Эксимерный лазер - Википедия - Excimer laser

An эксимерный лазер, иногда правильнее называть эксиплексный лазер, это форма ультрафиолетовый лазер который обычно используется при производстве микроэлектроника устройства, полупроводник основан интегральные схемы или "фишки", глазная хирургия, и микрообработка.

Эксимерный лазер

Терминология и история

Период, термин эксимер это сокращение от 'возбужденный димер ', пока эксиплекс это сокращение от 'возбужденный сложный '. Большинство эксимерных лазеров относятся к типу галогенидов благородных газов, для которых термин эксимер это, строго говоря, неправильное название. (Хотя используется реже, подходящим термином для такого рода является эксиплексный лазер.)

Эксимерный лазер изобретен в 1970 году.[1] к Николай Басов, В.А. Данилычев, Ю. М. Попова, на Физический институт им. П.Н. Лебедева в Москва, используя ксенон димер (Xe2) возбужденный электрон луч, чтобы дать стимулированное излучение в 172 нм длина волны. Более позднее усовершенствование, разработанное многими группами в 1975 году.[2] было использование благородный газ галогениды (первоначально XeBr ). В эти группы входят Исследовательская лаборатория Avco Everett,[3] Sandia Laboratories,[4] то Центр исследований и технологий Northrop,[5] правительство Соединенных Штатов Лаборатория военно-морских исследований[6] кто также разработал лазер XeCl[7] который возбуждали микроволновым разрядом.[8] и Лос-Аламосская национальная лаборатория.[9]

Строительство и эксплуатация

Эксимерный лазер обычно использует сочетание благородный газ (аргон, криптон, или же ксенон ) и реактивный газ (фтор или же хлор ). При соответствующих условиях электростимуляции и высокого давления псевдо-молекула называется эксимер (или в случае галогенидов благородных газов, эксиплекс ), который может существовать только в состоянии под напряжением и может вызывать лазер свет в ультрафиолетовый классифицировать.[10][11]

Воздействие лазера на эксимерную молекулу происходит из-за ее связанной (ассоциативной) возбужденное состояние, но отталкивающий (диссоциативный) основное состояние. Благородные газы, такие как ксенон и криптон очень инертный и обычно не образуют химические соединения. Однако в возбужденном состоянии (индуцированном электрическим разрядом или пучками электронов высокой энергии) они могут образовывать временно связанные молекулы сами с собой (эксимер) или с галогенами (эксиплекс), такими как фтор и хлор. Возбужденное соединение может выделять свою избыточную энергию, подвергаясь спонтанный или стимулированное излучение, приводящее к сильно отталкивающей молекуле в основном состоянии, которая очень быстро (порядка пикосекунда ) диссоциирует обратно на два несвязанных атома. Это формирует инверсия населения.

Определение длины волны

В длина волны эксимерного лазера зависит от используемых молекул и обычно находится в ультрафиолете:

ЭксимерДлина волныОтносительная мощность
Ar2*126 нм
Kr2*146 нм
F2*157 нм
Xe2*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 настраиваемый с использованием разнообразных призматических и решетчатых внутрирезонаторных устройств.[12]

Частота повторения импульсов

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 Военно-морской исследовательской лаборатории, способны выдавать устойчивый поток импульсов.[14][15] 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.[16] в Санта-Кларе, штат Калифорния, с 1980 по 1988 год. Большинство произведенных 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 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 вымораживали в холодной ловушке и добавляли дополнительное количество 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 при добавлении водорода в смесь для повышения эффективности лазера, как сообщил T.J. McKee et al.[17]

Основные приложения

Фотолитография

Эксимерные лазеры широко используются в области высокого разрешения. фотолитография машины, одна из важнейших технологий, необходимых для микроэлектроника изготовление микросхем. Современные инструменты литографии используют излучение глубокого ультрафиолета (DUV) от эксимерных лазеров KrF и ArF с длинами волн 248 и 193 нанометров (доминирующая технология литографии сегодня также называется «эксимерной лазерной литографией»).[18][19][20][21]), что позволило уменьшить размеры элементов транзистора до 7 нанометров (см. ниже). Таким образом, эксимерная лазерная литография сыграла решающую роль в непрерывном развитии так называемой Закон Мура за последние 25 лет.[22]

Наиболее распространенным промышленным применением эксимерных лазеров является работа в области глубокого ультрафиолета. фотолитография,[18][20] критическая технология, используемая при производстве микроэлектроника устройства (например, полупроводниковые интегральные схемы или «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 для 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 Джайн.[18][19][20][23] С учетом феноменального прогресса, достигнутого 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, это точка зрения полупроводниковой промышленности.[22] что литография эксимерного лазера была решающим фактором в постоянном продвижении закона Мура, позволяя уменьшить минимальные размеры элементов при производстве микросхем. 800 нанометров в 1990 г. до 7 нанометров в 2018 г.[24][25] С еще более широкой научно-технической точки зрения, с момента изобретения лазера в 1960 году развитие эксимерной лазерной литографии было выделено как одна из основных вех в 50-летней истории лазера.[26][27][28]

Медицинское использование

Ультрафиолетовый свет эксимерного лазера хорошо поглощается биологическое вещество и органические соединения. Вместо того, чтобы сжигать или разрезать материал, эксимерный лазер добавляет достаточно энергии, чтобы разорвать молекулярные связи в поверхностной ткани, что эффективно распадается в воздух строго контролируемым образом через абляция а не горение. 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 прецизионной микрообработки органических материалов (включая некоторые полимеры и пластмассы), или нежные операции Такие как глазная хирургия ЛАСИК. В 1980–1983 гг. Рангасвами Шринивасан, Самуэль Блюм и Джеймс Дж. Винн в IBM с Исследовательский центр Т. Дж. Уотсона наблюдали влияние 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 основному патенту.[29] и Шринивасан, Блюм и Винн были избраны в Национальный зал славы изобретателей в 2002 г. В 2012 г. участники коллектива были удостоены награды Национальная медаль технологий и инноваций посредством Президент США Барак Обама за работу, связанную с эксимерным лазером.[30] Последующая работа представила эксимерный лазер для использования в ангиопластика.[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 безопасности и эффективности обычных эксимерных лазеров. рефракционная хирургия и рефракционная хирургия с направлением или оптимизацией волнового фронта, поскольку методы волнового фронта могут лучше корректировать аберрации высшего порядка.[32]

Научное исследование

Эксимерные лазеры также широко используются во многих областях научных исследований как первичные источники и, в частности, XeCl-лазер, как источники накачки для перестраиваемых лазеры на красителях в основном для возбуждения лазерных красителей, излучающих в сине-зеленой области спектра.[33][34] Эти лазеры также широко используются в Импульсное лазерное напыление системы, где их большие флюенс, короткая длина волны и свойства прерывистого пучка делают их идеальными для абляции широкого спектра материалов.[35]

Смотрите также

Рекомендации

  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 эксимерных лазерных технологий, 2-й Международный симпозиум по прецизионному лазерному микропроизводству, страницы 14–22.
  3. ^ Юинг, Дж. Дж. И Брау, К. А. (1975), Лазерное воздействие на полосы 2 сигма + 1/2 -> 2 сигма + 1/2 KrF и XeCl, Appl. Phys. Lett., Vol. 27, нет. 6, страницы 350–352.
  4. ^ Тизон, Г. К., Хейс, А. К. и Хоффман, Дж. М. (1975), 100 МВт, 248,4 нм, KrF-лазер, возбуждаемый электронным лучом, Optics Comm., Vol. 15, нет. 2, страницы 188–189.
  5. ^ Ault, E. R. et al. (1975), Мощный ксеноновый фторидный лазер, Applied Physics Letters 27, p. 413.
  6. ^ Сирлз, С. К. и Харт, Г.А. (1975), Стимулированное излучение XeBr на длине волны 281,8 нм, Applied Physics Letters 27, стр. 243.
  7. ^ "Высокоэффективный лазер XeCl с микроволновым разрядом", К. П. Кристенсен, Р. В. Уэйнант и Б. Дж. Фельдман, Appl. Phys. Lett. 46, 321 (1985).
  8. ^ Микроволновый разряд привел к гораздо меньшей занимаемой площади, эксимерному лазеру с очень высокой частотой повторения импульсов, коммерциализируемому под патентом США 4796271 компанией Potomac Photonics, Inc.,
  9. ^ Всестороннее исследование эксимерных лазеров, Роберт Р. Бутчер, диссертация MSEE, 1975
  10. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "эксимерный лазер ". Дои:10.1351 / goldbook.E02243
  11. ^ Бастинг Д. и Маровски Г., ред., Excimer Laser Technology, Springer, 2005.
  12. ^ Ф. Ж. Дуарте (Ред.), Справочник по перестраиваемым лазерам (Academic, New York, 1995) Глава 3.
  13. ^ Wolford, M. F .; Hegeler, F .; Myers, M.C .; Giuliani, J. L .; Сетиан, Дж. Д. (2004). «Электра: импульсно-периодический, 500 Дж, 100 нс, генератор KRF». Письма по прикладной физике. 84 (3): 326–328. Bibcode:2004АпФЛ..84..326Вт. Дои:10.1063/1.1641513.
  14. ^ Бернхэм Р. и Джеу Н. (1976), Лазеры с накачкой ультрафиолетовым излучением и предионизированным разрядом на XeF, KrF и ArF, Applied Physics Letters 29, стр. 707.
  15. ^ Оригинальное устройство было приобретено Отделом информационных технологий Национального музея американской истории и собранием Общества электричества и современной физики (приобретение № 1996.0343).
  16. ^ Личные записи Роберта Бутчера, инженера по лазерной технике в XMR, Inc.
  17. ^ Appl. Phys. Lett. 36, 943 (1980); Продление срока службы лазеров на XeCl и KrCl с добавками,
  18. ^ а б c Джайн, К. и др., "Сверхбыстрая литография в глубоком УФ с эксимерными лазерами", IEEE Electron Device Lett., Vol. ЕДЛ-3, 53 (1982): http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=1482581
  19. ^ а б 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
  20. ^ а б 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. ^ а б Ла Фонтен Б., «Лазеры и закон Мура», SPIE Professional, октябрь 2010 г., стр. 20. http://spie.org/x42152.xml
  23. ^ Бастинг, Д. и др., «Исторический обзор развития эксимерных лазеров», в Excimer Laser Technology, Д. Бастинг и Г. Маровски, ред., Springer, 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. Получено 2018-10-20.
  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 инженерии и физических наук Великобритании / Лазеры в нашей жизни / 50 лет воздействия: «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-09-13. Получено 2011-08-22.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  29. ^ США 4784135, "Дальний ультрафиолет хирургические и стоматологические процедуры", выпущенный 1988-10-15 
  30. ^ "Выпуск новостей IBM". IBM. 2012-12-21. Получено 21 декабря 2012.
  31. ^ Р. Линскер; Р. Шринивасан; Дж. Дж. Винн; Д. Р. Алонсо (1984). «Лазерная абляция атеросклеротических поражений в дальнем ультрафиолетовом диапазоне». Lasers Surg. Med. 4 (1): 201–206. Дои:10.1002 / кв.м.1900040212. PMID  6472033.
  32. ^ Ли С.М., Кан М.Т., Чжоу Й., Ван Н.Л., Линдсли К. (2017). «Эксимерная лазерная рефракционная хирургия волнового фронта для взрослых с аномалиями рефракции». Кокрановская база данных Syst Rev. 6 (6): CD012687. Дои:10.1002 / 14651858.CD012687. ЧВК  6481747.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  33. ^ Дуарте, Ф. Дж. И Хиллман, Л. У. (ред.), Принципы лазера на красителях (Academic, New York, 1990) Глава 6.
  34. ^ Таллман К., Теннант Р. Крупномасштабные лазеры на красителях с накачкой эксимерным лазером. Лазеры на красителях высокой мощности, Дуарте, Ф. Дж. (Ред.) (Шпрингер, Берлин, 1991 г.) Глава 4.
  35. ^ Криси, Д. и Хублер Г.К., Импульсное лазерное напыление тонких пленок. (Wiley, 1994), ISBN  9780471592181, Глава 2.