Láser excimer

Un láser excimer, a veces más correctamente llamado láser exciplex, es una forma de láser ultravioleta que se utiliza comúnmente en la producción de dispositivos microelectrónicos, circuitos integrados basados en semiconductores. o "chips", cirugía ocular y micromecanizado. Desde la década de 1960, los láseres excimer se utilizan ampliamente en máquinas de fotolitografía de alta resolución, una de las tecnologías críticas necesarias para la fabricación de chips microelectrónicos.

Terminología e historia

El término excimer es la abreviatura de 'dímero excitado', mientras que exciplex es la abreviatura de 'complejo excitado'. La mayoría de los láseres excimer son del tipo haluros de gas noble, para los cuales el término excimer es, estrictamente hablando, un nombre inapropiado. (Aunque se usa con menos frecuencia, el término adecuado para ello es láser exciplex).

El láser excimer fue propuesto en 1960 por Fritz Houtermans. El desarrollo del láser excimer comenzó con la observación de una línea espectral naciente que se estrechaba a 176 nm, informada en 1971 por Nikolai Basov, V. A. Danilychev y Yu. M. Popov, en el Instituto de Física Lebedev de Moscú, utilizando dímero de xenón líquido (Xe₂) excitado por un haz de electrones. Estimulado por este informe, H.A. Koehler et al. presentó una mejor justificación de la emisión estimulada en 1972, utilizando gas xenón a alta presión. La evidencia definitiva de la acción de un láser excimer de xenón a 173 nm utilizando un gas a alta presión a 12 atmósferas, también bombeado por un haz de electrones, fue presentada por primera vez en marzo de 1973 por Mani Lal Bhaumik de Northrop Corporation, Los Ángeles. Se observó una fuerte emisión estimulada cuando la línea espectral del láser se redujo de un continuo de 15 nm a solo 0,25 nm, y la intensidad aumentó mil veces. La potencia estimada del láser de 1 julio fue lo suficientemente alta como para evaporar parte de los recubrimientos del espejo, que imprimieron su patrón de modo. Esta presentación estableció el potencial creíble de desarrollar láseres de alta potencia en longitudes de onda cortas.

Una mejora posterior fue el uso de haluros de gases nobles (originalmente Xe Br) desarrollados por muchos grupos en 1975. Estos grupos incluyen el Laboratorio de Investigación Avco Everett, los Laboratorios Sandia, el Centro de Investigación y Tecnología de Northrop, el Gobierno de los Estados Unidos y;s Laboratorio de Investigación Naval, que también desarrolló un láser XeCl que se excitaba mediante una descarga de microondas, y el Laboratorio Nacional de Los Álamos.

Construcción y operación

Un láser excimer normalmente utiliza una combinación de un gas noble (argón, criptón o xenón) y un gas reactivo (flúor o cloro). En las condiciones apropiadas de estimulación eléctrica y alta presión, se crea una pseudomolécula llamada excímero (o en el caso de los haluros de gases nobles, exciplex), que sólo puede existir en un estado energizado y puede dar lugar a luz láser en el rango ultravioleta.

La acción del láser en una molécula de excímero se produce porque tiene un estado excitado ligado (asociativo), pero un estado fundamental repulsivo (disociativo). Los gases nobles como el xenón y el criptón son muy inertes y no suelen formar compuestos químicos. Sin embargo, cuando están en estado excitado (inducido por descarga eléctrica o haces de electrones de alta energía), pueden formar moléculas unidas temporalmente consigo mismos (excimer) o con halógenos (exciplex) como el flúor y el cloro. El compuesto excitado puede liberar su exceso de energía mediante una emisión espontánea o estimulada, lo que da como resultado una molécula en estado fundamental fuertemente repulsiva que muy rápidamente (del orden de un picosegundo) se disocia nuevamente en dos átomos libres. Esto forma una inversión de población.

Determinación de la longitud de onda

La longitud de onda de un láser excimer depende de las moléculas utilizadas y suele estar en el rango ultravioleta de la radiación electromagnética:

Los láseres excimer, como XeF y KrF, también se pueden hacer ligeramente sintonizables utilizando una variedad de disposiciones intracavitarias de prismas y rejillas.

Frecuencia de repetición del pulso

Si bien los láseres excimer bombeados por haz de electrones pueden producir pulsos únicos de alta energía, generalmente están separados por largos períodos de tiempo (muchos minutos). Una excepción fue el sistema Electra, diseñado para estudios de fusión inercial, que podía producir una ráfaga de 10 pulsos cada uno de 500 J en un lapso de 10 s. Por el contrario, los láseres excimer bombeados por descarga, también demostrados por primera vez en el Laboratorio de Investigación Naval, son capaces de generar un flujo constante de pulsos. Sus frecuencias de repetición de pulso significativamente más altas (del orden de 100 Hz) y su menor tamaño hicieron posible la mayor parte de las aplicaciones enumeradas en la siguiente sección. Se desarrolló una serie de láseres industriales en XMR, Inc en Santa Clara, California, entre 1980 y 1988. La mayoría de los láseres producidos eran XeCl, y la calificación estándar era una energía sostenida de 1 J por pulso a velocidades de repetición de 300 pulsos por segundo.. Este láser utilizó un tiratrón de alta potencia y conmutación magnética con preionización de corona y tenía una potencia nominal de 100 millones de pulsos sin mayor mantenimiento. El gas de operación era una mezcla de xenón, HCl y neón a aproximadamente 5 atmósferas. Se incorporó un uso extensivo de acero inoxidable, niquelado y electrodos de níquel sólido para reducir la corrosión debida al gas HCl. Un problema importante encontrado fue la degradación de las ventanas ópticas debido a la acumulación de carbono en la superficie de la ventana de CaF. Esto se debió a que los hidroclorocarburos se formaron a partir de pequeñas cantidades de carbono en las juntas tóricas que reaccionaron con el gas HCl. Los hidroclorocarbonos aumentarían lentamente con el tiempo y absorberían la luz del láser, provocando una lenta reducción de la energía del láser. Además, estos compuestos se descompondrían en el intenso rayo láser y se acumularían en la ventana, provocando una mayor reducción de energía. Fue necesario sustituir periódicamente el gas y las ventanas del láser, lo que supuso un coste considerable. Esto se mejoró significativamente mediante el uso de un sistema de purificación de gas que consta de una trampa fría que funciona ligeramente por encima de la temperatura del nitrógeno líquido y una bomba de fuelle metálico para recircular el gas láser a través de la trampa fría. La trampa fría consistía en un depósito de nitrógeno líquido y un calentador para elevar ligeramente la temperatura, ya que a 77 K (punto de ebullición del nitrógeno líquido) la presión de vapor de xenón era menor que la presión operativa requerida en la mezcla de gas láser. Se congeló HCl en la trampa fría y se añadió HCl adicional para mantener la proporción de gas adecuada. Un efecto secundario interesante de esto fue un lento aumento de la energía del láser con el tiempo, atribuido al aumento de la presión parcial del hidrógeno en la mezcla de gases causado por la lenta reacción del cloro con varios metales. A medida que el cloro reaccionaba, se liberaba hidrógeno, aumentando la presión parcial. El resultado neto fue el mismo que agregar hidrógeno a la mezcla para aumentar la eficiencia del láser, como informó T.J. McKee y cols.

Aplicaciones principales

Fotolitografía

Desde la década de 1960, la aplicación industrial más extendida de los láseres excimer ha sido la fotolitografía ultravioleta profunda, una tecnología fundamental utilizada en la fabricación de dispositivos microelectrónicos. Históricamente, desde principios de los años 1960 hasta mediados de los 1980, las lámparas de mercurio-xenón se utilizaron en litografía por sus líneas espectrales en longitudes de onda de 436, 405 y 365 nm. Sin embargo, debido a la necesidad de la industria de los semiconductores de una mayor resolución (para producir chips más densos y más rápidos) y un mayor rendimiento (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, Kanti Jain propuso y demostró en IBM la litografía con láser excimer de luz ultravioleta profunda. 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 la historia del láser.

Las herramientas de litografía actuales (a partir de 2021) utilizan principalmente luz ultravioleta profunda (DUV) de los láseres excimer KrF y ArF con longitudes de onda de 248 y 193 nanómetros (llamada "litografía con láser excimer"), lo que ha permitido Los tamaños de las características del transistor se reducirán a 7 nanómetros (ver más abajo). Por lo tanto, la litografía con láser excimer ha desempeñado un papel fundamental en el avance continuo de la llamada ley de Moore durante los últimos 25 años. Alrededor de 2020, la litografía ultravioleta extrema (EUV) ha comenzado a reemplazar la litografía con láser excimer para mejorar aún más la resolución del proceso de litografía de circuitos semiconductores.

Fusión

El Laboratorio de Investigación Naval construyó dos sistemas, el láser de fluoruro de criptón (248 nm) y el láser de fluoruro de argón (193 nm) para probar enfoques de fusión por confinamiento inercial. Estos eran los sistemas láser electra y Nike. Debido a que el láser excimer es un sistema a base de gas, el láser no se calienta como los sistemas de estado sólido como el National Ignition Facility y el láser Omega. Electra realizó 90.000 disparos en 10 horas; ideal para una planta de energía de fusión inercial.

Usos médicos

La luz ultravioleta de un láser excimer es bien absorbida por la materia biológica y los compuestos orgánicos. En lugar de quemar o cortar material, el láser excimer agrega suficiente energía para romper los enlaces moleculares del tejido de la superficie, que efectivamente se desintegra en el aire de una manera estrictamente controlada mediante ablación en lugar de quemar. Por lo tanto, los láseres excimer tienen la útil propiedad de que pueden eliminar capas excepcionalmente finas de material superficial casi sin calentamiento ni cambios en el resto del material que se deja intacto. Estas propiedades hacen que los láseres excimer sean muy adecuados para el micromecanizado de precisión de materiales orgánicos (incluidos ciertos polímeros y plásticos) o para cirugías delicadas como la cirugía ocular LASIK. En 1980-1983, Rangaswamy Srinivasan, Samuel Blum y James J. Wynne en el Centro de Investigación T. J. Watson de IBM observaron el efecto del láser excimer ultravioleta en materiales biológicos. Intrigados, investigaron más a fondo y descubrieron que el láser realizaba cortes limpios y precisos que serían ideales para cirugías delicadas. Esto resultó en una patente fundamental y Srinivasan, Blum y Wynne fueron elegidos para el Salón Nacional de la Fama de los Inventores en 2002. En 2012, los miembros del equipo fueron honrados con la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación por el presidente Barack Obama por su trabajo relacionado con la láser excimer. Trabajos posteriores introdujeron el láser excimer para su uso en angioplastia. Los láseres excimer de cloruro de xenón (308 nm) también pueden tratar una variedad de afecciones dermatológicas que incluyen psoriasis, vitíligo, dermatitis atópica, alopecia areata y leucodermia.

Como fuentes de luz, los láseres excimer son generalmente de gran tamaño, lo que supone una desventaja en sus aplicaciones médicas, aunque sus tamaños están disminuyendo rápidamente con el desarrollo en curso.

Se están realizando investigaciones para comparar las diferencias en los resultados de seguridad y eficacia entre la cirugía refractiva con láser excimer convencional y la cirugía refractiva guiada por frente de onda o optimizada por frente de onda, ya que los métodos de frente de onda pueden corregir mejor las aberraciones de orden superior.

Investigación científica

Los láseres excimer también se utilizan ampliamente en numerosos campos de la investigación científica, como fuentes primarias y, particularmente el láser XeCl, como fuentes de bombeo para láseres de colorantes sintonizables, principalmente para excitar los colorantes láser que emiten en la región azul-verde del espectro.. Estos láseres también se utilizan comúnmente en sistemas de deposición por láser pulsado, donde su gran fluencia, longitud de onda corta y propiedades de haz no continuo los hacen ideales para la ablación de una amplia gama de materiales.