Эксимерные лазеры – 40. Никогда не выглядели лучше

Промышленные лазеры Комментариев к записи Эксимерные лазеры – 40. Никогда не выглядели лучше нет

Несмотря на свой  средний возраст в лазерном сообществе, эксимерный лазер, являющийся  мощным источником света УФ и ДУВ, не имеет равных в некоторых критических применениях.

Первый коммерческий эксимерный лазер был введен 40 лет назад Lambda Physik (теперь Coherent, Santa Clara, CA). Интересно, что его разработчики — Бернд Штайер и Дирк Бастинг — оба были химиками, основной целью которых было разработать источник света для фотохимии и накачки лазеров на красителях.

Как только на рынке появились эксимерные лазеры, Lambda Physik начал исследовать другие возможные применения для мощного источника короткого ультрафиолетового (УФ) излучения.

Хотя большинство оригинальных приложений для эксимеров в значительной степени можно отнести к истории, многие другие развились. Справедливости ради следует сказать, что несколько других лазерных технологий оказали большее влияние на нашу повседневную жизнь, чем на эксимеры.

Лазерный кератомилесис in situ (LASIK), фотолитография и производство дисплеев — это три основных применения, которые иллюстрируют уникальные свойства эксимерного лазера, которые продолжают обеспечивать его наследие как ключевую технологию.

Уникальное излучение, уникальные преимущества

Эксимерные лазеры предлагают уникальную комбинацию ультрафиолетовой длины волны вместе с высокой энергией импульса, что являются ключевым для расширения их использования. Короткая длина волны позволяет создавать очень маленькие детали с  чрезвычайно высокой точностью, исходя из того, что оптическое разрешение масштабируется непосредственно с длиной волны из-за дифракции. Высокая энергия импульсов в сочетании с высокой частотой повторения обеспечивает высокую производительность процесса и сокращает время производственного цикла takt time  (общее время, затрачиваемое на производство одного продукта).

В то время как твердотельные ультрафиолетовые лазерные технологии значительно улучшились за последние 40 лет, не возникло никаких новых технологий, чтобы бросить вызов эксимерному лазеру в обеспечении этой конкретной комбинации характеристик.

С практической точки зрения, эксимерные лазеры расширили свою актуальность на рынке из-за обширных усилий производителей по улучшению их выходных характеристик и адаптации их к потребностям конкретных приложений. Например, первый коммерческий эксимерный лазер Lambda Physik EMG 500, работал с максимальной частотой повторения 20 Гц, сегодня многочисленные эксимерные лазеры поддерживают частоту повторения нескольких килогерц (см. Рис.1). Так же важно, что лазерные производители значительно улучшили характеристики обслуживания и общую стоимость владения эксимерными лазерами, чтобы сохранить их конкурентоспособность с другими лазерными и нелазерными технологиями.

Применение эксимерных лазеров: Коррекция зрения

РИСУНОК 1. Первым коммерческим эксимерным лазером был Lambda Physik EMG 500, который генерировал энергию импульса 220 мДж при 248 нм с частотой повторения до 20 Гц.

Каждый год более миллиона человек во всем мире проходят операцию LASIK для достижения идеального видения, значительно улучшая качество жизни для бесчисленных людей (см. Рис. 2).

Представленный в 1989 году, LASIK был первым крупным ненаучным приложением для эксимерных лазеров и по-прежнему остается самым большим одиночным эксимерным лазерным приложением в объемах количества установок. То, что началось с грубых экспериментов на глазах свиней, теперь превратилось в более чем 10 000 высокоточных, компактных настольных лазеров, развернутых по всему миру в глазных клиниках и центрах LASIK.

В процедуре LASIK импульсы эксимерных лазеров на длине волны 193 нм используются для удаления материала из роговицы человека, чтобы изменить форму поверхности, тем самым изменяя ее преломляющую способность и позволяя коррекцию для близорукости  или дальнозоркости и астигматизма.

Для выполнения LASIK тонкая, откидная створка хирургически поднимается (фемтосекундным лазером или микрокератомом) с внешней поверхности роговицы. Эксимерный лазерный луч формируется и проецируется с использованием быстро сканирующих зеркал, удаляя абляцией  роговичный материал с помощью точного контурного распределенного узора, что необходимо для коррекции зрения отдельного пациента. створка затем заменяют, герметизируют и защищают переднюю часть глаза.

РИСУНОК 2. Процедура LASIK повышает качество жизни более миллиона человек каждый год.

РИСУНОК 2. Процедура LASIK повышает качество жизни более миллиона человек каждый год.

Точность процесса абляции эксимерного лазера на основе аргонового фтора (ArF) 193 нм имеет важное значение для предсказуемости и безопасности процедуры LASIK. Кроме того, короткая (наносекундная) длина импульса и короткая длина волны удаляют роговичный материал в относительно холодном процессе, называемом фотоабляцией.

Применение эксимерных лазеров: Фотолитография

Эксимерные лазеры также необходимы для изготовления сверхминиатюрных  интегральных схем (ИС). И, в свою очередь, доступность все меньших, более мощных и экономичных микропроцессоров, в свою очередь, оказала глубокое влияние на современное общество.

Сама ИС состоит из множества электронных компонентов, построенных на единой монолитной полупроводниковой пластине. Детальная структура этих устройств строится поэтапно слой за слоем в процессе, называемом фотолитографией, причем первым шагом является покрытие полупроводниковой пластины светочувствительным фоторезистом. Сетка (маска), содержащая желаемый шаблон схемы, освещена ультрафиолетовым лазерным лучом, и образец маски проецируется на поверхность пластины, после чего проявляется экспонированный резист, и пластина подвергается химическому вытравливанию для физического удаления материала из открытых областей для получения требуемых структур. Затем этот процесс повторяется целых 30 или 40 раз для создания всей структуры схемы.

Исходными источниками фотолитографии были ртутные лампы, но необходимость создавать более мелкие детали приводила производителей к более коротковолновым источникам (опять же из-за дифракции), особенно эксимерным лазерам.

Для фотолитографии используются как 248, так и 193 нм лазеры. В частности, эксимерные лазеры на 193 нм позволяют использовать размер  деталей схемы вплоть до 10 нм, что намного ниже предела дифракции. Достижение этого потребовало разработки узкоспециализированных эксимеров с сужением линии, управляемой покрытием, чтобы минимизировать хроматические аберрации в оптической обработке изображений. Для получения еще более тонких функций используются различные другие методы, в том числе иммерсионные изображения, двойные или четырехкратные экспозиции и ряд умных методов оптической визуализации.

За последние 25 лет компании, в том числе Cymer (Сан-Диего, Калифорния), компания ASML и Gigaphoton (Ояма-ши, Япония), добились значительных успехов в эксимерных технологиях, разработанных для литографии, чтобы идти в ногу с неустанными требованиями отрасли чипов. В результате конфигурации генератора / усилителя с высокой мощностью (около 100 Вт) и выдающимися характеристиками производительности теперь являются стандартом для этого применения.

Широко используются активное спектральное сужение (значительно меньше, чем  1 пикометр) и уменьшенная доза энергии и ширина линии. И хотя другие технологии, такие как ультрафиолетовая (EUV) литография на 13 нм, будут дополнять эксимерный лазер для наиболее критических слоев с длиной волны 10 нм, будущее эксимерного лазера все еще выглядит ярким для приложений фотолитографии.

РИСУНОК 3. На диаграмме показаны основные элементы процесса эксимерного лазерного отжига (ELA) для заготовок дисплеев.

РИСУНОК 3. На диаграмме показаны основные элементы процесса эксимерного лазерного отжига (ELA) для заготовок дисплеев.

Применение эксимерных лазеров: Производство дисплеев

Двумя наиболее распространенными типами плоских дисплеев для смартфонов и других устройств являются жидкокристаллические дисплеи с активной матрицей (AMLCD) и дисплеи с активной матрицей на базе органических светодиодов (AMOLED). Оба они используют объединительную плату, состоящую из стеклянной подложки, на которой большое количество тонкопленочных транзисторов (thin-film transistors , TFT) сформированы, чтобы образовать фактическую пиксельную схему. Тонкая пленка выполнена из кремния (обычно толщиной 50 нм) и экспонируется с использованием фотолитографии для получения желаемых схемных структур.

Для создания слоя аморфного кремния (a-Si) используется крупномасштабное химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Преобразование этого аморфного слоя в поликристаллический кремний (поли-Si) улучшает подвижность электронов, что позволяет использовать небольшие TFT с отличными электрическими характеристиками, которые блокируют меньшую подсветку, что приводит к более ярким дисплеям, которые потребляют меньше энергии, что особенно критично для небольших дисплеев с высоким разрешением. Более того, переход на технологию OLED, состоящей из эмиссионных пикселей без подсветки, предъявляет высокие требования к показателям TFT.

Слой а-Si превращается в поли-Si при нагревании его эксимерным лазером в процессе, называемом эксимер-лазерным отжигом (ELA, см. Рис.3). В частности, пучок импульсного эксимерного лазерного луча сканирует поверх пленки a-Si, которая эффективно поглощает излучение  эксимерного лазера  308 нм.

Это высокое поглощение в сочетании с высокой энергией импульса эксимерного лазера позволяет получить почти полный расплав тонкого слоя кремния с каждым импульсом. Высокое поглощение кремния также предотвращает проникновение ультрафиолетового излучения в подложку, что позволяет избежать термического напряжения и позволяет использовать экономичные стеклянные материалы для подложки.

РИСУНОК 4. В новой системе Coherent LineBeam 1000 / TwinVYPER выход из четырех отдельных лазеров объединяется внутри системы для создания одиночного линейного луча.

РИСУНОК 4. В новой системе Coherent LineBeam 1000 / TwinVYPER выход из четырех отдельных лазеров объединяется внутри системы для создания одиночного линейного луча.

Обработка происходит на больших стеклянных панелях, таких как Gen 6 (1,5 × 1,8 м), которые затем разделяются на многочисленные меньшие дисплеи. В ELA-системе прямоугольный выход эксимерного лазера гомогенизируется и преобразуется в длинную тонкую линию, обычно имеющую длину, равную ширине (или половине ширины) панели. Это позволяет обрабатывать всю панель в одном (или двух) проходах под лазерным лучом, что имеет решающее значение для обеспечения необходимой эффективности процесса и высокой производительности.

В течение 20 лет Coherent (и, до этого, Lambda Physik) был пионером ELA. Успех этого применения основан на значительных достижениях в мощных эксимерных лазерных технологиях и УФ-оптической системе, которая обеспечивает однородность линейного луча, требуемую для равномерного отжига больших панелей (см. Рисунок 4).

Возможности обработки эксимерных лазеров вместе с постоянными улучшениями в их производительности, надежности и стоимости владения продолжают превращать их в критически важные для технологии во многих других промышленных, медицинских и научных процессах. Например, процессы эксимерного лазерного отделения от стеклянной подложки (laser lift-off process) являются ключом к новому поколению гибких дисплеев, а брэгговские решетки, получаемые  эксимерным лазерным излучением (fiber Bragg gratings , FBG) имеют жизненно важное значение для телекоммуникаций, зондирования и многих проектов волоконных лазеров

Людольф Хербст (Ludolf Herbst) — руководитель линейки продуктов Coherent LaserSystems, Гёттинген, Германия

Оригинал статьи на английском языке: http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-53/issue-11/features/excimer-lasers-40-never-looked-better.html


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2016
Напишите нам:
laser.w@yandex.ru

Back to Top