NIST entwickelt derzeit ein Instrument zur Messung von SoS bei höheren Drücken und Temperaturen. Das SoS-Instrument ist Teil des Postdoktorandenstipendiums des National Research Council (NRC) für Dr. Elizabeth Rasmussen im Bereich der additiven Metallfertigung. Im Oktober 2022 wurde ein US-Patent für das Design und den Betrieb des Instruments eingereicht. Das neue SoS-Instrument aus Metall ist eine Erweiterung des bestehenden Instruments von NIST, das bei niedrigeren extremen Temperaturen und Drücken arbeitet. Das neue Instrument befindet sich derzeit in der Entwicklung und erfordert zusätzliche dedizierte Ressourcen für Zinnmessungen.

Darüber hinaus müssen Daten zu Transporteigenschaften (Oberflächenspannung, Viskosität usw.) für geschmolzenes Zinn unter extremen Bedingungen bereitgestellt werden. Um diesen Bedarf zu decken, sind ein neues maßgeschneidertes Messinstrument und die dazugehörigen Ressourcen erforderlich. Sowohl die SoS- als auch die Transporteigenschaftsinstrumente werden über erstklassige messtechnische Fähigkeiten verfügen und erfordern spezielle Fähigkeiten für Design, Herstellung und Betrieb.

Sobald die Daten erfasst sind, ist es sinnvoll, sie in EoS zu korrelieren. Ein Beispiel für eine solche Verbreitung sind Transportkorrelationen oder thermodynamische EoS. Derzeit gibt es Referenzkorrelationen für die Transporteigenschaften von Zinn, jedoch keine Referenz-EoS. Die Transporteigenschaftenkorrelationen für Zinn weichen um 5–10 % von experimentellen Daten ab und sind nur unter Atmosphärendruck gültig. Dies stellt eine Chance für eine fortschrittliche Messtechnik dar. NIST zeichnet sich durch die Erstellung von Referenzkorrelationen, EoS und SRD für Kältemittel und Erdgasmaterialien durch das Refrigerant (Reference Fluid Performance)-Projekt aus, das bis in die 1990er Jahre zurückreicht. Daher können ähnliche Messungen für Metalle, insbesondere Zinn, durchgeführt und EoS für SRD entwickelt werden, um Simulationen mit hoher Wiedergabetreue zu verbessern und eine datengesteuerte EUVL-Entwicklung zu erreichen. Diese Entwicklung kann eine Erhöhung der EUV-Emissionen und die Erstellung digitaler Zwillinge mit sich bringen, und die Referenzmaterialeigenschaften, Korrelationen und EoS werden dies erreichen. Die Verbreitung von SRD oder Modellen an die US-Industrie kann auf kontrollierte Weise über das etablierte SRD-Programm des NIST erfolgen, wie in Abbildung 6 dargestellt.

Derzeit gibt es kein kommerzielles Softwaresystem, das genaue oder prädiktive Simulationsanweisungen für Metalle in flüssiger Phase über Atmosphärendruck liefern kann. Diese messtechnische Arbeit wurde von den Industriemitgliedern der Arbeitsgruppe aus Sicht der Datennutzer und Simulationsdatenpipelines begeistert gefördert.

Neben fehlenden thermodynamischen und Transporteigenschaften unter extremen Temperaturen und Drücken sind auch die Struktur und die piezoelektrischen Daten der Komponenten begrenzt. Dies schränkt die Fähigkeit ein, potenzielle Materialinkompatibilitäten vorherzusagen, und schränkt somit das Design von Tröpfchengeneratoren ein. Der Einsatz neuer piezoelektrischer Hochtemperaturmaterialien (>300 °C) wird im aktuellen Aufbau als Vorteil angesehen. Ein Mitglied erwähnte und teilte eine aktuelle Veröffentlichung von Tittmann zu diesem Thema. Solche Materialien gibt es zwar, aber sie sind schwer zu bekommen und teuer. Daher müssen Kompromisse eingegangen werden.

Metalltröpfchengeneratoren werden seit Jahrzehnten beim Löten und bei der Pulverherstellung eingesetzt, darunter neben reinem Zinn auch Legierungen aus Blei, Zinn, Indium, Kupfer, Silber und Gold. Überraschenderweise besteht eine erhebliche Wissenslücke hinsichtlich der grundlegenden Materialeigenschaften. Während der Einsatz von Tröpfchengeneratoren außerhalb der EUV-Lithographie nicht in den Zuständigkeitsbereich der Arbeitsgruppe fällt, ist es von Vorteil zu erkennen, dass Fortschritte in diesem Bereich auch Auswirkungen auf andere kritische Technologiebereiche haben können.

Zusammenfassend liegt der Schwerpunkt auf der Optimierung von Tropfengeneratoren in EUVL-Scannerkomponenten. Der kontinuierliche, zuverlässige und präzise Betrieb von Tropfengeneratoren sowie Fortschritte in deren Design zur Verbesserung der EUV-Chipproduktion sind ausdrücklich erwünscht. Fortschritte bei der Messung der grundlegenden thermodynamischen und Transporteigenschaften von geschmolzenem Zinn unter hohem Druck können Referenzkorrelationen für Materialeigenschaften herstellen und in Form von Standardreferenzdaten (SRD) verbreitet werden. Die Integration von SRD in Simulationssoftware ermöglicht digitale Zwillingssimulationen von Tröpfchengeneratoren. Somit kann die Simulation der Umgebung von Tröpfchengeneratoren den Betrieb der aktuellen Ausrüstung und Innovationen in zukünftigen Designs unterstützen und so Scannersysteme mit hohem NAEUV ermöglichen.

2.2 Strahlungsmessung zur EUV-Erzeugung

Industrielle EUVL-Anlagen nutzen hauptsächlich zwei Arten von Licht: gepulste Hochleistungs-Infrarotlaser (IR) zur Ionisierung von geschmolzenem Zinn (Sn) und 13.5-nm-Licht für die Fotolithografie. Ersteres wird von einem speziell gefertigten Kohlendioxidlaser (λ = 10.6 μm) erzeugt, der eine durchschnittliche Leistung von ca. 30 kW bei einer Wiederholfrequenz von 50 kHz abgibt. Der Zinnionisierungsprozess umfasst zwei schnell aufeinanderfolgende Infrarotlaserpulse: einen Vorpuls zum Abflachen des Tropfens von einer Kugel zu einer Scheibe und einen hochenergetischen Hauptpuls zur Ionisierung. Die Leistung des Infrarotlasers ist entscheidend für die Entwicklung zukünftiger Fotolithografie-Anlagen, da „die EUV-Leistungsskala höhere Kohlendioxidlaserleistungen erfordert“. „In aktuellen kommerziellen Lithografie-Anlagen liegt die maximale Ausgangsleistung von inkohärentem 13.5-nm-EUV-Licht bei etwa 250 W, wobei Labordemonstrationen 600 W erreichen.“ Das Doppelpulssystem ist in Abbildung 7 dargestellt.

NIST unterstützt derzeit die Infrarotkalibrierung, jedoch nicht die für die kommerzielle EUV-Lithografie erforderlichen Leistungs- und Pulsbedingungen. Während NIST derzeit Kalibrierungen für die Mikrofabrikationsindustrie mit Wellenlängen von 193 nm und 248 nm anbietet, ist eine Kalibrierung innerhalb des EUV-Wellenlängenbereichs möglich, jedoch nur bei erheblich geringeren Leistungen als denen, die in EUVL-Werkzeugen verwendet werden. Bei diesen reduzierten Leistungen bietet NIST strahlungsgehärtete Silizium-Fotodioden und Aluminiumoxid-Fotoemissionsdetektoren oder geeignete, vom Kunden bereitgestellte Detektoren zur Kalibrierung als Transferstandards an. Andere optische Charakterisierungen innerhalb von EUV, einschließlich Filterübertragungs- und räumlicher Gleichmäßigkeitstests, werden ebenfalls durchgeführt. Möglichkeiten für die metrologische Forschung würden eine Erweiterung der Kalibrierungskapazitäten von NIST umfassen, um Eingangs-Infrarotlaser abzudecken, um mittlere Leistungen von EUV-Quellen abzuleiten und die endgültige EUV-Ausgabe zu leiten, und das alles unter für die industrielle EUVL relevanten Bedingungen. Durch die Bereitstellung einer rückführbaren Messtechnik für wichtige Prozessparameter hätte dies direkte Auswirkungen auf die Entwicklung von Halbleiterherstellungsprozessen. Darüber hinaus würde sich die Entwicklung künftiger EUV-Instrumente langfristig auswirken, da hochpräzise Daten zur Validierung von EUV-generierten Simulationen bereitgestellt würden.

Fortsetzung folgt...