エキシマレーザ
エキシマレーザは、特定のガス分子が励起状態でのみ形成される不安定な複合分子（エキシマまたはエキシプレックスと呼ばれる）を利用して高エネルギーの紫外線を発振するレーザである。希ガスとハロゲンガスなどを混合したガス中で放電による励起が起こり、短寿命のエキシマ分子が生じる。その分子が自然崩壊するときに放出される光をレーザ発振に利用する仕組みであり、非常に短い波長領域（紫外線域）で高い光エネルギーを得られるのが特徴である。この特性によって、半導体リソグラフィや医療・美容分野の高度な微細加工・処置に幅広く活用されている。
エキシマレーザの基本原理
エキシマレーザの最大の特徴は、安定した基底状態を持たない分子を利用する点にある。例えばArFやKrF、XeClなどの組み合わせによって形成されるエキシマ分子は、励起状態でのみ結合が成り立つため、レーザ発振が行われるとすぐに解離し基底状態には戻らない。その結果、逆反応による損失が少なく高エネルギーの紫外線を安定して放出できる。さらに波長が短いほどフォトンエネルギーが大きくなるため、物質への照射効果が高い利点をもたらす。
発振ガスの種類と特徴
代表的なエキシマレーザ発振ガスとしては、ArF（193nm）、KrF（248nm）、XeCl（308nm）、XeF（351nm）などが挙げられる。各ガスは波長やエネルギー効率に違いがあり、用途に応じて選択される。ArFは特に半導体リソグラフィ分野で重要視されており、極めて微細なパターンを形成するための光源として活用される。一方、波長が308nm付近のXeClは、比較的長寿命かつ取り扱いが容易であるため、材料加工や医療用途にも用いられる。
半導体リソグラフィへの応用
エキシマレーザは、半導体製造におけるフォトリソグラフィ工程で重要な役割を果たす。微細な回路パターンを形成するには、できるだけ短い波長の光を用いる必要があり、ArFエキシマレーザの193nm光が主力となっている。これによって、極端な微細化が可能となり、半導体の高集積化と動作速度の向上に大きく貢献している。近年ではさらに波長を深紫外領域へ短縮したEUV（極端紫外線）リソグラフィへ移行する動きもあるが、エキシマレーザは依然として主要技術の一角を担っている。
材料加工における有用性
エキシマレーザの高エネルギー紫外光は、微細加工だけでなく表面改質やアブレーションと呼ばれる表面の微量除去にも適している。熱影響を最小限に抑えつつ、ナノスケールでの精密な加工が可能であり、プラスチックやセラミックス、金属など多様な素材に応用される。また特定の波長域での吸収が大きい材料の場合、内部の分子結合を直接切断して高い加工精度を実現できるため、表面処理技術や微小孔の作製など、さまざまな分野で重宝されている。
医療・美容分野への活用
エキシマレーザは、医療現場でも優れた処置精度をもたらす光源として注目される。特に波長308nmのXeClエキシマレーザは、紫外線特有の殺菌効果や炎症抑制効果などを利用し、皮膚科領域の治療に活用されている。白斑や乾癬など特定の皮膚疾患に対して局所照射することで、健康組織へのダメージを抑えながら症状の改善を目指すことが可能である。さらにレーザ角膜手術などの分野でも、エキシマレーザの高い精密切除性能が有効に活用されている。
光源設計と安定化技術
エキシマレーザの安定動作を実現するためには、ガス組成や放電方式、冷却系統などの光源設計が重要となる。励起電極にかかる高電圧の印加方法やパルス制御手法によって、発振効率や寿命が大きく左右される。さらに、ガスの循環やフィルタリングを適切に行い、混合比率を常に一定に保つことも不可欠である。こうした安定化技術の積み重ねが、高出力を長期間維持できる産業用エキシマレーザシステムの実用化を支えている。
高エネルギーUV光の応用拡大
エキシマレーザによって得られる高エネルギーUV光は、今後もさらなる応用拡大が見込まれている。従来のリソグラフィや材料加工だけでなく、次世代ディスプレイの製造工程やバイオセンサーの高感度化などにも応用範囲が広がりつつある。また微生物・ウイルスの不活化技術としても研究されており、クリーンルームや医療施設での衛生管理にも役立つ可能性が高い。高出力化やパルス制御技術が進むことで、さらに高度なプロセス開発への道が開かれている。