Láser de enfoque e iluminación fuera del eje y límite de difracción

Question

Pensaba que entendía bien cómo funcionan los trucos de mejora de la resolución para la litografía de proyección, hasta que intenté comprender si es posible obtener un rendimiento de subdifracción para un rayo láser enfocado:

Supongamos que tenemos un láser con una bonita y brillante lente asférica de enfoque perfecta (con un rendimiento que supera ampliamente el límite de difracción para su NA). Este sistema se mueve y dibuja cosas.

La pregunta es: ¿podemos obtener una mayor resolución si aplicamos el truco litográfico habitual de la iluminación anular/cuádruple? Obviamente, no reduciremos las aberraciones gracias a la iluminación fuera del eje, ya que no hay ninguna.

Answer 1

Sí, en algunos casos, para algunas aplicaciones, dependiendo de su definición de "superar el límite de difracción".

En el sentido normal de resolución de imágenes, no se puede superar el límite de difracción con un sistema óptico normal de espacio libre. Pero en la litografía, lo que se necesita no es realmente lo mismo que la resolución en el sentido de la imagen. Dado que se utiliza la luz para grabar un material a una determinada profundidad, lo único que se necesita es un contraste suficiente entre la parte brillante del punto focal y el resto. Si ese contraste es suficiente, entonces su patrón grabado sólo puede llegar a ser profundo en una región más pequeña que la estimación del tamaño típico del punto dado por $2.44 \lambda \mathcal{f}/\#$ .

Para ilustrarlo, piense en el punto focal debido a un sistema de lentes perfecto con una apertura circular. Tiene la forma (ignorando los factores de escala y demás) de: $$ \left(J_1(r) \over r \right)^2$$

donde $J_1$ es la función de Bessel del primer tipo. Los ópticos la llaman función "jinc", por su similitud con la función sinc(). Se eleva al cuadrado para dar la intensidad. Una imagen de este punto se ve así: $$ \left(J_1(2\pi r) \over r \right)^2 $$

Una apertura anular puede considerarse como la diferencia de dos aberturas circulares de tamaño ligeramente diferente, por lo que, por superposición, el campo en el foco de un sistema con apertura anular será la diferencia de dos funciones jink con tamaños diferentes. Dicha función tiene el siguiente aspecto $$ \left(\frac{J_1(2\pi r)}{r} - \frac{J_1(2.1\pi r)}{r}\right)^2 $$

Se puede ver que el punto está considerablemente más disperso en general, lo que sería un problema para un sistema de imagen; pero el punto brillante central es significativamente menor. Si se elige bien la intensidad, los anillos exteriores no afectarán al material litográfico, mientras que el pequeño lóbulo central sí lo hará.

Esto es aún más eficaz si el material se elige de manera que no absorba la luz, excepto en los raros eventos de dos fotones. En este caso, la dependencia de la intensidad de la absorción es como el cuadrado de la intensidad, lo que hace que el contraste entre el punto central y los lóbulos sea aún mejor. No estoy seguro de lo común que es esto en la industria.