一台比英国伦敦双层巴士还要大的强力光源创造了新纪录：它能在硅片上制造出宽度仅为8纳米的结构。这是单次使用商用芯片图案化系统制造出的最小结构。据该系统制造商称，与此前用于此类制造的光源相比，该系统制造的计算机芯片上集成的晶体管数量将增加2.9倍。

这种芯片图案化系统利用极紫外光在硅片上“绘制”图案。图片来源：ASML

该设备将极紫外光（EUV）通过带有图案的“掩模”投射到涂有光敏化学物质的硅晶圆表面。在光照射下，这些化学物质会按照相同的图案固化。随后，对晶圆进行化学蚀刻并重复该过程，能够制造出芯片的所有电子元件，包括被称为晶体管的微型开关和连接它们的精细线路。

这种被称为EUV光刻的技术并非新鲜事物。但这一创纪录的设备配备了超强光学原件，能够制造出更小的晶体管。在给定面积的芯片上集成数量越来越多且尺寸越来越小的晶体管，能够推动计算技术的进步。晶体管数量更多的芯片还能帮助人工智能数据中心在不增加能耗的情况下处理更多计算任务。

该系统近期在美国圣何塞举行的SPIE先进光刻与图案化会议上进行了介绍，由该系统制造商——总部位于荷兰的ASML进行了展示。

ASML已向其客户交付了约10台此类EUV设备，每台造价约4亿美元，其客户包括美国英特尔公司和韩国SK海力士公司。ASML研究计量部门负责人Maarten Voncken表示，这些公司将利用这些设备制造其下一代芯片。Voncken表示，得益于人工智能的蓬勃发展，“芯片数量和工艺缩放方面的需求都达到了空前规模”。

用于智能手机和人工智能数据中心的高性能计算机芯片，其特征结构的制造精度已接近原子级。芯片行业遵循摩尔定律，即芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番。这并非自然法则，但在工程师和物理学家的努力下一直被验证。然而，随着人工智能对更高速芯片的需求不断增长，要延续摩尔定律变得越来越困难。

光刻系统的改进能够有所帮助。光的波长越短，越能在晶圆上蚀刻出越小的特征。光处理系统的特性也至关重要。具有更高无量纲参数“数值孔径”的系统，能够以更广的角度范围发射光线。这会带来更好的图像对比度，从而实现更高的分辨率，意味着芯片制造商可以利用这些系统在芯片上集成更高密度的晶体管。

上世纪90年代至21世纪初使用的光刻设备采用波长为193纳米的深紫外光，这是当时利用常见的透镜类型所能聚焦的最短波长。

相比之下，ASML设备产生的EUV波长仅为13.5纳米。上世纪80年代在美国贝尔实验室从事EUV光刻研究的电气工程师Jeffrey Bokor说，数十年前，EUV光刻技术的研究“曾被视为异想天开”。这种看法并非毫无道理：EUV几乎会被所有物质吸收，包括透镜甚至空气，唯有借助极其精密的反射镜才能对其进行控制。

为产生EUV，ASML的设备利用激光轰击真空环境中的熔融锡液滴。这一过程会产生一种能发射EUV的等离子体。为了将光线导向芯片，这些设备使用了由德国蔡司光学公司制造的由纳米级薄层硅和钼制成的镜片。Bokor说，如果镜面上存在仅几个原子大小的微小瑕疵，成像质量就会受到影响。

Voncken表示，ASML最新EUV光刻机中的镜片比上一代更大，其中一些镜片直径超过一米，且形状略有不同。此次升级意味着最新设备的数值孔径达到0.55，而旧款机型仅为0.33。

在比利时独立半导体研究机构Imec进行的测试中，这些改进使ASML的新设备能够制造出尺寸前所未有的结构。

Voncken表示，ASML正在努力将数值孔径提升至0.75，他们将这一数值范围命名为“超数值孔径”（hyper-NA）。超越hyper-NA后，若要进一步提升光刻分辨率，就必须转向更短的波长，甚至深入X射线波段。但Bokor指出，改变波长将需要对整个系统的所有部件进行调整。此外，如果晶体管尺寸比当前使用的更小，就会发生电荷泄漏，从而降低芯片性能。

Imec光刻研究副总裁Geert Vanderberghe表示，未来的发展方向不在于将更多晶体管塞进二维空间，而在于堆叠。Imec技术路线图中的未来设计方案包括将两个晶体管上下堆叠。堆叠更多层则面临技术挑战，因为计算产生的大量电子流动会产生难以散发的热量，至可能熔化芯片。工程师目前正在研究散热方案。