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Láser de fluoruro de criptón

El láser electra del NRL es un láser KrF que demostró más de 90.000 disparos en 10 horas.
El láser electra del NRL es un láser KrF que demostró más de 90.000 disparos en 10 horas.

Un láser de fluoruro de criptón ( láser KrF ) es un tipo particular de láser excimer , [1] que a veces (más correctamente) se llama 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 , micromaquinado 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 generalmente contiene una mezcla de: un gas noble como argón, criptón o xenón; y un gas halógeno como flúor o cloro. En condiciones adecuadamente intensas de estimulación electromagnética y presión, la mezcla emite un haz de radiación estimulada coherente como luz láser en el rango ultravioleta.

Los láseres excimer KrF y ArF se incorporan ampliamente en las máquinas de fotolitografía de alta resolución , una de las herramientas críticas necesarias para la fabricación de chips microelectrónicos en dimensiones nanométricas. La litografía por láser excimer [2] [3] ha permitido que los tamaños de las características de los transistores se reduzcan de 800 nanómetros en 1990 a 10 nanómetros en 2016. [4] [5]

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 exciplex fluoruro de criptón, un complejo temporal en un estado de energía excitado:

2 K + F
2
→ 2 coronas checas

El complejo puede experimentar emisión espontánea o estimulada, reduciendo su estado energético a un estado fundamental metaestable, pero altamente repulsivo . El complejo en estado fundamental se disocia rápidamente en átomos no ligados:

2KrF → 2Kr + F
2

El resultado es un láser exciplex que irradia energía a 248 nm, cerca de la porción ultravioleta del espectro , que corresponde 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; algunos ejemplos incluyen: [6]

Aplicaciones

Este láser también se ha utilizado para producir emisiones de rayos X suaves a partir de un plasma , mediante la irradiación de pulsos breves de esta luz láser. Otras aplicaciones importantes incluyen la manipulación de diversos materiales como plástico, vidrio, cristal, materiales compuestos y tejido vivo. La luz de este láser UV es absorbida fuertemente 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 excimer de KrF ha sido la fotolitografía ultravioleta profunda [2] [3] para la fabricación de dispositivos microelectrónicos (es decir, circuitos integrados semiconductores o "chips"). Desde principios de la década de 1960 hasta mediados de la década de 1980, se habían utilizado lámparas de Hg-Xe para litografía en longitudes de onda de 436, 405 y 365 nm. Sin embargo, con la necesidad de la industria de semiconductores tanto de una resolución más fina (para chips más densos y rápidos) como de un mayor rendimiento de producción (para 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, K. Jain demostró la litografía láser excimer de ultravioleta profundo en IBM. [2] [3] [11] Con los avances fenomenales realizados en equipos y tecnología en las últimas dos décadas, los dispositivos electrónicos semiconductores modernos fabricados mediante litografía láser excimer ahora suman más de $400 mil millones en producción anual. Como resultado, la industria de semiconductores considera [4] que la litografía 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 láser excimer se ha destacado como uno de los principales hitos en los 50 años de historia del láser. [12] [13] [14]

Investigación sobre la 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: [7]

Seguridad

La luz emitida por el KrF es invisible para el ojo humano, por lo que es necesario tomar precauciones de seguridad adicionales al trabajar con este láser para evitar rayos dispersos. Se necesitan guantes para proteger la piel de las propiedades potencialmente cancerígenas de los rayos UV y gafas protectoras UV para proteger los ojos.

Véase también

Referencias

  1. ^ Basting, D. y Marowsky, G., Eds., Tecnología láser excímer, Springer, 2005.
  2. ^ abc Jain, K.; Willson, CG; Lin, BJ (1982). "Litografía ultravioleta profunda ultrarrápida con láseres excimer". IEEE Electron Device Letters . 3 (3): 53–55. Bibcode :1982IEDL....3...53J. doi :10.1109/EDL.1982.25476. S2CID  43335574.
  3. ^ abc Jain, K. "Litografía láser excimer", SPIE Press, Bellingham, WA, 1990.
  4. ^ ab La Fontaine, B., "Láseres y ley de Moore", SPIE Professional, octubre de 2010, pág. 20.
  5. ^ Samsung inicia la primera producción en masa de la industria de un sistema en chip con tecnología FinFET de 10 nanómetros; https://news.samsung.com/global/samsung-starts-industrys-first-mass-production-of-system-on-chip-with-10-nanometer-finfet-technology
  6. ^ "Actas del 4º taller internacional sobre tecnología láser KrF" Annapolls Maryland, 2 de mayo de 1994 al 5 de mayo de 1994
  7. ^ ab Obenschain, Stephen, et al. "Láseres de fluoruro de criptón de alta energía para fusión inercial". Óptica aplicada 54.31 (2015): F103-F122.
  8. ^ Divall, EJ, et al. "Titania: un láser ultravioleta de 1020 W cm− 2". Revista de óptica moderna 43.5 (1996): 1025-1033.
  9. ^ Okuda, I., et al. "Rendimiento del amplificador principal del Super-ASHURA". Ingeniería y diseño de fusión 44.1-4 (1999): 377-381.
  10. ^ https://lasers.llnl.gov/multimedia/publications/pdfs/etr/1979_06.pdf [ URL básica PDF ]
  11. ^ Basting, D., et al., "Revisión histórica del desarrollo del láser excimer", en Excimer Laser Technology, D. Basting y G. Marowsky, Eds., Springer, 2005.
  12. ^ Sociedad Estadounidense de Física / Láseres / Historia / Cronología
  13. ^ SPIE / Avanzando con el láser / 50 años y hacia el futuro
  14. ^ Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido / Los láseres en nuestras vidas / 50 años de impacto Archivado el 13 de septiembre de 2011 en Wayback Machine

Enlaces externos