Laser ekscymerowy - Excimer laser

Excimerowego laser , czasami bardziej poprawnie nazwać exciplex laser , jest formą ultrafioletowego lasera , który jest powszechnie stosowany w produkcji mikroelektroniki urządzeń półprzewodnikowych opartych układów scalonych lub „chipów”, chirurgii oka i mikroobróbki .

Laser excimerowy

Terminologia i historia

Termin excimer jest skrótem od „podekscytowany dimer ”, podczas gdy exciplex jest skrótem od „podekscytowany kompleks ”. Większość laserów excimerowych to lasery typu halogenek gazu szlachetnego, dla których określenie excimer jest, ściśle rzecz biorąc, mylące. (Chociaż rzadziej używany, właściwym terminem na to jest laser exciplex .)

Rozwój lasera ekscymerowego rozpoczął się od obserwacji powstającej linii widmowej zwężającej się przy 176 nm, o której   donosili w 1971 Nikołaj Basow , VA Danilychev i Yu. M. Popov, w Instytucie Fizycznym im. Lebiediewa w Moskwie , używając ciekłego dimeru ksenonowego (Xe 2 ) wzbudzanego wiązką elektronów . Zainspirowani tym raportem, HA Koehler i in. przedstawił lepsze uzasadnienie emisji wymuszonej w 1972 r. przy użyciu wysokociśnieniowego gazu ksenonowego. Ostateczne dowody działania ksenonowego lasera ekscymerowego przy długości fali 173 nm przy użyciu gazu pod wysokim ciśnieniem w 12 atmosferach, również pompowanego przez wiązkę elektronów, po raz pierwszy przedstawił w marcu 1973 r. Mani Lal Bhaumik z Northrop Corporation w Los Angeles. Zaobserwowano silną emisję stymulowaną, gdy linia widmowa lasera zawęziła się z kontinuum 15 nm do zaledwie 0,25 nm, a intensywność wzrosła tysiąckrotnie. Oszacowana moc lasera wynosząca 1 dżul była wystarczająco wysoka, aby odparować część powłok lustrzanych, które odciskały jego wzór modowy. Prezentacja ta wykazała wiarygodny potencjał opracowania laserów dużej mocy przy krótkich długościach fal.

Późniejszym ulepszeniem było zastosowanie halogenków gazów szlachetnych (pierwotnie Xe Br ) opracowanych przez wiele grup w 1975 roku. Grupy te obejmują Avco Everett Research Laboratory, Sandia Laboratories, Northrop Research and Technology Center , Morskie Laboratorium Badawcze Rządu Stanów Zjednoczonych , które opracowali także laser XeCl, który był wzbudzany za pomocą wyładowania mikrofalowego, oraz Los Alamos National Laboratory.

Budowa i eksploatacja

Laser excimerowy zazwyczaj wykorzystuje kombinację gazu szlachetnego ( argonu , kryptonu lub ksenonu ) i gazu reaktywnego ( fluor lub chlor ). W odpowiednich warunkach stymulacji elektrycznej i wysokim ciśnieniem, pseudo cząsteczka zwany Excimer (lub w przypadku drzew halogenków gazu exciplex ) jest utworzony, co może występować tylko w stanie zasilania i może doprowadzić do laserowego światło w zakres ultrafioletowy .

Działanie lasera w cząsteczce ekscymerowej zachodzi, ponieważ ma ona związany (asocjacyjny) stan wzbudzony , ale odpychający (dysocjacyjny) stan podstawowy . Gazy szlachetne, takie jak ksenon i krypton, są wysoce obojętne i zwykle nie tworzą związków chemicznych . Jednak w stanie wzbudzonym (indukowanym przez wyładowanie elektryczne lub wysokoenergetyczną wiązkę elektronów) mogą tworzyć czasowo związane cząsteczki ze sobą (excimer) lub z halogenami (exciplex), takimi jak fluor i chlor . Wzbudzony związek może uwolnić nadmiar energii poprzez spontaniczną lub wymuszoną emisję, w wyniku czego powstaje silnie odpychająca cząsteczka stanu podstawowego, która bardzo szybko (rzędu pikosekundy ) dysocjuje z powrotem na dwa niezwiązane atomy. To tworzy inwersję populacji .

Określanie długości fali

Długość fali lasera excimerowego zależy od użytych cząsteczek i zwykle występuje w ultrafiolecie:

Ekscymer Długość fali Względna moc
ar 2 * 126 mil morskich
Asz 2 * 146 mil morskich
F 2 * 157 mil morskich
Xe 2 * 172 i 175 nm
ArF 193 mil 60
KrCl .Name 222 mila 25
KrF 248 nm 100
XeBr 282 nm
XeCl .Name 308 nm 50
XeF 351 mil morskich 45

Lasery ekscymerowe, takie jak XeF i KrF, można również nieznacznie przestrajać za pomocą różnych układów pryzmatycznych i siatek wewnątrz wnęk.

Częstotliwość powtarzania impulsów

Chociaż lasery ekscymerowe pompowane wiązką elektronów mogą wytwarzać pojedyncze impulsy o wysokiej energii, są one na ogół oddzielone długimi okresami czasu (wiele minut). Wyjątkiem był system Electra, zaprojektowany do badań fuzji bezwładnościowej, który mógł wytworzyć impuls 10 impulsów, każdy o mocy 500 J w ciągu 10 sekund. W przeciwieństwie do tego, lasery ekscymerowe z pompą wyładowania, również po raz pierwszy zademonstrowane w Laboratorium Badawczym Marynarki, są w stanie generować stały strumień impulsów. Ich znacznie wyższe częstotliwości powtarzania impulsów (rzędu 100 Hz) i mniejsze rozmiary umożliwiły wykonanie większości zastosowań wymienionych w następnej sekcji. Seria laserów przemysłowych została opracowana w XMR, Inc w Santa Clara w Kalifornii w latach 1980-1988. Większość wyprodukowanych laserów to XeCl, a stała energia 1 J na impuls przy częstotliwości powtarzania 300 impulsów na sekundę była standardową wartością. Laser ten wykorzystywał tyratron o dużej mocy i przełączanie magnetyczne z prejonizacją koronową i był oceniany na 100 milionów impulsów bez większych zabiegów konserwacyjnych. Gazem roboczym była mieszanina ksenonu, HCl i neonu pod ciśnieniem około 5 atmosfer. Wprowadzono szerokie zastosowanie stali nierdzewnej, niklowania i litych elektrod niklowych w celu zmniejszenia korozji spowodowanej gazowym HCl. Jednym z głównych napotkanych problemów była degradacja okienek optycznych z powodu nagromadzenia węgla na powierzchni okienka CaF. Było to spowodowane reakcją wodoro-chlorowęglowodorów z małych ilości węgla w pierścieniach O-ring z gazowym HCl. Węglowodory z czasem powoli rosłyby i absorbowały światło lasera, powodując powolną redukcję energii lasera. Ponadto związki te rozkładałyby się w intensywnej wiązce laserowej i gromadziły się na szybie, powodując dalszą redukcję energii. Okresowa wymiana gazu laserowego i okien była wymagana pokaźnym kosztem. Zostało to znacznie ulepszone dzięki zastosowaniu systemu oczyszczania gazu składającego się z wymrażarki działającej nieco powyżej temperatury ciekłego azotu oraz metalowej pompy mieszkowej do recyrkulacji gazu laserowego przez wymrażarkę. Wymrażarka składała się ze zbiornika ciekłego azotu i grzejnika, który nieznacznie podnosił temperaturę, ponieważ w temperaturze 77 K (temperatura wrzenia ciekłego azotu) prężność par ksenonu była niższa niż wymagane ciśnienie robocze w mieszaninie gazów laserowych. HCl zamrożono w wymrażarce i dodano dodatkowy HCl w celu utrzymania właściwego stosunku gazu. Interesującym efektem ubocznym tego zjawiska był powolny wzrost energii lasera w czasie, przypisywany wzrostowi ciśnienia cząstkowego wodoru w mieszaninie gazowej, spowodowanego powolną reakcją chloru z różnymi metalami. Podczas reakcji chloru uwalniał się wodór, zwiększając ciśnienie cząstkowe. Wynik netto był taki sam, jak dodanie wodoru do mieszaniny w celu zwiększenia wydajności lasera, jak donosi TJ McKee i in.

Główne zastosowania

Fotolitografia

Lasery ekscymerowe są szeroko stosowane w wysokorozdzielczych maszynach fotolitograficznych , jednej z kluczowych technologii wymaganych do produkcji chipów mikroelektronicznych . Obecne najnowocześniejsze narzędzia do litografii wykorzystują głębokie światło ultrafioletowe (DUV) z laserów ekscymerowych KrF i ArF o długości fali 248 i 193 nanometrów (dominująca technologia litografii jest dziś nazywana również „litografią lasera ekscymerowego”), umożliwił zmniejszenie rozmiarów cech tranzystorów do 7 nanometrów (patrz poniżej). Litografia lasera ekscymerowego odegrała zatem kluczową rolę w ciągłym rozwoju tak zwanego prawa Moore'a przez ostatnie 25 lat.

Najbardziej rozpowszechnionym przemysłowym zastosowaniem laserów excimerowych jest fotolitografia w głębokim ultrafiolecie , technologia o krytycznym znaczeniu stosowana w produkcji urządzeń mikroelektronicznych (tj. półprzewodnikowych układów scalonych lub „chipów”). Historycznie, od wczesnych lat sześćdziesiątych do połowy lat osiemdziesiątych, lampy rtęciowo-ksenonowe były używane w litografii do tworzenia linii widmowych przy długościach fali 436, 405 i 365 nm. Jednak ze względu na zapotrzebowanie branży półprzewodnikowej zarówno na wyższą rozdzielczość (aby produkować gęstsze i szybsze chipy), jak i wyższą przepustowość (przy niższych kosztach), narzędzia do litografii oparte na lampach nie były już w stanie sprostać wymaganiom branży. Wyzwanie to zostało pokonane, gdy w ramach pionierskiego rozwoju w 1982 roku Kanti Jain zaproponował i zademonstrował w IBM litografię lasera ekscymerowego w głębokim UV . Dzięki fenomenalnym postępom dokonanym w technologii sprzętu w ciągu ostatnich dwóch dekad, a dziś urządzeniom mikroelektronicznym wytwarzanym przy użyciu litografii lasera ekscymerowego o łącznej rocznej produkcji 400 miliardów dolarów, przemysł półprzewodnikowy uważa, że ​​litografia lasera ekscymerowego była kluczowym czynnikiem w ciągłym postępie Moore'a. z 800 nanometrów w 1990 r. do 7 nanometrów w 2018 r. Z jeszcze szerszej perspektywy naukowej i technologicznej od czasu wynalezienia lasera w 1960 r. podkreśla się jeden z najważniejszych kamieni milowych w 50-letniej historii lasera.

Zastosowania medyczne

Światło ultrafioletowe z lasera excimerowego jest dobrze pochłaniane przez materię biologiczną i związki organiczne . Zamiast spalać lub ciąć materiał, laser excimerowy dodaje wystarczającą ilość energii, aby rozerwać wiązania molekularne tkanki powierzchniowej, która skutecznie rozpada się w powietrzu w ściśle kontrolowany sposób poprzez ablację, a nie spalanie. Tak więc lasery ekscymerowe mają tę przydatną właściwość, że mogą usuwać wyjątkowo cienkie warstwy materiału powierzchniowego prawie bez ogrzewania lub zmiany na pozostałą część materiału, która pozostaje nienaruszona. Te właściwości sprawiają, że lasery excimerowe doskonale nadają się do precyzyjnej mikroobróbki materiałów organicznych (w tym niektórych polimerów i tworzyw sztucznych) lub delikatnych zabiegów chirurgicznych, takich jak chirurgia oka LASIK . W latach 1980-1983, Rangaswamy Srinivasan , Samuel Blum i James J. Wynne na IBM „s TJ Watson Research Center zaobserwowali efekt ultrafioletowego lasera excimerowego na materiałach biologicznych. Zaintrygowani, przeprowadzili dalsze badania, stwierdzając, że laser wykonuje czyste, precyzyjne cięcia, które idealnie nadają się do delikatnych operacji. Zaowocowało to fundamentalnym patentem, a Srinivasan, Blum i Wynne zostali wybrani do Krajowej Galerii Sław wynalazców w 2002 roku. W 2012 roku członkowie zespołu zostali uhonorowani przez prezydenta Baracka Obamę Narodowym Medalem Technologii i Innowacji za ich pracę związaną z laser ekscymerowy. Kolejne prace wprowadziły laser excimerowy do zastosowania w angioplastyce . Lasery ekscymerowe z chlorkiem ksenonowym (308 nm) mogą również leczyć różne schorzenia dermatologiczne, w tym łuszczycę, bielactwo nabyte, atopowe zapalenie skóry, łysienie plackowate i leukodermię.

Jako źródła światła, lasery ekscymerowe mają na ogół duże rozmiary, co jest wadą w ich zastosowaniach medycznych, chociaż ich rozmiary szybko maleją wraz z ciągłym rozwojem.

Prowadzone są badania mające na celu porównanie różnic w wynikach bezpieczeństwa i skuteczności między konwencjonalną chirurgią refrakcyjną z użyciem lasera excimerowego a chirurgią refrakcyjną z prowadzeniem fali lub zoptymalizowaną pod kątem czoła fali, ponieważ metody czoła fali mogą lepiej korygować aberracje wyższego rzędu .

Badania naukowe

Lasery ekscymerowe są również szeroko stosowane w wielu dziedzinach badań naukowych, zarówno jako źródła pierwotne, a zwłaszcza laser XeCl, jako źródła pompujące do przestrajalnych laserów barwnikowych , głównie do wzbudzania barwników laserowych emitujących w niebiesko-zielonym obszarze widma. Lasery te są również powszechnie stosowane w pulsacyjnych systemach osadzania laserowego , gdzie ich duża fluencja , krótka długość fali i nieciągłe właściwości wiązki sprawiają, że są idealne do ablacji szerokiej gamy materiałów.

Zobacz też

Bibliografia