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クリプトンフッ化物レーザー（KrFレーザー）は、エキシマレーザー[1]の一種で、 （より正確には）エキシプレックスレーザーと呼ばれることもあります。波長248ナノメートルの深紫外線レーザーで、半導体集積回路の製造、産業用マイクロマシニング、科学研究によく使用されます。エキシマという用語は「励起二量体」の略で、エキシプレックスは「励起錯体」の略です。エキシマレーザーには通常、アルゴン、クリプトン、キセノンなどの希ガスと、フッ素や塩素などのハロゲンガスの混合物が含まれています。電磁刺激と圧力が適切に強い条件下では、混合物から紫外線領域のレーザー光としてコヒーレントな刺激放射のビームが放射されます。
KrFおよびArFエキシマレーザーは、ナノメートルサイズのマイクロエレクトロニクスチップの製造に必要な重要なツールの1つである高解像度フォトリソグラフィーマシンに広く組み込まれています。エキシマレーザーリソグラフィー[2] [3]により、トランジスタの特徴サイズは1990年の800ナノメートルから2016年の10ナノメートルに縮小されました。 [4] [5]
理論
クリプトンフッ化物レーザーは、エネルギー源からエネルギーを吸収し、クリプトンガスとフッ素ガスが反応して、励起エネルギー状態の 一時的な複合体である励起錯体クリプトンフッ化物を生成します。
- 2 クル + F
2→ 2 キロフ
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だが反発力の強い基底状態に低下させます。基底状態の複合体は、すぐに非結合原子に解離します。
- 2 KrF → 2 Kr + F
2
その結果、スペクトルの紫外線部分に近い 248 nm でエネルギーを放射する励起錯体レーザーが生成され、これは錯体の基底状態と励起状態の間のエネルギー差に対応します。
システム例
ICF実験用にこのようなレーザーがいくつか構築されており、例としては次のようなものがある。[6]
- ロスアラモスは、1985 年に 1.0 × 10 4 ジュールのエネルギー レベルのビームのテスト発射を証明するために KrF レーザーを構築しました。これは、CO 2レーザーやその他のシステムを検討する、より大規模なオーロラ レーザー研究活動の一部でした。
- ナイキ レーザー。海軍研究所のレーザー プラズマ部門は、ナイキ レーザーと呼ばれる KrF レーザーを完成させました。このレーザーは、4ナノ秒のパルスで約 4.5 × 10 3ジュールの UV エネルギー出力を生成できます。2013 年以降、ナイキ レーザーは、より短い波長 (193 nm) への移行の影響を示すために、フッ化アルゴン レーザーに切り替えられました。
- 海軍研究所は、 ICFアプローチ用のKrFレーザーとArFレーザーの両方を実証するために、エレクトラレーザーとナイキを製造しました。2013年に、エレクトラは10時間の動作で90,000ショットを実証しました。 [7]
- ラザフォード・アップルトン研究所はスプライトとチタニアKrFレーザーを開発した[8]
- 日本の電気技術研究所は阿修羅とスーパー阿修羅KrFレーザーを開発した。[9]
- 中国原子能研究所は1990年代半ば以前にレーザーを保有していた
- リバモア国立研究所は、ラマン増幅器（RAPIER）システムとして知られるKrFレーザーと増幅器を開発した。[10]
アプリケーション
このレーザーは、レーザー光の短いパルスを照射することで、プラズマから軟X線放射を生成するためにも使用されています。その他の重要な用途としては、プラスチック、ガラス、水晶、複合材料、生体組織など、さまざまな材料の操作があります。このUVレーザーからの光は、脂質、核酸、タンパク質に強く吸収されるため、医療治療や手術の用途に役立ちます。
マイクロエレクトロニクス
KrF エキシマ レーザーの最も広範な産業用途は、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線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、Hg-Xe ランプは 436、405、および 365 nm の波長でのリソグラフィーに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 (高密度で高速なチップ用) とより高い生産スループット (低コスト用) の両方が求められており、ランプベースのリソグラフィー ツールでは業界の要件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 で K. Jain が深紫外線エキシマ レーザー リソグラフィーを実証した先駆的な開発によって克服されました。[2] [3] [11]過去20年間の機器と技術の驚異的な進歩により、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現代の半導体電子デバイスの年間生産額は現在4,000億ドルを超えています。その結果、半導体業界では[4] 、エキシマレーザーリソグラフィー（KrFレーザーとArFレーザーの両方を使用）がムーアの法則の予測力の重要な要素であると考えています。さらに広い科学的および技術的観点から見ると、1960年のレーザーの発明以来、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つとして強調されてきました。[12] [13] [14]
核融合研究
KrFレーザーは1980年代から核融合エネルギー研究に使用されてきました。このレーザーにはいくつかの利点があります。 [7]
- 高率の反復射撃 - KrF はガスを使用して作られているため、熱くならず、より高い射撃率が可能になります。
- より高いビーム均一性
- 波長が比較的短いため、ICF 圧縮が向上します。
安全性
KrF から放射さ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追加の安全対策が必要です。紫外線ビームの潜在的な発がん性から皮膚を保護するために手袋が必要であり、目を保護するために UV ゴーグルが必要です。
参照
参考文献
- ^ Basting, D. および Marowsky, G. 編、エキシマレーザーテクノロジー、 Springer、2005 年。
- ^ abc Jain, K.; Willson, CG; Lin, BJ (1982). 「エキシマレーザーによる超高速深紫外線リソグラフィー」. IEEE Electron Device Letters . 3 (3): 53–55. Bibcode :1982IEDL....3...53J. doi :10.1109/EDL.1982.25476. S2CID 43335574.
- ^ abc Jain, K.「エキシマレーザーリソグラフィー」、SPIE Press、ワシントン州ベリンガム、1990年。
- ^ ab La Fontaine, B.、「レーザーとムーアの法則」、SPIE Professional、2010年10月、20ページ。
- ^ サムスン、10ナノメートルFinFET技術を採用したシステムオンチップの業界初量産を開始; https://news.samsung.com/global/samsung-starts-industrys-first-mass-production-of-system-on-chip-with-10-nanometer-finfet-technology
- ^ 「KrF レーザー技術に関する第 4 回国際ワークショップの議事録」メリーランド州アナポールズ、1994 年 5 月 2 日～1994 年 5 月 5 日
- ^ ab Obenschain, Stephen、et al. 「慣性核融合のための高エネルギークリプトンフッ化物レーザー」応用光学 54.31 (2015): F103-F122。
- ^ Divall, EJ, et al. 「Titania—1020 W cm− 2 紫外線レーザー」 Journal of modern optics 43.5 (1996): 1025-1033.
- ^ Okuda, I., et al. 「Super-ASHURA主増幅器の性能」 核融合工学設計44.1-4 (1999): 377-381.
- ^ https://lasers.llnl.gov/multimedia/publications/pdfs/etr/1979_06.pdf [ベア URL PDF ]
- ^ Basting, D. 他「エキシマレーザー開発の歴史的レビュー」『エキシマレーザー技術』D. Basting および G. Marowsky 編、Springer、2005 年。
- ^ アメリカ物理学会 / レーザー / 歴史 / タイムライン
- ^ SPIE / レーザーの進歩 / 50 年と未来へ
- ^ 英国工学物理科学研究会議 / 私たちの生活におけるレーザー / 50 年間のインパクト アーカイブ 2011-09-13ウェイバックマシン
外部リンク
- レーザー核融合エネルギー
- ナイキKrFレーザー施設
- Nikon KrF 2005-09-07 にWayback Machineでアーカイブされました