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Un láser de kriptón-fluoruro ( láser KrF ) es un tipo particular de láser de excímeros , [ 1 ] que a veces se denomina (más correctamente) láser de exciplexos. Con su longitud de onda de 248 nanómetros, es un láser ultravioleta profundo que se utiliza comúnmente en la producción de circuitos integrados semiconductores , micromecanizado industrial e investigación científica. El término excímero es la abreviatura de " dímero excitado ", mientras que exciplexo es la abreviatura de "complejo excitado". Un láser de excímeros generalmente contiene una mezcla de un gas noble, como argón, kriptón o xenón, y un gas halógeno, como flúor o cloro. Bajo condiciones de estimulación electromagnética y presión suficientemente intensas, la mezcla emite un haz de radiación estimulada coherente como luz láser en el rango ultravioleta.
Los láseres de excímeros 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 de excímeros [ 2 ] [ 3 ] ha permitido reducir el tamaño de las características de los transistores 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 provoca 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 Kr + F2 → 2 KrF
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:
- 2 KrF → 2 Kr + F2
El resultado es un láser de exciplex que irradia energía a 248 nm, cerca de la porción ultravioleta del espectro , lo 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 de FCI; algunos ejemplos son: [ 6 ]
- Los Alamos construyó un láser KrF en 1985 para demostrar el disparo de prueba de un haz con un nivel de energía de1 × 10⁴ Julios . Esto formaba parte del proyecto de investigación láser Aurora, más amplio, que estudiaba láseres de CO₂ y otros sistemas.
- Láser Nike . La rama de plasma láser del Laboratorio de Investigación Naval completó un láser KrF llamado láser Nike que puede producir aproximadamente4,5 × 10³ J de energía UV en un pulso de 4 nanosegundos . El láser NIKE se cambió a un láser de fluoruro de argón después de 2013 para mostrar el impacto de usar longitudes de onda más cortas (193 nm).
- El Laboratorio de Investigación Naval construyó el láser Electra y el Nike para probar los láseres KrF y ArF para enfoques de ICF. En 2013, Electra demostró 90 000 disparos durante 10 horas de funcionamiento. [ 7 ]
- El Laboratorio Rutherford Appleton construyó los láseres KrF Sprite y Titania [ 8 ].
- El Laboratorio Electrotécnico de Japón construyó los láseres KrF Ashura y Super Ashura. [ 9 ]
- El Instituto Chino de Energía Atómica ya disponía de un láser antes de mediados de la década de 1990.
- El Laboratorio Nacional de Livermore desarrolló un láser y amplificador KrF conocido como sistema RAPIER (Raman Amplifier Pumped by Intensified Excimer Radiation). [ 10 ]
Aplicaciones
Este láser también se ha utilizado para producir emisión de rayos X blandos a partir de un plasma , mediante la irradiación con 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 fuertemente absorbida 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 de excímero 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 utilizaron lámparas de Hg-Xe para la litografía en longitudes de onda de 436, 405 y 365 nm. Sin embargo, con la necesidad de la industria de semiconductores de una resolución más fina (para chips más densos y rápidos) y 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 de excímero ultravioleta profunda en IBM. [ 2 ] [ 3 ] [ 11 ] Con los avances fenomenales logrados en equipos y tecnología en las últimas dos décadas, los dispositivos electrónicos semiconductores modernos fabricados mediante litografía láser de excímeros ahora suman más de $400 mil millones en producción anual. Como resultado, es la opinión de la industria de semiconductores [ 4 ] que la litografía láser de excímeros (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 de excímeros se ha destacado como uno de los principales hitos en los 50 años de historia del láser. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
Investigación de 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 ]
- Disparos de alta frecuencia de repetición: debido a que la KrF se fabrica con gas, no se calienta, lo que permite una mayor frecuencia de disparos.
- Mayor uniformidad del haz
- Longitud de onda relativamente más corta para una mejor compresión ICF.
Seguridad
La luz emitida por el láser KrF es invisible para el ojo humano, por lo que se requieren precauciones de seguridad adicionales al trabajar con este láser para evitar la exposición a haces de luz dispersa. Se necesitan guantes para proteger la piel de las propiedades potencialmente cancerígenas del haz UV, y gafas de protección UV para proteger los ojos.
Véase también
Referencias
- ↑ Basting, D. y Marowsky, G., Eds., Tecnología láser de excímeros, Springer, 2005.
- 1 2 3 Jain, K.; Willson, CG; Lin, BJ (1982). "Litografía UV profunda ultrarrápida con láseres de excímeros". IEEE Electron Device Letters . 3 (3): 53– 55. Bibcode : 1982IEDL....3...53J . doi : 10.1109/EDL.1982.25476 . S2CID 43335574 .
- 1 2 3 Jain, K. "Litografía láser de excímeros", SPIE Press, Bellingham, WA, 1990.
- 1 2 La Fontaine, B., "Láseres y la Ley de Moore" , SPIE Professional, octubre de 2010, pág. 20.
- ↑ Samsung inicia la primera producción en masa de sistemas 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
- ↑ "Actas del 4º taller internacional sobre tecnología láser KrF", Annapolis, Maryland, del 2 al 5 de mayo de 1994
- 1 2 Obenschain, Stephen, et al. "Láseres de fluoruro de kriptón de alta energía para fusión inercial." Applied optics 54.31 (2015): F103-F122.
- ↑ Divall, EJ, et al. "Titania: un láser ultravioleta de 1020 W cm− 2." Journal of modern optics 43.5 (1996): 1025-1033.
- ↑ Okuda, I., et al. "Rendimiento del amplificador principal 'Super-ASHURA'." Ingeniería y diseño de fusión 44.1-4 (1999): 377-381.
- ↑ "Revisión de Energía y Tecnología - Laboratorio Lawrence Livermore" (PDF) . Junio de 1979. Archivado del original (PDF) el 24 de febrero de 2013.
- ↑ Basting, D., et al., "Revisión histórica del desarrollo del láser de excímeros", en Tecnología del láser de excímeros, D. Basting y G. Marowsky, Eds., Springer, 2005.
- ↑ Sociedad Estadounidense de Física / Láseres / Historia / Cronología
- ↑ SPIE / Avances en el láser / 50 años y hacia el futuro
- ↑ Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas del Reino Unido / Láseres en nuestras vidas / 50 años de impacto. Archivado el 13 de septiembre de 2011 en Wayback Machine.
Enlaces externos
- energía de fusión láser
- Instalación láser Nike KrF
- Nikon KrF archivada el 7 de septiembre de 2005 en Wayback Machine.
- láseres de excímeros
- Criptón
- Flúor
