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准分子激光预混气丨准分子激光技术简述(一)
准分子激光（Excimer laser）是指受到电子束激发的惰性气体和卤素气体结合的混合气体形成的分子向其基态跃迁时发射所产生的激光。最常见的波长有157 nm、193 nm、248 nm、308 nm、351-353 nm。其特点有：波长短、功率高、单脉冲输出能量大、短脉冲、光斑面积大、光斑分布较均匀等。基于这些特点，准分子激光在工业、医疗和科研等领域有着重要的应用。在医学上的重要应用则是众所周知的LASIK眼科手术矫正近视、散光、远视，准分子激光冠状动脉斑块消融，以及最近兴起的准分子激光白癜风皮肤治疗;在工业应用包括半导体集成电路光刻、平板显示制造工艺中的低温多晶硅退火和柔性剥离、MEMS微加工、光纤光栅刻蚀等; 另外准分子激光在科研中也有着较为广泛的应用，如脉冲激光沉积薄膜、激光与物质相互作用、分子动力学研究、激光剥蚀等离子体质谱和光谱检测等。
激光应用领域和激光器涵盖门类、种类多，其中准分子激光器是其“小众”的一个专业领域应用。准分子激光的泵浦方式也有很多种，目前应用最广泛的是采用放电激励的稀有气体卤化物准分子激光，如XeF、XeCl、KrF、ArF等。激光技术正逐步向精细微加工的增量市场拓展，充分满足了通讯、显示面板、消费电子、集成电路、医疗医美、光伏新能源等领域精细微制造的工艺需求，在推动上述行业发展的同时也为自身的发展创造了机遇。
图一：激光器的市场数据统计和预测
从下游细分应用领域上来看，材料加工与光刻目前仍是激光器的第一大应用领域，与之相关的激光器收入为63亿美元，占到全球激光器收入的39.6%；通信与光存储相关的激光器收入为39亿美元，占比为24.5%，位居第二；科研与军事、医疗与美容等市场销售收入紧随其后，行业下游应用端呈现出明显的扩散式发展态势。
/国外发展现状及需求分析
对于准分子激光器，国外有比较成熟的商用产品，主要生产厂家有：美国的 Coherent 公司（包含收购的 Lambda Physik 和 Tui Laser）、GAM Laser 公司，日本的 Gigaphoton 公司，荷兰的 ASML 公司（Cymer）和加拿大的 Lumonics 公司等。从目前准分子激光器生产商的相关产品可以看出，准分子激光光源发展需求主要分为两类：针对光刻需求——高重频，同时要求极窄的光谱及极高的稳定性；针对工业加工需求——大单脉冲能量，高平均功率。
针对光刻应用需求，国际上主要有荷兰 ASML 公司（Cymer）和日本 Gigaphoton 公司提供相应的准分子激光产品，相应功率从 10~100 W、光谱线宽从 0.5~0.1 pm、重复频率从 2~6 kHz。高重复频率可以提高加工产率，窄线宽可以保证芯片图案的精细度，减小系统中色差影响，因此，高重频和窄线宽是光刻用准分子激光光源发展不断追求的指标。
针对工业生产及科研应用需求，主要有美国的Coherent 公司提供相应的准分子激光光源。主要应用领域包括：聚合物标记等打标应用、光纤光栅刻写等材料加工、燃烧诊断等测量应用、激光退火等表面处理、近视矫正等医疗应用。工业及科研用准分子激光器一般要求具有较高的稳定性和光斑均匀性。以制造平板显示器（FPD）的激光退火工序应用为例，其使用的准分子激光能量稳定性一般要求小于 2%。
在材料加工与表面处理方面，Insung 等使用激光诱导单晶碳化硅的固态相位分离，实现了多层石墨烯的制备；日本京都大学研究者利用 KrF 准分子激光实现了侧壁粗糙度的降低，提高了波导的通光性能并提升了抗拉强度，热影响小、修复力强、质量高；日本 Kobayashi 等利用 193 nm 激光加工碳纤维增强复合材料（CFRP），加工热影响区在目前报道中属于较高水平。由于对复合材料疲劳强度影响最小，具有综合最优的加工质量及加工效率，美国 Coherent 公司、日本 Gigaphoton 公司都将 CFRP 加工作为准分子激光器的重要应用进行相关光源、材料加工技术的研究。此类应用对光源稳定性、光斑均匀性以及定位精度等都提出了越来越高的要求。
/我国发展现状及需求分析
我国准分子激光技术的研究工作开始于 20 世纪 70 年代，主要研究单位包括中国科学院上海光学精密机械研究所、安徽光学精密机械研究所、长春光学精密机械与物理研究所、天津大学等，其研究主要集中在 XeCl 和 KrF 准分子激光器。20 世纪 90 年代之后，我国科研型准分子激光向实用化方向发展，上海光学精密机构研究所和安徽光学精密机械研究所开发了一些激光器产品，并出口到国外。
从 2009 年起，在国家科技重大专项（02 专项）的支持下，我国准分子激光技术获得迅速发展，中国科学院光电研究院、上海光学精密机构研究所、长春光学精密机械与物理研究所、合肥物质科学研究院、光电技术研究所、上海微电子装备有限公司、华中科技大学等单位参与了相关项目研发工作。目前，已攻克了一系列高性能准分子激光核心关键技术，实现了高重频（kHz）、大能量（mJ 级）、窄线宽（亚 pm）准分子激光的稳定运转，研发出第一代光刻用准分子系统原理样机，目前正在进行技术提升和面向产品的开发，并初步建立了我国自主的知识产权体系。图 1 为目前统计的准分子激光技术国内发明专利申请量与国外来华发明专利申请量对比。可见，在 2009 年之前，国内申请和国外来华申请量仅分别为 7 项和 3 项；在 2009 年之后，截至 2018 年 3 月，相关数据已分别激增至 203 项和106 项。国内准分子激光技术战略布局如图 2 所示，主要分布在放电腔设计、流场设计、准分子激光电源设计、电极设计、光谱控制、光学元件设计、预电离设计等方面。
图1 准分子激光技术国内发明专利申请量与国外来华发明专利申请量对比图
我国在准分子激光加工与处理方面的研究起步于 20 世纪 80 年代。目前国内多家科研院所及公司都在进行相关技术研发，已取得一定的进展。北京工业大学加工 SiC 单晶的表面粗糙度达4.11 nm，相比抛光前降低 83%；上海交通大学对激光诱导晶化氢化纳米硅薄膜进行了实验与模拟，研究明确了工艺过程与影响因素；中国科学院光电研究院[20]研究了 SiC、Al2O3 陶瓷的表面处理并确定了烧蚀机制。天津大学、国防科技大学等诸多科研机构也进行了相关的研究。
