Radiation-induced defects in calcium fluoride and their influence on material properties under 193 nm laser irradiation

Abstract

Calcium fluoride (CaF2) is one of the key lens materials in deep-ultraviolet microlithography because of its transparency at 193 nm and its nearly perfect optical isotropy. Its physical and chemical properties make it applicable for lens fabrication. The key feature of CaF2 is its extreme laser stability. rnAfter exposing CaF2 to 193 nm laser irradiation at high fluences, a loss in optical performance is observed, which is related to radiation-induced defect structures in the material. The initial rapid damage process is well understood as the formation of radiation-induced point defects, however, after a long irradiation time of up to 2 months, permanent damage of the crystals is observed. Based on experimental results, these permanent radiation-induced defect structures are identified as metallic Ca colloids.rnThe properties of point defects in CaF2 and their stabilization in the crystal bulk are calculated with density functional theory (DFT). Because the stabilization of the point defects and the formation of metallic Ca colloids are diffusion-driven processes, the diffusion coefficients for the vacancy (F center) and the interstitial (H center) in CaF2 are determined with the nudged elastic band method. The optical properties of Ca colloids in CaF2 are obtained from Mie-theory, and their formation energy is determined.rnBased on experimental observations and the theoretical description of radiation-induced point defects and defect structures, a diffusion-based model for laser-induced material damage in CaF2 is proposed, which also includes a mechanism for annealing of laser damage. rn

Kalziumfluorid (CaF2) ist aufgrund seiner Transparenz bei 193 nm und seiner nahezu perfekten optischen Isotropie eines der wichtigsten Linsenmaterialien für optische Mikrolithografie im tief-ultravioletten Spektralbereich. Darüber hinaus ist es durch seine chemischen und physikalischen Eigenschaften für die Linsenherstellung geeignet. Die herausragende Eigenschaft von CaF2 ist jedoch seine ausgezeichnete Laserbeständigkeit.rnNach der Bestrahlung mit 193 nm Laserstrahlung bei hohen Strahlungsdichten ist eine Veränderung der optischen Eigenschaften zu beobachten, die durch strahlungsinduzierte Defektstrukturen verursacht wird. Die nach kurzer Bestrahldauer auftretenden ausheilbaren Materialschädigungen sind durch die Bildung strahlungsinduzierter Punktdefekte erklärt. Nach einer Bestrahlzeit von bis zu zwei Monaten treten jedoch permanente Strahlungsschäden auf, die basierend auf experimentellen Beobachtungen auf die Bildung metallischer Kalziumkolloide zurückgeführt werden können.rnDie Eigenschaften der Punktdefekte in CaF2 und deren Stabilisierung im Kristallrnwerden mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie beschrieben. Da die Stabilisierungrnder Punktdefekte und die Bildung metallischer Kalziumkolloide diffusionsbestimmte Prozesse darstellen, sind die Diffusionseigenschaften der Fluorfehlstelle (F Zentrum) und des Fluors auf einem Zwischengitterplatz (H Zentrum) von besonderem Interesse.rnDie optischen Eigenschaften der Kalziumkolloide in CaF2 werden aus der Mie-rnTheorie berechnet, und die Bildungsenergie der Kalziumkolloide wird bestimmt.rnAufgrund experimenteller Beobachtungen sowie der theoretischen Beschreibungrnstrahlungsinduzierter Punktdefekte und Defektstrukturen, wird ein diffusionsbasiertes Modell für laserinduzierte Materialschädigung in CaF2 aufgestellt, das sowohl die Bildung strahlungsinduzierter Defekte beschreibt sowie deren Ausheilung.rn