۲.۱ مولد قطره: خواص ترموفیزیکی شدید و مدل‌سازی

مولد قطرات جزء مهمی از مجموعه اسکنر EUVL است (شکل 3). مولد قطرات اندازه، سرعت و نرخ تکرار مواد وارد شده به محفظه منبع EUV را کنترل می‌کند که توسط لیزر دی‌اکسید کربن یونیزه می‌شود تا نور EUV در طول موج 13.5 نانومتر تولید کند. بنابراین، تولید قطرات قابل اعتماد برای تولید نور EUV ضروری است، زیرا هرگونه نقصی منجر به خاموش شدن تمام اجزای پایین دستی می شود. قطر قطرات معمولی 27μm، با سرعت 80m/s و فرکانس تکرار 50kHz است. مولد قطرات باعث انتشار پالس های لیزری دی اکسید کربن می شود و عنوان "ضربان قلب" کل مجموعه اسکنر EUV را به خود اختصاص می دهد.

قلع مایع کاری است که در مولد قطرات برای کاربردهای EUVL مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا هنگامی که در حالت پلاسما یونیزه می‌شود، نوری با طول موج 13.5 نانومتر تولید می‌کند. در طول دهه‌های گذشته، محققان احتمالات موادی غیر از قلع، مانند گاز زنون و لیتیوم را بررسی کرده‌اند. عواملی مانند ایمنی، هزینه و عملکرد ثابت کرده اند که قلع ماده برتر برای پلاسمای تولید شده با لیزر در کاربردهای تولید EUVL است. در تولید نیمه هادی، هیچ نقشه راه مشترکی برای مواد به جز قلع وجود ندارد، بنابراین سرمایه گذاری در درک این ماده در سطح علمی بنیادی پیامدهای کوتاه مدت و بلندمدت خواهد داشت. تمرکز صنعت بر روی یک ماده واحد، قلع، آن را به انتخابی ایده آل برای تعامل پیچیده لیزر مواد مورد نیاز برای تولید نور EUV تبدیل می کند.

اصل کار مولد قطرات شامل بارگیری قلع جامد با خلوص بالا (بیش از 99.999 درصد وزنی) در ظرف و گرم کردن آن در بالای نقطه ذوب آن (~232 درجه سانتیگراد) است. سپس، گاز با خلوص بالا، معمولاً نیتروژن، در یک طرف مایع داخل ظرف اعمال می شود تا فشار وارد کند و به قلع مذاب اجازه می دهد تا از طریق یک فیلتر به سمت نازل در سمت دیگر جریان یابد. خروج قطرات قلع معمولاً توسط کریستال های پیزوالکتریک (PZT) تنظیم می شود و ارتعاشات مکانیکی ایجاد می کند. عکسی از نسل اول مولد قطرات مفهومی در شکل 3 نشان داده شده است، با ثبات موقعیت قطرات تقریباً 1μm.

مولد قطرات در سال 2021 با قابلیت پر کردن آنلاین خود پیشرفت های جدیدی ایجاد کرد. شکل 4 کاهش در زمان خاموشی سیستم را بدون وقفه در عملکرد اسکنرهای EUV پایین دست نشان می دهد. با این طراحی جدید مولد قطرات، عملکرد مداوم بیش از 3000 ساعت به دست آمده است.

برای افزایش بهره وری و دستیابی به توان خروجی EUV بالاتر، لازم است قدرت لیزر محرک افزایش یابد و در نتیجه تعداد قطرات در ثانیه افزایش یابد. برای افزایش بیشتر فرکانس قطرات، فشار در مولد قطرات باید افزایش یابد. با این حال، این منجر به فاصله قطرات بزرگتر می شود. این مفهوم در شکل 5 نشان داده شده است.

در حال حاضر، تحت فشار اتمسفر، فلزات مذاب فاقد خواص مواد قابل اعتماد هستند. فقدان این داده های استاندارد مانع از پیشرفت در شبیه سازی های عددی برای ایجاد مولد قطرات می شود. روشی که توسط دانشمندان و مهندسان توصیف شده است شامل جستجوی جدیدترین خواص مواد از متون منتشر شده و استنباط تخمین های تقریبی است. آنها سپس بر مشاهدات تجربی کل سیستم تحت شرایط عملیاتی تکیه می کنند تا رابطه بین خواص مواد و پارامترهای عملیاتی را تنظیم کنند. یک مجری صنعت مثالی ارائه کرد که نیاز به طراحی متعادل در هد چاپ را نشان می‌دهد تا اطمینان حاصل شود که سیال کار (فلز مذاب) در دمای کافی بالا برای قرار گرفتن در فاز مایع است اما برای ذوب عنصر پیزوالکتریک خیلی بالا نیست.

منبع فعلی NIST برای اندازه گیری خواص مواد فلزی با تمرکز بر پایگاه داده آلیاژ NIST، که یک پایگاه داده انتخاب شده حاوی خواص ترموفیزیکی فلزات (از جمله قلع) است، معرفی شد. در حال حاضر، کل پایگاه داده به دلیل تامین مالی ابتکار ژنوم مواد (MGI) و نظارت مرکز تحقیقات ترمودینامیک (TRC) رایگان و برای عموم آزاد است. برای ادامه توسعه، پایگاه داده را می توان به SRD تبدیل کرد تا آن را مطابق قانون 2017 استاندارد داده مرجع ایالات متحده حفظ کند. توانایی ارائه داده‌های دارایی مواد منصفانه و معتبر حرفه‌ای برای صنعت ایالات متحده می‌تواند بینش‌های طراحی کارآمد و نوآوری‌هایی را در عملکرد مولدهای قطرات ارائه دهد. مزایای SRD در عملکرد مواد در سطح بین المللی شناخته شده است، همانطور که در انتشارات SRD در زمینه خواص مواد نشان داده شده است.

یکی از محدودیت‌های اثربخشی قابلیت‌های اندازه‌گیری NIST، فقدان داده در مورد قلع مذاب تحت فشار بالا است که در ژنراتورهای قطرات EUVL قابل اعمال است. ویژگی های سیال عامل در یک مولد قطرات پدیده ای به نام شکست رایلی را تعیین می کند که منجر به تشکیل و ادغام قطرات می شود. این پدیده در 40 سال گذشته به طور گسترده مورد تحقیق قرار گرفته است، با مطالعات انجام شده توسط مؤسساتی مانند ETH زوریخ در سال 2011 رابطه بین قطر و سرعت قطرات قلع مذاب در فشارهای زیر 4 مگاپاسکال و فرکانس های زیر 100 کیلوهرتز را نشان می دهد. مقاله اخیر منتشر شده در سال 2023 نشان دهنده پیگیری مثبت در این زمینه تحقیقاتی است.

فقدان داده‌های مرجع در مورد قلع مذاب، اندازه‌گیری داده‌های کیفیت مرجع را برای پر کردن پایگاه‌های اطلاعاتی مانند پایگاه داده آلیاژی NIST با ابزار دقیق جدید ارزشمند می‌سازد. سرعت صدا (SoS) یک ویژگی ماده بسیار مفید است، زیرا می‌توان آن را با داده‌های چگالی و ظرفیت گرمایی هم‌بار در یک نقطه (T, p) ترکیب کرد تا خواص ترموفیزیکی اضافی مانند چگالی، انبساط هم‌بار و ظرفیت گرمایی هم‌بار را به دست آورد. هر دما و فشار محققان NIST قبلاً مقادیر SoS اندازه گیری شده را برای مواد مبرد نشان داده اند. اندازه گیری دقیق SoS برای دستیابی به هدف نهایی مدل سازی خواص ترمودینامیکی مواد با استفاده از معادلات حالت (EoS) بسیار مهم است. ثابت شده است که استفاده از EoS های مختلف در دقت شبیه سازی حتی ساده ترین هندسه را نیز تحت تاثیر قرار می دهد.

ادامه دارد...