La lumière ultraviolette extrême (lumière EUV) ne se produit pas naturellement sur Terre, mais il peut être produit. Dans les machines de nanolithographie, La lumière EUV est générée à l'aide d'un plasma d'étain extrêmement chaud. Chercheurs à l'ARCNL, en étroite collaboration avec le Laboratoire National Américain de Los Alamos, ont découvert comment un tel plasma émet de la lumière EUV au niveau atomique, et ont fait des découvertes inattendues, rapportant que tous les états d'énergie excités de l'étain ont la bonne énergie pour émettre de la lumière EUV. Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans Communication Nature le 11 mai.

Les machines de lithographie de pointe utilisent la lumière EUV pour imprimer des structures extrêmement petites sur des puces. La lumière EUV d'une longueur d'onde d'environ 13,5 nanomètres peut être réfléchie efficacement à l'aide de miroirs multicouches avancés. La source lumineuse de ces machines est un plasma d'étain. Pour le produire, une goutte d'étain est chauffée par un laser jusqu'à un point où elle devient un plasma qui émet un rayonnement EUV. Comment se déroule exactement ce processus est l'une des questions auxquelles Oscar Versolato, chercheur à l'ARCNL, espérait répondre avec la bourse ERC qu'il a reçue en 2018. En collaboration avec le chercheur américain James Colgan, son équipe a réussi à obtenir une réponse beaucoup plus complète et précise à cette question qu'auparavant.

Paquets d'énergie

"Si nous chauffons l'étain à une température extrêmement élevée, jusqu'à 400, 000 degrés Celsius, puis les atomes se désagrègent en électrons libres et en ions chargés positivement de charges différentes. Par ailleurs, beaucoup de ces ions sont dans un état excité :un ou plusieurs des électrons en orbite ont une portion supplémentaire d'énergie. Ces électrons tournent sur une orbite plus éloignée du noyau atomique que l'orbite la plus proche. Lorsqu'ils reviennent sur une orbite plus proche du noyau, qu'une énergie supplémentaire est libérée sous forme de rayonnement EUV, " explique Versolato. " Dans un ion d'étain, un seul électron peut avoir un tel paquet d'énergie supplémentaire, mais il est aussi possible que plusieurs électrons en aient un simultanément. Ils orbitent dans le premier, deuxième tiers ou même quatrième coquille autour du noyau atomique. Cependant, la probabilité qu'un électron atteigne un état excité plus élevé devient de plus en plus petite à chaque pas vers le haut. Il était donc généralement supposé que les électrons dans le premier état excité émettaient principalement la lumière EUV dans le plasma d'étain."

Expérience versus supercalculateur

Comme les mesures expérimentales du spectre EUV n'étaient pas entièrement d'accord avec cette hypothèse, les chercheurs ont suspecté que les états à haute énergie contribuaient également à la lumière EUV émise par le plasma d'étain, mais le processus exact n'était pas clair. Versolato dit, "La seule façon d'en avoir la certitude était de calculer toutes les transitions énergétiques possibles dans le plasma d'étain, une tâche presque impossible. Il y a plus de 10 milliards de transitions possibles entre les niveaux d'énergie pour les électrons dans le plasma d'étain."

Seul un supercalculateur est assez puissant pour effectuer de tels calculs. Les physiciens de l'ARCNL ont donc recherché une collaboration avec le Laboratoire national de Los Alamos, qui possède à la fois des supercalculateurs et des experts dans le domaine de la physique atomique. « Grâce à cette collaboration, nous étions, pour la première fois, capable de décrire comment le plasma d'étain émet une lumière EUV avec une précision et une exhaustivité incroyables. Et cela a donné des informations surprenantes. »

Source EUV unique

En comparant leurs expériences de laboratoire avec les calculs de Los Alamos, les chercheurs ont découvert que ce ne sont pas seulement les électrons qui reviennent du premier état d'énergie excité qui émettent de la lumière à 13,5 nanomètres. Les électrons dans les couches supérieures ont également contribué à cela, car la différence d'énergie entre les états excités successifs est la même. "Cela signifie que chaque électron qui revient à un état d'énergie inférieur contribue à l'émission de lumière de 13,5 nanomètres. Cette propriété rend le plasma d'étain unique et exceptionnellement adapté comme source EUV, " dit Versolato.

La recherche fondamentale avec la source de gouttelettes d'étain et la configuration laser ont mis en lumière les propriétés inhabituelles du plasma d'étain. Versolato : « Nous avons acquis de nouvelles connaissances surprenantes sur la création de la lumière EUV. Grâce à notre meilleure compréhension du fonctionnement du processus, nous pourrions peut-être contribuer à l'optimisation des sources EUV à l'avenir."