Numerische Lasersimulation

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 4085 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Studie wurde ein numerisches Modell der Plasmaausdehnung auf einer Tröpfchenoberfläche basierend auf der anfänglichen Plasmamethode vorgeschlagen. Das anfängliche Plasma wurde durch die Randbedingung des Druckeinlasses erhalten und die Auswirkung des Umgebungsdrucks auf das anfängliche Plasma und die adiabatische Expansion des Plasmas auf der Tröpfchenoberfläche, einschließlich der Auswirkung auf die Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung, wurden untersucht. Die Simulationsergebnisse zeigten, dass der Umgebungsdruck abnahm, was zu einem Anstieg der Expansionsrate und der Temperatur führte und daher eine größere Plasmagröße entstand. Die Plasmaexpansion erzeugt eine nach hinten treibende Kraft und umhüllt schließlich das gesamte Tröpfchen, was auf einen erheblichen Unterschied zu planaren Zielen hinweist.

Lasererzeugtes Plasma (LPP) wurde in vielen Anwendungen umfassend untersucht, beispielsweise in der Trägheitseinschlussfusion, der gepulsten Laserabscheidung in der Materialwissenschaft und der Lithographie1,2. Die Lithographie im extremen Ultraviolett (EUV) gilt als vielversprechende Technologie für die Herstellung von Halbleiterbauelementen der nächsten Generation mit Auflösungen unter 5 nm3,4. LPP wurde aufgrund seiner hohen Effizienz, Leistungsskalierbarkeit und räumlichen Freiheit rund um das Plasma für die EUV-Lichtquelle entwickelt5,6. In der EUV-Lichtquelle werden Metalltröpfchen als Ziele von einem gepulsten Laser bestrahlt, um ein heißes, dichtes Plasma zu erzeugen und EUV-Licht auszusenden.

Wenn ein Hochleistungslaser die Tröpfchenoberfläche bestrahlt, führt dies zu einer heftigen Verformung und zum Aufbrechen des Tröpfchens. Der durch gepulste Laser induzierte Antrieb und die starke Verformung eines Wassertropfens wurden von Klein et al.7 untersucht. Der Apparat zur Steuerung und Visualisierung wurde ausführlich besprochen8. Obwohl die strömungsdynamische Reaktion von Metall- und Wassertropfen auf den Lasereinschlag analog ist, ist der Antriebsmechanismus bemerkenswert unterschiedlich9. Der Hauptgrund ist die Erzeugung von Hochtemperaturplasma auf der Oberfläche des Metalltröpfchens.

Die Entwicklung von Plasma spielt eine Schlüsselrolle bei der Erzeugung von EUV aus Metalltröpfchen, die von einem Hochleistungslaser bestrahlt werden. Insbesondere die Parameter des Plasmazustands bestimmen die Absorption von Laserenergie und die Eigenschaften der EUV-Strahlung. Sato et al. haben das räumliche Profil der Elektronendichte, der Elektronentemperatur und der durchschnittlichen Ionenladung mithilfe einer Thomson-Streuungstechnik (TS) gemessen10. Sie fanden heraus, dass das räumliche Profil bei unterschiedlichen Plasmabedingungen unterschiedlich war. Unter allen Plasmabedingungen wurde eine intensive EUV-Emission nur bei ausreichend hoher Elektronentemperatur und in einem ausreichenden Elektronendichtebereich beobachtet. Sasaki et al.11 wiesen darauf hin, dass eine hohe Umwandlungseffizienz (CE) mit Plasma niedriger Dichte erzielt wird, das durch die Bestrahlung eines Zinn-Mikrotröpfchens mit dem Vorpulslaser zunächst erzeugt wird, um das vorgeformte Plasma zu erzeugen. Nach der Vorpuls-Laserbestrahlung dehnt sich das Plasma auf das Zehnfache des ursprünglichen Radius aus und führt dazu, dass die Dichte auf das 0,001-fache der Feststoffdichte abnimmt. Schupp et al.12 fanden heraus, dass die Laserintensität der relevante Parameter ist, der die Plasmatemperatur und die Ladungszustandsverteilung der Zinnionen festlegt, wenn Energie und Dauer des Laserpulses variiert werden, was dazu beitragen würde, einen hohen CE zu erreichen. Hochenergetische Ionen bei der Plasmaexpansion würden die Optik verunreinigen. Das Verständnis der Plasmaausdehnungsdynamik wäre für die Optimierung von Techniken zur Trümmerminderung von Vorteil13,14,15. Darüber hinaus beeinflusst die Plasmaexpansion auch die Verformung des Tropfens, was noch nicht ausreichend verstanden ist. Daher ist die Untersuchung der Plasmaexpansion für EUV-Lichtquellen von großer Bedeutung.

Die numerische Simulation ist eine effektive Methode zur Erforschung der Plasmaphysik in Laserablationsprozessen. Die lasererzeugte Plasmaexpansion besteht aus zwei Stufen: der isothermen Expansion während des Pulses und der adiabatischen Expansion nach dem Puls16. Für numerische Simulationen ist es notwendig, zunächst die Plasmaerzeugung zu modellieren, die hauptsächlich die Wechselwirkungen zwischen Laser und Ziel sowie die Laserenergieabsorption in Plasmen umfasst.

Moscicki und Hoffman17,18 haben ein theoretisches Modell für die Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Ziel und anschließend mit dem verdampften Material entwickelt und den Einfluss der Laserwellenlänge auf Parameter von laserablatiertem Kohlenstoffplasma untersucht. Galasso et al.19 schlugen ein einheitliches Modell für die Laserablation von Silizium vor, das zur Bestimmung der Verteilung der Laserenergie zwischen dem Ziel und dem Plasma verwendet wird. Als Hauptfaktoren wurden drei grundlegende Mechanismen identifiziert: der Übergang von der verdampfenden zur volumetrischen Massenentfernung bei der kritischen Temperatur, die Kollisions- und Strahlungsprozesse, die der anfänglichen Plasmabildungsphase zugrunde liegen, und die verstärkte Wirkung des Flüssigkeitsausstoßmechanismus. Wang et al. untersuchten außerdem den Plasmaabschirmeffekt, um die gepulste Laserablation eines Aluminiumziels mithilfe der Finite-Elemente-Analyse zu simulieren20.

Aus der Durchsicht numerischer Studien zu Plasma geht hervor, dass numerische Modelle sehr kompliziert wären, wenn Plasmamechanismen umfassend berücksichtigt würden, und eine große Herausforderung für die Entwicklung numerischer Modelle darstellen würden. Allerdings ist die adiabatische Expansion des Plasmas auch für die EUV-Lichtquelle entscheidend. In einem Doppelpuls-Schusssystem beeinflusst es die Verformung des Tröpfchenziels nach dem Vorpuls und die Emission des EUV nach dem Hauptpuls. Die Komplexität physikalischer Modelle während des gepulsten Lasers hat Forscher daran gehindert, weitere Studien zur adiabatischen Expansion des Plasmas durchzuführen. Daher ist es wichtig, ein effizienteres Modell zur Bewältigung dieser komplexen physikalischen Prozesse zu entwickeln, das auf geeigneten Annahmen basiert.

Su et al.21 entwickelten ein vereinfachtes strahlungshydrodynamisches Modell, das die Strahlungsübertragungsgleichung berücksichtigt, um die Strahlungseigenschaften und die dynamische Entwicklung hoch geladener Ionen in einem lasererzeugten Plasma im Vakuum zu untersuchen. Aggoune et al.22 untersuchten die Expansionseigenschaften eines Metalldampfes unter der Annahme einer anfänglichen Plasmaverteilung. Diese Arbeiten ignorierten den komplexen physikalischen Mechanismus der Plasmabildung und behandelten das Plasma mit einer bestimmten Form und einem bestimmten Zustand als anfängliche Verteilung, um seinen adiabatischen Expansionsprozess zu untersuchen, was das physikalische Modell des Plasmas erheblich vereinfachen kann.

Da in den vereinfachten Modellen zunächst die Form und der Zustand des anfänglichen Plasmas angenommen werden müssen, wird es hier als anfängliche Plasmamethode definiert. Obwohl einige physikalische Mechanismen in den vereinfachten Modellen ignoriert werden, können dennoch wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden, die belegen, dass die anfängliche Plasmamethode sehr effektiv ist23.

Bisher wurde die anfängliche Plasmamethode nur für planare Ziele verwendet und es gibt kein geeignetes Modell für Tropfenziele. Aufgrund der Kugelform des Tröpfchens gibt es keine Einschränkung für die Ausdehnung über den Tröpfchendurchmesser hinaus, und die Plasmaausdehnung auf der Tröpfchenoberfläche kann nicht wie im Fall eines planaren Targets theoretisch analysiert werden24. Die anfängliche Plasmamethode muss erweitert werden, um mehr Situationen abzudecken. Die Zieloberfläche wird durch einen Laserpuls gereizt und stößt aufgrund der Phasenänderung Dampfpartikel aus, die zu Plasma ionisiert werden25. Das Plasma absorbiert weiterhin Laserenergie und dehnt sich aus, was als isotherme Expansion identifiziert werden kann, bis der Laserpuls beendet wird. Obwohl der physikalische Prozess recht komplex ist, kann er als plasmadominiert angesehen werden. Für die numerische Modellierung ist es sinnvoll anzunehmen, dass das Plasma in einem bestimmten Zustand direkt von der Zieloberfläche austritt. Dadurch wird das physikalische Modell im Hinblick auf die Hochenergiephysik vereinfacht und in der Fluiddynamik effizienter. Unter dieser Annahme kann die anfängliche Plasmamethode zur Simulation der Plasmaexpansion, des Plasmaantriebs und der plasmainduzierten Tröpfchenverformung verwendet werden.

In dieser Arbeit wird ein numerisches Modell der Plasmaausdehnung auf der Tröpfchenoberfläche vorgeschlagen, das auf der anfänglichen Plasmamethode basiert. Das anfängliche Plasma wurde durch die Druckeinlass-Randbedingung erhalten. Untersucht wird der Einfluss des Umgebungsdrucks auf das anfängliche Plasma und die adiabatische Expansion des Plasmas auf der Tropfenoberfläche, einschließlich der Auswirkung auf die Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung.

Um die Komplexität des Problems zu reduzieren, werden der Einfachheit halber Annahmen getroffen. Das Plasma befindet sich im lokalen thermodynamischen Gleichgewicht (LTE) und wird als Mischung aus zwei Spezies betrachtet: Metalldampf und Umgebungsgas. Die Strömung wird als kompressible Flüssigkeit behandelt und folgt dem idealen Gasgesetz.

Die maßgeblichen Gleichungen sind die Massenerhaltung (Kontinuität), Gl. (1), Impuls, Gl. (2) und Energie, Gl. (3).

Dabei ist ρ die Dichte, U der Geschwindigkeitsvektor, p der Druck, μ die dynamische Viskosität, Cp die spezifische Wärme, κ die Wärmeleitfähigkeit und εr der Nettoemissionskoeffizient (NEC).

Die Transportgleichungen für das Standard-k-ε-Turbulenzmodell lauten:

Dabei ist k die kinetische Energie der Turbulenz, ε die Dissipationsrate, μt die turbulente Viskosität, Yi der Massenanteil jeder Spezies, Gk die Erzeugung der kinetischen Energie der Turbulenz, Ym der Beitrag der schwankenden Dilatation in kompressiblen Turbulenzen. C1ε, C2ε, σk und σε sind Konstanten.

Die Artentransportgleichungen in turbulenten Strömungen lauten:

In der Transportgleichung ist Yi der Massenanteil, Dm i der Massendiffusionskoeffizient (m2/s) und Sct die turbulente Schmidt-Zahl.

Der Rechenbereich ist achsensymmetrisch mit einer Abmessung von 1 mm × 0,6 mm, wie in Abb. 1a dargestellt. Der Halbkreis stellt die Tropfenoberfläche dar und der Tropfenradius beträgt R0 = 25 μm. Der linke Halbkreis, in dem der Laser aufleuchtet und das anfängliche Plasma entsteht, ist als Eingang für die Materialinjektion konzipiert (als Vorderseite markiert), und der rechte Halbkreis wird als Wand behandelt (als Rückseite markiert). Das physikalische Modell wird im Folgenden ausführlich beschrieben.

Schematische Darstellung (a) des Rechenbereichs und (b) der Vernetzung.

Da sich das Plasma mit enormer Geschwindigkeit ausdehnt, muss die Kompressibilität berücksichtigt werden. Um den Prozess des Plasmaausstoßes von der Vorderfläche zu simulieren, wird die Druckeinlass-Randbedingung verwendet. Das anfängliche Plasma wird durch Laserbestrahlung gebildet, wobei die typische Pulsdauer zwischen 3 und 10 ns liegt9,26,27,28,29, daher wird hier der Druckeinlass 3 ns lang aufrechterhalten, um die anfängliche Plasmaverteilung zu erhalten, danach nicht mehr Material wird ausgeworfen und als Randbedingung wird eine Wand festgelegt. Die anfängliche Plasmatemperatur und Zahlendichte für die Randbedingung des Druckeinlasses betragen T = 30.000 K und na = 1 × 1019 cm−3, die aus typischen thermodynamischen Plasmaparametern entnommen werden30,31. Da sich das Strömungsfeld zu diesem Zeitpunkt in einem Überschallzustand befindet, ist eine Netzverfeinerung des Bereichs 200 µm außerhalb der Tröpfchenoberfläche erforderlich, um genauere Simulationsergebnisse zu erhalten und die Stabilität der numerischen Iterationen aufrechtzuerhalten, siehe Abb. 1(b). .

Da Kurilovich et al.32 darauf hinwiesen, dass das Plasma innerhalb von 30–50 ns nach dem Ende des Lasers einen spürbaren Einfluss auf das Tröpfchenziel hat, wurde die adiabatische Expansion des anfänglichen Plasmas für 30 ns simuliert und der Einfluss des Umgebungsdrucks auf Das anfängliche Plasma sowie die adiabatische Expansion wurden untersucht. Die zugrundeliegenden Gleichungen werden numerisch in Ansys Fluent 16.0 gelöst.

Hierbei wird davon ausgegangen, dass es sich bei dem Plasma um eine Mischung aus Eisendampf und Argon handelt, und die Transportkoeffizienten stammen aus Murphys Berechnungen33. In heißem Plasma kann der Strahlungstransport nicht ignoriert werden, und eine wirksame Behandlung ist die Methode des Nettoemissionskoeffizienten (NEC)34,35. Die Transporteigenschaften des Plasmas sind in Abb. 2 als Funktion der Temperatur aufgetragen.

Transportkoeffizienten des Plasmas (a) spezifische Wärme, (b) Wärmeleitfähigkeit, (c) Viskosität und (d) Nettoemissionskoeffizient.

Um zu überprüfen, ob das Modell die Plasmaexpansion simulieren kann, muss die Dynamik der Wolke quantitativ untersucht werden. Nachdem sich das anfängliche Plasma gebildet hat, wird in Abb. 3 der Plasmaausdehnungsabstand R(t) (in Bezug auf (0,0) entlang der x-Achse) bei Umgebungsdrücken von 100 Pa und 1000 Pa verglichen. Dies kann der Fall sein Man sieht, dass es dem Stoßmodell bei einem Umgebungsdruck von 100 Pa und dem Widerstandsmodell bei einem Umgebungsdruck von 1000 Pa folgt. Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit der experimentellen Studie von Sharma et al.36 überein. Es ist erwähnenswert, dass die Ausdehnungsstrecke als Funktion der Zeit im Vakuum einer linearen Beziehung folgt, die sich von der in Umgebungsgasen unterscheidet37,38.

Plasmaausdehnungsstrecke als Funktion der Zeit bei unterschiedlichen Umgebungsdrücken.

Die Temperatur ist ein Schlüsselparameter des Plasmas. Zur weiteren Überprüfung der Temperaturverteilung aus dem Modell werden die Simulationen mit einer Zielgröße von 0,4 mm2 und einer Laserpulsdauer von 6 ns bei Atmosphärendruck durchgeführt, was dem Versuchsaufbau von Barthélemy et al.39 entspricht. Die Plasmatemperatur wurde aus erhalten Die Simulation wird mit Daten aus Messungen und Modellrechnungen verglichen, wie in Abb. 4 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Temperatur des Plasmas bis 1 μs deutlich abfällt und sich danach zunehmend verlangsamt. Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit den Versuchs- und Berechnungsdaten überein.

Zeitliche Entwicklung der Plasmatemperatur, erhalten aus (a) Simulationen, (b) Modellrechnungen und (c) experimentellen Messungen von Barthélemy et al.39.

Der Massenanteil, die Geschwindigkeit und die Temperaturverteilung des anfänglichen Plasmas auf der Tröpfchenoberfläche bei verschiedenen Umgebungsdrücken sind in Abb. 5 dargestellt, wobei pa der Umgebungsdruck ist. Die anfängliche Plasmagröße ist bei einem relativ niedrigeren Umgebungsdruck größer. Das Vorhandensein von Stoßfronten am äußeren Rand manifestiert sich als Bereich maximaler Werte in den Geschwindigkeits- und Temperaturkonturen, wie in Abb. 5b, c dargestellt. Dieses Modell kann die Entstehung von Stoßwellen während der schnellen Expansion des Plasmas vorhersagen, was in Experimenten häufig beobachtet wurde, wenn ein Laser ein Ziel traf40,41.

Einfluss des Umgebungsdrucks auf (a) Massenanteil, (b) Geschwindigkeit und (c) Temperatur für das anfängliche Plasma.

Da das Plasma aufgrund seines bei hoher Temperatur emittierten Lichts abgebildet wird, wird die Temperaturverteilung des anfänglichen Plasmas mit dem Bild verglichen, das ganz am Anfang des lasererzeugten Zinntröpfchenplasma-Experiments9 aufgenommen wurde, und die Ergebnisse sind in Abb. 6 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass das Tröpfchenziel im frühen Stadium der Plasmabildung auf einer Tröpfchenoberfläche in das heiße Plasma eingetaucht ist. Die Simulationsergebnisse stimmen mit den experimentellen Beobachtungen überein. Die Geschwindigkeits- und Temperaturprofile auf der Achse sind in Abb. 7 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass das Plasma bei niedrigem Umgebungsdruck eine größere Expansionsgeschwindigkeit erreichen kann, was eine größere Dimension des anfänglichen Plasmas impliziert. Die Temperatur erreicht einen Extremwert an der Position des Geschwindigkeitsmaximums, was auf die Sprünge physikalischer Parameter wie Geschwindigkeit, Temperatur, Druck und Dichte zurückzuführen ist, die vor und nach der Schockfront auftreten42,43.

(a) Das anfängliche Plasma und (b) Bild des lasererzeugten Zinntröpfchenplasmas im Experiment von Kurilovich et al.9.

(a) Geschwindigkeits- und (b) Temperaturprofile an der Achse im anfänglichen Plasma.

Die Auswirkung des Umgebungsdrucks auf die adiabatische Expansion des Plasmas auf der Tröpfchenoberfläche ist in Abb. 8 dargestellt. Das Plasma dehnt sich sowohl zur Vorder- als auch zur Rückseite des Tröpfchens aus und neigt dazu, das Tröpfchen zu umschließen bei niedrigeren Umgebungsdrücken deutlicher. Dieses Phänomen unterscheidet sich deutlich von der Plasmaexpansion auf einem planaren Ziel, da das Tröpfchen die Plasmaexpansion nicht einschränkt.

Einfluss des Umgebungsdrucks auf (a) Massenanteil, (b) Geschwindigkeit und (c) Temperatur für die Plasmaexpansion bei 30 ns.

Die Geschwindigkeits- und Temperaturprofile auf der Achse bei 30 ns sind in Abb. 9 aufgetragen. Da das Umgebungsgas die kinetische Energie der Plasmaexpansion schwächt, führt der Anstieg des Umgebungsdrucks zu einer deutlichen Abnahme der Maximalwerte der Geschwindigkeit während der Adiabatie Ausdehnung des Plasmas. Währenddessen verliert das Plasma bei höherem Umgebungsdruck durch Wärmeleitung und Strahlung mehr Energie, was zu einer niedrigeren Temperatur führt.

(a) Geschwindigkeits- und (b) Temperaturprofile an der Achse für die Plasmaexpansion bei 30 ns.

Abbildung 10 zeigt den Geschwindigkeitsvektor und die kinetische Energieverteilung bei der Plasmaexpansion. Aus Abb. 10a lässt sich erkennen, dass sich das Plasma radial ausdehnt, wobei das Tröpfchen das Zentrum bildet. Je niedriger der Umgebungsdruck, desto größer ist die kinetische Energie der Expansion sowie der Aufprall auf die Rückseite des Tropfens.

Einfluss des Umgebungsdrucks auf die Plasmaexpansion (a) Geschwindigkeitsvektoren und (b) kinetische Energie.

In diesem Artikel wird ein numerisches Modell der Plasmaausdehnung auf der Tröpfchenoberfläche vorgeschlagen, das auf der anfänglichen Plasmamethode basiert. Untersucht werden die Auswirkungen des Umgebungsdrucks auf das anfängliche Plasma und die adiabatische Expansion des Plasmas auf der Tropfenoberfläche. Im Allgemeinen nimmt der Umgebungsdruck ab, was zu einer Erhöhung der Expansionsrate und der Temperatur und damit zur Bildung einer größeren Plasmagröße führt. Das Plasma auf der Tröpfchenoberfläche dehnt sich radial aus und wirkt sich auch auf die Rückseite des Tröpfchens aus, was darauf hindeutet, dass eine rückwärts treibende Kraft erzeugt wird. Letztendlich umhüllt das Plasma das gesamte Tröpfchenziel, was einen erheblichen Unterschied zur Plasmaausdehnung auf einem planaren Ziel darstellt. Basierend auf diesem Modell können die Ionenverteilungen sowie die spektralen Eigenschaften der EUV-Lichtquelle weiter untersucht werden, wenn Ionisation und Strahlungstransfer berücksichtigt werden.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

Scheers, J. et al. Zeit- und ortsaufgelöste optische Starkspektroskopie im Nachleuchten von lasererzeugtem Zinntröpfchenplasma. Physik. Rev. E. 102, 13204 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Giovannini, AZ, Gambino, N., Rollinger, B. & Abhari, RS Winkelförmige Ionenspeziesverteilung in tröpfchenbasierten lasererzeugten Plasmen. J. Appl. Physik. 117, 33302 (2015).

Artikel Google Scholar

Hori, T. et al. 100-W-EUV-Lichtquellen-Schlüsselkomponenten-Technologie-Update für Hvm 977625 (SPIE, 2016).

Google Scholar

Yanagida, T. et al. Charakterisierung und Optimierung der Zinnpartikelminderung und der EUV-Umwandlungseffizienz in einer lasererzeugten Plasma-EUV-Lichtquelle 79692T (SPIE, 2011).

Google Scholar

Kawasuji, Y. et al. Schlüsselkomponenten-Technologie-Update der 250-W-Hochleistungs-Lpp-Euv-Lichtquelle 101432G (SPIE, 2017).

Google Scholar

Mizoguchi, H. et al. Aktualisierung des Entwicklungsstatus der EUV-Quelle für die HVM-Lithographie. J. Laser Micro Nanoeng. 11, 276–284 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Gelderblom, H. et al. Tropfenverformung durch Laser-Puls-Aufprall. J. Fluid Mech. 794, 676–699 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Klein, AL, Lohse, D., Versluis, M. & Gelderblom, H. Vorrichtung zur Kontrolle und Visualisierung des Aufpralls eines hochenergetischen Laserimpulses auf ein flüssiges Ziel. Rev. Sci. Instrument. 88, 95102 (2017).

Artikel Google Scholar

Kurilovich, D. et al. Plasmaantrieb eines metallischen Mikrotröpfchens und seine Verformung beim Laseraufprall. Physik. Rev. Appl. 6, 14018 (2016).

Artikel Google Scholar

Sato, Y. et al. Räumliche Profile von Elektronendichte, Elektronentemperatur, durchschnittlicher Ionenladung und EUV-Emission von lasererzeugten Sn-Plasmen für die EUV-Lithographie. Jpn. J. Appl. Physik. 56, 36201 (2017).

Artikel Google Scholar

Sasaki, A. et al. Modellierung der anfänglichen Wechselwirkung zwischen dem Laserpuls und dem Sn-Tröpfchenziel und der Vorplasmabildung für die Lpp-Euv-Quelle 97762C (SPIE, 2016).

Google Scholar

Schupp, R., Torretti, F., Meijer, RA, Bayraktar, M. & Versolato, OO Effiziente Erzeugung von extrem ultraviolettem Licht aus Nd:Yag-gesteuertem Mikrotröpfchen-Zinn-Plasma. Physik. Rev. Appl. 12, 014010 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Hudgins, D., Gambino, N., Rollinger, B. & Abhari, R. Neutrale Cluster-Trümmerdynamik in tröpfchenbasierten lasererzeugten Plasmaquellen. J. Phys. D 49, 185205–185217 (2016).

Artikel ADS Google Scholar

Gambino, N., Brandstätter, M., Rollinger, B. & Abhari, R. Ein halbkugelförmiger Langmuir-Sonden-Array-Detektor für winkelaufgelöste Messungen an tröpfchenbasierten lasererzeugten Plasmen. Rev. Sci. Instrument. 85, 93302 (2014).

Artikel Google Scholar

Poirier, L. et al. Stark anisotrope Ionenemission bei der Expansion von Nd:Yag-Laser-erzeugtem Plasma. Physik. Plasmen. 29, 123102 (2022).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Murakami, M., Kang, YG, Nishihara, K., Fujioka, S. & Nishimura, H. Ionenenergiespektrum eines expandierenden Laserplasmas mit begrenzter Masse. Physik. Plasmen. 12, 62706 (2005).

Artikel Google Scholar

Hoffman, J., Moscicki, T. & Szymanski, Z. Die Wirkung der Laserwellenlänge auf die Erwärmung abgetragener Kohlenstoffwolken. Appl. Physik. A 104, 815–819 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Moscicki, T., Hoffman, J. & Szymanski, Z. Die Wirkung der Laserwellenlänge auf laserinduziertes Kohlenstoffplasma. J. Appl. Physik. 114, 83306 (2013).

Artikel Google Scholar

Galasso, G., Kaltenbacher, M., Tomaselli, A. & Scarpa, D. Ein einheitliches Modell zur Bestimmung der Energieverteilung zwischen Target und Plasma bei der Nanosekunden-Laserablation von Silizium. J. Appl. Physik. 117, 123101 (2015).

Artikel ADS Google Scholar

Wang, Y. & Hahn, DW Ein einfaches Finite-Elemente-Modell zur Untersuchung der Auswirkung der Plasmafahnenausdehnung auf die gepulste Laserablation von Aluminium im Nanosekundenbereich. Appl. Physik. A 125, 654 (2019).

Artikel ADS Google Scholar

Su, MG et al. Entwicklungsanalyse der EUV-Strahlung aus lasererzeugten Zinnplasmen basierend auf einem Strahlungshydrodynamikmodell. Wissenschaft. Rep.-UK 7, 45212 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Aggoune, S., Vidal, F. & Amara, EH Numerische Untersuchung der Expansion von Metalldampfplasma durch einen Nanosekunden-Laserpuls. Appl. Physik. A 101, 167–171 (2010).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Min, Q. et al. Strahlungseigenschaften und hydrodynamische Entwicklung hoch geladener Ionen in lasererzeugtem Siliziumplasma. Opt. Lette. 41, 5282 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Stapleton, MW, McKiernan, AP & Mosnier, JP Expansionsdynamik und Gleichgewichtsbedingungen in einer Laserablationswolke aus Lithium: Modellierung und Experiment. J. Appl. Physik. 97, 64904 (2005).

Artikel Google Scholar

Brandstätter, M., Gambino, N. & Abhari, RS Zeitlich und ortsaufgelöste Ionendynamik tröpfchenbasierter lasererzeugter Zinnplasmen in lateraler Expansionsrichtung. J. Appl. Physik. 123, 43308 (2018).

Artikel Google Scholar

Torrisi, L. et al. Kohlenstoffplasma, erzeugt im Vakuum durch Ablation mit Laserpulsen von 532 Nm–3 Ns. Appl. Surfen. Wissenschaft. 252, 6383–6389 (2006).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zeng, X., Mao, XL, Greif, R. & Russo, RE Experimentelle Untersuchung der Ablationseffizienz und Plasmaexpansion während der Femtosekunden- und Nanosekunden-Laserablation von Silizium. Appl. Physik. A 80, 237–241 (2005).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Vogt, U. et al. Skalierung einer Flüssigwasserstrahl-Laserplasmaquelle auf eine hohe Durchschnittsleistung für die Extrem-Ultraviolett-Lithographie 535–542 (SPIE, 2001).

Google Scholar

Klein, AL et al. Tropfenformung durch Laser-Puls-Aufprall. Physik. Rev. Appl. 3, 044018 (2015).

Artikel ADS Google Scholar

De Giacomo, A., Dell'Aglio, M., Gaudiuso, R., Amoruso, S. & De Pascale, O. Auswirkungen der Hintergrundumgebung auf Bildung, Entwicklung und Emissionsspektren laserinduzierter Plasmen. Spektrochem. Acta Teil B 78, 1–19 (2012).

Artikel ADS Google Scholar

Shabanov, SV & Gornushkin, IB Zweidimensionale achsensymmetrische Modelle laserinduzierter Plasmen, relevant für die laserinduzierte Durchbruchspektroskopie. Spektrochem. Acta Teil B 100, 147–172 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kurilovich, D. et al. Potenzgesetzskalierung des Plasmadrucks auf laserablatierte Zinn-Mikrotröpfchen. Physik. Plasmen 25, 12709 (2018).

Artikel Google Scholar

Murphy, AB Die Auswirkungen von Metalldampf beim Lichtbogenschweißen. J. Phys. D 43, 434001 (2010).

Artikel ADS Google Scholar

Abdo, Y., Rohani, V. & Fulcheri, L. Eine optimale Methode zur Berechnung des Parameters Rs des Nettoemissionskoeffizienten-Näherungsansatzes zur Bestimmung der elektrischen und thermischen Eigenschaften von Plasmabögen. J. Phys. D 50, 445202 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Gleizes, A., Gonzalez, JJ, Liani, B. & Raynal, G. Berechnung des Nettoemissionskoeffizienten thermischer Plasmen in Mischungen aus Gas und Metalldampf. J. Phys. D 26, 1921–1927 (1993).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Sharma, AK & Thareja, RK Plume-Dynamik von lasererzeugtem Aluminiumplasma in Umgebungsstickstoff. Appl. Surfen. Wissenschaft. 243, 68–75 (2005).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Mahmood, S., Rawat, RS, Springham, SV, Tan, TL & Lee, P. Studie zur Materialablation und Plasmafahnenausdehnung von Fe- und Graphitzielen in Ar-Gasatmosphäre. Appl. Physik. A 101, 695–699 (2010).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Sankar, P., Shashikala, HD & Philip, R. Ionendynamik eines lasererzeugten Aluminiumplasmas bei verschiedenen Umgebungsdrücken. Appl. Physik. A. https://doi.org/10.1007/s00339-017-1417-0 (2018).

Artikel Google Scholar

Barthélemy, O. et al. Einfluss der Laserparameter auf die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften eines Aluminiumlaser-induzierten Plasmas. Spektrochem. Acta Teil B 60, 905–914 (2005).

Artikel ADS Google Scholar

Cao, SQ et al. Dynamik und Dichteverteilung von lasererzeugtem Plasma mittels optischer Interferometrie. Physik. Plasmen 25, 63302 (2018).

Artikel Google Scholar

Sai Shiva, S. et al. Rolle von Laserabsorptions- und Zustandsgleichungsmodellen auf die durch NS-Laser induzierte ablative Plasma- und Stoßwellendynamik in der Umgebungsluft: Numerische und experimentelle Untersuchungen. Physik. Plasmen 26, 72108 (2019).

Artikel Google Scholar

Qiu, R. et al. Mesoskopischer kinetischer Ansatz zur Untersuchung hydrodynamischer und thermodynamischer Nichtgleichgewichtseffekte von Stoßwellen, Kontaktdiskontinuitäten und Verdünnungswellen im instationären Stoßrohr. Physik. Rev. E. 103, 53113 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zhang, Z. & Gogos, G. Theorie der Stoßwellenausbreitung während der Laserablation. Physik. Rev. B 69, 235401–235403 (2004).

Artikel ADS Google Scholar

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Diese Arbeit wurde gemeinsam von der National Natural Science Foundation of China unter der Fördernummer 51776031 und den Fundamental Research Funds for the Central Universities (Nr. DUT19LAB04) unterstützt.

Schlüssellabor für Meeresenergienutzung und Energieeinsparung des Bildungsministeriums, Technische Universität Dalian, Dalian, 116024, China

Zhenyu Zhao & Weizhong Li

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ZZ führte die Simulationen durch und schrieb das Manuskript. WL hat das Manuskript überarbeitet.

Korrespondenz mit Zhenyu Zhao.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhao, Z., Li, W. Numerische Simulation der lasererzeugten Plasmaexpansion auf einer Tröpfchenoberfläche. Sci Rep 13, 4085 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-31069-x

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Eingegangen: 29. Juni 2022

Angenommen: 06. März 2023

Veröffentlicht: 11. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31069-x

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