Криптон -фторидный лазер ( лазер KrF ) — это особый тип эксимерного лазера , [1] , который иногда (более правильно) называют эксиплексным лазером. С длиной волны 248 нанометров это глубокий ультрафиолетовый лазер, который обычно используется в производстве полупроводниковых интегральных схем , промышленной микрообработке и научных исследованиях. Термин эксимер является сокращением от «возбужденный димер», в то время как эксиплекс является сокращением от «возбужденный комплекс». Эксимерный лазер обычно содержит смесь: благородного газа, такого как аргон, криптон или ксенон; и галогенного газа, такого как фтор или хлор. При достаточно интенсивных условиях электромагнитной стимуляции и давления смесь испускает луч когерентного стимулированного излучения в виде лазерного света в ультрафиолетовом диапазоне.
Эксимерные лазеры KrF и ArF широко используются в фотолитографических машинах высокого разрешения, одном из важнейших инструментов, необходимых для производства микроэлектронных чипов в нанометровых размерах. Эксимерная лазерная литография [2] [3] позволила уменьшить размеры транзисторных элементов с 800 нанометров в 1990 году до 10 нанометров в 2016 году. [4] [5]
Лазер на фториде криптона поглощает энергию из источника, заставляя газ криптон реагировать с газом фтором , образуя эксиплекс фторида криптона, временный комплекс 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 , который излучает энергию на длине волны 248 нм, вблизи ультрафиолетовой части спектра , что соответствует разнице энергий между основным состоянием и возбужденным состоянием комплекса.
Было создано несколько таких лазеров для экспериментов с ICF; вот некоторые примеры: [6]
Этот лазер также использовался для получения мягкого рентгеновского излучения из плазмы посредством облучения короткими импульсами этого лазерного света. Другие важные приложения включают манипуляции с различными материалами, такими как пластик, стекло, кристалл, композитные материалы и живые ткани. Свет от этого УФ-лазера сильно поглощается липидами , нуклеиновыми кислотами и белками , что делает его полезным для применения в медицинской терапии и хирургии.
Наиболее распространенное промышленное применение эксимерных лазеров KrF 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 производства (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 продемонстрирована пионерская разработка эксимерной лазерной литографии глубокого УФ-излучения К. Джейном. [2] [3] [11] Благодаря феноменальным достижениям в области оборудования и технологий за последние два десятилетия, современные полупроводниковые электронные приборы, изготовленные с использованием эксимерной лазерной литографии, теперь производят более 400 миллиардов долларов в год. В результате полупроводниковая промышленность считает [4] , что эксимерная лазерная литография (как с KrF-, так и с ArF-лазерами) стала 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 отмечено как одна из главных вех в 50-летней истории лазера. [12] [13] [14]
Лазер KrF используется в исследованиях термоядерной энергии с 1980-х годов. Этот лазер имеет несколько преимуществ: [7]
Свет, излучаемый KrF, невидим для человеческого глаза, поэтому при работе с этим лазером необходимы дополнительные меры предосторожности, чтобы избежать паразитных лучей. Для защиты кожи от потенциально канцерогенных свойств УФ-луча необходимы перчатки, а для защиты глаз — УФ-очки.