祝越

早在1958年9月12日，世界上第一枚芯片就被制造了出來。制造者是美國德州儀器公司的工程師杰克·基爾比，那時(shí)他沒有光刻機(jī)，甚至也沒有用到硅片，而是在一塊鍺晶上做出了幾個(gè)晶體管、電阻器和電容器，組成了一個(gè)移相振蕩電路。

這枚芯片非常粗糙，它與我們的手機(jī)芯片有著天壤之別。但它已經(jīng)傳達(dá)了芯片的基本概念：半導(dǎo)體材料制成的集成電路。

“半導(dǎo)體材料”就是其中的鍺，“集成電路”則意味著它將晶體管、電容器、電阻器等多個(gè)電子元器件集成在了同一塊鍺晶圓上，實(shí)現(xiàn)“單片集成”的想法。

這便是芯片的發(fā)明，也是最初的芯片制造過程。芯片的開端看起來很簡單，但它已經(jīng)為現(xiàn)代芯片制造將要面對的問題埋下了伏筆：如何將電路圖“復(fù)刻”到半導(dǎo)體晶圓片上？如何實(shí)現(xiàn)各元件之間的互連與隔離？如何利用半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性使其發(fā)揮功能？

所有的問題，構(gòu)成了60多年來芯片制造翻越的一座座高山，而如今，人們正面臨“先進(jìn)制程”的新壁壘。

如何理解“先進(jìn)制程”的壁壘？簡單而言，如果把芯片比作一幢別墅，晶體管就相當(dāng)于別墅里的家具。為了把更多的家具塞進(jìn)別墅，人們把家具造得越來越小。1958年，基爾比可以用雙手制造出這些家具，2023年，人類能夠熟練運(yùn)用光刻機(jī)制造3nm“大小”的家具。

挑戰(zhàn)之下，制造技術(shù)的革新必須是鏈條式的。光刻機(jī)光源波長縮短到13.5nm，機(jī)器內(nèi)部就要保證真空環(huán)境使光源不被吸收，用了幾十年的透鏡也得被替換成特制的反射鏡，接收光源的光刻膠也必須提高靈敏度……光源所到之處，一切都隨著它的變化而同步革新。

這樣一場從頭到腳的大換血耗費(fèi)了17年與無法計(jì)量的金錢，但最先進(jìn)的技術(shù)仍將在不久的未來到達(dá)極限。

科學(xué)家和工程師們腦海中創(chuàng)造性的思想火花還未停下，也不能停下。因?yàn)樾酒e(cuò)綜復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)中，凝聚的是設(shè)計(jì)者的創(chuàng)新夢想。拋開所有專業(yè)術(shù)語，芯片與建筑相似的另一點(diǎn)在于，它們都是設(shè)計(jì)者創(chuàng)意的物理實(shí)現(xiàn)。如果沒有制造技術(shù)使其落地，所有的創(chuàng)意只能是一種空中樓閣。

制造一枚芯片的過程，不僅是一次接一次科技的飛躍，更是一場造夢與圓夢的旅程。

三個(gè)環(huán)節(jié)，上千道工藝

基爾比的集成電路以鍺晶圓為“底座”，這是受限于當(dāng)時(shí)晶體管研發(fā)成果的權(quán)宜之計(jì)，他原本的集成電路構(gòu)想，就是和現(xiàn)代芯片的制造一樣，將所有元件都集成在硅片上。

芯片的制造從硅開始，制造流程可以簡單地劃分為三個(gè)環(huán)節(jié)：晶圓制造、芯片制造和芯片的封裝與測試。而實(shí)際的制造流程則要比“三個(gè)環(huán)節(jié)”繁復(fù)得多，例如最為困難的前道工藝芯片制造環(huán)節(jié)，就涉及光刻、刻蝕、摻雜、沉積、拋光、清洗等多個(gè)步驟，缺一不可，且其中有些步驟需要反復(fù)操作上百次。

但不論有多少工序，最終的目的都是一個(gè)，把硅片變成芯片，在半導(dǎo)體材料上實(shí)現(xiàn)芯片的功能。芯片的功能與基本運(yùn)作原理，是串聯(lián)起這上千道工序的邏輯線索。

所以，我們首先不得不問，芯片要實(shí)現(xiàn)什么功能？

作為一塊集成電路，芯片中的核心元件是晶體管。而晶體管和它的“前輩”真空管一樣，都是一種電子開關(guān)，這意味著它們都能在內(nèi)部控制單向電流，并實(shí)現(xiàn)電信號的開關(guān)、整流和放大。

在晶圓上蓋房子，得先將設(shè)計(jì)圖紙印在其表面。這一過程更像是在微觀世界里攝影，而相機(jī)是一臺價(jià)值數(shù)億美元的光刻機(jī)。

半導(dǎo)體材料獨(dú)特的導(dǎo)電性能，使其有了成為“開關(guān)”的條件。之所以稱之為“半導(dǎo)體”，是由于其導(dǎo)電能力既遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于銅線等導(dǎo)體，又遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于絕緣體。天生我材必有用，電子開關(guān)仿佛是半導(dǎo)體的本職。20世紀(jì)40年代以來，隨著真空管發(fā)熱嚴(yán)重、故障頻發(fā)、體積過大等問題的出現(xiàn)，科學(xué)家們亟需找到一種更小巧、快速且穩(wěn)定的替代品，由半導(dǎo)體制成的晶體管便應(yīng)運(yùn)而生。

硅是目前芯片制造中最常用的基底材料。事實(shí)上，純凈的硅是電中性的，但若是在硅中摻雜雜質(zhì)，就能改變其導(dǎo)電性能。

發(fā)現(xiàn)硅的這種特殊性能，是一次極其幸運(yùn)的偶然。1940年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究人員沃爾特·布拉頓與拉塞·奧爾發(fā)現(xiàn)，用手電筒照射一根硅棒時(shí)，其內(nèi)部產(chǎn)生了單向電流。這是人們首次在半導(dǎo)體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)單向電流。

電流的出現(xiàn)源于硅的不純凈。布拉頓發(fā)現(xiàn)，硅棒的一側(cè)混入了帶正電荷的雜質(zhì)，形成P（Positive）型硅，另一側(cè)混入了帶負(fù)電荷的雜質(zhì)，形成N（Negative）型硅，而硅棒的兩者交界處，形成了PN結(jié)。光照的能量打開了能量的“閘門”，使交界處的電子從能量高的一側(cè)流向另一側(cè)，單向電流得以產(chǎn)生。

因此，如果在PN結(jié)插入電極控制“閘門”，就能實(shí)現(xiàn)信號的開關(guān)與放大。硅與雜質(zhì)恰到好處的摻雜，也成為制作硅晶體管的重要環(huán)節(jié)之一。

那么，硅從哪兒來？英特爾公司的芯片制造宣傳片如此回答：從沙子中來。硅元素廣泛存在于巖石、砂礫、塵土之中，構(gòu)成地殼總質(zhì)量的近四分之一。由于它儲量豐富且易于獲取，硅基半導(dǎo)體也自然成為了目前應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料。

為了從沙子中提純出硅，必須讓它反復(fù)經(jīng)過高溫的洗禮，與焦炭、木炭、氯化氫氣體等物質(zhì)挨個(gè)親密對話。沙子先分離出純度98%-99%的工業(yè)硅，進(jìn)一步提純得到高純多晶硅，然后從硅液中提拉出單晶硅棒。這是制作芯片“地基”的原材料。

既然是地基，平整度就相當(dāng)重要。為此，從單晶硅棒到硅片，要承受多次拋光、打磨、化學(xué)溶液清洗。最終，從硅棒中切割出的硅晶圓片必須平整、光滑，沒有工序中的雜質(zhì)顆粒殘留，才能為此后建造大廈打好基礎(chǔ)。

在晶圓上蓋房子，得先將設(shè)計(jì)圖紙印在其表面。這一過程更像是在微觀世界里攝影，而相機(jī)是一臺價(jià)值數(shù)億美元的光刻機(jī)。拍照需要借助光掩膜版，即一張刻有集成電路圖的玻璃遮光板。

晶圓表面的顯影要借助光刻膠，以正膠為例，光刻機(jī)發(fā)出紫外光透過光掩膜版照射到光刻膠表面時(shí)，沒有與光接觸的膠體仍然保持堅(jiān)硬，被光照到的部分則會在后續(xù)的化學(xué)溶液中被侵蝕掉。通過光刻膠的一去一留，晶圓片上便印出了集成電路圖案。

如果說光刻是將設(shè)計(jì)圖紙印在地基上，刻蝕就是沿著已有圖案進(jìn)行雕刻。借助化學(xué)溶液或氣體，晶圓表面沒有光刻膠保護(hù)的部分被刻蝕出一道道溝渠。雕刻完成，光刻膠也被清洗掉，地基的結(jié)構(gòu)便搭好了。

要讓地基中的溝渠發(fā)揮其功能，摻雜工藝便登場了。通過在硅中摻雜雜質(zhì)形成PN結(jié)，柵極才能真正發(fā)揮電子開關(guān)的作用。摻雜工序有擴(kuò)散和離子注入兩種工藝，目前，離子注入的方式因其準(zhǔn)確性而得到更為廣泛的使用。

摻雜完成后，還要通過“薄膜沉積”將晶圓片的各個(gè)元件互連或隔離。顧名思義，這項(xiàng)工藝能夠在晶圓片表面沉積一層金屬層，它們充當(dāng)了過去電路中金屬連線。同樣，沉積的薄膜也可以是絕緣層，它們使不相干的元件互不打擾。

至此，芯片的大廈還僅僅只建好了一層。為了之后能夠反復(fù)通過光刻、刻蝕、沉積繼續(xù)搭建樓房，晶圓表面需要經(jīng)過化學(xué)機(jī)械拋光。簡單而言，就是同時(shí)借助化學(xué)溶液的侵蝕和物理機(jī)械的打磨，使晶圓進(jìn)一步平坦化。

繁復(fù)的工藝結(jié)束后，制作完成的晶圓大廈要進(jìn)行驗(yàn)收。在晶圓上的一枚枚芯片被切割下來之前，先要測試一遍參數(shù)。通過測試后，再將芯片切割、封裝保護(hù)起來，并再次測試其性能是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

經(jīng)過反復(fù)的雕刻與打磨，最終測試通過后，一枚現(xiàn)代芯片才終于真正誕生。

“這么復(fù)雜的東西是怎么發(fā)明出來的？”在芯片制造過程的講解視頻評論區(qū)，有網(wǎng)友感到震撼與疑惑。如果不去回溯芯片的發(fā)展歷史，確實(shí)很難想象如此復(fù)雜的工藝從何而來。

芯片并非一項(xiàng)一蹴而就的“發(fā)明”。若是從基爾比那塊粗糙的單片集成電路開始梳理，就能更好地理解芯片制造技術(shù)是如何積累起來的。為了將元件互連線也集成到晶圓片內(nèi)部，金屬膜沉積的點(diǎn)子出現(xiàn)了；為了制造出極小而精巧的晶體管，光阻劑與光刻的靈感被捕捉到；而為了保證晶圓表明平坦，不受雜質(zhì)干擾，科學(xué)家們又研發(fā)了多種物理和化學(xué)拋光研磨的工藝。

如今，芯片制造仍在朝著精細(xì)化的方向發(fā)展。也許這樣去理解芯片制造才更準(zhǔn)確：如今我們所看到的仍然是芯片制造技術(shù)發(fā)展的過程，而非單一發(fā)明的結(jié)果。

技術(shù)精細(xì)化，晶圓廠的權(quán)衡

精細(xì)是芯片制造技術(shù)發(fā)展的方向，也是芯片制造流程中最為突出的特點(diǎn)。對工藝的精密、精準(zhǔn)、純凈的要求，貫穿了芯片制造全程。

晶圓廠或許是世界上對工作質(zhì)量要求最為嚴(yán)苛的工廠。值得慶幸的是，其中的核心員工主要是各類加工儀器。

從這個(gè)意義上說，晶圓廠或許是世界上對工作質(zhì)量要求最為嚴(yán)苛的工廠。值得慶幸的是，其中的核心員工主要是各類加工儀器。

芯片制造的精細(xì)首先體現(xiàn)在原材料的純凈度上。作為芯片基底材料的硅并非普通的硅，而是純度達(dá)到99.9999999%-99.999999999%的高純多晶硅。這9～11個(gè)9，標(biāo)志著硅材料超越了制造光伏材料的太陽能多晶硅，邁上了“電子級多晶硅”的高度。

制造工藝中最常用的另一種材料—水，也同樣高度純凈。在晶圓加工流程中，50%以上的工序需要晶圓與超純水直接接觸，80%以上的工序需要化學(xué)溶液處理，也間接與超純水有關(guān)。半導(dǎo)體工藝中用到的超純水剔除了電解質(zhì)、溶解氣體、微粒，幾乎完全清除了氫和氧原子以外的所有雜質(zhì)，已經(jīng)是目前科技下能夠量產(chǎn)出的最純的水。

自然，芯片的制造環(huán)境同樣要求絕對的潔凈。晶圓廠制作車間被稱為“凈室”（clean room），要求達(dá)到國際潔凈等級的最高等級ISO1級，即在一立方英寸的空間中，直徑大于0.1微米的塵埃粒子不能超過10個(gè)，相當(dāng)于在武漢東湖中投入10粒小石子。除了細(xì)菌、微粒之外，凈室還要精密調(diào)控室內(nèi)的溫度、濕度、壓強(qiáng)、微震動等指標(biāo)，潔凈程度能達(dá)到醫(yī)院手術(shù)室的100000倍。

極度的純凈，都是為了保護(hù)脆弱的晶圓不受到雜質(zhì)的損害。晶圓如同一個(gè)嬌弱的公主，如果要與人們耳熟能詳?shù)耐愣构鲗Ρ?，那讓晶圓公主徹夜難眠的那顆豌豆，也得是微米甚至納米級的。

對晶圓表面的“平坦化”也是精細(xì)加工的一環(huán)。不論是單晶硅棒上切割出的硅片還是制作過程中的晶圓，都需要不斷地打磨、拋光。這與芯片制造的核心工序光刻有關(guān)，在光刻時(shí)，硅片就像一塊投影幕布，如果幕布不夠平坦，就會影響光刻圖像的精度。因此，化學(xué)機(jī)械拋光工藝（CMP）至關(guān)重要，在先進(jìn)制程的7nm工藝中，CMP步驟需要重復(fù)30次以上。

而在最關(guān)鍵的光刻步驟中，工藝的精密性集中體現(xiàn)在光刻機(jī)的分辨率上。將光刻工藝比作拍照，分辨率關(guān)系到的，就是光刻機(jī)單次曝光能夠在光刻膠上刻出的最小尺寸。目前，隨著光刻機(jī)發(fā)展進(jìn)入EUV階段，用上了波長只有13.5nm的極紫外光，極短的光波長使光刻分辨率進(jìn)一步提高，以推進(jìn)5nm及以下的芯片制程。

除此之外，光刻之后的刻蝕、摻雜等環(huán)節(jié)，同樣要求極高的工藝精準(zhǔn)度。以摻雜環(huán)節(jié)為例，其目的是通過在純硅中摻雜氮、磷等物質(zhì)使其形成PN結(jié)，可以通過熱擴(kuò)散和離子注入兩種工藝實(shí)現(xiàn)。但相較而言，離子注入能夠更為精準(zhǔn)地將雜質(zhì)離子轟擊到晶體內(nèi)部，它就像神槍手一般，必須精準(zhǔn)地控制摻雜的劑量和深度。這既是離子注入相較于擴(kuò)散工藝的優(yōu)勢，也是難點(diǎn)。

為何制造工藝需要達(dá)到如此精細(xì)的程度？除了芯片本身的脆弱之外，工藝的精細(xì)化發(fā)展與芯片制程的不斷縮小緊密相關(guān)。

芯片的制程，或者稱為技術(shù)節(jié)點(diǎn)，指的是芯片中晶體管的最小特征尺寸。20世紀(jì)70至90年代，技術(shù)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的是晶體管的半節(jié)距，此后半導(dǎo)體廠商又用柵長來表示技術(shù)節(jié)點(diǎn)。不論定義如何，制程越小，晶體管越小，在芯片中的排列密度越大。隨著芯片制程縮小，晶體管的尺寸從微米級別縮小到納米級別，芯片中的晶體管數(shù)量也從幾個(gè)增長到了上百億個(gè)。

制程的縮小能帶來切實(shí)的好處。晶體管數(shù)量的增加既有利于降低芯片的成本，也能夠提高芯片的整體性能。

但隨著芯片制程的不斷縮小，行業(yè)內(nèi)具有競爭力的晶圓制造廠也逐漸減少。雖然關(guān)于芯片制程的定義各有標(biāo)準(zhǔn)，但顯而易見的是，在28nm制程位置，行業(yè)內(nèi)還有臺積電、格羅方德（Global Foundries）、聯(lián)電、三星、中芯國際和華力微電子等7家公司彼此競爭。而到了10nm制程以下，場上的主要競爭者已經(jīng)只剩下了英特爾、臺積電和三星，臺積電已經(jīng)能夠量產(chǎn)5nm制程芯片，而中芯國際仍在沖擊7nm制程。

一般而言，行業(yè)內(nèi)將28nm作為“成熟制程”與“先進(jìn)制程”的分水嶺。從28nm向10nm的前進(jìn)之路，也越發(fā)艱難。

玩家的減少有客觀的研發(fā)困難因素，同時(shí)也是一種主動選擇。半導(dǎo)體晶圓廠如果要追逐更小制程帶來的利益，就必須同時(shí)面對精細(xì)化工藝要求下的芯片良率壓力。制程越小，需要的制造精度也越高。如果制造技術(shù)跟不上先進(jìn)制程芯片的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致芯片良率降低，則反而會推高加工成本，得不償失。

是搶先開拓先進(jìn)制程芯片的市場，同時(shí)承受技術(shù)研發(fā)的壓力，還是守住已有技術(shù)，不斷提升成熟制程良率，這是擺在半導(dǎo)體晶圓廠商面前的選擇。

從28nm向10nm的前進(jìn)之路，也越發(fā)艱難。玩家的減少有客觀的研發(fā)困難因素，同時(shí)也是一種主動選擇。

2018年，格羅方德和聯(lián)華電子就宣布退出7nm制程工藝的研發(fā)。格羅方德強(qiáng)調(diào)先進(jìn)制程工藝不是唯一的選擇，公司目前已有的22nm FD-SOI工藝以及14/12nm FinFET工藝，依然有廣闊的市場。

退出先進(jìn)制程，是公司對研發(fā)成本與產(chǎn)品市場的平衡。芯片是一種商品，需要考慮市場的回報(bào)。格羅方德首席執(zhí)行官Tom Caulfield提到，整個(gè)行業(yè)對14/16nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的需求是28nm的一半，而7nm的需求可能只有14/16nm的一半?！爱?dāng)我們展望2022年，代工市場將有三分之二的份額在12nm及以上節(jié)點(diǎn)，所以我們并不是在放棄大部分的市場?！?/p>

半導(dǎo)體晶圓廠的取舍與權(quán)衡，顯示出了先進(jìn)制程發(fā)展中芯片制造之難的另一側(cè)面，即投入成本。這不單單指向金錢，更是研發(fā)時(shí)間與人力物力。

而此時(shí)此刻代工廠們的躊躇與考量，與1965年的戈登·摩爾的思考，都指向了同一個(gè)問題—芯片的成本，能降下來嗎？

高昂的成本，不停的腳步

芯片的先進(jìn)制程迭代，本質(zhì)上是制造技術(shù)精細(xì)化的發(fā)展過程，而最初將這種精細(xì)化發(fā)展總結(jié)為規(guī)律的，就是美國工程師戈登·摩爾。

1965年的摩爾面臨的是芯片的成本困境。當(dāng)時(shí)新推出的“微邏輯”芯片受制于不成熟的工藝，導(dǎo)致大量芯片報(bào)廢，高良率的難以實(shí)現(xiàn)使得芯片價(jià)格居高不下，難以觸及大眾市場。

與此同時(shí)，他也發(fā)現(xiàn)了解決芯片成本問題的可能性。當(dāng)時(shí)，通過能夠持續(xù)縮小尺寸的MOS晶體管和能一次性刻印眾多晶體管的光刻技術(shù)，有望在未來實(shí)現(xiàn)芯片規(guī)?；a(chǎn)，這使得芯片價(jià)格能夠降至大眾能夠負(fù)擔(dān)的水平。

著名的摩爾定律便由此誕生：芯片上的元件數(shù)量每兩年翻一番，就能讓芯片始終保持最低成本。這是摩爾依據(jù)此前幾年芯片上的元件數(shù)量做出的總結(jié)與預(yù)測。

事實(shí)上，這只是在一篇題為《在集成電路中塞進(jìn)更多的元件》的文章中，所做出的對未來的預(yù)測，并非客觀的物理定律。但在此后的幾十年里，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)確實(shí)沿著摩爾定律預(yù)言的節(jié)奏穩(wěn)步前進(jìn)。

摩爾定律既像一根指揮棒，指引工程師們?nèi)フ业侥莻€(gè)成本最低點(diǎn)，又像是一種信念，每當(dāng)技術(shù)發(fā)展遇到障礙，人們總能研發(fā)出新的工藝，以繼續(xù)在摩爾定律的的節(jié)奏下前進(jìn)。

而維持摩爾定律最大的難點(diǎn)，也是芯片制造流程中最為復(fù)雜和關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，仍然是光刻。

光刻技術(shù)的重要性已經(jīng)無需贅述，目前國內(nèi)光刻機(jī)研發(fā)被“卡脖子”的狀況，也使得光刻技術(shù)與設(shè)備受到人們的廣泛關(guān)注。如果在網(wǎng)上搜索“光刻機(jī)”相關(guān)電子書，甚至能搜到不少圍繞光刻機(jī)展開的網(wǎng)絡(luò)爽文，爽文中“開局造出光刻機(jī)”的設(shè)定雖然不切實(shí)際，但其中也能窺見人們寄托的一絲向往。

前面已提到，光刻的精度與其分辨率直接相關(guān)，而分辨率則關(guān)系到光的波長。簡單來說，隨著晶體管尺寸縮小，精度要求提升，光的波長也需要不斷縮小。

如何縮短光源波長，成為光刻技術(shù)發(fā)展的主要線索之一。

1952年，美國工程師杰伊·萊斯羅普用一臺三目顯微鏡制成最原始的光刻機(jī)時(shí)，所使用的光源還是簡易燈泡發(fā)出的可見光。20世紀(jì)60年代至80年代，光源從高壓放電汞燈的436nm發(fā)展至365nm，直到2002年，光源已經(jīng)發(fā)展至深紫外光（DUV）波段的248nm以及193nm。

2002年，人們對下一代光刻機(jī)的波長規(guī)劃為157nm，但卻遇到了問題，157nm的紫外光在空氣中被氧分子吸收，無法有效地照射到晶圓上。

為了解決157nm的瓶頸，華裔工程師林本堅(jiān)發(fā)明了“浸沒式光刻”技術(shù)?！敖]”借助水的折射作用，在光刻機(jī)的鏡頭和晶圓片之間敷上一層薄薄的超純水，使193nm的紫外光波長縮短至134nm，直接跳過了157nm的技術(shù)發(fā)展階段。

目前，光刻機(jī)已經(jīng)發(fā)展到第五代，采用極紫外光（EUV）光源，波長縮短至13.5nm。更短的波長為摩爾定律的推進(jìn)帶來了新的希望，同時(shí)也帶來了新的困難。

光源的產(chǎn)生就是一件難事。要用激光產(chǎn)生EUV光源太難了，科學(xué)家們想出一種方法，將金屬錫高溫熔化，把極其細(xì)微的錫液滴噴灑在空腔內(nèi)，先用一束低功率激光照射液滴將其壓成“薄餅”形狀，增大受光面積，再用高功率激光以每秒五萬次的頻閃照射這些液滴，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃铺栔械牡入x子體。通過這種復(fù)雜的方式，才能激發(fā)出13.5nm的EUV光源，同時(shí)還保證輸出光源功率達(dá)到制造芯片所需的強(qiáng)度。

產(chǎn)生光源只是“萬事開頭難”的第一步。要真正用上EUV光刻機(jī)，設(shè)備內(nèi)部涉及的所有關(guān)鍵部件，例如鏡片、發(fā)射激光的激光器等等，都需要同步配套研發(fā)。

摩爾定律的失效—當(dāng)晶體管尺寸縮小到一定程度時(shí)，“量子隧穿”效應(yīng)將變得非常顯著。

一枚反射鏡就會成為大難題。13.5nm的EUV光波長太短，接近X射線，因此更傾向于被物質(zhì)吸收而不是反射。針對這一問題，德國的先進(jìn)光學(xué)系統(tǒng)公司蔡司開發(fā)了一種納米級精度的鏡子，它的表層是硅和鉬交錯(cuò)的幾納米薄層，借助兩種材料的折射率差異以實(shí)現(xiàn)反射。不僅如此，它在平滑度上也達(dá)到了歷史新高，假如將其放大至德國的領(lǐng)土面積，最大的凹凸不平處僅為0.1毫米。

可見，要提高芯片制造的精度，并非簡單的“縮短光波長”可以概括。技術(shù)的進(jìn)步牽一發(fā)而動全身，這也驟然拉高了光刻機(jī)的研發(fā)難度與成本。EUV光刻機(jī)擁有數(shù)十萬個(gè)部件，花費(fèi)了數(shù)百億美元和幾十年的時(shí)間不開發(fā)和改進(jìn)。為了保證關(guān)鍵部件的供應(yīng)，EUV光刻機(jī)公司阿斯麥爾僅2016年就向蔡司支付了10億美元用于研發(fā)。

不只是光刻機(jī)，越發(fā)精細(xì)化的制造工藝中，刻蝕機(jī)、離子注入機(jī)等設(shè)備都成為了眾人仰望的“高嶺之花”。研發(fā)的艱難與成本的高昂，成為了橫亙在芯片制造入局者面前的兩座高山。

芯片先進(jìn)制程發(fā)展至今，我們仿佛又回到了成本困境的原點(diǎn)。但事實(shí)上并非如此，因?yàn)槿缃竦陌雽?dǎo)體行業(yè)所面對的，不只是成本與市場的矛盾，更是摩爾定律的失效—當(dāng)晶體管尺寸縮小到一定程度時(shí)，“量子隧穿”效應(yīng)將變得非常顯著。簡單來說，就是大量電荷會穿透絕緣層泄露，使晶體管無法正常開關(guān)，那么它也無法再行使“電子開關(guān)”的本職。

新的極限即將到來，芯片制造又將走向何方？

展望未來之前，我們還得再次回到摩爾定律開始的原點(diǎn)。性價(jià)比的提升，一直以來被視作摩爾定律的核心意義。然而摩爾對芯片的未來做出如此預(yù)測，遠(yuǎn)不止是出于降低芯片成本的考慮。

重要的是我們?yōu)槭裁葱枰酒Ｄ栐谀瞧恼轮腥绱藢懙溃骸凹呻娐穼槲覀儙砀鞣N奇跡：家用電腦、自動駕駛汽車、個(gè)人移動通信設(shè)備，以及帶有顯示屏的手表……”

如今，我們已經(jīng)可以期待更多。人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、腦機(jī)接口……它們都依賴于更強(qiáng)的算力，也就依賴于更為精細(xì)的芯片的實(shí)現(xiàn)。

而這些實(shí)現(xiàn)最終需要的東西，仍然與1965年相同，不是成本計(jì)算與商業(yè)運(yùn)營，而是我們對世界的想象。