準分子激光具有波長短、能量大、脈寬窄、功率高等特點，是目前紫外波段輸出功率最大的激光器，廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)療和科研領域，包括半導體光刻、平板顯示制造、眼科屈光度校正、血栓消融等。
自1970年首次獲得準分子激光輸出以來，準分子激光技術(shù)得到不斷發(fā)展。特別是稀有氣體鹵化物準分子激光器，由于其紫外波段輸出效率高、脈沖能量大、工作穩(wěn)定等特點，器件技術(shù)發(fā)展迅速并得到廣泛的應用。例如，半導體光刻采用的主要是248 nm KrF和193 nm ArF準分子激光，面板顯示低溫多晶硅退火主要使用308 nm XeCl準分子激光，眼科屈光度校正手術(shù)主要采用193 nm ArF準分子激光。
圖1 準分子激光主要應用領域
準分子是一種在激發(fā)態(tài)復合成分子, 而在基態(tài)離解成原子的不穩(wěn)定締合物。準分子激光躍遷發(fā)生在束縛的激發(fā)態(tài)到排斥的基態(tài), 屬于束縛—自由躍遷。準分子英文名稱Excimer是“Excited Dimer”的縮寫。Excimer原單指二聚體的同核準分子，后來誕生的稀有氣體鹵化物等異核準分子被稱為Exciplexes（Excited Complexes）。但出于習慣的叫法，后來所有準分子都被稱為Excimer。
一
準分子激光基本能級和發(fā)射波長
圖2為典型的準分子位能曲線，X為排斥基態(tài)，B為最低激發(fā)態(tài)，C為更高的激發(fā)態(tài)。準分子的特征譜是由B態(tài)到排斥基態(tài)X的躍遷。一般情況下，B態(tài)自發(fā)輻射壽命為幾十納秒，而基態(tài)X在10-13 s內(nèi)便離解，是振動弛豫時間的量級，本質(zhì)上是量子效率很高的激光器。
圖2 典型準分子位能曲線
不同工作介質(zhì)的準分子激光發(fā)射波長不同，發(fā)射波長及帶寬如圖3所示：
圖3 各類準分子激光發(fā)射波長及光子能量示意圖
理論上說，準分子激光可以覆蓋從深紫外126 nm到可見波段約670 nm。但常用的準分子激光波長主要處于紫外波段。
常用準分子介質(zhì)類型和輸出波長：
二
準分子激光基本結(jié)構(gòu)
準分子激光器大都工作在紫外波段，且上能級壽命僅10-8 s量級，對激勵技術(shù)提出了較高要求。激光介質(zhì)的激勵功率密度一般需要高達MW/cm2，可以采用的激勵手段主要有：電子束激勵、放電激勵和微波激勵。
常用的準分子激光器均采用高壓快放電激勵，基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括：整機控制系統(tǒng)、激勵源、放電腔、諧振腔、水電氣輔助系統(tǒng)。光刻用準分子激光器一般還包括線寬壓窄模塊、脈沖展寬模塊等。激勵源產(chǎn)生高壓快脈沖，通過放電腔對工作氣體放電激勵形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由于增益較大，一般采用平-平結(jié)構(gòu)的諧振腔形成激光輸出。輔助系統(tǒng)提供配電、工作氣體、冷卻水等，激光器整體運行由整機控制系統(tǒng)控制。
圖4 常用準分子激光器基本結(jié)構(gòu)
三
準分子激光應用
01
工業(yè)應用
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(yōu)異的刻蝕光源。而且許多聚合物在準分子運轉(zhuǎn)的紫外波段有非常強的吸收系數(shù)，也能獲得高的刻蝕效率。
半導體光刻是準分子激光最重要的工業(yè)應用領域之一。248 nm KrF準分子激光是最早引入光刻的準分子光源，主要應用于180 nm~100 nm工藝。后續(xù)193 nm ArF準分子激光廣泛應用于90 nm及以下節(jié)點半導體量產(chǎn)。通過浸沒式技術(shù)、雙圖形技術(shù)、多圖形等先進技術(shù)，193 nm ArF準分子激光可應用于光刻10 nm節(jié)點量產(chǎn)。
圖5 半導體光刻機
平板顯示制造是準分子激光另一重要的工業(yè)應用領域。高端平板顯示制造中的準分子激光退火技術(shù)（ELA）采用308 nm XeCl激光將基板由非晶硅薄膜轉(zhuǎn)變成高質(zhì)量多晶硅薄膜，從而大幅度提高TFT（薄膜晶體管）性能，是目前高端顯示技術(shù)LTPS TFT-LCD（低溫多晶硅薄膜晶體管液晶顯示）和AMOLED（主動矩陣有機發(fā)光二極管顯示）的標準工藝。
柔性顯示制造過程中，采用308 nm XeCl激光將柔性基底從玻璃等硬質(zhì)基板上剝離也是準分子激光一項重要的工業(yè)應用。
圖6 準分子激光退火用于平板顯示制造
圖7 準分子激光用于柔性顯示PI基底剝離
準分子激光在表面處理行業(yè)也有著廣泛的應用。發(fā)動機制造行業(yè)，準分子激光表面處理工藝可以提高發(fā)動機燃料效率，減少長期磨損，從而可以減小燃油消耗及有害粒子釋放，進一步節(jié)省資源并保護環(huán)境。
常用準分子激光光子能量從3.5eV（351 nm）到7.9eV（157 nm）,能有效打斷材料組織中的化學鍵。與大多數(shù)紅外激光不同，準分子激光通過激光誘導的化學過程對材料進行光解切除(photo ablation)，避免了紅外波段激光加工中的熱效應以及激光生物組織切除中對周圍組織的破壞，具有“冷加工”的特點。因此在工業(yè)微加工領域有較廣泛的應用，包括：微電子封裝、光纖光柵制備、微切割、微鉆孔等。
02
醫(yī)療應用
193 nm ArF準分子激光單光子能量為6.4eV，而人眼睛角膜組織中肽鍵與碳鏈分子鍵的結(jié)合能量僅為3.4eV。因此ArF準分子激光能輕松地打斷角膜生物組織分子的化學鍵，對角膜組織實施“光化學切削”。
從理論上講，激光波長越短，其單光子能量越高，所伴發(fā)的切口周圍的熱損傷就越少。193 nm的ArF激光最接近人眼角膜及鞏膜組織的最大吸收峰190 nm，使得這種激光照射到角膜組織中時，絕大部分在小于5 m的極小距離內(nèi)被吸收，幾乎不引起對角膜周邊和內(nèi)部組織的損傷，使其在醫(yī)學特別是眼科方面有重要的用途，已廣泛應用于眼科激光手術(shù)。
圖8 準分子激光用于人眼屈光度矯正手術(shù)
在治療白癜風等皮膚病方面，準分子激光可使病變細胞凋亡，并促進色素的合成，治療時間短，有效率高。準分子激光除在皮膚醫(yī)療中應用，還在心血管治療和神經(jīng)外科手術(shù)等方面都有廣泛的應用。
03
科研及其它方面應用
準分子激光在激光誘導熒光、激光脈沖沉積、激光化學氣相沉積和激光誘導刻蝕等科研方面有著廣泛的應用。
準分子輻射波長處于紫外波段、脈寬窄和峰值功率高，材料對準分子激光具有良好的吸收，可以對材料進行很好的消融和剝離作用，使得準分子激光成為激光剝蝕（LA）、脈沖激光沉積鍍膜技術(shù)（PLD）和激光輔助化學氣相沉積（LA-CVD）中的首選光源。
此外，準分子激光還應用于等離子體物理研究、高溫超導、光激發(fā)質(zhì)譜研究、同位素分離、抽運染料激光實現(xiàn)超短脈沖研究、慣性約束核聚變光源和非線性光學特性的研究。另外，準分子激光器作為有效的紫外輻射光源應用于高靈敏度大氣探測和環(huán)境檢測，如激光質(zhì)譜技術(shù)、激光誘導熒光檢測技術(shù)和紫外差分吸收光譜技術(shù)等。
圖9 準分子激光剝蝕用于質(zhì)譜和光譜元素分析
四
準分子激光國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
早在激光器剛剛出現(xiàn)的1960年，F(xiàn).G.Houtermans便提出了準分子束縛－自由電子躍遷產(chǎn)生增益的思想，即以準分子為激活介質(zhì)實現(xiàn)激光振蕩。
1970年俄羅斯的H.G.Bosov采用強流電子束激發(fā)液態(tài)氙得到Xe2準分子激光輸出，這是首次用準分子躍遷得到激光振蕩。之后，美國勞倫斯利佛莫爾國家實驗室、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、美國海軍實驗室、日本電子技術(shù)實驗室、英國盧瑟福實驗室、哥廷根大學、東京大學、俄羅斯科學院等相繼開展了大量準分子激光相關研究。
我國準分子激光技術(shù)的研究工作開始于1977年。中國科學院安徽光學精密機械研究所和上海光學精密機械研究所較早對準分子激光技術(shù)開展了大量研究。原子能科學研究院和西北核技術(shù)研究所進行了電子束抽運的百焦耳級高功率準分子研究。國內(nèi)其它單位如中國科學院長春光學精密機械研究所、華中科技大學等也開展了較多研究工作。
我國“七五”、“八五”、“九五”期間對準分子激光技術(shù)進行大量科技攻關，技術(shù)水平與國外差距較小，但之后十余年缺乏研究資金的投入，我國準分子激光技術(shù)水平與國外產(chǎn)生了較大差距。從 2009 年起，在國家科技重大專項的支持下，由中國科學院光電研究院牽頭，安徽光學精密機械研究所、上海光學精密機構(gòu)研究所、長春光學精密機械與物理研究所、光電技術(shù)研究所、華中科技大學等單位開始半導體光刻用準分子激光器研發(fā)。
目前準分子激光器主要生產(chǎn)廠家有：美國的Coherent（收購德國的Lambda Physik和Tui Laser）、Gam laser，荷蘭的ASML（收購美國的Cymer），日本的Gigaphoton，加拿大的Light Machinery（原Lumonics），德國ATL、MLase，俄羅斯Opto System，我國北京科益虹源光電技術(shù)有限公司、深圳盛方科技有限公司。
Coherent是目前全球最大的準分子激光器提供商，除光刻用高重頻準分子激光器外，該公司產(chǎn)品幾乎可以全部覆蓋。Cymer和Gigaphoton主要生產(chǎn)光刻用高重頻準分子激光器，銷量分列第一和第二。ASML作為全球最大的光刻機供應商，從戰(zhàn)略角度考慮收購了Cymer。其它如Gam laser、LightMachinery、ATL、MLase、Opto System等公司，產(chǎn)品主要集中在常規(guī)的中、小功率準分子激光器。科益虹源是國家科技重大專項技術(shù)轉(zhuǎn)化公司，主要產(chǎn)品以光刻用準分子激光器為主。盛方科技產(chǎn)品以大、中、小功率準分子激光器為主，并提供準分子激光應用系統(tǒng)和設備。
結(jié) 語
準分子激光誕生50年來，從實驗室一步步走向應用，目前已經(jīng)在工業(yè)、醫(yī)療、科研等行業(yè)廣泛使用。相比固體激光器和光纖激光器，準分子激光器缺點明顯：體積大、結(jié)構(gòu)復雜、需要定期更換工作氣體，但因其在紫外波段的大能量和大功率輸出優(yōu)勢，在諸多重點領域發(fā)揮著不可替代的作用，并且還在不斷開辟出新的應用方向。正如Ludolf Herbst等激光專家的觀點：準分子激光從未被看好,但多領域獨領風騷。降低使用成本、提高可維護性仍是準分子激光提升的方向。
個人簡介
游利兵，博士，深圳技術(shù)大學教授/中科院合肥物質(zhì)科學研究院研究員，長期從事準分子激光技術(shù)及應用研究，先后主持和參與國家科技重大專項、國家重大科研儀器研制項目、國家自然科學基金、中科院儀器研制等項目。目前任中國光學學會高級會員、中國電源學會特種電源專委會委員、中國感光學會影像信息專委會委員。
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