜：這項(xiàng)技術(shù)始于 20 世紀(jì) 50 年代中期，當(dāng)時(shí)一位名叫杰伊·拉斯羅普 (Jay Lathrop) 的物理學(xué)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(shí)驗(yàn)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(jìn)產(chǎn)生了越來越小的電路和以前難以想象的計(jì)算能力，改變了整個(gè)行業(yè)和我們的日常生活。

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

當(dāng)時(shí)，晶體管制造還處于早期階段。晶體管被用作收音機(jī)中的放大器，而分立晶體管則開始用于房間大小的計(jì)算機(jī)。引信實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)擁有一些制造晶體管的設(shè)備，例如晶體生長器和擴(kuò)散爐。但即使在先進(jìn)的武器實(shí)驗(yàn)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(xué)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(xué)物質(zhì)，蝕刻掉未被覆蓋的鍺。當(dāng)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(yù)測的方式滲出，限制了蝕刻鍺的精度。拉斯羅普和他的實(shí)驗(yàn)室伙伴吉姆·納爾發(fā)現(xiàn)，近炸引信的進(jìn)展被困在溢出的蠟的缺陷中。

拉斯羅普花了數(shù)年時(shí)間通過顯微鏡觀察，讓小東西看起來更大。當(dāng)他對如何小型化晶體管感到困惑時(shí)，他和納爾想知道翻轉(zhuǎn)顯微鏡光學(xué)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(xué)物質(zhì)覆蓋了一塊鍺材料，這種化學(xué)物質(zhì)是從相機(jī)公司伊士曼柯達(dá)那里獲得的。光與光致抗蝕劑發(fā)生反應(yīng)，使其變得更硬或更弱。拉斯羅普利用這一特性，制作了一個(gè)臺面形狀的“掩模”，將其放置在具有倒置光學(xué)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(xué)品上。光線照射到的地方，化學(xué)物質(zhì)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(gè)精確的、微型的鍺臺地。已經(jīng)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(shù)——用光進(jìn)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(shè)備會議上發(fā)表了一篇關(guān)于該主題的論文，陸軍因這項(xiàng)發(fā)明向他頒發(fā)了 25,000 美元的獎(jiǎng)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?yàn)樯a(chǎn)民用電子產(chǎn)品晶體管的公司意識到了其變革潛力。光刻技術(shù)不僅可以生產(chǎn)出具有前所未有精度的晶體管，而且還為進(jìn)一步小型化打開了大門。引領(lǐng)商用晶體管競賽的兩家公司——仙童半導(dǎo)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(shù)是他們制造數(shù)以百萬計(jì)的晶體管所需的工具，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榇蟊娛袌?a target="_blank">商品。

用光作畫

仙童半導(dǎo)體公司的聯(lián)合創(chuàng)始人之一羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）在麻省理工學(xué)院攻讀物理學(xué)博士學(xué)位時(shí)曾與拉斯羅普一起學(xué)習(xí)。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(lián)系。在 Fairchild，諾伊斯迅速聘請了 Lathrop 的實(shí)驗(yàn)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(jī)鏡頭臨時(shí)裝備了自己的設(shè)備，從而帶頭領(lǐng)導(dǎo)公司的光刻工作。

與此同時(shí)，拉斯羅普在仙童半導(dǎo)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(dá)拉斯。他到達(dá)時(shí)，他的新同事兼終生朋友杰克·基爾比（Jack Kilby）正準(zhǔn)備制造一種半導(dǎo)體材料，其中內(nèi)置或集成了多個(gè)電子元件。很快人們就發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)。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(shù)提供了小型化制造所需的精度。

仙童和德州儀器公司在內(nèi)部制造了第一臺***，但這些機(jī)器日益復(fù)雜的情況很快吸引了新的進(jìn)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(xué)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(chǎn)從炸彈瞄準(zhǔn)器到間諜衛(wèi)星等專業(yè)光學(xué)器件。20 世紀(jì) 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(shí)以幾乎完美的精度將它們對齊。然后，掃描儀像復(fù)印機(jī)一樣在晶圓上移動光線，在晶圓上繪制出光線。事實(shí)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(shí)用。到 20 世紀(jì) 70 年代末，掃描儀開始被步進(jìn)機(jī)所取代，步進(jìn)機(jī)是在晶圓上以離散步驟移動光線的機(jī)器。步進(jìn)器面臨的挑戰(zhàn)是以微米級精度移動光線，使每個(gè)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(jù)報(bào)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(shè)計(jì)了第一個(gè)步進(jìn)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(jì) 80 年代，隨著日本芯片制造商開始贏得存儲芯片生產(chǎn)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(chǎn)商那里購買產(chǎn)品。大約在同一時(shí)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(shù)被廣泛認(rèn)為是一流的，但機(jī)器本身的可靠性不如日本和荷蘭新競爭對手的機(jī)器。此外，GCA未能預(yù)見到20世紀(jì)80年代的一系列芯片行業(yè)景氣周期。它很快發(fā)現(xiàn)自己財(cái)務(wù)過度擴(kuò)張，到本世紀(jì)末，瀕臨破產(chǎn)。鮑勃·諾伊斯 (Bob Noyce) 試圖拯救這家公司；作為政府支持的半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu) Sematech 的負(fù)責(zé)人，該機(jī)構(gòu)旨在振興美國芯片行業(yè)，他向 GCA 投入了數(shù)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(jìn)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(jì) 90 年代。

一個(gè)行業(yè)的衰落

美國光刻行業(yè)的衰落與該領(lǐng)域技術(shù)復(fù)雜性的巨大飛躍同時(shí)發(fā)生。可見光——波長為幾百納米——到了 20 世紀(jì) 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(zhuǎn)向使用氟化氪和氟化氬等新化學(xué)品來產(chǎn)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(chǎn)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(shí)現(xiàn)芯片上最精細(xì)的特征之后，光刻師開始使用多重圖案化，

然而，早在 20 世紀(jì) 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(dǎo)了對極紫外 (EUV) 光刻技術(shù)的早期投資，該技術(shù)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(xiàng)需要三十年時(shí)間和數(shù)十億美元才能開發(fā)的技術(shù)上。很長一段時(shí)間，許多行業(yè)專家認(rèn)為這永遠(yuǎn)行不通。

產(chǎn)生足夠規(guī)模的 EUV 光是人類歷史上最復(fù)雜的工程挑戰(zhàn)之一。ASML 的方法需要取一個(gè) 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(dá)數(shù)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(gè)鏡子由數(shù)十個(gè)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(dǎo)激光擊打遠(yuǎn)至月球的高爾夫球。

生產(chǎn) EUV 系統(tǒng)中的專用組件需要構(gòu)建復(fù)雜的國際供應(yīng)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(chǎn)精密切割工具。這些鏡子由蔡司生產(chǎn)，蔡司是另一家在光學(xué)專業(yè)領(lǐng)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(shè)計(jì)，后來被 ASML 直接收購。一臺擁有數(shù)十萬個(gè)零部件的機(jī)器只有在多個(gè)大洲的公司參與的情況下才能生產(chǎn)，即使其組裝由一家公司壟斷。

如今，EUV 光刻工具用于生產(chǎn)手機(jī)、個(gè)人電腦和數(shù)據(jù)中心的許多關(guān)鍵芯片。典型的智能手機(jī)處理器將擁有超過 100 億個(gè)微型晶體管，每個(gè)晶體管均采用 Lathrop 首創(chuàng)的光刻工藝印刷。光刻技術(shù)已被用來制造數(shù)以百萬計(jì)的晶體管，使它們成為人類歷史上生產(chǎn)最廣泛的制成品。

然而，也許最重要的是 EUV 光刻在生產(chǎn)先進(jìn)數(shù)據(jù)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(jìn)行訓(xùn)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(jìn)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(chǎn)尖端人工智能芯片，它限制了北京獲得關(guān)鍵工具。EUV光刻系統(tǒng)是中國芯片產(chǎn)業(yè)的最大瓶頸。

全球第二大經(jīng)濟(jì)體的計(jì)算能力取決于對一家公司生產(chǎn)的單一工具的使用，這一事實(shí)說明了光刻在世界科技領(lǐng)域發(fā)揮的核心作用。該行業(yè)極其復(fù)雜——是全球光學(xué)和材料科學(xué)專家網(wǎng)絡(luò)深入研究努力以及數(shù)十億美元投資的結(jié)果。中國本土的光刻工具比尖端技術(shù)落后了好幾代，缺乏許多關(guān)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(jīng)取得了長足的進(jìn)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(xué)擔(dān)任教授，他的父親曾在那里學(xué)習(xí)過，而且離他父母當(dāng)時(shí)居住的地方不遠(yuǎn)。Lathrop 的余下職業(yè)生涯都在教學(xué)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(shù)，但沒有成功。拉斯羅普于 1988 年從克萊姆森大學(xué)退休，給數(shù)千名電氣工程專業(yè)的學(xué)生留下了深刻的印象。

與此同時(shí)，他發(fā)明的光刻工藝也在不斷進(jìn)步。幾年后，ASML 將發(fā)布其 EUV 技術(shù)的新版本，稱為高數(shù)值孔徑 EUV，該技術(shù)將實(shí)現(xiàn)更精確的光刻。對未來更加精確的工具的研究正在進(jìn)行中，但尚不清楚它是否具有實(shí)際或商業(yè)可行性。我們必須希望如此，因?yàn)槟柖傻奈磥砑捌鋷淼挠?jì)算進(jìn)步取決于它。