天文學家卡爾·薩根喜歡提醒我們，我們都是由星塵構成的。超新星爆炸是某些型別的衰敗恆星的災難性自我毀滅，它與地球上的生命密切相關，因為它們是整個宇宙中重元素的誕生地。我們血液中的大部分鐵和氨基酸中的硫都源自數十億年前爆炸的恆星。但我們發現了超新星與人類世界之間的另一種相當令人驚訝的聯絡——具體來說，它與製造最新智慧手機和其他電子裝置 所需的計算機晶片的技術有關。

這種聯絡是在幾年前我、傑森·斯圖爾特和祖父魯道夫·舒爾茨的一系列對話中產生的 。我的祖父是一位狂熱的天文愛好者，他在家裡的門廳裡放了一架大型反射望遠鏡，就在入口處，隨時可以隨時使用。我上高中時，他遞給我一本史蒂芬·霍金的《時間簡史》（Bantam Books，1988 年），引導我終生熱愛物理。最近，我祖父的天文視角也對我的職業生涯產生了意外的幫助，正如我在圖森山麓他家的一次觀察會上向他解釋的那樣。

我向祖父介紹我在 ASML 實驗室的工作情況 ， ASML是一家總部位於荷蘭的公司，專門開發和製造用於製造半導體晶片的裝置。大約 10 年前，我正在幫助改進一種使用極紫外( EUV ) 光製造晶片的系統。儘管EUV 光刻技術對於製造當今最先進的微晶片至關重要，但在當時，它是一項仍在開發中的高難度技術。為了產生 EUV 光，我們需要將強雷射脈衝聚焦到飛過充滿低密度氫氣的腔室的 30 微米寬的錫液滴上。雷射的能量將液滴轉化為等離子球，這些等離子球的溫度是太陽表面的 40 倍，從而使錫發出強烈的紫外線。作為副產品，等離子球會產生衝擊波，衝擊波會穿過周圍的氫氣。不幸的是，爆炸還釋放出錫碎片，這些碎片極難處理。 

回想起祖父教我的天文學課，我意識到這個過程的許多方面與超新星爆炸時的情況有著有趣的相似之處：突然爆炸、不斷膨脹的等離子體碎片雲以及衝擊稀薄氫環境的衝擊波。（星際物質主要由氫組成。）為了改進我們的 EUV 裝置，我們將記錄來自等離子球的衝擊波的演變，就像天文學家研究超新星的殘骸以推斷產生它們的恆星爆炸的特性一樣。我們甚至使用了一些相同的裝置，例如一種針對高能氫原子特有的深紅色發射進行調諧的過濾器，稱為氫-α 或 H-α 過濾器。儘管超新星的能量是錫爆炸的 10 45倍，但相同的數學公式描述了這兩種爆炸的演變。錫等離子體衝擊和超新星衝擊之間的密切物理相似性已被證明是解決棘手的錫碎片問題的關鍵。

透過望遠鏡，夜空中點綴著爆炸後恆星的發光殘骸。這些古老而遙遠的天體與用於製造世界上最先進半導體晶片的現代裝置之間的聯絡讓我祖父感到興奮不已。他覺得許多其他像他一樣的天文愛好者會喜歡讀這個故事。我告訴他，如果他願意成為我的合著者，我會把它寫下來——他確實這麼做了。

遺憾的是，我的祖父沒能親眼見證我們這篇文章的完成。但他確實親眼見證了這些天體物理相似性所帶來的重要實際影響：它們幫助我在 ASML 的團隊生產出明亮、可靠的 EUV 光源，從而推動了 商業晶片製造的重大進步。

我對 EUV 微型超新星的探索始於 2012 年，當時我剛剛完成 洛斯阿拉莫斯國家實驗室的博士後研究工作，正在尋找學術界以外的第一份工作。一位朋友讓我對在半導體行業工作的可能性產生了興趣，在這個行業中，製造商們不斷展開高風險的競爭，以製造更小、更快的電路。我瞭解到，用於在計算機晶片上建立特徵的光刻工藝正處於危機時刻，它帶來了有趣的工程挑戰。

在光刻技術中，光用於將複雜的圖案壓印在準備好的矽基片上。該過程在一系列蝕刻、摻雜和沉積步驟中重複多次，以建立多達一百層；這些層中的圖案最終定義了計算機晶片的電路。可以轉移到矽基片上的特徵的尺寸由成像系統和光的波長決定。波長越短，光的能量越大，特徵越小。當時使用的紫外線波長對於下一代晶片來說太長太粗糙。如果我們不能創造一種強大的短波長 EUV 光源，光刻技術，以及可能價值近萬億美元的電子行業，將會停滯不前。

當時，可用的 EUV 光源太弱了，大約是其十分之一。實現如此巨大的功率提升的任務非常艱鉅，以至於我與家人爭論是否應該從事 EUV 光刻事業。許多專家認為這項技術永遠無法商業化。儘管我心存疑慮，但時任 ASML 技術開發副總裁的 Daniel Brown 還是說服了我，他認為 EUV 是實現晶片效能下一次大幅飛躍的最佳方式。

幾十年來，製造商設法將越來越多的電晶體塞進積體電路中，從 1971 年的約 2,000 個電晶體增加到 2024 年的 2,000 億個。工程師們透過逐步縮短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（電晶體數量每隔幾年翻一番）持續了 50 多年。

20 世紀 80 年代的光刻系統使用汞燈，其輻射波長為 436 奈米（紫光），後來達到 365 奈米（近紫外）。為了進一步縮小電晶體的特徵尺寸，人們發明了高功率雷射器，可以產生波長更短的紫外光束，即 248 奈米和 193 奈米。然而，波長越來越短的趨勢卻遭遇了阻礙，因為幾乎所有已知的透鏡材料都會吸收波長小於 150 奈米的光。

有一段時間，光刻師們設法利用一種巧妙的技巧不斷取得進展：他們在 鏡頭和矽片之間放水，以提高成像系統的聚焦能力。但最終，縮小尺寸的過程停滯不前，工程師們被迫轉向更短的波長。這種轉變反過來又需要用鏡子代替鏡頭，而這會帶來一些損失。鏡子無法達到與之前的鏡頭加水組合相同的聚焦精度。為了取得有意義的進展，我們需要大幅縮短光的波長到 13.5 奈米左右，或者說是人眼能看到的最短可見紫光波長的三十分之一。

為了達到這個目的，我們需要某種溫度極高的東西。白熾光源發出的光的波長由其溫度決定。太陽表面的溫度為 6,000 °C，在可見光譜中輻射最強。要獲得波長為 13.5 nm 的 EUV 光，需要溫度極高的光源，大約 200,000 °C。

在 ASML，我們選定了高溫高能錫等離子體作為製造 EUV“燈泡”的最佳方式。由於電子的特殊排列方式，高度激發的錫離子會將大部分光線輻射到行業所需的 13.5 奈米波長附近的窄帶中。

我們面臨的最大問題是如何可靠地產生這種錫等離子體。晶片製造中的光刻工藝需要特定的、高度一致的 EUV 輻射劑量來曝光光刻膠（用於在晶圓上建立電路圖案的光敏材料）。因此，光源必須提供準確的能量。同樣重要的是，它必須長時間連續地這樣做，不能因維修或維護而暫停，從而產生高昂的成本。

我們設計了一個 類似魯布·戈德堡的系統，其中兩束雷射瞄準一滴熔融的錫。第一束雷射將錫滴變成煎餅狀的圓盤。第二束雷射用短而高能的雷射脈衝擊中錫，將其轉化為高溫等離子體。然後，一個近乎半球形的多層鏡子收集來自等離子體的 EUV 光並將其投射到光刻掃描器中，光刻掃描器是一種公交車大小的工具，它利用光將圖案投射到矽晶片上。

要維持足夠強度的 EUV 光源以進行光刻，需要功率為幾十千瓦的主雷射器，每秒發射約 50,000 滴錫。在不到千萬分之一秒的時間內，每個雷射脈衝將錫從 30 微米寬的液滴轉變為毫米寬的等離子爆炸，體積是其原始體積的數萬倍。英特爾光刻和硬體解決方案總監Mark Phillips將我們正在幫助開發的 EUV 光刻機描述為“有史以來技術最先進的工具”。

在每秒 50,000 滴液滴的高強度執行條件下，我們的每臺光刻機每年都有可能產生近 1 萬億次脈衝，總計產生數升熔融錫。在所有這些過程中，覆蓋在收集器光學元件上的一奈米錫碎片就會使 EUV 傳輸降低到不可接受的水平，並使機器停止執行。正如我們業內所說的那樣，僅僅製造電力是不夠的；我們必須在 電力存在的 情況下生存下來。

低密度氫氣的持續沖刷保護了鏡子和周圍的容器，使其免受錫蒸發物噴射的傷害。這些碎片的初速度為每秒數十公里，遠高於氫中的音速。因此，當超音速錫撞擊氫氣時，會產生向外擴散的衝擊波——這種衝擊波與超新星爆炸膨脹到充滿星際空間的稀薄氫氣時發生的衝擊波非常相似。

不過，低密度氫氣也在移動，以每小時數百公里的速度流過機器。氣體在移動過程中減慢、冷卻並沖走高能錫碎片。為了確定我們需要多少氫氣來清除錫並防止氣體過熱，首先我們必須計算出雷射產生的等離子體釋放的總能量。而計算出這個數字並非易事。

我和 ASML 的同事們找到了一種有效的方法來測量錫爆炸的能量，不是直接研究等離子體，而是觀察氫氣的反應。事後看來，這個想法似乎很清晰，但當時有很多摸索。當我拍攝錫等離子體的影像時，我不斷觀察到一個更大的紅色發光球體圍繞著它。等離子體爆炸似乎正在誘導氫氣發射 H-alpha。但這些觀察結果給我們留下了許多未知數：為什麼這些球體有特定的尺寸（直徑幾毫米），它們是如何演變的，最重要的是，我們如何研究輝光來測量沉積在氣體中的能量？

我使用Teledyne Princeton Instruments Pi-Max 4 檢查了紅色球體 ，這是一款超快、增強型CCD相機，可在納秒級內進行快速曝光。我將其與長距離顯微鏡鏡頭配對，以收集這些紅色球體的輝光，以及從天文攝影網站購買的Orion 2 英寸超窄帶 H-alpha 帶通濾光片。我用這個裝置拍攝的影像非常引人注目。每次等離子體事件都會發出一個以穩定方式擴充套件的球形衝擊波前沿。

幾個月前，我偶然參加了一個研討會，會上提到了爆炸波——點源爆炸產生的衝擊波。那次研討會讓我相信，我們的觀測結果可以給我提供我所尋找的能量測量值。在尋求瞭解爆炸波如何演變的過程中，我瞭解到天文學家在試圖確定產生觀測到的超新星遺蹟的初始能量釋放時也遇到了同樣的測量問題。我知道，我也找到了與祖父進行下一次科學談話的完美話題。

為了找到答案，天文學家求助於 20 世紀 40 年代發現的方程式，當時科學家正在尋找方法來分析新研製的 核武器的破壞力。這些方程式的一個表示式稱為泰勒-馮·諾依曼-謝多夫公式，它描述了衝擊波半徑與時間的關係。它提供了衝擊波半徑與總能量之間簡單而直接的關係。

1949 年，英國物理學家 傑弗裡·泰勒利用他新推導的衝擊波公式確定並公佈了第一顆原子彈爆炸的能量產率（當時保密）。泰勒的成功據稱激怒了美國政府，證明了他的分析能力。令人驚訝的是，泰勒-馮·諾依曼-謝多夫公式描述了半徑數百米的原子彈衝擊波、橫跨光年的超新星衝擊波和寬度僅為幾毫米的錫等離子體衝擊波。它們都代表了相同的基本物理情況：一個緊湊、獨立的物體在最小阻力下釋放能量，迅速膨脹成氣態環境。

將泰勒-馮·諾依曼-謝多夫公式應用於我們在 ASML 光源中記錄的 H-alpha 影像，結果顯示我們計算出的能量與我們透過其他方式粗略估計的能量之間非常吻合。然而，我們也發現理論和實踐之間存在一些差異。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的，這可能表明我們雷射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引數來了解有關爆炸的更多資訊（這種型別的實驗顯然不可能用於超新星）。例如，我們繪製了爆炸波軌跡與環境壓力、液滴大小、雷射能量和目標形狀的關係。

我們的研究結果幫助我們改進了模型，並確定了定製機器中氫環境的最佳方法，從而為晶片製造提供清潔、穩定的 EUV 源。

超新星與雷射產生的等離子體之間的聯絡只是物理學和工程學受天文學啟發而取得的長期進步的一個例子。幾個世紀以來，研究人員設計了實驗室實驗和測量技術來重現天空中觀察到的現象。原子的現代描述可以追溯到稜鏡的發明和太陽光譜擴散成複合顏色，這導致了原子中離散能級的識別，並最終導致了量子力學的發展。沒有量子力學，許多現代電子技術就不可能實現。

思想的傳播也朝著相反的方向發展。隨著原子物理規則和氣體的吸收線在實驗室中得到表徵，天文學家利用光譜觀測來確定太陽的成分，推斷恆星的生命週期，並測量星系的動態。

我發現，我們在 EUV 光源中使用的雷射產生的等離子體特別類似於一種特殊的超新星，即 Ia 型超新星。這種超新星被認為是當一顆白矮星從鄰近的伴星吸收物質，直到達到臨界質量並內爆，從而導致劇烈的自毀時發生的。Ia 型超新星以高度一致的方式爆炸，使它們成為具有可預測固有光度的寶貴“標準燭光”：將它們的視亮度與它們的真實固有光度進行比較，可以精確測量它們與我們的距離，相隔數十億光年。這些超新星被用於研究宇宙的膨脹，它們導致了一個驚人的發現：宇宙的膨脹正在加速。

在我們的 EUV 源中，我們同樣致力於讓所有爆炸都相同，以便它們成為 EUV 掃描器的“標準燭光”。我們的目標顯然更接近現實而非宇宙，但我們的野心同樣宏偉。

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