導讀：

準分子激光具有波長短、能量大等特點，在集成電路光刻、材料加工、醫學、科研等領域具有重要的應用。與(yu) 國外先進水平相比，我國高端準分子激光技術仍存在較大差距。本文首先簡要介紹了準分子激光的特點和發展曆史，然後分析了國內(nei) 外準分子激光技術及相關(guan) 典型應用的發展現狀及需求，之後提出了我國準分子激光技術發展的主要問題。最後，針對相關(guan) 問題及需求，建議未來重點在基礎共性技術研究（高性能高端深紫外波段元器件設計、製備與(yu) 性能表征研究，放電動力學等基礎理論及驗證研究等）、長脈衝(chong) 、高重頻、大能量/ 功率技術、新興(xing) 或潛在應用領域及衍生技術等研究方麵繼續加大加深研究力度，為(wei) 我國準分子激光的自主可控發展奠定基礎。

一、前言

準分子是一種在激發態結合而基態離解的受激二聚體(ti) 。準分子激光的躍遷發生在束縛的激發態到排斥的基態，屬於(yu) 束縛 – 自由躍遷 [1]。其特點是基態不穩定，一般在振動弛豫時間內(nei) 便分解為(wei) 自由粒子，而其激發態以結合的形式出現並相對穩定，以輻射的形式衰減，因而準分子激光具有高增益的特點 [2]。準分子激光器是紫外波段大能量激光光源，是一種輻射脈寬為(wei) 幾十納秒的紫外氣體(ti) 激光器。由於(yu) 具有光子能量高、波長短、空間相幹性低（不易產(chan) 生幹涉條紋）等一係列優(you) 勢，準分子激光是目前最有效、適合大規模工業(ye) 生產(chan) 的深紫外光源，在集成電路光刻、醫療、材料加工、科研等領域具有廣泛的應用。

早在 1960 年，Houtermaus 就提出了以準分子為(wei) 工作介質實現激光振蕩的建議。1970 年，Basov 等首次采用強流電子束激發液態氙氣二聚體(ti) 得到Xe2 準分子激光輸出，激光波長為(wei) 172 nm [3]。此後 50 年來，準分子激光技術得到了迅速發展，先後 實 現 了 Kr2 （145.7 nm）、Ar2 （126.1 nm）、XeO（235 nm）、KrO（180 nm）、ArO（150 nm）、XeBr（282 nm）、XeF（351 nm）、KrF（248 nm）、ArF（193 nm）、XeCl（308 nm）、KrCl（222 nm）、ArCl（175 nm）等激光輻射 [4]。特別地，以預電離放電泵浦 ArF（193 nm）、KrF（248 nm）、XeCl（308 nm）為(wei) 代表的稀有氣體(ti) 鹵化物準分子激光的各項技術得到迅猛發展，實現了準分子激光的商業(ye) 化並廣泛應用於(yu) 科研、工業(ye) 、醫療等相關(guan) 領域 [5]。20 世紀 90 年代，隨著準分子激光引入半導體(ti) 光刻生產(chan) 領域，大量準分子激光進入工業(ye) 生產(chan) 線，極大地推動了高重頻、窄線寬、長壽命、高穩定性準分子激光技術的發展。與(yu) 此同時，其他微結構加工和材料處理等工業(ye) 應用，諸如液晶平板退火、微細結構加工和表麵處理等也促進了大功率準分子激光技術的蓬勃發展。

在大規模集成電路生產(chan) 領域，光刻機一直是超大規模集成電路生產(chan) 中最關(guan) 鍵的設備，而高性能的準分子激光光源是光刻機的核心部件之一，是實現高水平光刻的關(guan) 鍵技術之一，也是限製我國集成電路發展的關(guan) 鍵部件之一，更是推動光刻技術發展的“源”動力 [6]。目前國際上僅(jin) 有美國 Cymer 公司（現已被荷蘭(lan) 阿斯麥爾（ASML）公司收購）與(yu) 日本Gigaphoton 公司兩(liang) 大光刻光源製造商，它們(men) 對我國進行技術封鎖，嚴(yan) 重限製了我國集成電路製造裝備的發展，相關(guan) 技術壁壘亟待攻克。

在材料加工領域，複合材料、陶瓷、金屬、納米材料等新興(xing) 或升級材料的出現，對加工質量本身提出了更高的要求。為(wei) 了完全滿足市場對性能與(yu) 良率的需求，急需進一步提高加工可控性，避免或減少熱影響區、次表麵損傷(shang) 等加工缺陷。準分子激光由於(yu) 具有熱影響小、空間分辨率高、效率高、無汙染、不產(chan) 生次表麵破壞層等特點 [7]，同時大多數材料對紫外激光具有很高的吸收率 [8,9]，成為(wei) 相關(guan) 材料加工領域的理想光源之一。

二、國內(nei) 外準分子激光技術發展現狀及需求分析

（一）國外發展現狀及需求分析

對於(yu) 準分子激光器，國外有比較成熟的商用產(chan) 品，主要生產(chan) 廠家有：美國的 Coherent 公司（包含收購的 Lambda Physik 和 Tui Laser）、GAM Laser 公司，日本的 Gigaphoton 公司，荷蘭(lan) 的 ASML 公司（Cymer）和加拿大的 Lumonics 公司等。從(cong) 目前準分子激光器生產(chan) 商的相關(guan) 產(chan) 品可以看出，準分子激光光源發展需求主要分為(wei) 兩(liang) 類：針對光刻需求——高重頻，同時要求極窄的光譜及極高的穩定性；針對工業(ye) 加工需求——大單脈衝(chong) 能量，高平均功率。

針對光刻應用需求，國際上主要有荷蘭(lan) ASML 公司（Cymer）和日本 Gigaphoton 公司提供相應的準分子激光產(chan) 品，相應功率從(cong) 10~100 W、光譜線寬從(cong) 0.5~0.1 pm、重複頻率從(cong) 2~6 kHz。高重複頻率可以提高加工產(chan) 率，窄線寬可以保證芯片圖案的精細度，減小係統中色差影響，因此，高重頻和窄線寬是光刻用準分子激光光源發展不斷追求的指標。表 1 為(wei) ASML 公司（Cymer）ArF 準分子激光產(chan) 品的發展曆程。

表 1 ASML 公司（Cymer）ArF 準分子激光產(chan) 品的發展曆程

針對工業(ye) 生產(chan) 及科研應用需求，主要有美國的Coherent 公司提供相應的準分子激光光源。主要應用領域包括：聚合物標記等打標應用、光纖光柵刻寫(xie) 等材料加工、燃燒診斷等測量應用、激光退火等表麵處理、近視矯正等醫療應用。工業(ye) 及科研用準分子激光器一般要求具有較高的穩定性和光斑均勻性。以製造平板顯示器（FPD）的激光退火工序應用為(wei) 例，其使用的準分子激光能量穩定性一般要求小於(yu) 2%。

在材料加工與(yu) 表麵處理方麵，Insung 等 [10] 使用激光誘導單晶碳化矽的固態相位分離，實現了多層石墨烯的製備；日本京都大學研究者利用 KrF 準分子激光實現了側(ce) 壁粗糙度的降低，提高了波導的通光性能並提升了抗拉強度，熱影響小、修複力強、質量高 [11]；日本 Kobayashi 等 [12] 利用 193 nm 激光加工碳纖維增強複合材料（CFRP），加工熱影響區在目前報道中屬於(yu) 較高水平。由於(yu) 對複合材料疲勞強度影響最小，具有綜合最優(you) 的加工質量及加工效率，美國 Coherent 公司、日本 Gigaphoton 公司 [13,14] 都將 CFRP 加工作為(wei) 準分子激光器的重要應用進行相關(guan) 光源、材料加工技術的研究。此類應用對光源穩定性、光斑均勻性以及定位精度等都提出了越來越高的要求。

（二）我國發展現狀及需求分析

我國準分子激光技術的研究工作開始於(yu) 20 世紀 70 年代 [15]，主要研究單位包括中國科學院上海光學精密機械研究所、安徽光學精密機械研究所、長春光學精密機械與(yu) 物理研究所、天津大學等，其研究主要集中在 XeCl 和 KrF 準分子激光器。20 世紀 90 年代之後，我國科研型準分子激光向實用化方向發展，上海光學精密機構研究所和安徽光學精密機械研究所開發了一些激光器產(chan) 品，並出口到國外。

從(cong) 2009 年起，在國家科技重大專(zhuan) 項（02 專(zhuan) 項）的支持下，我國準分子激光技術獲得迅速發展，中國科學院光電研究院、上海光學精密機構研究所、長春光學精密機械與(yu) 物理研究所、合肥物質科學研究院、光電技術研究所、上海微電子裝備有限公司、華中科技大學等單位參與(yu) 了相關(guan) 項目研發工作。目前，已攻克了一係列高性能準分子激光核心關(guan) 鍵技術，實現了高重頻（kHz）、大能量（mJ 級）、窄線寬（亞(ya) pm）準分子激光的穩定運轉，研發出第一代光刻用準分子係統原理樣機，目前正在進行技術提升和麵向產(chan) 品的開發，並初步建立了我國自主的知識產(chan) 權體(ti) 係。圖 1 為(wei) 目前統計的準分子激光技術國內(nei) 發明專(zhuan) 利申請量與(yu) 國外來華發明專(zhuan) 利申請量對比。可見，在 2009 年之前，國內(nei) 申請和國外來華申請量僅(jin) 分別為(wei) 7 項和 3 項；在 2009 年之後，截至 2018 年 3 月，相關(guan) 數據已分別激增至 203 項和106 項。國內(nei) 準分子激光技術戰略布局如圖 2 所示，主要分布在放電腔設計、流場設計、準分子激光電源設計、電極設計、光譜控製、光學元件設計、預電離設計等方麵。

圖 1 準分子激光技術國內(nei) 發明專(zhuan) 利申請量與(yu) 國外來華發明專(zhuan) 利申請量對比圖

圖 2 國內(nei) 準分子激光技術戰略布局

我國在準分子激光加工與(yu) 處理方麵的研究起步於(yu) 20 世紀 80 年代 [16,17]。目前國內(nei) 多家科研院所及公司都在進行相關(guan) 技術研發，已取得一定的進展。北京工業(ye) 大學 [18] 加工 SiC 單晶的表麵粗糙度達4.11 nm，相比拋光前降低 83%；上海交通大學 [19]對激光誘導晶化氫化納米矽薄膜進行了實驗與(yu) 模擬，研究明確了工藝過程與(yu) 影響因素；中國科學院光電研究院 [20] 研究了 SiC、Al2O3 陶瓷的表麵處理並確定了燒蝕機製。天津大學、國防科技大學等諸多科研機構也進行了相關(guan) 的研究。

雖然我國在準分子激光研發方麵已取得一係列成果，但是，在基礎性技術研究、新興(xing) 或潛在應用領域及衍生技術等研究方麵尚存在較大不足。

三、我國準分子激光技術發展問題分析

（一）高性能紫外激光器用高端元器件短缺

高性能的紫外激光光源對所使用的高端元器件提出了越來越高的要求。以光學元件及薄膜元件為(wei) 例，在國家重大專(zhuan) 項的資助下，國內(nei) 製備的紫外光學元件及薄膜元件的性能有了長足的進步，所製備的光學薄膜元件已可以較好地滿足光學和光譜性能方麵的要求，在抗激光輻照損傷(shang) 抑製和提高使用壽命方麵，也取得了顯著進展。然而，前期的大量研究結果也顯示目前國內(nei) 的光學元件及薄膜元件的綜合性能與(yu) 高性能紫外激光器的實際和潛在要求之間還存在一定的差距，麵向超高性能紫外激光器的應用需求，光學元件及薄膜元件的長期抗激光輻照損傷(shang) 能力還有待進一步提高。造成這種差距的原因主要包括：首先，光學元件涉及材料生長、表麵加工及應用等多個(ge) 環節，各環節都存在多種影響抗激光輻照性能的因素，導致對其具體(ti) 影響機理及規律的研究難度很大；其次，國內(nei) 在高端光學元件材料及加工方麵的前期基礎薄弱，也對後續的光學鍍膜工作及長期應用評價(jia) 工作造成障礙；最後，到目前為(wei) 止，國內(nei) 還沒有形成對高性能紫外激光器光學元件及薄膜元件的綜合檢測和評價(jia) 的有效技術和標準，使得對光學元件的材料、加工、鍍膜及應用等環節中各影響因素的優(you) 化工作不能高效開展。

（二）基礎性研究薄弱

目前我國在準分子激光研究方麵主要是參照國外成熟產(chan) 品，主要集中在依靠實驗手段解決(jue) 工程技術問題，基礎性技術積累相對薄弱。

以放電動力學為(wei) 例，準分子激光係統的運轉過程是高壓氣體(ti) 放電等離子體(ti) 激發光輻射過程，對放電過程特性的研究是係統設計的核心和根源。放電過程特性的準確分析，對係統的優(you) 化改善都將具有極其重要的作用。通過仿真，研究準分子激光係統的放電動力學特性，實時預測工作氣體(ti) 的成分變化，深化理解從(cong) 工作氣體(ti) 電離到激光輻射的物理過程，明確關(guan) 鍵因素，可對準分子激光係統的結構特性優(you) 化提供設計指導，提高係統運轉相關(guan) 實驗驗證的準確性和可靠性。目前，我國在放電動力學等基礎性研究方麵處於(yu) 剛剛起步狀態，難以指導新技術、新產(chan) 品的開發。

（三）高端準分子激光技術與(yu) 國外領先水平尚存在較大差距

在超大規模集成電路光刻和超精細加工等當前應用及未來潛在應用中，要求紫外激光的輸出指標越來越苛刻，主要包括：要求紫外激光的輸出脈衝(chong) 能量、功率和光譜性能指標越來越高，同時要求其輸出脈衝(chong) 能量和光譜性能具有極高的穩定性與(yu) 可控變化特性。

目前，我國雖然在準分子激光技術及研發方麵取得了一係列突破性進展，但和國外領先水平相比，尚存在著較大的差距，造成這種差距的原因主要包括：國內(nei) 基礎薄弱，人才隊伍（特別是高端領軍(jun) 人才）短缺，技術及產(chan) 品落後。

四、我國準分子激光技術未來發展方向建議

在國家科技重大專(zhuan) 項的支持下，我國準分子激光技術獲得了迅速發展，攻克了一係列高性能準分子激光核心關(guan) 鍵技術。然而，和國外領先水平相比，尚存在著較大的差距，仍需國家層麵的大力支持。

針對於(yu) 當前我國準分子激光技術發展過程中的問題以及相關(guan) 技術短板及需求，建議未來重點發展方向主要包括以下幾點。

（一）基礎共性技術研究

1. 高性能準分子激光器用高端元器件設計、製備與(yu) 性能表征研究

以光學元件及光學薄膜的製備及其長期性能穩定性測試與(yu) 評價(jia) 為(wei) 例，在準分子激光光學係統中，由於(yu) 紫外激光單光子能量高，高能光子與(yu) 物質相互作用導致光學元件更易產(chan) 生激光損壞和性能退化，極大影響紫外激光光學係統的通光能力、性能、穩定性和壽命。因此，高性能光學元件及光學薄膜的製備極其重要，需要開展材料嚴(yan) 格篩選、光學表麵超精密加工工藝優(you) 化、高性能薄膜製備工藝優(you) 化，以及應用環境對抗輻照性能影響評價(jia) 等一係列工作。

另外，當前針對紫外激光器光學元件及薄膜元件的性能評價(jia) 還主要依賴於(yu) 一些較常規的技術和手段，遠遠無法滿足高性能光學元件及薄膜元件製備的需要。因此，有必要在現有測試和評價(jia) 技術的基礎上，針對紫外激光器光學元件及薄膜元件抗激光輻射能力和長期性能穩定性的要求，完善建立基於(yu) 激光損傷(shang) 閾值組合測試的短期評價(jia) 方法和基於(yu) 低能激光輻照組合的長期評價(jia) 方法相結合的高效係統性評價(jia) 方案，以此作為(wei) 高性能 CaF2 等光學材料篩選、光學表麵超精密加工工藝優(you) 化、高性能薄膜製備工藝優(you) 化、以及應用環境影響研究開展所需的新的技術支撐。

2. 基礎性理論及驗證研究

從(cong) 基礎理論模擬仿真、基礎原材料特性、基礎元器件性能特性分析等方麵，加強基礎性研究以及驗證工作。以放電動力學為(wei) 例，對放電動力學特性研究主要考察研究準分子激光器高壓氣體(ti) 放電等離子體(ti) 激發光輻射過程，其中涉及氣體(ti) 混合配比情況、腔內(nei) 氣體(ti) 壓力情況、主電極的設計、預電離電極的設計、放電電極間距、放電電壓情況、電極預電離機製結構等多方麵的內(nei) 容，進行的最優(you) 化設計，從(cong) 而可以有效輔助新技術及產(chan) 品開發，提高新產(chan) 品開發效率，節約開發成本。

（二）長脈衝(chong) 、高重頻、大能量 / 功率技術研究

紫外激光由於(yu) 波長短，單光子能量大，在加工等領域具有優(you) 勢的同時，也帶來光學元件易受到損傷(shang) 等難題，增加激光脈寬可以有效地解決(jue) 這一問題。麵向應用需求，長脈衝(chong) 紫外激光技術是重要研究方向之一，但常規激光器脈寬受限於(yu) 激光上能級壽命、泵浦電源等因素，更寬的激光脈寬較難實現。

激光重頻直接影響加工產(chan) 率，二者呈正比例關(guan) 係。目前國際上光刻用準分子激光光源最高重頻是6 kHz，若要在其他條件相同的情況下繼續提高加工產(chan) 率，勢必要繼續提高激光重頻，而為(wei) 了提升激光重頻，必須解決(jue) 泵浦電源、光學材料、驅動風機、流場、激波、散熱等一係列問題。針對應用的前瞻需求，有必要開展更高重頻激光光源研究，從(cong) 而實現我國在這一技術領域的領先地位，為(wei) 更高性能激光光源的開發奠定基礎。

在智能手機、平板顯示器等領域廣泛應用的新型顯示器，包括有源矩陣液晶顯示器（AMLCD）和有源矩陣有機發光二極管（AMOLED）顯示器等是下一代電子產(chan) 品的核心之一，廣泛應用於(yu) 日常電子消費類產(chan) 品和不同工業(ye) 領域，具有巨大的市場價(jia) 值，是國家經濟建設和社會(hui) 發展的重要領域。其中，低溫多晶矽（LTPS）的製備是最關(guan) 鍵的加工工藝之一，而準分子激光退火已經成為(wei) 當下屏製造中製備有效的多晶矽層的首選方法。該光源一般要求單脈衝(chong) 能量至少數百毫焦，因此，有必要開展大能量 /功率技術研究，這將為(wei) 我國在該領域開發具有核心自主知識產(chan) 權的裝備奠定基礎。

（三）新興(xing) 或潛在應用領域及衍生技術研究

在現有研究成果的基礎上，針對光電對抗、高精度光學係統檢測等應用，開展電磁幹擾、輻射標定、綜合參數診斷、光譜調諧控製等進行技術輻射轉移。

針對新興(xing) 或潛在的應用需求，如微加工製造（包括：多層石墨烯材料的製備；CFRP 等複合材料的切割、微孔、表麵羥基化；SiC 等脆硬陶瓷材料的拋光、改性；納米材料的誘導晶化、沉積；生物材料的選擇性切斷、微流控芯片等器件的微加工等）、高精度 / 性能元器件表麵處理等應用領域，有針對地開展相適應的準分子激光技術及相關(guan) 性能優(you) 化研究，為(wei) 最終帶動新的應用領域發展奠定基礎。

參考文獻 （省略）

本文來自：我國準分子激光技術發展現狀及趨勢研究，中國工程科學

範元媛1，周翊1，郭馨1，王倩1，金春水2，樓祺洪3

1. 中國科學院微電子研究所，北京100029；

2. 中國科學院長春光學精密機械與(yu) 物理研究所，長春 130033；

3. 中國科學院上海光學精密機械研究所，上海201800