Láser de fluoruro de criptón
Un láser de fluoruro de criptón (láser KrF) es un tipo particular de láser excimer, que a veces (más correctamente) se denomina láser exciplex. Con su longitud de onda de 248 nanómetros, es un láser ultravioleta profundo que se utiliza comúnmente en la producción de circuitos integrados de semiconductores, micromecanizado industrial e investigación científica. El término excimer es la abreviatura de "dímero excitado", mientras que exciplex es la abreviatura de "complejo excitado". Un láser excimer normalmente contiene una mezcla de: un gas noble como argón, criptón o xenón; y un gas halógeno tal como flúor o cloro. En condiciones suficientemente intensas de estimulación electromagnética y presión, la mezcla emite un haz de radiación estimulada coherente en forma de luz láser en el rango ultravioleta.
Los láseres excimer KrF y ArF se incorporan ampliamente en máquinas de fotolitografía de alta resolución, una de las herramientas críticas necesarias para la fabricación de chips microelectrónicos en dimensiones nanométricas. La litografía láser excimer ha permitido que los tamaños de las características de los transistores se reduzcan de 800 nanómetros en 1990 a 10 nanómetros en 2016.
Teoría
Un láser de fluoruro de criptón absorbe energía de una fuente, lo que hace que el gas criptón reaccione con el gas flúor produciendo el fluoruro de criptón exciplex, un complejo temporal en un estado de energía excitada:
- 2 Kr + F
2 → 2 KrF
El complejo puede sufrir emisiones espontáneas o estimuladas, reduciendo su estado energético a un estado fundamental metaestable, pero altamente repulsivo. El complejo del estado fundamental se disocia rápidamente en átomos libres:
- 2 KrF → 2 Kr + F
2
El resultado es un láser exciplex que irradia energía a 248 nm, cerca de la porción ultravioleta del espectro, correspondiente a la diferencia de energía entre el estado fundamental y el estado excitado del complejo.
Sistemas de ejemplo
Se han construido varios de estos láseres para experimentos ICF; Ejemplos incluyen:
- Los Alamos construyó un láser KrF en 1985 para probar el fuego de prueba de haz con un nivel de energía de 1.0 × 104 Joules. Esto fue parte del esfuerzo de investigación láser Aurora más grande que miró CO2 láseres y otros sistemas.
- Nike Laser. La rama de Láser Plasma del Laboratorio de Investigación Naval completó un láser KrF llamado el láser Nike que puede producir alrededor de 4.5 × 103 joules of UV energy output in a 4 nanosecond pulso. El láser NIKE fue cambiado a un láser de fluoruro de Argon después de 2013 para mostrar el impacto de ir a longitudes de onda más cortas (193 nm).
- Naval Research Laboratory construyó el láser Electra y Nike para probar tanto los láseres KrF como ArF para enfoques ICF. En 2013, Electra demostró 90.000 disparos durante 10 horas de operación.
- Rutherford Laboratorio de Appleton construyeron los láseres Sprite y Titania KrF
- Laboratorio Electrotécnico de Japón construyeron los láseres Ashura y Super Ashura KrF.
- China Institute for Atomic Energy tenía un láser antes de mediados de los 90
- Livermore National Laboratory desarrolló un láser KrF y amplificador conocido como un amplificador Raman Bombeado por sistema de radiación excimer intensificado (RAPIER).
Aplicaciones
Este láser también se ha utilizado para producir una emisión suave de rayos X a partir de un plasma, mediante la irradiación mediante breves pulsos de esta luz láser. Otras aplicaciones importantes incluyen la manipulación de diversos materiales como plástico, vidrio, cristal, materiales compuestos y tejidos vivos. La luz de este láser UV es fuertemente absorbida por lípidos, ácidos nucleicos y proteínas, lo que lo hace útil para aplicaciones en terapia médica y cirugía.
Microelectrónica
La aplicación industrial más extendida de los láseres excímeros KrF ha sido la fotolitografía ultravioleta profunda para la fabricación de dispositivos microelectrónicos (es decir, circuitos integrados semiconductores o "chips"). Desde principios de los años 1960 hasta mediados de los años 1980, las lámparas Hg-Xe se habían utilizado para litografía en longitudes de onda de 436, 405 y 365 nm. Sin embargo, debido a la necesidad de la industria de los semiconductores de una resolución más fina (para chips más densos y rápidos) y un mayor rendimiento de producción (para reducir los costos), las herramientas de litografía basadas en lámparas ya no pudieron satisfacer las necesidades de la industria. requisitos. Este desafío se superó cuando, en un desarrollo pionero en 1982, K. Jain demostró en IBM la litografía con láser excimer UV profundo. Gracias a los fenomenales avances logrados en equipos y tecnología en las últimas dos décadas, los dispositivos electrónicos semiconductores modernos fabricados utilizando litografía láser excimer ahora suman más de 400 mil millones de dólares en producción anual. Como resultado, la industria de semiconductores considera que la litografía con láser excimer (con láseres KrF y ArF) ha sido un factor crucial en el poder predictivo de la ley de Moore. Desde una perspectiva científica y tecnológica aún más amplia: desde la invención del láser en 1960, el desarrollo de la litografía con láser excimer ha sido destacado como uno de los principales hitos en los 50 años de historia del láser.
Investigación sobre fusión
El láser KrF se ha utilizado en la investigación de la energía de fusión nuclear desde la década de 1980. Este láser ofrece varias ventajas:
- Disparos de repetición de alta velocidad - porque el KrF está hecho usando gas que no calienta, permitiendo tasas de disparo más altas.
- Mayor uniformidad de vigas
- Longitud de onda relativamente más corta para mejorar la compresión ICF.
Seguridad
La luz emitida por el KrF es invisible para el ojo humano, por lo que se necesitan precauciones de seguridad adicionales al trabajar con este láser para evitar rayos perdidos. Se necesitan guantes para proteger la piel de las propiedades potencialmente cancerígenas del rayo ultravioleta y gafas protectoras ultravioleta para proteger los ojos.