科技创新

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。

表 1ASML 公司（Cymer）ArF 准分子激光产品的发展历程

我国准分子激光技术的研究工作开始于 20 世纪 70 年代[15]，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

图 2国内准分子激光技术战略布局

我国准分子激光技术发展问题分析

高性能的紫外激光光源对所使用的高端元器件提出了越来越高的要求。以光学元件及薄膜元件为例，在国家重大专项的资助下，国内制备的紫外光学元件及薄膜元件的性能有了长足的进步，所制备的光学薄膜元件已可以较好地满足光学和光谱性能方面的要求，在抗激光辐照损伤抑制和提高使用寿命方面，也取得了显著进展。然而，前期的大量研究结果也显示目前国内的光学元件及薄膜元件的综合性能与高性能紫外激光器的实际和潜在要求之间还存在一定的差距，面向超高性能紫外激光器的应用需求，光学元件及薄膜元件的长期抗激光辐照损伤能力还有待进一步提高。造成这种差距的原因主要包括：首先，光学元件涉及材料生长、表面加工及应用等多个环节，各环节都存在多种影响抗激光辐照性能的因素，导致对其具体影响机理及规律的研究难度很大；其次，国内在高端光学元件材料及加工方面的前期基础薄弱，也对后续的光学镀膜工作及长期应用评价工作造成障碍；最后，到目前为止，国内还没有形成对高性能紫外激光器光学元件及薄膜元件的综合检测和评价的有效技术和标准，使得对光学元件的材料、加工、镀膜及应用等环节中各影响因素的优化工作不能高效开展。

目前我国在准分子激光研究方面主要是参照国外成熟产品，主要集中在依靠实验手段解决工程技术问题，基础性技术积累相对薄弱。

以放电动力学为例，准分子激光系统的运转过程是高压气体放电等离子体激发光辐射过程，对放电过程特性的研究是系统设计的核心和根源。放电过程特性的准确分析，对系统的优化改善都将具有极其重要的作用。通过仿真，研究准分子激光系统的放电动力学特性，实时预测工作气体的成分变化，深化理解从工作气体电离到激光辐射的物理过程，明确关键因素，可对准分子激光系统的结构特性优化提供设计指导，提高系统运转相关实验验证的准确性和可靠性。目前，我国在放电动力学等基础性研究方面处于刚刚起步状态，难以指导新技术、新产品的开发。

在超大规模集成电路光刻和超精细加工等当前应用及未来潜在应用中，要求紫外激光的输出指标越来越苛刻，主要包括：要求紫外激光的输出脉冲能量、功率和光谱性能指标越来越高，同时要求其输出脉冲能量和光谱性能具有极高的稳定性与可控变化特性。

目前，我国虽然在准分子激光技术及研发方面取得了一系列突破性进展，但和国外领先水平相比，尚存在着较大的差距，造成这种差距的原因主要包括：国内基础薄弱，人才队伍（特别是高端领军人才）短缺，技术及产品落后

我国准分子激光技术未来发展方向建议

1. 高性能准分子激光器用高端元器件设计、制备与性能表征研究

以光学元件及光学薄膜的制备及其长期性能稳定性测试与评价为例，在准分子激光光学系统中，由于紫外激光单光子能量高，高能光子与物质相互作用导致光学元件更易产生激光损坏和性能退化，极大影响紫外激光光学系统的通光能力、性能、稳定性和寿命。因此，高性能光学元件及光学薄膜的制备极其重要，需要开展材料严格筛选、光学表面超精密加工工艺优化、高性能薄膜制备工艺优化，以及应用环境对抗辐照性能影响评价等一系列工作。

另外，当前针对紫外激光器光学元件及薄膜元件的性能评价还主要依赖于一些较常规的技术和手段，远远无法满足高性能光学元件及薄膜元件制备的需要。因此，有必要在现有测试和评价技术的基础上，针对紫外激光器光学元件及薄膜元件抗激光辐射能力和长期性能稳定性的要求，完善建立基于激光损伤阈值组合测试的短期评价方法和基于低能激光辐照组合的长期评价方法相结合的高效系统性评价方案，以此作为高性能 CaF2 等光学材料筛选、光学表面超精密加工工艺优化、高性能薄膜制备工艺优化、以及应用环境影响研究开展所需的新的技术支撑。

2. 基础性理论及验证研究

从基础理论模拟仿真、基础原材料特性、基础元器件性能特性分析等方面，加强基础性研究以及验证工作。以放电动力学为例，对放电动力学特性研究主要考察研究准分子激光器高压气体放电等离子体激发光辐射过程，其中涉及气体混合配比情况、腔内气体压力情况、主电极的设计、预电离电极的设计、放电电极间距、放电电压情况、电极预电离机制结构等多方面的内容，进行的最优化设计，从而可以有效辅助新技术及产品开发，提高新产品开发效率，节约开发成本。

紫外激光由于波长短，单光子能量大，在加工等领域具有优势的同时，也带来光学元件易受到损伤等难题，增加激光脉宽可以有效地解决这一问题。面向应用需求，长脉冲紫外激光技术是重要研究方向之一，但常规激光器脉宽受限于激光上能级寿命、泵浦电源等因素，更宽的激光脉宽较难实现。

激光重频直接影响加工产率，二者呈正比例关系。目前国际上光刻用准分子激光光源最高重频是6 kHz，若要在其他条件相同的情况下继续提高加工产率，势必要继续提高激光重频，而为了提升激光重频，必须解决泵浦电源、光学材料、驱动风机、流场、激波、散热等一系列问题。针对应用的前瞻需求，有必要开展更高重频激光光源研究，从而实现我国在这一技术领域的领先地位，为更高性能激光光源的开发奠定基础。

在智能手机、平板显示器等领域广泛应用的新型显示器，包括有源矩阵液晶显示器（AMLCD）和有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）显示器等是下一代电子产品的核心之一，广泛应用于日常电子消费类产品和不同工业领域，具有巨大的市场价值，是国家经济建设和社会发展的重要领域。其中，低温多晶硅（LTPS）的制备是最关键的加工工艺之一，而准分子激光退火已经成为当下屏制造中制备有效的多晶硅层的首选方法。该光源一般要求单脉冲能量至少数百毫焦，因此，有必要开展大能量 /功率技术研究，这将为我国在该领域开发具有核心自主知识产权的装备奠定基础。

在现有研究成果的基础上，针对光电对抗、高精度光学系统检测等应用，开展电磁干扰、辐射标定、综合参数诊断、光谱调谐控制等进行技术辐射转移。

针对新兴或潜在的应用需求，如微加工制造（包括：多层石墨烯材料的制备；CFRP 等复合材料的切割、微孔、表面羟基化；SiC 等脆硬陶瓷材料的抛光、改性；纳米材料的诱导晶化、沉积；生物材料的选择性切断、微流控芯片等器件的微加工等）、高精度 / 性能元器件表面处理等应用领域，有针对地开展相适应的准分子激光技术及相关性能优化研究，为最终带动新的应用领域发展奠定基础。