【神諭紀元·三五二六年(春)】
大夏的科技樹,在攀登的道路上,總會遇到一些不講任何情面的物理難題。
半導體產業,就是撞在這堵南牆上的領域之一。
自從幾十年前,大夏的電子工程師們利用紫外線在矽片上雕刻出第一批集成電路後,將電晶體做小、再做小,就成了整個大夏算力攀升的路徑。
然而,當大夏的光刻工藝艱難地推進到二十八納米節點時,原有的光源失效了。
「傳統深紫外光源的波長太長了。」
「光是有波長的,用粗大的刻刀,雕刻不出比刀刃還要精細的花紋。如果我們強行用現有的光源去雕刻更小的電路,光線就會發生衍射,電路邊緣會直接融化在一起,導致晶片徹底報廢。」
二十八納米,就像是一條深淵,橫亘在大夏計算機工業的面前。
想要跨越這條深淵,大夏必須尋找到一種波長更短,更加鋒利的光刻刀。
學者們將目光投向了電磁光譜的更深處,那就是極紫外光。
其波長只有驚人的十三點五納米。
但在自然界的大氣環境中,極紫外光幾乎不存在,因為它太脆弱了,哪怕是薄薄的一層空氣,甚至是一個空氣分子,都能瞬間將它吸收得乾乾淨淨。
「我們不僅要人為地製造出這種脆弱的光,還要讓它在絕對的真空中穿梭,最後精準地打在矽片上。」
這是內閣在二十年前,批准極紫外光刻機研發計劃時,立下的軍令狀。
這項工程的難度,被後世的史學家形容為在針尖上雕刻大夏的未來。
……
為了獲取這把鋒利的光刻刀,大夏的物理學家們想出了一個瘋狂的方案。
液態錫等離子體激發。
在聯合實驗室最深處的真空腔室內,有一套被稱為滴錫發生器的裝置。
「滴答……滴答……」
高純度的熔融液態錫,被加壓以每秒五萬次的頻率,從極微小的噴嘴中滴落。
就在這微小的液滴在真空中自由下落的瞬間。
一台大功率二氧化碳雷射器,如同隱藏在暗處的狙擊手,精準地開火了。
第一道雷射,以極低的功率擊中液滴,將其拍扁成雲狀,以增加受力面積。 緊接著的零點幾微秒內,第二道主雷射以數萬瓦的功率,狠狠地轟擊在這團錫雲上!
「轟!」
在真空的微觀世界裡,高能雷射瞬間將錫氣化,將其激發成溫度高達幾十萬度的等離子體。
就在這等離子體誕生的剎那,它釋放出了一束微弱卻又純粹無比的極紫外光。
每秒鐘五萬次的精準狙擊,每秒鐘五萬次的等離子體爆發,才勉強湊夠了能夠用於曝光的光源亮度。
「產生光源只是第一步。更要命的問題,是如何控制它。」
光源組的負責人看著實驗數據,滿臉愁容,「EUV光太脆弱了,所有的傳統玻璃透鏡都會吸收它。光線根本穿不透過去。」
「既然無法穿透,那就只能反射。」
光學研究所接過了這根接力棒。他們放棄了傳統的折射透鏡,轉而為這台光刻機量身打造了一套複雜的全反射鏡組。
這要求反射鏡的表面平整度,達到一個違背常理的境界。
「多層鍍膜,矽與鉬的交替疊加,這都只是基礎。」
負責打磨這塊鏡片的光學大匠,指著那塊直徑超過一米的巨大反光鏡,「它的表面粗糙度,必須控制在二十皮米以內。」
「如果把這塊鏡子放大到我們大夏一個行省那麼大。」院士用了一個形象的比喻,「那麼這塊大地上最高的山峰或最深的峽谷,起伏絕對不能超過一根頭髮絲的厚度!」
這是真正的原子級平坦。
大夏的能工巧匠們,用離子束拋光技術,在無塵車間裡耗費了數年光陰,才勉強磨出了幾塊合格的鏡片。
而這,還僅僅只是光刻機數萬個精密零件中的冰山一角。
為了防止光線被吸收,整個光刻過程必須在嚴苛的高真空環境中進行。
為了保證套刻精度,承載矽片的機械雙工作檯,在高速移動和剎車時,其定位誤差不能超過幾納米,這相當於兩列高速行駛的動車並排行駛,誤差不能超過一粒米。
這項被命名為極光的超級工程,幾乎抽乾了大夏近二十年在材料學、流體力學、精密機械加工和光學領域的全部頂尖心血。
……
【神諭紀元·三五二六年】
王都,大夏半導體核心製造基地。
整整二十年的試錯與圖紙疊代。
無數次因為碎屑污染反射鏡而導致的停機清洗,無數次因為雷射對焦差了微秒而導致的光源熄滅。
今天,一台猶如一座兩層樓高的小型金屬宮殿般的機器,靜靜地矗立在最高級別的超淨間內。
這便是大夏第一台真正意義上實現量產突破的極紫外光刻機原型機。
操作台前,已經滿頭白髮的光學院士,用歲數大太大而忍不住顫抖的手按下了啟動鍵。
真空泵發出低沉的轟鳴,抽乾了腔室內的最後一絲空氣。
液滴發生器開始工作,雷射發生器充能完畢。
「啪!啪!啪!」
雖然在真空室外聽不到聲音,但監視屏幕上的波形圖顯示,那每秒五萬次的微觀核爆正在穩定地產生著珍貴的極紫外光。
光束經過十幾面原子級平滑的反射鏡不斷摺疊、校正,穿過刻有複雜電路圖的掩模版,最終,精準地打在了下方塗有光刻膠的矽片上。
曝光,移動,再曝光。
幾個時辰後,第一批經過EUV光刻機曝光、並完成後續蝕刻與封裝的矽晶圓,被送到了電子顯微鏡下。
所有參與項目的頂尖學者,都屏住呼吸,死死地盯著屏幕上放大的微觀結構。
沒有原本在深紫外光下那種邊緣模糊的衍射現象。
一道道溝壑分明、排列極其規整的電晶體柵極線路,如同神明在大地上犁出的完美溝渠,清晰地展現在眾人眼前。
測算員拿著電子遊標卡尺,在屏幕上進行著比對。
「柵極寬度,十八納米!」
「線路清晰,漏電率在完美閾值內!良品率達到百分之八十五以上!」
「突破了!我們徹底跨過了二十八納米的深淵!」
整個超淨間外側的觀察走廊上,瞬間爆發出了雷鳴般的掌聲和喜極而泣的歡呼聲。
二十年的蟄伏,耗資三十七億寶鈔的大型系統工程。
大夏終於用這把由等離子體和全反射鏡打造而成的刻刀,在矽基圖紙上,刻下了一筆。
十八納米晶片的量產,意味著大夏原本已經達到瓶頸的超級計算機,其體積可以再次縮小一半,或者算力直接翻倍。
在那個名為大夏的帝國版圖上,無論是正在軌道上孤獨運行的衛星,還是地下室里推演可控核聚變參數的學者,都將因為這微小的一納米級的跨越,而獲得更加強大的算力支撐,這可能就是未來突破的關鍵推手之一。