«Мы все сделаны из звёздного вещества», — любил напоминать человечеству астроном Карл Саган. Взрывы сверхновых — акты катастрофического самоуничтожения «изношенных» звёзд определённого типа — тесно связаны с жизнью на Земле. Дело в том, что именно в них рождаются тяжёлые элементы, которые можно встретить во всей Вселенной. Большая часть железа в нашей крови, и серы в аминокислотах, возникла в звёздах, взорвавшихся миллиарды лет назад. Но обнаружена и ещё одна, совершенно неожиданная связь между сверхновыми и миром людей. Речь идёт о связи с технологиями, которые нужны для производства компьютерных микросхем, применяемых в современных смартфонах и в других электронных устройствах.
Эта связь проявилась несколько лет назад в череде бесед между мной, Джейсоном Стюартом и моим дедушкой Рудольфом Шульцем. Дедушка был страстным астрономом-любителем, который держал в прихожей, сразу у входа, большой телескоп-рефлектор, который он всегда готов был направить на небо. Когда я учился в старших классах, он подарил мне книгу Стивена Хокинга «Краткая история времени» (Bantam Books, 1988) и на всю жизнь зажёг во мне любовь к физике. Позднее астрономический взгляд на вещи моего дедушки оказался, по счастливой случайности, полезным в моей карьере, о чём я рассказал ему во время одного из наших астрономических вечеров у него дома, в предгорьях Тусона.
Два лазерных импульса бьют в каплю олова в литографической машине ASML. Первый импульс расплющивает каплю, после чего она становится диском; второй испаряет её, превращая в шар горячей плазмы, испускающей ультрафиолетовое излучение. (ASML)
Я рассказывал дедушке о том, чем занимаюсь в лаборатории, принадлежащей ASML — нидерландской компании, которая разрабатывает и строит оборудование для производства полупроводниковых чипов. В то время, лет десять назад, я помогал дорабатывать систему для производства микросхем с использованием глубокого ультрафиолета (EUV, extreme ultraviolet, экстремальное ультрафиолетовое излучение). Хотя в наши дни эта технология чрезвычайно важна для производства самых современных микрочипов, тогда EUV-литография была прорывной технологией, находящейся в процессе разработки. Для получения экстремального ультрафиолетового излучения мы направляли мощный лазерный импульс на капли олова шириной 30 микрометров, пролетающие через камеру, заполненную разреженным водородом. Энергия лазера превращала капли в шары плазмы, которые в 40 раз горячее поверхности Солнца. Это приводило к тому, что олово начинало испускать интенсивное ультрафиолетовое излучение. Побочным эффектом этого процесса были ударные волны, создаваемые шарами плазмы, распространяющиеся по окружающему водороду. К несчастью, взрывы, кроме того, вызывали выбросы оловянных частиц, с которыми, как оказалось, было очень тяжело бороться.
Вспоминая дедушкины уроки астрономии, я понял, что многие аспекты этого процесса завораживающе похожи на то, что происходит при взрывах сверхновых: внезапный взрыв, расширяющееся облако частиц плазмы, ударная волна, распространяющаяся в разреженном водороде. (Межзвёздное вещество состоит, в основном, из водорода.) Для того, чтобы улучшить наши EUV-машины, мы фиксировали этапы развития ударной волны, вызываемой плазменными шарами, поступая совсем как астрономы, изучающие остатки сверхновых в попытках выяснить параметры вызвавших их звёздных взрывов. Мы даже использовали почти такое же оборудование. Например — фильтр, настроенный на характерное тёмно-красное излучение возбуждённых атомов водорода, называемый H-альфа-фильтром. Несмотря на то, что сверхновая обладает в 1045 большей энергией, чем наши взрывы оловянных капель, развитие взрывов обоих типов описывают одни и те же математические инструменты. Близкая физическая аналогия, которую можно провести между ударными волнами, возникающими при взрывах оловянной плазмы и взрывах сверхновых, стала ключом к пониманию того, как нам справиться с досадной проблемой разлетающихся оловянных частиц.
Ночное небо, видимое через телескоп, усеяно светящимися остатками взорвавшихся звёзд. Дедушку забавляла связь между этими древними, далёкими космическими объектами и современным оборудованием, используемым для создания самых совершенных полупроводниковых чипов в мире. Он считал, что многим другим астрономам-любителям, таким же, как он, будет интересно об этом почитать. Я сказал ему, что напишу об этом, если он будет моим соавтором — и он им стал.
Увы, дедушки уже с нами нет, он не увидит эту статью. Но он, всё же, дожил до того момента, когда смог увидеть, как астрофизические параллели привели к важным практическим результатам. Они помогли моей команде в ASML создать яркие и надёжные источники EUV-излучения, что привело к значительному успеху в коммерческом производстве чипов.
EUV и закон Мура
Моё путешествие в мир ультрафиолетовых мини-сверхновых началось в 2012, когда завершалось моё пребывание в Лос-Аламосской национальной лаборатории в роли аспиранта-исследователя, и я искал первую работу за пределами академической среды. Друг заинтересовал меня возможностями работы в полупроводниковой индустрии, где производители микросхем непрерывно, очень многое ставя на кон, соревнуются друг с другом в создании чипов, которые становятся всё меньше и всё быстрее. Я узнал о том, что литографические процессы, используемые для создания структур компьютерных чипов, переживали кризис — такой, который ставит перед инженерами уникальные и увлекательные задачи.
В литографии свет используется для запечатления затейливой схемы элементов на специально подготовленной кремниевой подложке. Этот процесс многократно повторяется, готовое изделие проходит через серии этапов травления, легирования и осаждения, в результате выполнения которых формируется до сотни слоёв. Схемы этих слоёв, в итоге, определяют структуру цепей чипа. Размер элемента, который может быть перенесён на кремниевую подложку, определяется системой формирования изображений и тем, свет с какой длиной волны в ней используется. Чем короче длина волны, и чем больше энергии переносит свет, тем меньше и элементы, которые можно создавать. Длины волн ультрафиолетового излучения, используемого в то время, были слишком велики для создания элементов таких размеров, которые требовались для чипов следующего поколения. Если бы не удалось создать мощные источники коротковолнового излучения, EUV-излучения, то литографические технологии и, вероятно, электронная индустрия, оцениваемая примерно в триллион долларов, вступили бы в эпоху застоя.
В то время уже существовали источники EUV-излучения, но они были слишком слабыми, раз в 10 слабее тех, которые были нужны. Задача достижения столь значительного увеличения мощности выглядела такой сложной и масштабной, что я даже обсуждал с семьёй вопрос о том, стоит ли мне начинать карьеру в сфере EUV-литографии. Многие эксперты говорили, что подобная технология никогда не сможет дойти до коммерческого применения. Но, несмотря на мои сомнения, меня убедил Дэниэл Браун, занимавший тогда должность вице-президента ASML по развитию технологий. Он видел в применении EUV наилучший способ достижения следующего серьёзного скачка в производительности чипов. (Дэниэл, соавтор этой статьи, ушёл из компании в конце 2024).
Удивительно то, что формула Тейлора-фон-Неймана-Седова (её ещё называют формулой Седова-фон-Неймана-Тейлора) описывает ударные волны атомных бомб с радиусом в сотни метров, ударные волны сверхновых, которые простираются на световые годы, и ударные волны оловянной плазмы размером всего в несколько миллиметров.
В течение десятилетий производители умудрялись втискивать всё больше и больше транзисторов в интегральные микросхемы, начиная с примерно 2000 транзисторов в 1971 году — до 200 миллиардов в 2024. Инженеры подтверждали справедливость закона Мура — удвоение количества транзисторов каждую пару лет — более пяти десятков лет, постепенно уменьшая длины световых волн и увеличивая числовую апертуру оптических систем, используемых в литографии.
Литографические системы в 1980-х использовали ртутные лампы, которые излучали свет с длиной волны в 436 нанометров (фиолетовый свет), а впоследствии — с длиной волны 365 нанометров (ближний ультрафиолет). Чтобы и дальше уменьшать размеры транзисторов, учёные изобрели высокомощные лазеры, способные генерировать ультрафиолетовые лучи с более короткими длинами волн, которые составляли 248 и 193 нанометра. А затем переход к ещё более коротким волнам наткнулся на препятствие, связанное с тем, что почти все известные материалы для изготовления линз поглощают свет с длиной волны меньше примерно 150 нанометров.
В течение некоторого времени литографщикам удавалось поддерживать прогресс с помощью хитроумного приёма: они помещали между линзой и кремниевой пластиной воду для улучшения фокусирующей способности оптической системы. Но в итоге прогресс забуксовал, и инженерам пришлось переходить на излучение с более короткими длинами волн. Этот переход, в свою очередь, привёл к необходимости замены линз на зеркала, что имело свои недостатки. А именно, зеркала не могли обеспечивать ту же точность фокусировки, что и использовавшаяся до этого комбинация линз и воды. Для того чтобы добиться заметного прогресса, нужно было очень сильно уменьшить длину световых волн — до примерно 13,5 нанометров, то есть — примерно до одной тридцатой от минимальной длины волны видимого человеческим глазом фиолетового света.
Для того чтобы это сделать, нам нужно было что-то сумасшедше горячее. Длина световой волны, которая исходит от раскалённого источника света, определяется его температурой. Поверхность Солнца, обладающая температурой в 6000 °C, сильнее всего излучает свет в видимом спектре. Получение EUV-излучения с длиной волны в 13,5 нанометров требует источника света, обладающего чрезвычайно высокой температурой — примерно в 200000 °C.
YouTube-ролик ↓
Капли олова падают через литографическую машину ASML. Лучи лазера бьют проходящие капли 50000 раз в секунду, что приводит к их свечению и к созданию источника непрерывного экстремального ультрафиолетового света. Частицы олова уносит поток водорода, перемещающийся с высокой скоростью. (ASML)
Мы в ASML остановились на горячей высокоэнергетической оловянной плазме, как на наилучшей основе для создания EUV-«лампочки». Сильно возбуждённые ионы олова, из-за особого расположения электронов, излучают большую часть света в узком диапазоне, который как раз находится в районе нужной в промышленности длины волны — 13,5 нанометров.
Главным вопросом, вставшим перед нами, был вопрос о том, как надёжно создавать такую вот оловянную плазму. Литографический процесс в производстве чипов требует чётко определённой и стабильной дозы EUV-излучения для того, чтобы экспонировать фоторезист — светочувствительный материал, используемый для создания изображений схем на кремниевой пластине. Поэтому источник света должен был давать точные количества энергии. Не менее важным было и то, что давать эту энергию он должен был непрерывно в течение длительных периодов времени, без дорогостоящих остановок на ремонт или обслуживание.
Мы создали систему, напоминающую причудливые машины Руба Голдберга, где в расплавленные капли олова били сразу два лазерных луча. Первый превращал каплю в диск, напоминающий блин. Второй лазер бил по олову коротким и мощным импульсом, который превращал его в высокотемпературную плазму. Затем зеркало — почти полусферическое и многослойное — собирало EUV-свет, излучаемый плазмой, и отправляло его в литографический сканер — в установку размером с автобус, которая использует этот свет для проецирования схем на кремниевую пластину.
YouTube-ролик ↓
Современный процесс создания чипов начинается с источника EUV-света. Свет, с помощью сложной системы зеркал, направляют на поверхность движущейся пластины, где он создаёт необходимые конструкции отпечатываемых схем. (ASML)
Для поддержания источника EUV-света, который (для целей литографии) сделан достаточно мощным, нужен основной лазер мощностью в несколько десятков киловатт, каждую секунду облучающий около 50000 капель олова. Менее чем за одну десятимиллионную долю секунды каждый импульс лазера превращает олово из капель диаметром в 30 микрометров, в плазменные шары размером в миллиметр, объём которых в десятки тысяч раз превышает исходный объём капель. Марк Филлипс, директор Intel по литографии и аппаратным решениям, описал EUV-машину для литографии, которую мы помогали разрабатывать, как «инструмент, который, с технической точки зрения, сложнее любого из созданных когда-либо инструментов».
Каждая из наших литографических машин, в которой каждую секунду происходят взрывы 50000 капель олова, способна генерировать примерно 1 триллион импульсов ежегодно, перерабатывая несколько литров расплавленного олова. При этом слой из частиц олова толщиной всего в один нанометр, покрывающий коллекторную оптику, способен привести к ухудшению передачи EUV-излучения до неприемлемых уровней и вывести машину из строя. Мы, те, кто заняты литографией, обычно говорим так: «Недостаточно просто создать мощность; нужно ещё её выдержать».
Водород в EUV-излучении и в космосе
Непрерывный поток разреженного газообразного водорода защищает зеркало и камеру устройства от металлического аэрозоля, полученного из испарённых частиц олова. Начальная скорость этих частиц составляет десятки километров в секунду, что гораздо больше, чем скорость звука в водороде. Когда частицы олова, движущиеся со сверхзвуковой скоростью, сталкиваются с газообразным водородом, они создают расходящуюся ударную волну. Это очень похоже на то, что происходит при взрыве сверхновой, когда ударная волна распространяется в сильно разреженном водороде, который заполняет межзвёздное пространство.
Но разреженный газообразный водород тоже двигается, протекая по машине со скоростью в сотни километров в час. Газ, двигаясь, замедляет, охлаждает и уносит быстродвижущиеся частицы олова. Для того чтобы определить то, сколько водорода нужно, чтобы убрать олово и защитить газ от перегрева, нам сначала надо было ответить на вопрос о том, сколько энергии высвобождается когда, после облучения олова лазером, получается плазма. Выяснение этого — задача не из лёгких.
Мы с коллегами в ASML обнаружили эффективный способ измерения энергии взрывов капель олова. Мы это делаем, не изучая плазму напрямую, а наблюдая за реакцией газообразного водорода. Сейчас эта идея кажется очевидной, но тогда мы часто действовали наудачу. Когда я делал снимки шарообразной оловянной плазмы, я постоянно замечал красные светящиеся шары, которое её окружали, и размеры которых были гораздо больше, чем её размеры. Казалось, что взрывы плазмы вызывают в водороде H-альфа-излучение. Но после наблюдений многое оставалось неясным. Почему шары имеют именно такой размер (несколько миллиметров в диаметре)? Как они развиваются? Как изучить их свечение для измерения количества энергии, переданной газу?
Я исследовал эти красные шары, используя Teledyne Princeton Instruments Pi-Max 4 — сверхбыструю интенсифицированную CCD-камеру, которая способна делать снимки с экспозицией, измеряемой наносекундами. Я состыковал её с дальномерным объективом для микроскопа, намереваясь уловить свечение этих красных шаров. Так же я подключил к ней узкополосный 2-дюймовый H-альфа-фильтр Orion, который я купил на астрофотографическом сайте. Фотографии, которые удалось сделать с помощью этой установки, поражали воображение. Каждый плазменный взрыв сопровождался появлением равномерно расширяющейся сферической ударной волны.
По случайности, за несколько месяцев до этого, я посетил семинар, на котором шла речь о взрывных волнах (blast wave) — о таких ударных волнах (shock wave), которые создаются точечным источником взрыва. Семинар убедил меня в том, что наши наблюдения способны дать мне то, к чему я стремился — возможность измерить энергию. В попытках разобраться с тем, как развиваются взрывные волны, я узнал о том, что астрономы сталкивались с той же проблемой, пытаясь определить начальную энергию взрыва, который породил наблюдаемые остатки сверхновой. Я узнал, что у меня, кроме прочего, имеется ещё и отличная тема для следующей научной беседы с дедушкой.
Астрономы, чтобы получить ответ на волнующий их вопрос, обратились к уравнениям, которые были созданы в 1940-х годах, когда учёные искали способы анализа разрушительной силы недавно созданного атомного оружия. Одно из выражений этих уравнений, так называемая формула Тейлора-фон-Неймана-Седова, описывает радиус ударной волны как функцию времени. Оно предоставляет простую, прямую зависимость между радиусом ударной волны и суммарной энергией взрыва.
В 1949 году британский физик Джеффри Тейлор использовал недавно выведенную им формулу ударных волн для определения энергии взрывов первых атомных бомб и опубликовал сведения об этом (тогда эти сведения были засекречены). Успех тейлора, по некоторым данным, расстроил правительство США, и продемонстрировал возможности его аналитических инструментов. Это удивительно, но формула Тейлора-фон-Неймана-Седова описывает ударные волны от атомных бомб с радиусом в сотни метров, ударные волны сверхновых, размеры которых измеряются световыми годами, и взрывы оловянной плазмы размером всего в несколько миллиметров. В основе всех этих процессов лежит одна и та же физическая ситуация: компактное, самостоятельное тело высвобождает энергию в условиях минимального сопротивления и быстро расширяется в окружающей его газовой среде.
Мы применили формулу Тейлора-фон-Неймана-Седова к H-альфа-изображениям, которые сделали, исследуя источник света ASML. Это привело к выявлению удовлетворительной согласованности между результатами наших вычислений и грубыми оценками энергии, сделанными другими средствами. Мы, кроме того, наткнулись на некоторые расхождения между теорией и практикой. Так, мы, анализируя наши источники EUV-излучения, заметили, что объекты, испускающие H-альфа-излучение, не всегда идеально симметричны. Это могло указывать на то, что плазменные шары, созданные лазером, не вполне соответствуют упрощённой идее «точечного источника взрыва». Мы, кроме того, попытались поэкспериментировать с различными параметрами, чтобы больше узнать о взрывах (подобные эксперименты, что понятно, невозможны при изучении сверхновых). Например, мы представили траектории взрывной волны в виде функции от давления окружающей среды, размера капли, энергии лазера и формы цели.
Полученные результаты помогли нам улучшить модели и определить то, как наилучшим способом адаптировать свойства водородной среды, находящейся внутри машин, к нашим нуждам по созданию чистого, стабильного источника EUV-излучения, необходимого для производства чипов.
Через тернии к звёздам
Обнаружение связи между сверхновыми и плазмой, созданной лазером — это лишь один из многих примеров открытий, сделанных в физике и инженерном деле и вдохновлённых астрономией. На протяжении столетий исследователи придумывали лабораторные эксперименты и способы измерения различных величин для того, чтобы воссоздать то, что можно было наблюдать на небе. Современное описание атома восходит к изобретению призмы и к разложению солнечного спектра на составляющие его цвета, что привело к открытию дискретных энергетических уровней в атоме, и, наконец, к разработке идей квантовой механики. Без квантовой механики было бы невозможно создать многие современные электронные технологии.
Идеи распространялись и в обратном направлении. Когда, в лабораторных экспериментах, были изучены законы атомной физики и линии спектра поглощения газов, астрономы применили спектроскопические наблюдения для определения состава Солнца, для описания жизненных циклов звёзд, для измерения динамики галактик.
In Memoria
Жизнь летит… Многие важные дела остаются на заднем плане из-за того, что они не считаются срочными. Написание этой статьи вместе с моим дедушкой было одним из таких дел. Я всегда буду жалеть о том, что не начал её раньше. Хотя его уже нет, и он не сможет завершить начатое, эта история воплощает в себе то, что он для меня значил. Рудольф Шульц (1937-2018) — техник в американском универмаге Sears, не имевший официального образования после школы, показал мне пример того, что любознательность способна разжечь в человеке.
В ASML всего одно наблюдение в лаборатории вызвало во мне то любопытство, которое я перенял от него, и заставило меня задавать правильные вопросы. Дэниэл Браун поддержал меня в поисках ответов на эти вопросы. Затем и он тоже заинтересовался H-альфа-астрофотографией и всем тем, что с этим связано. Из всего этого опыта я вынес такой урок: надо следовать за своим любопытством и делиться им с другими. Это, без сомнения, будет интересно, а, возможно, и окажется неожиданно полезным.
Меня просто завораживает то, что плазменные шары, создаваемые лазером в нашем источнике EUV-излучения, особенно сильно напоминают одну конкретную разновидность сверхновых. Это — сверхновые типа Ia, которые, как считается, возникают, когда белый карлик забирает вещество у соседней звезды-компаньона до тех пор, пока не достигнет критической массы, и не коллапсирует, что приводит к жестокому акту самоуничтожения звезды. Взрывы сверхновых типа Ia очень похожи друг на друга, что делает их ценными «эталонными источниками света» с предсказуемой собственной светимостью. Сравнивая их наблюдаемую яркость с их истинной, собственной светимостью, можно точно вычислять расстояния до них, измеряемые миллиардами световых лет. Эти сверхновые используются для изучения расширения Вселенной, их исследование привело к удивительному открытию, которое заключается в ускорении расширения космоса.
В наших источниках EUV-излучения мы тоже стремимся к тому, чтобы все происходящие в них взрывы, были бы одинаковыми, чтобы они служили бы «эталонными источниками света» для EUV-сканера. Масштаб наших целей, конечно, вполне себе земной, а не космический, но этого нельзя сказать о наших амбициях.
О, а приходите к нам работать? 🤗 💰
Мы в wunderfund.io занимаемся высокочастотной алготорговлей с 2014 года. Высокочастотная торговля — это непрерывное соревнование лучших программистов и математиков всего мира. Присоединившись к нам, вы станете частью этой увлекательной схватки.
Мы предлагаем интересные и сложные задачи по анализу данных и low latency разработке для увлеченных исследователей и программистов. Гибкий график и никакой бюрократии, решения быстро принимаются и воплощаются в жизнь.
Сейчас мы ищем плюсовиков, питонистов, дата-инженеров и мл-рисерчеров.
