这台光刻机，空前重要

每一次重大的技术飞跃都始于一台改变一切的机器。蒸汽机开启了工业革命。如今，数字革命正迈入一个新阶段。人工智能正以前所未有的速度发展，但其真正的引擎却隐藏在更深层次：它蕴藏在驱动它的芯片中，以及在芯片上印刷微小图案的光刻机中。世界上最先进的芯片制造设备现已安装在imec位于鲁汶的洁净室中，准备定义我们的技术未来。

有时，科技的出现会将世界推入一个新时代。人类发明车轮后，便开始利用畜力来运输货物和人员。几个世纪后，随着蒸汽机的出现，人力被机械动力所取代。第一台蒸汽机原型机于1705年问世，但詹姆斯·瓦特花了六十年时间才将其改造成一台实用且可规模化的机器。又过了六十年，工业革命重塑了经济格局：蒸汽机驱动着工厂、矿山和交通运输系统，包括欧洲早期的铁路。

科技进步不仅改变了我们的出行方式，也重塑了我们交流思想的方式。大约在1450年，约翰内斯·古腾堡开始铸造单个金属字母，使得书面知识的复制速度达到了前所未有的水平。一个世纪后，出版商将这一流程规模化，发展成为早期的工业出版。科学论著、多语种圣经、地图集和词典在欧洲大陆广泛流传，促进了学者、商人和工匠之间的联系。这种文化和思想的飞速发展为欧洲更广泛的经济和科学发展奠定了基础。

我们或许正经历着又一个转折点，科技突破的到来速度远超社会吸收的速度。人工智能正以惊人的速度重塑我们处理信息的方式。如果要我们选择一台机器来象征这种加速发展，那会是什么呢？我们或许会想到运行人工智能应用程序的智能手机或笔记本电脑，或是数据中心里训练人工智能模型的服务器。但这仅仅是更深层次技术基础的表层。它们的计算能力之所以呈爆炸式增长，是因为其内部芯片的性能大幅提升。一部现代智能手机包含数十亿个晶体管，其计算能力比当年引导阿波罗登月的计算机强数百万倍。

性能的持续提升基于一个简单的原理： 在更小的面积内集成 更多的晶体管。实现这一点需要通过数十种精细控制的化学和物理工艺，将芯片特征缩小到纳米级。其中一项工艺——光刻技术——堪称物理学的终极极限。 光刻技术利用光在感光材料上同时印刷许多微观图案。波长越短，“笔刷”就越精细。正因为笔刷不断精细化，控制它的机器也发展成为有史以来最复杂的系统之一——其体积之大足以媲美城市公交车，内部蕴含着尖端的物理学和工程学知识。如果说有一台机器能够体现现代科技进步的精髓，那非它莫属。

如今最先进的芯片离不开极紫外光刻技术——极紫外光指的是波长仅为13.5纳米的光。产生这种光曾经被认为是不可能完成的任务。地球上自然界并不存在极紫外光；大气层会瞬间将其吸收，而且它通常只存在于太阳的外层。为了在地球上模拟这些条件，科学家们将每秒10万滴熔融锡液滴射入真空室。一束强大的激光在精确的时刻多次照射每一滴锡液滴，产生等离子体，从而发射出短促的极紫外光脉冲。

而这仅仅是个开始。由于几乎所有材料都会吸收极紫外光，透镜根本无法发挥作用。我们需要特殊的反射镜——由数十层钼和硅交替层叠而成，并经过抛光处理，表面光滑度接近原子级——来引导和聚焦光线。将数百种这样的突破性技术集成到一个可运行的系统中，才是真正的挑战。如何在锡滴在附近爆炸的情况下保持反射镜的清洁？如何防止反射的锡损坏激光器？

ASML是第一家，也是至今唯一一家能够将所有这些要素集成到一台机器中的公司。2006年，经过十年的研究，第一台EUV演示工具抵达imec的 洁净室。2019年，EUV技术已足够稳定，可用于工业规模的 芯片生产。自此，EUV光刻技术已成为每颗先进芯片——以及所有现代人工智能应用——背后的隐形引擎。

Imec 的技术路线图延伸至 2040 年，涵盖了新材料、晶体管架构、互连技术和下一代光刻技术。这些进步将共同推动半导体行业迈向埃级时代——其关键芯片特征的实现将达到亚纳米级。为了跨越这一门槛，我们需要更精细的工艺。EUV 的波长实际上无法进一步缩短。幸运的是， 瑞利判据表明，分辨率也取决于光学系统的数值孔径 (NA)：更高的 NA 意味着更清晰的焦点和更精细的细节。

将数值孔径 (NA) 从目前的 0.33 提升到 0.55 需要一套全新的光学系统——其镜片尺寸翻倍，重量增加十倍，并由 蔡司耗时数月打磨至原子级精度。最终诞生的高数值孔径极紫外光刻机，毫不夸张地说，是下一个重大突破：它的大小堪比一辆双层巴士，重量约为 150 吨。

但仅仅改进光学器件还不够。从光刻胶化学、蚀刻到计量，所有下游工艺都必须重新设计，以匹配更高的分辨率。在imec和ASML位于费尔德霍芬的 联合高数值孔径（High NA）实验室，整个工艺链都得到了优化。2024年，imec首次证明高数值孔径极紫外光刻（High NA EUV）能够在晶圆上达到其理论分辨率——创造了一项世界纪录。2025年，imec和ASML深化了战略合作，确保ASML的最新设备，包括首台高数值孔径极紫外光刻机，都将安装在imec的洁净室中。

就像画家在粗笔和细笔之间切换一样，芯片制造商将继续使用现有的极紫外光刻机进行多层光刻——但高数值孔径极紫外光刻技术能够满足最苛刻的要求。现有设备有时需要多次曝光，而高数值孔径极紫外光刻技术只需一次曝光即可打印出最精细的线条  ——从而简化工艺流程、减少缺陷、降低成本并减少碳排放。更高的分辨率也赋予芯片设计师更大的创作自由，使他们能够设计二维电路和更平滑的曲线，而不仅仅是锐利的角度，这有望实现更高密度的芯片和更短的电路路径。

然而，即使是最精良的画笔也需要工作室。光刻系统绝非孤立存在：只有当材料、蚀刻工艺、清洗步骤、掩模和成像技术以及计量技术完美契合时，图案才能真正呈现。imec 正是构建了这样一个生态系统。在这个世界顶级的半导体研发中心，芯片制造商、材料供应商、设备供应商、计量专家和芯片设计师携手合作，共同开发新材料、改进工艺步骤、减少缺陷并更新设计规则。

根据欧盟《芯片法案》，imec的基础设施正在进一步扩展。一百多台新的半导体设备正在安装中，以打造 NanoIC试点生产线，从而巩固欧洲在未来几十年内于先进半导体研发领域的地位。该试点生产线将为初创企业、大学和创新型公司提供尖端芯片技术，用于测试创意并加速新应用的开发。

谁能掌握在原子尺度上作画的“画笔”，谁就能左右未来几十年数字、医疗和科学的发展。因此，新一代光刻技术的出现，不仅拓展了芯片技术所能达到的极限，也改变了哪些科学突破触手可及。

以生物传感器领域为例 。它的发展取决于我们能否精确地设计出在分子尺度上运行的结构。纳米孔就是一个例子：在超薄膜上只有几纳米宽的微小开口。当一个分子，例如DNA链，穿过这样的孔时，流经其中的电流会发生变化。这些细微的变化揭示了DNA中碱基对的排列顺序。对于DNA分析而言，这种方法已经非常有效。但是对于蛋白质——这些决定我们体内发生一切的微型机器——来说，这个过程要复杂得多。

要并行分析数百万种不同的蛋白质，需要成千上万个（甚至可能数十万个）纳米孔同时工作，而且每个纳米孔的尺寸都必须完全相同。芯片制造方法正成为实现低成本、高稳定性纳米孔的关键。得益于极紫外光刻技术，现在可以可靠地同时生产大量 固态纳米孔。Imec公司已经成功地在硅片上制造出均匀性极佳的10纳米纳米孔。

基于半导体自旋量子比特的量子芯片也提出了类似的要求：它们的器件需要结构极其微小且高度一致。世界各地的研究人员正在探索如何利用光刻技术在整个硅晶圆上定义图案，从而在不损害量子比特赖以生存的精细相干性的前提下，实现这种稳定性。换句话说：我们越能以原子级精度制造图案，就越接近可扩展的硅基量子计算机。

因此，新一代光刻技术远不止是一次技术升级。它更像是一根杠杆——一项基础性技术，将驱动下一代人工智能芯片的发展，催生新一代超精密医疗传感器，甚至推动硅基量子计算机的进步。

正如詹姆斯·瓦特使蒸汽机稳定可靠后，它成为了工业革命的引擎。这台光刻机也有望成为未来的引擎。