Laser de fluoreto de argônio - Argon fluoride laser

O laser de fluoreto de argônio ( laser ArF) é um tipo específico de laser excimer , que às vezes é (mais corretamente) chamado de laser exciplex. Com seu comprimento de onda de 193 nanômetros, é um laser ultravioleta profundo, comumente usado na produção de circuitos integrados de semicondutores , cirurgia ocular, microusinagem e pesquisa científica. "Excimer" é abreviação de "dímero excitado", enquanto "exciplex" é abreviação de "complexo excitado". Um excimer laser normalmente usa uma mistura de um gás nobre (argônio, criptônio ou xenônio) e um gás halogênio (flúor ou cloro), que sob condições adequadas de estimulação elétrica e alta pressão, emite radiação estimulada coerente (luz laser) no faixa ultravioleta.

Os lasers de excímero ArF (e KrF) são amplamente usados ​​em máquinas de fotolitografia de alta resolução , uma das tecnologias críticas necessárias para a fabricação de chips microeletrônicos . A litografia a laser excimer permitiu que os tamanhos dos recursos do transistor diminuíssem de 800 nanômetros em 1990 para 7 nanômetros em 2018. As máquinas de litografia ultravioleta extrema substituíram as máquinas de fotolitografia ArF em alguns casos, pois permitem tamanhos de recursos ainda menores, aumentando a produtividade, já que as máquinas EUV podem fornecer resolução em menos etapas.

Teoria

Um laser de fluoreto de argônio absorve energia de uma fonte, fazendo com que o gás argônio reaja com o gás flúor produzindo monofluoreto de argônio , um complexo temporário , em um estado de energia excitado:

2 Ar + F
2 → 2 ArF

O complexo pode sofrer emissão espontânea ou estimulada, reduzindo seu estado de energia a um estado fundamental metaestável, mas altamente repulsivo . O complexo do estado fundamental rapidamente se dissocia em átomos não ligados:

2 ArF → 2 Ar + F
2

O resultado é um laser exciplex que irradia energia a 193 nm, que fica na porção ultravioleta distante do espectro , correspondendo à diferença de energia de 6,4 elétron-volts entre o estado fundamental e o estado excitado do complexo.

Formulários

A aplicação industrial mais difundida dos lasers de excímero ArF tem sido a fotolitografia ultravioleta profunda para a fabricação de dispositivos microeletrônicos (isto é, circuitos integrados de semicondutores ou “chips”). Do início dos anos 1960 até meados dos anos 1980, as lâmpadas Hg-Xe foram usadas para litografia em comprimentos de onda de 436, 405 e 365 nm. No entanto, com a necessidade da indústria de semicondutores por resolução mais precisa (para chips mais densos e mais rápidos) e maior rendimento de produção (para custos mais baixos), as ferramentas de litografia baseadas em lâmpada não eram mais capazes de atender aos requisitos da indústria.

Esse desafio foi superado quando, em um desenvolvimento pioneiro em 1982, a litografia a laser excimer UV profunda foi inventada e demonstrada na IBM por K. Jain. Com avanços fenomenais na tecnologia de equipamentos nas últimas duas décadas, hoje os dispositivos eletrônicos semicondutores fabricados com litografia a laser excimer totalizam US $ 400 bilhões em produção anual. Como resultado, é a visão da indústria de semicondutores que a litografia a laser excimer (com os lasers ArF e KrF) tem sido um fator crucial no avanço contínuo da chamada lei de Moore (que descreve a duplicação do número de transistores no chips mais densos a cada dois anos - uma tendência que continuou nesta década, com os menores tamanhos de recursos de dispositivo atingindo 10 nanômetros em 2016) e 7 nm em 2018.

De uma perspectiva científica e tecnológica ainda mais ampla, desde a invenção do laser em 1960, o desenvolvimento da litografia a laser excimer tem se destacado como um dos principais marcos na história de 50 anos do laser.

A luz ultravioleta de um laser ArF é bem absorvida por matéria biológica e compostos orgânicos. Em vez de queimar ou cortar material, o laser ArF dissocia as ligações moleculares do tecido da superfície, que se desintegra no ar de uma maneira rigidamente controlada por meio de ablação em vez de queima. Assim, o ArF e outros lasers de excímero têm a propriedade útil de poderem remover camadas excepcionalmente finas de material de superfície com quase nenhum aquecimento ou mudança para o restante do material que é deixado intacto. Essas propriedades tornam esses lasers adequados para materiais orgânicos de microusinagem de precisão (incluindo certos polímeros e plásticos), e especialmente cirurgias delicadas, como cirurgia ocular (por exemplo, LASIK , LASEK ).

Recentemente, por meio do uso de um novo sistema difuso difrativo composto por duas matrizes de microlentes, a microusinagem de superfície por laser ArF em sílica fundida foi realizada com precisão submicrométrica.

Segurança

A luz emitida pelo ArF é invisível ao olho humano, portanto, precauções de segurança adicionais são necessárias ao trabalhar com este laser para evitar raios dispersos. Luvas são necessárias para proteger a carne das propriedades potencialmente cancerígenas do raio UV, e óculos de proteção UV são necessários para proteger os olhos.

Veja também

Referências