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每一次重大的技術(shù)飛躍都始于一臺(tái)改變一切的機(jī)器。蒸汽機(jī)開啟了工業(yè)革命。如今，數(shù)字革命正邁入一個(gè)新階段。人工智能正以前所未有的速度發(fā)展，但其真正的引擎卻隱藏在更深層次：它蘊(yùn)藏在驅(qū)動(dòng)它的芯片中，以及在芯片上印刷微小圖案的光刻機(jī)中。世界上最先進(jìn)的芯片制造設(shè)備現(xiàn)已安裝在imec位于魯汶的潔凈室中，準(zhǔn)備定義我們的技術(shù)未來(lái)。

有時(shí)，科技的出現(xiàn)會(huì)將世界推入一個(gè)新時(shí)代。人類發(fā)明車輪后，便開始利用畜力來(lái)運(yùn)輸貨物和人員。幾個(gè)世紀(jì)后，隨著蒸汽機(jī)的出現(xiàn)，人力被機(jī)械動(dòng)力所取代。第一臺(tái)蒸汽機(jī)原型機(jī)于1705年問(wèn)世，但詹姆斯·瓦特花了六十年時(shí)間才將其改造成一臺(tái)實(shí)用且可規(guī)?；臋C(jī)器。又過(guò)了六十年，工業(yè)革命重塑了經(jīng)濟(jì)格局：蒸汽機(jī)驅(qū)動(dòng)著工廠、礦山和交通運(yùn)輸系統(tǒng)，包括歐洲早期的鐵路。

科技進(jìn)步不僅改變了我們的出行方式，也重塑了我們交流思想的方式。大約在1450年，約翰內(nèi)斯·古騰堡開始鑄造單個(gè)金屬字母，使得書面知識(shí)的復(fù)制速度達(dá)到了前所未有的水平。一個(gè)世紀(jì)后，出版商將這一流程規(guī)?；?，發(fā)展成為早期的工業(yè)出版。科學(xué)論著、多語(yǔ)種圣經(jīng)、地圖集和詞典在歐洲大陸廣泛流傳，促進(jìn)了學(xué)者、商人和工匠之間的聯(lián)系。這種文化和思想的飛速發(fā)展為歐洲更廣泛的經(jīng)濟(jì)和科學(xué)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

如今，什么機(jī)器象征著進(jìn)步？

我們或許正經(jīng)歷著又一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，科技突破的到來(lái)速度遠(yuǎn)超社會(huì)吸收的速度。人工智能正以驚人的速度重塑我們處理信息的方式。如果要我們選擇一臺(tái)機(jī)器來(lái)象征這種加速發(fā)展，那會(huì)是什么呢？我們或許會(huì)想到運(yùn)行人工智能應(yīng)用程序的智能手機(jī)或筆記本電腦，或是數(shù)據(jù)中心里訓(xùn)練人工智能模型的服務(wù)器。但這僅僅是更深層次技術(shù)基礎(chǔ)的表層。它們的計(jì)算能力之所以呈爆炸式增長(zhǎng)，是因?yàn)槠鋬?nèi)部芯片的性能大幅提升。一部現(xiàn)代智能手機(jī)包含數(shù)十億個(gè)晶體管，其計(jì)算能力比當(dāng)年引導(dǎo)阿波羅登月的計(jì)算機(jī)強(qiáng)數(shù)百萬(wàn)倍。

性能的持續(xù)提升基于一個(gè)簡(jiǎn)單的原理： 在更小的面積內(nèi)集成 更多的晶體管。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)需要通過(guò)數(shù)十種精細(xì)控制的化學(xué)和物理工藝，將芯片特征縮小到納米級(jí)。其中一項(xiàng)工藝——光刻技術(shù)——堪稱物理學(xué)的終極極限。 光刻技術(shù)利用光在感光材料上同時(shí)印刷許多微觀圖案。波長(zhǎng)越短，“筆刷”就越精細(xì)。正因?yàn)楣P刷不斷精細(xì)化，控制它的機(jī)器也發(fā)展成為有史以來(lái)最復(fù)雜的系統(tǒng)之一——其體積之大足以媲美城市公交車，內(nèi)部蘊(yùn)含著尖端的物理學(xué)和工程學(xué)知識(shí)。如果說(shuō)有一臺(tái)機(jī)器能夠體現(xiàn)現(xiàn)代科技進(jìn)步的精髓，那非它莫屬。

極紫外光刻：利用極紫外光進(jìn)行繪畫

如今最先進(jìn)的芯片離不開極紫外光刻技術(shù)——極紫外光指的是波長(zhǎng)僅為13.5納米的光。產(chǎn)生這種光曾經(jīng)被認(rèn)為是不可能完成的任務(wù)。地球上自然界并不存在極紫外光；大氣層會(huì)瞬間將其吸收，而且它通常只存在于太陽(yáng)的外層。為了在地球上模擬這些條件，科學(xué)家們將每秒10萬(wàn)滴熔融錫液滴射入真空室。一束強(qiáng)大的激光在精確的時(shí)刻多次照射每一滴錫液滴，產(chǎn)生等離子體，從而發(fā)射出短促的極紫外光脈沖。

而這僅僅是個(gè)開始。由于幾乎所有材料都會(huì)吸收極紫外光，透鏡根本無(wú)法發(fā)揮作用。我們需要特殊的反射鏡——由數(shù)十層鉬和硅交替層疊而成，并經(jīng)過(guò)拋光處理，表面光滑度接近原子級(jí)——來(lái)引導(dǎo)和聚焦光線。將數(shù)百種這樣的突破性技術(shù)集成到一個(gè)可運(yùn)行的系統(tǒng)中，才是真正的挑戰(zhàn)。如何在錫滴在附近爆炸的情況下保持反射鏡的清潔？如何防止反射的錫損壞激光器？

ASML是第一家，也是至今唯一一家能夠?qū)⑺羞@些要素集成到一臺(tái)機(jī)器中的公司。2006年，經(jīng)過(guò)十年的研究，第一臺(tái)EUV演示工具抵達(dá)imec的 潔凈室。2019年，EUV技術(shù)已足夠穩(wěn)定，可用于工業(yè)規(guī)模的 芯片生產(chǎn)。自此，EUV光刻技術(shù)已成為每顆先進(jìn)芯片——以及所有現(xiàn)代人工智能應(yīng)用——背后的隱形引擎。

下一個(gè)重大突破：高數(shù)值孔徑極紫外光刻

Imec 的技術(shù)路線圖延伸至 2040 年，涵蓋了新材料、晶體管架構(gòu)、互連技術(shù)和下一代光刻技術(shù)。這些進(jìn)步將共同推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)邁向埃級(jí)時(shí)代——其關(guān)鍵芯片特征的實(shí)現(xiàn)將達(dá)到亞納米級(jí)。為了跨越這一門檻，我們需要更精細(xì)的工藝。EUV 的波長(zhǎng)實(shí)際上無(wú)法進(jìn)一步縮短。幸運(yùn)的是， 瑞利判據(jù)表明，分辨率也取決于光學(xué)系統(tǒng)的數(shù)值孔徑 (NA)：更高的 NA 意味著更清晰的焦點(diǎn)和更精細(xì)的細(xì)節(jié)。

將數(shù)值孔徑 (NA) 從目前的 0.33 提升到 0.55 需要一套全新的光學(xué)系統(tǒng)——其鏡片尺寸翻倍，重量增加十倍，并由 蔡司耗時(shí)數(shù)月打磨至原子級(jí)精度。最終誕生的高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)，毫不夸張地說(shuō)，是下一個(gè)重大突破：它的大小堪比一輛雙層巴士，重量約為 150 噸。

但僅僅改進(jìn)光學(xué)器件還不夠。從光刻膠化學(xué)、蝕刻到計(jì)量，所有下游工藝都必須重新設(shè)計(jì)，以匹配更高的分辨率。在imec和ASML位于費(fèi)爾德霍芬的 聯(lián)合高數(shù)值孔徑（High NA）實(shí)驗(yàn)室，整個(gè)工藝鏈都得到了優(yōu)化。2024年，imec首次證明高數(shù)值孔徑極紫外光刻（High NA EUV）能夠在晶圓上達(dá)到其理論分辨率——?jiǎng)?chuàng)造了一項(xiàng)世界紀(jì)錄。2025年，imec和ASML深化了戰(zhàn)略合作，確保ASML的最新設(shè)備，包括首臺(tái)高數(shù)值孔徑極紫外光刻機(jī)，都將安裝在imec的潔凈室中。

為什么 Angstr?m 時(shí)代從這里開始

就像畫家在粗筆和細(xì)筆之間切換一樣，芯片制造商將繼續(xù)使用現(xiàn)有的極紫外光刻機(jī)進(jìn)行多層光刻——但高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術(shù)能夠滿足最苛刻的要求?，F(xiàn)有設(shè)備有時(shí)需要多次曝光，而高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術(shù)只需一次曝光即可打印出最精細(xì)的線條 ——從而簡(jiǎn)化工藝流程、減少缺陷、降低成本并減少碳排放。更高的分辨率也賦予芯片設(shè)計(jì)師更大的創(chuàng)作自由，使他們能夠設(shè)計(jì)二維電路和更平滑的曲線，而不僅僅是銳利的角度，這有望實(shí)現(xiàn)更高密度的芯片和更短的電路路徑。

然而，即使是最精良的畫筆也需要工作室。光刻系統(tǒng)絕非孤立存在：只有當(dāng)材料、蝕刻工藝、清洗步驟、掩模和成像技術(shù)以及計(jì)量技術(shù)完美契合時(shí)，圖案才能真正呈現(xiàn)。imec 正是構(gòu)建了這樣一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。在這個(gè)世界頂級(jí)的半導(dǎo)體研發(fā)中心，芯片制造商、材料供應(yīng)商、設(shè)備供應(yīng)商、計(jì)量專家和芯片設(shè)計(jì)師攜手合作，共同開發(fā)新材料、改進(jìn)工藝步驟、減少缺陷并更新設(shè)計(jì)規(guī)則。

根據(jù)歐盟《芯片法案》，imec的基礎(chǔ)設(shè)施正在進(jìn)一步擴(kuò)展。一百多臺(tái)新的半導(dǎo)體設(shè)備正在安裝中，以打造 NanoIC試點(diǎn)生產(chǎn)線，從而鞏固歐洲在未來(lái)幾十年內(nèi)于先進(jìn)半導(dǎo)體研發(fā)領(lǐng)域的地位。該試點(diǎn)生產(chǎn)線將為初創(chuàng)企業(yè)、大學(xué)和創(chuàng)新型公司提供尖端芯片技術(shù)，用于測(cè)試創(chuàng)意并加速新應(yīng)用的開發(fā)。

一扇通往我們目前尚無(wú)法預(yù)見的突破的窗口

誰(shuí)能掌握在原子尺度上作畫的“畫筆”，誰(shuí)就能左右未來(lái)幾十年數(shù)字、醫(yī)療和科學(xué)的發(fā)展。因此，新一代光刻技術(shù)的出現(xiàn)，不僅拓展了芯片技術(shù)所能達(dá)到的極限，也改變了哪些科學(xué)突破觸手可及。

以生物傳感器領(lǐng)域?yàn)槔?。它的發(fā)展取決于我們能否精確地設(shè)計(jì)出在分子尺度上運(yùn)行的結(jié)構(gòu)。納米孔就是一個(gè)例子：在超薄膜上只有幾納米寬的微小開口。當(dāng)一個(gè)分子，例如DNA鏈，穿過(guò)這樣的孔時(shí)，流經(jīng)其中的電流會(huì)發(fā)生變化。這些細(xì)微的變化揭示了DNA中堿基對(duì)的排列順序。對(duì)于DNA分析而言，這種方法已經(jīng)非常有效。但是對(duì)于蛋白質(zhì)——這些決定我們體內(nèi)發(fā)生一切的微型機(jī)器——來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程要復(fù)雜得多。

要并行分析數(shù)百萬(wàn)種不同的蛋白質(zhì)，需要成千上萬(wàn)個(gè)（甚至可能數(shù)十萬(wàn)個(gè)）納米孔同時(shí)工作，而且每個(gè)納米孔的尺寸都必須完全相同。芯片制造方法正成為實(shí)現(xiàn)低成本、高穩(wěn)定性納米孔的關(guān)鍵。得益于極紫外光刻技術(shù)，現(xiàn)在可以可靠地同時(shí)生產(chǎn)大量 固態(tài)納米孔。Imec公司已經(jīng)成功地在硅片上制造出均勻性極佳的10納米納米孔。

基于半導(dǎo)體自旋量子比特的量子芯片也提出了類似的要求：它們的器件需要結(jié)構(gòu)極其微小且高度一致。世界各地的研究人員正在探索如何利用光刻技術(shù)在整個(gè)硅晶圓上定義圖案，從而在不損害量子比特賴以生存的精細(xì)相干性的前提下，實(shí)現(xiàn)這種穩(wěn)定性。換句話說(shuō)：我們?cè)侥芤栽蛹?jí)精度制造圖案，就越接近可擴(kuò)展的硅基量子計(jì)算機(jī)。

因此，新一代光刻技術(shù)遠(yuǎn)不止是一次技術(shù)升級(jí)。它更像是一根杠桿——一項(xiàng)基礎(chǔ)性技術(shù)，將驅(qū)動(dòng)下一代人工智能芯片的發(fā)展，催生新一代超精密醫(yī)療傳感器，甚至推動(dòng)硅基量子計(jì)算機(jī)的進(jìn)步。

正如詹姆斯·瓦特使蒸汽機(jī)穩(wěn)定可靠后，它成為了工業(yè)革命的引擎。這臺(tái)光刻機(jī)也有望成為未來(lái)的引擎。

（來(lái)源：編譯自imec）

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