光刻机的诞生

1958年9月，一个叫莱思罗普的美国物理学家，他正在为自己研制的芯片尺寸过大，无法装进设备而烦恼。

有一天，他在用显微镜观察芯片上的晶体管时，突发奇想：既然显微镜的原本功能是把东西放大，如果把显微镜倒过来，那么某个很大的东西，肯定就会被缩小。按照这个原理，如果把一个芯片电路图放在显微镜的物镜那一端，肯定会在另一端，呈现出一个大大缩小的版本。

有了这个点子，莱思罗普就非常兴奋，但他还不满足，他又想到，摄影器材公司柯达，发明了一种制造胶卷的材料，叫感光树脂，遇到光之后，树脂就会发生化学反应，变硬，容易去除。那么，如果用一束光先穿过显微镜头上覆盖的芯片电路图，再打到覆盖着感光树脂的半导体材料表面，然后把这块半导体放到特殊的化学液体中洗一洗，那么半导体表面，被光照射过的感光树脂就会变硬脱落，下面的部分就被腐蚀，于是芯片电路图就这样，被精确地“刻”在了半导体表面，如同一个小型迷宫。接下来，再把磷、硼等材料注入这个小型迷宫，那么就会自动在每个节点，自然形成晶体管。

莱思罗普的这个制造微型芯片的天才想法，就被称为光刻，而曾经被用于制造胶卷的感光树脂，也有了一个新名字，光刻胶。

用光刻法能够便捷、精确地大量生产芯片，芯片尺寸在大大缩减的同时，还能容纳更多的晶体管。可以说，莱思罗普发明的光刻制造法，为计算机效能的持续提升迭代打下了坚实的基础。没有光刻制造，人类近十年来的各项科技成就，从登月、互联网，到人工智能技术，都不可能实现。

在今天，利用光刻法制造芯片，就需要用到结构超级复杂的光刻机。行业巨头荷兰阿斯麦公司制造的高端光刻机，配件多达10万个，单台造价超过1亿美元。

如果把光想象成一把刻刀的话，那么光波越短，这把刻刀就越锋利。在新闻报道里，我们经常听到，说先进的计算芯片，到达了多少纳米标准。那么这是什么意思呢？比如，7纳米芯片意味着，它的每个晶体管之间，只允许有几纳米的间隔距离，相当于一根头发丝粗细的万分之一。要制造这样的芯片，就必须采用一种特殊的光，也就是极紫外光，它的波长只有13.5纳米，是可见光波长的几十分之一。

要有效控制极紫外光并非易事，因为它只能在真空中传播，也不能够和普通光线一样被透镜聚焦反射，只能借助一种昂贵的设备，叫布拉格反射器获得，方法听起来有点疯狂，就是通过向高温气态金属发射强力激光才能获得。这些神奇的光线，沿着光刻机中多个反射器向下移动，最终达到硅晶片，进行刻印，公差能够保持在惊人的十亿分之几米这样的范围内。人类对于精确的追求，和实现的手段，在这一刻，达到了一个空前绝后的水平。

1971年，芯片巨头英特尔推出了著名的4004芯片，在宽度12微米的芯片上，放置着2300多个晶体管，这些晶体管之间的距离是几微米；但仅仅在半个世纪后，苹果iPhone 12手机所采用的A14芯片，就能在88平方毫米的表面积上，容纳118亿个微型晶体管，这些晶体管之间的间隙，已经达到了几纳米；一纳米，也就是1米的十亿分之一，甚至比单个新冠病毒的直径还要小。

来源：得到听书《追求精确》

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