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]
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:
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:
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.
Se han construido varios de estos láseres para experimentos ICF; algunos ejemplos incluyen: [6]
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.
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]
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]
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.