荷蘭阿斯麥的新一代極紫外（EUV）光刻機每臺有公共汽車大小，造價 1.5 億美元。其前所未有的精度可以讓芯片上的元件尺寸在未來幾年繼續(xù)縮小。

在位于美國康涅狄格州郊區(qū)的一間大型潔凈室里，工程師們已經(jīng)開始為一臺機器制造關(guān)鍵部件，這臺機器有望讓芯片制造行業(yè)沿著摩爾定律至少再走上 10 年時間。

這臺極紫外光刻機是由荷蘭阿斯麥公司制造的。阿斯麥于 2017 年推出世界上第一臺量產(chǎn)的極紫外光刻機，在芯片制造領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，已經(jīng)被用于制造 iPhone 手機芯片以及人工智能處理器等最先進的芯片。阿斯麥正在康涅狄格州的威爾頓制造下一代極紫外光刻機的部分組件，其使用新技術(shù)來最小化紫外線波長，從而盡可能縮小所制造的芯片元件尺寸，最終提高整個芯片的性能。

新一代極紫外光刻機大約有一輛公共汽車那么大，造價 1.5 億美元。整個機器包含 10 萬個部件和 2 公里長的電纜。每臺機器發(fā)貨需要 40 個集裝箱、3 架貨機或者 20 輛卡車。只有諸如臺積電、三星和英特爾等少數(shù)公司能買得起這種機器。

“這真是一臺不可思議的機器，”麻省理工學院研究新型晶體管架構(gòu)的教授 Jesús del Alamo 說。“這絕對是一款革命性的產(chǎn)品，是一項突破，將給芯片行業(yè)帶來新的生命。”

在康涅狄格州的工廠里，工程師們將一塊巨大鋁材雕刻成框架，最終讓光罩以納米級的精度在其間移動，反射極紫外光束。這些光束利用幾面鏡子來回反射，以驚人精度反復修飾打磨，在硅片上蝕刻出只有幾十個原子大小的特征圖案。

造好的組件將于 2021 年底運往荷蘭維荷芬，然后在 2022 年初安裝到新一代極紫外光刻機的第一臺原型機中。英特爾可能會使用這種新機器制造出第一批芯片。英特爾表示，預計將在 2023 年下線第一批芯片。憑借比以往任何機器所蝕刻的圖案尺寸更小，讓每個芯片都有數(shù)百億個元件，這臺機器在未來幾年所生產(chǎn)的芯片應(yīng)該是史上處理速度最快、效率最高的。

總之，阿斯麥新一代極紫外光刻機有望延續(xù)芯片制造以及整個科技行業(yè)不斷進步的理念，繼續(xù)讓摩爾定律保持活力。

1965 年，電子工程師、英特爾創(chuàng)始人之一戈登?摩爾 (Gordon Moore) 在行業(yè)雜志《電子學》35 周年特刊上發(fā)表了一篇文章。摩爾在文章中指出，單一硅芯片上的元件數(shù)量每年大約翻一番，他預計這一趨勢將繼續(xù)下去。

十年后，摩爾將他的預計從一年改為兩年。近年來，盡管制造技術(shù)的不斷突破和芯片設(shè)計的不斷創(chuàng)新保持著這種勢頭，但摩爾定律的發(fā)展依舊受到了質(zhì)疑。

極紫外光刻機使用特殊的工程技術(shù)來縮小用于制造芯片的光波長，這應(yīng)該有助于延續(xù)摩爾定律的趨勢。這種光刻技術(shù)對于制造更先進的智能手機以及云計算機器，還有人工智能、生物技術(shù)和機器人等新興技術(shù)的發(fā)展都至關(guān)重要。“摩爾定律的消亡被過分夸大了，”Jesús del Alamo 說。“我認為這仍將持續(xù)相當長一段時間。”

喬治敦大學研究芯片制造的研究分析師威爾?亨特（Will Hunt）表示：“沒有阿斯麥的機器，就不可能制造出先進芯片。”“很多東西都要經(jīng)過年復一年的調(diào)整和試驗，而這些都是非常困難的。”

他說，極紫外光刻機的每個部件都“極其復雜，復雜得令人吃驚”。

制造芯片通常需要一些世界上最先進的工程技術(shù)。芯片最初是一個圓柱形的硅晶體，其先是被切成薄片，然后薄片再涂上一層光敏材料，反復暴露在已經(jīng)設(shè)定好圖案的光束下。沒有被光接觸的硅部分被化學反應(yīng)蝕刻掉，從而繪制出芯片元件的復雜細節(jié)。然后每塊晶片被切成許多單獨的芯片。

目前而言，不斷縮小芯片元件尺寸仍然是從一塊硅片中擠出更多計算能力的最可靠方法，因為芯片上封裝的電子元件越多，計算能力就越高。

芯片架構(gòu)和元件設(shè)計方面的許多創(chuàng)新也使摩爾定律得以延續(xù)。例如今年 5 月份，IBM 展示了一種新型晶體管，像絲帶一樣夾在硅片內(nèi)部，可以在不降低光刻分辨率的情況下將更多元件封裝到芯片中。

但是，從 20 世紀 60 年代開始，有效縮短制造芯片的光束波長有助于推動芯片元件小型化，這對芯片性能提升至關(guān)重要。先是使用可見光的機器被使用近紫外線的機器所取代，而近紫外線的機器又讓位于使用深紫外線的系統(tǒng)，以便在硅片上蝕刻出更小的圖案特征。

20 世紀 90 年代，英特爾、摩托羅拉、AMD 等公司開始合作研究極紫外線，并將其作為新一代光刻技術(shù)。阿斯麥于 1999 年加入進來，努力開發(fā)第一臺極紫外光刻機。與之前的深紫外線光刻技術(shù) (193 納米）相比，極紫外光刻技術(shù)的光束波長更短，只有 13.5 納米。

但人類解決工程上的挑戰(zhàn)花了幾十年時間。如何產(chǎn)生極紫外光本身就是一個大問題。阿斯麥的方法是將高功率激光以每秒 50000 次的速度轟擊錫滴，產(chǎn)生強度足夠高的極紫外光。普通鏡片也會吸收極紫外光，因此極紫外光刻機使用涂有特殊材料的精確鏡面代替。在阿斯麥極紫外光刻機內(nèi)部，極紫外光在穿過光罩之前會經(jīng)過幾面鏡子的反射，而光罩則以納米級的精度移動，為的是對齊硅片上的不同層。

“說實話，沒有人真的想用極紫外光，”行業(yè)研究公司 Real World Technologies 芯片分析師大衛(wèi)?坎特 (David Kanter) 說。“它比原計劃晚了 20 年，超出預算 10 倍。但如果你想制造非常致密的結(jié)構(gòu)，它是你唯一的工具。”

阿斯麥新一代極紫外光刻機采用更大的數(shù)值孔徑來進一步縮小芯片上的元件尺寸。這種方式允許光線以不同角度穿過光罩，從而增加圖案成像的分辨率。這就需要更大的鏡子和新的軟硬件來精確控制組件蝕刻。阿斯麥當前一代極紫外光刻機可以制造出分辨率為 13 納米的芯片。新一代極紫外光刻機將使用更高數(shù)值孔徑來制作 8 納米大小的特征圖案。

目前臺積電在芯片制造過程中使用的就是極紫外光刻技術(shù)。其客戶包括蘋果、英偉達和英特爾。英特爾在采用極紫外光刻技術(shù)方面進展緩慢，結(jié)果落后于競爭對手，因此最近決定將部分生產(chǎn)外包給臺積電。

阿斯麥似乎并不認為其光刻機會落后。

“我不喜歡談?wù)撃柖傻慕K結(jié)，我喜歡談?wù)撃柖傻幕孟螅卑⑺果準紫夹g(shù)官馬丁?范登?布林克 (Martin van den Brink) 表示。

范登布林克指出，摩爾 1965 年發(fā)表的那篇文章實際上更關(guān)注創(chuàng)新進程，而不僅僅是芯片元件尺寸的縮小。盡管范登布林克預計至少在未來 10 年里，高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術(shù)將繼續(xù)推動芯片行業(yè)的進步，但他認為使用光刻技術(shù)縮小芯片元件尺寸會變得沒有那么重要。

范登布林克說，阿斯麥已經(jīng)開始研究極紫外光刻的后繼技術(shù)，包括電子束和納米壓印光刻，但目前尚未發(fā)現(xiàn)任何一種技術(shù)足夠可靠，值得投入大量資金。他預測，在考慮熱穩(wěn)定性和物理干擾的同時，加快光刻機產(chǎn)量將有助于提高芯片產(chǎn)量。即使芯片速度沒有變得更快，這種方法也會讓最先進的芯片更便宜更普及。

范登布林克補充說，包括在芯片上縱向制造元件的制造技術(shù)應(yīng)該會繼續(xù)提高芯片性能。英特爾和其他公司已經(jīng)開始這樣做了。臺積電執(zhí)行董事長劉德音曾表示，未來 20 年芯片的綜合性能和效率每年能提高三倍。

主要挑戰(zhàn)在于全世界對更快芯片的需求不太可能下降。普渡大學教授馬克?倫德斯特倫 (Mark Lundstrom) 早在 20 世紀 70 年代開始在芯片行業(yè)工作，他在 2003 年為《科學》雜志撰寫了一篇文章，預言摩爾定律將在 10 年內(nèi)達到物理極限。他說：“在我的職業(yè)生涯中，我們曾多次想，‘好吧，這就結(jié)束了。’”“但在未來 10 年內(nèi)，沒有任何放緩的危險。我們只是在另辟蹊徑。”

倫德斯特羅姆還記得他第一次參加微芯片會議是在 1975 年。“有個叫戈登?摩爾的家伙在做演講，”他回憶道。“他在技術(shù)社區(qū)中很有名，但其他人都不認識他。”

“我還記得他的演講，”倫德斯特倫補充道。“摩爾說，‘我們很快就能在一塊芯片上安裝 1 萬個晶體管’。他還說，‘當一個芯片上有了 1 萬個晶體管，人們有什么不能做呢？’”