纳米技术系列报道之五：芯片集成度存在极限吗？

【美国《时代》周刊１２月２日一期文章】题：芯片变小，范围扩大（作者
朱利安·迪贝尔）原文提要半导体的功能越来越强、越来越复杂并且越来越小。存在极限吗？
四分之一个世纪以前，英特尔公司创始人之一戈登·穆尔预测，集成在芯片上的微型二极管的数量每两年会增长一倍，从那以后，穆尔“法则”像上了发条的时钟一样得到应验。其节奏已成为信息时代的“心跳”节奏，这种节奏把不断而且迅速增强的功能注入到我们的数字工具中，并且获得这些功能的成本也越来越便宜。我们对这种发展速度已习以为常了，如果我们有时候发现自己已把穆尔法则当成了自然规律，谁会怪罪我们呢？
但实际情况是，自然几乎与此无关。换句话说，是人类绞尽脑汁的努力才使芯片成为当今无所不在、影响整个世界的技术产品。２５年辛勤实验和非凡研究逐步把１９７０年那种一个房间大小的超级计算机的速度和功能压缩到了今天可以放置在世界各地桌面上的光洁的白盒子中的程度。高技术制造的辉煌历史使紧凑的、含有智能的硅芯片几乎渗人到我们日常生活的方方面面：包括装有自动测量燃料微处理器的汽车仪表盘、按照数字起搏器设定的心率跳动的心脏、打开时能够唱出合成曲调的贺卡等。
技术人员向我们保证，还有更多尘世上的奇迹即将出现。
所有这些以及以后出现的装置，都要靠好几千名工程师和物理学家再耗费数百万小时积极努力地寻找未来２０年将要采用的芯片缩微技术。但这理应不成问题。世界上顶尖的芯片制造商——英特尔公司、日本电气公司、摩托罗拉公司、三星公司和１ＢＭ公司——都已意识到，大力资助这类研究工作是值得的。科学家把眼光投向“光”
使芯片小型化的各路大军迟早可能遇到这个或者那个难以逾越的物理障碍，到那时，将会曲终人散。唯一的问题是这种障碍将是什么。直到最近，首要的障碍是可见光与电磁波谱的上段不可见部分之间的分界线。知道以下知识对理解为什么会这样是有所帮助的。除硅以外，光在芯片制造中是最重要的原材料。毕竟，光是这一工业里常规刻印系统所用的刻印工具。但是，利用光工作有一个局限，那就是刻出尺寸比光的波长更小的东西非常困难。这对芯片制造商来说是个坏消息，因为２００１年前，他们要努力刻出比可见光谱里最短的波长——约０．１９３微米还要窄的特殊结构。
研究人员满怀希望地认为，他们能够设法利用波长非常短的深紫外光刻出想得到的０．１８微米结构，甚至可能获得０．１３微米的再下一代芯片。但是，设在加利福尼亚州的劳伦斯一利弗莫尔实验室的首席光学科学家理查德·弗里曼说，结构再小的话，“光将无能为力”。
因此几年来，一些替代光的行之有效的方法一直是蚀刻研究人员梦寐以求的目标。人们寻找的答案在目前看来，暂时是成功与失败的可能性各占半：提出的替代方法有很多而且各不相同，并且所有这些方法都远未证明可行。但目前，这一领域似乎已缩小到了两种有希望的方法。一种是所谓的超紫外辐射，这种辐射在电磁波谱上覆盖着光和Ｘ射线之间有点像无人地带的区域。另一种是以电子流代替光线的电子束投射技术。
每种方法都面临各自的障碍。比如，在超紫外技术里使用的波长由于太短而无法穿透玻璃掩膜和透镜，所以必须靠镜面反射，但镜面要做得非常精确，没人能保证在工业大批量生产的条件下还能生产出这样精确的镜子。另一方面，电子束技术要花较长时间使芯片表面曝光，使制造商无法忍受，并且加快这一流程看来并非一项简单的工作。就劳伦斯—利弗莫尔实验室的弗里曼所说，目前“两种方法不能取长补短，因而难以找到一种行之有效的方法”。英特尔下赌注
迄今，半导体领域的巨人英特尔公司把赌注全部押在超紫外技术上，希望借此开拓市场，而朗讯技术公司则把注意力分散在光刻和其他几个信息技术研究分支上，这场竞赛看来对电子束投射技术不利，但这种情况在传统的光刻技术过时之前的５到１０年中可能改观。制造商也许会在两个方向上投资，因此，目前人们不看好的继光刻技术之后的Ｘ射线光刻技术可能会开始展露一些头角。看来会有某种方法将打破立在光的边缘处的这堵令人生畏的墙壁。
然而，突破这道墙壁之后再过几年，研究人员还将碰到一堵更高耸的墙壁。制作约０．０５微米的这代芯片时，奇异而且不安分的量子效应将介入：晶体管不再具有晶体管的功能，电子像任性的幽灵一样跳来跳去。在从事半导体研究与开发的研究人员中，绝大多数人都认为在通过这一点之后半导体的小型化还有可能继续发展，但没人指望这种小型化。
非常令人奇怪的是，也没有任何人因为穆尔法则有着最终会停止运转的前景而感到担心。部分原因是到那时，集成到单个芯片上的功能将增强１０００倍，如同自２５年前第一块微处理器出现以来集成到芯片上的功能已增长了１０００倍一样，而目前还很难想象有什么东西还需要比这更强的功能。再有，其他领域朝气蓬勃的发展使该领域的经理们意识到，由于运动永不停止，因此甚至不必为功能会增强１００万倍而感到心烦意乱。