中國粉體網訊  半導體芯片制程中所用的光刻機是最重要、最復雜、最昂貴的集成電路制造裝備，也被稱為半導體制造的“母機”，其技術難度之大、單價之高在全球均屬罕見，又被譽為“超精密尖端裝備的珠穆朗瑪峰”，挑戰著人類超精密制造的精度和性能極限。

光刻機中的光學系統是其最關鍵且最復雜的部分之一，包括照明系統和投影物鏡兩大核心組成部分。投影物鏡是光刻機中實現精準成像的關鍵部件，它的主要作用是將掩模圖形按照一定縮放比例成像到硅片上。

其中，投影物鏡鏡頭的材料大多采用熔融石英，據中國粉體網了解，可以穩定供應滿足193 nm光刻等級的熔融石英的廠家僅有德國Heraeus公司、Schott公司、美國Corning公司、德國蔡司公司等極少數幾家。

（圖源：Corning）

隨著集成電路不斷向微型化的趨勢發展，必須以極其精確的方式將光刻掩模上的圖案轉移到晶圓上，同時確保像差盡可能小，接近理論極限。高端芯片中最微小的結構其寬度甚至不到所用光波波長的十分之一！這種用于光刻的光學系統模塊的設計與制造，堪稱光學領域中最具挑戰性的任務。

據Heraeus Covantics公司專家介紹，光刻光學系統中首選的光學材料是合成熔融石英，因為它完全滿足了上述對無像差深紫外光學系統的要求。合成熔融石英具有極高的深紫外光透射率以及極低的吸收率，因此不會因透鏡受熱而產生圖像缺陷。這種材料還具備優異的光學三維均勻性（折射率變化極小），且應力雙折射現象可以忽略不計。

對于光學材料而言，另一個重要的要求是必須具備抗紫外線輻射的能力。盡管光刻設備中使用的脈沖能量密度相對較低（<1 mJ/cm²），但只有經過特殊優化的熔融石英材料，才能在預計的使用壽命（約10年）內保持其優異的性能。

Heraeus專家分析，根據脈沖激光器中的波長、能量密度以及峰值強度等不同條件，熔融石英玻璃可能會受到各種形式的損傷。第一種情況，在極高的激光強度下，石英玻璃中的某些特定位置可能會發生光電離現象，并由此產生等離子體。這種機械損傷通常會出現在光學元件的正面或背面。另一可能發生的機械損傷是：沿著激光束的傳播方向，在玻璃內部形成細小的微通道。

第二種更為微妙的損傷機制：在玻璃受到輻射時，光化學過程中會生成缺陷中心（有時也被稱為“色心”）。這些缺陷中心會在特定波長處吸收光。這些缺陷還會與玻璃中溶解的氫發生相互作用。因此，在生產過程中通常會精確控制玻璃中的氫濃度，并通過拉曼光譜技術在分析實驗室中對氫濃度進行檢測。

第三種可能發生的損傷是由于玻璃在輻照作用下的結構發生變化，從而導致二氧化硅玻璃的折射率發生改變。根據二氧化硅玻璃的類型以及輻照條件的不同，其折射率可能會增加（這種現象稱為“玻璃的致密化”），也可能會降低（這種現象稱為“玻璃的稀疏化”）。

參考來源：

中國粉體網：“芯片之母”，居然也離不開石英材料

Heraeus Covantics官網、Corning官網

（中國粉體網編輯整理/平安）

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