为何金刚石窗口片是EUV系统不可或缺的材料？

长期以来，人们都知道钻石具有特殊的性质，这主要是由于由极强的键连接的轻碳原子组成的立方晶格的对称性。历史上，它主要因其在机械应用中的高硬度而被开发。然而，它也被用于其传感、热或半导体特性有用的地方。早在 1978 年，金刚石就被用于光学领域。例如，由于金刚石具有较宽的透明窗口（见图 1）和优异的机械性能，因此在先锋金星轨道飞行器中使用金刚石作为其红外 (IR) 光谱仪的窗口。然而，天然金刚石通常无法达到光学所需的尺寸，也无法达到工程解决方案所需的一致质量。

为了研究金刚石在 LPP EUV 应用中的价值，列出高功率光束线中光学器件的关键规格很有用：1) 低吸收系数；2）断裂强度高；3）导热系数高；4）低热膨胀系数（CTE）。该表将金刚石的一些物理特性与常用的红外光学材料硒化锌 (ZnS) 的物理特性进行了比较。

低吸收对于最大限度地减少光学元件的发热以及整个系统的光学损耗至关重要。金刚石具有 5.45 eV 的宽带隙，这意味着金刚石的短波长截止约为 230 nm，而由于键合的对称性，该材料在微波区域内基本上是透明的。因此，金刚石在广泛的波长范围内具有良好的透射率，包括许多可用于为 EUV 系统供电的关键波长。当然，应该注意的是使用的是多晶金刚石。在许多光学材料中，光学元件的多晶性质会限制其使用；然而，金刚石的立方结构最大限度地减少了薄膜中多个晶体取向对性能的影响。

金刚石的第二个关键特征是其高断裂强度。当光学器件充当不同压力体积之间的分隔器时，这一点可能变得至关重要。设计用于安全保持压力的典型金刚石窗口比由 ZnS 制成的类似窗口薄四倍以上。这种更高的断裂强度将明显降低系统中的总吸光度，从而减轻金刚石窗口比竞争对手材料稍高的吸光系数。

系统的下一个关键参数是导热率。窗口中吸收的所有功率必须快速转移到冷却系统，以最大限度地降低窗口的峰值温度，否则可能会因热透镜效应而导致功率损失，或导致光学器件损坏。这种热量不仅来自窗户材料，还来自涂层，涂层的吸收系数比窗户本身更高。因此，良好导热性的实际重要性可能高于低吸收性。在这里，钻石表现出色；键的刚性和碳原子的轻盈性意味着晶格具有极高的振动频率和 2220 K 的高德拜温度。由于应用往往在远低于该温度的情况下运行，因此几乎没有声子散射。

最后，金刚石的低 CTE 对光学工程师来说非常有用。即使金刚石窗口确实发生一些加热，低 CTE 也可确保窗口不会显着改变其形状，从而最大限度地减少热透镜效应，并导致光束质量比竞争对手材料大幅提高。

光学级金刚石是唯一能够实现提高 EUV 光刻系统吞吐量所需的高输入功率的材料。事实上，现有的材料等级足以形成窗户，顺利获得适当设计的涂层和冷却，可以处理高达 50 kW 的平均功率而不会出现故障。

EUV 的额外挑战之一是需要极高品质的光学元件，以尽量减少波前畸变和光束质量损失。由金刚石制成的典型 CO 2激光输出耦合器的平坦度约为 1 至 2 λ (λ = 633 nm)；然而，EUV 系统的组件在较大的窗口上可能需要严格至 λ/2 的平坦度规格，而某些反射光学器件可能需要 λ/30，这在处理如此坚硬的化学惰性材料时是一个真正的挑战。

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