Фтористый криптон лазер ( KrF - лазер ) представляет собой особый тип эксимерного лазера , [1] , который иногда (более правильно) называется эксиплексом лазера. Обладая длиной волны 248 нанометров, это лазер глубокого ультрафиолета, который обычно используется в производстве полупроводниковых интегральных схем , промышленной микрообработке и научных исследованиях. Термин эксимерявляется сокращением от «возбужденный димер», а эксиплекс - от «возбужденного комплекса». Эксимерный лазер обычно содержит смесь: благородного газа, такого как аргон, криптон или ксенон; и газообразный галоген, такой как фтор или хлор. При достаточно интенсивных условиях электромагнитной стимуляции и давления смесь испускает пучок когерентного стимулированного излучения в виде лазерного излучения в ультрафиолетовом диапазоне.
Эксимерные лазеры на KrF и ArF широко используются в фотолитографических машинах с высоким разрешением , что является одним из важнейших инструментов, необходимых для производства микроэлектронных микросхем нанометрового размера. Литография эксимерного лазера [2] [3] позволила уменьшить размеры элементов транзисторов с 800 нанометров в 1990 году до 10 нанометров в 2016 году. [4] [5]
Теория
Лазер на фториде криптона поглощает энергию из источника, заставляя газ криптона реагировать с газом фтора с образованием эксиплексного фторида криптона, временного комплекса в возбужденном энергетическом состоянии:
- 2 Kr + F
2 → 2 KrF
Комплекс может подвергаться спонтанному или стимулированному излучению, понижая свое энергетическое состояние до метастабильного, но сильно отталкивающего основного состояния . Комплекс в основном состоянии быстро распадается на несвязанные атомы:
- 2 KrF → 2 Kr + F
2
Результатом является эксиплексный лазер, который излучает энергию на длине волны 248 нм, близкую к ультрафиолетовой части спектра , соответствующую разнице энергий между основным состоянием и возбужденным состоянием комплекса.
Приложения
Наиболее распространенным промышленным применением эксимерных лазеров на KrF была фотолитография в глубоком ультрафиолете [2] [3] для производства микроэлектронных устройств (например, полупроводниковых интегральных схем или «чипов»). С начала 1960-х до середины 1980-х лампы Hg-Xe использовались для литографии на длинах волн 436, 405 и 365 нм. Однако из-за того, что полупроводниковой промышленности требовалось как более высокое разрешение (для более плотных и быстрых чипов), так и более высокая производительность (для более низких затрат), инструменты литографии на основе ламп больше не могли соответствовать требованиям отрасли. Эта проблема была преодолена, когда в 1982 году К. Джайн продемонстрировал в IBM новаторскую разработку эксимерной лазерной литографии в глубоком УФ-диапазоне. [2] [3] [6] Благодаря феноменальному прогрессу, достигнутому в оборудовании и технологиях за последние два десятилетия, объем производства современных полупроводниковых электронных устройств, изготовленных с использованием эксимерной лазерной литографии, в настоящее время составляет более 400 миллиардов долларов в год. В результате полупроводниковая промышленность считает [4], что литография эксимерного лазера (с лазерами как KrF, так и ArF) является решающим фактором в предсказательной силе закона Мура . 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. [7] [8] [9]
KrF-лазер был полезен в сообществе исследователей термоядерной энергии в экспериментах по инерционному удержанию. Этот лазер имеет высокую однородность луча, короткую длину волны и функцию регулируемого размера пятна.
В 1985 году Лос-Аламосская национальная лаборатория завершила пробный запуск экспериментального KrF-лазера с уровнем энергии 1,0 × 10 4 джоулей . Отделение лазерной плазмы Лаборатории военно-морских исследований завершило разработку KrF-лазера, названного лазером Nike, который может производить около 4,5 × 10 3 джоулей ультрафиолетовой энергии за 4 наносекундный импульс. Кент А. Гербер был движущей силой этого проекта. Последний лазер используется в экспериментах по ограничению лазерного излучения.
Этот лазер также использовался для создания мягкого рентгеновского излучения плазмы путем облучения короткими импульсами этого лазерного света. Другие важные приложения включают манипулирование различными материалами, такими как пластик, стекло, хрусталь, композитные материалы и живые ткани. Свет этого УФ-лазера сильно поглощается липидами , нуклеиновыми кислотами и белками , что делает его полезным для применения в медицинской терапии и хирургии.
Безопасность
Свет, излучаемый KrF, невидим для человеческого глаза, поэтому при работе с этим лазером необходимы дополнительные меры безопасности, чтобы избежать паразитных лучей. Перчатки необходимы для защиты плоти от потенциально канцерогенных свойств УФ-луча, а для защиты глаз необходимы УФ-очки.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Наметки, Д. и Marowsky, G., Ред., Эксимер лазерная техника, Springer, 2005.
- ^ a b c Jain, K .; Уилсон, CG; Линь, Б.Дж. (1982). «Сверхбыстрая глубокая УФ-литография с эксимерными лазерами». Письма об электронных устройствах IEEE . 3 (3): 53–55. Bibcode : 1982IEDL .... 3 ... 53J . DOI : 10.1109 / EDL.1982.25476 .
- ^ a b c Джайн, К. "Литография эксимерного лазера", SPIE Press, Беллингхэм, Вашингтон, 1990.
- ^ a b Ла Фонтен, Б., «Лазеры и закон Мура» , SPIE Professional, октябрь 2010 г., стр. 20.
- ^ 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
- ^ Наметки, Д. и др., «Исторический обзор развития эксимерных лазеров,» в Эксимер лазерной техники, Д. Сметка и Г. Marowsky, ред., М., 2005.
- ^ Американское физическое общество / Лазеры / История / Хронология
- ^ SPIE / Advancing the Laser / 50 лет и в будущее
- ^ UK Engineering & Physical Sciences Research Council / Lasers in Our Lives / 50 Years of Impact Архивировано 13 сентября 2011 г. в Wayback Machine
Внешние ссылки
- Энергия лазерного термоядерного синтеза
- Лазерная установка Nike KrF
- Nikon KrF