准分子激光预混气丨准分子激光在电子工业应用(二)

一、深紫外集成电路光刻应用

准分子激光器最主要、重要的商业应用之一是半导体集成电路的光刻应用。半导体集成电路制造工艺中主要7大工艺环节中的重要一环--光刻工艺，依靠全球庞大的半导体产业，准分子激光器的应用和市场份额在整个激光加工产业中占有重要的一席之地。

自光刻设备曝光光源由汞灯类型436nm（g线）、365nm（i线）过渡到248nm（KrF）和193nm（ArF）准分子方式提供光源，光刻就进入了准分子激光时代。做为半导体集成电路光刻的光源，准分子激光技术在一定程度上推动和保证了半导体集成电路技术按照摩尔定律的规律发展。

近些年来光刻工艺在不断创新，特别是台积电林本坚博士在2002年就研发出了193nm浸润式光刻技术，给193nm ArF准分子激光在提供了强大的生命力。193nm浸没式光刻技术（图一），该技术在传统的干式光刻（镜头与光刻胶之间为空气介质）的基础上通过引入液体介质改变折射率提高系统分辨率。相应的创新还有突破传统的单掩模一次曝光技术，采用双图形技术（DP）和多图形技术（MP）。

图一：干式光刻和浸没式光刻示意

目前国际上半导体行业用高端光刻机的供应商并不多，主要是荷兰的ASML公司和日本的尼康公司。图二是荷兰ASML公司1960Bi型号光刻机，是深紫外193nm准分子激光光刻机型之一。

图二：荷兰ASML公司1960Bi型号光刻机

随着半导体集成度提升不断提高对193nmArF准分子激光器技术水平也提出更高的要求，目前全球有能力供应高端光刻机所需的准分子光刻光源激光器的厂商有两家，美国的Cymer公司和日本的Gigaphoton公司。随着光刻节点尺寸的不断缩小，需要准分子激光有更加稳定的窄谱线宽度、更大的输出功率、更高的剂量稳定性和更长的气体寿命。为了同时保证谱线宽度和功率的要求，目前先进的光刻机的准分子激光光源都是采用振荡-放大技术的双腔结构。光谱带宽衡量指标E95的大小及稳定性是激光的一个重要参数，目前输出激光的E95都控制在小于0.35pm，脉冲重复频率可以达到6000Hz，激光输出功率可以达到120W。

二、平板显示退火和激光剥离技术应用

研调机构洛图科技（RUNTO）发布了全球LCD面板最新排名报告，数据显示2022上半年中国大陆面板厂商以8400万片出货量、67%市占率称冠全球，续创新高。2022年上半年全球AMOLED智能手机面板市场韩国地区份额占比76.5%，国内厂商出货份额占比23.5%，国内占比相比去年上半年的19.7%增加3.9个百分点，超越两成，份额稳步攀升。显示产业是国内电子信息产业重要的组成部分和高速增长点。目前无论是LCD、OLED乃至正在登场的Micro LED显示面板制造工艺中，准分子激光技术发挥着重要作用，激光低温多晶硅（LTPS）退火技术、激光剥离（LLO）等技术的主流激光光源都是准分子激光。

目前的准分子激光低温多晶硅（LTPS）退火工艺是TFT LCD高端平板显示器的主流工艺。XeCl准分子激光（波长308nm）经过光束整形其具有高光子能量、高功率优点。通过形成窄长的高能量密度线状光斑对玻璃基板上的非晶硅薄膜照射促使其晶化。在准分子激光扫描照射时，激光脉冲50-150ns极短的时间内扫描到非晶硅（a-Si）薄膜表面通过超过1000℃以上的高温成熔融状态后，S非晶硅（a-Si）薄膜层产生选择性退火及再结晶，晶体内部分子变成高度有序，实现转变成多晶硅（p-Si）层。TFT-LCD由传统的升级到分辨率可以做得极高、画面极亮丽，反应速度极快，可适合用于目前高端手机屏幕、平板电脑屏幕。

准分子激光低温多晶硅退火设备是个复杂的系统，集合了光学、物理学等多学科的前沿理论和高端应用。平板显示行业用的准分子激光退火设备，目前市场上成熟的设备公司有日本JSW、韩国AP System和Dukin，而这三家设备生产商的准分子激光器都由美国Coherent供应。激光器的输出功率600W（单脉冲能量1J、重复频率600Hz）的308nm波长XeCl准分子激光器。多台这样的激光器通过功率合束组合后准分子激光退火设备的激光功率可以达到1200W、2400W乃至3600W。

图三：低温多晶硅退火（LTPS）工艺与平板显示器分辨率

图四：激光低温多晶硅退火示意图