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2021年3月30日-4月1日
杭州國際博覽中心
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準分子激光具有波長短、能量大等特點,在集成電路光刻、材料加工、醫學、科研等領域具有重要的應用。與國外先進水平相比,我國高端準分子激光技術仍存在較大差距。本文首先簡要介紹了準分子激光的特點和發展歷史,然后分析了國內外準分子激光技術及相關典型應用的發展現狀及需求,之后提出了我國準分子激光技術發展的主要問題。最后,針對相關問題及需求,建議未來重點在基礎共性技術研究(高性能高端深紫外波段元器件設計、制備與性能表征研究,放電動力學等基礎理論及驗證研究等)、長脈沖、高重頻、大能量/ 功率技術、新興或潛在應用領域及衍生技術等研究方面繼續加大加深研究力度,為我國準分子激光的自主可控發展奠定基礎。

一、前言

準分子是一種在激發態結合而基態離解的受激二聚體。準分子激光的躍遷發生在束縛的激發態到排斥的基態,屬于束縛 – 自由躍遷 [1]。其特點是基態不穩定,一般在振動弛豫時間內便分解為自由粒子,而其激發態以結合的形式出現并相對穩定,以輻射的形式衰減,因而準分子激光具有高增益的特點 [2]。準分子激光器是紫外波段大能量激光光源,是一種輻射脈寬為幾十納秒的紫外氣體激光器。由于具有光子能量高、波長短、空間相干性低(不易產生干涉條紋)等一系列優勢,準分子激光是目前最有效、適合大規模工業生產的深紫外光源,在集成電路光刻、醫療、材料加工、科研等領域具有廣泛的應用。

早在 1960 年,Houtermaus 就提出了以準分子為工作介質實現激光振蕩的建議。1970 年,Basov 等首次采用強流電子束激發液態氙氣二聚體得到Xe2 準分子激光輸出,激光波長為 172 nm [3]。此后 50 年來,準分子激光技術得到了迅速發展,先后 實 現 了 Kr2 (145.7 nm)、Ar2 (126.1 nm)、XeO(235 nm)、KrO(180 nm)、ArO(150 nm)、XeBr(282 nm)、XeF(351 nm)、KrF(248 nm)、ArF(193 nm)、XeCl(308 nm)、KrCl(222 nm)、ArCl(175 nm)等激光輻射 [4]。特別地,以預電離放電泵浦 ArF(193 nm)、KrF(248 nm)、XeCl(308 nm)為代表的稀有氣體鹵化物準分子激光的各項技術得到迅猛發展,實現了準分子激光的商業化并廣泛應用于科研、工業、醫療等相關領域 [5]。20 世紀 90 年代,隨著準分子激光引入半導體光刻生產領域,大量準分子激光進入工業生產線,極大地推動了高重頻、窄線寬、長壽命、高穩定性準分子激光技術的發展。與此同時,其他微結構加工和材料處理等工業應用,諸如液晶平板退火、微細結構加工和表面處理等也促進了大功率準分子激光技術的蓬勃發展。

在大規模集成電路生產領域,光刻機一直是超大規模集成電路生產中最關鍵的設備,而高性能的準分子激光光源是光刻機的核心部件之一,是實現高水平光刻的關鍵技術之一,也是限制我國集成電路發展的關鍵部件之一,更是推動光刻技術發展的“源”動力 [6]。目前國際上僅有美國 Cymer 公司(現已被荷蘭阿斯麥爾(ASML)公司收購)與日本Gigaphoton 公司兩大光刻光源制造商,它們對我國進行技術封鎖,嚴重限制了我國集成電路制造裝備的發展,相關技術壁壘亟待攻克。

在材料加工領域,復合材料、陶瓷、金屬、納米材料等新興或升級材料的出現,對加工質量本身提出了更高的要求。為了完全滿足市場對性能與良率的需求,急需進一步提高加工可控性,避免或減少熱影響區、次表面損傷等加工缺陷。準分子激光由于具有熱影響小、空間分辨率高、效率高、無污染、不產生次表面破壞層等特點 [7],同時大多數材料對紫外激光具有很高的吸收率 [8,9],成為相關材料加工領域的理想光源之一。

二、國內外準分子激光技術發展現狀及需求分析

(一)國外發展現狀及需求分析

對于準分子激光器,國外有比較成熟的商用產品,主要生產廠家有:美國的 Coherent 公司(包含收購的 Lambda Physik 和 Tui Laser)、GAM Laser 公司,日本的 Gigaphoton 公司,荷蘭的 ASML 公司(Cymer)和加拿大的 Lumonics 公司等。從目前準分子激光器生產商的相關產品可以看出,準分子激光光源發展需求主要分為兩類:針對光刻需求——高重頻,同時要求極窄的光譜及極高的穩定性;針對工業加工需求——大單脈沖能量,高平均功率。

針對光刻應用需求,國際上主要有荷蘭 ASML 公司(Cymer)和日本 Gigaphoton 公司提供相應的準分子激光產品,相應功率從 10~100 W、光譜線寬從 0.5~0.1 pm、重復頻率從 2~6 kHz。高重復頻率可以提高加工產率,窄線寬可以保證芯片圖案的精細度,減小系統中色差影響,因此,高重頻和窄線寬是光刻用準分子激光光源發展不斷追求的指標。表 1 為 ASML 公司(Cymer)ArF 準分子激光產品的發展歷程。

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