2019年，一项新技术被用于制造智能手机，使得这些小巧的智能手机中单个芯片上能容纳85亿个晶体管。在相同空间中安装越多的晶体管意味着智能手机、计算机和其他电子设备能实现更快的速度和更强大的功能。这就是利用极紫外线（EUV）制造微型电子设备技术。美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员很早就发现可以使用EUV来制造微型电子设备。经过多年的不懈努力，如今这一极具挑战性的目标终于得以实现。
将同步辐射变成有用的工具
NIST最初使用的粒子加速器是80年前研发的用于研究原子核的电子同步加速器。此类设备能够加速带电粒子，过程中会产生最初被认为是无用副产物的光（即电磁辐射）。后来科学家发现，同步加速器产生的光可用于对原子进行一些有趣的实验。1963年，研究人员展示了如何使用现在被称为“同步辐射”的东西来揭示氦和其他稀有气体遇到光谱远紫外区中光时出现某些前所未见的特征。
在向世界展示了同步加速器辐射的有用性后，研究人员制造了首个专用同步加速器紫外线辐射设备，即SURF I，使用这种辐射开展了多项实验，并为校准各种光源和光探测器建立了新的基础。今天，全世界已有50多台同步加速器光设施在运行。
图：研究人员准备将样品插入SURF的极紫外线反射计中
上世纪70年代初期，美国国家航空航天局（NASA）使用SURF I校准了研究太阳的太空仪器，确保仪器被发射到太空后的测量结果是准确的。多年后，升级后的新SURF校准过的特殊望远镜在几个EUV波长下捕捉到了日冕的奇妙图像，这些EUV“图片”帮助科学家打造了太阳的温度图。
NASA和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）目前开展许多诸如此类的EUV测量不仅具有纯粹的科学重要性，还可以帮助设计太阳风暴预警系统。太阳风暴可能破坏地球上的GPS和通信链接，太阳发出的光需要约八分二十秒到达地球，但是危险粒子需要几小时或几天才能到达。因此如果我们得到预警，就有时间提前做准备。
图：太阳动力学天文台于2010年8月1日拍摄的太阳极紫外线合成图像（红：21.1 nm，绿：19.3 nm，蓝：17.1 nm），显示太阳耀斑和日冕物质抛射。图片来源：NASA
使用EUV遵守摩尔定律（Moore’s Law）
上世纪80年代，电子芯片制造商开始担心如何遵守“摩尔定律”，这迫使微电路行业不得不每两年将芯片上的晶体管数量增加一倍。制造计算机芯片的第一步是光刻过程中在硅晶片上刻画图案。起初，制造商使用可见光将电路图案刻到芯片上。首个商用微处理器 - 英特尔4004于1971年问世，每平方厘米分布有1,000个晶体管，每个晶体管由尺寸约10微米的零件制成。
光波可被想象成水一样的涟漪，有规律地重复出现波峰和波谷，光的波长定义为两个波峰之间的距离。波长越短，峰之间的距离越近，在芯片上刻的图案越精细。简而言之，较短的波长意味着在相同尺寸的芯片上容纳更小的晶体管和更多的电子设备。
因此，芯片制造商开始使用波长越来越短的光来满足摩尔定律。到1990年达到了193 nm深紫外线（DUV）波长，这是使用常规光学技术能达到的最短波长。同时，微电子行业中一些具有前瞻眼光的研究人员认为，使用波长更短（准确地说是13.5 nm）的EUV光，将是摩尔定律下该行业得以继续发展的关键技术。
然而，使用EUV进行光刻需要一种全新的光学技术：新型UV光源和新型光学器件。EUV需要使用“反射”而不是通常的“透射”光学元件，因为没有材料可以透射EUV波长的光。另外，还需要一个新环境，由于大气压下容易吸收EUV，因此该系统需要在高真空环境下工作。NIST的SURF团队与业界合作开发了不同方式，与大型公司和行业协会合作，针对新光学器件开发仪器和测试。
图：显示DUV和EUV位置的电磁光谱
太空中的EUV
正如NASA和NOAA对太阳研究中所显示的那样，EUV不仅对芯片制造行业极其重要，它也是外太空的重要信使。
太阳用包括EUV在内的辐射不断照射NASA和NOAA的太空卫星，损坏其重要卫星组件。利用EUV光源，NIST可以在两周内模拟五年的日照时间，为保护卫星及其精密部件提供重要数据。
随着研究人员不断拓展EUV / UV光源和光学器件的更多应用领域，EUV和UV辐射正引起越来越多的关注。NIST对EUV的研究将太阳系中一些最大的事物（太阳本身）与极小的事物（手机中的微型晶体管）联系起来。今后，NIST将继续与企业和天文学家开展项目合作，并推动EUV和UV应用的未来发展。
（译：车薇娜 / 图：NIST，NASA）
