2.1 Генератор капель: экстремальные термофизические свойства и моделирование

Генератор капель является важным компонентом узла сканера EUVL (рис. 3). Генератор капель контролирует размер, скорость и частоту повторения материала, поступающего в камеру источника EUV, ионизированного лазером на углекислом газе, для генерации EUV-излучения с длиной волны 13.5 нм. Поэтому надежное генерирование капель имеет важное значение для производства EUV-света, поскольку любая неисправность приведет к отключению всех последующих компонентов. Типичный диаметр капли составляет 27 мкм, скорость 80 м/с и частота повторения 50 кГц. Генератор капель запускает излучение лазерных импульсов углекислого газа, за что получил звание «сердцебиения» всей сборки EUV-сканера.

Олово является рабочей жидкостью, используемой в генераторе капель для приложений EUVL, поскольку оно генерирует свет с длиной волны 13.5 нанометров при ионизации в плазменное состояние. За последние десятилетия исследователи исследовали возможности других материалов, помимо олова, таких как ксенон и литий. Такие факторы, как безопасность, стоимость и производительность, доказали, что олово является лучшим материалом для лазерной плазмы в производственных приложениях EUVL. В производстве полупроводников не существует общей дорожной карты для других материалов, кроме олова, поэтому инвестиции в понимание этого материала на фундаментальном научном уровне будут иметь краткосрочные и долгосрочные последствия. Ориентация отрасли на единственный материал — олово — делает его идеальным выбором для сложного взаимодействия лазера и материала, необходимого для генерации EUV-излучения.

Принцип работы генератора капель заключается в загрузке твердого олова высокой чистоты (>99.999 мас.%) в контейнер и нагревании его выше температуры плавления (~232°С). Затем газ высокой чистоты, обычно азот, подается на одну сторону жидкости внутри контейнера, чтобы создать давление, позволяя расплавленному олову течь через фильтр к соплу на другой стороне. Выброс капель олова обычно регулируется пьезоэлектрическими (ЦТС) кристаллами, генерирующими механические вибрации. Фотография концептуального генератора капель первого поколения показана на рисунке 3, стабильность положения капель составляет примерно 1 мкм.

В 2021 году генератор капель добился новых успехов благодаря возможности онлайн-пополнения. На рис. 4 показано сокращение времени простоя системы без нарушения работы последующих EUV-сканеров. Благодаря новой конструкции генератора капель была достигнута непрерывная работа в течение более 3000 часов.

Чтобы повысить производительность и достичь более высокой выходной мощности EUV, необходимо увеличить мощность возбуждающего лазера, что приведет к увеличению количества капель в секунду. Для дальнейшего увеличения частоты капель необходимо увеличить давление в генераторе капель. Однако это приведет к увеличению расстояния между каплями. Эта концепция проиллюстрирована на рисунке 5.

В настоящее время при атмосферном давлении расплавленные металлы не обладают надежными материальными свойствами. Отсутствие этих стандартных данных сдерживает прогресс в численном моделировании создания генераторов капель. Практика, описанная учеными и инженерами, включает поиск последних свойств материалов из опубликованной литературы и получение приблизительных оценок. Затем они полагаются на эмпирические наблюдения за всей системой в рабочих условиях, чтобы скорректировать взаимосвязь между свойствами материала и рабочими параметрами. Представитель отрасли привел пример, иллюстрирующий необходимость сбалансированной конструкции печатающей головки, чтобы гарантировать, что рабочая жидкость (расплавленный металл) имеет достаточно высокую температуру, чтобы находиться в жидкой фазе, но не слишком высокую, чтобы расплавить пьезоэлектрический элемент.

Был представлен текущий ресурс NIST для измерения свойств металлических материалов с упором на базу данных сплавов NIST, которая представляет собой тщательно подобранную базу данных, содержащую теплофизические свойства металлов (включая олово). В настоящее время вся база данных бесплатна и открыта для публики благодаря финансированию Инициативы по геному материалов (MGI) и надзору со стороны Центра термодинамики (TRC). Для продолжения разработки базу данных можно преобразовать в SRD, чтобы поддерживать ее в соответствии с Законом США о стандартных справочных данных 2017 года. Способность предоставлять достоверные и профессионально проверенные данные о свойствах материалов для промышленности США может предложить эффективные идеи проектирования и инновации в эксплуатации генераторов капель. Преимущества SRD в характеристиках материалов признаны на международном уровне, как показано в публикации SRD в области свойств материалов.

Одним из ограничений эффективности измерительных возможностей NIST является отсутствие данных о расплавленном олове под высоким давлением, применимых к генераторам капель EUVL. Характеристики рабочего тела в генераторе капель определяют явление, называемое рэлеевским развалом, которое приводит к образованию и слиянию капель. Это явление широко исследовалось на протяжении последних 40 лет: исследования, проведенные такими учреждениями, как ETH Zurich в 2011 году, продемонстрировали взаимосвязь между диаметром и скоростью капель расплавленного олова при давлении ниже 4 МПа и частотах ниже 100 кГц. Недавняя статья, опубликованная в 2023 году, демонстрирует положительную динамику в этой области исследований.

Отсутствие справочных данных по расплавленному олову делает ценным измерение справочных данных о качестве для наполнения баз данных, таких как база данных сплавов NIST, новыми приборами. Скорость звука (SoS) является особенно полезным свойством материала, поскольку ее можно объединить с данными о плотности и изобарной теплоемкости в одной точке (T, p) для получения дополнительных теплофизических свойств, таких как плотность, изобарное расширение и изобарная теплоемкость при любая температура и давление. Исследователи NIST уже продемонстрировали измеренные значения SoS для хладагентов. Точные измерения SoS имеют решающее значение для достижения конечной цели моделирования термодинамических свойств материалов с использованием уравнений состояния (EoS). Доказано, что использование различных EoS для точности моделирования существенно влияет даже на самую простую геометрию.

Продолжение следует...