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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.

The Rayleigh criterion is a fundamental principle in optics that defines the limit of resolution for any imaging system, including the projection systems used in photolithography. It states that two point sources are just resolvable when the center of the diffraction pattern of one is directly over the first minimum of the diffraction pattern of the other. In the context of lithography, this translates to the smallest line or space that can be reliably printed. The formula [latex]CD = k_1 \cdot \frac{\lambda}{NA}[/latex] encapsulates the three primary levers for improving resolution. Firstly, reducing the wavelength ([latex]\lambda[/latex]) of the light source has been a major driver of progress, moving from g-line (436 nm) and i-line (365 nm) mercury lamps to Deep UV (DUV) excimer lasers like KrF (248 nm) and ArF (193 nm), and ultimately to Extreme UV (EUV) at 13.5 nm. Secondly, increasing the numerical aperture (NA) of the projection lens allows it to capture more diffracted light orders, leading to a sharper image. NA is defined as [latex]NA = n \sin \theta[/latex], where n is the refractive index of the medium between the lens and the wafer. Thirdly, the process factor [latex]k_1[/latex] represents the ‘cleverness’ of the process, encompassing improvements like resolution enhancement techniques (RET), photoresist chemistry, and process control. While theoretically [latex]k_1[/latex] has a minimum of 0.25, practical manufacturing values have been pushed down from ~0.8 towards ~0.3 through immense engineering effort. This equation has been the guiding principle for the semiconductor industry’s roadmap for decades, driving the relentless scaling predicted by Moore’s Law.

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)

Invención, innovación y principios técnicos relacionados.

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