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    工业用准分子激光之发展概况

    2008-8-1 16:06:00

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    一、准分子激光简介
    准分子激光大约可分成三大类,一为惰性气体准分子激光,工作物质为Xe2,Ar2, Kr2 等,一为惰性气体原子和卤素气体原子结合成的准分子,工作物质为XeF、KrF、ArF、XeCl、XeBr 等,此种准分子激光研究较为广泛,商品化者较多,第三类为金属原子和卤素原子结合而成的准分子,工作物质为HgCl、HgBr、CuF 等。
    准分子激光的输出光波均在紫外光领域,ArF 的输出波长为192nm,KrF 的输出波长为249nm,XeCl 的输出波长为308nm,由于紫外光波的光子能量高,且可聚焦至非常小之光点,可应用于微细加工之领域。在工业应用方面,主要用于微电子工业之修整,例如VLSI 及内存等。这种雷射在加工上的应用,其原因有二,其中之一是它输出紫外线,金属吸收紫外线的能力较可见光或红外线强,故适用于金属加工。其二是这一类紫外线雷射的效率很高,加工之经济效益较大。故有不少雷射制造商从事工业用准分子激光的生产。
    二、于半导制程中之应用颇受注目
    准分子激光主要制造商有Lambda Physik、Cymer Laser Tech、Lumonics 等,Lambda Physik的308nm 工业用准分子激光在市场上相当成功,Lumonics 的产品以半导体生产制程上的材料处理为主,Cymer Laser Tech 则以lithography 为目标市场。
    据Semiconductor Wafer-stepper 的制造者ASM Lithography(ASML, Tempe,AZ)表示,全球深紫外线(Deep Ultraviolent)DUV 市场将持续扩大, 1995 年仅5%的lithograhy(光蚀刻法)系统为DUV 系统,预估2005 年DUV 系统将占lithography 系统市场的25%。由于ASML 公司看好短波长光源于半导体制程上之应用市场,因此正在发展准分子激光系统(精度0.25mm),目标市场为256Mbits 的记忆芯片及先进的微处理器。而欧洲最大的雷射制造商─Lambda Physik 指出,该公司目前系准分子激光全球市场领导者,其估计1996~2000 年全球工业用准分子激光市场约300 台,主要用于半导体产业。此外,由于准分子激光于半导体制程上之应用颇具潜力,因此Lambda Physik对DRAM 之演进及曝光光源做了比较,结果请见表1 及表2。
    从表1 及表2 可明显发现,准分子激光因其波长短可聚至小光点,的确为下一代半导体曝光光源之利器。
    表1 :DRAM 发展预测
     年         份  1995   1998   2001  2004  2008
     DRAM(bit)   64M  256M  1G    4G  16G
     最小线径(mm)  0.35    0.25   0.18  0.12 0.085
        
      表2 : 曝光光源之特性比较
     光源种类 汞灯 准分子激光  KrF ArF
     波长(nm)   365 248 193   157
    分辨率(um) 0.4   0.2 0.15  0.12
             
            三、准分子激光发展方向
    因为准分子只能瞬时存在,所以只有用瞬时脉冲高压来进行放电,以求在短时内造成大量的准分子。它的基本结构与二氧化碳雷射相似,但在放电电路方面只提供快升速脉冲高压,而无直流高压。在材料方面,必须采用抗蚀性的,以免受卤族气体侵蚀而破坏雷射本体。今后的技术研究有高重复率,大输出化,高效率化,长脉冲化,窄谱线化,长寿命化等。高重复率、大输出化放电激发方式由于体积小,容易处理,可高重复率输出,因此具有很高的实用价值,因此市面上所卖的产业用准分子激光全部都是放电激发方式。
    放电激发方式的开发可分为两类,一种是单脉冲的大输出化,另一种是高重复率、高平均输出功率化。最高重复率方面,紫外线预先电离方式为250Hz 左右,电晕放电预先电离方式为500-600Hz 左右,所使用的开关组件为闸流管(Thyratron)。
    为对象的千瓦级平均输出功率,重复率kHz 级的大输出功率准分子激光,作为应用开发之用。而且可想象的技术内容将是开关的固态化,预先电离方式则采用电晕放电或X 光线。高效率化准分子激光的效率(光输出功率/电容器充电能量)通常约2%左右,要达到产业
    用的实用化则效率的再提高为必须的课题。
    长脉冲化准分子激光的脉冲宽度很短,通常为15~20ns,此为低效率的原因之一。而在CVD
    的应用上处理速度决定于工作周期(Duty Cycle),故成为低生产性的原因。脉冲宽度如能加长,则共振腔的效率将会提高,光速质量与脉冲工作周期都会提升,当放电由辉光放电转成弧光放电时,雷射共振随之停止,脉冲宽度即受限于此,如何长时间持续高密度辉光放电为其关键所在。
    窄光谱化在雷射共振腔内放置2 枚干涉器(Etalon),其一为粗调干涉器产生单一光谱,另一干涉器(精调干涉器)仅能使更窄的光谱成份发振。此种双重干涉器方式的输出功率仅为宽带宽时的几分之一,波长宽度为2~3nm。
    长寿命化准分子激光实用化的最大障碍是气体、电极、开关组件、光学组件等的寿命, 仍无决定性的对策或防止方法,必须针对基本材料、镀膜、耐光强度等作综合的研讨。
    四、结论
    准分子激光加工机于国内并无生产者,仅有使用者,半导体上游之IC 厂大都有准分子激光用于曝光光源,产品多来自于德国或日本,而在其它单位方面,中科院预计年底前引进一台准分子激光加工机做准分子激光加工之研究,此举对准分子激光于非半导体曝光光源之应用应有帮助。
     
     
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