Extremt ultraviolett ljus (EUV-ljus) förekommer inte naturligt på jorden, men det kan produceras. I nanolitografimaskiner, EUV-ljus genereras med hjälp av ett oerhört varmt tennplasma. Forskare vid ARCNL, i nära samarbete med amerikanska Los Alamos National Laboratory, har reda ut hur en sådan plasma avger EUV-ljus på atomnivå, och har gjort oväntade upptäckter, rapporterar att alla exciterade energitillstånd av tenn visade sig ha rätt energi för att avge EUV-ljus. Forskarna publicerade sina resultat i Naturkommunikation den 11 maj.

Toppmoderna litografimaskiner använder EUV-ljus för att skriva ut extremt små strukturer på chips. EUV-ljus med en våglängd på cirka 13,5 nanometer kan effektivt reflekteras med hjälp av avancerade flerskiktsspeglar. Ljuskällan i sådana maskiner är ett tennplasma. För att producera det, en droppe tenn värms upp av en laser till en punkt där den blir plasma som avger EUV-strålning. Exakt hur denna process går till är en av frågorna som ARCNL-forskaren Oscar Versolato hoppades få svar på med ERC-anslaget han fick 2018. Tillsammans med den amerikanske forskaren James Colgan, hans team lyckades få ett mycket mer fullständigt och korrekt svar på den frågan än vad som tidigare varit möjligt.

Energipaket

"Om vi ​​värmer tenn till en extremt hög temperatur, upp till 400, 000 grader Celsius, då faller atomerna isär till fria elektroner och positivt laddade joner med olika laddningar. Vidare, många av dessa joner är i ett exciterat tillstånd:En eller flera av de kretsande elektronerna har en extra del energi. Dessa elektroner cirklar i en omloppsbana som är längre bort från atomkärnan än den närmaste omloppsbanan. När de återvänder till en bana närmare kärnan, att ytterligare energi frigörs i form av EUV-strålning, " förklarar Versolato. "I en tennjon, en enda elektron kan ha ett sådant extra energipaket, men det är också möjligt att flera elektroner samtidigt har en. De kretsar i den första, andra tredje eller till och med fjärde skalet runt atomkärnan. Dock, sannolikheten för att en elektron når ett högre exciterat tillstånd blir allt mindre för varje steg uppåt. Det antogs därför allmänt att elektroner i det första exciterade tillståndet huvudsakligen avgav EUV-ljus i tennplasma."

Experiment kontra superdator

Eftersom experimentella mätningar av EUV-spektrumet inte helt överensstämde med det antagandet, forskarna misstänkte att högre energitillstånd också bidrog till EUV-ljuset som sänds ut av tennplasman, men den exakta processen var oklart. Versolato säger, "Det enda sättet att få säkerhet om det var att beräkna alla möjliga energiövergångar i tennplasman, en nästan omöjlig uppgift. Det finns mer än 10 miljarder möjliga övergångar mellan energinivåer för elektroner i tennplasma."

Endast en superdator är tillräckligt kraftfull för att utföra sådana beräkningar. Fysikerna från ARCNL sökte därför samarbete med Los Alamos National Laboratory, som har både superdatorer och experter inom området atomfysik. "Som ett resultat av detta samarbete, vi var, för första gången, kunna beskriva hur tennplasma avger EUV-ljus med otrolig precision och fullständighet. Och det gav överraskande insikter."

Unik EUV-källa

Genom att jämföra deras laboratorieexperiment med beräkningarna från Los Alamos, forskarna upptäckte att det inte bara är elektroner som återvänder från det första exciterade energitillståndet som avger ljus vid 13,5 nanometer. Elektroner i högre skal bidrog också till detta, eftersom energiskillnaden mellan successiva exciterade tillstånd är densamma. "Detta betyder att varje elektron som återgår till ett lägre energitillstånd bidrar till emissionen av 13,5 nanometer ljus. Den egenskapen gör tennplasma unik och exceptionellt lämplig som EUV-källa, säger Versolato.

Grundforskningen med tenndroppskällan och laserinställningen har fört fram de ovanliga egenskaperna hos tennplasma. Versolato:"Vi har skaffat oss överraskande ny kunskap om skapandet av EUV-ljus. På grund av vår bättre förståelse för hur processen fungerar, vi kanske kan bidra till ytterligare optimering av EUV-källorna i framtiden."