当曝光波长缩短至深紫外区时，汞弧灯的低光学效率使其难以提供所需的曝光功率。此外，在 250 nm 附近，很少有光学材料具有足够的透射率和机械工作性能，可以用于消色差成像镜头。对于深紫外屈光系统，熔融石英是用于成像镜头的唯一光学材料；因此，无法校正色差，需要带宽在皮米范围内的照明。将波长进一步降低会使带宽要求更加严格。激光源是不可避免的。然而，大多数激光源在时间和空间上都具有高度相干性。这种光源产生的散斑对于微光刻应用来说是不理想的。然而，准分子激光器恰好非常高效。由于其高增益，光只需在谐振腔中传播几次即可充分放大，这使得它本质上比其他激光器的空间相干性要差得多。波长的选择（例如 KrF 的 248 nm、ArF 的 193 nm 和 F2 的 157 nm）使准分子激光器成为深紫外和更短波长的不二之选。
准分子激光器在微光刻中的最早应用是近距离印刷。1,2 随后，它们在全场全反射系统 3 和折射步进重复系统 4 上进行了演示。Das 和 Sengupta 5 的论文中全面介绍了准分子激光器，包括其历史、操作、设计考虑、系统和维护，他们概述了准分子激光器与理解和实践制造微光刻最相关的方面。
工作原理
微光刻相关的准分子激光器由电放电泵浦。放电过程中，会形成 KrF* 准分子。一旦它们出现，就会发生自发发射、受激发射和猝灭。自发发射和受激发射分别见下列反应：其中 ν 为频率。受激发射提供所需的光输出。图 5.4 显示了 KrF 准分子激光器的能量图。Kr+ + F− 波段支持受激发射，Kr + F2 波段支持自发发射。
放电电压超过 10 kV，谐振器中的气体压力达到几个大气压。使用能够以 1 至 2 MHz 的重复率产生这种电压的脉冲电源。它由一系列饱和电感器和高压电容器的 π 网络组成，由高速高压开关控制。典型的放电持续时间在 300 到 500 纳秒之间。光脉冲长度约为 10 到 20 纳秒。
带宽变窄
不受管制的准分子激光器发出的 248.35 nm 脉冲的带宽为几百皮米。然而，需要更窄的带宽来避免色差。由于深紫外成像镜头最初使用单透镜材料，因此无法使用不同色散的材料来补偿色差。只是由于 CaF2 材料的最新改进，高端 ArF 扫描仪中的镜头现在采用熔融石英和 CaF2 元件。带宽要求是光学材料的色散特性以及成像镜头的 NA 的函数。表 5.1 显示了不同 NA 下 248、193 和 157 nm 镜头的 E95 和全宽半峰 (FWHM) 光谱带宽要求。更高的 NA 需要更窄的带宽。E95 带宽定义为整个光谱能量的 95% 所在的波段。FWHM 带宽是半峰点处的光谱全宽。它用于表征激光带宽，直到 E95 成为更好的跟踪量。图 5.5 显示了来自表观激光输出的 E95 和 FWHM 带宽，这是来自带宽测量设备的原始数据。该原始数据是测量仪器响应光谱的卷积。实际激光输出光谱可以通过反卷积重建。
表 5.2 显示了熔融石英和 CaF2 在 248 和 193 nm 处的色散特性。6 更高的色散要求照明中的带宽更窄。
为了保持高效率，在激光谐振腔中加入了波长变窄功能。已经尝试了三种波长选择元件，即标准具、棱镜和光栅，如图 5.6 所示。标准具具有高波长分辨率，但对热量高度敏感。棱镜不能提供足够的分辨率。光束扩展器和光栅的组合（如图 5.7 所示）已成功使用。11 另一种组合使用光栅进行粗略波长选择，使用标准具进行精细选择12 以克服标准具加热的问题，如图 5.8 所示。模块 3 中用于波长选择的标准具放置在放大介质的输出端，只需缩小另一端已被光栅棱镜组件 (1) 粗略缩小的带宽即可。图 5.8 还显示了微光刻准分子激光器中的其他组件。带宽/波长监视器 (4) 检查最终输出带宽，并将输出波长与绝对标准进行比较。能量监视器模块 (5) 调节输出功率，以保证脉冲间一致性。激光管 (2) 上的窗口以布儒斯特角定向，以区分窗口引起的吸收和散射。因此，输出光在图平面上偏振。
空间相干性
尽管人们付出了巨大的努力来缩小准分子激光器输出的带宽，但其时间相干性不可避免地会随着带宽的缩小而增加。会产生更多的激光散斑。必须降低空间相干性才能抑制散斑的产生。准分子激光器本身就具有较低的空间相干性，因为只需要三到四束光穿过放大介质，使其可以在多种模式下运行。
准分子激光器的典型相干长度为几百微米（而一些高度调谐的激光器为米级）。尽管如此，通过扰频进一步降低空间相干性是必要的。早期系统使用旋转镜、蝇眼透镜或光纤来扩散点光源。现代照明器结合了光棒，可多次在内部反射光源，以扰频光线并填满入射光瞳。图 5.9 显示了使用旋转镜、光纤的早期方案以及使用光棒的现代方案。光棒方案非常有效，即使是传统的点光源（例如汞弧灯）也可以从中受益。
