德國 Hellma 193nm 氟化鈣單晶半導(dǎo)體 DUV 光刻核心材料

更新時間：2026-04-29

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在半導(dǎo)體制造向 7nm 及以下先進(jìn)制程演進(jìn)的過程中，深紫外（DUV）光刻技術(shù)仍是量產(chǎn)主力，而193nm 氟化鈣（CaF?）單晶圓是 DUV 光刻系統(tǒng)的不可替代的核心光學(xué)材料。德國 Hellma Materials作為全球頂尖光學(xué)晶體制造商，其自研的 193nm CaF?單晶圓憑借超高深紫外透過率、極低應(yīng)力雙折射、優(yōu)異激光耐久性與超低色散特性，成為 ASML、蔡司等主流 DUV 光刻設(shè)備的標(biāo)配光學(xué)元件，支撐 193nm ArF（氟化氬）準(zhǔn)分子激光光刻（含浸潤式 ArFi）的高精度成像，是先進(jìn)制程芯片量產(chǎn)的關(guān)鍵基石。

一、引言：DUV 光刻的材料瓶頸與 CaF?的不可替代性

半導(dǎo)體光刻技術(shù)的核心是通過特定波長的激光，將掩模版上的電路圖案精準(zhǔn)投射到硅片光刻膠上，其分辨率直接決定芯片制程節(jié)點。當(dāng)前，EUV（極紫外）光刻技術(shù)雖突破 5nm/3nm 制程，但設(shè)備成本高、維護(hù)難度大，193nm DUV 光刻憑借成熟的技術(shù)體系、可控成本與多重曝光工藝，仍是 28nm–7nm 先進(jìn)制程及成熟制程（45nm 及以上）的量產(chǎn)主力。

193nm ArF 準(zhǔn)分子激光屬于深紫外波段，能量高、光子穿透力強，對光學(xué)材料提出要求：高透過率、低色散、低應(yīng)力雙折射、高激光損傷閾值、高折射率均勻性。傳統(tǒng)光學(xué)玻璃（如石英玻璃）在 193nm 波段存在嚴(yán)重吸收、色散大、激光耐久性差等缺陷，無法滿足 DUV 光刻需求。而氟化鈣（CaF?）單晶體作為立方晶系光學(xué)材料，天然具備 130nm–8μm 超寬透射光譜、超低色散（阿貝數(shù) 95.23）、低折射率（nd=1.43384）等特性，成為 193nm DUV 光刻的理想基材。

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二、Hellma 193nm CaF?單晶圓：核心光學(xué)性能與技術(shù)優(yōu)勢

Hellma 193nm CaF?單晶圓由德國耶拿工廠采用高純度原料（過渡金屬 / 羥基雜質(zhì)≤1ppm）與布里奇曼 - 斯托克巴格（Bridgman-Stockbarger）定向生長工藝制備，嚴(yán)格控制 <111> 晶向（應(yīng)力雙折射最小取向），核心光學(xué)性能專為 193nm ArF 激光光刻優(yōu)化，達(dá)到光刻級（Litho Grade）嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 核心光學(xué)參數(shù)（193nm 光刻級）

深紫外透過率：10mm 厚樣品內(nèi)部透過率 >99.7%（@193nm），幾乎無能量損耗，保障光刻系統(tǒng)光利用率與成像亮度。

折射率均勻性：1–5ppm（@633nm，PV 值），光束傳輸一致性高，波前畸變極小，支撐衍射極限級成像。

色散特性：nd=1.43384，vd=95.23，超低色散，色差校正能力遠(yuǎn)超石英玻璃，大幅簡化光刻物鏡光學(xué)設(shè)計，提升成像分辨率。

熱導(dǎo)率：9.71W/(m?K)，快速散熱，抵消高 CTE（熱膨脹系數(shù)）影響，適配高功率激光場景下的熱穩(wěn)定性需求。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢

高純單晶生長技術(shù)：采用自主研發(fā)的高純度氟化鈣原料，嚴(yán)格控制氧、過渡金屬、羥基等雜質(zhì)（≤1ppm），消除紫外吸收中心；通過精密溫場控制的 <111> 定向生長工藝，將應(yīng)力雙折射降低，從源頭保障光學(xué)均勻性。

超精密加工能力：毛坯最大直徑達(dá) 440mm，標(biāo)準(zhǔn)光刻級晶圓直徑 350mm、厚度 > 100mm；拋光表面平整度達(dá) λ/10（@633nm）、表面光潔度 20-10（美軍標(biāo)），無應(yīng)力拋光工藝避免加工引入新應(yīng)力，保障波前質(zhì)量。

激光耐久分級體系：按 193nm 激光耐受能力分為 LD-A（超高級，適配 7nm 及以下）、LD-B、LD-C、LD-D 四級，滿足不同制程與工況需求；LD-A 級可承受 10?次以上脈沖，壽命遠(yuǎn)超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

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三、在半導(dǎo)體 DUV 光刻系統(tǒng)中的核心應(yīng)用

Hellma 193nm CaF?單晶圓是 193nm ArF DUV 光刻系統(tǒng)（含浸潤式 ArFi）的全鏈路核心光學(xué)元件，覆蓋激光光源、照明系統(tǒng)、投影物鏡、光束傳輸窗口四大核心模塊，直接決定光刻系統(tǒng)的分辨率、成像質(zhì)量與運行穩(wěn)定性。

3.1 準(zhǔn)分子激光光源窗口

作為 193nm ArF 準(zhǔn)分子激光器的輸出窗口 / 諧振腔窗口，承受高能量、高重復(fù)頻率（數(shù)千 Hz）激光輻照，高激光損傷閾值與高透過率保障光源長期穩(wěn)定輸出，避免窗口老化導(dǎo)致的能量衰減與光斑畸變，是激光器壽命的關(guān)鍵保障。

3.2 照明系統(tǒng)光學(xué)元件

用于光刻照明系統(tǒng)的光束整形鏡、勻光鏡、中繼鏡，將 ArF 激光均勻化、準(zhǔn)直化，精準(zhǔn)投射到掩模版表面；超低應(yīng)力雙折射與高均勻性保障照明光束的偏振一致性與能量均勻性，消除掩模版成像的陰影與畸變，提升曝光均勻性。

3.3 投影物鏡核心鏡片

作為 DUV 光刻投影物鏡的主力鏡片（占物鏡鏡片總數(shù) 60% 以上），是實現(xiàn)納米級分辨率的核心；超低色散特性校正物鏡色差，極低雙折射消除偏振像差，高均勻性保障波前精準(zhǔn)度，支撐高 NA（最高 0.93）物鏡設(shè)計，實現(xiàn) 14nm–7nm 節(jié)點的光刻分辨率，配合多重曝光工藝可延伸至 5nm 制程。

3.4 光束傳輸與隔離窗口

用于光刻系統(tǒng)光束傳輸路徑的隔離窗口、真空窗口、環(huán)境隔離窗，隔絕外部環(huán)境（溫度、濕度、灰塵）對光學(xué)系統(tǒng)的干擾；超寬透射光譜與高穩(wěn)定性適配真空 / 高壓環(huán)境，保障光束在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定傳輸。

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