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Il criterio di Rayleigh (risoluzione ottica)

1900
  • John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh
Sistema di fotolitografia a proiezione che illustra il criterio di Rayleigh in ottica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

La dimensione minima delle caratteristiche che un sistema di fotolitografia a proiezione può stampare è limitata dalla diffrazione ed è approssimata dal criterio di Rayleigh. La dimensione critica (CD) è data da [latex]CD = k_1 cdot frac{lambda}{NA}[/latex], dove [latex]lambda[/latex] è la lunghezza d'onda della luce, NA è l'apertura numerica della lente e [latex]k_1[/latex] è un coefficiente legato al processo. Caratteristiche più piccole richiedono lunghezze d'onda più corte o aperture numeriche più elevate.

Il criterio di Rayleigh è un principio fondamentale dell'ottica che definisce il limite di risoluzione per qualsiasi sistema di imaging, compresi i sistemi di proiezione utilizzati nella fotolitografia. Afferma che due sorgenti puntiformi sono appena risolvibili quando il centro del pattern di diffrazione di una si trova direttamente sopra il primo minimo del pattern di diffrazione dell'altra. Nel contesto della litografia, questo si traduce nella linea o nello spazio più piccolo che può essere stampato in modo affidabile. La formula [latex]CD = k_1 cdot frac{lambda}{NA}[/latex] racchiude i tre principali fattori che contribuiscono al miglioramento della risoluzione. In primo luogo, la riduzione della lunghezza d'onda ([latex]lambda[/latex]) della sorgente luminosa è stata un fattore determinante per il progresso, passando dalle lampade a mercurio della linea g (436 nm) e della linea i (365 nm) ai laser a eccimeri Deep UV (DUV) come KrF (248 nm) e ArF (193 nm), e infine all'UV estremo (EUV) a 13,5 nm. In secondo luogo, l'aumento dell'apertura numerica (NA) della lente di proiezione le consente di catturare più ordini di luce diffratta, portando a un'immagine più nitida. NA è definita come [latex]NA = n sin theta[/latex], dove n è l'indice di rifrazione del mezzo tra la lente e il wafer. In terzo luogo, il fattore di processo [latex]k_1[/latex] rappresenta l'"intelligenza" del processo, che comprende miglioramenti quali tecniche di miglioramento della risoluzione (RET), chimica del fotoresist e controllo di processoSebbene teoricamente [latex]k_1[/latex] abbia un minimo di 0,25, i valori pratici di produzione sono stati ridotti da ~0,8 a ~0,3 attraverso un immenso sforzo ingegneristico. Questa equazione è stata il principio guida per l'industria dei semiconduttori tabella di marcia per decenni, alimentando l'inesorabile crescita prevista dalla legge di Moore.

UNESCO Nomenclature: 2209
- Elettromagnetismo

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Fondamento

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

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

Applicazioni

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

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • algoritmi di litografia computazionale che pre-distorcono i modelli di maschera per contrastare gli effetti di diffrazione
  • metamaterial-based ‘superlenses’ that can overcome the diffraction limit
  • litografia quantistica che utilizza fotoni entangled per la modellazione di lunghezze d'onda inferiori
  • litografia plasmonica che utilizza plasmoni di superficie per creare caratteristiche su scala nanometrica
  • directed self-assembly (dsa) of block copolymers guided by a low-resolution pre-pattern
  • litografia a sonda a scansione per la manipolazione su scala atomica
  • multi-beam maskless lithography systems for prototipazione rapida
  • modulatori acustico-ottici per la generazione di pattern dinamici
  • litografia olografica per la creazione di strutture periodiche di grandi dimensioni
  • litografia a raggi X per microstrutture ad alto rapporto d'aspetto
Argomenti correlati: criterio di Rayleigh, risoluzione, apertura numerica, lunghezza d'onda, fattore k1, limite di diffrazione, fotolitografia, DUV, EUV, ottica.

Contesto storico

Il criterio di Rayleigh (risoluzione ottica)

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1900-12-14
1902
1904
1907

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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