所谓准分子就是受激态的原子（分子）和基态原子（分子）结合而形成的分子。由不同的两个原子（分子）形成准分子时，还往往分成复合受激态和异质准分子。一般准分子的基态是分解状态，基态与准分子态之间，会发生宽线宽跃迁（束缚一自由跃迁）。有时也有鉴态呈现弱结合的例子（XeF等），但最近，只要与激光有关，即使激发复合物的基态是潜伏态，也不加区别地统称为准分子。
将准分子的束缚一自由跃迁用于激光器的建议，几乎是和激光振荡的实现同时提出来的，但巴索夫等人首次得到准分子激光器振荡，却比较晚，是一九七零年。首次准分子激光振荡是用强电子束照射液Xe得到的，此后采用了高压气体。研制激光核聚变用的封型激光器的要求及CO2激光器等的高压气体激励技术的发展，促使准分子激光器取得迅速的进展。目前，准分子激光器已发展到一定的深度和广度。
准分子激光具有波长短、能量大等特点，在集成电路光刻、材料加工、医学、科研等领域具有重要的应用。与国外先进水平相比，我国高端准分子激光技术仍存在较大差距。
早在1960年，Houtermaus就提出了以准分子为工作介质实现激光振荡的建议。
1970年，Basov等首次采用强流电子束激发液态氙气二聚体得到Xe2准分子激光输出，激光波长为172nm。
此后50年来，准分子激光技术得到了迅速发展，先后实现了Kr2（145.7nm）、Ar2（126.1nm）、XeO（235nm）、KrO（180nm）、ArO（150nm）、XeBr（282nm）、XeF（351nm）、KrF（248nm）、ArF（193nm）、XeCl（308nm）、KrCl（222nm）、ArCl（175nm）等激光辐射。特别地，以预电离放电泵浦ArF（193nm）、KrF（248nm）、XeCl（308nm）为代表的稀有气体卤化物准分子激光的各项技术得到迅猛发展，实现了准分子激光的商业化并广泛应用于科研、工业、医疗等相关领域。
20世纪90年代，随着准分子激光引入半导体光刻生产领域，大量准分子激光进入工业生产线，极大地推动了高重频、窄线宽、长寿命、高稳定性准分子激光技术的发展。与此同时，其他微结构加工和材料处理等工业应用，诸如液晶平板退火、微细结构加工和表面处理等也促进了大功率准分子激光技术的蓬勃发展。
在大规模集成电路生产领域，光刻机一直是超大规模集成电路生产中最关键的设备，而高性能的准分子激光光源是光刻机的核心部件之一，是实现高水平光刻的关键技术之一，也是限制我国集成电路发展的关键部件之一，更是推动光刻技术发展的“源”动力[6]。目前国际上仅有美国Cymer公司（现已被荷兰阿斯麦尔（ASML）公司收购）与日本Gigaphoton公司两大光刻光源制造商，它们对我国进行技术封锁，严重限制了我国集成电路制造装备的发展，当然，在长春光机所等的攻关下，相关技术壁垒距离攻克已不远。
在材料加工领域，复合材料、陶瓷、金属、纳米材料等新兴或升级材料的出现，对加工质量本身提出了更高的要求。为了完全满足市场对性能与良率的需求，急需进一步提高加工可控性，避免或减少热影响区、次表面损伤等加工缺陷。准分子激光由于具有热影响小、空间分辨率高、效率高、无污染、不产生次表面破坏层等特点，同时大多数材料对紫外激光具有很高的吸收率，成为相关材料加工领域的理想光源之一。
国外发展现状及需求分析对于准分子激光器，国外有比较成熟的商用产品，主要生产厂家有：美国的Coherent公司（包含收购的Lambda Physik和Tui Laser）、GAM Laser公司，日本的Gigaphoton公司，荷兰的ASML公司（Cymer）和加拿大的Lumonics公司等。从目前准分子激光器生产商的相关产品可以看出，准分子激光光源发展需求主要分为两类：针对光刻需求——高重频，同时要求极窄的光谱及极高的稳定性；针对工业加工需求——大单脉冲能量，高平均功率。
针对光刻应用需求，国际上主要有荷兰ASML公司（Cymer）和日本Gigaphoton公司（上海微电子的90nm光刻机可能就是采用该公司的产品）提供相应的准分子激光产品，相应功率从10～100W、光谱线宽从0.5～0.1pm、重复频率从2～6kHz。高重复频率可以提高加工产率，窄线宽可以保证芯片图案的精细度，减小系统中色差影响，因此，高重频和窄线宽是光刻用准分子激光光源发展不断追求的指标。表1为ASML公司（Cymer）ArF准分子激光产品的发展历程。
针对工业生产及科研应用需求，主要有美国的Coherent公司提供相应的准分子激光光源。主要应用领域包括：聚合物标记等打标应用、光纤光栅刻写等材料加工、燃烧诊断等测量应用、激光退火等表面处理、近视矫正等医疗应用。工业及科研用准分子激光器一般要求具有较高的稳定性和光斑均匀性。以制造平板显示器（FPD）的激光退火工序应用为例，其使用的准分子激光能量稳定性一般要求小于2%。
在材料加工与表面处理方面，Insung等使用激光诱导单晶碳化硅的固态相位分离，实现了多层石墨烯的制备；日本京都大学研究者利用KrF准分子激光实现了侧壁粗糙度的降低，提高了波导的通光性能并提升了抗拉强度，热影响小、修复力强、质量高日本Kobayashi等利用193nm激光加工碳纤维增强复合材料（CFRP），加工热影响区在目前报道中属于较高水平。由于对复合材料疲劳强度影响最小，具有综合最优的加工质量及加工效率，美国Coherent公司、日本Gigaphoton公司都将CFRP加工作为准分子激光器的重要应用进行相关光源、材料加工技术的研究。此类应用对光源稳定性、光斑均匀性以及定位精度等都提出了越来越高的要求。
我国发展现状及需求分析我国准分子激光技术的研究工作开始于20世纪70年代，主要研究单位包括中国科学院上海光学精密机械研究所、安徽光学精密机械研究所、长春光学精密机械与物理研究所、天津大学等，其研究主要集中在XeCl和KrF准分子激光器。20世纪90年代之后，我国科研型准分子激光向实用化方向发展，上海光学精密机构研究所和安徽光学精密机械研究所开发了一些激光器产品，并出口到国外。
从2009年起，在国家科技重大专项（02专项）的支持下，我国准分子激光技术获得迅速发展，中国科学院光电研究院、上海光学精密机构研究所、长春光学精密机械与物理研究所、合肥物质科学研究院、光电技术研究所、上海微电子装备有限公司、华中科技大学等单位参与了相关项目研发工作。目前，已攻克了一系列高性能准分子激光核心关键技术，实现了高重频（kHz）、大能量（mJ级）、窄线宽（亚pm）准分子激光的稳定运转，研发出第一代光刻用准分子系统原理样机，目前正在进行技术提升和面向产品的开发，并初步建立了我国自主的知识产权体系。图1为目前统计的准分子激光技术国内发明专利申请量与国外来华发明专利申请量对比。可见，在2009年之前，国内申请和国外来华申请量仅分别为7项和3项；在2009年之后，截至2018年3月，相关数据已分别激增至203项和106项。
国内准分子激光技术战略布局如图2所示，主要分布在放电腔设计、流场设计、准分子激光电源设计、电极设计、光谱控制、光学元件设计、预电离设计等方面。
我国在准分子激光加工与处理方面的研究起步于20世纪80年代。目前国内多家科研院所及公司都在进行相关技术研发，已取得一定的进展。
北京工业大学加工SiC单晶的表面粗糙度达4.11nm，相比抛光前降低83%；上海交通大学对激光诱导晶化氢化纳米硅薄膜进行了实验与模拟，研究明确了工艺过程与影响因素；中国科学院光电研究院研究了SiC、Al2O3陶瓷的表面处理并确定了烧蚀机制。天津大学、国防科技大学等诸多科研机构也进行了相关的研究。
虽然我国在准分子激光研发方面已取得一系列成果，但是，在基础性技术研究、新兴或潜在应用领域及衍生技术等研究方面尚存在较大不足。
准分子激光器光学系统准分子激光器，以准分子为工作物质的一类气体激光器件。常用相对论电子束（能量大于200千电子伏特）或横向快速脉冲放电来实现激励。当受激态准分子的不稳定分子键断裂而离解成基态原子时，受激态的能量以激光辐射的形式放出。用于光刻的准分子激光器主要是ArF和KrF两种。
ArF准分子激光光刻由于光刻波长的变短及光刻线宽的进一步微细化对投影曝光系统的成像质量提出了更高的要求。为满足这一要求193nm ArF光刻系统的一个重要特点是采用了反射折射光学系统如图1所示。
系统的上部是一个折射透镜而下部是反射透镜部分。其在下部弯月型透镜的凹型表面涂有反射薄膜构成了一个曼金镜（margin mirror）并在上面涂有部分光束散射涂层。由于这种系统把反射和折射镜结合在一起使光通路都能叠合在同一光轴上。
从图上还可以看出几乎所有的光功率都被限制在曼金镜面内使折射光功率的总和等于零因此该光学系统具有极好的色差校正能力从而大幅度提高了成像质量。此外上述特性还使系统对ArF激光的中心波长偏移不很敏感不像常规折射透镜那样要求激光源要有极窄的带宽。例如采用全折射透镜设计对于248nm的KrF准分子紫外激光光刻的激光带宽将要求小于0∙003nm。相关光学系统的设计未窄化线宽的准分子激光器可以满足要求因此普通的准分子激光器能够用于这种系统。为避免光的传输损失和空气中的成分吸收紫外光形成的臭氧在光学系统中充有氮气。该系统的透射率为14％光损失主要来自材料的吸收和曼金镜的束散射。系统的标定NA为0∙6在进行0∙16μm的线条曝光时焦深为0∙6μm。
对193nm光学透镜材料的研究主要集中在两个方面：一是降低对激光的吸收。因为大的光吸收率不仅要求增大激光的入射功率或提高光刻胶的光敏感性而且使透镜的温度提高导致光学特性发生改变。例如溶凝氧化硅的折射率随温度的变化率为
二是防止长时间使用时由高能激光光子诱导的材料损伤从而提高透镜的寿命。这两方面的研究是193nm紫外光刻实用化的关键。
用于193nm光刻透镜的主要材料是溶凝氧化硅。这种材料不仅有优良的光学和机械特性而且对它的加工工艺也比较成熟。然而由于193nm激光波长已接近在溶凝氧化硅中传输的短波长极限在这种情况下要求透镜的纯度要高否则材料中极少的杂质（如几个ppm的金属杂质）将会使它的光吸收率大幅增加发展目标是将光在溶凝氧化硅中的吸收率降至0∙001cm－1以下。准分子激光对溶凝氧化硅的光学诱导损伤主要表现在形成色心和发生光压缩。通常能形成E′色心使材料的光吸收率增加而在透镜发生光压缩的区域中引起了折射率的增加导致
日本小松AiF系准分子激光器
日本小松公司1999年曾研制成一种与0.15微米的半导体曝光相匹配的ArF (氟化氩)系准分子 激光器( 波长193nm) 。重复频率1kHz、输出5W，实现了超过20亿脉冲的耐久性。采用氟化钙材料作光学部件，提高了抗激光特性。此外，采用使用半导体开关元件的脉冲电源技术，实现了长寿命。
现代光刻线宽优于 150 nm 的投影光刻机均系采用 DUV波段准分子激光作为曝光光源。ASML 即曾采用美国Cymer 公司（目前已被ASML收购）准分子激光器作为曝光光源用于其高端产品上。如：ASML PAS 5500-300 Stepper 采用Cymer Krf 准分子激光器(λ= 248 nm)实现 150 nmCymer 准分子激光器线宽生产。ASML-TWINSCAN XT：1700i 浸没式扫描投影光刻机采用 Cymer Arf 准分子激光器 (λ=193 nm)实现 42 nm 密集线条光刻。本文以 CymerELS-6000 系列机型作为范例予以论述。
ELS-6000 系列准分子激光器的基本工作原理：激光放电箱体内充有按一定配比的 F 2 Kr / Ne混合气体并保持设定压力，当峰值 12～20 kV 的泵浦脉冲加到箱体的放电电极间，引起 F 2 Kr 二聚物分子受激发光放电，二聚物原子能级决定了激光波长 248 nm，由于二聚物分子寿命非常短所以称其为准分子。248 nm 波长激光在由 20%反光镜，放电箱，激光波长调谐模块组成的谐振腔内谐振放大最终输出高能量的激光脉冲。图 1 为 Cymer 准分子激光器工作原理图。
激光放电箱体
激光放电箱体主要由放电电极，预电离器，循环风扇，金属氟化物捕获井 MFT (metal fluoridetrap)，内部箱体窗口等组成。在工作过程中，通过气路系统给箱体充入严格配比 F 2 Kr/Ne 混合气体，并保持一定的压力，预电离器在电极放电区域产生浓度达(10 6 ～10 7 )/cm 3 自由电子，这时电极放电区呈现低阻抗状态，为加到电极间的泵浦脉冲的到来从而引起气体发光放电做准备。由于放电过程中释放的金属颗粒与 F 2 反应形成金属氟化物颗粒会给箱体带来污染，循环风扇将这些颗粒吹向 MFT，在MFT 内部的 5 kV 高压电场将这些颗粒捕获而清洁的气体又返回到放电区域，这样防止腔体污染，延长腔体的使用寿命，内部箱体窗口为激光谐振形成通路。
激光波长调谐模块
该模块调整激光光谱以达到输出特定波长激光减少带宽的目的。其工作原理是：以一定角度入射到光栅的光束，仅一特定波长的光沿入射方向衍射返回。正是基于这个特性该模块利用步进电动机调整激光照射固定光栅的角度，使特定波长的激光返回到谐振腔进行谐振，而其它波长的光以不同角度衍射掉，从而达到稳定激光波长的目的。图 2 为激光波长调谐原理图。
激光能量和波长采样及校准模块
该模块由校准器、光栅、激光能量光电池、原子波长基准 AWR(acomic wavelength reference)组成。
校准器，光栅共同监测激光光谱，光栅提供较粗的监测而校准器进行精细的监测。校准器利用法布理—珀罗干涉仪工作原理，通过选择合适的干涉板间隔，实现激光单模透过频率特性，使光电接受器接受到波长的信息，该信息经 WCM(wavelength control model)波长控制模块处理后驱动 λ调谐模块中的步进电机调整激光入射角度，仅使特定波长激光进入谐振腔进行谐振，实现稳定激光波长减少带宽之目的。激光能量光电池将激光脉冲能量信息送主 CPU 电路进行激光能量控制和显示。
AWR 原子波长基准是安装在模块中的一个铁元素单元，用于校准激光绝对波长。图 3 是该模块的原理图。
高压电源脉冲转换及脉冲压缩模块
图 4 为这 3 个模块组成的泵浦脉冲电路原理图。
工作过程：CPU 电路设定高压输出值(600～1000V)，并且开启高压电源，经过延时，CPU 电路发出触发信号开通脉冲转换模块中的功率开关器件，在该模块中产生 600～1 000 V、5 μs 的正脉冲，经变压器 1∶20 升压输出峰值为 12～20 kV 的负脉冲传送到脉冲压缩模块，脉冲压缩模块中产生谐振经耦合电容 C P 向激光放电箱输出峰值 12～20 kV、100 ns 的交变泵浦脉冲引起放电箱内激光气体受激发光进而产生激光输出。
气体控制和水冷却系统模块
气体控制模块是将 F2Kr/Ne，Kr/Ne，He，N2四种气体经汇流排，流量计，电磁阀分别导向激光放电箱和系统其它模块。其中混合气体 F2Kr/Ne，Kr/Ne 由气体控制模块按一定配比在放电箱中形成激光气体，F2Kr 是产生准分子激光二聚物气体，Ne 阻止光子吸收。He 作为清洗管线腔体之用，N2为保护气体充入光学模块，防止光学模块污染。水冷却系统为相应模块提供水循环冷却。
Cymer 公司 1988 年提供第一代商业应用的准分子激光器，ELS-6000 系列是 Cymer 公司的第四代产品，时至今日该公司不断推出性能更为优异的产品供商业应用，从中也可看出该公司对技术追求极致而孜孜不倦的努力精神，正是这样才使 Cymer 公司产品代表着当今世界这个领域的最高水平并为各大公司采用。
日本佳能1999年开发了“FPA－5000ESz” 256M DRAM和下一代MPU等批量生产用KrF准分子激光扫描步进光刻机。本机用于采用∅300mm圆片的正规批量生产线。它采用边移动对准线侧和圆片侧的双方工作台、边曝光的扫描方式。依靠搭载新开发的1／4缩小投影光学系统在26mm×33mm口大画面下实现了NA为0∙68。以0∙18μm条宽超高分辨率鲜明地将电路图形复印在园片。另外驱动对准线、圆片等两个工作台是采用高速新型马达；此外还采用了使投影棱镜和圆片工作台分离的VIS方式。由于工作台材料轻减少了振动所以不影响对准精度使工作台高速运行；与原机相比实现了约2倍的加速度。由此用∅300mm圆片换算达到了每小时可加工65块以上的世界最高水平生产能力。同时由于搭载了He－ Ne TTL方式和offaxis白色画象处理方式的自动对准系统以及依着由扫描方式减小失真等达到了50ns以下高重复精度。
KrF准分子激光器与其它激光器相比，虽然其输出是空间非相干的，但光谱窄于汞弧灯，可使光学设计和照明器设计做得更简单。这种激光器，效率相对较高，对于光谱窄化的系统，效率为0.6%，而对宽带激光器系统，效率大于2%，KrF激光器的高亮度输出使激光能量向分挡器或扫描器的有效耦合变易，同时缩短了芯片的曝光时间，提高了产量。
另外，KrF激光在不降低输出功率和没有产量严重受损情况下可按需要提供精确照明，汞弧灯在寿命接近终了时，对产量可有严重影响。.KrF激光适合实施有效的加强照明方案，如在产量受最少影响下实施四极子或环形照明。并且激光器装得较远，消除了对分挡器或其外罩的不必要热负载。
KrF激光器和分挡器或扫描器之间的关系是多方面的(表1)，自由运行KrF激光器的线宽约为300pm，因此，谱线变窄组件对深紫外发射进行“压缩”，使其适合于反射或折射投影设备的锐聚焦。光谱带宽和光谱能量分布即中心线附近光谱区的能量对光刻过程有重要作用。视投影光学系统类型的不同，光谱分布对折射光学系统可能不超过几皮米或对反折射200pm。
高数值孔径（>0.5）反射系统可利用激光器的更高宽带的光谱输出。由于增益很高，KrF激光脉冲的短期性、谱线变窄组件的设计都不重要，对折射光刻机更是如此。必要光谱分布是通过控制激光脉冲的演变和使谱线变窄组件的单次通光效率最高方法而实现。
可靠性和费用问题
准分子激光器的费用虽然高于汞弧灯系统，但比以前用到的光刻系统已显著下降，现在只占整个光刻系统运用成本的极少部分。新的发展已使激光器的可靠性和运转费用得到改善，使KrF准分子激光器更适合大量生产的环境。
Cymer公司的ELS-5000型激光器在10周试验中，以分挡器方式连续工作。试验结果表明，系统的平均损坏时间超过1000小时，平均修理时间约为2.6小时，最值得注意的是运行工作时问大于99%部件和分系统的更换说明子系统要有严格的可靠性，而不只是对激光器有严格的要求。
在国家科技重大专项的支持下，我国准分子激光技术获得了迅速发展，攻克了一系列高性能准分子激光核心关键技术。然而，和国外领先水平相比，尚存在着较大的差距，仍需国家层面的大力支持。
