我國準分子雷射技術發展現狀及趨勢研究

導讀

準分子雷射具有波長短、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。與國外先進水平相比，我國高端準分子雷射技術仍存在較大差距。本文首先簡要介紹了準分子雷射的特點和發展歷史，然後分析了國內外準分子雷射技術及相關典型應用的發展現狀及需求，之後提出了我國準分子雷射技術發展的主要問題。最後，針對相關問題及需求，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、製備與性能表徵研究，放電動力學等基礎理論及驗證研究等）、長脈衝、高重頻、大能量/ 功率技術、新興或潛在應用領域及衍生技術等研究方面繼續加大加深研究力度，為我國準分子雷射的自主可控發展奠定基礎。

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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。準分子雷射的躍遷發生在束縛的激發態到排斥的基態，屬於束縛 – 自由躍遷 [1]。其特點是基態不穩定，一般在振動弛豫時間內便分解為自由粒子，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，因而準分子雷射具有高增益的特點 [2]。準分子雷射器是紫外波段大能量雷射光源，是一種輻射脈寬為幾十納秒的紫外氣體雷射器。由於具有光子能量高、波長短、空間相干性低（不易產生幹涉條紋）等一系列優勢，準分子雷射是目前最有效、適合大規模工業生產的深紫外光源，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工作介質實現雷射振蕩的建議。1970 年，Basov 等首次採用強流電子束激發液態氙氣二聚體得到Xe2 準分子雷射輸出，雷射波長為 172 nm [3]。此後 50 年來，準分子雷射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）等雷射輻射 [4]。特別地，以預電離放電泵浦 ArF（193 nm）、KrF（248 nm）、XeCl（308 nm）為代表的稀有氣體滷化物準分子雷射的各項技術得到迅猛發展，實現了準分子雷射的商業化並廣泛應用於科研、工業、醫療等相關領域 [5]。20 世紀 90 年代，隨著準分子雷射引入半導體光刻生產領域，大量準分子雷射進入工業生產線，極大地推動了高重頻、窄線寬、長壽命、高穩定性準分子雷射技術的發展。與此同時，其他微結構加工和材料處理等工業應用，諸如液晶平板退火、微細結構加工和表面處理等也促進了大功率準分子雷射技術的蓬勃發展。

在大規模集成電路生產領域，光刻機一直是超大規模集成電路生產中最關鍵的設備，而高性能的準分子雷射光源是光刻機的核心部件之一，是實現高水平光刻的關鍵技術之一，也是限制我國集成電路發展的關鍵部件之一，更是推動光刻技術發展的「源」動力 [6]。目前國際上僅有美國 Cymer 公司（現已被荷蘭阿斯麥爾（ASML）公司收購）與日本Gigaphoton 公司兩大光刻光源製造商，它們對我國進行技術封鎖，嚴重限制了我國集成電路製造裝備的發展，相關技術壁壘亟待攻克。

在材料加工領域，複合材料、陶瓷、金屬、納米材料等新興或升級材料的出現，對加工質量本身提出了更高的要求。為了完全滿足市場對性能與良率的需求，急需進一步提高加工可控性，避免或減少熱影響區、次表面損傷等加工缺陷。準分子雷射由於具有熱影響小、空間解析度高、效率高、無汙染、不產生次表面破壞層等特點 [7]，同時大多數材料對紫外雷射具有很高的吸收率 [8,9]，成為相關材料加工領域的理想光源之一。

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國內外準分子雷射技術發展現狀及需求分析

（一）國外發展現狀及需求分析

對於準分子雷射器，國外有比較成熟的商用產品，主要生產廠家有：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，荷蘭的 ASML 公司（Cymer）和加拿大的 Lumonics 公司等。從目前準分子雷射器生產商的相關產品可以看出，準分子雷射光源發展需求主要分為兩類：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；針對工業加工需求——大單脈衝能量，高平均功率。

針對光刻應用需求，國際上主要有荷蘭 ASML 公司（Cymer）和日本 Gigaphoton 公司提供相應的準分子雷射產品，相應功率從 10~100 W、光譜線寬從 0.5~0.1 pm、重複頻率從 2~6 kHz。高重複頻率可以提高加工產率，窄線寬可以保證晶片圖案的精細度，減小系統中色差影響，因此，高重頻和窄線寬是光刻用準分子雷射光源發展不斷追求的指標。表 1 為 ASML 公司（Cymer）ArF 準分子雷射產品的發展歷程。

表 1 ASML 公司（Cymer）ArF 準分子雷射產品的發展歷程

針對工業生產及科研應用需求，主要有美國的Coherent 公司提供相應的準分子雷射光源。主要應用領域包括：聚合物標記等打標應用、光纖光柵刻寫等材料加工、燃燒診斷等測量應用、雷射退火等表面處理、近視矯正等醫療應用。工業及科研用準分子雷射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）的雷射退火工序應用為例，其使用的準分子雷射能量穩定性一般要求小於 2%。

在材料加工與表面處理方面，Insung 等 [10] 使用雷射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 準分子雷射實現了側壁粗糙度的降低，提高了波導的通光性能並提升了抗拉強度，熱影響小、修復力強、質量高 [11]；日本 Kobayashi 等 [12] 利用 193 nm 雷射加工碳纖維增強複合材料（CFRP），加工熱影響區在目前報導中屬於較高水平。由於對複合材料疲勞強度影響最小，具有綜合最優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 加工作為準分子雷射器的重要應用進行相關光源、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

我國準分子雷射技術的研究工作開始於 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物理研究所、天津大學等，其研究主要集中在 XeCl 和 KrF 準分子雷射器。20 世紀 90 年代之後，我國科研型準分子雷射向實用化方向發展，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雷射器產品，並出口到國外。

從 2009 年起，在國家科技重大專項（02 專項）的支持下，我國準分子雷射技術獲得迅速發展，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了相關項目研發工作。目前，已攻克了一系列高性能準分子雷射核心關鍵技術，實現了高重頻（kHz）、大能量（mJ 級）、窄線寬（亞 pm）準分子雷射的穩定運轉，研發出第一代光刻用準分子系統原理樣機，目前正在進行技術提升和面向產品的開發，並初步建立了我國自主的智慧財產權體系。圖 1 為目前統計的準分子雷射技術國內發明專利申請量與國外來華發明專利申請量對比。可見，在 2009 年之前，國內申請和國外來華申請量僅分別為 7 項和 3 項；在 2009 年之後，截至 2018 年 3 月，相關數據已分別激增至 203 項和106 項。國內準分子雷射技術戰略布局如圖 2 所示，主要分布在放電腔設計、流場設計、準分子雷射電源設計、電極設計、光譜控制、光學元件設計、預電離設計等方面。

圖 1 準分子雷射技術國內發明專利申請量與國外來華發明專利申請量對比圖

圖 2 國內準分子雷射技術戰略布局

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

雖然我國在準分子雷射研發方面已取得一系列成果，但是，在基礎性技術研究、新興或潛在應用領域及衍生技術等研究方面尚存在較大不足。

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我國準分子雷射技術發展問題分析

（一）高性能紫外雷射器用高端元器件短缺

高性能的紫外雷射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例，在國家重大專項的資助下，國內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面的要求，在抗雷射輻照損傷抑制和提高使用壽命方面，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的光學元件及薄膜元件的綜合性能與高性能紫外雷射器的實際和潛在要求之間還存在一定的差距，面向超高性能紫外雷射器的應用需求，光學元件及薄膜元件的長期抗雷射輻照損傷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、表面加工及應用等多個環節，各環節都存在多種影響抗雷射輻照性能的因素，導致對其具體影響機理及規律的研究難度很大；其次，國內在高端光學元件材料及加工方面的前期基礎薄弱，也對後續的光學鍍膜工作及長期應用評價工作造成障礙；最後，到目前為止，國內還沒有形成對高性能紫外雷射器光學元件及薄膜元件的綜合檢測和評價的有效技術和標準，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

目前我國在準分子雷射研究方面主要是參照國外成熟產品，主要集中在依靠實驗手段解決工程技術問題，基礎性技術積累相對薄弱。

以放電動力學為例，準分子雷射系統的運轉過程是高壓氣體放電等離子體激發光輻射過程，對放電過程特性的研究是系統設計的核心和根源。放電過程特性的準確分析，對系統的優化改善都將具有極其重要的作用。通過仿真，研究準分子雷射系統的放電動力學特性，實時預測工作氣體的成分變化，深化理解從工作氣體電離到雷射輻射的物理過程，明確關鍵因素，可對準分子雷射系統的結構特性優化提供設計指導，提高系統運轉相關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面處於剛剛起步狀態，難以指導新技術、新產品的開發。

（三）高端準分子雷射技術與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，要求紫外雷射的輸出指標越來越苛刻，主要包括：要求紫外雷射的輸出脈衝能量、功率和光譜性能指標越來越高，同時要求其輸出脈衝能量和光譜性能具有極高的穩定性與可控變化特性。

目前，我國雖然在準分子雷射技術及研發方面取得了一系列突破性進展，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：國內基礎薄弱，人才隊伍（特別是高端領軍人才）短缺，技術及產品落後。

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我國準分子雷射技術未來發展方向建議

在國家科技重大專項的支持下，我國準分子雷射技術獲得了迅速發展，攻克了一系列高性能準分子雷射核心關鍵技術。然而，和國外領先水平相比，尚存在著較大的差距，仍需國家層面的大力支持。

針對於當前我國準分子雷射技術發展過程中的問題以及相關技術短板及需求，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. 高性能準分子雷射器用高端元器件設計、製備與性能表徵研究

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評價為例，在準分子雷射光學系統中，由於紫外雷射單光子能量高，高能光子與物質相互作用導致光學元件更易產生雷射損壞和性能退化，極大影響紫外雷射光學系統的通光能力、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，需要開展材料嚴格篩選、光學表面超精密加工工藝優化、高性能薄膜製備工藝優化，以及應用環境對抗輻照性能影響評價等一系列工作。

另外，當前針對紫外雷射器光學元件及薄膜元件的性能評價還主要依賴於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技術的基礎上，針對紫外雷射器光學元件及薄膜元件抗雷射輻射能力和長期性能穩定性的要求，完善建立基於雷射損傷閾值組合測試的短期評價方法和基於低能雷射輻照組合的長期評價方法相結合的高效系統性評價方案，以此作為高性能 CaF2 等光學材料篩選、光學表面超精密加工工藝優化、高性能薄膜製備工藝優化、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面，加強基礎性研究以及驗證工作。以放電動力學為例，對放電動力學特性研究主要考察研究準分子雷射器高壓氣體放電等離子體激發光輻射過程，其中涉及氣體混合配比情況、腔內氣體壓力情況、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、電極預電離機制結構等多方面的內容，進行的最優化設計，從而可以有效輔助新技術及產品開發，提高新產品開發效率，節約開發成本。

（二）長脈衝、高重頻、大能量 / 功率技術研究

紫外雷射由于波長短，單光子能量大，在加工等領域具有優勢的同時，也帶來光學元件易受到損傷等難題，增加雷射脈寬可以有效地解決這一問題。面向應用需求，長脈衝紫外雷射技術是重要研究方向之一，但常規雷射器脈寬受限於雷射上能級壽命、泵浦電源等因素，更寬的雷射脈寬較難實現。

雷射重頻直接影響加工產率，二者呈正比例關係。目前國際上光刻用準分子雷射光源最高重頻是6 kHz，若要在其他條件相同的情況下繼續提高加工產率，勢必要繼續提高雷射重頻，而為了提升雷射重頻，必須解決泵浦電源、光學材料、驅動風機、流場、激波、散熱等一系列問題。針對應用的前瞻需求，有必要開展更高重頻雷射光源研究，從而實現我國在這一技術領域的領先地位，為更高性能雷射光源的開發奠定基礎。

在智慧型手機、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體（AMOLED）顯示器等是下一代電子產品的核心之一，廣泛應用於日常電子消費類產品和不同工業領域，具有巨大的市場價值，是國家經濟建設和社會發展的重要領域。其中，低溫多晶矽（LTPS）的製備是最關鍵的加工工藝之一，而準分子雷射退火已經成為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，這將為我國在該領域開發具有核心自主智慧財產權的裝備奠定基礎。

（三）新興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、高精度光學系統檢測等應用，開展電磁幹擾、輻射標定、綜合參數診斷、光譜調諧控制等進行技術輻射轉移。

針對新興或潛在的應用需求，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、表面羥基化；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、微流控晶片等器件的微加工等）、高精度 / 性能元器件表面處理等應用領域，有針對地開展相適應的準分子雷射技術及相關性能優化研究，為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：我國準分子雷射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

來源：中國工程科學