엑시머 레이저

Excimer laser
엑시머 레이저

엑시머 레이저(exciplex laser)는 때로 엑시플렉스 레이저라고 불리기도 하며, 마이크로 전자 장치, 반도체 기반의 집적회로 또는 칩, 눈 수술 및 마이크로머시닝의 생산에 일반적으로 사용되는 자외선 레이저의 한 형태입니다.1960년대 이후 엑시머 레이저는 마이크로 전자 칩 제조에 필요한 중요한 기술 중 하나인 고해상도 포토 리소그래피 기계에 널리 사용되고 있습니다.

용어와 이력

eximer라는 용어는 'excited dimer'의 약자이고, exciplex는 'excited complex'의 약자입니다.대부분의 엑시머 레이저는 귀가스 할로겐화물 타입으로, 엑시머라는 용어는 엄밀히 말하면 오칭입니다.(비록 덜 일반적으로 사용되긴 하지만 엑시플렉스 레이저라는 용어가 적절합니다.)

엑시머 레이저는 1960년 프리츠 후테르만스에 [1]의해 제안되었다.엑시머 레이저 개발은 1971년 모스크바의[2] 레베데프 물리 연구소의 니콜라이 바소프, V. A. 다니체프, Yu. M. Popov가 전자빔에 의해 들뜬 액체 크세논 이합체2(Xe)를 사용하여 176 nm로 좁혀지는 초기 스펙트럼선을 관찰하면서 시작되었다.H.A. Koehler 등은 [3]이 보고서에 자극받아 1972년 고압 제논 가스를 사용하여 자극 방출의 더 나은 실증을 제시했습니다.제논 엑시머 레이저가 12기압에서 고압 가스를 사용하여 173nm에서 전자빔에 의해 펌핑된다는 결정적인 증거는 1973년 3월 로스앤젤레스 노스롭사의 마니 랄 바우믹에 의해 처음 제시되었습니다.레이저의 스펙트럼 라인이 15nm의 연속체에서 0.25nm로 좁혀지면서 강한 자극 방출이 관찰되고 강도가 천 배 증가했다.레이저의 추정 출력 1줄은 미러 코팅의 일부를 증발시킬 정도로 높았고, 이는 모드 패턴을 각인시켰습니다.이 프레젠테이션은 단파장에서의 [4][5][6]고출력 레이저 개발의 신뢰할 수 있는 가능성을 확립했습니다.

나중에 개선된 점은 1975년 [7]많은 그룹에 의해 개발된 귀가스 할로겐화물(원래 Xe Br)의 사용이었다.이러한 그룹에는 Avco Everett Research [8]Laboratory, Sandia Laboratory,[9] Northrop Research and Technology Center,[10] 미국 정부의 해군 연구 연구소,[11] 또한 마이크로파 [13]방전을 사용하여 흥분한 XeCl[12] Laser를 개발한 Los Alamos 국립 [14]연구소가 포함됩니다.

시공 및 운영

엑시머 레이저는 일반적으로 귀가스(아르곤, 크립톤 또는 제논)와 반응 가스(불소 또는 염소)의 조합을 사용합니다.전기자극과 고압의 적절한 조건하에서 엑시머(또는 귀가스 할로겐화물의 경우 엑시플렉스)라고 불리는 의사분자가 생성되며, 이는 통전된 상태에서만 존재할 수 있고 자외선 [15][16]범위에서 레이저광을 발생시킬 수 있다.

엑시머 분자의 레이저 작용은 결합(관련성) 들뜸 상태이지만 반발(분열성) 접지 상태를 가지기 때문에 발생합니다.크세논이나 크립톤과 같은 귀한 가스는 매우 불활성이며 보통 화학 화합물을 형성하지 않습니다.그러나 들뜬 상태(방전 또는 고에너지 전자빔에 의해 유발됨)에서는 그들 자신(엑시머) 또는 불소나 염소 등의 할로겐(엑시플렉스)과 일시적으로 결합하는 분자를 형성할 수 있다.들뜬 화합물은 자발적이거나 자극적인 방출을 거치면서 과잉 에너지를 방출할 수 있고, 결과적으로 매우 빠르게 (피코초 정도의) 결합되지 않은 두 개의 원자로 분해되는 강한 반발성 지면 상태 분자를 만들 수 있습니다.이것은 모집단 [citation needed]반전을 형성한다.

파장 결정

엑시머 레이저의 파장은 사용되는 분자에 따라 달라지며, 일반적으로 전자파 방사선의 자외선 범위 내에 있습니다.

엑시머 파장 상대 전력
Ar2* 126 nm
Kr2* 146 nm
F2* 157 nm
Xe2* 172 및 175 nm
ArF 193 nm 60
KrCl 222 nm 25
KrF 248 nm 100
XeBr 282 nm
XeCl 308 nm 50
XeF 351 nm 45

XeF 및 KrF와 같은 엑시머 레이저도 다양한 프리즘과 격자형 체공 [17]내 배치를 사용하여 약간 조정할 수 있습니다.

펄스 반복률

전자빔 펌핑 엑시머 레이저는 높은 단일 에너지 펄스를 발생시킬 수 있지만 일반적으로 긴 시간(수분)으로 구분됩니다.관성 핵융합 연구를 위해 설계된 Electra 시스템은 예외로, 10초의 [18]스팬에 걸쳐 각각 500J의 10개의 펄스를 생성할 수 있었다.이와는 대조적으로, Naval Research Laboratory에서 처음 시연된 방전 펌프 엑시머 레이저는 안정적인 [19][20]펄스 스트림을 출력할 수 있습니다.상당히 높은 펄스 반복 속도(100Hz 정도)와 작은 풋프린트로 인해 다음 섹션에 나열된 애플리케이션의 대부분이 가능했습니다.일련의 산업용 레이저가 1980년부터 1988년 사이에 캘리포니아 산타 클라라에 있는 XMR[21], Inc.에서 개발되었습니다.생성된 레이저의 대부분은 XeCl이었으며 초당 300펄스의 반복 속도에서 펄스당 1J의 지속 에너지가 표준 정격이었습니다.이 레이저는 고출력 티라트론과 코로나 프리이온화를 수반하는 자기 스위칭을 사용했으며, 큰 유지보수 없이 1억 펄스의 정격을 받았습니다.작동 가스는 약 5기압에서 제논, HCl 및 Neon이 혼합되었습니다.HCl 가스로 인한 부식을 줄이기 위해 스테인리스강, 니켈 도금 및 고체 니켈 전극을 광범위하게 사용했습니다.발생한 주요 문제 중 하나는 CaF 창 표면의 탄소 축적으로 인한 광학 창 열화입니다.이것은 HCl 가스와 반응하는 O-링의 소량의 탄소로 형성된 수소-클로로 탄소 때문입니다.염화수소는 시간이 지남에 따라 서서히 증가하여 레이저광을 흡수하여 레이저 에너지의 느린 감소를 초래하였다.게다가 이 화합물들은 강렬한 레이저 빔에서 분해되어 창문에 모이게 되고, 이로 인해 에너지가 더 감소하게 됩니다.레이저 가스와 창문을 정기적으로 교체해야 했습니다.이는 액체 질소 온도보다 약간 높게 작동하는 콜드 트랩과 콜드 트랩을 통해 레이저 가스를 재순환하는 금속 벨로우즈 펌프로 구성된 가스 정화 시스템을 사용하여 크게 개선되었습니다.콜드 트랩은 77K(액상 질소 비등점)에서 제논 증기 압력이 레이저 가스 혼합물에서 필요한 작동 압력보다 낮았기 때문에 액체 질소 저장고와 온도를 약간 올리는 히터로 구성되었습니다.콜드 트랩에서 HCl을 동결하고 적절한 가스비를 유지하기 위해 HCl을 추가하였다.이것의 흥미로운 부작용은 시간이 지남에 따라 레이저 에너지의 느린 증가였는데, 이는 염소와 다양한 금속의 느린 반응으로 인해 가스 혼합물에서 수소 부분 압력이 증가했기 때문이다.염소가 반응하면서 수소가 방출되어 부분 압력이 증가하였다.최종 결과는 T.J. McKee [22]등이 보고한 바와 같이 레이저 효율을 높이기 위해 혼합물에 수소를 첨가하는 것과 동일했다.

주요 응용 프로그램

포토 리소그래피

주요 기사:반도체 장치 제작

1960년대 이후 엑시머 레이저의 가장 광범위한 산업적 응용은 마이크로 전자 장치 제조에 사용되는 중요한 기술인 심자외선 광석소그래피였습니다.[23][24]역사적으로 1960년대 초부터 1980년대 중반까지 수은 제논 램프는 436, 405 및 365 nm 파장의 스펙트럼 라인으로 석판 인쇄에 사용되었다.그러나 반도체 업계의 높은 해상도(고밀도 및 고속 칩 생산)와 높은 처리량(저비용)이 요구됨에 따라 램프 기반 리소그래피 도구는 더 이상 업계의 요구사항을 충족할 수 없었습니다.이 문제는 1982년 선구적인 개발 과정에서 Kanti [23][25][24][26]Jain에 의해 IBM에서 딥 UV 엑시머 레이저 리소그래피가 제안되고 시연되었을 때 극복되었습니다.보다 넓은 과학 및 기술적 관점에서 1960년 레이저가 발명된 이후 엑시머 레이저 리소그래피의 발전은 [27][28][29]레이저 역사의 주요 이정표 중 하나로 부각되어 왔습니다.

현재의 리소그래피 도구(2021년 기준)는 파장이 248나노미터와 193나노미터인 KrF 및 ArF 엑시머 레이저의 딥 자외선(DUV)[23][25][24][30]을 주로 사용하여 트랜지스터 피처 크기를 7나노미터로 축소할 수 있었습니다(아래 참조).따라서 엑시마 레이저 리소그래피는 지난 25년 [31]동안 소위 무어의 법칙을 계속 발전시키는데 중요한 역할을 했습니다.2020년경에는 익스트림 자외선 리소그래피(UL)가 엑시머 레이저 리소그래피를 대체하여 반도체 회로 리소그래피 [32]공정의 해상도를 더욱 높이기 시작했습니다.

의료 용도

엑시머 레이저의 자외선은 생물학적 물질과 유기 화합물에 의해 잘 흡수된다.엑시머 레이저는 물질을 태우거나 절단하는 대신 표면조직의 분자결합을 교란할 수 있는 충분한 에너지를 가미해 연소보다는 절제를 통해 엄격하게 제어된 방식으로 공기 중으로 효과적으로 분해된다.따라서 엑시머 레이저는 표면 재료의 미세한 층을 거의 가열하지 않고 제거할 수 있는 유용한 특성을 가지고 있으며, 온전하게 남아 있는 재료의 나머지 부분에 대한 변경 없이 제거할 수 있습니다.이러한 특성으로 인해 엑시머 레이저는 정밀 미세 기계 유기 물질(특정 폴리머 및 플라스틱 포함) 또는 눈 수술 라식과 같은 섬세한 수술에 매우 적합합니다.1980-1983년 IBM의 T. J. 왓슨 연구 센터의 랑가스와미 스리니바산, 사무엘 블럼, 제임스 J. 윈은 생물학적 물질에 대한 자외선 엑시머 레이저의 효과를 관찰했다.호기심에 불타는 그들은 레이저가 정교한 수술에 이상적인 깨끗하고 정확한 절단을 만들어냈다는 것을 발견하면서 더 자세히 조사했다.이로써[33] 기초특허를 획득했고 스리니바산, 블룸, 윈느는 2002년 국립발명가 명예의 전당에 선출됐다.2012년, 그 팀원들은 엑시머 [34]레이저와 관련된 그들의 업적으로 버락 오바마 대통령으로부터 국가기술혁신훈장을 받았다.후속 연구는 혈관 [35]형성술에 사용할 엑시머 레이저를 도입했습니다.염화 제논(308 nm) 엑시머 레이저도 건선, 백반, 아토피 피부염, 탈모증 및 백혈구 등 다양한 피부질환을 치료할 수 있습니다.

광원으로서 엑시머 레이저의 크기는 일반적으로 크기 때문에 의학 분야에서는 불리하지만 개발이 [citation needed]진행됨에 따라 크기가 급격히 감소하고 있습니다.

기존의 엑시머 레이저 굴절 수술과 파면 유도 또는 파면 최적화 굴절 수술 간의 안전성 및 효과 결과의 차이를 비교하기 위한 연구가 진행 중입니다. 파면 방법이 고차 [36]이상에 대해 더 나은 보정을 제공할 수 있기 때문입니다.

과학적 연구

엑시머 레이저는 또한 주로 스펙트럼의 [37][38]청록색 영역에서 방출되는 레이저 염료를 자극하기 위해 조절 가능한 염료 레이저의 펌프 소스로서, 그리고 특히 XeCl 레이저의 많은 과학적 연구 분야에서 널리 사용되고 있다.또한 이러한 레이저는 펄스 레이저 증착 시스템에도 일반적으로 사용됩니다. 이 시스템에서는 큰 형광, 짧은 파장 및 비연속 빔 특성이 다양한 [39]재료의 절제에 이상적입니다.

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스콜리아는 엑시머 레이저(Q241056)에 대한 프로파일을 가지고 있습니다.

레퍼런스

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