2.1 Generatore di goccioline: proprietà termofisiche estreme e modellazione

Il generatore di goccioline è un componente importante del gruppo scanner EUVL (Figura 3). Il generatore di goccioline controlla le dimensioni, la velocità e la velocità di ripetizione del materiale che entra nella camera della sorgente EUV, ionizzato da un laser ad anidride carbonica, per generare luce EUV a 13.5 nm. Pertanto, una generazione affidabile di goccioline è essenziale per la produzione di luce EUV poiché qualsiasi malfunzionamento comporterebbe l’arresto di tutti i componenti a valle. Il diametro tipico della goccia è 27μm, con una velocità di 80m/s e una frequenza di ripetizione di 50kHz. Il generatore di gocce innesca l'emissione di impulsi laser ad anidride carbonica, guadagnandosi il titolo di "battito cardiaco" dell'intero gruppo scanner EUV.

Lo stagno è il liquido di lavoro utilizzato nel generatore di goccioline per applicazioni EUVL, poiché genera luce a una lunghezza d'onda di 13.5 nanometri quando ionizzato in uno stato di plasma. Negli ultimi decenni, i ricercatori hanno esplorato le possibilità di materiali diversi dallo stagno, come il gas xeno e il litio. Fattori quali sicurezza, costi e prestazioni hanno dimostrato che lo stagno è il materiale superiore per il plasma prodotto tramite laser nelle applicazioni di produzione EUVL. Nella produzione di semiconduttori non esiste una tabella di marcia comune per materiali diversi dallo stagno, quindi investire nella comprensione di questo materiale a livello scientifico fondamentale avrà implicazioni a breve e lungo termine. L'attenzione del settore su un singolo materiale, lo stagno, lo rende la scelta ideale per la complessa interazione laser-materiale richiesta per la generazione di luce EUV.

Il principio di funzionamento del generatore di gocce prevede il caricamento di stagno solido di elevata purezza (>99.999% in peso) in un contenitore e il riscaldamento al di sopra del suo punto di fusione (~232°C). Quindi, un gas ad elevata purezza, tipicamente azoto, viene applicato su un lato del liquido all'interno del contenitore per esercitare pressione, consentendo allo stagno fuso di fluire attraverso un filtro verso l'ugello sull'altro lato. L'espulsione delle goccioline di stagno è solitamente regolata da cristalli piezoelettrici (PZT), che generano vibrazioni meccaniche. Una foto di un generatore di goccioline di prima generazione è mostrata nella Figura 3, con una stabilità della posizione delle goccioline di circa 1μm.

Il generatore di goccioline ha fatto nuovi progressi nel 2021 con la sua capacità di rifornimento online. La Figura 4 mostra una riduzione dei tempi di inattività del sistema senza interrompere le prestazioni degli scanner EUV a valle. Con questo nuovo design del generatore di gocce, è stato raggiunto un funzionamento continuo per oltre 3000 ore.

Per aumentare la produttività e ottenere una maggiore potenza EUV, è necessario aumentare la potenza del laser di guida, con conseguente aumento del numero di goccioline al secondo. Per aumentare ulteriormente la frequenza delle goccioline, è necessario aumentare la pressione nel generatore di goccioline. Tuttavia, ciò comporterebbe una maggiore spaziatura delle goccioline. Questo concetto è illustrato nella Figura 5.

Attualmente, sotto pressione atmosferica, i metalli fusi non hanno proprietà materiali affidabili. La mancanza di questi dati standard ostacola il progresso nelle simulazioni numeriche per la creazione di generatori di goccioline. La pratica descritta da scienziati e ingegneri prevede la ricerca delle proprietà dei materiali più recenti dalla letteratura pubblicata e la deduzione di stime approssimative. Si basano quindi su osservazioni empiriche dell'intero sistema in condizioni operative per regolare la relazione tra le proprietà dei materiali e i parametri operativi. Un presentatore del settore ha fornito un esempio che illustra la necessità di un design equilibrato nella testina di stampa per garantire che il fluido di lavoro (metallo fuso) abbia una temperatura sufficientemente elevata da essere in fase liquida, ma non troppo elevata per fondere l'elemento piezoelettrico.

È stata introdotta l'attuale risorsa NIST per la misurazione delle proprietà dei materiali metallici, con particolare attenzione al database delle leghe NIST, che è un database curato contenente le proprietà termofisiche dei metalli (incluso lo stagno). Attualmente, l’intero database è gratuito e aperto al pubblico grazie al finanziamento della Materials Genome Initiative (MGI) e alla supervisione del Thermodynamics Research Center (TRC). Per continuare lo sviluppo, il database può essere convertito in SRD per mantenerlo conforme allo Standard Reference Data Act degli Stati Uniti del 2017. La capacità di fornire dati corretti e convalidati sulle proprietà dei materiali per l’industria statunitense può offrire spunti di progettazione efficienti e innovazioni nel funzionamento dei generatori di goccioline. I vantaggi dell'SRD in termini di prestazioni dei materiali sono stati riconosciuti a livello internazionale, come mostrato in una pubblicazione sull'SRD nel campo delle proprietà dei materiali.

Una limitazione all'efficacia delle capacità di misurazione del NIST è la mancanza di dati sullo stagno fuso ad alta pressione applicabile ai generatori di goccioline EUVL. Le caratteristiche del fluido di lavoro in un generatore di gocce determinano un fenomeno chiamato rottura di Rayleigh, che porta alla formazione e fusione delle gocce. Questo fenomeno è stato ampiamente studiato negli ultimi 40 anni, con studi condotti da istituzioni come l’ETH di Zurigo nel 2011 che hanno dimostrato la relazione tra il diametro e la velocità delle goccioline di stagno fuso a pressioni inferiori a 4 MPa e frequenze inferiori a 100 kHz. Un recente articolo pubblicato nel 2023 mostra il proseguimento positivo in questo campo di ricerca.

La mancanza di dati di riferimento sullo stagno fuso rende utile misurare i dati di qualità di riferimento per riempire database come il database delle leghe del NIST con nuove strumentazioni. La velocità del suono (SoS) è una proprietà del materiale particolarmente utile in quanto può essere combinata con i dati di densità e capacità termica isobarica in un singolo punto (T, p) per ottenere proprietà termofisiche aggiuntive come densità, espansività isobarica e capacità termica isobarica a qualsiasi temperatura e pressione. I ricercatori del NIST hanno già dimostrato i valori SoS misurati per i materiali refrigeranti. Misurazioni SoS accurate sono fondamentali per raggiungere l'obiettivo finale di modellare le proprietà termodinamiche dei materiali utilizzando le equazioni di stato (EoS). L'uso di diversi EoS nell'accuratezza della simulazione ha dimostrato di influenzare in modo significativo anche la geometria più semplice.

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