Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Эксимерный лазер , иногда более правильно называть эксиплекс лазером , является формой ультрафиолетового лазера , который обычно используется в производстве микроэлектронных устройств, полупроводниковые на основе интегральных схем или «чипы», глазной хирургии , и микрообработки .

Эксимерный лазер

Терминология и история [ править ]

Термин « эксимер» является сокращением от «возбужденного димера », а термин « эксиплекс» - от «возбужденного комплекса ». Большинство эксимерных лазеров относятся к типу галогенидов благородных газов, для которых термин « эксимер» , строго говоря, неверен. (Хотя его используют реже, правильным термином для такого обозначения является эксиплексный лазер .)

Эксимерный лазер был изобретен в 1970 году [1] с Николаем Басовым , В. А. Данилычев и Ю. М. Попов из Физического института им. П. Н. Лебедева в Москве , используя димер ксенона (Xe 2 ), возбуждаемый электронным пучком, для получения стимулированного излучения на длине волны 172 нм . Позднее усовершенствование, разработанное многими группами в 1975 г. [2], заключалось в использовании галогенидов благородных газов (первоначально Xe Br ). Эти группы включают в научно - исследовательской лаборатории Авко Everett, [3] Sandia Laboratories, [4] с Northrop научно-технический центр , [5] правительство Соединенных Штатов в Naval Research Laboratory [6] , который также разработал XeCl лазер [7] , который был возбужден с помощью микроволнового разряда. [8] и Лос-Аламосская национальная лаборатория. [9]

Строительство и эксплуатация [ править ]

В эксимерном лазере обычно используется комбинация благородного газа ( аргона , криптона или ксенона ) и химически активного газа ( фтора или хлора ). При соответствующих условиях электростимуляции и высокого давления создается псевдомолекула , называемая эксимером (или, в случае галогенидов благородных газов, эксиплекс ), которая может существовать только в возбужденном состоянии и может вызывать лазерный свет в ультрафиолетовый диапазон. [10] [11]

Лазерное воздействие на эксимерную молекулу происходит потому, что она имеет связанное (ассоциативное) возбужденное состояние , но основное отталкивающее (диссоциативное) состояние . Благородные газы, такие как ксенон и криптон , очень инертны и обычно не образуют химических соединений . Однако в возбужденном состоянии (вызванном электрическим разрядом или пучками электронов высокой энергии) они могут образовывать временно связанные молекулы сами с собой (эксимеры) или с галогенами (эксиплекс), такими как фтор и хлор . Возбужденное соединение может выделять свою избыточную энергию, подвергаясь спонтанномуили стимулированное излучение, приводящее к сильно отталкивающей молекуле в основном состоянии, которая очень быстро (порядка пикосекунды ) диссоциирует обратно на два несвязанных атома. Это формирует инверсию населения .

Определение длины волны [ править ]

Длина волны эксимерного лазера зависит от используемых молекул и обычно находится в ультрафиолетовом диапазоне:

ЭксимерДлина волныОтносительная мощность
Ar 2 *126 нм
Кр 2 *146 нм
F 2 *157 нм
Xe 2 *172 и 175 нм
ArF193 нм60
KrCl222 нм25
KrF248 нм100
XeBr282 нм
XeCl308 нм50
XeF351 нм45

Эксимерные лазеры, такие как XeF и KrF, также можно сделать слегка настраиваемыми, используя различные конструкции призм и решеток внутри резонатора. [12]

Частота следования импульсов [ править ]

В то время как эксимерные лазеры с накачкой электронным пучком могут генерировать импульсы высокой одиночной энергии, они обычно разделены длительными периодами времени (многие минуты). Исключением была система Electra, разработанная для исследований инерционного термоядерного синтеза, которая могла производить пакет из 10 импульсов, каждый мощностью 500 Дж в течение 10 с. [13] Напротив, эксимерные лазеры с разрядной накачкой, также впервые продемонстрированные в Лаборатории военно-морских исследований, способны выдавать устойчивый поток импульсов. [14] [15] Их значительно более высокая частота следования импульсов (порядка 100 Гц) и меньшая занимаемая площадь сделали возможными большинство приложений, перечисленных в следующем разделе. Серия промышленных лазеров была разработана в XMR, Inc [16]в Санта-Кларе, штат Калифорния, с 1980 по 1988 год. Большинство производимых лазеров были XeCl, и стандартным показателем была устойчивая энергия 1 Дж на импульс при частоте следования 300 импульсов в секунду. В этом лазере использовался тиратрон высокой мощности и магнитное переключение с предварительной ионизацией коронным разрядом, и он был рассчитан на 100 миллионов импульсов без капитального обслуживания. Рабочий газ представлял собой смесь ксенона, HCl и неона при давлении примерно 5 атмосфер. Широко использовалась нержавеющая сталь, никелированные и твердые никелевые электроды, чтобы уменьшить коррозию из-за газа HCl. Одной из основных проблем, с которыми пришлось столкнуться, было ухудшение качества оптических окон из-за скопления углерода на поверхности окна из CaF. Это произошло из-за гидрохлоруглерода, образовавшегося из небольшого количества углерода в уплотнительных кольцах, реагирующего с газообразным HCl.Гидрохлороуглероды со временем будут медленно увеличиваться и поглощать лазерный свет, вызывая медленное снижение энергии лазера. Вдобавок эти соединения разлагаются под интенсивным лазерным лучом и собираются на окне, вызывая дальнейшее снижение энергии. Периодическая замена лазерного газа и окон требовала значительных затрат. Это было значительно улучшено за счет использования системы очистки газа, состоящей из холодной ловушки, работающей немного выше температуры жидкого азота, и насоса с металлическими сильфонами для рециркуляции лазерного газа через холодную ловушку. Холодная ловушка состояла из резервуара с жидким азотом и нагревателя для небольшого повышения температуры, поскольку при 77 К (точка кипения жидкого азота) давление паров ксенона было ниже необходимого рабочего давления в лазерной газовой смеси. HCl вымораживалась в холодной ловушке,и дополнительно добавляли HCl для поддержания надлежащего газового соотношения. Интересным побочным эффектом этого было медленное увеличение энергии лазера с течением времени, связанное с увеличением парциального давления водорода в газовой смеси, вызванным медленной реакцией хлора с различными металлами. По мере реакции хлора выделялся водород, увеличивая парциальное давление. Конечный результат был таким же, как и при добавлении водорода к смеси для повышения эффективности лазера, как сообщили TJ McKee et al.Конечный результат был таким же, как и при добавлении водорода к смеси для повышения эффективности лазера, как сообщили TJ McKee et al.Конечный результат был таким же, как и при добавлении водорода к смеси для повышения эффективности лазера, как сообщили TJ McKee et al.[17]

Основные приложения [ править ]

Фотолитография [ править ]

Эксимерные лазеры широко используются в машинах для фотолитографии с высоким разрешением , что является одной из важнейших технологий, необходимых для производства микроэлектронных микросхем. Современные инструменты литографии используют свет глубокого ультрафиолета (DUV) от эксимерных лазеров KrF и ArF с длинами волн 248 и 193 нанометров (доминирующая технология литографии сегодня также называется «литографией эксимерного лазера» [18] [ 19] [20] [21] ), что позволило уменьшить размеры элементов транзисторов до 7 нанометров (см. Ниже). Таким образом, эксимерная лазерная литография сыграла решающую роль в непрерывном развитии так называемого закона Мура в течение последних 25 лет. [22]

Наиболее распространенное промышленное применение эксимерных лазеров было в глубокой ультрафиолетовой фотолитографии , [18] [20] критическая технология , используемой в производстве микроэлектронных устройств (т.е. полупроводниковых интегральных схемили «фишки»). Исторически с начала 1960-х до середины 1980-х ртутно-ксеноновые лампы использовались в литографии для определения их спектральных линий на длинах волн 436, 405 и 365 нм. Однако из-за того, что полупроводниковой промышленности требовалось как более высокое разрешение (для производства более плотных и быстрых чипов), так и более высокая пропускная способность (для более низких затрат), инструменты литографии на основе ламп больше не могли отвечать требованиям отрасли. Эта проблема была преодолена, когда в 1982 году в качестве новаторской разработки была предложена эксимерная лазерная литография в глубоком УФ-диапазоне, которая была продемонстрирована в IBM Канти Джайном . [18] [19] [20] [23]С феноменальным прогрессом, достигнутым в технологии оборудования за последние два десятилетия, и сегодня микроэлектронные устройства, изготовленные с использованием эксимер-лазерной литографии, с годовым объемом производства в 400 миллиардов долларов, полупроводниковая промышленность считает [22], что эксимер-лазерная литография является решающим фактором в продолжении продвижение закона Мура, позволяющее уменьшить минимальные размеры элементов при производстве микросхем с 800 нанометров в 1990 году до 7 нанометров в 2018 году. [24] [25] С еще более широкой научной и технологической точки зрения, с момента изобретения лазера в 1960 году Развитие эксимерной лазерной литографии было выделено как одна из важнейших вех в 50-летней истории лазера. [26] [27] [28]

Медицинское использование [ править ]

Ультрафиолетовый свет эксимерного лазера хорошо поглощается биологическими веществами и органическими соединениями . Вместо того, чтобы сжигать или разрезать материал, эксимерный лазер добавляет достаточно энергии для разрыва молекулярных связей поверхностной ткани, которая эффективно распадается в воздухе строго контролируемым образом посредством абляции, а не сжигания. Таким образом, эксимерные лазеры обладают тем полезным свойством, что они могут удалять исключительно тонкие слои поверхностного материала почти без нагрева или изменения остальной части материала, который остается нетронутым. Эти свойства делают эксимерные лазеры хорошо подходящими для точной микрообработки органических материалов (включая некоторые полимеры и пластмассы) или тонкихоперации, такие как глазная хирургия LASIK . В 1980-1983, Рангасвами Srinivasan , Сэмюэл Блюм и Джеймс Дж Винн в IBM «s TJ Watson Research Center наблюдали эффект ультрафиолетового эксимерного лазера на биологические материалы. Заинтригованные, они продолжили расследование и обнаружили, что лазер делает чистые и точные разрезы, которые идеально подходят для деликатных операций. Это привело к получению фундаментального патента [29], а Шринивасан, Блюм и Винн были избраны в Национальный зал славы изобретателей в 2002 году. В 2012 году члены команды были награждены Национальной медалью технологий и инноваций .Президенту США Бараку Обаме за работу, связанную с эксимерным лазером. [30] Последующая работа представила эксимерный лазер для использования в ангиопластике . [31] Эксимерные лазеры на хлориде ксенона (308 нм) также могут лечить различные дерматологические состояния, включая псориаз, витилиго, атопический дерматит, гнездную алопецию и лейкодермию.

В качестве источников света эксимерные лазеры, как правило, имеют большие размеры, что является недостатком для их медицинских применений, хотя их размеры быстро уменьшаются с продолжающейся разработкой.

Проводятся исследования для сравнения различий в результатах безопасности и эффективности между традиционной эксимер-лазерной рефракционной хирургией и рефракционной хирургией с направлением или оптимизацией волнового фронта, поскольку методы волнового фронта могут лучше корректировать аберрации более высокого порядка . [32]

Научные исследования [ править ]

Эксимерные лазеры также широко используются во многих областях научных исследований, как в качестве первичных источников, так и, в частности, XeCl-лазеры, в качестве источников накачки для перестраиваемых лазеров на красителях , главным образом для возбуждения лазерных красителей, излучающих в сине-зеленой области спектра. [33] [34] Эти лазеры также обычно используются в системах импульсного лазерного осаждения , где их большая плотность энергии, короткая длина волны и свойства прерывистого луча делают их идеальными для абляции широкого спектра материалов. [35]

См. Также [ править ]

  • Гомогенизатор пучка
  • Электролазер
  • Эксимер
  • Эксимерная лампа
  • Криптон-фторидный лазер
  • Закон Мура
  • Азотный лазер
  • Фотолитография

Ссылки [ править ]

  1. ^ Басов, Н.Г. и др., Ж. Эксп. Физ. и Тех. Письма. Красный. 12, 473 (1970).
  2. ^ Бастинг, Д. и др., История и будущие перспективы эксимерной лазерной технологии, 2-й Международный симпозиум по прецизионному лазерному микропроизводству, страницы 14–22.
  3. ^ Юинг, Дж. Дж. И Брау, Калифорния (1975), Действие лазера на полосы 2 сигма + 1/2 -> 2 сигма + 1/2 KrF и XeCl, Прил. Phys. Lett., Vol. 27, нет. 6, страницы 350–352.
  4. ^ Tisone, ГХ и Hays, АК и Хоффман, JM (1975), 100 МВт, 248,4 нм, KrFлазеравозбуждаемого электронным пучком, Оптика Comm., Том. 15, нет. 2, страницы 188–189.
  5. ^ Ault, ER et al. (1975), Мощный ксеноновый фторидный лазер, Applied Physics Letters 27, p. 413.
  6. ^ Searles, SK и Hart, GA , (1975), Стимулированное излучение при 281,8 нм от XeBr, Applied Physics Letters 27, стр. 243.
  7. ^ "Высокоэффективный лазер XeCl с микроволновым разрядом", CP Christensen, RW Waynant и BJ Feldman, Appl. Phys. Lett. 46, 321 (1985).
  8. ^ Микроволновый разряд привел к гораздо меньшей площади основания, эксимерному лазеру с очень высокой частотой следования импульсов, коммерциализированному под патентом США 4796271 компанией Potomac Photonics, Inc.,
  9. ^ Всестороннее исследование эксимерных лазеров, Роберт Р. Butcher, MSEE Thesis, 1975
  10. ^ IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « эксимерный лазер ». DOI : 10,1351 / goldbook.E02243
  11. ^ Наметки, Д. и Marowsky Г., ред., Эксимер лазерная техника, Springer, 2005.
  12. ^ FJ Дуарте (Ed.), Перестраиваемые лазеры Handbook (Academic, НьюЙорк, 1995) Глава 3.
  13. ^ Вольффорд, MF; Hegeler, F .; Майерс, MC; Джулиани, JL; Сетиан, JD (2004). «Электра: импульсно-периодический, 500 Дж, 100 нс, генератор KRF». Письма по прикладной физике . 84 (3): 326–328. Bibcode : 2004ApPhL..84..326W . DOI : 10.1063 / 1.1641513 .
  14. ^ Берны, Р. и Djeu, Н. (1976), Ультрафиолетовая-предыонизация разряда накачки в XeF, KrF и ArF, Applied Physics Letters 29, p.707.
  15. ↑ Оригинальное устройство, приобретенное Отделом информационных технологий Национального музея американской истории и собранием Общества электричества и современной физики (приобретение № 1996.0343).
  16. ^ Личные заметки Роберта Butcher, Лазерная инженер в Xmr, Inc.
  17. ^ Прил. Phys. Lett. 36, 943 (1980); Продление срока службы лазеров на XeCl и KrCl с добавками,
  18. ^ a b c Джайн, К. и др., «Сверхбыстрая литография в глубоком УФ-диапазоне с эксимерными лазерами», IEEE Electron Device Lett., Vol. EDL-3, 53 (1982): http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=1482581
  19. ^ a b Polasko et al., "Глубокое УФ-облучение Ag2Se / GeSe2 с использованием эксимерного лазера", IEEE Electron Device Lett., Vol. 5, стр. 24 (1984 г.): http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=1484194&tag=1
  20. ^ a b c Джайн, К. «Эксимерная лазерная литография» , SPIE Press, Беллингхэм, Вашингтон, 1990.
  21. ^ Лин, Б.Дж., "Оптическая литография" , SPIE Press, Беллингхэм, Вашингтон, 2009 г., стр. 136.
  22. ^ a b Ла Фонтен, Б., «Лазеры и закон Мура», SPIE Professional, октябрь 2010 г., стр. 20. http://spie.org/x42152.xml
  23. ^ Наметки, Д. и др., «Исторический обзор развития эксимерных лазеров,» в Эксимер лазерной техники, Д. Сметка и Г. Marowsky, ред., М., 2005.
  24. ^ Samsung начинает первое в отрасли массовое производство системы на кристалле с 10-нанометровой технологией FinFET; https://news.samsung.com/global/samsung-starts-industrys-first-mass-production-of-system-on-chip-with-10-nanometer-finfet-technology
  25. ^ "TSMC начинает массовое производство 7-нм чипов" . AnandTech. 2018-04-28 . Проверено 20 октября 2018 .
  26. ^ Американское физическое общество / Лазеры / История / Хронология: http://www.laserfest.org/lasers/history/timeline.cfm
  27. ^ SPIE / Advancing the Laser / 50 лет и в будущее: http://spie.org/Documents/AboutSPIE/SPIE%20Laser%20Luminaries.pdf
  28. ^ Совет по исследованиям в области инженерных и физических наук Великобритании / Лазеры в нашей жизни / 50 лет воздействия: «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 13 сентября 2011 года . Проверено 22 августа 2011 . CS1 maint: archived copy as title (link)
  29. ^ США 4784135 , «Дальний ультрафиолет хирургические и стоматологические процедуры», выданный 1988-10-15 
  30. ^ "IBM News Release" . IBM. 2012-12-21 . Проверено 21 декабря 2012 года .
  31. ^ Р. Линскер; Р. Шринивасан; Джей Джей Винн; ДР Алонсо (1984). «Лазерная абляция атеросклеротических поражений в дальнем ультрафиолетовом диапазоне». Lasers Surg. Med . 4 (1): 201–206. DOI : 10.1002 / lsm.1900040212 . PMID 6472033 . 
  32. ↑ Li SM, Kang MT, Zhou Y, Wang NL, Lindsley K (2017). «Эксимерная лазерная рефракционная хирургия волнового фронта для взрослых с аномалиями рефракции» . Cochrane Database Syst Rev . 6 (6): CD012687. DOI : 10.1002 / 14651858.CD012687 . PMC 6481747 . CS1 maint: uses authors parameter (link)
  33. Перейти ↑ Duarte, FJ, Hillman, LW (Eds.), Dye Laser Principles (Academic, New York, 1990), Глава 6.
  34. ^ Таллман, К. и Теннант, Р., Крупномасштабные лазеры на красителях с накачкой эксимерным лазером, в High Power Dye Lasers , Duarte, FJ (Ed.) (Springer, Berlin, 1991), глава 4.
  35. ^ Криси, Д.Б. и Хаблер, Г.К., Импульсное лазерное осаждение тонких пленок (Wiley, 1994), ISBN 9780471592181 , глава 2.