准分子激光是现代光刻机的核心光源，它属于深紫外（DUV）激光，能发出波长极短、能量极高的光，是实现芯片精细线宽加工的关键技术。目前主流光刻机使用的准分子激光主要有两种：氟化氪（KrF，248nm）和氟化氩（ArF，193nm）。

一、什么是准分子激光

准分子（Excimer）是“激发态分子”的意思。它是一种特殊的分子，只在激发状态下存在，一旦回到基态就会立刻解离。

在准分子激光器中，通过高能放电让稀有气体原子（如氩或氪）与卤素分子（如氟）结合形成临时分子。当这些分子返回基态时，会释放出能量，以紫外光的形式发射出来。这样产生的光波长短、能量集中，非常适合光刻工艺。

例如：

KrF激光：248纳米

ArF激光：193纳米

波长越短，光刻机的分辨率就越高，能刻出更小的电路结构。

二、工作原理

准分子激光器的核心是一个充满混合气体的放电腔。气体主要由稀有气体、卤素气体和缓冲气体（如氖或氦）组成。

整个激光产生过程可以分为几个步骤：

高压放电激发

激光器通过高压脉冲放电，使气体中的电子获得高能量，与稀有气体原子碰撞后将其激发。

形成激发态分子

激发态稀有气体原子与卤素原子结合，生成短暂存在的激发态分子，比如ArF或KrF。

发射光子

当这些分子返回基态时，会立刻解离为原子并释放出紫外光，这就是准分子激光。由于基态分子不会重新吸收光子，因此输出的光具有高效率和单一波长。

光放大与输出

激光腔内的两个反射镜来回反射光子，使其不断被放大，最终通过输出镜射出高能脉冲激光。

三、主要结构

放电腔

是激光器的核心区域，气体在此被激发并产生光。电极材料通常使用耐腐蚀金属，如镍或钛合金。

光学腔镜系统

由高反射镜和输出镜组成，负责形成激光谐振。输出窗口通常使用氟化钙（CaF₂）晶体，以保证透过率和抗腐蚀性。

气体循环系统

在连续工作过程中，气体会逐渐老化、分解，因此需要循环净化并定期补充，以维持激光输出稳定。

高压脉冲电源

产生高能脉冲电场，为放电提供能量。脉冲频率可达到几千次每秒。

光束整形与稳定模块

经过匀光、能量调节和波前控制，使输出光束强度均匀，保证光刻时照度一致。

四、技术特点

波长短：193或248纳米，属于深紫外光，能实现极高分辨率。

能量高：脉冲峰值功率非常大，适合精确曝光。

脉冲式输出：单个脉冲时间极短，利于控制曝光能量。

气体工作介质：结构简单、维护方便，适合长时间工业运行。

稳定性高：能量波动小，保证光刻结果一致。

五、在光刻机中的作用

在光刻机中，准分子激光光源经过匀光和聚焦系统，照射到掩模上，再通过投影镜将掩模图案缩小后投射到硅片上的光刻胶上。

波长越短，成像越细腻。正因为193纳米的ArF光源出现，芯片制造工艺得以从90纳米提升到7纳米。

此外，ArF浸没式光刻技术通过在透镜和晶圆之间加入液体介质，使等效波长进一步缩短，分辨率达到更高水平。

六、主要厂家与应用

目前全球高端准分子激光光源主要由两家公司生产：

Cymer（美国）：被ASML收购，是ArF和KrF光源的主力供应商。

Gigaphoton（日本）：另一主要光源厂商，产品广泛用于尼康和佳能光刻机。

这些光源集成在ASML、Nikon、Canon等光刻机中，为全球晶圆厂提供稳定可靠的紫外光源。

七、总结

准分子激光光源是推动半导体光刻技术不断进步的关键。它通过高能放电形成临时激发分子，在解离过程中释放出高能紫外光。凭借波长短、能量强、输出稳定等优点，成为目前主流光刻机的标准光源。