单晶氟化钙材料具有极高的极紫外光透过率、激光损伤阈值和低折射率,是极紫外光刻系统不可或缺的透镜材料之一。随着193 nm波长的深紫外光刻工艺已经接近该波段光刻分辨率的极限,要实现更低特征尺寸的半导体芯片制造,发展13.5 nm波长的极紫外光刻技术势在必行。在此背景下,氟化钙晶体已经逐步取代熔融石英成为了深/极紫外光刻系统中最重要的物镜材料。极紫外光刻技术对单晶氟化钙物镜的面型精度、表面粗糙度等提出了极为苛刻的要求。例如,氟化钙物镜(亚)表面损伤的存在,将会显著降低物镜材料的激光损伤阈值,并影响极紫外光刻的加工分辨率与物镜系统寿命。因此,实现氟化钙物镜的超精密表面加工已成为发展极紫外光刻技术的前提条件,开展相关的超精密表面加工理论与工艺研究,有助于提高氟化钙物镜的加工技术水平和国产光刻机的研发水平,对提升我国在集成电路制造领域的国际地位具有极其深远的战略意义。本文针对单晶氟化钙化学机械抛光加工中所面临的问题,首先在不同含水环境中开展了单晶氟化钙单点金刚石划痕实验,借助分析测试设备对材料去除体积、划痕表面微观形貌、塑性变形损伤、化学成分等进行表征,揭示了环境水分对单晶氟化钙机械去除的影响机制。其次,开展了单晶氟化钙材料摩擦化学去除实验,重点考察了材料去除体积、表面质量、亚表面晶格结构、摩擦力、黏着力随溶液pH值的变化规律,揭示了氟化钙材料摩擦化学去除机理。最后,探究了氟化钙材料的原子级去除极限,通过摩擦化学方法实现了单晶氟化钙解理面部分和多层F-Ca-F离子层去除;并基于摩擦化学去除实验结果与理论,提出了化学机械抛光的优化方案,最终实现了超光滑、低损伤的单晶氟化钙表面加工。本论文得到的主要结论如下:(1)揭示了环境水分对单晶氟化钙材料机械去除的影响机制。分别在不同含水环境中开展了单晶氟化钙单点金刚石划痕实验。实验结果表明,在干燥氮气环境中,氟化钙材料去除由应力引起的晶体滑移主导,且加工面较为光滑,材料去除符合典型的Archard塑性磨损模型。在潮湿氮气环境中,诱导偶极作用促进离子键断裂并引起微裂纹萌生,使材料塑性变形程度减弱。随着针尖的往复滑动,裂纹尖端离子不断发生溶解而导致裂纹持续扩展,最终引起局部材料剥落或层离。特别地,在纯水环境中,材料塑性变形程度和亚表面损伤受到显著抑制,材料去除由离子溶解和剥落主导。(2)揭示了单晶氟化钙材料的摩擦化学去除机理。分别在不同含水环境和不同pH值的KOH溶液环境中开展单晶氟化钙摩擦化学去除实验,研究了氟化钙的摩擦化学去除行为。研究发现,在碱性溶液环境中氟化钙表面电性为中性或带有少量的负电荷,其与带负电的二氧化硅针尖表面存在静电排斥,据此排除对磨副间形成化学键桥导致离子去除的作用机理。进一步研究发现,单晶氟化钙的摩擦化学去除机制为碱性溶液腐蚀作用下氟化钙表面生成软化层,软化层不断被针尖磨削去除。软化层材料去除后单晶氟化钙的表层和次表层晶格保持完好。(3)探究了单晶氟化钙原子级材料去除极限。通过特定pH值的KOH溶液的腐蚀作用与探针扫描实现了小于单层F-Ca-F离子层厚度(0.315 nm)的原子级材料去除,材料去除深度约为0.23 nm。结果表明氟化钙材料F-Ca-F离子层内部发生了Ca-F~+或F~-部分离子层去除,这可能是单晶氟化钙材料的去除极限。此外,在KOH溶液中,通过摩擦化学方法实现了单晶氟化钙解理面台阶多层F-Ca-F离子层去除。以上方法可应用于抛光后氟化钙表面台阶结构的去除。(4)提出了单晶氟化钙化学机械抛光优化方案,并实现了超光滑、低损伤氟化钙表面的加工。基于前期摩擦化学去除机理研究结论,提出单晶氟化钙化学机械抛光工艺优化方案。通过化学机械抛光加工获得了超光滑、低损伤的单晶氟化钙表面,抛光后的表面均方根粗糙度(RMS)低于0.4 nm,亚表面晶格保持完好。