誰發明了光刻技術？

當我們現在談論計算時，我們傾向于談論軟件和編寫軟件的工程師。但是，如果沒有硬件和使其得以創建的物理科學；光學、材料科學和機械工程等學科，我們就不會有任何進展。正是由于這些領域的進步，我們才能制造出數字世界中所有1和0所在的芯片。沒有它們，現代計算就不可能實現。

半導體光刻技術，即負責生產計算機芯片的制造工藝，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單和復雜：該技術開始于20世紀50年代中期，當時一位名叫杰伊·拉斯羅普 （Jay Lathrop） 的物理學家把他顯微鏡中的鏡頭倒過來。

拉斯羅普于去年去世，享年 95 歲，如今卻很少有人記得他。但他和他的實驗室伙伴于 1957 年申請專利的光刻工藝改變了世界。光刻方法的穩步改進產生了越來越小的電路和以前難以想象的計算能力，改變了整個行業和我們的日常生活。

如今，光刻技術已成為一項容錯率極低的大產業。全球領先的荷蘭公司 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、最強大的商用激光器之一以及比太陽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。這種納米級的精度反過來又使得制造具有數百億個晶體管的芯片成為可能。您可能依賴于使用這些超先進光刻工具制造的芯片；在你的手機、你的個人電腦以及處理和存儲你數據的數據中心，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器中，光刻工具是最關鍵的，也是最復雜的。它們需要數十萬個部件和數十億美元的投資。但它們不僅是商業競爭和科學奇跡的主題；它們還站在控制未來計算能力的地緣政治競爭的中心。計算的下一步走向將由光刻行業的演變以及為生產更精確的光刻工具而進行的努力決定。該技術的發展歷史表明，未來的任何進步都將依賴于更復雜、更精確的機器，以及更廣泛的供應鏈，以生產所需的專門部件。新的光刻系統和部件的開發速度，以及哪些公司和國家能夠制造這些部件的問題，將不僅決定計算進步的速度，也決定科技行業內的權力和利潤平衡。

今天的納米級制造業起源于Lathrop的倒置顯微鏡鏡頭的想法可能看起來不靠譜。但是，光刻技術產業已經迅速發展。它使芯片能夠遵循摩爾定律，集成電路中的晶體管數量大約每兩年增加一倍的步伐。

Lathrop在20世紀50年代發明了這一工藝，當時計算機使用的是真空管或晶體管，其體積大到肉眼可見，因此很容易制造，而不必創造全新的一類工具。

他并沒有試圖革新計算機；他后來回憶說，他 “對計算機一無所知”。在20世紀50年代中期，作為美國陸軍鉆石軍械引信實驗室的一名工程師，他的任務是設計一種新的近距離引信，放在直徑只有幾英寸的迫擊炮彈內。他的引信所需的部件之一是一個晶體管，但炮彈太小，現有的晶體管很難裝進去。

當時，晶體管制造正處于早期階段。晶體管被用作收音機中的放大器，而分立晶體管開始被用于房間大小的計算機。引信實驗室已經有一些制造晶體管的設備，如晶體生長器和擴散爐。但即使在一個先進的武器實驗室，制造晶體管所需的許多材料和工具也必須從頭開始開發。

這些早期的晶體管是由一整塊化學元素鍺制成的，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。這些平頂的材料塊是通過首先用一滴蠟覆蓋一部分鍺而制成的。然后使用一種化學品，將未被覆蓋的鍺蝕掉。當蠟被移除時，只有被覆蓋的鍺被留在后面，坐在一個金屬板上。這個系統對大型晶體管來說效果很好，但將其小型化幾乎是不可能的。蠟以不可預測的方式滲出，限制了可以蝕刻的鍺的精度。Lathrop和他的實驗室伙伴Jim Nall發現他們在接近引信方面的進展被溢出的蠟的缺陷所困。

Lathrop花了多年時間通過顯微鏡來使小東西看起來更大。當他思考如何使晶體管微型化時，他和Nall想知道顛倒過來的顯微鏡光學技術是否能使大的東西，晶體管的圖案，微型化。為了找到答案，他們在一塊鍺材料上覆蓋了一種被稱為光阻的化學品，他們從伊士曼柯達（Eastman Kodak）公司獲得了這種化學品。光會與光致抗蝕劑發生反應，使其變硬或變弱。拉斯洛普利用這一特點，創造了一個山丘形狀的 “掩模”，將它放在帶有倒置光學器件的顯微鏡上。穿過掩模上的小孔的光線被顯微鏡的鏡頭縮小，并投射到光阻化學品上。光線照射到的地方，化學品就會變硬。在光被掩膜阻擋的地方，它們可以被洗掉，留下一個精確的、微型的鍺面。一種制造微型晶體管的方法已經被發現。

Lathrop將這一過程命名為光刻技術，用光進行印刷，他和Nall申請了專利。他們在1957年的國際電子器件年會上發表了一篇關于該主題的論文，軍隊為他的發明頒發了25，000美元的獎金。Lathrop用這筆錢給他家買了一輛新的旅行車。

在冷戰時期，迫擊炮引信的市場正在增長。Lathrop的光刻工藝起飛了，因為生產民用電子產品的晶體管的公司意識到了其變革的潛力。光刻技術不僅以前所未有的精度生產晶體管，而且還為進一步的微型化打開了大門。領導商業晶體管競賽的兩家公司，飛兆半導體和德州儀器很早就理解了其中的含義。光刻技術是他們制造數以百萬計的晶體管所需的工具，使它們成為大眾市場的商品。

用光作畫

飛兆公司的共同創始人之一羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）在麻省理工學院攻讀物理學博士時曾與Lathrop一起學習。他們兩人在研究生階段利用周末時間徒步旅行新罕布什爾州的山脈，畢業后他們一直保持著聯系。在飛兆公司，諾伊斯迅速行動起來，雇用了Lathrop的實驗室伙伴Nall，并通過用他從灣區一家攝影店買來的一套20毫米的相機鏡頭拼湊自己的設備，帶頭開展公司的光刻工作。

與此同時，Lathrop在飛兆公司的競爭對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拉斯。他到達時，他的新同事兼終生朋友杰克·基爾比（Jack Kilby）正準備制造一種半導體材料，其中內置或集成了多個電子元件。很快人們就發現，這些集成電路只能通過Lathrop的光刻方法才能有效地生產。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部制造了他們的第一臺***，但機器的日益復雜很快就吸引了新的加入者。隨著晶體管的規模從厘米到毫米再到微米的下降，精密光學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，為美國軍方生產從投彈燈到間諜衛星的專業光學器件。在20世紀60年代末，它意識到這種專業知識也可以用于光刻技術。它開發了一種掃描儀，可以將掩模圖案投射到硅晶圓上，同時以幾乎無瑕疵的精度對準它們。然后，掃描儀像復印機一樣在硅片上移動光線，在上面畫上光的線條。事實證明，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越小，這種方法并不實用。到 20 世紀 70 年代末，掃描儀開始被步進機所取代，步進機是在晶圓上以離散步驟移動光線的機器。步進器面臨的挑戰是以微米級精度移動光線，使每個閃光燈與芯片完美對齊。GCA 是一家總部位于波士頓的公司，據報道，它是在德州儀器高管張忠謀 （后來成為臺積電的創始人） 的建議下設計了第一個步進工具。

新英格蘭的專業光刻公司很快就面臨著激烈的競爭。20 世紀 80 年代，隨著日本芯片制造商開始贏得存儲芯片生產的主要市場份額，他們開始從尼康和佳能這兩家本土光刻工具生產商那里購買產品。大約在同一時間，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。它的光刻技術被廣泛認為是一流的，但機器本身的可靠性不如日本和荷蘭新競爭對手的機器。此外，GCA未能預見到20世紀80年代的一系列芯片行業景氣周期。它很快發現自己財務過度擴張，到本世紀末，瀕臨破產。鮑勃-諾伊斯（Bob Noyce）試圖拯救這家公司；作為Sematech（一個由政府支持的半導體研究機構，旨在振興美國芯片行業）的負責人，他向GCA投入了數百萬美元。然而，這并不足以阻止該公司急速走向崩潰。光刻行業由此進入由三家公司（兩家日本公司和一家荷蘭公司）定義的 20 世紀 90 年代。

一個行業的衰落

美國光刻行業的衰落與該領域技術復雜性的巨大飛躍相吻合。可見光的波長為幾百納米，到20世紀80年代，用它來描繪最小的晶體管就顯得過于寬泛。因此，該行業轉向使用氟化氪和氟化氬等新化學品來創造深紫外光，其波長低至193納米。到21世紀初，在這種紫外線本身被證明是一種過于遲鈍的工具之后，人們發明了可以通過水發射光的***，產生更銳利的折射角，從而提高精度。然后，在這種“浸沒式”光刻被證明不足以實現芯片上最精細的特征之后，光刻師開始使用多重圖案化技術。

然而，早在 20 世紀 90 年代，人們就清楚需要波長更小的新光源來繼續制造更小的晶體管。美國最大的芯片制造商英特爾公司領導了對極紫外光刻的早期投資，使用一種波長為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技術公司中，只有ASML公司有膽量將其未來押在這項需要三十年和數十億美元開發的技術上。在很長一段時間里，許多行業專家認為它永遠不會成功。

以足夠規模生產EUV光是人類歷史上最復雜的工程挑戰之一。ASML的方法需要取一個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溫度為幾十萬度的等離子體。等離子體發射出EUV光，然后必須用有史以來最平坦的鏡子來收集，每個鏡子由幾十個交替的、納米厚的硅和鉬層組成。這些鏡子由一套執行器和傳感器保持幾乎完全靜止，它們的制造商說，這些執行器和傳感器非常精確，可以用來引導激光打出遠至月球的高爾夫球。

生產 EUV 系統中的專用組件需要構建復雜的國際供應鏈。這種高功率激光器由一家名為 Trumpf 的德國公司制造，該公司專門生產精密切割工具。這些鏡子由蔡司生產，蔡司是另一家在光學專業領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 公司設計，后來被 ASML 直接收購。一臺擁有數十萬個零部件的機器只有在多個大洲的公司參與的情況下才能生產，即使其組裝由一家公司壟斷。

如今，EUV 光刻工具用于生產手機、個人電腦和數據中心的許多關鍵芯片。典型的智能手機處理器將擁有超過 100 億個微型晶體管，每個晶體管均采用 Lathrop 首創的光刻工藝印刷。光刻技術已被用來制造數以百萬計的晶體管，使它們成為人類歷史上生產最廣泛的制成品。

然而，也許最重要的是，EUV光刻技術在生產先進的數據中心所需的芯片中的作用。大型人工智能系統通常在最先進的芯片上進行訓練，這意味著它們受益于只有EUV光刻技術才能有效制造的超先進的晶體管。這使得光刻技術成為地緣政治爭奪的問題全球的計算能力取決于對一家公司生產的單一工具的使用，這一事實說明了光刻在世界科技領域發揮的核心作用。該行業極其復雜——是全球光學和材料科學專家網絡深入研究努力以及數十億美元投資的結果。

自從Lathrop從事引信工作以來，該行業已經走過了漫長的道路。他于1968年離開德州儀器公司，在那里工作了十年，并在克萊姆森大學擔任教授，他的父親曾在那里學習，離他父母當時居住的地方不遠。Lathrop在他職業生涯的剩余時間里一直在教書，盡管在20世紀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，開發太陽能光伏技術的努力未獲成功。Lathrop于1988年從克萊姆森大學退休，給數千名電氣工程專業的學生留下了深刻的印象。

與此同時，他發明的光刻工藝也在不斷進步。幾年后，ASML 將發布其 EUV 技術的新版本，稱為高數值孔徑 EUV，該技術將實現更精確的光刻。對未來更加精確的工具的研究正在進行中，但尚不清楚它是否具有實際或商業可行性。我們必須希望它是可行的，因為摩爾定律的未來以及它所帶來的計算方面的進步都取決于它。