Кіріспе

Чип өндіруде және көз хирургиясында маңызды ультракүлгін лазер түрі. Эксимер лазері, кейде экциплекс лазер деп дұрыс аталатын бұл лазер, микроэлектрондық құрылғыларды, жартылай өткізгіш негіздегі интегралдық схемаларды немесе "чиптерді", көз хирургиясын және микро өңдеуді жасауда кеңінен қолданылады. 1960 жылдарынан бері эксимер лазерлері микроэлектрондық чиптерді өндіруге қажетті маңызды технологиялардың бірі – жоғары ажыратымды фотолитография машиналарында қолданылып келеді.

Терминология және тарих

Экцимер термині «қозу димері» деген сөздің қысқартылған түрі, ал «экциплекс» – «қозу кешені» деген сөздің қысқартылған түрі. Көптеген эксимер лазерлері асыл газ галоидты типтес, сондықтан эксимер термині, қатаң айтқанда, дұрыс емес. (Бұл термин жиі қолданылмаса да, оның дұрыс атауы – экциплекс лазері.) Экцимерлік лазерді 1960 жылы Фриц Хоутерманс ұсынған. Экцимерлік лазерді жасау 1971 жылы Николай Басов, В. А. Даниличев және Ю. М. Попов Мәскеудегі Лебедев физикалық институтында сұйық ксенон димерін (Xe2) электрондық сәулемен қозу арқылы жүргізген тәжірибесінен басталды. Осы есептен кейін, 1972 жылы H. A. Koehler және авторлар тобы жоғары қысымды ксенон газын қолдану арқылы күштірек эмиссияны дәлелдеді. 1973 жылғы наурыз айында Лос-Анджелестегі Northrop Corporation қызметкері Мани Лал Бхаумик 12 атмосфера қысымдағы жоғары қысымды газды қолданып, электрондық сәулемен қозу арқылы 173 нм толқын ұзындығында ксенон экцимерлік лазердің жұмыс істеуін нақты көрсетті. Лазердің спектрлік сызығы 15 нм-ден 0,25 нм-ге дейін тарлып, интенсивтілігі мың есеге артқанда, күшті эмиссия байқалды. Лазердің шамамен 1 джоульдік қуаты айна жабынының бір бөлігін буландыруға жеткілікті болды, бұл оның режимдік үлгісін қалдырды. Бұл көрсетілім қысқа толқынды лазерлерді жасаудың сенімді мүмкіндігін көрсетті. Кейінірек 1975 жылы көптеген топтар асыл газ галоидтарын (бастапқыда XeBr) пайдалануға көшті. Бұл топтарға Avco Everett Research Laboratory, Sandia Laboratories, Northrop Research and Technology Center, АҚШ Әскери-теңіз зерттеу зертханасы (сонымен қатар микротолқындық разрядты пайдалана отырып қоздырылатын XeCl лазерін жасады) және Лос-Аламос Ұлттық зертханасы кірді.

Құрылыс және пайдалану

Экцимерлік лазерде әдетте асыл газ (аргон, криптон немесе ксенон) пен реактивті газ (фтор немесе хлор) қоспасы қолданылады. Электрлік стимуляция және жоғары қысымның қажетті жағдайларында эксимер (немесе асыл газ галогендерінің жағдайында эксиплекс) деп аталатын псевдомолекула пайда болады, ол тек энергияланған күйде ғана болуы мүмкін және ультракүлгін диапазонда лазерлік сәуле шығарады. Эксимер молекуласында лазерлік әрекет оның байланысқан (ассоциативтік) қозған күйі болғандықтан, ал керітетін (диссоциативтік) негізгі күйі болғандықтан жүзеге асады. Ксенон және криптон сияқты асыл газдар өте инертті және әдетте химиялық қосылыстар жасамайды. Дегенмен, қозған күйде (электрлік разряд немесе жоғары энергиялы электрондық сәулелердің әсерінен) олар өздерімен (эксимер) немесе фтор және хлор сияқты галогендермен (эксиплекс) уақытша байланысқан молекулаларды құра алады. Қозған қосылыс артық энергиясын спонтанды немесе стимуляцияланған эмиссия арқылы босата алады, нәтижесінде өте жылдам (пикосекундтар шамасында) екі байланысы жоқ атомға ыдырайтын күшті керітетін негізгі молекула пайда болады. Бұл популяциялық инверсияны құрайды.

Импульстің қайталану жылдамдығы

Электрондық сәулемен сорғыланатын экцимерлік лазерлер жоғары энергиялы жеке импульстарды тудыра алады, бірақ олар көбінесе ұзақ уақыт аралығында (көптеген минуттар) бөлінеді. Ерекше жағдай – инерциялық синтез зерттеулері үшін жасалған Electra жүйесі, ол 10 секунд ішінде әрқайсысы 500 Дж болатын 10 импульс тізбегін тудыра алатын. Керісінше, дезарядтық сорғыланатын экцимерлік лазерлер, алғаш рет Әскери-теңіз зерттеу зертханасында көрсетілген, тұрақты импульстар ағынын шығара алады. Олардың едәуір жоғары импульстық қайталану жиілігі (шамамен 100 Гц) және кіші габариттері келесі бөлімде тізілген көптеген қолдануларды іске асыруға мүмкіндік берді. 1980-1988 жылдар аралығында Калифорния штатының Санта-Клара қаласындағы XMR, Inc компаниясында өнеркәсіптік лазерлер сериясы әзірленді. Өндірілген лазерлердің көп бөлігі XeCl болды, ал стандартты көрсеткіш – 300 импульс/секунд қайталану жиілігінде импульс үшін 1 Дж тұрақты энергия. Бұл лазерде жоғары қуатты тиратрон және магниттік коммутация, сондай-ақ корона алдын ала иондануы қолданылды және негізгі күтімсіз 100 миллион импульсқа арналған. Жұмыс газы шамамен 5 атмосфера қысымдағы ксенон, HCl және неон қоспасы болды. HCl газының коррозиясын азайту үшін тот баспайтын болаттан жасалған, никельмен қапталған және қатты никель электродтары кеңінен қолданылды. Кездесетін маңызды мәселелердің бірі – CaF терезесінің бетінде көміртектің жиналуынан туындаған оптикалық терезелердің нашаруы. Бұл HCl газымен реакцияға түскен O-сақиналарындағы аз мөлшердегі көміртектен пайда болған хлорсутекті көмірсутектерге байланысты болды. Хлорсутекті көмірсутектер уақыт өте келе баяу өсіп, лазер сәулесін сіңіріп, лазер энергиясының баяу төмендеуіне әкелді. Бұған қоса, бұл қосылыстар интенсивті лазер сәулесінде ыдырап, терезеде жиналып, энергияны одан әрі азайтатын. Лазер газы мен терезелерді үнемі ауыстыру айтарлықтай шығындарға байланысты болды. Бұл жағдайды газ тазарту жүйесі арқылы жақсартуға болды, ол сұйық азот температурасынан сәл жоғары температурада жұмыс істейтін салқындатқыш және лазер газын салқындатқыш арқылы айналдыратын металл балғалы сорғыдан тұрды. Салқындатқыш сұйық азот резервуарынан және температураны сәл көтеру үшін қыздырғыштан тұрды, өйткені 77 К (сұйық азоттың қайнау температурасы) кезінде ксенон буының қысымы лазерлік газ қоспасындағы қажетті жұмыс қысымынан төмен болды. HCl салқындатқышта тоңдырылды, ал газдың дұрыс арақатынасын сақтау үшін қосымша HCl қосылды. Бұл процестің қызықты жанама әсері – уақыт өте келе лазер энергиясының баяу өсуі, бұл хлордың әртүрлі металдармен баяу реакциясынан туындаған газ қоспасындағы сутегінің ішінара қысымының артуымен байланысты. Хлордың реакцияға түсуі нәтижесінде сутек бөлінді, қысымды арттырды. Нәтижесінде, лазердің тиімділігін арттыру үшін қоспаға сутегін қосумен бірдей нәтижеге қол жеткізілді, бұл туралы Т. Дж. МакКи және басқалар хабарлаған.

Фотолитография

1960-шы жылдардан бері эксимерлік лазерлердің ең көп тараған өнеркәсіптік қолданылуы – микроэлектрондық құрылғыларды өндіруде қолданылатын маңызды технология, терең ультракөк сәулелі фотолитография болды. Тарихи тұрғыдан алғанда, 1960 жылдардың басынан 1980 жылдардың ортасына дейін 436, 405 және 365 нм толқын ұзындығындағы спектрлік сызықтары үшін сынап-ксенон шамдары литографияда қолданылды. Алайда, жартылай өткізгіш өнеркәсібінің жоғарырақ ажыратымдылық (тығыз және жылдам чиптерді өндіру үшін) және жоғары өнімділік (төмен құн үшін) қажеттіліктеріне байланысты, шамға негізделген литографиялық құралдар енді өнеркәсіптің талаптарын қанағаттандыра алмады. Бұл қиындық 1982 жылы IBM-де Канти Джайн ұсынған және көрсеткен, жаңаша даму болып табылатын терең ультракөк эксимерлік лазерлік литография арқылы шешілді. Лазердің 1960 жылы ойлап табылуынан бері, ғылыми және технологиялық тұрғыдан алғанда, эксимерлік лазерлік литографияның дамуы лазер тарихындағы маңызды кезеңдердің бірі ретінде ерекшеленеді. Қазіргі литографиялық құралдар (2021 жылға дейін) негізінен 248 және 193 нанометрлік толқын ұзындығы бар KrF және ArF эксимерлік лазерлерінен (осыны «эксимерлік лазерлік литография» деп атайды) терең ультракөк (DUV) сәулесін пайдаланады, бұл транзисторлардың өлшемдерін 7 нанометрге дейін кішірейтуге мүмкіндік берді (қараңыз төменде). Сөйтіп, эксимерлік лазерлік литография соңғы 25 жылда «Мур заңы» деп аталатын құбылыстың дамуында маңызды рөл атқарды. 2020 жылға қарай, экстремалды ультракөк литографиясы (EUV) жартылай өткізгіш тізбектерінің литография процесінің ажыратымдылығын одан әрі жақсарту үшін эксимерлік лазерлік литографияны алмастыра бастады.

Құрылыс

Әскери-теңіз зерттеу зертханасы инерциялық тұйықталу термоядролық синтезіне қол жеткізу әдістерін сынау үшін криптон фторлы лазер (248 нм) және аргон фторлы лазер (193 нм) екі жүйені құрды. Бұл – «Электра» және «Найк» лазерлік жүйелері. Эксимер лазері газ негізінде жұмыс істейтін жүйе болғандықтан, Ұлттық тұтану қондырғысы және «Омега» лазері сияқты қатты күйдегі жүйелерге қарағанда қызбайды. «Электра» 10 сағат ішінде 90 000 ату жасады; инерциялық термоядролық электр станциясы үшін өте қолайлы.

Медициналық қолданыстар

Экцимерлік лазердің ультракүлгін сәулесі биологиялық заттар мен органикалық қосылыстар тарапынан жақсы сіңіріледі. Материалды күйдіру немесе кесу орнына, эксимерлік лазер беткі тіндердің молекулалық байланыстарын бұзуға жеткілікті энергия қосады, ол күйдірудің орнына абляция арқылы тығыз бақыланатын түрде ауаға таралады. Осылайша, эксимерлік лазерлер өте жұқа қабаттарды алып тастауға мүмкіндік береді, материалдың қалған бөлігіне ешқандай қызу немесе өзгеріс енгізбей, оны бұзбай сақтайды. Бұл қасиеттер эксимерлік лазерлерді органикалық материалдарды (соның ішінде белгілі бір полимерлер мен пластиктерді) дәл микроөңдеуге немесе ЛАСИК көз хирургиясы сияқты нәзік хирургиялық араласуларға өте қолайлы етеді. 1980–1983 жылдары Рангасвами Сринивасан, Сэмюэл Блум және Джеймс Дж. Уинн IBM-нің Т. Дж. Уотсон зерттеу орталығында ультракүлгін эксимерлік лазердің биологиялық материалдарға тигізетін әсерін байқады. Олар қызығушылық танытып, лазердің таза, дәл кесімдер жасайтынын анықтады, бұл күрделі хирургиялық операциялар үшін өте пайдалы болар еді. Бұл маңызды патентке әкелді және 2002 жылы Сринивасан, Блум және Уинн Ұлттық өнертапқыштар залына сайланды. 2012 жылы команда мүшелері эксимерлік лазерге қатысты жұмыстары үшін Президент Барак Обамадан Ұлттық технология және инновация медалін алды. Соңғы жұмыстар ангиопластикада эксимерлік лазерді қолдануды енгізді. Ксенон хлориді (308 нм) эксимерлік лазерлер псориаз, витилиго, атопиялық дерматит, алопеция ареата және лейкодермия сияқты әртүрлі дерматологиялық ауруларды емдеуге де қолданылады. Жарық көзі ретінде эксимерлік лазерлер көбінесе үлкен болады, бұл олардың медициналық қолданылуында кемшілік болып табылады, бірақ олардың мөлшері үздіксіз дамумен бірге жылдам азайып келеді. Қазіргі уақытта дәстүрлі эксимерлік рефракциялық хирургия мен толқынға бағытталған немесе толқынға оңтайландырылған рефракциялық хирургия арасындағы қауіпсіздік және тиімділік көрсеткіштеріндегі айырмашылықтарды салыстыру үшін зерттеулер жүргізілуде, себебі толқынға бағытталған әдістер жоғары ретті аберрацияларды жақсы түзете алады.

Ғылыми зерттеулер

Эксимерлік лазерлер ғылыми зерттеулердің көптеген салаларында кеңінен қолданылады, негізгі көздер ретінде де, әсіресе XeCl лазері, түрлендірілетін бояу лазерлерін қоздыру үшін, бастысы спектрдің көк-жасыл аймағында сәуле шығаратын лазерлік бояуларды қоздыру үшін қолданылады. Бұл лазерлер импульстік лазерлік жапсыру жүйелерінде де жиі қолданылады, олардың жоғары энергия тығыздығы, қысқа толқын ұзындығы және үздірілмеген сәуле сипаттамалары оларды әртүрлі материалдарды булануға (аблацияға) идеалды етеді.