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Eine Art Ultraviolettlaser, der für die Chipherstellung und Augenchirurgie wichtig ist

Ein Excimerlaser, manchmal korrekter als Exciplex-Laserist eine Form eines Ultraviolettlasers, der üblicherweise bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen, integrierten Schaltkreisen oder “Chips” auf Halbleiterbasis, Augenchirurgie und Mikrobearbeitung verwendet wird.

Terminologie und Geschichte[edit]

Der Begriff Excimer steht für “angeregtes Dimer”, während Exciplex für “angeregter Komplex” steht. Die meisten Excimerlaser sind vom Edelgashalogenidtyp, wofür der Begriff Excimer ist streng genommen eine Fehlbezeichnung. (Obwohl weniger häufig verwendet, ist der richtige Begriff für eine Exciplex-Laser.)

Der Excimerlaser wurde 1970 erfunden[1] von Nikolai Basov, VA Danilychev und Yu. M. Popov vom Lebedev Physical Institute in Moskau mit einem Xenon-Dimer (Xe2) durch einen Elektronenstrahl angeregt, um eine stimulierte Emission bei einer Wellenlänge von 172 nm zu ergeben. Eine spätere Verbesserung, die 1975 von vielen Gruppen entwickelt wurde[2] war die Verwendung von Edelgashalogeniden (ursprünglich XeBr). Zu diesen Gruppen gehören das Avco Everett Research Laboratory,[3] Sandia Laboratories,[4] das Northrop Forschungs- und Technologiezentrum,[5] das Naval Research Laboratory der US-Regierung[6] der auch einen XeCl-Laser entwickelt hat[7] das wurde mit einer Mikrowellenentladung angeregt.[8] und Los Alamos National Laboratory.[9]

Bau und Betrieb[edit]

Ein Excimerlaser verwendet typischerweise eine Kombination aus einem Edelgas (Argon, Krypton oder Xenon) und a reaktiv Gas (Fluor oder Chlor). Unter den geeigneten Bedingungen der elektrischen Stimulation und des hohen Drucks entsteht ein Pseudomolekül, das als Excimer bezeichnet wird (oder im Fall von Edelgashalogeniden Exciplex), das nur in einem angeregten Zustand existieren kann und Laserlicht im ultravioletter Bereich.[10][11]

Die Laserwirkung in einem Excimermolekül tritt auf, weil es einen gebundenen (assoziativen) angeregten Zustand, aber einen abstoßenden (dissoziativen) Grundzustand aufweist. Edelgase wie Xenon und Krypton sind hoch inert und bilden normalerweise keine chemischen Verbindungen. In einem angeregten Zustand (induziert durch elektrische Entladung oder hochenergetische Elektronenstrahlen) können sie jedoch 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 freisetzen, was zu einem stark abstoßenden Grundzustandsmolekül führt, das sehr schnell (in der Größenordnung einer Pikosekunde) wieder in zwei ungebundene Atome dissoziiert. Dies bildet eine Populationsinversion.

Wellenlängenbestimmung[edit]

Die Wellenlänge eines Excimerlasers hängt von den verwendeten Molekülen ab und liegt normalerweise im ultravioletten Bereich:

Excimer Wellenlänge Relative Kraft
Ar2* * 126 nm
Kr2* * 146 nm
F.2* * 157 nm
Xe2* * 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

Excimerlaser wie XeF und KrF können ebenfalls leicht hergestellt werden abstimmbar unter Verwendung einer Vielzahl von Prismen- und Gitter-Intracavity-Anordnungen.[12]

Pulswiederholungsrate[edit]

Während elektronenstrahlgepumpte Excimerlaser Impulse mit hoher Einzelenergie erzeugen können, sind sie im Allgemeinen durch lange Zeiträume (viele Minuten) voneinander getrennt. Eine Ausnahme bildete das Electra-System, das für Trägheitsfusionsstudien entwickelt wurde und über einen Zeitraum von 10 s einen Burst von 10 Impulsen mit einer Größe von jeweils 500 J erzeugen konnte.[13] Im Gegensatz dazu können entladungsgepumpte Excimerlaser, die ebenfalls erstmals im Naval Research Laboratory demonstriert wurden, einen stetigen Impulsstrom ausgeben.[14][15] Ihre signifikant höheren Pulswiederholungsraten (in der Größenordnung von 100 Hz) und ihr geringerer Platzbedarf ermöglichten den Großteil der im folgenden Abschnitt aufgeführten Anwendungen. Eine Reihe von Industrielasern wurde bei XMR, Inc. Entwickelt[16] in Santa Clara, Kalifornien zwischen 1980-1988. Die meisten der hergestellten Laser waren XeCl, und eine anhaltende Energie von 1 J pro Impuls bei Wiederholungsraten von 300 Impulsen pro Sekunde war die Standardbewertung. Dieser Laser verwendete ein Hochleistungsthyratron und ein magnetisches Schalten mit Koronavorionisation und wurde für 100 Millionen Impulse ohne größere Wartung ausgelegt. Das Betriebsgas war eine Mischung aus Xenon, HCl und Neon bei ungefähr 5 Atmosphären. Um die Korrosion aufgrund des HCl-Gases zu verringern, wurde in großem Umfang Edelstahl, Vernickelung und feste Nickelelektroden verwendet. Ein Hauptproblem war die Verschlechterung der optischen Fenster aufgrund der Kohlenstoffbildung auf der Oberfläche des CaF-Fensters. Dies war auf Chlorwasserstoffe zurückzuführen, die aus kleinen Mengen Kohlenstoff in O-Ringen gebildet wurden, die mit dem HCl-Gas reagierten. Die Hydro-Chlorkohlenstoffe würden mit der Zeit langsam ansteigen und das Laserlicht absorbieren, was zu einer langsamen Verringerung der Laserenergie führen würde. Zusätzlich würden sich diese Verbindungen im intensiven Laserstrahl zersetzen und sich am Fenster sammeln, was zu einer weiteren Verringerung der Energie führen würde. Ein regelmäßiger Austausch von Lasergas und Fenstern war mit erheblichem Aufwand erforderlich. Dies wurde durch die Verwendung eines Gasreinigungssystems, das aus einer Kühlfalle, die etwas oberhalb der Temperatur von flüssigem Stickstoff arbeitet, und einer Metallbalgpumpe zum Umwälzen des Lasergases durch die Kühlfalle besteht, erheblich verbessert. Die Kühlfalle bestand aus einem Flüssigstickstoffreservoir und einer Heizung, um die Temperatur leicht zu erhöhen, da der Xenon-Dampfdruck bei 77 K (Siedepunkt von flüssigem Stickstoff) niedriger war als der erforderliche Betriebsdruck im Lasergasgemisch. HCl wurde in der Kühlfalle eingefroren und zusätzliches HCl wurde zugegeben, 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. Während das Chlor reagierte, wurde Wasserstoff freigesetzt, was den Partialdruck erhöhte. Das Nettoergebnis war das gleiche wie die Zugabe von Wasserstoff zu der Mischung, um die Lasereffizienz zu erhöhen, wie von TJ McKee et al.[17]

Hauptanwendungen[edit]

Fotolithografie[edit]

Excimerlaser werden häufig in hochauflösenden Fotolithografiemaschinen eingesetzt, einer der kritischen Technologien, die für die Herstellung mikroelektronischer Chips erforderlich sind. Gegenwärtige Lithographiewerkzeuge auf dem neuesten Stand der Technik verwenden tiefes ultraviolettes (DUV) Licht von KrF- und ArF-Excimerlasern mit Wellenlängen von 248 und 193 Nanometern (die heute vorherrschende Lithographietechnologie wird daher auch als “Excimerlaserlithographie” bezeichnet).[18][19][20][21]), wodurch die Transistor-Merkmalsgrößen auf 7 Nanometer schrumpfen konnten (siehe unten). Die Excimer-Laserlithographie hat daher in den letzten 25 Jahren eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung des sogenannten Moore-Gesetzes gespielt.[22]

Die am weitesten verbreitete industrielle Anwendung von Excimerlasern war die Tief-Ultraviolett-Photolithographie.[18][20] eine kritische Technologie, die bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen (dh integrierten Halbleiterschaltungen oder “Chips”) verwendet 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 sowohl eine höhere Auflösung (zur Herstellung dichterer und schnellerer Chips) als auch einen höheren Durchsatz (zu geringeren Kosten) benötigte, konnten die lampenbasierten Lithografiewerkzeuge die Anforderungen der Branche nicht mehr erfüllen. Diese Herausforderung wurde bewältigt, als 1982 in einer bahnbrechenden Entwicklung die Deep-UV-Excimer-Laserlithographie von Kanti Jain bei IBM vorgeschlagen und demonstriert wurde.[18][19][20][23] Angesichts der phänomenalen Fortschritte in der Gerätetechnologie in den letzten zwei Jahrzehnten und der heutigen mikroelektronischen Bauelemente, die mithilfe der Excimer-Laserlithographie hergestellt wurden und eine jährliche Produktion von insgesamt 400 Milliarden US-Dollar aufweisen, ist dies die Ansicht der Halbleiterindustrie[22] Diese Excimer-Laser-Lithographie war ein entscheidender Faktor für die weitere Weiterentwicklung des Moore-Gesetzes, das es ermöglichte, dass die Mindestgrößen von Merkmalen bei der Chipherstellung von 800 Nanometern im Jahr 1990 auf 7 Nanometer im Jahr 2018 schrumpften.[24][25] Aus einer noch breiteren wissenschaftlichen und technologischen Perspektive wurde seit der Erfindung des Lasers im Jahr 1960 die Entwicklung der Excimer-Laserlithographie als einer der wichtigsten Meilensteine ​​in der 50-jährigen Geschichte des Lasers hervorgehoben.[26][27][28]

Medizinische Anwendungen[edit]

Das ultraviolette Licht eines Excimerlasers wird von biologischer Substanz und organischen Verbindungen gut absorbiert. Anstatt Material zu verbrennen oder zu schneiden, fügt der Excimerlaser genügend Energie hinzu, um die molekularen Bindungen des Oberflächengewebes effektiv zu zerstören zerfällt streng kontrolliert durch Ablation in die Luft, anstatt zu brennen. Somit haben Excimerlaser die nützliche Eigenschaft, dass sie außergewöhnlich feine Schichten von Oberflächenmaterial fast ohne Erwärmung entfernen oder den Rest des Materials verändern können, der intakt bleibt. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich Excimerlaser gut für die Präzisionsmikrobearbeitung von organischem Material (einschließlich bestimmter Polymere und Kunststoffe) oder für empfindliche Operationen wie die Augenchirurgie LASIK. In den Jahren 1980–1983 beobachteten Rangaswamy Srinivasan, Samuel Blum und James J. Wynne vom TJ Watson Research Center von IBM die Wirkung des Ultraviolett-Excimer-Lasers auf biologische Materialien. Fasziniert untersuchten sie weiter und stellten fest, dass der Laser saubere, präzise Schnitte machte, die für empfindliche Operationen ideal wären. Dies führte zu einem grundlegenden Patent[29] und Srinivasan, Blum und Wynne wurden 2002 in die National Inventors Hall of Fame gewählt. 2012 wurden die Teammitglieder vom Präsidenten der Vereinigten Staaten, Barack Obama, für ihre Arbeit im Zusammenhang mit dem Excimer-Laser mit der National Medal of Technology and Innovation ausgezeichnet .[30] Nachfolgende Arbeiten führten den Excimerlaser zur Verwendung in der Angioplastie ein.[31] Xenonchlorid (308 nm) -Excimerlaser können auch eine Vielzahl dermatologischer Erkrankungen behandeln, darunter Psoriasis, Vitiligo, atopische Dermatitis, Alopecia areata und Leukodermie.

Als Lichtquellen sind Excimerlaser im Allgemeinen groß, was bei ihren medizinischen Anwendungen ein Nachteil ist, obwohl ihre Größe mit fortschreitender Entwicklung schnell abnimmt.

Es werden Forschungen durchgeführt, um Unterschiede in den Sicherheits- und Wirksamkeitsergebnissen zwischen konventioneller refraktiver Excimer-Laser-Chirurgie und wellenfrontgeführter oder wellenfrontoptimierter refraktiver Chirurgie zu vergleichen, da Wellenfront-Methoden Aberrationen höherer Ordnung besser korrigieren können.[32]

Wissenschaftliche Forschung[edit]

Excimerlaser werden auch in zahlreichen Bereichen der wissenschaftlichen Forschung häufig als Primärquellen und insbesondere als XeCl-Laser als Pumpquellen für abstimmbare Farbstofflaser verwendet, hauptsächlich zur Anregung von Laserfarbstoffen, die im blaugrünen Bereich des Spektrums emittieren.[33][34] Diese Laser werden auch häufig in gepulsten Laserabscheidungssystemen verwendet, wo sie aufgrund ihrer großen Fluenz, ihrer kurzen Wellenlänge und ihrer nicht kontinuierlichen Strahleigenschaften ideal für die Ablation einer Vielzahl von Materialien sind.[35]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ Basov, NG et al., Zh. Eksp. Fiz. Ich Tekh. Pis’ma. Rot. 12, 473 (1970).
  2. ^ Basting, D. et al., Geschichte und Zukunftsaussichten der Excimer-Lasertechnologie, 2. Internationales Symposium für Laserpräzisions-Mikrofabrikation, Seiten 14–22.
  3. ^ Ewing, JJ und Brau, CA (1975), Laserwirkung auf die 2 Sigma + 1/2 -> 2 Sigma + 1/2 Banden von KrF und XeCl, Appl. Phys. Lett., Vol. 27, nein. 6, Seiten 350–352.
  4. ^ Tisone, GC und Hays, AK und Hoffman, JM (1975), 100 MW, 248,4 nm, KrF-Laser, angeregt durch einen Elektronenstrahl, Optics Comm., Vol. 15, nein. 2, Seiten 188–189.
  5. ^ Ault, ER et al. (1975), Hochleistungs-Xenonfluoridlaser, Applied Physics Letters 27, p. 413.
  6. ^ Searles, SK und Hart, GA (1975), Stimulierte Emission bei 281,8 nm von XeBr, Applied Physics Letters 27, p. 243.
  7. ^ “Hocheffizienter Mikrowellenentladungs-XeCl-Laser”, CP Christensen, RW Waynant und BJ Feldman, Appl. Phys. Lette. 46, 321 (1985).
  8. ^ Mikrowellenentladung führte zu einem Excimerlaser mit sehr viel geringerem Platzbedarf und sehr hoher Pulswiederholungsrate, der unter dem US-Patent 4,796,271 von Potomac Photonics, Inc, kommerzialisiert wurde.
  9. ^ Eine umfassende Studie über Excimer-Laser, Robert R. Butcher, MSEE-These, 1975
  10. ^ IUPAC, Kompendium der chemischen Terminologie, 2. Aufl. (das “Goldbuch”) (1997). Online korrigierte Version: (2006–) “Excimerlaser“. doi:10.1351 / goldbook.E02243
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  16. ^ Persönliche Notizen von Robert Butcher, Laseringenieur bei XMR, Inc.
  17. ^

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  24. ^ Samsung startet branchenweit erste Massenproduktion von System-on-Chip mit 10-Nanometer-FinFET-Technologie; https://news.samsung.com/global/samsung-starts-industrys-first-mass-production-of-system-on-chip-with-10-nanometer-finfet-technology
  25. ^ “TSMC startet Serienproduktion von 7-nm-Chips”. AnandTech. 2018-04-28. Abgerufen 2018-10-20.
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