De geheimen van het euv-plasma ontrafeld

Reading time: 3 minutes

Author:

Euv-plasma’s komen op twee plaatsen voor in het universum: in de ruimte en in de scanners van ASML. Veel was er niet bekend over hun fysica, totdat onlangs een Eindhovense promovendus zich erop stortte.

Een kwart eeuw geleden was extreem ultraviolette straling (euv-straling) nog een tamelijk obscuur onderzoeksonderwerp. Vadime Banine, research director bij ASML en parttime hoogleraar bij de TU Eindhoven, laat met een staafgrafiek zien dat er in een typisch jaar een handjevol publicaties over verscheen. ‘Dat zijn voornamelijk astronomische publicaties over euv-plasma’s die in de ruimte te vinden zijn’, vertelt Banine. Pas in de jaren negentig gingen onderzoekers op aarde meer met euv spelen, met een explosie in het aantal publicaties tot gevolg.

Dat onderzoek kreeg al snel een industriële toepassing: rond de eeuwwisseling werd euv aangewezen als de opvolger van diep ultraviolet (duv) licht in de lithografische tools voor chipfabricage. Hoewel de ontwikkeling van deze euv-machines inmiddels zo ver gevorderd is dat ze naar verwachting over twee tot drie jaar hun debuut maken in massaproductie, kent het fenomeen euv nog vele geheimen.

Zo was er nog niemand aan toegekomen om euv-plasma’s van dichtbij te bestuderen. Omdat deze plasma’s onvermijdelijk zijn in ASML’s euv-scanners, trok Banine Ruud van der Horst aan om ze in een promotieonderzoek tegen het licht te houden. ASML betaalde de studie, waarop Van der Horst eind vorig jaar cum laude promoveerde.

Contractie

Euv-plasma’s ontstaan wanneer een gas in contact komt met de zeer energierijke euv-straling (de wetenschappelijke term is dan ook euv-geïnduceerde plasma’s). In euv-scanners heerst een vacuüm, maar er vliegen nog genoeg moleculen rond die kunnen worden geïoniseerd. Ook al is dit plasma vrij zwak, het is sterk genoeg om invloed uit te oefenen op de componenten in de machine. Denk bijvoorbeeld aan de delicate euv-optiek in het systeem.

Als euv door een gas wordt geleid, ontstaat een plasma dat een zichtbaar lichtschijnsel afgeeft.

Van der Horst keek vooral naar het gedrag van elektronen in het plasma, aangezien deze deeltjes voor het grootste deel het gedrag van het plasma bepalen. Hij experimenteerde met twee verschillende gassen: argon, waarvan bekend is dat zijn euv-plasma relatief makkelijk is te meten, en het industrieel vaker gebruikte waterstof.

Eerst keek de jonge onderzoeker spectroscopisch naar de euv-plasma’s. Hij stuurde euv-licht door een gat in het deksel van een aluminium ‘koekdoos’, waarin het gas zat opgesloten. Met microgolfpulsen kon Van der Horst vervolgens de dichtheid van vrije elektronen achterhalen: bij het ontstaan van een plasma verschuift de resonantiefrequentie evenredig met het aantal elektronen dat is losgeslagen.

Met een speciale ccd-camera kon Van der Horst ook in beeld brengen hoe het plasma zich gedraagt tijdens de euv-puls en daarna. De camera neemt het zichtbare licht waar dat het plasma uitzendt. Dat kun je met het blote oog ook waarnemen, maar de karakteristieke contractie van het plasma tijdens de puls en de expansie daarna gaat te snel voor mensen om te zien.

Chemie

Deze experimenten leverden onder meer informatie op over hoe in de verschillende gassen elektronen worden losgemaakt, hoe zij daarna bewegen en hoe ze uiteindelijk weer ‘op hun plaats’ vallen. ‘Deze kennis is belangrijk om te bepalen hoe het plasma in een scanner inwerkt op de spiegels, zonder tijdrovende experimenten te moeten doen’, zegt Van der Horst. ‘Deze invloed wordt alleen maar groter als het vermogen van de euv-bron toeneemt in de toekomst.’

Wat de invloed precies is, blijkt niet uit het onderzoek, maar om dat te weten te komen, bereidt Banine een vervolgproject voor. Na de fysica gaat dit de chemie van euv-plasma’s in kaart brengen.