Enhanced Extreme Ultraviolet Emission from Laser-heated Blow-Off Tin Plasmas

Moderne computerchips worden zo klein dat de kenmerken op deze chips worden gemeten in miljardsten van een meter. Om deze minuscule patronen te tekenen, gebruiken fabrikanten een speciaal type licht dat extreem ultraviolet wordt genoemd. Dit licht heeft een golflengte die zo kort is dat het alleen gegenereerd kan worden door een superhete, superdichte wolk van gas, bekend als een plasma, te creëren uit een druppel vloeibaar tin. Het proces houdt in dat het tin wordt geraakt met een krachtige laser om het in deze gloeiende wolk te veranderen, die vervolgens het licht uitzendt dat nodig is om de circuits te printen. Het maken van dit licht is echter moeilijk efficiënt te doen. Als het tin te dicht is, raakt het licht gevangen in de wolk en wordt het geabsorbeerd voordat het kan ontsnappen. Als de wolk te ijl is, gaat de laserenergie er dwars doorheen zonder het tin genoeg te verhitten om het licht te creëren. Het vinden van de perfecte balans is de sleutel tot het maken van snellere, goedkopere computerchips.

Onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory en andere instellingen verkenden onlangs een nieuwe manier om deze delicate balans te beheren. In plaats van een massief stuk tin of een enkele druppel direct met een krachtige laser te raken, probeerden ze een tweestapsbenadering met behulp van een zeer dunne laag tinfolie, slechts één micrometer dik. Eerst gebruikten ze een zwakke laserpuls om voorzichtig een wolk van tinatomen van de voorkant van de folie af te blazen. Dit creëerde een wolk van gas met een lage dichtheid die zich verspreid voor het metaal zweefde. Vervolgens raakten ze deze zwevende wolk een fractie van een seconde later met een veel sterkere laserpuls. Het doel was om te zien of het verhitten van deze vooraf uitgezette wolk meer van het nuttige licht zou produceren dan het verhitten van een solide blok tin.

Het team kwam tot de conclusie dat deze methode aanzienlijk beter werkte. Door de vertraging tussen de zwakke "blow-off"-puls en de sterke verhittingspuls zorgvuldig te timen, waren ze in staat om de hoeveelheid nuttig licht met wel 35 procent te verhogen vergeleken met het raken van een vast doelwit. Het geheim lag in de dichtheid van de tinwolk. Wanneer het tin solide of zeer dicht is, wordt de laserenergie slechts aan het uiterste oppervlak geabsorbeerd, wat een hete buitenlaag creëert die het licht van de hetere binnenkant blokkeert. Dit wordt zelfabsorptie genoemd, en het verspilt energie. In hun experiment creëerde de zwakke eerste puls een wolk die veel minder dicht was en over een groter gebied verspreid was. Wanneer de sterke laser de wolk raakte, kon de energie dieper binnendringen en een veel groter volume tin gelijkmatig verhitten. Hierdoor konden meer tinatomen exact de temperatuur en elektrische staat bereiken die nodig zijn om de specifieke kleur licht uit te stralen die vereist is voor de productie van chips.

Om precies te begrijpen wat er gebeurde, gebruikten de onderzoekers verschillende instrumenten om het plasma te observeren terwijl het vormde. Ze namen snelle schaduwbeelden op om te zien hoe de wolk expandeerde, en ze gebruikten laserinterferometrie om de dichtheid van elektronen binnen de wolk te meten. Deze metingen bevestigden dat de tweestapsmethode een groot, laag-dens gebied creëerde waar de laserenergie efficiënt geabsorbeerd kon worden. Ze maten ook de snelheid van de ionen, wat de geladen atomen zijn die uit het plasma vliegen. Ze ontdekten dat in het geoptimaliseerde tweestappenproces de ionen langzamer bewogen maar in grotere aantallen, wat erop wijst dat de energie meer geleidelijk en effectief over de wolk werd verdeeld in plaats van een klein gebied te bestoken. Computersimulaties kwamen overeen met deze waarnemingen en lieten zien dat de wolk met lage dichtheid de laser toestond om het gehele volume van het tin te verhitten, in plaats van alleen een dunne huid.

De studie onthulde ook dat de timing cruciaal was. Als de tweede laser te snel raakte, was de wolk nog te dicht en werd het licht geabsorbeerd. Als hij te laat raakte, was de wolk zo ver uitgezet dat de laserenergie er dwars doorheen ging zonder genoeg tin te verhitten. Er was een 'sweet spot', een specifiek fractie van een seconde na de eerste puls, waarbij de dichtheid perfect was. Interessant genoeg ontdekten de onderzoekers dat het veranderen van de sterkte van de eerste zwakke puls de kwaliteit van het licht niet drastisch veranderde, zolang de timing van de tweede puls werd aangepast aan de nieuwe expansiesnelheid van de wolk. Dit suggereert dat de methode robuust is en kan worden afgestemd op verschillende omstandigheden.

Hoewel de resultaten veelbelovend waren, merkten de onderzoekers op dat deze specifieke opstelling een type laser gebruikt dat verschilt van de enorme koolstofdioxide-lasers die momenteel in industriële fabrieken worden gebruikt. Het experiment gebruikte een solid-state laser, die kleiner en efficiënter is, maar de conversie-efficiëntie die zij bereikten was nog steeds lager dan wat momenteel mogelijk is met de industriële machines. Het werk bewijst echter dat het principe van het creëren van een massa-beperkte, laag-dens wolk vóór het verhitten een krachtige manier is om de lichtproductie te verbeteren. Door aan te tonen dat een eenvoudige twee-puls sequentie op een dunne folie de zelfabsorptie die de prestaties gewoonlijk beperkt, drastisch kan verminderen, biedt de studie een duidelijk pad voor het verbeteren van hoe we het licht genereren dat de toekomst van de elektronica aandrijft. De bevindingen suggereren dat door de controle over de dichtheid en de vorm van de plasmawolk, wetenschappers het proces van het maken van deze minuscule chips efficiënter kunnen maken, wat helpt om het tempo van de technologische vooruitgang in stand te houden.