CC BY
215
ОПТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМПУЛЬСНЫХ УФ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И МЕДИЦИНЫ
Александр Михайлович Ражев
доктор физико-математических наук, профессор, заведующий лабораторией импульсных газоразрядных лазеров, Институт лазерной физики СО РАН, 630090, г. Новосибирск, просп. Лаврентьева 13/3, тел. (383) 330-62-14, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрены процессы взаимодействия мощного импульсного ультрафиолетового лазерного излучения с различными материалами, металлами, полимерами, биополимерами. Показана роль фотохимического и теплового механизмов в процессе абляции лазерным излучением в широком диапазоне длин волн УФ области спектра и плотностей энергии. Предложены новые оптические технологии создания субмикронных структур в полимерных и полупроводниковых материалах и новые методы лечения в медицине, в частности коррекции аномалий рефракции глаза путем абляции роговицы лазерным излучением 193 и 223 нм.
Ключевые слова: импульсный, ультрафиолетовый эксимерныйлазер, короткая
длительность, плотность энергии, абляция, медицина, офтальмология, коррекция близорукости, дальнозоркости.
OPTICAL TECHNOLOGIES WITH THE USE OF THE PULSED UV LASERS FOR MICROELECTRONICS AND MEDICINE
Alexander M. Razhev
Professor, Head of the Laboratory of Pulsed Gas Discharge lasers, Institute of Laser Physics SB RAS. 13/3, Ac. Lavrentyev's prosp., Novosibirsk, 630090, Russia, tel. +7 (383) 330-62-14, e-mail: [email protected]
The processes of interaction of high power pulsed ultraviolet laser emission with different materials such as the polymers, cornea of the human eye are presented. The role of the photochemical mechanism in the ablation process under laser emission in wide area of UV spectrum wavelengths and energy density has been shown. New optical technology for creation of submicron structure in the polymeric and semiconductor materials and new methods of the healing different diseases in medicine, particularly for the correction of the anomaly of eye refraction using the ablation of the cornea by laser emission of 193 and 223 nm are proposed.
Key words: pulsed, ultraviolet laser, short duration, energy density, ablation, medicine, ophthalmology, microelectronics, submicron structure.
Создание импульсных ультрафиолетовых и, прежде всего, газоразрядных эксимерных лазеров [1-4] открыло возможность разработки новых оптических методов и технологий для решения ряда важнейших практических задач в таких областях как микроэлектроника, фотолитография [5], медицина [6].
Для реализации таких технологий используются мощные импульсные лазеры такие как эксимерные лазеры, на длинах волн 193 нм (ArF), 223 нм (KrCl), 248 нм (KrF), 308 нм (XeCl), 353 нм (XeF), 337 нм (N2). При длительности 5-20 нс импульсная мощность излучения достигает 1-30 МВт [7].
Новые оптические лазерные методы и технологии, которые описываются в данной работе, разработаны с использованием процесса абляции диэлектрических конденсированных сред (полимеров, биотканей) импульсным ультрафиолетовым лазерным излучением. Абляция возникает в результате сильного поглощения УФ квантов лазерного излучения с большой энергией 46,5 эВ в течение времени значительно меньшего характерного времени теплопроводности данного вещества. Опишем некоторые основные положения классической лазерной абляции. Воздействие лазерного импульса длительностью т и плотностью мощности q на поверхность вещества, можно разделить на последовательные стадии [8]. На начальной стадии лазерная энергия, поглощенная в скин-слое становится источником тепловой волны, распространяющейся в глубь вещества в результате теплопроводности. При достаточно большой плотности мощности лазерного излучения по веществу начнет распространяться волна испарения, скорость которой будет зависеть от плотности и удельной энергии испаренного материала. Волна испарения догонит тепловую волну к моменту времени t, после чего процесс станет чисто испарительным, т.к. теплопроводность перестанет играть заметную роль, а абляция материала будет определяться газо- и гидродинамикой разлета продуктов деструкции материала. Такой эффект имеет место при плотностях мощности, превышающих 106 Вт/см2, при этом глубина абляции d будет определяться плотностью энергии F=qт. Момент времени t разделяет два физически различных процесса взаимодействия лазерного импульса с материалом [9]. При длинных лазерных импульсах (т > 0 процесс абляции определяется процессом теплопроводности, т.е. фронт абляции движется по веществу, температурное поле которого сформировано за счет диффузии тепла из области поглощения лазерного излучения. В этих условиях испаряется тонкий слой прогретого вещества и велика глубина и степень тепловой деструкции неиспаренной части материала. При коротких лазерных импульсах т << t (на практике это импульсы микро- и наносекундной длительности) волной испарения охвачено все прогретое вещество, и зона тепловых повреждений в конденсированной фазе будет очень узкой вблизи абляционной поверхности. Размер этой зоны будет уменьшаться с укорочением длительности импульса. Описанная выше ситуация имеет место при абляции таких материалов как металлы, т.е. в условиях, когда вся энергия целиком поглощается в тонком скин-слое, а теплопроводность металлов относительно велика. В случае диэлектрических материалов, таких как полимеры, биоткани, лазерный импульс проникает в глубь материала (на десятки-сотни микрон), причем энергия лазерного импульса, распространяясь в объеме материал, уменьшается в глубину по экспоненциальному закону. Коэффициент поглощения УФ лазерного импульса определяет эту глубину для большинства полимеров и биополимеров и имеет большую величину 103-106 см-1. В начальной стадии процесса взаимодействия импульсного УФ излучения с полимерами внутри вещества будет происходить одноквантовый разрыв многих химических связей и электронное возбуждение молекул вещества. Таким образом, в отличие от абляции короткими импульсами металлов, где главным
является тепловой механизм взаимодействия, в диэлектриках возникает еще и фотохимический механизм взаимодействия. Поэтому при исследовании и использовании процесса абляции диэлектриков необходимо рассматривать два качественно различных механизма взаимодействия - фотохимический [10-14] и тепловой [15-17]. Внешнее проявление действия этих механизмов можно видеть на рис. 1, а) и б). Было показано, что абляция полимерных материалов таких как полиэтилентерефталат (ПЕТ), полиметилметакрилат (ПММА), полиимид и др., под действием излучения А^-лазера (193 нм) или К^-лазера (248 нм) с
_о
короткой длительностью импульса (т= 2 х 10 с) происходит без оплавления с субмикронной точностью абляционной границы материала в области поглощенного излучения (рис. 1, а). Термическая деструкция материала в этих условиях является незначительной. Для объяснения этого эффекта был предложен фотохимический механизм взаимодействия, заключающийся в прямых одноквантовых разрывах химических связей в полимерных цепях. В результате происходит диссоциация молекул из электронно-возбужденного состояния, в котором они оказываются после поглощении кванта с большой энергией.
а) б)
Рис. 1. Профиль зоны абляции, образующейся в пленке ПЕТ, полученный воздействием лазерного излучения. Ширина падающего пучка 100 мкм (на картинке сверху). а) X = 248 нм; б) X = 353 нм [16, 17]
При высокой плотности мощности излучения, фокусируемого на поверхность обрабатываемого материала создаются условия, при которых количества квантов достаточно не только для разрыва связей между полимерными цепями и внутри цепей между отдельными молекулами (мономерами), но и для разрыва химических связей внутри молекул (типа С-С или С-Н, например в полимерах). Для фотохимического механизма абляции
характерной является зависимость толщины испаряемого слоя от дозы падающего излучения [10].
В работах [11-14] было показано, что процесс абляции имеет пороговый характер, т.е. ростом плотности мощности после достижения определенной для данного материала величины, происходит скачкообразное увеличение толщины удаленного за импульс слоя, которая изменяется от 10-4 до >10-1 мкм/имп. Такой процесс абляции нельзя уже объяснить фотохимическим механизмом абляции. Поэтому в [14] для объяснения порогового характера процесса абляции был предложен тепловой механизм, согласно которому диссоциация молекул происходит в основном электронном состоянии. Подтверждением существования теплового механизма абляции является логарифмическая зависимость толщины удаленного за один импульс слоя от плотности энергии лазерного излучения [14-17]. Поскольку фотохимический процесс абляции принципиально исключить нельзя, то мы предлагаем рассматривать процесс абляции как результат совместного действия фотохимического и теплового механизмов деструкции полимера в условиях, когда плотность мощности лазерного импульса превышает пороговое значение для данного материала.
На рис. 1 при оценке зоны абляции с точностью ~ 1 мкм были выделены два характерных случая: прямоугольный профиль зоны абляции без заметных следов оплавления (рис. 1, а) и округлый оплавленный (рис. 1, б). Обнаруженное различие хорошо коррелирует с коэффициентом поглощения в ПЕТ излучения данных длин волн. В первом случае эта величина была равна 104 см-1 вблизи длины волны 250 нм, а втором < 102 см-1 для излучения длиннее 340 нм.
Описанный выше процесс абляции с использованием импульсных УФ лазеров послужил основой для применения УФ эксимерных лазеров в микротехнологии и фотолитографии, в частности, для сухого и ионного травления, а также вакуумной очистки поверхности. В многослойной фотолитографии Уф эксимерные лазеры уже используются в технологиях производства СБИС.
Наиболее эффективным оказалось применение импульсных УФ эксимерных лазеров в медицине и, в частности, в офтальмологии. Американскими учеными было предложено [18, 19], а нами впервые в мире реализовано в медицинской практике применение лазеров с длиной волны 193 и 223 нм для коррекции аномалий рефракции глаза человека (близорукости, дальнозоркости), включая нами же разработанный всем хорошо известный метод коррекции ЛАСИК [20, 21]. Впервые в мире мы осуществили высокоэффективное лечение УФ лазерным излучением герпетических кератитов, а также открытоугольной глаукомы. На фото - созданные нами УФ лазерные офтальмологические системы (рис. 2).
Рис. 2. УФ лазерные офтальмологические системы
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ищенко В.Н., Лисицын В.Н., Ражев А.М. Мощная сверхсветимость на эксимерах ArF, KrF, XeF в электрическом разряде. // Письма в ЖТФ. - 1976. - т. 2. - Вып. 18. - С. 839842.
2. Ishchenko V.N., Lisitsyn V.N., Razhev A.M. Superradiative Rare Gas Halide Lasers Excited by Electric Discharge // Appl. Phys. - 1977. - Vol. 12. - № 1. - P. 55-58.
3. Ishchenko V.N., Lisitsyn V.N., Razhev A.M. Efficient Discharge Pumping XeCl Laser // Opt. Commun. - 1977. - Vol. 21. - № 1. - P. 30-33.
4. Ищенко В.Н., Лисицын В.Н., Ражев А.М. О частотном режиме работы эксимерного лазера на KrF // Письма в ЖТФ. - 1977. - Т. 3. - Вып. 14. - С. 690-693.
5. Srinivasan R., Leigh W.J. Ablative photodecomposition: Action of far-ultraviolet (193 nm) laser radiation on poly (ethylene terephthalate) films // J. Amer. Chem. Soc. - 1982. - Vol. 104. - P. 6784-6785.
6. Muller D. Excimer lasers in medicine // Lasers and Applications. - 1986. - Vol. 5. - № 5. -P. 85-89.
7. Ищенко В.Н., Кочубей С.А., Ражев А.М. 30 МВт электроразрядный KrF лазер с КПД 2,5 % // Квантовая электроника. - 1986. - Т. 13. - № 5. - С. 1078.
8. Афанасьев Ю.В., Демченко Н.Н., Завестовская И.Н., Исаков В.А., Канавин А.П., Урюпин С.А., Чичков Б.Н. Моделирование абляции металлов ультракороткими лазерными импульсами // Известия АН СССР. - Сер. физическая. - 1999. - Т. 63. - № 4. - С. 675.
9. Исаков В.А. Обработка материалов сверхкороткими лазерными импульсами // Лазер-Информ. - 2003. - № 16. - С. 8-12.
10. Валиев К.А., Великов Л.В., Душенков С.Д., Митрофанов А.В., Прохоров А.М. Эффект фототравления полимеров под действием ультрафиолета // Письма в ЖТФ. - 1982. -Т. 8. - № 1. - С. 36-36.
11. Srinivasan R., Mayne-Banton V. Self-developing photoetching of poly (ethylene terephthalate) films by far-ultraviolet excimer laser radiation // Appl. Phys. Lett. - 1982. - Vol. 41. - № 6. - P. 576-578.
12. Srinivasan R. Kinetics of the ablative photodecomposition of organic polimers in the far ultraviolet (193 nm) // J. Vac. Technol. - 1983. - Vol. B1. - № 4. - P. 923-925.
13. Garrison B.J., Srinivasan R. Microscopic model for the ablative photodecomposition of polimers by-far ultraviolet radiation (193 nm) // Appl. Phys. Lett. - 1984. - Vol. 44. - № 9. - P. 849-851.
14. Brannon J.H., Lankard J.R., Baise A.J., Burns F., Kaufman J. Excimer laser etching of polyimide // J. Appl. Phys. - 1985. - Vol. 58. - № 5. - P. 2036-2043.
15. Andrew J.E., Dyer P.E., Forster D., Key P.H. Direct etching of polymeric materials using a XeCl laser // Appl. Phys. Lett. - 1984. - Vol. 43. - № 8. P. 717-719.
16. Алифанов В.Н., Ищенко В.Н., Кочубей С.А., Лантух В.В., Пятин М.М., Ражев А.М., Рыданных О.В., Хохлов И.Г., Цибизов А.В., Чеботаев В.П. Травление диэлектриков импульсным УФ лазерным излучением // Известия АН СССР. Cер. физич. - 1988. - Т. 52. -№ б. - С. 1149-1154.
17. Ищенко В.Н., Кочубей С.А., Лантух В.В., Пятин М.М., Ражев А.М., Чеботаев В.П. Фотоиспарение материалов мощным УФ излучением. Некоторые применения // Известия АН СССР. - Сер. физич. - 1987. - Т. 51. - № 8. - С. 1425-1430.
18. Trokel S.L., Srinivasan R., Braren B. Excimer laser surgery of the cornea // Amer. J. Ophthalmology. - 1983. - Vol. 96. - № б. - P. 710-715.
19. Puliafito C.A., Steinert R.F., Deutsch T.F. Excimer laser ablation of the cornea and lens // Ophthalmology. - 1985. - Vol. 93. - № б. - P. 741-748.
20. Ищенко В.Н., Кочубей С.А., Лантух В.В., Пятин М.М, Ражев А.М., Субботин В.М., Чеботаев В.П. Использование УФ излучения эксимерных лазеров в микрохирургии глаза // Оптика и спектроскопия. - 1987. - Т. бЗ. - Вып. 5. - С. 1132-1138.
21. Chebotayev V.P., Ishchenko V.N., Iskakov I.A., Kochubei S.A., Lantukh V.V., Pyatin M.M., Razhev A.M. UV excimer lasers in eye microsurgery // Lasers in the Life Sciences. - 1988. -Vol. 2. - № 4. - P. 271-284.
© А.М. Ражев, 2012
