Криптон-фторидный лазер

Лазер на фториде криптона ( KrF-лазер ) представляет собой особый тип эксимерного лазера . ^[1] который иногда (правильнее) называют эксиплексным лазером. Имея длину волны 248 нанометров, это лазер глубокого ультрафиолета, который обычно используется в производстве полупроводниковых интегральных схем , промышленной микрообработке и научных исследованиях. Термин «эксимер» — сокращение от «возбужденный димер», а эксиплекс — сокращение от «возбужденный комплекс». Эксимерный лазер обычно содержит смесь: благородного газа, такого как аргон, криптон или ксенон; и газообразный галоген, такой как фтор или хлор. В условиях достаточно интенсивной 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 нанометровых размеров. Эксимерлазерная литография ^[2]^[3] позволило сократить размеры транзисторов с 800 нанометров в 1990 году до 10 нанометров в 2016 году. ^[4]^[5]

Теория

Лазер на фториде криптона поглощает энергию источника, в результате чего газообразный криптон вступает в реакцию с газообразным фтором, образуя эксиплекс фторида криптона, временный комплекс в возбужденном энергетическом состоянии:

2 Кр + Ж
₂ → 2 КрФ

Комплекс может подвергаться спонтанному или стимулированному излучению, приводя его энергетическое состояние к метастабильному, но сильно отталкивающему основному состоянию . Комплекс основного состояния быстро диссоциирует на несвязанные атомы:

2 КрФ → 2 Кр + Ф
₂

В результате получается эксиплексный лазер , который излучает энергию на длине волны 248 нм, вблизи ультрафиолетовой части спектра , что соответствует разнице энергий между основным и возбужденным состоянием комплекса.

Примеры систем

Для экспериментов ICF было построено несколько таких лазеров; примеры включают: ^[6]

Лос-Аламос построил KrF-лазер в 1985 году, чтобы доказать испытательное срабатывание луча с уровнем энергии 1,0 × 10. ⁴ джоули . Это было частью более масштабной исследовательской работы в области лазеров «Аврора», в рамках которой изучались лазеры CO ₂ и другие системы.
Найк Лазер. Отделение лазерной плазмы Военно-морской научно-исследовательской лаборатории завершило разработку KrF-лазера под названием « лазер Nike» , который может производить около 4,5 × 10 ³ джоули выходной УФ-энергии в импульсе длительностью 4 наносекунды . Лазер NIKE был заменен на лазер на фториде аргона после 2013 года, чтобы продемонстрировать влияние перехода на более короткие (193 нм) длины волн.
Лаборатория военно-морских исследований создала лазер Electra и Nike, чтобы проверить лазеры KrF и ArF для подходов ICF. В 2013 году «Электра» продемонстрировала 90 000 выстрелов за 10 часов работы. ^[7]
Лаборатория Резерфорда Эпплтона создала KrF-лазеры Sprite и Titania. ^[8]
Японская электротехническая лаборатория создала лазеры Ashura и Super Ashura KrF. ^[9]
Китайского института атомной энергии был еще до середины 1990-х годов. Лазер у
Ливерморская национальная лаборатория разработала KrF-лазер и усилитель, известный как система рамановского усилителя с накачкой усиленным эксимерным излучением (RAPIER). ^[10]

Приложения

Этот лазер также использовался для получения мягкого рентгеновского излучения из плазмы посредством облучения короткими импульсами этого лазерного света. Другие важные области применения включают манипулирование различными материалами, такими как пластик, стекло, хрусталь, композитные материалы и живые ткани. Свет этого УФ-лазера сильно поглощается липидами , нуклеиновыми кислотами и белками , что делает его полезным для применения в медицинской терапии и хирургии.

Микроэлектроника

Наиболее широкое промышленное применение эксимерных лазеров KrF нашла в фотолитографии в глубоком ультрафиолете. ^[2]^[3] для производства микроэлектронных устройств (т.е. полупроводниковых интегральных схем или «чипов»). С начала 1960-х до середины 1980-х годов для литографии использовались Hg-Xe лампы с длинами волн 436, 405 и 365 нм. Однако из-за потребности полупроводниковой промышленности как в более высоком разрешении (для более плотных и быстрых чипов), так и в более высокой производительности производства (для более низких затрат), инструменты для литографии на основе ламп больше не могли отвечать требованиям отрасли. Эта проблема была решена, когда в 1982 году К. Джейн продемонстрировал в IBM новаторскую разработку эксимерной лазерной литографии в глубоком УФ-диапазоне. ^[2]^[3]^[11] Благодаря феноменальному прогрессу, достигнутому в области оборудования и технологий за последние два десятилетия, годовой объем производства современных полупроводниковых электронных устройств, изготовленных с использованием эксимер-лазерной литографии, сегодня составляет более 400 миллиардов долларов. В результате, это точка зрения полупроводниковой промышленности ^[4] что эксимерлазерная литография (как с лазерами KrF, так и с ArF) 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 эксимерлазерной литографии было отмечено как одна из важнейших вех в 50-летней истории лазера. ^[12]^[13]^[14]

Исследования термоядерного синтеза

Лазер KrF используется в исследованиях в области энергетики ядерного синтеза с 1980-х годов. Этот лазер имеет ряд преимуществ: ^[7]

Высокая частота повторений выстрелов - поскольку KrF изготовлен с использованием газа, он не нагревается, что позволяет добиться более высокой частоты выстрелов.
Более высокая однородность луча
Относительно более короткая длина волны для улучшения сжатия ICF.

Безопасность

Свет, излучаемый КрФ, невидим для человеческого глаза, поэтому при работе с этим лазером необходимы дополнительные меры безопасности во избежание паразитных лучей. Перчатки необходимы для защиты кожи от потенциально канцерогенных свойств УФ-луча, а УФ-очки — для защиты глаз.

См. также

Ссылки

^ Бастинг, Д. и Маровски, Г., ред., Технология эксимерного лазера, Springer, 2005.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Джайн, К.; Уилсон, CG; Лин, Би Джей (1982). «Сверхбыстрая глубокая УФ-литография с эксимерными лазерами». Письма об электронных устройствах IEEE . 3 (3): 53–55. Бибкод : 1982IEDL....3...53J . дои : 10.1109/EDL.1982.25476 . S2CID 43335574 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Джайн, К. «Эксимер-лазерная литография», SPIE Press, Беллингем, Вашингтон, 1990.
^ Перейти обратно: ^а ^б Лафонтен, Б., «Лазеры и закон Мура» , SPIE Professional, октябрь 2010 г., стр. 20.
^ Samsung начинает первое в отрасли массовое производство системы на кристалле с использованием 10-нанометровой технологии FinFET; https://news.samsung.com/global/samsung-starts-industrys-first-mass-production-of-system-on-chip-with-10-nanometer-finfet-technology
^ «Материалы 4-го международного семинара по лазерной технологии KrF» Аннаполлс, Мэриленд, 2 мая 1994 г. - 5 мая 1994 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Обенсчейн, Стивен и др. «Высокоэнергетические лазеры на фториде криптона для инерционного синтеза». Прикладная оптика 54.31 (2015): Ф103-Ф122.
^ Дивалл, Э.Дж. и др. «Титания — ультрафиолетовый лазер мощностью 1020 Вт/см2». Журнал современной оптики 43.5 (1996): 1025-1033.
^ Окуда, И. и др. «Производительность основного усилителя Super-ASHURA». Техника и дизайн термоядерного синтеза 44.1-4 (1999): 377-381.
^ https://lasers.llnl.gov/multimedia/publications/pdfs/etr/1979_06.pdf .
^ Бастинг, Д. и др., «Исторический обзор развития эксимерных лазеров», в журнале Excimer Laser Technology, Д. Бастинг и Г. Маровски, ред., Springer, 2005.
^ Американское физическое общество / Лазеры / История / Хронология
^ SPIE / Развитие лазера / 50 лет и в будущее
^ Исследовательский совет инженерных и физических наук Великобритании / Лазеры в нашей жизни / 50 лет воздействия. Архивировано 13 сентября 2011 г. в Wayback Machine.

Внешние ссылки

Энергия лазерного синтеза
Лазерный центр Nike KrF
Nikon KrF. Архивировано 7 сентября 2005 г. в Wayback Machine.

[1] Бастинг, Д. и Маровски, Г., ред., Технология эксимерного лазера, Springer, 2005.

[ieee1982-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Джайн, К.; Уилсон, CG; Лин, Би Джей (1982). «Сверхбыстрая глубокая УФ-литография с эксимерными лазерами». Письма об электронных устройствах IEEE . 3 (3): 53–55. Бибкод : 1982IEDL....3...53J . дои : 10.1109/EDL.1982.25476 . S2CID 43335574 .

[spie1990-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с Джайн, К. «Эксимер-лазерная литография», SPIE Press, Беллингем, Вашингтон, 1990.

[spie2010-4] Перейти обратно: ^а ^б Лафонтен, Б., «Лазеры и закон Мура» , SPIE Professional, октябрь 2010 г., стр. 20.

[Samsung10nm-5] Samsung начинает первое в отрасли массовое производство системы на кристалле с использованием 10-нанометровой технологии FinFET; https://news.samsung.com/global/samsung-starts-industrys-first-mass-production-of-system-on-chip-with-10-nanometer-finfet-technology

[6] «Материалы 4-го международного семинара по лазерной технологии KrF» Аннаполлс, Мэриленд, 2 мая 1994 г. - 5 мая 1994 г.

[Obenschain,_Stephen_2015-7] Перейти обратно: ^а ^б Обенсчейн, Стивен и др. «Высокоэнергетические лазеры на фториде криптона для инерционного синтеза». Прикладная оптика 54.31 (2015): Ф103-Ф122.

[8] Дивалл, Э.Дж. и др. «Титания — ультрафиолетовый лазер мощностью 1020 Вт/см2». Журнал современной оптики 43.5 (1996): 1025-1033.

[9] Окуда, И. и др. «Производительность основного усилителя Super-ASHURA». Техника и дизайн термоядерного синтеза 44.1-4 (1999): 377-381.

[10] ttps://lasers.llnl.gov/multimedia/publications/pdfs/etr/1979_06.pdf .

[11] Бастинг, Д. и др., «Исторический обзор развития эксимерных лазеров», в журнале Excimer Laser Technology, Д. Бастинг и Г. Маровски, ред., Springer, 2005.

[12] Американское физическое общество / Лазеры / История / Хронология

[13] SPIE / Развитие лазера / 50 лет и в будущее

[14] Исследовательский совет инженерных и физических наук Великобритании / Лазеры в нашей жизни / 50 лет воздействия. Архивировано 13 сентября 2011 г. в Wayback Machine.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

v т и Эксимерные лазеры
Эксимер	Лазер на фториде аргона Криптон-фторидный лазер Найк лазер Ксенон монохлорид
Аспекты	Эксимер Ядерный синтез