太空也能建晶圆厂？国际空间站进行世界首个基于 EUV 的光刻实验

2020 年 5 月 31 日，美国太空计划创造了历史，SpaceX DM-2 龙飞船（Crew Dragon）上的 NASA 宇航员罗伯特 · 本肯（Robert Behnken）和格拉斯 · 赫利（Douglas Hurley）抵达国际空间站（ISS），这是商业航天器首次将宇航员运送到国际空间站。

国际空间站是企业、政府和大学的研究实验室。一段时间以来，国际空间站的宇航员已在该实验室为各个组织进行了大量创新实验。

例如，最近在国际空间站上进行了世界上第一个基于 EUV 的光刻实验，可能为太空高级芯片的制造奠定基础。

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2019 年 11 月 2 日，诺斯罗普 · 格鲁曼公司的天鹅座（Cygnus）飞船从弗吉尼亚州的瓦罗普斯飞行研究所 (Wallops Flight Facility)发射升空。航天器携带来自 Astrileux（ 一家为制造 7nm 以下集成电路提供光学技术的公司）的有效载荷进入国际空间站。有效载荷是由太空科学发展中心（CASIS）和纳米机架合作进行的，此外，该航天器还载有 20 多种其他有效载荷。

去年 11 月，国际空间站的宇航员利用来自 Astrileux 的有效载荷，在国际空间站的外部平台上进行了光刻实验。实验围绕 Astrileux 的新 EUV 光学镀膜技术进行，目的是确定是否有可能使用 Astrileux 的 EUV 涂层捕获太阳 EUV 辐射。这些材料构成了波长为 13.5nm 的 EUV 光刻工具的光学器件和反射镜的基础。

实验证明，能用 Astrileux 的 EUV 涂层捕获太阳 EUV 辐射。有朝一日，来自 Astrileux 的材料能够成为一类新型的太空仪器。它还为未来基于 EUV 的空间光刻技术奠定了基础，该技术使用太阳辐射的能量作为光源。

国际空间站最初于 2000 年投入使用，它是一个模块化的太空实验室，是美国、俄罗斯、日本、欧洲和加拿大的航空航天机构之间的合作。在国际空间站上，宇航员进行天文学、宇宙学、气象学和物理学方面的科学实验。

制作芯片和组件是太空中另一个有趣的话题。“实现人类在天空中长期生存这个目标，需要建造一个电子制造的生态系统，以便为国际空间站上的本地化，自我维持社区提供支持，” Astrileux 首席执行官 Supriya Jaiswal 说。“工作中的宇航员能够根据需要快速对电子产品进行原型制作，从而在国际空间站上创造新的功能，包括增强计算能力和建造新的智能设备的能力，以及快速修复可能发生在高风险操作中的陈旧或被毁坏的电子设备。”

很难想象一个有大型 EUV 设备的工厂将在国际空间站甚至在月球或火星上建造。但是在将来，在太空中发展小型晶圆厂或微型晶圆厂是可行的。

为此，航天器或太空殖民地将需要 3D 打印机和 fab 工具，以及对晶片进行图形化（pattern）的光刻技术。这就是需要与 Astrileux、太空科学发展中心以及纳米舱（NanoRacks）合作的地方。太空科学发展中心是国际空间站的美国国家实验室（美国政府资助的实验室）的管理者。

纳米舱这家航空航天公司在国际空间站的美国国家实验室安装了两个研究平台。根据纳米舱的说法，每个平台最多可容纳 16 个立方体卫星（cubesat）外形尺寸的有效载荷。每个立方体卫星的有效载荷为一个四英寸的立方体。

为了进行实验，Astrileux 设计了有效载荷，并合并到纳米舱的立方体卫星中。立方体卫星包括 Astrileux 有效载荷的内部和外部组件。

去年 11 月，国际空间站的宇航员将 Astrileux 的有效载荷安装在气闸中，并自动装载到外部平台上，然后实验被激活。立方体卫星的一部分暴露在阳光下，使 Astrileux 的 EUV 涂层捕获足够的太阳辐射。该项目研究了 EUV 材料在极端辐射环境下如何能经受住降解。

在实验中，Astrileux 的材料成功地展示了 EUV 的波长范围（10nm-20nm）。Jaiswal 说：“ Astrileux 创造了可以在极端辐射环境中生存的新型 EUV 光学涂层，并可以有效捕获 13.5nm 和其他 EUV 波长的 EUV 辐射。”

鉴于这一结果，有朝一日，这些材料也会有新的应用。首先，它可以为能够捕获 EUV 辐射的新型空间仪器铺平道路。Jaiswal 说：“ Astrileux 的新型 EUV 光学器件为空间探索、太阳辐射成像、望远镜、星系统和太空系统中使用的光学系统的新设计奠定了基础。”

还有其他一些新的和未来的应用。“该实验的目的是为 7nm 及以下的太空电子制造奠定基础。” 贾伊斯瓦尔说：“ Astrileux 有效载荷在绕地球飞行时测量并捕获 13.5nm 光刻波长下的 EUV 太阳辐射。通常，具有强大光源的 EUV 光刻工具用于以所需的晶圆产量对晶圆进行图形化。但是，这种有效载荷可以测量并捕获可用于对硅晶片进行构图的自然太阳 EUV 辐射。”

传统的 EUV 光学器件可能需要花费 100 天以上的时间来对单个晶片进行图形化，而 Astrileux 的光学器件最终可以将图形化时间减少到不到 10 个小时。反过来，这使得在空间中的小型社区中进行晶圆图形化和制造成为可行的概念。

同时，在地球上，一些铸造厂已将 EUV 光刻技术投入 7nm 和 5nm 的生产，并进行了 3nm 的研发。Astrileux 的新型 EUV 涂层也是生产工厂中 EUV 光刻扫描仪的理想选择。