如今，当我们谈论计算时，我们倾向于谈论软件和编写软件的工程师。但是，如果没有硬件和物理科学的支持，我们就不会有今天的成就，这些科学使我们能够创造出光学、材料科学和机械工程等学科。正是由于这些领域的进步，我们才能制造出承载数字世界所有 1 和 0 的芯片。没有它们，现代计算机就不可能存在。
用于生产电脑芯片的半导体光刻技术已有 70 年的历史。它的起源一点不像今天的光刻过程一样复杂：这项技术始于 20 世纪 50 年代中期，一位名叫杰伊·莱思罗普（Jay Lathrop）的物理学家把显微镜里的透镜倒过来。
莱思罗普于 2022 年去世，享年 95 岁，但今天几乎无人记得他的名字。但他和他的实验室伙伴在 1957 年获得了光刻技术的专利，改变了世界。光刻方法的稳步改进已经产生了更小的电路和前所未有的计算能力，改变了整个科技行业和我们的日常生活。
今天，光刻是一门大生意，而且几乎不允许犯错。世界领先的荷兰公司 也是欧洲市 值最大的科技公司。它的光刻工具依靠世界上最平坦的镜子、最强大的商业激光器、以及比太阳表面热得多的爆炸，可以在硅上刻出微小的形状，尺寸只有几纳米。
这种纳米级的精度反过来又使制造拥有数百亿晶体管的芯片成为可能。这些超先进的光刻工具制造的芯片可能无处不在，它们可以在你的手机、电脑和处理和存储数据的数据中心中找到。
图 | 莱思罗普在整个 20 世纪 70 年代和 80 年代的夏天都在和他的朋友杰克·基尔比（Jack Kilby）一起研究太阳能技术（来源：SMU LIBRARIES）
在制造芯片所需的所有精密得令人难以置信的机器中，光刻工具是最关键的，也是最复杂的一个。它们需要成千上万的零部件和数十亿美元的投资。
但它们不仅是商业竞争和科学奇迹的主题，它们还处于控制未来计算能力的地缘政治竞争的中心。光刻行业的发展，以及生产更精确的光刻工具的努力，将决定计算机的下一步发展方向。
技术发展的历史表明，未来的任何进步都将依赖于更复杂和精确的机器，以及更广泛的供应链，以生产所需的专业零部件。新的光刻系统和零部件的开发速度，以及哪些公司和国家能够制造它们，不仅会影响计算进步的速度，还会影响科技行业的力量和利润平衡。
很难想象，今天的纳米级制造工艺，竟起源于莱思罗普将显微镜镜头倒置。但光刻行业却发展迅速。它使芯片能够遵循并设定摩尔定律的步伐，即集成电路中的晶体管数量大约每两年增加一倍。
莱思罗普在 20 世纪 50 年代发明了这一工艺，当时计算机使用的是肉眼可见的真空管或晶体管，因此制造起来很容易，而无需创造一种全新的工具。
他并没有试图掀起计算机革命。他后来回忆说，他“对电脑一无所知”。20 世纪 50 年代中期，作为美国陆军 Diamond Ordnance Fuze Lab（戴蒙德军械引信实验室）的一名工程师，他的任务是设计一种新的近距离引信，可以放入直径只有几英寸的迫击炮弹中。他的引信需要用到的部件包括晶体管，但炮弹太小，当时的晶体管很难装进去。
彼时，晶体管制造工艺还处于早期阶段。晶体管被用作收音机的放大器，而分立晶体管开始被用于房间大小的计算机。引信实验室已经有了一些制造晶体管的设备，比如晶体生长器和扩散炉。但即使在先进的武器实验室，制造它们所需的许多材料和工具也必须从零开始开发。
这些早期的晶体管是由一块锗制成的，上面有不同的材料分层。这些平顶的材料块是首先用一滴蜡覆盖一部分锗制成的。然后使用一种化学物质，将未被覆盖的锗蚀刻掉。
当蜡被除去时，只剩下它所覆盖的锗，放在一个金属盘子上。这个系统很好地适用于大型晶体管，但要使它们小型化几乎是不可能的。
蜡以不可预测的方式溢出，限制了锗蚀刻的精度。莱思罗普和他的实验室搭档吉姆·纳尔（Jim Nall）发现，他们在近距离引信上的进展，卡在了蜡溢出导致的缺陷上。
莱思罗普花了数年时间通过显微镜观察，想让一个小东西看起来更大。当他为如何使晶体管小型化而一筹莫展时，他和纳尔灵光一现，想到了倒置的显微镜光学镜片是否能让晶体管的图案小型化。
为了找到答案，他们在一块锗材料上覆盖了一种叫做光刻胶的化学物质，这种化学物质是他们从相机公司柯达那里获得的。
光与光刻胶发生反应，使其变硬或变弱。莱思罗普利用了这个特点，创造了一个台面形状的“面具”，把它放在镜片倒置的显微镜上。通过掩膜孔的光线被显微镜的透镜缩小，投射到光刻胶上。
光线照到的地方，化学物质就变硬了。光线被掩膜阻挡的地方是软的，可以被洗掉，留下一个形状精确的、微型的锗台面。一种制造小型化晶体管的方法被发现了。
莱思罗普将这种用光印刷的方法命名为光刻术，他和纳尔申请了专利。他们在 1957 年的年度国际电子设备会议上发表了一篇关于这个主题的论文，美国陆军为他的发明颁发了 2.5 万美元的奖金。莱思罗普用这笔钱给家人买了一辆崭新的旅行车。
在冷战期间，不仅迫击炮引信的需求飞速增长，莱思罗普的光刻工艺也起飞了，因为为民用电子产品生产晶体管的公司意识到了它的变革潜力。光刻技术不仅能生产出精度空前的晶体管，而且还为进一步小型化打开了大门。
在商用晶体管竞赛中处于领先地位的两家公司仙童半导体（）和（Texas instruments）很早就明白其中的含义。光刻技术是他们制造数以百万计晶体管所需的工具，然后让这些晶体管驱动面向消费者的商品。
用光作画
罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）是公司的联合创 始人之一，他在美国麻省理工学院攻读物理学博士学位时曾与莱思罗普一起学习。他俩周末经常去新罕布什尔州的山上远足，毕业后也一直保持联系。
在公司，诺伊斯很快就雇佣了莱思罗普的实验搭档纳尔，并用他从旧金山湾区一家照相店买来的一组 20 毫米相机镜头，在自己的设备上安装了一套辅助装置，带头推动了公司的光刻工作。
与此同时，莱思罗普在的竞争对手找到了一份工作，开着他的新旅行车前往达拉斯。他来的时候，他的新同事兼终身好友杰克·基尔比（Jack Kilby）正处于创造一种半导体材料的关键时刻，这种材料内置或集成了多个电子元件。
很快他们就发现，这些集成电路只有用莱思罗普的光刻法才能有效地生产出来。当芯片公司努力缩小晶体管以将更多的晶体管塞进芯片时，光刻技术提供了小型化制造所需的精度。
公司和公司都制造了自己的第一台光刻机，但机器不断增长的复杂性很快吸引了新的入局者。随着晶体管的尺度从厘米下降到毫米再到微米，精密光学的重要性增加了。（Perkin-Elmer）是一家总部位于美国康涅狄格州的公司，为美国军方生产从投弹瞄准器到间谍卫星等专业光学设备。
在 20 世纪 60 年代末，该公司意识到它的专业知识也可以用于光刻技术。它开发了一种扫描仪，可以将掩模图案投射到硅片上，同时以近乎完美的精度对准它们。然后扫描仪像复印机一样在晶圆片上移动一束光，在晶圆片上用光作画，画出线条。事实证明，这种工具能够制造小到微米（百万分之一米）的晶体管。
但随着芯片变得越来越小，这种方法开始变得不实用。到 20 世纪 70 年代末，扫描仪开始被步进器所取代，步进器在晶圆片上以离散的步骤移动光线。使用步进器的挑战在于以微米级的精度移动光线，使每个闪光都与芯片完美对齐。
是一家总部位于波士顿的公司。据报道， 是在公司高管（Morris Chang）的建议下设计出第一个步进设备的，后来成为了的创始人，是当今世界上最大的芯片制造商。
新英格兰的专业光刻公司很快就面临着激烈的竞争。20 世纪 80 年代，随着日本芯片制造商开始在存储芯片生产中赢得主要市场份额，他们开始从和这两家本土光刻工具生产商那里购买产品。
大约在同一时间，荷兰芯片制造商剥离了自己的光刻工具部门，将新公司命名为 。
当时仍是美国光刻行业的领导者，但在竞争中举步维艰。它的光刻技术被广泛认为是一流的，但机器本身的可靠性不如日本和荷兰的竞争对手。此外， 未能预测到 20 世纪 80 年代芯片行业的一系列商业周期。
公司很快发现自己在财务上扩张过度，并在 20 世纪 90 年代末濒临破产。鲍勃·诺伊斯（Bob Noyce）试图拯救公司。
作为旨在振兴美国芯片产业的政府支持的半导体研究机构 的负责人，他向 投入了数百万美元。然而，这不足以阻止公司走向崩溃。光刻行业由此进入了由三家公司（两家日本公司和一家荷兰公司）定义的 90 年代。
一个行业的衰落
美国光刻业的衰落与该领域技术复杂性的巨大飞跃同时出现。可见光的波长为几百纳米，到 20 世纪 80 年代，它的宽度已经不能应付最小的晶体管的制造。
因此，该行业转向使用氟化氪和氟化氩等新化学物质来制造波长低至 193 纳米的深紫外线。
到 21 世纪初，由于紫外光本身被证明是一种不够锋利的工具，人们发明了光刻机，可以通过水发射光线，产生更尖锐的折射角度，从而提高精度。
然后，在这种“浸入式”光刻技术被证明不足以在芯片上表现出最精细的特征后，光刻工具开始使用多层光刻技术，将多层光刻技术相互叠加，以在硅上产生更精确的图案。
然而，早在 20 世纪 90 年代，很明显为了继续制造越来越小的晶体管，需要一种波长更短的新光源。美国最大的芯片制造商英特尔引领了对极紫外光刻技术的早期投资，该技术使用一种波长为 13.5 纳米的光。
这对于图案化尺寸大致相等的形状来说是足够精确的。但在世界上仅存的光刻公司中，只有 有胆量把自己的未来押在这项技术上，而这项技术的开发需要 30 年时间和数十亿美元。很长一段时间以来，许多行业专家都认为这行不通。
大规模生产极紫外光是人类历史上最复杂的工程挑战之一。 的方法需要取一个 30 微米宽的锡球，并用超高功率的二氧化碳激光器将其粉碎两次。这会将锡球炸成温度高达几十万度的等离子体。
等离子体发出极紫外光，必须用有史以来最平的镜子收集，每个镜子由几十个纳米厚的硅和钼层交替制成。这些镜子由一组致动器和传感器保持几乎完全静止。制造商 表示，这些致动器和传感器非常精确，可能可以用来引导激光击中远在月球的高尔夫球。
生产 EUV 系统中的专用组件需要构建一个复杂的国际供应链。这种高功率激光器是由一家名为 的德国公司制造的，该公司专门生产精密切割工具。这些镜子是由公司生产的，是另一家在光学领域有着悠久历史的德国公司。
锡球粉碎室是由位于美国圣地亚哥的 公司设计的，这家公司后来被 收购。一台由数十万个部件组成的机器，只有在多个大洲的公司参与下才能生产出来，即使它的组装是由一家公司垄断的。
图 | GCA 的 Mann 4800 步进设备是光刻机分辨率的一大进步。但这家总部位于波士顿的公司最终将芯片市场输给了日本和荷兰的竞争对手（来源： 公司）
今天，EUV 光刻工具被用于生产手机、个人电脑和数据中心所使用的重要芯片。一个典型的智能手机处理器拥有超过 100 亿个微型晶体管，每个晶体管都由莱思罗普开创的光刻工艺印刷。光刻技术已被用于制造无数的晶体管，使其成为人类历史上生产最广泛的制成品。
然而，也许最重要的是 EUV 光刻技术在生产先进数据中心所需芯片中的作用。大型人工智能系统通常在尖端芯片上进行训练，这意味着它们受益于只有极紫外光刻技术才能高效制造的超先进晶体管。这使得光刻成为地缘政治竞争的问题。
自莱思罗普的研究以来，该行业已经取得了长足的进步。1968 年，他离开了工作了十年的公司开始在美国克莱姆森大学担任教授，他父亲也曾在克莱姆森大学学习，这离他父母当时居住的地方也不远。
在 20 世纪 70 年代和 80 年代的夏季，莱思罗普回到公司，与他的老朋友杰克·基尔比一起开发太阳能光伏技术，但没有成功。
1988 年，莱思罗普从克莱姆森大学退休，他给数千名电气工程专业的学生留下了深刻的印象。
与此同时，他发明的光刻工艺仍在继续发展。几年后， 将发布其 EUV 技术的新版本，称为高数值孔径 EUV，它将允许更精确的光刻。
对一种更精确的未来工具的研究正在进行中，尽管尚不清楚它是否在实际或商业上可行。我们必须希望如此，因为摩尔定律的未来以及它所带来的计算进步都取决于它。
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