Excimerový laser - Excimer laser - Wikipedia

An excimerový laser, někdy správněji nazývané laser exciplex, je forma ultrafialový laser který se běžně používá při výrobě mikroelektronické zařízení, polovodič na základě integrované obvody nebo „čipy“, operace očí, a mikroobrábění.

Excimerový laser

Terminologie a historie

Termín excimer je zkratka pro „vzrušený“ dimer ', zatímco exciplex je zkratka pro „vzrušený“ komplex '. Většina excimerových laserů je typu halogenidu ušlechtilého plynu, což je termín excimer je, přísně vzato, nesprávné pojmenování. (I když se méně často používá, správný termín pro takový je laser exciplex.)

Excimerový laser byl vynalezen v roce 1970[1] podle Nikolai Basov, V. A. Danilychev a Yu. M. Popov, u Lebedevův fyzikální institut v Moskva, používat xenon dimer (Xe2) vzrušený an elektron paprsek dát stimulovaná emise v 172 nm vlnová délka. Pozdější vylepšení, vyvinuté mnoha skupinami v roce 1975[2] bylo použití ušlechtilý plyn halogenidy (původně XeBr ). Mezi tyto skupiny patří Avco Everett Research Laboratory,[3] Sandia Laboratories,[4] the Výzkumné a technologické centrum Northrop,[5] vláda Spojených států Naval Research Laboratory[6] který také vyvinul XeCl Laser[7] který byl vzrušen pomocí mikrovlnného výboje.[8] a Národní laboratoř Los Alamos.[9]

Konstrukce a provoz

Excimerový laser obvykle používá kombinace a ušlechtilý plyn (argon, krypton nebo xenon ) a a reaktivní plyn (fluor nebo chlór ). Za vhodných podmínek elektrické stimulace a vysokého tlaku semolekula volal excimer (nebo v případě halogenidů vzácného plynu, exciplex ), který může existovat pouze v energetickém stavu a může vzniknout laser světlo v ultrafialový rozsah.[10][11]

Laserová akce v molekule excimeru nastává, protože má vázanou (asociativní) vzrušený stav, ale a odporný (disociativní) základní stav. Vzácné plyny jako xenon a krypton jsou velmi inertní a obvykle se netvoří chemické sloučeniny. Pokud jsou však ve vzrušeném stavu (vyvolaném elektrickým výbojem nebo vysokoenergetickými elektronovými paprsky), mohou tvořit dočasně vázané molekuly sami se sebou (excimer) nebo s halogeny (exciplex), jako je fluor a chlór. Vzrušená sloučenina může uvolnit svou přebytečnou energii podstoupením spontánní nebo stimulovaná emise, což má za následek silně odpudivou molekulu základního stavu, která velmi rychle (řádově a pikosekunda ) disociuje zpět na dva nevázané atomy. Toto tvoří a populační inverze.

Stanovení vlnové délky

The vlnová délka excimerového laseru závisí na použitých molekulách a je obvykle v ultrafialovém záření:

ExcimerVlnová délkaRelativní síla
Ar2*126 nm
Kr2*146 nm
F2*157 nm
Xe2*172 a 175 nm
ArF193 nm60
KrCl222 nm25
KrF248 nm100
XeBr282 nm
XeCl308 nm50
XeF351 nm45

Excimerové lasery, jako jsou XeF a KrF, lze také mírně vyrobit naladitelný pomocí různých hranolů a mřížkových uspořádání nitroděložní dutiny.[12]

Rychlost opakování pulzu

Zatímco excimerové lasery přečerpávané elektronovým paprskem mohou produkovat vysokoenergetické impulsy, jsou obvykle odděleny dlouhými časovými obdobími (mnoho minut). Výjimkou byl systém Electra, navržený pro studie setrvačné fúze, který dokázal vyprodukovat výbuch 10 pulzů, každý o rozměrech 500 J, v rozpětí 10 s.[13] Naproti tomu excimerové lasery čerpané výbojem, které byly také poprvé předvedeny v Naval Research Laboratory, jsou schopny vydávat stálý proud pulsů.[14][15] Jejich výrazně vyšší frekvence opakování pulzů (řádově 100 Hz) a menší stopa umožnily většinu aplikací uvedených v následující části. Ve společnosti XMR, Inc. byla vyvinuta řada průmyslových laserů[16] v Santa Clara v Kalifornii v letech 1980-1988. Většina vyrobených laserů byla XeCl a standardní hodnotou byla trvalá energie 1 J na puls při rychlosti opakování 300 pulzů za sekundu. Tento laser používal vysoce výkonné tyratronové a magnetické přepínání s preionizací koróny a byl dimenzován na 100 milionů pulzů bez větší údržby. Pracovním plynem byla směs xenonu, HC1 a neonu při přibližně 5 atmosfér. Ke snížení koroze v důsledku plynného HCl bylo začleněno rozsáhlé používání nerezové oceli, niklování a elektrod z pevného niklu. Jedním z hlavních problémů, se kterým se setkali, byla degradace optických oken v důsledku hromadění uhlíku na povrchu okna CaF. To bylo způsobeno hydro-chlor-uhlíky vytvořenými z malého množství uhlíku v O-kroužcích reagujících s plynným HCl. Uhlovodíkové uhlíky by se časem pomalu zvyšovaly a absorbovaly laserové světlo, což by způsobilo pomalé snižování laserové energie. Kromě toho by se tyto sloučeniny rozložily v intenzivním laserovém paprsku a shromažďovaly se na okně, což by způsobilo další snížení energie. Periodická výměna laserového plynu a oken byla vyžadována se značnými náklady. To bylo významně vylepšeno použitím systému čištění plynu sestávajícího ze studeného lapače, který pracuje mírně nad teplotou kapalného dusíku, a kovového vlnovcového čerpadla pro recirkulaci laserového plynu studeným lapačem. Studený lapač sestával ze zásobníku kapalného dusíku a ohřívače pro mírné zvýšení teploty, protože při 77 K (bod varu kapalného dusíku) byl tlak par xenonu nižší než požadovaný provozní tlak ve směsi laserových plynů. HCl byl zmrazen ve studeném odlučovači a byla přidána další HCI pro udržení správného poměru plynu. Zajímavým vedlejším účinkem toho bylo pomalé zvyšování energie laseru v průběhu času, přičítané zvyšování parciálního tlaku vodíku ve směsi plynů způsobené pomalou reakcí chloru s různými kovy. Jak reagoval chlor, uvolňoval se vodík, čímž se zvyšoval parciální tlak. Čistý výsledek byl stejný jako přidání vodíku do směsi ke zvýšení účinnosti laseru, jak uvádí T.J. McKee a kol.[17]

Hlavní aplikace

Fotolitografie

Excimerové lasery jsou široce používány ve vysokém rozlišení fotolitografie stroje, jedna z kritických technologií požadovaných pro mikroelektronické výroba čipů. Současné nejmodernější litografické nástroje používají hluboké ultrafialové světlo (DUV) z excimerových laserů KrF a ArF s vlnovými délkami 248 a 193 nanometrů (dominantní litografické technologii se dnes říká také „excimerová laserová litografie“.[18][19][20][21]), který umožnil zmenšení velikosti funkcí tranzistorů na 7 nanometrů (viz níže). Excimerová laserová litografie tak hrála rozhodující roli v dalším postupu tzv Moorův zákon za posledních 25 let.[22]

Nejrozšířenější průmyslovou aplikací excimerových laserů bylo použití ultrafialového záření fotolitografie,[18][20] kritická technologie používaná při výrobě mikroelektronické zařízení (tj. polovodič integrované obvody nebo „čipy“). Historicky se od počátku 60. let do poloviny 80. let v litografii používaly rtuť-xenonové výbojky pro jejich spektrální linie při vlnových délkách 436, 405 a 365 nm. Avšak vzhledem k tomu, že odvětví polovodičů potřebuje vyšší rozlišení (pro výrobu hustších a rychlejších čipů) a vyšší propustnost (pro nižší náklady), litografické nástroje založené na lampách již nebyly schopny splnit požadavky tohoto odvětví. Tato výzva byla překonána, když byl v průkopnickém vývoji v roce 1982 navržen a prokázán v IBM hlubokou UV excimerovou laserovou litografii Kanti Jain.[18][19][20][23] S fenomenálním pokrokem v technologii zařízení za poslední dvě desetiletí a dnes s mikroelektronickými zařízeními vyrobenými pomocí excimerové laserové litografie v celkové roční produkci 400 miliard USD je to pohled polovodičového průmyslu[22] že excimerová laserová litografie byla rozhodujícím faktorem v pokračujícím postupu Mooreova zákona, což umožnilo zmenšení minimálních velikostí vlastností při výrobě čipů z 800 nanometrů v roce 1990 na 7 nanometrů v roce 2018.[24][25] Z ještě širšího vědeckého a technologického hlediska je od vynálezu laseru v roce 1960 vývoj excimerové laserové litografie zdůrazněn jako jeden z hlavních milníků v 50leté historii laseru.[26][27][28]

Lékařské použití

Ultrafialové světlo z excimerového laseru je dobře absorbováno biologická hmota a organické sloučeniny. Namísto pálení nebo řezání materiálu dodává excimerový laser dostatek energie k narušení molekulárních vazeb povrchové tkáně, což účinně rozpadá se do vzduchu přísně kontrolovaným způsobem ablace spíše než hořet. Excimerové lasery tedy mají užitečnou vlastnost, že mohou odstraňovat výjimečně jemné vrstvy povrchového materiálu téměř bez zahřívání nebo změny zbytku materiálu, který zůstane beze změny. Díky těmto vlastnostem se excimerové lasery dobře hodí k přesnému mikroobrábění organického materiálu (včetně určitých polymery a plasty) nebo jemné operace jako operace očí LASIK. V letech 1980–1983 Rangaswamy Srinivasan, Samuel Blum a James J. Wynne na IBM je T. J. Watson Research Center pozoroval účinek ultrafialového excimerového laseru na biologické materiály. Zaujalo je to další zkoumání a zjistili, že laser provádí čisté a přesné řezy, které by byly ideální pro jemné operace. Výsledkem byl základní patent[29] a Srinivasan, Blum a Wynne byli zvoleni do Síň slávy národních vynálezců v roce 2002. V roce 2012 byli členové týmu oceněni Národní medaile za technologii a inovace podle Prezident Spojených států Barack Obama za práci související s excimerovým laserem.[30] Následná práce představila excimerový laser pro použití v angioplastika.[31] Excimerové lasery s xenonchloridem (308 nm) mohou také léčit různé dermatologické stavy včetně psoriázy, vitiliga, atopické dermatitidy, alopecie areata a leukodermy.

Jako světelné zdroje mají excimerové lasery obecně velké rozměry, což je nevýhodou jejich lékařských aplikací, i když jejich velikost s postupujícím vývojem rychle klesá.

Probíhá výzkum za účelem porovnání rozdílů ve výsledcích bezpečnosti a účinnosti mezi konvenčním excimerovým laserem refrakční chirurgie a refrakční chirurgie s vlnovou čárou nebo s optimalizovanou vlnovou čárou, protože metody vlnoplochy mohou lépe korigovat aberace vyššího řádu.[32]

Vědecký výzkum

Excimerové lasery jsou také široce používány v mnoha oblastech vědeckého výzkumu, a to jak jako primární zdroje, tak zejména jako XeCl laser, jako zdroje čerpadel pro laditelné lasery na barvení, hlavně k excitaci laserových barviv emitujících v modrozelené oblasti spektra.[33][34] Tyto lasery se také běžně používají v Pulzní laserová depozice systémy, kde jsou velké plynulost Díky krátké vlnové délce a vlastnostem nespojitého paprsku jsou ideální pro ablaci široké škály materiálů.[35]

Viz také

Reference

  1. ^ Basov, N. G. a kol., Zh. Eksp. Fiz. i Tekh. Pis'ma. Červené. 12, 473 (1970).
  2. ^ Basting, D. a kol., Historie a vyhlídky technologie excimerového laseru, 2. mezinárodní symposium o laserové přesné výrobě, strany 14–22.
  3. ^ Ewing, J. J. a Brau, C. A. (1975), Laser action on the 2 Sigma + 1/2 -> 2 Sigma + 1/2 band of KrF and XeCl, Appl. Phys. Lett., Sv. 27, č. 6, strany 350–352.
  4. ^ Tisone, G. C. a Hays, A. K. a Hoffman, J. M. (1975), 100 MW, 248,4 nm, KrF laser excitovaný elektronovým paprskem, Optics Comm., Sv. 15, č. 2, strany 188–189.
  5. ^ Ault, E. R. a kol. (1975), High-power xenon fluoride laser, Applied Physics Letters 27, str. 413.
  6. ^ Searles, S. K. a Hart, G. A., (1975), Stimulovaná emise při 281,8 nm z XeBr, Applied Physics Letters 27, str. 243.
  7. ^ „High Efficiency Microwave Discharge XeCl Laser“, C. P. Christensen, R. W. Waynant a B. J. Feldman, Appl. Phys. Lett. 46, 321 (1985).
  8. ^ Mikrovlnný výboj vedl k mnohem menší stopě, excimerovému laseru s velmi vysokou rychlostí opakování pulzu, komerčně dostupnému pod americkým patentem 4 796 271 od firmy Potomac Photonics, Inc
  9. ^ Komplexní studie excimerových laserů, Robert R. Butcher, práce MSEE, 1975
  10. ^ IUPAC, Kompendium chemické terminologie, 2. vyd. („Zlatá kniha“) (1997). Online opravená verze: (2006–) “excimerový laser ". doi:10.1351 / zlatá kniha.E02243
  11. ^ Basting, D. a Marowsky, G., Eds., Excimer Laser Technology, Springer, 2005.
  12. ^ F. J. Duarte (Vyd.), Příručka laditelných laserů (Academic, New York, 1995) Kapitola 3.
  13. ^ Wolford, M. F .; Hegeler, F .; Myers, M. C .; Giuliani, J. L .; Sethian, J. D. (2004). „Electra: Repetitively pulsed, 500 J, 100 ns, KRF oscillator“. Aplikovaná fyzikální písmena. 84 (3): 326–328. Bibcode:2004ApPhL..84..326W. doi:10.1063/1.1641513.
  14. ^ Burnham, R. a Djeu, N. (1976), ultrafialové preionizované výbojky čerpané lasery v XeF, KrF a ArF, Applied Physics Letters 29, str. 707.
  15. ^ Originální zařízení získané divizí informačních technologií a společnosti pro sbírku elektřiny a moderní fyziky Národního muzea americké historie (akvizice # 1996.0343).
  16. ^ Osobní poznámky Roberta Butchera, laserového inženýra ve společnosti XMR, Inc.
  17. ^ Appl. Phys. Lett. 36, 943 (1980); Celoživotní prodloužení laserů XeCl a KrCl o přísady,
  18. ^ A b C Jain, K. a kol., „Ultrafast deep-UV lithography with excimer lasers“, IEEE Electron Device Lett., Sv. EDL-3, 53 (1982): http://ieeexplore.ieee.org/xpl/freeabs_all.jsp?arnumber=1482581
  19. ^ A b Polasko a kol., "Hluboké UV vystavení Ag2Se / GeSe2utilizing excimerovým laserem", IEEE Electron Device Lett., Sv. 5, s. 24 (1984): http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp?arnumber=1484194&tag=1
  20. ^ A b C Jain, K. „Excimerová laserová litografie“SPIE Press, Bellingham, WA, 1990.
  21. ^ Lin, B. J., „Optická litografie“, SPIE Press, Bellingham, WA, 2009, s. 136.
  22. ^ A b La Fontaine, B., „Lasery a Moorův zákon“, SPIE Professional, říjen 2010, s. 20. http://spie.org/x42152.xml
  23. ^ Basting, D. a kol., „Historical Review of Excimer Laser Development“, v Excimer Laser Technology, D. Basting a G. Marowsky, Eds., Springer, 2005.
  24. ^ Společnost Samsung zahajuje první masovou výrobu systému na čipu s technologií 10F nanometru FinFET; https://news.samsung.com/global/samsung-starts-industrys-first-mass-production-of-system-on-chip-with-10-nanometer-finfet-technology
  25. ^ „TSMC odstartuje objemovou výrobu 7nm čipů“. AnandTech. 2018-04-28. Citováno 2018-10-20.
  26. ^ Americká fyzikální společnost / Lasery / Historie / Časová osa: http://www.laserfest.org/lasers/history/timeline.cfm
  27. ^ SPIE / Prosazování laseru / 50 let a do budoucnosti: http://spie.org/Documents/AboutSPIE/SPIE%20Laser%20Luminaries.pdf
  28. ^ Rada pro výzkum ve Velké Británii pro inženýrství a fyzikální vědy / Lasery v našich životech / 50 let dopadu: „Archivovaná kopie“ (PDF). Archivovány od originál (PDF) dne 2011-09-13. Citováno 2011-08-22.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
  29. ^ USA 4784135 „Far ultrafialové chirurgické a zubní zákroky“, vydáno 15.10.1988 
  30. ^ „Novinky IBM“. IBM. 2012-12-21. Citováno 21. prosince 2012.
  31. ^ R. Linsker; R. Srinivasan; J. J. Wynne; D. R. Alonso (1984). "Daleko ultrafialová laserová ablace aterosklerotických lézí". Lasery Surg. Med. 4 (1): 201–206. doi:10,1002 / lsm. 1900040212. PMID  6472033.
  32. ^ Li SM, Kang MT, Zhou Y, Wang NL, Lindsley K (2017). „Wavefront excimerová laserová refrakční chirurgie pro dospělé s refrakčními vadami“. Cochrane Database Syst Rev. 6 (6): CD012687. doi:10.1002 / 14651858.CD012687. PMC  6481747.CS1 maint: používá parametr autoři (odkaz)
  33. ^ Duarte, F. J. a Hillman, L. W. (Eds.), Principy barvení laserem (Academic, New York, 1990) Kapitola 6.
  34. ^ Tallman, C. a Tennant, R., Velkoplošné laserové lasery s excimerovým laserem, v High Power Dye Lasers, Duarte, F. J. (ed.) (Springer, Berlin, 1991) Kapitola 4.
  35. ^ Chrisey, D.B. a Hubler, G.K., Pulzní laserová depozice tenkých vrstev (Wiley, 1994), ISBN  9780471592181, Kapitola 2.