Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с эксимерных лазеров )
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 начал с наблюдением зарождающейся спектральной линии сужающейся при температуре 176 нм   сообщили в 1971 году [1] с Николаем Басовым , В. А. Данилычев и Ю. М. Попов в Физическом институте им. П.Н. Лебедева в Москве с использованием жидкого димера ксенона (Xe 2 ), возбуждаемого электронным пучком. Вдохновленный этим отчетом, лучшее обоснование стимулированного излучения было передано HA Koehler et.al. в 1972 г. [2]с использованием ксенонового газа высокого давления. Окончательные доказательства действия ксенонового эксимерного лазера на длине волны 173 нм с использованием газа высокого давления при 12 атмосфер, накачиваемого также электронным пучком, были впервые представлены в марте 1973 года Мани Лал Бхаумик из Northrop Corporation, Лос-Анджелес. Сужение спектральной линии от континуума 15 нм до 0,25 нм и увеличение интенсивности в тысячу раз вместе с мощностью лазера, достаточно высокой для испарения части зеркального покрытия, запечатлевшего картину мод, не оставляло сомнений в реализации сильного стимулированного излучения. При расчетной выходной мощности в 1 Джоуль потенциал разработки мощных лазеров на коротких волнах был достоверно установлен. [3] [4] [5]

Более поздним усовершенствованием, разработанным многими группами в 1975 г. [6], было использование галогенидов благородных газов (первоначально Xe Br ). Эти группы включают в себя научно - исследовательской лаборатории AVCO Эверетт, [7] Sandia Laboratories, [8] научно-технический центр Northrop , [9] правительства Соединенных Штатов в Военно - морской исследовательской лаборатории [10] , который также разработал XeCl лазер [11] , что возбуждалось с помощью СВЧ-разряда. [12] и Лос-Аламосская национальная лаборатория. [13]

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. [14] [15]

Лазерное воздействие на эксимерную молекулу происходит потому, что она имеет связанное (ассоциативное) возбужденное состояние , но основное состояние отталкивания (диссоциативное) . 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 самопроизвольнойили 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. [16]

Частота следования импульсов [ править ]

В то время как эксимерные лазеры с накачкой электронным пучком могут генерировать высокоэнергетические импульсы, 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 мощностью 500 Дж каждый в течение 10 с. [17] Напротив, эксимерные лазеры с разрядной накачкой, также впервые продемонстрированные в Военно-морской исследовательской лаборатории, способны выдавать устойчивый поток импульсов. [18] [19] Их значительно более высокая частота следования импульсов (порядка 100 Гц) и меньшая занимаемая площадь сделали возможным большинство приложений, перечисленных в следующем разделе. Серия промышленных лазеров была разработана в XMR, Inc [20]в Санта-Кларе, Калифорния, с 1980 по 1988 год. Большинство произведенных лазеров были XeCl, и стандартным показателем была устойчивая энергия 1 Дж на импульс при частоте повторения 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. Широкое использование нержавеющей стали, никелирования и твердых никелевых электродов было включено для уменьшения коррозии из-за газообразного HCl. Одной из основных проблем, с которыми пришлось столкнуться, была деградация оптических окон из-за скопления углерода на поверхности окна из CaF. Это произошло из-за гидрохлороуглерода, 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. Когда хлор вступил в реакцию, выделялся водород, увеличивая парциальное давление. Конечный результат был таким же, как и при добавлении водорода в смесь для повышения эффективности лазера, как сообщили TJ McKee et al.Конечный результат был таким же, как и при добавлении водорода в смесь для повышения эффективности лазера, как сообщили TJ McKee et al.Конечный результат был таким же, как и при добавлении водорода в смесь для повышения эффективности лазера, как сообщили TJ McKee et al.[21]

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 излучение глубокого ультрафиолета (DUV) эксимерных лазеров KrF и ArF с длинами волн 248 и 193 нанометров (доминирующая технология литографии сегодня также называется «эксимерной лазерной литографией» [22] [ 22]). 23] [24] [25] ), что позволило уменьшить размеры элементов транзисторов до 7 нанометров (см. Ниже). Таким образом, эксимерная лазерная литография сыграла решающую роль в продолжающемся продвижении так называемого закона Мура в течение последних 25 лет. [26]

Наиболее распространенное промышленное применение эксимерных лазеров было в глубокой ультрафиолетовой фотолитографии , [22] [24] критическая технология , используемой в производстве микроэлектронных устройств (т.е. полупроводниковых интегральных схемили «фишки»). Исторически с начала 1960-х до середины 1980-х годов ртутно-ксеноновые лампы использовались в литографии для 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 соответствовать 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 . [22] [23] [24] [27]С феноменальным прогрессом, достигнутым в технологии оборудования за последние два десятилетия, и сегодня микроэлектронные устройства, изготовленные с использованием эксимер-лазерной литографии, годовое производство которых составляет 400 миллиардов долларов, полупроводниковая промышленность считает [26], что эксимер-лазерная литография является решающим фактором в продолжении продвижение закона Мура, позволяющее уменьшить минимальные размеры элементов при производстве чипов с 800 нанометров в 1990 году до 7 нанометров в 2018 году. [28] [29] 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. [30] [31] [32]

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 горения. Таким образом, эксимерные лазеры обладают тем полезным свойством, что они могут удалять исключительно тонкие слои поверхностного материала практически без нагрева или изменения остальной части материала, которая остается нетронутой. Эти свойства делают эксимерные лазеры хорошо подходящими для прецизионной микрообработки органических материалов (включая определенные полимеры и пластмассы) или тонкой обработки.операции, 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 [33], а Сринивасан, 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. [34] Последующие работы представили эксимерный лазер для использования в ангиопластике . [35] 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 . [36]

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 , в основном для возбуждения лазерных красителей, излучающих в сине-зеленой области спектра. [37] [38] Эти лазеры также обычно используются в системах импульсного лазерного напыления , где их большая плотность энергии, короткая длина волны и свойства прерывистого луча делают их идеальными для абляции широкого спектра материалов. [39]

См. Также [ править ]

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

Ссылки [ править ]

  1. ^ Басов, Н.Г .; Данилычев В.А.; Попов, Юрий М (1971-01-31). «Вынужденное излучение в вакуумной ультрафиолетовой области» . Советский журнал квантовой электроники . 1 (1): 18–22. DOI : 10,1070 / qe1971v001n01abeh003011 . ISSN  0049-1748 .
  2. ^ Koehler, HA; Ferderber, LJ; Рыжая, DL; Эберт, П.Дж. (сентябрь 1972 г.). «Вынужденное ВУФ-излучение в ксеноне высокого давления, возбуждаемое сильноточными релятивистскими электронными пучками» . Письма по прикладной физике . 21 (5): 198–200. DOI : 10.1063 / 1.1654342 . ISSN 0003-6951 . 
  3. ^ Ault, E .; Бхаумик, М .; Hughes, W .; Jensen, R .; Робинсон, С .; Кольб, А .; Шеннон, Дж. (Октябрь 1973 г.). "Xe Laser Operation at 1730 Ǻ" . Журнал Оптического общества Америки . 63 (7): 907–907.
  4. ^ «Новости в фокусе». Лазерный фокус . 9 (5): 10–14. Май 1973 г.
  5. ^ Ault, E .; Бхаумик, М .; Hughes, W .; Jensen, R .; Робинсон, С .; Кольб, А .; Шеннон, Дж. (Октябрь 1973 г.). «Ксеноновый молекулярный лазер в вакуумном ультрафиолете» . Журнал IEEE по квантовой электронике . 9 (10): 1031–1032. DOI : 10,1109 / jqe.1973.1077396 . ISSN 0018-9197 . 
  6. ^ Бастинг, Д. и др., История и будущие перспективы эксимерной лазерной технологии, 2-й Международный симпозиум по прецизионному лазерному микропроизводству, страницы 14–22.
  7. ^ Юинг, Дж. Дж. И Брау, Калифорния (1975), Лазерное воздействие на полосы 2 сигма + 1/2 -> 2 сигма + 1/2 KrF и XeCl, Прил. Phys. Lett., Vol. 27, нет. 6, страницы 350–352.
  8. ^ Tisone, ГХ и Hays, АК и Хоффман, JM (1975), 100 МВт, 248,4 нм, KrFлазеравозбуждаемого электронным пучком, Оптика Comm., Том. 15, вып. 2, страницы 188–189.
  9. ^ Ault, ER et al. (1975), Мощный ксеноновый фторидный лазер, Applied Physics Letters 27, p. 413.
  10. ^ Searles, SK и Hart, GA , (1975), Стимулированное излучение при 281,8 нм от XeBr, Applied Physics Letters 27, стр. 243.
  11. ^ «Высокоэффективный лазер XeCl с микроволновым разрядом», CP Christensen, RW Waynant и BJ Feldman, Appl. Phys. Lett. 46, 321 (1985).
  12. ^ Микроволновый разряд привел к гораздо меньшей площади основания, эксимерному лазеру с очень высокой частотой повторения импульсов, коммерциализированному под патентом США 4796271 компанией Potomac Photonics, Inc.,
  13. ^ Всестороннее исследование эксимерных лазеров, Роберт Р. Бутчер, диссертация MSEE, 1975
  14. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн исправленная версия: (2006–) « эксимерный лазер ». DOI : 10,1351 / goldbook.E02243
  15. ^ Наметки, Д. и Marowsky Г., ред., Эксимер лазерная техника, Springer, 2005.
  16. ^ FJ Дуарте (Ed.), Перестраиваемые лазеры Handbook (Academic, НьюЙорк, 1995) Глава 3.
  17. ^ 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 .
  18. ^ Берны, Р. и Djeu, Н. (1976), Ультрафиолетовая-предыонизация разряда накачки в XeF, KrF и ArF, Applied Physics Letters 29, p.707.
  19. ↑ Оригинальное устройство, приобретенное Отделом информационных технологий Национального музея американской истории и собранием Общества электричества и современной физики (приобретение № 1996.0343).
  20. ^ Личные заметки Роберта Butcher, Лазерная инженер в Xmr, Inc.
  21. ^ Прил. Phys. Lett. 36, 943 (1980); Продление срока службы лазеров на XeCl и KrCl с добавками,
  22. ^ 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
  23. ^ a b Polasko et al., "Глубокое УФ-облучение Ag2Se / GeSe2 с использованием эксимерного лазера", IEEE Electron Device Lett., Vol. 5, стр. 24 (1984): http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=1484194&tag=1
  24. ^ a b c Джайн, К. "Литография эксимерного лазера" , SPIE Press, Беллингхэм, Вашингтон, 1990.
  25. ^ Лин, Б.Дж., "Оптическая литография" , SPIE Press, Беллингхэм, Вашингтон, 2009 г., стр. 136.
  26. ^ a b Ла Фонтен, Б., «Лазеры и закон Мура», SPIE Professional, октябрь 2010 г., стр. 20. http://spie.org/x42152.xml
  27. ^ Наметки, Д. и др., «Исторический обзор развития эксимерных лазеров,» в Эксимер лазерной техники, Д. Сметка и Г. Marowsky, ред., М., 2005.
  28. ^ 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
  29. ^ "TSMC начинает массовое производство 7-нм чипов" . AnandTech. 2018-04-28 . Проверено 20 октября 2018 .
  30. ^ Американское физическое общество / Лазеры / История / Хронология: http://www.laserfest.org/lasers/history/timeline.cfm
  31. ^ SPIE / Advancing the Laser / 50 лет и в будущее: http://spie.org/Documents/AboutSPIE/SPIE%20Laser%20Luminaries.pdf
  32. ^ Совет по исследованиям в области инженерии 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)
  33. ^ США 4784135 , «Дальний ультрафиолет хирургические и стоматологические процедуры», выданный 1988-10-15 
  34. ^ "IBM News Release" . IBM. 2012-12-21 . Проверено 21 декабря 2012 года .
  35. ^ 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 . 
  36. ↑ 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)
  37. Перейти ↑ Duarte, FJ, Hillman, LW (Eds.), Dye Laser Principles (Academic, New York, 1990), Глава 6.
  38. ^ Таллман, К. и Теннант, Р., Крупномасштабные лазеры на красителях с накачкой эксимерным лазером, в High Power Dye Lasers , Duarte, FJ (Ed.) (Springer, Berlin, 1991) Chapter 4.
  39. ^ Криси, Д.Б. и Хаблер, Г.К., Импульсное лазерное осаждение тонких пленок (Wiley, 1994), ISBN 9780471592181 , глава 2.