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未來15年內，拍攝出世界上第一張照片的同一項技術將使我們能夠制造出物理定律允許范圍內功能最強大、密度最高的硅微芯片。這將是工程學的一項重大勝利，也是被稱為摩爾定律的芯片行業(yè)發(fā)展進程的最后一步。

實現這一目標，是整個半導體行業(yè)目前面臨的價值數萬億美元的挑戰(zhàn)。難度之大，以至于專家認為，商業(yè)化應用最早也要到2040年才能實現。如果沒有這最后一步，電子產品只能通過增加體積來提升性能。

全球最有價值的公司都在密切關注這一領域。正因如此，約翰·霍普金斯大學目前正在測試的一項創(chuàng)新才如此吸引它們。

摩爾的結局

摩爾定律指出，每兩年，微芯片上封裝的晶體管數量就會翻一番。但這種翻番的次數終究有限，超過一定限度后，晶體管的尺寸就無法再進一步縮小——至少在硅晶圓上是如此，而自微芯片誕生以來，硅晶圓一直是制造微芯片的材料。

實現這一目標的這項技術——光刻技術，對于任何記得膠片沖洗過程的人來說都很熟悉：光線穿過底片照射到涂有感光化學物質的紙張上，從而重現圖像。

在芯片領域，這種“圖像”的精度可以達到幾十個原子級別。波長非常窄的光源（介于紫外光和X射線之間）穿過芯片形狀的模板照射到硅晶片上。晶片表面的化學基底——光刻膠——會對光產生反應，并將模板圖案蝕刻到硅片上。

目前最先進的硅蝕刻技術——用于制造英偉達人工智能超級計算機以及蘋果下一代iPhone的芯片——精度可達10納米，約合60個硅原子。硅蝕刻技術的最終目標是將精度降低到5納米左右。如果精度再小一些，流經芯片的電流就無法保持穩(wěn)定。

在更小的空間內集成更多晶體管意味著可以用更少的能源獲得相同的處理能力——或者說，用相同的能源可以獲得更強的處理能力。因此，摩爾定律推動了移動計算革命和人工智能數據中心的蓬勃發(fā)展。

從暗箱到X射線光刻

用原子級精確光束蝕刻圖案的問題在于，被照射的材料也必須是原子級精確的，否則圖案就會模糊不清。

上世紀90年代，化學家們發(fā)明了一種名為金屬有機框架（MOF）的奇特物質。它是一種近乎完美的交替形狀結構，其中金屬原子將較長的碳基分子固定在類似晶格的軌道上。最神奇的是，它具有自組裝特性：在合適的條件下，它會自動形成規(guī)則的晶體結構。發(fā)現MOF的化學家們憑借這項發(fā)明榮獲了諾貝爾獎。

這些特性使得金屬有機框架成為理想的光刻膠——硅片上的化學層，它吸收光線以蝕刻出晶體管和連接的圖案。金屬有機框架的另一個優(yōu)點是：可以使用種類繁多的金屬和有機分子來構建它們。

設計光刻膠的關鍵是什么？“確保它具有某種非常非常小的規(guī)則結構，”約翰·霍普金斯大學五年級博士生凱莉·沃爾茲說道。最近，我拜訪了沃爾茲的導師——化學工程師邁克爾·察帕齊斯和化學家霍華德·費爾布拉澤的實驗室。他們的學生和博士后合作發(fā)表了一系列論文，開創(chuàng)了利用金屬有機框架制造芯片的先河。

在屏幕上，沃爾茲給我展示了一張藍鳥的超高倍放大圖像——藍鳥是約翰·霍普金斯大學的吉祥物。她用她領導的團隊發(fā)明的金屬有機光刻膠將圖像蝕刻到硅片上。（沃爾茲在大學的成功使她得以進入美光公司工作，該公司是全球頂尖的存儲芯片制造商之一。）

為了充分發(fā)揮這種新型光刻膠的原子級精度，光束也需要進行銳化。如今，采用荷蘭ASML公司生產的設備，利用極紫外光源制造出10納米特征的尖端芯片。每臺設備造價高達4億美元，體積堪比一輛城市公交車。為了蝕刻更小的特征，ASML或其新興競爭對手必須找到一種方法，將極紫外光轉換為波長更窄的X射線。

商業(yè)化障礙

我還采訪了另外三位研究人員，他們都對約翰·霍普金斯大學團隊的開創(chuàng)性工作贊不絕口。但他們也都探索過其他光刻膠化學品，這些化學品將與現有產品展開競爭，最終成為半導體公司最終選擇的材料。

挪威東南大學的王凱英表示，最終勝出的材料必須與現有的微芯片制造工藝兼容，因為這些工藝已經投入了數十億美元?！叭绾螌⑦@種工藝融入到目前成熟的半導體產業(yè)中，是一個挑戰(zhàn)。”他補充道。

布魯克海文國家實驗室高級科學家南昌勇表示，他認為金屬有機框架的特性使其成為一個極具吸引力的候選材料，盡管他本人目前正在研究一種基于現有方法的光刻膠方案。

約翰·霍普金斯大學的 Tsapatsis 表示，考慮到將金屬有機框架集成到商業(yè)芯片制造中的巨大工程挑戰(zhàn)，我們最早可能也要到 2040 年才能在晶圓廠看到它。

即便如此，如今的技術發(fā)展勢頭或許足以讓我們實現這一目標。假設蘋果公司繼續(xù)保持每年更新設備的節(jié)奏，屆時我們將迎來iPhone 32。智能眼鏡制造商需要性能更強大、功耗更低的芯片。人工智能公司也同樣如此，它們都在尋求既能滿足計算需求又不會增加能源消耗的芯片，因為能源消耗已經威脅到我們的電費賬單，甚至可能超過房貸。

據我采訪過的所有專家所說，到2040年以后，如果我們想讓芯片尺寸更小、設備功能更強大，我們可能不得不徹底放棄硅材料。不過，約翰·霍普金斯大學的研究團隊迎來了一個好消息：他們率先研發(fā)的金屬有機框架材料精度極高，未來或許可以利用它來為石墨烯或其他特殊材料制成的微芯片進行圖案化。

硅微芯片之后的事物——比如袖珍量子計算機，或者只有原子厚的晶體管——對于今天的人們來說，可能就像 20 世紀 60 年代戈登·摩爾開始制定規(guī)則時微芯片一樣陌生。

https://www.wsj.com/tech/silicon-chips-moores-law-photolithography-91b9ac4f?mod=tech_lead_pos3

（來源：編譯自WSJ）

*免責聲明：本文由作者原創(chuàng)。文章內容系作者個人觀點，半導體行業(yè)觀察轉載僅為了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業(yè)觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯(lián)系半導體行業(yè)觀察。

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