mini|alt=The electra laser at NRL is a KrF laser that demonstrated over 90,000 shots in 10 hours.|Der „Electra“-Laser am Naval Research Laboratory ist ein KrF-Laser, der innerhalb von 10 Stunden über 90.000 Impulse abgegeben hat. Ein Krypton-Fluorid-Laser (KrF-Laser oder KrF-Excimerlaser) ist eine besondere Art von Excimerlaser, der manchmal auch als Exciplex-Laser bezeichnet wird. Mit einer Wellenlänge von 248 nm handelt es sich um einen Tief-Ultraviolett-Laser, der häufig bei der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen, in der industriellen Mikrobearbeitung und in der wissenschaftlichen Forschung eingesetzt wird. Der Begriff „Excimer“ ist die Abkürzung für „excited dimer“ (angeregtes Dimer), während „Exciplex“ die Abkürzung für „excited complex“ (angeregter Komplex) ist. Der KrF-Laser enthält ein Gemisch aus dem Edelgas Krypton (Kr) und dem Halogen Fluor (F). Unter entsprechend intensiven Bedingungen elektromagnetischer Anregung und Druck strahlt das Gemisch einen Strahl kohärenter stimulierter Strahlung als Laserlicht im ultravioletten Bereich aus.

KrF- und ArF-Excimerlaser finden breite Anwendung in hochauflösenden Fotolithografieanlagen, die zu den entscheidenden Werkzeugen für die Herstellung mikroelektronischer Chips im Nanometerbereich zählen. Dank der Excimerlaser-Lithografie konnten die Strukturgrößen von Transistoren von 800 Nanometern im Jahr 1990 auf 10 Nanometer im Jahr 2016 reduziert werden.

Theorie Ein Krypton-Fluorid-Laser absorbiert Energie aus einer Quelle, wodurch das Krypton-Gas mit dem Fluor-Gas reagiert und das Exciplex-Krypton-Fluorid entsteht, einen vorübergehenden Komplex in einem angeregten Energiezustand:

Der Komplex kann eine spontane oder angeregte Emission durchlaufen, wodurch sein Energiezustand auf einen metastabilen, aber stark abstoßenden Grundzustand herabgesetzt wird. Der Komplex im Grundzustand dissoziiert schnell in ungebundene Atome:

Das Ergebnis ist ein Exciplex-Laser, der Energie bei 248 nm im nahen Ultraviolettbereich des Spektrums abstrahlt, was der Energiedifferenz zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand des Komplexes entspricht.

Beispielsysteme Für ICF-Experimente wurden bereits mehrere dieser Laser gebaut; Beispiele hierfür sind:

Das Los Alamos National Laboratory baute 1985 einen KrF-Laser, um die Testauslösung eines Strahls mit einer Energie von Joule nachzuweisen. Dies war Teil des größeren Forschungsprojekts „Aurora“, in dessen Rahmen CO₂-Laser und andere Systeme untersucht wurden. Die Abteilung für Laser- und Plasmatechnik des Naval Research Laboratory hat einen KrF-Laser namens „Nike-Laser“ fertiggestellt, der in einem 4-Nanosekunden-Impuls eine UV-Energieabgabe von etwa Joule erzeugen kann. Der Nike-Laser wurde nach 2013 auf einen Argonfluorid-Laser umgestellt, um die Auswirkungen der Umstellung auf kürzere Wellenlängen (193 nm) aufzuzeigen. Das Rutherford Appleton Laboratory hat die KrF-Laser „Sprite“ und „Titania“ gebaut. Das National Institute of Advanced Industrial Science and Technology hat die KrF-Laser „Ashura“ und „Super Ashura“ entwickelt. Das Lawrence Livermore National Laboratory entwickelte einen KrF-Laser und KrF-Verstärker, der als „Raman Amplifier Pumped by Intensified Excimer Radiation“ (RAPIER)-System bekannt ist.

Anwendungen Der KrF-Excimerlaser wurde auch dazu verwendet, durch Bestrahlung mit kurzen Impulsen des Laserlichts eine weiche Röntgenstrahlung aus einem Plasma zu erzeugen. Zu den weiteren wichtigen Anwendungsbereichen zählen die Bearbeitung verschiedener Materialien wie Kunststoff, Glas, Kristall, Verbundwerkstoffe und lebendes Gewebe. Das Licht des UV-Lasers wird von Lipiden, Nukleinsäuren und Proteinen stark absorbiert, wodurch es sich für Anwendungen in der medizinischen Therapie und Chirurgie eignet.

Mikroelektronik Die am weitesten verbreitete industrielle Anwendung von KrF-Excimerlasern ist die Fotolithografie im tiefen Ultraviolettbereich zur Herstellung mikroelektronischer Bauelemente (d. h. integrierte Halbleiterschaltungen oder „Chips“). Von den frühen 1960er-Jahren bis Mitte der 1980er-Jahre wurden Halogen-Xenon-Lampen (Hg-Xe-Lampen) für die Lithografie bei Wellenlängen von 436, 405 und 365 nm verwendet. Da die Halbleiterindustrie jedoch sowohl eine höhere Auflösung (für dichtere und schnellere Chips) als auch einen höheren Produktionsdurchsatz (für niedrigere Kosten) benötigte, konnten die lampenbasierten Lithografiegeräte die Anforderungen der Branche nicht mehr erfüllen. Diese Herausforderung wurde überwunden, als K. Jain 1982 in einer bahnbrechenden Entwicklung bei IBM die Tief-UV-Excimerlaser-Lithografie demonstrierte. Dank der phänomenalen Fortschritte der Technologie in den letzten zwei Jahrzehnten beläuft sich der Jahresumsatz moderner Halbleiterbauelemente, die mittels Excimerlaser-Lithografie hergestellt werden, mittlerweile auf über 400 Milliarden US-Dollar. Daher vertritt die Halbleiterindustrie die Ansicht, dass die Excimerlaser-Lithografie (sowohl mit KrF- als auch mit ArF-Lasern) ein entscheidender Faktor für die Vorhersagekraft des Mooreschen Gesetzes war. Aus einer noch umfassenderen wissenschaftlichen und technologischen Perspektive betrachtet: Seit der Erfindung des Lasers im Jahr 1960 wird die Entwicklung der Excimerlaser-Lithografie als einer der wichtigsten Meilensteine in der 50-jährigen Geschichte des Lasers hervorgehoben.

Fusionsforschung Der KrF-Laser wird seit den 1980er-Jahren in der Kernfusionsenergieforschung eingesetzt. Dieser Laser bietet mehrere Vorteile:

Schüsse mit hoher Wiederholungsrate – da das KrF-Verfahren mit Gas arbeitet, erwärmt es sich nicht, was höhere Schussraten ermöglicht. Höhere Strahlgleichmäßigkeit Relativ kürzere Wellenlänge für eine verbesserte ICF-Kompression.

Sicherheit Das vom KrF-Excimerlaser emittierte Licht ist für das menschliche Auge unsichtbar, daher sind bei der Arbeit mit diesem Laser zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen erforderlich, um Streustrahlen zu vermeiden. Zum Schutz der Haut vor den potenziell krebserregenden Eigenschaften des UV-Strahls sind Handschuhe erforderlich und zum Schutz der Augen ist eine UV-Schutzbrille notwendig.

Siehe auch ArF-Excimerlaser Excimerlaser Liste der Lasertypen

Weblinks

Einzelnachweise

Kategorie:Laserstrahlquelle Kategorie:Medizinisches Gerät