عملکرد خوب لیزر گازی اگزایمر در طول ۴۰ سال گذشته
لیزر اگزایمر برخلاف اینکه نسبت به سایر لیزرها نسبتاً قدیمی است، یک منبع نوری UV و [1] DUV توان بالا است که در برخی کاربردهای حیاتی خاص همتایی ندارد.
عملکرد خوب لیزر گازی اگزایمر در طول ۴۰ سال گذشته
لیزر اگزایمر برخلاف اینکه نسبت به سایر لیزرها نسبتاً قدیمی است، یک منبع نوری UV و [1] DUV توان بالا است که در برخی کاربردهای حیاتی خاص همتایی ندارد.
اولین لیزر تجاری اگزایمر، ۴۰ سال پیش توسط شرکت Lambda Physik آمریکا (با نام کنونی Coherent) معرفی شد. جالب است که سازندگان این لیزر، آقایان برند استیلر و دیرک باستینگ، هر دو شیمیدان هایی بودند که هدف اصلی آنها توسعه یک منبع نوری برای پمپاژ لیزر رنگی (دای لیزر) و به کارگیری در فوتوشیمی بود. به محض اینکه لیزرهای اگزایمر وارد بازار شد، شرکت Lambda Physik شروع به پژوهش در مورد دیگر کاربردهای احتمالی این منبع قدرتمند نور فرابنفش کوتاه (UV) کرد.
در حالیکه بسیاری از کاربردهای اصلی اگزایمرها تا حد زیادی دستخوش زمان شده اند، بسیاری دیگر از آنها به تکامل رسیده اند. منصفانه است که بگوییم اگزایمرها در مقایسه با دیگر تکنولوژی های لیزر تأثیر بیشتری در زندگی روزانه ما داشته اند. این لیزرها در عمل جراحی لیزیک چشم (LASIK)، فوتولیتوگرافی[2] و تولید نمایشگرها کمک زیادی به ما کرده اند که بیانگر ویژگی های منحصر بفرد این لیزر است.
خروجی منحصر بفرد، مزایای منحصر بفرد
لیزر اگزایمر ترکیب منحصر بفردی از طول موج UV و انرژی پالس بالا است که سبب می شود از این لیزر به طور گسترده استفاده شود. طول موج کوتاه، قابلیت ایجاد طرح های بسیار کوچک با دقت بسیار بالا را ممکن می سازد زیرا وضوح نوری به دلیل ویژگی پراش به طور مستقیم با طول موج کاهش می یابد. انرژی پالس بالا همراه با نرخ تکرار سریع موجب افزایش توان عملیاتی فرآیند و کاهش زمان takt (کل زمان لازم برای تولید یک محصول) می شود.
با وجود اینکه تکنولوژی لیزر حالت جامد UV در طول ۴۰ سال گذشته به طور چشمگیری پیشرفت کرده است، اما هنوز هیچ تکنولوژی جدیدی برای به چالش کشیدن لیزر اگزایمر در ارائه این ترکیب خاص از ویژگی ها  ایجاد نشده است.
در عمل تولید کنندگان لیزرهای اگزایمر ویژگی های خروجی را با توجه به نیازهای کاربردهای خاص، تطبیق داده اند. برای مثال، اولین لیزر اگزایمر تجاری یعنی Lambda Physik EMG 500 در نرخ تکرار ۲۰ هرتز کار می کرد، اما هم اکنون اکثر لیزرهای اگزایمر نرخ­ تکرارهای چند کیلو هرتز را پشتیبانی می کنند (شکل ۱). علاوه بر آن تولیدکنندگان به طور قابل ملاحظه ای قیمت، امکانات خدماتی و هزینه های نگهداری آن ها را در مقایسه با سایر لیزرها و تکنولوژی های غیر لیزری، کاهش داده اند.


 
شکل ۱- اولین لیزر اگزایمر تجاری Lambda Physik EMG 500، با انرژی پالسی معادل ۲۲۰ میلی ژول، نرخ تکرار تا ۲۰ هرتز در طول موج ۲۴۸ نانومتر.
اصلاح دید
هر ساله بیش از یک میلیون نفر در سراسر جهان عمل جراحی لیزیک را برای رسیدن به بینایی کامل انجام می دهند. این کار به طور چشمگیری زندگی افراد بی شماری را بهبود بخشیده است (شکل ۲).

 
شکل ۲- روش لیزیک هر ساله کیفیت زندگی بیش از یک میلیون نفر را بهبود می بخشد.
لیزیک که در سال ۱۹۸۹ معرفی شد، اولین کاربرد غیر علمی لیزرهای اگزایمر بوده و همچنان نیز بزرگترین کاربرد این لیزر است. آنچه که از آزمایش های ابتدایی در چشمان خوک آغاز شد، در حال حاضر به ساخت بیش از ۱۰۰۰۰ لیزر با دقت بالا، جمع و جور و رومیزی[3] منجر شده است که در سراسر جهان در کلینیک های چشم و مراکز لیزیک استفاده می شود.
در لیزیک، از پالس­های لیزر اگزایمر با طول موج ۱۹۳ نانومتر برای برداشتن مواد از قرنیه انسان به منظور تغییر شکل آن استفاده می شود. این کار سبب تغییر قدرت انکساری چشم، اصلاح آستیگماتیسم، دور بینی و نزدیک بینی می شود.
برای انجام عمل لیزیک ابتدا یک فلاپ نازک مفصلی[4] (با استفاده از یک لیزر فمتوثانیه یا میکروکراتوم[5]) از سطح خارجی قرنیه برداشته می شود. سپس پرتو لیزر اگزایمر، شکل داده شده و با استفاده از آینه های اسکنر سریع، بر روی قرنیه انداخته می شود تا مواد مربوط به قرنیه با استفاده از الگوی دقیق مورد نیاز جهت اصلاح دید فرد بیمار به بیرون ریخته شود. سپس فلاپ جایگزین و آب بندی شده و از جلوی چشم محافظت می کند.
دقت در فرآیند کنده کاری[6] لیزر اگزایمر آرگون فلوراید (ArF) ۱۹۳ نانومتری بدلیل نیاز به پیش بینی پذیر بودن و ایمن بودن روش لیزیک، ضروری است. بعلاوه عرض پالس کوتاه (نانوثانیه) و طول موج کوتاه آن مواد قرنیه را در یک فرآیند نسبتاً سرد به نام کنده کاری نوری[7] بر می دارد.
فوتولیتوگرافی
لیزر اگزایمر همچنین در ساخت مدارهای مجتمع بسیار کوچک[8] (IC) حیاتی است. این ریزپردازنده ها با کوچکتر، مرغوب تر و ارزان تر شدن به نوبه خود تأثیر عمیقی روی جامعه مدرن دارند.
خود IC شامل تعداد زیادی المان الکتریکی ساخته شده روی یک تک ویفر نیمه هادی یکپارچه است. جزئیات ساختاری این قطعات به صورت لایه به لایه در فرآیندی با نام فوتولیتوگرافی ساخته می شود. در مرحله نخست یک ویفر نیمه هادی با یک ماده فوتورزیست حساس به نور پوشش داده می شود. سپس لیزر UV بر روی طرح (ماسک) مورد نظر که شامل الگوی مدار الکتریکی می شود تابانیده شده که سبب می شود الگوی ماسک روی سطح ویفر طرح ریزی شود، در ادامه این لایه پرداخت شده و ویفر آماده می شود که به صورت شیمیایی برای حذف فیزیکی ماده از سطح نوردهی شده اچ[9] شود تا طرح واقعی بر روی ویفر ایجاد شود. این فرآیند سپس به تعداد ۳۰ یا ۴۰ بار برای ایجاد کل ساختار مدار تکرار می شود.
منابع نوری فوتولیتوگرافی اولیه لامپ های جیوه بودند ولی نیاز به تولید طرح های کوچک تر، سازنده ها را برای ساخت منابع طول موجی کوتاه تر ( بدلیل پراش) بخصوص لیزرهای اگزایمر ترغیب کرد.
هر دو لیزر ۲۴۸ و ۱۹۳ نانومتری در فوتولیتوگرافی بکار می روند. بخصوص لیزرهای اگزایمر ۱۹۳ نانومتری بدلیل قابلیت ساخت طرح های مداری زیر ۱۰ نانومتر که بسیار پایینتر از حد پراش است، بسیار پرکاربرد هستند. دستیابی به این طول موج، سبب توسعه اگزایمرهای بسیار خاص شده که در آن ها با استفاده از توری، باریکی خطوط را کنترل می کنند تا ابیراهی رنگی موجود در تصویرسازی نوری کمینه شود. تکنیک های متنوع دیگری شامل تصویر سازی غوطه وری[10]، تابش دو یا چهار برابری، و یکسری روش های هوشمندانه تصویرسازی اپتیکی، در ایجاد ساختارهای ظریف تر استفاده می شوند.
در طی ۲۵ سال گذشته، شرکت­ هایی مثل سیمر آمریکا، ASML هلند و گیگافوتون ژاپن پیشرفت های زیادی در تکنولوژی اگزایمر به منظور استفاده در لیتوگرافی داشته اند. آن ها گام به گام با نیاز شدید صنعت تراشه حرکت می کنند. در حال حاضر چیدمان های نوسانگر/تقویت کننده[11] با توان بالا (حدود ۱۰۰ وات) و مشخصات عملکردی برجسته برای این کاربرد مناسب است.
باریک کردن طیفی به صورت فعال[12] (تا کمتر از ۱ پیکومتر) که کار بسیار سختی است و همچنین کنترل پهنای خط، بطور گسترده ای استفاده می شود. با این حال دیگر تکنولوژی ها همچون لیتوگرافی ماورابنفش حدی[13] (EUV) در ابعاد ۱۳ نانومتر می تواند به عنوان مکمل لیزر اگزایمر در لایه های بسیار حساس با ابعاد ۱۰ نانومتر استفاده شود. با این وجود آینده لیزر اگزایمر هنوز برای کاربردهای لیتوگرافی روشن به نظر می رسد.
تولید نمایشگر
دو نمونه از مرسوم ترین نمایشگرهای صفحه-تخت برای تلفن های هوشمند و دیگر دستگاه ها، نمایشگرهای کریستال-مایع زمینه-فعال[14] (AMLCDs) و نمایشگرهای دیودی نور گسیل ارگانیک زمینه-فعال[15] (AMOLED) هستند. هر دوی اینها از یک صفحه پشتی شامل یک زیرلایه شیشه ای که روی آن تعداد زیادی ترانزیستور لایه نازک[16] (TFTs) برای تشکیل مدار پیکسلی مورد نظر الگو شده است استفاده می کنند. بر روی این لایه نازک که از جنس سیلیکان است (معمولاً با ضخامت ۵۰ نانومتر)، مدار مورد نظر با روش فوتولیتوگرافی تصویر می شود.
لایه نشانی بخار شیمیایی[17] (CVD) در ابعاد بزرگ، برای ایجاد لایه سیلیکان بی شکل[18] (a‑Si) بکار می رود. تبدیل این لایه بی شکل به سیلیکان پلی کریستال (Poly‑Si)، تحرک پذیری[19] الکترون را بهبود می دهد. این کار سبب می شود ترانزیستورهای TFT کوچک با خصوصیات الکتریکی عالی، نور پس زمینه کمتری را مسدود کنند تا نمایشگرهای پرنورتر با توان مصرفی کمتر تولید شود که در نمایشگرهای با وضوح بالا و کوچک حیاتی است. علاوه بر این، گذار به تکنولوژی OLED که از پیکسل های تابنده نور بدون وجود نور پس زمینه تشکیل شده است، نیاز به عملکرد خوب TFT را دوچندان می کند.
لایه a‑Si با گرم کردن بوسیله لیزر اگزایمر در فرآیندی که آنیل لیزر اگزایمر[20] (ELA) نامیده می شود، به پلی سیلیکان تبدیل می شود (شکل ۳). در این روش به طور خاص یک خط باریکه لیزر اگزایمر پالسی بر روی لایه a‑Si که بیشتر خروجی اگزایمر ۳۰۸ نانومتر را جذب می کند، به صورت روبشی تابانیده می شود.  
 
       
شکل ۳- در این شکل المان های اصلی فرآیند آنیل لیزر اگزایمر برای زیرلایه نمایشگرها نشان داده شده است.
این جذب زیاد در کنار انرژی پالسی بالای لیزر اگزایمر، سبب می شود لایه نازک سیلیکان در هر پالس نسبتاً ذوب شود. جذب بالای سیلیکان همچنین از نفوذ قابل توجه نور UV در زیرلایه و بوجود آمدن استرس حرارتی جلوگیری می کند. همچنین اجازه می دهد مواد شیشه ای تجاری به عنوان زیرلایه استفاده شوند.
در تولید از صفحات شیشه ­ای بزرگ به عنوان مثال ۱.۵×۱.۸ متر مربع استفاده می شود و آن را به چند نمایشگر کوچکتر تقسیم می کنند. در سیستم ELA، خروجی مستطیلی لیزر اگزایمر همگن شده و به صورت لکه ای نازک و بلند که طولی برابر با عرض صفحه (یا نصف عرض) دارد، تغییر شکل داده می شود. این کار اجازه می دهد کل صفحه در یک (یا دو) بار عبور باریکه لیزر، که در رسیدن به فرآوری مدنظر و تولید بالا حیاتی است، پرداخت شود.
بیش از ۲۰ سال است که شرکت Coherent (و قبل از آن Lambda Physik) در ELA پیشرو بوده اند. این موفقیت به پشتوانه پیشرفت های قابل توجهی که در تکنولوژی لیزر پرتوان اگزایمر و سیستم اپتیکی UV که سبب فراهم ساختن باریکه خطی همگن مورد نیاز برای آنیل یکنواخت صفحات کاملاً بزرگ شده است، حاصل شده است (شکل ۴).

 
            شکل ۴- در خط باریکه سیستم جدید Coherent مدل 1000/TwinVYPER از ترکیب ۴ لیزر مجزا برای ایجاد یک خط باریکه تک به عنوان خروجی استفاده شده است.
قابلیت های لیزرهای اگزایمر در فرآوری مواد و ادامه دار بودن اصلاحات آن در کنار اطمینان زیاد به آن ها و همچنین قیمت آن سبب شده است که تکنولوژی آن در بسیاری از فرآیندهای صنعتی، پزشکی و علمی استفاده شود. به عنوان مثال فرآیندهای لایه برداری[21] لیزر اگزایمر، کلیدی برای تولید نسل جدیدی از نمایشگرهای منعطف است. همچنین لیزرهای اگزایمر که در تولید توری های براگ فیبری[22] (FBGs) استفاده می شوند در مخابرات، حسگرها و بسیاری از طراحی های لیزر فیبری حیاتی هستند.

 
Source:http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-53/issue-11/features/excimer-lasers-40-never-looked-better.html
 

[1] Deep Ultraviolet
[2] Photolithography
[3] Tabletop
[4] Thin, Hinged Flap
[5] Microkeratome
[6] Ablation
[7] Photoablation
[8] Integrated Circuits
[9] Etch
[10] Immersion Imaging
[11] Oscillator/ Amplifier
[12] Active Spectral Narrowing
[13] Extreme Ultraviolet
[14] Active-Matrix Liquid-Crystal Displays
[15] Active-Matrix Light-Emitting Diode
[16] Thin-film Transistors
[17] Chemical Vapor Deposition
[18] Amorphous
[19] Mobility
[20] Excimer Laser Annealing
[21] Lift-off Process
[22] Fiber Bragg Grating
 
منبع :  www.laserfocusworld.com    |   

   |    1398/3/26