2.1 Générateur de gouttelettes : propriétés thermophysiques extrêmes et modélisation

Le générateur de gouttelettes est un composant important de l’ensemble du scanner EUVL (Figure 3). Le générateur de gouttelettes contrôle la taille, la vitesse et le taux de répétition du matériau entrant dans la chambre source EUV, ionisé par un laser au dioxyde de carbone, pour générer une lumière EUV à 13.5 nm. Par conséquent, une génération fiable de gouttelettes est essentielle pour la production de lumière EUV, car tout dysfonctionnement entraînerait l’arrêt de tous les composants en aval. Le diamètre typique des gouttelettes est de 27 μm, avec une vitesse de 80 m/s et une fréquence de répétition de 50 kHz. Le générateur de gouttelettes déclenche l'émission d'impulsions laser au dioxyde de carbone, ce qui lui vaut le titre de « battement de cœur » de l'ensemble du scanner EUV.

L'étain est le liquide de travail utilisé dans le générateur de gouttelettes pour les applications EUVL, car il génère de la lumière à une longueur d'onde de 13.5 nanomètres lorsqu'il est ionisé dans un état plasma. Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont exploré les possibilités d’autres matériaux que l’étain, comme le xénon et le lithium. Des facteurs tels que la sécurité, le coût et les performances ont prouvé que l'étain était le matériau supérieur pour le plasma produit par laser dans les applications de fabrication EUVL. Dans la fabrication de semi-conducteurs, il n’existe pas de feuille de route commune pour les matériaux autres que l’étain. Investir dans la compréhension de ce matériau à un niveau scientifique fondamental aura donc des implications à court et à long terme. L'accent mis par l'industrie sur un seul matériau, l'étain, en fait un choix idéal pour l'interaction complexe laser-matériau requise pour la génération de lumière EUV.

Le principe de fonctionnement du générateur de gouttelettes consiste à charger de l'étain solide de haute pureté (> 99.999 % en poids) dans un récipient et à le chauffer au-dessus de son point de fusion (~ 232 °C). Ensuite, un gaz de haute pureté, généralement de l'azote, est appliqué d'un côté du liquide à l'intérieur du récipient pour exercer une pression, permettant à l'étain fondu de s'écouler à travers un filtre jusqu'à la buse de l'autre côté. L'éjection des gouttelettes d'étain est généralement régulée par des cristaux piézoélectriques (PZT), générant des vibrations mécaniques. Une photo d'un générateur de gouttelettes conceptuel de première génération est présentée à la figure 3, avec une stabilité de position des gouttelettes d'environ 1 μm.

Le générateur de gouttelettes a réalisé de nouvelles avancées en 2021 grâce à sa capacité de réapprovisionnement en ligne. La figure 4 montre une réduction des temps d'arrêt du système sans interrompre les performances des scanners EUV en aval. Avec cette nouvelle conception de générateur de gouttelettes, un fonctionnement continu pendant plus de 3000 XNUMX heures a été obtenu.

Pour augmenter la productivité et obtenir une puissance de sortie EUV plus élevée, il est nécessaire d’augmenter la puissance du laser de commande, ce qui entraîne une augmentation du nombre de gouttelettes par seconde. Pour augmenter davantage la fréquence des gouttelettes, la pression dans le générateur de gouttelettes doit être augmentée. Cependant, cela entraînerait un plus grand espacement des gouttelettes. Ce concept est illustré dans la figure 5.

Actuellement, sous pression atmosphérique, les métaux en fusion manquent de propriétés matérielles fiables. L’absence de ces données standards entrave les progrès des simulations numériques pour la création de générateurs de gouttelettes. La pratique décrite par les scientifiques et les ingénieurs consiste à rechercher les propriétés des matériaux les plus récentes à partir de la littérature publiée et à en déduire des estimations approximatives. Ils s’appuient ensuite sur des observations empiriques de l’ensemble du système dans des conditions de fonctionnement pour ajuster la relation entre les propriétés des matériaux et les paramètres de fonctionnement. Un présentateur de l'industrie a donné un exemple illustrant la nécessité d'une conception équilibrée dans la tête d'impression pour garantir que le fluide de travail (métal fondu) est à une température suffisamment élevée pour être en phase liquide mais pas trop élevée pour faire fondre l'élément piézoélectrique.

La ressource actuelle du NIST pour mesurer les propriétés des matériaux métalliques a été introduite, en mettant l'accent sur la base de données des alliages du NIST, qui est une base de données organisée contenant les propriétés thermophysiques des métaux (y compris l'étain). Actuellement, l’intégralité de la base de données est gratuite et ouverte au public grâce au financement de la Materials Genome Initiative (MGI) et à la surveillance du Thermodynamics Research Center (TRC). Pour poursuivre le développement, la base de données peut être convertie en SRD pour la maintenir conformément à la loi américaine Standard Reference Data Act de 2017. La capacité de fournir des données justes et professionnellement validées sur les propriétés des matériaux pour l'industrie américaine peut offrir des informations de conception efficaces et des innovations dans le fonctionnement des générateurs de gouttelettes. Les avantages du SRD en termes de performances des matériaux ont été reconnus au niveau international, comme le montre une publication sur le SRD dans le domaine des propriétés des matériaux.

L'une des limites à l'efficacité des capacités de mesure du NIST est le manque de données sur l'étain fondu sous haute pression applicable aux générateurs de gouttelettes EUVL. Les caractéristiques du fluide de travail dans un générateur de gouttelettes déterminent un phénomène appelé rupture de Rayleigh, qui conduit à la formation et à la fusion des gouttelettes. Ce phénomène a fait l'objet de nombreuses recherches au cours des 40 dernières années, des études menées par des institutions telles que l'ETH Zurich en 2011 démontrant la relation entre le diamètre et la vitesse des gouttelettes d'étain fondu à des pressions inférieures à 4 MPa et à des fréquences inférieures à 100 kHz. Un article récent publié en 2023 montre la poursuite positive de ce domaine de recherche.

Le manque de données de référence sur l’étain fondu rend utile la mesure des données de qualité de référence pour remplir des bases de données telles que la base de données sur les alliages du NIST avec de nouveaux instruments. La vitesse du son (SoS) est une propriété matérielle particulièrement utile car elle peut être combinée avec des données de densité et de capacité thermique isobare en un seul point (T, p) pour obtenir des propriétés thermophysiques supplémentaires telles que la densité, l'expansivité isobare et la capacité thermique isobare à n'importe quelle température et pression. Les chercheurs du NIST ont déjà démontré les valeurs SoS mesurées pour les matériaux réfrigérants. Des mesures SoS précises sont cruciales pour atteindre l’objectif ultime de modélisation des propriétés thermodynamiques des matériaux à l’aide d’équations d’état (EoS). Il s’est avéré que l’utilisation de différents EoS pour la précision de la simulation affecte de manière significative même la géométrie la plus simple.

À suivre...