Un láser de fluoruro de criptón ( láser KrF ) es un tipo particular de láser excímero , [1] 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 [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 fluoruro de criptón exciplex, un complejo temporal en un estado de energía excitada:
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:
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.
Se han construido varios de estos láseres para experimentos ICF; los ejemplos incluyen: [6]
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.
La aplicación industrial más extendida de los láseres excimer 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 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 podían cumplir con los requisitos de la industria. Este desafío se superó cuando, en un desarrollo pionero en 1982, K. Jain demostró en IBM la litografía con láser excimer UV profundo. [2] [3] [11] Con avances fenomenales realizados 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 en producción anual. Como resultado, la industria de los semiconductores considera [4] 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. [12] [13] [14]
El láser KrF se utiliza en la investigación de la energía de fusión nuclear desde los años 80. Este láser ofrece varias ventajas: [7]
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.