阿斯麦新一代EUV光刻机:让芯片在现基础上继续缩小

9月2日，阿斯麦新一代EUV光刻机正式开始制造。阿斯麦是一家技术非常先进的荷兰科技公司，在光刻机技术上有着国际领先的水平。这次的新机器整体的一台大小有一辆公交车那么大，但是它却可以实现将芯片进行更小体积的缩小。甚至可以突破5nm，可以说真的太强了。

在位于美国康涅狄格州郊区的一间大型洁净室里，工程师们已经开始为一台机器制造关键部件，这台机器有望让芯片制造行业沿着摩尔定律至少再走上 10 年时间。

这台极紫外光刻机是由荷兰阿斯麦公司制造的。阿斯麦于 2017 年推出世界上第一台量产的极紫外光刻机，在芯片制造领域发挥着至关重要的作用，已经被用于制造 iPhone 手机芯片以及人工智能处理器等最先进的芯片。阿斯麦正在康涅狄格州的威尔顿制造下一代极紫外光刻机的部分组件，其使用新技术来最小化紫外线波长，从而尽可能缩小所制造的芯片元件尺寸，最终提高整个芯片的性能。

新一代极紫外光刻机大约有一辆公共汽车那么大，造价 1.5 亿美元。整个机器包含 10 万个部件和 2 公里长的电缆。每台机器发货需要 40 个集装箱、3 架货机或者 20 辆卡车。只有诸如台积电、三星和英特尔等少数公司能买得起这种机器。

“这真是一台不可思议的机器，”麻省理工学院研究新型晶体管架构的教授 Jesús del Alamo 说。“这绝对是一款革命性的产品，是一项突破，将给芯片行业带来新的生命。”

在康涅狄格州的工厂里，工程师们将一块巨大铝材雕刻成框架，最终让光罩以纳米级的精度在其间移动，反射极紫外光束。这些光束利用几面镜子来回反射，以惊人精度反复修饰打磨，在硅片上蚀刻出只有几十个原子大小的特征图案。

造好的组件将于 2021 年底运往荷兰维荷芬，然后在 2022 年初安装到新一代极紫外光刻机的第一台原型机中。英特尔可能会使用这种新机器制造出第一批芯片。英特尔表示，预计将在 2023 年下线第一批芯片。凭借比以往任何机器所蚀刻的图案尺寸更小，让每个芯片都有数百亿个元件，这台机器在未来几年所生产的芯片应该是史上处理速度最快、效率最高的。

总之，阿斯麦新一代极紫外光刻机有望延续芯片制造以及整个科技行业不断进步的理念，继续让摩尔定律保持活力。

1965 年，电子工程师、英特尔创始人之一戈登・摩尔 (Gordon Moore) 在行业杂志《电子学》35 周年特刊上发表了一篇文章。摩尔在文章中指出，单一硅芯片上的元件数量每年大约翻一番，他预计这一趋势将继续下去。

十年后，摩尔将他的预计从一年改为两年。近年来，尽管制造技术的不断突破和芯片设计的不断创新保持着这种势头，但摩尔定律的发展依旧受到了质疑。

极紫外光刻机使用特殊的工程技术来缩小用于制造芯片的光波长，这应该有助于延续摩尔定律的趋势。这种光刻技术对于制造更先进的智能手机以及云计算机器，还有人工智能、生物技术和机器人等新兴技术的发展都至关重要。“摩尔定律的消亡被过分夸大了，”Jesús del Alamo 说。“我认为这仍将持续相当长一段时间。”

乔治敦大学研究芯片制造的研究分析师威尔・亨特（Will Hunt）表示：“没有阿斯麦的机器，就不可能制造出先进芯片。”“很多东西都要经过年复一年的调整和试验，而这些都是非常困难的。”

他说，极紫外光刻机的每个部件都“极其复杂，复杂得令人吃惊”。

制造芯片通常需要一些世界上最先进的工程技术。芯片最初是一个圆柱形的硅晶体，其先是被切成薄片，然后薄片再涂上一层光敏材料，反复暴露在已经设定好图案的光束下。没有被光接触的硅部分被化学反应蚀刻掉，从而绘制出芯片元件的复杂细节。然后每块晶片被切成许多单独的芯片。

目前而言，不断缩小芯片元件尺寸仍然是从一块硅片中挤出更多计算能力的最可靠方法，因为芯片上封装的电子元件越多，计算能力就越高。

芯片架构和元件设计方面的许多创新也使摩尔定律得以延续。例如今年 5 月份，IBM 展示了一种新型晶体管，像丝带一样夹在硅片内部，可以在不降低光刻分辨率的情况下将更多元件封装到芯片中。

但是，从 20 世纪 60 年代开始，有效缩短制造芯片的光束波长有助于推动芯片元件小型化，这对芯片性能提升至关重要。先是使用可见光的机器被使用近紫外线的机器所取代，而近紫外线的机器又让位于使用深紫外线的系统，以便在硅片上蚀刻出更小的图案特征。

20 世纪 90 年代，英特尔、摩托罗拉、AMD 等公司开始合作研究极紫外线，并将其作为新一代光刻技术。阿斯麦于 1999 年加入进来，努力开发第一台极紫外光刻机。与之前的深紫外线光刻技术 (193 纳米）相比，极紫外光刻技术的光束波长更短，只有 13.5 纳米。

但人类解决工程上的挑战花了几十年时间。如何产生极紫外光本身就是一个大问题。阿斯麦的方法是将高功率激光以每秒 50000 次的速度轰击锡滴，产生强度足够高的极紫外光。普通镜片也会吸收极紫外光，因此极紫外光刻机使用涂有特殊材料的精确镜面代替。在阿斯麦极紫外光刻机内部，极紫外光在穿过光罩之前会经过几面镜子的反射，而光罩则以纳米级的精度移动，为的是对齐硅片上的不同层。

“说实话，没有人真的想用极紫外光，”行业研究公司 Real World Technologies 芯片分析师大卫・坎特 (David Kanter) 说。“它比原计划晚了 20 年，超出预算 10 倍。但如果你想制造非常致密的结构，它是你唯一的工具。”

阿斯麦新一代极紫外光刻机采用更大的数值孔径来进一步缩小芯片上的元件尺寸。这种方式允许光线以不同角度穿过光罩，从而增加图案成像的分辨率。这就需要更大的镜子和新的软硬件来精确控制组件蚀刻。阿斯麦当前一代极紫外光刻机可以制造出分辨率为 13 纳米的芯片。新一代极紫外光刻机将使用更高数值孔径来制作 8 纳米大小的特征图案。

目前台积电在芯片制造过程中使用的就是极紫外光刻技术。其客户包括苹果、英伟达和英特尔。英特尔在采用极紫外光刻技术方面进展缓慢，结果落后于竞争对手，因此最近决定将部分生产外包给台积电。

阿斯麦似乎并不认为其光刻机会落后。

“我不喜欢谈论摩尔定律的终结，我喜欢谈论摩尔定律的幻象，”阿斯麦首席技术官马丁・范登・布林克 (Martin van den Brink) 表示。

范登布林克指出，摩尔 1965 年发表的那篇文章实际上更关注创新进程，而不仅仅是芯片元件尺寸的缩小。尽管范登布林克预计至少在未来 10 年里，高数值孔径极紫外光刻技术将继续推动芯片行业的进步，但他认为使用光刻技术缩小芯片元件尺寸会变得没有那么重要。

范登布林克说，阿斯麦已经开始研究极紫外光刻的后继技术，包括电子束和纳米压印光刻，但目前尚未发现任何一种技术足够可靠，值得投入大量资金。他预测，在考虑热稳定性和物理干扰的同时，加快光刻机产量将有助于提高芯片产量。即使芯片速度没有变得更快，这种方法也会让最先进的芯片更便宜更普及。

范登布林克补充说，包括在芯片上纵向制造元件的制造技术应该会继续提高芯片性能。英特尔和其他公司已经开始这样做了。台积电执行董事长刘德音曾表示，未来 20 年芯片的综合性能和效率每年能提高三倍。

主要挑战在于全世界对更快芯片的需求不太可能下降。普渡大学教授马克・伦德斯特伦 (Mark Lundstrom) 早在 20 世纪 70 年代开始在芯片行业工作，他在 2003 年为《科学》杂志撰写了一篇文章，预言摩尔定律将在 10 年内达到物理极限。他说：“在我的职业生涯中，我们曾多次想，‘好吧，这就结束了。’”“但在未来 10 年内，没有任何放缓的危险。我们只是在另辟蹊径。”

伦德斯特罗姆还记得他第一次参加微芯片会议是在 1975 年。“有个叫戈登・摩尔的家伙在做演讲，”他回忆道。“他在技术社区中很有名，但其他人都不认识他。”

“我还记得他的演讲，”伦德斯特伦补充道。“摩尔说，‘我们很快就能在一块芯片上安装 1 万个晶体管’。他还说，‘当一个芯片上有了 1 万个晶体管，人们有什么不能做呢？’”

目前来说，对于很多国家就算是砸钱也做不出来这样的机器，这方面落后至少二三十年，就算举国体制，超常发挥，没个十年十五年也追不上人家。所以只能不断加强这方面的研究，争取缩短研发出来的时间。