stringtranslate.com

Эксимерный лазер

Эксимерный лазер

Эксимерный лазер , иногда более правильно называемый эксиплексным лазером , представляет собой разновидность ультрафиолетового лазера , которая обычно используется в производстве микроэлектронных устройств, полупроводниковых интегральных схем или «чипов», в глазной хирургии и микрообработке .

С 1960-х годов эксимерные лазеры широко используются в машинах для фотолитографии высокого разрешения — одной из важнейших технологий, необходимых для производства микроэлектронных чипов.

Терминология и история

Лазер Electra KrF демонстрирует 90 000 выстрелов за 10 часов

Термин «эксимер» является сокращением от «возбужденный димер », а «эксиплекс» — сокращением от «возбужденный комплекс ». Большинство эксимерных лазеров относятся к типу галогенидов благородных газов, для которых термин « эксимер» , строго говоря, является неправильным. (Хотя он используется реже, правильным термином для них является эксиплексный лазер .)

Эксимерный лазер был предложен в 1960 году Фрицем Хоутермансом . [1] Развитие эксимерного лазера началось с наблюдения зарождающегося сужения спектральной линии при 176 нм ,   о котором сообщили в 1971 году [2] Николай Басов , В. А. Данилычев и Ю. М. Попов в Физическом институте им. Лебедева в Москве , используя жидкий димер ксенона (Xe2 ) , возбуждаемый электронным пучком. Подстегнутые этим докладом, HA Koehler и др. представили лучшее обоснование вынужденного излучения в 1972 году [3] , используя газ ксенона высокого давления. Окончательное доказательство действия ксенонового эксимерного лазера при 173 нм с использованием газа высокого давления в 12 атмосфер, также накачиваемого электронным пучком, было впервые представлено в марте 1973 года Мани Лал Бхаумиком из Northrop Corporation, Лос-Анджелес. Сильное стимулированное излучение наблюдалось, когда спектральная линия лазера сужалась от континуума 15 нм до всего лишь 0,25 нм, а интенсивность увеличивалась в тысячу раз. Расчетная выходная мощность лазера в 1 джоуль была достаточно высокой, чтобы испарить часть зеркальных покрытий, которые отпечатали его модовый рисунок. Эта презентация установила достоверный потенциал разработки высокомощных лазеров на коротких длинах волн. [4] [5] [6]

Более поздним усовершенствованием стало использование галогенидов благородных газов (первоначально Xe Br ), разработанных многими группами в 1975 году. [7] К этим группам относятся исследовательская лаборатория Avco Everett, [8] Sandia Laboratories, [9] Northrop Research and Technology Center , [10] Военно-морская исследовательская лаборатория правительства США , [11] которая также разработала лазер XeCl [12] , возбуждаемый с помощью микроволнового разряда, [13] и Лос-Аламосская национальная лаборатория. [14]

Строительство и эксплуатация

Конечный усилитель лазера Nike, в котором энергия лазерного луча увеличивается со 150 Дж до ~5 кДж путем прохождения через газовую смесь криптона/фтора/аргона, возбуждаемую облучением двумя встречными электронными пучками напряжением 670 000 вольт.

Эксимерный лазер обычно использует комбинацию благородного газа ( аргон , криптон или ксенон ) и реактивного газа ( фтор или хлор ). При соответствующих условиях электрической стимуляции и высокого давления создается псевдомолекула , называемая эксимером (или в случае галогенидов благородных газов, эксиплексом ), которая может существовать только в возбужденном состоянии и может вызывать лазерный свет в ультрафиолетовом диапазоне. [15] [16]

Лазерное воздействие на молекулу эксимера происходит, потому что она имеет связанное (ассоциативное) возбужденное состояние , но отталкивающее (диссоциативное) основное состояние . Благородные газы, такие как ксенон и криптон, очень инертны и обычно не образуют химических соединений . Однако, находясь в возбужденном состоянии (вызванном электрическим разрядом или пучками электронов высокой энергии), они могут образовывать временно связанные молекулы с собой (эксимер) или с галогенами (эксиплекс), такими как фтор и хлор . Возбужденное соединение может высвобождать свою избыточную энергию, подвергаясь спонтанному или стимулированному излучению, что приводит к образованию сильно отталкивающей молекулы в основном состоянии, которая очень быстро (порядка пикосекунды ) диссоциирует обратно на два несвязанных атома. Это образует инверсию населенностей . [ необходима цитата ]

Определение длины волны

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

Эксимерные лазеры, такие как XeF и KrF, также можно сделать слегка настраиваемыми, используя различные призматические и решеточные внутрирезонаторные компоновки. [17]

Частота повторения импульсов

Лазер Electra в NRL — это лазер KrF, который продемонстрировал более 90 000 выстрелов за 10 часов.
Лазер Electra в NRL — это лазер KrF, который продемонстрировал более 90 000 выстрелов за 10 часов.

Хотя эксимерные лазеры с накачкой электронным пучком могут производить одиночные импульсы высокой энергии, они, как правило, разделены длительными периодами времени (многие минуты). Исключением была система Electra, разработанная для исследований инерционного термоядерного синтеза, которая могла производить пачку из 10 импульсов, каждый из которых имел мощность 500 Дж в течение 10 с. [18] Напротив, эксимерные лазеры с накачкой разрядом, также впервые продемонстрированные в Военно-морской исследовательской лаборатории, способны выдавать постоянный поток импульсов. [19] [20] Их значительно более высокие частоты повторения импульсов (порядка 100 Гц) и меньшие габариты сделали возможными большую часть приложений, перечисленных в следующем разделе. Серия промышленных лазеров была разработана в XMR, Inc [21] в Санта-Кларе, Калифорния, между 1980 и 1988 годами. Большинство произведенных лазеров были XeCl, и постоянная энергия 1 Дж на импульс при частоте повторения 300 импульсов в секунду была стандартной оценкой. Этот лазер использовал мощный тиратрон и магнитное переключение с коронной предварительной ионизацией и был рассчитан на 100 миллионов импульсов без капитального обслуживания. Рабочий газ представлял собой смесь ксенона, HCl и неона при давлении около 5 атмосфер. Широкое использование нержавеющей стали, никелирования и твердых никелевых электродов было включено для уменьшения коррозии из-за газа HCl. Одной из основных проблем, с которыми пришлось столкнуться, была деградация оптических окон из-за накопления углерода на поверхности окна CaF. Это было связано с гидрохлоруглеродами, образованными из небольших количеств углерода в уплотнительных кольцах, реагирующих с газом HCl. Гидрохлоруглероды медленно увеличивались со временем и поглощали лазерный свет, вызывая медленное снижение энергии лазера. Кроме того, эти соединения разлагались в интенсивном лазерном луче и собирались 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 металлического сильфонного насоса 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 (температура кипения жидкого азота) давление паров ксенона было ниже требуемого рабочего давления в газовой смеси лазера. HCl вымораживался в холодной ловушке, и добавлялся дополнительный HCl для поддержания надлежащего газового соотношения. Интересным побочным эффектом этого было медленное увеличение энергии лазера с течением времени, приписываемое увеличению парциального давления водорода в газовой смеси, вызванному 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 сообщают TJ McKee и др. [22]

Основные приложения

Фотолитография

С 1960-х годов наиболее распространенным промышленным применением эксимерных лазеров была фотолитография в глубоком ультрафиолете [23] [24] , критическая технология, используемая в производстве микроэлектронных устройств. 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, с потребностью полупроводниковой промышленности как в более высоком разрешении (для производства более плотных и быстрых чипов), так и в более высокой производительности (для снижения затрат), литографические инструменты на основе ламп больше не могли соответствовать требованиям отрасли. Эта проблема была преодолена, когда в 1982 году в пионерской разработке была предложена и продемонстрирована в IBM эксимерная лазерная литография в глубоком УФ-диапазоне Канти Джейном. [23] [25] [24] [26] 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 главных вех в истории лазера. [27] [28] [29]

Современные инструменты литографии (по состоянию на 2021 год) в основном используют глубокий ультрафиолетовый (DUV) свет от эксимерных лазеров KrF и ArF с длиной волны 248 и 193 нанометра (так называемая «эксимерная лазерная литография» [23] [25] [24] [30] ), что позволило уменьшить размеры транзисторных элементов до 7 нанометров (см. ниже). Таким образом, эксимерная лазерная литография сыграла решающую роль в дальнейшем продвижении так называемого закона Мура за последние 25 лет. [31] Примерно к 2020 году экстремальная ультрафиолетовая литография (EUV) начала заменять эксимерную лазерную литографию для дальнейшего улучшения разрешения процесса литографии полупроводниковых схем. [32]

Слияние

Военно -морская исследовательская лаборатория построила две системы, лазер на фториде криптона (248 нм) и лазер на фториде аргона (193 нм) для тестирования подходов, чтобы доказать подходы инерциального удержания термоядерного синтеза . Это были лазерные системы Electra и Nike . Поскольку эксимерный лазер является газовой системой, лазер не нагревается, как твердотельные системы, такие как National Ignition Facility и Omega Laser . Electra продемонстрировала 90 000 выстрелов за 10 часов; идеально для инерциальной термоядерной электростанции . [33]

Медицинское применение

Ультрафиолетовый свет от эксимерного лазера хорошо поглощается биологическими веществами и органическими соединениями . Вместо того, чтобы сжигать или резать материал, эксимерный лазер добавляет достаточно энергии, чтобы разрушить молекулярные связи поверхностной ткани, которая эффективно распадается в воздухе строго контролируемым образом посредством абляции, а не сжигания. Таким образом, эксимерные лазеры обладают полезным свойством, заключающимся в том, что они могут удалять исключительно тонкие слои поверхностного материала практически без нагрева или изменения оставшейся части материала, которая остается нетронутой. Эти свойства делают эксимерные лазеры хорошо подходящими для точной микрообработки органических материалов (включая некоторые полимеры и пластики) или для деликатных операций, таких как хирургия глаза LASIK . В 1980–1983 годах Рангасвами Шринивасан , Сэмюэл Блум и Джеймс Дж. Уинн в исследовательском центре TJ Watson компании IBM наблюдали воздействие ультрафиолетового эксимерного лазера на биологические материалы. Заинтригованные, они провели дальнейшее исследование, обнаружив, что лазер делает чистые, точные разрезы, которые идеально подходят для деликатных операций. Это привело к фундаментальному патенту [34] , и Шринивасан, Блюм и Уинн были избраны в Национальный зал славы изобретателей в 2002 году. В 2012 году члены команды были удостоены Национальной медали за технологии и инновации президентом Бараком Обамой за их работу, связанную с эксимерным лазером. [35] Последующая работа представила эксимерный лазер для использования в ангиопластике . [36] Эксимерные лазеры на основе хлорида ксенона (308 нм) также используются для лечения различных дерматологических заболеваний, включая псориаз , витилиго , атопический дерматит , гнездную алопецию и лейкодермию. [ необходима ссылка ]

Как источники света, эксимерные лазеры, как правило, имеют большие размеры, что является недостатком при их медицинском применении, хотя их размеры быстро уменьшаются по мере дальнейшего развития. [ необходима цитата ]

Проводятся исследования для сравнения различий в результатах безопасности и эффективности между традиционной рефракционной хирургией с использованием эксимерного лазера и рефракционной хирургией с использованием волнового фронта или оптимизированной по волновому фронту, поскольку методы волнового фронта могут лучше корректировать аберрации более высокого порядка . [37]

Научные исследования

Эксимерные лазеры также широко используются в многочисленных областях научных исследований, как в качестве первичных источников, так и, в частности, лазер XeCl, в качестве источников накачки для перестраиваемых лазеров на красителях , в основном для возбуждения лазерных красителей, излучающих в сине-зеленой области спектра. [38] [39] Эти лазеры также широко используются в импульсных лазерных системах осаждения , где их большая плотность потока , короткая длина волны и прерывистые свойства луча делают их идеальными для абляции широкого спектра материалов. [40]

Смотрите также

У Scholia есть профиль для эксимерного лазера (Q241056).

Ссылки

  1. ^ Ф.Г. Хоутерманс (1960). «Über Massen-Wirkung im optischen Spektralgebiet un die Möglichkeit абсолютно отрицательное поглощение для einige Fälle von Molekülspektren (Licht-Lawine)». Гельветика Физика Акта . 33 :939.
  2. ^ Басов, НГ; Данилычев, ВА; Попов, Юрий М (1971-01-31). "Вынужденное излучение в области вакуумного ультрафиолета". Советский журнал квантовой электроники . 1 (1): 18–22. Bibcode :1971QuEle...1...18B. doi :10.1070/qe1971v001n01abeh003011. ISSN  0049-1748.
  3. ^ Koehler, HA; Ferderber, LJ; Redhead, DL; Ebert, PJ (сентябрь 1972 г.). «Вынужденное излучение ВУФ в ксеноне высокого давления, возбужденное сильноточными релятивистскими электронными пучками». Applied Physics Letters . 21 (5): 198–200. Bibcode : 1972ApPhL..21..198K. doi : 10.1063/1.1654342. ISSN  0003-6951.
  4. ^ Ault, E.; Bhaumik, M.; Hughes, W.; Jensen, R.; Robinson, C.; Kolb, A.; Shannon, J. (март 1973 г.). "Работа лазера Xe при 1730 Ǻ". Журнал оптического общества Америки . 63 (7): 907. doi :10.1364/JOSA.63.000907.
  5. ^ "Новости в фокусе". Laser Focus . 9 (5): 10–14. Май 1973.
  6. ^ Олт, Э.; Бхаумик, М.; Хьюз, В.; Дженсен, Р.; Робинсон, К.; Колб, А.; Шеннон, Дж. (март 1973 г.). «Ксеноновый молекулярный лазер в вакуумном ультрафиолете». Журнал IEEE по квантовой электронике . 9 (10): 1031–1032. Бибкод : 1973IJQE....9.1031A. дои : 10.1109/jqe.1973.1077396. ISSN  0018-9197.
  7. ^ Бастинг, Д. и др., История и перспективы развития эксимерной лазерной технологии, 2-й Международный симпозиум по лазерной прецизионной микрообработке, страницы 14–22.
  8. ^ 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., т. 27, № 6, стр. 350–352.
  9. ^ Тизоне, GC и Хейс, AK и Хоффман, JM (1975), 100 МВт, 248,4 нм, KrF-лазер, возбуждаемый электронным пучком, Optics Comm., т. 15, № 2, стр. 188–189.
  10. ^ Олт, Э. Р. и др. (1975), Мощный лазер на фториде ксенона, Applied Physics Letters 27, стр. 413.
  11. ^ Searles, SK и Hart, GA , (1975), Вынужденное излучение при 281,8 нм от XeBr, Applied Physics Letters 27, стр. 243.
  12. ^ «Высокоэффективный микроволновый разрядный XeCl-лазер», CP Christensen, RW Waynant и BJ Feldman, Appl. Phys. Lett. 46, 321 (1985).
  13. ^ Микроволновый разряд привел к созданию эксимерного лазера с гораздо меньшей площадью и очень высокой частотой повторения импульсов, коммерциализированного по патенту США 4,796,271 компанией Potomac Photonics, Inc.
  14. ^ Всестороннее исследование эксимерных лазеров, Роберт Р. Бутчер, диссертация MSEE, 1975
  15. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «excimer laser». doi :10.1351/goldbook.E02243
  16. ^ Бастинг, Д. и Маровски, Г., ред., Эксимерная лазерная технология, Springer, 2005.
  17. ^ FJ Duarte (ред.), Справочник по перестраиваемым лазерам (Academic, Нью-Йорк, 1995) Глава 3.
  18. ^ Wolford, MF; Hegeler, F.; Myers, MC; Giuliani, JL; Sethian, JD (2004). «Electra: Repetitively pulsed, 500 J, 100 ns, KRF oscillator». Applied Physics Letters . 84 (3): 326–328. Bibcode : 2004ApPhL..84..326W. doi : 10.1063/1.1641513.
  19. ^ Бернхэм, Р. и Джеу, Н. (1976), Лазеры с накачкой разрядом с ультрафиолетовой предыонизацией в XeF, KrF и ArF, Applied Physics Letters 29, стр. 707.
  20. ^ Оригинальное устройство приобретено Отделом информационных технологий и Обществом Национального музея американской истории для коллекции электричества и современной физики (приобретение № 1996.0343).
  21. ↑ Личные заметки Роберта Бутчера, инженера по лазерам в XMR, Inc.
  22. ^ Appl. Phys. Lett. 36, 943 (1980); Увеличение срока службы XeCl- и KrCl-лазеров с помощью добавок,
  23. ^ abc Jain, K. et al., «Сверхбыстрая литография в глубоком УФ-диапазоне с использованием эксимерных лазеров», IEEE Electron Device Lett., т. EDL-3, 53 (1982): https://ieeexplore.ieee.org/document/1482581/;jsessionid=C8B06C0BCC37AC9B972CE0653D65EA74?arnumber=1482581
  24. ^ abc Джейн, К. «Эксимерная лазерная литография» , SPIE Press, Беллингхэм, Вашингтон, 1990.
  25. ^ ab Поласко и др., «Глубокое УФ-облучение Ag2Se/GeSe2 с использованием эксимерного лазера», IEEE Electron Device Lett., т. 5, стр. 24 (1984): https://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=1484194&tag=1
  26. ^ Бастинг, Д. и др., «Исторический обзор развития эксимерных лазеров», в книге «Технология эксимерных лазеров», под ред. Д. Бастинг и Г. Маровски, Springer, 2005.
  27. ^ Американское физическое общество / Лазеры / История / Хронология: http://www.laserfest.org/lasers/history/timeline.cfm
  28. ^ SPIE / Развитие лазера / 50 лет и будущее (PDF) (Отчет). 6 января 2010 г.
  29. ^ Исследовательский совет по инжинирингу и физическим наукам Великобритании / Лазеры в нашей жизни / 50 лет воздействия: "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2011-09-13 . Получено 2011-08-22 .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
  30. ^ Лин, Б. Дж., «Оптическая литография» , SPIE Press, Беллингхэм, Вашингтон, 2009, стр. 136.
  31. ^ Лафонтен, Б., «Лазеры и закон Мура», SPIE Professional, октябрь 2010 г., стр. 20. http://spie.org/x42152.xml
  32. ^ "Samsung 5 нм и 4 нм обновление". WikiChip Fuse. 19 октября 2019 г. Получено 29 октября 2021 г.
  33. ^ Обеншайн, Стивен и др. «Высокоэнергетические лазеры на фториде криптона для инерциального термоядерного синтеза». Прикладная оптика 54.31 (2015): F103-F122.
  34. ^ US 4784135, «Хирургические и стоматологические процедуры с использованием дальнего ультрафиолета», выдан 15 октября 1988 г. 
  35. ^ "IBM News Release". IBM. 2012-12-21. Архивировано из оригинала 31 декабря 2012 года . Получено 21 декабря 2012 года .
  36. ^ R. Linsker; R. Srinivasan; JJ Wynne; DR Alonso (1984). «Дальнеультрафиолетовая лазерная абляция атеросклеротических поражений». Lasers Surg. Med . 4 (1): 201–206. doi :10.1002/lsm.1900040212. PMID  6472033. S2CID  12827770.
  37. ^ Li SM, Kang MT, Zhou Y, Wang NL, Lindsley K (2017). "Рефракционная хирургия с использованием эксимерного лазера волнового фронта для взрослых с аномалиями рефракции". Cochrane Database Syst Rev. 6 ( 6): CD012687. doi :10.1002/14651858.CD012687. PMC 6481747 . 
  38. ^ Дуарте, Ф. Дж. и Хиллман, Л. В. (ред.), Принципы лазеров на красителях (Academic, Нью-Йорк, 1990) Глава 6.
  39. ^ Толлман, К. и Теннант, Р., Крупномасштабные лазеры на красителях с накачкой эксимерным лазером, в книге « Мощные лазеры на красителях », Дуарте, Ф. Дж. (ред.) (Springer, Берлин, 1991), глава 4.
  40. ^ Криси, Д.Б. и Хаблер, Г.К., Импульсное лазерное осаждение тонких пленок (Wiley, 1994), ISBN 9780471592181 , Глава 2.