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O Critério de Rayleigh (resolução óptica)

1900
  • John William Strutt, 3rd Baron Rayleigh
Sistema de fotolitografia de projeção que ilustra o critério de Rayleigh em óptica.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

A dimensão mínima que um sistema de fotolitografia por projeção pode imprimir é limitada pela difração e aproximada pelo critério de Rayleigh. A dimensão crítica (CD) é dada por [latex]CD = k_1 cdot frac{lambda}{NA}[/latex], onde [latex]lambda[/latex] é o comprimento de onda da luz, NA é a abertura numérica da lente e [latex]k_1[/latex] é um coeficiente relacionado ao processo. Características menores requerem comprimentos de onda mais curtos ou aberturas numéricas maiores.

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
Eletromagnetismo

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Fundamentais

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Princípio de Huygens-Fresnel da propagação de ondas
  • teoria de difração de Fraunhofer
  • desenvolvimento de lentes ópticas de alta qualidade

Aplicações

  • projeto de microscópios de alta resolução
  • desenvolvimento de processos de litografia de semicondutores
  • projeto de telescópio astronômico
  • limites de densidade de armazenamento de dados em discos ópticos (CD, DVD, Blu-ray)

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

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Relacionado a: critério de Rayleigh, resolução, abertura numérica, comprimento de onda, fator k1, limite de difração, fotolitografia, DUV, EUV, óptica.

Contexto histórico

O Critério de Rayleigh (resolução óptica)

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1900-12-14
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1904
1907

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

Princípios relacionados à invenção, inovação e tecnologia

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