stringtranslate.com

Эксимерный лазер

Эксимерный лазер

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

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

Терминология и история

Лазер Electra KrF демонстрирует 90 000 снимков за 10 часов.

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

Эксимерный лазер был предложен в 1960 году Фрицем Хоутермансом . [1] Разработка эксимерного лазера началась 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 Лебедева в Москве с использованием жидкого димера ксенона (Xe 2 ), возбуждаемого электронным пучком. Вдохновленные этим отчетом, HA Koehler et al. представили лучшее обоснование вынужденного излучения в 1972 году [3] с использованием газообразного ксенона высокого давления. Убедительные доказательства действия ксенонового эксимерного лазера с длиной волны 173 нм с использованием газа высокого давления при 12 атмосферах, также накачиваемого электронным лучом, были впервые представлены в марте 1973 года Мани Лалом Бхаумиком из Northrop Corporation, Лос-Анджелес. Сильное стимулированное излучение наблюдалось, когда спектральная линия лазера сужалась с континуума 15 нм до всего лишь 0,25 нм, а интенсивность увеличивалась в тысячу раз. Расчетная мощность лазера в 1 джоуль была достаточно высокой, чтобы испарить часть зеркальных покрытий, что отпечатало его модовую картину. Эта презентация продемонстрировала реальный потенциал разработки мощных лазеров на коротких волнах. [4] [5] [6]

Более поздним усовершенствованием стало использование галогенидов благородных газов (первоначально Xe Br ), разработанных многими группами в 1975 году. [7] В число этих групп входят Исследовательская лаборатория Avco Everett, [8] Sandia Laboratories, [9] Исследовательский и технологический центр Northrop , [10] Исследовательская лаборатория ВМС США , [11] которая также разработала XeCl-лазер [12] , возбуждаемый с помощью микроволнового разряда, [13] и Национальная лаборатория Лос-Аламоса. [14]

Строительство и эксплуатация

Конечный усилитель лазера Nike, в котором энергия лазерного луча увеличивается со 150 Дж до ~ 5 кДж за счет прохождения через газовую смесь криптона, фтора и аргона, возбуждаемую облучением двумя противоположными электронными лучами напряжением 670 000 вольт.

Эксимерный лазер обычно использует комбинацию благородного газа ( аргона , криптона или ксенона ) и химически активного газа ( фтора или хлора ). В соответствующих условиях электрической стимуляции и высокого давления создается псевдомолекула, называемая эксимером ( или, в случае галогенидов благородных газов, эксиплексом ), которая может существовать только в заряженном состоянии и вызывать лазерное излучение в ультрафиолетовый диапазон. [15] [16]

Лазерное воздействие на эксимерную молекулу 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 (индуцированном электрическим разрядом или пучком высокоэнергетических электронов), они могут образовывать временно связанные молекулы сами с собой (эксимер) или с галогенами (эксиплекс), такими как фтор и хлор . Возбужденное соединение может высвободить свою избыточную энергию путем спонтанного или вынужденного излучения, в результате чего образуется сильно отталкивающая молекула в основном состоянии, которая очень быстро (порядка пикосекунды ) диссоциирует обратно на два несвязанных атома. Это формирует инверсию населенности . [ нужна 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 перестраиваемыми, используя различные внутрирезонаторные конструкции призм и решеток. [17]

Частота повторения импульсов

Электралазер в НРЛ — это лазер KrF, который продемонстрировал более 90 000 выстрелов за 10 часов.
Электралазер в НРЛ — это лазер KrF, который продемонстрировал более 90 000 выстрелов за 10 часов.

Хотя эксимерные лазеры с электронно-лучевой накачкой могут генерировать одиночные импульсы высокой энергии, они обычно разделены длительными периодами времени (многими минутами). Исключением была система «Электра», предназначенная для исследований в области инерционного термоядерного синтеза, которая могла производить серию из 10 импульсов каждый по 500 Дж в течение 10 с. [18] Напротив, эксимерные лазеры с разрядной накачкой, также впервые продемонстрированные в Военно-морской исследовательской лаборатории, способны выдавать постоянный поток импульсов. [19] [20] Их значительно более высокая частота повторения импульсов (порядка 100 Гц) и меньшая занимаемая площадь сделали возможным большинство приложений, перечисленных в следующем разделе. В период с 1980 по 1988 год в компании XMR, Inc [21] в Санта-Кларе, Калифорния , была разработана серия промышленных лазеров. Большинство произведенных лазеров были XeCl, а постоянная энергия 1 Дж на импульс при частоте повторения 300 импульсов в секунду была стандартный рейтинг. В этом лазере использовался мощный тиратрон 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 около 5 атмосфер. Широкое использование нержавеющей стали, никелирования и твердых никелевых электродов было использовано для уменьшения коррозии, вызываемой газом HCl. Одной из основных проблем, с которой пришлось столкнуться, была деградация оптических окон из-за накопления углерода на поверхности окна CaF. Это произошло из-за того, что гидрохлоруглероды образовались из небольших количеств углерода в уплотнительных кольцах, реагируя с газообразным HCl. Количество гидрохлоруглеродов со временем будет медленно увеличиваться и поглощать лазерный свет, вызывая медленное снижение энергии лазера. Кроме того, эти соединения будут разлагаться под воздействием интенсивного лазерного луча и собираться 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 при температуре 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 незначительного повышения температуры, поскольку при 77 К (температура 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 соотношения газов. Интересным побочным эффектом этого было медленное увеличение энергии лазера с течением времени, что объясняется 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 сообщили TJ McKee et al. [22]

Основные приложения

Фотолитография

С 1960-х годов наиболее широкое промышленное применение эксимерных лазеров получила фотолитография в глубоком ультрафиолете , [23] [24] — важнейшая технология, используемая в производстве микроэлектронных устройств. Исторически сложилось так, что с начала 1960-х до середины 1980-х годов в литографии использовались ртутно-ксеноновые лампы из-за их спектральных линий на длинах волн 436, 405 и 365 нм. Однако из-за потребности полупроводниковой промышленности как в более высоком разрешении (для производства более плотных и быстрых чипов), так и в более высокой производительности (для более низких затрат), инструменты для литографии на основе ламп больше не могли отвечать требованиям отрасли. Эта проблема была преодолена, когда в 1982 году в рамках новаторской разработки Канти Джайн предложил и продемонстрировал в IBM эксимерную лазерную литографию в глубоком УФ-диапазоне. [23] [25] [24] [26] С еще более широкой научной и технологической точки зрения, с момента изобретения лазера в 1960 году развитие эксимерлазерной литографии было отмечено как одна из важнейших вех в истории лазер. [27] [28] [29]

Современные инструменты литографии (по состоянию на 2021 год) в основном используют свет глубокого ультрафиолета (DUV) от эксимерных лазеров KrF и ArF с длинами волн 248 и 193 нанометров (так называемая «эксимерлазерная литография» [23] [25] [24] [30] ). , что позволило уменьшить размеры транзисторов до 7 нанометров (см. ниже). Таким образом, эксимерлазерная литография сыграла решающую роль в дальнейшем развитии так называемого закона Мура в течение последних 25 лет. [31] Примерно к 2020 году литография в крайнем ультрафиолете (EUV) начала заменять эксимер-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 к проверке подходов к термоядерному синтезу с инерционным удержанием . Это были лазерные системы Electra и Nike . Поскольку эксимерный лазер представляет собой газовую систему, он не нагревается, как твердотельные системы, такие как National Ignition Facility и Omega Laser . Электра продемонстрировала 90 000 бросков за 10 часов; идеально подходит для термоядерной электростанции . [33]

Медицинское использование

Ультрафиолетовый свет 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 воздух строго контролируемым образом посредством абляции , а не сжигания. Таким образом, эксимерные лазеры обладают тем полезным свойством, что они могут удалять исключительно тонкие слои поверхностного материала практически без нагревания или изменения остального материала, который остается нетронутым. Эти свойства делают эксимерные лазеры хорошо подходящими для прецизионной микрообработки органических материалов (включая некоторые полимеры и пластмассы) или деликатных операций , таких как хирургия глаза LASIK . В 1980–1983 годах Рангасвами Шринивасан , Сэмюэл Блюм и Джеймс Дж. Винн из Исследовательского центра Ти Дж. Уотсона IBM наблюдали влияние ультрафиолетового эксимерного лазера на биологические материалы. Заинтригованные, они продолжили исследование и обнаружили, что лазер делает чистые и точные разрезы, которые идеально подходят для деликатных операций. В результате был получен фундаментальный патент [34] , и Шринивасан, 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 президентом Бараком Обамой за свою работу . Относящийся к эксимерному лазеру. [35] Последующая работа представила эксимерный лазер для использования в ангиопластике . [36] Эксимерные лазеры на основе хлорида ксенона (308 нм) также могут лечить различные дерматологические заболевания, включая псориаз, витилиго, атопический дерматит, очаговую алопецию и лейкодермию.

Эксимерные лазеры как источники света обычно имеют большие размеры, что является недостатком при их медицинском применении, хотя их размеры быстро уменьшаются по мере постоянного развития. [ нужна цитата ]

Проводятся исследования для сравнения различий в результатах безопасности и эффективности между традиционной эксимерлазерной рефракционной хирургией и рефракционной хирургией с контролем или оптимизацией волнового фронта, поскольку методы волнового фронта могут лучше корректировать аберрации более высокого порядка . [37]

Научное исследование

Эксимерные лазеры также широко используются во многих областях научных исследований, как в качестве первичных источников, так и, особенно XeCl-лазер, в качестве источников накачки перестраиваемых лазеров на красителях , главным образом для возбуждения лазерных красителей, излучающих в сине-зеленой области спектра. [38] [39] Эти лазеры также широко используются в системах импульсного лазерного осаждения , где их большая плотность энергии , короткая длина волны и прерывистый луч делают их идеальными для абляции широкого спектра материалов. [40]

Смотрите также

У Шолиа есть профиль для эксимерного лазера (Q241056).

Рекомендации

  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, Н.Г.; Данилычев В.А.; Попов, Юрий М (31 января 1971 г.). «Вынужденное излучение в области вакуумного ультрафиолета». Советский журнал квантовой электроники . 1 (1): 18–22. Бибкод : 1971QuEle...1...18B. doi : 10.1070/qe1971v001n01abeh003011. ISSN  0049-1748.
  3. ^ Келер, HA; Фердербер, LJ; Рыжий, DL; Эберт, П.Дж. (сентябрь 1972 г.). «Стимулированное ВУФ-излучение в ксеноне высокого давления, возбуждаемое сильноточными релятивистскими электронными пучками». Письма по прикладной физике . 21 (5): 198–200. Бибкод : 1972ApPhL..21..198K. дои : 10.1063/1.1654342. ISSN  0003-6951.
  4. ^ Олт, Э.; Бхаумик, М.; Хьюз, В.; Дженсен, Р.; Робинсон, К.; Колб, А.; Шеннон, Дж. (март 1973 г.). «Операция ксенонового лазера на 1730 Ϻ». Журнал Оптического общества Америки . 63 (7): 907. doi :10.1364/JOSA.63.000907.
  5. ^ «Новости в фокусе». Лазерный фокус . 9 (5): 10–14. Май 1973 года.
  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 будущие перспективы эксимерной лазерной технологии, 2-й Международный симпозиум по прецизионному лазерному микропроизводству, страницы 14–22.
  8. ^ Юинг, Дж. Дж. и Брау, Калифорния (1975), Лазерное воздействие на полосы 2 сигма + 1/2 → 2 сигма + 1/2 KrF и XeCl, Appl. Физ. Летт., т. 27, нет. 6, страницы 350–352.
  9. ^ Тизон, Г.К. и Хейс, А.К. и Хоффман, Дж.М. (1975), KrF-лазер мощностью 100 МВт, 248,4 нм, возбуждаемый электронным лучом, Optics Comm., vol. 15, нет. 2, страницы 188–189.
  10. ^ Олт, ER и др. (1975), Мощный лазер на фториде ксенона, Applied Physics Letters 27, с. 413.
  11. ^ Сирлз, С.К. и Харт, Г.А. , (1975), Вынужденное излучение XeBr при длине волны 281,8 нм, Applied Physics Letters 27, p. 243.
  12. ^ «Высокоэффективный XeCl-лазер микроволнового разряда», CP Christensen, RW Waynant и BJ Feldman, Appl. Физ. Летт. 46, 321 (1985).
  13. ^ Микроволновой разряд привел к гораздо меньшей занимаемой площади, эксимерному лазеру с очень высокой частотой повторения импульсов, коммерциализированному по патенту США № 4,796,271 компанией Potomac Photonics, Inc.
  14. ^ Всестороннее исследование эксимерных лазеров, Роберт Р. Батчер, диссертация MSEE, 1975.
  15. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) «Эксимерный лазер». дои :10.1351/goldbook.E02243
  16. ^ Бастинг, Д. и Маровски, Г., ред., Технология эксимерного лазера, Springer, 2005.
  17. ^ Ф. Дж. Дуарте (ред.), Справочник по перестраиваемым лазерам (Academic, Нью-Йорк, 1995), Глава 3.
  18. ^ Волфорд, МФ; Хегелер, Ф.; Майерс, MC; Джулиани, JL; Сетиан, доктор медицинских наук (2004). «Электра: импульсно-периодический, 500 Дж, 100 нс, генератор KRF». Письма по прикладной физике . 84 (3): 326–328. Бибкод : 2004ApPhL..84..326W. дои : 10.1063/1.1641513.
  19. ^ Бёрнем, Р. и Джеу, Н. (1976), Ультрафиолетовые предионизированные лазеры с разрядной накачкой в ​​XeF, KrF и ArF, Applied Physics Letters 29, стр.707.
  20. ^ Оригинальное устройство приобретено Отделом информационных технологий и Обществом электричества и современной физики Национального музея американской истории (№ приобретения 1996.0343).
  21. ^ Личные заметки Роберта Батчера, инженера по лазерам в XMR, Inc.
  22. ^ Прил. Физ. Летт. 36, 943 (1980); Продление срока службы лазеров XeCl и KrCl с добавками,
  23. ^ abc Джайн, К. и др., «Сверхбыстрая литография в глубоком УФ-излучении с эксимерными лазерами», IEEE Electron Device Lett., Vol. EDL-3, 53 (1982): https://ieeexplore.ieee.org/document/1482581/;jsessionid=C8B06C0BCC37AC9B972CE0653D65EA74?arnumber=1482581
  24. ^ abc Джайн, К. «Эксимер-лазерная литография» , SPIE Press, Беллингем, Вашингтон, 1990.
  25. ^ Аб Поласко и др., «Глубокое УФ-облучение Ag2Se/GeSe2 с использованием эксимерного лазера», IEEE Electron Device Lett., Vol. 5, с. 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 журнале Excimer Laser Technology, Д. Бастинг и Г. Маровски, ред., Springer, 2005.
  27. ^ Американское физическое общество / Лазеры / История / Хронология: http://www.laserfest.org/lasers/history/timeline.cfm
  28. ^ SPIE / Продвижение лазера / 50 лет и в будущее (PDF) (Отчет). 6 января 2010 г.
  29. ^ Британский исследовательский совет по инженерным и физическим наукам / Лазеры в нашей жизни / 50 лет воздействия: «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 сентября 2011 г. Проверено 22 августа 2011 г.{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
  30. ^ Лин, Б.Дж., «Оптическая литография» , SPIE Press, Беллингем, Вашингтон, 2009, стр. 136.
  31. ^ Лафонтен, Б., «Лазеры и закон Мура», SPIE Professional, октябрь 2010 г., стр. 20. http://spie.org/x42152.xml.
  32. ^ «Обновление Samsung 5 нм и 4 нм» . Викичип-предохранитель. 19 октября 2019 года . Проверено 29 октября 2021 г.
  33. ^ Обенсчейн, Стивен и др. «Высокоэнергетические лазеры на фториде криптона для инерционного синтеза». Прикладная оптика 54.31 (2015): Ф103-Ф122.
  34. ^ US 4784135, «Хирургические и стоматологические процедуры в дальнем ультрафиолете», выдан 15 октября 1988 г. 
  35. ^ "Выпуск новостей IBM". ИБМ. 21 декабря 2012 г. Проверено 21 декабря 2012 г.
  36. ^ Р. Линскер; Р. Шринивасан; Джей Джей Винн; ДР Алонсо (1984). «Лазерная абляция атеросклеротических поражений дальним ультрафиолетом». Лазерная хирургия. Мед . 4 (1): 201–206. дои : 10.1002/lsm.1900040212. PMID  6472033. S2CID  12827770.
  37. ^ Ли С.М., Кан М.Т., Чжоу Ю, Ван Н.Л., Линдсли К. (2017). «Рефракционная хирургия с эксимерным лазером волнового фронта у взрослых с аномалиями рефракции». Cochrane Database Syst Rev. 6 (6): CD012687. дои : 10.1002/14651858.CD012687. ПМК 6481747 . 
  38. ^ Дуарте, Ф.Дж. и Хиллман, Л.В. (ред.), Принципы лазера на красителях (Academic, Нью-Йорк, 1990), Глава 6.
  39. ^ Таллман, К. и Теннант, Р., Крупномасштабные лазеры на красителях с эксимер-лазерной накачкой, в книге « Высокомощные 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.