德國(guó) Hellma CaF?氟化鈣 193nm 單晶圓：高精度光學(xué)的核心基石

更新時(shí)間：2026-05-20

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在深紫外（DUV）高精度光學(xué)領(lǐng)域，193nm ArF 激光技術(shù)是先進(jìn)制程半導(dǎo)體光刻、高功率激光系統(tǒng)與天文觀測(cè)的核心支撐，而光學(xué)材料的性能直接決定系統(tǒng)的極限精度與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。德國(guó) Hellma Materials 承襲百年耶拿光學(xué)底蘊(yùn)，憑借原肖特（Schott Lithotec）光刻級(jí)晶體核心技術(shù)，研發(fā)生產(chǎn)的 <111> 晶向 193nm CaF?單晶圓，以超高深紫外透過(guò)率、超低應(yīng)力雙折射、優(yōu)異激光耐久性與超低色散特性，成為 ASML、蔡司等頂尖設(shè)備的標(biāo)配光學(xué)元件，是當(dāng)前高精度光學(xué)領(lǐng)域不可替代的核心材料。

一、核心材料特性：<111> 晶向的天然優(yōu)勢(shì)與 Hellma 技術(shù)賦能

氟化鈣（CaF?）晶體為立方晶系，不同晶向的原子排列、應(yīng)力分布與光學(xué)性能差異顯著，而 <111> 晶向是深紫外高精度光學(xué)應(yīng)用取向，這一結(jié)論已被全球光刻與激光行業(yè)長(zhǎng)期驗(yàn)證。Hellma 通過(guò)自主研發(fā)的真空 Stockbarger 晶體生長(zhǎng)工藝，結(jié)合精密溫場(chǎng)控制與專(zhuān)屬退火技術(shù)，將 < 111 > 晶向 CaF?單晶的性能推向新的臺(tái)階。

1.1 <111> 晶向的核心光學(xué)優(yōu)勢(shì)

超低應(yīng)力雙折射：<111> 晶向是 CaF?晶體本征雙折射最小的結(jié)晶學(xué)取向，原子排列最規(guī)整，晶格缺陷與內(nèi)應(yīng)力。Hellma <111> 晶向單晶圓的應(yīng)力雙折射 ≤0.5nm/cm，遠(yuǎn)優(yōu)于行業(yè)常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，可消除光束傳輸過(guò)程中的波前畸變與偏振像差，保障光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)衍射極限性能。

深紫外高透過(guò)率：CaF?晶體透光范圍覆蓋 130nm–8μm，是少數(shù)能在 193nm 深紫外波段保持高透的光學(xué)材料。<111> 晶向結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低光散射與吸收，Hellma 光刻級(jí)（LD?A）單晶圓193nm 內(nèi)部透過(guò)率 > 99.6%/cm，鍍膜后可達(dá) > 99.8%，遠(yuǎn)高于熔融石英（193nm 透過(guò)率不足 70%），最大限度減少激光能量損耗與熱累積。

超低色散（高阿貝數(shù)）：<111> 晶向 CaF?的阿貝數(shù)高達(dá)95.23，折射率 n???≈1.434，色散系數(shù)僅為普通光學(xué)玻璃的 1/3，可高效校正光學(xué)系統(tǒng)色差，顯著提升成像分辨率與清晰度，適配 7–45nm 先進(jìn)制程光刻的嚴(yán)苛要求。

高激光損傷閾值：<111> 晶向原子結(jié)合能高，抗激光老化能力強(qiáng)，Hellma 單晶圓 193nm 激光損傷閾值 >10J/cm2，可承受高能量、高重復(fù)頻率（數(shù)千 Hz）ArF 激光長(zhǎng)期輻照，不褪色、不損傷、光學(xué)性能無(wú)衰減，大幅延長(zhǎng)元件使用壽命。

1.2 Hellma 原廠工藝的性能保障

超高純度（LD?A 光刻級(jí)）：金屬雜質(zhì)含量 <1ppm，無(wú)晶界、無(wú)位錯(cuò)聚集、無(wú)微裂紋，折射率均勻性 ≤0.5ppm，杜絕雜質(zhì)與缺陷導(dǎo)致的紫外吸收與光斑畸變。

大尺寸定制能力：<111> 晶向單晶最大直徑可達(dá)φ250mm，多晶 φ440mm，厚度≤150mm 可定制，滿足大口徑光刻物鏡、天文望遠(yuǎn)鏡主鏡等超大口徑元件需求。

超精密加工與鍍膜：表面超精拋光 Ra≤0.5nm，可定制增透膜、抗激光膜，適配 193nm 波段專(zhuān)用光學(xué)場(chǎng)景。

二、<111> 晶向 193nm CaF?單晶圓的高精度光學(xué)應(yīng)用

憑借 <111> 晶向的優(yōu)異光學(xué)性能與 Hellma 的工藝保障，該產(chǎn)品已深度滲透半導(dǎo)體光刻、高功率激光、天文空間光學(xué)、精密光譜分析四大高精度領(lǐng)域，成為核心光學(xué)元件。

2.1 半導(dǎo)體 DUV 光刻（核心應(yīng)用）

193nm ArF（干式）/ArFi（浸潤(rùn)式）光刻是 7–45nm 先進(jìn)制程芯片量產(chǎn)的主力技術(shù)，而 <111> 晶向 CaF?單晶圓是光刻系統(tǒng)的全鏈路核心材料，占投影物鏡鏡片總數(shù) 60% 以上。

準(zhǔn)分子激光光源窗口：作為 193nm ArF 激光器輸出 / 諧振腔窗口，承受高能量激光輻照，高透過(guò)率與高損傷閾值保障光源能量穩(wěn)定輸出，避免窗口老化導(dǎo)致的光斑畸變。

照明系統(tǒng)勻光元件：用于光束整形鏡、中繼鏡，將激光均勻化、準(zhǔn)直化；超低應(yīng)力雙折射保障照明光束偏振一致性與能量均勻性，消除掩模版成像陰影與畸變。

投影物鏡核心鏡片：超低色散校正色差，極低雙折射消除偏振像差，高均勻性保障波前精度，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)線寬成像，直接決定芯片制程良率。

2.2 高功率激光系統(tǒng)

適配 193nm/248nm 準(zhǔn)分子激光器、1064nm/532nm 高功率固體激光器，用作真空隔離窗口、激光諧振腔鏡、光束傳輸組件。<111> 晶向的低吸收、高損傷閾值特性，確保激光系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，廣泛應(yīng)用于激光加工、科研儀器、醫(yī)用激光（如光學(xué)相干斷層成像）等領(lǐng)域。

2.3 天文與空間光學(xué)

憑借低色散、低應(yīng)力雙折射、抗高能輻射、寬溫適應(yīng)性?xún)?yōu)勢(shì)，用于高分辨率天文望遠(yuǎn)鏡物鏡、空間相機(jī)光學(xué)元件、衛(wèi)星載荷窗口。在太空環(huán)境下，可保持光學(xué)性能穩(wěn)定，減少光線散射與色差，提升深空探測(cè)信號(hào)傳輸完整性，支撐宇宙探索與對(duì)地觀測(cè)。

2.4 精密光譜分析

作為傅里葉變換紅外（FT?IR）分束器、紫外?可見(jiàn)分光光度計(jì)窗口、拉曼光譜儀元件，130nm–8μm 超寬透光波段可簡(jiǎn)化儀器光路設(shè)計(jì)；低熒光特性避免背景干擾，適配高精度光譜檢測(cè)與分析場(chǎng)景。

三、總結(jié)

德國(guó) Hellma <111> 晶向 193nm CaF?單晶圓，以 <111 > 晶向的天然光學(xué)優(yōu)勢(shì) 為核心，疊加 Hellma 百年光學(xué)工藝的技術(shù)賦能，解決了深紫外高精度光學(xué)系統(tǒng)的色差、波前畸變、激光損傷等核心痛點(diǎn)。作為半導(dǎo)體先進(jìn)制程、高功率激光、天文空間探索等領(lǐng)域的 “材料心臟"，它不僅支撐著當(dāng)前高精度光學(xué)技術(shù)的量產(chǎn)落地，更為未來(lái)更高精度、更大口徑光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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