Как математика звезд спасла будущее смартфонов и закона Мура
Почему сверхновая стала ключом к новым технологиям?
Неожиданная связь между звездными взрывами сверхновой и созданием микрочипов помогла ученым в ASML улучшить ключевую технологию в микроэлектронике. Исследователи, разрабатывающие полупроводниковое производственное оборудование Задача создания мощного источника излучения экстремального ультрафиолетового (EUV), необходимого для создания авангарда -микрочиповС Решение неожиданно оказалось связанным с методами, которые астрономы используют для изучения остатков сверхновых.
Однажды, когда он говорил со своим дедушкой, астроном -любитель Рудольф Шульц, инженер ASML Джейсон Стюарт заметил сходство между физическими процессами в их литографическом учреждении и явлениями, наблюдаемыми при взрыве сверхновой. Рудольф, который держал телескоп в коридоре своего дома, с юности интересовался звездами. В свои школьные годы он дал своему внуку книгу «Краткая история» Стивена Хокинга, которая влияет на его будущий выбор профессии. Позже именно его астрономические знания помогли Стюарту переосмыслить одну из самых сложных инженерных проблем, с которыми сталкивается его команда.
Работая в ASML, Стюарт участвует в разработке экстремальной ультрафиолетовой литографии. Эта технология сегодня является ключом к производству самых современных компьютерных чипов, но в то время она все еще находится в процессе активного развития и требует значительных улучшений.
Чтобы генерировать излучение EUV, инженеры используют мощный лазер, нацеленный на микроскопические капли расплавленного олова диаметром 30 микрометров. Эти капли проходят через камеру, заполненную разбавленным водородом. Первый лазерный импульс превращает их в тонкий диск, подготавливая их к следующему шагу, а второй лазерный импульс испаряет этот диск, создавая облако плазмы с высокой температурой. Температура в плазме достигла 200 000 градусов по Цельсию, что в 40 раз выше температуры, чем поверхность солнца. Именно этот плазменный шарик излучает экстремальное ультрафиолетовое излучение, необходимое для литографии.
Тем не менее, этот процесс имел побочный эффект: частицы свинца с высокой скоростью отбрасывались из плазмы, которая загрязнена зеркала и другие оптические элементы системы. Если бы проблема не была решена, это сделало бы литографию EUV непрактичной. Размышляя об этом, Стюарт заметил замечательное сходство между литографической системой и процессами, которые происходят во время взрывов сверхновых: внезапное высвобождение энергии, образование плазменного облака, расширяющаяся ударная волна и его взаимодействие с разбавленным водородом.
Чтобы изучить поведение этих миниатюрных взрывов, команда ASML использовала методы, хорошо известные астрономам. В частности, они применяют H-альфа-фильтр, который отражает характерный красный сияние возбужденных атомов водорода. Анализ данных показал, что математическая модель, описывающая распределение воздействий волн от сверхновой, может быть применена к процессам, которые происходят в литографическом объекте ASML.
Точный анализ применил уравнение Тейлор-прон Нейман-Шедова, разработанный в 1940-х годах для оценки силы атомных взрывов. Это же уравнение успешно описывает три физических процесса: расширение ударных волн в ядерных детонациях, распространение остатков сверхновых на межзвездном масштабе и динамика микроскопических вспышек в плазме на объекте ASML.
Эти открытия позволили инженерам ASML создать стабильный и мощный источник излучения EUV, а также решить проблему загрязнения системы лидерных частиц. Ключевая роль сыграла поток водорода низкой плотности, который циркулирует в камере. Он замедляет высвобождение частиц теленка, охлаждает их и не позволяет им оседать на зеркалах, что обеспечивает стабильную работу системы.
Сегодня литографическая машина ASML генерирует до 50 000 таких взрывов в плазме в секунду, обеспечивая точную дозировку вещания EUV для производства чипов. Этот прорыв сохранял закон Мура, который обеспечивает удвоение количества транзисторов в чипах каждые два года. За последние 50 лет число транзисторов в одном чипе увеличилось с 2000 года в 1971 году до 200 миллиардов в 2024 году.
Дорога к экстремальной ультрафиолетовой технологии сложна. В 1980 -х годах использовались источники с длиной волны 436 и 365 нанометров, после чего инженеры перешли к 248 и 193 нанометрам. Тем не менее, дальнейшее снижение длины волны было невозможно из -за физических ограничений линз: стекло начинает поглощать слишком короткие длины волны. Чтобы решить проблему, в 2000 году был введен метод ирригационной литографии, в котором вода была помещена между объективом и пластиной для увеличения фокуса. Но этот подход также достиг своих ограничений.
Единственный выход — уменьшить длину волны до 13,5 нанометров, которые требовали излучения источника с температурой около 200 000 градусов по Цельсию. Исследователи выбрали плазменный мяч теленка в качестве наиболее эффективного источника излучения EUV. Эта технология не только решает проблему дальнейшего уменьшения размера микрочипа, но также является ключевым шагом в разработке будущей микроэлектроники.
