太空也能建晶圓廠？美國(guó)成功試驗(yàn)宇宙EUV光刻技術(shù)

2020年5月31日，美國(guó)太空計(jì)劃創(chuàng)造了歷史，SpaceX DM-2龍飛船（Crew Dragon）上的NASA宇航員羅伯特·本肯（Robert Behnken）和格拉斯·赫利（Douglas Hurley）抵達(dá)國(guó)際空間站（ISS），這是商業(yè)航天器首次將宇航員運(yùn)送到國(guó)際空間站。

國(guó)際空間站是企業(yè)、政府和大學(xué)的研究實(shí)驗(yàn)室。一段時(shí)間以來(lái)，國(guó)際空間站的宇航員已在該實(shí)驗(yàn)室為各個(gè)組織進(jìn)行了大量創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。

例如，最近在國(guó)際空間站上進(jìn)行了世界上第一個(gè)基于的EUV光刻實(shí)驗(yàn)，可能為太空高級(jí)芯片的制造奠定基礎(chǔ)。

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2019年11月2日，諾斯羅普·格魯曼公司的天鵝座（Cygnus）飛船從弗吉尼亞州的瓦羅普斯飛行研究所 (Wallops Flight Facility)發(fā)射升空。航天器攜帶來(lái)自Astrileux（ 一家為制造7nm以下集成電路提供光學(xué)技術(shù)的公司）的有效載荷進(jìn)入國(guó)際空間站。有效載荷是由太空科學(xué)發(fā)展中心（CASIS）和納米機(jī)架合作進(jìn)行的此外，該航天器還載有20多種其他有效載荷。

去年11月，國(guó)際空間站的宇航員利用來(lái)自Astrileux的有效載荷，在國(guó)際空間站的外部平臺(tái)上進(jìn)行了光刻實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)圍繞Astrileux的新EUV光學(xué)鍍膜技術(shù)進(jìn)行，目的是確定是否有可能使用Astrileux的EUV涂層捕獲太陽(yáng)EUV輻射。這些材料構(gòu)成了波長(zhǎng)為13.5nm的EUV光刻工具的光學(xué)器件和反射鏡的基礎(chǔ)。

實(shí)驗(yàn)證明，能用Astrileux的EUV涂層捕獲太陽(yáng)EUV輻射。有朝一日，來(lái)自Astrileux的材料能夠成為一類新型的太空儀器。它還為未來(lái)基于EUV的空間光刻技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，該技術(shù)使用太陽(yáng)輻射的能量作為光源。

國(guó)際空間站最初于2000年投入使用，它是一個(gè)模塊化的太空實(shí)驗(yàn)室，是美國(guó)、俄羅斯、日本、歐洲和加拿大的航空航天機(jī)構(gòu)之間的合作。在國(guó)際空間站上，宇航員進(jìn)行天文學(xué)、宇宙學(xué)、氣象學(xué)和物理學(xué)方面的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

制作芯片和組件是太空中另一個(gè)有趣的話題。“實(shí)現(xiàn)人類在天空中長(zhǎng)期生存這個(gè)目標(biāo)，需要建造一個(gè)電子制造的生態(tài)系統(tǒng)，以便為國(guó)際空間站上的本地化，自我維持社區(qū)提供支持，” Astrileux首席執(zhí)行官Supriya Jaiswal說(shuō)?！肮ぷ髦械挠詈絾T能夠根據(jù)需要快速對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行原型制作，從而在國(guó)際空間站上創(chuàng)造新的功能，包括增強(qiáng)計(jì)算能力和建造新的智能設(shè)備的能力，以及快速修復(fù)可能發(fā)生在高風(fēng)險(xiǎn)操作中的陳舊或被毀壞的電子設(shè)備?！?/p>

很難想象一個(gè)有大型EUV設(shè)備的工廠將在國(guó)際空間站甚至在月球或火星上建造。但是在將來(lái)，在太空中發(fā)展小型晶圓廠或微型晶圓廠是可行的。

為此，航天器或太空殖民地將需要3D打印機(jī)和fab工具，以及對(duì)晶片進(jìn)行圖形化（pattern）的光刻技術(shù)。這就是需要與Astrileux、太空科學(xué)發(fā)展中心以及納米艙（NanoRacks）合作的地方。太空科學(xué)發(fā)展中心是國(guó)際空間站的美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（美國(guó)政府資助的實(shí)驗(yàn)室）的管理者。

納米艙這家航空航天公司在國(guó)際空間站的美國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室安裝了兩個(gè)研究平臺(tái)。根據(jù)納米艙的說(shuō)法，每個(gè)平臺(tái)最多可容納16個(gè)立方體衛(wèi)星（cubesat）外形尺寸的有效載荷。每個(gè)立方體衛(wèi)星的有效載荷為一個(gè)四英寸的立方體。

為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，Astrileux設(shè)計(jì)了有效載荷，并合并到納米艙的立方體衛(wèi)星中。立方體衛(wèi)星包括Astrileux有效載荷的內(nèi)部和外部組件。

去年11月，國(guó)際空間站的宇航員將Astrileux的有效載荷安裝在氣閘中，并自動(dòng)裝載到外部平臺(tái)上，然后實(shí)驗(yàn)被激活。立方體衛(wèi)星的一部分暴露在陽(yáng)光下，使Astrileux的EUV涂層捕獲足夠的太陽(yáng)輻射。該項(xiàng)目研究了EUV材料在極端輻射環(huán)境下如何能經(jīng)受住降解。

在實(shí)驗(yàn)中，Astrileux的材料成功地展示了EUV的波長(zhǎng)范圍（10nm-20nm）。Jaiswal說(shuō)：“ Astrileux創(chuàng)造了可以在極端輻射環(huán)境中生存的新型EUV光學(xué)涂層，并可以有效捕獲13.5nm和其他EUV波長(zhǎng)的EUV輻射。”

鑒于這一結(jié)果，有朝一日，這些材料也會(huì)有新的應(yīng)用。首先，它可以為能夠捕獲EUV輻射的新型空間儀器鋪平道路。Jaiswal說(shuō)：“ Astrileux的新型EUV光學(xué)器件為空間探索、太陽(yáng)輻射成像、望遠(yuǎn)鏡、星系統(tǒng)和太空系統(tǒng)中使用的光學(xué)系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

還有其他一些新的和未來(lái)的應(yīng)用。 “該實(shí)驗(yàn)的目的是為7nm及以下的太空電子制造奠定基礎(chǔ)?！?賈伊斯瓦爾說(shuō)：“ Astrileux有效載荷在繞地球飛行時(shí)測(cè)量并捕獲13.5nm光刻波長(zhǎng)下的EUV太陽(yáng)輻射。通常，具有強(qiáng)大光源的EUV光刻工具用于以所需的晶圓產(chǎn)量對(duì)晶圓進(jìn)行圖形化。但是，這種有效載荷可以測(cè)量并捕獲可用于對(duì)硅晶片進(jìn)行構(gòu)圖的自然太陽(yáng)EUV輻射?！?/p>

傳統(tǒng)的EUV光學(xué)器件可能需要花費(fèi)100天以上的時(shí)間來(lái)對(duì)單個(gè)晶片進(jìn)行圖形化，而Astrileux的光學(xué)器件最終可以將圖形化時(shí)間減少到不到10個(gè)小時(shí)。反過來(lái)，這使得在空間中的小型社區(qū)中進(jìn)行晶圓圖形化和制造成為可行的概念。

同時(shí)，在地球上，一些鑄造廠已將EUV光刻技術(shù)投入7nm和5nm的生產(chǎn)，并進(jìn)行了3nm的研發(fā)。Astrileux的新型EUV涂層也是生產(chǎn)工廠中EUV光刻掃描儀的理想選擇。

本文編譯自https://semiengineering.com/manufacturing-bits-june-2-2/