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摘要：紫外激光以其波長短、加工精度高、冷加工等特性，在微細(xì)制造中具有獨(dú)特優(yōu)勢，能夠有效提高制造品質(zhì)。近年來，隨著現(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其對(duì)生產(chǎn)制造的要求不斷提高，紫外激光的應(yīng)用和發(fā)展也受到人們的廣泛關(guān)注。紫外激光在微加工過程中對(duì)材料尺寸形狀要求小，加工過程靈活可變，產(chǎn)生的熱影響區(qū)小，能夠?qū)崿F(xiàn)精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工。本文介紹了紫外激光器的發(fā)展過程，并對(duì)目前主要用于微加工的兩類紫外激光器：準(zhǔn)分子激光器和全固態(tài)激光器的工作原理和技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了簡要的概述。重點(diǎn)討論紫外激光在半導(dǎo)體、光學(xué)元件和聚合物等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀，并進(jìn)一步對(duì)未來研究方向進(jìn)行預(yù)測和展望。

關(guān)鍵詞：紫外激光器；激光微加工；半導(dǎo)體材料；微光學(xué)元件；聚合物

1.引言

隨著現(xiàn)代化電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)需求轉(zhuǎn)為尺寸小型化、重量輕型化和功能多樣化，要求同時(shí)實(shí) 現(xiàn)小尺寸、高精度和高質(zhì)量等高品質(zhì)制造。傳統(tǒng)制造 方法存在工藝復(fù)雜、成本高、加工形狀、尺寸、材料 受限等問題，容易導(dǎo)致加工精度低、效率低、副產(chǎn)品 污染嚴(yán)重、加工刀具磨損嚴(yán)重、成品率較低等問題。 與傳統(tǒng)加工方法相比，激光微細(xì)加工具有相干性高、熱影響小、加工效率、精度和重復(fù)率高、對(duì)材料無選 擇性、加工方式靈活多樣、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此得到 實(shí)際應(yīng)用并快速發(fā)展。紫外激光波長短，單光子能量 高，能夠直接打斷物質(zhì)原子/分子間連接的化學(xué)鍵加工 物質(zhì)，導(dǎo)致被照射區(qū)域材料直接形成氣態(tài)粒子或微粒 并發(fā)生光化學(xué)剝離過程，不對(duì)周圍物質(zhì)造成明顯影響， 幾乎不產(chǎn)生熱影響區(qū)，進(jìn)而獲得高的尺寸精度和邊緣 質(zhì)量，因此從而在半導(dǎo)體材料加工、微光學(xué)元件制作 和印刷電路板等領(lǐng)域。 

紫外激光器起源于上世紀(jì)六十年代[1]。世界上第 一臺(tái)紫外激光器來自蘇聯(lián)，Basov等[2]利用 Xe2首次獲 得波長172nm 的準(zhǔn)分子激光。隨后相繼出現(xiàn) XeF、 KrF、ArF 等準(zhǔn)分子激光器[3-5]。由于準(zhǔn)分子激光器需 要持續(xù)使用腐蝕性鹵族氣體，因此在實(shí)際使用中受到 諸多限制，使得人們開始同時(shí)關(guān)注固體激光器的研發(fā)。 1989年，浙江大學(xué)尤晨華教授[6]利用非線性晶體 BBO 制得216nm的深紫外激光。2000年，日本 Kojima等 人[7]利用非線性晶體CLBO輸出 20 W、266 nm脈沖紫 外激光輸出，取得突破性進(jìn)展。隨著光學(xué)元器件加工 技術(shù)的日益成熟，紫外激光的譜線不再局限于 355 nm、266 nm 和 213 nm。2006 年，Johansson 等人[8] 使用周期極化 KTP 晶體(PPKTP)和 BBO 晶體對(duì)調(diào) Q 946 nm 激光器進(jìn)行四倍頻處理，制得 20 mW 的 236 nm紫外激光輸出。2008年，Kimmelma等人[9]研制新 型調(diào) Q Nd:YAG脈沖激光器，輸出波長為 237 nm，輸 出脈寬為 1.9 ns，平均功率為 7.6 mW。2014 年，Deyra 等人[10]對(duì)調(diào) Q Nd:YAG 脈沖激光器進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化， 得到 600 mW的 237 nm激光輸出，這是當(dāng)時(shí) 237 nm 紫外波段上獲得的最高平均功率。 

目前，光譜物理、相干、通快等外國公司占有著 紫外激光的高端市場。光譜物理公司新款 Quasar 高功 率紫外激光器具有高脈沖頻率、高功率紫外輸出等特 點(diǎn)，該產(chǎn)品不但能夠調(diào)節(jié)脈沖寬度，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)波形 進(jìn)行編程，為產(chǎn)品提供了高度工藝靈活性和可控性， 大幅提升了加工產(chǎn)能與效率。此外，Quasar 穩(wěn)定性高， 使用壽命長，能確保 24/7長期連續(xù)運(yùn)行。同時(shí)，國內(nèi) 品牌也得到長足發(fā)展，華日、英谷、瑞豐恒等企業(yè)得 到了良好的增長。2009年，華日激光開始發(fā)展納秒級(jí) 的紫外激光器，經(jīng)過 8 年發(fā)展，華日公司納秒級(jí)紫外 激光器月產(chǎn)量可達(dá)到 600臺(tái)。2015年，華日成功收購 加拿大超快激光器公司 Attodyne，同時(shí)在多倫多建立 了全球領(lǐng)先的超快激光器研發(fā)中心。 

近年來，紫外激光器是工業(yè)激光市場增長最快的 一部分，紫外激光器尤其是準(zhǔn)分子激光器和全固態(tài)紫 外激光器成為新的研究熱點(diǎn)。本文在介紹這兩種紫外激光器的工作原理和近年來國內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上, 重點(diǎn)介紹紫外激光器在激光微細(xì)加工中的應(yīng)用，并對(duì) 紫外激光微加工未來的研究方向進(jìn)行了預(yù)測和展望。 

2.紫外激光器 

紫外激光產(chǎn)生介質(zhì)主要分為氣體和固體兩種。氣 體介質(zhì)產(chǎn)生方式通過電子束或脈沖放電，利用電子碰 撞激發(fā)，將氣體粒子激發(fā)至某高能級(jí)上，從而產(chǎn)生受 激躍遷向外輻射紫外激光。固體介質(zhì)是通過將紅外光 或近紅外光透過非線性倍頻晶體的方式進(jìn)行一次或多 次的頻率轉(zhuǎn)換后得到紫外激光。用于激光微細(xì)加工的 激光器主要有準(zhǔn)分子激光器和全固態(tài)激光器等。

2.1.準(zhǔn)分子激光器 

準(zhǔn)分子激光器是以準(zhǔn)分子作為工作介質(zhì)的一類氣 體激光器，工作介質(zhì)主要為稀有氣體(Ar, Kr, Xe等)和 鹵族元素(F, Cl, Br等)，常采用電子束或脈沖放電的形 式實(shí)現(xiàn)泵浦(如圖1所示)。處于基態(tài)的稀有氣體原子 受到激發(fā)后，核外電子躍遷到更高能級(jí)的軌道從而改 變原有最外層電子充滿的結(jié)構(gòu)，并與其他原子結(jié)合形 成分子，當(dāng)激發(fā)態(tài)的分子躍遷回到基態(tài)時(shí)，又離解成 原來分立的原子，能量以光子的形式放出，經(jīng)諧振腔 放大后，變?yōu)榫哂懈吣芰康淖贤饧す狻?zhǔn)分子激光器 通過使用不同工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)輸出不同激光波長，比如 Xe2F激光器可輸出最長的波長(610±65) nm，Ar2激光 可輸出最短的波長126nm。常見準(zhǔn)分子激光器還包括 ArF 激光器(193 nm)，KrF 激光器(248 nm)和 XeCl 激 光(308 nm)等。 

2.2.全固態(tài)激光器 

全固態(tài)激光器具有峰值功率高、穩(wěn)定性好、光束 質(zhì)量高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，具有更廣的應(yīng)用前景。固體 激光器的紫外激光產(chǎn)生過程主要分為以下兩個(gè)步驟： 1) 泵浦光源經(jīng)激光器內(nèi)光路照射到增強(qiáng)介質(zhì)上，實(shí)現(xiàn) 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在諧振腔內(nèi)形成紅外光，作為基波；2) 基波在諧振腔內(nèi)振蕩，經(jīng)過一次或多次非線性晶體腔 內(nèi)倍頻，得到所需的紫外譜線后經(jīng)鏡片透射、反射從 諧振腔輸出。紫外固體激光器采用的泵浦方式主要分 為燈泵浦和激光二極管(LD)泵浦，其中LD泵浦的紫 外固體激光器又被稱為全固態(tài)激光器，其光路原理如圖2所示。 

目前全固態(tài)激光器使用較為廣泛的增強(qiáng)介質(zhì)有 Nd:YAG(摻釹釔鋁石榴石)和 Nd:YVO4(摻釹釩酸釔)， 兩者的主要物理性質(zhì)如表1所示。Nd:YAG 晶體具有 良好的熱導(dǎo)率和較長的熒光壽命，對(duì)激光器系統(tǒng)硬件 的散熱要求不高，能夠適應(yīng)脈沖激光器和大功率激光 器的工作使用需求。同時(shí)，Nd:YAG 晶體具有較高的 機(jī)械強(qiáng)度，對(duì)激光波長范圍的光線具有高的透過率， 能夠獲得較好的光束質(zhì)量。因此，Nd:YAG晶體已經(jīng) 成為了目前LD泵浦紫外固體激光器的首選增強(qiáng)介質(zhì)。

相比于Nd:YAG，Nd:YVO4是單軸晶體，在使用過程 中具有吸收帶寬高，并且輸出偏振光，但受其自身物 理及機(jī)械性能的限制，無法制備大尺寸的高質(zhì)量晶體，并且晶體熱導(dǎo)率偏小，在小功率激光以及薄片激光器 中擁有部分應(yīng)用。 紫外激光所采用的頻率轉(zhuǎn)換方式主要包括：1) 利 用非線性晶體對(duì)紅外激光進(jìn)行直接三倍頻、四倍頻或 五倍頻處理，得到三次、四次或五次諧波；2) 先利用 倍頻處理制得二次諧波，再利用和頻技術(shù)將二次諧波 與基波混合制得三倍頻紫外激光。其中后者因?yàn)槔畏蔷€性極化，轉(zhuǎn)換效率要高于前者。實(shí)現(xiàn)對(duì)激光 基波頻率轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件為非線性晶體，它直接影響 到輸出功率的大小和光束的質(zhì)量。紫外激光器中常見 的非線性晶體主要有 LBO(三硼酸鋰，LiB3O5)和 KTP(磷酸鈦氧鉀，KTiOPO4)。兩者的部分物理性質(zhì)如表2。LBO 擁有較高的倍頻系數(shù)，很寬的透光波段， 高的光學(xué)均勻性。LBO相位匹配的接收角度范圍寬， 離散角小，能實(shí)現(xiàn)非臨界相位匹配，通過溫度調(diào)諧或 者角度調(diào)諧能夠?qū)崿F(xiàn)相位匹配的折返。同時(shí)激光損傷 閾值高，在高平均功率的二階諧波、三階諧波、四階 諧波等的產(chǎn)生以及其和頻、差頻處理等領(lǐng)域被廣泛使 用。KTP 晶體的光學(xué)透過波長范圍為 350 nm~4500 nm，硬度高、不易潮解、化學(xué)性能穩(wěn)定。最大的優(yōu)點(diǎn) 是非線性系數(shù)高，光損傷閾值也高，目前主要應(yīng)用于 Nd:YAG 激光器的內(nèi)腔倍頻處理。

在深紫外激光器研究領(lǐng)域，中國已成為當(dāng)今世界 上唯一掌握深紫外全固態(tài)激光技術(shù)并且實(shí)用化的國家。中國科學(xué)院的研究人員通過研究非線性光學(xué)晶體 氟硼鈹酸鉀晶體(KBBF)，在國際上率先制得大尺寸 KBBF 晶體，并且針對(duì) KBBF 晶體發(fā)明特殊棱鏡耦合器 件[12]，能夠無需按照匹配角直接實(shí)現(xiàn)激光的倍頻輸出， 發(fā)展出實(shí)用化的深紫外固態(tài)激光源[13](如圖 3 所示)。

此外，中國科學(xué)院成功研制出深紫外拉曼光譜儀、深 紫外光電子發(fā)射顯微鏡等8種國際首創(chuàng)深紫外前沿裝 備，將拉曼光譜儀、光致發(fā)光譜儀、光耦合掃描隧道 顯微鏡延伸擴(kuò)展到深紫外激光波段，光電子能譜儀的 主要技術(shù)指標(biāo)(能量分辨率、動(dòng)量分辨率和自旋分辨率) 和光發(fā)射電子顯微鏡的測量精度成量級(jí)提高，對(duì)科學(xué) 儀器行業(yè)起了積極的推動(dòng)作用。