双脉冲激光锡等离子体光源的碎屑动力学研究

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浅谈激光烧蚀技术的应用及研究进展

浅谈激光烧蚀技术的应用及研究进展摘要：随着激光技术的发展,当今社会激光烧蚀技术越来越受到了人们的关注。

本文主要介绍了几种激光烧蚀技术的不同应用,以及对激光烧蚀技术的进展做了简单的研究。

关键词：烧蚀等离子体聚合物激光烧蚀技术是通过飞秒-纳秒量级的脉冲激光来将材料表面烧蚀，已经被广泛应用于微加工、外科手术、X射线激光、生物分子质谱以及一些艺术品修复/清洁等领域；对激光烧蚀产生的等离子体的光学/光谱诊断是研究等离子体动力学的主要方法之一。

1 激光烧蚀技术的应用1.1 激光烧蚀光谱(LAS、LIBS)技术的应用近年来光谱领域发展迅速，其中激光烧蚀光谱技术是其中一种比较崭新的分析手段。

该技术主要是通过聚焦强激光束激发样品靶面，产生高温等离子体，通过测定等离子体冷却过程中发射光谱的波长与强度来进行定量分析、元素定性。

激光烧蚀光谱技术虽然对于痕量元素的分析能力不足，但是该技术并不需要对样品进行繁琐的化学处理，具有破坏性小，具有快速、实时、可远程监测等特点，被广泛应用于地质、冶金、核工业、材料、燃料能源、生物医药等领域；电感耦合等离子体质谱(ICP2MS)分析技术是一种公认的高灵敏度、强有力的、多元素及同位素分析技术。

1.2 激光烧蚀技术在微纳米材料制备中的应用激光与靶材相互作用后，周围的物理空间便可粗略的分为高温高压等离子体聚集区、液相区和固相区三个区域，如图1所示。

等离子体聚集区是由离子、电子以及未电离的中性粒子集合组成，整体呈现电中性，该区域对激光能量的传输障碍比较小。

液相区是靠近等离子聚集区的熔融层，材料处于液态或固-液共存态。

靠近液相区的是固相区，该区域虽然也吸收了激光能量，能使温度升高，但是能量强度不足以使该层进行熔化。

基于激光烧蚀技术制备的各类材料的生长过程，如一维纳米线和零维纳米颗粒、二维薄膜等，几乎都是通过应用高温高压等离子体的成核、生长所完成。

因此，激光烧蚀产生的高温高压等离子体在激光烧蚀技术制备微纳米材料中起着重要的作用。

激光等离子体相互作用产生X射线

激光等离子体相互作用产生X射线X射线是核外电子产生的短波电磁辐射，波长范围一般在0.001nm 到1nm或者更长一点。

比0.1nm短的叫硬X射线，长的叫软X射线。

X射线源在许多研究方面是非常重要的，在包括X射线显微镜和光谱学、全息技术和纳米技术、生物成像和探测超快过程等工业和医疗方面的应用尤其如此。

现在同步辐射光源是最强烈的X射线源。

在同步辐射光源中，辐射的产生是由于一个由弯曲磁铁，磁性波或磁性震荡产生了相对论电子散射[1]。

在同步辐射光源中，辐射的产生是由于一个由弯曲磁铁，磁性波或磁性震荡产生了相对论电子散射。

这些源是宽带相干和长脉冲。

我们也可以利用高能激光脉冲去Thomson散射这些被传统方式加速的电子[2-5]。

另一方面，需要有超高亮度，连贯和短脉冲（飞秒或更短）的X 射线源来研究瞬态过程。

在加速器的家族中，几个大的自由电子激光器在未来10年内取得里程碑式的进展，并提供最亮的X射线源。

相对论性激光等离子体提供了一个飞秒级X射线产生的潜在补充渠道。

甚至在紧凑的项目中，x射线波长桌面自由电子（TT-XFEL）也存在[6]。

然而，人们必须显著提高被激光加速电子束的品质以使TT-XFEL成为现实。

本世纪起，相对论超强超短激光入射等离子体可产生X射线已经被广泛证实。

当一束短的相对论下的强激光脉冲在稀薄等离子体中传播。

其有质动力可以排开电子，形成电子空泡（Bubble）。

通过波破或其他注入方式，一些等离子体电子可以被限制并且被腔中的纵向场加速，这就是所谓的空泡电子加速模式。

由于它的固定的三维空间结构，该气泡具有横向场。

加速的相对论下的电子这些场中做横向的振动并且发射出短波射线（可到X 射线量级）。

另外一种方法是激光作用于固体靶产生的相对论高次谐波。

激光可以瞬间将固体物质转换成等离子体，激光与固体的相互作用是高度非线性的，导致谐波产生。

在高密度等离子体的表面，人们可以区别产生谐波的两个主要的不同机理。

当激光强度呈弱相对论性2182210/I W m cm λμ<时，谐波是由于所谓的相干弱辐射（CWE ）产生的。

激光等离子体加速机制研究综述

激光等离子体加速机制研究综述1 研究现状随着激光技术的发展，激光强度不断增强，脉宽不断缩短，对激光等离子体相互作用的研究开辟出了许多新的领域。

激光与等离子体相互作用与激光的强度、波长、脉宽，等离子体状态参数（最主要是密度）密切相关。

随着激光强度变大，开始是线性响应，然后随着激光不断增强，非线性效应和相对论效应开始占主导。

当强度超过1018W/cm2电子的相对论效应必须考虑，加剧了理论研究难度但也催生了更多的物理现象产生。

比如非线性波跛、超高能粒子产生、相对论孤子和涡旋。

而根据等离子体的密度不同，激光与等离子体作用可以分为稀薄等离子体（同气体靶作用）和稠密等离子体（同液、固体作用）。

对于1微米的激光，能在等离子体中传播的临界密度是1.1×1021cm-3，介于气体密度与固液密度之间。

激光脉宽的减小使得激光等离子体相互作用出现新的物理现象。

fs级别的脉宽，对稀薄等离子体可以通过直接的LWFA来加速电子。

超短超强激光驱动电子等离子体加速电子，可获得能量高达1GeV、电荷接近1 n c、方向性优良、能散度小的高性能电子束，从而在高能加速器、聚变物理、短脉冲高亮度X光源产生、实现小型化自由电子激光等领域都有重大的应用价值。

研究激光同等离子体如何作用及粒子加速的机制具有非常重要的意义与价值。

图1、激光强度在CPA技术突破后大幅增强首先，激光同等离子体作用的第一步是材料对激光的吸收，除了普通的逆轫致吸收和共振吸收，在高强度相对论激光还有很多吸收机制，比如真空加热，J×B加热，有质动力直接加速离子，鞘场加速等等，下面根据加速粒子不同逐一介绍各种加速机制1979年,Tajima和Dawson提出用强激光脉冲激发等离子体波来加速电子的机制，这就是直接激光尾场加速（LWFA）[1]，原理是超强超短激光脉冲在稀薄等离子体中传播时，纵向的非线性力——有质动力(F p=-q2▽a02/4mw2）将电子推开，共振激发出等离子体波（尾波场）。

面向EUV光源的实验流体力学研究进展

面向EUV光源的实验流体力学研究进展
邓巍巍;翟天琪;高立豪;许晟昊;赵新彦;刘艳初
【期刊名称】《力学进展》
【年(卷),期】2024(54)1
【摘要】EUV(极紫外)光源是EUV光刻机的核心部件,其原理是基于纳秒脉冲激光轰击锡液滴靶产生的等离子体辐射发光.EUV光源本质是一种流体光源,涉及丰富而复杂的流体力学基本问题,跨越从皮秒到毫秒的四个特征时间尺度.本文综述了面向EUV光源的实验流体力学研究进展.首先根据靶的类型,分别介绍了射流、液滴和液膜靶的生成与调控基本原理和技术路线.之后对三种靶与激光相互作用过程的特征
时刻与典型现象进行了梳理,重点放在各个特征时间尺度内激光轰击液滴靶的研究
进展,总结了不同参数激光脉冲轰击后靶的推进、变形和破碎规律.最后对EUV光源中值得重点关注的实验流体力学关键问题进行了总结和展望,提出改善激光等离子
体EUV光源稳定性、亮度和寿命需要从以下三方面持续开展研究:高频率、小直径、长间距液滴靶串的精准生成和调控,激光辐照产生等离子体的膨胀和辐射规律,以及
液滴靶变形破碎机理和碎屑抑制、收集及清洁技术.
【总页数】35页(P138-172)
【作者】邓巍巍;翟天琪;高立豪;许晟昊;赵新彦;刘艳初
【作者单位】南方科技大学力学与航空航天工程系
【正文语种】中文
【中图分类】O35
【相关文献】
1.Cymer推进EUV光刻光源
2.下一代光刻技术的EUV光源收集系统的发展
3.IMEC利用配备LA—DPP光源的EUV曝光装置成功曝光晶圆
4.“LPP-EUV”光源中的高功率CO_2激光监测与控制系统
5.晶方科技:公司未涉及EUV光源业务
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基于激光烧蚀的等离子体羽辉膨胀动力学机制研究

ＲｅｅｒｈｏａｍａＰｌｍｅＥｘｎｉｎＤｙｍｉｓＭｅｈｎｉｍｓａｃｎＰｌｓｕｐａｓｏｎａｃｃａｓＧｅｅａｅｌｅｓｒＡｂａｉｎｎｒｔｄｂｙＰｕｓｄＬａｅｌｔｏ
维普资讯
第２９卷第５期
２００７年ｌ月Ｏ
三峡大学学报（自然科学版ｎｅ）ｆＣｈｎｒｅＧｏｇｓＵｎｖ（ｔｒｌｅｃｓＳｃ
Ｖｏ．Ｏ１２９Ｎ．５０ｅ．２７ｔ００
ＡｂｔａｔＴｈｎａｃｘｐｎｓｏｅｈｎｉｍｓｆｒｐｌｓｕｍｅｇｎｅａｅｕｌｅａｅａｉｔｏｎａｅｓｕｄｓｒｃｅｄｙｍｉｓｅａｉｎｍｃａｓｏａｍａｐｌｅｒｔｄｂｙｐｓｄｌｓｒｒｄａｉｒｔ — ｉｄｉｔｉｃｓｄｅｉｇｗｈｅａｍａｉｉａｉｎｅｆｃ．Ｂａｅｈｅｃｓｄｒｔｏｆｌｃｌｃｎｓｒａｉｎｓｏｅｎｄｅａｌｏｎｉｒｎｎｐｌｓｏｎｚｔｏｆｅｔｓｄｏｎｔｏｎｉｅａｉｎｏｏａｏｅｖｔｏｆｍａｓａｄｍｏｍｅｔｓｎｎｕｍ，ｃｌｃｅｓｔｅａｓｍｐｉｎｔｔｐａｍａｃｎｂｉｗｅｓｃｍｐｅｓｂｌｄａｌｉｎｄｏｌｅｔｄａｈｓｕｔｏｈａｌｓａｅｖｅｄａｏｒｓｉｅｉｅｌｆｕｄａｈｇｅｉｈｔｍｐｅａｕｒ — ｇｈｐｒｓｕｅｉｅａｒｔｅｈｉｅｓｒｄａｌｇｓ，ｔｐａｅｎｕｂｒｄｎｉｙｎｄｐｅｓｅｅｏｖｅｅｔｏａｍａｉｙ— ｈｅｓｃｍｅｅｓｔａｒｓｕｒｖｌｍｎｆｐｌｓｎｃｌｒｃｌｃｒｉｔｒｂａｎｅｉｓｌｉｉａｏｏｄｎａｅａｅｏｔｉｄｆｒｔｙ．Ｕｎｄｒｔｏｒｉｔａｎｕｎｄｒｏｉｉｎｓ，ｔｗｙｎｍｉｓｎｄｅｈｅｐｒｐｅｎｉｉｌａｄｂｏａｙｃｎｄｔｏｈｅｎｅｄａｃｅｏｖｅｅｑａｉｎｓａｅｔｎｄｅｉｅ．Ｔｈｅｒｓｔｒｍｈｅｐｒｓｎｔｍｏｌｉｉａｅｔａｈｅｐａｍａｄｙａｃｖｌｍｎｔｅｕｔｏｒｈｅｒｖｄｅｕｌｓｆｏｔｅｅｄｅｎｄｃｔｈｔｔｌｓｎｍｉｅｐａｓｏｎｂｈａｏｒｃｎｂｖｄｎｌｎｌｎｃｄｂｙｔｏｎｚｔｏｅｒｅ叩，ｗｈｉｈｉｒａｅｈｅｅｐａｓｏｎａｃｌｘｎｉｅｖｉａｅｅｉｅｔｙｉｆｕｅｅｈｅｉｉａｉｎｄｇｅｃｎｃｅｓｓｔｘｎｉｃｅ — ｅａｉｎａｌｄｉｅｔｏｎ．ＴｈｅｐｌｓｌｃｔｅｎｔｅａｉｌａｒｎｓｒｅｄｒｃｉｓｔｈｅｔｒｅｌｈａｅｆｒｔｏｎｉｌｒｃｉｓａｍａｖｅｏｉｉｓｉｈｘａｎｄｔａｖｅｓｉｅｔｏｎＯｔａｇｔａｌｖｅｓｌ－ｓｍｉｒｔｖｏｖｍｅｔｃｒｃｅｉｔｃ．ｉｌｉｙｅｌｅｎｈａａｔｒｓｉｓａＫｅｗｏｄｐｕｌｅａｅ；ｙｒｓｓｄｌｓｒｐｌｓｌａｍａｐｕｍｅ；ｄｙｍａｃｖｖｍｅｔｍｉｓｅｏｌｅｎ

山东省人民政府关于2007年度山东省科学技术奖励的决定

山东省人民政府关于2007年度山东省科学技术奖励的决定文章属性•【制定机关】山东省人民政府•【公布日期】2008.04.19•【字号】鲁政发[2008]54号•【施行日期】2008.04.19•【效力等级】地方规范性文件•【时效性】现行有效•【主题分类】科技奖励正文山东省人民政府关于2007年度山东省科学技术奖励的决定（鲁政发〔2008〕54号）各市人民政府，各县（市、区）人民政府，省政府各部门、各直属机构，各大企业，各高等院校：为认真贯彻党的十七大精神，全面落实科学发展观，深入实施“科教兴鲁”和“人才强省”战略，鼓励科学技术创新，奖励在发展我省科学技术事业中作出突出贡献的单位和个人，根据《山东省科学技术奖励办法》，经山东省科学技术奖励委员会严格评审和省科技厅审核，省政府决定，授予山东省眼科研究所谢立信院士和山东省生物药物研究院凌沛学研究员2人2007年度山东省科学技术最高奖；授予山东师范大学满宝元等完成的“光电功能材料的制备、表征及其激光与之相互作用研究”等2项成果2007年度山东省自然科学奖一等奖，青岛科技大学张书圣等完成的“糖苷功能配合物的合成、表征及其与DNA作用机理的电化学研究”等6项成果2007年度山东省自然科学奖二等奖，青岛理工大学贺可强等完成的“滑塌型地质灾害非线性动力学参数与预测理论研究”等12项成果2007年度山东省自然科学奖三等奖；授予山东省医药生物技术研究中心韩金祥等完成的“脑脊液病原体抗体诊断芯片的研制”1项成果2007年度山东省技术发明奖一等奖，中国海洋大学战文斌等完成的“对虾白斑症病毒（WSSV）病的单克隆抗体检测诊断技术及其应用”等6项成果2007年度山东省技术发明奖二等奖，山东农业大学柴同杰等完成的“魏氏梭菌类毒素疫苗与抗毒素血清制备研究”等4项成果2007年度山东省技术发明奖三等奖；授予山东省农业科学院等单位完成的“优质高产广适强筋小麦新品种济麦20号的选育与应用”等30项成果2007年度山东省科技进步奖一等奖（含2项其他项目），山东棉花研究中心等单位完成的“抗虫棉新品种鲁棉研16号、17号、22号、23号选育与配套生产技术”等117项成果2007年度山东省科技进步奖二等奖（含2项其他项目），潍坊市农业科学院完成的“高产优质抗病花生新品种潍花6号的选育与推广”等320项成果2007年度山东省科技进步奖三等奖（含3项其他项目）；授予日本东京工业大学水流徹教授和日本农林水产交流协会福岛分会末永武雄会长2人2007年度山东省国际科学技术合作奖。

脉冲激光烧蚀金属的动力学研究进展

脉冲激光烧蚀金属的动力学研究进展【摘要】简要评述了激光烧蚀金属过程中的等离子体羽、烧蚀材料蒸汽、温度场方面的实验和理论模型研究进展。

报道了激光能量密度（或者功率密度）、脉宽等参数对等离子体、烧蚀蒸汽动力学过程影响的实验和理论结果。

【关键词】脉冲激光；金属烧蚀；等离子体；温度；物理模型Research Progress Dynamics of Metal Ablation under Pulse LaserCHENG He-ping1,2XU Yuan1WEI Rong-hui3ZHENG Li1XIE Guo-qiu1（1.School of Information and Engineering, Huangshan University,Huangshan Anhui，245041,China;2.Henan Key Laboratory of Advanced Non-ferrous Metals,Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan,471003,China;3.School of Physics and Engineering, Henan University of Science and Technology,Luoyang Henan,471003,China）【Abstract】The progress of experiments and models about plasma plume, vapor and temperature field of metal ablation under pulse laser were reviewed. The theoretical and experimental results of dynamics of plasma and metallic vapor induced by pulse laser with different parameters such as fluence (or power density), pulse width etc. were reported.【Key words】Pulse ｌaser;Metal ａblation;Plasma;Temperature;Models０引言激光自发明以来的半个世纪左右时间里，在功率、能量、脉宽等参数品质上都有快速提高，现在已经开发出品种繁复的各类型激光器广泛用于科学研究、工业加工、医学治疗等领域。

激光等离子体相互作用产生的非线性力——有质动力

1.2 相对论下的有质动力式当激光强度超过 1018W/cm2 时，需要考虑相对论效应，进行相对论修正。将场强 E 和磁场强度 B 用电矢量 A 来表示，采用 ∂ A ∂A y 洛伦兹规范，有 E = - ∂A 和 B = -∇ ˑ A =(0, - Z , ) 。此时，电 ∂t ∂x ∂x 子在光场中的受力方程可以简写为： ∂ p p e ∂A e p +( ㊃∇) p = ㊃ ˑ∇ˑ A c ∂t c γ ∂x γ 对于非线性有质动力项（二阶及以上项），可得到： ep p Fp = ˑ(∇ ˑ A) ˑ ∇p cγm γm 结合一阶项结果 p = A , γ = 1 + p2 和数学关系式 1 ∇p2 = p㊃∇p + p ˑ(∇ ˑ p) ,化简可得： 2 F p = - mc2 ∇γ
ω2 E2 pe ㊃∇ L [1 - cos(2ω L t)] 2 ω L 16π ω2 E2 pe 该式求平均后为： < F p > t = 2 ㊃∇ L 。 ω L 16π Fp = -
1 ，可以采用单粒子理论、流体理论和动力学理论等，我们在下文中通过流体力学理论推导有质动力的表达式。 1.1 非相对论下的有质动力式在激光等离子体中，光波电场压力的变化能产生有质动力，有质动力引起电子密度变化，会带来密度的涨落，进而自洽的产生离子密度的涨落。对于一个空间分布不均匀的高频光场，假定其电场表达式为： E = E L ( x)㊃ cos ω L t 。将等离子中的电子和离子当作两种流体处理，由于离子质
2 结语
——有质动力
张子昊(驻马店市高级中学,河南驻马店 463000)

项目简介及完成人对项目主要贡献汇总材料一、c-c偶联反应的合成

项目简介及完成人对项目主要贡献汇总材料一、c-c偶联反应的合成项目简介及完成人对项目主要贡献汇总材料一、C-C 偶联反应的合成方法学及其在杂环衍生化中的应用研究1、项目简介本项目针对国际药物合成中所涉及的有机合成方法学问题，围绕C-C键、C-杂原子键的构筑等有机合成方法学开展了系统、深入的研究，取得了突出的成绩。

用简单易得的原料为C-O, C-N，C-S，C-C键的构建提供了新合成方法。

主要研究内容、科学发现点包括:1. 首次实现了过渡金属催化3，4-二氢嘧啶硫酮与炔烃及羧酸亚铜盐的脱硫偶联/酰化/水合串联反应一步实现了C-C和C-N键的有效构建。

发展了Pd催化下磺酸嘧啶酯与苯硼酸、端炔、苯酚及苯胺的C-C、C-O及C-N交叉偶联反应。

2. 发现并扩展了三对溴苯胺自由基正离子六氯锑酸盐(TBPA+.)引发的甘氨酸类衍生物的sp3C-H键的催化氧化反应，以及甘氨酸类化合物与苯乙烯类衍生物的氧化-[4+2]环加成串联反应。

3. 首次实现了酰胺、多聚甲醛与苯乙烯等的三组分反应构建烯丙基胺骨架结构，为烯丙基胺结构的构筑提供了有益的合成方法。

4. 开展了廉价金属盐CuSO4-5H2O/NaAsc催化的Ullmann型C-N偶联反应。

5. 实现了生物质催化转化制备高附加值有机化学品的有效方法。

本项目自2009年1月至2013年7月共发表论文52篇，其中SCI化学二区论文8篇(其中包括Org. Lett. 2篇，Adv. Synth. Catal. 4篇，J. Org. Chem. 2篇)，SCI三区论文(包括Org. Biomol. Chem.; Tetrahedron; Tetrahedron Lett.; Eur. J.Org. Chem.; Synlett等)17篇;获得厅局级二、三等奖各1项;授权中国发明专利1项，申请3项。

其中5篇代表性论文Org. Lett. 2012, 14, 4030–4033;1Org. Lett. 2010, 12, 732-735;Adv. Synth. Catal. 2013, 355, 891-900;Adv. Synth. Catal. 2013, 355, 1911–1916;Adv. Synt. Catal. 2012, 354, 2939-2948论文被Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed.,等国际重要刊物他人正面引用54次，平均每篇5.4次，单篇最高他引27次。

江苏省2014年度普通高校研究生科研创新（实践）计划项目

杨风波杨建鲁严玉波茆平
车载发射系统载荷特性与热环境优化方法研究汽油基凝胶燃料流变特性、雾化机制及其爆轰特性研究碱渣基功能材料的开发及其对重金属污染水体修复的研究基于紫外吸收的大气颗粒物湿法监测技术研究
自然科学自然科学自然科学自然科学
博士博士博士博士
项目名称
混合励磁直线执行器驱动的低功耗伺服阀关键技术研究 GaAlN 光电阴极的电子与原子结构研究
项目类型自然科学自然科学
研究生层次博士
博士
金睦淳 InGaAs 光电发机理及制备技术研究
自然科学博士
张廷忠激光微打孔的双脉冲方法研究
自然科学
基于二维窗口层结构及等离子体激元太阳
带有饱和非线性系统的分析与抗饱和设计研究蛋白质结晶预测的特征抽取与学习算法研究高速运动自组织传感网可靠路由与 QoS 研究微流控技术调控木醋杆菌发酵制备微结构纤维素及其应用研究
自然科学自然科学自然科学自然科学
博士博士博士博士
曹琪煤油凝胶的流变特性及空气雾化机理研究自然科学博士
申请人
项目名称
陈思宇转型期公民素质养成研究
项目类型人文社科
研究生层次博士
基于行为方法的多维多尺度系统的建模及
张光晨控制理论研究
自然科学博士
冯维一基于孔径编码的快照光谱成像装置
自然科学博士
周洁组合高功率光纤激光对靶材的毁伤
自然科学博士
金左轮于靖钱华玉汤玉娟
基于认知计算的多波段夜视图像目标探测技术基于地球红外辐射场的弹体姿态测量方法研究与仿真基于氮碳复合载体的甲酸燃料电池阳极催化剂的研究城市供水球墨铸铁管内衬水泥砂浆耐久性退化机理研究

国防科技大学主要研究领域

国防科技大学的主要科研领域1、计算流体力学与应用主要开展飞行器气动布局及分析、非流动及动态特性研究、高精度数值计算方法研究、面向多体分离和物体变形引起流固耦合非定常流动问题的数值模拟方法和气动弹性等问题研究。

2、高超声速空气动力学主要开展高超声速飞行器一体化设计、高超声速气动力（热）预示方法、吸气式飞行器布局优化设计、再入飞行器气动光学效应、等离子体数值模拟方法、非平衡流动模拟方法及应用等方面的研究。

3、实验空气动力学与应用研究低跨超/高超声速空气动力气实验模拟技术与设备，包括超声速风洞和高超声速风洞的设计理论与技术，研究飞行器的气动力/气动热实验技术、飞行器流场结构先进的接触精细测试技术及其在工业军事上的应用。

4、飞行器结构分析与设计本方向主要开展材料本构理论、断裂与损伤力学理论和界面力学理论，固体火箭发动机结构完整性分析与贮存寿命预估，线弹性、粘弹性、塑性材料和复合材料结构的动、静态响应与稳定性分析、优化与试验，结构振动控制技术，非线性动力学理论与应用等方面研究。

5、束能与电磁推进主要研究吸气式脉冲激光爆震推力器数值模拟、太阳光热推力器高温陶瓷加热室制备、激光与放电烧蚀脉冲等离子体推力器等。

6、推进系统动态学与状态监控主要研究可重复使用运载器推进系统故障诊断与健康监控、液体火箭发动机瞬变过程动力学建模与仿真、卫星推进系统故障诊断与自主管理等。

7、火箭发动机燃烧与流动主要研究火箭发动机燃烧稳定性、冲压流动与燃烧机理、合成射流与推力矢量控制、凝胶推进剂雾化与燃烧技术等。

8、飞行器总体设计技术本研究方向主要开展导弹、运载等飞行器的总体方案论证和多学科协同设计、精度分析与评估、航天器回收与航空救生技术等方面的研究。

9、飞行器总体技术本研究方向重点开展高超声速飞行器总体一体化设计、飞行器布局优化设计及应用等方面的研究。

10、高超声速推进技术本研究方向主要开展超燃冲压发动机、发动机地面试验与飞行试验技术、高超声速飞行器机体/推进系统一体化设计、超声速燃烧与流动机理等方面的研究。

高功率激光装置上光致电离等离子体光谱实验的理论研究进展

第43卷第6期2023年12月物理学进展PROGRESS IN PHYSICSVol.43No.6Dec.2023高功率激光装置上光致电离等离子体光谱实验的理论研究进展韩波∗齐鲁师范学院物理与电子工程学院，济南250200摘要：光致电离等离子体是宇宙中等离子体的一种重要的存在形式，这种等离子体是一些高能天体发射很强的辐射场照射周围的稀薄等离子体产生的。

随着高能量密度物理的发展，2009年Fujioka 等人使用高功率激光装置（GEKKO-XII激光装置）制造出光致电离硅等离子体，并观测到类似于天文观测中的X射线光谱。

本综述重点总结了Fujioka实验以来，各理论工作对实验中X射线光谱的模拟结果，并对光致电离等离子体光谱实验方面的研究进行展望。

本文期望为相关研究人员深入理解光致电离等离子体光谱发射的物理机制提供参考。

关键词：等离子体；光致电离；原子过程；X射线光谱中图分类号：O69文献标识码：A DOI:10.13725/ki.pip.2023.06.002目录I.引言178II.Fujioka光致电离硅等离子体实验179III.光致电离等离子体光谱模型及其结果181A.等离子体光谱模型和基本假设181B.理论模拟结果182 IV.总结与展望184致谢185参考文献185I.引言光致电离等离子体是宇宙中等离子体的一种重要的存在状态，普遍存在于活动星系核、黑洞、中子星和白矮星等天体周围[1–5]。

研究光致电离等离子体光谱对获取上述天体系统的物理状态和演化过程有着重要的意义。

这些致密天体会吸积周围的气体，同时释放出很强的辐射场。

当辐射场足够强，这些天体周围的气体会被高能光子激发和电离，处于光致电离碰撞辐射平衡。

与处于碰撞辐射平衡的普通恒星大气相比，光致电离等离子体在较低的温度便可以达到很高的电离度，发射一系收稿日期：2023-09-06∗E-mail:********************列高能的X射线谱线[6–10]。

脉冲等离子体辐射微波机理的初步研究

一
现象的一些物理规律。近年来，利用等离子体可提高微波器件功率和效率、展宽频带和频率调谐的特点做成

的各类等离子体填充器件已取得很大进展，如等离子体填充的波导管、行波管、返波管、等离子体波管及等离子体辅助慢波振荡器等［］１。刘盛纲等人对等离子体条件下，电子与微波的相互作用机理给予了理论分析［。经６］初步分析认为：二极管在放电过程中形成的等离子体，产生超宽带微波辐射的主要原因。研究等离子体辐射是微波具有重要意义，文初步研究了脉冲等离子体辐射微波的机理。本
带宽为１１～１ＧＨｚ比亚纳秒脉冲方法要高出很多。辐射的角分布基本均匀。，
２电流波形和天线接收到的微波辐射波形
当电容Ｃ充电后，可使等离子体器件的阴阳极之间击穿而产生等离子体。这一等离子体在阴、阳极间作宏观运动，等离子体中的电流即为在外电路中的放电电流。为了了解辐射的机理和特性，我们同时测量了外电路中的电流波形和喇叭天线接收的微波信号波形，图２所示。由微波信号曲线可见，有两个微波辐射的脉如共
这一脉冲之后１肛，ｓ回路的放电电流开始上升，一延迟时间与等离子体的运动速度为几ｃｂ相吻合。这ｍ／ｔｓ
＊收稿日期：０７０—９修订日期：０７１ —０２０－３０；２０一０３基金项目：国家自然科学基金资助课题（０７０９５３７２）作者简介：仕修（９１）男，士，授，士生导师，事脉冲功率与等离子体的研究；ｘｕｈｎ１３ｃｒ。胨１５一，博教博从ｓｉｅｅ＠６．ｏｎ

脉冲co2激光烧蚀锡靶等离子体的数值模拟研究

摘要13.5 nm极紫外辐射被认为是最有前景的下一代半导体光刻光源，13.5 nm极紫外辐射产生于激光烧蚀锡等离子体，提高激光的转换效率、降低等离子体碎屑是光源的关键技术。

等离子体的电子温度、电子密度决定了其辐射特性，离子温度、离子密度决定了碎屑特性，因此研究激光烧蚀锡靶的具体过程具有非常重要的参考价值。

本文使用一维辐射流体力学程序MULTI模拟了脉冲激光照射期间，激光等离子体电子温度、电子密度、离子温度、离子密度、膨胀速度等参数的分布情况，讨论了靶材的种类、密度，激光脉冲的波长、能量、脉宽、拖尾等对等离子体辐射与碎屑特性的影响。

首先，介绍了辐射流体力学程序MULTI，随后模拟了脉冲CO2与Nd：YAG两种激光器烧蚀锡靶的具体过程，比较了两种等离子体的辐射与碎屑特性，发现靶材吸收激光的主要机制为逆韧致吸收，激光能量大部分沉淀在等离子体临界密度点附近，CO2与Nd：YAG激光器的临界电子密度分别约为1019 cm-3和1021 cm-3，因此Nd：YAG激光器形成了一种高温、高密等离子体，这加剧了极紫外再吸收与电子-离子复合过程，所以脉冲CO2激光器的转换效率与光谱纯度更高，更有利于极紫外辐射的产生。

由于脉冲CO2激光在激光等离子体极紫外光源应用上的优势，论文主要研究了脉冲CO2激光等离子体的特性，首先对脉冲CO2激光烧蚀锡靶与氙靶等离子体进行了模拟，发现氙等离子体电子温度更高，辐射中心波长更短。

再次，模拟了脉冲CO2激光烧蚀不同密度锡靶的过程，发现降低靶材初始密度不会改变激光的吸收机制与等离子体的主要参数，因此不会改变EUV辐射与碎屑特性。

最后，研究了CO2激光的功率密度、脉宽、拖尾等对锡等离子体特性的影响。

高功率CO2激光器能提高电子温度，从而提高极紫外辐射的强度，并且不降低辐射谱纯度；长脉宽CO2激光器能延长极紫外辐射时间，从而提高紫外辐射的强度，并且不降低转换效率。

虽然高功率、长脉宽的CO2激光器会增加碎屑的产量，但是碎屑可以通过电磁场、缓冲气体、降低靶材尺寸等方法有效除去，因此高功率、长脉宽的CO2激光器更有利于极紫外辐射，峰值功率的参考值为1010 W/cm2，脉宽的参考值为300 ns。

激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展

激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展宗楠, 胡蔚敏, 王志敏, 王小军, 张申金, 薄勇, 彭钦军, 许祖彦引用本文:宗楠, 胡蔚敏, 王志敏, 王小军, 张申金, 薄勇, 彭钦军, 许祖彦. 激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 28-42. doi: 10.3788/CO.20201301.0028ZONG Nan, HU Wei-min, WANG Zhi-min, WANG Xiao-jun, ZHANG Shen-jin, BO Yong, PENG Qin-Jun, XU Zu-yan. Research progress on laser-produced plasma light source for 13.5 nm extreme ultraviolet lithography[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 28-42. doi: 10.3788/CO.20201301.0028在线阅读 View online: https:///10.3788/CO.20201301.0028您可能感兴趣的其他文章Articles you may be interested in深紫外光刻光学薄膜Optical coatings for DUV Lithography中国光学. 2015(2): 169 https:///10.3788/CO.20150802.0169高功率皮秒紫外激光器新进展New progress in high-power picosecond ultraviolet laser中国光学. 2015(2): 182 https:///10.3788/CO.20150802.018210kW级直接输出半导体激光熔覆光源的研制与热效应分析10 kW CW diode laser cladding source and thermal effect中国光学. 2019, 12(4): 820 https:///10.3788/CO.20191204.0820大功率半导体激光合束进展Advance on high power diode laser coupling中国光学. 2015(4): 517 https:///10.3788/CO.20150804.0517陶瓷表面放电光泵浦源放电特性研究Discharge characteristics of optical pumping source by ceramic surface discharge中国光学. 2019, 12(6): 1321 https:///10.3788/CO.20191206.1321第１３卷㊀第１期２０２０年２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀中国光学㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ＣｈｉｎｅｓｅＯｐｔｉｃｓ㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ.１３㊀Ｎｏ.１㊀Ｆｅｂ.２０２０㊀㊀收稿日期:２０１９￣０４￣１１ꎻ修订日期:２０１９￣０５￣１４㊀㊀基金项目:国家重点研发项目(Ｎｏ.２０１６ＹＦＢ０４０２１０３)ꎻ中科院关键技术团队项目(Ｎｏ.ＧＪＪＳＴＤ２０１８０００４)ꎻ国家重大科研装备研制项目(Ｎｏ.ＺＤＹＺ２０１２￣２)ꎻ国家重大科学仪器设备开发专项(Ｎｏ.２０１２ＹＱ１２００４８)ꎻ国家自然科学重点基金项目(Ｎｏ.６１５３５０１３)ꎻ中科院理化所所长基金(Ｎｏ.Ｙ８Ａ９０２１Ｈ１１)ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＮａｔｉｏｎａｌＫｅｙＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｊｅｃｔｏｆＣｈｉｎａ(Ｎｏ.２０１６ＹＦＢ０４０２１０３)ꎻＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏ￣ｇｙＴｅａｍＰｒｏｊｅｃｔｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ(Ｎｏ.ＧＪＪＳＴＤ２０１８０００４)ꎻＮａｔｉｏｎａｌＭａｊｏｒＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌ￣ｏｐｍｅｎｔＰｒｏｊｅｃｔｏｆＣｈｉｎａ(Ｎｏ.ＺＤＹＺ２０１２￣２)ꎻＮａｔｉｏｎａｌＭａｊｏｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＰｒｏｊｅｃｔｏｆＣｈｉｎａ(Ｎｏ.２０１２ＹＱ１２００４８)ꎻＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ(Ｎｏ.６１５３５０１３)ꎻＦｕｎｄｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ(Ｎｏ.Ｙ８Ａ９０２１Ｈ１１)文章编号㊀２０９５￣１５３１(２０２０)０１￣００２８￣１５激光等离子体１３.５ｎｍ极紫外光刻光源进展宗㊀楠１ꎬ２∗ꎬ†ꎬ胡蔚敏１ꎬ３ꎬ†ꎬ王志敏１ꎬ王小军１ꎬ张申金２ꎬ薄㊀勇１ꎬ彭钦军１ꎬ２∗ꎬ许祖彦１ꎬ２(１.中国科学院固体激光重点实验室ꎬ中国科学院理化技术研究所ꎬ北京１００１９０ꎻ２.中国科学院功能晶体与激光技术重点实验室ꎬ中国科学院理化技术研究所ꎬ北京１００１９０ꎻ３.中国科学院大学ꎬ北京１０００４９)†共同贡献作者摘要:半导体产业是高科技㊁信息化时代的支柱ꎮ光刻技术ꎬ作为半导体产业的核心技术之一ꎬ已成为世界各国科研人员的重点研究对象ꎮ本文综述了激光等离子体１３.５ｎｍ极紫外光刻的原理和国内外研究发展概况ꎬ重点介绍了其激光源㊁辐射靶材和多层膜反射镜等关键系统组成部分ꎮ同时ꎬ指出了在提高激光等离子体１３.５ｎｍ极紫外光源输出功率的研究进程中所存在的主要问题ꎬ包括提高转换效率和减少光源碎屑ꎮ特别分析了目前已实现百瓦级输出的日本Ｇｉｇａｐｈｏｔｏｎ公司和荷兰的ＡＳＭＬ公司的极紫外光源装置ꎮ最后对该项技术的发展前景进行了总结与展望ꎮ关㊀键㊀词:１３.５ｎｍ极紫外光刻技术ꎻ激光等离子体ꎻ极紫外光源ꎻ转换效率ꎻ光源碎屑ꎻ预脉冲激光中图分类号:Ｏ４３２.１㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀ｄｏｉ:１０.３７８８/ＣＯ.２０２０１３０１.００２８Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｌａｓｅｒ￣ｐｒｏｄｕｃｅｄｐｌａｓｍａｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｆｏｒ１３.５ｎｍｅｘｔｒｅｍｅｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙＺＯＮＧＮａｎ１ꎬ２∗ꎬ†ꎬＨＵＷｅｉ￣ｍｉｎ１ꎬ３ꎬ†ꎬＷＡＮＧＺｈｉ￣ｍｉｎ１ꎬＷＡＮＧＸｉａｏ￣ｊｕｎ１ꎬＺＨＡＮＧＳｈｅｎ￣ｊｉｎ２ꎬＢＯＹｏｎｇ１ꎬＰＥＮＧＱｉｎ￣Ｊｕｎ１ꎬ２∗ꎬＸＵＺｕ￣ｙａｎ１ꎬ２(１.ＫｅｙＬａｂｏｆＳｏｌｉｄＳｔａｔｅＬａｓｅｒｓꎬＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＢｅｉｊｉｎｇ１００１９０ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＫｅｙＬａｂｏｆＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＣｒｙｓｔａｌｓａｎｄＬａｓｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＴｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙꎬＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＢｅｉｊｉｎｇ１００１９０ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００４９ꎬＣｈｉｎａ)†Ｔｈｅｓｅａｕｔｈｏｒｓｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｄｅｑｕａｌｌｙ∗ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇａｕｔｈｏｒꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｚｏｎｇｎａｎ＠ｍａｉｌ.ｉｐｃ.ａｃ.ｃｎꎬｐｅｎｇｑｉｎｊｕｎ＠１６３.ｃｏｍＡｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｉｎｄｕｓｔｒｙｉｓｔｈｅｂａｃｋｂｏｎｅｏｆｔｈｅｈｉｇｈ￣ｔｅｃｈａｎｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｇｅ.Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙｔｅｃｈ￣ｎｏｌｏｇｙꎬｏｎｅｏｆｔｈｅｃｏｒｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｉｎｄｕｓｔｒｙꎬｈａｓｂｅｃｏｍｅａｋｅｙｒｅｓｅａｒｃｈｓｕｂｊｅｃｔａｌｌａ￣ｒｏｕｎｄｔｈｅｗｏｒｌｄ.Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｍａｉｎｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｔｈｅｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｏｆ１３.５ｎｍＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ(ＥＵＶＬ)ｂｙｕｓｉｎｇＬａｓｅｒ￣ＰｒｏｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａ(ＬＰＰ).Ｉｔｍａｋｅｓａｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｂｅｈｉｎｄｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｈｉｓｔｏｒｙｏｆｔｈｉｓｆｉｅｌｄａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ.Ｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅｍａｔｅｒｉ￣ａｌｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｍｕｌｔｉｌａｙｅｒｍｉｒｒｏｒꎬａｎｄｒａｔｉｏｎａｌｅｆｏｒｔｈｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｍａｔｅｒｉａｌｓꎬｔｈｅｓｈａｐｅａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｔａｒｇｅｔａｎｄｔｈｅｔｙｐｅｏｆｌａｓｅｒ.ＡｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｐｏｉｎｔｓｏｕｔｔｈａｔｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｂｌｅｍｓｆｏｒｔｈｅＥＵＶＬａｒｅｌｉｇｈｔｄｅｂｒｉｓｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆＥＵＶｌｉｇｈｔ.Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｌｓｏｇｉｖｅｓｓｐｅｃｉａｌａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅｏｕｔｐｕｔｄｅｖｉｃｅｓｏｆ１３.５ｎｍＥＵＶＬｍａｃｈｉｎｅｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｆａｍｏｕｓｃｏｍｐａ￣ｎｉｅｓＧｉｇａｐｈｏｔｏｎｏｆＪａｐａｎａｎｄＡＳＭＬｏｆｔｈｅＮｅｔｈｅｒｌａｎｄｓꎬｗｈｉｃｈｃａｎｇｅｎｅｒａｔｅｍｏｒｅｔｈａｎ１００ＷｌｅｖｅｌＥＵＶｐｏｗｅｒ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｓａｎｄｆｏｒｅｃａｓｔｓｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｉｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:１３.５ｎｍＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ(１３.５ｎｍ￣ＥＵＶＬ)ꎻＬａｓｅｒ￣ＰｒｏｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａ(ＬＰＰ)ꎻｅｘｔｒｅｍｅｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｓｏｕｒｃｅꎻＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙ(ＣＥ)ꎻｌｉｇｈｔｄｅｂｒｉｓꎻｐｒｅ￣ｐｕｌｓｅｌａｓｅｒ１㊀引㊀言㊀㊀自２０世纪５０年代末起ꎬ半导体行业因集成电路(ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔｓꎬＩＣｓ)等相关技术的兴起开始突飞猛进地发展[１]ꎮ到目前为止ꎬ该行业俨然已成为当今世界各行各业都不可或缺的支柱 ꎮ１９６５年ꎬ高登摩尔(ＧｏｌｄｏｎＭｏｏｒｅ)曾提出ꎬ在半导体行业的发展史上将会出现一条不变的规律摩尔定律(Ｍｏｏｒｅᶄｓｌａｗ)[２]ꎮ该定律的内容为:每隔约１年半至两年左右ꎬ在价格不变的前提下ꎬ单个芯片上晶体管的数目和性能均会增长１倍[３]ꎮ在过去的几十年中ꎬ半导体行业一直遵循着这条规律高速发展ꎬＩＣｓ中每个硅晶片上的晶体管数目有近乎千万倍的增长ꎮ光刻技术ꎬ作为半导体产业的核心技术之一ꎬ是一种用于ＩＣｓ制造的图案形成技术ꎮ通常ꎬ光刻技术所用到的部件有光刻光源ꎬ掩模版ꎬ光刻胶等ꎮ而其工艺流程一般包括涂胶(光刻胶)ꎬ前烘ꎬ曝光ꎬ显影ꎬ坚膜ꎬ刻蚀和去胶等ꎮ光刻技术的原理是通过改变ＩＣｓ中每个晶圆上节点的最小特征尺寸(最小分辨率)ꎬ来决定每个芯片内晶体管的数目ꎮ电路节点的最小特征尺寸可通过瑞利公式得出[４]ꎮ通过瑞利公式可知ꎬ减小工艺因子常数ｋꎬ增大光学系统的数值孔径ＮＡ以及减小曝光光源的波长λ均可以使最小线宽(节点)ｄ变小ꎮ然而ꎬ前两种方案的技术难度越来越大ꎬ人们几乎已经将其做到了极限ꎮ所以ꎬ通过缩短曝光波长λ来减小线宽已成为目前光刻技术的主要研究方向ꎮ在光刻技术的发展历程中ꎬ科研人员们不断地在探索更短曝光波长的可能性ꎮ上世纪８０年代至９０年代初期ꎬ光刻主要采用高压放电汞灯产生的波长４３６ｎｍ(Ｇ线)和３６５ｎｍ(Ｉ线)作为光源ꎮ汞灯普遍应用于步进曝光机ꎬ从而实现０.３５μｍ的特征尺寸[５]ꎮ自上世纪９０年代中期后ꎬ深紫外光刻技术(ＤｅｅｐＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙꎬＤＵＶＬ)开始逐渐占据光刻技术的主导地位ꎮ工业上开始使用深紫外波段(ＤＵＶＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔꎬＤＵＶ)２４８ｎｍ的ＫｒＦ和１９３ｎｍ的ＡｒＦ准分子激光器作为曝光光源[６]ꎮ随后ꎬ当光源发展为１５７ｎｍ的Ｆ２准分子激光器时ꎬ由于光刻胶和掩模材料的局限ꎬ使得１５７ｎｍ光刻技术受到了很大的限制ꎮ研究人员们发现充入浸没液后ꎬ１９３ｎｍ光源等效波长小于１５７ｎｍꎮ另外１９３ｎｍ光刻机技术相对成熟ꎬ开发者只需重点解决浸没技术相关的问题ꎬ因而采用浸没技术的１９３ｎｍ光源逐渐取代１５７ｎｍ光源继续成为主流技术[５]ꎮ目前ꎬ荷兰ＡｄｖａｎｃｅｄＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＭａｔｅｒｉａｌＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ(ＡＳＭＬ)公司于２０１８年生产的ＮＸＴ:２０００ｉ(采用１９３ｎｍ光源)产品为现有最高水平的ＤＵＶ光刻机ꎬ其分辨率为３８ｎｍꎮＮＸＴ:２０００ｉ结合多次曝光套刻技术可将线宽缩小至７~５ｎｍꎮ此外ꎬＮＸＴ:２０００ｉ是ＡＳＭＬ旗下套刻精度(Ｏｖｅｒｌａｙ)最高的ＤＵＶ光刻机产品ꎬ其数值可达１.９ｎｍ(５ｎｍ节点要求Ｏｖｅｒｌａｙ至少为２.４ｎｍꎬ７ｎｍ节点要求Ｏｖｅｒｌａｙ至少为９２第１期㊀㊀㊀㊀㊀宗㊀楠ꎬ等:激光等离子体１３.５ｎｍ极紫外光刻光源进展３.５ｎｍ)[７]ꎮ但是由于多次曝光套刻技术过于复杂ꎬ使得生产成本大幅增加ꎬ而器件的产量却大幅降低[８]ꎮ可以看出ꎬＤＵＶＬ技术已经达到极限ꎬ研究人员们很难再将其所得到的线宽缩至更小的范围ꎮＥＵＶＬ采用极紫外波段(ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａｖｉｏｌｅｔꎬＥＵＶ)光源进行光刻ꎬ是最有潜力实现大规模工业化和商业化生产的光刻技术[９]ꎮＥＵＶＬ通过将曝光波长大幅减小(一个量级以上)来实现更小节点光刻ꎬ其一次曝光线宽的数值可达１０ｎｍ以内[１０]ꎮ在ＥＵＶ波段中ꎬ１３.５ｎｍ的ＥＵＶ(１３.５ｎｍ￣ＥＵＶ)光源的可行性已被理论和实验研究所验证ꎬ并已成功运用到现有的商业光刻机中ꎮ２㊀ＥＵＶＬ技术的历史与现状㊀㊀ＥＵＶＬ技术于上世纪８０年代末由美国和日本的相关研究人员提出ꎬ他们指出用波长为１０~３０ｎｍ的ＥＵＶ光作为光刻机的光源可以大幅缩小ＩＣｓ的最小特征尺寸ꎮ随后ꎬ一些国家的公司和研究机构对ＥＵＶＬ的发光原理ꎬ实现过程以及工业化生产等方面进行了大量研究ꎮ如:国际著名公司(如:ＩｎｔｅｌꎬＧｉｇａｐｈｏｔｏｎꎬＡＳＭＬ等)ꎬ著名研究机构(如:美国ＳａｎｄｉａＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ(ＳＮＬ)ꎬＬａｗｒｅｎｃｅＬｉｖｅｒｍｏｒｅＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ(ＬＬＮＬ)ꎬＬａｗｒｅｎｃｅＢｅｒｋｌｅｙＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ(ＬＢＮＬ)ꎻ日本产业技术综合研究所等)以及许多知名大学(如:美国普渡大学ꎬ加利福尼亚大学ꎻ日本九州大学ꎻ瑞士苏黎世联邦理工学院等)ꎮ经过近３０多年的研究ꎬＥＵＶＬ技术获得巨大进展ꎬＡＳＭＬ㊁Ｉｎｔｅｌ及Ｎｉｋｏｎ等公司均有ＥＵＶＬ演示样机的报道[３ꎬ１１ꎬ１２]ꎬ但目前仅ＡＳＭＬ有在售产品ꎮ国内对ＥＵＶＬ技术的研究起步较晚ꎬ主要是由中国科学院和部分高校的一些团队在进行相关研究工作ꎮ中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(简称长春光机所)对ＥＵＶＬ的研究较早ꎬ自上世纪９０年代末就对ＥＵＶ光和Ｘ射线成像技术进行了相关研究ꎮ国内第一套ＥＵＶ光刻原理装置是于２００２年由长春光机所研制出来的ꎬ该款装置的出现标志着我国实现了对ＥＵＶＬ原理性的贯通ꎮ２００８年ꎬ国家科技重大专项(０２专项)将ＥＵＶＬ技术列为３２~２２ｎｍ装备技术前瞻性研究重要攻关任务ꎬ长春光机所为极紫外光刻关键技术研究项目的牵头单位ꎮ该项目研究团队经过８年的研究ꎬ最终研制出线宽为３２ｎｍ的ＥＵＶ光刻投影曝光装置ꎮ２０１７年ꎬ 极紫外光刻关键技术研究项目通过验收[１３]ꎮ此外ꎬ中国科学院上海光学精密机械研究所的蔡懿等人[１４]ꎬ长春理工大学林景全课题组[９]ꎬ哈尔滨工业大学李小强等人[１]以及华中科技大学㊁同济大学等相关课题组[１５￣１６]均对ＥＵＶＬ的靶材选取㊁驱动光源设计㊁碎屑处理系统等装置进行了理论和实验研究ꎮＥＵＶＬ技术是每年国际光学工程学会会议(ＳｏｃｉｅｔｙｏｆＰｈｏｔｏ￣ＯｐｔｉｃａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｓ(ＳＰＩＥ)Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ)所讨论的主要议题之一ꎮＥＵＶＬ光刻机主要由３部分组成:ＥＵＶ光源系统㊁ＥＵＶ光反射收集系统以及照明曝光刻蚀系统组成ꎮ由于ＥＵＶ光波长较短ꎬ能量较高ꎬ其在介质中存在较为强烈的吸收ꎮ研究人员通过不断地优化和改进ＥＵＶ光的收集装置ꎬ最终采用多个多层膜反射镜组合成ＥＵＶ光学反射收集系统ꎮ照明曝光刻蚀系统是将收集到的ＥＵＶ光通过多层膜反射镜系统传送到光刻掩模版(掩模版上含有所需要的电路信息)上ꎮＥＵＶ光再同样通过多层膜反射镜系统最终聚焦到硅晶片上进行曝光刻蚀ꎮＥＵＶ光源的产生方案有很多ꎬ是下文所要介绍的重点内容ꎮ３㊀极紫外光刻的核心光源技术㊀㊀为满足极紫外光刻需求ꎬ其光源应具有如下性能:(１)输出功率达百瓦量级ꎬ且功率波动小ꎻ(２)较窄的激光线宽ꎻ(３)较高的系统效率ꎻ(４)可接受的体积和重量ꎻ(５)可长时间㊁高可靠性运转ꎻ(６)维修㊁维护成本低ꎻ(７)低污染ꎮ目前ꎬ主要有４种方案可以获得ＥＵＶ光源ꎬ分别是:同步辐射源㊁激光等离子体(ＬａｓｅｒＰｒｏ￣ｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａꎬＬＰＰ)㊁放电等离子体(ＤｉｓｃｈａｒｇｅｄＰｒｏｄｕｃｅｄＰｌａｓｍａꎬＤＰＰ)和激光辅助放电等离子体(Ｌａｓｅｒ￣ａｓｓｉｓｔｅｄＤｉｓｃｈａｒｇｅＰｌａｓｍａꎬＬＤＰ)ꎮ选取哪一种方案ꎬ并如何运用该方案以大幅提高ＥＵＶＬ０３光刻机光源的功率来满足大规模工业生产(ＨｉｇｈＶｏｌｕｍｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇꎬＨＶＭ)的需要成为世界各国所必须攻克的主要难题之一ꎮ３.１㊀同步辐射源㊁ＬＰＰ㊁ＤＰＰ㊁ＬＤＰ原理和比较同步辐射源的优点是可以产生高功率的ＥＵＶ光ꎬ而且它对光学原件无碎屑污染ꎬ故可以长时间稳定地输出ＥＵＶ光ꎮ但是ꎬ过于复杂和庞大的装置构造以及极其高昂的造价等都表明同步辐射源并不适用于ＨＶＭ生产[９]ꎮＬＰＰ㊁ＤＰＰ和ＬＤＰ都是通过高能量束使靶材产生较高的温升ꎬ从而产生高温㊁高密度的等离子体并发射ＥＵＶ光ꎮ虽然它们的形成方法有所差异ꎬ但却可以使用相同靶材ꎮＬＰＰ是以高强度的脉冲激光为驱动能源照射靶材ꎬ使靶材产生高温等离子体并辐射ＥＵＶ光ꎮ图１是激光等离子体产生ＥＵＶ光的示意图[１７]ꎮ其中ꎬ采用数十千瓦功率的激光从一圆孔进入打在液滴Ｓｎ靶上ꎬ产生的极紫外光通过多层介质膜反射镜反射汇聚在中心焦点(ＩｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅＦｏｃｕｓꎬＩＦ)处ꎮ图１㊀ＬＰＰ￣ＥＵＶ光源示意图Ｆｉｇ.１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｌａｓｅｒ￣ｐｒｏｄｕｃｅｄｐｌａｓｍａｆｏｒＥＵＶｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅＤＰＰ是将靶材涂覆在阳极和阴极之间ꎬ两个电极在高压下产生强烈的放电使靶材产生等离子体ꎮ由于Ｚ箍缩效应ꎬ当洛伦兹力收缩等离子体时ꎬ等离子体被加热ꎬ产生ＥＵＶ光ꎮ图２是放电等离子体产生ＥＵＶ光的示意图[１７]ꎮ其中ꎬ靶材也为Ｓｎ靶ꎮＳｎ靶后面为一组叶片ꎬ即所谓的箔片陷阱 ꎬ可防止Ｓｎ碎屑到达叶片后面的收集器(即反射镜)而使其被污染ꎮ最后ꎬＥＵＶ光汇聚于ＩＦ点ꎮＬＤＰ是将ＬＰＰ与ＤＰＰ结合起来ꎬ先用脉冲激光照射靶材ꎬ使靶材细化ꎬ再运用ＤＰＰ技术放电使靶材产生ＥＵＶ光ꎮ对比上述４种方案ꎬ由于同步辐射源的缺点极难被克服ꎬ目前可以实现工业化ＥＵＶ光刻机生产的方案为后３种ꎮＤＰＰ和ＬＤＰ具有很多相似之处ꎬ它们均可以通过增大放电电流的功率来提高ＥＵＶ光的输出功率ꎮ但是ꎬ在靶材产生等离子体的过程中ꎬ一定会对电极产生热负荷和腐蚀ꎬ造成关键元件的损坏ꎬ所以需要经常清理和更换电极ꎮ此外ꎬＤＰＰ的产生过程中伴随着大量的光学碎屑ꎬ严重地损坏了光学收集系统ꎮ上述问题尚未找到较好的解决办法ꎬ因而ꎬＤＰＰ和ＬＤＰ方案都很难维持长时间的稳定工作状态ꎻ而ＬＰＰ是以高功率激光辐射靶材ꎬ这相较于ＤＰＰ和ＬＤＰ方案ꎬ因没有损伤电极的困扰而较大地消减了装置的热负荷ꎬ产生的光源也较为稳定ꎮ而且ꎬＬＰＰ所产生的碎屑量低于ＤＰＰꎮ从长远的发展趋势上看ꎬ鉴于ＬＰＰ的诸多优点ꎬ现用于ＨＶＭ的方案多以ＬＰＰ为主ꎮ荷兰的ＡＳＭＬ公司和日本的Ｇｉｇａ￣ｐｈｏｔｏｎ公司都已经做出了性能良好的基于ＬＰＰ的ＥＵＶ光源ꎮ下文将主要介绍如何提高ＬＰＰ光源的转换效率(ＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙꎬＣＥ)以及如何减少ＬＰＰ光源碎屑等关键技术ꎮ图２㊀ＤＰＰ￣ＥＵＶ光源示意图Ｆｉｇ.２㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｄｉｓｃｈａｒｇｅ￣ｐｒｏｄｕｃｅｄｐｌａｓｍａｆｏｒＥＵＶｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅ３.２㊀多层膜反射镜由于光子能量极高的ＥＵＶ光几乎可被所有介质所吸收ꎬＥＵＶ多层膜反射镜作为光学系统的重要元件成为了ＥＵＶ光源的一项关键技术ꎬ需实现ＥＵＶ波段的高反射率[１８]ꎮ近年来ꎬ科研人员们通过研究发现ꎬ采用Ｍｏ/Ｓｉ多层膜制备出的反射镜对中心波长为１３.５ｎｍ㊁光谱带宽(Ｂａｎｄ￣１３第１期㊀㊀㊀㊀㊀宗㊀楠ꎬ等:激光等离子体１３.５ｎｍ极紫外光刻光源进展ｗｉｄｔｈꎬＢＷ)在２％以内ＥＵＶ光的反射率可达７０％[１９]ꎮ通过将Ｍｏ原子和Ｓｉ原子交替排列ꎬ可使１３.５ｎｍ的ＥＵＶ光在其中发生干涉ꎬ从而得到较高的反射效率[２０]ꎮ３.３㊀ＥＵＶ光源ＣＥ(ＥＵＶ￣ＣＥ)的提高对于商业化大规模生产的ＥＵＶ光刻机ꎬ如何在降低成本的情况下提高晶圆的生产率是一个极为重要的问题ꎮ到目前为止ꎬ根据ＡＳＭＬ公司２０１７年所生产的最新ＥＵＶ光刻机设备ＮＸＥ:３４００Ｂ的参数可得ꎬ在实际光刻生产中ꎬ该款设备每小时操作的晶圆数目可以达到１２５片以上ꎮ这就要求ＥＵＶ光源在进入光刻系统以前ꎬＩＦ点的输出功率必须在２０５Ｗ以上ꎮ目前为止ꎬＡＳＭＬ公司和Ｇｉｇａｐｈｏｔｏｎ公司的ＥＵＶ光源设备均可输出２５０Ｗ较为稳定的ＥＵＶ光ꎬ最大值甚至可以达到３７５Ｗ[２１￣２２]ꎮ然而ꎬ相较于ＥＵＶ光刻机高昂的成本而言ꎬ这样的生产效率和输出功率仍然有较大的提升空间ꎮ因而ꎬ找到如何能够有效提高ＥＵＶ光源ＣＥ的方案已成为了ＥＵＶＬ的一个重点研究方向ꎮ光源的ＣＥ值是指ＥＵＶ输出能量除以输入激光能量并换算成百分数后所得到的数值ꎮ目前ꎬ提高ＣＥ的途径主要有以下几种:(１)优选靶材组份及形态ꎻ(２)优选激光源ꎻ(３)采取双脉冲的方案ꎮ３.３.１㊀靶材的选取选择中心波长为１３.５ｎｍ㊁２％带宽内的ＥＵＶ光作为光刻光源是由Ｍｏ/Ｓｉ多层膜反射镜的特性所决定的ꎬ而能在此波段发出ＥＵＶ光的靶材有很多种ꎮ研究人员通过相关的理论和实验研究发现ꎬ氙(Ｘｅ)㊁锂(Ｌｉ)㊁锡(Ｓｎ)等为该波段范围内的主要靶材ꎮ通过仿真计算的方法可以得到１１镜系统在不同靶材(ＳｎꎬＬｉꎬＸｅ)中近垂直入射方向的反射率[２３￣２４]ꎮ其中Ｓｎ在１３.５ｎｍ波长处的反射率占比最大ꎮ最初ꎬ人们比较关注Ｌｉ靶[２５]ꎮ锂的类氢离子Ｌｉ２＋的Ｌｙα跃迁恰好与波长为１３.５ｎｍ的ＥＵＶ光谱相对应ꎮ可是当稳态Ｌｉ等离子体处在高温的环境下时ꎬ会有极少量的Ｌｉ２＋离子处于电离平衡态[２６]ꎬ也就是说ꎬ等离子体仅由剩余的原子核和自由电子组成ꎬ并且无任何谱线发出ꎮＴ.Ｈｉ￣ｇａｓｈｉｇｕｃｈｉ和Ａ.Ｎａｇａｎｏ等人的研究表明ꎬ基于ＬＰＰ的Ｌｉ靶产生的１３.５ｎｍ￣ＥＵＶ光的ＣＥ只有１％~２％左右ꎮ较低的ＣＥ表明ꎬＬｉ靶并不能作为ＥＵＶＬ光源中的最佳靶材[２７￣２８]ꎮ随后ꎬ人们又对Ｘｅ靶做了相关研究ꎮ因为Ｘｅ靶是清洁能源ꎬ所以它具有不产生碎屑ꎬ对光学系统损伤小ꎬ可以长期工作而无需更换光学元件等优点[２９]ꎮ然而通过实验可以发现ꎬ基于ＬＰＰ的Ｘｅ靶产生１３.５ｎｍ￣ＥＵＶ光的ＣＥ仅有１％左右ꎬ主要由Ｘｅ元素的一种离子Ｘｅ１０＋在４ｄ８ң４ｄ７５ｐ的跃迁产生ꎬ除了较为低下的ＣＥ外ꎬＸｅ的光谱纯度也较差[３０]ꎮ最后ꎬ基于ＬＰＰ的Ｓｎ靶在１３.５ｎｍꎬ２％带宽内的ＥＵＶ来源极为广泛ꎬ主要由Ｓｎ等离子体中的高价态离子Ｓｎ８＋￣Ｓｎ１２＋跃迁形成[３１]ꎬ相关文献给出了Ｓｎ８＋㊁Ｓｎ９＋㊁Ｓｎ１０＋㊁Ｓｎ１１＋离子的ＥＵＶ谱线跃迁图[３２]ꎮ目前ꎬＳｎ的ＥＵＶ￣ＣＥ值可达５％~６％[２１]ꎮ研究人员发现固体Ｓｎ靶几何形状的差异对ＥＵＶ辐射也有很大影响ꎮ因此ꎬ人们对包括平板形靶㊁限腔形靶㊁球形靶㊁空腔形靶㊁纳米结构靶㊁液滴形靶在内的固体Ｓｎ靶进行了相关研究[２６]ꎮ早期ꎬ人们以平面Ｓｎ作为靶材ꎮ然而ꎬ用激光照射平板Ｓｎ靶ꎬ会造成被激光光束聚焦中心照射部分靶材的温度远高于周围其他部分ꎮ而由于存在较大的温度梯度ꎬ中心部分的等离子体膨胀速度快ꎬ周围部分的等离子体膨胀速度慢ꎮ速度较慢的等离子体会对速度较快的等离子体所在的区域ꎬ也就是ＥＵＶ发射主导区域(ＥｍｉｓｓｉｏｎＤｏｍｉ￣ｎａｎｔＲｅｇｉｏｎꎬＥＤＲ)所发出的ＥＵＶ光存在较为强烈的吸收ꎬ进而影响ＥＵＶ￣ＣＥ[９]ꎮ针对平面靶材的这一缺点ꎬ２００３年ꎬＴ.Ｔｏｍｉｅ等人通过使用双脉冲照射Ｓｎ的限腔形靶并在入射激光相反的方向收集ＥＵＶ光ꎮ该方案证明了限腔形Ｓｎ靶相较于平板Ｓｎ靶具有更高的ＥＵＶ￣ＣＥ[３３]ꎻ２００５年ꎬＹ.Ｔａｏ等人也为克服平板靶材的缺点ꎬ在Ｓｎ条靶材的底部放置了具有一定厚度和宽度的碳氢薄膜ꎮ然后ꎬ用激光光束照射Ｓｎ条靶材和碳氢薄膜ꎬ使Ｓｎ条为被脉冲激光束聚焦中心照射的部分ꎬ而碳氢薄膜则为激光光斑边缘的照射部分ꎮ因为碳氢等离子体质量小ꎬ其膨胀速度较快ꎬ该方案成功地消减了由于温度分布不均匀性对ＥＤＲ区所产生的影响ꎬ使得ＥＵＶ￣ＣＥ提高了１.４２３倍[３４]ꎻ同年ꎬＹＳｈｉｍａｄａ等人尝试将Ｓｎ靶材的形状由平板换为了球形ꎮ他们将直径为几微米的球形塑料靶材表面涂满厚度为微米量级的Ｓｎꎬ最终得到了最大值为３％的ＣＥ[３５]ꎻ２００８年ꎬＳ.Ｙｕｓｐｅｈ等人同样研究了球形Ｓｎ靶对ＥＵＶ￣ＣＥ的影响ꎮ结果与ＹＳｈｉｍａｄａ等人的结论一致ꎬ球形Ｓｎ靶具有较高的ＣＥꎬ而且ＣＥ会随着Ｓｎ靶直径与焦斑大小比值的减小而逐渐增加[３６]ꎻ２０１０年ꎬＳ.Ｓ.Ｈａｒｉｌａｌ等人研究了凹槽形靶对ＥＵＶ￣ＣＥ的影响ꎮ他们发现当脉冲激光打在平板Ｓｎ靶上的同一点的脉冲数量逐渐增多时ꎬ等离子体ＥＵＶ￣ＣＥ从２.７％增加到了５％ꎬ而辐射ＥＵＶ的等离子体区域也较之前拉长了近一倍[３７]ꎻ２０１４年ꎬＴ.Ｃｕｍ￣ｍｉｎｓ等人对楔形结构的Ｓｎ靶做了相关研究ꎬ并最终发现楔形Ｓｎ靶的ＥＵＶ￣ＣＥ约为３.６％[３８]ꎻ后来ꎬ为降低离子碎屑㊁提高ＥＵＶ￣ＣＥꎬ人们开始逐渐减小Ｓｎ靶的尺寸ꎬ并最终将液滴Ｓｎ靶作为主要研究对象ꎮ这是因为液滴Ｓｎ靶好操控且碎屑较少ꎬ故其ＣＥ较高ꎮ一些光源供应公司对液滴Ｓｎ靶进行了相关研究ꎬ最终确定将其作为ＥＵＶ光刻机光源的辐射靶材[３９￣４０]ꎮ世界知名高校九州大学(日本)㊁大阪大学(日本)ꎬ苏黎世联邦理工学院(瑞士)等大学也较早开展了对液滴Ｓｎ靶的研究[４１]ꎮ目前ꎬ用于ＨＶＭ的ＥＵＶ光刻机光源均是采用液滴Ｓｎ靶ꎮ虽然液滴Ｓｎ靶能达到较为理想的ＥＵＶ￣ＣＥꎬ但其时间和空间的不稳定性为光刻机光源的设计和制造增加了难度[２６]ꎮ３.３.２㊀驱动光源的选择选择ＬＰＰ作为ＥＵＶ驱动光源时ꎬ激光波长㊁激光脉宽以及入射激光光束聚焦情况的改变均可以影响ＥＵＶ￣ＣＥ[４２￣４５]ꎮＣＯ２激光器与Ｎｄ:ＹＡＧ激光器是较为合适的ＥＵＶＬ激光器ꎮ因为这两种激光器的输出功率较大ꎬ能量转换效率高ꎬ可以实现高功率的ＥＵＶ光输出ꎮ２００７年ꎬＪ.Ｗｈｉｔｅ等人分别通过将上述两种类型的激光器照射Ｓｎ靶ꎬ分析了不同激光波长对ＥＵＶ￣ＣＥ的影响ꎮ当能量等条件相同时ꎬ用波长分别为１０.６μｍ㊁１０６４ｎｍ㊁３５５ｎｍ的激光照射Ｓｎ靶产生ＥＵＶ光ꎮ他们发现相较于使用Ｎｄ:ＹＡＧ激光脉冲ꎬ使用ＣＯ２激光脉冲能获得较高的ＣＥ(两者比值为２.２)ꎬ而且辐射出的ＥＵＶ光功率也较高[４２]ꎮ图３为ＣＯ２激光与Ｎｄ:ＹＡＧ激光诱发激光等离子体ＥＵＶ辐射区域与激光能量沉积区域的比较[４５]ꎮ由图３可以看出ꎬＣＯ２激光之所以具有更高的ＣＥ是因为脉冲激光能量沉积区与ＥＵＶ辐射区相距不远ꎬ这样便于激光能量快速转移到等离子体中辐射ＥＵＶ光ꎮ同年ꎬ日本ＥＵＶＬ系统发展协会的ＡｋｉｒａＥｎｄｏ等人进行了类似的实验ꎮ他们发现用ＣＯ２激光作为驱动光源产生碎屑数量少ꎬ光谱纯度高[４６￣４７]ꎮ图３㊀Ｎｄ:ＹＡＧ激光(ａ)与ＣＯ２激光(ｂ)等离子体激光能量吸收区域和极紫外辐射区域Ｆｉｇ.３㊀Ｌａｓｅｒｅｎｅｒｇｙａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎｓａｎｄｅｘｔｒｅｍｅｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｒａｄｉａｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎｓｆｒｏｍｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｓｅｒ￣ｐｒｏｄｕｃｅｄｐｌａｓｍａ.(ａ)Ｎｄ:ＹＡＧｌａｓｅｒａｎｄ(ｂ)ＣＯ２ｌａｓｅｒ㊀㊀２００９年ꎬＳ.Ｓ.Ｈａｒｉｌａｌ等人研究入射激光光束聚焦情况对ＥＵＶ￣ＣＥ的影响时发现ꎬ当激光正３３第１期㊀㊀㊀㊀㊀宗㊀楠ꎬ等:激光等离子体１３.５ｎｍ极紫外光刻光源进展好聚焦到Ｓｎ靶上时并不能获得最理想的ＣＥ值ꎮ为此ꎬ他们通过相关实验找出了获得最佳ＣＥ时激光在靶材上的光斑尺寸ꎬ并发现最佳聚焦条件时的ＣＥ值比聚焦到靶材上时的ＣＥ值高了近２５％[４４]ꎻ同年ꎬ基于上述现象ꎬＫａｓｐｅｒｃｚｕｋ等人解释了激光聚焦条件影响ＥＵＶ￣ＣＥ的原因ꎮ实际上ꎬ聚焦会使靶材初始等离子状态受到极大影响ꎬ因而后续的激光脉冲会与受影响的初始等离子体相互作用而影响实验结果ꎮ３.３.３㊀双脉冲作用效果有学者研究发现ꎬ可以先用预脉冲照射液滴Ｓｎ靶ꎬ产生初始等离子体碎片ꎮ设计好延迟时间后ꎬ再用高功率密度的主脉冲照射初始等离子体碎片ꎬ产生高温㊁高密度的等离子体并辐射ＥＵＶ光ꎮ这种方案的优势在于预脉冲使液滴体积变大ꎬ易于后面的主脉冲与其发生作用ꎬ提高了主脉冲激光的利用率以及最终的ＣＥ值ꎮ在双脉冲照射实验中ꎬ常使用Ｎｄ:ＹＡＧ激光作为预脉冲激光源ꎬ可有效地提高ＥＵＶ￣ＣＥꎮ这是因为Ｎｄ:ＹＡＧ激光具有更深的穿透深度㊁更高的等离子体临界密度ꎬ可气化更多的靶材等优点[２６]ꎮ２００８年ꎬＳｈｉｎｓｕｋｅＦｕｊｉｏｋａ等人采用Ｎｄ:ＹＡＧ激光(预脉冲)和ＣＯ２激光(主脉冲)照射液滴Ｓｎ靶[４８]ꎮ他们的实验结果表明双脉冲激光辐射液滴Ｓｎ靶产生的ＥＵＶ￣ＣＥ基本都高于单脉冲激光所产生的ＥＵＶ￣ＣＥꎻ２０１２年ꎬＦｒｅｅｍａｎ等人将预脉冲激光波长分别设置为２６６ｎｍ(４倍频的Ｎｄ:ＹＡＧ激光)和１０６４ｎｍꎬ研究了不同预脉冲波长对ＣＯ２激光辐射Ｓｎ靶产生ＥＵＶ光的影响[４９]ꎮ他们发现ꎬ１０６４ｎｍ预脉冲激光相较于２６６ｎｍ预脉冲激光所产生的离子碎屑少ꎬ这间接证明了用１０６４ｎｍ的Ｎｄ:ＹＡＧ激光器作为预脉冲激光时ꎬ碎屑粒子具有更低的动能ꎮ３.４㊀碎屑问题ＬＰＰ通过激光辐射靶材产生高温㊁高密度的等离子体并辐射ＥＵＶ光ꎮ在此过程中ꎬ必然会产生一定数量的碎屑ꎮ这些碎屑主要由熔融液滴㊁微粒团簇㊁中性碎屑原子和高能离子组成[３３]ꎮ其中ꎬ速度最慢的微粒团簇ꎬ直径大约在微米量级以上ꎬ运动速度约为１０３ｃｍ/ｓ左右ꎻ高能离子因具有较高能量而运动最快ꎬ速度可达１０６~１０７ｃｍ/ｓ[５０]ꎻ中性粒子碎屑的速度介于上述两者之间ꎮ碎屑问题作为ＥＵＶ光刻机大规模工业化生产过程中不可忽视的问题之一ꎬ其影响具体表现在:(１)碎屑会损伤光源的收集系统ꎬ碎屑中的高能离子会撞击多层膜反射镜ꎬ造成多层膜反射镜结构被破坏ꎮ同时ꎬ能量较低㊁速度较慢的中性碎屑粒子有一定的概率会附着在多层膜反射镜上ꎬ吸收生成的ＥＵＶ光并加热多层膜反射镜ꎬ进一步破坏其结构ꎮ无论是高能粒子还是中性原子ꎬ都会使多层膜反射镜的反射率降低ꎬ导致ＥＵＶ光刻机设备中的一些反射镜需要时常更换ꎬ从而影响光源长时间的稳定工作ꎻ(２)中性粒子等碎屑会吸收ＥＵＶ辐射ꎬ而且亚微米级的微粒团簇和熔融液滴因不能完全被运用到产生ＥＵＶ辐射的过程中而被浪费ꎬ这些均可能限制ＥＵＶ￣ＣＥꎮ综上所述ꎬ减少ＬＰＰ￣ＥＵＶ过程中所产生的碎屑是极为重要的ꎮ对于微米量级以上的碎屑ꎬ可以通过上一小节中所提到的双脉冲激光辐射方案除去[５１]ꎮ对于其他种类的碎屑问题ꎬ科研人员们也分别做了大量实验研究ꎮ２００３年ꎬＧ.Ｎｉｉｍｉ等人通过在光源的收集装置中添加磁场研究了ＬＰＰ离子碎屑的特性ꎮ结果发现ꎬ在磁场的作用下ꎬ离子信号有明显的下降ꎬ而且距离磁场越近ꎬ下降比例越明显[５２]ꎻ２００７年ꎬＳ.Ｓ.Ｈａｒｉｌａｌ等人又在有磁场的光源收集系统中加入了缓冲气体ꎬ实验发现缓冲气体不仅可以减缓高能碎屑离子ꎬ同时也能抑制中性碎屑粒子[５３]ꎻ２０１２年ꎬ孙英博等人在光源系统中充入氩气㊁氦气等缓冲气体ꎬ研究了不同种类的缓冲气体对Ｓｎ离子碎屑缓解效果的影响[５４]ꎮ目前市售ＥＵＶ光刻机产品均采用将充入惰性气体或氢气和外加磁场相结合的方案除去碎屑[２１ꎬ５５]ꎮ充入惰性气体的好处在于:(１)充入气体的分子与碎屑离子相撞ꎬ降低了其运动速度ꎬ流动的气体还可将碎屑离子吹到远离多层膜反射镜的区域ꎬ减少其对光学收集系统的损害ꎻ(２)当充入的气体是氢气时ꎬ靠近器壁的氢气通过放电的方式形成电容耦合的氢气等离子体ꎬ其中的Ｈ自由基可以与Ｓｎ粒子发生化学反应ꎬ反应的化学方程式为Ｓｎ(ｓ)＋４Ｈ(ｇ) ＳｎＨ４(ｇ)ꎬ产生了热蒸汽ＳｎＨ４ꎬ通过真空抽吸的容器可以去除热气体和４３Ｓｎ蒸气ꎮ加入磁场的优点在于:(１)因为ＥＵＶ光为主要由Ｓｎ离子和电子组成的Ｓｎ等离子体发射ꎬ所以几乎所有的Ｓｎ离子都可以通过拉莫尔运动而被强磁场捕获ꎻ(２)一些中性原子可以通过与离子碰撞的方式ꎬ发生电荷交换成为离子而被磁场捕获ꎮ最终这些碎屑粒子均可被碎屑收集装置所收集ꎮ４㊀目前１３.５ｎｍ￣ＥＵＶ光刻机光源产品㊀㊀目前ꎬ已经收购Ｃｙｍｅｒ公司(世界领先的激光源供应商)的荷兰光刻机巨头ＡＳＭＬ公司和日本Ｇｉｇｐｈｏｔｏｎ公司几乎垄断了全球激光光刻机光源产业ꎬ他们都可以独立地制造出基于ＬＰＰ的ＥＵＶ光刻机光源ꎮＡＳＭＬ公司于１９８４年成立ꎬ公司的总部现位于荷兰费尔德霍芬ꎬ是一家半导体设备制造和销售公司ꎮ目前ꎬ英特尔ꎬ三星ꎬ中芯国际等国际知名公司都从ＡＳＭＬ公司采购光刻机ꎬ其市场份额已达到７０％ꎮ售价１亿美元一台的ＥＵＶ光刻机ꎬ全世界仅ＡＳＭＬ公司可以生产ꎮ２０１７年ꎬ全世界出货的光刻机中有１９８台由ＡＳＭＬ所制造ꎬ其中ＥＵＶ光刻机为１１台[１３]ꎻ２０１８年全世界出货的光刻机中有２２４台为ＡＳＭＬ公司制造ꎬ较２０１７增长１３.１３％ꎬ其中１３.５ｎｍ￣ＥＵＶ光刻机销售量为１８台ꎬ较２０１７年增加了６３.６４％[５６]ꎮ２０１９年ꎬＡＳＭＬ公司ＥＵＶ光刻机的年销量将达到３０台ꎮ图４将ＡＳＭＬ公司近年来所生产的几款ＥＵＶ光刻机设备参数进行了对比(ＮＸＥ:３４００Ｃ为即将发售的产品)[２１]ꎮ由图４可以看出ꎬＮＸＥ系列产品每小时操作的晶圆数目从最初的６０片(光源ＩＦ点聚焦功率为１００Ｗ)增长到１２５片(光源ＩＦ点聚焦功率为２４５Ｗ)ꎮ２０１８年年末至２０１９年年初ꎬＡＳＭＬ公司改良后的ＮＸＥ:３４００Ｂ(光源ＩＦ点聚焦功率为２５０Ｗ)产品ꎬ每小时的晶圆操作数可达１４５个ꎬ分辨率可达１３ｎｍ以下ꎬＯｖｅｒｌａｙ为１.７ｎｍ(满足５ｎｍ节点的工艺需求)ꎮＡＳＭＬ公司在２０１９年下半年推出的新款产品ＮＸＥ:３４００Ｃ每小时操作的晶圆数为１５５~１７０片ꎬ其ｏｖｅｒｌａｙ预计可达１.５ｎｍ[５７]ꎮ到２０２０年后ꎬＡＳＭＬ公司还预计将新版本产品光源ＩＦ点聚焦功率提升到３５０Ｗ以上[２]ꎮ图４㊀ＡＳＭＬ￣ＥＵＶＬ￣ＮＸＥ系列产品Ｆｉｇ.４㊀ＡＳＭＬ￣ＥＵＶＬ￣ＮＸＥｓｅｒｉｅｓｏｆｐｒｏｄｕｃｔｓ㊀㊀Ｇｉｇａｐｈｏｔｏｎ公司于２０００年在日本栃木县小山市成立ꎮ不同于ＡＳＭＬ等光刻机公司ꎬＧｉｇａｐｈｏ￣ｔｏｎ是一家激光器光源供应商ꎮ它自成立以来一直为全球包括ＡＳＭＬꎬＮｉｋｏｎꎬＣａｎｏｎ等半导体行业巨头提供激光光源ꎬ其光源技术一直处于世界领先水平ꎮＧｉｇａｐｈｏｔｏｎ于２００２展开了对ＥＵＶ光源的研究ꎮ到目前为止ꎬＧｉｇａｐｈｏｔｏｎ公司共设计了３款１３.５ｎｍ￣ＥＵＶ光源产品ꎬ它们分别是Ｐｒｏｔｏ＃１ꎬＰｒｏｔｏ＃２和Ｐｉｌｏｔ＃１ꎮＰｒｏｔｏ＃１的设计重点是碎片减缓技术ꎻＰｒｏｔｏ＃２作为优化ＣＥ的设备ꎻＰｉｌｏｔ＃１的设５３第１期㊀㊀㊀㊀㊀宗㊀楠ꎬ等:激光等离子体１３.５ｎｍ极紫外光刻光源进展。

朗缪尔探针诊断脉冲激光锡等离子体特性

第４５卷　第１期２０２１年１月激光技术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ．４５，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２０２１文章编号：１００１３８０６（２０２１）０１０１０９０６朗缪尔探针诊断脉冲激光锡等离子体特性孙　秦１，田雷超２，武耀星１，尹培琪１，王均武１，王新兵１，左都罗１（１．华中科技大学武汉光电国家研究中心，武汉４３００７４；２．上海空间推进研究所上海空间发动机工程技术研究中心，上海２０１１１２）摘要：激光作用锡靶等离子体极紫外光转换效率与等离子体特性密切相关。

为了对等离子体特性进行诊断，设计了一种用于激光等离子体诊断的朗缪尔探针，取得了不同激光能量下产生的锡等离子体电子温度与电子密度的时间演化。

结果表明，能量为５８．１ｍＪ的激光产生的等离子体峰值电子密度约为４．５×１０１１ｃｍ－３，最大电子温度为１６．５ｅＶ，均随激光能量减少而降低，与发射光谱法所测的电子温度演化趋势一致。

该研究为激光等离子体极紫外光源提供了一种新的简单快速诊断方法，有利于对激光等离子体的极紫外光源的参量进行优化。

关键词：激光物理；等离子体诊断；朗缪尔探针；极紫外光刻中图分类号：Ｏ５３９文献标志码：Ａｄｏｉ：１０７５１０／ｊｇｊｓｉｓｓｎ１００１３８０６２０２１０１０１９ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌａｓｅｒｐｒｏｄｕｃｅｄｔｉｎｐｌａｓｍａｂｙｕｓｉｎｇＬａｎｇｍｕｉｒｐｒｏｂｅＳＵＮＱｉｎ１，ＴＩＡＮＬｅｉｃｈａｏ２，ＷＵＹａｏｘｉｎｇ１，ＹＩＮＰｅｉｑｉ１，ＷＡＮＧＪｕｎｗｕ１，ＷＡＮＧＸｉｎｂｉｎｇ１，ＺＵＯＤｕｌｕｏ１（１．ＷｕｈａｎＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＨｕａｚｈｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ４３００７４，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｈａｎｇｈａｉＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＳｐａｃｅＥｎｇｉｎｅ，ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＳｐａｃｅＰｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１１１２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｅｘｔｒｅｍｅｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ（ＥＵＶ）ｌｉｇｈｔｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｐｒｏｄｕｃｅｄｔｉｎｐｌａｓｍａｉｓｃｌｏｓｅｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｐｌａｓｍａｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｔｏｄｉａｇｎｏｓｅｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｉｎｐｌａｓｍａ，ａＬａｎｇｍｕｉｒｐｒｏｂｅｆｏｒｌａｓｅｒｐｒｏｄｕｃｅｄｐｌａｓｍａｄｉａｇｎｏｓｉｓｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｔｉｍｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｄｅｎｓｉｔｙｏｆｔｉｎｐｌａｓｍａｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｓｅｒｅｎｅｒｇｉｅｓｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｅａｋｅｌｅｃｔｒｏｎｄｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｐｌａｓｍａｉｓａｂｏｕｔ４．５×１０１１ｃｍ－３ｗｉｔｈｌａｓｅｒｅｎｅｒｇｙｏｆ５８．１ｍＪ，ａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｅｌｅｃｔｒｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ１６．５ｅＶ，ｗｈｉｃｈｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｒｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｅｎｅｒｇｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｅｖｏｌｕｔｉｏｎｔｒｅｎｄｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｂｙＬａｎｇｍｕｉｒｐｒｏｂｅａｎｄｅｍｉｓｓｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ．ＴｈｉｓｓｔｕｄｙｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｗｓｉｍｐｌｅａｎｄｒａｐｉｄｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｍｅｔｈｏｄｆｏｒｌａｓｅｒｐｒｏｄｕｃｅｄｐｌａｓｍａＥＵＶｌｉｇｈｔｓｏｕｒｃｅ，ｗｈｉｃｈｉｓｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＥＵＶｌｉｇｈｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｐｈｙｓｉｃｓ；ｐｌａｓｍａｄｉａｇｎｏｓｉｓ；Ｌａｎｇｍｕｉｒｐｒｏｂｅ；ｅｘｔｒｅｍｅｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ基金项目：上海市科学技术委员会基金资助项目（１７ＤＺ２２８０８００）作者简介：孙　秦（１９９７），男，硕士研究生，现主要从事激光等离子体的研究。

等离子激光的原理和应用

等离子激光的原理和应用1. 等离子激光的概述等离子激光是一种使用等离子体作为主要激发源的激光器。

它通过加热气体或材料产生等离子体，然后利用等离子体的激发态产生激光辐射。

等离子激光具有高能量、高峰功率、短脉冲宽度和高光斑质量等特点，被广泛应用于科学研究、材料加工、医学美容等领域。

2. 等离子激光的原理等离子激光的原理基于气体或材料的电离和辐射过程。

在激光器内部，通过电压或能量输入对气体或材料进行激励，使其电离形成等离子体。

当外部条件达到能量转移的阈值时，激活态的粒子跃迁到基态，产生激光输出。

等离子体的激发态被放大，产生连续激光或脉冲激光。

3. 等离子激光的应用等离子激光由于其特殊的性能，具备广泛的应用场景和潜力。

3.1 材料加工•激光切割：等离子激光通过高能量密度和聚焦效应，可以实现高精度、高速的金属切割、打孔和开槽等加工过程。

•激光焊接：等离子激光通过瞬间高温融合材料，广泛应用于汽车制造、电子设备和航空航天等领域。

•激光打印：等离子激光可以利用其高光束质量和高稳定性，实现高清晰度和高速度的打印效果，用于3D打印和高精度打印行业。

3.2 科学研究•等离子体物理：通过等离子激光的原理和技术，研究等离子体的基本性质、能量传递机制和粒子运动规律等，对物理学、天文学和核聚变等领域的研究具有重要意义。

•超快激光科学：利用等离子激光的超快脉冲宽度和高峰功率，可以实现飞秒和皮秒级别的时间分辨率，研究超快动力学过程，如分子自旋、电子输运和能量转移等。

3.3 医学美容•激光去斑：等离子激光的高能量和高光束质量可以精确瞄准色素团块，破坏黑色素并促进新的皮肤生长，从而去除色素斑点。

•激光脱毛：等离子激光通过选择性照射毛囊，将光能转化为热能，破坏毛囊组织，达到脱毛的效果。

•激光治疗皮肤疾病：等离子激光可以去除红血丝、疤痕和皮肤病损等，促进皮肤再生和修复。

4. 总结等离子激光作为一种新兴的激光技术，具有广泛的应用前景。

其原理基于气体或材料的电离和辐射过程，通过激发态的跃迁产生激光输出。