Excimer laser - Excimer laser

En excimer laser , noen ganger mer korrekt kalles en exciplex laser , er en form for ultrafiolett laser som vanligvis anvendes ved fremstilling av mikroelektroniske anordninger, halvlederbaserte integrerte kretser eller "chips", øyekirurgi , og mikromaskinering .

En excimer -laser

Terminologi og historie

Begrepet excimer er forkortelse for 'spent dimer ', mens exciplex er kort for 'spent kompleks '. De fleste excimerlasere er av typen edelgasshalogenid, som uttrykket excimer strengt tatt er en misvisende betegnelse for . (Selv om det er mindre vanlig, er det riktige uttrykket for slike en exciplex -laser .)

Eksimerlaserutviklingen startet med observasjon av en begynnende spektrallinje innsnevring ved 176 nm   rapportert i 1971 av Nikolai Basov , VA Danilychev og Yu. M. Popov, ved Lebedev Physical Institute i Moskva , ved bruk av flytende xenon dimer (Xe 2 ) eksitert av en elektronstråle . Pådratt av denne rapporten, HA Koehler et.al. presenterte en bedre underbygging av stimulert utslipp i 1972, ved bruk av høyt trykk xenongass. Definitivt bevis på en xenon -excimerlaservirkning ved 173 nm ved bruk av høytrykksgass ved 12 atmosfærer, også pumpet av en elektronstråle, ble først presentert i mars 1973, av Mani Lal Bhaumik fra Northrop Corporation, Los Angeles. Sterk stimulert utslipp ble observert da laserens spektrallinje smalret fra et kontinuum på 15 nm til bare 0,25 nm, og intensiteten økte tusen ganger. Laserens estimerte effekt på 1 Joule var høy nok til å fordampe en del av speilbeleggene, som preget modusmønsteret. Denne presentasjonen etablerte det troverdige potensialet for å utvikle lasere med høy effekt ved korte bølgelengder.

En senere forbedring var bruken av edelgass halogenider (opprinnelig Xe Br ) utviklet av mange grupper i 1975. Disse gruppene omfatter Avco Everett Research Laboratory, Sandia Laboratories, den Northrop Research and Technology Center , USA regjeringens Naval Research Laboratory , som utviklet også en XeCl Laser som var begeistret ved hjelp av mikrobølgeutladning og Los Alamos National Laboratory.

Bygging og drift

En excimerlaser bruker vanligvis en kombinasjon av en edelgass ( argon , krypton eller xenon ) og en reaktiv gass ​​( fluor eller klor ). Under passende forhold for elektrisk stimulering og høyt trykk, opprettes et pseudomolekyl som kalles en excimer (eller i tilfelle av edelgasshalogenider, exciplex ), som bare kan eksistere i en energisert tilstand og kan gi laserlys i ultrafiolett område.

Laservirkning i et excimermolekyl oppstår fordi den har en bundet (assosiativ) eksitert tilstand , men en frastøtende (dissosiativ) grunntilstand . Edle gasser som xenon og krypton er svært inerte og danner vanligvis ikke kjemiske forbindelser . Når de er i en eksitert tilstand (indusert av elektrisk utladning eller elektroner med høy energi), kan de imidlertid danne midlertidig bundne molekyler med seg selv (excimer) eller med halogener (exciplex) som fluor og klor . Den eksiterte forbindelsen kan frigjøre sin overskytende energi ved å gjennomgå spontan eller stimulert utslipp, noe som resulterer i et sterkt frastøtende jordtilstandsmolekyl som veldig raskt (i størrelsesorden et pikosekund ) dissosierer tilbake til to ubundne atomer. Dette danner en befolkningsinversjon .

Bølgelengdebestemmelse

Den bølgelengde av en excimer laser er avhengig av molekylene som anvendes, og er vanligvis i det ultrafiolette:

Excimer Bølgelengde Relativ kraft
Ar 2 * 126 nm
Kr 2 * 146 nm
F 2 * 157 nm
Xe 2 * 172 og 175 nm
ArF 193 nm 60
KrCl 222 nm 25
KrF 248 nm 100
XeBr 282 nm
XeCl 308 nm 50
XeF 351 nm 45

Excimer -lasere, for eksempel XeF og KrF, kan også gjøres litt tunable ved hjelp av en rekke prismer og risting av intracavity -arrangementer.

Gjentakelse av puls

Selv om elektronstrålepumpede excimerlasere kan produsere høye enkeltenergipulser, er de vanligvis atskilt med lange tidsperioder (mange minutter). Et unntak var Electra -systemet, designet for treghetsfusjonsstudier, som kunne produsere en serie på 10 pulser som hver måler 500 J over et spenn på 10 sekunder. I kontrast kan utladningspumpede excimerlasere, også først demonstrert ved Naval Research Laboratory, levere en jevn strøm av pulser. Deres signifikant høyere pulsrepetisjonshastigheter (i størrelsesorden 100 Hz) og mindre fotavtrykk muliggjorde hoveddelen av applikasjonene som er oppført i den følgende delen. En serie industrielle lasere ble utviklet på XMR, Inc i Santa Clara, California mellom 1980-1988. De fleste laserene som ble produsert var XeCl, og en vedvarende energi på 1 J per puls ved repetisjonshastigheter på 300 pulser per sekund var standardvurderingen. Denne laseren brukte en kraftig tyratron og magnetisk kobling med korona-forionisering og ble vurdert til 100 millioner pulser uten større vedlikehold. Driftsgassen var en blanding av xenon, HCl og Neon ved omtrent 5 atmosfærer. Omfattende bruk av rustfritt stål, nikkelbelegg og solide nikkelelektroder ble innarbeidet for å redusere korrosjon på grunn av HCl -gassen. Et stort problem som oppstod var nedbrytning av de optiske vinduene på grunn av karbonoppbygging på overflaten av CaF-vinduet. Dette skyldtes hydroklor-karbonatomer dannet av små mengder karbon i O-ringer som reagerte med HCl-gassen. Hydroklor-karbonatene ville sakte øke over tid og absorbere laserlyset, noe som forårsaket en langsom reduksjon i laserenergi. I tillegg vil disse forbindelsene brytes ned i den intense laserstrålen og samle seg på vinduet, noe som forårsaker ytterligere reduksjon i energi. Periodisk utskifting av lasergass og vinduer var nødvendig til betydelige kostnader. Dette ble betydelig forbedret ved bruk av et gassrensingssystem bestående av en kaldfelle som opererer litt over flytende nitrogentemperatur og en metallbelgpumpe for å resirkulere lasergassen gjennom kaldfellen. Kaldfellen besto av et flytende nitrogenreservoar og en varmeapparat for å heve temperaturen noe, siden xenon -damptrykket ved 77 K (flytende nitrogen -kokepunkt) var lavere enn det nødvendige driftstrykket i lasergassblandingen. HCl ble frosset ut i kaldfellen, og ytterligere HCl ble tilsatt for å opprettholde det riktige gassforholdet. En interessant bivirkning av dette var en langsom økning i laser energi over tid, tilskrevet økning i hydrogendeltrykk i gassblandingen forårsaket av langsom reaksjon av klor med forskjellige metaller. Etter hvert som kloret reagerte, ble det frigjort hydrogen, noe som økte partialtrykket. Nettoresultatet var det samme som å tilsette hydrogen til blandingen for å øke lasereffektiviteten som rapportert av TJ McKee et al.

Store applikasjoner

Fotolitografi

Excimer-lasere er mye brukt i høyoppløselige fotolitografimaskiner , en av de kritiske teknologiene som kreves for mikroelektronisk chipproduksjon. Dagens topp moderne litografiverktøy bruker dypt ultrafiolett (DUV) lys fra KrF- og ArF-excimerlaserne med bølgelengder på 248 og 193 nanometer (den dominerende litografiteknologien i dag kalles derfor også "excimer laser litography"), som har aktiverte størrelser på transistorfunksjoner til å krympe til 7 nanometer (se nedenfor). Excimer laser litografi har dermed spilt en avgjørende rolle i det fortsatte fremskrittet av den såkalte Moores lov de siste 25 årene.

Den mest utbredte industrielle anvendelsen av excimerlasere har vært i dyp-ultrafiolett fotolitografi , en kritisk teknologi som brukes i produksjonen av mikroelektroniske enheter (dvs. halvlederintegrerte kretser eller "chips"). Historisk, fra begynnelsen av 1960-tallet til midten av 1980-tallet, hadde kvikksølv-xenon-lamper blitt brukt i litografi for sine spektrale linjer ved 436, 405 og 365 nm bølgelengder. Men med halvlederindustriens behov for både høyere oppløsning (for å produsere tettere og raskere sjetonger) og høyere gjennomstrømning (for lavere kostnader), klarte de lampebaserte litografiverktøyene ikke lenger å oppfylle bransjens krav. Denne utfordringen ble overvunnet da Kanti Jain i en banebrytende utvikling i 1982 ble foreslått og demonstrert dyp-UV-excimerlaser litografi på IBM . Med fenomenale fremskritt innen utstyrsteknologi de siste to tiårene, og i dag mikroelektroniske enheter produsert ved hjelp av excimerlaser litografi på totalt 400 milliarder dollar i årlig produksjon, er det halvlederindustriens syn at excimer laser litografi har vært en avgjørende faktor i den fortsatte fremgangen til Moores lov, slik at minimumsfunksjoner i chipproduksjon kan krympe fra 800 nanometer i 1990 til 7 nanometer i 2018. Fra et enda bredere vitenskapelig og teknologisk perspektiv, siden oppfinnelsen av laseren i 1960, har utviklingen av excimerlaser litografi blitt fremhevet som en av de viktigste milepælene i laserens 50-årige historie.

Medisinske bruksområder

Det ultrafiolette lyset fra en excimerlaser absorberes godt av biologisk materiale og organiske forbindelser . I stedet for å brenne eller kutte materiale, tilfører excimerlaseren nok energi til å forstyrre de molekylære bindingene til overflatevevet, som effektivt oppløses i luften på en tett kontrollert måte gjennom ablasjon i stedet for å brenne. Således har excimerlasere den nyttige egenskapen at de kan fjerne eksepsjonelt fine lag med overflatemateriale med nesten ingen oppvarming eller endring til resten av materialet som forblir intakt. Disse egenskapene gjør excimerlasere godt egnet til presisjon mikromaskinering av organisk materiale (inkludert visse polymerer og plast), eller delikate operasjoner som øyekirurgi LASIK . I 1980-1983, Rangaswamy Srinivasan , Samuel Blum og James J. Wynne på IBM 's TJ Watson Research Center observerte effekten av ultrafiolett excimer laser på biologisk materiale. Intrigert undersøkte de videre og fant ut at laseren gjorde rene, presise kutt som ville være ideelle for delikate operasjoner. Dette resulterte i et grunnleggende patent og Srinivasan, Blum og Wynne ble valgt til National Inventors Hall of Fame i 2002. I 2012 ble teammedlemmene hedret med National Medal of Technology and Innovation av president Barack Obama for deres arbeid knyttet til excimer laser. Etterfølgende arbeid introduserte excimerlaseren for bruk ved angioplastikk . Xenonklorid (308 nm) excimerlasere kan også behandle en rekke dermatologiske tilstander, inkludert psoriasis, vitiligo, atopisk dermatitt, alopecia areata og leukoderma.

Som lyskilder er excimerlasere generelt store i størrelse, noe som er en ulempe i deres medisinske anvendelser, selv om størrelsene raskt avtar med pågående utvikling.

Forskning er utført for å sammenligne forskjeller i sikkerhets- og effektivitetsresultater mellom konvensjonell excimer laser refraktiv kirurgi og bølgefrontstyrt eller bølgefront-optimalisert refraktiv kirurgi, som bølgefronten metoder kan bedre riktig for høyere ordens aberrasjoner .

Vitenskapelig forskning

Excimer-lasere er også mye brukt på en rekke vitenskapelige forskningsområder, både som primærkilder og, spesielt XeCl-laseren, som pumpekilder for avstembare fargelasere , hovedsakelig for å begeistre laserfarger som kommer ut i det blågrønne området i spekteret. Disse laserne brukes også ofte i pulserende laseravsetnings systemer, der deres store fluens , korte bølgelengde og ikke-kontinuerlige stråleegenskaper gjør dem ideelle for ablasjon av et bredt spekter av materialer.

Se også

Referanser