2.1 液滴发生器：极端热物理特性及建模

液滴发生器是 EUVL 扫描仪组件的重要组成部分（图 3）。液滴发生器控制进入 EUV 源室的材料的尺寸、速度和重复率，由二氧化碳激光器电离，以产生 13.5 nm 的 EUV 光。因此，可靠的液滴生成对于 EUV 光生产至关重要，因为任何故障都会导致所有下游组件关闭。典型的液滴直径为27μm，速度为80m/s，重复频率为50kHz。液滴发生器触发二氧化碳激光脉冲的发射，使其被誉为整个 EUV 扫描仪组件的“心跳”。

锡是 EUVL 应用液滴发生器中使用的工作液体，因为它在电离成等离子体状态时会产生波长为 13.5 纳米的光。在过去的几十年里，研究人员探索了除锡以外的材料的可能性，例如氙气和锂。安全性、成本和性能等因素已证明锡是 EUVL 制造应用中激光产生等离子体的优质材料。在半导体制造中，除锡以外的材料没有通用的路线图，因此在基础科学层面上投资了解这种材料将产生短期和长期影响。该行业对单一材料锡的关注使其成为 EUV 光生成所需的复杂激光-材料相互作用的理想选择。

液滴发生器的工作原理是将固体高纯度锡 (>99.999wt.%) 装入容器中并将其加热到熔点 (~232°C) 以上。然后，将高纯度气体（通常是氮气）施加到容器内液体的一侧以施加压力，使熔融锡流过过滤器至另一侧的喷嘴。锡滴的喷射通常由压电（PZT）晶体调节，产生机械振动。第一代概念液滴发生器的照片如图3所示，液滴位置稳定性约为1μm。

液滴发生器凭借在线补给能力，在2021年取得了新的进步。图 4 显示在不中断下游 EUV 扫描仪性能的情况下减少了系统停机时间。通过这种新的液滴发生器设计，已经实现了超过3000小时的连续运行。

为了提高生产率并实现更高的 EUV 功率输出，有必要增加驱动激光功率，从而增加每秒的液滴数量。为了进一步增加液滴频率，需要增加液滴发生器中的压力。然而，这会导致更大的液滴间距。图 5 说明了这一概念。

目前，在大气压下，熔融金属缺乏可靠的材料性能。缺乏这一标准数据阻碍了创建液滴发生器的数值模拟的进展。科学家和工程师描述的实践包括从已发表的文献中搜索最新的材料特性并推断粗略的估计。然后，他们依靠在操作条件下对整个系统的经验观察来调整材料特性和操作参数之间的关系。一位行业演讲者举了一个例子，说明打印头需要平衡设计，以确保工作流体（熔融金属）处于足够高的温度以形成液相，但又不会太高而熔化压电元件。

介绍了当前用于测量金属材料性能的 NIST 资源，重点是 NIST 合金数据库，该数据库是包含金属（包括锡）热物理性能的精选数据库。目前，由于材料基因组计划 (MGI) 的资助和热力学研究中心 (TRC) 的监督，整个数据库免费向公众开放。为了继续开发，可以将数据库转换为SRD，以便根据2017年美国标准参考数据法案进行维护。为美国工业提供公平且经过专业验证的材料属性数据的能力可以为操作液滴发生器提供有效的设计见解和创新。 SRD在材料性能方面的优势已得到国际认可，正如材料性能领域SRD的出版物所示。

NIST 测量能力有效性的一大限制是缺乏适用于 EUVL 液滴发生器的高压熔融锡数据。液滴发生器中工作流体的特性决定了一种称为瑞利破裂的现象，该现象导致液滴形成和合并。这种现象在过去 40 年里得到了广泛的研究，苏黎世联邦理工学院等机构在 2011 年进行的研究证明了在低于 4 MPa 的压力和低于 100 kHz 的频率下，熔锡滴的直径和速度之间的关系。 2023年最近发表的一篇文章显示了该研究领域的积极追求。

由于缺乏熔融锡的参考数据，因此测量参考质量数据以使用新仪器填充数据库（例如 NIST 合金数据库）很有价值。声速 (SoS) 是一种特别有用的材料属性，因为它可以与单个 (T, p) 点的密度和等压热容数据相结合，以获得额外的热物理属性，例如密度、等压膨胀率和等压热容任何温度和压力。 NIST 研究人员已经展示了制冷剂材料的测量 SoS 值。准确的 SoS 测量对于实现使用状态方程 (EoS) 模拟材料热力学性质的最终目标至关重要。事实证明，在模拟精度中使用不同的 EoS 甚至可以显着影响最简单的几何形状。

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