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未来15年内，拍摄出世界上第一张照片的同一项技术将使我们能够制造出物理定律允许范围内功能最强大、密度最高的硅微芯片。这将是工程学的一项重大胜利，也是被称为摩尔定律的芯片行业发展进程的最后一步。
实现这一目标，是整个半导体行业目前面临的价值数万亿美元的挑战。难度之大，以至于专家认为，商业化应用最早也要到2040年才能实现。如果没有这最后一步，电子产品只能通过增加体积来提升性能。
全球最有价值的公司都在密切关注这一领域。正因如此，约翰·霍普金斯大学目前正在测试的一项创新才如此吸引它们。
摩尔的结局
摩尔定律指出，每两年，微芯片上封装的晶体管数量就会翻一番。但这种翻番的次数终究有限，超过一定限度后，晶体管的尺寸就无法再进一步缩小——至少在硅晶圆上是如此，而自微芯片诞生以来，硅晶圆一直是制造微芯片的材料。
实现这一目标的这项技术——光刻技术，对于任何记得胶片冲洗过程的人来说都很熟悉：光线穿过底片照射到涂有感光化学物质的纸张上，从而重现图像。
在芯片领域，这种“图像”的精度可以达到几十个原子级别。波长非常窄的光源（介于紫外光和X射线之间）穿过芯片形状的模板照射到硅晶片上。晶片表面的化学基底——光刻胶——会对光产生反应，并将模板图案蚀刻到硅片上。
目前最先进的硅蚀刻技术——用于制造英伟达人工智能超级计算机以及苹果下一代iPhone的芯片——精度可达10纳米，约合60个硅原子。硅蚀刻技术的最终目标是将精度降低到5纳米左右。如果精度再小一些，流经芯片的电流就无法保持稳定。
在更小的空间内集成更多晶体管意味着可以用更少的能源获得相同的处理能力——或者说，用相同的能源可以获得更强的处理能力。因此，摩尔定律推动了移动计算革命和人工智能数据中心的蓬勃发展。
从暗箱到X射线光刻
用原子级精确光束蚀刻图案的问题在于，被照射的材料也必须是原子级精确的，否则图案就会模糊不清。
上世纪90年代，化学家们发明了一种名为金属有机框架（MOF）的奇特物质。它是一种近乎完美的交替形状结构，其中金属原子将较长的碳基分子固定在类似晶格的轨道上。最神奇的是，它具有自组装特性：在合适的条件下，它会自动形成规则的晶体结构。发现MOF的化学家们凭借这项发明荣获了诺贝尔奖。
这些特性使得金属有机框架成为理想的光刻胶——硅片上的化学层，它吸收光线以蚀刻出晶体管和连接的图案。金属有机框架的另一个优点是：可以使用种类繁多的金属和有机分子来构建它们。
设计光刻胶的关键是什么？“确保它具有某种非常非常小的规则结构，”约翰·霍普金斯大学五年级博士生凯莉·沃尔兹说道。最近，我拜访了沃尔兹的导师——化学工程师迈克尔·察帕齐斯和化学家霍华德·费尔布拉泽的实验室。他们的学生和博士后合作发表了一系列论文，开创了利用金属有机框架制造芯片的先河。
在屏幕上，沃尔兹给我展示了一张蓝鸟的超高倍放大图像——蓝鸟是约翰·霍普金斯大学的吉祥物。她用她领导的团队发明的金属有机光刻胶将图像蚀刻到硅片上。（沃尔兹在大学的成功使她得以进入美光公司工作，该公司是全球顶尖的存储芯片制造商之一。）
为了充分发挥这种新型光刻胶的原子级精度，光束也需要进行锐化。如今，采用荷兰ASML公司生产的设备，利用极紫外光源制造出10纳米特征的尖端芯片。每台设备造价高达4亿美元，体积堪比一辆城市公交车。为了蚀刻更小的特征，ASML或其新兴竞争对手必须找到一种方法，将极紫外光转换为波长更窄的X射线。
商业化障碍
我还采访了另外三位研究人员，他们都对约翰·霍普金斯大学团队的开创性工作赞不绝口。但他们也都探索过其他光刻胶化学品，这些化学品将与现有产品展开竞争，最终成为半导体公司最终选择的材料。
挪威东南大学的王凯英表示，最终胜出的材料必须与现有的微芯片制造工艺兼容，因为这些工艺已经投入了数十亿美元。“如何将这种工艺融入到目前成熟的半导体产业中，是一个挑战。”他补充道。
布鲁克海文国家实验室高级科学家南昌勇表示，他认为金属有机框架的特性使其成为一个极具吸引力的候选材料，尽管他本人目前正在研究一种基于现有方法的光刻胶方案。
约翰·霍普金斯大学的 Tsapatsis 表示，考虑到将金属有机框架集成到商业芯片制造中的巨大工程挑战，我们最早可能也要到 2040 年才能在晶圆厂看到它。
即便如此，如今的技术发展势头或许足以让我们实现这一目标。假设苹果公司继续保持每年更新设备的节奏，届时我们将迎来iPhone 32。智能眼镜制造商需要性能更强大、功耗更低的芯片。人工智能公司也同样如此，它们都在寻求既能满足计算需求又不会增加能源消耗的芯片，因为能源消耗已经威胁到我们的电费账单，甚至可能超过房贷。
据我采访过的所有专家所说，到2040年以后，如果我们想让芯片尺寸更小、设备功能更强大，我们可能不得不彻底放弃硅材料。不过，约翰·霍普金斯大学的研究团队迎来了一个好消息：他们率先研发的金属有机框架材料精度极高，未来或许可以利用它来为石墨烯或其他特殊材料制成的微芯片进行图案化。
硅微芯片之后的事物——比如袖珍量子计算机，或者只有原子厚的晶体管——对于今天的人们来说，可能就像 20 世纪 60 年代戈登·摩尔开始制定规则时微芯片一样陌生。
https://www.wsj.com/tech/silicon-chips-moores-law-photolithography-91b9ac4f?mod=tech_lead_pos3
（来源：编译自WSJ）
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今天是《半导体行业观察》为您分享的第4331期内容，欢迎关注。
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