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深紫外波段的光学材料

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上海卷柔新技术光电有限公司是一家专业研发生产光学仪器及其零配件的高科技企业，公司2005年成立在上海闵行零号湾创业园区，专业的光电镀膜公司，技术背景依托中国科学院，卷柔产品主要涉及光学仪器及其零配件的研发和加工；光学透镜、反射镜、棱镜，平板显示，安防监控等光学镀膜产品的开发和生产，为全球客户提供上等的产品和服务。

1 引言

近年来，伴随着半导体产业的需求驱动，短波光学得到了迅猛的发展。然而，在短波区域，光学材料的透过率降低是一个突出的问题，使得光学设计者可选的材料非常有限。以光刻系统为例，在i线(365nm)和g线(436nm)波段，多数的重火石玻璃透过率已经出现下降，并且存在能量吸收现象，使得光刻镜头存在较大的热效应，影响了系统的使用性能。在248nm和193nm的深紫外波段，熔石英和氟化钙（CaF2）是*常用的材料。在157nm波段下，则只有氟化钙材料的透过率是满足使用需求的了。在本篇中，我们对这些用于深紫外波段下的光学材料做具体的介绍，以加深大家对该领域的了解。

2 深紫外波段的材料透过率

对于193nm下的光刻投影系统，分为干法光刻和浸没式光刻两种类型。干法光刻是传统的光刻技术，在此系统内，投影物镜与光刻胶之间的介质是空气。而浸没式光刻，则是在投影物镜与光刻胶之间充入水，水的折射率大于空气的折射率，因此，浸没式系统的NA值有了提升，从而提高了光刻镜头的分辨率。浸没层的厚度通常只有几个毫米厚，因此，光束能量的损失可以忽略不计。

在下图中，对同样是10mm厚的BK7材料、水、熔石英和氟化钙材料在深紫外波段的透过率做了对比，如下所示：

从上图可以看到，对于常见的BK7玻璃，在350nm波段时，透过率出现了明显的降低，并在300nm前很快衰减到很小的数值，这个现象说明它是不能用在紫外波段的，放在这里，仅是为了做对比。水介质在193nm处的透过率尚可，因此可以做为浸没层使用。熔石英材料（SiO₂）可以在193nm处有很好的透过率，但是再向低波段延伸时，则迅速降低。而氟化钙材料，则可以在150nm处仍然有92%以上的透过率，做为一种晶体材料，氟化钙对光束的吸收特性会取决于它自身的纯度和工艺特性，不同的纯度的氟化钙，或者不同的工艺生长出来的氟化钙，它们的吸收特性会有很大的差异。

3 深紫外波段的材料折射率

在不同的波长下，材料的折射率是不同的。以熔石英材料为例，当波长变短时，由于色散的原因，它的折射率会明显变大，熔石英材料在深紫外波段的折射率曲线如下图所示：

我们知道，材料折射率越大，对光束的偏折能力就越强，因此，熔石英材料在深紫外波段的高折射率有助于校正系统的各类像差。

与熔石英相比，氟化钙材料在深紫外波段的折射率相对略低，其折射率曲线如下图所示：

从上图可以看出，随着波长的变短，氟化钙材料的折射率也有增大的趋势，并且，氟化钙是**可以应用在150nm波段的材料。但是，因为是晶体材料，氟化钙存在双折射现象，这一现象在193nm波段需要引起注意，但是并不致命，但是到了157nm波段，双折射现象就非常突出了，从而影响系统的性能，这也是157nm的光刻系统后来没有成功应用的原因之一。

通过引入浸没式光刻，使得系统NA值进一步提升，从而将摩尔定律做了进一步的延续。浸没式液体通常选用水介质，水在深紫外波段的折射率曲线如下图所示：

可以看到，与可见光波段时相比，水在深紫外波段的折射率明显增大，从而有助于减少光刻物镜*后一个透镜表面的球差，提升系统性能。

在光刻物镜的焦面区域，因为光能量密度很高，热量集中，会对空气产生击穿效应，部分空气分子会解离成原子，从而干扰光刻的精度。因此，深紫外的光刻物镜内部通常会充保护气体，来避免上述的空气击穿效应，常用的气体为氮气或氦气。我们知道，通常空气的折射率为1，当在镜头中充入保护气体后，这些保护气体的折射率也是需要考虑的，它们的折射率通常略偏离一些。在下表中，给出了在几个主要的紫外波长下，材料的折射率数值：

值得说明的是，表格里列出的仅是各材料在对应波长下的近似折射率，仅供参考用，一块材料的实际折射率，取决于它的纯度、工艺和所处的温度、气压等环境参数，实际应用时，材料的折射率需要实际测试。

4 结语

在本文中，我们对深紫外波段的光学材料特性做了介绍，在深紫外波段，因为透过率的缘故，可用的材料种类非常有限，文中分别介绍了熔石英、氟化钙和水介质在短波下的透过率和折射率参数特性，从而有助于对它们的性能有一个直观的了解。当前来讲，用于深紫外波段的光学材料仍然被康宁、肖特、尼康等国外公司垄断，国产光学材料还需要再接再厉，早日实现**光学材料的突破。

关于我们

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