アルゴンフッ化物レーザー(ArFレーザー)は、エキシマレーザーの一種であり、[ 1 ]エキシプレックスレーザーと呼ばれることもあります(より正確には)。波長が193ナノメートルの深紫外レーザーで、半導体集積回路の製造、眼科手術、マイクロマシニング、科学研究などで一般的に使用されています。「エキシマ」は「励起ダイマー」の略で、「エキシプレックス」は「励起複合体」の略です。エキシマレーザーは通常、希ガス(アルゴン、クリプトン、またはキセノン)とハロゲンガス(フッ素または塩素)の混合物を使用し、適切な電気刺激と高圧条件下で、紫外域のコヒーレント誘導放射(レーザー光)を放出します。
ArF (およびKrF ) エキシマレーザーは、マイクロエレクトロニクスチップ製造に不可欠な技術である高解像度フォトリソグラフィ装置で広く使用されています。エキシマレーザーリソグラフィ[ 2 ] [ 3 ]により、トランジスタのフィーチャサイズは1990 年の800 ナノメートルから2018 年の7 ナノメートルに縮小しました。[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]極端紫外線リソグラフィ装置は、より少ないステップで十分な解像度を提供できるため、生産性を向上させながらさらに小さなフィーチャサイズを可能にするため、場合によっては ArF フォトリソグラフィ装置に取って代わりました。[ 7 ]
エキシマレーザーリソグラフィーの開発は、レーザーの50年の歴史における主要なマイルストーンの1つとして注目されている。[ 8 ] [ 9 ]
アルゴンフッ化物レーザーは光源からエネルギーを吸収し、アルゴンガスがフッ素ガスと反応して、励起エネルギー状態にある一時的な錯体である一フッ化アルゴンを生成する。
この複合体は自発放出または誘導放出を起こし、エネルギー状態を準安定ではあるものの非常に反発力の強い基底状態に低下させる。基底状態の複合体は速やかに解離して結合していない原子となる。
その結果、スペクトルの遠紫外領域に位置する193 nmのエネルギーを放射するエキシプレックスレーザーが得られ、これは錯体の基底状態と励起状態の間のエネルギー差が6.4電子ボルトであることを示している。
ArF エキシマレーザーの最も広く普及した産業用途は、マイクロエレクトロニクスデバイス(半導体集積回路または「チップ」)の製造のための深紫外フォトリソグラフィー[ 2 ] [ 3 ]です。1960年代初頭から1980年代半ばまで、436、405、および365 nmの波長でリソグラフィーにHg-Xeランプが使用されていました。しかし、半導体業界では、より細かい解像度(より高密度で高速なチップのため)とより高い生産スループット(より低いコストのため)の両方が必要になったため、ランプベースのリソグラフィーツールでは業界の要求を満たすことができなくなりました。
この課題は、1982年にIBMのK. Jainによって深紫外エキシマレーザーリソグラフィーが発明され実証されたことで克服されました。 [ 2 ] [ 3 ] [ 10 ]その後の20年間で装置技術が進歩し、エキシマレーザーリソグラフィーを使用して製造された半導体電子デバイスの年間生産額は4000億ドルに達しました。その結果、[ 5 ]エキシマレーザーリソグラフィー(ArFレーザーとKrFレーザーの両方)は、ムーアの法則の継続的な進歩において重要な要素となっています。[ 6 ]
ArFレーザーからの紫外線は、生体物質や有機化合物によく吸収されます。ArFレーザーは、材料を燃焼または切断するのではなく、表面組織の分子結合を解離し、燃焼ではなくアブレーションによって厳密に制御された方法で空気中に分解します。したがって、ArFレーザーやその他のエキシマレーザーは、表面材料の非常に薄い層を、残りの材料にほとんど加熱や変化を与えることなく除去できるという有用な特性を持ち、残りの材料はそのまま残ります。これらの特性により、このようなレーザーは、有機材料(特定のポリマーやプラスチックを含む)の精密なマイクロマシニング、特に眼科手術(例:LASIK、LASEK)などの繊細な手術に最適です。[ 11 ]
最近、2つのマイクロレンズアレイで構成された新しい回折拡散システムを使用することにより、溶融石英上のArFレーザーによる表面マイクロマシニングがサブマイクロメートル精度で実行されました。[ 12 ]
2021年、米国海軍研究所は慣性閉じ込め核融合で使用するArFの研究を開始し、最大16%のエネルギー効率を実現した。[ 13 ]
LaserFusionXは、アルゴンフッ化物レーザーを使用した直接駆動型核融合発電プロトタイプを開発している。2024年現在、同社は固体パルス電力を使用して十分な高速発射速度を持つレーザーを設計およびテストするための爆縮施設の構築に注力している。[ 14 ]
ArFレーザーから発せられる光は人間の目には見えないため、このレーザーを使用する際には、迷光を避けるために特別な安全対策が必要です。皮膚を発がん性物質から保護するために手袋を着用し、目を保護するためにUVゴーグルを着用する必要があります。