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準分子激光預混氣丨準分子激光技術簡述(一)
準分子激光（Excimer laser）是指受到電子束激發的惰性氣體和鹵素氣體結合的混合氣體形成的分子向其基態躍遷時發射所產生的激光。最常見的波長有157 nm、193 nm、248 nm、308 nm、351-353 nm。其特點有：波長短、功率高、單脈沖輸出能量大、短脈沖、光斑面積大、光斑分布較均勻等?；谶@些特點，準分子激光在工業、醫療和科研等領域有著重要的應用。在醫學上的重要應用則是眾所周知的LASIK眼科手術矯正近視、散光、遠視，準分子激光冠狀動脈斑塊消融，以及最近興起的準分子激光白癜風皮膚治療;在工業應用包括半導體集成電路光刻、平板顯示制造工藝中的低溫多晶硅退火和柔性剝離、MEMS微加工、光纖光柵刻蝕等; 另外準分子激光在科研中也有著較為廣泛的應用，如脈沖激光沉積薄膜、激光與物質相互作用、分子動力學研究、激光剝蝕等離子體質譜和光譜檢測等。
激光應用領域和激光器涵蓋門類、種類多，其中準分子激光器是其“小眾”的一個專業領域應用。準分子激光的泵浦方式也有很多種，目前應用最廣泛的是采用放電激勵的稀有氣體鹵化物準分子激光，如XeF、XeCl、KrF、ArF等。激光技術正逐步向精細微加工的增量市場拓展，充分滿足了通訊、顯示面板、消費電子、集成電路、醫療醫美、光伏新能源等領域精細微制造的工藝需求，在推動上述行業發展的同時也為自身的發展創造了機遇。
圖一：激光器的市場數據統計和預測
從下游細分應用領域上來看，材料加工與光刻目前仍是激光器的第一大應用領域，與之相關的激光器收入為63億美元，占到全球激光器收入的39.6%；通信與光存儲相關的激光器收入為39億美元，占比為24.5%，位居第二；科研與軍事、醫療與美容等市場銷售收入緊隨其后，行業下游應用端呈現出明顯的擴散式發展態勢。
? ?/國外發展現狀及需求分析
對于準分子激光器，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。從目前準分子激光器生產商的相關產品可以看出，準分子激光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——大單脈沖能量，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激光產品，相應功率從 10~100 W、光譜線寬從 0.5~0.1 pm、重復頻率從 2~6 kHz。高重復頻率可以提高加工產率，窄線寬可以保證芯片圖案的精細度，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激光光源發展不斷追求的指標。
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、光纖光柵刻寫等材料加工、燃燒診斷等測量應用、激光退火等表面處理、近視矯正等醫療應用。工業及科研用準分子激光器一般要求具有較高的穩定性和光斑均勻性。以制造平板顯示器（FPD）的激光退火工序應用為例，其使用的準分子激光能量穩定性一般要求小于 2%。
在材料加工與表面處理方面，Insung 等使用激光誘導單晶碳化硅的固態相位分離，實現了多層石墨烯的制備；日本京都大學研究者利用 KrF 準分子激光實現了側壁粗糙度的降低，提高了波導的通光性能并提升了抗拉強度，熱影響小、修復力強、質量高；日本 Kobayashi 等利用 193 nm 激光加工碳纖維增強復合材料（CFRP），加工熱影響區在目前報道中屬于較高水平。由于對復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 公司都將 CFRP 加工作為準分子激光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。
? ?/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于 20 世紀 70 年代，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 準分子激光器。20 世紀 90 年代之后，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品，并出口到國外。
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激光核心關鍵技術，實現了高重頻（kHz）、大能量（mJ 級）、窄線寬（亞 pm）準分子激光的穩定運轉，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，并初步建立了我國自主的知識產權體系。圖 1 為目前統計的準分子激光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 年之后，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、光譜控制、光學元件設計、預電離設計等方面。
圖1 準分子激光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
我國在準分子激光加工與處理方面的研究起步于 20 世紀 80 年代。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%；上海交通大學對激光誘導晶化氫化納米硅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 陶瓷的表面處理并確定了燒蝕機制。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。
