準(zhǔn)分子激光器作為傳統(tǒng)的激光器家族成員，按氣體激光介質(zhì)種類(lèi)可分為四類(lèi)：１）稀有氣體準(zhǔn)分子激光器，２）稀有氣體鹵化物準(zhǔn)分子激光器，３）鹵素氣體準(zhǔn)分子激光器，４）稀有氣體和鹵素氣體三原子準(zhǔn)分子激光器?，F(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的是采用放電激勵(lì)的稀有氣體鹵化物準(zhǔn)分子激光器，如XeF、XeCl、KrF、ArF等。準(zhǔn)分子激光器由激光介質(zhì)和激勵(lì)方式等決定了準(zhǔn)分子激光具有波長(zhǎng)短（351nm、308nm、248nm、193 nm等紫外波段）、功率高、能量大（單脈沖能量可達(dá)焦耳量級(jí)）、輸出脈沖短、光斑面積大、光斑分布較均勻等特點(diǎn)。基于這些特點(diǎn)，準(zhǔn)分子激光在工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。如工業(yè)上的集成電路光刻、TFT平板顯示器制造過(guò)程中的低溫多晶硅退火、MEMS微加工、LED激光剝離、光纖光柵刻蝕等，而在醫(yī)學(xué)上的重要應(yīng)用則是眾所周知的LASIK眼科手術(shù)和最近興起的準(zhǔn)分子激光白癜風(fēng)皮膚治療。

我國(guó)準(zhǔn)分子激光技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)工作開(kāi)始于上世紀(jì)70年代末期。中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、華中科技大學(xué)等單位較早對(duì)準(zhǔn)分子激光技術(shù)開(kāi)展了大量研究，中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所和上海光學(xué)精密機(jī)械研究所還分別開(kāi)發(fā)出了實(shí)用化準(zhǔn)分子激光器。中國(guó)早期的準(zhǔn)分子激光技術(shù)水平與國(guó)外差距較小，但之后由于缺乏資金投入和市場(chǎng)化運(yùn)作，我國(guó)準(zhǔn)分子激光技術(shù)水平、特別是應(yīng)用水平與國(guó)外差距拉大。近年來(lái)隨著國(guó)家戰(zhàn)略投資（國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)等）和新興市場(chǎng)的需求，準(zhǔn)分子激光在中國(guó)迎來(lái)了新的發(fā)展時(shí)期。

一、準(zhǔn)分子激光的傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用—半導(dǎo)體集成電路光刻

集成電路光刻是準(zhǔn)分子激光器最大的用武之地。光刻工藝作為集成電路制造工藝中重要的一環(huán)，依附于全球巨大的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，準(zhǔn)分子激光器的產(chǎn)值在整個(gè)激光加工產(chǎn)業(yè)中占有一定的市場(chǎng)份額。根據(jù)金融危機(jī)前2007 年的統(tǒng)計(jì)光刻用準(zhǔn)分子激光器的年銷(xiāo)售額就達(dá)約4億美元,其市場(chǎng)占有率在所有工業(yè)應(yīng)用激光器( 非激光二極管) 中名列第三, 僅次于固體激光器和CO2 激光器。

半導(dǎo)體集成電路技術(shù)按照摩爾定律的規(guī)律發(fā)展的同時(shí)，光刻技術(shù)也隨之不斷發(fā)展。自從上世紀(jì)90年代光刻光源由436nm（g線）、365nm（i線）過(guò)渡到248nm（KrF）和193nm（ArF）準(zhǔn)分子激光，光刻就進(jìn)入了準(zhǔn)分子激光時(shí)代，而這個(gè)時(shí)代由于技術(shù)上跳過(guò)了157nm以及13.5nmEUV極紫外的技術(shù)瓶頸造成推延，使得193nm準(zhǔn)分子激光得以長(zhǎng)期主宰光刻光源，促成了準(zhǔn)分子激光器市場(chǎng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。

隨著半導(dǎo)體集成電路集成度的提高半導(dǎo)體器件尺寸的縮小，特別是半導(dǎo)體集成電路進(jìn)入32 nm 節(jié)點(diǎn), 193nm ArF準(zhǔn)分子激光保持了其光刻光源主流地位,并有望應(yīng)用到更低的22 nm 節(jié)點(diǎn)和16 nm節(jié)點(diǎn)。193nm ArF準(zhǔn)分子激光在半導(dǎo)體光刻中的強(qiáng)大生命力得益于近年來(lái)光刻工藝在不斷創(chuàng)新。最重要的創(chuàng)新技術(shù)就是引入了193nm浸沒(méi)式光刻技術(shù)（圖1），該技術(shù)在傳統(tǒng)的干式光刻（鏡頭與光刻膠之間為空氣介質(zhì)）的基礎(chǔ)上通過(guò)引入液體介質(zhì)改變折射率提高系統(tǒng)分辨率。相應(yīng)的創(chuàng)新技術(shù)還有突破傳統(tǒng)的單掩模一次曝光技術(shù)，采用雙圖形技術(shù)（DP）和多圖形技術(shù)（MP）。國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖2013公布的路線圖（圖2）給出的半導(dǎo)體器件尺寸節(jié)點(diǎn)的縮小和對(duì)應(yīng)的工藝路線，在DRAM和MPU的相關(guān)16nm節(jié)點(diǎn)工藝中，193nm多圖形光刻工藝任然是選項(xiàng)之一。

目前國(guó)際上高端光刻機(jī)的供應(yīng)商并不多，主要是荷蘭的ASML公司和日本的尼康公司。圖3是荷蘭ASML公司1960Bi型號(hào)光刻機(jī)，這是目前用于32nm節(jié)點(diǎn)的最先進(jìn)的193nm準(zhǔn)分子激光光刻機(jī)型之一。

作為光刻機(jī)光源的193nmArF準(zhǔn)分子激光器技術(shù)水平也隨著半導(dǎo)體集成度提高不斷提高。隨著光刻節(jié)點(diǎn)尺寸的不斷縮小，需要準(zhǔn)分子激光有更加穩(wěn)定的窄譜線寬度、更大的輸出功率、更高的劑量穩(wěn)定性和更長(zhǎng)的氣體壽命。為了同時(shí)保證譜線寬度和功率的要求，目前先進(jìn)的光刻機(jī)都是采用振蕩-放大技術(shù)的雙腔結(jié)構(gòu)。光譜帶寬衡量指標(biāo)E95的大小及穩(wěn)定性是激光的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)于32 nm 節(jié)點(diǎn)光刻,目前E95都控制在小于0.35pm，脈沖重復(fù)頻率可以達(dá)到6000Hz，激光輸出功率達(dá)到90W。

作者簡(jiǎn)介：

方曉東，中國(guó)科學(xué)院安徽光機(jī)所激光技術(shù)研究中心主任。2000年在日本大阪大學(xué)取得工學(xué)博士學(xué)位。中科院“百人計(jì)劃”入選者。曾就職日本日立公司任高級(jí)工程師和中國(guó)區(qū)市場(chǎng)技術(shù)部高級(jí)經(jīng)理、日本大阪大學(xué)客座教授、中國(guó)科技大學(xué)教授。主要研究方向是準(zhǔn)分子激光技術(shù)和應(yīng)用、半導(dǎo)體薄膜材料與器件。主持了國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)課題、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目，發(fā)表SCI、EI學(xué)術(shù)論文一百多篇，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利30余項(xiàng)。目前任中國(guó)感光學(xué)會(huì)常務(wù)理事、中國(guó)光刻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事、安徽省光學(xué)學(xué)會(huì)理事、安徽省生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)等職。