真空光学窗口是半导体工艺设备的核心组件之一，它的核心作用是在维持设备腔室超高真空环境的前提下，实现外部光学信号与腔室内工艺过程的双向传输，支撑光刻、薄膜沉积、刻蚀、检测等关键工序的精准执行。

真空光学窗口

核心应用场景

半导体工艺设备对真空环境的要求极高，真空光学窗口需适配不同波长的光学系统，具体应用可分为四大类：

光刻工艺：芯片图形化的核心窗口

光刻是半导体制造的必要工序，真空光学窗口用于深紫外（DUV）、极紫外（EUV）光刻机的曝光系统。

- 在EUV光刻机中，腔室需维持超高真空，光学窗口需透射波长为13.5nm的EUV光，同时隔绝外部大气与内部真空。

- 窗口材料需具备极低的EUV吸收系数，目前主流选择是超薄钼硅多层膜结合低缺陷的蓝宝石或氟化钙基底，且需严格控制表面粗糙度，防止光散射影响光刻分辨率。

- 此外，窗口需耐受光刻过程中的热负荷，避免热形变导致的成像偏差。

薄膜沉积与刻蚀工艺：过程监控与能量传输窗口

在物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、等离子体刻蚀等工艺中，真空光学窗口主要承担光学原位监控和等离子体诊断的功能：

- 原位膜厚监控：通过窗口传输可见光/红外光，利用椭偏仪、分光光度计实时监测薄膜的生长速率和厚度均匀性，确保沉积层的精度。

- 等离子体诊断：通过窗口采集等离子体的发射光谱（OES）、吸收光谱（AS），分析等离子体的电子温度、离子密度、活性基团浓度，从而优化工艺参数。

- 激光退火窗口：在激光退火（ELA）工艺中，窗口需透射高功率激光，将晶圆表面的掺杂区域快速加热至激活温度，同时维持腔室真空以避免杂质污染。

晶圆检测与缺陷分析：真空环境下的成像窗口

半导体工艺的中后段需要对晶圆进行在线缺陷检测，部分高精度检测需在真空环境下进行（避免空气分子对检测光束的干扰）：

- 扫描电子显微镜（SEM）/原子力显微镜（AFM）联用系统：真空光学窗口可用于引入光学探针，实现“光学+电子”双模态成像，同时维持样品腔的高真空，防止样品氧化或污染。

- 激光散射缺陷检测：通过窗口发射激光，采集晶圆表面的散射光信号，识别纳米级的颗粒缺陷、图案缺陷，窗口需具备高透光率和低散射特性，确保检测灵敏度。

离子注入工艺：束流诊断与校准窗口

离子注入是向晶圆中掺杂杂质离子的关键工艺，真空光学窗口用于离子束流的诊断与校准：

- 通过窗口传输激光，利用激光诱导荧光（LIF）技术测量离子束的能量分布、束流密度和均匀性，确保注入深度和掺杂浓度的精准控制。

- 窗口需耐受离子束的轰击和次级辐射，材料需具备高硬度、抗辐照性能。

半导体工艺对真空光学窗口的核心性能要求

半导体设备的严苛工况，决定了真空光学窗口需满足比普通光学窗口更高的技术指标：

真空密封性

漏率低于10^-10Pa·m³/s，适配金属密封或陶瓷焊接工艺。

波长透射范围

覆盖紫外（UV）到红外（IR）波段，针对特定工艺需定制。

机械性能

高硬度、抗热震性，耐受腔室压力变化和工艺冲击。

表面质量

表面粗糙度<0.5nm RMS，无划痕、麻点，降低光散射和缺陷吸附风险。

化学稳定性

耐等离子体腐蚀，不释放杂质气体。

热学性能

高热导率，低热膨胀系数，避免热形变。

主流窗口材料及选型依据

不同半导体工艺需匹配不同的窗口材料，核心选型依据是透射波长、工况环境、寿命成本：

熔融石英（SiO₂）

- 透射范围：180nm-3.5μm，覆盖紫外到近红外波段。

- 优势：成本低、表面易抛光、真空兼容性好。

- 应用：光刻工艺的辅助窗口、薄膜沉积的原位监控窗口。

- 局限：抗等离子体腐蚀能力弱，在氟基刻蚀工艺中易被侵蚀。

蓝宝石（Al₂O₃）

- 透射范围：190nm-5.5μm，机械强度高、抗热震性好。

- 优势：耐等离子体轰击，适合刻蚀、PVD等强工况工艺。

- 应用：等离子体诊断窗口、激光退火窗口。

氟化钙（CaF₂）/氟化镁（MgF₂）

- 透射范围：120nm-9μm（CaF₂），深紫外波段透射率高。

- 优势：极低的紫外吸收，是EUV光刻的核心基底材料。

- 局限：机械强度低、易潮解，需真空密封保存和使用。

CVD金刚石

- 透射范围：220nm~25μm，覆盖紫外到远红外波段，热导率为所有光学材料之最。

- 优势：超高硬度、抗辐照、耐等离子体腐蚀，可承受极端热负荷和离子轰击。

- 应用：离子注入束流诊断窗口、高功率激光退火窗口、极紫外光刻的散热窗口。

- 局限：成本高，大尺寸、低缺陷的CVD金刚石窗口制备难度大。

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