准分子激光概述

一、准分子激光概述

1.定义

准分子激光器源自 “excited dimer”一词，是高电压泵浦的气体激光，是一种波长在紫外波段的脉冲气体激光器。气体由惰性气体如氩氪等和活性气体如氯或氟。当电激发后，气体混合物在短时间聚成活跃态并发出紫外激光，有XeF、KeF、ArF、XeCl、KrCl、ArCl等。

具有脉冲能量大、峰值功率高、且波长在紫外区域的特点。

2.产生机理

（1）基本能级结构、光谱特性

准分子是一种在激发态复合成分子，而在基态离解为原子的不稳定缔合物，激光跃迁发生在束缚的激光态到排斥的基态，属于束缚-自由跃迁。

准分子的位能曲线如下：准分子的特征谱是由最低激发态B态（C态为更高的激发态）到排斥基态X的跃迁

（2）种类

　 稀有气体准分子： Xe₂, Kr₂, Ar₂等

稀有气体卤化物准分子： XeF, ArF, XeCl 等

卤素气体准分子： F₂等

稀有气体和卤素气体三原子准分子：Ar₂Cl, Ar₂F 等

发射带示意图：

（3）准分子激光激励技术

主要激励手段有：电子书激励、放电激励、微波激励

电子束激励：从激光腔外部注入电子束，由于电子束具有相当高的能量和快的脉冲上升时间，能实现较大体积激励，但体积庞大，结构复杂，不能高重复频率运行，价格也高，多用于特殊用途的大型试验装置，有横向激励、纵向激励和同轴激励三种形式；

放电激励：在气体中通大小合适电流，产生自由电子和离子，这些电荷被电场加速，通过消耗放电过程中的电功率以获得动能，通常由电子和原子碰撞时产生激发。适合小体积抽运、能量不大，重复频率较高，价格低、预电离方式包括电子束预电离、X射线预电离、紫外火花预电离、电晕预电离等；

微波激励：通过微波管将能量注入放电腔，无需预电离，体积小，容易实现长脉冲、高重复率运行。

3.发展史

（1）发展史

1960年， F.G. Houtermans 提出准分子束缚-自由电子产生增益思想，即以准分子为激活介质而实现激光振荡；

1970年，俄罗斯N.G.Bosov等采用强流电子束激发液态氙得到准分子激光，输出波长为172nm，首次用准分子跃迁得到激光振荡；

1974年，美国Kansan州立大学报道了稀有气体卤化物在紫外波段的强荧光辐射。

之后激励方式： 纯电子束扩展、自持放电、预电离放电

（2）准分子激光器的发展：

Lambda Physik公司的紫外预电结构如图1，重复频率为500Hz，平均功率为750w左右

　 转分子激光器的一次充气寿命进展：

采用低温循环净化技术去除卤化物气体产生的HF等杂质分子，采取卤素气体注入技术补充放电过程中的损耗，充气寿命增加。

（3）发展趋势——高能量、高功率、高重复率（高平均功率）

光刻应用中，为减小石英透镜所产生色差对分辨率的影响，要求准分子线宽在0.005-0.003nm以内

为避免过高的峰值功率，需要发展长脉宽准分子激光器，采用预脉冲技术实现。

高电压、高功率的脉冲功率技术是关键，但还处于研制阶段。

4.应用

准分子激光器用于精密加工，在当前的工业应用主要有： 半导体芯片的制备、集成电路（integrated circuits）和 屈光眼治疗手术(eye surgery)，另外还用于制造高亮度LEDs。

（1）准分子激光器在投影光刻、掺杂、化学气相淀积、诱导刻蚀等半导体超精细加工详谈

激光投影光刻：提高DRAM（动态随即存储器）的分辨率要求在0.35μm以下，最简单的办法就是采用更短波长的深紫外光。而准分子激光器在深紫外光具有高的输出功率、使曝光时间极短，同时激光的空间相干性可实现部分相干照明，使投影图像的反差度、有效分辨率和景色都得到改善。特特别是高能量和便于聚焦，可实现动态图形描绘。

诱导掺杂：利用准分子激光器的短波长、窄脉冲、高能量特点形成超浅结，掺杂时间段，半导体表面被瞬时熔融后，又迅速结晶，对晶体结构损伤小；衬底局部加热，可降低诱生缺陷和自掺杂效应，具有低温加工特点；进行超固溶度掺杂，掺杂浓度不受材料固溶度的限制。

激光诱导淀积： 转分子激光的光子能直接打破大多数源气体分子的化学键，产生所需要的自由基，使薄膜淀积能在室温或近室温的条件下进行，已是吸纳对金属、介质、半导体膜的激光诱导沉积。

激光诱导刻蚀：由光分解产生卤素自由基，通过化学过程腐蚀衬底表面而实现刻蚀，已实现半导体、金属、介质膜和聚合物的刻蚀。由于窄脉冲高能量，在局部产生很高温度，不仅使气体分解增加自由基浓度，而且加剧了卤素原子与衬底化学反应速度，能达到很高的刻蚀速率。

（2）科研应用

诱导荧光检测多种芳烃类物质、脉冲激光沉积

（3）医疗应用

用于治疗眼屈光不正矫正手术、对近视远视进行矫正

光疗皮肤病如白癜风、银屑病

5.准分子激光器加工特点

根据工作体系的不同，准分子激光的波长在192nm（ArF）至351nm(XeF)范围内，对应的光子能量为4-6eV,足以将多种有机分子的化学键打断。紫外激光束与物质作用有微细加工与冷加工的特点。

（1）准分子激光通过激光诱导的化学过程对每种材料进行逛街切除，避免了红外波段激光教工中的热效应，具有“冷”加工特点

（2）准分子激光波长最短，在加工中具有较高的分辨率，可形成亚微米结构，及用于微米级的微孔加工，具有微细加工的特点。

6.理论基础

（1）非线性光学——受激拉曼散射，增益系数只取决于泵浦光的强度，改善准分子的光束质量

（2）光束控制技术——光束发散角压缩、线宽压窄技术、脉宽控制技术

（3）快放电激励的准分子激光技术——大能量技术与大功率技术、高重复频率技术

7.准分子激光器的主要生产厂家

西德的Lambda Physik

美国的 Questek

加拿大的Lumonics

8.相关研究——模拟准分子激光能量分布的方法

光斑能量分布图观测到光斑在X方向近似为高斯能量分布，在Y方向为一个不规则的能量分布，通过分析得到激光分子能量空间分布模型：

二、相关技术基础

1.光束控制技术

提高准分子激光光束质量的两个方面：压缩发散角、提高光束均匀性

（1）光束发散角压缩

压缩发散角常用方法： 采用非稳腔替换一般准分子使用的平平腔，正支共焦非稳腔可使发散角减小一个数量级以上，同时保证激光能量没有显著下降。

常用的结构：采用双腔的注入锁定放大结构模式，种子腔产生优质的种子脉冲，注入非稳结构的放大腔放大输出

（2）光束均匀

常用的光束均匀法：光波导均匀器（可实现较好均匀性但光损耗大）、棱镜组均匀器（结构简单但均匀度差）、两级蝇眼均匀器（可以实现很高均匀性，损耗小，但价格昂贵，且光路对准要求较高）

（3）线宽压窄技术

自由振荡准分子激光线宽在数百皮米，通过在腔内添加各种色散元件可以实现对准分子激光光谱进行压缩，

常用方法有：棱镜组合法（线宽压缩比例不高）、标准具（具有压缩线宽窄的特点，但标准具易损伤且受热效应影响波长漂移）、光栅（温度稳定性好，波长的漂移及线宽变化范围小）等

如果对线宽压窄要求很高，通常采用 棱镜、标准具与光栅组合法，如图

光栅初步线宽压缩，标准具进行更细的线宽压缩，由于光栅法具有很高的温度稳定性，减小了波长的漂移量，由棱镜组成的扩束系统降低了标准具内的能量密度，提高了标准具的使用寿命。

（4）脉宽控制技术

拉长脉宽方法：

在LC激励电路中插入电感，延长放电时间，但会降低激光效率，输出能量减小

采用脉冲形成线激励技术，能提供一较宽的方波激励脉冲，且阻抗可以跟击穿后的工作气体很好地匹配，实现长时间稳定放电

采用注入锁定等放大结构的准分子结构器件。

压缩脉宽方法：

锁模法

电光开关削波法

受激布里渊散射法

受激拉曼散射压缩脉冲法

等离子体开关法

2.非线性光学

3.大能量高功率准分子激光器关键技术

目前大能量高功率准分子激光器以放电泵浦为主，关键技术在于 大激活区的均匀放电、高能量的注入、高重复频率技术

（1）大面积均匀放电

大面积放电电极——电极区电场分布均匀、电极边缘附近电场强度降低，对大面积均匀放电很重要。

　早期使用Rogowsld面型电极，但放电间距大、电极宽；

　Bruce电极、Ernst电极、Chang氏电极

预电离技术——常用火花预电离、自动预电离技术

高速气体循环技术——激光工作气体放电在阳极和阴极间会产生杂志气体，影响放电质量，需要对电极间气体及时更新；同时高重复频率下气体温升太快，需要冷却气体。大功率风机及风路设计

（2）高压快脉冲激励技术

基于闸流管的激励技术

闸流管寿命很有限，且关断后需要恢复阻断，不适合用于高重复频率状态

全固态脉冲激励技术（All solid state pulsed power module, SSPPM）

利用功率半导体作为开关管结合多级磁脉冲压缩开关的方法产生高压快脉冲替代闸流管。

附 柔性显示

1.柔性显示概述

（1）LCD、OLED、电子墨水显示等都可以实现柔性显示

2.LCD

LCD偏振光调制型器件，本身需要双层基板+2张偏振片+背光模组

3.电子墨水

（1）定义

电子墨水是一种微胶囊化的电泳显示，其柔性制造技术的关键是塑料基板上TFT驱动阵列的制造。

（2）TFT制造

无法应用现有的制造工艺，

原因：

在TFT制造过程中薄膜沉积时的衬底温度较高，最高达到300℃以上，超过了绝大多数有机材料的耐受范围

制造过程中需要5道光刻工艺，塑料基板很难做到精准对位

技术：

1）PHilip实验室发起的激光剥离的塑料基板电子技术（Electronics on Plastic by Laser Release,EPLaR）

工艺流程如图

2）Epson公司发展的激光退火导致的表面分离技术(Surface Free Technology by Laser Annealing/Ablation, SLFTLA)