13. EUV 개발 역사 (13) - Droplet에 대하여

 

이전 포스팅에서 간략하게 설명한 Sn droplet, Tin Droplet, 주석 발생기 등등 여러가지고 불리우는 droplet, 한국어로는 액적발생기에 대해서 설명하려합니다.

 

EUV 리소그래피는 실리콘 웨이퍼에 고해상도 패턴을 만들기 위해 약 13.5 나노미터의 파장을 가진 EUV 빛의 생성에 의존합니다. EUV 빛은 주석 방울이 중요한 역할을 하는 레이저 유도 플라즈마로 알려진 프로세스를 통해 생성됩니다. 이 물방울들은 정확하게 광 수집기의 초점으로 전달되며, 여기서 CO2 레이저 펄스가 발광 플라즈마를 생성하는 데 사용됩니다. 주석 방울을 지속적이고 정확하게 전달하는 능력은 안정적이고 신뢰할 수 있는 EUV 광 발생을 달성하는 데 가장 중요합니다. 주석 표적 전달의 복잡성을 이해하는 것은 EUV 소스의 성능과 효율성을 최적화하는 데 중요합니다. 이번 포스팅에서 EUV 리소그래피의 진화하는 요구를 충족시키기 위해 주석 표적 전달 기술 등을 알아보겠습니다.

 

액적(주석 방울) 발생기는 EUV 소스의 중요한 구성 요소로, 작고 정밀한 주석 방울을 EUV 수집 광학의 초점으로 전달하는 역할을 합니다. EUV LPP 소스에서 액적 발생기의 주요 목적은 일관된 특성의 주석 액적을 생성하는 것입니다. 주석 방울 생성 과정은 몇 가지 주요 단계를 포함합니다. 우선 액체 주석을 탱크(용기) 내에서 용해 온도 이상으로 가열하는 것으로 시작됩니다. 주석의 용융 온도는 약 섭씨 231.93도입니다. 물방울은 주석을 용해 온도 이상으로 가열한 다음 가압 가스를 사용하여 필터와 노즐을 통해 밀어냄으로써 생성됩니다. 액적의 크기와 속도는 노즐의 압력과 치수를 조정하여 제어됩니다. 액적을 뿜어내는 Droplet은 EUV 소스의 효율적인 작동을 보장하기 위해 다음과 같은 특정 요구 사항을 충족해야 합니다.

 

• 크기 및 간격: 물방울은 크기와 간격이 동일해야 하며 레이저 빔 직경보다 상당히 작아야 합니다.이 정밀한 제어는 균일한 플라즈마 생성을 유지하고 일관된 EUV 광 발생을 보장하는 데 필수적입니다.
• 시간 및 공간 안정성: 물방울은 일정한 타이밍에 동일한 위치에 도달하여 높은 시간적 및 공간적 안정성을 보여야 합니다.이러한 안정성은 정밀한 플라즈마 형성을 보장하고 EUV 광자 효율을 극대화합니다.
• 재현성: 물방울 사이의 시간 간격은 재현성이 높고 변동이 최소화되어야 하며, 이상적으로는 백분율 내에 있어야 합니다.이 재현성은 EUV 소스의 일관되고 신뢰할 수 있는 작동을 보장합니다.
• 고속 생성: 물방울은 플라즈마 생산을 위한 연료의 지속적인 공급을 유지하기 위해 일반적으로 초당 약 70~100미터의 빠른 속도로 생성되어야 합니다. (환산하면 1초에 5만번 떨어집니다.)

Schematic diagram demonstrating the charge-and-deflect concept for reducing the frequency of droplets produced through the Rayleigh breakup mechanism

 

이러한 난제를 떠안고 제안된 첫번째 개념은 Charge-and-Deflect입니다.

https://chemistryguru.com.sg/deflection-of-charged-particle-in-electric-field

Deflection of Charged Particle in Electric Field

잉크젯 기술에서 영감을 얻은 충전 및 편향 개념은 EUV 액적 생성을 위한 방법으로 고려된 최초의? 개념입니다. (아마도요..^^,,)

https://en.wikipedia.org/wiki/Electrostatic_deflection

Electrostatic deflection - Wikipedia

 

이 개념에서 고주파에서 생성된 물방울은 정전기적으로 대전된 다음 편향 플레이트 사이를 통과합니다. 대부분의 물방울은 굴절되어 주기적인 물방울이 직선 궤적을 따르게 됩니다. 개념적으로는 쉽다고 할 수 있지만... 이 접근 방식은 EUV 액적 생성에서 실질적인 과제에 직면해 있습니다. 이 방법에 필요한 사용되지 않은 물방울과 큰 정전기장을 관리하는 것은 상당한 난제입니다. 또한, EUV 소스 플라즈마에서 생성된 하전 입자는 정전기장을 차단할 수 있어, 액체 전하를 정확하게 제어할 수 없게 되죠. 그래서 나온것이 바로바로..

 

Plateau–Rayleigh instability을 이용한 Rayleigh droplet 입니다. 이게 뭘까요? 우선 원리부터 알아봅시다.

 

https://en.wikipedia.org/wiki/Plateau%E2%80%93Rayleigh_instability

Plateau–Rayleigh instability - Wikipedia

[기초]

빗방울에 대해 생각해 봅시다. 빗방울이 하늘에서 떨어질 때 크기가 모두 같지 않습니다. 일부는 작고 일부는 큽니다. 왜 그런 걸까요? 빗방울이 충분히 작으면 안정 상태를 유지하고 공중에 떠 있게 됩니다. 그러나 너무 커지면 불안정해지고 흔들리기 시작합니다. 더 너무 많이 흔들리면 다시 작은 물방울로 부서질 수도 있습니다. 이를 통해 다양한 크기의 빗방울이 형성되며 개념적으로 레일리 불균형성이라 합니다.

[심화]

Plateau-Rayleigh 불안정성은 액체 제트(이 경우 주석)가 작은 물방울로 부서지는 방식을 설명하는 유체 역학 현상입니다. 이는 시간이 지남에 따라 제트의 약간의 섭동(또는 교란)이 증가하여 결국 제트가 불안정해지고 개별 방울로 부서지기 때문에 발생합니다. 여기서 원리는 액체 기둥 또는 제트가 액체의 전체 표면적을 최소화하는 표면 장력 효과로 인해 작은 물방울로 부서지는 경향이 있다는 것입니다.

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이 개념을 액적에 적용하면 EUV 광 생성 프로세스를 최적화하기 위해 이러한 주석 방울의 크기, 간격 및 빈도를 제어할 수 있음을 발견했습니다.이 droplet을 각각 다른 조건으로 설정하고 이를 여러 개로 병렬로 쭉 연결하면 모든 droplet에서 동일하고 균일한 저주파 주석 방울을 뽑아낼 수 있습니다. 주석 제트의 조건(속도, 직경, 주석 자체의 특성 등)을 조정하는 droplet을 Rayleigh droplet 라고 합니다. 자 이제 액적 생성기(=주석 방울 생성기)가 어떤 과정으로 발전했는지 간략하게 알아봤는데요 이제 이렇게 균일한 액적을 소스에 정확히 닿도록 컨트롤 하는 방법에 대해서 조금 더 알아보겠습니다

 

 

여기서 가스셀을 추가하여 가스압력으로 액적을 밀어내어 물방울 간격 해상도?를 높이는 작업도 존재하긴 합니다 (참고)