2.1 Damlacık Üreticisi: Aşırı Termofiziksel Özellikler ve Modelleme

Damlacık üreteci EUVL tarayıcı düzeneğinin önemli bir bileşenidir (Şekil 3). Damlacık üreteci, 13.5 nm'de EUV ışığı üretmek için karbondioksit lazeri ile iyonize edilen EUV kaynak odasına giren malzemenin boyutunu, hızını ve tekrarlama oranını kontrol eder. Bu nedenle, EUV hafif üretimi için güvenilir damlacık üretimi çok önemlidir; çünkü herhangi bir arıza, tüm aşağı akış bileşenlerinin kapanmasıyla sonuçlanacaktır. Tipik damlacık çapı 27μm, hızı 80m/s ve tekrarlama frekansı 50kHz'dir. Damlacık üreteci, karbondioksit lazer darbelerinin emisyonunu tetikleyerek ona tüm EUV tarayıcı düzeneğinin "kalp atışı" unvanını kazandırıyor.

Kalay, plazma durumuna iyonize edildiğinde 13.5 nanometre dalga boyunda ışık ürettiği için EUVL uygulamalarına yönelik damlacık üretecinde kullanılan çalışma sıvısıdır. Geçtiğimiz on yıllarda araştırmacılar, ksenon gazı ve lityum gibi kalay dışındaki malzemelerin olanaklarını araştırdılar. Güvenlik, maliyet ve performans gibi faktörler, EUVL üretim uygulamalarında lazerle üretilen plazma için kalayın üstün malzeme olduğunu kanıtlamıştır. Yarı iletken üretiminde kalay dışındaki malzemeler için ortak bir yol haritası yoktur, dolayısıyla bu malzemenin temel bilimsel düzeyde anlaşılmasına yatırım yapmanın kısa vadeli ve uzun vadeli sonuçları olacaktır. Sektörün tek bir malzeme olan kalay üzerine odaklanması, onu EUV ışık üretimi için gereken karmaşık lazer-malzeme etkileşimi için ideal bir seçim haline getiriyor.

Damlacık üretecinin çalışma prensibi, katı yüksek saflıkta kalay (>99.999wt.%) bir kaba yüklemeyi ve onu erime noktasının (~232°C) üzerinde ısıtmayı içerir. Daha sonra, basınç uygulamak için kabın içindeki sıvının bir tarafına yüksek saflıkta gaz, genellikle nitrojen uygulanır ve erimiş kalayın bir filtreden geçerek diğer taraftaki memeye akmasına izin verilir. Kalay damlacıklarının püskürtülmesi genellikle mekanik titreşimler üreten piezoelektrik (PZT) kristaller tarafından düzenlenir. Birinci nesil konsept damlacık üretecinin bir fotoğrafı, yaklaşık 3μm damlacık konumu stabilitesi ile Şekil 1'te gösterilmektedir.

Damlacık üreteci, çevrimiçi yenileme özelliğiyle 2021'de yeni ilerlemeler kaydetti. Şekil 4, aşağı akış EUV tarayıcılarının performansını kesintiye uğratmadan sistem aksama süresindeki azalmayı göstermektedir. Bu yeni damlacık üreteci tasarımıyla 3000 saatin üzerinde sürekli çalışma sağlandı.

Üretkenliği artırmak ve daha yüksek EUV güç çıkışı elde etmek için, sürüş lazer gücünü artırmak gerekir, bu da saniyede damlacık sayısının artmasına neden olur. Damlacık frekansını daha da artırmak için damlacık üretecindeki basıncın arttırılması gerekir. Ancak bu daha büyük damlacık aralığına yol açacaktır. Bu kavram Şekil 5'te gösterilmektedir.

Şu anda atmosferik basınç altında erimiş metaller güvenilir malzeme özelliklerinden yoksundur. Bu standart verilerin eksikliği, damlacık üreteçleri oluşturmaya yönelik sayısal simülasyonlardaki ilerlemeyi engellemektedir. Bilim adamları ve mühendisler tarafından açıklanan uygulama, yayınlanmış literatürden en yeni malzeme özelliklerinin aranmasını ve kaba tahminlerin çıkarılmasını içerir. Daha sonra malzeme özellikleri ile çalışma parametreleri arasındaki ilişkiyi ayarlamak için çalışma koşulları altında tüm sistemin ampirik gözlemlerine güvenirler. Endüstriden bir sunum yapan kişi, çalışma akışkanının (erimiş metal) sıvı fazda olması için yeterince yüksek bir sıcaklıkta olmasını ancak piezoelektrik elemanı eritmek için çok yüksek olmamasını sağlamak amacıyla baskı kafasında dengeli bir tasarıma duyulan ihtiyacı gösteren bir örnek verdi.

Metal malzeme özelliklerini ölçmeye yönelik mevcut NIST kaynağı, metallerin (kalay dahil) termofiziksel özelliklerini içeren özel bir veri tabanı olan NIST alaşım veri tabanına odaklanılarak tanıtıldı. Şu anda, Malzeme Genomu Girişimi'nin (MGI) finansmanı ve Termodinamik Araştırma Merkezi'nin (TRC) gözetimi nedeniyle veri tabanının tamamı ücretsiz ve halka açıktır. Geliştirmeye devam etmek için veritabanı, 2017 ABD Standart Referans Veri Yasası'na göre bakımının sağlanması amacıyla SRD'ye dönüştürülebilir. ABD endüstrisi için adil ve profesyonelce doğrulanmış malzeme özelliği verileri sağlama yeteneği, damlacık oluşturucuların çalıştırılmasında verimli tasarım öngörüleri ve yenilikler sunabilir. SRD'nin malzeme performansındaki avantajları, malzeme özellikleri alanında SRD hakkında yapılan bir yayında gösterildiği gibi uluslararası düzeyde tanınmıştır.

NIST'in ölçüm yeteneklerinin etkililiğine yönelik sınırlamalardan biri, EUVL damlacık üreteçleri için geçerli olan yüksek basınç altındaki erimiş kalay hakkındaki verilerin eksikliğidir. Bir damlacık oluşturucudaki çalışma akışkanının özellikleri, Rayleigh parçalanması adı verilen ve damlacık oluşumuna ve birleşmeye yol açan bir olguyu belirler. Bu olgu son 40 yılda kapsamlı bir şekilde araştırıldı ve 2011 yılında ETH Zürih gibi kurumlar tarafından yürütülen ve 4 MPa'nın altındaki basınçlarda ve 100 kHz'in altındaki frekanslarda erimiş kalay damlacıklarının çapı ve hızı arasındaki ilişkiyi gösteren çalışmalar yapıldı. 2023 yılında yayınlanan yeni bir makale, bu araştırma alanındaki olumlu arayışı göstermektedir.

Erimiş kalay hakkında referans verilerinin bulunmaması, NIST alaşım veri tabanı gibi veritabanlarını yeni enstrümantasyonlarla doldurmak için referans kalitesi verilerinin ölçülmesini değerli kılmaktadır. Ses Hızı (SoS), yoğunluk, izobarik genleşme ve izobarik ısı kapasitesi gibi ek termofiziksel özellikler elde etmek için tek bir (T, p) noktasında yoğunluk ve izobarik ısı kapasitesi verileriyle birleştirilebildiğinden özellikle kullanışlı bir malzeme özelliğidir. herhangi bir sıcaklık ve basınç. NIST araştırmacıları soğutucu malzemeler için ölçülen SoS değerlerini zaten göstermişlerdir. Doğru SoS ölçümleri, durum denklemlerini (EoS) kullanarak malzemelerin termodinamik özelliklerini modelleme nihai hedefine ulaşmak için çok önemlidir. Simülasyon doğruluğunda farklı EoS'lerin kullanımının en basit geometriyi bile önemli ölçüde etkilediği kanıtlanmıştır.

Devam edecek...