2.1 เครื่องกำเนิดหยด: คุณสมบัติทางเทอร์โมฟิสิกส์ขั้นสูงสุดและการสร้างแบบจำลอง

เครื่องกำเนิดหยดเป็นองค์ประกอบสำคัญของชุดเครื่องสแกน EUVL (รูปที่ 3) เครื่องกำเนิดหยดจะควบคุมขนาด ความเร็ว และอัตราการเกิดซ้ำของวัสดุที่เข้าสู่ห้องแหล่งกำเนิด EUV ซึ่งแตกตัวเป็นไอออนด้วยเลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ เพื่อสร้างแสง EUV ที่ 13.5 นาโนเมตร ดังนั้น การสร้างหยดที่เชื่อถือได้จึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการผลิตไฟ EUV เนื่องจากการทำงานผิดพลาดใดๆ จะส่งผลให้ส่วนประกอบดาวน์สตรีมทั้งหมดปิดตัวลง เส้นผ่านศูนย์กลางหยดโดยทั่วไปคือ 27μm โดยมีความเร็ว 80 ม./วินาที และความถี่การเกิดซ้ำที่ 50kHz เครื่องกำเนิดหยดจะกระตุ้นการปล่อยพัลส์เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งทำให้ได้ชื่อว่า "การเต้นของหัวใจ" ของชุดเครื่องสแกน EUV ทั้งหมด

ดีบุกเป็นของเหลวทำงานที่ใช้ในเครื่องกำเนิดหยดสำหรับการใช้งาน EUVL เนื่องจากมันสร้างแสงที่ความยาวคลื่น 13.5 นาโนเมตรเมื่อแตกตัวเป็นไอออนในสถานะพลาสมา ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา นักวิจัยได้สำรวจความเป็นไปได้ของวัสดุอื่นที่ไม่ใช่ดีบุก เช่น ก๊าซซีนอนและลิเธียม ปัจจัยต่างๆ เช่น ความปลอดภัย ต้นทุน และประสิทธิภาพได้พิสูจน์แล้วว่าดีบุกเป็นวัสดุที่เหนือกว่าสำหรับพลาสมาที่ผลิตด้วยเลเซอร์ในการใช้งานการผลิต EUVL ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ไม่มีแผนงานทั่วไปสำหรับวัสดุอื่นนอกจากดีบุก ดังนั้น การลงทุนเพื่อทำความเข้าใจวัสดุนี้ในระดับวิทยาศาสตร์พื้นฐานจะมีผลกระทบในระยะสั้นและระยะยาว การที่อุตสาหกรรมให้ความสำคัญกับวัสดุชนิดเดียว ซึ่งก็คือดีบุก ทำให้เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดสำหรับปฏิกิริยาระหว่างวัสดุเลเซอร์ที่ซับซ้อน ซึ่งจำเป็นสำหรับการสร้างแสง EUV

หลักการทำงานของเครื่องกำเนิดหยดเกี่ยวข้องกับการบรรจุดีบุกที่มีความบริสุทธิ์สูง (>99.999wt.%) ลงในภาชนะและให้ความร้อนเหนือจุดหลอมเหลว (~232°C) จากนั้น ก๊าซที่มีความบริสุทธิ์สูง ซึ่งโดยทั่วไปคือไนโตรเจน จะถูกนำไปใช้กับด้านหนึ่งของของเหลวภายในภาชนะเพื่อสร้างแรงดัน เพื่อให้ดีบุกหลอมเหลวไหลผ่านตัวกรองไปยังหัวฉีดที่อยู่อีกด้านหนึ่ง โดยปกติการดีดออกของหยดดีบุกจะถูกควบคุมโดยผลึกเพียโซอิเล็กทริก (PZT) ซึ่งทำให้เกิดการสั่นสะเทือนทางกล ภาพถ่ายของเครื่องกำเนิดหยดแนวคิดรุ่นแรกแสดงในรูปที่ 3 โดยมีความเสถียรของตำแหน่งของหยดที่ประมาณ 1μm

เครื่องสร้างหยดได้สร้างความก้าวหน้าใหม่ในปี 2021 ด้วยความสามารถในการเติมแบบออนไลน์ รูปที่ 4 แสดงการลดเวลาหยุดทำงานของระบบโดยไม่รบกวนประสิทธิภาพของเครื่องสแกน EUV ดาวน์สตรีม ด้วยการออกแบบเครื่องกำเนิดหยดใหม่นี้ ทำให้สามารถดำเนินการได้อย่างต่อเนื่องนานกว่า 3000 ชั่วโมง

เพื่อเพิ่มความสามารถในการผลิตและให้กำลัง EUV ที่สูงขึ้น จำเป็นต้องเพิ่มกำลังเลเซอร์ขับเคลื่อน ส่งผลให้จำนวนหยดต่อวินาทีเพิ่มขึ้น หากต้องการเพิ่มความถี่ของหยดเพิ่มเติม จำเป็นต้องเพิ่มความดันในตัวสร้างหยด อย่างไรก็ตาม สิ่งนี้จะส่งผลให้มีระยะห่างของหยดมากขึ้น แนวคิดนี้แสดงไว้ในรูปที่ 5

ในปัจจุบัน ภายใต้ความกดดันบรรยากาศ โลหะหลอมเหลวยังขาดคุณสมบัติของวัสดุที่เชื่อถือได้ การขาดข้อมูลมาตรฐานนี้เป็นอุปสรรคต่อความคืบหน้าในการจำลองเชิงตัวเลขสำหรับการสร้างเครื่องกำเนิดหยด แนวทางปฏิบัติที่อธิบายโดยนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรเกี่ยวข้องกับการค้นหาคุณสมบัติของวัสดุล่าสุดจากวรรณกรรมที่ตีพิมพ์และการอนุมานการประมาณค่าคร่าวๆ จากนั้นพวกเขาอาศัยการสังเกตเชิงประจักษ์ของทั้งระบบภายใต้สภาวะการทำงานเพื่อปรับความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติของวัสดุและพารามิเตอร์การทำงาน ผู้นำเสนอในอุตสาหกรรมได้ยกตัวอย่างที่แสดงให้เห็นถึงความจำเป็นในการออกแบบหัวพิมพ์ที่สมดุล เพื่อให้แน่ใจว่าของเหลวทำงาน (โลหะหลอมเหลว) อยู่ที่อุณหภูมิสูงพอที่จะอยู่ในสถานะของเหลว แต่ไม่สูงเกินไปที่จะละลายองค์ประกอบเพียโซอิเล็กทริก

มีการแนะนำทรัพยากร NIST ในปัจจุบันสำหรับการวัดคุณสมบัติของวัสดุโลหะ โดยมุ่งเน้นไปที่ฐานข้อมูลโลหะผสม NIST ซึ่งเป็นฐานข้อมูลที่รวบรวมไว้ซึ่งมีคุณสมบัติทางเทอร์โมฟิสิกส์ของโลหะ (รวมถึงดีบุก) ปัจจุบัน ฐานข้อมูลทั้งหมดไม่มีค่าใช้จ่ายและเปิดให้บุคคลทั่วไปเข้าชมได้ เนื่องจากได้รับทุนสนับสนุนจาก Materials Genome Initiative (MGI) และการกำกับดูแลจากศูนย์วิจัยอุณหพลศาสตร์ (TRC) เพื่อดำเนินการพัฒนาต่อไป ฐานข้อมูลสามารถแปลงเป็น SRD เพื่อดูแลรักษาตามกฎหมายข้อมูลอ้างอิงมาตรฐานของสหรัฐอเมริกาปี 2017 ความสามารถในการให้ข้อมูลคุณสมบัติของวัสดุที่ยุติธรรมและผ่านการตรวจสอบอย่างมืออาชีพสำหรับอุตสาหกรรมในสหรัฐฯ สามารถนำเสนอข้อมูลเชิงลึกด้านการออกแบบและนวัตกรรมที่มีประสิทธิภาพในการทำงานของเครื่องกำเนิดหยด ข้อดีของ SRD ในด้านประสิทธิภาพของวัสดุได้รับการยอมรับในระดับสากล ดังที่แสดงไว้ในสิ่งตีพิมพ์เกี่ยวกับ SRD ในสาขาคุณสมบัติของวัสดุ

ข้อจำกัดประการหนึ่งต่อประสิทธิภาพของความสามารถในการตรวจวัดของ NIST คือการขาดข้อมูลเกี่ยวกับดีบุกหลอมเหลวภายใต้แรงดันสูงที่ใช้กับเครื่องกำเนิดหยด EUVL ลักษณะของของไหลทำงานในเครื่องกำเนิดหยดจะกำหนดปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการแตกตัวของเรย์ลีห์ ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวและการรวมตัวของหยด ปรากฏการณ์นี้ได้รับการวิจัยอย่างกว้างขวางในช่วง 40 ปีที่ผ่านมา โดยการศึกษาที่ดำเนินการโดยสถาบันต่างๆ เช่น ETH Zurich ในปี 2011 แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ระหว่างเส้นผ่านศูนย์กลางและความเร็วของหยดดีบุกหลอมเหลวที่ความดันต่ำกว่า 4 MPa และความถี่ต่ำกว่า 100 kHz บทความล่าสุดที่ตีพิมพ์ในปี 2023 แสดงให้เห็นถึงการแสวงหาเชิงบวกในสาขาการวิจัยนี้

การไม่มีข้อมูลอ้างอิงบนดีบุกหลอมเหลวทำให้การวัดข้อมูลคุณภาพอ้างอิงเพื่อเติมฐานข้อมูล เช่น ฐานข้อมูลโลหะผสม NIST ด้วยเครื่องมือใหม่ๆ นั้นมีประโยชน์ ความเร็วของเสียง (SoS) เป็นคุณสมบัติของวัสดุที่มีประโยชน์อย่างยิ่ง เนื่องจากสามารถรวมกับข้อมูลความหนาแน่นและความจุความร้อนไอโซบาริกที่จุดเดียว (T, p) เพื่อให้ได้คุณสมบัติทางเทอร์โมฟิสิกส์เพิ่มเติม เช่น ความหนาแน่น การขยายตัวของไอโซบาริก และความจุความร้อนไอโซบาริกที่ อุณหภูมิและความดันใดๆ นักวิจัยของ NIST ได้สาธิตค่า SoS ที่วัดได้สำหรับวัสดุทำความเย็นแล้ว การวัด SoS ที่แม่นยำมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุเป้าหมายสูงสุดของการสร้างแบบจำลองคุณสมบัติทางอุณหพลศาสตร์ของวัสดุโดยใช้สมการสถานะ (EoS) การใช้ EoS ที่แตกต่างกันในความแม่นยำในการจำลองได้พิสูจน์แล้วว่าส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญแม้กระทั่งรูปทรงเรขาคณิตที่ง่ายที่สุด

ยังมีต่อ...