2.1 液滴生成器：極限熱物理的特性とモデリング

液滴生成器は、EUVL スキャナ アセンブリの重要なコンポーネントです (図 3)。液滴発生器は、EUV 源チャンバーに入る材料のサイズ、速度、繰り返し率を制御し、二酸化炭素レーザーによってイオン化され、13.5 nm の EUV 光を生成します。したがって、何らかの誤動作が下流のすべてのコンポーネントのシャットダウンにつながるため、信頼性の高い液滴生成は EUV 光生成にとって不可欠です。典型的な液滴の直径は 27μm、速度は 80m/s、繰り返し周波数は 50kHz です。液滴発生器は二酸化炭素レーザー パルスの放射をトリガーし、EUV スキャナ アセンブリ全体の「ハートビート」と呼ばれています。

スズはプラズマ状態にイオン化されると波長 13.5 ナノメートルの光を生成するため、EUVL アプリケーションの液滴発生器で使用される作動液体です。過去数十年にわたり、研究者らはキセノンガスやリチウムなど、錫以外の材料の可能性を探求してきた。安全性、コスト、性能などの要因により、スズは EUVL 製造用途におけるレーザー生成プラズマ用の優れた材料であることが証明されています。半導体製造では、スズ以外の材料に関する共通のロードマップは存在しないため、基礎科学レベルでのこの材料の理解への投資は、短期的および長期的な影響を及ぼします。業界は単一材料であるスズに焦点を当てているため、EUV光の生成に必要な複雑なレーザーと材料の相互作用にはスズが理想的な選択肢となっています。

液滴発生器の動作原理には、固体の高純度スズ (>99.999wt.%) を容器に充填し、その融点 (約 232°C) 以上に加熱することが含まれます。次に、高純度ガス (通常は窒素) を容器内の液体の片側に適用して圧力を加え、溶融錫がフィルターを通って反対側のノズルに流れるようにします。錫液滴の放出は通常、圧電 (PZT) 結晶によって制御され、機械的振動が発生します。第 3 世代のコンセプト液滴生成器の写真を図 1 に示します。液滴位置の安定性は約 XNUMXμm です。

液滴生成器は 2021 年にオンライン補充機能により新たな進歩を遂げました。図 4 は、下流の EUV スキャナのパフォーマンスを中断することなく、システムのダウンタイムが短縮されることを示しています。この新しいドロップレットジェネレーター設計により、3000時間以上の連続稼働を実現しました。

生産性を向上させ、より高い EUV 出力を達成するには、駆動レーザーの出力を増加する必要があり、その結果、5 秒あたりのドロップレット数が増加します。液滴の頻度をさらに高めるには、液滴生成器内の圧力を高める必要があります。ただし、これにより液滴の間隔が大きくなります。この概念を図 XNUMX に示します。

現在、大気圧下では、溶融金属には信頼できる材料特性が欠けています。この標準データの欠如は、液滴生成器を作成するための数値シミュレーションの進歩を妨げます。科学者や技術者が説明する実践には、出版された文献から最新の材料特性を検索し、大まかな推定値を推測することが含まれます。次に、動作条件下でのシステム全体の経験的観察に基づいて、材料特性と動作パラメータの関係を調整します。業界の講演者は、作動流体 (溶融金属) が液相になるのに十分な温度であるが、圧電素子が溶けるほど高温にならないように、プリント ヘッドのバランスの取れた設計の必要性を示す例を示しました。

金属材料の特性を測定するための現在の NIST リソースが、金属 (錫を含む) の熱物理的特性を含む厳選されたデータベースである NIST 合金データベースに焦点を当てて導入されました。現在、マテリアルズ ゲノム イニシアチブ (MGI) からの資金提供と熱力学研究センター (TRC) の監督により、データベース全体が無料で公開されています。開発を継続するには、データベースを SRD に変換して、2017 年の米国標準参照データ法に従って維持することができます。米国の業界に公正で専門的に検証された材料特性データを提供できることにより、液滴発生器の操作における効率的な設計の洞察と革新が得られます。材料特性の分野における SRD に関する出版物に示されているように、材料性能における SRD の利点は国際的に認められています。

NIST の測定機能の有効性に対する制限の 40 つは、EUVL 液滴発生器に適用できる高圧下の溶融スズに関するデータが不足していることです。液滴生成器内の作動流体の特性によって、液滴の形成と合体につながるレイリー分裂と呼ばれる現象が決まります。この現象は過去 2011 年にわたって広範に研究されており、チューリッヒ工科大学などの機関が 4 年に実施した研究では、100 MPa 未満の圧力および 2023 kHz 未満の周波数における溶融スズの液滴の直径と速度の関係が実証されました。 XNUMX 年に発表された最近の論文では、この研究分野での積極的な追求が示されています。

溶融スズに関する参照データが不足しているため、NIST 合金データベースなどのデータベースを新しい機器で埋めるために参照品質データを測定することが重要になります。音速 (SoS) は、単一点 (T、p) での密度および等圧熱容量データと組み合わせて、密度、等圧膨張率、等圧熱容量などの追加の熱物理的特性を取得できるため、特に有用な材料特性です。あらゆる温度と圧力。 NIST の研究者は、冷媒材料の SoS 測定値をすでに実証しています。状態方程式 (EoS) を使用して材料の熱力学特性をモデル化するという最終目標を達成するには、正確な SoS 測定が不可欠です。シミュレーション精度においてさまざまな EoS を使用すると、最も単純なジオメトリであっても大きな影響を与えることが証明されています。

つづく...