2.1 Gerador de gotas: Propriedades termofísicas extremas e modelagem

O gerador de gotas é um componente importante do conjunto do scanner EUVL (Figura 3). O gerador de gotículas controla o tamanho, a velocidade e a taxa de repetição do material que entra na câmara da fonte EUV, ionizado por um laser de dióxido de carbono, para gerar luz EUV a 13.5 nm. Portanto, a geração confiável de gotículas é essencial para a produção de luz EUV, pois qualquer mau funcionamento resultaria no desligamento de todos os componentes a jusante. O diâmetro típico da gota é de 27μm, com velocidade de 80m/s e frequência de repetição de 50kHz. O gerador de gotículas aciona a emissão de pulsos de laser de dióxido de carbono, ganhando o título de “pulsação” de todo o conjunto do scanner EUV.

O estanho é o líquido de trabalho usado no gerador de gotículas para aplicações EUVL, pois gera luz no comprimento de onda de 13.5 nanômetros quando ionizado em estado de plasma. Nas últimas décadas, os pesquisadores exploraram as possibilidades de outros materiais além do estanho, como o gás xenônio e o lítio. Fatores como segurança, custo e desempenho provaram que o estanho é o material superior para plasma produzido a laser em aplicações de fabricação EUVL. Na produção de semicondutores, não existe um roteiro comum para outros materiais além do estanho, pelo que investir na compreensão deste material a um nível científico fundamental terá implicações a curto e a longo prazo. O foco da indústria em um único material, o estanho, o torna a escolha ideal para a complexa interação laser-material necessária para a geração de luz EUV.

O princípio de funcionamento do gerador de gotículas envolve carregar estanho sólido de alta pureza (>99.999% em peso) em um recipiente e aquecê-lo acima de seu ponto de fusão (~232°C). Em seguida, um gás de alta pureza, normalmente nitrogênio, é aplicado em um lado do líquido dentro do recipiente para exercer pressão, permitindo que o estanho fundido flua através de um filtro até o bocal do outro lado. A ejeção de gotículas de estanho geralmente é regulada por cristais piezoelétricos (PZT), gerando vibrações mecânicas. Uma foto de um gerador de gotículas conceitual de primeira geração é mostrada na Figura 3, com estabilidade de posição de gotículas de aproximadamente 1μm.

O gerador de gotas fez novos avanços em 2021 com sua capacidade de reabastecimento online. A Figura 4 mostra uma redução no tempo de inatividade do sistema sem interromper o desempenho dos scanners EUV downstream. Com este novo design de gerador de gotas, foi alcançada uma operação contínua por mais de 3000 horas.

Para aumentar a produtividade e obter maior potência de EUV, é necessário aumentar a potência do laser, resultando em um maior número de gotas por segundo. Para aumentar ainda mais a frequência das gotas, a pressão no gerador de gotas precisa ser aumentada. No entanto, isso resultaria em maior espaçamento de gotas. Este conceito é ilustrado na Figura 5.

Atualmente, sob pressão atmosférica, os metais fundidos carecem de propriedades materiais confiáveis. A falta desses dados padrão dificulta o progresso nas simulações numéricas para a criação de geradores de gotas. A prática descrita por cientistas e engenheiros envolve a busca pelas propriedades mais recentes dos materiais na literatura publicada e a inferência de estimativas aproximadas. Eles então contam com observações empíricas de todo o sistema sob condições operacionais para ajustar a relação entre as propriedades do material e os parâmetros operacionais. Um apresentador da indústria deu um exemplo que ilustra a necessidade de um design equilibrado na cabeça de impressão para garantir que o fluido de trabalho (metal fundido) esteja a uma temperatura suficientemente alta para estar na fase líquida, mas não muito alta para derreter o elemento piezoelétrico.

O atual recurso do NIST para medir propriedades de materiais metálicos foi introduzido, com foco no banco de dados de ligas do NIST, que é um banco de dados com curadoria contendo propriedades termofísicas de metais (incluindo estanho). Atualmente, todo o banco de dados é gratuito e aberto ao público devido ao financiamento da Materials Genome Initiative (MGI) e à supervisão do Thermodynamics Research Center (TRC). Para continuar o desenvolvimento, o banco de dados pode ser convertido em SRD para mantê-lo de acordo com a Lei de Dados de Referência Padrão dos EUA de 2017. A capacidade de fornecer dados de propriedades de materiais justos e profissionalmente validados para a indústria dos EUA pode oferecer insights de design eficientes e inovações na operação de geradores de gotas. As vantagens do SRD no desempenho dos materiais foram reconhecidas internacionalmente, como mostra uma publicação sobre SRD na área de propriedades de materiais.

Uma limitação à eficácia das capacidades de medição do NIST é a falta de dados sobre o estanho fundido sob alta pressão aplicáveis ​​aos geradores de gotículas EUVL. As características do fluido de trabalho em um gerador de gotas determinam um fenômeno denominado ruptura de Rayleigh, que leva à formação e fusão de gotas. Este fenômeno tem sido extensivamente pesquisado nos últimos 40 anos, com estudos realizados por instituições como a ETH Zurique em 2011 demonstrando a relação entre o diâmetro e a velocidade de gotículas de estanho fundido em pressões abaixo de 4 MPa e frequências abaixo de 100 kHz. Um artigo recente publicado em 2023 mostra a busca positiva neste campo de pesquisa.

A falta de dados de referência sobre o estanho fundido torna valioso medir dados de qualidade de referência para preencher bancos de dados como o banco de dados de ligas do NIST com novos instrumentos. A velocidade do som (SoS) é uma propriedade de material particularmente útil, pois pode ser combinada com dados de densidade e capacidade térmica isobárica em um único ponto (T, p) para obter propriedades termofísicas adicionais, como densidade, expansividade isobárica e capacidade térmica isobárica em qualquer temperatura e pressão. Os pesquisadores do NIST já demonstraram os valores medidos de SoS para materiais refrigerantes. Medições precisas de SoS são cruciais para atingir o objetivo final de modelar as propriedades termodinâmicas de materiais usando equações de estado (EoS). O uso de diferentes EoSs na precisão da simulação provou afetar significativamente até mesmo a geometria mais simples.

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