Wie funktioniert ein Excimer-Laser?

Art des ultravioletten Lasers, der bei der Chipherstellung und Augenchirurgie

wichtig ist

Ein Excimer-Laser , manchmal korrekter als Exciplex-Laser bezeichnet, ist eine Form von Ultraviolettlaser, die häufig bei der Herstellung von mikroelektronischen Geräten, halbleiterbasierten integrierten Schaltkreisen oder "Chips", in der Augenchirurgie und in der Mikrobearbeitung verwendet wird.

Seit den 1960er Jahren werden Excimer-Laser in hochauflösenden Fotolithographiemaschinen eingesetzt, einer der kritischen Technologien, die für die Herstellung mikroelektronischer Chips erforderlich sind.

Terminologie und Geschichte

Der Begriff Excimer ist die Abkürzung für "angeregtes Dimer", während "Exciplex" die Abkürzung für "angeregter Komplex" ist. Die meisten Excimer-Laser gehören zum Typ des Edelgashalogenids, für das der Begriff Excimer streng genommen eine irreführende Bezeichnung ist. (Obwohl weniger häufig verwendet, ist die Der richtige Begriff für einen solchen ist ein Exciplex-Laser .)

Der Excimer-Laser wurde 1960 von Fritz Houtermans vorgeschlagen. ^[1] Die Entwicklung des Excimer-Lasers begann mit der Beobachtung einer entstehenden spektralen Linienverengung bei 176 nm, die 1971 von Nikolai Basov, V. A. Danilychev und Yu. M. Popov am Lebedev Physical Institute in Moskau unter Verwendung von flüssigem Xenondimer (Xe ₂ ), die durch einen Elektronenstrahl angeregt werden. Angeregt durch diesen Bericht präsentierten H.A. Koehler et al. 1972 eine bessere Begründung der stimulierten Emission ^[3] unter Verwendung von Hochdruck-Xenongas. Der endgültige Beweis für eine Xenon-Excimer-Laserwirkung bei 173 nm unter Verwendung eines Hochdruckgases bei 12 Atmosphären, das ebenfalls von einem Elektronenstrahl gepumpt wird, wurde erstmals im März 1973 von Mani Lal Bhaumik von der Northrop Corporation, Los Angeles, vorgelegt. Es wurde eine starke stimulierte Emission beobachtet, da die Spektrallinie des Lasers verengte sich von einem Kontinuum von 15 nm auf nur 0,25 nm, und die Intensität stieg um das Tausendfache. Die geschätzte Leistung des Lasers von 1 Joule war hoch genug, um einen Teil der Spiegelbeschichtungen zu verdampfen, die sein Modenmuster prägten. Dieser Vortrag begründete das glaubwürdige Potenzial der Entwicklung von Hochleistungslasern bei kurzen Wellenlängen. ^{[4] [5] [6]}

Eine spätere Verbesserung war die Verwendung von Edelgashalogeniden (ursprünglich XeBr), die 1975 von vielen Gruppen entwickelt wurden. ^[7] Zu diesen Gruppen gehören das Avco Everett Research Laboratory, ^[8] die Sandia Laboratories, ^[9] das Northrop Research and Technology Center, ^[10] das Naval Research Laboratory der US-Regierung, ^[11], der auch einen XeCl-Laser ^[12] entwickelte, der mit einer Mikrowellenentladung angeregt wurde, ^[13] und Los Alamos National Laboratory. ^[14]

Aufbau und Betrieb

Ein Excimer-Laser verwendet typischerweise eine Kombination aus einem Edelgas (Argon, Krypton oder Xenon) und einem reaktiven Gas (Fluor oder Chlor). Unter den entsprechenden Bedingungen der elektrischen Stimulation und des hohen Drucks entsteht ein Pseudomolekül, das als Excimer (oder im Falle von Edelgashalogeniden Exciplex) bezeichnet wird und nur in einem energetisierten Zustand existieren kann und Laserlicht im ultravioletten Bereich erzeugen kann. ^{[15] [16]}

Die Laserwirkung in einem Excimer-Molekül tritt auf, weil es einen gebundenen (assoziativ) angeregten Zustand, aber einen abstoßenden (dissoziativen) Grundzustand hat. Edelgase wie Xenon und Krypton sind sehr inert und gehen in der Regel keine chemischen Verbindungen ein. Befindet man sich jedoch in einem angeregten Zustand (induziert durch elektrische Entladung oder B. Elektronenstrahlen), können sie mit sich selbst (Excimer) oder mit Halogenen (Exciplex) wie Fluor und Chlor vorübergehend gebundene Moleküle bilden. Die angeregte Verbindung kann ihre überschüssige Energie durch spontane oder stimulierte Emission abgeben, was zu einem stark abstoßenden Grundmolekül führt, das sehr schnell (in der Größenordnung einer Pikosekunde) wieder in zwei ungebundene Atome dissoziiert. Dies bildet eine Populationsinversion. ^{[ Zitat erforderlich ]}

Bestimmung der Wellenlänge

Die Wellenlänge eines Excimer-Lasers hängt von den verwendeten Molekülen ab und liegt in der Regel im ultravioletten Bereich der elektromagnetischen Strahlung

:

Excimer-Wellenlänge		Relative Leistung
Ar 2 *	126 nm
Kr 2 *	146 nm
F 2 *	157 nm
Xe 2 *	172 & 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-Laser wie XeF und KrF können auch mit einer Vielzahl von Prismen- und Gitter-Intrakavitätenanordnungen leicht abstimmbar gemacht werden. ^[17]

Pulswiederholrate

Elektronenstrahlgepumpte Excimerlaser können zwar Pulse mit hoher Einzelenergie erzeugen, sind aber im Allgemeinen durch lange Zeiträume (viele Minuten) voneinander getrennt. Eine Ausnahme bildete das Electra-System, das für Trägheitsfusionsstudien konzipiert wurde und erzeugen einen Burst von 10 Pulsen mit einer Größe von jeweils 500 J über eine Spanne von 10 s. ^[18] Im Gegensatz dazu sind entladungsgepumpte Excimer-Laser, die ebenfalls erstmals am Naval Research Laboratory demonstriert wurden, in der Lage, einen stetigen Strom von Pulsen auszugeben. ^{[19] [20]} Ihre deutlich höheren Impulswiederholraten (in der Größenordnung von 100 Hz) und der kleinere Platzbedarf ermöglichten den Großteil der im folgenden Abschnitt aufgeführten Anwendungen. Zwischen 1980 und 1988 wurde bei XMR, Inc. ^[21] in Santa Clara, Kalifornien, eine Reihe von Industrielasern entwickelt. Die meisten der hergestellten Laser waren XeCl, und eine anhaltende Energie von 1 J pro Puls bei Wiederholraten von 300 Pulsen pro Sekunde war die Standardbewertung. Dieser Laser verwendete ein Hochleistungsthyratron und magnetisches Schalten mit Korona-Vorionisation und war für 100 Millionen Pulse ohne größere Wartung ausgelegt. Das Betriebsgas war ein Gemisch aus Xenon, HCl, und Neon bei etwa 5 Atmosphären. Der umfangreiche Einsatz von Edelstahl, Vernickelung und massiven Nickelelektroden wurde integriert, um die Korrosion durch das HCl-Gas zu reduzieren. Ein Hauptproblem war die Degradation der optischen Fenster aufgrund von Kohlenstoffablagerungen auf der Oberfläche des CaF-Fensters. Dies war auf teilhalogenierte Chlorkohlenwasserstoffe zurückzuführen, die aus geringen Mengen Kohlenstoff in O-Ringen gebildet wurden und mit dem HCl-Gas reagierten. Die teilhalogenierten Chlorkohlenwasserstoffe nahmen im Laufe der Zeit langsam zu und absorbierten das Laserlicht, was zu einer langsamen Verringerung der Laserenergie führte. Außerdem würden sich diese Verbindungen im intensiven Laserstrahl zersetzen und sich auf der Scheibe sammeln, was zu einer weiteren Energiereduzierung führt. Der periodische Austausch von Lasergas und Fenstern war mit erheblichen Kosten erforderlich. Dies wurde durch den Einsatz eines Gasreinigungssystems erheblich verbessert, das aus einer Kühlfalle besteht, die leicht über der Temperatur von flüssigem Stickstoff arbeitet, und einer Metallbalgpumpe zur Umwälzung Das Lasergas durchläuft die Kühlfalle. Die Kühlfalle bestand aus einem Flüssigstickstoffbehälter und einer Heizung, um die Temperatur leicht zu erhöhen, da der Xenon-Dampfdruck mit 77 K (Siedepunkt für flüssigen Stickstoff) niedriger war als der erforderliche Betriebsdruck im Lasergasgemisch. HCl wurde in der Kühlfalle eingefroren und zusätzliches HCl hinzugefügt, um das richtige Gasverhältnis aufrechtzuerhalten. Ein interessanter Nebeneffekt davon war ein langsamer Anstieg der Laserenergie im Laufe der Zeit, der auf einen Anstieg des Wasserstoffpartialdrucks im Gasgemisch zurückzuführen ist, der durch die langsame Reaktion von Chlor mit verschiedenen Metallen verursacht wurde. Bei der Reaktion des Chlors wurde Wasserstoff freigesetzt, wodurch der Partialdruck anstieg. Das Nettoergebnis war das gleiche wie die Zugabe von Wasserstoff zur Mischung, um die Lasereffizienz zu erhöhen, wie von T.J. McKee et al. ^{berichtet [22]}

Hauptanwendungen

Photolithographie

Hauptartikel: Halbleiterbauelement Seit

den 1960er Jahren ist die am weitesten verbreitete industrielle Anwendung von Excimer-Lasern die Photolithographie im tiefen Ultraviolettbereich ^{[23] [24],} eine wichtige Technologie, die bei der Herstellung von mikroelektronischen Geräten eingesetzt wird. Historisch gesehen wurden von den frühen 1960er bis Mitte der 1980er Jahre Quecksilber-Xenon-Lampen in der Lithographie für ihre Spektrallinien bei Wellenlängen von 436, 405 und 365 nm verwendet. Da die Halbleiterindustrie jedoch sowohl eine höhere Auflösung (um dichtere und schnellere Chips herzustellen) als auch einen höheren Durchsatz (bei geringeren Kosten) benötigte, waren die lampenbasierten Lithografiewerkzeuge nicht mehr in der Lage, die Anforderungen der Branche zu erfüllen. Diese Herausforderung wurde gemeistert, als 1982 in einer bahnbrechenden Entwicklung die Deep-UV-Excimer-Laserlithographie vorgeschlagen und von Kanti Jain bei IBM demonstriert wurde. ^{[23] [25] [24] [26 ]} Aus einem Seit der Erfindung des Lasers im Jahr 1960 wurde die Entwicklung der Excimer-Laserlithographie als einer der wichtigsten Meilensteine in der Geschichte des Lasers hervorgehoben. ^{[27] [28] [29] Aktuelle}

Lithographie-Werkzeuge (Stand 2021) verwenden hauptsächlich tiefes ultraviolettes (DUV) Licht von den KrF- und ArF-Excimer-Lasern mit Wellenlängen von 248 und 193 Nanometern (sogenannte "Excimer-Laser-Lithographie" ^{[23] [25] [24] [30]} ), wodurch die Strukturgrößen der Transistoren auf 7 Nanometer geschrumpft werden konnten (siehe unten). Die Excimer-Laserlithographie hat somit in den letzten 25 Jahren eine entscheidende Rolle bei der kontinuierlichen Weiterentwicklung des sogenannten Mooreschen Gesetzes gespielt. ^[31] Um das Jahr 2020 herum hat die extreme ultraviolette Lithographie (EUV) begonnen, den Excimer-Laser zu ersetzen Lithographie zur weiteren Verbesserung der Auflösung des Lithographieprozesses von Halbleiterschaltungen. ^[32]

Fusion

Das Naval Research Laboratory baute zwei Systeme, den Krypton-Fluoridlaser (248 nm) und den Argonfluoridlaser (193 nm), um Ansätze zur Erprobung von Trägheitsfusionsansätzen zu testen. Dabei handelte es sich um die Lasersysteme Electra und Nike. Da es sich bei dem Excimer-Laser um ein gasbasiertes System handelt, erwärmt sich der Laser nicht wie Festkörpersysteme wie die National Ignition Facility und der Omega-Laser. Electra demonstrierte 90.000 Schüsse in 10 Stunden; ideal für ein Trägheitsfusionskraftwerk. ^[33]

Medizinische Anwendungen

Das ultraviolette Licht eines Excimer-Lasers wird von biologischer Substanz und organischen Verbindungen gut absorbiert. Anstatt Material zu verbrennen oder zu schneiden, fügt der Excimer-Laser genügend Energie hinzu, um die molekularen Bindungen der Oberfläche zu stören Gewebe, das sich effektiv und streng kontrolliert durch Ablation und nicht durch Verbrennung in die Luft auflöst. Excimer-Laser haben also die nützliche Eigenschaft, dass sie außergewöhnlich feine Schichten des Oberflächenmaterials abtragen können, ohne dass sich das übrig gebliebene Material erwärmt oder verändert. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich Excimer-Laser gut für die Präzisionsmikrobearbeitung von organischem Material (einschließlich bestimmter Polymere und Kunststoffe) oder für heikle Operationen wie die LASIK-Augenchirurgie. In den Jahren 1980 und 1983 beobachteten Rangaswamy Srinivasan, Samuel Blum und James J. Wynne am T. J. Watson Research Center von IBM die Wirkung des ultravioletten Excimer-Lasers auf biologische Materialien. Fasziniert untersuchten sie weiter und fanden heraus, dass der Laser saubere, präzise Schnitte machte, die ideal für heikle Operationen wären. Dies führte zu einem fundamentalen Patent ^[34] und Srinivasan, Blum und Wynne wurden in den National 2002 in die Hall of Fame der Erfinder aufgenommen. Im Jahr 2012 wurden die Teammitglieder von Präsident Barack Obama für ihre Arbeit im Zusammenhang mit dem Excimer-Laser mit der National Medal of Technology and Innovation ausgezeichnet. ^[35] In späteren Arbeiten wurde der Excimer-Laser für den Einsatz in der Angioplastie eingeführt. ^[36] Xenonchlorid (308 nm) Excimer-Laser werden auch zur Behandlung einer Vielzahl von dermatologischen Erkrankungen eingesetzt, darunter Psoriasis, Vitiligo, atopische Dermatitis, Alopecia areata und Leukodermie. ^{[ Zitat erforderlich ]}

Als Lichtquellen sind Excimer-Laser in der Regel groß dimensioniert, was bei ihren medizinischen Anwendungen ein Nachteil ist, obwohl ihre Größe mit fortschreitender Entwicklung rapide abnimmt. ^{[ Zitat erforderlich ]}

Es wird Forschung durchgeführt, um die Unterschiede in den Sicherheits- und Wirksamkeitsergebnissen zwischen konventioneller refraktiver Chirurgie mit Excimer-Laser und Wellenfrontgeführte oder wellenfrontoptimierte refraktive Chirurgie, da Wellenfrontmethoden Aberrationen höherer Ordnung besser korrigieren können. ^[37]

Wissenschaftliche Forschung

Excimer-Laser werden auch in zahlreichen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt, sowohl als Primärquellen als auch, insbesondere als XeCl-Laser, als Pumpquellen für abstimmbare Farbstofflaser, hauptsächlich zur Anregung von Laserfarbstoffen, die im blau-grünen Bereich des Spektrums emittieren. ^{[38] [39]} Diese Laser werden auch häufig in gepulsten Laserabscheidungssystemen eingesetzt. wo sie aufgrund ihrer großen Fluenz, ihrer kurzen Wellenlänge und ihrer nichtkontinuierlichen Strahleigenschaften ideal für den Abtrag einer Vielzahl von Materialien sind. ^[40]

Siehe auch

Referenzen