2.1 Máy tạo giọt: Tính chất nhiệt vật lý cực đoan và mô hình hóa

Bộ tạo giọt dịch là một thành phần quan trọng của cụm máy quét EUVL (Hình 3). Bộ tạo giọt kiểm soát kích thước, vận tốc và tốc độ lặp lại của vật liệu đi vào buồng nguồn EUV, được ion hóa bằng tia laser carbon dioxide, để tạo ra ánh sáng EUV ở bước sóng 13.5nm. Do đó, việc tạo ra giọt nước đáng tin cậy là điều cần thiết cho quá trình sản xuất ánh sáng EUV vì bất kỳ sự cố nào cũng có thể dẫn đến việc tắt tất cả các bộ phận tiếp theo. Đường kính giọt điển hình là 27μm, với vận tốc 80m/s và tần số lặp lại là 50kHz. Máy tạo giọt kích hoạt phát ra các xung laser carbon dioxide, mang lại cho nó danh hiệu "nhịp tim" của toàn bộ cụm máy quét EUV.

Thiếc là chất lỏng hoạt động được sử dụng trong máy tạo giọt cho các ứng dụng EUVL, vì nó tạo ra ánh sáng ở bước sóng 13.5 nanomet khi bị ion hóa ở trạng thái plasma. Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã khám phá khả năng của các vật liệu khác ngoài thiếc, chẳng hạn như khí xenon và lithium. Các yếu tố như độ an toàn, chi phí và hiệu suất đã chứng minh thiếc là vật liệu ưu việt để sản xuất plasma bằng laser trong các ứng dụng sản xuất EUVL. Trong sản xuất chất bán dẫn, không có lộ trình chung cho các vật liệu ngoài thiếc, do đó việc đầu tư vào việc tìm hiểu vật liệu này ở cấp độ khoa học cơ bản sẽ có ý nghĩa ngắn hạn và dài hạn. Sự tập trung của ngành vào một vật liệu duy nhất là thiếc, khiến nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho sự tương tác vật liệu-laser phức tạp cần thiết để tạo ra ánh sáng EUV.

Nguyên lý hoạt động của máy tạo giọt bao gồm việc nạp thiếc rắn có độ tinh khiết cao (>99.999wt.%) vào một thùng chứa và làm nóng nó trên điểm nóng chảy (~232°C). Sau đó, khí có độ tinh khiết cao, điển hình là nitơ, được đưa vào một mặt của chất lỏng bên trong thùng chứa để tạo áp suất, cho phép thiếc nóng chảy chảy qua bộ lọc tới vòi ở phía bên kia. Sự phóng ra của các giọt thiếc thường được điều chỉnh bởi các tinh thể áp điện (PZT), tạo ra các rung động cơ học. Ảnh về khái niệm máy tạo giọt nước thế hệ đầu tiên được hiển thị trong Hình 3, với độ ổn định vị trí giọt nước khoảng 1μm.

Máy tạo giọt nước đã đạt được những tiến bộ mới vào năm 2021 với khả năng bổ sung trực tuyến. Hình 4 cho thấy thời gian ngừng hoạt động của hệ thống giảm xuống mà không làm gián đoạn hiệu suất của máy quét EUV xuôi dòng. Với thiết kế máy tạo giọt mới này, máy đã đạt được khả năng hoạt động liên tục trong hơn 3000 giờ.

Để tăng năng suất và đạt được công suất EUV cao hơn, cần phải tăng công suất laser điều khiển, dẫn đến số lượng giọt mỗi giây tăng lên. Để tăng thêm tần số giọt, cần phải tăng áp suất trong bộ tạo giọt. Tuy nhiên, điều này sẽ dẫn đến khoảng cách giữa các giọt lớn hơn. Khái niệm này được minh họa trong Hình 5.

Hiện nay, dưới áp suất khí quyển, kim loại nóng chảy thiếu các đặc tính vật liệu đáng tin cậy. Việc thiếu dữ liệu tiêu chuẩn này cản trở tiến trình mô phỏng số để tạo máy tạo giọt nước. Cách thực hành được các nhà khoa học và kỹ sư mô tả bao gồm việc tìm kiếm những đặc tính vật liệu mới nhất từ ​​các tài liệu đã xuất bản và suy ra những ước tính sơ bộ. Sau đó, họ dựa vào các quan sát thực nghiệm của toàn bộ hệ thống trong các điều kiện vận hành để điều chỉnh mối quan hệ giữa tính chất vật liệu và các thông số vận hành. Một người thuyết trình trong ngành đã đưa ra một ví dụ minh họa sự cần thiết của một thiết kế cân bằng trong đầu in để đảm bảo rằng chất lỏng gia công (kim loại nóng chảy) ở nhiệt độ đủ cao để ở pha lỏng nhưng không quá cao để làm nóng chảy phần tử áp điện.

Nguồn tài nguyên NIST hiện tại để đo các đặc tính vật liệu kim loại đã được giới thiệu, tập trung vào cơ sở dữ liệu hợp kim NIST, đây là cơ sở dữ liệu được quản lý chứa các đặc tính nhiệt lý của kim loại (bao gồm cả thiếc). Hiện tại, toàn bộ cơ sở dữ liệu là miễn phí và mở cửa cho công chúng nhờ sự tài trợ của Sáng kiến ​​bộ gen vật liệu (MGI) và sự giám sát của Trung tâm nghiên cứu nhiệt động lực học (TRC). Để tiếp tục phát triển, cơ sở dữ liệu có thể được chuyển đổi sang SRD để duy trì theo Đạo luật dữ liệu tham chiếu tiêu chuẩn Hoa Kỳ năm 2017. Khả năng cung cấp dữ liệu đặc tính vật liệu được xác thực công bằng và chuyên nghiệp cho ngành công nghiệp Hoa Kỳ có thể mang lại những hiểu biết sâu sắc về thiết kế và đổi mới hiệu quả trong việc vận hành máy tạo giọt nước. Những ưu điểm của SRD về hiệu suất vật liệu đã được công nhận trên phạm vi quốc tế, như được thể hiện trong một ấn phẩm về SRD trong lĩnh vực đặc tính vật liệu.

Một hạn chế đối với tính hiệu quả của khả năng đo lường của NIST là thiếu dữ liệu về thiếc nóng chảy dưới áp suất cao áp dụng cho máy tạo giọt EUVL. Các đặc tính của chất lỏng hoạt động trong máy tạo giọt xác định một hiện tượng gọi là sự phá vỡ Rayleigh, dẫn đến sự hình thành và hợp nhất các giọt. Hiện tượng này đã được nghiên cứu rộng rãi trong 40 năm qua, với các nghiên cứu được thực hiện bởi các tổ chức như ETH Zurich vào năm 2011 chứng minh mối quan hệ giữa đường kính và vận tốc của các giọt thiếc nóng chảy ở áp suất dưới 4 MPa và tần số dưới 100 kHz. Một bài báo gần đây được xuất bản vào năm 2023 cho thấy sự theo đuổi tích cực trong lĩnh vực nghiên cứu này.

Việc thiếu dữ liệu tham chiếu về thiếc nóng chảy khiến việc đo lường dữ liệu chất lượng tham chiếu trở nên có giá trị để lấp đầy cơ sở dữ liệu như cơ sở dữ liệu hợp kim NIST bằng các thiết bị mới. Tốc độ âm thanh (SoS) là một đặc tính vật liệu đặc biệt hữu ích vì nó có thể được kết hợp với mật độ và dữ liệu nhiệt dung đẳng áp tại một điểm (T, p) để thu được các đặc tính nhiệt vật lý bổ sung như mật độ, độ giãn nở đẳng áp và nhiệt dung đẳng áp ở bất kỳ nhiệt độ và áp suất. Các nhà nghiên cứu của NIST đã chứng minh các giá trị SoS đo được đối với vật liệu làm lạnh. Các phép đo SoS chính xác rất quan trọng để đạt được mục tiêu cuối cùng là mô hình hóa các đặc tính nhiệt động của vật liệu bằng phương trình trạng thái (EoS). Việc sử dụng các EoS khác nhau để đảm bảo độ chính xác của mô phỏng đã được chứng minh là có ảnh hưởng đáng kể ngay cả đến hình học đơn giản nhất.

Còn tiếp...