準分子激光-激光應用的長青樹

最新 04-21

作者：樓祺洪中國科學院上海光學精密機械研究所研究員

1927年人們從光譜學的研究中發現了一類新分子，這類分子的基態極不穩定，一般在很快的時間內離解為分立的分子，而他的激發態是比較穩定的。這類分子英文為excimer，直譯為「激子「，中科院上海光機所的科學家把他譯成「準分子」。它的定義是這類分子的激發態具有結合的形式，而基態是離解的。

世界上第一台準分子激光器出現於1970年，在液態氦形成Xe2*，輻射波長為176 nm。

1972年在氣相氙中獲得Xe2*激光輸出，中心波長為170 nm，1975年以後出現稀有氣體鹵化物準分子激光，先後實現XeF，KrF，ArF，XeCl，KrCl和ArCl的激光輻射。其中ArF 193 nm是目前激光光刻和眼科治療的主流器件，KrF 248 nm用於激光光刻，XeCl 308 nm主要用於半導體的激光退火。

我國準分子激光器的研究起步於1977年5月。上海光機所的科學家在NF3和He混合氣體中，實現了氟原子的激光輸出，波長分別為623.97 nm，634.85 nm和641.36 nm。已故的鄧錫銘院士主編的《中國激光史概要》一書中指出，「這是我國獨自發現的激光新譜線」。

如果以人的年齡來算，準分子激光器在激光大家族中已屬中年。20世紀70年代後期，Lamda Physik公司（現在的Coherent公司）推出了第一台商用準分子激光器，他的開發者是兩位化學家，他們當時主要目標是開發光化學與染料激光器的抽運源。

第一台商用準分子激光器是Lambda Physik公司的EMG 500

在中國，上海光機所和安徽光機所很快研發出20 W量級的準分子激光器，安徽光機所主要研發波長為248 nm的KrF準分子激光器，上海光機所主要研發波長為308 nm準分子激光器。經過三年多的努力，上海光機所研製成功30 W平均功率準分子激光器，並提供給中國科學院物理所和哈爾濱工業大學使用，獲得了用戶的好評。哈爾濱工業大學的馬祖光教授接待了來自巴基斯坦光學研究中心夏丁教授，他們急需一套準分子激光抽運染料激光器的系統，馬祖光教授介紹他到上海光機所，很快簽訂了合同。這是我國準分子激光器的首次出口。

縱觀激光發展的歷史，準分子激光的應用對我們日常生活的影響是十分突出。大規模集成電路製造中的激光光源，平板顯示中的激光退火和LASIK激光手術治療近視眼三大應用領域中，體現了準分子激光獨特的特性。

準分子激光光刻

準分子激光器對製造大規模集成電路是核心器件，集成電路由非常多的電子元件組成，這些元器件是用激光光刻逐層構建成功的。準分子激光透過掩膜版照射半導體表面塗覆的光敏光刻膠，將掩膜圖形投影到晶體表面，之後對曝光的抗蝕劑進行顯影，對晶體進行化學蝕刻。經過30到40次的刻蝕形成大規模集成電路結構。

近年來，採用浸沒式光刻用193 nm準分子激光可使電路中的線條寬度小於10 nm。為了達到這個目的，需要研發譜線寬度小於皮米量級的準分子激光器，從而減少光學系統中的色差問題。這一技術在國際上僅有三家公司能夠提供產品。上海光機所經過技術攻關，已把譜線寬度控制在0.3皮米以下。

平板顯示中的

退火技術

從智能手機到大型平板顯示的電視機，準分子激光是必不可少的生產工具。在顯示平板的背面，要生成大量的薄膜晶體管（TFT）。化學氣相沉積用於產生非晶硅層，用準分子激光退火可以將非晶硅變成多晶硅。採用線狀聚焦308 nm XeCl準分子激光束和高脈衝能量相結合，可以使每個脈衝實現薄膜層的完全融化。這種裝置要求激光平均功率達到1000 W以上。