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光学衍射极限与光刻机

(2020-06-16 16:58:58)
          18世纪70年代,德国物理学家恩斯特·阿贝发现,可见光由于其波动特性会发生衍射,因而光束不能无限聚焦。根据这个阿贝定律,可见光能聚焦的最小直径是光波波长的三分之一,在当时就是200nm。一个多世纪以来,现代光学实验与应用仍受光学衍射极的困扰,其直接后果就是我们无论制作的光学仪器多么精密,按照光的螺旋传播模型得到的聚焦光斑直径(或光学分辨率)都不会小于λ/π。

    光刻机是半导体产业中最关键设备,为了实现摩尔定律,光刻技术就需要每两年把曝光关键尺寸(CD)降低30-50%。光刻机的工作原理也受到光学衍射极限的限制。根据瑞利公式:CDk1×λNA),我们能做的就是降低曝光光波的波长λ,提高镜头的数值孔径NA,降低综合因素k1,才能不断把曝光关键尺寸(CD)降低。根据光刻机所用光源改进和工艺创新,光刻机经历了 5 代产品的发展,每次的改进和创新都显著提升了光刻机所能实现的最小工艺节点,目前光刻机已发展到等5代光刻机——EUV,所谓的EUV,是指采用波长为10——14nm的极紫外光作为曝光光源,按λ/π可知,EUV光刻机能达到的最小的工艺节点为3——5nm制程,前四代光刻机使用的光源都属于深紫外光光源,但在摩尔定律的推动下,半导体产业对芯片的需求已发展到5nm,甚至是3nm,入式光刻面临更为严峻的镜头孔径和材料挑战,而第五代EUV程光刻机,可将最小的工艺节点推进到5nm、3nm。

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