紫外激光器及其在微加工中的应用

紫外激光以其波长短、加工精度高、冷加工等特性，在微细制造中具有独特优势，能够有效提高制造品质。近年来，随着现代电子产业的快速发展，其对生产制造的要求不断提高，紫外激光的应用和发展也受到人们的广泛关注。紫外激光在微加工过程中对材料尺寸形状要求小，加工过程灵活可变，产生的热影响区小，能够实现精密复杂结构的加工。本文介绍了紫外激光器的发展过程，并对目前主要用于微加工的两类紫外激光器：准分子激光器和全固态激光器的工作原理和技术特点进行了简要的概述。重点讨论紫外激光在半导体、光学元件和聚合物等领域的技术发展和应用现状，并进一步对未来研究方向进行预测和展望。

1 引言

随着现代化电子产业的快速发展，产业需求转为尺寸小型化、重量轻型化和功能多样化，要求同时实 现小尺寸、高精度和高质量等高品质制造。传统制造 方法存在工艺复杂、成本高、加工形状、尺寸、材料 受限等问题，容易导致加工精度低、效率低、副产品 污染严重、加工刀具磨损严重、成品率较低等问题。 与传统加工方法相比，激光微细加工具有相干性高、热影响小、加工效率、精度和重复率高、对材料无选 择性、加工方式灵活多样、成本低等优点，因此得到 实际应用并快速发展。紫外激光波长短，单光子能量 高，能够直接打断物质原子/分子间连接的化学键加工 物质，导致被照射区域材料直接形成气态粒子或微粒 并发生光化学剥离过程，不对周围物质造成明显影响， 几乎不产生热影响区，进而获得高的尺寸精度和边缘 质量，因此从而在半导体材料加工、微光学元件制作 和印刷电路板等领域。

紫外激光器起源于上世纪六十年代[1]。世界上第 一台紫外激光器来自苏联，Basov等[2]利用 Xe2首次获 得波长172nm 的准分子激光。随后相继出现 XeF、 KrF、ArF 等准分子激光器[3-5]。由于准分子激光器需 要持续使用腐蚀性卤族气体，因此在实际使用中受到 诸多限制，使得人们开始同时关注固体激光器的研发。 1989年，浙江大学尤晨华教授[6]利用非线性晶体 BBO 制得216nm的深紫外激光。2000年，日本 Kojima等 人[7]利用非线性晶体CLBO输出 20 W、266 nm脉冲紫 外激光输出，取得突破性进展。随着光学元器件加工 技术的日益成熟，紫外激光的谱线不再局限于 355 nm、266 nm 和 213 nm。2006 年，Johansson 等人[8] 使用周期极化 KTP 晶体(PPKTP)和 BBO 晶体对调 Q 946 nm 激光器进行四倍频处理，制得 20 mW 的 236 nm紫外激光输出。2008年，Kimmelma等人[9]研制新 型调 Q Nd:YAG脉冲激光器，输出波长为 237 nm，输 出脉宽为 1.9 ns，平均功率为 7.6 mW。2014 年，Deyra 等人[10]对调 Q Nd:YAG 脉冲激光器进行进一步优化， 得到 600 mW的 237 nm激光输出，这是当时 237 nm 紫外波段上获得的较高平均功率。

目前，光谱物理、相干、通快等外国公司占有着 紫外激光的高端市场。光谱物理公司新款 Quasar 高功 率紫外激光器具有高脉冲频率、高功率紫外输出等特 点，该产品不但能够调节脉冲宽度，还可实现对波形 进行编程，为产品提供了高度工艺灵活性和可控性， 大幅提升了加工产能与效率。此外，Quasar 稳定性高， 使用寿命长，能确保 24/7长期连续运行。同时，国内 品牌也得到长足发展，华日、英谷、瑞丰恒等企业得 到了良好的增长。2009年，华日激光开始发展纳秒级 的紫外激光器，经过 8 年发展，华日公司纳秒级紫外 激光器月产量可达到 600台。2015年，华日成功收购 加拿大超快激光器公司 Attodyne，同时在多伦多建立 了全球领先的超快激光器研发中心。

近年来，紫外激光器是工业激光市场增长较快的 一部分，紫外激光器尤其是准分子激光器和全固态紫 外激光器成为新的研究热点。本文在介绍这两种紫外激光器的工作原理和近年来国内外研究进展的基础上, 重点介绍紫外激光器在激光微细加工中的应用，并对 紫外激光微加工未来的研究方向进行了预测和展望。

2 紫外激光器

紫外激光产生介质主要分为气体和固体两种。气 体介质产生方式通过电子束或脉冲放电，利用电子碰 撞激发，将气体粒子激发至某高能级上，从而产生受 激跃迁向外辐射紫外激光。固体介质是通过将红外光 或近红外光透过非线性倍频晶体的方式进行一次或多 次的频率转换后得到紫外激光。用于激光微细加工的 激光器主要有准分子激光器和全固态激光器等。

2.1.准分子激光器

准分子激光器是以准分子作为工作介质的一类气 体激光器，工作介质主要为稀有气体(Ar, Kr, Xe等)和 卤族元素(F, Cl, Br等)，常采用电子束或脉冲放电的形 式实现泵浦(如图1所示)。处于基态的稀有气体原子 受到激发后，核外电子跃迁到更高能级的轨道从而改 变原有较外层电子充满的结构，并与其他原子结合形 成分子，当激发态的分子跃迁回到基态时，又离解成 原来分立的原子，能量以光子的形式放出，经谐振腔 放大后，变为具有高能量的紫外激光。准分子激光器 通过使用不同工作介质实现输出不同激光波长，比如 Xe2F激光器可输出较长的波长(610±65) nm，Ar2激光 可输出较短的波长126nm。常见准分子激光器还包括 ArF 激光器(193 nm)，KrF 激光器(248 nm)和 XeCl 激 光(308 nm)等。

2.2.全固态激光器

全固态激光器具有峰值功率高、稳定性好、光束 质量高、体积小等优点，具有更广的应用前景。固体 激光器的紫外激光产生过程主要分为以下两个步骤： 1) 泵浦光源经激光器内光路照射到增强介质上，实现 粒子数反转，在谐振腔内形成红外光，作为基波；2) 基波在谐振腔内振荡，经过一次或多次非线性晶体腔 内倍频，得到所需的紫外谱线后经镜片透射、反射从 谐振腔输出。紫外固体激光器采用的泵浦方式主要分 为灯泵浦和激光二极管(LD)泵浦，其中LD泵浦的紫 外固体激光器又被称为全固态激光器，其光路原理如图2所示。

目前全固态激光器使用较为广泛的增强介质有 Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)和 Nd:YVO4(掺钕钒酸钇)， 两者的主要物理性质如表1所示。Nd:YAG 晶体具有 良好的热导率和较长的荧光寿命，对激光器系统硬件 的散热要求不高，能够适应脉冲激光器和大功率激光 器的工作使用需求。同时，Nd:YAG 晶体具有较高的 机械强度，对激光波长范围的光线具有高的透过率， 能够获得较好的光束质量。因此，Nd:YAG晶体已经 成为了目前LD泵浦紫外固体激光器的首选增强介质。

相比于Nd:YAG，Nd:YVO4是单轴晶体，在使用过程 中具有吸收带宽高，并且输出偏振光，但受其自身物 理及机械性能的限制，无法制备大尺寸的高质量晶体，并且晶体热导率偏小，在小功率激光以及薄片激光器 中拥有部分应用。 紫外激光所采用的频率转换方式主要包括：1) 利 用非线性晶体对红外激光进行直接三倍频、四倍频或 五倍频处理，得到三次、四次或五次谐波；2) 先利用 倍频处理制得二次谐波，再利用和频技术将二次谐波 与基波混合制得三倍频紫外激光。其中后者因为利二次非线性极化，转换效率要高于前者。实现对激光 基波频率转换的关键部件为非线性晶体，它直接影响 到输出功率的大小和光束的质量。紫外激光器中常见 的非线性晶体主要有 LBO(三硼酸锂，LiB3O5)和 KTP(磷酸钛氧钾，KTiOPO4)。两者的部分物理性质如表2。LBO 拥有较高的倍频系数，很宽的透光波段， 高的光学均匀性。LBO相位匹配的接收角度范围宽， 离散角小，能实现非临界相位匹配，通过温度调谐或 者角度调谐能够实现相位匹配的折返。同时激光损伤 阈值高，在高平均功率的二阶谐波、三阶谐波、四阶 谐波等的产生以及其和频、差频处理等领域被广泛使 用。KTP 晶体的光学透过波长范围为 350 nm~4500 nm，硬度高、不易潮解、化学性能稳定。较大的优点 是非线性系数高，光损伤阈值也高，目前主要应用于 Nd:YAG 激光器的内腔倍频处理。

在深紫外激光器研究领域，中国已成为当今世界 上唯一掌握深紫外全固态激光技术并且实用化的国家。中国科学院的研究人员通过研究非线性光学晶体 氟硼铍酸钾晶体(KBBF)，在国际上率先制得大尺寸 KBBF 晶体，并且针对 KBBF 晶体发明特殊棱镜耦合器 件[12]，能够无需按照匹配角直接实现激光的倍频输出， 发展出实用化的深紫外固态激光源[13]

此外，中国科学院成功研制出深紫外拉曼光谱仪、深 紫外光电子发射显微镜等8种国际首创深紫外*装 备，将拉曼光谱仪、光致发光谱仪、光耦合扫描隧道 显微镜延伸扩展到深紫外激光波段，光电子能谱仪的 主要技术指标(能量分辨率、动量分辨率和自旋分辨率) 和光发射电子显微镜的测量精度成量级提高，对科学 仪器行业起了积极的推动作用