工業(yè)用準分子激光之發(fā)展概況

一、準分子激光簡介

準分子激光大約可分成三大類，一為惰性氣體準分子激光，工作物質(zhì)為Xe2，Ar2， Kr2 等，一為惰性氣體原子和鹵素氣體原子結(jié)合成的準分子，工作物質(zhì)為XeF、KrF、ArF、XeCl、XeBr 等，此種準分子激光研究較為廣泛，商品化者較多，第三類為金屬原子和鹵素原子結(jié)合而成的準分子，工作物質(zhì)為HgCl、HgBr、CuF 等。

準分子激光的輸出光波均在紫外光領(lǐng)域，ArF 的輸出波長為192nm，KrF 的輸出波長為249nm，XeCl 的輸出波長為308nm，由于紫外光波的光子能量高，且可聚焦至非常小之光點，可應(yīng)用于微細加工之領(lǐng)域。在工業(yè)應(yīng)用方面，主要用于微電子工業(yè)之修整，例如VLSI 及內(nèi)存等。這種雷射在加工上的應(yīng)用，其原因有二，其中之一是它輸出紫外線，金屬吸收紫外線的能力較可見光或紅外線強，故適用于金屬加工。其二是這一類紫外線雷射的效率很高，加工之經(jīng)濟效益較大。故有不少雷射制造商從事工業(yè)用準分子激光的生產(chǎn)。

二、于半導(dǎo)制程中之應(yīng)用頗受注目

準分子激光主要制造商有Lambda Physik、Cymer Laser Tech、Lumonics 等，Lambda Physik的308nm 工業(yè)用準分子激光在市場上相當成功，Lumonics 的產(chǎn)品以半導(dǎo)體生產(chǎn)制程上的材料處理為主，Cymer Laser Tech 則以lithography 為目標市場。

據(jù)Semiconductor Wafer-stepper 的制造者ASM Lithography(ASML, Tempe,AZ)表示，全球深紫外線(Deep Ultraviolent)DUV 市場將持續(xù)擴大， 1995 年僅5%的lithograhy(光蝕刻法)系統(tǒng)為DUV 系統(tǒng)，預(yù)估2005 年DUV 系統(tǒng)將占lithography 系統(tǒng)市場的25%。由于ASML 公司看好短波長光源于半導(dǎo)體制程上之應(yīng)用市場，因此正在發(fā)展準分子激光系統(tǒng)(精度0.25mm)，目標市場為256Mbits 的記憶芯片及先進的微處理器。而歐洲最大的雷射制造商─Lambda Physik 指出，該公司目前系準分子激光全球市場領(lǐng)導(dǎo)者，其估計1996~2000 年全球工業(yè)用準分子激光市場約300 臺，主要用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。此外，由于準分子激光于半導(dǎo)體制程上之應(yīng)用頗具潛力，因此Lambda Physik對DRAM 之演進及曝光光源做了比較，結(jié)果請見表1 及表2。

從表1 及表2 可明顯發(fā)現(xiàn)，準分子激光因其波長短可聚至小光點，的確為下一代半導(dǎo)體曝光光源之利器。

表1 ：DRAM 發(fā)展預(yù)測

年         份	1995	1998	2001	2004	2008
DRAM(bit)	64M	256M	1G	4G	16G
最小線徑(mm)	0.35	0.25	0.18	0.12	0.085

    

  表2 ： 曝光光源之特性比較

光源種類	汞燈	準分子激光	KrF	ArF
波長(nm)	365	248	193	157
分辨率(um)	0.4	0.2	0.15	0.12

         

        三、準分子激光發(fā)展方向

因為準分子只能瞬時存在，所以只有用瞬時脈沖高壓來進行放電，以求在短時內(nèi)造成大量的準分子。它的基本結(jié)構(gòu)與二氧化碳雷射相似，但在放電電路方面只提供快升速脈沖高壓，而無直流高壓。在材料方面，必須采用抗蝕性的，以免受鹵族氣體侵蝕而破壞雷射本體。今后的技術(shù)研究有高重復(fù)率，大輸出化，高效率化，長脈沖化，窄譜線化，長壽命化等。高重復(fù)率、大輸出化放電激發(fā)方式由于體積小，容易處理，可高重復(fù)率輸出，因此具有很高的實用價值，因此市面上所賣的產(chǎn)業(yè)用準分子激光全部都是放電激發(fā)方式。

放電激發(fā)方式的開發(fā)可分為兩類，一種是單脈沖的大輸出化，另一種是高重復(fù)率、高平均輸出功率化。最高重復(fù)率方面，紫外線預(yù)先電離方式為250Hz 左右，電暈放電預(yù)先電離方式為500-600Hz 左右，所使用的開關(guān)組件為閘流管（Thyratron）。

為對象的千瓦級平均輸出功率，重復(fù)率kHz 級的大輸出功率準分子激光，作為應(yīng)用開發(fā)之用。而且可想象的技術(shù)內(nèi)容將是開關(guān)的固態(tài)化，預(yù)先電離方式則采用電暈放電或X 光線。高效率化準分子激光的效率（光輸出功率/電容器充電能量）通常約2%左右，要達到產(chǎn)業(yè)

用的實用化則效率的再提高為必須的課題。

長脈沖化準分子激光的脈沖寬度很短，通常為15~20ns，此為低效率的原因之一。而在CVD

的應(yīng)用上處理速度決定于工作周期(Duty Cycle)，故成為低生產(chǎn)性的原因。脈沖寬度如能加長，則共振腔的效率將會提高，光速質(zhì)量與脈沖工作周期都會提升，當放電由輝光放電轉(zhuǎn)成弧光放電時，雷射共振隨之停止，脈沖寬度即受限于此，如何長時間持續(xù)高密度輝光放電為其關(guān)鍵所在。

窄光譜化在雷射共振腔內(nèi)放置2 枚干涉器(Etalon)，其一為粗調(diào)干涉器產(chǎn)生單一光譜，另一干涉器（精調(diào)干涉器）僅能使更窄的光譜成份發(fā)振。此種雙重干涉器方式的輸出功率僅為寬帶寬時的幾分之一，波長寬度為2~3nm。

長壽命化準分子激光實用化的最大障礙是氣體、電極、開關(guān)組件、光學(xué)組件等的壽命， 仍無決定性的對策或防止方法，必須針對基本材料、鍍膜、耐光強度等作綜合的研討。

四、結(jié)論

準分子激光加工機于國內(nèi)并無生產(chǎn)者，僅有使用者，半導(dǎo)體上游之IC 廠大都有準分子激光用于曝光光源，產(chǎn)品多來自于德國或日本，而在其它單位方面，中科院預(yù)計年底前引進一臺準分子激光加工機做準分子激光加工之研究，此舉對準分子激光于非半導(dǎo)體曝光光源之應(yīng)用應(yīng)有幫助。