Extreem ultraviolet licht (EUV-licht) komt van nature niet voor op aarde, maar het kan worden geproduceerd. In nanolithografiemachines, EUV-licht wordt gegenereerd met behulp van een immens heet tinplasma. Onderzoekers van ARCNL, in nauwe samenwerking met het Amerikaanse Los Alamos National Laboratory, hebben ontrafeld hoe zo'n plasma op atomair niveau EUV-licht uitstraalt, en onverwachte ontdekkingen hebben gedaan, rapporteerde dat alle opgewonden energietoestanden van tin de juiste energie bleken te hebben om EUV-licht uit te zenden. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in Natuurcommunicatie op 11 mei

State-of-the-art lithografiemachines gebruiken EUV-licht om extreem kleine structuren op chips te printen. EUV-licht met een golflengte van ongeveer 13,5 nanometer kan efficiënt worden gereflecteerd met behulp van geavanceerde meerlaagse spiegels. De lichtbron in dergelijke machines is een tinplasma. Om het te produceren, een druppel tin wordt verwarmd door een laser tot een punt waar het plasma wordt dat EUV-straling uitzendt. Hoe dit proces precies verloopt, is een van de vragen die ARCNL-onderzoeker Oscar Versolato hoopte te beantwoorden met de ERC-grant die hij in 2018 ontving. Samen met de Amerikaanse onderzoeker James Colgan, zijn team slaagde erin een veel vollediger en nauwkeuriger antwoord op die vraag te krijgen dan voorheen mogelijk was.

Energiepakketten

"Als we tin tot een extreem hoge temperatuur verhitten, tot 400, 000 graden Celsius, dan vallen de atomen uiteen in vrije elektronen en positief geladen ionen met verschillende ladingen. Verder, veel van deze ionen bevinden zich in een aangeslagen toestand:een of meer van de in een baan om de aarde draaiende elektronen heeft een extra portie energie. Deze elektronen cirkelen in een baan die verder van de atoomkern is verwijderd dan de dichtstbijzijnde baan. Wanneer ze terugkeren naar een baan dichter bij de kern, dat er extra energie vrijkomt in de vorm van EUV-straling, " legt Versolato uit. "In een tin-ion, een enkel elektron kan zo'n extra energiepakket hebben, maar het is ook mogelijk dat meerdere elektronen er tegelijkertijd één hebben. Ze draaien in de eerste, tweede derde of zelfs vierde schil rond de atoomkern. Echter, de kans dat een elektron een hogere aangeslagen toestand bereikt, wordt met elke stap naar boven steeds kleiner. Daarom werd algemeen aangenomen dat elektronen in de eerste aangeslagen toestand vooral het EUV-licht in tinplasma uitzonden."

Experiment versus supercomputer

Omdat experimentele metingen van het EUV-spectrum niet helemaal met die veronderstelling overeenkwamen, de onderzoekers vermoedden dat hogere energietoestanden ook een bijdrage leverden aan het EUV-licht dat door het tinplasma wordt uitgestraald, maar het exacte proces was onduidelijk. Versolato zegt, "De enige manier om daar zekerheid over te krijgen, was door alle mogelijke energietransities in het tinplasma te berekenen, een bijna onmogelijke opgave. Er zijn meer dan 10 miljard mogelijke overgangen tussen energieniveaus voor elektronen in tinplasma."

Alleen een supercomputer is krachtig genoeg om dergelijke berekeningen uit te voeren. De natuurkundigen van ARCNL zochten daarom samenwerking met het Los Alamos National Laboratory, die zowel supercomputers als experts op het gebied van atoomfysica heeft. “Door deze samenwerking we waren, Voor de eerste keer, met ongelooflijke precisie en volledigheid kunnen beschrijven hoe tinplasma EUV-licht uitstraalt. En dat leverde verrassende inzichten op."

Unieke EUV-bron

Door hun laboratoriumexperimenten te vergelijken met de berekeningen van Los Alamos, de onderzoekers ontdekten dat het niet alleen elektronen zijn die terugkeren uit de eerste aangeslagen energietoestand die licht uitzenden van 13,5 nanometer. Ook elektronen in hogere schillen droegen hieraan bij, omdat het energieverschil tussen opeenvolgende aangeslagen toestanden hetzelfde is. “Dit betekent dat elk elektron dat terugkeert naar een lagere energietoestand bijdraagt ​​aan de emissie van 13,5 nanometer licht. Die eigenschap maakt tinplasma uniek en uitermate geschikt als EUV-bron, ', zegt Versolato.

Het fundamentele onderzoek met de tindruppelbron en laseropstelling heeft de bijzondere eigenschappen van tinplasma aan het licht gebracht. Versolato:"We hebben verrassende nieuwe kennis opgedaan over het ontstaan ​​van EUV-licht. Door een beter begrip van hoe het proces werkt, misschien kunnen we in de toekomst bijdragen aan de verdere optimalisatie van de EUV-bronnen."