准分子激光具有波长短、能量大、脉宽窄、功率高等特点，是目前紫外波段输出功率最大的激光器，广泛应用于工业、医疗和科研领域，包括半导体光刻、平板显示制造、眼科屈光度校正、血栓消融等。

自1970年首次获得准分子激光输出以来，准分子激光技术得到不断发展。特别是稀有气体卤化物准分子激光器，由于其紫外波段输出效率高、脉冲能量大、工作稳定等特点，器件技术发展迅速并得到广泛的应用。例如，半导体光刻采用的主要是248 nm KrF和193 nm ArF准分子激光，面板显示低温多晶硅退火主要使用308 nm XeCl准分子激光，眼科屈光度校正手术主要采用193 nm ArF准分子激光。

图1 准分子激光主要应用领域

准分子是一种在激发态复合成分子, 而在基态离解成原子的不稳定缔合物。准分子激光跃迁发生在束缚的激发态到排斥的基态, 属于束缚—自由跃迁。准分子英文名称Excimer是“Excited Dimer”的缩写。Excimer原单指二聚体的同核准分子，后来诞生的稀有气体卤化物等异核准分子被称为Exciplexes（Excited Complexes）。但出于习惯的叫法，后来所有准分子都被称为Excimer。

一

准分子激光基本能级和发射波长

图2为典型的准分子位能曲线，X为排斥基态，B为最低激发态，C为更高的激发态。准分子的特征谱是由B态到排斥基态X的跃迁。一般情况下，B态自发辐射寿命为几十纳秒，而基态X在10-13 s内便离解，是振动弛豫时间的量级，本质上是量子效率很高的激光器。

图2 典型准分子位能曲线

不同工作介质的准分子激光发射波长不同，发射波长及带宽如图3所示：

图3 各类准分子激光发射波长及光子能量示意图

理论上说，准分子激光可以覆盖从深紫外126 nm到可见波段约670 nm。但常用的准分子激光波长主要处于紫外波段。

常用准分子介质类型和输出波长：

二

准分子激光基本结构

准分子激光器大都工作在紫外波段，且上能级寿命仅10-8 s量级，对激励技术提出了较高要求。激光介质的激励功率密度一般需要高达MW/cm2，可以采用的激励手段主要有：电子束激励、放电激励和微波激励。

常用的准分子激光器均采用高压快放电激励，基本结构如图4所示，主要包括：整机控制系统、激励源、放电腔、谐振腔、水电气辅助系统。光刻用准分子激光器一般还包括线宽压窄模块、脉冲展宽模块等。激励源产生高压快脉冲，通过放电腔对工作气体放电激励形成粒子数反转，由于增益较大，一般采用平-平结构的谐振腔形成激光输出。辅助系统提供配电、工作气体、冷却水等，激光器整体运行由整机控制系统控制。

图4 常用准分子激光器基本结构

三

准分子激光应用

01

工业应用

准分子激光器由于波长短、光子能量大、平均功率高、相干性较弱等特点，使其成为性能优异的刻蚀光源。而且许多聚合物在准分子运转的紫外波段有非常强的吸收系数，也能获得高的刻蚀效率。

半导体光刻是准分子激光最重要的工业应用领域之一。248 nm KrF准分子激光是最早引入光刻的准分子光源，主要应用于180 nm~100 nm工艺。后续193 nm ArF准分子激光广泛应用于90 nm及以下节点半导体量产。通过浸没式技术、双图形技术、多图形等先进技术，193 nm ArF准分子激光可应用于光刻10 nm节点量产。

图5 半导体光刻机

平板显示制造是准分子激光另一重要的工业应用领域。高端平板显示制造中的准分子激光退火技术（ELA）采用308 nm XeCl激光将基板由非晶硅薄膜转变成高质量多晶硅薄膜，从而大幅度提高TFT（薄膜晶体管）性能，是目前高端显示技术LTPS TFT-LCD（低温多晶硅薄膜晶体管液晶显示）和AMOLED（主动矩阵有机发光二极管显示）的标准工艺。

柔性显示制造过程中，采用308 nm XeCl激光将柔性基底从玻璃等硬质基板上剥离也是准分子激光一项重要的工业应用。

图6 准分子激光退火用于平板显示制造

图7 准分子激光用于柔性显示PI基底剥离

准分子激光在表面处理行业也有着广泛的应用。发动机制造行业，准分子激光表面处理工艺可以提高发动机燃料效率，减少长期磨损，从而可以减小燃油消耗及有害粒子释放，进一步节省资源并保护环境。

常用准分子激光光子能量从3.5eV（351 nm）到7.9eV（157 nm）,能有效打断材料组织中的化学键。与大多数红外激光不同，准分子激光通过激光诱导的化学过程对材料进行光解切除(photo ablation)，避免了红外波段激光加工中的热效应以及激光生物组织切除中对周围组织的破坏，具有“冷加工”的特点。因此在工业微加工领域有较广泛的应用，包括：微电子封装、光纤光栅制备、微切割、微钻孔等。

02

医疗应用

193 nm ArF准分子激光单光子能量为6.4eV，而人眼睛角膜组织中肽键与碳链分子键的结合能量仅为3.4eV。因此ArF准分子激光能轻松地打断角膜生物组织分子的化学键，对角膜组织实施“光化学切削”。

从理论上讲，激光波长越短，其单光子能量越高，所伴发的切口周围的热损伤就越少。193 nm的ArF激光最接近人眼角膜及巩膜组织的最大吸收峰190 nm，使得这种激光照射到角膜组织中时，绝大部分在小于5 m的极小距离内被吸收，几乎不引起对角膜周边和内部组织的损伤，使其在医学特别是眼科方面有重要的用途，已广泛应用于眼科激光手术。

图8 准分子激光用于人眼屈光度矫正手术

在治疗白癜风等皮肤病方面，准分子激光可使病变细胞凋亡，并促进色素的合成，治疗时间短，有效率高。准分子激光除在皮肤医疗中应用，还在心血管治疗和神经外科手术等方面都有广泛的应用。

03

科研及其它方面应用

准分子激光在激光诱导荧光、激光脉冲沉积、激光化学气相沉积和激光诱导刻蚀等科研方面有着广泛的应用。

准分子辐射波长处于紫外波段、脉宽窄和峰值功率高，材料对准分子激光具有良好的吸收，可以对材料进行很好的消融和剥离作用，使得准分子激光成为激光剥蚀（LA）、脉冲激光沉积镀膜技术（PLD）和激光辅助化学气相沉积（LA-CVD）中的首选光源。

此外，准分子激光还应用于等离子体物理研究、高温超导、光激发质谱研究、同位素分离、抽运染料激光实现超短脉冲研究、惯性约束核聚变光源和非线性光学特性的研究。另外，准分子激光器作为有效的紫外辐射光源应用于高灵敏度大气探测和环境检测，如激光质谱技术、激光诱导荧光检测技术和紫外差分吸收光谱技术等。

图9 准分子激光剥蚀用于质谱和光谱元素分析

四

准分子激光国内外发展现状

早在激光器刚刚出现的1960年，F.G.Houtermans便提出了准分子束缚－自由电子跃迁产生增益的思想，即以准分子为激活介质实现激光振荡。

1970年俄罗斯的H.G.Bosov采用强流电子束激发液态氙得到Xe2准分子激光输出，这是首次用准分子跃迁得到激光振荡。之后，美国劳伦斯利佛莫尔国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、美国海军实验室、日本电子技术实验室、英国卢瑟福实验室、哥廷根大学、东京大学、俄罗斯科学院等相继开展了大量准分子激光相关研究。

我国准分子激光技术的研究工作开始于1977年。中国科学院安徽光学精密机械研究所和上海光学精密机械研究所较早对准分子激光技术开展了大量研究。原子能科学研究院和西北核技术研究所进行了电子束抽运的百焦耳级高功率准分子研究。国内其它单位如中国科学院长春光学精密机械研究所、华中科技大学等也开展了较多研究工作。

我国“七五”、“八五”、“九五”期间对准分子激光技术进行大量科技攻关，技术水平与国外差距较小，但之后十余年缺乏研究资金的投入，我国准分子激光技术水平与国外产生了较大差距。从 2009 年起，在国家科技重大专项的支持下，由中国科学院光电研究院牵头，安徽光学精密机械研究所、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、光电技术研究所、华中科技大学等单位开始半导体光刻用准分子激光器研发。

目前准分子激光器主要生产厂家有：美国的Coherent（收购德国的Lambda Physik和Tui Laser）、Gam laser，荷兰的ASML（收购美国的Cymer），日本的Gigaphoton，加拿大的Light Machinery（原Lumonics），德国ATL、MLase，俄罗斯Opto System，我国北京科益虹源光电技术有限公司、深圳盛方科技有限公司。

Coherent是目前全球最大的准分子激光器提供商，除光刻用高重频准分子激光器外，该公司产品几乎可以全部覆盖。Cymer和Gigaphoton主要生产光刻用高重频准分子激光器，销量分列第一和第二。ASML作为全球最大的光刻机供应商，从战略角度考虑收购了Cymer。其它如Gam laser、LightMachinery、ATL、MLase、Opto System等公司，产品主要集中在常规的中、小功率准分子激光器。科益虹源是国家科技重大专项技术转化公司，主要产品以光刻用准分子激光器为主。盛方科技产品以大、中、小功率准分子激光器为主，并提供准分子激光应用系统和设备。

结 语

准分子激光诞生50年来，从实验室一步步走向应用，目前已经在工业、医疗、科研等行业广泛使用。相比固体激光器和光纤激光器，准分子激光器缺点明显：体积大、结构复杂、需要定期更换工作气体，但因其在紫外波段的大能量和大功率输出优势，在诸多重点领域发挥着不可替代的作用，并且还在不断开辟出新的应用方向。正如Ludolf Herbst等激光专家的观点：准分子激光从未被看好,但多领域独领风骚。降低使用成本、提高可维护性仍是准分子激光提升的方向。

个人简介

游利兵，博士，深圳技术大学教授/中科院合肥物质科学研究院研究员，长期从事准分子激光技术及应用研究，先后主持和参与国家科技重大专项、国家重大科研仪器研制项目、国家自然科学基金、中科院仪器研制等项目。目前任中国光学学会高级会员、中国电源学会特种电源专委会委员、中国感光学会影像信息专委会委员。