Лазер на фториде аргона (лазер ArF) — это особый тип эксимерного лазера , [1] , который иногда (более правильно) называют эксиплексным лазером. С длиной волны 193 нанометра он является глубоким ультрафиолетовым лазером, который обычно используется в производстве полупроводниковых интегральных схем , глазной хирургии, микрообработке и научных исследованиях. «Эксимер» — это сокращение от «возбужденный димер», а «эксиплекс» — это сокращение от «возбужденный комплекс». Эксимерный лазер обычно использует смесь благородного газа (аргона, криптона или ксенона) и галогенного газа (фтора или хлора), которая при подходящих условиях электрической стимуляции и высокого давления испускает когерентное стимулированное излучение (лазерный свет) в ультрафиолетовом диапазоне.
Эксимерные лазеры ArF (и KrF) широко используются в машинах для фотолитографии высокого разрешения , критически важной технологии для производства микроэлектронных чипов. Эксимерная лазерная литография [2] [3] позволила уменьшить размеры элементов транзистора с 800 нанометров в 1990 году до 7 нанометров в 2018 году. [4] [5] [6] Машины для экстремальной ультрафиолетовой литографии в некоторых случаях заменили машины для фотолитографии ArF, поскольку они позволяют создавать еще меньшие размеры элементов при одновременном повышении производительности, поскольку машины EUV могут обеспечивать достаточное разрешение за меньшее количество шагов. [7]
Развитие эксимерной лазерной литографии было отмечено как одна из важнейших вех в 50-летней истории лазера. [8] [9]
Лазер на фториде аргона поглощает энергию из источника, заставляя газ аргон реагировать с газом фтором , образуя монофторид аргона, временный комплекс , находящийся в возбужденном энергетическом состоянии:
Комплекс может подвергаться спонтанному или вынужденному излучению, снижая свое энергетическое состояние до метастабильного, но сильно отталкивающего основного состояния . Комплекс основного состояния быстро диссоциирует на несвязанные атомы:
Результатом является эксиплексный лазер , излучающий энергию на длине волны 193 нм, что находится в дальней ультрафиолетовой части спектра , что соответствует разнице энергий в 6,4 электрон-вольта между основным состоянием и возбужденным состоянием комплекса.
Наиболее распространенное промышленное применение эксимерных лазеров ArF было в глубокой ультрафиолетовой фотолитографии [2] [3] для производства микроэлектронных устройств (т. е. полупроводниковых интегральных схем или «чипов»). С начала 1960-х до середины 1980-х годов лампы Hg-Xe использовались для литографии на длинах волн 436, 405 и 365 нм. Однако, с потребностью полупроводниковой промышленности как в более высоком разрешении (для более плотных и быстрых чипов), так и в более высокой производительности (для более низких затрат), литографические инструменты на основе ламп больше не могли соответствовать требованиям отрасли.
Эта проблема была преодолена, когда в 1982 году в IBM была изобретена и продемонстрирована К. Джейном литография с использованием глубокого ультрафиолетового эксимерного лазера. [2] [3] [10] Благодаря достижениям в области технологий оборудования в последующие два десятилетия, полупроводниковые электронные приборы, изготовленные с использованием литографии с использованием эксимерного лазера, достигли годового объема производства в 400 миллиардов долларов. В результате [5] литография с использованием эксимерного лазера (с лазерами ArF и KrF) стала решающим фактором в продолжающемся развитии так называемого закона Мура . [6]
Ультрафиолетовый свет от ArF-лазера хорошо поглощается биологическими веществами и органическими соединениями. Вместо того, чтобы сжигать или резать материал, ArF-лазер диссоциирует молекулярные связи поверхностной ткани, которая распадается в воздухе строго контролируемым образом посредством абляции, а не сжигания. Таким образом, ArF и другие эксимерные лазеры обладают полезным свойством, заключающимся в том, что они могут удалять исключительно тонкие слои поверхностного материала практически без нагрева или изменения остатка материала, который остается нетронутым. Эти свойства делают такие лазеры хорошо подходящими для точной микрообработки органических материалов (включая некоторые полимеры и пластики) и особенно деликатных операций, таких как хирургия глаза (например, LASIK , LASEK ). [11]
Недавно, благодаря использованию новой дифракционной диффузной системы, состоящей из двух микролинзовых решеток, была выполнена микрообработка поверхности с помощью ArF-лазера на плавленом кварце с точностью до микрометра. [12]
В 2021 году Военно-морская исследовательская лаборатория США начала работу над ArF для использования в инерциальном термоядерном синтезе , обеспечивая эффективность использования энергии до 16% . [13]
LaserFusionX разрабатывает прототип прямого привода термоядерной энергии с использованием аргонфторидных лазеров. С 2024 года их внимание было сосредоточено на создании имплозивной установки для проектирования и тестирования лазеров, способных к достаточно высокой скорости стрельбы, используя твердотельную импульсную мощность. [14]
Свет, излучаемый ArF, невидим для человеческого глаза, поэтому при работе с этим лазером необходимы дополнительные меры безопасности, чтобы избежать паразитных лучей. Для защиты кожи от его потенциально канцерогенных свойств необходимы перчатки, а для защиты глаз — УФ-очки.