Enhanced Extreme Ultraviolet Emission from Laser-heated Blow-Off Tin Plasmas
यह शोध पत्र एक द्रव्यमान-सीमित लेजर ब्लो-ऑफ (LBO) प्लूम का उपयोग करके निर्मित लेजर-उत्पादित टिन प्लाज्मा से 13.5 nm पर संवर्धित अत्यधिक पराबैंगनी (EUV) उत्सर्जन के सृजन की जांच करता है।
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आधुनिक कंप्यूटर चिप्स इतनी छोटी होती जा रही हैं कि उनके फीचर्स को एक मीटर के अरबवें हिस्से में मापा जाता है। इन सूक्ष्म पैटर्न को बनाने के लिए, निर्माता 'एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट' (अति पराबैंगनी) नामक एक विशेष प्रकार की रोशनी का उपयोग करते हैं। इस प्रकाश की तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) इतनी कम है कि इसे केवल तरल टिन की एक बूंद से उत्पन्न होने वाले अत्यधिक गर्म और अत्यधिक सघन गैस के बादल, जिसे प्लाज्मा कहा जाता है, को बनाकर ही बनाया जा सकता है। इस प्रक्रिया में टिन को एक शक्तिशाली लेजर से टकराना शामिल है ताकि इसे इस चमकते हुए बादल में बदला जा सके, जो फिर सर्किट प्रिंट करने के लिए आवश्यक प्रकाश उत्सर्जित करता है। हालांकि, इस प्रकाश को कुशलतापूर्वक बनाना कठिन है। यदि टिन बहुत सघन है, तो प्रकाश बादल के अंदर फंस जाता है और बाहर निकलने से पहले ही अवशोषित हो जाता है। यदि बादल बहुत विरल है, तो लेजर ऊर्जा टिन को पर्याप्त रूप से गर्म किए बिना सीधे पार निकल जाती है। इस सटीक संतुलन को बनाना तेज़ और सस्ते कंप्यूटर चिप्स बनाने की कुंजी है।
पैसिफिक नॉर्थवेस्ट नेशनल लेबोरेटरी और अन्य संस्थानों के शोधकर्ताओं ने हाल ही में इस नाजुक संतुलन को प्रबंधित करने के एक नए तरीके की खोज की। टिन के एक ठोस टुकड़े या तरल बूंद को सीधे शक्तिशाली लेजर से टकराने के बजाय, उन्होंने टिन फॉयल की एक बहुत पतली शीट का उपयोग करके दो-चरणीय दृष्टिकोण अपनाया, जो केवल एक माइक्रोमीटर मोटी थी। सबसे पहले, उन्होंने एक कमजोर लेजर पल्स का उपयोग करके टिन के परमाणुओं के एक बादल को धातु के सामने से धीरे से उड़ा दिया। इसने धातु के सामने तैरते हुए गैस के एक कम घनत्व वाले, फैले हुए बादल का निर्माण किया। फिर, एक सेकंड के बहुत छोटे हिस्से बाद, उन्होंने इस तैरते हुए बादल पर एक बहुत शक्तिशाली लेजर पल्स से प्रहार किया। लक्ष्य यह देखना था कि क्या इस पूर्व-विस्तारित बादल को गर्म करने से ठोस ब्लॉक के टिन को गर्म करने की तुलना में अधिक उपयोगी प्रकाश उत्पन्न होता है।
टीम ने पाया कि यह तरीका काफी बेहतर काम करता है। कमजोर "ब्लो-ऑफ" (उड़ाने वाले) पल्स और मजबूत हीटिंग पल्स के बीच के अंतराल को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, वे ठोस लक्ष्य से टकराने की तुलना में उपयोगी प्रकाश की मात्रा को 35 प्रतिशत तक बढ़ाने में सक्षम रहे। इसका रहस्य टिन के बादल के घनत्व में छिपा था। जब टिन ठोस या बहुत सघन होता है, तो लेजर ऊर्जा केवल सतह पर ही अवशोषित होती है, जिससे एक गर्म बाहरी परत बन जाती है जो प्रकाश को गर्म आंतरिक भागों को रोकने का काम करती है। इसे 'सेल्फ-एब्जॉर्प्शन' (स्व-अवशोषण) कहा जाता है, और यह ऊर्जा को बर्बाद करता है। उनके प्रयोग में, पहले कमजोर पल्स ने एक ऐसा बादल बनाया जो बहुत कम सघन था और बड़े क्षेत्र में फैला हुआ था। जब शक्तिशाली लेजर ने इस बादल से टकराया, तो ऊर्जा गहराई तक प्रवेश कर सकी और टिन के एक बड़े आयतन को समान रूप से गर्म कर सकी। इससे टिन के अधिक परमाणु उस सटीक तापमान और विद्युत अवस्था तक पहुँच पाए, जो आवश्यक विशिष्ट रंग का प्रकाश उत्सर्जित करने के लिए जरूरी है।
यह समझने के लिए कि वास्तव में क्या हो रहा था, शोधकर्ताओं ने प्लाज्मा के बनने के दौरान उसे देखने के लिए कई उपकरणों का उपयोग किया। उन्होंने बादल के विस्तार को देखने के लिए उच्च गति वाली छाया चित्र (शैडो इमेज) लीं, और बादल के भीतर इलेक्ट्रॉनों के घनत्व को मापने के लिए लेजर इंटरफेरोमेट्री का उपयोग किया। इन मापों ने पुष्टि की कि दो-चरणीय पद्धति ने एक बड़ा, कम घनत्व वाला क्षेत्र बनाया जहाँ लेजर ऊर्जा कुशलतापूर्वक अवशोषित की जा सकती थी। उन्होंने आयनों की गति को भी मापा, जो प्लाज्मा से बाहर उड़ने वाले आवेशित परमाणु हैं। उन्होंने पाया कि अनुकूलित दो-चरणीय प्रक्रिया में, आयन धीमी गति से लेकिन बड़ी संख्या में चले, जो यह दर्शाता है कि ऊर्जा को एक छोटे क्षेत्र पर प्रहार करने के बजाय बादल में अधिक धीरे और प्रभावी ढंग से साझा किया जा रहा था। कंप्यूटर सिमुलेशन ने इन अवलोकनों से मेल खाया, जिससे पता चला कि कम घनत्व वाले बादल ने लेजर को केवल एक पतली त्वचा के बजाय टिन के पूरे आयतन को गर्म करने की अनुमति दी।
अध्ययन ने यह भी खुलासा किया कि समय (टाइमिंग) अत्यंत महत्वपूर्ण था। यदि दूसरा लेजर प्रहार बहुत जल्दी होता, तो बादल अभी भी बहुत सघन होता और प्रकाश अवशोषित हो जाता। यदि यह बहुत देर से होता, तो बादल इतना फैल चुका होता कि लेजर ऊर्जा बिना पर्याप्त रूप से गर्म किए सीधे पार निकल जाती। एक 'स्वीट स्पॉट' (इष्टतम बिंदु) था, पहले पल्स के एक विशिष्ट सेकंड के अंश के बाद, जहाँ घनत्व बिल्कुल सही था। दिलचस्प बात यह है कि शोधकर्ताओं ने पाया कि पहले कमजोर पल्स की शक्ति बदलने से प्रकाश की गुणवत्ता में कोई बड़ा बदलाव नहीं आया, जब तक कि दूसरे पल्स की टाइमिंग को बादल की नई विस्तार गति के अनुसार समायोजित किया गया। यह सुझाव देता है कि यह विधि सुदृढ़ है और इसे विभिन्न स्थितियों के लिए ट्यून किया जा सकता है।
हालांकि परिणाम उत्साहजनक थे, शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि इस विशिष्ट सेटअप में एक ऐसे प्रकार के लेजर का उपयोग किया गया है जो औद्योगिक कारखानों में वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले विशाल कार्बन डाइऑक्साइड लेजर से अलग है। प्रयोग में एक 'सॉलिड-स्टेट' लेजर का उपयोग किया गया था, जो छोटा और अधिक कुशल है, लेकिन जो दक्षता उन्होंने प्राप्त की वह वर्तमान औद्योगिक मशीनों की तुलना में अभी भी कम थी। फिर भी, यह कार्य इस सिद्धांत को सिद्ध करता है कि गर्म करने से पहले एक द्रव्यमान-सीमित, कम घनत्व वाले बादल को बनाना प्रकाश उत्पादन में सुधार करने का एक शक्तिशाली तरीका है। यह दिखाते हुए कि एक सरल दो-पल्स अनुक्रम (टू-पल्स सीक्वेंस) एक पतली फॉयल पर 'सेल्फ-एब्जॉर्प्शन' को नाटकीय रूप से कम कर सकता है, जो आमतौर पर प्रदर्शन को सीमित करता है, यह अध्ययन उन प्रकाशों को उत्पन्न करने के तरीके में सुधार करने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है जो इलेक्ट्रॉनिक्स के भविष्य को शक्ति देते हैं। निष्कर्ष बताते हैं कि प्लाज्मा बादल के घनत्व और आकार को नियंत्रित करके, वैज्ञानिक चिप बनाने की इस प्रक्रिया को अधिक कुशल बना सकते हैं, जिससे तकनीकी प्रगति की गति को बनाए रखने में मदद मिल सके।
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