***的崛起

如今，当我们谈论计算时，我们倾向于谈论软件和编写它的工程师。但如果没有硬件和物理科学（光学、材料科学和机械工程等学科），我们就不会取得任何成就。正是由于这些领域的进步，我们才能制造出承载数字世界所有1和0的芯片。没有它们，现代计算就不可能实现。

半导体光刻是生产计算机芯片的制造工艺，已有 70 年的历史。它的起源故事很简单，但今天的过程却很复杂：这项技术始于 20 世纪 50 年代中期，当时一位名叫杰伊·拉斯罗普 (Jay Lathrop) 的物理学家将显微镜中的镜头倒置。

拉斯罗普于去年去世，享年 95 岁，但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。

他并不是想彻底改变计算技术；而是想彻底改变计算技术。他后来回忆说，他对计算机一无所知。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型近炸引信，以进入直径只有几英寸的迫击炮弹内。他的引信所需的组件之一是晶体管，但外壳太小，现有的晶体管很难安装在里面。

当时，晶体管制造还处于早期阶段。晶体管被用作收音机中的放大器，而分立晶体管则开始用于房间大小的计算机。引信实验室已经拥有一些制造晶体管的设备，例如晶体生长器和扩散炉。但即使在先进的武器实验室，制造它们所需的许多材料和工具也必须从头开始开发。

这些早期的晶体管由化学元素锗块制成，顶部层叠有不同的材料，因此它们类似于沙漠台面的形状。这些平顶材料块是通过首先用一滴蜡覆盖一部分锗而制成的。然后使用一种化学物质，蚀刻掉未被覆盖的锗。当蜡被去除后，只剩下它覆盖的锗，留在金属板上。该系统对于大型晶体管来说工作得足够好，但将它们小型化几乎是不可能的。蜡以不可预测的方式渗出，限制了蚀刻锗的精度。拉斯罗普和他的实验室伙伴吉姆·纳尔发现，近炸引信的进展被困在溢出的蜡的缺陷中。

拉斯罗普花了数年时间通过显微镜观察，让小东西看起来更大。当他对如何小型化晶体管感到困惑时，他和纳尔想知道翻转显微镜光学是否可以让大的东西（晶体管的图案）小型化。为了找到答案，他们用一种叫做光刻胶的化学物质覆盖了一块锗材料，这种化学物质是从相机公司伊士曼柯达那里获得的。光与光致抗蚀剂发生反应，使其变得更硬或更弱。拉斯罗普利用这一特性，制作了一个台面形状的“掩模”，将其放置在具有倒置光学器件的显微镜上。穿过掩模上的孔的光被显微镜镜头缩小并投射到光刻胶化学品上。光线照射到的地方，化学物质就会硬化。被面罩挡住光线的地方，它们可以被冲走，留下一个精确的、微型的锗台地。已经找到了一种制造微型晶体管的方法。

拉斯罗普将这一过程命名为光刻技术——用光进行印刷——他和纳尔申请了专利。他们在 1957 年的年度国际电子设备会议上发表了一篇关于该主题的论文，陆军因这项发明向他颁发了 25,000 美元的奖金。拉斯罗普用这笔钱给家人买了一辆新旅行车。

在冷战期间，迫击炮引信的市场不断增长，但拉斯罗普的光刻工艺开始腾飞，因为生产民用电子产品晶体管的公司意识到了其变革潜力。光刻技术不仅可以生产出具有前所未有精度的晶体管，而且还为进一步小型化打开了大门。引领商用晶体管竞赛的两家公司——仙童半导体公司和德州仪器公司——很早就明白了其中的含义。光刻技术是他们制造数以百万计的晶体管所需的工具，并将其转变为大众市场商品。

用光作画

仙童半导体公司的联合创始人之一罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）在麻省理工学院攻读物理学博士学位时曾与拉斯罗普一起学习。他们两人在研究生院度过了周末，去新罕布什尔州的山区徒步旅行，毕业后他们一直保持联系。在 Fairchild，诺伊斯迅速聘请了 Lathrop 的实验室合作伙伴 Nall，并用从湾区一家摄影店购买的一套 20 毫米相机镜头临时装备了自己的设备，从而带头领导公司的光刻工作。

与此同时，拉斯罗普在仙童半导体的竞争对手德州仪器公司找到了一份工作，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拉斯罗普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。

仙童和德州仪器公司在内部制造了第一台***，但这些机器日益复杂的情况很快吸引了新的进入者。随着晶体管的尺寸从厘米缩小到毫米再到微米，精密光学的重要性日益增加。珀金埃尔默是一家总部位于康涅狄格州的公司，为美国军方生产从炸弹瞄准器到间谍卫星等专业光学器件。20 世纪 60 年代末，它意识到这种专业知识也可以用于光刻。它开发了一种扫描仪，可以将掩模图案投影到硅晶圆上，同时以几乎完美的精度将它们对齐。然后，扫描仪像复印机一样在晶圆上移动光线，在晶圆上绘制出光线。事实证明，该工具能够制造小至微米（百万分之一米）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 (TI) 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；作为政府支持的半导体研究机构 Sematech 的负责人，该机构旨在振兴美国芯片行业，他向 GCA 投入了数百万美元。但这并不足以阻止该公司走向崩溃。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同时发生。可见光——波长为几百纳米——到了 20 世纪 80 年代，它的范围太广，无法用来描绘最小的晶体管。因此，该行业转向使用氟化氪和氟化氩等新化学品来产生波长低至 193 纳米的深紫外光。到了 2000 年代初，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，

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主导了对极紫外 (EUV) 光刻技术的早期投资，该技术使用波长为 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公司之一——阿斯麦公司（ASML）有勇气将自己的未来押在这项需要三十年时间和数十亿美元才能开发的技术上。很长一段时间，许多行业专家认为这永远行不通。

产生足够规模的 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，并用超高功率二氧化碳激光器将其粉碎两次。这会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，然后必须用有史以来最平坦的镜子收集这些光，每个镜子由数十个交替的纳米厚硅和钼层制成。这些镜子由一组执行器和传感器保持几乎完全静止，其制造商表示，这些执行器和传感器非常精确，可以用来引导激光击打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 光刻在生产先进数据中心所需的芯片中的作用。大型人工智能系统通常在尖端芯片上进行训练，这意味着它们受益于只有 EUV 光刻才能有效制造的超先进晶体管。这使得光刻成为地缘政治争夺的问题。随着美国试图阻止中国芯片行业生产尖端人工智能芯片，它限制了北京获得关键工具。EUV光刻系统是中国芯片产业的最大瓶颈。

全球第二大经济体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。中国本土的光刻工具比尖端技术落后了好几代，缺乏许多关键部件（如超平面镜）以及系统集成方面的专业知识。

自从拉斯罗普研究引信以来，该行业已经取得了长足的进步。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过，而且离他父母当时居住的地方不远。Lathrop 的余下职业生涯都在教学中度过，不过在 1970 年代和 1980 年代的夏天，他会回到 TI 与他的老朋友 Jack Kilby 一起开发太阳能光伏技术，但没有成功。拉斯罗普于 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。我们必须希望如此，因为摩尔定律的未来及其带来的计算进步取决于它。