Fizikai Szemle 2001/4. 111.o.

LÉZEREK A CSÚCSTECHNOLÓGIA CSÚCSÁN

Bor Zsolt
Szegedi Egyetem
Optikai tanszék
az MTA Fizikai osztályának elnöke

Szilárd Leó nem volt híve az állandóságnak, saját lakással nem rendelkezett, szállodákban lakott, vagyont nem gyűjtött, szabad, világpolgár ember volt. Ennek ellenére 66 éves korában, korábbi elveit feladva, életében először saját házat vett a San Diego melletti La Jollában, a Csendes-óceán partján.

A közelmúltban másfél évet dolgoztam azon a vidéken. Esténként az óceánba lebukó napban gyönyörködvén, megértettem mi késztette a szokásaihoz makacsul ragaszkodó Szilárdot arra, hogy korábbi elveit felrúgva, saját házat vegyen, és pont ott, La Jollában. De San Diegóban nem csak azért voltam, hogy a naplementében gyönyörködjem, hanem azért is, hogy setét laboratóriumokban a fotolitográfiai célokra használható excimer lézerek fejlesztésén is dolgozzam, akkor, amikor a naplementében éppen nem lehetett gyönyörködni.

A fotolitográfia olyan eljárás, amely segítségével a számítógép processzorait és memóriáját állítják elő. E területen a fejlődést évtizedek óta két tapasztalati "törvény" határozza meg. Az egyik úgy szól, hogy: "az egy chipen kialakított tranzisztorok száma kétévente megduplázódik". Ezt a tendenciát Gordon Moore 1965-ben lényegében véletlenül vette észre, de a szabályosság azóta kőbe vésett, máig érvényes igazságnak bizonyult (1. ábra).

Moore törvénye kikényszeríttette a mérnökökből azt, hogy a fotolitográfiai leképzés feloldóképességét, virtuóz optikai trükkök felhasználásával a hullámoptika által szabott elvi korlátok alá szorítsák. Egy houstoni együttműködés keretében egy ilyen trükköt mi (Erdélyi Miklós, Horváth Zoltán és Szabó Gábor) is kidolgoztunk: nem-diffraktáló lézernyalábok felhasználásával sikerült a feloldóképességet úgy megnövelni, hogy eközben egy másik fontos optikai értékmérő paraméter, a mélységélesség is javult.

A másik, évtizedek óta érvényes litográfiát érintő "törvény"-t Machrone mondta ki, amely úgy hangzik, hogy "az a személyi számítógép, amelyre Te leginkább vágysz, amelyre a régi (például tavalyi) ócska gépedet le szeretnéd cserélni mindig 5000 $-ba került és fog kerülni". Machrone törvényének teljesüléséhez arra van szükség, hogy a processzor előállításának költsége a bonyolultság növekedésének ellenére se emelkedjék. Jelenleg például már olyan, rendkívül termelékeny technológián dolgoznak, amely hamarosan arra lesz képes, hogy egy chip néhány cm² felületén 10 milliárd (vagyis a Föld minden lakója számára 2) tranzisztort kiképezzen ki, és amely chip árának nem szabad a 100 $-t meghaladni. (Ez ekvivalens azzal az állítással, hogy egy fillér költséggel 300 ezer (!) tranzisztort lehet kialakítani.)

Ennek eléréséhez többek között arra van szükség, hogy különleges paraméterekkel (spektrális tisztaság, koherencia, divergencia, térbeli nyaláb homogenitás, élettartam, üzemelési költségek, megbízhatóság stb.) rendelkező excimer lézereket alkalmazzanak a fotolitográfiában. San Diegóban ilyen lézer fejlesztésén dolgoztam.

Tudományos pályafutásom kezdetén egy magyar-német (akkor még nyugatnémet) együttműködés keretében, ultrarövid lézerimpulzusok generálására új lézer típust, az elosztott visszacsatolású festéklézert (a folyóirat címképe) fejlesztettünk ki Szabó Gábor, Rácz Béla és Szatmári Sándor professzorok (akkor még tudományos segédmunkatársak) közreműködésével.

1. ábra

A modern lézerfizika ma már képes piko- és femtoszekundum időtartamú fényimpulzusok előállítására. (1 pikoszekundum az egymilliomod másodperc egymilliomod része.) Azt, hogy az 1 ps mennyire rövid idő néhány példával érzékeltetem. A fény 1 másodperc alatt 300 ezer kilométer utat fut be, míg 1 pikoszekundum alatt mindössze 0,3 mm-t. Egy másik szemléletes hasonlat: egy lövedék sebessége a fegyver torkolatánál körülbelül 1000 m/másodperc. Ez a rendkívül sebesen haladó lövedék 1 pikoszekundum alatt mindössze 1 nm (vagyis az 1 milliméter távolságnak 1 milliomod része) utat tesz meg, vagy másképpen egy hajszál vastagságának körülbelül 1/50000 (!) részét. Ma a világon elérhető legrövidebb lézerimpulzus időtartama 5 femtoszekundum, amely az 1 pikoszekundumnál még 200-szor rövidebb. (Büszke lehet Magyarország arra, hogy ennek a rekordnak ez elérésében döntő szerepe volt Szipőcs Róbertnek, a KFKI munkatársának, illetve az általa kifejlesztett impulzus-összenyomó tükröknek.) Ezen speciális tükrök tulajdonságainak mérésében Kovács Attila, Osvay Károly és Kurdi Gábor kollégáimmal együtt mi is részt vettünk.

A 2. ábra a 10^-15-10¹⁸ szekundum időtartományt szemlélteti logaritmikus skálán. A középső skála a köznapi életben használt időegységeket (perc, óra, nap, hónap, év stb.) is feltünteti. A jobb oldali skálához néhány ismert eseményt is bejelöltünk arra a helyre, amely azt mutatja meg, hogy az adott esemény a mai naphoz viszonyítva mikor történt. (Például az Univerzum körülbelül 17 milliárd évvel ezelőtt keletkezett, a dinoszauruszok 60 millió évvel ezelőtt pusztultak ki, Arkhimédész 2200 évvel ezelőtt élt és az ember 32 évvel ezelőtt lépett a Holdra stb.)

A 2. ábra arra is alkalmas, hogy ismét érzékeljük az 1 femtoszekundum extrém rövid voltát: ugyanis a 2. ábráról az a következtetés is levonható, hogy 20 másodperc úgy aránylik a világmindenség eddigi létezésének 17 milliárd évéhez, mint ahogyan az 1 femtoszekundum aránylik a 20 másodperc időtartamhoz.

A jobb oldali skála alsó része azt szemlélteti, hogy a különböző tudományágak által vizsgált jelenségek általában milyen időskálán játszódnak le; az élő szervezetekben a biológiai folyamatok tipikusan az 1 másodperctől az 50 évig időskálán mennek végbe; a kémiai reakciók nagyobb része általában a néhány perc és az 1 s közötti időtartományban játszódik le; az elemi fizikai folyamatok pedig a fentieknél is sokkal gyorsabban következnek be. (A kerettel jelölt tartományok határait a biológiai, kémiai és fizikai folyamatok csak közelítően jelölik ki. Ettől lényegesen eltérő értékek is vannak.) A femtoszekundumos lézerimpulzusok jelentősége a tudományok fejlődése szempontjából abban van, hogy segítségükkel (hasonlóan a fotográfiában használatos villanó lámpákkal) még az olyan gyors folyamatok is mérhetővé, észlelhetővé válnak, amelyek a 10^-10-10^-14 másodperc tartományban játszódnak le. (A jobb oldali szöveg néhány példát sorol fel ilyen jelenségre.) Femtoszekundumos lézerek híján ezekre az extrém gyors elemi folyamtokra kísérleti adatokat nem, vagy alig tudnánk szerezni. Ilyen értelemben a femtoszekundumos méréstechnika a kísérleti jellegű természettudományok fejlődését segíti elő.

Ehhez a fejlődéshez mi (Szabó Gábor, Rácz Béla, Horváth Zoltán, Osvay Károly, Kovács Attila, Benkő Zsolt, Hilbert Margit) is hozzájárultunk, elsősorban a femtoszekundumos impulzusok generálásának, erősítésének, terjedésének, az impulzus időtartam mérésének stb. szisztematikus fejlesztésével, továbbá az optika egy új irányának megalapozásával, amelyet femtoszekundumos optikának neveztünk el.

Az ultrarövid impulzusokkal extrém nagy teljesítmények érhetők el. Egy viszonylag alacsony (például 0,001 joule) energiatartalommal rendelkező 10 femtoszekundumos impulzus teljesítménye 100 gigawatt, vagyis a paksi atomerőmű csúcsteljesítményének 60-szorosa (!). Képzeljük el, hogy ezt a teljesítményt a hajszál keresztmetszete területének egy ezred részére le lehet fókuszálni. Ilyen extrém teljesítménysűrűség esetén akár nukleáris reakciók is lejátszódhatnak.

Végül szólnék meg egy tudományterületről, amelyen korábban dolgoztunk és valószínűleg a jövőben dolgozni is fogunk: ez a lézeres elven működő látásélesség korrekció. A jelenlegi legmodernebb excimer lézeres műtéti eljárásokat használva, 4-8 dioptria szükséges korrekció után tipikusan körülbelül ą0,5 dioptria térben irreguláris (azaz szemüveggel nem korrigálható) törési hiba szokott maradni a szemen. Ennek a kis hibának a korrigálására szolgáló új eljárásnak, az intrastromális ablációnak a kifejlesztésében vettem és fogok részt venni. A fejlesztésben úttörő szerepe van a szakterület elismert gurujának, Juhász Tibornak, a michigani egyetem professzorának, a szegedi egyetemen végzett fizikusnak, aki az eljárás gyakorlati kifejlesztésére, vállalkozói tőke bevonásával vállalatot alapított Kaliforniában. A mindenható FDA engedélyéhez szükséges előkísérleteket Budapesten végezték (Ratkay Imola és Ferincz István közreműködésével). Juhász Tibor vállalkozásának fejlesztő részlegében - miként Szilárd Leó korában az atombomba fejlesztése során - akár a magyar nyelv is lehetne a munkanyelv. (Úgy tudni, hogy a szegedi tájszólás a felvételi interjú során általában előnyt szokott jelenteni.)

Az intrastromális ablációs technikának szerepe lehet majd a szuperlátás létrehozásában. Mit neveznek szuperlátásnak? Az egészséges ember látásának élességet általában a szem optikai hibái (szférikus aberráció, kóma stb .) korlátozzák. Megbízható adatok vannak arra, hogy a látóideg-hártya, illetve az emberi agy struktúrája elvileg akár 3-szor finomabb részletek észlelésére (vagyis 3 X 3 = 9-szer több vizuális információ feldolgozására) is képes. Az intrastromális abláció alkalmasnak látszik arra, hogy azokat az apró optikai hibákat, amelyet az evolúció elkövetett a szem kialakításában, az ember az optika legújabb eredményeit felhasználva, tudatosan korrigálja. A szuperlátás eléréséhez az alábbi műszaki feladatokat kell megoldani:

1. Minden eddiginél pontosabb optometriai eszközt kell kifejleszteni a szem leképzési hibáinak pontos feltérképezésére.
2. A hibák ismeretében ki kell számítani, hogy a szaruhártya alakjának topográfiáján hol, milyen változtatásokat kell végrehajtani a leképzési hibák teljes korrigálására.
3. Tökéletesíteni kell az intrastromális ablációs technikát, beleértve a szaruhártya biomechanikai tulajdonságainak tudományos igényű megismerését, továbbá a beavatkozást végző lézerrendszer műszaki fejlesztését.
4. Ténylegesen el kell végezni a szükséges korrekciós beavatkozást. Szakértők véleménye szerint az így korrigált szemmel akár 5 m távolságból is lehetne újságot olvasni.

A szuperlátás elérésére (eltekintve néhány foglalkozástól, például pilóta, golfjátékos stb.) tömeges klinikai igény valószínűleg nem lesz, de a technika várhatóan alkalmas lesz a súlyos leképzési hibában szenvedő, gyengén látók látásának elfogadhatóvá tételére. Erre viszont bőven van igény.

A szuperlátás útjába egyelőre nagyon sok és nagyon komplikált technikai probléma áll. A feladat megoldása nagy kihívást jelent és ezért a jövőben ezen a problémán is fogunk dolgozni.