准分子雷射的基本概念精.docx

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准分子雷射的基本概念精

一、準分子雷射的基本概念:

準分子雷射名稱中的準分子”eximer”為excited的前半部與dimer的後半部組合而成的。

準分子雷射的工作物質是準分子氣體。

一般的氣體分子，他們在一般的狀況下，如果沒有外來影響，如加熱、光照或電子碰撞，不會自行分解成其他分子或離子，準分子則不然。

準分子就是一種處於激發態的複合粒子，在標準狀態下，即在基態時，它處於分離狀態，而在激發態處於分子狀態。

也就是說，這種分子只存在於激發態，不存在於基態。

基態時，分子在很短時間內（幾十毫微秒）自動分解成離子或其他分子。

準分子例如ArF，KrCl，KrF，XeBr，XeCl，XeF等，是由一個惰性氣體原子如He，Ne，Ar，Kr與化學活性較活潑的鹵素原子如F，Cl，Br組成的。

惰性氣體原子原本是不會和別種原子形成分子的，但是如果把它們和鹵素元素混合，再以放電來激發他們，就可能成為激發態的分子，當激發態放出光子而躍遷回基態時，及立刻分解，還原成本來的特性後，而激發出高功率的紫外光。

如圖

（一）所示，KrF是在激發態的分子，它的位能曲線有一極小值，表示中間有一平衡點，所以是分子。

在X2低能階，乃是受溫度激發而成，分子結合甚弱，其量甚少，因此只要激發到激發態，就很容易達到populationinversion，而增益相對提高。

準分子雷射和N2分子雷射相似，亦為電子態之間躍遷發射雷射，雷射波長多在紫外區和真空紫外區，因此這類器件又稱紫外雷射。

由圖中也可看出準分子的輸出波長落在紫外光，同時略可調整。

圖一準分子能階圖

由於準分子的生命期長短只有10ns，瞬間便掉到基態並放出一定波長的紫外光，因此，光腔中的反射鏡片和其他光學系統，如聚焦系統的材料，必須考慮為紫外光材料，但又因此類雷射增益甚高，故可考慮使用非穩定空腔。

準分子雷射具有以下特性：

（１）由於excimer存在時間甚短，在共振腔內的往復次數少，缺乏resonatoscillation，因此光束的指向性差（擴散角大），光束的模態不良。

（2）不同的氣體組成可放出191nm-354nm不同波長的紫外光電磁波。

（3）單一脈衝的功率極高，約為109-1010W/cm，但因脈衝時間短，所以單一脈衝的能量約可達數個焦耳以上。

（4）準分子一旦躍遷到激發態就形成穩定的束縛分子態。

（5）準分子躍遷至基態釋放出能量就立即離解，即表示它的基態永遠找不到準分子。

（6）準分子下能級為連續排斥態，因此不存在旋轉-振動能級。

對應於每一上能級的分立能態就有一個連續的發射譜，所以有可能實現準分子雷射的寬頻帶的連續調諧。

圖

（二）代表準分子雷射的輸出特性。

ArF

氟化氯

KrCl

氯化氪

KrF

氟化氪

XeBr

溴化氙

XeCl

氯化氙

XeF

氟化氙

波長（nm）

193

222

248

282

308

351

輸出能量（J/pulse）

0.2

0.05

0.25

0.01

0.08

0.08

重複率（Hz）

100

100

150

100

150

100

脈波寬度（ns）

10-20

5-15

10-20

7-20

4-20

10-20

光束大小1×2.5cm

擴散角2×5mrad

圖二

二、準分子雷射的結構介紹:

一般商用的excimer雷射結構示意圖，如圖所示。

它採用橫向放電流動式。

下面為儲氣管，上面為放電腔。

圖三準分子雷射結構示意圖

放電腔上邊為陰極，陰極上有兩排針狀預電離電極，下邊為陽極。

電極一般用鋁合金成形後，再鍍鎳。

放電腔其他部分用抗化學腐蝕，高絕緣性、機械性能好的壓克力或Teflon製成。

陽極兩邊開有兩排小孔與儲氣管相通。

整個儲氣管及放電腔的接縫全部採用’’O’’形環密封。

儲氣管內風扇為使氣體循環用。

流動水使工作物質冷卻。

為了獲得均勻大面積的穩定放電，採用了預電離技術。

在主放電開始之前，預電離電極和主放電的陰極之間先加上高壓，使它們之間先發生電暈放電，在陰極附近形成均勻的電離層。

一般高壓為20KV~30KV，控制主放電的開關元件一般用火花隙或閘流管（Thyratron）。

其放電最佳

E/P值工作。

Excimer雷射一般來講，不用共振腔也能獲得雷射輸出，因為它的增益非常之大，但是為了提高光束品質，往往也使用共振腔，它的前反射鏡使用平面鋁反射鏡，而輸出鏡使用CaF2標準具式的平板（不鍍任何反射膜）反射鏡。

三、準分子雷射於醫療方面的應用:

眼科

眼科使用的準分子雷射，為激發氬氣（Argon）及氯氣（Fluoride）之混合氣體後，產生的雷射光，波長193nm，屬於超紫外線光譜，由於波長極短，光子能量極高，達6.4ev，因此可以切斷分子鍵，達到準確切割組織的效果，此作用稱為光切作用。

其切割的準確度可達二百萬分之一公尺以下，同時由於每個脈衝波的時間極短，所釋放的熱能極少，因此對周邊組織的傷害以及導致的疤痕非常的輕微。

因此，準分子雷射非常適合做角膜切割手術。

準分子雷射依其在角膜上切割的目的，分為雷射屈光性角膜切除術及雷射治療性角膜切除術。

雷射屈光性角膜切除術即俗稱的雷射近視手術。

角膜是眼睛最重要的聚焦構造，準分子雷射將角膜中心約6mm大小的區域作漸進式的切除，中心角膜切的深，周邊角膜切的淺，如此將中心角膜弧度變平，降低角膜的凸度鏡聚焦能力，而達到減輕近視度數的效果。

中心角膜切割的深度取決於病人手術前的近視度數，度數越高，切割的深度越深。

八XX的近視，中心角膜的切除深度約100m。

本手術只需用局部麻醉的眼藥水點睛，病人平躺於與雷射光同軸的手術顯微鏡下，放置開眼器後，定位出病人的瞳孔中心點，以瞳孔中心點為中心，定出光學區大小，以刀片將光學區內的角膜上皮刮除，而後請病人直視固視點，即可直接進行角膜切除術。

影響雷射效果的參數包括:

切割光學區的大小、病人手術前的近視度數、每個脈衝波的切割深度以及總計脈衝波的數目。

這些參數經電腦設定後，只需按下發射鈕，在短短的二、三十秒內，即可完成手術，手術後給病人抗生素眼藥膏包紮眼睛，三至五天後，角膜上皮即可長好，恢復視力。

台灣地區由臺大醫院首度進行準分子雷射屈光性角膜切除術。

臺大醫院的人體測試結果，準分子雷射屈光性角膜切除術對八XX以下的近視具有相當有效且安全的治療效果，但對長期穩定之評估，則待更進一步的追蹤檢查。

雷射治療性角膜切除術可用來將角膜不規則處打光磨平，去除角膜表層混濁及治療再發性角膜潰爛。

如果病人的角膜混濁位於角膜表層

1/3以內（深度在160m以內），或者病人的角膜表面不規則導致視力無法用普通眼鏡或隱形眼鏡矯正，同時病人沒有會導致角膜上皮癒合不良的眼科或全身性疾病，則可考慮接受雷射治療性角膜切除術。

心臟科

雷射是一種光，藉著這種聚合起來的高能量，我們可以清掉造成造成冠狀動脈硬化的斑點，這種治療方法就是所謂的雷射冠狀動脈血管成形術。

在雷射冠狀動脈血管成形術，較常使用的準分子雷射種類為XeCl所激發出來的光線，波長是308毫微米（nm），放射型式包括了脈衝式（pulsetype）與持續式（continuoustype）兩種，而當今以脈衝式較適合心臟血管疾病的治療。

目前臺大醫院所用的乃是由LAIS公司所出品的機型，探頭較大，裡面裝有兩種混合在一起的氣體，通以高壓電流之後，便能產生波長308毫微米（nm）的雷射光束，經由光圈將光線引流進來，在經由導管的傳遞，便可照射在病灶所在位置，得到治療的效果。

脈衝式雷射和持續式雷射，兩者之間最大的差別就是持續式的雷射對身體組織造成的破壞效果比較嚴重，例如持續性連續光束切割組織開口會比較大，周邊的碳化程度會比較嚴重，而脈衝式的雷射可以精準的計算出燒灼的範圍，比較安全的作用在人體組織裡面，而且周邊的碳化程度也沒有那麼嚴重，因此當今以脈衝式雷射比較常被使用。

許多物理、生物的研究已經證實，不管所用的持續式雷射是哪種波長，對於冠狀動脈血管成形通常是不具有治療的效果的，而紫外線雷射在脈衝式雷射波的作用模式下，例如準分子激光雷射（波長為308毫微米），在運用上便有最佳的組織切割效果，因此常被用於冠狀動脈血管的成形治療。

進行準分子雷射冠狀動脈血管成形術時，利用30毫米（mm）的導線來操作，應用的雷射能量約是每平方毫米35至70毫焦耳（mj/mm2），並且在此項的操作中，必須以生理食鹽水（0.9%normalsaline）沖洗血管，否則若是直接在血管內進行雷射治療，將可能產生比較大的氣爆波，進而造成血管的剝離，若治療過程中用生理食鹽水沖洗血管，則氣爆波產生的機率便會降至最低。

牙科

雷射光照射到人體的組織，一樣有反射、散射、吸收和穿透，人體吸收雷射光後，依不同的雷射光波長，便會產生下列的生物效應:

1:

光熱效應（photothermaleffects）

（1）切割效應:

組織吸收過多光能產生切割效應。

（2）凝固效應:

組織吸收光能不足以產生切割效應。

但因為熱的產生，所以發生凝固。

（3）剝落作用:

組織細胞中分子吸收適當能量，使分子間的鍵結被打斷，因而產生剝落作用。

2:

光化學反應（photochemicaleffects）

使組織產生生物刺激作用:

以增加或減少酵素的作用。

3:

電漿作用（plasma）:

當雷射的最高能量到達109W/cm2以上，會產生超熱且帶離子的氣體，就是電漿。

它使組織產生剝離並引起極大的組織傷害。

而準分子雷射位於紫外線光譜內，由於這種雷射對於鈣化組織幾乎沒有什麼熱效應產生，應用上具相當大的潛力。

但有文獻指出，其波長位於紫外線光譜可能會有致癌性，因此準分子雷射應用的安全性仍有待研究。

用雷射來作牙科治療有何優點?

1:

出血少，大多數的手術不會流血。

2:

無痛，大多是不需要麻醉。

一般病例的使用，無痛且不需麻醉，只有一些大型齒周膜或黏膜切開時才需使用麻醉。

3:

安全可靠。

臨床常使用的脈衝式雷射傳輸的脈衝能量非常短，導致神經還來不及快速反應，病人不會感覺疼痛，也不會造成病人的悸動。

由於一般電鑽轉動的聲音是病人恐懼的因素，而雷射僅有輕微的聲音，減輕病人對電鑽聲的恐懼感。

4:

精確性高，不會傷害正常組織。

最大的好處是可使醫生控制集中的雷射能量到口腔內難以到達的深凹部分，雷射光可以很準確的剝離和灼燒生物組織，比起傳統的牙科工具，它的確擁有更多的好處。

四、準分子雷射加工之應用:

準分子雷射加工的應用為金屬材料、陶瓷材料與以聚合體為主的塑膠材質的鑽孔（drilling）與標記（marking）、剝線（strippingofthinwire）及各類表面處理，包括退火（annealing）、清潔、摻雜（doping）、雷射化學氣相沉積（CVD）與物理氣相沉積（PVD）。

1、表面處理:

可用於人造纖維（syntheticfibre）的表面花紋加工，而增加微粒與表層的吸附力（adhesion）、吸水性等。

人造纖維（PET）的表面經由準分子照射後，經由熱機械作用（thermomechanicalbehavior）而產生表面波紋。

可應用於布料的染色與無塵室中工業用過濾器的濾網。

2、鑽孔與標記:

在鑽孔時，為避免斜錐孔（taper）產生，有研究報告提出可經由分光鏡（beamspilter）將準分子雷射分為兩束光，由工作上下表面同時以準分子雷射鑽孔，即可減低斜錐孔產生的機會。

因為準分子雷射的熱效應非常小，故可用於飛機用電線與光學鏡片的標記，而不會產生熱變形或熱影響區。

3、剝線:

剝線應用於直徑小於100m電線外層絕緣塑膠的剝除，為一種精確且非接觸的剝線方法。

因為這種細電線的內部為銅，表面鍍上約2m厚的金膜。

若以傳統機械方式剝除，將造成銅線與金膜的損壞而破壞性能。

將準分子雷射調整至適當能量密度照射後，就能不傷害內部的銅與金，而將外層的絕緣塑膠剝除。

4、清潔:

準分子雷射可用於磁頭、光學鏡片、矽晶元、空氣軸承（airbearing）和古代飾品的清潔。

清潔方式為先在待清潔的工件表面噴上一層水膜，在以適當能量密度的準分子雷射照射，使水分蒸發而將為小污物帶走，達成清潔的目的。

若能量密度太大，則可能損害工件表面，所以以較低的能量密度而多次照射（pulse）來達成清潔的目的。

整個機制可能包括表面振動、雷射切除（laserablation）和光分解（photodecomposition）等。

5、LaserLIGA光源:

微機電系統（micro-electro-mechanicalsystem,MEMS）為以高科技製造出輕薄短小的成品，可廣泛應用於工程、生物醫學等方面，因此成為目前科技發展的趨勢與各國研發人員研發的重要課題。

從加工製造技術而言，微機電相關的主要微製造技術有四:

蝕刻（etching）技術、薄膜技術（thinfilmprocess）、LIGA技術與微機械加工技術。

由於一般微結構元件除了強調特有的結構性能，如光學、孔徑、導電性、導熱性、大部分皆同時要求較大的結構厚度，以支援結構強度；此外，結構形狀亦會趨向3D複雜形狀發展，此時LIGA技術及微機械加工技術應是較佳的選擇。

6、加工鑽石:

準分子雷射也用於鑽石與類似材料的加工，有研究人員以波長248nm的準分子雷射，操作條件為光束直徑10m、能量密度5J/m2，在鑽石表面加工出直徑300m、深度約50m的微齒輪。

此外，有研究報告指出，準分子雷射也可用於非結晶（amorphous）的

Si0.9Ge0.1轉換為多晶（poly-crystalline）的薄膜。

或者是Si3N4沉積在GaAs的表面上，經由126nm的準分子雷射照射，可產生多晶矽的沉澱。

而在半導體製程工業中，因為準分子雷射的短波長，所以受繞涉影響小，成像邊緣清晰，因此採用紫外光進行光罩曝光而次微米電路。

五、準分子雷射於表面清洗的應用:

雷射光跟一般我們身邊存在的光線（可見或不可見）並沒有什麼兩樣，只不過雷射是利用共振腔（resonator）把光聚集在同一個方向上，並且有較單純的波長（wavelength），同調性（coherence）等，因此理論上所有的波長的光都可行成雷射。

但實際上受限於能夠用來激發的介質（lasingmedium）不多，因此能夠產生穩定且適合工業生產的雷射光源相當有限，而準分子雷射也多被用來作為雷射清洗的工具。

準分子雷射表面清洗的原理:

（1）選擇性清除（SelectivelyRemove）

利用污染物本身對雷射光有高吸收率，而被清洗的物件則對所施加的雷射光具有高反射率來達成。

表面污染物吸收雷射光後被汽化而脫離物體表面，再利用外加流場將污染物帶走，以達成完全不用化學藥劑，乾淨無噪音的乾式清洗技術。

此時雷射本身所需控制的參數主要有三個:

波長、脈衝寬度以及能量密度。

波長:

要被清洗的污染物必須要能夠吸收雷射光，不能大量反射或穿透，由於不同材質對不同波長的雷射吸收率可能大不相同，因此必須選用適當的雷射才能達到所需的清潔效果。

有機材料（Organicmaterials）對紫外光（<0.3m）具有相當好的吸收能力，因此，準分子雷射對清除有機污染物是最佳的選擇。

脈衝寬度:

為使污染物能在瞬間汽化，不因雷射不斷照射基板而引起表面損傷，因此必須採用非常短脈衝寬度（shortpulseduration）的脈衝型雷射來作為清洗光源。

當把雷射光能量聚集在微秒（micro-second）或甚至奈秒（nano-second）之內擊發時，每個脈衝的瞬間尖峰功率可達到百萬甚至上億瓦特的程度，此時如有機類的污染物會被燃燒或汽化，或者被剝離成微粒。

由於每個脈衝的作用時間非常短，因此熱的擴散非常快，可避免清洗物嚴重的熱效應。

能量密度:

對各種不同的污染材質及各種不同的雷射光波長，都必存在一個最小的能量密度值（Damagethreshold），只要施加的能量超出這個值，分解的效應便會開始產生。

污染物剝離的速度隨著能量密度的提高而約呈線性的增加，但增加到一定程度其效率反而會遞減。

因此，即使被清洗的物體對所施加的雷射吸收良好，只要它的臨界值遠高於污染物，依樣可依循同樣的原理達成清洗的目的。

（2）去除光阻:

傳統光阻的去除通常是用有機溶劑，或者是電漿製程（plasma），但這些方法通常都不能達到百分之百的效果，而因光阻多半是由高分子的材料所構成的有機物，因此利用準分子雷射將光阻直接剝離是一個可行的方法。

一家以色列的公司，已經在laserstripping的研發上得到相當好的成果，它的製程是利用紫外光非常敏感的臭氧（ozone）及一些氮化物當作製程的氣體，將晶圓片置入一充滿製程氣體的箱內，從外部將雷射光導入後均勻掃過晶圓片表面。

雷射一方面將表面的光阻直接剝離，一方面和臭氧反應產生氧原子，在光阻被剝離的同時和光阻反應產生碳氫化合物，由箱內流場排出。

（3）微電線剝皮:

微細電線必須將表面的絕緣層剝離，以連接到特定的接點上，傳統剝離的方法還是使用刀具，但在電線直徑越來越小，切割精細度要求越來越高，所需切割的形狀越來越複雜時，傳統的刀具必會受到限制。

若利用準分子雷射來將銅線外側的有機絕緣層剝離，不僅速度相當快，而且切割精度可達100微米以下，更可依不同形狀切割。

（1）金屬、玻璃、雕像表面清洗:

金屬表面，如銅、不銹鋼、鈦等許多金屬表面有機、無機的雷射清洗以有許多的實驗顯示，清洗的效果及能力相當優異，玻璃及光學元件亦可利用雷射來清除沾附的微粒或有機物，或古老的雕像或錢幣等。

六、準分子雷射加工系統:

準分子雷射的加工流程為先決定工件的尺寸規格與幾何圖形，再由工件材料決定雷射光束的縮小倍率與能量密度，並製作光罩，最後才進行加工。

準分子雷射的加工技術包括雷射圖案成形技術（patternformationtechnique）與光束傳遞系統（beamdeliverysystem）。

1:

雷射圖案成形技術

雷射圖案成形技術可由需要光罩與否，與光罩所放置的位置而略分為三類:

（2）圖案投影系統（ImageProjectionSystem）

此系統的特性為光罩至於聚焦鏡之前，將整個圖案縮小後，對焦在工件表面上進行加工。

（3）光罩接觸系統（ContactMaskingSystem）

此系統的特性為光罩直接至於工件的表面，光罩鏤空的部分就是光件加工的圖形。

準分子雷射穿過光罩鏤空的部分而在工件表面上進行加工，如圖四所示。

雖然光罩的材料視選用不易吸收準分子雷射的材料，但是長期在高能量密度的照射下，光罩圖案的精確度也會受到影響。

光罩的材料為銅、黃銅或不銹鋼薄片，光罩上圖形的製造方法是以化學切割（chemicallymilled）或Nd-YAG雷射加工而得，或以光刻術（photolithography）在鍍鉻的石英表面（cromiumonquartz）上製造精準的光罩。

圖四準分子雷射光罩接觸加工示意圖

（4）直接刻寫系統（DirectWriteSystem）

此方法是由於準分子雷射光束和工件表面間進行相對位移，而加工出所要的圖形。

類似CNC加工機，以X-Y工作臺運動達成所需要的圓形軌跡。

雷射光束並未經由光罩的遮蔽，而是以雷射光束在工件表面上直接刻寫。

Kuck等人以空間光束調變器（spatiallightmodulator,SLM）將深紫外光反射到工件表面而達成直接刻寫的目的。

以程式控制的空間光束調變器為以512464個像素（pixels）組成的動態CMOS矩陣，而每個像素的尺寸為2020m2。

此法也以成功應用到6英吋晶圓的光阻圖案加工上。

2:

光束傳遞系統

在一般的準分子雷射的應用中，若是簡單的圖案，則僅需一片光學鏡片即可。

但若是需要更高的解析度，則需要更多的光學鏡片。

而景深（depthoffield）的定義為

Z:

景深

W:

雷射波長

NA:

光學鏡片的數值孔徑

若數值孔徑值非常高時，景深變小，則工件表面的平面度要求變高。

若以薄透鏡的改良公式可得知圖案的縮小倍率，

f:

透鏡的焦距

u:

物距

v:

像距

m:

縮小倍率u/v

若以上述系統加上夾距與運動系統，輔以定位和檢測用的視覺系統，即可建立完整的準分子雷射加工系統。

七、結論:

準分子雷射可輸出數百nm波長的紫外光，其於醫學上的用途甚廣，其短波長的特性可剝除組織，而不熱傷鄰近細胞，在工業加工方面也可應用於材料的鑽孔、標記、細電線的剝線及各種表面處理，包括退火、清潔、摻雜、雷射化學氣相沉積與物理氣相沉積等方面。

因此，準分子雷射是一種極具潛力且應用廣泛的雷射，相信未來應可得到更大的應用。

八、參考資料:

1:

雷射加工技術川澄博通復漢出版社

2:

雷射潘家寅徐式基金會

3:

雷射加工技術文獻選集行政院國家科學委員會科學技術資料中心

4:

雷射概論國興編輯部黎明書店

5:

雷射原理與應用林三寶全華科技股份有限公司

6:

雷射工程導論丁勝懋中央圖書出版社

7:

科儀新知第十八卷四期準分子雷射加工之應用

8:

光訊第26期準分子雷射於眼科的應用

9:

光訊第26期雷射在醫療的應用

10:

光訊第83期準分子雷射微結構加工技術介紹

11:

光訊第83期雷射表面清洗-原理、設備、及實際應用

12:

光訊第26期雷射加工技術

13:

光訊第26期牙科用雷射之介紹

14:

光訊第26期雷射對心臟血管疾病的治療