準(zhǔn)分子激光具有波長短、能量大、脈寬窄、功率高等特點(diǎn)，是目前紫外波段輸出功率最大的激光器，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療和科研領(lǐng)域，包括半導(dǎo)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(zhǔn)分子激光輸出以來，準(zhǔn)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(zhǔn)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(diǎn)，器件技術(shù)發(fā)展迅速并得到廣泛的應(yīng)用。例如，半導(dǎo)體光刻采用的主要是248 nm KrF和193 nm ArF準(zhǔn)分子激光，面板顯示低溫多晶硅退火主要使用308 nm XeCl準(zhǔn)分子激光，眼科屈光度校正手術(shù)主要采用193 nm ArF準(zhǔn)分子激光。

圖1 準(zhǔn)分子激光主要應(yīng)用領(lǐng)域

準(zhǔn)分子是一種在激發(fā)態(tài)復(fù)合成分子, 而在基態(tài)離解成原子的不穩(wěn)定締合物。準(zhǔn)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(zhǔn)分子英文名稱Excimer是“Excited Dimer”的縮寫。Excimer原單指二聚體的同核準(zhǔn)分子，后來誕生的稀有氣體鹵化物等異核準(zhǔn)分子被稱為Exciplexes（Excited Complexes）。但出于習(xí)慣的叫法，后來所有準(zhǔn)分子都被稱為Excimer。

一

準(zhǔn)分子激光基本能級(jí)和發(fā)射波長

圖2為典型的準(zhǔn)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(zhǔn)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(dòng)弛豫時(shí)間的量級(jí)，本質(zhì)上是量子效率很高的激光器。

圖2 典型準(zhǔn)分子位能曲線

不同工作介質(zhì)的準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光發(fā)射波長及光子能量示意圖

理論上說，準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光波長主要處于紫外波段。

常用準(zhǔn)分子介質(zhì)類型和輸出波長：

二

準(zhǔn)分子激光基本結(jié)構(gòu)

準(zhǔn)分子激光器大都工作在紫外波段，且上能級(jí)壽命僅10-8 s量級(jí)，對(duì)激勵(lì)技術(shù)提出了較高要求。激光介質(zhì)的激勵(lì)功率密度一般需要高達(dá)MW/cm2，可以采用的激勵(lì)手段主要有：電子束激勵(lì)、放電激勵(lì)和微波激勵(lì)。

常用的準(zhǔn)分子激光器均采用高壓快放電激勵(lì)，基本結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括：整機(jī)控制系統(tǒng)、激勵(lì)源、放電腔、諧振腔、水電氣輔助系統(tǒng)。光刻用準(zhǔn)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(lì)源產(chǎn)生高壓快脈沖，通過放電腔對(duì)工作氣體放電激勵(lì)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(yùn)行由整機(jī)控制系統(tǒng)控制。

圖4 常用準(zhǔn)分子激光器基本結(jié)構(gòu)

三

準(zhǔn)分子激光應(yīng)用

01

工業(yè)應(yīng)用

準(zhǔn)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(diǎn)，使其成為性能優(yōu)異的刻蝕光源。而且許多聚合物在準(zhǔn)分子運(yùn)轉(zhuǎn)的紫外波段有非常強(qiáng)的吸收系數(shù)，也能獲得高的刻蝕效率。

半導(dǎo)體光刻是準(zhǔn)分子激光最重要的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域之一。248 nm KrF準(zhǔn)分子激光是最早引入光刻的準(zhǔn)分子光源，主要應(yīng)用于180 nm~100 nm工藝。后續(xù)193 nm ArF準(zhǔn)分子激光廣泛應(yīng)用于90 nm及以下節(jié)點(diǎn)半導(dǎo)體量產(chǎn)。通過浸沒式技術(shù)、雙圖形技術(shù)、多圖形等先進(jìn)技術(shù)，193 nm ArF準(zhǔn)分子激光可應(yīng)用于光刻10 nm節(jié)點(diǎn)量產(chǎn)。

圖5 半導(dǎo)體光刻機(jī)

平板顯示制造是準(zhǔn)分子激光另一重要的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。高端平板顯示制造中的準(zhǔn)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(dòng)矩陣有機(jī)發(fā)光二極管顯示）的標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光一項(xiàng)重要的工業(yè)應(yīng)用。

圖6 準(zhǔn)分子激光退火用于平板顯示制造

圖7 準(zhǔn)分子激光用于柔性顯示PI基底剝離

準(zhǔn)分子激光在表面處理行業(yè)也有著廣泛的應(yīng)用。發(fā)動(dòng)機(jī)制造行業(yè)，準(zhǔn)分子激光表面處理工藝可以提高發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)一步節(jié)省資源并保護(hù)環(huán)境。

常用準(zhǔn)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(xué)鍵。與大多數(shù)紅外激光不同，準(zhǔn)分子激光通過激光誘導(dǎo)的化學(xué)過程對(duì)材料進(jìn)行光解切除(photo ablation)，避免了紅外波段激光加工中的熱效應(yīng)以及激光生物組織切除中對(duì)周圍組織的破壞，具有“冷加工”的特點(diǎn)。因此在工業(yè)微加工領(lǐng)域有較廣泛的應(yīng)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(yīng)用

193 nm ArF準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光能輕松地打斷角膜生物組織分子的化學(xué)鍵，對(duì)角膜組織實(shí)施“光化學(xué)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(shí)，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(duì)角膜周邊和內(nèi)部組織的損傷，使其在醫(yī)學(xué)特別是眼科方面有重要的用途，已廣泛應(yīng)用于眼科激光手術(shù)。

圖8 準(zhǔn)分子激光用于人眼屈光度矯正手術(shù)

在治療白癜風(fēng)等皮膚病方面，準(zhǔn)分子激光可使病變細(xì)胞凋亡，并促進(jìn)色素的合成，治療時(shí)間短，有效率高。準(zhǔn)分子激光除在皮膚醫(yī)療中應(yīng)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(yīng)用。

03

科研及其它方面應(yīng)用

準(zhǔn)分子激光在激光誘導(dǎo)熒光、激光脈沖沉積、激光化學(xué)氣相沉積和激光誘導(dǎo)刻蝕等科研方面有著廣泛的應(yīng)用。

準(zhǔn)分子輻射波長處于紫外波段、脈寬窄和峰值功率高，材料對(duì)準(zhǔn)分子激光具有良好的吸收，可以對(duì)材料進(jìn)行很好的消融和剝離作用，使得準(zhǔn)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(xué)氣相沉積（LA-CVD）中的首選光源。

此外，準(zhǔn)分子激光還應(yīng)用于等離子體物理研究、高溫超導(dǎo)、光激發(fā)質(zhì)譜研究、同位素分離、抽運(yùn)染料激光實(shí)現(xiàn)超短脈沖研究、慣性約束核聚變光源和非線性光學(xué)特性的研究。另外，準(zhǔn)分子激光器作為有效的紫外輻射光源應(yīng)用于高靈敏度大氣探測(cè)和環(huán)境檢測(cè)，如激光質(zhì)譜技術(shù)、激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)技術(shù)和紫外差分吸收光譜技術(shù)等。

圖9 準(zhǔn)分子激光剝蝕用于質(zhì)譜和光譜元素分析

四

準(zhǔn)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(zhǔn)分子束縛－自由電子躍遷產(chǎn)生增益的思想，即以準(zhǔn)分子為激活介質(zhì)實(shí)現(xiàn)激光振蕩。

1970年俄羅斯的H.G.Bosov采用強(qiáng)流電子束激發(fā)液態(tài)氙得到Xe2準(zhǔn)分子激光輸出，這是首次用準(zhǔn)分子躍遷得到激光振蕩。之后，美國勞倫斯利佛莫爾國家實(shí)驗(yàn)室、洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室、美國海軍實(shí)驗(yàn)室、日本電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室、英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室、哥廷根大學(xué)、東京大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院等相繼開展了大量準(zhǔn)分子激光相關(guān)研究。

我國準(zhǔn)分子激光技術(shù)的研究工作開始于1977年。中國科學(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)械研究所較早對(duì)準(zhǔn)分子激光技術(shù)開展了大量研究。原子能科學(xué)研究院和西北核技術(shù)研究所進(jìn)行了電子束抽運(yùn)的百焦耳級(jí)高功率準(zhǔn)分子研究。國內(nèi)其它單位如中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械研究所、華中科技大學(xué)等也開展了較多研究工作。

我國“七五”、“八五”、“九五”期間對(duì)準(zhǔn)分子激光技術(shù)進(jìn)行大量科技攻關(guān)，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(zhǔn)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(xiàng)的支持下，由中國科學(xué)院光電研究院牽頭，安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所、上海光學(xué)精密機(jī)構(gòu)研究所、長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、光電技術(shù)研究所、華中科技大學(xué)等單位開始半導(dǎo)體光刻用準(zhǔn)分子激光器研發(fā)。

目前準(zhǔn)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(zhǔn)分子激光器提供商，除光刻用高重頻準(zhǔn)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(zhǔn)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(jī)供應(yīng)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(zhǔn)分子激光器?？埔婧缭词菄铱萍贾卮髮ｍ?xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)化公司，主要產(chǎn)品以光刻用準(zhǔn)分子激光器為主。盛方科技產(chǎn)品以大、中、小功率準(zhǔn)分子激光器為主，并提供準(zhǔn)分子激光應(yīng)用系統(tǒng)和設(shè)備。

結(jié) 語

準(zhǔn)分子激光誕生50年來，從實(shí)驗(yàn)室一步步走向應(yīng)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(zhǔn)分子激光器缺點(diǎn)明顯：體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)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(shì)，在諸多重點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用，并且還在不斷開辟出新的應(yīng)用方向。正如Ludolf Herbst等激光專家的觀點(diǎn)：準(zhǔn)分子激光從未被看好,但多領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。降低使用成本、提高可維護(hù)性仍是準(zhǔn)分子激光提升的方向。

個(gè)人簡介

游利兵，博士，深圳技術(shù)大學(xué)教授/中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研究員，長期從事準(zhǔn)分子激光技術(shù)及應(yīng)用研究，先后主持和參與國家科技重大專項(xiàng)、國家重大科研儀器研制項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、中科院儀器研制等項(xiàng)目。目前任中國光學(xué)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、中國電源學(xué)會(huì)特種電源專委會(huì)委員、中國感光學(xué)會(huì)影像信息專委會(huì)委員。