Лазеры. Лазерные технологии. Учебное пособие

Рекристаллизация аморфных и поликристаллических слоев; кристаллизация поликристаллических кремниевых лент; рекристаллизация слоев "кремний на диэлектрике"; травление; формирование омических контактов.

§ 5.7 Легирование и перераспределение примеси

Диффузия из поверхностного слоя. Этот метод аналогичен традиционному методу диффузии из поверхностного источника с той лишь разницей, что разогрев легирующей примеси проводят лазерным излучением. Поверхностный слой расплавляется и примесь диффундирует в глубь расплавленного материала [45].

Подбирая опытным путем параметры лазерного излучения и площадь облучения (1-10 мм2), в кремний вводят доноры и акцепторы (бор, фосфор, сурьму и др.).

Лазерная диффузия как метод формирования омических контактов к поверхности тонких полупроводниковых пластин, изготовленных по стандартной технологии, имеет ряд достоинств. Лазерный нагрев не оставляет повреждений,

связанных с тепловыми напряжениями, на пластинах диаметром 100 и толщиной 0,2

мм. При обычной технологии получения контактов к таким пластинам большая их часть разрушается из-за возникающих при охлаждении напряжений.

Диффузия из жидкого или газообразного источника. Пропуская излучение рубинового лазера через раствор трихлорида сурьмы в этаноле, нанесенный па поверхность кремниевой пластины, получают р-n-переход на глубине 190 нм.

Поверхностная концентрация сурьмы составляет 4-1020 см2.

При использовании газообразного источника (смесь газов) пластина помещается в его атмосферу. Обработка ведется лазером на александрите (λ = 0,73 мкм), диаметр пучка на образце 3 мм. Поверхностная концентрация фосфора составляет -1020 см-2.

Фотолитическое лазерное легирование. Этот метод позволяет совмещать операции нанесения примеси на поверхность полупроводникового материала с загонкой примеси в пластину. На первом этапе газ, поглощая лазерное излучение,

диссоциирует, освобождая примесь (фотолиз), которая, осаждаясь на поверхность

61

под действием того же излучения, внедряется в объем пластины. Метод реализуют на полупроводниковых соединениях с помощью ультрафиолетового лазера.

§ 5.8 Отжиг дефектов

Широко используемые в технологии производства интегральных микросхем процессы термодиффузии нередко сопровождаются нежелательным образованием скоплении электрически неактивной примеси, преципитатов. Наличие дефектных участков в приповерхностном слое ухудшает параметры изготовленных на таких областях пластин приборов.

Лазерная обработка позволяет не только "растворять" преципитаты, но и активизировать примесные атомы [45].

§ 5.9 Изменения сопротивления поликристаллических кремниевых проводников

В полупроводниковых приборах и интегральных микросхемах часто взамен металлических проводников используют пленки легированного поликристаллического кремния. К недостаткам поликристаллического кремния относятся: низкая проводимость из-за огромного количества границ между мелкими зернами, образующими пленки; высокая температура при легировании с помощью диффузии либо отжига (после ионного легирования). Чем больше размер зерна пленки пк, тем меньше границ на единицу площади и ниже сопротивление проводника. Так, отжиг можно использовать для уменьшения сопротивления пленок пк, выращенных с помощью пиролиза в условиях низкого давления при 620 °С.

Подложками служат пластины кремния, на которых предварительно выращивают слой термического оксида, предотвращающего эпитаксиальную кристаллизацию поликристаллического кремния при лазерном отжиге. Сначала пленки поликристаллического кремния толщиной 0,64 мкм легируют бором (е = 50 кэв),

фосфором (е = 150 кэв) либо мышьяком (е = 240 кэв) дозами 1015 - 10 16 см2. При

62

таких значениях энергии ионов профили легирования почти одинаковы. Далее образцы подвергают лазерной обработке либо термическому отжигу (15 мин при

1000 °С в атмосфере осушенного азота) [45, 47] .

§ 5.10 Технология печатных плат

Формирование рисунка на плате. Лазерными установками наносят рисунок па плату, покрытую фоторезистом. Плата площадью 45,7 х 61 см обрабатывается лазерным пучком, управляемым от цифровой информации, за 2 мин независимо от сложности наносимого рисунка. (традиционной многоступенчатой технологией этот процесс выполняют за 10 ч.).

Рисунок схемы наносят на плату большим числом точек диаметром - 25 мкм.

Растворе скандирование платы осуществляется лазером, при этом луч отклоняется зеркалами и линзами частота вращения сканирующего устройства 4000 об/мин,

скорость перемещения платы 305 мм/с [45].

63

Глава 6. Применение лазеров медицине

В настоящее время лазеры широко используются в медицине [48, 51-57]. Это обусловлено, прежде всего, тем, что лазерное излучение как все оптическое излучение - свет, является абсолютно стерильным инструментом.

Область использования лазерного излучения в медицине очень широкая и она непрерывно расширяется.

К наиболее известным областям применения лазеров медицине принято относить лазерную хирургию, лазерную терапию и лазерную диагностику.

Лазерная хирургия использует лазеры большой мощности (десятки ватт).

Иногда это направление называют силовой лазерной медициной.

Лазерная терапия использует лазеры как источники низкоинтенсивного излучения. Термин терапия применяют и к фотодинамической терапии, которая имеет дело с лазерами средней мощности (единицы ватт) и скорее примыкает к силовой лазерной медицине.

Лазерная диагностика использует как лазеры малой мощности. в

неразрушающих методах диагностики, так и мощные лазеры, как правило,

импульсного действия. в методах, предполагающих разрушение малой доли биообъекта, с целью установления элементного состава.

§ 6.1 Лазерная хирургия

Первой отраслью медицины, в которой нашли применение лазеры, стала

офтальмология [50, 52].

Глаз, будучи оптической системой, оказался идеальным объектом для

64

накоплением жидкости в глазу. Лазер играет роль своеобразной иглы, обеспечивая создание каналов для оттока жидкости.

Но самое широкое применение лазерная микрохирургия нашла в коррекции рефракции.

В офтальмологии наиболее распространенными являются твердотельные лазеры на гранате, активированном неодимом; на стекле, активированном неодимом, и на рубине. Эти лазеры могут работать при импульсной и непрерывной оптических накачках.

Также в офтальмологии активно применяют следующие виды лазеров

•эксимерный, длина волны которого составляет 193 нм;

•аргоновый с длиной волны 488 нм или 514 нм;

•криптоновый, длина волны его составляет 568 нм или 647нм;

•диодный (810 нм);

•ND:YAG-лазер с удвоенной частотой (532 нм) а также способный генерировать излучение на длине волны 1,06 мкм;

•гелий-неоновый (630 нм);

•углекислотный, с длиной волны 10,6 мкм.

От длины волны, генерируемой лазером, зависит его применение в лечении

глазных болезней и патологий. К примеру, аргоновый лазер дает хороший результат при терапии сосудистых патологий.

Криптоновые лазеры служат источниками световых потоков в жёлтом и красном диапазоне, благодаря чему те интенсивно поглощаются сосудистой оболочкой или пигментным эпителием, не приводя к разрушению нервного слоя сетчатки.

Лазер диодного типа используют для коррекции патологии сетчатки в макулярной области, поскольку излучение его не поглощается липофусцином.

Если нужно сделать точный внутриглазной разрез, рассечь вторичную катаракту или формировать зрачок, применяют неодимовый лазер.

He-Ne-лазеры относятся к типу низкоэнергетических, они функционируют в режиме излучения непрерывно, воздействуют как эффективные биостимуляторы.

65

Лазеры эксимерного типа генерируют световой поток в ультрафиолетовом диапазоне, поэтому с их помощью можно осуществлять внешнюю коррекцию,

удалять участки поверхности с высокой точностью до 500 нм, при этом задействуется процесс испарения.

На сегодняшний день самым используемым является лазер на алюмоиттриевом гранате, активированном неодимом (Nd:YAG). В кристалл граната вводятся ионы неодима, этот лазер может работать на основной длине волны 1064

нм, а также на длине волны 532 нм. Получение такой длины волны возможно при генерации Nd:YAG-лазера на второй гармоники излучения. Для этого выходной луч лазера направляется на нелинейный оптический кристалл удвоителя частоты. В

качестве кристалла удвоителя частоты применяют йодат лития, ниобат лития или ниобат бария-натрия.

В последнее время в офтальмологии широкое распространение получили фемтосекундные лазеры, которые отличаются коротким импульсом свечения,

составляющим всего несколько (иногда несколько сотен) фемтосекунд (одна фемтосекунда равна 10-15 секунды).

Фемтосекундные лазеры имеют ряд преимуществ, которые делают их незаменимыми для использования в офтальмологии.

Приборы эти отличаются высокой точностью, поэтому можно получить очень тонкий слой роговицы с заданными заранее параметрами лоскута.

Во время операции контактная линза установки соприкасается на мгновение с роговицей, в результате чего формируется лоскут из поверхностных слоев.

Уникальные возможности фемтосекундного лазера помогают сформировать лоскут любой формы и толщины в зависимости от потребностей хирурга.

Областью применения фемтосекундного лазера в офтальмологии является коррекция аметропии (астигматизма, близорукости, гиперметропии),

трансплантация роговицы и создание интрастромальных колец. Именно операции, в

которых используется фемтосекундный лазер, позволяют получить стабильный и высокий результат.

66

После проведения оперативного вмешательства лоскут помещают на прежнее место, поэтому раневая поверхность заживает очень быстро без наложения швов.

Также при использовании фемтосекундного лазера снижается дискомфорт во время операции и болевые ощущения после нее.

Долгое время в хирургии излучение использовалось излучение неодимового лазера с длиной волны 1,06 мкм, оно удобно для пользователя, поскольку излучение данной длины волны может передаваться по кварцевым моноволокнам. Это позволяет просто манипулировать скальпелем. Вместе с тем, проникая в биоткань на глубину около 1 см, это излучение дает довольно широкую линию разреза и повышенную долю некроза вследствие рассеяния части излучения. Поэтому широкого применения в хирургии эти лазеры не нашли.

В настоящее время в хирургии наиболее широко используются СО2-лазеры с длиной волны 10,6 мкм. Глубина проникновения излучения СО2-лазера в ткань составляет менее 0,1 мм. Поглощенный в этом тонком слое свет преобразуется в тепло и очень быстро приводит к температурам более

300 0С и, следовательно, к выпариванию ткани. Для испарения объема

10-5…10-6 см3 требуется энергия 0,003…0,03 Дж.

Ниже в таблице приведены некоторые характеристики лазерных хирургических установок.

Успешно лазерные хирургические установки применяются и для разрушения камней в почках. Ниже в таблице 5 представлены некоторые данные по лазерным хирургическим установкам [52] .

Важным аспектом эффективности применения лазера в хирургии является правильный выбор лазерного инструментария. Значимость этого аспекта применения лазеров в хирургии все возрастает в связи с тем, что в настоящее время хирургия все более становится малоинвазивной и эндоскопической.

Полостные операции с открытым доступом все больше уступают место эндоскопическим и лапароскопическим операциям проводимым через естественные каналы или проколы.

67

Для осуществления эндоскопических и лапароскопических операций необходимы системы доставки излучения хирургических лазеров в зону их воздействия.

Таблица 5 - Характеристики лазерных хирургических установок

хирургических аппаратов используются тонкие волоконно-оптические световоды.

Эти световоды должны быть нейтральными по отношению к биоткани, а

благодаря их гибкости и малому диаметру такой волоконный инструмент может подводиться непосредственно к операционной зоне по инструментальному каналу

68

гибких и жестких эндоскопов, лапароскопов и бронхоскопов через тонкие пункционные иглы или с помощью ручных держателей с наконечниками.

В таких волоконно-оптических инструментах применяются кварцевые световоды. Эти световоды используются со всеми диодными лазерными хирургическими аппаратами для наружных, эндоскопических и лапароскопических лазерных операций в урологии, проктологии, гинекологии, гастроэнторологии,

онкологии, дерматологии, стоматологии, ортопедии и травматологии,

оториноларингологии, нейрохирургии, общей хирургии, кардиологии.

Оптические световодные каналы хирургических лазеров хорошо сопрягается с существующими эндоскопами, имеющими для этого специальные каналы.

Главными характеристиками световодов лазерных скальпелей являются его оптическая прозрачность, стойкость и минимальный радиус изгиба (обычно 25–50

мм).

Но прозрачность кварцевого стекла резко уменьшается при увеличении длины волны более 2,5 мкм, что не позволяет его использовать для таких инфракрасных лазеров, как эрбиевый (2,94 мкм) и СО2-лазер (10,6 мкм).

Для этих длин волн предлагались другие типы оптоволокна на основе сапфира, халькогенидов, полые световды.

Но окончательно проблема пригодного световода для передачи излучения от СО2 лазера лазерного скальпеля к настоящему времени не решена.

Стерилизация световодов осуществляется аналогично стерилизации лапароскопического инструментария методом холодной стерилизации в стандартных растворах. Также стерилизуются насадки к шарнирным световодам СО2-лазера. На сам шарнирный световод одевается стерильный «рукав» или он заворачивается в стерильный материал.

§ 6.2 Лазерная терапия

Лазерная терапия это физиотерапевтический метод лечения, использующий особое излучение оптического диапазона с одной длиной волны, источником

которого является лазер [51, 54, 55] .

69

Действующим фактором лазера является направленный световой поток.

Влияние его на живую ткань уникально. В лазерной терапии применяется лазерное излучение низкой интенсивности, энергетический спектр, которого совпадает со спектром поглощения ферментов-акцептеров, участвующих в жизненно-важном процессе усвоения кислорода тканями организма. При лазерной терапии, поглотив энергию света, ферменты запускают важные биохимические процессы, что приводит к обновлению мембран клеток. Это один из основных механизмов,

лежащих в основе биостимулирующего воздействия.

Передача световой энергии внутренним средам организма запускает ряд процессов, благодаря которому активизируются процессы саморегуляции, больные клетки восстанавливают свою жизнедеятельность, а значит – мобилизуются собственные силы организма. Лазерное излучение низкой интенсивности положительно воздействует на микроциркуляцию, стимулирует расширение капилляров. Это улучшает питание тканей, повышает усвоение тканями кислорода,

что в свою очередь ведёт к ускорению процессов заживления.

Но в полном объеме, механизмы лечебного эффекта лазерной терапии не всегда и не вполне ясны. Тем не менее, известно их оздоровительное действие,

противовоспалительное действие, повышение иммунитета, структурные изменения,

активация макромолекул РНК, ДНК, а также отсутствие неблагоприятных исходов при их применении. Поэтому метод лазерной терапии весьма перспективен, и

представляются необходимыми его дальнейшие исследования и разработки В лазерной терапии широко используется низкоинтенсивное излучение

газовых и полупроводниковых лазеров (лазерная терапия) и светодиодов

(фототерапия).

Лазерная терапия делится на два класса:

- низкоинтенсивная лазерная терапия

и

-фотодинамическая терапия,

Низкоинтенсивная лазерная терапия в большинстве случаев осуществляется с помощью различных гелий-неоновых лазеров

70