2.1 물방울 생성기: 극한 열물리적 특성 및 모델링

액적 생성기는 EUVL 스캐너 어셈블리의 중요한 구성 요소입니다(그림 3). 액적 생성기는 이산화탄소 레이저에 의해 이온화되어 EUV 소스 챔버로 들어가는 물질의 크기, 속도 및 반복 속도를 제어하여 13.5nm의 EUV 광을 생성합니다. 따라서 EUV 조명 생산에는 안정적인 액적 생성이 필수적입니다. 오작동으로 인해 모든 다운스트림 구성 요소가 중단될 수 있기 때문입니다. 일반적인 액적 직경은 27μm이고 속도는 80m/s이고 반복 주파수는 50kHz입니다. 액적 생성기는 이산화탄소 레이저 펄스의 방출을 유발하여 전체 EUV 스캐너 어셈블리의 "심장 박동"이라는 칭호를 얻습니다.

주석은 플라즈마 상태로 이온화될 때 13.5나노미터 파장의 빛을 생성하므로 EUVL 응용 분야의 액적 생성기에 사용되는 작동 액체입니다. 지난 수십 년 동안 연구자들은 크세논 가스, 리튬 등 주석 이외의 물질의 가능성을 탐구해 왔습니다. 안전성, 비용 및 성능과 같은 요소로 인해 주석은 EUVL 제조 응용 분야에서 레이저 생성 플라즈마를 위한 우수한 재료임이 입증되었습니다. 반도체 제조에서는 주석 이외의 재료에 대한 공통 로드맵이 없으므로 기초 과학 수준에서 이 재료를 이해하는 데 투자하는 것은 단기 및 장기적 영향을 미칠 것입니다. 단일 재료인 주석에 대한 업계의 초점은 주석을 EUV 광 생성에 필요한 복잡한 레이저 재료 상호 작용에 이상적인 선택으로 만듭니다.

액적 생성기의 작동 원리는 고순도 주석(>99.999wt.%)을 용기에 넣고 녹는점(~232°C) 이상으로 가열하는 것입니다. 그런 다음 용기 내부 액체의 한쪽 면에 고순도 가스(일반적으로 질소)를 적용하여 압력을 가하고, 녹은 주석이 필터를 통해 다른 쪽 노즐로 흐를 수 있도록 합니다. 주석 방울의 방출은 일반적으로 압전(PZT) 결정에 의해 조절되어 기계적 진동을 생성합니다. 그림 3은 1세대 개념 액적 생성기의 사진을 보여주며, 액적 위치 안정성은 약 XNUMXμm입니다.

액적 생성기는 2021년에 온라인 보충 기능을 통해 새로운 발전을 이루었습니다. 그림 4는 다운스트림 EUV 스캐너의 성능을 중단하지 않고 시스템 가동 중지 시간을 줄이는 것을 보여줍니다. 이 새로운 액적 생성기 설계를 통해 3000시간 이상의 연속 작동이 달성되었습니다.

생산성을 높이고 더 높은 EUV 출력을 달성하려면 구동 레이저 출력을 높여 초당 물방울 수를 늘려야 합니다. 액적 빈도를 더 높이려면 액적 생성기의 압력을 높여야 합니다. 그러나 이로 인해 액적 간격이 더 커집니다. 이 개념은 그림 5에 설명되어 있습니다.

현재 대기압 하에서 용융 금속은 신뢰할 수 있는 재료 특성이 부족합니다. 이 표준 데이터가 부족하면 액적 생성기를 생성하기 위한 수치 시뮬레이션의 진행이 방해됩니다. 과학자와 엔지니어가 설명하는 관행에는 출판된 문헌에서 가장 최근의 재료 특성을 검색하고 대략적인 추정치를 추론하는 것이 포함됩니다. 그런 다음 작동 조건에서 전체 시스템에 대한 경험적 관찰을 통해 재료 특성과 작동 매개변수 간의 관계를 조정합니다. 업계 발표자는 작동 유체(용융 금속)가 액상이 될 만큼 충분히 높은 온도에 있지만 압전 소자를 녹이기에는 너무 높지 않은지 확인하기 위해 프린트 헤드의 균형 잡힌 설계의 필요성을 보여주는 예를 제시했습니다.

금속(주석 포함)의 열물리적 특성을 포함하는 엄선된 데이터베이스인 NIST 합금 데이터베이스에 중점을 두고 금속 재료 특성을 측정하기 위한 현재 NIST 리소스가 소개되었습니다. 현재 전체 데이터베이스는 MGI(Materials Genome Initiative)의 자금 지원과 TRC(Thermodynamics Research Center)의 감독으로 인해 무료로 대중에게 공개됩니다. 지속적인 개발을 위해 데이터베이스를 SRD로 변환하여 2017 미국 표준참조데이터법에 따라 유지 관리할 수 있습니다. 미국 업계에 공정하고 전문적으로 검증된 재료 특성 데이터를 제공하는 능력은 액적 생성기 작동에 효율적인 설계 통찰력과 혁신을 제공할 수 있습니다. 재료 성능 분야에서 SRD의 장점은 재료 특성 분야의 SRD 간행물에서 볼 수 있듯이 국제적으로 인정되었습니다.

NIST 측정 기능의 효율성에 대한 한 가지 제한 사항은 EUVL 액적 생성기에 적용할 수 있는 고압 하의 용융 주석에 대한 데이터가 부족하다는 것입니다. 액적 발생기의 작동 유체 특성에 따라 액적 형성 및 병합으로 이어지는 레일리 분리(Rayleigh breakup)라는 현상이 결정됩니다. 이 현상은 지난 40년 동안 광범위하게 연구되어 왔으며, 2011년 ETH Zurich와 같은 기관에서 수행한 연구에서는 4 MPa 미만의 압력과 100 kHz 미만의 주파수에서 용융 주석 방울의 직경과 속도 사이의 관계를 보여주었습니다. 2023년에 발표된 최근 기사는 이 연구 분야의 긍정적인 추구를 보여줍니다.

용융 주석에 대한 참조 데이터가 부족하기 때문에 참조 품질 데이터를 측정하여 NIST 합금 데이터베이스와 같은 데이터베이스를 새로운 계측기로 채우는 것이 중요합니다. 소리 속도(SoS)는 단일(T, p) 지점에서 밀도 및 등압 열용량 데이터와 결합하여 밀도, 등압 팽창률 및 등압 열용량과 같은 추가적인 열물리적 특성을 얻을 수 있으므로 특히 유용한 재료 특성입니다. 모든 온도와 압력. NIST 연구원들은 이미 냉매 재료에 대해 측정된 SoS 값을 입증했습니다. 정확한 SoS 측정은 상태 방정식(EoS)을 사용하여 재료의 열역학적 특성을 모델링한다는 궁극적인 목표를 달성하는 데 매우 중요합니다. 시뮬레이션 정확도에서 다양한 EoS를 사용하면 가장 단순한 형상에도 큰 영향을 미치는 것으로 입증되었습니다.

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