Лазер на фториде аргона
Лазер на фториде аргона (ArF-лазер) представляет собой особый тип эксимерного лазера . [1] который иногда (правильнее) называют эксиплексным лазером. Имея длину волны 193 нанометра, это лазер глубокого ультрафиолета, который обычно используется в производстве полупроводниковых интегральных схем , глазной хирургии, микрообработке и научных исследованиях. «Эксимер» — сокращение от «возбужденный димер», а «эксиплекс» — сокращение от «возбужденный комплекс». Эксимерный лазер обычно использует смесь благородного газа (аргона, криптона или ксенона) и галогенного газа (фтора или хлора), который при подходящих условиях электростимуляции и высокого давления испускает когерентное стимулированное излучение (лазерный свет) в ультрафиолетовый диапазон.
Эксимерные лазеры ArF (и KrF) широко используются в фотолитографических машинах высокого разрешения — важной технологии производства микроэлектронных чипов. Эксимерлазерная литография [2] [3] позволило сократить размеры транзисторов с 800 нанометров в 1990 году до 7 нанометров в 2018 году. [4] [5] [6] Машины для литографии с экстремальным ультрафиолетовым излучением в некоторых случаях заменили машины для фотолитографии ArF, поскольку они обеспечивают еще меньшие размеры элементов при одновременном повышении производительности, поскольку машины EUV могут обеспечить достаточное разрешение за меньшее количество шагов. [7]
Развитие эксимерлазерной литографии было названо одной из важнейших вех в 50-летней истории лазера. [8] [9]
Теория
[ редактировать ]Лазер на фториде аргона поглощает энергию источника, в результате чего газ аргон вступает в реакцию с газообразным фтором , образуя монофторид аргона , временный комплекс , в возбужденном энергетическом состоянии:
- 2 Ар + Ф
2 → 2 АрФ
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 АрФ → 2 Ар + Ф
2
В результате получается эксиплексный лазер , излучающий энергию на длине волны 193 нм, которая лежит в дальней ультрафиолетовой , части спектра что соответствует разнице энергий в 6,4 электронвольта между основным и возбужденным состоянием комплекса.
Приложения
[ редактировать ]Фотолитография
[ редактировать ]Наиболее широкое промышленное применение эксимерных лазеров ArF 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.
изобрел и продемонстрировал в IBM эксимерлазерную литографию в глубоком УФ-диапазоне. Эта проблема была решена, когда в 1982 году в ходе новаторской разработки К. Джайн [2] [3] [10] Благодаря достижениям в области технологий оборудования в последующие два десятилетия годовой объем производства полупроводниковых электронных устройств, изготовленных с использованием эксимер-лазерной литографии, достиг 400 миллиардов долларов. Как результат, [5] Эксимерлазерная литография (с использованием лазеров ArF и KrF) стала решающим фактором в дальнейшем развитии так называемого закона Мура . [6]
Глазная хирургия
[ редактировать ]УФ-излучение ArF-лазера хорошо поглощается биологическими веществами и органическими соединениями. Вместо того, чтобы сжигать или резать материал, ArF-лазер разрушает молекулярные связи поверхностной ткани, которая распадается на воздух строго контролируемым образом посредством абляции, а не сжигания. Таким образом, ArF и другие 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 такие лазеры хорошо подходящими для прецизионной микрообработки органических материалов (включая некоторые полимеры и пластмассы) и особенно деликатных операций, таких как глазная хирургия (например, LASIK , LASEK ). [11]
Микрообработка поверхности
[ редактировать ]Недавно благодаря использованию новой дифракционной диффузной системы, состоящей из двух массивов микролинз, микрообработка поверхности с помощью ArF-лазера плавленого кварца была выполнена с субмикрометровой точностью. [12]
Сила термоядерного синтеза
[ редактировать ]США В 2021 году Исследовательская лаборатория ВМС начала работу над ArF для использования в термоядерном синтезе с инерционным удержанием до 16% , обеспечивающим энергоэффективность . [13]
LaserFusionX разрабатывает прототип термоядерного реактора с прямым приводом , использующим лазеры на фториде аргона. По состоянию на 2024 год их внимание было сосредоточено на создании установки имплозии для разработки и испытаний лазеров, способных обеспечить достаточно высокую скорость стрельбы, используя твердотельную импульсную мощность. [14]
Безопасность
[ редактировать ]Свет, излучаемый ArF, невидим для человеческого глаза, поэтому при работе с этим лазером необходимы дополнительные меры безопасности, чтобы избежать паразитных лучей. Перчатки необходимы для защиты плоти от ее потенциально канцерогенных свойств, а УФ-очки необходимы для защиты глаз.
См. также
[ редактировать ]- Эксимер
- Эксимерный лазер
- Эксимерная лампа
- Криптон-фторидный лазер
- Электролазер
- Найк лазер
- Фотолитография
- Закон Мура
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бастинг, Д.; Маровский, Г. (2005). «Вступительное слово». Эксимерлазерная технология . Берлин: Springer-Verlag. стр. 1–7. Бибкод : 2005elt..book....1B . дои : 10.1007/3-540-26667-4_1 . ISBN 3-540-20056-8 .
- ^ Jump up to: 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 .
- ^ Jump up to: а б с Джайн, Канти (11 марта 1987 г.). Лук, Тин-Шань (ред.). «Достижения в области эксимер-лазерной литографии». Эксимерные лазеры и оптика . 0710 . SPIE: 35. Бибкод : 1987SPIE..710...35J . дои : 10.1117/12.937294 . S2CID 136477292 .
- ^ «Samsung запускает первое в отрасли массовое производство системы на кристалле с 10-нанометровой технологией FinFET» . news.samsung.com . Проверено 25 октября 2021 г.
- ^ Jump up to: а б «Лазеры и закон Мура» . сайт шпиона . Проверено 25 октября 2021 г.
- ^ Jump up to: а б «TSMC начинает массовое производство 7-нм чипов» . АнандТех. 28 апреля 2018 г. Проверено 20 октября 2018 г.
- ^ «EUV-литография наконец готова к производству чипов» . IEEE-спектр . 5 января 2018 г.
- ^ «SPIE / Развитие лазера / 50 лет и в будущее» (PDF) .
- ^ «Исследовательский совет по инженерным и физическим наукам Великобритании / Лазеры в нашей жизни / 50 лет воздействия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 13 сентября 2011 г.
- ^ Бастинг, Д.; Джеу, Н.; Джайн, К. (2005). «Исторический обзор развития эксимерного лазера». В Бастинге, Д.; Маровский, Г. (ред.). Эксимерлазерная технология . Берлин: Springer-Verlag. стр. 8–21. Бибкод : 2005elt..book....8B . дои : 10.1007/3-540-26667-4_2 . ISBN 3-540-20056-8 .
- ^ Курьян Дж., Чима А., Чак Р.С. (2017). «Лазерная субэпителиальная кератэктомия (LASEK) и лазерный кератомилез in-situ (LASIK) для коррекции близорукости» . Cochrane Database Syst Rev. 2017 (2): CD011080. дои : 10.1002/14651858.CD011080.pub2 . ПМЦ 5408355 . ПМИД 28197998 .
- ^ Чжоу, Эндрю Ф. (2011). «Гомогенизация УФ-эксимерным лазером для микрообработки». Письма по оптике и фотонике . 4 (2): 75–81. дои : 10.1142/S1793528811000226 .
- ^ Сонди, Дэвид (24 октября 2021 г.). «Лазер на фториде аргона может привести к созданию практических термоядерных реакторов» . Новый Атлас . Архивировано из оригинала 25 октября 2021 г. Проверено 25 октября 2021 г.
- ^ Петокукис, Джеймс (11 апреля 2024 г.). «⚡⚛ Мой разговор (+ стенограмма) со Стивом Обенсчейном из LaserFusionX о лазерном синтезе» . Быстрее, пожалуйста! . Проверено 12 апреля 2024 г.