微小星體爆炸如何推動摩爾定律

我們每個人都是由星星的「物質」組成的，這是天文學家卡爾·薩根 (Carl Sagan) 常常提醒我們的。超新星爆炸是某些類型的老化星星自我毀滅的災難性事件，與地球上的生命息息相關，因為它們是宇宙中重元素的誕生地。大部分我們血液中的鐵和氨基酸中的硫，都是來自於數十億年前爆炸的星星。但是，我們發現超新星與人類世界之間還有另一個相當驚人的聯繫——特別是與製造最新智能手機和其他電子設備所需的電腦晶片技術的聯繫。

這個聯繫幾年前在我、賈森·斯圖爾特 (Jayson Stewart) 和我的祖父魯道夫·舒爾茨 (Rudolf Schultz) 之間的一系列對話中浮現出來。我的祖父是一位熱愛觀星的業餘天文學家，他在家裡的門廳裡放著一台大型反射望遠鏡，隨時準備使用。當我上高中的時候，他把一本史蒂芬·霍金 (Stephen Hawking) 的《時間簡史》 (A Brief History of Time) 交給我，並引導我愛上物理學。最近，我祖父的天文觀點在我的職業生涯中也意外地發揮了作用，我在他位於圖森山腳下的家中觀星時向他解釋了我的工作。

我在更新祖父我在荷蘭公司ASML的實驗室工作的情況，這家公司開發和建造半導體晶片製造設備。大約十年前，我正在幫助改進一種使用極紫外光 (EUV) 製造晶片的系統。雖然這對於今天製造最先進的微晶片至關重要，但當時EUV光刻技術仍然是一項挑戰性技術，還在開發中。為了產生EUV光，我們將強烈的激光脈衝聚焦到飛行在低密度氫氣中的30微米寬的錫滴上。激光的能量將這些滴轉化為比太陽表面熱40倍的等離子球，導致錫發出強烈的紫外線輻射。作為副產品，等離子球產生的衝擊波穿過周圍的氫氣。不幸的是，這些爆炸也釋放出噴灑的錫碎片，這讓我們非常難以處理。

回想起與祖父的天文課，我意識到這個過程的許多方面與超新星的發生有著有趣的相似之處：突然的爆炸、擴展的等離子碎片雲和衝擊波撞擊稀薄的氫環境（星際物質主要由氫組成）。為了改進我們的EUV設置，我們會記錄等離子球的衝擊波演變，就像天文學家研究超新星的殘骸以推斷創造它們的恆星爆炸的特性一樣。我們甚至使用了一些相同的設備，比如調整到激發氫原子特徵深紅色發射的濾光片，稱為氫α (Hydrogen-alpha) 濾光片。儘管超新星的能量是我們錫爆炸的1045倍，但相同的數學描述了這兩種爆炸的演變。錫等離子衝擊與超新星衝擊之間的密切物理類比，成為了解決我們棘手的錫碎片問題的關鍵。

透過望遠鏡的眼睛，夜空中點綴著爆炸星星的發光殘骸。我的祖父對這些古老、遙遠的天體與用於製造世界上最先進的半導體晶片的現代設備之間的聯繫感到非常高興。他認為許多像他一樣的業餘觀星者會喜歡閱讀這個故事。我告訴他，如果他願意成為我的共同作者，我會把這個故事寫出來——而他確實這麼做了。

可悲的是，我的祖父無法看到我們的文章完成。但他活著的時候，看到這些天體物理的平行關係導致了重要的實際結果：它們幫助我在ASML的團隊生產出明亮、可靠的EUV光源，促進了商業晶片製造的重大進展。

EUV與摩爾定律

我進入EUV迷你超新星的世界始於2012年，當時我在洛斯阿拉莫斯國家實驗室 (Los Alamos National Laboratory) 完成博士後研究，並尋找我在學術界之外的第一份工作。一位朋友讓我對半導體行業的可能性感興趣，這裡的製造商正參與著一場不斷的高風險競爭，以建造更小、更快的電路。我了解到，用於創建電腦晶片特徵的光刻過程正處於危機之中，這提供了有趣的工程挑戰。

在光刻中，光被用來在準備好的矽基板上印製複雜的圖案。這個過程會在一系列的蝕刻、摻雜和沉積步驟中重複多次，以創建多達一百層；這些層中的圖案最終定義了電腦晶片的電路。可以轉移到矽基板上的特徵大小由成像系統和光的波長決定。波長越短、光的能量越高，特徵就越小。當時使用的紫外線波長對於下一代晶片來說太長、太粗糙。如果我們無法創造出強大的短波長EUV光源，光刻技術和潛在的近萬億美元電子行業將會停滯不前。

當時，現有的EUV光源的能量不足，大約差了10倍。實現如此巨大的功率增長的任務是如此艱巨，以至於我和家人討論了開始EUV光刻職業的明智性。許多專家建議這項技術永遠無法商業化。儘管我感到不安，但我被當時ASML技術開發副總裁丹尼爾·布朗 (Daniel Brown) 說服，他認為EUV是實現晶片性能下一次重大飛躍的最佳途徑。（丹尼爾是這篇文章的共同作者，並於2024年底從公司退休。）

令人驚訝的是，泰勒-馮·紐曼-塞多夫 (Taylor-von Neumann-Sedov) 公式描述了半徑數百米的原子彈衝擊波、跨越光年的超新星衝擊波，以及僅幾毫米寬的錫等離子衝擊波。

幾十年來，製造商成功地將越來越多的晶體管擠進集成電路，從1971年的約2000個晶體管增長到2024年的2000億個。工程師們通過逐步減少光的波長和擴大光刻中使用的成像系統的數值孔徑，使摩爾定律——每幾年晶體管數量翻倍——持續了五十多年。

1980年代的光刻系統使用的汞燈在436納米（紫光）和最終的365納米（近紫外光）波長下輻射。為了進一步減小晶體管的特徵尺寸，人們發明了可以在248納米和193納米波長下產生紫外光束的高功率激光。然後，向更短波長的轉變遇到了瓶頸，因為幾乎所有已知的透鏡材料都會吸收波長低於約150納米的光。

一段時間內，光刻技術人員設法使用一個巧妙的技巧繼續取得進展：他們在透鏡和矽晶圓之間放置水，以提高成像系統的聚焦能力。但最終，縮放過程停滯不前，工程師們被迫轉向更短的波長。這一轉變又需要用鏡子取代透鏡，這帶來了代價。鏡子無法達到與之前的透鏡加水組合相同的聚焦精度。為了取得實質性進展，我們需要將光的波長大幅減少到約13.5納米，這大約是你眼睛能看到的最短可見紫光的三十分之一。

為了達到這一點，我們需要一些極其炙熱的東西。燈泡發出的光的波長由其溫度決定。太陽表面的溫度為6000°C，最強烈地輻射在可見光譜中。要獲得波長為13.5納米的EUV光源，需要一個極高溫度的源，約200,000°C。

在ASML，我們選擇了熱能充沛的錫等離子體作為創造EUV「燈泡」的最佳方法。由於它們的電子排列方式，激發的錫離子在行業所需的13.5納米波長附近輻射出大量光。

我們面臨的最大問題是如何可靠地創造這樣的錫等離子體。晶片製造中的光刻過程需要特定且高度一致的EUV輻射劑量來曝光光敏材料，這是用於在晶圓上創建電路圖案的材料。因此，光源必須提供準確的能量。此外，它還必須能夠持續長時間運行，而不會因維修或保養而造成昂貴的停機。

我們設計了一個類似於盧布·戈德堡 (Rube Goldberg) 的系統，其中一個熔融的錫滴被兩束激光瞄準。第一束將滴轉變為煎餅形狀的圓盤。第二束激光用短促而強烈的激光脈衝擊打錫，將其轉化為高溫等離子體。然後，一個近半球形的多層鏡收集等離子體發出的EUV光，並將其投射到光刻掃描儀中，這是一種巴士大小的工具，利用光將圖案投射到矽晶圓上。

維持一個足夠強大的EUV光源以進行光刻需要一個功率達數十千瓦的主激光，每秒擊打約50,000個錫滴。在不到十萬分之一秒的時間內，每個激光脈衝將錫從30微米寬的滴轉變為一個毫米寬的等離子爆炸，體積是原來的數萬倍。英特爾 (Intel) 的光刻和硬體解決方案總監馬克·菲利普斯 (Mark Phillips) 將我們正在幫助開發的EUV光刻機描述為「有史以來製造的最技術先進的工具」。

在每秒50,000個滴的情況下，在重度使用下，我們的每台光刻機每年有潛力產生近1兆次脈衝，總計數升的熔融錫。在這一切中，單一納米的錫碎片覆蓋在收集光學元件上，會使EUV傳輸降至不可接受的水平，並使機器無法運行。正如我們在行業中所說的，僅僅產生能量是不夠的；我們必須能夠承受這股能量。

EUV中的氫與太空中的氫

一股持續的低密度氫氣流保護鏡子和周圍的容器，免受噴出的蒸發錫碎片的影響。這些碎片的初始速度達到每秒數十公里，遠快於氫中的音速。因此，當超音速的錫撞擊氫氣時，會產生向外擴散的衝擊波——這與超新星爆炸擴展到充滿星際空間的稀薄氫的情況非常相似。

低密度的氫氣也在移動，流經機器的速度達到每小時數百公里。隨著氣體的流動，它減速、降溫並沖走能量豐富的錫碎片。為了確定我們需要多少氫來清除錫並防止氣體過熱，我們首先必須計算激光產生的等離子體釋放的總能量。而計算這個數量並不是一件簡單的任務。

我和ASML的同事們找到了一種有效的方法來測量我們的錫爆炸的能量，不是通過直接研究等離子體，而是通過觀察氫氣的反應。事後看來，這個想法似乎很明顯，但當時我們卻摸索不定。當我拍攝錫等離子體的圖像時，我不斷觀察到一個更大、紅色的發光球體圍繞著它。這似乎表明等離子爆炸正在誘導氫的H-alpha發射。但這些觀察留下了許多未知數：為什麼這些球體的大小如此特定（直徑為毫米），它們是如何演變的，最重要的是，我們如何研究這種發光來測量能量的釋放？

我使用了一台Teledyne Princeton Instruments Pi-Max 4，這是一種超快增強型CCD相機，可以在納秒級別進行快速曝光。我將它與一個長距離顯微鏡鏡頭配對，以收集這些紅色球體的光芒，並使用從天文攝影網站購買的奧里昂 (Orion) 2英寸超窄帶H-alpha帶通濾光片。用這個設備捕捉到的圖像引人注目。每次等離子事件都發出一個穩定擴展的球形衝擊前沿。

幾個月前，我參加了一個提到爆炸波——由點源爆炸產生的衝擊波的研討會。這個研討會讓我相信我們的觀察可以給我想要的能量測量。在我尋找理解爆炸波演變的過程中，我了解到天文學家在試圖確定觀察到的超新星殘骸所釋放的初始能量時也遇到了相同的測量問題。我知道我也有了下一次與祖父進行科學討論的完美主題。

我使用泰勒-馮·紐曼-塞多夫公式來分析我們在ASML光源中記錄的H-alpha圖像，結果我們計算的能量與我們通過其他方式粗略估計的數量之間達成了令人滿意的一致。然而，我們也遇到了一些理論與實踐之間的差異。在我們的EUV光源中，我們觀察到H-alpha發射並不總是完全對稱，這可能表明我們的激光產生的等離子體並不完全符合簡化的「點源」假設。我們還嘗試改變許多不同的參數，以了解更多有關爆炸的信息（這種實驗顯然對超新星來說是不可能的）。例如，我們映射了爆炸波的軌跡，作為環境壓力、滴大小、激光能量和目標形狀的函數。

我們的結果幫助我們改進模型，並確定最佳方法來調整我們機器中的氫環境，以實現晶片製造的乾淨、穩定的EUV光源。

通往星際的艱辛之路

超新星與激光產生的等離子體之間的聯繫只是天文學啟發的物理學和工程學進步的長久歷史中的一個例子。幾個世紀以來，研究人員設計實驗室實驗和測量技術，以重現天空中觀察到的現象。現代原子的描述可以追溯到棱鏡的發明和太陽光譜的分散，這導致了原子中離散能級的識別，最終發展出量子力學。沒有量子力學，許多現代電子技術將無法實現。

我發現，EUV光源中使用的激光產生的等離子體特別類似於一種特定的超新星，稱為Ia型超新星。這種超新星被認為發生在白矮星從鄰近的伴星吸取物質，直到達到臨界質量並崩潰，導致劇烈的自我毀滅。Ia型超新星以高度一致的方式爆炸，使它們成為有價值的「標準燭光」，具有可預測的內在光度：比較它們的表觀亮度與其真實的內在光度，使我們能夠準確測量它們距離我們的距離，跨越數十億光年。這些超新星被用來研究宇宙的擴張，並導致了驚人的發現，即宇宙的擴張正在加速。

在我們的EUV光源中，我們同樣希望所有的爆炸都是相同的，以便它們能作為EUV掃描儀的「標準燭光」。我們的目標雖然比宇宙的規模更接地氣，但我們的抱負依然宏大。