O laser de fluoreto de argônio (laser de ArF) é um tipo particular de laser de excímero, que às vezes é (mais corretamente) chamado de laser de exciplexo. Com seu comprimento de onda de 193 nanômetros, é um laser de ultravioleta profundo, comumente usado na produção de circuitos integrados semicondutores, cirurgia oftalmológica, microusinagem e pesquisa científica. "Excímero" é a abreviação de "dímero excitado", enquanto "exciplexo" é a abreviação de "complexo excitado". Um laser de excímero normalmente usa uma mistura de um gás nobre (argônio, criptônio ou xenônio) e um gás halogênio (flúor ou cloro), que, sob condições adequadas de estimulação elétrica e alta pressão, emite radiação estimulada coerente (luz laser) na faixa do ultravioleta.
Lasers de excímero de ArF (e de KrF) são amplamente utilizados em máquinas de fotolitografia de alta resolução, uma tecnologia crítica para a fabricação de chips microeletrônicos. A litografia por laser de excímero permitiu que os tamanhos dos transistores encolhessem de 800 nanômetros em 1990 para 7 nanômetros em 2018. Máquinas de litografia ultravioleta extrema (EUV) substituíram as máquinas de fotolitografia ArF em alguns casos, pois permitem tamanhos de recursos ainda menores ao mesmo tempo em que aumentam a produtividade, já que as máquinas EUV podem fornecer resolução suficiente em menos etapas.
O desenvolvimento da litografia por laser de excímero foi destacado como um dos principais marcos nos 50 anos de história do laser.
Teoria Um laser de fluoreto de argônio absorve energia de uma fonte, fazendo com que o gás argônio reaja com o gás flúor produzindo monofluoreto de argônio, um complexo temporário, em um estado de energia excitado:
2 Ar + F2 → 2 ArF
O complexo pode sofrer emissão espontânea ou estimulada, reduzindo seu estado de energia para um estado fundamental metaestável, mas altamente repulsivo. O complexo no estado fundamental rapidamente se dissocia em átomos não ligados:
2 ArF → 2 Ar + F2
O resultado é um laser de exciplexo que irradia energia a 193 nm, o que se encontra na porção do ultravioleta distante (far ultraviolet) do espectro eletromagnético, correspondendo a uma diferença de energia de 6,4 elétron-volts entre o estado fundamental e o estado excitado do complexo.
Aplicações
Fotolitografia A aplicação industrial mais difundida dos lasers de excímero de ArF tem sido na fotolitografia de ultravioleta profundo para a fabricação de dispositivos microeletrônicos (isto é, circuitos integrados semicondutores ou "chips"). Do início da década de 1960 até meados da década de 1980, lâmpadas de arco de mercúrio-xenônio (Hg-Xe) foram usadas para litografia em comprimentos de onda de 436, 405 e 365 nm. No entanto, com a necessidade da indústria de semicondutores tanto por uma resolução mais fina (para chips mais densos e rápidos) quanto por um maior rendimento de produção (para custos menores), as ferramentas de litografia baseadas em lâmpadas não eram mais capazes de atender às exigências da indústria.
Esse desafio foi superado quando, em um desenvolvimento pioneiro em 1982, a litografia por laser de excímero UV profundo foi inventada e demonstrada na IBM por K. Jain. Com os avanços feitos na tecnologia de equipamentos nas duas décadas seguintes, os dispositivos eletrônicos semicondutores fabricados com litografia por laser de excímero atingiram US$ 400 bilhões em produção anual. Como resultado, a litografia por laser de excímero (com lasers de ArF e KrF) tornou-se um fator crucial no avanço contínuo da Lei de Moore.
Cirurgia oftalmológica A luz UV de um laser de ArF é bem absorvida por matéria biológica e compostos orgânicos. Em vez de queimar ou cortar o material, o laser de ArF dissocia as ligações moleculares do tecido da superfície, que se desintegra no ar de uma maneira rigorosamente controlada através de ablação em vez de queima. Assim, o ArF e outros lasers de excímero têm a propriedade útil de poderem remover camadas excepcionalmente finas de material da superfície com quase nenhum aquecimento ou alteração no restante do material, que é deixado intacto. Essas propriedades tornam tais lasers muito adequados para a microusinagem de precisão de materiais orgânicos (incluindo certos polímeros e plásticos), e especialmente cirurgias delicadas como cirurgia ocular (por exemplo, LASIK, LASEK ).
Microusinagem de superfície Recentemente, por meio do uso de um novo sistema difusivo difrativo composto de duas matrizes de microlentes, a microusinagem de superfície por laser de ArF em sílica fundida foi realizada com precisão submicrométrica.
Energia de fusão Em 2021, o Laboratório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos iniciou os trabalhos em um ArF para uso em fusão por confinamento inercial, fornecendo até 16% de eficiência energética.
A LaserFusionX está desenvolvendo um protótipo de energia de fusão de acionamento direto usando lasers de fluoreto de argônio. Em 2024, o foco deles era construir uma instalação de implosão para projetar e testar lasers capazes de atingir taxas de disparo suficientemente rápidas, usando energia de pulso de estado sólido.
Segurança A luz emitida pelo laser de ArF é invisível ao olho humano, portanto, precauções adicionais de segurança são necessárias ao trabalhar com este laser para evitar a exposição a feixes dispersos. O uso de luvas é necessário para proteger a pele das suas propriedades potencialmente carcinogênicas, e óculos de proteção UV são necessários para proteger os olhos.
Ver também Excímero Laser excimer (ou laser de excímero) Lâmpada de excímero Laser de fluoreto de criptônio Eletrolaser Laser Nike Fotolitografia Lei de Moore
Referências
Categoria:Lasers Categoria:Argônio Categoria:Flúor