波长与分辨率、对比度和清晰度的关系(光刻机光刻原理)

    一切影响光学系统的分辨率的因素都来源于衍射效应。当光波通过具有一定狭缝或孔径的障碍物时，均会发生衍射现象。对圆形孔径障碍物来说衍射会产生艾里斑，而对其他形状孔径的障碍物来说，同样会产生其他形貌的衍射图样。

    衍射现象可描述为一个无限小的物点经光学系统或狭缝等障碍物成像时将产生一个弥散光斑。对圆形孔径障碍物而言，根据瑞利判据，当物方上的两点逐渐靠近至某一最小距离时，像方上对应的像点将不可分辨（变现为两个弥散的光斑交叠在一起）。下图中（a）为物，（b）（c）为物经圆形孔径后所成的像（（b）表示长波照射下所成的像，（c）表示短波照射下所成的像）。

图1 物在不同波长照射下所成的像

    衍射发生的条件为波长λ比障碍物的尺寸D大或相差不多，波长越大，衍射效应越明显，对应产生的弥散光斑就越大，像就越模糊，对应的系统分辨率就越低；相反，波长越小，衍射效应越不明显，对应产生的弥散光斑就越小，像就越清晰，对应系统的分辨率也就越高。上期我们重点讨论是如何通过增大光学系统的通光孔径来提高系统分辨率，事实上，在照射光波长上做出改变也是一个可供的选择，比如在成像系统中我们将照射光波换为高速运动的电子，因为电子的波动性不明显，产生的衍射效应更低，系统分辨率更高，射电望远镜和电子显微镜均是其应用的实例。

下方我们以半导体制成工艺为例介绍波长对光学系统分辨率的影响：

图2 EUV光刻机（图片来源于网络）

     光刻的原理是在硅片表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶，再用深紫外光或极紫外光透过掩膜版照射在硅片表面，被光线照射到的光刻胶会发生反应。而后用特定溶剂洗去被照射/未被照射的光刻胶，就实现了电路图从掩模到硅片的转移。

图3 光刻机光刻GIF图（图片来源于网络）

     由图4可见，清晰的物（掩膜）经光学系统成在晶圆（像面）上的像将在一定程度上变得模糊（表现为对比度的下降）。根据瑞利判据，照射波长越小，对应晶圆上的艾里斑就越小，这样像的分辨率（分辨率通常以每毫米最多可分辨的线条数来表示（单位为lp/mm:毫米每线对））和对比度就越高，即系统成像的清晰度提升了，这样一来，掩膜版的图形就可近似完美的刻在硅片上。半导体低纳米制成工艺通常要求更短的光波长，因为只有这样才可以在晶圆上刻制出和掩膜版近似一样的图形(纳米尺度上)。

图4 光刻简易图

      从以上的讨论中可以知道，照射波长越小，对应像的对比度和分辨率就越高，即像的清晰度提高了，可以简单理解为像的清晰度=分辨率+对比度，这里的对比度也称作锐度。

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