準分子激光(guang)具(ju)有(you)波(bo)長短、能量大、脈寬窄、功(gong)率高等特點，是目前紫外(wai)波(bo)段輸出功(gong)率最大的激光(guang)器，廣泛應用于工業(ye)、醫療(liao)和科(ke)研領域，包括(kuo)半(ban)導體光(guang)刻、平板顯(xian)示制造、眼(yan)科(ke)屈光(guang)度校正(zheng)、血栓(shuan)消融等。
自(zi)1970年首次獲得準(zhun)分(fen)子(zi)激光(guang)輸(shu)出(chu)以來，準(zhun)分(fen)子(zi)激光(guang)技術得到(dao)(dao)不(bu)斷發展。特別是稀有(you)氣體鹵化(hua)物準(zhun)分(fen)子(zi)激光(guang)器(qi)，由于其紫外波段輸(shu)出(chu)效率高、脈沖(chong)能量大、工作穩定等特點，器(qi)件(jian)技術發展迅(xun)速并得到(dao)(dao)廣泛的應用。例如，半導體光(guang)刻采用的主要是248 nm KrF和(he)193 nm ArF準分(fen)子激光，面板顯示(shi)低溫(wen)多晶硅(gui)退火主要使用308 nm XeCl準分(fen)子激(ji)光(guang)，眼科屈光(guang)度校正手(shou)術主要采用193 nm ArF準分(fen)子激光。
圖(tu)1 準分子(zi)激光主要應用領域
準分子是一種在激發(fa)態復合成分子, 而在(zai)基態離解成(cheng)原子的不穩定締合物。準分(fen)子激光(guang)躍遷(qian)發生(sheng)在(zai)束縛的激發態到排斥的基態, 屬于束(shu)縛(fu)—自由躍遷(qian)。準分子英文(wen)名稱(cheng)Excimer是“Excited Dimer”的縮(suo)寫。Excimer原單指二聚體的同核準(zhun)分子(zi)，后來誕生的稀有氣體鹵化物等異核準(zhun)分子(zi)被稱為(wei)Exciplexes（Excited Complexes）。但出于習慣的(de)叫法，后來所有準分子都被稱為Excimer。
1.準(zhun)分子激光(guang)基本能(neng)級(ji)和(he)發射(she)波長
圖2為典型的準分子位能曲(qu)線(xian)，X為排斥(chi)基態，B為最低激(ji)發態(tai)，C為更高的激發態。準分子的特(te)征(zheng)譜(pu)是由B態(tai)到排斥基態(tai)X的躍遷。一般(ban)情況下，B態(tai)自發(fa)輻(fu)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(dong)弛豫時間的(de)量級，本(ben)質上是(shi)量子效(xiao)率很高的(de)激光器。
圖2 典型準分(fen)子(zi)位能(neng)曲線(xian)
不同(tong)工(gong)作介(jie)質(zhi)的準分子激光發射波長不同(tong)，發射波長及帶寬如圖3所示：
圖(tu)3 各類準分子激光發射波長及光子能量示意(yi)圖(tu)
理論上說，準(zhun)分子激光可(ke)以覆蓋從(cong)深紫外126 nm到可見波段約(yue)670 nm。但常用的準分子激光波(bo)長主要處于紫外波(bo)段。
常用準分子介質類型和輸出波長：
2.準分子激光基本結構
準分(fen)子激(ji)光器(qi)大都工(gong)作在(zai)紫外波段，且上能級(ji)壽命僅10-8 s量級，對激勵技術提出了較高要求。激光介質的激勵功率密(mi)度一般(ban)需要高達MW/cm2，可(ke)以采用(yong)的激(ji)勵(li)手段主要有：電子束激(ji)勵(li)、放電激(ji)勵(li)和微波激(ji)勵(li)。
常用的準分(fen)子激光器均采用高壓快(kuai)放電(dian)激勵，基本(ben)結構如圖4所示，主要(yao)包括：整機控制(zhi)系(xi)統(tong)、激(ji)(ji)勵源(yuan)、放電腔、諧(xie)振腔、水電氣(qi)輔助系(xi)統(tong)。光(guang)刻用準分子激(ji)(ji)光(guang)器一般還包括線寬(kuan)壓(ya)窄模(mo)塊、脈沖展寬(kuan)模(mo)塊等。激(ji)(ji)勵源(yuan)產生(sheng)高壓(ya)快脈沖，通過放電腔對工作氣(qi)體放電激(ji)(ji)勵形成粒子數反轉，由于增(zeng)益(yi)較大，一般采用平(ping)-平結(jie)構的諧(xie)振(zhen)腔形成激(ji)光輸出。輔助系統(tong)(tong)提(ti)供配(pei)電、工作氣(qi)體(ti)(ti)、冷卻水(shui)等(deng)，激(ji)光器整體(ti)(ti)運(yun)行由整機控(kong)制系統(tong)(tong)控(kong)制。
圖4 常(chang)用(yong)準分子激光(guang)器(qi)基本結構
3.準分子激光應用
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。
半導體光刻是準(zhun)分子激(ji)光最(zui)重要(yao)的工業應用領域(yu)之一。248 nm KrF準分(fen)子激光(guang)是(shi)最早引入光(guang)刻的準分(fen)子光(guang)源，主要應用于180 nm~100 nm工藝。后(hou)續193 nm ArF準(zhun)分子激光廣(guang)泛(fan)應用于90 nm及(ji)以下(xia)節點半導體(ti)(ti)量產。通(tong)過浸沒(mei)式技術、雙圖(tu)(tu)形(xing)技術、多圖(tu)(tu)形(xing)等先進技術，193 nm ArF準分子激光可應用于光刻10 nm節點量產。
圖5 半(ban)導體光刻機
平板(ban)顯(xian)示制造是準分子激(ji)光另一重要的(de)工業應用領域(yu)。高端平板(ban)顯(xian)示制造中的(de)準分子激(ji)光退火技術（ELA）采(cai)用308 nm XeCl激(ji)光將(jiang)基板由非晶硅薄(bo)膜轉(zhuan)變(bian)成高質量多(duo)晶硅薄(bo)膜，從而大幅度提高TFT（薄膜晶體(ti)管）性能(neng)，是目前高端顯示(shi)技術(shu)LTPS TFT-LCD（低溫多晶硅薄膜晶體(ti)管液晶顯(xian)示）和AMOLED（主動矩陣有機發光二極管顯(xian)示）的(de)標準工藝。
柔性顯(xian)示制造過(guo)程中(zhong)，采(cai)用308 nm XeCl激光將柔性基底從玻璃等(deng)硬(ying)質(zhi)基板(ban)上剝離(li)也是準分(fen)子激光一項(xiang)重要的工業應用。
圖6 準分(fen)子激(ji)光(guang)退火用于平(ping)板顯示制造
圖7 準(zhun)分子激光用于柔性顯示PI基(ji)底剝離(li)
準(zhun)分(fen)(fen)子(zi)(zi)激(ji)光(guang)在表(biao)面(mian)處理(li)行(xing)業也有著廣泛的應用。發(fa)動機(ji)制造(zao)行(xing)業，準(zhun)分(fen)(fen)子(zi)(zi)激(ji)光(guang)表(biao)面(mian)處理(li)工(gong)藝可(ke)以(yi)提高發(fa)動機(ji)燃料(liao)效率，減少長期磨(mo)損，從而可(ke)以(yi)減小燃油消耗及有害粒子(zi)(zi)釋放，進(jin)一步節省(sheng)資源并保(bao)護環境。
常用準(zhun)分子激光(guang)光(guang)子能量從3.5eV（351 nm）到7.9eV（157 nm）,能有效打斷材(cai)料組織中的(de)(de)化學鍵。與大多數紅(hong)外激(ji)(ji)光不同(tong)，準分子激(ji)(ji)光通過激(ji)(ji)光誘導的(de)(de)化學過程對材(cai)料進行光解切除(photo ablation)，避免(mian)了(le)紅(hong)外波段激光加工中的(de)熱效(xiao)應以及激光生物組織切除中對(dui)周圍組織的(de)破(po)壞，具有“冷加工”的(de)特(te)點(dian)。因此在工(gong)業微加工(gong)領(ling)域有較廣泛的(de)應用，包括：微電子封裝、光纖光柵制備、微切(qie)割、微鉆(zhan)孔等。
2）醫療(liao)應用
193 nm ArF準分(fen)子(zi)激光單光子(zi)能(neng)量為(wei)6.4eV，而人(ren)眼(yan)睛(jing)角膜組織中肽鍵與(yu)碳鏈(lian)分(fen)子鍵的結合(he)能量僅為(wei)3.4eV。因此ArF準分子激光(guang)能(neng)輕(qing)松地打斷角(jiao)膜生物組織分子的化學(xue)鍵，對角(jiao)膜組織實(shi)施(shi)“光化學切削”。
從理論上講，激光(guang)波長越(yue)短，其單光(guang)子能量越(yue)高，所伴發的(de)切口(kou)周圍的(de)熱(re)損傷(shang)就越(yue)少。193 nm的ArF激(ji)光(guang)最(zui)接近人眼角(jiao)膜及(ji)鞏膜組(zu)織的最(zui)大(da)吸收峰190 nm，使(shi)得(de)這(zhe)種激光照(zhao)射到(dao)角膜組織中時，絕大(da)部分在小(xiao)于(yu)5 m的(de)極(ji)小距離內(nei)被(bei)吸收(shou)，幾乎不(bu)引(yin)起對角(jiao)膜周邊和內(nei)部組織的(de)損傷，使其在醫學特別(bie)是眼(yan)科方(fang)面有(you)重(zhong)要(yao)的(de)用(yong)途，已(yi)廣泛應用(yong)于眼(yan)科激(ji)光手術(shu)。
圖8 準分子(zi)激光用于(yu)人眼屈光度矯正手(shou)術
在治療白癜風(feng)等皮(pi)膚(fu)病(bing)方面，準分子激光可使(shi)病(bing)變(bian)細胞凋亡，并促進色素(su)的(de)(de)合(he)成，治療時(shi)間短，有效率高。準分子激光除在皮(pi)膚(fu)醫療中應(ying)用，還在心血(xue)管治療和神經(jing)外科手術等方面都有廣泛(fan)的(de)(de)應(ying)用。
3）科(ke)研(yan)及其它方(fang)面(mian)應用(yong)
準分子激(ji)光(guang)(guang)在激(ji)光(guang)(guang)誘導熒光(guang)(guang)、激(ji)光(guang)(guang)脈沖沉(chen)積、激(ji)光(guang)(guang)化學氣相(xiang)沉(chen)積和激(ji)光(guang)(guang)誘導刻蝕等科研方面(mian)有著(zhu)廣泛(fan)的應用。
準(zhun)分(fen)子輻射波長處于紫外(wai)波段、脈寬窄和(he)峰(feng)值功率高，材(cai)(cai)料對(dui)準(zhun)分(fen)子激(ji)光具有良(liang)好(hao)的(de)吸收，可以對(dui)材(cai)(cai)料進行很好(hao)的(de)消(xiao)融和(he)剝(bo)離作用(yong)，使得準(zhun)分(fen)子激(ji)光成(cheng)為激(ji)光剝(bo)蝕（LA）、脈(mo)沖激光沉積(ji)鍍(du)膜技術（PLD）和激光輔助化學氣相沉積(ji)（LA-CVD）中(zhong)的首(shou)選光源。
此外(wai)，準(zhun)分(fen)子激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)還應用于等離(li)子體物理研究(jiu)、高(gao)溫(wen)超導、光(guang)(guang)(guang)(guang)激(ji)發質譜(pu)(pu)研究(jiu)、同位素(su)分(fen)離(li)、抽運染料激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)實(shi)現超短脈(mo)沖研究(jiu)、慣(guan)性約束(shu)核聚變光(guang)(guang)(guang)(guang)源和(he)(he)非線性光(guang)(guang)(guang)(guang)學特(te)性的研究(jiu)。另外(wai)，準(zhun)分(fen)子激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)器作為有效的紫(zi)外(wai)輻射光(guang)(guang)(guang)(guang)源應用于高(gao)靈敏度(du)大氣探(tan)測和(he)(he)環境(jing)檢測，如激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)質譜(pu)(pu)技(ji)術、激(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)誘導熒光(guang)(guang)(guang)(guang)檢測技(ji)術和(he)(he)紫(zi)外(wai)差分(fen)吸收光(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)技(ji)術等。
圖9 準(zhun)分(fen)子激光剝蝕用于質譜(pu)和光譜(pu)元素分(fen)析
4.準分子激光國內外發展現(xian)狀
早在激光器剛剛出現的1960年，F.G.Houtermans便(bian)提出了準分子(zi)束縛－自(zi)由(you)電子(zi)躍遷產生增(zeng)益的(de)思(si)想，即以準分子(zi)為激活(huo)介質實現激光(guang)振蕩。1970年俄羅斯的H.G.Bosov采用強流(liu)電子束激發液態氙得到(dao)Xe2準分子激(ji)光(guang)(guang)輸(shu)出，這是首次用準分子躍遷得到激(ji)光(guang)(guang)振蕩。之后，美國(guo)勞倫斯(si)利佛莫爾(er)國(guo)家(jia)實驗(yan)室(shi)、洛斯(si)阿(a)拉莫斯(si)國(guo)家(jia)實驗(yan)室(shi)、美國(guo)海軍實驗(yan)室(shi)、日本電(dian)子技術實驗(yan)室(shi)、英國(guo)盧瑟福(fu)實驗(yan)室(shi)、哥廷(ting)根(gen)大學、東京大學、俄(e)羅(luo)斯(si)科學院等相(xiang)(xiang)繼(ji)開展了(le)大量準分子激(ji)光(guang)(guang)相(xiang)(xiang)關研究。
我國準分子激光技術的研究工作(zuo)開(kai)始于1977年。中(zhong)國科學(xue)院安徽光(guang)學(xue)精(jing)(jing)密機(ji)(ji)械(xie)研(yan)(yan)究(jiu)所和上(shang)海(hai)光(guang)學(xue)精(jing)(jing)密機(ji)(ji)械(xie)研(yan)(yan)究(jiu)所較早對準分子激光(guang)技(ji)術開(kai)展了大量(liang)研(yan)(yan)究(jiu)。原(yuan)子能科學(xue)研(yan)(yan)究(jiu)院和西(xi)北核技(ji)術研(yan)(yan)究(jiu)所進行了電子束抽運(yun)的百焦耳級(ji)高功率準分子研(yan)(yan)究(jiu)。國內其它單(dan)位如中(zhong)國科學(xue)院長春光(guang)學(xue)精(jing)(jing)密機(ji)(ji)械(xie)研(yan)(yan)究(jiu)所、華中(zhong)科技(ji)大學(xue)等也開(kai)展了較多(duo)研(yan)(yan)究(jiu)工作(zuo)。
我國(guo)“七五”、“八五”、“九五”期(qi)間對準分子激光技術(shu)進行(xing)大(da)量科技攻關，技術(shu)水平(ping)與(yu)國外(wai)(wai)差(cha)(cha)距較(jiao)(jiao)小(xiao)，但之(zhi)后十余年(nian)缺乏研究(jiu)資金的(de)投入，我國準分子激光技術(shu)水平(ping)與(yu)國外(wai)(wai)產生了較(jiao)(jiao)大(da)差(cha)(cha)距。從 2009 年起(qi)，在國家科技重大(da)專(zhuan)項的支持(chi)下(xia)，由中國科學(xue)(xue)院(yuan)光(guang)(guang)電研(yan)究院(yuan)牽頭，安徽光(guang)(guang)學(xue)(xue)精密機械研(yan)究所、上(shang)海光(guang)(guang)學(xue)(xue)精密機構研(yan)究所、長(chang)春光(guang)(guang)學(xue)(xue)精密機械與物理研(yan)究所、光(guang)(guang)電技術研(yan)究所、華中科技大(da)學(xue)(xue)等(deng)單位開始半導體(ti)光(guang)(guang)刻用準分(fen)子(zi)激光(guang)(guang)器研(yan)發。
目前準分(fen)子激光器主要(yao)生產廠家(jia)有：美國的Coherent（收購德國的Lambda Physik和(he)Tui Laser）、Gam laser，荷蘭的(de)ASML（收購(gou)美國的Cymer），日本(ben)的(de)Gigaphoton，加拿大的LightMachinery（原(yuan)Lumonics），德(de)國ATL、MLase，俄羅(luo)斯Opto System，我國北京科益(yi)虹源光電技術有(you)限(xian)公司、深圳盛方科技有(you)限(xian)公司。
Coherent是目(mu)前(qian)全球最大(da)的準分子激光(guang)器提供商，除(chu)光(guang)刻用(yong)高重頻準分子激光(guang)器外，該公司產品(pin)幾乎可以全部覆蓋。Cymer和Gigaphoton主要生產光刻用(yong)高重頻(pin)準分(fen)子激光器(qi)，銷量(liang)分(fen)列第一和第二。ASML作為全球(qiu)最大(da)的光(guang)刻(ke)機供應商，從戰略角度(du)考慮收購了(le)Cymer。其它如Gam laser、LightMachinery、ATL、MLase、Opto System等(deng)公(gong)司(si)，產(chan)品主(zhu)要集中在常規(gui)的中、小功(gong)率準(zhun)(zhun)分(fen)(fen)子(zi)激光器(qi)。科益虹源(yuan)是國(guo)家科技重(zhong)大專項技術轉化公(gong)司(si)，主(zhu)要產(chan)品以光刻用(yong)準(zhun)(zhun)分(fen)(fen)子(zi)激光器(qi)為主(zhu)。盛方科技產(chan)品以大、中、小功(gong)率準(zhun)(zhun)分(fen)(fen)子(zi)激光器(qi)為主(zhu)，并提(ti)供(gong)準(zhun)(zhun)分(fen)(fen)子(zi)激光應用(yong)系統和設備。
結 語
準分(fen)子激光誕(dan)生50年來，從實驗室一步(bu)步(bu)走向應用(yong)，目(mu)前已經在(zai)工業、醫療、科(ke)研等行業廣泛使用(yong)。相比固(gu)體(ti)激(ji)光器(qi)(qi)和光纖激(ji)光器(qi)(qi)，準分子激(ji)光器(qi)(qi)缺點明顯(xian)：體(ti)積大(da)(da)、結(jie)構復雜、需要定期更換工作(zuo)氣體(ti)，但因其在(zai)紫外(wai)波(bo)段的(de)大(da)(da)能(neng)量和大(da)(da)功率輸出優(you)勢，在(zai)諸(zhu)多重(zhong)點領域發揮著(zhu)不可替代的(de)作(zuo)用(yong)，并且還在(zai)不斷開辟出新的(de)應用(yong)方向。正如Ludolf Herbst等(deng)激光專家的觀點(dian)：準分子激光從未被看好,但多領域(yu)獨(du)領風騷。降低使用成本、提高(gao)可維護性仍是準分子激光提升的方向。
