Boksen met tindruppels

Het onderzoek in de groep van Oscar Versolato binnen Arcnl is een voorbeeld van fundamentele fysica geïnspireerd op een industriële toepassing, in dit geval de nieuwste generatie chipmachines van ASML. Deze gebruiken extreem ultraviolet (EUV) licht, met een zeer korte golflengte om de kleinste structuren op chips te ‘printen’. "Een goede bron voor EUV-licht is een laser-geproduceerd plasma", vertelt Versolato. "Daarbij maakt de laser een druppel vloeistof zó heet dat het materiaal uiteenvalt in losse elektronen en atoomkernen (ionen). Dit zogeheten plasma zendt EUV-licht uit dat bruikbaar is in de nieuwste nanolithografiemachines."

Dubbele stoot

Het vormen van een lasergeproduceerd plasma uit tindruppels gebeurt in twee stappen. Een eerste laserpuls deelt een klap uit die de druppel versnelt en vervormt, waarna een tweede, veel krachtigere laserpuls zorgt voor de knock-out: de vervormde druppel verandert in een plasma, dat EUV-licht uitstraalt. Versolato: "De juiste vervorming door die eerste stoot luistert nauw voor de uiteindelijk efficiëntie van het gehele proces."

Dubbele fysica

Versolato’s groep ontwierp een experiment dat de industriële omstandigheden zoveel mogelijk nabootst om de fysica achter de vervorming van tindruppels te bestuderen. Ook testten de onderzoekers een recent ontwikkeld analytisch model dat de vervorming beschrijft. "Er spelen twee soorten fysica een rol", vertelt Versolato. "In de eerste nanoseconden, tijdens de laserpuls, is dat plasmafysica: er ontstaat een plasma dat de druppel voortstuwt en vervormt. Die vervorming duurt enige microseconden en kunnen we beschrijven met vloeistoffysica."

In samenwerking met Alexander Klein en Hanneke Gelderblom van de Universiteit Twente, toonden de Arcnl-wetenschappers aan dat de vervorming van de tindruppels overeenkomt met de vervorming van een druppel water onder invloed van laserlicht. "Hoewel de fysica van de versnelling verschilt, is de vloeistoffysica volledig schaalbaar", aldus Versolato. "Bovendien blijkt de versnelling van de tindruppel heel mooi af te hangen van de intensiteit van de laserpuls. Deze eerste resultaten van Arcnl dragen bij aan het begrip van de eerste stap in de vorming van laser-geproduceerd plasma voor EUV-licht."

Arcnl

Arcnl werd in januari 2014 opgericht en vormt een publiek-private samenwerking tussen de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk onderzoek (NWO), de Universiteit van Amsterdam, de Vrije Universiteit Amsterdam, en ASML, wereldmarktleider in de productie van lithografiemachines. Arcnl verricht op hoog niveau fundamenteel wetenschappelijk onderzoek dat relevant is voor de nanolithografie.

Dmitry Kurilovich, Alexander L. Klein, Francesco Torretti, Adam Lassise, Ronnie Hoekstra, Wim Ubachs, Hanneke Gelderblom, and Oscar O. Versolato, Plasma Propulsion of a Metallic Microdroplet and its Deformation upon Laser Impact, Physical Review Applied, 29 juli 2016l