Un láser excimer , a veces llamado más correctamente 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 micromaquinado .
Desde la década de 1960, los láseres excimer se han utilizado ampliamente en máquinas de fotolitografía de alta resolución , una de las tecnologías críticas necesarias para la fabricación de chips microelectrónicos .
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 de haluro de gas noble, para el cual el término excimer es, estrictamente hablando, un nombre inapropiado. (Aunque se usa con menos frecuencia, el término adecuado para este tipo de láser es láser exciplex ).
El láser excimer fue propuesto en 1960 por Fritz Houtermans . [1] El desarrollo del láser excimer comenzó con la observación de una línea espectral naciente que se estrechaba a 176 nm reportada en 1971 [2] por Nikolai Basov , VA Danilychev y Yu. M. Popov, en el Instituto de Física Lebedev en Moscú , usando dímero de xenón líquido (Xe 2 ) excitado por un haz de electrones . Estimulados por este informe, HA Koehler et al. presentaron una mejor fundamentación de la emisión estimulada en 1972, [3] usando gas xenón a alta presión. La evidencia definitiva de una acción de láser excimer de xenón a 173 nm usando 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 a medida que la línea espectral del láser se estrechaba desde un continuo de 15 nm a solo 0,25 nm, y la intensidad se incrementaba mil veces. La salida estimada del láser de 1 julio fue lo suficientemente alta como para evaporar parte de los revestimientos del espejo, que imprimieron su patrón de modos. Esta presentación estableció el potencial creíble de desarrollar láseres de alta potencia en longitudes de onda cortas. [4] [5] [6]
Una mejora posterior fue el uso de haluros de gases nobles (originalmente XeBr ) desarrollados por muchos grupos en 1975. [7] Estos grupos incluyen el Laboratorio de Investigación Avco Everett, [8] los Laboratorios Sandia, [9] el Centro de Investigación y Tecnología Northrop , [10] el Laboratorio de Investigación Naval del Gobierno de los Estados Unidos , [11] que también desarrolló un láser XeCl [12] que se excitaba usando una descarga de microondas, [13] y el Laboratorio Nacional de Los Álamos. [14]
Un láser excimer normalmente utiliza una combinación de un gas noble ( argón , criptón o xenón ) y un gas reactivo ( flúor o cloro ). Bajo las condiciones apropiadas de estimulación eléctrica y alta presión, se crea una pseudomolécula llamada excimer ( o en el caso de los haluros de gases nobles, exciplex ), que solo puede existir en un estado energizado y puede dar lugar a luz láser en el rango ultravioleta . [15] [16]
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 altamente inertes y no suelen formar compuestos químicos . Sin embargo, cuando están en un estado excitado (inducido por descarga eléctrica o haces de electrones de alta energía), pueden formar moléculas temporalmente ligadas consigo mismos (excímero) o con halógenos (exciplex) como el flúor y el cloro . El compuesto excitado puede liberar su exceso de energía al experimentar 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 de nuevo en dos átomos no ligados. Esto forma una inversión de población . [ cita requerida ]
La longitud de onda de un láser excimer depende de las moléculas utilizadas y normalmente se encuentra en el rango ultravioleta de la radiación electromagnética :
Los láseres excimer, como XeF y KrF, también pueden hacerse ligeramente ajustables utilizando una variedad de disposiciones intracavitarias de prismas y rejillas. [17]
Aunque los láseres excimer bombeados por haz de electrones pueden producir pulsos de energía únicos de alta potencia, 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 los cuales medía 500 J en un lapso de 10 s. [18] En contraste, los láseres excimer bombeados por descarga, también demostrados por primera vez en el Laboratorio de Investigación Naval, pueden producir un flujo constante de pulsos. [19] [20] Sus tasas de repetición de pulsos 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. Una serie de láseres industriales se desarrollaron en XMR, Inc [21] en Santa Clara, California entre 1980 y 1988. La mayoría de los láseres producidos eran XeCl, y una energía sostenida de 1 J por pulso a tasas de repetición de 300 pulsos por segundo era la clasificación estándar. Este láser utilizaba un tiratrón de alta potencia y conmutación magnética con preionización de corona y estaba diseñado para 100 millones de pulsos sin necesidad de mantenimiento importante. El gas de funcionamiento 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 que se encontró fue la degradación de las ventanas ópticas debido a la acumulación de carbono en la superficie de la ventana CaF. Esto se debía a los hidroclorocarbonos formados a partir de pequeñas cantidades de carbono en las juntas tóricas que reaccionaban con el gas HCl. Los hidroclorocarbonos aumentarían lentamente con el tiempo y absorberían la luz del láser, lo que causaría una reducción lenta de la energía del láser. Además, estos compuestos se descompondrían en el intenso haz láser y se acumularían en la ventana, lo que causaría una reducción adicional de la energía. Se requería el reemplazo periódico del gas láser y las ventanas, con un gasto considerable. Esto se mejoró significativamente mediante el uso de un sistema de purificación de gas que consiste en una trampa fría que opera ligeramente por encima de la temperatura del nitrógeno líquido y una bomba de fuelle de metal 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 de operación requerida en la mezcla de gas láser. El HCl se congeló en la trampa fría y se agregó HCl adicional para mantener la proporción de gas adecuada. Un efecto secundario interesante de esto fue un aumento lento en la energía del láser con el tiempo, atribuido al aumento de la presión parcial de hidrógeno en la mezcla de gases causado por la reacción lenta del cloro con varios metales. A medida que el cloro reaccionaba, se liberaba hidrógeno, lo que aumentaba la presión parcial. El resultado neto fue el mismo que agregar hidrógeno a la mezcla para aumentar la eficiencia del láser, como informaron TJ McKee et al. [22] .
Desde la década de 1960, la aplicación industrial más extendida de los láseres excimer ha sido la fotolitografía ultravioleta profunda , [23] [24] una tecnología crítica utilizada en la fabricación de dispositivos microelectrónicos . Históricamente, desde principios de la década de 1960 hasta mediados de la década de 1980, se utilizaron lámparas de mercurio-xenón en litografía por sus líneas espectrales en longitudes de onda de 436, 405 y 365 nm. Sin embargo, con la necesidad de la industria de semiconductores tanto de una mayor resolución (para producir chips más densos y rápidos) como de un mayor rendimiento (por menores costos), las herramientas de litografía basadas en lámparas ya no podían satisfacer los requisitos de la industria. Este desafío se superó cuando en un desarrollo pionero en 1982, Kanti Jain propuso y demostró en IBM la litografía láser excimer de ultravioleta profundo. [23] [25] [24] [26] Desde una perspectiva científica y tecnológica aún más amplia, desde la invención del láser en 1960, el desarrollo de la litografía láser excimer se ha destacado como uno de los hitos más importantes en la historia del láser. [27] [28] [29]
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 láser excimer" [23] [25] [24] [30] ), lo que ha permitido que los tamaños de las características de los transistores se reduzcan a 7 nanómetros (ver más abajo). Por lo tanto, la litografía láser excimer ha desempeñado un papel fundamental en el avance continuo de la llamada ley de Moore durante los últimos 25 años. [31] Alrededor de 2020, la litografía ultravioleta extrema (EUV) ha comenzado a reemplazar a la litografía láser excimer para mejorar aún más la resolución del proceso de litografía de circuitos semiconductores. [32]
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 métodos para probar los métodos de fusión por confinamiento inercial . Estos fueron los sistemas láser Electra y Nike . Debido a que el láser excimer es un sistema basado en gas, el láser no se calienta como los sistemas de estado sólido como National Ignition Facility y el láser Omega . Electra demostró 90.000 disparos en 10 horas; ideal para una planta de energía de fusión inercial . [33]
La luz ultravioleta de un láser excimer es bien absorbida por la materia biológica y los compuestos orgánicos . En lugar de quemar o cortar el material, el láser excimer agrega suficiente energía para romper los enlaces moleculares del tejido de la superficie, que se desintegra efectivamente en el aire de una manera estrictamente controlada a través de la ablación en lugar de la quema. Por lo tanto, los láseres excimer tienen la propiedad útil de que pueden eliminar capas excepcionalmente finas de material de la superficie casi sin calentar ni cambiar el resto del material que queda intacto. Estas propiedades hacen que los láseres excimer sean muy adecuados para el micromaquinado de precisión de material orgánico (incluidos ciertos polímeros y plásticos) o cirugías delicadas como la cirugía ocular LASIK . En 1980-1983, Rangaswamy Srinivasan , Samuel Blum y James J. Wynne en el Centro de Investigación TJ Watson de IBM observaron el efecto del láser excimer ultravioleta en materiales biológicos. Intrigados, investigaron más a fondo y descubrieron que el láser hacía cortes limpios y precisos que serían ideales para cirugías delicadas. Esto dio como resultado una patente fundamental [34] y Srinivasan, Blum y Wynne fueron elegidos para el Salón Nacional de la Fama de 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 el láser excimer. [35] El trabajo posterior introdujo el láser excimer para su uso en angioplastia . [36] Los láseres excimer de cloruro de xenón (308 nm) también se utilizan para tratar una variedad de afecciones dermatológicas, incluyendo psoriasis , vitíligo , dermatitis atópica , alopecia areata y leucodermia. [ cita requerida ]
Como fuentes de luz, los láseres excimer son generalmente de gran tamaño, lo que constituye una desventaja en sus aplicaciones médicas, aunque sus tamaños están disminuyendo rápidamente con el desarrollo continuo. [ cita requerida ]
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 u optimizada por frente de onda, ya que los métodos de frente de onda pueden corregir mejor las aberraciones de orden superior . [37]
Los láseres excimer también se utilizan ampliamente en numerosos campos de investigación científica, tanto como fuentes primarias y, en particular el láser XeCl, como fuentes de bombeo para láseres colorantes sintonizables , principalmente para excitar colorantes láser que emiten en la región azul-verde del espectro. [38] [39] Estos láseres también se utilizan comúnmente en sistemas de deposición láser pulsada , 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. [40]
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