מחולל טיפות 2.1: תכונות תרמופיזיקליות קיצוניות ומידול

מחולל הטיפות הוא מרכיב חשוב במכלול הסורק EUVL (איור 3). מחולל הטיפות שולט בגודל, מהירות וקצב החזרה של החומר הנכנס לתא מקור ה-EUV, המיונן על ידי לייזר פחמן דו חמצני, ליצירת אור EUV ב-13.5 ננומטר. לכן, ייצור טיפות אמין חיוני לייצור אור EUV שכן כל תקלה תגרום לכיבוי של כל הרכיבים במורד הזרם. קוטר הטיפות האופייני הוא 27μm, עם מהירות של 80m/s ותדירות חזרות של 50kHz. מחולל הטיפות מפעיל את פליטת פולסי הלייזר של פחמן דו חמצני, ומזכה אותו בתואר "פעימת הלב" של כל מכלול סורק ה-EUV.

פח הוא נוזל העבודה המשמש במחולל הטיפות עבור יישומי EUVL, מכיוון שהוא מייצר אור באורך גל של 13.5 ננומטר כשהוא מייונן למצב פלזמה. במהלך העשורים האחרונים, חוקרים בחנו את האפשרויות של חומרים אחרים מלבד בדיל, כמו גז קסנון וליתיום. גורמים כמו בטיחות, עלות וביצועים הוכיחו שהפח הוא החומר המעולה לפלזמה המיוצרת בלייזר ביישומי ייצור EUVL. בייצור מוליכים למחצה, אין מפת דרכים משותפת לחומרים מלבד פח, ולכן להשקעה בהבנת החומר הזה ברמה מדעית בסיסית יהיו השלכות לטווח קצר ולטווח ארוך. ההתמקדות של התעשייה בחומר בודד, פח, הופכת אותו לבחירה אידיאלית עבור אינטראקציית לייזר-חומר מורכבת הנדרשת ליצירת אור EUV.

עקרון העבודה של מחולל הטיפות כולל העמסת פח מוצק בטוהר גבוה (>99.999wt.%) לתוך מיכל וחימום שלו מעל נקודת ההיתוך שלו (~232°C). לאחר מכן, גז בטוהר גבוה, בדרך כלל חנקן, מופעל בצד אחד של הנוזל בתוך המיכל כדי להפעיל לחץ, מה שמאפשר לפח המותך לזרום דרך מסנן אל הזרבובית בצד השני. פליטת טיפות פח מווסתת בדרך כלל על ידי גבישים פיזואלקטריים (PZT), שיוצרים רעידות מכניות. תמונה של מחולל טיפות קונספט מהדור הראשון מוצג באיור 3, עם יציבות מיקום טיפות של כ-1 מיקרומטר.

מחולל הטיפות עשה התקדמות חדשה בשנת 2021 עם יכולת החידוש המקוון שלו. איור 4 מציג הפחתה בזמן השבתת המערכת מבלי להפריע לביצועים של סורקי EUV במורד הזרם. עם עיצוב חדש זה של מחולל טיפות, הושגה פעולה רציפה במשך למעלה מ-3000 שעות.

כדי להגביר את הפרודוקטיביות ולהשיג תפוקת כוח גבוהה יותר של EUV, יש צורך להגדיל את כוח הלייזר המניע, וכתוצאה מכך למספר גדל של טיפות בשנייה. כדי להגדיל עוד יותר את תדירות הטיפות, יש להגביר את הלחץ במחולל הטיפות. עם זאת, זה יביא למרווח טיפות גדול יותר. מושג זה מודגם באיור 5.

נכון לעכשיו, תחת לחץ אטמוספרי, מתכות מותכות חסרות תכונות חומר אמינות. היעדר נתונים סטנדרטיים אלה מעכב את ההתקדמות בסימולציות מספריות ליצירת מחוללי טיפות. הפרקטיקה המתוארת על ידי מדענים ומהנדסים כוללת חיפוש אחר תכונות החומר העדכניות ביותר מהספרות שפורסמה והסקת הערכות גסות. לאחר מכן הם מסתמכים על תצפיות אמפיריות של המערכת כולה בתנאי הפעלה כדי להתאים את היחס בין תכונות החומר ופרמטרי הפעולה. מגיש תעשיה נתן דוגמה הממחישה את הצורך בעיצוב מאוזן בראש ההדפסה כדי להבטיח שנוזל העבודה (מתכת מותכת) נמצא בטמפרטורה גבוהה מספיק כדי להיות בשלב הנוזל אך לא גבוה מדי כדי להמיס את האלמנט הפיאזואלקטרי.

הוצג משאב ה-NIST הנוכחי למדידת תכונות חומרי מתכת, עם התמקדות במסד הנתונים של סגסוגת NIST, שהוא מסד נתונים מאוצר המכיל תכונות תרמופיזיקליות של מתכות (כולל בדיל). נכון לעכשיו, מסד הנתונים כולו חינמי ופתוח לציבור בשל מימון מיוזמת החומרים הגנום (MGI) ופיקוח מהמרכז לחקר התרמודינמיקה (TRC). כדי להמשיך בפיתוח, ניתן להמיר את מסד הנתונים ל-SRD כדי לתחזק אותו בהתאם ל-2017 US Standard Reference Data Act. היכולת לספק נתוני מאפיינים מהותיים הוגנים ומאומתים מקצועית עבור התעשייה האמריקאית יכולה להציע תובנות עיצוב וחידושים יעילים בהפעלת מחוללי טיפות. היתרונות של SRD בביצועי החומר הוכרו בינלאומית, כפי שמוצג בפרסום על SRD בתחום תכונות החומר.

מגבלה אחת ליעילות יכולות המדידה של NIST היא המחסור בנתונים על פח מותך בלחץ גבוה החל על מחוללי טיפות EUVL. המאפיינים של נוזל העבודה במחולל טיפות קובעים תופעה בשם Rayleigh breakup, שמובילה להיווצרות טיפות והתמזגות. תופעה זו נחקרה בהרחבה במהלך 40 השנים האחרונות, כאשר מחקרים שנערכו על ידי מוסדות כמו ETH ציריך בשנת 2011 הדגימו את הקשר בין הקוטר והמהירות של טיפות פח מותך בלחצים מתחת ל-4 MPa ותדרים מתחת ל-100 קילו-הרץ. מאמר שפורסם לאחרונה ב-2023 מראה את החתירה החיובית בתחום המחקר הזה.

היעדר נתוני התייחסות על פח מותך עושה את זה חשוב למדידת נתוני איכות התייחסות כדי למלא מסדי נתונים כגון מסד הנתונים של סגסוגת NIST במכשור חדש. מהירות הקול (SoS) היא תכונה חומרית שימושית במיוחד שכן ניתן לשלב אותה עם נתוני צפיפות וקיבולת חום איזוברית בנקודה אחת (T, p) כדי להשיג תכונות תרמופיזיקליות נוספות כגון צפיפות, התרחבות איזוברית וקיבולת חום איזוברית ב- כל טמפרטורה ולחץ. חוקרי NIST כבר הדגימו את ערכי ה-SoS הנמדדים עבור חומרי קירור. מדידות SoS מדויקות הן חיוניות להשגת המטרה הסופית של מודל המאפיינים התרמודינמיים של חומרים באמצעות משוואות מצב (EoS). השימוש ב-EoSs שונים בדיוק סימולציה הוכח כמשפיע באופן משמעותי אפילו על הגיאומטריה הפשוטה ביותר.

המשך יבוא...