2.1 液滴產生器：極端熱物理特性及建模

液滴產生器是 EUVL 掃描儀組件的重要組成部分（圖 3）。液滴產生器控制進入 EUV 源室的材料的尺寸、速度和重複率，由二氧化碳雷射電離，以產生 13.5 nm 的 EUV 光。因此，可靠的液滴生成對於 EUV 光生產至關重要，因為任何故障都會導致所有下游組件關閉。典型的液滴直徑為27μm，速度為80m/s，重複頻率為50kHz。液滴產生器觸發二氧化碳雷射脈衝的發射，使其被譽為整個 EUV 掃描儀組件的「心跳」。

錫是 EUVL 應用液滴產生器中使用的工作液體，因為它在電離成等離子體狀態時會產生波長為 13.5 奈米的光。在過去的幾十年裡，研究人員探索了錫以外材料的可能性，例如氙氣和鋰。安全性、成本和性能等因素已證明錫是 EUVL 製造應用中雷射產生等離子體的優質材料。在半導體製造中，除錫以外的材料沒有通用的路線圖，因此在基礎科學層面上投資了解這種材料將產生短期和長期影響。該行業對單一材料錫的關注使其成為 EUV 光生成所需的複雜雷射-材料相互作用的理想選擇。

液滴產生器的工作原理是將固體高純度錫 (>99.999wt.%) 裝入容器中並將其加熱到熔點 (~232°C) 以上。然後，將高純度氣體（通常是氮氣）施加到容器內液體的一側以施加壓力，使熔融錫流過過濾器至另一側的噴嘴。錫滴的噴射通常由壓電（PZT）晶體調節，產生機械振動。第一代概念液滴產生器的照片如圖3所示，液滴位置穩定性約為1μm。

液滴發生器憑藉著線上補給能力，在2021年取得了新的進展。圖 4 顯示在不中斷下游 EUV 掃描器效能的情況下減少了系統停機時間。透過這種新的液滴發生器設計，已經實現了超過3000小時的連續運行。

為了提高生產率並實現更高的 EUV 功率輸出，有必要增加驅動雷射功率，從而增加每秒鐘的液滴數量。為了進一步增加液滴頻率，需要增加液滴發生器中的壓力。然而，這會導致更大的液滴間距。圖 5 說明了這個概念。

目前，在大氣壓力下，熔融金屬缺乏可靠的材料性能。缺乏這項標準數據阻礙了創建液滴發生器的數值模擬的進展。科學家和工程師描述的實踐包括從已發表的文獻中搜尋最新的材料特性並推斷粗略的估計。然後，他們依靠在操作條件下對整個系統的經驗觀察來調整材料特性和操作參數之間的關係。一位產業演講者舉了一個例子，說明印字頭需要平衡設計，以確保工作流體（熔融金屬）處於足夠高的溫度以形成液相，但又不會太高而熔化壓電元件。

介紹了目前用於測量金屬材料性能的 NIST 資源，重點是 NIST 合金資料庫，該資料庫是包含金屬（包括錫）熱物理性能的精選資料庫。目前，由於材料基因組計劃 (MGI) 的資助和熱力學研究中心 (TRC) 的監督，整個資料庫免費向公眾開放。為了繼續開發，可以將資料庫轉換為SRD，以便根據2017年美國標準參考資料法案進行維護。為美國工業提供公平且經過專業驗證的材料屬性資料的能力可以為操作液滴產生器提供有效的設計見解和創新。 SRD在材料性能方面的優勢已獲得國際認可，如材料性能領域SRD的出版物所示。

NIST 測量能力有效性的一大限制是缺乏適用於 EUVL 液滴產生器的高壓熔融錫資料。液滴發生器中工作流體的特性決定了一種稱為瑞利破裂的現象，導致液滴形成和合併。這種現像在過去40 年裡得到了廣泛的研究，蘇黎世聯邦理工學院等機構在2011 年進行的研究證明了在低於4 MPa 的壓力和低於100 kHz 的頻率下，熔錫滴的直徑和速度之間的關係。 2023年最近發表的一篇文章顯示了該研究領域的積極追求。

由於缺乏熔融錫的參考數據，因此測量參考品質數據以使用新儀器填充資料庫（例如 NIST 合金資料庫）很有價值。聲速(SoS) 是一種特別有用的材料屬性，因為它可以與單一(T, p) 點的密度和等壓熱容資料結合，以獲得額外的熱物理屬性，例如密度、等壓膨脹率和等壓熱容任何溫度和壓力。 NIST 研究人員已經展示了冷媒材料的測量 SoS 值。準確的 SoS 測量對於實現使用狀態方程式 (EoS) 模擬材料熱力學性質的最終目標至關重要。事實證明，在模擬精度中使用不同的 EoS 甚至可以顯著影響最簡單的幾何形狀。

未完待續...