中国粉体网讯 半导体芯片制程中所用的光刻机是最重要、最复杂、最昂贵的集成电路制造装备，也被称为半导体制造的“母机”，其技术难度之大、单价之高在全球均属罕见，又被誉为“超精密尖端装备的珠穆朗玛峰”，挑战着人类超精密制造的精度和性能极限。
光刻机中的光学系统是其最关键且最复杂的部分之一，包括照明系统和投影物镜两大核心组成部分。投影物镜是光刻机中实现精准成像的关键部件，它的主要作用是将掩模图形按照一定缩放比例成像到硅片上。
其中，投影物镜镜头的材料大多采用熔融石英，据中国粉体网了解，可以稳定供应满足193 nm光刻等级的熔融石英的厂家仅有德国Heraeus公司、Schott公司、美国Corning公司、德国蔡司公司等极少数几家。
（图源：Corning）
随着集成电路不断向微型化的趋势发展，必须以极其精确的方式将光刻掩模上的图案转移到晶圆上，同时确保像差尽可能小，接近理论极限。高端芯片中最微小的结构其宽度甚至不到所用光波波长的十分之一！这种用于光刻的光学系统模块的设计与制造，堪称光学领域中最具挑战性的任务。
据Heraeus Covantics公司专家介绍，光刻光学系统中首选的光学材料是合成熔融石英，因为它完全满足了上述对无像差深紫外光学系统的要求。合成熔融石英具有极高的深紫外光透射率以及极低的吸收率，因此不会因透镜受热而产生图像缺陷。这种材料还具备优异的光学三维均匀性（折射率变化极小），且应力双折射现象可以忽略不计。
对于光学材料而言，另一个重要的要求是必须具备抗紫外线辐射的能力。尽管光刻设备中使用的脉冲能量密度相对较低（<1 mJ/cm²），但只有经过特殊优化的熔融石英材料，才能在预计的使用寿命（约10年）内保持其优异的性能。
Heraeus专家分析，根据脉冲激光器中的波长、能量密度以及峰值强度等不同条件，熔融石英玻璃可能会受到各种形式的损伤。第一种情况，在极高的激光强度下，石英玻璃中的某些特定位置可能会发生光电离现象，并由此产生等离子体。这种机械损伤通常会出现在光学元件的正面或背面。另一可能发生的机械损伤是：沿着激光束的传播方向，在玻璃内部形成细小的微通道。
第二种更为微妙的损伤机制：在玻璃受到辐射时，光化学过程中会生成缺陷中心（有时也被称为“色心”）。这些缺陷中心会在特定波长处吸收光。这些缺陷还会与玻璃中溶解的氢发生相互作用。因此，在生产过程中通常会精确控制玻璃中的氢浓度，并通过拉曼光谱技术在分析实验室中对氢浓度进行检测。
第三种可能发生的损伤是由于玻璃在辐照作用下的结构发生变化，从而导致二氧化硅玻璃的折射率发生改变。根据二氧化硅玻璃的类型以及辐照条件的不同，其折射率可能会增加（这种现象称为“玻璃的致密化”），也可能会降低（这种现象称为“玻璃的稀疏化”）。
参考来源：
中国粉体网：“芯片之母”，居然也离不开石英材料
Heraeus Covantics官网、Corning官网
（中国粉体网编辑整理/平安）
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