在康涅狄格州郊区的一个大洁净室里,工程师们已经开始为一台机器构建一个关键部件,它有望让我们所知道的科技行业至少在未来十年保持正轨。而这台机器是由荷兰公司ASML制造的。
正如之前所报道的一样,该公司垄断了利用光将最微小的纳米特征蚀刻到微芯片的光刻机市场。
在花了数十年时间掌握该技术后,ASML 于 2017 年推出了第一台用于大规模生产的极紫外 (EUV) 光刻机。这些机器在芯片制造生态系统中发挥着至关重要的作用,它们已被用于制造最新、最先进的芯片,包括新 iPhone 中的芯片以及用于人工智能的计算机。
该公司下一代EUV 系统的一部分正在康涅狄格州威尔顿建造,它将使用一种新技巧来最大限度地减少它使用的光波长——缩小所得芯片上的特征尺寸并提高它们的性能——据介绍,其提升比以往任何时候都多.
坦率地说,当前这一代 EUV 机器已经有点疯狂了。
据了解,每个设备大约有一辆公共汽车那么大,耗资 1.5 亿美元。它包含 100,000 个零件和 2 公里长的电缆。运输组件需要 40 个货运集装箱、三架货机和 20 辆卡车。只有少数几家公司买得起机器,而且大部分都交给了世界三大领先的芯片制造商:世界领先的代工厂台积电,以及韩国的三星和英特尔。
“这真的是一台令人难以置信的机器,”麻省理工学院研究新型晶体管架构的教授Jesús del Alamo说。“这是一款绝对革命性的产品,一项突破性的产品,它将在多未来年为该行业带来新的生机。”
在康涅狄格州,一块巨大的铝被雕刻成一个框架,最终将容纳一个面具或“标线”,它以纳米精度移动,同时反射一束极紫外光。光弹球从几个镜子上以惊人的精度成形和抛光,以将只有几十个原子大小的特征蚀刻到未来的计算机芯片上。
成品组件将于 2021 年底运往荷兰的 Veldhoven,然后在 2022 年初安装到第一台原型下一代 EUV 机器中。使用新系统制造的第一批芯片可能由英特尔制造,英特尔表示,预计这将在 2023 年实现,而他们将获得其中的第一个。
凭借比以往更小的功能,以及数百亿个组件,这台机器在未来几年生产的芯片应该是历史上最快、最高效的。
ASML 最新的 EUV 机器有望使一个象征着进步的想法保持活力——不仅在芯片制造领域,而且在科技行业和整个经济领域。
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1965年,戈登·摩尔,电子工程师和英特尔创始人之一写了一篇文章。在文章中,摩尔指出,硅芯片上的组件数量每年大约增加一倍,他预测这一趋势将持续下去。
十年后,摩尔将他的估计修改为两年而不是一年。近年来,摩尔定律的前进受到质疑,但新的制造突破和芯片设计创新使其大致保持在正轨上。
EUV 使用一些非凡的工程来缩小用于制造芯片的光的波长,它应该有助于延续这种连续性。该技术对于制造更先进的智能手机和云计算机以及人工智能、生物技术和机器人等新兴技术的关键领域至关重要。“摩尔定律的消亡被大大夸大了,”Jesús del Alamo说。“我认为它会持续很长一段时间。”他补充道。
在最近由大流行的经济冲击波引发的芯片短缺中,ASML的产品已成为美中地缘政治斗争的核心,而中国想获得这些机器,则变得困难重重。
“没有ASML的机器你不能制造领先的芯片”,乔治敦大学的一个研究芯片制造地缘政治的分析师威尔·亨特说。“其中很多都归结为多年来对事物的修补和试验,而要获得这些东西是非常困难的。”
他说,进入 EUV 机器的每个组件“都非常复杂且异常复杂”。
制造微芯片已经需要一些世界上最先进的工程技术。芯片最初是一块圆柱形晶体硅,它被切成薄片,然后涂上一层光敏材料,并反复暴露在图案光下。没有被光接触的硅部分然后被化学蚀刻掉,以揭示芯片的复杂细节。然后将每个晶片切碎以制造许多单独的芯片。
缩小芯片上的组件仍然是从一块硅中挤出更多计算能力的最可靠方法,因为电子可以更有效地通过较小的电子组件,而将更多组件装入芯片中可以提高其计算能力。
许多创新使摩尔定律得以延续,包括新颖的芯片和组件设计。例如,今年 5 月,IBM 展示了一种新型晶体管,它像丝带一样夹在硅内部,它应该可以在不降低光刻分辨率的情况下将更多组件装入芯片中。
但从 1960 年代开始,减少芯片制造中使用的光波长有助于推动小型化和进步,这对下一个进步至关重要。现在,使用可见光的机器被使用近紫外线的机器所取代,这反过来又让位于使用深紫外线的系统,以便将更小的特征蚀刻到芯片中。
包括英特尔、摩托罗拉和 AMD 在内的一个财团在 1990 年代开始研究 EUV 作为光刻的下一步。ASML 于 1999 年加入,作为光刻技术的领先制造商,寻求开发第一台 EUV 机器。与以前的光刻方法(193 纳米)相比,远紫外光刻(简称 EUV)允许使用更短的光波长(13.5 纳米)。
但解决工程挑战需要几十年的时间。因为产生 EUV 光本身就是一个大问题。ASML 的方法包括以每秒 50,000 次的速度将高功率激光对准锡滴以产生高强度光。因为镜头吸收 EUV 频率,因此该系统使用涂有特殊材料的极其精确的镜子。在 ASML 的机器内,EUV 光在穿过光罩之前会从几个镜子反射,光罩以纳米级精度移动以对齐硅上的层。
“说实话,一开始没有人愿意使用 EUV,”Real World Technologies 的芯片分析师 David Kanter 说。“但在 20 年以后的今天,预算提升了10 倍。不过如果你想建造非常密集的结构,它是你唯一的工具。”
ASML 的新机器引入了一个额外的技巧来在芯片上产生更小的特征:更大的数值孔径,它通过允许光以不同的角度穿过光学器件来提高成像的分辨率。这需要更大的镜子和新的软件和硬件来精确控制组件。ASML 当前一代 EUV 机器可以制造分辨率为 13 纳米的芯片。下一代将使用 High-NA 来制作 8 纳米特征尺寸的芯片。
目前使用 EUV 的最著名公司是台积电,其客户包括苹果、英伟达和英特尔。英特尔采用 EUV 的速度很慢,因此落后于竞争对手,因此它最近决定将部分生产外包给台积电。
ASML 似乎并不认为建立在其机器之上的进展会放缓。
“我不喜欢谈论摩尔定律的终结,我喜欢谈论摩尔定律的幻觉,”ASML 的首席技术官 Martin van den Brink 通过来自荷兰的视频链接说。
Martin van den Brink 指出,摩尔 1965 年的文章实际上更关注创新的进展,而不仅仅是微缩。虽然他预计 High-NA EUV 将至少在未来 10 年继续推动芯片行业的进步,但他认为使用光刻缩小芯片特征将变得不那么重要。
Van den Brink 表示,ASML 已经研究了 EUV 的拟议继任者,包括电子束和纳米压印光刻(e-beam 和nanoimprint lithography),但没有发现其中任何一个足够可靠,这足以证明他们在EUV光刻进行大量投资是合理的。他预测,在考虑热稳定性和物理干扰的同时加快光刻机吞吐量的新方法将有助于提高产量。即使芯片没有变得更快,这也会使得最先进的芯片变得更便宜和更广泛地使用。
Van den Brink 补充说,其他制造技巧,包括在芯片上垂直制造组件的努力——英特尔和其他公司已经开始这样做——应该继续提高性能。他指出,台积电执行主席 Mark Liu 曾表示,他预计未来 20 年的综合性能和效率每年将提高三倍。
对更快芯片的需求几乎不可能下降。
普渡大学教授Mark Lundstrom于 1970 年代开始从事芯片行业,2003 年,他为《科学》杂志撰写了一篇文章,在文章中他预测,摩尔定律将在十年内遇到物理极限。“在我的职业生涯中,我们多次想过‘好吧,这就是结局’,”他说。“但在 10 年内,一切都不会放缓。我们只需要以不同的方式去做。”
Lundstrom 还记得 1975 年参加了他的第一次微芯片会议。“有个叫 Gordon Moore 的家伙发表了演讲,”他回忆道。“他在技术界很有名,但没有人认识他。”
“我记得他的演讲,”Lundstrom 补充道。“他说,’我们很快就能在一个芯片上放置 10,000 个晶体管。’ 他补充说,“一个芯片上有 10,000 个晶体管,任何人都可以在其上做些什么”。

作者 scforum

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