华尔街日报报道，除了半导体制造业，很少有人听说过应用材料公司及行业内其他竞争对手，但他们的工作，对于保持全球技术进步比以往任何时候都更为重要。
科技公司不断推出速度更快、功能更强的计算机的方式，正在原子层面上发生重要的变化。
几十年来，性能提升主要是通过缩小微芯片上的单个元件来实现的，就是所谓的摩尔定律，现在则越来越多是为材料科学的结果，而材料科学的发展速度已经达到几十年来最快速度。
总部位于圣克拉拉的应用材料公司（Applied Materials）成立于 1967 年，比英特尔早一年，已经成为行为内里最大最先进的公司。
不变也不行。芯片制造商正面临着芯片元件微小化的物理限制，芯片的某些功能，现在已经只能在几个原子的尺度上进行测量。
因此，操纵这些微型机器中的材料，包括它们之间的连接方式，已成为工程师们不断提高速度和性能的主要途径。
应用材料公司与行业竞争对手泛林研究（Lam Research）、东京电子（Tokyo Electron）和科磊（KLA），在某种程度上都是材料科学公司。
材料科学是一个跨学科领域，既是结构工程也是化学工程。
应用材料公司还发明了新的生产工艺，制造了能在异常复杂和昂贵的微芯片工厂（俗称晶圆厂）内执行这些工艺的设备。随着微芯片功能的缩小，容错率也随之降低，制造微芯片所需的步骤也越来越多，每一代晶圆厂的成本都以十倍的速度增长。
现在，建造一座新晶圆厂的价格超过 100 亿美元。
美国正在努力减少对海外工厂的依赖，以获得关键的芯片供应链，所以这些工厂也将受到《芯片法》(Chips Act)的重金赞助，《芯片法》旨在促进美国国内半导体制造。
几十年来，应用材料公司及竞争对手一直在努力提高微芯片的速度。但随着摩尔定律不再适用，他们决定芯片内部原子位置的能力，变得比以往任何时候都更为重要。
工程师们仍在不断缩小芯片上的各种结构的尺寸，尽管速度比以往慢得多。摩尔定律还有用武之地。
芯片内部的微小结构尺寸（特征尺寸）已经接近原子级别，只剩下数个原子的宽度可以继续缩小。这在很大程度上要归功于荷兰的 ASML 公司，其制造了总线大小、重达 180 吨的超复杂设备，能以前所未见的奇特方式操纵极紫外光。
下一步是应用材料公司及行业竞争对手的介入： 这些公司与芯片制造商以及 ASML 等其他供应商携手合作，使芯片制造过程中的其他大部分步骤成为可能。
这是一个原子级的雕刻过程。半导体制造业的主要咨询公司 TechInsights 高级研究员斯科特恩·琼斯说，世界上最先进的芯片，是通过一层一层的加法和减法工艺制造出来的。
当在二维硅晶片上制造不同小尺寸特征的能力已经达到极限时，芯片制造商开始转向三维空间，向上制造芯片。这意味着芯片的处理元件可以更接近内存、电源和通信，从而使芯片的速度更快、功能更强，即使结构尺寸保持不变。
苏布拉马尼安·艾耶曾在 IBM 工作 30 多年，从事微芯片制造工作，现任加州大学洛杉矶分校教授。他说但是制造三维芯片意味着更复杂的制造过程。
这种复杂性很难描述，其中一种方法是聊聊芯片中有多少布线层。布线层用于在芯片的各部分之间输送电子的通道，因此可以代表芯片整体有多少层。
艾耶博士说：”在上世纪 90 年代末，拥有 6 层布线层的芯片是最先进的。现在，有些芯片的布线层达到了 19 到 20 层。”
如果把微芯片比作建筑物，那么就好比过去的简陋平房，现在变成了高耸入云的高楼大厦。
琼斯说，一般来说，微芯片越立体，在上面堆积材料并蚀刻掉不需要的部分就越重要。而这正是应用材料公司及竞争对手所从事的芯片制造工作。
要理解为什么会出现这种情况，首先要了解光刻技术，这是指利用光线通过掩膜照射，在芯片上绘制元素图案的工艺，从根本上说是一种二维工艺。专门从事光刻技术的公司，如 ASML，可以使用各种令人匪夷所思的技巧，让他们使用的光线在硅芯片上绘制出细节越来越接近单个原子大小的图案。
但在芯片上再加一层，再加一层，再加一层？
这就需要材料科学和材料工程公司们的专业技术和设备。而在光刻工艺中，将硅晶片上你不想要的部分暴露在光线下，然后蚀刻掉所需的巧妙化学反应也是如此。
以世界上最先进的逻辑芯片为例。无论是手机、数据中心还是汽车，这些芯片都是尖端计算机的中央处理单元，在功能上有别于内存芯片或实现无线通信的微型无线电芯片。
应用材料公司企业战略与发展部主管特里斯坦·霍尔塔姆说，这种逻辑芯片可能需要超过 1500 个单独的制造步骤。
TechInsights 公司的琼斯则说，之所以需要所有这些步骤，是因为这些芯片在三维空间中的延伸程度很大，每一层都可能需要多个制造步骤：用光在芯片上刻录图案，在原子厚度的层中沉积材料，或者选择性地蚀刻掉你不想要的材料。
例如，在一种最新的工艺中，芯片制造商正在铺设额外的纯硅层和含有锗等其他元素的硅层。琼斯说，在这种工艺中，芯片顶部添加的所有原子，必须以完美的晶格排列，这样产生的 “水平纳米片”（构成单个晶体管的一部分）才能工作。
硅锗部分必须被蚀刻掉，而不触及纯硅，尽管这两种物质非常相似——这是一个非常具有挑战性的任务，需要更多的材料科学知识。
所有这些步骤都必须在完全不透气的室内进行。即使是最微小的缺陷，也可能意味着正在制造的微芯片无法工作。
与此同时，如果没有材料科学家公司提供的硬件和专业技术，其他所有有影响力的芯片公司，包括经常听到的英特尔、台积电和三星，都无法制造出自己的芯片。
随着芯片制造商对更多创新的追捧，应用材料公司正在硅谷现有研发中心隔壁，新建一座耗资 40 亿美元的研发中心。届时，客户将可以在应用材料公司开发最新尖端方法的地方，尝试制造芯片的新方法。
应用材料公司的霍尔塔姆说，这样的设施是必要的，因为要继续推动硅基微电子芯片的发展，就意味着要驾驭微电子芯片制造，这个已经 “复杂得令人难以置信 “的世界。
