우리는 모두 만들어졌습니다 별의 천문학 자로 물건 칼 사간 우리를 상기시키는 것을 좋아했습니다. 특정 유형의 닳은 별의 치명적인 자기 파괴 인 초신성 폭발은 우주 전역의 무거운 요소의 출생지이기 때문에 지구상의 삶에 밀접한 관련이 있습니다. 철의 대부분 우리의 피와 황은 우리의 아미노산은 수십억 년 전에 폭발 한 별에서 유래했습니다. 하지만 우리는 가지고 있습니다 초신성과 인간 세계 사이의 또 다른 놀라운 연결이 만났습니다.–특히, 최신의 컴퓨터 칩을 만드는 데 필요한 기술과의 연결 스마트 폰 그리고 다른 전자 장치.
그 관계는 몇 년 전에 나 자신 간의 일련의 대화에서 나왔습니다. 제이슨 스튜어트할아버지 Rudolf Schultz. 할아버지는 열렬한 아마추어 스카이 가제 (Sky Gazer)였으며, 입구 바로 옆에있는 집의 로비에 큰 반사기 망원경을 유지하면서 빠른 배치 준비가되었습니다. 내가 고등학교에있을 때 그는 나에게 사본을 건네 주었다 스티븐 호킹 간단한 시간의 역사 (Bantam Books, 1988) 그리고 물리학에 대한 평생 사랑을 향해 안내해주었습니다. 더 최근에, 할아버지의 천문학적 관점은 또한 투손의 산기슭에있는 그의 집에서 관찰 세션 중 하나에서 그에게 설명했듯이 내 경력에 유용하게 유용한 것으로 판명되었습니다.
Double Laser Zap은 ASML의 리소그래피 머신에서 주석의 액적을칩니다. 첫 번째 Zap은 드롭을 디스크로 평평하게합니다. 두 번째는 그것을 뜨겁고 자외선-방출 혈장의 공으로 기화시킵니다. ASML
실험실에서하고있는 일에 대해 할아버지를 업데이트하고있었습니다. ASML반도체 칩을 제조하기위한 장비를 개발하고 구축하는 네덜란드 기반 회사. 당시 약 10 년 전, 나는 EV (Extreme Ultraviolet) 조명을 사용하여 칩을 제조하는 시스템을 개선하는 데 도움을주고있었습니다. 오늘날 가장 고급 마이크로 칩을 만드는 것이 중요하지만 EUV 리소그래피 그런 다음 여전히 도전적인 기술이 개발 중이었습니다. EUV 빛을 생성하기 위해, 우리는 저밀도 수소로 채워진 챔버를 통해 날아 다니는 30 마이크로 미터 넓은 주석 방울에 강렬한 레이저 펄스를 집중시킵니다. 레이저로부터의 에너지는 액 적을 태양 표면보다 40 배인 혈장 공으로 변형시켜 주석이 강한 자외선 방사선을 방출하게했다. 부산물로서, 플라즈마 볼은 주변 수소를 통과하는 충격파를 생성했습니다. 불행하게도, 폭발은 또한 주석 잔해 스프레이를 방출하여 관리하기가 매우 어려웠습니다.
할아버지와의 천문학 수업을 떠올리면서, 나는이 과정의 많은 측면이 초신성에서 일어나는 일과 흥미로운 것, 즉 갑작스런 폭발, 혈장 잔해물의 구름, 얇은 수소 환경으로 슬램하는 충격파를 가지고 있음을 깨달았습니다. (성간 재료는 주로 수소로 구성됩니다.) EUV 설정을 개선하기 위해 천문학 자들이 혈장 공에서 충격파의 진화를 기록 할 것입니다. 천문학 자들은 초신성 폭발의 특성을 추론하기 위해 초신성의 유적을 연구하는 것처럼. 우리는 심지어 수소-알파 (h-alpha)라고 불리는 에너지 수소 원자의 특징적인 심해 방출로 조정 된 필터와 같은 동일한 장비를 사용했습니다. 초신성이 우리의 주석 폭발보다 1045 배 많은 에너지를 가지고 있다는 사실에도 불구하고, 같은 수학은 두 가지 유형의 폭발의 진화를 설명합니다. 주석-플라즈마 충격과 초신성 충격 사이의 신체적 비유는 우리의 욕구가있는 주석 박사 문제를 다루는 방법을 알아내는 데 열쇠로 판명되었습니다.
망원경 눈을 통해 볼 수있는 밤하늘에는 폭발 된 별의 빛나는 유골이 점재됩니다. 할아버지는이 고대의 먼 천체와 세계에서 가장 진보 된 반도체 칩을 만드는 데 사용되는 현대 장비 사이의 연결로 간지 웠습니다. 그는 다른 많은 아마추어 스카이 가제 스가이 이야기에 대해 읽고 싶어한다고 생각했습니다. 나는 그가 내 공동 저자가 될 것이라면 그것을 쓸 것이라고 말했다.
안타깝게도 할아버지는 우리 기사가 완성 된 것을보기 위해 여기에 없습니다. 그러나 그는 이러한 천체 물리적 유사점을보고 중요한 실질적인 결과로 이어지는 것을 보았습니다. 그들은 ASML의 우리 그룹이 밝고 신뢰할 수있는 EUV 광원을 생산하여 상업용 다람쥐의 주요 발전.
EUV와 무어의 법칙
EUV 미니-수퍼 노바스의 세계로의 여행은 2012 년에 시작하여 박사후 연구 과학자로 일을 마치고있었습니다. Los Alamos National Laboratory 그리고 학계 이외의 첫 직장을 찾고 있습니다. 친구가 제조업체가 더 작고 빠른 회로를 구축하기 위해 지속적이고 고위용 고위장 경쟁에 참여하는 반도체 산업에서 일할 가능성에 관심을 갖게되었습니다. 컴퓨터 칩에서 기능을 만드는 데 사용 된 리소그래피 프로세스는 흥미로운 엔지니어링 과제를 제공하는 위기에 처한 것임을 알게되었습니다.
리소그래피에서, 빛은 제조 된 실리콘 기판에 복잡한 패턴을 각인하는데 사용된다. 이 과정은 일련의 에칭, 도핑 및 증착 단계에서 여러 번 반복되어 최대 100 개의 층을 생성합니다. 해당 레이어의 패턴은 컴퓨터 칩의 회로를 정의하게됩니다. 실리콘 기판으로 전달 될 수있는 특징의 크기는 이미징 시스템과 빛의 파장에 의해 결정된다. 파장이 더 짧고 빛이 더 활력이 높을수록 특징이 작습니다. 당시에 사용중인 자외선 파장은 차세대 칩에서는 너무 길고 조잡했습니다. 리소그래피 기술과 잠재적으로 거의 1 조 달러의 전자 산업은 더 짧은 파장 EUV 라이트의 강력한 공급원을 만들 수 없다면 정체 될 것입니다.
당시 이용 가능한 EUV 광원은 약 10 배까지 너무 약해졌습니다. 그러한 큰 힘의 증가를 달성하는 작업은 너무 어려워서 가족과 EUV 리소그래피에서 경력을 시작하는 지혜에 대해 토론했습니다. 많은 전문가들은이 기술을 상용화 할 수 없다고 제안했습니다. 나의 떨림에도 불구하고, 나는 ASML의 기술 개발 담당 부사장 인 Daniel Brown에 의해 승리를 거두었습니다. (이 기사의 공동 저자 인 Daniel은 2024 년 말 회사에서 은퇴했습니다.)
놀랍게도, 테일러-Neumann-Sedov 공식을 설명합니다 원자–수백 미터 반경으로 폭탄 충격, 가벼운 시대에 걸쳐 뻗어있는 초신성 충격, 주석-플라즈마 충격은 밀리미터 넓이이자형.
수십 년 동안 제조업체는 1971 년에 약 2,000 개의 트랜지스터에서 2024 년에 20 억 2 천억 건으로 점점 더 많은 트랜지스터를 짜낼 수있었습니다. 엔지니어들은 무어의 법칙 (2 년마다 2 년마다 트랜지스터의 두 배가 늘어나서 5 년 이상의 파장을 감소 시켜서 숫자로 사용 된 수치를 늘려야합니다.
1980 년대의 리소그래피 시스템은 436 나노 미터 (제비 빛)와 365 nm (근처)의 파장에서 방사 된 수은 램프를 사용했습니다. 트랜지스터의 특징 크기를 더 줄이기 위해 사람들은 더 짧은 248nm 및 193-nm 파장에서 자외선 빔을 생성 할 수있는 고출력 레이저를 발명했습니다. 거의 모든 알려진 렌즈 재료가 약 150 nm 미만의 파장으로 빛을 흡수하기 때문에 더 짧은 파장으로의 이동은 벽에 부딪칩니다.
잠시 동안, 석판 학자들은 영리한 속임수를 사용하여 계속 진전을 이루었습니다. 렌즈와 실리콘 웨이퍼 사이에 물을 넣으십시오 이미징 시스템의 초점력을 향상시킵니다. 그러나 결국 스케일링 프로세스가 정체되고 엔지니어는 짧은 파장으로 전환해야했습니다. 이 스위치는 렌즈를 거울로 교체해야했습니다. 거울은 이전 렌즈 플러스-물 조합과 동일한 초점 정밀도를 달성 할 수 없었습니다. 의미있는 발전을 위해, 우리는 빛의 파장을 약 13.5 nm로, 또는 눈이 볼 수있는 가장 짧은 가시적 인 바이올렛 빛의 파장의 약 1/3로 크게 줄여야했습니다.
거기에 도착하려면, 우리는 미친 듯이 뜨거운 무언가가 필요합니다. 백열 소스에 의해 방출되는 빛의 파장은 온도에 의해 결정됩니다. 온도가 6,000 ° C 인 태양의 표면은 가시 스펙트럼에서 가장 강하게 방출됩니다. 13.5 nm의 파장을 가진 EUV 라이트에 도달하려면 약 200,000 ° C의 매우 높은 온도를 가진 소스가 필요합니다.
주석 액 적은 ASML의 리소그래피 기계를 통해 떨어집니다. 레이저 빔은 통과 한 방울을 2 초당 50,000 배에 쳐서 빛나고 연속적인 극한 자외선 광원을 만듭니다. 주석 잔해는 고속 수소 흐름에 의해 휩쓸려 있습니다. ASML
ASML에서 우리는 EUV “Lightbulb”를 만드는 가장 좋은 방법으로 뜨겁고 활기찬 주석 혈장에 정착했습니다. 전자의 특정한 방식으로 인해, 매우 흥분된 주석 이온은 업계에서 원하는 13.5-nm 파장 주변의 좁은 밴드에서 많은 빛을 발산합니다.
우리가 직면 한 큰 문제는 그러한 주석 혈장을 안정적으로 만드는 방법이었습니다. 칩 제조의 리소그래피 공정은 웨이퍼에서 회로 패턴을 생성하는 데 사용되는 광에 민감한 재료 인 광자 주의자를 노출시키기 위해 구체적이고 일관된 EUV 방사선 선량이 필요합니다. 그래서 광원은 정확한 양의 에너지를 제공해야했습니다. 마찬가지로, 수리 또는 유지 보수를 위해 비용이 많이 드는 일시 정지없이 오랜 시간 동안 지속적으로 그렇게해야했습니다.
우리는 a 루베 골드버그– 용융 된 주석 액적이 2 개의 레이저 빔으로 표적화되는 시스템. 첫 번째는 액적을 팬케이크 모양의 디스크로 바꿉니다. 두 번째 레이저는 짧고 에너지가 많은 레이저 펄스로 주석을 때리며이를 고온 혈장으로 변환합니다. 거의 반구형의 다층 미러는 플라즈마에서 EUV 라이트를 수집하여 리소그래피 스캐너에 투사합니다.이를 실리콘 웨이퍼의 조명을 사용하는 버스 크기의 도구입니다.
현대의 다람쥐 과정은 극한의 자외선 (EUV) 광원으로 시작합니다. EUV 라이트는 움직이는 웨이퍼 표면에 정교한 일련의 거울로 감독되며, 여기서 원하는 각인 회로 패턴을 만듭니다. ASML
리소그래피에 충분히 강렬한 EUV 광원을 유지하려면 수십 킬로와트의 힘을 가진 1 차 레이저가 필요하며 매 초마다 약 50,000 방울의 주석 방울을 ZAPPED습니다. 1 백만 초 미만의 각 레이저 펄스는 주석을 30 마이크로 미터 넓은 액적에서 원래 볼륨의 수만 배로 밀리미터 너비의 플라즈마 폭발로 변환합니다. 마크 필립스리소그래피 및 하드웨어 솔루션 디렉터 인텔우리가 개발하는 데 도움이 된 EUV 리소그래피 기계는“지금까지 만들어진 모든 종류의 기술적으로 진보 된 도구”로 개발했습니다.
초당 50,000 액 적을 많이 사용하여 각 리소그래피 기계는 연간 거의 1 조 펄스를 생성 할 가능성이 있으며, 총 리터의 녹은 주석이 있습니다. 이 모든 것을 통해, 수집기 광학을 코팅하는 단일 나노 미터의 주석 잔해물은 EUV 전송을 허용 할 수없는 레벨로 저하시키고 기계를 커미션에서 벗어나게 할 것입니다. 우리가 업계에서 말했듯이, 힘을 만드는 것만으로는 충분하지 않았습니다. 우리는해야했습니다 생존하다 힘.
EUV와 우주의 수소
저밀도 수소 가스의 연속 플러시는 기화 된 주석 방출의 스프레이로부터 거울과 주변 용기를 보호합니다. 그 잔해는 초당 수십 킬로미터의 초기 속도를 가지고 있으며, 수소의 소리 속도보다 훨씬 빠릅니다. 초음속 주석이 수소 가스에 부딪히면 외부 충격파가 생성됩니다. 이는 초신성 폭발이 성간 공간을 채우는 수소로 확장 될 때 발생하는 일과 밀접한 관련이 있습니다.
저밀도 수소 가스도 움직이고 있습니다. f 시간당 수백 킬로미터로 기계를 통해 낮아집니다. 가스는 활기 넘치는 주석 잔해물이 느려지고 냉각되고 플러시됩니다. 주석을 청소하고 가스가 과열되는 것을 막기 위해 수소가 얼마나 많은지를 결정하기 위해 먼저 레이저 생산 플라즈마가 방출 한 총 에너지를 파악해야했습니다. 그리고 그 금액을 알아내는 것은 사소한 일이 아닙니다.
ASML의 동료와 저는 혈장을 직접 연구하는 것이 아니라 수소 가스의 반응을 관찰함으로써 주석 폭발의 에너지를 측정하는 효과적인 방법을 찾았습니다. 뒤늦은 아이디어는 분명해 보이지만 지금은 많은 사람들이 뒤틀리고있었습니다. 주석 혈장의 이미지를 찍을 때, 나는 주변을 둘러싼 훨씬 더 크고 빨간 빛나는 구를 관찰했습니다. 혈장 폭발은 수소로부터 H- 알파 방출을 유도하는 것으로 보인다. 그러나 관찰 결과에 따르면 오브는 왜 특정 크기 (직경의 밀리미터), 어떻게 진화 하는가, 가장 중요한 것은 가스에 퇴적 된 에너지를 측정하기 위해 어떻게 빛을 연구 할 수 있습니까?
얇은 수소 분위기에서 레이저 가열 된 주석 액적에 의해 생성 된 충격파는 동일한 수학으로 둘 다 설명 할 수있는 초신성 폭발과 충분히 유사합니다. 전체 시퀀스는 백만 분의 1 초 미만이 걸립니다. ASML
나는 a를 사용하여 빨간 오브를 조사했다 Teledyne Princeton Instruments Pi-Max 4나노 초의 순서대로 빠른 노출 시간을 수행 할 수있는 초고속, 강화 된 CCD 카메라. 나는 장거리 현미경 렌즈와 짝을 이루어 그 빨간색 오브에서 빛을 모으기 위해, 천체 로포 그래피 웹 사이트에서 구입 한 오리온 2 인치 2 인치 외과 대역 H- 알파 대역 통과 필터를 수집했습니다. 내가이 장비로 캡처 한 이미지는 인상적이었습니다. 모든 플라즈마 이벤트는 꾸준한 방식으로 확장 된 구형 충격 전면을 보냈습니다.
우연히, 몇 달 전, 나는 포인트 소스 폭발로 생성 된 폭발파를 언급 한 세미나에 참석했습니다. 그 세미나는 우리의 관찰이 내가 찾고 있던 에너지 측정을 줄 수 있다고 확신했습니다. 폭발파가 어떻게 진화하는지 이해하기 위해 사냥 할 때, 나는 천문학 자들이 관찰 된 초신성 남은자를 생성 한 초기 에너지 방출을 결정할 때 동일한 측정 문제에 빠졌다는 것을 알게되었습니다. 그리고 나는 또한 할아버지와의 진행중인 과학 대화의 다음 주제를위한 완벽한 주제를 가지고 있다는 것을 알았습니다.
Taylor-Von Neumann-Sedov 공식은 1940 년대에 원자 폭탄의 수율을 계산하기 위해 개발되었지만 EUV 리소그래피 시스템과 먼 초신성에서 플라즈마 충격파의 진화를 설명합니다. 시간이 지남에 따라 충격파의 반경 (R)을 방출 된 에너지 (E), 가스 밀도 (ρ) 및 가스 의존적 파라미터 (C)와 관련이 있습니다.
답을 얻기 위해 천문학 자들은 1940 년대에 발견 된 방정식으로 바뀌 었습니다. 원자 무기. 그 방정식의 하나의 표현은 Taylor-Von Neumann-Sedov 공식충격의 반경을 시간의 함수로 설명합니다. 충격 반경과 총 에너지 사이의 간단하고 직접적인 관계를 제공합니다.
1949 년 영국 물리학 자 제프리 테일러 그의 새로 파생 된 폭발파 공식화를 사용하여 첫 번째 원자 폭탄 폭발의 (당시 분류 된) 에너지 수율을 결정하고 출판했습니다. 미국 정부를 화나게 한 테일러의 성공은 그의 분석의 힘을 보여 주었다. 놀랍게도, Taylor-Von Neumann-Sedov 공식은 설명합니다 원자 폭탄 수백 미터 반경의 충격, 가벼운 시대에 걸쳐 뻗어있는 초신성 충격, 주석-플라즈마 충격은 밀리미터 너비에 불과합니다. 그것들은 모두 동일한 기본 물리적 상황을 나타냅니다. 최소한의 저항에 대한 에너지를 소집하고 독립형 신체를 방출하여 기체 주변으로 빠르게 확장합니다.
[1945년7월16일트리니티사이트에서이테스트와같은초기원자폭발은과학자들이새로운수학을개발하여방출된에너지의양을계산하도록영감을주었습니다미국 에너지 부
Taylor-Von Neumann-Sedov 공식을 ASML 광원에 기록한 H- 알파 이미지에 적용하면 계산 된 에너지와 다른 방법으로 대략 추정 한 금액 사이에 만족스러운 일치가 발생했습니다. 그러나 우리는 또한 이론과 실천 사이의 불일치를 만났습니다. 우리의 EUV 소스에서, 우리는 H- 알파 방출이 항상 완벽하게 대칭이 아니라는 것을 관찰했으며, 이는 우리의 레이저 생성 플라즈마가 단순화하는 “포인트 소스”가정과 일치하지 않음을 나타낼 수 있습니다. 우리는 또한 폭발에 대해 더 많이 배우기 위해 여러 가지 다른 매개 변수를 변경하려고 시도했습니다 (초신성에서는 불가능한 실험 유형). 예를 들어, 우리는 폭발파 궤적을 주변 압력, 액적 크기, 레이저 에너지 및 목표 모양의 함수로 매핑했습니다.
우리의 결과는 우리의 모델을 개선하고 기계의 수소 환경을 조정하여 칩 제조를위한 깨끗하고 안정적인 EUV 소스를 가능하게하는 가장 좋은 방법을 결정하는 데 도움이되었습니다.
Astra Aspectra에서
초신성과 레이저 생성 플라즈마의 연결은 천문학에서 영감을 얻은 물리 및 공학의 오랜 역사의 한 예일뿐입니다. 수세기 동안 연구원들은 하늘에서 관찰 된 것을 다시 만들기 위해 실험실 실험과 측정 기술을 설계했습니다. 원자에 대한 현대적인 설명은 프리즘의 발명과 태양 스펙트럼을 복합 색상으로 확산시키는 데 뿌리를 추적 할 수 있으며, 이로 인해 원자에서 이산 에너지 수준을 식별하고 마지막으로 양자 역학의 발달로 이어질 수 있습니다. 양자 역학이 없으면 많은 현대 전자 기술이 불가능할 것입니다.
Barnard의 루프 [left]별자리 오리온에는 고대 초신성의 잔재가 있습니다. ASML의 광원에서 주석-플라즈마 폭발로 생성 된 충격파와 마찬가지로 수소-알파 빛에서 빛납니다. 다니엘 브라운
아이디어의 확산은 다른 방식으로 진행되었습니다. 원자 물리학의 규칙과 가스의 흡수 라인이 실험실 실험에서 특성화되었으므로, 천문학자는 분광 관찰을 사용하여 태양의 구성을 결정하고, 별의 수명주기를 추론하고, 은하의 역학을 측정하기 위해.
메모리에서
인생은 바쁘게됩니다. 중요한 작업은 긴급하지 않기 때문에 백 버너에 머물러 있습니다. 글쓰기 할아버지와 함께하는이 기사는 그 중 하나였습니다. 아픈 영원히 내가 일찍 시작하기를 바랐다. 그가 우리가 시작한 것을 끝내기 위해 여기에 있지는 않지만,이 이야기는 그가 나에게 표현한 것을 캡슐화합니다. Rudolf Schultz (1937-2018)기술자 미국 백화점, 시어스,,, 고등학교를 통해 공식 교육을받지 않은 사람은 사람에게 호기심이 촉발 할 수있는 모범을 보였습니다.
ASML에서 실험실에서 관찰 한 결과 그가 영감을 얻은 호기심을 불러 일으켜 물어 보았습니다. 올바른 질문. 다니엘 브라운은 그러한 질문을 장려했다. 그런 다음 그는 천문학적 H- 알파 이미징과 그에 따른 모든 통찰력에 관심을 가졌습니다. 내 경험에서 얻는 교훈은 자신의 호기심을 받아들이고 다른 사람들과 공유하는 것입니다. 의심 할 여지없이 재미있을 것이며 예상치 못한 방식으로 유용 할 수도 있습니다.
EUV 광원에서 사용하는 레이저 생산 플라즈마가 특히 IA 유형으로 알려진 하나의 특정한 초신성과 비슷하다는 것이 흥미 롭습니다. 이런 종류의 초신성은 흰색 난쟁이 스타가 이웃 동반자 별에서 재료를 잡아 당기고 임계 질량에 도달 할 때까지 재료를 잡아 당겨 폭력적인 자기 파괴를 초래할 때 발생하는 것으로 생각됩니다. IA 초신성 유형은 매우 일관된 방식으로 폭발하여 예측 가능한 고유 광도로 귀중한 “표준 촛불”을 만들어냅니다. 명백한 밝기와 진정한 고유 광도를 비교하면 수십억의 빛의 연도에 걸쳐 미국과의 거리를 정확하게 측정 할 수 있습니다. 이 초신성은 우주의 확장을 연구하는 데 익숙해지고 있으며 우주의 확장이 가속화되고 있다는 놀라운 발견으로 이어졌습니다.
EUV 소스에서 우리는 마찬가지로 모든 폭발을 동일하게 유지하여 EUV 스캐너의 “표준 캔들”역할을하도록 목표로합니다. 우리의 목표는 규모가 우수한 우주보다 더 지상적이지만, 우리의 야망은 모두 똑같습니다.
