2.1 titisan Penjana: Sifat Termofizik Melampau dan Permodelan

Penjana titisan ialah komponen penting dalam pemasangan pengimbas EUVL (Rajah 3). Penjana titisan mengawal saiz, halaju dan kadar pengulangan bahan yang memasuki ruang sumber EUV, diionkan oleh laser karbon dioksida, untuk menjana cahaya EUV pada 13.5nm. Oleh itu, penjanaan titisan yang boleh dipercayai adalah penting untuk pengeluaran cahaya EUV kerana sebarang kerosakan akan mengakibatkan penutupan semua komponen hiliran. Diameter titisan biasa ialah 27μm, dengan halaju 80m/s dan kekerapan ulangan 50kHz. Penjana titisan mencetuskan pelepasan nadi laser karbon dioksida, menjadikannya gelaran "degupan jantung" keseluruhan pemasangan pengimbas EUV.

Timah ialah cecair kerja yang digunakan dalam penjana titisan untuk aplikasi EUVL, kerana ia menghasilkan cahaya pada panjang gelombang 13.5 nanometer apabila terion menjadi keadaan plasma. Sepanjang dekad yang lalu, penyelidik telah meneroka kemungkinan bahan selain timah, seperti gas xenon dan litium. Faktor seperti keselamatan, kos dan prestasi telah membuktikan timah sebagai bahan unggul untuk plasma yang dihasilkan laser dalam aplikasi pembuatan EUVL. Dalam pembuatan semikonduktor, tiada pelan hala tuju biasa untuk bahan selain timah, justeru melabur dalam pemahaman bahan ini pada peringkat saintifik asas akan mempunyai implikasi jangka pendek dan jangka panjang. Tumpuan industri pada bahan tunggal, timah, menjadikannya pilihan ideal untuk interaksi bahan laser kompleks yang diperlukan untuk penjanaan cahaya EUV.

Prinsip kerja penjana titisan melibatkan pemuatan pepejal timah ketulenan tinggi (>99.999wt.%) ke dalam bekas dan memanaskannya di atas takat leburnya (~232°C). Kemudian, gas ketulenan tinggi, biasanya nitrogen, digunakan pada satu bahagian cecair di dalam bekas untuk memberikan tekanan, membolehkan timah cair mengalir melalui penapis ke muncung di bahagian lain. Pelepasan titisan timah biasanya dikawal oleh kristal piezoelektrik (PZT), menghasilkan getaran mekanikal. Foto penjana titisan konsep generasi pertama ditunjukkan dalam Rajah 3, dengan kestabilan kedudukan titisan kira-kira 1μm.

Penjana titisan membuat kemajuan baharu pada tahun 2021 dengan keupayaan penambahan semula dalam taliannya. Rajah 4 menunjukkan pengurangan dalam masa henti sistem tanpa mengganggu prestasi pengimbas EUV hiliran. Dengan reka bentuk penjana titisan baharu ini, operasi berterusan selama lebih 3000 jam telah dicapai.

Untuk meningkatkan produktiviti dan mencapai output kuasa EUV yang lebih tinggi, adalah perlu untuk meningkatkan kuasa laser pemacu, menghasilkan peningkatan bilangan titisan sesaat. Untuk meningkatkan lagi kekerapan titisan, tekanan dalam penjana titisan perlu ditingkatkan. Walau bagaimanapun, ini akan menghasilkan jarak titisan yang lebih besar. Konsep ini digambarkan dalam Rajah 5.

Pada masa ini, di bawah tekanan atmosfera, logam cair tidak mempunyai sifat bahan yang boleh dipercayai. Kekurangan data standard ini menghalang kemajuan dalam simulasi berangka untuk mencipta penjana titisan. Amalan yang diterangkan oleh saintis dan jurutera melibatkan pencarian sifat bahan terkini daripada literatur yang diterbitkan dan membuat kesimpulan anggaran kasar. Mereka kemudian bergantung pada pemerhatian empirikal keseluruhan sistem di bawah keadaan operasi untuk melaraskan hubungan antara sifat bahan dan parameter operasi. Seorang penyampai industri memberi contoh yang menggambarkan keperluan untuk reka bentuk yang seimbang dalam kepala cetakan untuk memastikan bendalir kerja (logam lebur) berada pada suhu yang cukup tinggi untuk berada dalam fasa cecair tetapi tidak terlalu tinggi untuk mencairkan elemen piezoelektrik.

Sumber NIST semasa untuk mengukur sifat bahan logam telah diperkenalkan, dengan tumpuan pada pangkalan data aloi NIST, yang merupakan pangkalan data terpilih yang mengandungi sifat termofizik logam (termasuk timah). Pada masa ini, keseluruhan pangkalan data adalah percuma dan terbuka kepada orang ramai kerana pembiayaan daripada Materials Genome Initiative (MGI) dan pengawasan daripada Pusat Penyelidikan Termodinamik (TRC). Untuk meneruskan pembangunan, pangkalan data boleh ditukar kepada SRD untuk mengekalkannya mengikut Akta Data Rujukan Standard AS 2017. Keupayaan untuk menyediakan data harta material yang adil dan disahkan secara profesional untuk industri AS boleh menawarkan pandangan reka bentuk yang cekap dan inovasi dalam mengendalikan penjana titisan. Kelebihan SRD dalam prestasi bahan telah diiktiraf di peringkat antarabangsa, seperti yang ditunjukkan dalam penerbitan mengenai SRD dalam bidang sifat bahan.

Satu had kepada keberkesanan keupayaan pengukuran NIST ialah kekurangan data pada timah cair di bawah tekanan tinggi yang digunakan untuk penjana titisan EUVL. Ciri-ciri bendalir kerja dalam penjana titisan menentukan fenomena yang dipanggil pemecahan Rayleigh, yang membawa kepada pembentukan dan penggabungan titisan. Fenomena ini telah dikaji secara meluas sejak 40 tahun yang lalu, dengan kajian yang dijalankan oleh institusi seperti ETH Zurich pada 2011 menunjukkan hubungan antara diameter dan halaju titisan timah cair pada tekanan di bawah 4 MPa dan frekuensi di bawah 100 kHz. Artikel terbaru yang diterbitkan pada tahun 2023 menunjukkan usaha positif dalam bidang penyelidikan ini.

Kekurangan data rujukan pada timah cair menjadikannya berharga untuk mengukur data kualiti rujukan untuk mengisi pangkalan data seperti pangkalan data aloi NIST dengan instrumentasi baharu. Kelajuan Bunyi (SoS) ialah sifat bahan yang amat berguna kerana ia boleh digabungkan dengan data ketumpatan dan kapasiti haba isobarik pada satu titik (T, p) untuk mendapatkan sifat termofizik tambahan seperti ketumpatan, keluasan isobarik, dan kapasiti haba isobarik pada sebarang suhu dan tekanan. Penyelidik NIST telah pun menunjukkan nilai SoS yang diukur untuk bahan penyejuk. Pengukuran SoS yang tepat adalah penting untuk mencapai matlamat utama untuk memodelkan sifat termodinamik bahan menggunakan persamaan keadaan (EoS). Penggunaan EoS yang berbeza dalam ketepatan simulasi telah terbukti memberi kesan ketara walaupun kepada geometri yang paling mudah.

Akan bersambung...