EUV-licht

Op aarde komt extreem ultraviolet licht (EUV-licht) niet van nature voor, maar het kan er wel geproduceerd worden. In de nieuwste machines voor nanolithografie gebeurt dat met een ontzettend heet plasma gemaakt van tin. Onderzoekers van ARCNL hebben in nauwe samenwerking met het Amerikaanse Los Alamos National Laboratory op atomair niveau ontrafeld hoe zo’n plasma EUV-licht uitzendt en ontdekten dat niet één, maar bijna álle aangeslagen energietoestanden van het tin de juiste energie blijken te hebben om EUV-licht te kunnen uitzenden. De onderzoekers publiceren hun bevindingen op 11 mei in Nature Communications.

De nieuwste state-of-the-art lithografiemachines gebruiken EUV licht om extreem kleine structuren te printen op een chip. EUV licht met een golflengte van rond de 13,5 nanometer kan efficiënt worden gereflecteerd met geavanceerde multilaagsspiegels. De lichtbron in zulke machines is een tin-plasma: een druppel tin die met een laser zo heet gemaakt wordt dat een plasma ontstaat dat EUV-straling uitzendt. Hoe dat precies gebeurt, was één van de vragen die ARCNL-onderzoeker Oscar Versolato hoopte te beantwoorden met de ERC grant die hij in 2018 ontving. Samen met de Amerikaanse wetenschapper James Colgan is het zijn team gelukt om een veel completer en nauwkeuriger antwoord op die vraag te geven dan tot nu toe mogelijk was.

Energiepakketjes

“Als we tin extreem verhitten, tot wel 400.000 graden, vallen de atomen uiteen in losse elektronen en positief geladen tin-ionen met verschillende ladingen. Veel van die ionen zijn bovendien in een ‘aangeslagen’ toestand: één of meerdere van de elektronen die er nog omheen cirkelen hebben een extra portie energie. Ze cirkelen in een baan die verder van de atoomkern is verwijderd dan de dichtstbijzijnde. Als ze terugvallen naar een baan dichterbij de kern, komt die extra energie vrij in de vorm van EUV-straling”, legt Versolato uit. “In een tin-ion kan één elektron zo’n pakketje extra energie hebben, maar het is ook mogelijk dat meerdere elektronen tegelijk zo’n energiepakketje hebben. Ze cirkelen in de eerste, tweede, derde of zelfs vierde schil rond de atoomkern. Wel is de waarschijnlijkheid dat een elektron in zo’n hogere aangeslagen toestand zit met elke stap omhoog steeds kleiner. Daarom werd algemeen aangenomen dat het EUV-licht in tin-plasma vooral werd uitgezonden door elektronen in de eerste aangeslagen toestand.”

Experiment vs supercomputer

Omdat experimentele metingen aan het EUV-spectrum niet helemaal met die aanname overeenkwamen, vermoedden de onderzoekers dat ook de hogere energietoestanden een bijdrage leveren aan het EUV licht dat een tin-plasma uitzendt, maar hoe precies was onduidelijk. Versolato: “De enige manier om daar zekerheid over te krijgen, was door alle mogelijke energietransities in het tin-plasma door te rekenen, maar dat is een vrijwel onmogelijke klus. Het aantal mogelijke overgangen tussen energieniveaus voor elektronen in tin-plasma is meer dan tien miljard.”

Alleen een supercomputer heeft voldoende rekencapaciteit voor zulke berekeningen. Daarom zochten de fysici van ARCNL naar samenwerking met het Los Alamos National Laboratory, dat de beschikking heeft over supercomputers én experts op het gebied van atoomfysica. “We hebben daardoor voor het eerst ontzettend compleet en nauwkeurig in kaart kunnen brengen hoe het tin-plasma EUV-licht uitzendt. En dat leverde verrassende inzichten op.”

Unieke EUV-bron

Door hun experimenten in het lab te vergelijken met de berekeningen van Los Alamos ontdekten de onderzoekers dat niet alleen elektronen die terugvallen uit de eerste aangeslagen energietoestand licht uitzenden van 13,5 nanometer. Ook elektronen in hogere schillen dragen bij, want het energieverschil tussen opeenvolgende aangeslagen toestanden is hetzelfde. “Dat betekent dat élk elektron dat naar een lagere energietoestand terugvalt, bijdraagt aan het uitzenden van 13,5 nanometer licht. Die eigenschap maakt tin-plasma uniek en zo ontzettend geschikt als EUV-bron”, zegt Versolato.

Het fundamentele onderzoek met de tin-druppelbron en laseropstelling heeft de bijzondere eigenschappen van tin-plasma aan het licht gebracht. Versolato: “We hebben verrassende nieuwe kennis opgedaan over het ontstaan van EUV licht. Dat we nu beter begrijpen hoe het proces werkt, kan er in de toekomst mogelijk aan bijdragen dat we de EUV-bronnen verder kunnen optimaliseren.”

Bron:

F. Torretti, J. Sheil, R. Schupp, M.M. Basko, M. Bayraktar, R.A. Meijer, S. Witte, W. Ubachs, R. Hoekstra, O.O. Versolato, A.J. Neukirch, J. Colgan, Prominent radiative contributions from multiply-excited states in laser-produced tin plasma for nanolithograph, Nature Communications, 11 May (2020)

doi:10.1038/s41467-020-15678-y.

Afbeelding: artistieke impressie van het produceren van EUV licht.

Bron: Tremani / ARCNL

Geef een reactie

Your email address will not be published. Required fields are marked with *.

Share via
Copy link
Powered by Social Snap