我国准分子激光技术发展现状及趋势研究

准分子激光具有波长短、能量大等特点，在集成电路光刻、材料加工、医学、科研等领域具有重要的应用。与国外先进水平相比，我国高端准分子激光技术仍存在较大差距。本文首先简要介绍了准分子激光的特点和发展历史，然后分析了国内外准分子激光技术及相关典型应用的发展现状及需求，之后提出了我国准分子激光技术发展的主要问题。最后，针对相关问题及需求，建议未来重点在基础共性技术研究（高性能高端深紫外波段元器件设计、制备与性能表征研究，放电动力学等基础理论及验证研究等）、长脉冲、高重频、大能量/ 功率技术、新兴或潜在应用领域及衍生技术等研究方面继续加大加深研究力度，为我国准分子激光的自主可控发展奠定基础。

一、前言

准分子是一种在激发态结合而基态离解的受激二聚体。准分子激光的跃迁发生在束缚的激发态到排斥的基态，属于束缚 – 自由跃迁 [1]。其特点是基态不稳定，一般在振动弛豫时间内便分解为自由粒子，而其激发态以结合的形式出现并相对稳定，以辐射的形式衰减，因而准分子激光具有高增益的特点 [2]。准分子激光器是紫外波段大能量激光光源，是一种辐射脉宽为几十纳秒的紫外气体激光器。由于具有光子能量高、波长短、空间相干性低（不易产生干涉条纹）等一系列优势，准分子激光是目前最有效、适合大规模工业生产的深紫外光源，在集成电路光刻、医疗、材料加工、科研等领域具有广泛的应用。

早在 1960 年，Houtermaus 就提出了以准分子为工作介质实现激光振荡的建议。1970 年，Basov 等首次采用强流电子束激发液态氙气二聚体得到Xe2 准分子激光输出，激光波长为 172 nm [3]。此后 50 年来，准分子激光技术得到了迅速发展，先后 实 现 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）等激光辐射 [4]。特别地，以预电离放电泵浦 ArF（193 nm）、KrF（248 nm）、XeCl（308 nm）为代表的稀有气体卤化物准分子激光的各项技术得到迅猛发展，实现了准分子激光的商业化并广泛应用于科研、工业、医疗等相关领域 [5]。20 世纪 90 年代，随着准分子激光引入半导体光刻生产领域，大量准分子激光进入工业生产线，极大地推动了高重频、窄线宽、长寿命、高稳定性准分子激光技术的发展。与此同时，其他微结构加工和材料处理等工业应用，诸如液晶平板退火、微细结构加工和表面处理等也促进了大功率准分子激光技术的蓬勃发展。

在大规模集成电路生产领域，光刻机一直是超大规模集成电路生产中最关键的设备，而高性能的准分子激光光源是光刻机的核心部件之一，是实现高水平光刻的关键技术之一，也是限制我国集成电路发展的关键部件之一，更是推动光刻技术发展的“源”动力 [6]。目前国际上仅有美国 Cymer 公司（现已被荷兰阿斯麦尔（ASML）公司收购）与日本Gigaphoton 公司两大光刻光源制造商，它们对我国进行技术封锁，严重限制了我国集成电路制造装备的发展，相关技术壁垒亟待攻克。

在材料加工领域，复合材料、陶瓷、金属、纳米材料等新兴或升级材料的出现，对加工质量本身提出了更高的要求。为了完全满足市场对性能与良率的需求，急需进一步提高加工可控性，避免或减少热影响区、次表面损伤等加工缺陷。准分子激光由于具有热影响小、空间分辨率高、效率高、无污染、不产生次表面破坏层等特点 [7]，同时大多数材料对紫外激光具有很高的吸收率 [8,9]，成为相关材料加工领域的理想光源之一。

二、国内外准分子激光技术发展现状及需求分析

（一）国外发展现状及需求分析

对于准分子激光器，国外有比较成熟的商用产品，主要生产厂家有：美国的 Coherent 公司（包含收购的 Lambda Physik 和 Tui Laser）、GAM Laser 公司，日本的 Gigaphoton 公司，荷兰的 ASML 公司（Cymer）和加拿大的 Lumonics 公司等。从目前准分子激光器生产商的相关产品可以看出，准分子激光光源发展需求主要分为两类：针对光刻需求——高重频，同时要求极窄的光谱及极高的稳定性；针对工业加工需求——大单脉冲能量，高平均功率。

针对光刻应用需求，国际上主要有荷兰 ASML 公司（Cymer）和日本 Gigaphoton 公司提供相应的准分子激光产品，相应功率从 10~100 W、光谱线宽从 0.5~0.1 pm、重复频率从 2~6 kHz。高重复频率可以提高加工产率，窄线宽可以保证芯片图案的精细度，减小系统中色差影响，因此，高重频和窄线宽是光刻用准分子激光光源发展不断追求的指标。表 1 为 ASML 公司（Cymer）ArF 准分子激光产品的发展历程。