El láser de fluoruro de argón (láser ArF) es un tipo particular de láser excimer , [1] que a veces (más correctamente) se denomina láser exciplex. Con su longitud de onda de 193 nanómetros, es un láser ultravioleta profundo, que se utiliza comúnmente en la producción de circuitos integrados de semiconductores , cirugía ocular, micromaquinado e investigación científica. "Excimer" es la abreviatura de "dímero excitado", mientras que "exciplex" es la abreviatura de "complejo excitado". Un láser excimer normalmente utiliza una mezcla de un gas noble (argón, criptón o xenón) y un gas halógeno (flúor o cloro), que en condiciones adecuadas de estimulación eléctrica y alta presión, emite radiación estimulada coherente (luz láser) en el rango ultravioleta.
Los láseres excimer ArF (y KrF) se utilizan ampliamente en máquinas de fotolitografía de alta resolución , una tecnología fundamental para la fabricación de chips microelectrónicos . La litografía por láser excimer [2] [3] ha permitido que los tamaños de las características de los transistores se reduzcan de 800 nanómetros en 1990 a 7 nanómetros en 2018. [4] [5] [6] Las máquinas de litografía ultravioleta extrema han reemplazado a las máquinas de fotolitografía ArF en algunos casos, ya que permiten tamaños de características aún más pequeños al tiempo que aumentan la productividad, ya que las máquinas EUV pueden proporcionar una resolución suficiente en menos pasos. [7]
El desarrollo de la litografía láser excimer se ha destacado como uno de los hitos más importantes en los 50 años de historia del láser. [8] [9]
Un láser de fluoruro de argón absorbe energía de una fuente, lo que hace que el gas argón reaccione con el gas flúor produciendo monofluoruro de argón, un complejo temporal , en un estado de energía excitado:
El complejo puede experimentar emisión espontánea o estimulada, reduciendo su estado energético a un estado fundamental metaestable, pero altamente repulsivo . El complejo en estado fundamental se disocia rápidamente en átomos no ligados:
El resultado es un láser exciplex que irradia energía a 193 nm, que se encuentra en la porción ultravioleta lejana del espectro , lo que corresponde a una diferencia de energía de 6,4 electronvoltios entre el estado fundamental y el estado excitado del complejo.
La aplicación industrial más extendida de los láseres excimer ArF ha sido la fotolitografía ultravioleta profunda [2] [3] para la fabricación de dispositivos microelectrónicos (es decir, circuitos integrados semiconductores o "chips"). Desde principios de la década de 1960 hasta mediados de la década de 1980, se utilizaron lámparas de Hg-Xe para litografía en longitudes de onda de 436, 405 y 365 nm. Sin embargo, con la necesidad de la industria de semiconductores tanto de una resolución más fina (para chips más densos y rápidos) como de un mayor rendimiento de producción (para menores costos), las herramientas de litografía basadas en lámparas ya no podían satisfacer los requisitos de la industria.
Este desafío se superó cuando, en un desarrollo pionero en 1982, K. Jain inventó y demostró en IBM la litografía láser excimer de ultravioleta profundo. [2] [3] [10] Con los avances realizados en la tecnología de equipos en las dos décadas siguientes, los dispositivos electrónicos semiconductores fabricados mediante litografía láser excimer alcanzaron una producción anual de 400 mil millones de dólares. Como resultado, [5] la litografía láser excimer (con láseres ArF y KrF) ha sido un factor crucial en el avance continuo de la llamada ley de Moore . [6]
La luz ultravioleta de un láser ArF es bien absorbida por la materia biológica y los compuestos orgánicos. En lugar de quemar o cortar el material, el láser ArF disocia los enlaces moleculares del tejido superficial, que se desintegra en el aire de una manera estrictamente controlada a través de la ablación en lugar de la quema. Por lo tanto, el láser ArF y otros láseres excimer tienen la propiedad útil de que pueden eliminar capas excepcionalmente finas de material de la superficie casi sin calentar ni cambiar el resto del material que queda intacto. Estas propiedades hacen que estos láseres sean muy adecuados para el micromaquinado de precisión de materiales orgánicos (incluidos ciertos polímeros y plásticos) y, especialmente, para cirugías delicadas como la cirugía ocular (por ejemplo, LASIK , LASEK ). [11]
Recientemente, mediante el uso de un novedoso sistema difractivo compuesto por dos conjuntos de microlentes, se ha realizado un micromaquinado de superficies mediante láser ArF sobre sílice fundida con una precisión submicrométrica. [12]
En 2021, el Laboratorio de Investigación Naval de los Estados Unidos comenzó a trabajar en un ArF para su uso en la fusión por confinamiento inercial , proporcionando hasta un 16% de eficiencia energética . [13]
LaserFusionX está desarrollando un prototipo de energía de fusión de accionamiento directo utilizando láseres de fluoruro de argón. A partir de 2024, su objetivo era construir una instalación de implosión para diseñar y probar láseres capaces de alcanzar velocidades de disparo suficientemente rápidas, utilizando energía de pulso de estado sólido. [14]
La luz emitida por el ArF es invisible para el ojo humano, por lo que es necesario tomar precauciones de seguridad adicionales al trabajar con este láser para evitar rayos dispersos. Es necesario usar guantes para proteger la piel de sus propiedades potencialmente cancerígenas y gafas protectoras contra rayos ultravioleta para proteger los ojos.