一文了解光刻的历史

谁发明了光刻技术？

当我们现在谈论计算时，我们倾向于谈论软件和编写软件的工程师。但是，如果没有硬件和使其得以创建的物理科学；光学、材料科学和机械工程等学科，我们就不会有任何进展。正是由于这些领域的进步，我们才能制造出数字世界中所有1和0所在的芯片。没有它们，现代计算就不可能实现。

半导体光刻技术，即负责生产计算机芯片的制造工艺，有着70年的历史渊源。它的起源故事就像今天的工艺一样简单和复杂：该技术开始于20世纪50年代中期，当时一位名叫杰伊·拉斯罗普 （Jay Lathrop） 的物理学家把他显微镜中的镜头倒过来。

拉斯罗普于去年去世，享年 95 岁，如今却很少有人记得他。但他和他的实验室伙伴于 1957 年申请专利的光刻工艺改变了世界。光刻方法的稳步改进产生了越来越小的电路和以前难以想象的计算能力，改变了整个行业和我们的日常生活。

如今，光刻技术已成为一项容错率极低的大产业。全球领先的荷兰公司 ASML 也是欧洲市值最大的科技公司。它的光刻工具依赖于世界上最平坦的镜子、最强大的商用激光器之一以及比太阳表面爆炸还高的热度，在硅上刻出微小的形状，尺寸仅为几纳米。这种纳米级的精度反过来又使得制造具有数百亿个晶体管的芯片成为可能。您可能依赖于使用这些超先进光刻工具制造的芯片；在你的手机、你的个人电脑以及处理和存储你数据的数据中心，都可以找到它们。

在所有制造芯片的令人难以置信的精密机器中，光刻工具是最关键的，也是最复杂的。它们需要数十万个部件和数十亿美元的投资。但它们不仅是商业竞争和科学奇迹的主题；它们还站在控制未来计算能力的地缘政治竞争的中心。计算的下一步走向将由光刻行业的演变以及为生产更精确的光刻工具而进行的努力决定。该技术的发展历史表明，未来的任何进步都将依赖于更复杂、更精确的机器，以及更广泛的供应链，以生产所需的专门部件。新的光刻系统和部件的开发速度，以及哪些公司和国家能够制造这些部件的问题，将不仅决定计算进步的速度，也决定科技行业内的权力和利润平衡。

今天的纳米级制造业起源于Lathrop的倒置显微镜镜头的想法可能看起来不靠谱。但是，光刻技术产业已经迅速发展。它使芯片能够遵循摩尔定律，集成电路中的晶体管数量大约每两年增加一倍的步伐。

Lathrop在20世纪50年代发明了这一工艺，当时计算机使用的是真空管或晶体管，其体积大到肉眼可见，因此很容易制造，而不必创造全新的一类工具。

他并没有试图革新计算机；他后来回忆说，他 “对计算机一无所知”。在20世纪50年代中期，作为美国陆军钻石军械引信实验室的一名工程师，他的任务是设计一种新的近距离引信，放在直径只有几英寸的迫击炮弹内。他的引信所需的部件之一是一个晶体管，但炮弹太小，现有的晶体管很难装进去。

当时，晶体管制造正处于早期阶段。晶体管被用作收音机中的放大器，而分立晶体管开始被用于房间大小的计算机。引信实验室已经有一些制造晶体管的设备，如晶体生长器和扩散炉。但即使在一个先进的武器实验室，制造晶体管所需的许多材料和工具也必须从头开始开发。

这些早期的晶体管是由一整块化学元素锗制成的，上面有不同的材料分层，所以它们类似于沙漠中的丘陵形状。这些平顶的材料块是通过首先用一滴蜡覆盖一部分锗而制成的。然后使用一种化学品，将未被覆盖的锗蚀掉。当蜡被移除时，只有被覆盖的锗被留在后面，坐在一个金属板上。这个系统对大型晶体管来说效果很好，但将其小型化几乎是不可能的。蜡以不可预测的方式渗出，限制了可以蚀刻的锗的精度。Lathrop和他的实验室伙伴Jim Nall发现他们在接近引信方面的进展被溢出的蜡的缺陷所困。

Lathrop花了多年时间通过显微镜来使小东西看起来更大。当他思考如何使晶体管微型化时，他和Nall想知道颠倒过来的显微镜光学技术是否能使大的东西，晶体管的图案，微型化。为了找到答案，他们在一块锗材料上覆盖了一种被称为光阻的化学品，他们从伊士曼柯达（Eastman Kodak）公司获得了这种化学品。光会与光致抗蚀剂发生反应，使其变硬或变弱。拉斯洛普利用这一特点，创造了一个山丘形状的 “掩模”，将它放在带有倒置光学器件的显微镜上。穿过掩模上的小孔的光线被显微镜的镜头缩小，并投射到光阻化学品上。光线照射到的地方，化学品就会变硬。在光被掩膜阻挡的地方，它们可以被洗掉，留下一个精确的、微型的锗面。一种制造微型晶体管的方法已经被发现。

Lathrop将这一过程命名为光刻技术，用光进行印刷，他和Nall申请了专利。他们在1957年的国际电子器件年会上发表了一篇关于该主题的论文，军队为他的发明颁发了25，000美元的奖金。Lathrop用这笔钱给他家买了一辆新的旅行车。

在冷战时期，迫击炮引信的市场正在增长。Lathrop的光刻工艺起飞了，因为生产民用电子产品的晶体管的公司意识到了其变革的潜力。光刻技术不仅以前所未有的精度生产晶体管，而且还为进一步的微型化打开了大门。领导商业晶体管竞赛的两家公司，飞兆半导体和德州仪器很早就理解了其中的含义。光刻技术是他们制造数以百万计的晶体管所需的工具，使它们成为大众市场的商品。

用光作画

飞兆公司的共同创始人之一罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）在麻省理工学院攻读物理学博士时曾与Lathrop一起学习。他们两人在研究生阶段利用周末时间徒步旅行新罕布什尔州的山脉，毕业后他们一直保持着联系。在飞兆公司，诺伊斯迅速行动起来，雇用了Lathrop的实验室伙伴Nall，并通过用他从湾区一家摄影店买来的一套20毫米的相机镜头拼凑自己的设备，带头开展公司的光刻工作。

与此同时，Lathrop在飞兆公司的竞争对手德州仪器公司找了一份工作，驾驶着他的新旅行车前往达拉斯。他到达时，他的新同事兼终生朋友杰克·基尔比（Jack Kilby）正准备制造一种半导体材料，其中内置或集成了多个电子元件。很快人们就发现，这些集成电路只能通过Lathrop的光刻方法才能有效地生产。随着芯片公司努力缩小晶体管以将更多晶体管装入芯片上，光刻技术提供了小型化制造所需的精度。

飞兆公司和德州仪器公司在内部制造了他们的第一台***，但机器的日益复杂很快就吸引了新的加入者。随着晶体管的规模从厘米到毫米再到微米的下降，精密光学器件的重要性也随之增加。珀金·埃尔默是一家位于康涅狄格州的公司，为美国军方生产从投弹灯到间谍卫星的专业光学器件。在20世纪60年代末，它意识到这种专业知识也可以用于光刻技术。它开发了一种扫描仪，可以将掩模图案投射到硅晶圆上，同时以几乎无瑕疵的精度对准它们。然后，扫描仪像复印机一样在硅片上移动光线，在上面画上光的线条。事实证明，这种工具能够制造出小到一微米的晶体管。

但随着芯片功能变得越来越小，这种方法并不实用。到 20 世纪 70 年代末，扫描仪开始被步进机所取代，步进机是在晶圆上以离散步骤移动光线的机器。步进器面临的挑战是以微米级精度移动光线，使每个闪光灯与芯片完美对齐。GCA 是一家总部位于波士顿的公司，据报道，它是在德州仪器高管张忠谋 （后来成为台积电的创始人） 的建议下设计了第一个步进工具。

新英格兰的专业光刻公司很快就面临着激烈的竞争。20 世纪 80 年代，随着日本芯片制造商开始赢得存储芯片生产的主要市场份额，他们开始从尼康和佳能这两家本土光刻工具生产商那里购买产品。大约在同一时间，荷兰芯片制造商飞利浦分拆了自己的光刻工具制造部门，将新公司命名为 ASML。

GCA 仍然是美国光刻冠军，但在竞争中举步维艰。它的光刻技术被广泛认为是一流的，但机器本身的可靠性不如日本和荷兰新竞争对手的机器。此外，GCA未能预见到20世纪80年代的一系列芯片行业景气周期。它很快发现自己财务过度扩张，到本世纪末，濒临破产。鲍勃-诺伊斯（Bob Noyce）试图拯救这家公司；作为Sematech（一个由政府支持的半导体研究机构，旨在振兴美国芯片行业）的负责人，他向GCA投入了数百万美元。然而，这并不足以阻止该公司急速走向崩溃。光刻行业由此进入由三家公司（两家日本公司和一家荷兰公司）定义的 20 世纪 90 年代。

一个行业的衰落

美国光刻行业的衰落与该领域技术复杂性的巨大飞跃相吻合。可见光的波长为几百纳米，到20世纪80年代，用它来描绘最小的晶体管就显得过于宽泛。因此，该行业转向使用氟化氪和氟化氩等新化学品来创造深紫外光，其波长低至193纳米。到21世纪初，在这种紫外线本身被证明是一种过于迟钝的工具之后，人们发明了可以通过水发射光的***，产生更锐利的折射角，从而提高精度。然后，在这种“浸没式”光刻被证明不足以实现芯片上最精细的特征之后，光刻师开始使用多重图案化技术。

然而，早在 20 世纪 90 年代，人们就清楚需要波长更小的新光源来继续制造更小的晶体管。美国最大的芯片制造商英特尔公司领导了对极紫外光刻的早期投资，使用一种波长为13.5纳米的光。这对于具有大致相同尺寸的图案形状来说足够精确。但世界上仅存的光刻技术公司中，只有ASML公司有胆量将其未来押在这项需要三十年和数十亿美元开发的技术上。在很长一段时间里，许多行业专家认为它永远不会成功。

以足够规模生产EUV光是人类历史上最复杂的工程挑战之一。ASML的方法需要取一个30微米宽的锡球，用超高功率的二氧化碳激光器将其粉碎两次。这将锡球爆炸成一个温度为几十万度的等离子体。等离子体发射出EUV光，然后必须用有史以来最平坦的镜子来收集，每个镜子由几十个交替的、纳米厚的硅和钼层组成。这些镜子由一套执行器和传感器保持几乎完全静止，它们的制造商说，这些执行器和传感器非常精确，可以用来引导激光打出远至月球的高尔夫球。

生产 EUV 系统中的专用组件需要构建复杂的国际供应链。这种高功率激光器由一家名为 Trumpf 的德国公司制造，该公司专门生产精密切割工具。这些镜子由蔡司生产，蔡司是另一家在光学专业领域拥有悠久历史的德国公司。锡球粉碎室由位于圣地亚哥的 Cymer 公司设计，后来被 ASML 直接收购。一台拥有数十万个零部件的机器只有在多个大洲的公司参与的情况下才能生产，即使其组装由一家公司垄断。

如今，EUV 光刻工具用于生产手机、个人电脑和数据中心的许多关键芯片。典型的智能手机处理器将拥有超过 100 亿个微型晶体管，每个晶体管均采用 Lathrop 首创的光刻工艺印刷。光刻技术已被用来制造数以百万计的晶体管，使它们成为人类历史上生产最广泛的制成品。

然而，也许最重要的是，EUV光刻技术在生产先进的数据中心所需的芯片中的作用。大型人工智能系统通常在最先进的芯片上进行训练，这意味着它们受益于只有EUV光刻技术才能有效制造的超先进的晶体管。这使得光刻技术成为地缘政治争夺的问题全球的计算能力取决于对一家公司生产的单一工具的使用，这一事实说明了光刻在世界科技领域发挥的核心作用。该行业极其复杂——是全球光学和材料科学专家网络深入研究努力以及数十亿美元投资的结果。

自从Lathrop从事引信工作以来，该行业已经走过了漫长的道路。他于1968年离开德州仪器公司，在那里工作了十年，并在克莱姆森大学担任教授，他的父亲曾在那里学习，离他父母当时居住的地方不远。Lathrop在他职业生涯的剩余时间里一直在教书，尽管在20世纪70年代和80年代的夏天，他将回到TI与他的老朋友Jack Kilby一起工作，开发太阳能光伏技术的努力未获成功。Lathrop于1988年从克莱姆森大学退休，给数千名电气工程专业的学生留下了深刻的印象。

与此同时，他发明的光刻工艺也在不断进步。几年后，ASML 将发布其 EUV 技术的新版本，称为高数值孔径 EUV，该技术将实现更精确的光刻。对未来更加精确的工具的研究正在进行中，但尚不清楚它是否具有实际或商业可行性。我们必须希望它是可行的，因为摩尔定律的未来以及它所带来的计算方面的进步都取决于它。