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El criterio de Rayleigh (resolución óptica)

1900
  • John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh
Sistema de fotolitografía de proyección que ilustra el criterio de Rayleigh en óptica.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

El tamaño mínimo de las características que puede imprimir un sistema de fotolitografía por proyección está limitado por la difracción y se aproxima mediante el criterio de Rayleigh. La dimensión crítica (CD) viene dada por [latex]CD = k_1 cdot frac{lambda}{NA}[/latex], donde [latex]lambda[/latex] es la longitud de onda de la luz, NA es la apertura numérica de la lente y [latex]k_1[/latex] es un coeficiente relacionado con el proceso. Las características más pequeñas requieren longitudes de onda más cortas o aperturas numéricas más altas.

El criterio de Rayleigh es un principio fundamental en óptica que define el límite de resolución para cualquier sistema de imagen, incluidos los sistemas de proyección utilizados en fotolitografía. Establece que dos fuentes puntuales son resolubles cuando el centro del patrón de difracción de una está directamente sobre el primer mínimo del patrón de difracción de la otra. En el contexto de la litografía, esto se traduce en la línea o espacio más pequeño que se puede imprimir de forma fiable. La fórmula [latex]CD = k_1 cdot frac{lambda}{NA}[/latex] resume los tres principales mecanismos para mejorar la resolución. En primer lugar, la reducción de la longitud de onda ([latex]lambda[/latex]) de la fuente de luz ha sido un importante motor de progreso, pasando de las lámparas de mercurio de línea g (436 nm) y línea i (365 nm) a los láseres de excímeros de ultravioleta profundo (DUV) como KrF (248 nm) y ArF (193 nm), y finalmente al ultravioleta extremo (EUV) a 13,5 nm. En segundo lugar, aumentar la apertura numérica (AN) de la lente de proyección le permite capturar más órdenes de luz difractada, lo que resulta en una imagen más nítida. La AN se define como [latex]AN = n sin theta[/latex], donde n es el índice de refracción del medio entre la lente y la oblea. En tercer lugar, el factor de proceso [latex]k_1[/latex] representa la «inteligencia» del proceso, que abarca mejoras como las técnicas de mejora de la resolución (RET), la química de la fotorresina y el control del proceso. Si bien teóricamente [latex]k_1[/latex] tiene un mínimo de 0,25, los valores prácticos de fabricación se han reducido de ~0,8 a ~0,3 gracias a un inmenso esfuerzo de ingeniería. Esta ecuación ha sido el principio rector de la hoja de ruta de la industria de semiconductores durante décadas, impulsando la constante miniaturización predicha por la Ley de Moore.

UNESCO Nomenclature: 2209
- Electromagnetismo

Tipo

Sistema abstracto

Ruptura

Fundacional

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Huygens-Fresnel principle of wave propagation
  • Fraunhofer diffraction theory
  • development of high-quality optical lenses

Aplicaciones

  • design of high-resolution microscopes
  • semiconductor lithography process development
  • astronomical telescope design
  • data storage density limits in optical discs (cd, dvd, blu-ray)

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

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Relacionado con: criterio de Rayleigh, resolución, apertura numérica, longitud de onda, factor k1, límite de difracción, fotolitografía, DUV, EUV, óptica.

Contexto histórico

El criterio de Rayleigh (resolución óptica)

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1904
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(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

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