ASML新一代EUV光刻機(jī)，僅三巨頭買(mǎi)得起

在位于美國(guó)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(kāi)始為一臺(tái)機(jī)器制造關(guān)鍵部件，這臺(tái)機(jī)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(shí)間。

這臺(tái)極紫外光刻機(jī)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(tái)量產(chǎn)的極紫外光刻機(jī)，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(jī)芯片以及人工智能處理器等最先進(jìn)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(jī)的部分組件，其使用新技術(shù)來(lái)最小化紫外線波長(zhǎng)，從而盡可能縮小所制造的芯片元件尺寸，最終提高整個(gè)芯片的性能。

新一代極紫外光刻機(jī)大約有一輛公共汽車那么大，造價(jià)1.5億美元。整個(gè)機(jī)器包含10萬(wàn)個(gè)部件和2公里長(zhǎng)的電纜。每臺(tái)機(jī)器發(fā)貨需要40個(gè)集裝箱、3架貨機(jī)或者20輛卡車。只有諸如臺(tái)積電、三星和英特爾等少數(shù)公司能買(mǎi)得起這種機(jī)器。

“這真是一臺(tái)不可思議的機(jī)器，”麻省理工學(xué)院研究新型晶體管架構(gòu)的教授Jesús del Alamo說(shuō)?！斑@絕對(duì)是一款革命性的產(chǎn)品，是一項(xiàng)突破，將給芯片行業(yè)帶來(lái)新的生命?！?/p>

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(jí)的精度在其間移動(dòng)，反射極紫外光束。這些光束利用幾面鏡子來(lái)回反射，以驚人精度反復(fù)修飾打磨，在硅片上蝕刻出只有幾十個(gè)原子大小的特征圖案。

造好的組件將于2021年底運(yùn)往荷蘭維荷芬，然后在2022年初安裝到新一代極紫外光刻機(jī)的第一臺(tái)原型機(jī)中。英特爾可能會(huì)使用這種新機(jī)器制造出第一批芯片。英特爾表示，預(yù)計(jì)將在2023年下線第一批芯片。憑借比以往任何機(jī)器所蝕刻的圖案尺寸更小，讓每個(gè)芯片都有數(shù)百億個(gè)元件，這臺(tái)機(jī)器在未來(lái)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(jī)有望延續(xù)芯片制造以及整個(gè)科技行業(yè)不斷進(jìn)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(xué)》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(yù)計(jì)這一趨勢(shì)將繼續(xù)下去。

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

極紫外光刻機(jī)使用特殊的工程技術(shù)來(lái)縮小用于制造芯片的光波長(zhǎng)，這應(yīng)該有助于延續(xù)摩爾定律的趨勢(shì)。這種光刻技術(shù)對(duì)于制造更先進(jìn)的智能手機(jī)以及云計(jì)算機(jī)器，還有人工智能、生物技術(shù)和機(jī)器人等新興技術(shù)的發(fā)展都至關(guān)重要?！澳柖傻南霰贿^(guò)分夸大了，”Jesús del Alamo說(shuō)?！拔艺J(rèn)為這仍將持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間?！?/p>

喬治敦大學(xué)研究芯片制造的研究分析師威爾·亨特（Will Hunt）表示：“沒(méi)有阿斯麥的機(jī)器，就不可能制造出先進(jìn)芯片。”“很多東西都要經(jīng)過(guò)年復(fù)一年的調(diào)整和試驗(yàn)，而這些都是非常困難的?！?/p>

他說(shuō)，極紫外光刻機(jī)的每個(gè)部件都“極其復(fù)雜，復(fù)雜得令人吃驚”。

制造芯片通常需要一些世界上最先進(jìn)的工程技術(shù)。芯片最初是一個(gè)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(fù)暴露在已經(jīng)設(shè)定好圖案的光束下。沒(méi)有被光接觸的硅部分被化學(xué)反應(yīng)蝕刻掉，從而繪制出芯片元件的復(fù)雜細(xì)節(jié)。然后每塊晶片被切成許多單獨(dú)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(jì)算能力的最可靠方法，因?yàn)樾酒戏庋b的電子元件越多，計(jì)算能力就越高。

芯片架構(gòu)和元件設(shè)計(jì)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(jì)60年代開(kāi)始，有效縮短制造芯片的光束波長(zhǎng)有助于推動(dòng)芯片元件小型化，這對(duì)芯片性能提升至關(guān)重要。先是使用可見(jiàn)光的機(jī)器被使用近紫外線的機(jī)器所取代，而近紫外線的機(jī)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(jì)90年代，英特爾、摩托羅拉、AMD等公司開(kāi)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(jìn)來(lái)，努力開(kāi)發(fā)第一臺(tái)極紫外光刻機(jī)。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(zhǎng)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(shí)間。如何產(chǎn)生極紫外光本身就是一個(gè)大問(wèn)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(qiáng)度足夠高的極紫外光。普通鏡片也會(huì)吸收極紫外光，因此極紫外光刻機(jī)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(jī)內(nèi)部，極紫外光在穿過(guò)光罩之前會(huì)經(jīng)過(guò)幾面鏡子的反射，而光罩則以納米級(jí)的精度移動(dòng)，為的是對(duì)齊硅片上的不同層。

“說(shuō)實(shí)話，沒(méi)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(shuō)?！八仍?jì)劃晚了20年，超出預(yù)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?！?/p>

阿斯麥新一代極紫外光刻機(jī)采用更大的數(shù)值孔徑來(lái)進(jìn)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(guò)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(lái)精確控制組件蝕刻。阿斯麥當(dāng)前一代極紫外光刻機(jī)可以制造出分辨率為13納米的芯片。新一代極紫外光刻機(jī)將使用更高數(shù)值孔徑來(lái)制作8納米大小的特征圖案。

目前臺(tái)積電在芯片制造過(guò)程中使用的就是極紫外光刻技術(shù)。其客戶包括蘋(píng)果、英偉達(dá)和英特爾。英特爾在采用極紫外光刻技術(shù)方面進(jìn)展緩慢，結(jié)果落后于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，因此最近決定將部分生產(chǎn)外包給臺(tái)積電。

阿斯麥似乎并不認(rèn)為其光刻機(jī)會(huì)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?，”阿斯麥?zhǔn)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(shí)際上更關(guān)注創(chuàng)新進(jìn)程，而不僅僅是芯片元件尺寸的縮小。盡管范登布林克預(yù)計(jì)至少在未來(lái)10年里，高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術(shù)將繼續(xù)推動(dòng)芯片行業(yè)的進(jìn)步，但他認(rèn)為使用光刻技術(shù)縮小芯片元件尺寸會(huì)變得沒(méi)有那么重要。

范登布林克說(shuō)，阿斯麥已經(jīng)開(kāi)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(yù)測(cè)，在考慮熱穩(wěn)定性和物理干擾的同時(shí)，加快光刻機(jī)產(chǎn)量將有助于提高芯片產(chǎn)量。即使芯片速度沒(méi)有變得更快，這種方法也會(huì)讓最先進(jìn)的芯片更便宜更普及。

范登布林克補(bǔ)充說(shuō)，包括在芯片上縱向制造元件的制造技術(shù)應(yīng)該會(huì)繼續(xù)提高芯片性能。英特爾和其他公司已經(jīng)開(kāi)始這樣做了。臺(tái)積電執(zhí)行董事長(zhǎng)劉德音曾表示，未來(lái)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(duì)更快芯片的需求不太可能下降。普渡大學(xué)教授馬克·倫德斯特倫(Mark Lundstrom)早在20世紀(jì)70年代開(kāi)始在芯片行業(yè)工作，他在2003年為《科學(xué)》雜志撰寫(xiě)了一篇文章，預(yù)言摩爾定律將在10年內(nèi)達(dá)到物理極限。他說(shuō)：“在我的職業(yè)生涯中，我們?cè)啻蜗?，‘好吧，這就結(jié)束了。’”“但在未來(lái)10年內(nèi)，沒(méi)有任何放緩的危險(xiǎn)。我們只是在另辟蹊徑?！?/p>

倫德斯特羅姆還記得他第一次參加微芯片會(huì)議是在1975年?！坝袀€(gè)叫戈登·摩爾的家伙在做演講，”他回憶道?！八诩夹g(shù)社區(qū)中很有名，但其他人都不認(rèn)識(shí)他。”

“我還記得他的演講，”倫德斯特倫補(bǔ)充道。“摩爾說(shuō)，‘我們很快就能在一塊芯片上安裝1萬(wàn)個(gè)晶體管’。他還說(shuō)，‘當(dāng)一個(gè)芯片上有了1萬(wàn)個(gè)晶體管，人們有什么不能做呢？’”