La luz ultravioleta extrema (luz EUV) no ocurre naturalmente en la Tierra, pero se puede producir. En máquinas de nanolitografía, La luz EUV se genera utilizando un plasma de estaño inmensamente caliente. Investigadores de ARCNL, en estrecha colaboración con el Laboratorio Nacional Americano de Los Alamos, han descubierto cómo un plasma de este tipo emite luz EUV a nivel atómico, y he hecho descubrimientos inesperados, informando que se encontró que todos los estados de energía excitada del estaño tenían la energía adecuada para emitir luz EUV. Los investigadores publicaron sus hallazgos en Comunicaciones de la naturaleza el 11 de mayo.

Las máquinas de litografía de última generación utilizan luz EUV para imprimir estructuras extremadamente pequeñas en chips. La luz EUV con una longitud de onda de alrededor de 13,5 nanómetros se puede reflejar de manera eficiente utilizando espejos multicapa avanzados. La fuente de luz en tales máquinas es un plasma de estaño. Para producirlo una gota de estaño se calienta con un láser hasta un punto en el que se convierte en plasma que emite radiación EUV. Exactamente cómo se lleva a cabo este proceso es una de las preguntas que el investigador de ARCNL Oscar Versolato esperaba responder con la beca ERC que recibió en 2018. Junto al investigador estadounidense James Colgan, su equipo logró obtener una respuesta mucho más completa y precisa a esa pregunta de lo que era posible anteriormente.

Paquetes de energía

"Si calentamos el estaño a una temperatura extremadamente alta, hasta 400, 000 grados Celsius, luego, los átomos se descomponen en electrones libres e iones cargados positivamente de diferentes cargas. Es más, muchos de estos iones están en un estado excitado:uno o más de los electrones en órbita tiene una porción extra de energía. Estos electrones giran en una órbita que está más lejos del núcleo atómico que la órbita más cercana. Cuando regresan a una órbita más cercana al núcleo, que se libera energía adicional en forma de radiación EUV, "Explica Versolato." En una ión de estaño, un solo electrón puede tener un paquete de energía extra, pero también es posible que varios electrones tengan uno simultáneamente. Orbitan en el primero, segundo tercio o incluso la cuarta capa alrededor del núcleo atómico. Sin embargo, la probabilidad de que un electrón alcance un estado de excitación superior se vuelve cada vez más pequeña con cada paso hacia arriba. Por lo tanto, se asumió generalmente que los electrones en el primer estado excitado emitían principalmente la luz EUV en plasma de estaño ".

Experimento versus supercomputadora

Dado que las mediciones experimentales del espectro EUV no coincidían totalmente con ese supuesto, los investigadores sospecharon que los estados de mayor energía también contribuían a la luz EUV emitida por el plasma de estaño, pero el proceso exacto no estaba claro. Versolato dice:"La única forma de obtener certeza al respecto era calcular todas las posibles transiciones de energía en el plasma de estaño, una tarea casi imposible. Hay más de 10 mil millones de posibles transiciones entre los niveles de energía de los electrones en el plasma de estaño ".

Solo una supercomputadora es lo suficientemente poderosa para realizar tales cálculos. Por lo tanto, los físicos de ARCNL buscaron la colaboración con el Laboratorio Nacional de Los Alamos, que cuenta tanto con supercomputadoras como con expertos en el área de la física atómica. "Como resultado de esta colaboración, éramos, por primera vez, capaz de describir cómo el plasma de estaño emite luz EUV con increíble precisión e integridad. Y eso arrojó conocimientos sorprendentes ".

Fuente única de EUV

Al comparar sus experimentos de laboratorio con los cálculos de Los Alamos, Los investigadores descubrieron que no son sólo los electrones los que regresan del primer estado de energía excitada los que emiten luz a 13,5 nanómetros. Los electrones en capas superiores también contribuyeron a esto, porque la diferencia de energía entre sucesivos estados excitados es la misma. "Esto significa que cada electrón que vuelve a un estado de menor energía contribuye a la emisión de luz de 13,5 nanómetros. Esa propiedad hace que el plasma de estaño sea único y excepcionalmente adecuado como fuente de EUV". "dice Versolato.

La investigación fundamental con la fuente de gotas de estaño y la configuración del láser ha sacado a la luz las propiedades inusuales del plasma de estaño. Versolato:"Hemos adquirido nuevos conocimientos sorprendentes sobre la creación de la luz EUV. Debido a nuestra mejor comprensión de cómo funciona el proceso, podríamos contribuir a una mayor optimización de las fuentes de EUV en el futuro ".