2.1 Tropfengenerator: Extreme thermophysikalische Eigenschaften und Modellierung

Der Tröpfchengenerator ist ein wichtiger Bestandteil der EUVL-Scannerbaugruppe (Abbildung 3). Der Tröpfchengenerator steuert die Größe, Geschwindigkeit und Wiederholungsrate des Materials, das in die EUV-Quellenkammer eintritt und von einem Kohlendioxidlaser ionisiert wird, um EUV-Licht bei 13.5 nm zu erzeugen. Daher ist eine zuverlässige Tröpfchenerzeugung für die EUV-Lichterzeugung von entscheidender Bedeutung, da jede Fehlfunktion zum Abschalten aller nachgeschalteten Komponenten führen würde. Der typische Tropfendurchmesser beträgt 27 μm, bei einer Geschwindigkeit von 80 m/s und einer Wiederholungsfrequenz von 50 kHz. Der Tröpfchengenerator löst die Emission von Kohlendioxid-Laserimpulsen aus, was ihm den Titel „Herzschlag“ der gesamten EUV-Scanner-Baugruppe einbringt.

Zinn ist die Arbeitsflüssigkeit, die im Tröpfchengenerator für EUVL-Anwendungen verwendet wird, da es bei Ionisierung in einen Plasmazustand Licht mit einer Wellenlänge von 13.5 Nanometern erzeugt. In den letzten Jahrzehnten haben Forscher die Möglichkeiten anderer Materialien als Zinn erforscht, beispielsweise Xenongas und Lithium. Faktoren wie Sicherheit, Kosten und Leistung haben gezeigt, dass Zinn das überlegene Material für lasererzeugtes Plasma in EUVL-Fertigungsanwendungen ist. In der Halbleiterfertigung gibt es keine gemeinsame Roadmap für andere Materialien als Zinn. Daher wird eine Investition in das Verständnis dieses Materials auf grundlegender wissenschaftlicher Ebene kurz- und langfristige Auswirkungen haben. Der Fokus der Industrie auf ein einziges Material, Zinn, macht es zur idealen Wahl für die komplexe Laser-Material-Interaktion, die für die EUV-Lichterzeugung erforderlich ist.

Das Funktionsprinzip des Tropfengenerators besteht darin, festes hochreines Zinn (>99.999 Gew.-%) in einen Behälter zu füllen und es über seinen Schmelzpunkt (~232 °C) zu erhitzen. Dann wird hochreines Gas, typischerweise Stickstoff, auf eine Seite der Flüssigkeit im Behälter aufgebracht, um Druck auszuüben, wodurch das geschmolzene Zinn durch einen Filter zur Düse auf der anderen Seite fließen kann. Der Ausstoß von Zinntröpfchen wird üblicherweise durch piezoelektrische (PZT) Kristalle reguliert, die mechanische Schwingungen erzeugen. Abbildung 3 zeigt ein Foto eines Tröpfchengenerators der ersten Generation mit einer Tröpfchenpositionsstabilität von etwa 1 μm.

Der Tropfengenerator hat im Jahr 2021 mit seiner Online-Nachschubfunktion neue Fortschritte gemacht. Abbildung 4 zeigt eine Reduzierung der Systemausfallzeiten, ohne die Leistung nachgeschalteter EUV-Scanner zu unterbrechen. Mit diesem neuen Tropfengeneratordesign wurde ein Dauerbetrieb von über 3000 Stunden erreicht.

Um die Produktivität zu steigern und eine höhere EUV-Leistungsabgabe zu erreichen, ist es notwendig, die Antriebslaserleistung zu erhöhen, was zu einer erhöhten Anzahl von Tröpfchen pro Sekunde führt. Um die Tropfenfrequenz weiter zu erhöhen, muss der Druck im Tropfengenerator erhöht werden. Dies würde jedoch zu größeren Tropfenabständen führen. Dieses Konzept ist in Abbildung 5 dargestellt.

Derzeit mangelt es geschmolzenen Metallen unter atmosphärischem Druck an zuverlässigen Materialeigenschaften. Das Fehlen dieser Standarddaten behindert den Fortschritt numerischer Simulationen zur Erstellung von Tropfengeneratoren. Die von Wissenschaftlern und Ingenieuren beschriebene Praxis besteht darin, aus der veröffentlichten Literatur nach den neuesten Materialeigenschaften zu suchen und grobe Schätzungen abzuleiten. Anschließend stützen sie sich auf empirische Beobachtungen des gesamten Systems unter Betriebsbedingungen, um die Beziehung zwischen Materialeigenschaften und Betriebsparametern anzupassen. Ein Branchenreferent gab ein Beispiel, das die Notwendigkeit einer ausgewogenen Konstruktion des Druckkopfs verdeutlichte, um sicherzustellen, dass das Arbeitsmedium (geschmolzenes Metall) eine ausreichend hohe Temperatur hat, um in der flüssigen Phase zu sein, aber nicht zu hoch, um das piezoelektrische Element zu schmelzen.

Die aktuelle NIST-Ressource zur Messung von Metallmaterialeigenschaften wurde eingeführt, mit Schwerpunkt auf der NIST-Legierungsdatenbank, einer kuratierten Datenbank mit thermophysikalischen Eigenschaften von Metallen (einschließlich Zinn). Derzeit ist die gesamte Datenbank aufgrund der Finanzierung durch die Materials Genome Initiative (MGI) und der Aufsicht des Thermodynamics Research Center (TRC) kostenlos und für die Öffentlichkeit zugänglich. Um die Entwicklung fortzusetzen, kann die Datenbank in SRD konvertiert werden, um sie gemäß dem US Standard Reference Data Act von 2017 zu pflegen. Die Möglichkeit, faire und professionell validierte Daten zu Materialeigenschaften für die US-Industrie bereitzustellen, kann effiziente Designeinblicke und Innovationen beim Betrieb von Tropfengeneratoren ermöglichen. Die Vorteile von SRD bei der Materialleistung sind international anerkannt, wie in einer Veröffentlichung über SRD im Bereich Materialeigenschaften gezeigt wird.

Eine Einschränkung der Wirksamkeit der Messmöglichkeiten des NIST ist der Mangel an Daten über geschmolzenes Zinn unter hohem Druck, die für EUVL-Tropfengeneratoren anwendbar sind. Die Eigenschaften des Arbeitsmediums in einem Tröpfchengenerator bestimmen ein Phänomen namens Rayleigh-Aufspaltung, das zur Tröpfchenbildung und -verschmelzung führt. Dieses Phänomen wurde in den letzten 40 Jahren umfassend erforscht. Studien von Institutionen wie der ETH Zürich im Jahr 2011 zeigten den Zusammenhang zwischen dem Durchmesser und der Geschwindigkeit geschmolzener Zinntröpfchen bei Drücken unter 4 MPa und Frequenzen unter 100 kHz. Ein aktueller Artikel aus dem Jahr 2023 zeigt die positive Entwicklung in diesem Forschungsbereich.

Aufgrund des Mangels an Referenzdaten zu geschmolzenem Zinn ist es wertvoll, Referenzqualitätsdaten zu messen, um Datenbanken wie die NIST-Legierungsdatenbank mit neuen Instrumenten zu füllen. Schallgeschwindigkeit (SoS) ist eine besonders nützliche Materialeigenschaft, da sie mit Dichte- und isobaren Wärmekapazitätsdaten an einem einzelnen (T, p)-Punkt kombiniert werden kann, um zusätzliche thermophysikalische Eigenschaften wie Dichte, isobare Ausdehnungsfähigkeit und isobare Wärmekapazität zu erhalten jede Temperatur und jeder Druck. NIST-Forscher haben bereits die gemessenen SoS-Werte für Kältemittelmaterialien nachgewiesen. Genaue SoS-Messungen sind entscheidend für das Erreichen des ultimativen Ziels, die thermodynamischen Eigenschaften von Materialien mithilfe von Zustandsgleichungen (EoS) zu modellieren. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung unterschiedlicher EoSs in der Simulationsgenauigkeit selbst die einfachste Geometrie erheblich beeinflusst.

Fortsetzung folgt...