準分子激光(guang)具有波長短(duan)、能量(liang)大(da)、脈寬(kuan)窄、功率高等特點(dian)，是(shi)目(mu)前紫外(wai)波段輸出功率最大(da)的激光(guang)器(qi)，廣泛(fan)應(ying)用于工業、醫療和科研領域，包括半(ban)導體光(guang)刻(ke)、平板顯示制(zhi)造、眼科屈光(guang)度校(xiao)正、血(xue)栓消融等。
自1970年首次獲得準分(fen)子激(ji)光(guang)(guang)輸(shu)(shu)出以來，準分(fen)子激(ji)光(guang)(guang)技(ji)術得到不(bu)斷(duan)發(fa)展(zhan)。特別是稀有氣(qi)體(ti)鹵化物準分(fen)子激(ji)光(guang)(guang)器(qi)，由于其紫外波段輸(shu)(shu)出效率高(gao)、脈沖(chong)能量大、工作穩定等(deng)特點，器(qi)件(jian)技(ji)術發(fa)展(zhan)迅速(su)并得到廣泛的應(ying)用。例如(ru)，半導(dao)體(ti)光(guang)(guang)刻采用的主要是248 nm KrF和193 nm ArF準分子激(ji)光，面板(ban)顯示低溫(wen)多晶硅退(tui)火主要使用308 nm XeCl準分子(zi)激光，眼科(ke)屈(qu)光度(du)校正手術(shu)主要(yao)采用193 nm ArF準分子激光。
圖(tu)1 準分子激光(guang)主(zhu)要(yao)應用領域
準(zhun)分子(zi)(zi)是一(yi)種(zhong)在激發態復合成分子(zi)(zi), 而在(zai)(zai)基(ji)態離(li)解(jie)成(cheng)原子(zi)的不(bu)穩定締合物。準分子(zi)激(ji)光躍遷(qian)發生在(zai)(zai)束縛(fu)的激(ji)發態到排斥的基(ji)態, 屬于束縛—自由躍(yue)遷。準分子英文名稱Excimer是(shi)“Excited Dimer”的縮(suo)寫。Excimer原單指二聚體的(de)同核準分子，后來誕生的(de)稀有氣(qi)體鹵化(hua)物等(deng)異核準分子被稱為Exciplexes（Excited Complexes）。但出于(yu)習慣的叫法，后來所有準分子(zi)都被(bei)稱(cheng)為(wei)Excimer。
1.準分子(zi)激光基本能級和發射(she)波長
圖2為典型的準分(fen)子位能曲線，X為排(pai)斥基態，B為最低激發態(tai)，C為更(geng)高(gao)的(de)激發態(tai)。準分(fen)子的(de)特征譜是由B態到排斥基態X的躍遷。一般情況下(xia)，B態自發輻射壽命為幾(ji)十(shi)納(na)秒(miao)，而(er)基態X在(zai)10-13 s內便離解，是振動弛豫時間(jian)的(de)量級，本質(zhi)上是量子(zi)效率很高(gao)的(de)激光器。
圖2 典型準(zhun)分子位(wei)能曲(qu)線(xian)
不同工作介質的準分(fen)子(zi)激光發射波長(chang)不同，發射波長(chang)及帶寬(kuan)如圖3所示：
圖3 各(ge)類準分子激(ji)光發射波長及(ji)光子能量示意圖(tu)
理論上說，準分子激光可(ke)以覆蓋從深紫(zi)外(wai)126 nm到(dao)可見波(bo)段約670 nm。但常用的準分(fen)子激光波長(chang)主要處(chu)于紫外波段。
常(chang)用準分子介(jie)質(zhi)類型和輸出波長(chang)：
2.準分(fen)子激(ji)光基本結構
準(zhun)分子(zi)激光器(qi)大都(dou)工(gong)作(zuo)在紫(zi)外波段，且(qie)上(shang)能級壽命(ming)僅10-8 s量級(ji)，對激(ji)(ji)勵技術提出了較(jiao)高要(yao)求(qiu)。激(ji)(ji)光介(jie)質的激(ji)(ji)勵功(gong)率密度(du)一(yi)般需要(yao)高達MW/cm2，可以采用的(de)激(ji)(ji)勵(li)(li)手段主要有：電子(zi)束(shu)激(ji)(ji)勵(li)(li)、放電激(ji)(ji)勵(li)(li)和(he)微波激(ji)(ji)勵(li)(li)。
常用的(de)準分子(zi)激(ji)光(guang)器均采用高壓快放電(dian)激(ji)勵，基(ji)本結構如圖4所示，主(zhu)要(yao)包括：整機控制系統、激(ji)(ji)勵源、放電腔、諧振腔、水電氣輔助系統。光刻用準分子激(ji)(ji)光器一(yi)般還(huan)包括線寬(kuan)壓窄模(mo)(mo)塊、脈沖(chong)(chong)展寬(kuan)模(mo)(mo)塊等。激(ji)(ji)勵源產(chan)生高壓快脈沖(chong)(chong)，通過(guo)放電腔對工(gong)作(zuo)氣體(ti)放電激(ji)(ji)勵形成粒子數(shu)反轉(zhuan)，由于增(zeng)益(yi)較大，一(yi)般采用平-平結構的諧振腔形(xing)成激光輸出。輔助系(xi)統(tong)提供配(pei)電(dian)、工作氣體(ti)、冷卻水等，激光器整體(ti)運行由整機控制(zhi)系(xi)統(tong)控制(zhi)。
圖(tu)4 常用(yong)準分子激光(guang)器基本結構
3.準分子(zi)激光應用
1）工業應(ying)用
準分子激光器由于波長短、光子能量大、平均功率高、相干性較弱等特點，使其成為性能優異的激光刻蝕光源。而且許多聚合物在準分子運轉的紫外波段有非常強的吸收系數，也能獲得高的刻蝕效率。
半導體光刻是(shi)準分子(zi)激光最重要的工業應用領域之一。248 nm KrF準(zhun)分子激光是最(zui)早引入光刻的準(zhun)分子光源(yuan)，主要應(ying)用于(yu)180 nm~100 nm工藝。后續193 nm ArF準分(fen)子(zi)激光廣泛應(ying)用于90 nm及以下節點半導體(ti)量產。通過浸沒式技術、雙圖(tu)形(xing)技術、多圖(tu)形(xing)等(deng)先(xian)進技術，193 nm ArF準分子激(ji)光可應用于(yu)光刻10 nm節點量產(chan)。
圖5 半導體光刻機
平(ping)板(ban)顯示制造(zao)是準(zhun)分子激光另一重要的(de)工業應用(yong)領域。高(gao)端平(ping)板(ban)顯示制造(zao)中(zhong)的(de)準(zhun)分子激光退火技術（ELA）采用(yong)308 nm XeCl激光將(jiang)基板由非(fei)晶硅薄膜轉變成高(gao)(gao)質量多(duo)晶硅薄膜，從而大幅度提(ti)高(gao)(gao)TFT（薄膜晶體管）性(xing)能，是(shi)目(mu)前高端顯示技術LTPS TFT-LCD（低溫多晶(jing)硅薄(bo)膜(mo)晶(jing)體管(guan)液晶(jing)顯示）和(he)AMOLED（主(zhu)動矩陣有機發光二極管顯(xian)示）的標準工藝。
柔性顯示制(zhi)造過程中(zhong)，采(cai)用308 nm XeCl激光將柔性基底從玻璃(li)等硬質基板上剝離也是準分子激光一(yi)項重要的工業應用。
圖6 準分(fen)子激(ji)光退(tui)火用于平板(ban)顯示制(zhi)造(zao)
圖7 準分子激(ji)光用于柔性顯示PI基底剝離
準分(fen)子激光在表面處(chu)理行業也有(you)著廣(guang)泛的應用。發動(dong)(dong)機制造(zao)行業，準分(fen)子激光表面處(chu)理工藝可以提高發動(dong)(dong)機燃料效率(lv)，減少長(chang)期磨(mo)損，從而可以減小燃油(you)消耗(hao)及有(you)害粒子釋放，進一步節省資源并保護環境。
常用準(zhun)分(fen)子(zi)(zi)激光光子(zi)(zi)能(neng)量從3.5eV（351 nm）到7.9eV（157 nm）,能有(you)效打斷材料組織中的化(hua)學(xue)鍵。與大多數(shu)紅(hong)外激光(guang)不同，準分子(zi)激光(guang)通過(guo)激光(guang)誘導的化(hua)學(xue)過(guo)程對材料進行光(guang)解切除(photo ablation)，避免了紅外(wai)波段(duan)激光加(jia)工中的(de)熱效應(ying)以(yi)及激光生物組織切除中對周圍(wei)組織的(de)破壞(huai)，具有(you)“冷(leng)加工”的特點。因此在工業微(wei)加工領域有較(jiao)廣泛的應(ying)用(yong)，包括：微(wei)電子封裝(zhuang)、光纖(xian)光柵制備、微(wei)切割、微(wei)鉆孔(kong)等。
2）醫(yi)療(liao)應用
193 nm ArF準分子激(ji)光單光子能(neng)量(liang)為6.4eV，而人眼(yan)睛角膜組織(zhi)中肽鍵與碳鏈分子鍵的(de)結合能量僅為3.4eV。因此ArF準分子(zi)激光(guang)能輕松地打斷角(jiao)膜生(sheng)物(wu)組織(zhi)(zhi)分子(zi)的化學鍵(jian)，對角(jiao)膜組織(zhi)(zhi)實施“光化學切削”。
從理論上講，激(ji)光波長越短，其單光子能量越高，所伴發的切口周圍的熱(re)損傷就(jiu)越少。193 nm的(de)ArF激(ji)光(guang)最接近(jin)人眼角膜及鞏膜組織的(de)最大吸(xi)收峰190 nm，使得這種(zhong)激光(guang)照射到角(jiao)膜組織中時，絕(jue)大(da)部(bu)分在小(xiao)于5 m的極小距離(li)內被吸收，幾乎不引起(qi)對角(jiao)膜(mo)周邊和內部組織的損傷，使其(qi)在醫學特別(bie)是(shi)眼(yan)科方面有(you)重(zhong)要(yao)的用(yong)途，已(yi)廣泛(fan)應用(yong)于眼(yan)科激(ji)光手術。
圖8 準分子激光(guang)用于(yu)人眼屈光(guang)度矯正手術
在治(zhi)療白(bai)癜風等(deng)皮膚病(bing)方(fang)面(mian)，準分(fen)子激(ji)光可使病(bing)變(bian)細胞(bao)凋亡，并促進色素的合成，治(zhi)療時間短，有效率高。準分(fen)子激(ji)光除在皮膚醫療中應(ying)(ying)用，還在心血管治(zhi)療和神(shen)經外科手術等(deng)方(fang)面(mian)都有廣泛(fan)的應(ying)(ying)用。
3）科研及其(qi)它方面應用
準分子激(ji)光(guang)在激(ji)光(guang)誘導(dao)熒光(guang)、激(ji)光(guang)脈沖(chong)沉積、激(ji)光(guang)化學氣相沉積和激(ji)光(guang)誘導(dao)刻蝕等科研方(fang)面(mian)有著(zhu)廣泛的(de)應(ying)用。
準分子輻(fu)射(she)波長(chang)處于(yu)紫外波段、脈寬窄和峰值功率高，材料(liao)對(dui)準分子激光具有良好的吸收(shou)，可以對(dui)材料(liao)進行很好的消融和剝(bo)離作(zuo)用，使得準分子激光成為(wei)激光剝(bo)蝕（LA）、脈沖激光沉積鍍膜(mo)技(ji)術（PLD）和激光輔助化學氣(qi)相沉(chen)積（LA-CVD）中的(de)首選(xuan)光(guang)源。
此外(wai)，準(zhun)分(fen)(fen)子(zi)激(ji)光(guang)(guang)還(huan)應(ying)(ying)用于等離(li)(li)子(zi)體(ti)物理研(yan)究(jiu)(jiu)、高溫超(chao)導、光(guang)(guang)激(ji)發質譜研(yan)究(jiu)(jiu)、同(tong)位素(su)分(fen)(fen)離(li)(li)、抽運染料激(ji)光(guang)(guang)實(shi)現超(chao)短脈沖研(yan)究(jiu)(jiu)、慣性約束核(he)聚變光(guang)(guang)源和(he)非線性光(guang)(guang)學(xue)特性的研(yan)究(jiu)(jiu)。另外(wai)，準(zhun)分(fen)(fen)子(zi)激(ji)光(guang)(guang)器作為有效的紫外(wai)輻射光(guang)(guang)源應(ying)(ying)用于高靈敏度(du)大氣(qi)探測(ce)和(he)環(huan)境檢(jian)測(ce)，如激(ji)光(guang)(guang)質譜技術(shu)(shu)、激(ji)光(guang)(guang)誘導熒(ying)光(guang)(guang)檢(jian)測(ce)技術(shu)(shu)和(he)紫外(wai)差分(fen)(fen)吸收光(guang)(guang)譜技術(shu)(shu)等。
圖9 準分子激光剝蝕用于質譜(pu)和光譜(pu)元素分析
4.準分子激光國內外發展(zhan)現狀
早在激光器剛剛出(chu)現的1960年，F.G.Houtermans便提(ti)出了準分(fen)子束(shu)縛(fu)－自由電子躍遷(qian)產生增益的(de)思想，即(ji)以準分(fen)子為激(ji)活介質(zhi)實現激(ji)光振蕩。1970年(nian)俄羅斯的H.G.Bosov采用強流電子束(shu)激發液(ye)態氙得到(dao)Xe2準分(fen)子(zi)激光(guang)輸(shu)出，這是首次用(yong)準分(fen)子(zi)躍(yue)遷得到激光(guang)振蕩。之后，美國(guo)(guo)(guo)勞倫斯利佛莫爾國(guo)(guo)(guo)家(jia)實驗室、洛斯阿拉莫斯國(guo)(guo)(guo)家(jia)實驗室、美國(guo)(guo)(guo)海軍實驗室、日本電子(zi)技術(shu)實驗室、英國(guo)(guo)(guo)盧瑟福實驗室、哥廷根大(da)(da)學(xue)、東京大(da)(da)學(xue)、俄(e)羅(luo)斯科(ke)學(xue)院等(deng)相(xiang)繼開展了大(da)(da)量準分(fen)子(zi)激光(guang)相(xiang)關研(yan)究。
我國準分子(zi)激光技術的(de)研究工作開始于1977年。中國科學(xue)院(yuan)(yuan)安徽光(guang)學(xue)精密(mi)機(ji)械(xie)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)所(suo)和上海光(guang)學(xue)精密(mi)機(ji)械(xie)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)所(suo)較(jiao)早對(dui)準(zhun)分子激光(guang)技(ji)(ji)術開展(zhan)(zhan)了大量(liang)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)。原子能科學(xue)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)院(yuan)(yuan)和西北核技(ji)(ji)術研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)所(suo)進(jin)行了電子束抽運的(de)百焦耳級高功率準(zhun)分子研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)。國內其它單位如(ru)中國科學(xue)院(yuan)(yuan)長(chang)春光(guang)學(xue)精密(mi)機(ji)械(xie)研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)所(suo)、華中科技(ji)(ji)大學(xue)等也(ye)開展(zhan)(zhan)了較(jiao)多研(yan)(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)(jiu)工作。
我國“七五”、“八五”、“九五(wu)”期間(jian)對準分(fen)子(zi)激光(guang)技術進行大量科技攻(gong)關，技術水(shui)平(ping)與國(guo)(guo)外差距(ju)較小，但(dan)之后十余(yu)年缺乏(fa)研(yan)究資金的投入(ru)，我國(guo)(guo)準分(fen)子(zi)激光(guang)技術水(shui)平(ping)與國(guo)(guo)外產生(sheng)了較大差距(ju)。從(cong) 2009 年(nian)起，在國(guo)家科技(ji)重大專項的支(zhi)持下(xia)，由中(zhong)國(guo)科學(xue)(xue)(xue)院光電(dian)研(yan)究(jiu)(jiu)院牽頭，安徽(hui)光學(xue)(xue)(xue)精密機(ji)械(xie)研(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)、上(shang)海光學(xue)(xue)(xue)精密機(ji)構研(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)、長春光學(xue)(xue)(xue)精密機(ji)械(xie)與物理(li)研(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)、光電(dian)技(ji)術研(yan)究(jiu)(jiu)所(suo)、華中(zhong)科技(ji)大學(xue)(xue)(xue)等單(dan)位開始(shi)半導(dao)體光刻用準分子激光器研(yan)發。
目前準分(fen)子激光(guang)器主(zhu)要生產廠家有：美國的(de)Coherent（收購德(de)國的Lambda Physik和Tui Laser）、Gam laser，荷蘭的(de)ASML（收購(gou)美(mei)國的Cymer），日本的Gigaphoton，加(jia)拿大(da)的LightMachinery（原Lumonics），德(de)國ATL、MLase，俄羅斯Opto System，我(wo)國北京科益虹源光電技(ji)術(shu)有(you)限公司、深圳盛(sheng)方科技(ji)有(you)限公司。
Coherent是(shi)目前全球最大的準(zhun)分(fen)(fen)子激光(guang)器(qi)提供(gong)商(shang)，除光(guang)刻用高重(zhong)頻(pin)準(zhun)分(fen)(fen)子激光(guang)器(qi)外，該公(gong)司產品(pin)幾乎可以全部(bu)覆蓋。Cymer和Gigaphoton主要(yao)生產(chan)光刻用高重頻準分(fen)子激光器，銷(xiao)量分(fen)列第一和第二(er)。ASML作為全(quan)球(qiu)最大的光刻(ke)機供應商，從戰略角(jiao)度考慮收購了Cymer。其它如Gam laser、LightMachinery、ATL、MLase、Opto System等公司，產(chan)品(pin)主(zhu)(zhu)要集中在常規的中、小功(gong)率(lv)準(zhun)分(fen)子激(ji)光器。科(ke)(ke)益虹(hong)源是國家科(ke)(ke)技重大專項技術轉化公司，主(zhu)(zhu)要產(chan)品(pin)以光刻用準(zhun)分(fen)子激(ji)光器為(wei)主(zhu)(zhu)。盛方科(ke)(ke)技產(chan)品(pin)以大、中、小功(gong)率(lv)準(zhun)分(fen)子激(ji)光器為(wei)主(zhu)(zhu)，并提供準(zhun)分(fen)子激(ji)光應用系(xi)統和設備。
結(jie) 語(yu)
準分子激光(guang)誕生50年來，從實(shi)驗室(shi)一(yi)步步走向應用，目前已經在工業、醫療、科(ke)研(yan)等行業廣泛使用。相比固體激(ji)(ji)光器(qi)和(he)光纖激(ji)(ji)光器(qi)，準分子激(ji)(ji)光器(qi)缺點明顯：體積(ji)大(da)、結(jie)構(gou)復(fu)雜、需(xu)要定期(qi)更換(huan)工作氣(qi)體，但因其在紫(zi)外波段的大(da)能量和(he)大(da)功率輸(shu)出優勢，在諸多(duo)重(zhong)點領域(yu)發揮著不可替代的作用，并且還在不斷(duan)開(kai)辟出新(xin)的應用方(fang)向。正如Ludolf Herbst等激光專家的觀(guan)點(dian)：準分子激光從未被(bei)看好,但多(duo)領域獨領風騷。降低使用成(cheng)本、提高可(ke)維護(hu)性仍是(shi)準分子激光(guang)提升(sheng)的方向(xiang)。
