Excimerlaser: het licht dat computerchips en ogen scherpstelt

Bijgewerkt: 11 september 2026 · 6 min leestijd

Een excimerlaser is een type laser dat ultraviolet licht produceert door twee gassen kortstondig een chemische verbinding te laten vormen die alleen in een aangeslagen, energierijke toestand bestaat. Zodra die verbinding weer uiteenvalt, komt de energie vrij als een felle, zeer nauwkeurig gebundelde lichtflits. Het woord "excimer" is een samentrekking van "excited dimer", ofwel aangeslagen tweeling-molecuul: twee atomen die elkaar alleen even vasthouden zolang ze energie hebben, en die daarna direct weer uit elkaar vallen.

Denk aan een fotograaf die met een felle flitser in een volledig donkere kamer werkt: het licht schijnt maar een fractie van een seconde, is extreem kortgolvig en geconcentreerd, en juist daardoor geschikt om piepkleine details vast te leggen of te bewerken. Excimerlasers werken vergelijkbaar, maar in plaats van een foto te maken, gebruiken fabrieken en chirurgen dat felle ultraviolette licht om materiaal met submicrometer-precisie weg te snijden of te belichten. Zonder deze technologie zouden de chips in je telefoon en veel vormen van ooglaseren er heel anders uitzien, of zelfs niet bestaan.

Wat is het precies?

Een excimerlaser vult een buis met een mengsel van een edelgas (zoals argon, krypton of xenon) en een klein beetje halogeengas (zoals fluor of chloor). Onder normale omstandigheden reageren deze gassen niet met elkaar: edelgassen staan erom bekend dat ze vrijwel nooit chemische verbindingen aangaan.

Door een korte, krachtige elektrische ontlading door het gasmengsel te sturen, worden de atomen tijdelijk in een aangeslagen (energierijke) toestand gebracht. Alleen in die aangeslagen toestand kunnen het edelgas-atoom en het halogeen-atoom heel even een molecuul vormen, bijvoorbeeld argonfluoride (ArF) of kryptonfluoride (KrF). Dat molecuul is instabiel: zodra het terugvalt naar de grondtoestand, valt het vrijwel direct weer uiteen, en bij dat uiteenvallen wordt de overtollige energie afgegeven als een foton (een lichtdeeltje) met een vaste, korte golflengte.

Door dit proces in een resonatieholte met spiegels te laten plaatsvinden, versterkt het licht zichzelf tot een gebundelde laserstraal. Het resultaat is ultraviolet licht met een golflengte die afhangt van de gaskeuze: 193 nanometer voor ArF, 248 nanometer voor KrF, 308 nanometer voor xenonchloride (XeCl) en 351 nanometer voor xenonfluoride (XeF). Hoe korter de golflengte, hoe kleiner de details die ermee gemaakt of bewerkt kunnen worden, en hoe hoger de energie per foton, wat betekent dat het licht materiaal kan afbreken zonder er veel warmte in achter te laten. Dat laatste heet "koude ablatie": het weghalen van materiaal laagje voor laagje, met minimale hittebeschadiging aan wat eromheen ligt.

Wat wil men ermee bereiken?

De belangrijkste drijfveer achter excimerlasertechnologie is precisie op een schaal die met gewoon licht of mechanische gereedschappen niet haalbaar is. In de halfgeleiderindustrie is het doel telkens kleinere structuren op een siliciumchip te kunnen belichten, wat rechtstreeks bepaalt hoeveel transistors er op een chip passen en dus hoe snel en zuinig een processor kan zijn.

In de geneeskunde is het doel om weefsel, met name hoornvlies bij het oog, met sub-micrometer nauwkeurigheid te herprofileren zonder het omliggende weefsel thermisch te beschadigen, iets wat met een scalpel of een gewone laser niet zo veilig kan. In de beeldschermindustrie wil men amorf silicium (een ongeordende vorm van silicium) omzetten in polykristallijn silicium, dat elektrisch beter geleidt en dus scherpere, snellere beeldschermen mogelijk maakt, zonder de kunststof achterplaat van een flexibel scherm te smelten door hitte.

De gemeenschappelijke belofte is dus: extreme precisie met minimale nevenschade, op een schaal en snelheid die massaproductie mogelijk maakt. Het is nadrukkelijk geen "toekomsttechnologie" in de zin van iets dat nog moet doorbreken; het is een volwassen technologie die al decennia de basis vormt onder industrieën die zelf wel voortdurend vernieuwen.

Voorbeelden uit de praktijk

Een van de meest invloedrijke toepassingen is diepe ultraviolet (DUV) lithografie bij chipfabricage. Het Nederlandse bedrijf ASML bouwt lithografiemachines die met ArF-excimerlaserlicht van 193 nanometer, vaak gecombineerd met een laag water tussen lens en wafer ("immersielithografie"), patronen op siliciumwafers belichten. Deze ArF-immersietechniek, commercieel operationeel sinds het midden van de jaren 2000, wordt tot op de dag van vandaag gebruikt voor de meeste lagen van geavanceerde chips, vaak in combinatie met meervoudige belichtingsstappen ("multi-patterning") om structuren kleiner te maken dan de golflengte van het licht zelf toelaat.

De Amerikaanse onderneming Cymer, opgericht in de jaren tachtig in San Diego, groeide uit tot 's werelds grootste leverancier van excimer-lichtbronnen voor lithografiemachines en werd in 2013 door ASML overgenomen voor ongeveer 2,5 miljard dollar, juist omdat de lichtbron het kloppende hart van elke lithografiemachine is.

In de oogheelkunde wordt de ArF-excimerlaser sinds het midden van de jaren negentig gebruikt voor refractiechirurgie zoals PRK en LASIK, waarbij het hoornvlies laagje voor laagje wordt herprofileerd om bijziendheid, verziendheid of astigmatisme te corrigeren. In de Verenigde Staten kregen de eerste excimerlasersystemen voor deze toepassing in de tweede helft van de jaren negentig goedkeuring van de Amerikaanse toezichthouder FDA, met bedrijven als VISX en Summit Technology als vroege pioniers; hun technologie leeft voort in latere systemen van onder meer Alcon en Carl Zeiss Meditec.

In de beeldschermindustrie wordt excimer laser annealing (ELA) toegepast om laag-temperatuur polysilicium (LTPS) te maken voor de dunnefilmtransistors achter smartphone- en OLED-schermen. Fabrikanten zoals Samsung Display en LG Display gebruiken hiervoor apparatuur van onder meer het Japanse Japan Steel Works (JSW), waarbij een XeCl-excimerlaser van 308 nanometer amorf silicium lokaal smelt en herkristalliseert zonder de onderliggende kunststof drager te beschadigen.

Hoe ver is de techniek?

De excimerlaser zelf is een volwassen, decennia oude technologie: de eerste excimerlaser werd rond 1970 in de Sovjet-Unie gedemonstreerd met een xenon-dimeer, en al in de tweede helft van de jaren zeventig volgden de praktisch bruikbare edelgas-halogenide-varianten (ArF, KrF, XeCl) die tot vandaag de norm zijn. De vooruitgang zit tegenwoordig vooral in de toepassingen eromheen: hogere herhalingsfrequenties (meer flitsen per seconde, en dus hogere productiesnelheid), stabielere en langer meegaande lichtbronnen, en steeds geavanceerdere optiek en software om met dat licht extreem kleine structuren te maken.

Een belangrijke nuance voor lezers die de term ergens in verband met chipnieuws tegenkomen: de nieuwste generatie extreem-ultraviolet (EUV) lithografie, die chips met de allerkleinste structuren mogelijk maakt, gebruikt géén excimerlaser. EUV-licht van 13,5 nanometer wordt opgewekt door met een krachtige CO2-laser piepkleine druppeltjes gesmolten tin te verdampen tot een plasma. ArF-excimerlasers blijven echter, ook naast EUV, in gebruik voor het overgrote deel van de belichtingsstappen in een chipfabriek, simpelweg omdat niet elke laag de allerhoogste resolutie nodig heeft en EUV-machines duur en schaars zijn.

De grootste technische obstakels liggen tegenwoordig niet zozeer bij de laser zelf, maar bij alles eromheen: optiek die nauwelijks nog absorptie of vervorming mag vertonen, doorvoersnelheid (hoeveel wafers of ogen per uur behandeld kunnen worden) en de economische concurrentie met duurdere maar preciezere alternatieven zoals EUV. Voor medische toepassingen ligt de uitdaging vooral bij het verder verkleinen van hitte-effecten op weefsel en het personaliseren van behandelprofielen per patiënt.

Wie werken eraan?

In de halfgeleiderindustrie is ASML, met hoofdkantoor in Veldhoven, de dominante bouwer van lithografiemachines die excimerlasers gebruiken; de lichtbronnen zelf worden geleverd door het voormalige Cymer, nu een ASML-dochter, en door het Japanse Gigaphoton, de belangrijkste overgebleven concurrent op dit gebied. Chipfabrikanten als TSMC (Taiwan), Samsung (Zuid-Korea) en Intel (Verenigde Staten) zijn de grootste afnemers van deze machines.

In de medische sector ontwikkelen bedrijven als Alcon, Carl Zeiss Meditec en Johnson & Johnson Vision excimerlasersystemen voor oogchirurgie, met regelgevend toezicht van onder meer de Amerikaanse FDA en de Europese medische-hulpmiddelenregelgeving (MDR). Voor beeldschermtechnologie zijn Japan Steel Works als apparatuurbouwer en Samsung Display en LG Display als grote gebruikers relevant.

Op onderzoeksgebied houden natuurkundeafdelingen en optica-instituten wereldwijd zich bezig met verdere verfijning van excimerlasertechniek, vaak gepubliceerd via vakverenigingen als SPIE (the international society for optics and photonics) en Optica (voorheen de Optical Society), die ook de belangrijkste vakconferenties over lithografie en laseroptica organiseren.