紫外激光器及其在微加工中的應用

摘要：

紫外激光以其波長短、加工精度高、冷加工等特性，在微細製造中具有獨特優勢，能夠有效提高製造品質。近年來，隨著現代電子產業的快速發展，其對生產製造的要求不斷提高，紫外激光的應用和發展也受到人們的廣泛關注。紫外激光在微加工過程中對材料尺寸形狀要求小，加工過程靈活可變，產生的熱影響區小，能夠實現精密複雜結構的加工。本文介紹了紫外激光器的發展過程，並對目前主要用於微加工的兩類紫外激光器：準分子激光器和全固態激光器的工作原理和技術特點進行了簡要的概述。重點討論紫外激光在半導體、光學元件和聚合物等領域的技術發展和應用現狀，並進一步對未來研究方向進行預測和展望。

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引言

隨著現代化電子產業的快速發展，產業需求轉為尺寸小型化、重量輕型化和功能多樣化，要求同時實 現小尺寸、高精度和高質量等高品質製造。傳統製造 方法存在工藝複雜、成本高、加工形狀、尺寸、材料 受限等問題，容易導致加工精度低、效率低、副產品 污染嚴重、加工刀具磨損嚴重、成品率較低等問題。 與傳統加工方法相比，激光微細加工具有相干性高、熱影響小、加工效率、精度和重複率高、對材料無選 擇性、加工方式靈活多樣、成本低等優點，因此得到 實際應用並快速發展。紫外激光波長短，單光子能量 高，能夠直接打斷物質原子/分子間連接的化學鍵加工 物質，導致被照射區域材料直接形成氣態粒子或微粒 並發生光化學剝離過程，不對周圍物質造成明顯影響， 幾乎不產生熱影響區，進而獲得高的尺寸精度和邊緣 質量，因此從而在半導體材料加工、微光學元件製作 和印刷電路板等領域。

紫外激光器起源於上世紀六十年代[1]。世界上第 一台紫外激光器來自蘇聯，Basov等[2]利用 Xe2首次獲 得波長172nm 的準分子激光。隨後相繼出現 XeF、 KrF、ArF 等準分子激光器[3-5]。由於準分子激光器需 要持續使用腐蝕性鹵族氣體，因此在實際使用中受到 諸多限制，使得人們開始同時關注固體激光器的研發。 1989年，浙江大學尤晨華教授[6]利用非線性晶體 BBO 製得216nm的深紫外激光。2000年，日本 Kojima等 人[7]利用非線性晶體CLBO輸出 20 W、266 nm脈衝紫 外激光輸出，取得突破性進展。隨著光學元器件加工 技術的日益成熟，紫外激光的譜線不再局限於 355 nm、266 nm 和 213 nm。2006 年，Johansson 等人[8] 使用周期極化 KTP 晶體(PPKTP)和 BBO 晶體對調 Q 946 nm 激光器進行四倍頻處理，製得 20 mW 的 236 nm紫外激光輸出。2008年，Kimmelma等人[9]研製新 型調 Q Nd:YAG脈衝激光器，輸出波長為 237 nm，輸 出脈寬為 1.9 ns，平均功率為 7.6 mW。2014 年，Deyra 等人[10]對調 Q Nd:YAG 脈衝激光器進行進一步優化， 得到 600 mW的 237 nm激光輸出，這是當時 237 nm 紫外波段上獲得的最高平均功率。

目前，光譜物理、相干、通快等外國公司佔有著 紫外激光的高端市場。光譜物理公司新款 Quasar 高功 率紫外激光器具有高脈衝頻率、高功率紫外輸出等特 點，該產品不但能夠調節脈衝寬度，還可實現對波形 進行編程，為產品提供了高度工藝靈活性和可控性， 大幅提升了加工產能與效率。此外，Quasar 穩定性高， 使用壽命長，能確保 24/7長期連續運行。同時，國內 品牌也得到長足發展，華日、英谷、瑞豐恆等企業得 到了良好的增長。2009年，華日激光開始發展納秒級 的紫外激光器，經過 8 年發展，華日公司納秒級紫外 激光器月產量可達到 600台。2015年，華日成功收購 加拿大超快激光器公司 Attodyne，同時在多倫多建立 了全球領先的超快激光器研發中心。

近年來，紫外激光器是工業激光市場增長最快的 一部分，紫外激光器尤其是準分子激光器和全固態紫 外激光器成為新的研究熱點。本文在介紹這兩種紫外激光器的工作原理和近年來國內外研究進展的基礎上, 重點介紹紫外激光器在激光微細加工中的應用，並對 紫外激光微加工未來的研究方向進行了預測和展望。

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紫外激光器

紫外激光產生介質主要分為氣體和固體兩種。氣 體介質產生方式通過電子束或脈衝放電，利用電子碰 撞激發，將氣體粒子激發至某高能級上，從而產生受 激躍遷向外輻射紫外激光。固體介質是通過將紅外光 或近紅外光透過非線性倍頻晶體的方式進行一次或多 次的頻率轉換後得到紫外激光。用於激光微細加工的 激光器主要有準分子激光器和全固態激光器等。

2.1.準分子激光器

準分子激光器是以準分子作為工作介質的一類氣 體激光器，工作介質主要為稀有氣體(Ar, Kr, Xe等)和 鹵族元素(F, Cl, Br等)，常採用電子束或脈衝放電的形 式實現泵浦(如圖1所示)。處於基態的稀有氣體原子 受到激發後，核外電子躍遷到更高能級的軌道從而改 變原有最外層電子充滿的結構，並與其他原子結合形 成分子，當激發態的分子躍遷回到基態時，又離解成 原來分立的原子，能量以光子的形式放出，經諧振腔 放大後，變為具有高能量的紫外激光。準分子激光器 通過使用不同工作介質實現輸出不同激光波長，比如 Xe2F激光器可輸出最長的波長(610±65) nm，Ar2激光 可輸出最短的波長126nm。常見準分子激光器還包括 ArF 激光器(193 nm)，KrF 激光器(248 nm)和 XeCl 激 光(308 nm)等。

2.2.全固態激光器

全固態激光器具有峰值功率高、穩定性好、光束 質量高、體積小等優點，具有更廣的應用前景。固體 激光器的紫外激光產生過程主要分為以下兩個步驟： 1) 泵浦光源經激光器內光路照射到增強介質上，實現 粒子數反轉，在諧振腔內形成紅外光，作為基波；2) 基波在諧振腔內振蕩，經過一次或多次非線性晶體腔 內倍頻，得到所需的紫外譜線後經鏡片透射、反射從 諧振腔輸出。紫外固體激光器採用的泵浦方式主要分 為燈泵浦和激光二極體(LD)泵浦，其中LD泵浦的紫 外固體激光器又被稱為全固態激光器，其光路原理如圖2所示。

目前全固態激光器使用較為廣泛的增強介質有 Nd:YAG(摻釹釔鋁石榴石)和 Nd:YVO4(摻釹釩酸釔)， 兩者的主要物理性質如表1所示。Nd:YAG 晶體具有 良好的熱導率和較長的熒光壽命，對激光器系統硬體 的散熱要求不高，能夠適應脈衝激光器和大功率激光 器的工作使用需求。同時，Nd:YAG 晶體具有較高的 機械強度，對激光波長範圍的光線具有高的透過率， 能夠獲得較好的光束質量。因此，Nd:YAG晶體已經 成為了目前LD泵浦紫外固體激光器的首選增強介質。

相比於Nd:YAG，Nd:YVO4是單軸晶體，在使用過程 中具有吸收帶寬高，並且輸出偏振光，但受其自身物 理及機械性能的限制，無法製備大尺寸的高質量晶體，並且晶體熱導率偏小，在小功率激光以及薄片激光器 中擁有部分應用。 紫外激光所採用的頻率轉換方式主要包括：1) 利 用非線性晶體對紅外激光進行直接三倍頻、四倍頻或 五倍頻處理，得到三次、四次或五次諧波；2) 先利用 倍頻處理製得二次諧波，再利用和頻技術將二次諧波 與基波混合製得三倍頻紫外激光。其中後者因為利二次非線性極化，轉換效率要高於前者。實現對激光 基波頻率轉換的關鍵部件為非線性晶體，它直接影響 到輸出功率的大小和光束的質量。紫外激光器中常見 的非線性晶體主要有 LBO(三硼酸鋰，LiB3O5)和 KTP(磷酸鈦氧鉀，KTiOPO4)。兩者的部分物理性質如表2。LBO 擁有較高的倍頻係數，很寬的透光波段， 高的光學均勻性。LBO相位匹配的接收角度範圍寬， 離散角小，能實現非臨界相位匹配，通過溫度調諧或 者角度調諧能夠實現相位匹配的折返。同時激光損傷 閾值高，在高平均功率的二階諧波、三階諧波、四階 諧波等的產生以及其和頻、差頻處理等領域被廣泛使 用。KTP 晶體的光學透過波長範圍為 350 nm~4500 nm，硬度高、不易潮解、化學性能穩定。最大的優點 是非線性係數高，光損傷閾值也高，目前主要應用於 Nd:YAG 激光器的內腔倍頻處理。

在深紫外激光器研究領域，中國已成為當今世界 上唯一掌握深紫外全固態激光技術並且實用化的國家。中國科學院的研究人員通過研究非線性光學晶體 氟硼鈹酸鉀晶體(KBBF)，在國際上率先製得大尺寸 KBBF 晶體，並且針對 KBBF 晶體發明特殊稜鏡耦合器 件[12]，能夠無需按照匹配角直接實現激光的倍頻輸出， 發展出實用化的深紫外固態激光源[13](如圖 3 所示)。

此外，中國科學院成功研製出深紫外拉曼光譜儀、深 紫外光電子發射顯微鏡等8種國際首創深紫外前沿裝 備，將拉曼光譜儀、光致發光譜儀、光耦合掃描隧道 顯微鏡延伸擴展到深紫外激光波段，光電子能譜儀的 主要技術指標(能量解析度、動量解析度和自旋解析度) 和光發射電子顯微鏡的測量精度成量級提高，對科學 儀器行業起了積極的推動作用。（鑒於篇幅，本次推送僅為節選。）

來源：光行天下

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