Exzimer-Laser

Excimerlaser erzeugen elektromagnetische Strahlung im ultravioletten Wellenlängenbereich. Anwendungsbeispiele sind z. B. die operative Korrektur der Kurzsichtigkeit und die Fotolithografie (Mikrolithographie), zur Herstellung hochintegrierter Halbleiter-Bauelemente und zur Mikro-Materialbearbeitung (z. B. zum „Bohren“ extrem feiner Düsen für Tintenstrahldrucker).

Das Wort Excimer ist eine Zusammenziehung von excited (angeregt) und dimer und bezeichnet das laseraktive Medium. Ein Dimer besteht grundsätzlich aus zwei gleichen Atomen oder Molekülen. Allerdings werden heute vorrangig Edelgas-Halogenide als laseraktives Medium eingesetzt. Somit müsste die korrekte Bezeichnung eigentlich Exciplexlaser lauten.

Der erste Excimerlaser wurde 1970 von Nikolai Bassow, V. A. Danilychew und Yu. M. Popow am P. N. Lebedew Physikinstitut in Moskau konstruiert.^[1][2] Sie benutzten das Xenon-Dimer Xe₂ und einen Elektronenstrahl zur Anregung. Der erste kommerzielle Excimerlaser wurde 1977 von Lambda Physik gebaut.

Funktionsweise

Molekül	Wellenlänge
H2	123 bzw. 116  nm
Ar2	126 nm
F2	157 nm
Xe2	172 nm
ArF	193 nm
KrF	248 nm
XeBr	282 nm
XeCl	308 nm
XeF	351 nm

Edelgas-Halogenide können nur als angeregte Moleküle existieren. Durch eine chemische Reaktion können solch stabile Moleküle gebildet werden und es entsteht eine Besetzungsinversion (siehe Abbildung). Nachdem ein Molekül seine Energie abgibt, zerfällt es sofort, da dieser Zustand instabil ist. Die benötigte Reaktion wird in Entladungen in Gang gesetzt.

Excimerlaser können nur gepulst betrieben werden. Die Pulsdauer liegt typischerweise zwischen 4 und 40 ns. Wiederholraten heutiger Excimerlaser liegen im Bereich von maximal einigen Kilohertz. Im industriellen Bereich werden Excimerlaser eingesetzt, die Pulsenergien von bis zu 300 Millijoule erreichen.

Schematische Darstellung des Elektronenübergangs bei einem KrF-Laser vom angeregtem in den stabilen Zustand

Die Wellenlänge eines Excimerlasers ist durch das bei der Anregung entstehende Molekül festgelegt. Die entsprechenden Ausgangsstoffe (Gase) werden z. B. in Gasflaschen bereitgestellt. Das Gasgemisch in der Laser-Kavität, aus dem die laseraktiven Excimere bzw. Exciplexe erzeugt werden, muss regelmäßig ersetzt werden, da sich sowohl durch längere Standzeiten als auch durch den laufenden Betrieb die Eigenschaften des Gasgemisches derart verändern, dass die Pulsenergie unter einen akzeptablen Wert abfällt.

Anwendungen

Neben der Anwendung in der Fotolithografie werden Excimerlaser vorrangig dort verwendet, wo der Effekt der photoablativen Dekomposition bei der abtragenden Materialbearbeitung zur Anwendung kommen soll oder wo sehr kleine Fokusdurchmesser erforderlich sind, z. B. im Anwendungsfeld des sogenannten Micromachining oder bei Augenoperationen (LASIK). Da der minimal erreichbare Fokusdurchmesser wesentlich durch eine kurze Wellenlänge des verwendeten Lasers begünstigt wird, haben sich die im kurzwelligen UV-Bereich emittierenden Excimer- bzw. Exciplexlaser in diesem Zusammenhang bewährt.

Einzelnachweise

1. ↑ N. G. Basov, V. A. Danilychev, Y. Popov, D. D. Khodkevich: {{{Titel}}}. In: Zh. Eksp. Fiz. i Tekh. Pis’ma. Red.. Nr. 12, 1970, S. 473–474. 
2. ↑ N. G. Basov, V. A. Danilychev, Y. Popov, D. D. Khodkevich: Laser Operating in the Vacuum Region of the Spectrum by Excitation of Liquid Xenon with an Electron Beam. In: Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. Nr. 12, 1970, S. 329. 

Literatur

• D. Basting, K. Pippert, U. Stamm: History and future prospects of excimer laser technology. In: 2nd International Symposium on Laser Precision Microfabrication. 2001, S. 14–22.