Un láser excímero , a veces más correctamente llamado láser exciplex , es una forma de láser ultravioleta que se usa comúnmente en la producción de dispositivos microelectrónicos , circuitos integrados o "chips" basados en semiconductores , cirugía ocular y micromecanizado .
Terminología e historia
El término excímero es la abreviatura de " dímero excitado ", mientras que exciplex es la abreviatura de " complejo excitado ". La mayoría de los láseres excímeros son del tipo haluro de gas noble, por lo que el término excímero es, estrictamente hablando, un nombre inapropiado. (Aunque se usa con menos frecuencia, el término adecuado para tal es un láser exciplex ).
El desarrollo del láser excímero comenzó con la observación de una línea espectral incipiente que se estrechaba a 176 nm, informada en 1971 [1] por Nikolai Basov , VA Danilychev y Yu. M. Popov, en el Instituto de Física Lebedev de Moscú , utilizando dímero de xenón líquido (Xe 2 ) excitado por un haz de electrones . Estimulados por este informe, HA Koehler et.al. presentó una mejor justificación de la emisión estimulada en 1972, [2] utilizando gas xenón de alta presión. La evidencia definitiva de la acción del láser excímero 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 cuando la línea espectral del láser se estrechó de un continuo de 15 nm a solo 0,25 nm, y la intensidad aumentó mil veces. La salida estimada del láser de 1 Joule fue lo suficientemente alta como para evaporar parte de los revestimientos del espejo, lo que imprimió su patrón de modo. Esta presentación estableció el potencial creíble de desarrollar láseres de alta potencia en longitudes de onda cortas. [3] [4] [5]
Una mejora posterior fue el uso de haluros de gases nobles (originalmente Xe Br ) desarrollados por muchos grupos en 1975. [6] Estos grupos incluyen el Laboratorio de Investigación Avco Everett, [7] Laboratorios Sandia, [8] el Centro de Investigación y Tecnología de Northrop , [9] el Laboratorio de Investigación Naval del Gobierno de los Estados Unidos , [10] que también desarrolló un láser XeCl [11] que se excitó mediante una descarga de microondas, [12] y el Laboratorio Nacional de Los Alamos. [13]
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 adecuadas de estimulación eléctrica y alta presión, se crea una pseudo- molécula denominada excímero (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 . [14] [15]
La acción del láser en una molécula de excímero ocurre 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 un estado excitado (inducido por descargas eléctricas o haces de electrones de alta energía), pueden formar moléculas unidas temporalmente consigo mismas (excímero) o con halógenos (exciplex) como flúor y cloro . El compuesto excitado puede liberar su exceso de energía al sufrir 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 unidos. 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 ultravioleta:
Excimer | Longitud de onda | Poder relativo |
---|---|---|
Ar 2 * | 126 nanómetro | |
Kr 2 * | 146 nanómetro | |
F 2 * | 157 nanómetro | |
Xe 2 * | 172 y 175 nm | |
ArF | 193 nm | 60 |
KrCl | 222 nanómetro | 25 |
KrF | 248 nanómetro | 100 |
XeBr | 282 nanómetro | |
XeCl | 308 nm | 50 |
XeF | 351 nanómetro | 45 |
Los láseres excímeros, como XeF y KrF, también se pueden ajustar ligeramente utilizando una variedad de arreglos intracavitarios de prismas y rejillas. [dieciséis]
Tasa de repetición de pulsos
Si bien los láseres excímeros bombeados por haz de electrones pueden producir pulsos de alta energía única, generalmente están separados por períodos de tiempo prolongados (muchos minutos). Una excepción fue el sistema Electra, diseñado para estudios de fusión inercial, que podía producir una ráfaga de 10 pulsos de 500 J cada uno en un lapso de 10 s. [17] Por el contrario, los láseres excímeros bombeados por descarga, también demostrados por primera vez en el Laboratorio de Investigación Naval, son capaces de generar un flujo constante de pulsos. [18] [19] Sus tasas de repetición de pulso significativamente más altas (del orden de 100 Hz) y su huella más pequeña hicieron posible la mayor parte de las aplicaciones enumeradas en la siguiente sección. Se desarrolló una serie de láseres industriales en XMR, Inc [20] en Santa Clara, California entre 1980-1988. La mayoría de los láseres producidos fueron XeCl, y una energía sostenida de 1 J por pulso a tasas de repetición de 300 pulsos por segundo fue la clasificación estándar. Este láser usó un tirón de alta potencia y conmutación magnética con preionización de corona y fue calificado para 100 millones de pulsos sin mayor mantenimiento. El gas operativo 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. Uno de los principales problemas encontrados 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 los hidrocarburos 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, provocando una reducción lenta 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. Se requirió el reemplazo periódico del gas láser y las ventanas a un costo 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 constaba de 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 funcionamiento 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 láser a lo largo del tiempo, atribuido al aumento de la presión parcial de hidrógeno en la mezcla de gases causado por la lenta reacción del cloro con varios metales. A medida que reaccionaba el cloro, se liberó hidrógeno, aumentando la presión parcial. El resultado neto fue el mismo que agregar hidrógeno a la mezcla para aumentar la eficiencia del láser según lo informado por TJ McKee et al. [21]
Principales aplicaciones
Fotolitografía
Los láseres excímeros se utilizan ampliamente en máquinas de fotolitografía de alta resolución , una de las tecnologías críticas necesarias para la fabricación de chips microelectrónicos . Las herramientas de litografía de última generación actuales utilizan luz ultravioleta profunda (DUV) de los láseres excimer KrF y ArF con longitudes de onda de 248 y 193 nanómetros (la tecnología de litografía dominante en la actualidad también se denomina "litografía con láser excimer" [22] [ 23] [24] [25] ), lo que ha permitido que los tamaños de las características de los transistores se reduzcan a 7 nanómetros (ver más abajo). Por tanto, la litografía con láser excímero ha desempeñado un papel fundamental en el avance continuo de la llamada ley de Moore durante los últimos 25 años. [26]
La aplicación industrial más extendida de los láseres excimer ha sido la fotolitografía ultravioleta profunda , [22] [24] una tecnología crítica utilizada en la fabricación de dispositivos microelectrónicos (es decir, circuitos integrados semiconductores o "chips"). Históricamente, desde principios de la década de 1960 hasta mediados de la de 1980, las lámparas de mercurio-xenón se habían utilizado en litografía para sus líneas espectrales en longitudes de onda de 436, 405 y 365 nm. Sin embargo, con la necesidad de la industria de los semiconductores de una resolución más alta (para producir chips más densos y más rápidos) y un rendimiento más alto (para costos más bajos), 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, Kanti Jain propuso y demostró en IBM la litografía con láser excimer de UV profundo . [22] [23] [24] [27] Con los fenomenales avances logrados en la tecnología de equipos en las últimas dos décadas, y hoy en día los dispositivos microelectrónicos fabricados con litografía láser excimer que totalizan $ 400 mil millones en producción anual, es la visión de la industria de semiconductores [26] que la litografía con láser excimer ha sido un factor crucial en el avance continuo de la ley de Moore, permitiendo que los tamaños mínimos de las características en la fabricación de chips se reduzcan de 800 nanómetros en 1990 a 7 nanómetros en 2018. [28] [29] Desde una perspectiva científica y tecnológica aún más amplia En perspectiva, desde la invención del láser en 1960, el desarrollo de la litografía con láser excimer se ha destacado como uno de los principales hitos en los 50 años de historia del láser. [30] [31] [32]
Usos médicos
La luz ultravioleta de un láser excimer es bien absorbida por materia biológica y 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 se desintegra efectivamente en el aire de una manera estrictamente controlada mediante ablación en lugar de quemarse. Por tanto, los láseres excímeros tienen la útil propiedad de que pueden eliminar capas excepcionalmente finas de material de la superficie casi sin calentamiento o sin cambiar el resto del material que queda intacto. Estas propiedades hacen que los láseres excimer sean 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 IBM 's TJ Watson Research Center observaron el efecto del láser excimer ultravioleta sobre materiales biológicos. Intrigados, investigaron más y encontraron que el láser hacía cortes limpios y precisos que serían ideales para cirugías delicadas. Esto resultó en una patente fundamental [33] y Srinivasan, Blum y Wynne fueron elegidos para el Salón de la Fama de Inventores Nacionales en 2002. En 2012, los miembros del equipo fueron honrados con la Medalla Nacional de Tecnología e Innovación por parte del presidente de los Estados Unidos, Barack. Obama por su trabajo relacionado con el láser excimer. [34] Un trabajo posterior introdujo el láser excimer para su uso en angioplastia . [35] Los láseres excímeros de cloruro de xenón (308 nm) también pueden tratar una variedad de afecciones dermatológicas que incluyen psoriasis, vitiligo, dermatitis atópica, alopecia areata y leucoderma.
Como fuentes de luz, los láseres excimer son generalmente de gran tamaño, lo que es una desventaja en sus aplicaciones médicas, aunque sus tamaños están disminuyendo rápidamente con el desarrollo continuo.
Se están realizando investigaciones para comparar las diferencias en los resultados de seguridad y efectividad 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 . [36]
Investigación científica
Los láseres excímeros también se utilizan ampliamente en numerosos campos de la investigación científica, tanto como fuentes primarias y, en particular, el láser XeCl, como fuentes de bombeo para láseres de colorante sintonizables , principalmente para excitar colorantes láser que emiten en la región azul-verde del espectro. [37] [38] Estos láseres también se utilizan comúnmente en sistemas de deposición de 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. [39]
Ver también
- Homogeneizador de haz
- Electrolaser
- Excimer
- Lámpara excimer
- Láser de fluoruro de criptón
- Ley de moore
- Láser de nitrógeno
- Fotolitografía
Referencias
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