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每一次重大的技術飛躍都始于一臺改變一切的機器。蒸汽機開啟了工業(yè)革命。如今，數(shù)字革命正邁入一個新階段。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：它蘊藏在驅動它的芯片中，以及在芯片上印刷微小圖案的光刻機中。世界上最先進的芯片制造設備現(xiàn)已安裝在imec位于魯汶的潔凈室中，準備定義我們的技術未來。

有時，科技的出現(xiàn)會將世界推入一個新時代。人類發(fā)明車輪后，便開始利用畜力來運輸貨物和人員。幾個世紀后，隨著蒸汽機的出現(xiàn)，人力被機械動力所取代。第一臺蒸汽機原型機于1705年問世，但詹姆斯·瓦特花了六十年時間才將其改造成一臺實用且可規(guī)模化的機器。又過了六十年，工業(yè)革命重塑了經(jīng)濟格局：蒸汽機驅動著工廠、礦山和交通運輸系統(tǒng)，包括歐洲早期的鐵路。

科技進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，約翰內斯·古騰堡開始鑄造單個金屬字母，使得書面知識的復制速度達到了前所未有的水平。一個世紀后，出版商將這一流程規(guī)模化，發(fā)展成為早期的工業(yè)出版。科學論著、多語種圣經(jīng)、地圖集和詞典在歐洲大陸廣泛流傳，促進了學者、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)濟和科學發(fā)展奠定了基礎。

如今，什么機器象征著進步？

我們或許正經(jīng)歷著又一個轉折點，科技突破的到來速度遠超社會吸收的速度。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機器來象征這種加速發(fā)展，那會是什么呢？我們或許會想到運行人工智能應用程序的智能手機或筆記本電腦，或是數(shù)據(jù)中心里訓練人工智能模型的服務器。但這僅僅是更深層次技術基礎的表層。它們的計算能力之所以呈爆炸式增長，是因為其內部芯片的性能大幅提升。一部現(xiàn)代智能手機包含數(shù)十億個晶體管，其計算能力比當年引導阿波羅登月的計算機強數(shù)百萬倍。

性能的持續(xù)提升基于一個簡單的原理： 在更小的面積內集成 更多的晶體管。實現(xiàn)這一點需要通過數(shù)十種精細控制的化學和物理工藝，將芯片特征縮小到納米級。其中一項工藝——光刻技術——堪稱物理學的終極極限。 光刻技術利用光在感光材料上同時印刷許多微觀圖案。波長越短，“筆刷”就越精細。正因為筆刷不斷精細化，控制它的機器也發(fā)展成為有史以來最復雜的系統(tǒng)之一——其體積之大足以媲美城市公交車，內部蘊含著尖端的物理學和工程學知識。如果說有一臺機器能夠體現(xiàn)現(xiàn)代科技進步的精髓，那非它莫屬。

極紫外光刻：利用極紫外光進行繪畫

如今最先進的芯片離不開極紫外光刻技術——極紫外光指的是波長僅為13.5納米的光。產生這種光曾經(jīng)被認為是不可能完成的任務。地球上自然界并不存在極紫外光；大氣層會瞬間將其吸收，而且它通常只存在于太陽的外層。為了在地球上模擬這些條件，科學家們將每秒10萬滴熔融錫液滴射入真空室。一束強大的激光在精確的時刻多次照射每一滴錫液滴，產生等離子體，從而發(fā)射出短促的極紫外光脈沖。

而這僅僅是個開始。由于幾乎所有材料都會吸收極紫外光，透鏡根本無法發(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)過拋光處理，表面光滑度接近原子級——來引導和聚焦光線。將數(shù)百種這樣的突破性技術集成到一個可運行的系統(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將所有這些要素集成到一臺機器中的公司。2006年，經(jīng)過十年的研究，第一臺EUV演示工具抵達imec的 潔凈室。2019年，EUV技術已足夠穩(wěn)定，可用于工業(yè)規(guī)模的 芯片生產。自此，EUV光刻技術已成為每顆先進芯片——以及所有現(xiàn)代人工智能應用——背后的隱形引擎。

下一個重大突破：高數(shù)值孔徑極紫外光刻

Imec 的技術路線圖延伸至 2040 年，涵蓋了新材料、晶體管架構、互連技術和下一代光刻技術。這些進步將共同推動半導體行業(yè)邁向埃級時代——其關鍵芯片特征的實現(xiàn)將達到亞納米級。為了跨越這一門檻，我們需要更精細的工藝。EUV 的波長實際上無法進一步縮短。幸運的是， 瑞利判據(jù)表明，分辨率也取決于光學系統(tǒng)的數(shù)值孔徑 (NA)：更高的 NA 意味著更清晰的焦點和更精細的細節(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系統(tǒng)——其鏡片尺寸翻倍，重量增加十倍，并由 蔡司耗時數(shù)月打磨至原子級精度。最終誕生的高數(shù)值孔徑極紫外光刻機，毫不夸張地說，是下一個重大突破：它的大小堪比一輛雙層巴士，重量約為 150 噸。

但僅僅改進光學器件還不夠。從光刻膠化學、蝕刻到計量，所有下游工藝都必須重新設計，以匹配更高的分辨率。在imec和ASML位于費爾德霍芬的 聯(lián)合高數(shù)值孔徑（High NA）實驗室，整個工藝鏈都得到了優(yōu)化。2024年，imec首次證明高數(shù)值孔徑極紫外光刻（High NA EUV）能夠在晶圓上達到其理論分辨率——創(chuàng)造了一項世界紀錄。2025年，imec和ASML深化了戰(zhàn)略合作，確保ASML的最新設備，包括首臺高數(shù)值孔徑極紫外光刻機，都將安裝在imec的潔凈室中。

為什么 Angstr?m 時代從這里開始

就像畫家在粗筆和細筆之間切換一樣，芯片制造商將繼續(xù)使用現(xiàn)有的極紫外光刻機進行多層光刻——但高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術能夠滿足最苛刻的要求?，F(xiàn)有設備有時需要多次曝光，而高數(shù)值孔徑極紫外光刻技術只需一次曝光即可打印出最精細的線條 ——從而簡化工藝流程、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計師更大的創(chuàng)作自由，使他們能夠設計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：只有當材料、蝕刻工藝、清洗步驟、掩模和成像技術以及計量技術完美契合時，圖案才能真正呈現(xiàn)。imec 正是構建了這樣一個生態(tài)系統(tǒng)。在這個世界頂級的半導體研發(fā)中心，芯片制造商、材料供應商、設備供應商、計量專家和芯片設計師攜手合作，共同開發(fā)新材料、改進工藝步驟、減少缺陷并更新設計規(guī)則。

根據(jù)歐盟《芯片法案》，imec的基礎設施正在進一步擴展。一百多臺新的半導體設備正在安裝中，以打造 NanoIC試點生產線，從而鞏固歐洲在未來幾十年內于先進半導體研發(fā)領域的地位。該試點生產線將為初創(chuàng)企業(yè)、大學和創(chuàng)新型公司提供尖端芯片技術，用于測試創(chuàng)意并加速新應用的開發(fā)。

一扇通往我們目前尚無法預見的突破的窗口

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

以生物傳感器領域為例 。它的發(fā)展取決于我們能否精確地設計出在分子尺度上運行的結構。納米孔就是一個例子：在超薄膜上只有幾納米寬的微小開口。當一個分子，例如DNA鏈，穿過這樣的孔時，流經(jīng)其中的電流會發(fā)生變化。這些細微的變化揭示了DNA中堿基對的排列順序。對于DNA分析而言，這種方法已經(jīng)非常有效。但是對于蛋白質——這些決定我們體內發(fā)生一切的微型機器——來說，這個過程要復雜得多。

要并行分析數(shù)百萬種不同的蛋白質，需要成千上萬個（甚至可能數(shù)十萬個）納米孔同時工作，而且每個納米孔的尺寸都必須完全相同。芯片制造方法正成為實現(xiàn)低成本、高穩(wěn)定性納米孔的關鍵。得益于極紫外光刻技術，現(xiàn)在可以可靠地同時生產大量 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：它們的器件需要結構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在整個硅晶圓上定義圖案，從而在不損害量子比特賴以生存的精細相干性的前提下，實現(xiàn)這種穩(wěn)定性。換句話說：我們越能以原子級精度制造圖案，就越接近可擴展的硅基量子計算機。

因此，新一代光刻技術遠不止是一次技術升級。它更像是一根杠桿——一項基礎性技術，將驅動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，甚至推動硅基量子計算機的進步。

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

（來源：編譯自imec）

*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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