Czochralski 공정 기반 불화물 단결정의 열구배 제어와 광학 품질 상관성 연구
Analysis of structural and optical properties based on calcium fluoride single crystal growth conditions
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참고문헌
초록
본 연구는 심자외선(DUV) 반도체 검사장비용 광학 모듈에 적용 가능한 고순도 CaF₂ 단결정을 확보하기 위해, 초크랄스키(CZ)법 기반 성장 조건이 결정 구조 및 광학 특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. <111> 방향으로 성장된 단결정을 대상으로 성장 속도와 냉각 속도를 변화시킨 두 조건(C2308, C2408)을 비교하였으며, 열구배 변화가 잉곳내부 응력 축적과 결함 형성에 미치는 영향을 평가하였다. 느린 성장(0.72 mm/h)과 완만한 냉각(9.4°C/h)을 적용한 C2408시편은 열구배가 감소하여 구조적 결함과 잔류응력이 억제되었고, 이에 따라 193 nm에서 복굴절이 2.392 nm/cm로 감소하고 투과율은 83.81 %로 향상되었다. 또한 굴절률 균질도는 13.77 ppm으로 빠른 성장 조건 대비 약 52 % 개선된 값을 나타냈다. 이러한 결과는 성장 및 냉각 속도 제어가 CaF₂ 단결정의 결정성, 응력 복굴절 , 결함 밀도 등 구조·광학 특성 전반을 좌우하는 핵심 인자임을 나타낸다.
Abstract
This study investigates the effect of Czochralski (CZ) growth conditions on the structural and optical properties of high-purity CaF₂ single crystals, with a focus on application in deep ultraviolet (DUV) optical applications. Two (111) single crystals, grown under different pulling and cooling rates (C2308 and C2408), were compared to elucidate the influence of thermal gradients on residual stress development and defect formation. The C2408 (slow-pulling, gradual- cooling) condition reduced thermal gradients, resulting in the suppression of structural defects and stress birefringence. These results demonstrate that controlling growth and cooling rates is a critical factor in determining the overall structural and optical properties of CaF₂ single crystals, including crystallinity, stress-induced birefringence, and defect density.