Защо свръхновите се превърнаха в ключ към новите технологии?

Неочаквана връзка между звездните експлозии на свръхновите и създаването на микрочипове помогна на учените от ASML да подобрят една ключова технология в микроелектрониката. Изследователите, разработващи оборудване за производство на полупроводници, бяха изправени пред предизвикателството да създадат мощен източник на екстремно ултравиолетово (EUV) лъчение, необходимо за създаването на авангардни микрочипове. Решението неочаквано се оказа свързано с техниките, които астрономите използват за изучаване на остатъците от свръхнови.

Един ден, докато разговарял с дядо си, астрономът-любител Рудолф Шулц, инженерът от ASML Джейсън Стюарт забелязал сходства между физическите процеси в тяхното литографско съоръжение и явленията, които се наблюдават при експлозиите на свръхновите. Рудолф, който държал телескоп в коридора на дома си, се интересувал от звездите още от младежките си години. По време на ученическите си години той подарява на внука си книгата на Стивън Хокинг „Кратка история на времето“, която повлиява на бъдещия му избор на професия. По-късно именно астрономическите му познания помагат на Стюарт да преосмисли един от най-трудните инженерни проблеми, с които се сблъсква неговия екип.

Докато работи в ASML, Стюарт участва в разработването на система за екстремна ултравиолетова литография. Тази технология днес е ключова за производството на най-модерните компютърни чипове, но по онова време все още е в процес на активно разработване и се нуждае от значителни подобрения.

За да генерират EUV излъчване, инженерите използват мощен лазер, насочен към микроскопични капки разтопен калай с диаметър 30 микрометра. Тези капки преминават през камера, пълна с разреден водород. Първият лазерен импулс ги превръща в тънък диск, подготвяйки ги за следващата стъпка, а вторият лазерен импулс изпарява този диск, създавайки облак от високотемпературна плазма. Температурата на плазмата достигна 200 000 градуса по Целзий, което е 40 пъти по-висока температура от тази на повърхността на Слънцето. Именно това плазмено кълбо излъчва екстремното ултравиолетово лъчение, необходимо за литографията.

Този процес обаче имаше страничен ефект: от плазмата се изхвърляха високоскоростни частици олово, които замърсяваха огледалата и другите оптични елементи на уредбата. Ако проблемът не беше решен, това щеше да направи EUV литографията непрактична. Докато размишлявал върху това, Стюарт забелязал забележителна прилика между литографската уредба и процесите, които протичат при експлозиите на свръхновите: внезапното освобождаване на енергия, образуването на плазмен облак, разширяващата се ударна вълна и взаимодействието ѝ с разредения водород.

За да изследва поведението на тези миниатюрни експлозии, екипът на ASML е използвал техники, добре познати на астрономите. По-конкретно, те прилагат H-алфа филтър, който улавя характерното червено сияние на възбудените водородни атоми. Анализът на данните показал, че математическият модел, описващ разпространението на ударните вълни от свръхновите, може да се приложи към процесите, протичащи в литографското съоръжение на ASML.

За точния анализ е приложено уравнението на Тейлър-Вон Нойман-Шедов, разработено през 40-те години на миналия век за оценка на мощността на атомните експлозии. Същото уравнение успешно описва три физични процеса: разширяването на ударните вълни при ядрените детонации, разпространението на остатъците от свръхновите в междузвездни мащаби и динамиката на микроскопичните плазмени изблици в съоръжението на ASML.

Тези открития дадоха възможност на инженерите на ASML да създадат стабилен и мощен източник на EUV излъчване, както и да решат проблема със замърсяването на системата с частици олово. Ключова роля изигра потокът от водород с ниска плътност, който циркулира в камерата. Той забавя освобождаването на калаените частици, охлажда ги и не им позволява да се утаяват върху огледалата, което осигурява стабилна работа на системата.

Днес литографската машина на ASML генерира до 50 000 такива плазмени изблика в секунда, осигурявайки прецизно дозиране на EUV излъчването за производството на чипове. Този пробив запази в сила закона на Мур, който предвижда удвояване на броя на транзисторите в чиповете на всеки две години. През последните 50 години броят на транзисторите в един чип се е увеличил от 2000 през 1971 г. до 200 милиарда през 2024 г.

Пътят към екстремно ултравиолетовата технология е сложен. През 80-те години на миналия век се използват източници с дължина на вълната 436 и 365 нанометра, след което инженерите преминават към 248 и 193 нанометра. По-нататъшното намаляване на дължината на вълната обаче се оказа невъзможно поради физическите ограничения на лещите: стъклото започва да поглъща твърде късите дължини на вълните. За да се реши проблемът, през 2000 г. е въведен методът на имерсионната литография, при който между лещата и пластината се поставя вода, за да се увеличи фокусирането. Но този подход също достигна своите граници.

Единственият изход беше да се намали дължината на вълната до 13,5 нанометра, което изискваше източник на излъчване с температура около 200 000 градуса по Целзий. Изследователите избраха калаеното плазмено топче като най-ефективния източник на EUV излъчване. Тази технология не само решава проблема с по-нататъшното намаляване размера на микрочиповете, но е и ключова стъпка в развитието на бъдещата микроелектроника.