深紫外波段的光學材料
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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。
1 引言
近年來，伴隨著半導體產業的需求驅動，短波光學得到了迅猛的發展。然而，在短波區域，光學材料的透過率降低是一個突出的問題，使得光學設計者可選的材料非常有限。以光刻系統為例，在i線(365nm)和g線(436nm)波段，多數的重火石玻璃透過率已經出現下降，并且存在能量吸收現象，使得光刻鏡頭存在較大的熱效應，影響了系統的使用性能。在248nm和193nm的深紫外波段，熔石英和氟化鈣（CaF2）是*常用的材料。在157nm波段下，則只有氟化鈣材料的透過率是滿足使用需求的了。在本篇中，我們對這些用于深紫外波段下的光學材料做具體的介紹，以加深大家對該領域的了解。
2 深紫外波段的材料透過率
對于193nm下的光刻投影系統，分為干法光刻和浸沒式光刻兩種類型。干法光刻是傳統的光刻技術，在此系統內，投影物鏡與光刻膠之間的介質是空氣。而浸沒式光刻，則是在投影物鏡與光刻膠之間充入水，水的折射率大于空氣的折射率，因此，浸沒式系統的NA值有了提升，從而提高了光刻鏡頭的分辨率。浸沒層的厚度通常只有幾個毫米厚，因此，光束能量的損失可以忽略不計。在下圖中，對同樣是10mm厚的BK7材料、水、熔石英和氟化鈣材料在深紫外波段的透過率做了對比，如下所示：
從上圖可以看到，對于常見的BK7玻璃，在350nm波段時，透過率出現了明顯的降低，并在300nm前很快衰減到很小的數值，這個現象說明它是不能用在紫外波段的，放在這里，僅是為了做對比。水介質在193nm處的透過率尚可，因此可以做為浸沒層使用。熔石英材料（SiO2）可以在193nm處有很好的透過率，但是再向低波段延伸時，則迅速降低。而氟化鈣材料，則可以在150nm處仍然有92%以上的透過率，做為一種晶體材料，氟化鈣對光束的吸收特性會取決于它自身的純度和工藝特性，不同的純度的氟化鈣，或者不同的工藝生長出來的氟化鈣，它們的吸收特性會有很大的差異。
3 深紫外波段的材料折射率
在不同的波長下，材料的折射率是不同的。以熔石英材料為例，當波長變短時，由于色散的原因，它的折射率會明顯變大，熔石英材料在深紫外波段的折射率曲線如下圖所示：
我們知道，材料折射率越大，對光束的偏折能力就越強，因此，熔石英材料在深紫外波段的高折射率有助于校正系統的各類像差。與熔石英相比，氟化鈣材料在深紫外波段的折射率相對略低，其折射率曲線如下圖所示：
從上圖可以看出，隨著波長的變短，氟化鈣材料的折射率也有增大的趨勢，并且，氟化鈣是**可以應用在150nm波段的材料。但是，因為是晶體材料，氟化鈣存在雙折射現象，這一現象在193nm波段需要引起注意，但是并不致命，但是到了157nm波段，雙折射現象就非常突出了，從而影響系統的性能，這也是157nm的光刻系統后來沒有成功應用的原因之一。通過引入浸沒式光刻，使得系統NA值進一步提升，從而將摩爾定律做了進一步的延續。浸沒式液體通常選用水介質，水在深紫外波段的折射率曲線如下圖所示：
可以看到，與可見光波段時相比，水在深紫外波段的折射率明顯增大，從而有助于減少光刻物鏡*后一個透鏡表面的球差，提升系統性能。在光刻物鏡的焦面區域，因為光能量密度很高，熱量集中，會對空氣產生擊穿效應，部分空氣分子會解離成原子，從而干擾光刻的精度。因此，深紫外的光刻物鏡內部通常會充保護氣體，來避免上述的空氣擊穿效應，常用的氣體為氮氣或氦氣。我們知道，通常空氣的折射率為1，當在鏡頭中充入保護氣體后，這些保護氣體的折射率也是需要考慮的，它們的折射率通常略偏離一些。在下表中，給出了在幾個主要的紫外波長下，材料的折射率數值：
值得說明的是，表格里列出的僅是各材料在對應波長下的近似折射率，僅供參考用，一塊材料的實際折射率，取決于它的純度、工藝和所處的溫度、氣壓等環境參數，實際應用時，材料的折射率需要實際測試。
4 結語
在本文中，我們對深紫外波段的光學材料特性做了介紹，在深紫外波段，因為透過率的緣故，可用的材料種類非常有限，文中分別介紹了熔石英、氟化鈣和水介質在短波下的透過率和折射率參數特性，從而有助于對它們的性能有一個直觀的了解。當前來講，用于深紫外波段的光學材料仍然被康寧、肖特、尼康等國外公司壟斷，國產光學材料還需要再接再厲，早日實現**光學材料的突破。
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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。
采用德國薄膜制備工藝，形成了一套具有嚴格工藝標準的閉環式流程技術制備體系，能夠制備各種超高性能光學薄膜，包括紅外薄膜、增透膜，ARcoating,激光薄膜、特種薄膜、紫外薄膜、x射線薄膜，應用領域涉及激光切割、激光焊接、激光美容、醫用激光器、光學科研，紅外制導、面部識別、VR/AR應用,博物館，低反射櫥窗玻璃，畫框，工業燈具照明，廣告機，點餐機，電子白板，安防監控等。
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