芯片是我們這個(gè)時(shí)代最神奇的產(chǎn)品，也是一種特別可靠的產(chǎn)品。手機(jī)里有很多個(gè)芯片，可如果誰的手機(jī)壞了，一般是屏幕壞了或里面某個(gè)會(huì)活動(dòng)的小組件壞了，你大概沒聽說過芯片壞了。芯片幾乎不會(huì)壞，因?yàn)樗褪且粋€(gè)硅塊，上面一個(gè)活動(dòng)的部件都沒有，無數(shù)個(gè)晶體管不是被“安裝”在芯片上，而是被“刻”在芯片上的，如同印刷一本書。

用什么東西刻呢？光刻機(jī)。這是人類有史以來最復(fù)雜的機(jī)器。我相信它比飛機(jī)、火箭、宇宙飛船更復(fù)雜，難度更高。因?yàn)槠渌麞|西的制造技術(shù)至少在原則上可以由一個(gè)國家掌握，但沒有任何一個(gè)國家能掌握最尖端光刻機(jī)的全套制造技術(shù)。研發(fā)光刻機(jī)，是一個(gè)絕對(duì)意義上的跨國工程。

光刻的基本原理，就是用光把芯片藍(lán)圖縮小，投影到硅片上，跟表面化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)完成刻蝕。最早的光刻用的是普通光源，而普通光源的極限精度是幾百個(gè)納米（1納米=10-9米）。要想在單位面積上繼續(xù)增加晶體管，必須提高光刻精度，就得用波長更短的光。一開始是用紫外光，然后是深紫外光，很快深紫外光也會(huì)達(dá)到瓶頸。每兩年就能讓晶體管密度增加一倍的摩爾定律，似乎即將結(jié)束。

最不希望摩爾定律到達(dá)天花板的是美國的英特爾公司，因?yàn)橛⑻貭柕腃PU性能是跟著摩爾定律成長的。所以英特爾力推開發(fā)新的光刻技術(shù)。接下來的事情大約可以分為三步：

第一步是科學(xué)上的可能性。這一步純屬務(wù)虛，科學(xué)家設(shè)想了各種方法——直到今天也有各種新設(shè)想——在1992年，各方的共識(shí)是應(yīng)該使用波長為13.5納米的極紫外光。這只是一個(gè)設(shè)想，距離做出來光刻機(jī)還差得很遠(yuǎn)。

第二步是技術(shù)上的可行性。這一步就不能由著科學(xué)家小打小鬧了，必須投入巨資讓工程師參與。1996年，英特爾聯(lián)合幾家芯片廠和幾個(gè)國家實(shí)驗(yàn)室成立了一個(gè)聯(lián)盟，全力開發(fā)光刻技術(shù)。英特爾承擔(dān)了大部分經(jīng)費(fèi)。歷經(jīng)數(shù)年，才算大致知道極紫外光刻機(jī)應(yīng)該怎么實(shí)現(xiàn)。

第三步才是具體實(shí)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)，全世界只有3家公司有可能造出來極紫外光刻機(jī)，包括日本的佳能和尼康、荷蘭的ASML。美國不想把這么關(guān)鍵的技術(shù)給日本，最后ASML得到了制造極紫外光刻機(jī)的技術(shù)授權(quán)。美國還要求ASML必須把幾個(gè)關(guān)鍵部件留在美國生產(chǎn)。

但ASML也不是拿過來就能干，從技術(shù)上可行到實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，還有十萬八千里。

首先需要得到極紫外光。要先制造一種直徑是三千萬分之一米的小錫球，讓它以每小時(shí)200英里的速度在真空中移動(dòng)，然后用激光對(duì)小錫球進(jìn)行兩次打擊。第一次是提高小錫球的溫度，第二次是讓小錫球爆炸，把它變成溫度達(dá)50萬攝氏度的等離子體——這個(gè)溫度比太陽表面的溫度還要高得多。這個(gè)噴射錫的過程每秒鐘要重復(fù)5萬次，才能得到可以用來光刻的極紫外光。

這個(gè)過程說著簡單，但每一步都需要?jiǎng)?chuàng)新。先要找一家叫通快的德國公司開發(fā)那個(gè)激光器。他家的專長就是二氧化碳激光器，但是其每次產(chǎn)生的能量中有80%是熱，只有20%是激光。這就有個(gè)散熱問題。以前都是用風(fēng)扇散熱，可是光刻機(jī)要求風(fēng)扇每秒鐘要轉(zhuǎn)1000次，沒有一個(gè)物理軸承能承受這樣的風(fēng)扇。于是，通快專門開發(fā)了一個(gè)磁懸浮風(fēng)扇……

有了激光，用激光轟擊錫球的時(shí)候，錫球反光怎么辦？怎么保證錫球氣體的密度是恒定的？這些都是問題。于是，這臺(tái)激光器，通快公司用了10年才生產(chǎn)出來。這臺(tái)激光器本身就有457329個(gè)零部件。

用激光器擊打錫球成功了，還得把產(chǎn)生的極紫外光收集起來，為此需要鏡子?？墒菢O紫外光的波長太短，打在一般東西上都被吸收了，并不會(huì)被反射。有一篇1998年的論文說可以用金屬鉬和硅交替排列制作能反射極紫外光的鏡子。研究人員一算，發(fā)現(xiàn)這個(gè)鏡子必須是分層的：一層金屬鉬一層硅交替排列，每層的厚度只有幾納米，而且要做100層。后來又是一家叫蔡斯的德國公司把這個(gè)鏡子做出來了——那應(yīng)該是有史以來最光滑的物體，號(hào)稱如果把鏡子放大到整個(gè)德國那么大，其中凹凸不規(guī)則的部分，也只有1/10毫米。

整個(gè)光刻過程差不多是這樣：二氧化碳激光器轟擊錫球得到極紫外光，再用鏡子把極紫外光收集起來透射到硅片上——最終完成的光刻機(jī)有火車頭大小，有數(shù)十萬個(gè)零部件。

ASML最厲害的本事還不是這些具體的研發(fā)工作，而是對(duì)供應(yīng)商的協(xié)調(diào)和管理。

ASML自己只能生產(chǎn)15%的零部件。其他零部件，往往別的公司也沒有現(xiàn)成的，需要研發(fā)。像前面說的做激光器和做鏡子的那兩家德國公司，得投入巨資長期研發(fā)才行。而光刻機(jī)的供應(yīng)商總共有數(shù)千家公司。于是，ASML一方面直接贊助研發(fā)，比如，給德國蔡斯公司提供10億美元去搞鏡子；另一方面強(qiáng)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)和紀(jì)律：如果有哪個(gè)供應(yīng)商不聽話，ASML可能會(huì)收購它。

直到21世紀(jì)初，經(jīng)過了二三十年，ASML才終于把極紫外光刻技術(shù)光刻機(jī)做出來。這是一種非常貴的機(jī)器。每臺(tái)價(jià)格超過一億美元不說，買回來還有極高的維護(hù)成本。ASML盡了最大的努力，讓光刻機(jī)的每個(gè)零部件平均至少可以使用3萬小時(shí)而不壞。但考慮到光刻機(jī)有那么多零部件，它們不能同時(shí)壞，ASML還開發(fā)了一個(gè)預(yù)測性的算法，能大概判斷什么時(shí)候哪個(gè)零件該壞了……但就是這樣，它也必須派人在現(xiàn)場盯著，隨時(shí)維修。

現(xiàn)在你應(yīng)該明白，為什么說光刻機(jī)是人類有史以來最復(fù)雜的機(jī)器，而生產(chǎn)高端芯片又是難度多么驚人的業(yè)務(wù)了。

（摘自“得到”App）