誰(shuí)發(fā)明了光刻技術(shù)？

當(dāng)我們現(xiàn)在談?wù)撚?jì)算時(shí)，我們傾向于談?wù)撥浖途帉戃浖?a target="_blank">工程師。但是，如果沒(méi)有硬件和使其得以創(chuàng)建的物理科學(xué)；光學(xué)、材料科學(xué)和機(jī)械工程等學(xué)科，我們就不會(huì)有任何進(jìn)展。正是由于這些領(lǐng)域的進(jìn)步，我們才能制造出數(shù)字世界中所有1和0所在的芯片。沒(méi)有它們，現(xiàn)代計(jì)算就不可能實(shí)現(xiàn)。

半導(dǎo)體光刻技術(shù)，即負(fù)責(zé)生產(chǎn)計(jì)算機(jī)芯片的制造工藝，有著70年的歷史淵源。它的起源故事就像今天的工藝一樣簡(jiǎn)單和復(fù)雜：該技術(shù)開(kāi)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)家把他顯微鏡中的鏡頭倒過(guò)來(lái)。

拉斯羅普于去年去世，享年 95 歲，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(qǐng)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(lái)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。

如今，光刻技術(shù)已成為一項(xiàng)容錯(cuò)率極低的大產(chǎn)業(yè)。全球領(lǐng)先的荷蘭公司 ASML 也是歐洲市值最大的科技公司。它的光刻工具依賴于世界上最平坦的鏡子、最強(qiáng)大的商用激光器之一以及比太陽(yáng)表面爆炸還高的熱度，在硅上刻出微小的形狀，尺寸僅為幾納米。這種納米級(jí)的精度反過(guò)來(lái)又使得制造具有數(shù)百億個(gè)晶體管的芯片成為可能。您可能依賴于使用這些超先進(jìn)光刻工具制造的芯片；在你的手機(jī)、你的個(gè)人電腦以及處理和存儲(chǔ)你數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)中心，都可以找到它們。

在所有制造芯片的令人難以置信的精密機(jī)器中，光刻工具是最關(guān)鍵的，也是最復(fù)雜的。它們需要數(shù)十萬(wàn)個(gè)部件和數(shù)十億美元的投資。但它們不僅是商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)和科學(xué)奇跡的主題；它們還站在控制未來(lái)計(jì)算能力的地緣政治競(jìng)爭(zhēng)的中心。計(jì)算的下一步走向?qū)⒂晒饪绦袠I(yè)的演變以及為生產(chǎn)更精確的光刻工具而進(jìn)行的努力決定。該技術(shù)的發(fā)展歷史表明，未來(lái)的任何進(jìn)步都將依賴于更復(fù)雜、更精確的機(jī)器，以及更廣泛的供應(yīng)鏈，以生產(chǎn)所需的專門部件。新的光刻系統(tǒng)和部件的開(kāi)發(fā)速度，以及哪些公司和國(guó)家能夠制造這些部件的問(wèn)題，將不僅決定計(jì)算進(jìn)步的速度，也決定科技行業(yè)內(nèi)的權(quán)力和利潤(rùn)平衡。

今天的納米級(jí)制造業(yè)起源于Lathrop的倒置顯微鏡鏡頭的想法可能看起來(lái)不靠譜。但是，光刻技術(shù)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)迅速發(fā)展。它使芯片能夠遵循摩爾定律，集成電路中的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡暝黾右槐兜牟椒ァ?/p>

Lathrop在20世紀(jì)50年代發(fā)明了這一工藝，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)使用的是真空管或晶體管，其體積大到肉眼可見(jiàn)，因此很容易制造，而不必創(chuàng)造全新的一類工具。

他并沒(méi)有試圖革新計(jì)算機(jī)；他后來(lái)回憶說(shuō)，他 “對(duì)計(jì)算機(jī)一無(wú)所知”。在20世紀(jì)50年代中期，作為美國(guó)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)一種新的近距離引信，放在直徑只有幾英寸的迫擊炮彈內(nèi)。他的引信所需的部件之一是一個(gè)晶體管，但炮彈太小，現(xiàn)有的晶體管很難裝進(jìn)去。

當(dāng)時(shí)，晶體管制造正處于早期階段。晶體管被用作收音機(jī)中的放大器，而分立晶體管開(kāi)始被用于房間大小的計(jì)算機(jī)。引信實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)有一些制造晶體管的設(shè)備，如晶體生長(zhǎng)器和擴(kuò)散爐。但即使在一個(gè)先進(jìn)的武器實(shí)驗(yàn)室，制造晶體管所需的許多材料和工具也必須從頭開(kāi)始開(kāi)發(fā)。

這些早期的晶體管是由一整塊化學(xué)元素鍺制成的，上面有不同的材料分層，所以它們類似于沙漠中的丘陵形狀。這些平頂?shù)牟牧蠅K是通過(guò)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)品，將未被覆蓋的鍺蝕掉。當(dāng)蠟被移除時(shí)，只有被覆蓋的鍺被留在后面，坐在一個(gè)金屬板上。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)大型晶體管來(lái)說(shuō)效果很好，但將其小型化幾乎是不可能的。蠟以不可預(yù)測(cè)的方式滲出，限制了可以蝕刻的鍺的精度。Lathrop和他的實(shí)驗(yàn)室伙伴Jim Nall發(fā)現(xiàn)他們?cè)诮咏欧矫娴倪M(jìn)展被溢出的蠟的缺陷所困。

Lathrop花了多年時(shí)間通過(guò)顯微鏡來(lái)使小東西看起來(lái)更大。當(dāng)他思考如何使晶體管微型化時(shí)，他和Nall想知道顛倒過(guò)來(lái)的顯微鏡光學(xué)技術(shù)是否能使大的東西，晶體管的圖案，微型化。為了找到答案，他們?cè)谝粔K鍺材料上覆蓋了一種被稱為光阻的化學(xué)品，他們從伊士曼柯達(dá)（Eastman Kodak）公司獲得了這種化學(xué)品。光會(huì)與光致抗蝕劑發(fā)生反應(yīng)，使其變硬或變?nèi)?。拉斯洛普利用這一特點(diǎn)，創(chuàng)造了一個(gè)山丘形狀的 “掩?！?，將它放在帶有倒置光學(xué)器件的顯微鏡上。穿過(guò)掩模上的小孔的光線被顯微鏡的鏡頭縮小，并投射到光阻化學(xué)品上。光線照射到的地方，化學(xué)品就會(huì)變硬。在光被掩膜阻擋的地方，它們可以被洗掉，留下一個(gè)精確的、微型的鍺面。一種制造微型晶體管的方法已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。

Lathrop將這一過(guò)程命名為光刻技術(shù)，用光進(jìn)行印刷，他和Nall申請(qǐng)了專利。他們?cè)?957年的國(guó)際電子器件年會(huì)上發(fā)表了一篇關(guān)于該主題的論文，軍隊(duì)為他的發(fā)明頒發(fā)了25，000美元的獎(jiǎng)金。Lathrop用這筆錢給他家買了一輛新的旅行車。

在冷戰(zhàn)時(shí)期，迫擊炮引信的市場(chǎng)正在增長(zhǎng)。Lathrop的光刻工藝起飛了，因?yàn)樯a(chǎn)民用電子產(chǎn)品的晶體管的公司意識(shí)到了其變革的潛力。光刻技術(shù)不僅以前所未有的精度生產(chǎn)晶體管，而且還為進(jìn)一步的微型化打開(kāi)了大門。領(lǐng)導(dǎo)商業(yè)晶體管競(jìng)賽的兩家公司，飛兆半導(dǎo)體和德州儀器很早就理解了其中的含義。光刻技術(shù)是他們制造數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的晶體管所需的工具，使它們成為大眾市場(chǎng)的商品。

用光作畫(huà)

飛兆公司的共同創(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)博士時(shí)曾與Lathrop一起學(xué)習(xí)。他們兩人在研究生階段利用周末時(shí)間徒步旅行新罕布什爾州的山脈，畢業(yè)后他們一直保持著聯(lián)系。在飛兆公司，諾伊斯迅速行動(dòng)起來(lái)，雇用了Lathrop的實(shí)驗(yàn)室伙伴Nall，并通過(guò)用他從灣區(qū)一家攝影店買來(lái)的一套20毫米的相機(jī)鏡頭拼湊自己的設(shè)備，帶頭開(kāi)展公司的光刻工作。

與此同時(shí)，Lathrop在飛兆公司的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手德州儀器公司找了一份工作，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(guò)Lathrop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。

飛兆公司和德州儀器公司在內(nèi)部制造了他們的第一臺(tái)***，但機(jī)器的日益復(fù)雜很快就吸引了新的加入者。隨著晶體管的規(guī)模從厘米到毫米再到微米的下降，精密光學(xué)器件的重要性也隨之增加。珀金·埃爾默是一家位于康涅狄格州的公司，為美國(guó)軍方生產(chǎn)從投彈燈到間諜衛(wèi)星的專業(yè)光學(xué)器件。在20世紀(jì)60年代末，它意識(shí)到這種專業(yè)知識(shí)也可以用于光刻技術(shù)。它開(kāi)發(fā)了一種掃描儀，可以將掩模圖案投射到硅晶圓上，同時(shí)以幾乎無(wú)瑕疵的精度對(duì)準(zhǔn)它們。然后，掃描儀像復(fù)印機(jī)一樣在硅片上移動(dòng)光線，在上面畫(huà)上光的線條。事實(shí)證明，這種工具能夠制造出小到一微米的晶體管。

但隨著芯片功能變得越來(lái)越小，這種方法并不實(shí)用。到 20 世紀(jì) 70 年代末，掃描儀開(kāi)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(dòng)光線的機(jī)器。步進(jìn)器面臨的挑戰(zhàn)是以微米級(jí)精度移動(dòng)光線，使每個(gè)閃光燈與芯片完美對(duì)齊。GCA 是一家總部位于波士頓的公司，據(jù)報(bào)道，它是在德州儀器高管張忠謀 （后來(lái)成為臺(tái)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(jìng)爭(zhēng)。20 世紀(jì) 80 年代，隨著日本芯片制造商開(kāi)始贏得存儲(chǔ)芯片生產(chǎn)的主要市場(chǎng)份額，他們開(kāi)始從尼康和佳能這兩家本土光刻工具生產(chǎn)商那里購(gòu)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(guó)光刻冠軍，但在競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的機(jī)器。此外，GCA未能預(yù)見(jiàn)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(guò)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Sematech（一個(gè)由政府支持的半導(dǎo)體研究機(jī)構(gòu)，旨在振興美國(guó)芯片行業(yè)）的負(fù)責(zé)人，他向GCA投入了數(shù)百萬(wàn)美元。然而，這并不足以阻止該公司急速走向崩潰。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(guó)光刻行業(yè)的衰落與該領(lǐng)域技術(shù)復(fù)雜性的巨大飛躍相吻合。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)為幾百納米，到20世紀(jì)80年代，用它來(lái)描繪最小的晶體管就顯得過(guò)于寬泛。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(lái)創(chuàng)造深紫外光，其波長(zhǎng)低至193納米。到21世紀(jì)初，在這種紫外線本身被證明是一種過(guò)于遲鈍的工具之后，人們發(fā)明了可以通過(guò)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(méi)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(kāi)始使用多重圖案化技術(shù)。

然而，早在 20 世紀(jì) 90 年代，人們就清楚需要波長(zhǎng)更小的新光源來(lái)繼續(xù)制造更小的晶體管。美國(guó)最大的芯片制造商英特爾公司領(lǐng)導(dǎo)了對(duì)極紫外光刻的早期投資，使用一種波長(zhǎng)為13.5納米的光。這對(duì)于具有大致相同尺寸的圖案形狀來(lái)說(shuō)足夠精確。但世界上僅存的光刻技術(shù)公司中，只有ASML公司有膽量將其未來(lái)押在這項(xiàng)需要三十年和數(shù)十億美元開(kāi)發(fā)的技術(shù)上。在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，許多行業(yè)專家認(rèn)為它永遠(yuǎn)不會(huì)成功。

以足夠規(guī)模生產(chǎn)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，用超高功率的二氧化碳激光器將其粉碎兩次。這將錫球爆炸成一個(gè)溫度為幾十萬(wàn)度的等離子體。等離子體發(fā)射出EUV光，然后必須用有史以來(lái)最平坦的鏡子來(lái)收集，每個(gè)鏡子由幾十個(gè)交替的、納米厚的硅和鉬層組成。這些鏡子由一套執(zhí)行器和傳感器保持幾乎完全靜止，它們的制造商說(shuō)，這些執(zhí)行器和傳感器非常精確，可以用來(lái)引導(dǎo)激光打出遠(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(guó)際供應(yīng)鏈。這種高功率激光器由一家名為 Trumpf 的德國(guó)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(guó)公司。錫球粉碎室由位于圣地亞哥的 Cymer 公司設(shè)計(jì)，后來(lái)被 ASML 直接收購(gòu)。一臺(tái)擁有數(shù)十萬(wàn)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(guò) 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(lái)制造數(shù)以百萬(wàn)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光刻技術(shù)在生產(chǎn)先進(jìn)的數(shù)據(jù)中心所需的芯片中的作用。大型人工智能系統(tǒng)通常在最先進(jìn)的芯片上進(jìn)行訓(xùn)練，這意味著它們受益于只有EUV光刻技術(shù)才能有效制造的超先進(jìn)的晶體管。這使得光刻技術(shù)成為地緣政治爭(zhēng)奪的問(wèn)題全球的計(jì)算能力取決于對(duì)一家公司生產(chǎn)的單一工具的使用，這一事實(shí)說(shuō)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。

自從Lathrop從事引信工作以來(lái)，該行業(yè)已經(jīng)走過(guò)了漫長(zhǎng)的道路。他于1968年離開(kāi)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)，離他父母當(dāng)時(shí)居住的地方不遠(yuǎn)。Lathrop在他職業(yè)生涯的剩余時(shí)間里一直在教書(shū)，盡管在20世紀(jì)70年代和80年代的夏天，他將回到TI與他的老朋友Jack Kilby一起工作，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能光伏技術(shù)的努力未獲成功。Lathrop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(duì)未來(lái)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。我們必須希望它是可行的，因?yàn)槟柖傻奈磥?lái)以及它所帶來(lái)的計(jì)算方面的進(jìn)步都取決于它。