準(zhǔn)分子激光是現(xiàn)代光刻機(jī)的核心光源，它屬于深紫外（DUV）激光，能發(fā)出波長極短、能量極高的光，是實現(xiàn)芯片精細(xì)線寬加工的關(guān)鍵技術(shù)。目前主流光刻機(jī)使用的準(zhǔn)分子激光主要有兩種：氟化氪（KrF，248nm）和氟化氬（ArF，193nm）。

一、什么是準(zhǔn)分子激光

準(zhǔn)分子（Excimer）是“激發(fā)態(tài)分子”的意思。它是一種特殊的分子，只在激發(fā)狀態(tài)下存在，一旦回到基態(tài)就會立刻解離。

在準(zhǔn)分子激光器中，通過高能放電讓稀有氣體原子（如氬或氪）與鹵素分子（如氟）結(jié)合形成臨時分子。當(dāng)這些分子返回基態(tài)時，會釋放出能量，以紫外光的形式發(fā)射出來。這樣產(chǎn)生的光波長短、能量集中，非常適合光刻工藝。

例如：

KrF激光：248納米

ArF激光：193納米

波長越短，光刻機(jī)的分辨率就越高，能刻出更小的電路結(jié)構(gòu)。

二、工作原理

準(zhǔn)分子激光器的核心是一個充滿混合氣體的放電腔。氣體主要由稀有氣體、鹵素氣體和緩沖氣體（如氖或氦）組成。

整個激光產(chǎn)生過程可以分為幾個步驟：

高壓放電激發(fā)

激光器通過高壓脈沖放電，使氣體中的電子獲得高能量，與稀有氣體原子碰撞后將其激發(fā)。

形成激發(fā)態(tài)分子

激發(fā)態(tài)稀有氣體原子與鹵素原子結(jié)合，生成短暫存在的激發(fā)態(tài)分子，比如ArF或KrF。

發(fā)射光子

當(dāng)這些分子返回基態(tài)時，會立刻解離為原子并釋放出紫外光，這就是準(zhǔn)分子激光。由于基態(tài)分子不會重新吸收光子，因此輸出的光具有高效率和單一波長。

光放大與輸出

激光腔內(nèi)的兩個反射鏡來回反射光子，使其不斷被放大，最終通過輸出鏡射出高能脈沖激光。

三、主要結(jié)構(gòu)

放電腔

是激光器的核心區(qū)域，氣體在此被激發(fā)并產(chǎn)生光。電極材料通常使用耐腐蝕金屬，如鎳或鈦合金。

光學(xué)腔鏡系統(tǒng)

由高反射鏡和輸出鏡組成，負(fù)責(zé)形成激光諧振。輸出窗口通常使用氟化鈣（CaF?）晶體，以保證透過率和抗腐蝕性。

氣體循環(huán)系統(tǒng)

在連續(xù)工作過程中，氣體會逐漸老化、分解，因此需要循環(huán)凈化并定期補(bǔ)充，以維持激光輸出穩(wěn)定。

高壓脈沖電源

產(chǎn)生高能脈沖電場，為放電提供能量。脈沖頻率可達(dá)到幾千次每秒。

光束整形與穩(wěn)定模塊

經(jīng)過勻光、能量調(diào)節(jié)和波前控制，使輸出光束強(qiáng)度均勻，保證光刻時照度一致。

四、技術(shù)特點

波長短：193或248納米，屬于深紫外光，能實現(xiàn)極高分辨率。

能量高：脈沖峰值功率非常大，適合精確曝光。

脈沖式輸出：單個脈沖時間極短，利于控制曝光能量。

氣體工作介質(zhì)：結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，適合長時間工業(yè)運行。

穩(wěn)定性高：能量波動小，保證光刻結(jié)果一致。

五、在光刻機(jī)中的作用

在光刻機(jī)中，準(zhǔn)分子激光光源經(jīng)過勻光和聚焦系統(tǒng)，照射到掩模上，再通過投影鏡將掩模圖案縮小后投射到硅片上的光刻膠上。

波長越短，成像越細(xì)膩。正因為193納米的ArF光源出現(xiàn)，芯片制造工藝得以從90納米提升到7納米。

此外，ArF浸沒式光刻技術(shù)通過在透鏡和晶圓之間加入液體介質(zhì)，使等效波長進(jìn)一步縮短，分辨率達(dá)到更高水平。

六、主要廠家與應(yīng)用

目前全球高端準(zhǔn)分子激光光源主要由兩家公司生產(chǎn)：

Cymer（美國）：被ASML收購，是ArF和KrF光源的主力供應(yīng)商。

Gigaphoton（日本）：另一主要光源廠商，產(chǎn)品廣泛用于尼康和佳能光刻機(jī)。

這些光源集成在ASML、Nikon、Canon等光刻機(jī)中，為全球晶圓廠提供穩(wěn)定可靠的紫外光源。

七、總結(jié)

準(zhǔn)分子激光光源是推動半導(dǎo)體光刻技術(shù)不斷進(jìn)步的關(guān)鍵。它通過高能放電形成臨時激發(fā)分子，在解離過程中釋放出高能紫外光。憑借波長短、能量強(qiáng)、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點，成為目前主流光刻機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)光源。