Как математика звёздных взрывов спасла будущее смартфонов и закон Мура

Неожиданная связь между взрывами сверхновых звёзд и созданием микрочипов помогла учёным ASML усовершенствовать ключевую технологию в микроэлектронике. Исследователи, разрабатывающие оборудование для производства полупроводников, столкнулись с проблемой создания мощного источника экстремального ультрафиолетового (EUV) излучения, необходимого для изготовления передовых микросхем. Решение неожиданно оказалось связанным с методами, которые астрономы используют для изучения остатков сверхновых.

Однажды во время беседы со своим дедом, астрономом-любителем Рудольфом Шульцем, инженер ASML Джейсон Стюарт обратил внимание на параллели между физическими процессами в их литографической установке и явлениями, происходящими при взрывах сверхновых. Рудольф, хранивший телескоп прямо в прихожей своего дома, с юности интересовался звёздным небом. В школьные годы он подарил внуку книгу Стивена Хокинга «Краткая история времени», что повлияло на его дальнейший выбор профессии. Позже именно астрономические знания помогли Стюарту переосмыслить одну из сложнейших инженерных проблем, с которой столкнулась его команда.

Работая в ASML, Стюарт участвовал в разработке системы литографии с применением экстремального ультрафиолетового излучения. Эта технология сегодня является ключевой для производства самых современных компьютерных чипов, но в тот момент находилась на стадии активной разработки и требовала значительных усовершенствований.

Для генерации EUV-излучения инженеры использовали мощный лазер, направленный на микроскопические капли расплавленного олова диаметром 30 микрометров. Эти капли пролетали через заполненную разреженным водородом камеру. Первый лазерный импульс превращал их в тонкий диск, подготавливая к следующему этапу, а второй — испарял этот диск, создавая облако высокотемпературной плазмы. Температура плазмы достигала 200 000 градусов Цельсия, что в 40 раз горячее поверхности Солнца. Именно этот плазменный шар и испускал экстремальное ультрафиолетовое излучение, необходимое для литографии.

Однако этот процесс имел побочный эффект: высокоскоростные частицы олова выбрасывались из плазмы, загрязняя зеркала и другие оптические элементы установки. Если бы проблема не была решена, это сделало бы EUV-литографию непрактичной. Размышляя над этим, Стюарт заметил удивительное сходство между литографической установкой и процессами, происходящими при взрыве сверхновых: внезапный выброс энергии, образование плазменного облака, расширяющаяся ударная волна и её взаимодействие с разреженным водородом.

Чтобы изучить поведение этих миниатюрных взрывов, команда ASML использовала методы, знакомые астрономам. В частности, они применили H-альфа-фильтр, который фиксирует характерное красное свечение возбужденных атомов водорода. Анализ данных показал, что математическая модель, описывающая распространение ударных волн сверхновых, может быть применена и к процессам, происходящим в литографической установке ASML.

Для точного анализа применили уравнение Тейлора – фон Неймана – Седова, разработанное в 1940-х годах для оценки мощности атомных взрывов. Это же уравнение успешно описывает три физических процесса: расширение ударных волн в ядерных детонациях, распространение остатков сверхновых на межзвёздных масштабах и динамику микроскопических плазменных вспышек в установке ASML.

Эти открытия позволили инженерам ASML создать стабильный и мощный источник EUV-излучения, а также решить проблему загрязнения системы частицами олова. Ключевую роль в этом сыграл поток низкоплотного водорода, циркулирующего в камере. Он замедлял выброс оловянных частиц, охлаждал их и предотвращал оседание на зеркалах, что обеспечило стабильную работу установки.

Сегодня литографическая машина ASML генерирует до 50 000 таких плазменных вспышек в секунду, обеспечивая точную дозировку EUV-излучения для производства микросхем. Этот прорыв позволил сохранить действие закона Мура, предсказывающего удвоение числа транзисторов на чипах каждые два года. За последние 50 лет количество транзисторов на одном чипе увеличилось с 2 000 в 1971 году до 200 миллиардов в 2024 году.

Путь к технологии экстремального ультрафиолета был сложным. В 1980-х годах использовались источники с длиной волны 436 и 365 нанометров, затем инженеры перешли на 248 и 193 нанометра. Однако дальнейшее уменьшение длины волны оказалось невозможным из-за физических ограничений линз: стекло начинало поглощать слишком короткие волны. Для решения проблемы в 2000-х годах был внедрён метод иммерсионной литографии, при котором между линзой и пластиной помещалась вода для увеличения фокусировки. Но этот подход также достиг предела своих возможностей.

Единственным выходом стало сокращение длины волны до 13,5 нанометров, что потребовало создания источника излучения с температурой около 200 000 градусов Цельсия. Исследователи выбрали плазменный шар олова как наиболее эффективный источник EUV-излучения. Эта технология не только решила проблему дальнейшего уменьшения размеров микросхем, но и стала ключевым шагом в развитии микроэлектроники будущего.