深紫外波段的光学材料
【添加时间：2024-03-12 11:01:03】【来源：】【作者：cddaxin】【阅读：】
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）是最常用的材料。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，氟化钙是唯一可以应用在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最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，早日实现高端光学材料的突破。
