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驱动摩尔定律的微型恒星爆炸

描述超新星的相同数学也使得 EUV 光刻成为可能

Jayson Stewart Rudolf Schultz Daniel Brown

5 小时前

阅读时间 13 分钟

垂直

猎户座中的巴纳德环[左]，是古代超新星的明显残余。天体爆炸的物理学与光刻机中用于照亮芯片的锡等离子体爆发[右]非常相似，尽管尺度差异很大：超新星为数十光年，而锡等离子体为数十毫米。

左图：Stefan Ziegenbalg ；右图：ASML

红色

我们都是由星尘构成的，正如天文学家 Carl Sagan 喜欢提醒我们的一样。超新星 爆炸是某些类型的耗尽恒星的灾难性自毁，与地球上的生命息息相关，因为它们是整个宇宙中重元素的诞生地。我们血液中的大部分铁和氨基酸中的硫都起源于数十亿年前爆炸的恒星。但是，我们遇到了超新星与人类世界的另一个相当令人惊讶的联系——具体来说，是与制造最新智能手机和其他电子设备所需的计算机芯片的技术的联系。

这种联系是几年前在我、Jayson Stewart和我祖父 Rudolf Schultz 之间的一系列对话中出现的。我的祖父是一位狂热的天文爱好者，在他的家里的门厅里放了一个大型反射望远镜，就在入口旁边，随时准备快速部署。当我上高中的时候，他递给我一本Stephen Hawking 的__时间简史__ (Bantam Books, 1988) 并引导我走向对物理学的终身热爱。最近，正如我在图森山麓的家中进行的一次观测会上向他解释的那样，我祖父的天文视角也证明对我的职业生涯非常有用。

双激光击中 ASML 的光刻机中的锡滴。第一束光将液滴压平成圆盘；第二束光将其汽化成一个发出热的紫外线的等离子体球。ASML

我当时正在向我的祖父介绍我在ASML实验室所做的工作，ASML 是一家总部位于荷兰的公司，开发和制造用于制造半导体芯片的设备。当时，大约十年前，我正在帮助改进一种使用极紫外( EUV)光制造芯片的系统。尽管它对于制造当今最先进的微芯片至关重要，但EUV光刻当时仍是一项具有挑战性的技术，仍在开发中。为了产生EUV光，我们会将一个强烈的激光脉冲聚焦到穿过充满低密度氢的气室的30微米宽的锡滴上。来自激光的能量将液滴转化为比太阳表面热40倍的等离子体球，导致锡发出强烈的紫外线辐射。作为副产品，等离子体球产生了冲击波，这些冲击波穿过周围的氢气。不幸的是，爆炸还释放出锡碎片喷雾，这被证明非常难以管理。

回想起我与祖父一起上的天文学课程，我意识到该过程的许多方面都与超新星期间发生的事情具有有趣的相似之处：突然爆炸，膨胀的等离子体碎片云以及撞击到稀薄的氢气环境中的冲击波。（星际物质主要由氢组成。）为了改进我们的 EUV 设置，我们将记录等离子体球产生的冲击波的演变，就像天文学家研究超新星的遗迹以推断产生它们的恒星爆炸的性质一样。我们甚至使用了一些相同的设备，例如调谐到激发氢原子特征性深红色发射的滤镜，称为 Hydrogen-alpha 或 H-alpha 滤镜。尽管超新星的能量是我们锡爆炸的 1045 倍，但描述这两种爆炸演变的数学是相同的。锡等离子体冲击和超新星冲击之间的密切物理类比已被证明是弄清楚如何处理我们令人烦恼的锡碎片问题的关键。

透过望远镜的眼睛，夜空中点缀着爆炸恒星发光的遗骸。我的祖父对这些古老而遥远的天体与用于制造世界上最先进的半导体芯片的现代设备之间的联系感到高兴。他认为像他这样的许多其他天文爱好者会喜欢阅读这个故事。我告诉他，如果他愿意成为我的合著者，我就把它写下来——而他就是。

可悲的是，我的祖父没能亲眼看到我们文章的完成。但是他确实亲眼看到了这些天体物理学上的相似之处带来了重要的实际后果：它们帮助我在 ASML 的团队产生了一个明亮、可靠的 EUV 光源，从而在商业芯片制造方面取得了重大进展。

EUV 和摩尔定律

我对EUV迷你超新星世界的探索始于2012年，当时我正在洛斯阿拉莫斯国家实验室完成博士后研究科学家的工作，并正在寻找学术界之外的第一份工作。一位朋友让我对在半导体行业工作的可能性产生了兴趣，在那里，制造商都在进行一场持续的、高风险的竞争，以构建更小、更快的电路。我了解到，用于在计算机芯片上创建特征的光刻工艺正处于危机时刻，这带来了一些有趣的工程挑战。

在光刻中，光用于将复杂的图案印在准备好的硅基板上。在蚀刻、掺杂和沉积步骤的一系列重复过程中，要创建多达一百层；这些层中的图案最终定义了计算机芯片的电路。可以转移到该硅基板上的特征尺寸由成像系统和光的波长决定。波长越短，光能量越高，特征越小。当时使用的紫外线波长对于下一代芯片来说太长且粗糙。光刻技术，以及潜在的价值近万亿美元的电子产业，将会停滞不前，除非我们能够创建一种更短波长的强大 EUV 光源。

当时，可用的 EUV 光源太弱，大约弱了 10 倍。实现如此巨大的功率提升的任务是如此艰巨，以至于我与家人讨论了在 EUV 光刻领域开始职业生涯的明智性。许多专家认为这项技术永远无法商业化。尽管我感到担忧，但我还是被当时 ASML 技术开发副总裁 Daniel Brown 说服，他认为 EUV 是实现芯片性能下一次重大飞跃的最佳途径。（Daniel 是本文的合著者，于 2024 年底从公司退休。）

令人惊讶的是，Taylor-von Neumann-Sedov 公式描述了半径为数百米的原子弹冲击、延伸数光年的超新星冲击以及仅几毫米宽的锡等离子体冲击。

几十年来，制造商一直设法将越来越多的晶体管挤压到集成电路中，从 1971 年的约 2,000 个晶体管增加到 2024 年的 2,000 亿个晶体管。工程师们通过逐步减小光的波长并扩大光刻中使用的成像系统的数值孔径，使摩尔定律——每隔几年晶体管数量翻一番——保持了五十年以上。

1980 年代的光刻系统使用汞灯，这些灯在 436 纳米（紫光）和最终 365 纳米（近紫外线）的波长下辐射。为了进一步减小晶体管的特征尺寸，人们发明了高功率激光器，该激光器可以在更短的 248 纳米和 193 纳米波长下产生紫外线束。然后，转向更短的波长的举动遇到了瓶颈，因为几乎所有已知的透镜材料都会吸收波长小于约 150 纳米的光。

在很短的一段时间里，光刻师设法使用一个聪明的技巧来不断取得进步：他们在透镜和硅片之间放置水以提高成像系统的聚焦能力。但是最终，缩放过程停滞了，工程师们被迫切换到更短的波长。反过来，这种切换需要用反射镜替换透镜，这带来了一些不利影响。反射镜无法达到与之前的透镜加水组合相同的聚焦精度。为了取得有意义的进展，我们需要将光的波长大幅度降低到约 13.5 纳米，或约您眼睛可以看到的最短可见紫光的波长的三十分之一。

为了达到这个目标，我们需要一些非常热的东西。白炽光源发出的光的波长由其温度决定。太阳的表面温度为 6,000 °C，在可见光谱中辐射最强。要获得波长为 13.5 纳米的 EUV 光，需要温度极高的光源，约为 200,000 °C。

锡滴穿过 ASML 的光刻机。激光束每秒击中经过的液滴 50,000 次，导致它们发光并产生连续的极紫外光源。锡碎片被高速氢气流冲走。ASML

在 ASML，我们确定热的高能锡等离子体是创建 EUV“灯泡”的最佳方法。由于其电子的排列方式，高度激发的锡离子会以行业所需的 13.5 纳米波长附近的窄带辐射出大部分光。

我们面临的最大问题是如何可靠地创建这种锡等离子体。芯片制造中的光刻工艺需要特定的、高度一致的 EUV 辐射剂量来曝光光刻胶，光刻胶是一种用于在晶圆上创建电路图案的感光材料。因此，光源必须提供准确的能量。同样重要的是，它必须长时间连续执行此操作，而不会因维修或维护而导致成本高昂的暂停。

我们设计了一个类似Rube Goldberg的系统，其中熔融的锡滴被两个激光束瞄准。第一个将液滴变成煎饼状的圆盘。第二个激光器用一个短而高能的激光脉冲击中锡，将其转化为高温等离子体。然后，一个接近半球形的多层反射镜从等离子体中收集 EUV 光，并将其投射到光刻扫描仪中，这是一种公共汽车大小的工具，使用光将图案投射到硅片上。

现代芯片制造工艺始于极紫外 (EUV) 光源。EUV 光通过一系列精密的反射镜 направляется 到移动晶圆的表面，在那里它会创建所需的印刻电路图案。ASML

要维持足以用于光刻的强 EUV 光源，需要一个功率为几十千瓦的主激光器，每秒要发射约 50,000 滴锡。在不到一千万分之一秒的时间内，每个激光脉冲都将锡从一个 30 微米宽的液滴转化为一个毫米宽的等离子体爆炸，其体积是原来的数万倍。英特尔光刻和硬件解决方案总监Mark Phillips将我们正在帮助开发的 EUV 光刻机描述为“有史以来制造的任何类型中最先进的技术工具”。

以每秒 50,000 个液滴的速度，在高负荷使用的情况下，我们的每台光刻机每年都有可能产生近 1 万亿个脉冲，总计许多升熔融锡。在所有这些过程中，覆盖收集器光学器件的单个纳米锡碎片将使 EUV 传输降至不可接受的水平，并使机器无法运行。正如我们在行业中所说的那样，仅仅制造出功率是不够的；我们必须__生存__下来。

EUV 和太空中的氢

连续的低密度氢气冲洗可保护反射镜和周围容器免受汽化的锡喷射物的喷射。该碎片的初始速度为每秒数十公里，远高于氢气中的声速。当超音速锡撞击氢气时，它会产生向外传播的冲击波——这与超新星爆炸膨胀到充满星际空间的稀薄氢气中发生的情况非常相似。

然而，低密度氢气也在移动，以每小时数百公里的速度流过机器。气体减速、冷却，并在流动过程中冲走高能锡碎片。为了确定我们需要多少氢气才能清除锡并防止气体过热，我们首先必须弄清楚激光产生的等离子体释放的总能量。弄清楚这个量并非易事。

我在 ASML 的同事和我发现了一种有效的方法来测量锡爆炸的能量，不是通过直接研究等离子体，而是通过观察氢气的响应。事后看来，这个想法似乎很清楚，但在当时，有很多摸索。当我拍摄锡等离子体的图像时，我一直观察到一个更大、发红的发光球体围绕着它。似乎很可能是等离子体爆炸正在从氢气中诱导 H-alpha 发射。但是观察结果给我们留下了许多未知数：为什么这些球体具有特定的尺寸（直径为毫米），它们是如何演变的，最重要的是，我们如何研究这种发光来测量沉积到气体中的能量？

在稀薄的氢气氛围中，激光加热的锡滴产生的冲击波与超新星爆炸非常相似，以至于它们都可以用相同的数学方法描述。整个序列耗时不到百万分之一秒。ASML

我使用Teledyne Princeton Instruments Pi-Max 4检查了这些红色球体，这是一种超快速增强型 CCD相机，可以在纳秒级的时间内执行快速曝光。我将它与长距离显微镜物镜搭配使用，以收集那些红色球体的发光，以及我从天文摄影网站购买的Orion 2 英寸超窄带 H-alpha 带通滤波器。我用这套装置拍摄的图像非常引人注目。每个等离子体事件都发出一个以稳定方式膨胀的球形冲击波前。

偶然的是，几个月前，我参加了一个研讨会，其中提到了爆炸波——由点源爆炸产生的冲击波。那个研讨会使我确信我们的观察结果可以为我提供我正在寻找的能量测量值。在了解冲击波如何演化的过程中，我了解到天文学家在尝试确定产生观察到的超新星残骸的初始能量释放时也遇到了同样的测量问题。而且我知道，对于我与祖父进行的下一次科学讲座来说，我也有完美的主题。

Taylor-von Neumann-Sedov 公式是在 1940 年代开发的，用于计算原子弹的产量，但它也描述了我们的 EUV 光刻系统和遥远的超新星中的等离子体冲击波的演变。它将冲击波的半径 (R) 随时间的变化与释放的能量 (E)、气体密度 (ρ) 和与气体相关的参数 (C) 联系起来。

为了获得答案，天文学家转向了在 1940 年代发现的方程，当时科学家们正在寻找分析新开发的原子武器破坏能力的方法。这些方程的一种表达形式，称为 Taylor-von Neumann-Sedov 公式，描述了冲击的半径作为时间的函数。它提供了冲击半径和总能量之间的简单、直接的关系。

1949 年，英国物理学家 Geoffrey Taylor 使用他新推导的爆炸波公式来确定并发布了第一次原子弹爆炸的（当时是机密的）能量产量。据报道，Taylor 的成功使美国政府感到不安，这证明了他的分析能力。令人惊讶的是，Taylor-von Neumann-Sedov 公式描述了半径为数百米的原子弹冲击、延伸数光年的超新星冲击和仅毫米宽的锡等离子体冲击。它们都代表了相同的基本物理情况：一个紧凑、独立的物体释放能量以抵抗最小的阻力，迅速膨胀到气体环境中。

早期的原子爆炸，例如 1945 年 7 月 16 日在三位一体遗址进行的试验，启发了科学家们开发新的数学方法来计算释放的能量。能源部

将 Taylor-von Neumann-Sedov 公式应用于我们在 ASML 光源中记录的 H-alpha 图像，结果是我们计算出的能量与我们通过其他方式粗略估计的量之间令人满意的协议。但是，我们也遇到了一些理论与实践之间的差异。在我们的 EUV 源中，我们观察到 H-alpha 发射并非总是完全对称的，这可能表明我们的激光产生的等离子体与简化的“点源”假设不太匹配。我们还尝试改变许多不同的参数，以了解有关爆炸的更多信息（一种显然不可能对超新星进行的实验）。例如，我们绘制了爆炸波轨迹与环境压力、液滴尺寸、激光能量和目标形状的函数关系。

我们的结果帮助我们改进了模型，并确定了定制我们机器中的氢气环境的最佳方法，从而为芯片制造提供了一个干净、稳定的 EUV 源。

通过苦难走向星星

超新星和激光产生的等离子体之间的联系只是受天文学启发的物理学和工程学进步的悠久历史中的一个例子。几个世纪以来，研究人员设计了实验室实验和测量技术来重现在天空中观察到的现象。对原子的现代描述可以追溯到棱镜的发明以及将太阳光谱扩展为复合色，这导致了原子中离散能级的识别，并最终导致了量子力学的发展。没有量子力学，许多现代电子技术是不可能实现的。

猎户座中的巴纳德环[左]是古代超新星的残余。它在 Hydrogen-alpha 光中发光，就像 ASML 光源中锡等离子体爆炸产生的冲击波一样。Daniel Brown

思想的传播也朝着另一个方向发展。随着原子物理学规则和气体吸收线的特征在实验室实验中得到表征，天文学家使用了光谱观测来确定太阳的组成，推断恒星的生命周期，并测量星系的动力学。

纪念

晚年 Rudolf Schultz

Jayson Stewart

生活变得忙碌起来。许多重要的事情都会被搁置，因为它们并不紧急。与祖父一起写这篇文章是我永远希望自己早点开始的事情之一。虽然他没有在这里完成我们开始的事情，但这个故事概括了他对我来说所代表的意义。Rudolf Schultz (1937-2018) 是美国百货商店 Sears 的一名技术员，他没有高中以上的正规教育，他为一个人如何激发好奇心树立了榜样。

在 ASML，实验室中的一次观察激发了他所激发的好奇心，并导致我提出正确的问题。Daniel Brown 鼓励了这些问题；然后，他也对天文 H-alpha 成像和随之而来的所有见解产生了兴趣。我从我的经验中得到的教训是拥抱你自己的好奇心并与他人分享。毫无疑问，它会很有趣，甚至可能会以意想不到的方式有用。

我发现我们用于 EUV 光源的激光产生的等离子体特别类似于一种特定的超新星，称为 Ia 型。人们认为，当一颗白矮星从附近的伴星中拉出物质，直到达到临界质量并内爆时，就会发生这种超新星，从而导致剧烈的自毁。Ia 型超新星以高度一致的方式爆炸，使其成为有价值的“标准烛光”，具有可预测的内在光度：将它们的视亮度与它们的真实内在光度进行比较，可以准确地测量它们与我们在数十亿光年范围内的距离。这些超新星被用于研究宇宙的膨胀，并且它们导致了一个惊人的发现，即宇宙的膨胀正在加速。

在我们的 EUV 源中，我们同样致力于使我们所有的爆炸都是相同的，以便它们可以充当 EUV 扫描仪的“标准烛光”。我们的目标在规模上绝对比宇宙范围内的目标更现实，但我们的雄心壮志却同样伟大。

本文已于 2025 年 3 月 5 日更新。