2.1 Generator Tetesan: Sifat Termofisika Ekstrim dan Pemodelan

Generator tetesan adalah komponen penting dari rakitan pemindai EUVL (Gambar 3). Generator tetesan mengontrol ukuran, kecepatan, dan laju pengulangan material yang memasuki ruang sumber EUV, diionisasi oleh laser karbon dioksida, untuk menghasilkan cahaya EUV pada 13.5nm. Oleh karena itu, pembangkitan tetesan yang andal sangat penting untuk produksi lampu EUV karena kegagalan fungsi apa pun akan mengakibatkan matinya semua komponen hilir. Diameter tetesan tipikal adalah 27μm, dengan kecepatan 80m/s dan frekuensi pengulangan 50kHz. Generator tetesan memicu emisi pulsa laser karbon dioksida, membuatnya mendapat gelar "detak jantung" dari seluruh rakitan pemindai EUV.

Timah adalah cairan kerja yang digunakan dalam generator tetesan untuk aplikasi EUVL, karena menghasilkan cahaya pada panjang gelombang 13.5 nanometer ketika terionisasi menjadi plasma. Selama beberapa dekade terakhir, para peneliti telah mengeksplorasi kemungkinan bahan selain timah, seperti gas xenon dan litium. Faktor-faktor seperti keamanan, biaya, dan kinerja telah membuktikan timah sebagai bahan unggul untuk plasma produksi laser dalam aplikasi manufaktur EUVL. Dalam manufaktur semikonduktor, tidak ada peta jalan umum untuk bahan selain timah, sehingga berinvestasi dalam pemahaman bahan ini pada tingkat ilmiah yang mendasar akan mempunyai implikasi jangka pendek dan jangka panjang. Fokus industri pada satu material, timah, menjadikannya pilihan ideal untuk interaksi material laser kompleks yang diperlukan untuk pembangkitan cahaya EUV.

Prinsip kerja generator tetesan melibatkan pemuatan timah padat dengan kemurnian tinggi (>99.999wt.%) ke dalam wadah dan memanaskannya di atas titik lelehnya (~232°C). Kemudian, gas dengan kemurnian tinggi, biasanya nitrogen, diaplikasikan pada satu sisi cairan di dalam wadah untuk memberikan tekanan, sehingga timah cair mengalir melalui filter ke nosel di sisi lain. Pengusiran tetesan timah biasanya diatur oleh kristal piezoelektrik (PZT), yang menghasilkan getaran mekanis. Foto generator tetesan konsep generasi pertama ditunjukkan pada Gambar 3, dengan stabilitas posisi tetesan sekitar 1μm.

Generator tetesan membuat kemajuan baru pada tahun 2021 dengan kemampuan pengisian ulang online. Gambar 4 menunjukkan pengurangan waktu henti sistem tanpa mengganggu kinerja pemindai EUV hilir. Dengan desain generator tetesan baru ini, pengoperasian berkelanjutan selama lebih dari 3000 jam telah tercapai.

Untuk meningkatkan produktivitas dan mencapai keluaran daya EUV yang lebih tinggi, perlu untuk meningkatkan daya laser penggerak, sehingga menghasilkan peningkatan jumlah tetesan per detik. Untuk lebih meningkatkan frekuensi tetesan, tekanan pada generator tetesan perlu ditingkatkan. Namun, hal ini akan menghasilkan jarak tetesan yang lebih besar. Konsep ini diilustrasikan pada Gambar 5.

Saat ini, di bawah tekanan atmosfer, logam cair tidak memiliki sifat material yang dapat diandalkan. Kurangnya data standar ini menghambat kemajuan dalam simulasi numerik untuk membuat generator tetesan. Praktik yang dijelaskan oleh para ilmuwan dan insinyur melibatkan pencarian sifat material terkini dari literatur yang diterbitkan dan menyimpulkan perkiraan kasar. Mereka kemudian mengandalkan pengamatan empiris terhadap keseluruhan sistem dalam kondisi operasi untuk menyesuaikan hubungan antara sifat material dan parameter operasi. Seorang presenter industri memberikan contoh yang menggambarkan perlunya desain yang seimbang pada print head untuk memastikan bahwa fluida kerja (logam cair) berada pada suhu yang cukup tinggi untuk berada dalam fase cair tetapi tidak terlalu tinggi untuk melelehkan elemen piezoelektrik.

Sumber daya NIST saat ini untuk mengukur sifat material logam telah diperkenalkan, dengan fokus pada database paduan NIST, yang merupakan database hasil kurasi yang berisi sifat termofisik logam (termasuk timah). Saat ini, seluruh database gratis dan terbuka untuk umum karena pendanaan dari Materials Genome Initiative (MGI) dan pengawasan dari Thermodynamics Research Center (TRC). Untuk melanjutkan pengembangan, database dapat dikonversi ke SRD agar dapat dikelola sesuai dengan Undang-Undang Data Referensi Standar AS tahun 2017. Kemampuan untuk menyediakan data properti material yang adil dan tervalidasi secara profesional untuk industri AS dapat menawarkan wawasan desain yang efisien dan inovasi dalam pengoperasian generator tetesan. Keunggulan SRD dalam kinerja material telah diakui secara internasional, terbukti dari publikasi SRD di bidang properti material.

Salah satu keterbatasan efektivitas kemampuan pengukuran NIST adalah kurangnya data mengenai timah cair bertekanan tinggi yang dapat diterapkan pada generator tetesan EUVL. Karakteristik fluida kerja pada generator tetesan menentukan fenomena yang disebut putusnya Rayleigh, yang mengarah pada pembentukan dan penggabungan tetesan. Fenomena ini telah diteliti secara ekstensif selama 40 tahun terakhir, dengan penelitian yang dilakukan oleh lembaga seperti ETH Zurich pada tahun 2011 menunjukkan hubungan antara diameter dan kecepatan tetesan timah cair pada tekanan di bawah 4 MPa dan frekuensi di bawah 100 kHz. Sebuah artikel terbaru yang diterbitkan pada tahun 2023 menunjukkan upaya positif dalam bidang penelitian ini.

Kurangnya data referensi mengenai timah cair menjadikannya penting untuk mengukur data kualitas referensi untuk mengisi database seperti database paduan NIST dengan instrumentasi baru. Kecepatan Suara (SoS) adalah properti material yang sangat berguna karena dapat dikombinasikan dengan data densitas dan kapasitas panas isobarik pada satu titik (T, p) untuk mendapatkan sifat termofisik tambahan seperti densitas, ekspansivitas isobarik, dan kapasitas panas isobarik pada suhu dan tekanan apa pun. Peneliti NIST telah menunjukkan nilai SoS yang diukur untuk bahan pendingin. Pengukuran SoS yang akurat sangat penting untuk mencapai tujuan akhir pemodelan sifat termodinamika material menggunakan persamaan keadaan (EoS). Penggunaan EoS yang berbeda dalam akurasi simulasi telah terbukti memberikan pengaruh yang signifikan bahkan pada geometri yang paling sederhana sekalipun.

Bersambung...