Эксимерные лазеры: от разработки до применения в микроэлектронике и медицине.

Введение

Тип ультрафиолетового лазера, важный в производстве микросхем и хирургии глаз.

Эксимерный лазер, иногда более корректно называемый экциплексным лазером, — это вид ультрафиолетового лазера, который обычно используется в производстве микроэлектронных устройств, интегральных схем на полупроводниковой основе или "чипов", хирургии глаз и микрообработке. С 1960-х годов эксимерные лазеры широко применяются в фотолитографических установках высокого разрешения, являющихся одной из важнейших технологий, необходимых для производства микроэлектронных чипов.

Терминология и история

Термин эксимер является сокращением от «возбужденный димер», а термин «экциплекс» – сокращением от «возбужденный комплекс». Большинство эксимерных лазеров относятся к типу благородных газов с галогенами, для которых термин «эксимер», строго говоря, является неточным. (Хотя это и используется реже, правильнее называть такие лазеры экциплексными.) Эксимерный лазер был предложен в 1960 году Фрицем Гутермансом. Разработка эксимерного лазера началась с наблюдения сужения спектральной линии в области 176 нм, о котором сообщили в 1971 году Николай Басов, В. А. Данилычев и Ю. М. Попов в Физическом институте имени П. Н. Лебедева в Москве, используя жидкий димер ксенона (Xe2), возбужденный электронным лучом. Под влиянием этого доклада, Х. А. Кёлер и др. в 1972 году представили более убедительные доказательства стимулированной эмиссии, используя ксенон под высоким давлением. Окончательные доказательства генерации ксенонового эксимерного лазера на длине волны 173 нм с использованием газа под давлением 12 атмосфер, также возбуждаемого электронным лучом, были впервые представлены в марте 1973 года Мани Лалом Бхаумиком из корпорации Northrop в Лос-Анджелесе. Наблюдалась сильная стимулированная эмиссия, поскольку спектральная линия лазера сузилась с континуума в 15 нм до всего 0,25 нм, а интенсивность возросла в тысячу раз. Оценочная выходная мощность лазера в 1 джоуль была достаточной для испарения части зеркального покрытия, что запечатлело его модовую картину. Эта демонстрация подтвердила перспективность разработки мощных лазеров на коротких длинах волн. Последующим улучшением стало использование галогенидов благородных газов (первоначально XeBr), разработанных многими группами в 1975 году. Среди этих групп – исследовательская лаборатория Avco Everett, Sandia Laboratories, исследовательский и технологический центр Northrop, военно-морская исследовательская лаборатория правительства США, которая также разработала XeCl-лазер с микроволновым возбуждением, и Национальная лаборатория Лос-Аламоса.

Строительство и эксплуатация

Эксимерный лазер обычно использует комбинацию благородного газа (аргона, криптона или ксенона) и реактивного газа (фтора или хлора). При соответствующих условиях электрической стимуляции и высокого давления создается псевдомолекула, называемая эксимером (или, в случае галогенидов благородных газов, эксиплексом), которая может существовать только в возбужденном состоянии и способна генерировать лазерное излучение в ультрафиолетовом диапазоне. Лазерная генерация в молекуле эксимера обусловлена тем, что она имеет связанное (ассоциативное) возбужденное состояние, но отталкивающее (диссоциативное) основное состояние. Благородные газы, такие как ксенон и криптон, обладают высокой инертностью и обычно не образуют химических соединений. Однако, находясь в возбужденном состоянии (возникающем под воздействием электрического разряда или высокоэнергетических электронных пучков), они могут образовывать временно связанные молекулы с самими собой (эксимер) или с галогенами (эксиплекс), такими как фтор и хлор. Возбужденное соединение высвобождает избыточную энергию посредством спонтанного или вынужденного излучения, в результате чего образуется сильно отталкивающая молекула в основном состоянии, которая очень быстро (порядка пикосекунды) диссоциирует обратно в два несвязанных атома. Это приводит к формированию инверсии населенностей.

Частота повторения импульса

Хотя экцимерные лазеры с накачкой электронным пучком способны генерировать импульсы высокой одиночной энергии, они обычно разделены большими интервалами времени (многие минуты). Исключением являлась система Electra, разработанная для исследований в области инерционного синтеза, которая могла создавать серию из 10 импульсов, каждый мощностью 500 Дж, в течение 10 с. В отличие от этого, экцимерные лазеры с газоразрядной накачкой, впервые продемонстрированные также в Научно-исследовательской лаборатории ВМС, способны выдавать стабильный поток импульсов. Их значительно более высокая частота повторения импульсов (порядка 100 Гц) и компактные размеры позволили реализовать большинство применений, перечисленных в следующем разделе. Серия промышленных лазеров была разработана в компании XMR, Inc. в Санта-Кларе, Калифорния, в период с 1980 по 1988 год. Большинство произведенных лазеров были XeCl, а стандартной характеристикой являлась устойчивая энергия 1 Дж на импульс при частоте повторения 300 импульсов в секунду. Этот лазер использовал мощный тиратрон и магнитное переключение с предварительной ионизацией коронным разрядом и был рассчитан на 100 миллионов импульсов без значительного обслуживания. Рабочая газовая смесь состояла из ксенона, HCl и неона при давлении около 5 атмосфер. Для снижения коррозии, вызванной газом HCl, широко использовались нержавеющая сталь, никелевое покрытие и цельные никелевые электроды. Одной из основных проблем была деградация оптических окон из-за отложения углерода на поверхности окна из фторида кальция (CaF). Это было связано с образованием хлорводородов из небольшого количества углерода в уплотнительных кольцах, реагирующих с газом HCl. Хлорводороды медленно накапливались со временем и поглощали лазерное излучение, вызывая постепенное снижение энергии лазера. Кроме того, эти соединения разлагались под воздействием интенсивного лазерного пучка и осаждались на окне, что приводило к дальнейшему снижению энергии. Периодическая замена лазерного газа и окон требовала значительных затрат. Ситуация значительно улучшилась благодаря использованию системы очистки газа, состоящей из криогенной ловушки, работающей немного выше температуры жидкого азота, и металлической мембранной насоса для циркуляции лазерного газа через криогенную ловушку. Криогенная ловушка состояла из резервуара с жидким азотом и нагревателя для незначительного повышения температуры, поскольку при 77 К (температуре кипения жидкого азота) давление паров ксенона было ниже требуемого рабочего давления в газовой смеси лазера. HCl конденсировался в криогенной ловушке, и дополнительный HCl добавлялся для поддержания правильного соотношения газов. Интересным побочным эффектом этого было медленное увеличение энергии лазера с течением времени, которое объяснялось увеличением парциального давления водорода в газовой смеси, вызванным медленной реакцией хлора с различными металлами. По мере протекания реакции хлора выделялся водород, увеличивая парциальное давление. Конечный результат был аналогичен добавлению водорода в смесь для повышения эффективности лазера, о чем сообщали Т. Дж. Макки и др.

While electron beam pumped excimer lasers can produce high single energy pulses, they are generally separated by long time periods (many minutes). An exception was the Electra system, designed for inertial fusion studies, which could produce a burst of 10 pulses each measuring 500 J over a span of 10 s. In contrast, discharge pumped excimer lasers, also first demonstrated at the Naval Research Laboratory, are able to output a steady stream of pulses. Their significantly higher pulse repetition rates (of order 100 Hz) and smaller footprint made possible the bulk of the applications listed in the following section. A series of industrial lasers were developed at XMR, Inc in Santa Clara, California between 1980 and 1988. Most of the lasers produced were XeCl, and a sustained energy of 1 J per pulse at repetition rates of 300 pulses per second was the standard rating. This laser used a high power thyratron and magnetic switching with corona pre ionization and was rated for 100 million pulses without major maintenance. The operating gas was a mixture of xenon, HCl, and Neon at approximately 5 atmospheres. Extensive use of stainless steel, nickel plating and solid nickel electrodes was incorporated to reduce corrosion due to the HCl gas. One major problem encountered was degradation of the optical windows due to carbon build up on the surface of the CaF window. This was due to hydro chloro carbons formed from small amounts of carbon in O rings reacting with the HCl gas. The hydro chloro carbons would slowly increase over time and absorbed the laser light, causing a slow reduction in laser energy. In addition these compounds would decompose in the intense laser beam and collect on the window, causing a further reduction in energy. Periodic replacement of laser gas and windows was required at considerable expense. This was significantly improved by use of a gas purification system consisting of a cold trap operating slightly above liquid nitrogen temperature and a metal bellows pump to recirculate the laser gas through the cold trap. The cold trap consisted of a liquid nitrogen reservoir and a heater to raise the temperature slightly, since at 77 K (liquid nitrogen boiling point) the xenon vapor pressure was lower than the required operating pressure in the laser gas mixture. HCl was frozen out in the cold trap, and additional HCl was added to maintain the proper gas ratio. An interesting side effect of this was a slow increase in laser energy over time, attributed to increase in hydrogen partial pressure in the gas mixture caused by slow reaction of chlorine with various metals. As the chlorine reacted, hydrogen was released, increasing the partial pressure. The net result was the same as adding hydrogen to the mixture to increase laser efficiency as reported by T. J. McKee et al.

Фотолитография

С 1960-х годов наиболее распространенным промышленным применением эксимерных лазеров является глубокая ультрафиолетовая фотолитография – критически важная технология, используемая в производстве микроэлектронных устройств. Исторически, с начала 1960-х до середины 1980-х годов в литографии использовались ртутно-ксеноновые лампы благодаря их спектральным линиям на длинах волн 436, 405 и 365 нм. Однако, с ростом потребностей полупроводниковой промышленности в более высоком разрешении (для производства более плотных и быстрых чипов) и более высокой производительности (для снижения затрат), литографическое оборудование на основе ламп перестало соответствовать отраслевым требованиям. Решение этой проблемы было найдено в 1982 году, когда Канте Джайном в IBM была предложена и продемонстрирована новаторская технология глубокой ультрафиолетовой эксимерной лазерной литографии. С более широкой научной и технологической точки зрения, с момента изобретения лазера в 1960 году, разработка эксимерной лазерной литографии признана одной из важнейших вех в истории лазерной техники. Современное литографическое оборудование (по состоянию на 2021 год) в основном использует глубокий ультрафиолетовый (DUV) свет от эксимерных лазеров KrF и ArF с длинами волн 248 и 193 нанометра (так называемая "эксимерная лазерная литография"), что позволило уменьшить размеры элементов транзисторов до 7 нанометров (см. ниже). Таким образом, эксимерная лазерная литография сыграла ключевую роль в дальнейшем развитии так называемого закона Мура на протяжении последних 25 лет. К 2020 году экстремальная ультрафиолетовая литография (EUV) начала заменять эксимерную лазерную литографию для дальнейшего повышения разрешения в процессе литографии полупроводниковых схем.

Слияние

В Лаборатории военно-морских исследований были построены две системы – фторидный лазер криптона (248 нм) и фторидный лазер аргона (193 нм) – для испытания подходов к реализации инерциального синтеза. Этими системами были лазеры Electra и Nike. Поскольку эксимерный лазер представляет собой газовую систему, он не нагревается в отличие от твердотельных систем, таких как Национальная установка для инициирования термоядерных реакций и лазер Omega. Electra выполнила 90 000 выстрелов за 10 часов, что идеально подходит для инерциальной электростанции.

Медицинское применение

Ультрафиолетовый свет эксимерного лазера хорошо поглощается биологическими тканями и органическими соединениями. Вместо прожигания или разрезания материала, эксимерный лазер передает достаточно энергии для разрушения молекулярных связей поверхностной ткани, которая эффективно испаряется в воздух контролируемым образом посредством абляции, а не сжигания. Таким образом, эксимерные лазеры обладают ценным свойством – способностью удалять исключительно тонкие слои поверхностного материала практически без нагрева или изменения оставшейся неповрежденной ткани. Эти свойства делают эксимерные лазеры подходящими для прецизионной микрообработки органических материалов (включая определенные полимеры и пластмассы) или деликатных хирургических вмешательств, таких как LASIK. В период с 1980 по 1983 год Рангасвами Сринивасан, Сэмюэл Блум и Джеймс Уинн из исследовательского центра IBM T. J. Watson наблюдали воздействие ультрафиолетового эксимерного лазера на биологические материалы. Заинтересовавшись, они провели дальнейшие исследования и обнаружили, что лазер делает чистые, точные разрезы, идеально подходящие для деликатных операций. Это привело к созданию основополагающего патента, а в 2002 году Сринивасан, Блум и Уинн были удостоены чести быть занесенными в Национальный зал славы изобретателей. В 2012 году члены команды были награждены Национальной медалью в области технологий и инноваций президентом Бараком Обамой за их работу, связанную с эксимерным лазером. Последующие исследования расширили применение эксимерного лазера, включив его использование в ангиопластике. Эксимерные лазеры на хлориде ксенона (308 нм) также могут использоваться для лечения различных дерматологических заболеваний, включая псориаз, витилиго, атопический дерматит, очаговую алопецию и лейкодермию. Как источники света, эксимерные лазеры обычно имеют большие размеры, что является недостатком в медицинских приложениях, хотя их габариты быстро уменьшаются благодаря продолжающимся разработкам. В настоящее время проводятся исследования для сравнения безопасности и эффективности традиционной рефракционной хирургии с использованием эксимерного лазера с рефракционной хирургией, управляемой или оптимизированной по волновому фронту, поскольку методы волнового фронта могут лучше корректировать аберрации высшего порядка.

The ultraviolet light from an excimer laser is well absorbed by biological matter and organic compounds. Rather than burning or cutting material, the excimer laser adds enough energy to disrupt the molecular bonds of the surface tissue, which effectively disintegrates into the air in a tightly controlled manner through ablation rather than burning. Thus excimer lasers have the useful property that they can remove exceptionally fine layers of surface material with almost no heating or change to the remainder of the material which is left intact. These properties make excimer lasers well suited to precision micromachining organic material (including certain polymers and plastics), or delicate surgeries such as LASIK eye surgery. In 1980–1983, Rangaswamy Srinivasan, Samuel Blum and James J. Wynne at IBM's T. J. Watson Research Center observed the effect of the ultraviolet excimer laser on biological materials. Intrigued, they investigated further, finding that the laser made clean, precise cuts that would be ideal for delicate surgeries. This resulted in a fundamental patent and Srinivasan, Blum and Wynne were elected to the National Inventors Hall of Fame in 2002. In 2012, the team members were honored with National Medal of Technology and Innovation by the President Barack Obama for their work related to the excimer laser. Subsequent work introduced the excimer laser for use in angioplasty. Xenon chloride (308 nm) excimer lasers can also treat a variety of dermatological conditions including psoriasis, vitiligo, atopic dermatitis, alopecia areata and leukoderma. As light sources, excimer lasers are generally large in size, which is a disadvantage in their medical applications, although their sizes are rapidly decreasing with ongoing development. Research is being conducted to compare differences in safety and effectiveness outcomes between conventional excimer laser refractive surgery and wavefront guided or wavefront optimized refractive surgery, as wavefront methods may better correct for higher order aberrations.

Научные исследования

Эксимерные лазеры также широко используются в многочисленных областях научных исследований как основные источники излучения, и, особенно лазер на хлориде ксенона (XeCl), как источники накачки для перестраиваемых лазеров на красителях, главным образом для возбуждения лазерных красителей, излучающих в сине-зеленой области спектра. Эти лазеры также часто применяются в системах импульсной лазерной абляции, где их высокая флуенция, короткая длина волны и импульсный характер излучения делают их идеальными для удаления (абляции) широкого спектра материалов.