Den ekstraordinære oprindelse af EUV -lys i varmt tinplasma

Ekstremt ultraviolet lys (EUV -lys) forekommer ikke naturligt på Jorden, men det kan produceres. I nanolithografimaskiner, EUV -lys genereres ved hjælp af et uhyre varmt tinplasma. Forskere på ARCNL, i tæt samarbejde med American Los Alamos National Laboratory, har opdaget, hvordan et sådant plasma udsender EUV -lys på atomniveau, og har gjort uventede opdagelser, rapporterer, at alle ophidsede energitilstande af tin viste sig at have den rigtige energi til at udsende EUV -lys. Forskerne offentliggjorde deres fund i Naturkommunikation den 11. maj.

Topmoderne litografimaskiner bruger EUV-lys til at udskrive ekstremt små strukturer på chips. EUV -lys med en bølgelængde på omkring 13,5 nanometer kan effektivt reflekteres ved hjælp af avancerede flerlagsspejle. Lyskilden i sådanne maskiner er et tinplasma. For at producere det, en dråbe tin opvarmes af en laser til et punkt, hvor det bliver til plasma, der udsender EUV -stråling. Præcis hvordan denne proces foregår, er et af de spørgsmål, som ARCNL -forsker Oscar Versolato håbede at svare på med ERC -tilskuddet, han modtog i 2018. Sammen med den amerikanske forsker James Colgan, hans team lykkedes at få et langt mere fuldstændigt og præcist svar på dette spørgsmål end tidligere muligt.

Energipakker

"Hvis vi opvarmer tin til en ekstremt høj temperatur, op til 400, 000 grader Celsius, så falder atomerne fra hinanden til frie elektroner og positivt ladede ioner med forskellige ladninger. Desuden, mange af disse ioner er i en ophidset tilstand:En eller flere af de kredsløbende elektroner har en ekstra portion energi. Disse elektroner cirkler i en bane, der er længere fra atomkernen end den nærmeste bane. Når de vender tilbage til en bane tættere på kernen, at yderligere energi frigives i form af EUV -stråling, "Versolato forklarer." I en tinion, en enkelt elektron kan have sådan en ekstra energipakke, men det er også muligt, at flere elektroner samtidigt har en. De kredser i den første, anden tredjedel eller endda den fjerde skal omkring atomkernen. Imidlertid, sandsynligheden for, at en elektron når en højere exciteret tilstand, bliver stadig mindre med hvert trin opad. Det blev derfor generelt antaget, at elektroner i den første ophidsede tilstand hovedsageligt udsendte EUV -lyset i tinplasma. "

Eksperiment kontra supercomputer

Da eksperimentelle målinger af EUV -spektret ikke helt var i overensstemmelse med denne antagelse, forskerne mistanke om, at højere energistater også bidrog til EUV -lyset, der udsendes af tinplasmaet, men den nøjagtige proces var uklar. Versolato siger, "Den eneste måde at opnå sikkerhed herom var at beregne alle mulige energiovergange i tinplasmaet, en næsten umulig opgave. Der er mere end 10 milliarder mulige overgange mellem energiniveauer for elektroner i tinplasma. "

Kun en supercomputer er stærk nok til at udføre sådanne beregninger. Fysikerne fra ARCNL søgte derfor samarbejde med Los Alamos National Laboratory, som har både supercomputere og eksperter inden for atomfysik. "Som et resultat af dette samarbejde, vi var, for første gang, i stand til at beskrive, hvordan tinplasma udsender EUV -lys med utrolig præcision og fuldstændighed. Og det gav overraskende indsigt. "

Unik EUV -kilde

Ved at sammenligne deres laboratorieforsøg med beregningerne fra Los Alamos, forskerne opdagede, at det ikke kun er elektroner, der vender tilbage fra den første ophidsede energitilstand, der udsender lys ved 13,5 nanometer. Elektroner i højere skaller bidrog også til dette, fordi energiforskellen mellem successive ophidsede tilstande er den samme. "Det betyder, at hver elektron, der vender tilbage til en lavere energitilstand, bidrager til emissionen af ​​13,5 nanometer lys. Den egenskab gør tinplasma unikt og usædvanligt velegnet som en EUV -kilde, "siger Versolato.

Grundforskningen med tindråberkilden og laseropsætningen har bragt tinplasmas usædvanlige egenskaber frem i lyset. Versolato:"Vi har fået overraskende ny viden om oprettelsen af ​​EUV -lys. På grund af vores bedre forståelse af, hvordan processen fungerer, vi kan muligvis bidrage til en yderligere optimering af EUV -kilderne i fremtiden. "