Generator kropel 2.1: ekstremalne właściwości termofizyczne i modelowanie

Generator kropel jest ważnym elementem zespołu skanera EUVL (rysunek 3). Generator kropel kontroluje rozmiar, prędkość i częstotliwość powtarzania materiału wchodzącego do komory źródłowej EUV, zjonizowanego za pomocą lasera na dwutlenku węgla, w celu wygenerowania światła EUV o długości fali 13.5 nm. Dlatego niezawodne wytwarzanie kropelek jest niezbędne w produkcji światła EUV, ponieważ jakakolwiek awaria spowodowałaby wyłączenie wszystkich dalszych komponentów. Typowa średnica kropli wynosi 27 μm, prędkość 80 m/s i częstotliwość powtarzania 50 kHz. Generator kropel wyzwala emisję impulsów lasera dwutlenku węgla, dzięki czemu zyskał miano „bicia serca” całego zespołu skanera EUV.

Cyna jest cieczą roboczą stosowaną w generatorze kropel do zastosowań EUVL, ponieważ po zjonizowaniu do stanu plazmy generuje światło o długości fali 13.5 nanometra. W ciągu ostatnich dziesięcioleci badacze badali możliwości wykorzystania materiałów innych niż cyna, takich jak ksenon i lit. Czynniki takie jak bezpieczeństwo, koszt i wydajność wykazały, że cyna jest najlepszym materiałem na plazmę wytwarzaną laserowo w zastosowaniach produkcyjnych EUVL. W produkcji półprzewodników nie ma wspólnego planu działania dla materiałów innych niż cyna, dlatego inwestowanie w zrozumienie tego materiału na podstawowym poziomie naukowym będzie miało konsekwencje krótko- i długoterminowe. Koncentracja branży na jednym materiale, cynie, sprawia, że ​​jest to idealny wybór w przypadku złożonej interakcji laser-materiał wymaganej do generowania światła EUV.

Zasada działania generatora kropelek polega na załadowaniu stałej cyny o wysokiej czystości (>99.999% wag.) do pojemnika i podgrzaniu jej powyżej temperatury topnienia (~232°C). Następnie na jedną stronę cieczy znajdującej się w pojemniku nanoszony jest gaz o wysokiej czystości, zazwyczaj azot, w celu wywarcia ciśnienia, które umożliwia przepływ stopionej cyny przez filtr do dyszy po drugiej stronie. Wyrzucanie kropelek cyny jest zwykle regulowane przez kryształy piezoelektryczne (PZT), generujące wibracje mechaniczne. Zdjęcie koncepcyjnego generatora kropel pierwszej generacji pokazano na rysunku 3, ze stabilnością położenia kropli wynoszącą około 1 μm.

W 2021 r. generator kropel wprowadził nowe udoskonalenia dzięki możliwości uzupełniania zapasów online. Rysunek 4 przedstawia skrócenie przestojów systemu bez zakłócania pracy dalszych skanerów EUV. Dzięki nowej konstrukcji generatora kropli uzyskano ciągłą pracę przez ponad 3000 godzin.

Aby zwiększyć produktywność i osiągnąć wyższą moc wyjściową EUV, konieczne jest zwiększenie mocy lasera sterującego, co skutkuje zwiększoną liczbą kropel na sekundę. Aby jeszcze bardziej zwiększyć częstotliwość kropel, należy zwiększyć ciśnienie w generatorze kropel. Jednakże spowodowałoby to większy odstęp między kroplami. Koncepcję tę przedstawiono na rysunku 5.

Obecnie pod ciśnieniem atmosferycznym stopione metale nie mają niezawodnych właściwości materiałowych. Brak tych standardowych danych utrudnia postęp w symulacjach numerycznych tworzenia generatorów kropel. Praktyka opisywana przez naukowców i inżynierów polega na wyszukiwaniu najnowszych właściwości materiałów w opublikowanej literaturze i wnioskowaniu zgrubnych szacunków. Następnie opierają się na obserwacjach empirycznych całego systemu w warunkach roboczych, aby dostosować związek między właściwościami materiału a parametrami operacyjnymi. Prezenter branżowy podał przykład ilustrujący potrzebę zrównoważonej konstrukcji głowicy drukującej, aby zapewnić, że płyn roboczy (stopiony metal) ma wystarczająco wysoką temperaturę, aby znajdować się w fazie ciekłej, ale nie zbyt wysoką, aby stopić element piezoelektryczny.

Wprowadzono aktualne zasoby NIST do pomiaru właściwości materiałów metalowych, ze szczególnym uwzględnieniem bazy danych stopów NIST, która jest wyselekcjonowaną bazą danych zawierającą właściwości termofizyczne metali (w tym cyny). Obecnie cała baza danych jest bezpłatna i ogólnodostępna dzięki finansowaniu z inicjatywy Materials Genome Initiative (MGI) i nadzorowi Centrum Badań nad Termodynamiką (TRC). Aby kontynuować rozwój, bazę danych można przekonwertować do formatu SRD w celu utrzymania jej zgodnie z amerykańską ustawą o standardowych danych referencyjnych z 2017 r. Możliwość dostarczenia rzetelnych i profesjonalnie zweryfikowanych danych dotyczących właściwości materiałów dla przemysłu amerykańskiego może zapewnić skuteczny wgląd w projekty i innowacje w obsłudze generatorów kropel. Zalety SRD w zakresie wydajności materiałów zostały docenione na arenie międzynarodowej, jak pokazano w publikacji na temat SRD w dziedzinie właściwości materiałów.

Jednym z ograniczeń skuteczności możliwości pomiarowych NIST jest brak danych dotyczących stopionej cyny pod wysokim ciśnieniem, mających zastosowanie do generatorów kropel EUVL. Charakterystyka cieczy roboczej w generatorze kropel determinuje zjawisko zwane rozpadem Rayleigha, które prowadzi do powstawania i łączenia kropel. Zjawisko to było szeroko badane przez ostatnie 40 lat, a badania przeprowadzone przez instytucje takie jak ETH Zurich w 2011 roku wykazały związek między średnicą i prędkością kropelek stopionej cyny przy ciśnieniach poniżej 4 MPa i częstotliwościach poniżej 100 kHz. Niedawny artykuł opublikowany w 2023 r. pokazuje pozytywne dążenie w tej dziedzinie badawczej.

Brak danych referencyjnych na temat stopionej cyny sprawia, że ​​cenne jest mierzenie referencyjnych danych dotyczących jakości w celu wypełnienia baz danych, takich jak baza danych stopów NIST, nowymi instrumentami. Prędkość dźwięku (SoS) jest szczególnie użyteczną właściwością materiału, ponieważ można ją połączyć z danymi dotyczącymi gęstości i izobarycznej pojemności cieplnej w jednym punkcie (T, p) w celu uzyskania dodatkowych właściwości termofizycznych, takich jak gęstość, rozszerzalność izobaryczna i izobaryczna pojemność cieplna w dowolnej temperaturze i ciśnieniu. Badacze NIST zademonstrowali już zmierzone wartości SoS dla materiałów chłodniczych. Dokładne pomiary SoS są kluczowe dla osiągnięcia ostatecznego celu, jakim jest modelowanie właściwości termodynamicznych materiałów za pomocą równań stanu (EoS). Udowodniono, że zastosowanie różnych EoS w dokładności symulacji znacząco wpływa nawet na najprostszą geometrię.

Ciąg dalszy nastąpi...