2.1 druppelgenerator: extreme thermofysische eigenschappen en modellering

De druppelgenerator is een belangrijk onderdeel van de EUVL-scannerconstructie (Figuur 3). De druppelgenerator regelt de grootte, snelheid en herhalingssnelheid van het materiaal dat de EUV-bronkamer binnenkomt, geïoniseerd door een koolstofdioxidelaser, om EUV-licht op 13.5 nm te genereren. Daarom is het betrouwbaar genereren van druppels essentieel voor de productie van EUV-licht, aangezien elke storing zou resulteren in het uitschakelen van alle stroomafwaartse componenten. De typische druppeldiameter is 27 μm, met een snelheid van 80 m/s en een herhalingsfrequentie van 50 kHz. De druppelgenerator veroorzaakt de emissie van koolstofdioxide-laserpulsen, waardoor deze de titel van de "hartslag" van de gehele EUV-scanner verdient.

Tin is de werkvloeistof die wordt gebruikt in de druppelgenerator voor EUVL-toepassingen, omdat het licht genereert met een golflengte van 13.5 nanometer wanneer het wordt geïoniseerd in een plasmatoestand. De afgelopen decennia hebben onderzoekers de mogelijkheden van andere materialen dan tin onderzocht, zoals xenongas en lithium. Factoren zoals veiligheid, kosten en prestaties hebben bewezen dat tin het superieure materiaal is voor lasergeproduceerd plasma in EUVL-productietoepassingen. Bij de productie van halfgeleiders bestaat er geen gemeenschappelijke routekaart voor andere materialen dan tin. Investeren in het begrijpen van dit materiaal op een fundamenteel wetenschappelijk niveau zal dus zowel op de korte als op de lange termijn implicaties hebben. De focus van de industrie op één enkel materiaal, tin, maakt het een ideale keuze voor de complexe laser-materiaalinteractie die nodig is voor het genereren van EUV-licht.

Het werkingsprincipe van de druppelgenerator bestaat uit het laden van vast hoogzuiver tin (>99.999 gew.%) in een container en het verwarmen ervan tot boven het smeltpunt (~232°C). Vervolgens wordt aan de ene kant van de vloeistof in de container een zeer zuiver gas, meestal stikstof, aangebracht om druk uit te oefenen, waardoor het gesmolten tin door een filter naar het mondstuk aan de andere kant kan stromen. De uitstoot van tindruppeltjes wordt gewoonlijk geregeld door piëzo-elektrische (PZT) kristallen, die mechanische trillingen genereren. Een foto van een druppelgenerator van de eerste generatie wordt getoond in Figuur 3, met een druppelpositiestabiliteit van ongeveer 1 μm.

De druppelgenerator heeft in 2021 nieuwe ontwikkelingen doorgemaakt met zijn online aanvulmogelijkheid. Figuur 4 toont een vermindering van de systeemuitvaltijd zonder de prestaties van stroomafwaartse EUV-scanners te onderbreken. Met dit nieuwe druppelgeneratorontwerp is een continue werking van meer dan 3000 uur bereikt.

Om de productiviteit te verhogen en een hoger EUV-vermogen te bereiken, is het noodzakelijk om het aandrijfvermogen van de laser te vergroten, wat resulteert in een groter aantal druppels per seconde. Om de druppelfrequentie verder te verhogen, moet de druk in de druppelgenerator worden verhoogd. Dit zou echter resulteren in een grotere druppelafstand. Dit concept wordt geïllustreerd in figuur 5.

Momenteel missen gesmolten metalen onder atmosferische druk betrouwbare materiaaleigenschappen. Het ontbreken van deze standaardgegevens belemmert de vooruitgang in numerieke simulaties voor het maken van druppelgeneratoren. De door wetenschappers en ingenieurs beschreven praktijk omvat het zoeken naar de meest recente materiaaleigenschappen uit gepubliceerde literatuur en het afleiden van ruwe schattingen. Vervolgens vertrouwen ze op empirische observaties van het hele systeem onder bedrijfsomstandigheden om de relatie tussen materiaaleigenschappen en bedrijfsparameters aan te passen. Een presentator uit de industrie gaf een voorbeeld dat de noodzaak illustreert van een uitgebalanceerd ontwerp van de printkop om ervoor te zorgen dat de werkvloeistof (gesmolten metaal) een voldoende hoge temperatuur heeft om zich in de vloeibare fase te bevinden, maar niet te hoog om het piëzo-elektrische element te laten smelten.

De huidige NIST-bron voor het meten van de materiaaleigenschappen van metalen werd geïntroduceerd, met een focus op de NIST-legeringsdatabase, een samengestelde database met thermofysische eigenschappen van metalen (inclusief tin). Momenteel is de gehele database gratis en open voor het publiek dankzij financiering van het Materials Genome Initiative (MGI) en toezicht van het Thermodynamics Research Center (TRC). Om de ontwikkeling voort te zetten, kan de database worden geconverteerd naar SRD om deze te onderhouden volgens de US Standard Reference Data Act van 2017. De mogelijkheid om eerlijke en professioneel gevalideerde materiaaleigenschapsgegevens voor de Amerikaanse industrie te verstrekken, kan efficiënte ontwerpinzichten en innovaties bieden in de werking van druppelgeneratoren. De voordelen van SRD op het gebied van materiaalprestaties zijn internationaal erkend, zoals blijkt uit een publicatie over SRD op het gebied van materiaaleigenschappen.

Eén beperking van de effectiviteit van de meetmogelijkheden van NIST is het gebrek aan gegevens over gesmolten tin onder hoge druk die toepasbaar zijn op EUVL-druppelgeneratoren. De kenmerken van de werkvloeistof in een druppelgenerator bepalen een fenomeen dat Rayleigh-breakup wordt genoemd en dat leidt tot druppelvorming en samensmelting. Dit fenomeen is de afgelopen 40 jaar uitgebreid onderzocht, met onderzoeken uitgevoerd door instellingen als ETH Zürich in 2011 die de relatie aantonen tussen de diameter en snelheid van gesmolten tindruppeltjes bij drukken onder 4 MPa en frequenties onder 100 kHz. Een recent artikel uit 2023 laat de positieve ontwikkeling op dit onderzoeksgebied zien.

Het gebrek aan referentiegegevens over gesmolten tin maakt het waardevol om referentiekwaliteitsgegevens te meten om databases zoals de NIST-legeringsdatabase te vullen met nieuwe instrumenten. Snelheid van geluid (SoS) is een bijzonder nuttige materiaaleigenschap, omdat deze kan worden gecombineerd met gegevens over dichtheid en isobare warmtecapaciteit op een enkel (T, p) punt om aanvullende thermofysische eigenschappen te verkrijgen, zoals dichtheid, isobare uitzettingsvermogen en isobare warmtecapaciteit op elke temperatuur en druk. NIST-onderzoekers hebben de gemeten SoS-waarden voor koelmaterialen al aangetoond. Nauwkeurige SoS-metingen zijn cruciaal voor het bereiken van het uiteindelijke doel: het modelleren van de thermodynamische eigenschappen van materialen met behulp van toestandsvergelijkingen (EoS). Het is gebleken dat het gebruik van verschillende EoS's voor simulatienauwkeurigheid zelfs de eenvoudigste geometrie aanzienlijk beïnvloedt.

Wordt vervolgd...