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準分(fen)子(zi)激光具(ju)有波(bo)長短、能量大(da)、脈(mo)寬窄、功(gong)(gong)率高(gao)等特點，是目前紫外(wai)波(bo)段輸出功(gong)(gong)率最大(da)的激光器，廣泛應用于(yu)工業(ye)、醫療和科研(yan)領域，包(bao)括半(ban)導體光刻、平板顯示制造(zao)、眼科屈光度校(xiao)正、血栓(shuan)消融(rong)等。

自1970年首次(ci)獲得準分子(zi)(zi)激(ji)(ji)光輸出(chu)以來，準分子(zi)(zi)激(ji)(ji)光技術(shu)得到不(bu)斷發(fa)展。特別(bie)是(shi)稀有(you)氣(qi)體鹵化物準分子(zi)(zi)激(ji)(ji)光器，由于其(qi)紫外波段輸出(chu)效率高(gao)、脈(mo)沖能(neng)量大(da)、工作(zuo)穩定等特點，器件技術(shu)發(fa)展迅速并得到廣(guang)泛(fan)的應用。例(li)如，半導體光刻采用的主要是(shi)248 nm KrF和193 nm ArF準分子激光，面板(ban)顯示(shi)低溫多晶硅退火主要使用308 nm XeCl準分子激(ji)光(guang)，眼(yan)科屈光(guang)度校正(zheng)手術(shu)主要采(cai)用193 nm ArF準(zhun)分子激光。

圖1 準分(fen)子激(ji)光主要(yao)應用領域

準(zhun)分子(zi)是(shi)一種在(zai)激發態(tai)復合成分子(zi), 而在(zai)基態(tai)離解成原子的不穩(wen)定(ding)締合物。準(zhun)分子激光(guang)躍遷發生在(zai)束縛的激發態(tai)到排斥的基態(tai), 屬于(yu)束縛—自由躍遷。準分子英文(wen)名稱Excimer是“Excited Dimer”的(de)縮寫。Excimer原單指二聚體的同(tong)核(he)準(zhun)(zhun)分(fen)(fen)子，后來(lai)誕生的稀有氣體鹵化物(wu)等異核(he)準(zhun)(zhun)分(fen)(fen)子被稱為Exciplexes（Excited Complexes）。但出(chu)于習慣的(de)叫(jiao)法，后來所有準(zhun)分子都(dou)被稱為Excimer。

1.準分子激光基本能級(ji)和發射(she)波長

圖2為典(dian)型的準分子位能(neng)曲線，X為排斥基態(tai)，B為最低激發(fa)態，C為更高的激(ji)發態。準分子的特(te)征譜是由B態到排斥基態X的躍(yue)遷。一(yi)般(ban)情(qing)況下，B態(tai)自發輻射壽命(ming)為幾十納秒，而基態(tai)X在10-13 s內(nei)便離解，是(shi)振動弛豫時間的(de)量級，本(ben)質上是(shi)量子效(xiao)率很(hen)高的(de)激(ji)光器。

圖2 典型準分子位能曲線

不同工作(zuo)介質的準分子(zi)激光(guang)發(fa)射(she)波長(chang)不同，發(fa)射(she)波長(chang)及帶寬如圖(tu)3所示：

圖3 各類準分子(zi)激光發射波(bo)長及光子(zi)能量示意圖(tu)

理論上(shang)說(shuo)，準分子(zi)激光(guang)可以覆蓋(gai)從深紫外126 nm到可見波(bo)段約670 nm。但(dan)常用(yong)的(de)準分子激(ji)光波長主要(yao)處于紫外(wai)波段。

常用準分子(zi)介質(zhi)類(lei)型和(he)輸出(chu)波長：

2.準(zhun)分子激光基(ji)本(ben)結(jie)構

準分子激光器(qi)大都工作在(zai)紫外波段，且(qie)上能級(ji)壽命僅10-8 s量級，對激勵技(ji)術提出(chu)了(le)較高要求。激光介質的激勵功(gong)率密度一般需要高達MW/cm2，可以(yi)采用的激(ji)(ji)勵(li)手段主要有(you)：電(dian)(dian)子(zi)束激(ji)(ji)勵(li)、放電(dian)(dian)激(ji)(ji)勵(li)和微波激(ji)(ji)勵(li)。

常用的準分子(zi)激光器(qi)均(jun)采用高(gao)壓快放電激勵，基本結(jie)構(gou)如圖4所示，主要包括：整機控制系(xi)統(tong)、激(ji)(ji)勵(li)源(yuan)、放(fang)電(dian)腔(qiang)、諧振腔(qiang)、水電(dian)氣輔助(zhu)系(xi)統(tong)。光(guang)刻(ke)用(yong)準分子激(ji)(ji)光(guang)器一般還包括線(xian)寬壓(ya)(ya)窄模(mo)塊、脈(mo)沖(chong)展寬模(mo)塊等。激(ji)(ji)勵(li)源(yuan)產生高(gao)壓(ya)(ya)快脈(mo)沖(chong)，通過放(fang)電(dian)腔(qiang)對(dui)工作氣體放(fang)電(dian)激(ji)(ji)勵(li)形成粒子數反轉，由于增益較大，一般采用(yong)平-平結構的諧(xie)振腔形成(cheng)激光輸出。輔(fu)助系(xi)統(tong)提供配電、工(gong)作(zuo)氣(qi)體(ti)(ti)、冷卻水等，激光器整體(ti)(ti)運(yun)行(xing)由(you)整機控制系(xi)統(tong)控制。

圖(tu)4 常用準分子激光器(qi)基(ji)本結構

3.準分子激(ji)光(guang)應用

1）工業應用

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(ti)光刻是準分子激光最重要(yao)的工業應用領域之一。248 nm KrF準(zhun)分子激光(guang)(guang)(guang)是最早引(yin)入光(guang)(guang)(guang)刻的準(zhun)分子光(guang)(guang)(guang)源(yuan)，主要應用于180 nm~100 nm工藝。后續193 nm ArF準(zhun)分子激光廣泛應(ying)用于90 nm及以(yi)下節點半導體(ti)量產(chan)。通過浸沒式技術、雙圖形技術、多圖形等(deng)先進技術，193 nm ArF準(zhun)分(fen)子激光可應用于(yu)光刻10 nm節點(dian)量(liang)產(chan)。

圖5 半導體光刻機

平板(ban)(ban)顯示制造(zao)是準分(fen)子激光另一(yi)重(zhong)要的(de)工業(ye)應用領域。高(gao)端平板(ban)(ban)顯示制造(zao)中的(de)準分(fen)子激光退火技(ji)術（ELA）采用308 nm XeCl激光將基板(ban)由非晶(jing)硅(gui)薄膜轉變成高(gao)質量多晶(jing)硅(gui)薄膜，從而大幅(fu)度提高(gao)TFT（薄膜晶體(ti)管）性能，是(shi)目前高(gao)端顯示技術(shu)LTPS TFT-LCD（低溫(wen)多(duo)晶硅薄膜晶體管液(ye)晶顯(xian)示）和(he)AMOLED（主動矩陣有機發光二(er)極(ji)管顯示）的(de)標準工藝。

柔(rou)性顯示制造(zao)過(guo)程中，采用308 nm XeCl激(ji)光將(jiang)柔性基底從玻(bo)璃等硬質基板上剝離也(ye)是準分(fen)子激(ji)光一項重要的工業應用。

圖6 準分(fen)子(zi)激光(guang)退火(huo)用(yong)于(yu)平板顯示(shi)制造

圖7 準分子激光用于柔性(xing)顯示PI基底(di)剝(bo)離

準分(fen)子(zi)激光在表(biao)面處(chu)理(li)(li)行業(ye)也有著廣泛的應用。發動機(ji)制(zhi)造行業(ye)，準分(fen)子(zi)激光表(biao)面處(chu)理(li)(li)工藝可以提高(gao)發動機(ji)燃料效(xiao)率，減少(shao)長期(qi)磨損(sun)，從(cong)而可以減小燃油消耗及(ji)有害粒子(zi)釋放，進一步節省資源(yuan)并保護環境(jing)。

常(chang)用準(zhun)分子激光光子能(neng)量從3.5eV（351 nm）到7.9eV（157 nm）,能有效打(da)斷(duan)材(cai)料組織中(zhong)的化學鍵。與大(da)多數紅外激(ji)光不同，準分子激(ji)光通過(guo)激(ji)光誘導的化學過(guo)程對材(cai)料進行(xing)光解切除(photo ablation)，避免了紅外波段(duan)激光加工中的(de)熱(re)效應(ying)以及激光生物組(zu)織切(qie)除中對(dui)周圍組(zu)織的(de)破壞，具(ju)有“冷加工”的特點。因(yin)此(ci)在工業(ye)微加(jia)工領域有較廣泛的應用，包括：微電子封裝(zhuang)、光纖光柵制備、微切割、微鉆孔等。

2）醫療應用

193 nm ArF準分子(zi)激光單光子(zi)能量為6.4eV，而人眼睛角(jiao)膜組織中(zhong)肽鍵(jian)與碳鏈分子鍵(jian)的(de)結合能量僅為3.4eV。因此ArF準分子激光能輕松地(di)打斷角膜生物(wu)組(zu)織(zhi)分子的化學鍵，對角膜組(zu)織(zhi)實施“光化(hua)學切削”。

從理論上講，激光波(bo)長越短，其單光子能量越高，所伴(ban)發的(de)(de)切口周圍的(de)(de)熱損傷就越少。193 nm的(de)ArF激光最(zui)接近人眼角膜(mo)及鞏(gong)膜(mo)組織的最(zui)大(da)吸收峰(feng)190 nm，使得這種激光照射到角膜組織(zhi)中時(shi)，絕(jue)大部分(fen)在(zai)小于5 m的(de)(de)(de)極小距離內(nei)被吸收，幾乎不引起對角膜周邊(bian)和(he)內(nei)部組織的(de)(de)(de)損傷(shang)，使其在醫學特別是眼(yan)科方(fang)面有重要的(de)(de)(de)用途，已廣泛應用于眼(yan)科激(ji)光手術(shu)。

圖8 準(zhun)分子激光用于人眼(yan)屈光度矯正手術

在治(zhi)療(liao)白癜風等(deng)皮膚病方面(mian)，準分子激光可(ke)使病變細胞凋亡，并促進色(se)素的合成(cheng)，治(zhi)療(liao)時間短，有效率高。準分子激光除在皮膚醫療(liao)中應(ying)用，還在心血(xue)管治(zhi)療(liao)和神經外科手術等(deng)方面(mian)都有廣泛的應(ying)用。

3）科研及(ji)其它方(fang)面應用

準(zhun)分子(zi)激(ji)(ji)光(guang)(guang)在(zai)激(ji)(ji)光(guang)(guang)誘導熒光(guang)(guang)、激(ji)(ji)光(guang)(guang)脈沖(chong)沉積(ji)、激(ji)(ji)光(guang)(guang)化(hua)學氣相沉積(ji)和激(ji)(ji)光(guang)(guang)誘導刻蝕等(deng)科(ke)研方面有著廣(guang)泛的應(ying)用。

準分(fen)子輻(fu)射波長處于紫外波段、脈寬窄和(he)峰值(zhi)功(gong)率高，材料(liao)對(dui)準分(fen)子激光具有(you)良(liang)好的吸收，可以對(dui)材料(liao)進(jin)行很好的消(xiao)融和(he)剝(bo)離作用，使得準分(fen)子激光成為激光剝(bo)蝕（LA）、脈沖(chong)激光沉(chen)積鍍膜技(ji)術（PLD）和激光輔助化學氣(qi)相(xiang)沉積（LA-CVD）中的首(shou)選光源。

此(ci)外(wai)(wai)，準分(fen)(fen)子激(ji)光(guang)(guang)(guang)還應(ying)用于等離子體物理研(yan)究(jiu)、高(gao)溫超導、光(guang)(guang)(guang)激(ji)發(fa)質(zhi)譜研(yan)究(jiu)、同位素(su)分(fen)(fen)離、抽運染(ran)料激(ji)光(guang)(guang)(guang)實現超短(duan)脈沖研(yan)究(jiu)、慣性約束核聚變光(guang)(guang)(guang)源(yuan)和非(fei)線性光(guang)(guang)(guang)學特性的研(yan)究(jiu)。另外(wai)(wai)，準分(fen)(fen)子激(ji)光(guang)(guang)(guang)器作(zuo)為有效的紫外(wai)(wai)輻射光(guang)(guang)(guang)源(yuan)應(ying)用于高(gao)靈敏度大(da)氣探測(ce)和環(huan)境檢測(ce)，如激(ji)光(guang)(guang)(guang)質(zhi)譜技術、激(ji)光(guang)(guang)(guang)誘導熒光(guang)(guang)(guang)檢測(ce)技術和紫外(wai)(wai)差分(fen)(fen)吸收光(guang)(guang)(guang)譜技術等。

圖9 準分子激(ji)光剝蝕用(yong)于質譜和光譜元素分析

4.準分子激光國內(nei)外發展現狀

早在(zai)激光器剛剛出(chu)現(xian)的1960年(nian)，F.G.Houtermans便(bian)提出了準(zhun)分子(zi)束(shu)縛－自(zi)由電子(zi)躍遷產生(sheng)增(zeng)益的思想，即以準(zhun)分子(zi)為激活介質實現激光(guang)振蕩(dang)。1970年俄(e)羅斯的H.G.Bosov采用強(qiang)流(liu)電子束激發液態(tai)氙得到Xe2準分(fen)子(zi)激(ji)光輸出，這是(shi)首次用準分(fen)子(zi)躍遷(qian)得到(dao)激(ji)光振蕩。之后(hou)，美(mei)國(guo)勞倫斯(si)利佛莫爾國(guo)家實驗(yan)室(shi)、洛斯(si)阿拉(la)莫斯(si)國(guo)家實驗(yan)室(shi)、美(mei)國(guo)海軍實驗(yan)室(shi)、日本電子(zi)技術實驗(yan)室(shi)、英(ying)國(guo)盧瑟福實驗(yan)室(shi)、哥廷根大(da)學、東京大(da)學、俄羅斯(si)科學院(yuan)等相(xiang)繼開(kai)展了大(da)量準分(fen)子(zi)激(ji)光相(xiang)關研究。

我國準分子(zi)激光技術(shu)的研究工作開始于1977年(nian)。中(zhong)國科學(xue)(xue)院(yuan)安徽(hui)光(guang)(guang)學(xue)(xue)精(jing)(jing)密機械(xie)研(yan)(yan)究所和上(shang)海光(guang)(guang)學(xue)(xue)精(jing)(jing)密機械(xie)研(yan)(yan)究所較早對準(zhun)分(fen)(fen)子(zi)激光(guang)(guang)技術(shu)開展了(le)大量研(yan)(yan)究。原子(zi)能科學(xue)(xue)研(yan)(yan)究院(yuan)和西北核技術(shu)研(yan)(yan)究所進行了(le)電子(zi)束抽運的(de)百(bai)焦耳級高功率準(zhun)分(fen)(fen)子(zi)研(yan)(yan)究。國內其(qi)它單位如中(zhong)國科學(xue)(xue)院(yuan)長春光(guang)(guang)學(xue)(xue)精(jing)(jing)密機械(xie)研(yan)(yan)究所、華中(zhong)科技大學(xue)(xue)等也開展了(le)較多研(yan)(yan)究工作。

我國“七(qi)五”、“八五”、“九五”期間對準分子激光技(ji)術進(jin)行大量科技(ji)攻(gong)關，技(ji)術水平(ping)與國(guo)外差距(ju)較(jiao)小(xiao)，但之后十余年缺乏研究資金(jin)的投入，我國(guo)準分子激光技(ji)術水平(ping)與國(guo)外產生了(le)較(jiao)大差距(ju)。從 2009 年(nian)起，在國(guo)(guo)家(jia)科技重大專項的支持下，由中國(guo)(guo)科學(xue)院光(guang)電(dian)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)院牽頭，安徽光(guang)學(xue)精密(mi)機(ji)(ji)械研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)所、上海光(guang)學(xue)精密(mi)機(ji)(ji)構研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)所、長春光(guang)學(xue)精密(mi)機(ji)(ji)械與物理研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)所、光(guang)電(dian)技術研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)所、華中科技大學(xue)等單位開(kai)始半導體光(guang)刻用準分子(zi)激光(guang)器研(yan)發(fa)。

目前(qian)準分子激光器主要生產廠家有：美國的Coherent（收購德國的Lambda Physik和Tui Laser）、Gam laser，荷蘭的(de)ASML（收(shou)購美國的Cymer），日(ri)本的Gigaphoton，加拿大的LightMachinery（原Lumonics），德國ATL、MLase，俄羅斯Opto System，我國北(bei)京科益虹源光電技術有(you)限公司(si)、深(shen)圳盛(sheng)方科技有(you)限公司(si)。

Coherent是(shi)目前全(quan)球最(zui)大(da)的準(zhun)分(fen)子(zi)激(ji)光器(qi)提(ti)供商，除光刻(ke)用高重頻(pin)準(zhun)分(fen)子(zi)激(ji)光器(qi)外，該公司產品幾乎(hu)可以全(quan)部覆蓋(gai)。Cymer和(he)Gigaphoton主(zhu)要(yao)生(sheng)產光刻用(yong)高重頻準分子激光器，銷量分列第(di)一和第(di)二。ASML作為全球最大(da)的光刻機供應商，從戰略角度考(kao)慮(lv)收購了(le)Cymer。其它如(ru)Gam laser、LightMachinery、ATL、MLase、Opto System等公司(si)，產品主要集中在(zai)常規(gui)的中、小功(gong)率(lv)準(zhun)(zhun)分子激(ji)(ji)光(guang)器(qi)。科(ke)益虹源是國家科(ke)技重大(da)專項(xiang)技術轉化公司(si)，主要產品以光(guang)刻用(yong)準(zhun)(zhun)分子激(ji)(ji)光(guang)器(qi)為(wei)主。盛方科(ke)技產品以大(da)、中、小功(gong)率(lv)準(zhun)(zhun)分子激(ji)(ji)光(guang)器(qi)為(wei)主，并提供(gong)準(zhun)(zhun)分子激(ji)(ji)光(guang)應用(yong)系(xi)統和設(she)備。

結 語

準分子(zi)激光誕生(sheng)50年(nian)來，從實驗室一步步走向應用，目前已經在(zai)工業、醫療(liao)、科研等行業廣泛使用。相比固體(ti)(ti)激(ji)光(guang)器和(he)(he)光(guang)纖激(ji)光(guang)器，準分子激(ji)光(guang)器缺(que)點(dian)(dian)明顯：體(ti)(ti)積(ji)大(da)(da)、結構復(fu)雜、需要定期更換(huan)工作氣體(ti)(ti)，但因(yin)其(qi)在(zai)紫外(wai)波(bo)段的(de)大(da)(da)能量和(he)(he)大(da)(da)功率輸出優(you)勢，在(zai)諸多重點(dian)(dian)領域發揮著不可替代的(de)作用，并(bing)且還(huan)在(zai)不斷開辟出新(xin)的(de)應用方向。正如Ludolf Herbst等激光專家的觀點：準分子(zi)激光從(cong)未(wei)被看好,但多(duo)領域獨領風騷。降低(di)使用成本、提高可維護性仍是(shi)準分子激光提升(sheng)的(de)方向。