2.1 مولد القطرات: الخصائص الحرارية الفيزيائية القصوى والنمذجة

يعد مولد القطرات عنصرًا مهمًا في مجموعة الماسح الضوئي EUVL (الشكل 3). يتحكم مولد القطرات في حجم وسرعة ومعدل تكرار المادة التي تدخل غرفة مصدر الأشعة فوق البنفسجية، المتأينة بواسطة ليزر ثاني أكسيد الكربون، لتوليد ضوء الأشعة فوق البنفسجية عند 13.5 نانومتر. لذلك، يعد توليد القطرات الموثوقة أمرًا ضروريًا لإنتاج ضوء الأشعة فوق البنفسجية لأن أي عطل قد يؤدي إلى إيقاف تشغيل جميع المكونات النهائية. قطر القطرة النموذجي هو 27 ميكرومتر، مع سرعة 80 م / ث وتردد تكرار 50 كيلو هرتز. يقوم مولد القطرات بإصدار نبضات ليزر ثاني أكسيد الكربون، مما أكسبه لقب "نبض القلب" لمجموعة الماسحات الضوئية بالأشعة فوق البنفسجية بأكملها.

القصدير هو السائل العامل المستخدم في مولد القطرات لتطبيقات EUVL، حيث أنه يولد ضوءًا بطول موجة يبلغ 13.5 نانومتر عند تأينه إلى حالة البلازما. وعلى مدى العقود الماضية، استكشف الباحثون إمكانيات وجود مواد أخرى غير القصدير، مثل غاز الزينون والليثيوم. أثبتت عوامل مثل السلامة والتكلفة والأداء أن القصدير هو المادة المتفوقة للبلازما المنتجة بالليزر في تطبيقات التصنيع EUVL. وفي مجال تصنيع أشباه الموصلات، لا توجد خريطة طريق مشتركة لمواد أخرى غير القصدير، وبالتالي فإن الاستثمار في فهم هذه المادة على المستوى العلمي الأساسي سيكون له آثار قصيرة المدى وطويلة المدى. إن تركيز الصناعة على مادة واحدة، وهي القصدير، يجعلها خيارًا مثاليًا للتفاعل المعقد بين مادة الليزر والمطلوب لتوليد ضوء الأشعة فوق البنفسجية.

يتضمن مبدأ عمل مولد القطرات تحميل القصدير الصلب عالي النقاء (> 99.999٪ بالوزن) في حاوية وتسخينه فوق نقطة الانصهار (~ 232 درجة مئوية). بعد ذلك، يتم تطبيق غاز عالي النقاء، عادة النيتروجين، على جانب واحد من السائل داخل الحاوية لممارسة الضغط، مما يسمح للقصدير المنصهر بالتدفق عبر مرشح إلى الفوهة الموجودة على الجانب الآخر. عادة ما يتم تنظيم قذف قطرات القصدير بواسطة بلورات كهرضغطية (PZT)، مما يولد اهتزازات ميكانيكية. تظهر صورة لمولد قطرات مفهوم الجيل الأول في الشكل 3، مع استقرار موضع القطرة بحوالي 1 ميكرومتر.

حقق مولد القطرات تطورات جديدة في عام 2021 بفضل قدرته على التجديد عبر الإنترنت. يوضح الشكل 4 انخفاضًا في وقت توقف النظام دون مقاطعة أداء الماسحات الضوئية EUV النهائية. بفضل هذا التصميم الجديد لمولد القطرات، تم تحقيق التشغيل المستمر لأكثر من 3000 ساعة.

لزيادة الإنتاجية وتحقيق إنتاج طاقة أعلى بالأشعة فوق البنفسجية، من الضروري زيادة قوة الليزر الدافعة، مما يؤدي إلى زيادة عدد القطرات في الثانية. لزيادة تردد القطرات بشكل أكبر، يجب زيادة الضغط في مولد القطرات. ومع ذلك، فإن هذا من شأنه أن يؤدي إلى تباعد الحبرية أكبر. تم توضيح هذا المفهوم في الشكل 5.

حاليًا، تحت الضغط الجوي، تفتقر المعادن المنصهرة إلى خصائص مادية موثوقة. إن الافتقار إلى هذه البيانات القياسية يعيق التقدم في عمليات المحاكاة العددية لإنشاء مولدات القطرات. تتضمن الممارسة التي وصفها العلماء والمهندسون البحث عن أحدث خصائص المواد من الأدبيات المنشورة واستنتاج تقديرات تقريبية. ثم يعتمدون على الملاحظات التجريبية للنظام بأكمله في ظل ظروف التشغيل لضبط العلاقة بين خصائص المواد ومعلمات التشغيل. أعطى أحد مقدمي الصناعة مثالاً يوضح الحاجة إلى تصميم متوازن في رأس الطباعة للتأكد من أن مائع التشغيل (المعدن المنصهر) عند درجة حرارة عالية بما يكفي ليكون في الطور السائل ولكن ليس مرتفعًا جدًا لإذابة العنصر الكهرضغطي.

تم تقديم مورد NIST الحالي لقياس خصائص المواد المعدنية، مع التركيز على قاعدة بيانات سبائك NIST، وهي قاعدة بيانات منسقة تحتوي على الخصائص الفيزيائية الحرارية للمعادن (بما في ذلك القصدير). حاليًا، قاعدة البيانات بأكملها مجانية ومفتوحة للجمهور بفضل التمويل من مبادرة جينوم المواد (MGI) والإشراف من مركز أبحاث الديناميكا الحرارية (TRC). لمواصلة التطوير، يمكن تحويل قاعدة البيانات إلى SRD للحفاظ عليها وفقًا لقانون البيانات المرجعية القياسية الأمريكي لعام 2017. يمكن أن توفر القدرة على توفير بيانات خصائص المواد العادلة والمصدق عليها بشكل احترافي للصناعة الأمريكية رؤى وابتكارات تصميمية فعالة في تشغيل مولدات القطرات. لقد تم الاعتراف بمزايا الأجهزة قصيرة المدى في أداء المواد دوليًا، كما هو موضح في منشور عن الأجهزة قصيرة المدى في مجال خواص المواد.

أحد القيود على فعالية قدرات القياس في NIST هو عدم وجود بيانات عن القصدير المنصهر تحت ضغط عالٍ ينطبق على مولدات قطيرات EUVL. تحدد خصائص مائع العمل في مولد القطرات ظاهرة تسمى تفكك رايلي، والتي تؤدي إلى تكوين القطرات واندماجها. لقد تم بحث هذه الظاهرة على نطاق واسع على مدار الأربعين عامًا الماضية، حيث أظهرت الدراسات التي أجرتها مؤسسات مثل ETH Zurich في عام 40 العلاقة بين قطر وسرعة قطرات القصدير المنصهر عند ضغوط أقل من 2011 ميجا باسكال وترددات أقل من 4 كيلو هرتز. ويظهر مقال حديث نُشر عام 100 السعي الإيجابي في هذا المجال البحثي.

إن عدم وجود بيانات مرجعية عن القصدير المنصهر يجعل من المفيد قياس بيانات الجودة المرجعية لملء قواعد البيانات مثل قاعدة بيانات سبائك NIST بأجهزة جديدة. تعد سرعة الصوت (SoS) خاصية مادية مفيدة بشكل خاص حيث يمكن دمجها مع بيانات الكثافة والسعة الحرارية متساوية الضغط عند نقطة واحدة (T، p) للحصول على خصائص فيزيائية حرارية إضافية مثل الكثافة والتمدد متساوي الضغط والسعة الحرارية متساوية الضغط عند أي درجة حرارة وضغط. لقد أظهر باحثو NIST بالفعل قيم SoS المقاسة لمواد التبريد. تعد قياسات SoS الدقيقة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق الهدف النهائي المتمثل في نمذجة الخواص الديناميكية الحرارية للمواد باستخدام معادلات الحالة (EoS). لقد أثبت استخدام EoSs المختلفة في دقة المحاكاة أنه يؤثر بشكل كبير حتى على أبسط الأشكال الهندسية.

يتبع...