레이저의 수치 시뮬레이션

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 4085(2023) 이 기사 인용

1136 액세스

1 알트메트릭

측정항목 세부정보

본 연구에서는 초기 플라즈마 방법을 기반으로 액적 표면의 플라즈마 팽창에 대한 수치 모델을 제안했습니다. 압력 입구 경계조건을 통해 초기 플라즈마를 구하고, 초기 플라즈마에 대한 대기압의 영향과 속도 및 온도 분포에 대한 영향을 포함하여 액적 표면의 플라즈마 단열 팽창을 조사하였다. 시뮬레이션 결과, 주변 압력이 감소하여 팽창률과 온도가 증가하여 더 큰 플라즈마 크기가 형성되는 것으로 나타났습니다. 플라즈마 팽창은 역방향 추진력을 생성하고 결국 전체 액적을 감싸는데, 이는 평면 타겟에 비해 상당한 차이를 나타냅니다.

레이저 생성 플라즈마(LPP)는 관성 구속 융합, 재료 과학의 펄스 레이저 증착, 리소그래피1,2 등 다양한 응용 분야에서 널리 연구되어 왔습니다. 극자외선(EUV) 리소그래피는 해상도가 5nm 미만인 차세대 반도체 장치 생산을 위한 유망 기술로 간주됩니다3,4. LPP는 높은 효율, 전력 확장성 및 플라즈마 주변의 공간적 자유로 인해 EUV 광원용으로 개발되었습니다5,6. EUV 광원에서는 타겟이 되는 금속 액적에 펄스 레이저를 조사하여 고온 밀도 플라즈마를 생성하고 EUV 광을 방출합니다.

고출력 레이저를 액적 표면에 조사하면 액적의 급격한 변형과 ​​파괴가 발생합니다. Klein et al.7은 펄스 레이저 유도 추진력과 물방울의 강한 변형을 연구했습니다. 제어하고 시각화하는 장치에 대해 자세히 논의했습니다8. 레이저 충격에 의한 금속 및 물방울의 유체 역학 반응은 유사하지만 추진 메커니즘은 현저히 다릅니다9. 주된 이유는 금속 액적 표면에 고온 플라즈마가 발생하기 때문이다.

플라즈마의 진화는 고출력 레이저를 조사한 금속 방울에서 EUV를 생성하는 과정에서 핵심적인 역할을 합니다. 특히, 플라즈마 상태의 매개변수는 레이저 에너지의 흡수와 EUV 방사선 특성을 결정합니다. Satoet al. Thomson 산란(TS) 기술을 사용하여 전자 밀도, 전자 온도 및 평균 이온 전하의 공간 프로파일을 측정했습니다. 그들은 공간 프로파일이 플라즈마 조건에 따라 다르다는 것을 발견했습니다. 모든 플라즈마 조건에서 강렬한 EUV 방출은 충분히 높은 전자 온도와 적절한 전자 밀도 범위에서만 관찰되었습니다. Sasaki 등11은 사전 펄스 레이저로 주석 미세 액적을 먼저 조사하여 미리 형성된 플라즈마를 생성하는 저밀도 플라즈마로 높은 변환 효율(CE)을 얻을 수 있다고 지적했습니다. 프리 펄스 레이저 조사 후 플라즈마는 초기 반경의 10배까지 확장되어 밀도가 고체 밀도의 0.001로 감소합니다. Schupp 등12은 레이저 강도가 레이저 펄스 에너지와 지속 시간을 변화시킬 때 플라즈마 온도와 주석 이온 전하 상태 분포를 설정하는 관련 매개변수이며, 이는 높은 CE를 얻는 데 도움이 된다는 것을 발견했습니다. 플라즈마 팽창 시 고에너지 이온이 광학 장치를 오염시킬 수 있습니다. 플라즈마 팽창 역학을 이해하는 것은 잔해 완화 기술을 최적화하는 데 도움이 될 것입니다. 또한, 플라즈마 팽창은 액적의 변형에도 영향을 미치는데, 이는 충분히 이해되지 않았습니다. 따라서 플라즈마 팽창에 대한 연구는 EUV 광원에 매우 중요합니다.

수치 시뮬레이션은 레이저 절제 공정에서 플라즈마 물리학을 탐구하는 효과적인 방법입니다. 레이저 생성 플라즈마 팽창은 펄스 동안의 등온 팽창과 펄스 이후의 단열 팽창의 두 단계로 구성됩니다16. 수치 시뮬레이션을 위해서는 먼저 플라즈마 생성을 모델링해야 합니다. 여기에는 주로 레이저와 타겟 간의 상호 작용과 플라즈마의 레이저 에너지 흡수가 포함됩니다.