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                      氣體知識

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                      工業用準分子激光之發展概況

                      2008-8-1 16:06:00

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                      一、準分子激光簡介
                      準分子激光大約可分成三大類,一為惰性氣體準分子激光,工作物質為Xe2,Ar2, Kr2 等,一為惰性氣體原子和鹵素氣體原子結合成的準分子,工作物質為XeF、KrF、ArF、XeCl、XeBr 等,此種準分子激光研究較為廣泛,商品化者較多,第三類為金屬原子和鹵素原子結合而成的準分子,工作物質為HgCl、HgBr、CuF 等。
                      準分子激光的輸出光波均在紫外光領域,ArF 的輸出波長為192nm,KrF 的輸出波長為249nm,XeCl 的輸出波長為308nm,由于紫外光波的光子能量高,且可聚焦至非常小之光點,可應用于微細加工之領域。在工業應用方面,主要用于微電子工業之修整,例如VLSI 及內存等。這種雷射在加工上的應用,其原因有二,其中之一是它輸出紫外線,金屬吸收紫外線的能力較可見光或紅外線強,故適用于金屬加工。其二是這一類紫外線雷射的效率很高,加工之經濟效益較大。故有不少雷射制造商從事工業用準分子激光的生產。
                      二、于半導制程中之應用頗受注目
                      準分子激光主要制造商有Lambda Physik、Cymer Laser Tech、Lumonics 等,Lambda Physik的308nm 工業用準分子激光在市場上相當成功,Lumonics 的產品以半導體生產制程上的材料處理為主,Cymer Laser Tech 則以lithography 為目標市場。
                      據Semiconductor Wafer-stepper 的制造者ASM Lithography(ASML, Tempe,AZ)表示,全球深紫外線(Deep Ultraviolent)DUV 市場將持續擴大, 1995 年僅5%的lithograhy(光蝕刻法)系統為DUV 系統,預估2005 年DUV 系統將占lithography 系統市場的25%。由于ASML 公司看好短波長光源于半導體制程上之應用市場,因此正在發展準分子激光系統(精度0.25mm),目標市場為256Mbits 的記憶芯片及先進的微處理器。而歐洲最大的雷射制造商─Lambda Physik 指出,該公司目前系準分子激光全球市場領導者,其估計1996~2000 年全球工業用準分子激光市場約300 臺,主要用于半導體產業。此外,由于準分子激光于半導體制程上之應用頗具潛力,因此Lambda Physik對DRAM 之演進及曝光光源做了比較,結果請見表1 及表2。
                      從表1 及表2 可明顯發現,準分子激光因其波長短可聚至小光點,的確為下一代半導體曝光光源之利器。
                      表1 :DRAM 發展預測
                       年         份  1995   1998   2001  2004  2008
                       DRAM(bit)   64M  256M  1G    4G  16G
                       最小線徑(mm)  0.35    0.25   0.18  0.12 0.085
                          
                        表2 : 曝光光源之特性比較
                       光源種類 汞燈 準分子激光  KrF ArF
                       波長(nm)   365 248 193   157
                      分辨率(um) 0.4   0.2 0.15  0.12
                               
                              三、準分子激光發展方向
                      因為準分子只能瞬時存在,所以只有用瞬時脈沖高壓來進行放電,以求在短時內造成大量的準分子。它的基本結構與二氧化碳雷射相似,但在放電電路方面只提供快升速脈沖高壓,而無直流高壓。在材料方面,必須采用抗蝕性的,以免受鹵族氣體侵蝕而破壞雷射本體。今后的技術研究有高重復率,大輸出化,高效率化,長脈沖化,窄譜線化,長壽命化等。高重復率、大輸出化放電激發方式由于體積小,容易處理,可高重復率輸出,因此具有很高的實用價值,因此市面上所賣的產業用準分子激光全部都是放電激發方式。
                      放電激發方式的開發可分為兩類,一種是單脈沖的大輸出化,另一種是高重復率、高平均輸出功率化。最高重復率方面,紫外線預先電離方式為250Hz 左右,電暈放電預先電離方式為500-600Hz 左右,所使用的開關組件為閘流管(Thyratron)。
                      為對象的千瓦級平均輸出功率,重復率kHz 級的大輸出功率準分子激光,作為應用開發之用。而且可想象的技術內容將是開關的固態化,預先電離方式則采用電暈放電或X 光線。高效率化準分子激光的效率(光輸出功率/電容器充電能量)通常約2%左右,要達到產業
                      用的實用化則效率的再提高為必須的課題。
                      長脈沖化準分子激光的脈沖寬度很短,通常為15~20ns,此為低效率的原因之一。而在CVD
                      的應用上處理速度決定于工作周期(Duty Cycle),故成為低生產性的原因。脈沖寬度如能加長,則共振腔的效率將會提高,光速質量與脈沖工作周期都會提升,當放電由輝光放電轉成弧光放電時,雷射共振隨之停止,脈沖寬度即受限于此,如何長時間持續高密度輝光放電為其關鍵所在。
                      窄光譜化在雷射共振腔內放置2 枚干涉器(Etalon),其一為粗調干涉器產生單一光譜,另一干涉器(精調干涉器)僅能使更窄的光譜成份發振。此種雙重干涉器方式的輸出功率僅為寬帶寬時的幾分之一,波長寬度為2~3nm。
                      長壽命化準分子激光實用化的最大障礙是氣體、電極、開關組件、光學組件等的壽命, 仍無決定性的對策或防止方法,必須針對基本材料、鍍膜、耐光強度等作綜合的研討。
                      四、結論
                      準分子激光加工機于國內并無生產者,僅有使用者,半導體上游之IC 廠大都有準分子激光用于曝光光源,產品多來自于德國或日本,而在其它單位方面,中科院預計年底前引進一臺準分子激光加工機做準分子激光加工之研究,此舉對準分子激光于非半導體曝光光源之應用應有幫助。
                       
                       
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