4. 照明系统（二）：光瞳整形与照明模式

好，咱们接着聊照明系统。上一节我讲了光源的基本构成，这一节咱们深入聊聊光瞳整形和照明模式。说实话，这部分内容在光刻工艺里特别关键，但很多工程师容易忽略它的重要性。

我个人习惯把照明系统比作「光的整形车间」。光源发出的光，就像一块粗糙的毛坯，需要经过一系列加工才能变成适合光刻的「精良工具」。光瞳整形，就是其中最关键的一道工序。

4.1 光瞳整形的基本概念

先说说什么是光瞳。简单理解，光瞳就是光束通过透镜系统时，被限制的那个「最窄的通道」。在光刻机里，光瞳的位置通常在照明系统的后焦面上。

光瞳整形，说白了就是改变光瞳面上的光强分布。为什么要这么做？因为不同的光强分布，会直接影响成像的分辨率和对比度。我在项目中遇到过好几次，明明光源功率够大，但成像质量就是上不去，最后发现是光瞳整形没做好。

4.2 常见照明模式

尼康光刻机支持多种照明模式。我按使用频率，给大家列一下：

照明模式	光瞳形状	主要用途	特点
常规照明	圆形均匀分布	通用工艺、接触孔	最简单，但分辨率有限
环形照明	环形区域	密集线条、存储器件	提高分辨率，降低焦深
偶极照明	两个对称区域	一维密集线条	方向性强，分辨率极高
四极照明	四个对称区域	二维密集图形	兼顾两个方向的分辨率

4.3 常规照明

常规照明就是光瞳面上光强均匀分布，像个圆盘。这是最基础的照明模式。你想想看，如果光刻工艺要求不高，用常规照明就够了。

但常规照明有个问题：它的分辨率受限于数值孔径和波长。我记得有一次，客户要求做90nm的密集线条，用常规照明死活做不出来。后来换成环形照明，问题就解决了。

4.4 环形照明

环形照明，就是把光瞳中心区域挡住，只让光从环形区域通过。这样做的好处是：提高了空间频率的传递效率，说白了就是让高频信息更好地通过光学系统。

环形照明有两个关键参数：内环半径和外环半径。内环半径决定了低频成分的截止，外环半径决定了高频成分的通过。我建议初学者先记住一个经验值：环宽比（Ring Width Ratio）在0.6-0.8之间效果比较好。

4.5 偶极照明

偶极照明，顾名思义，光瞳面上有两个对称的亮区。这种模式特别适合一维密集线条，比如存储器件中的字线或位线。

偶极照明有两种常见配置：水平偶极和垂直偶极。水平偶极适合垂直方向的线条，垂直偶极适合水平方向的线条。这个方向性一定要搞清楚，我曾经见过有人把方向搞反了，结果成像质量一塌糊涂。

偶极照明的优势在于：它能显著提高特定方向的分辨率。但代价是：另一个方向的分辨率会下降。所以，如果你的图形在两个方向都有密集线条，偶极照明就不太合适了。

4.6 四极照明

四极照明是偶极照明的扩展，光瞳面上有四个对称的亮区。它兼顾了水平和垂直两个方向的分辨率，适合二维密集图形。

四极照明的参数比偶极照明更复杂。除了极半径，还有极角（Pole Angle）需要设置。极角决定了四个亮区的位置，通常设置在45度或135度方向。

我个人习惯，在遇到二维密集图形时，先试试四极照明。如果效果不理想，再考虑其他模式。但要注意，四极照明的光能利用率比偶极照明还低，因为光被分散到四个区域了。

4.7 部分相干因子σ调节

这部分内容，我建议你重点理解。部分相干因子σ，是照明系统中最核心的参数之一。

σ的定义是：照明系统的数值孔径与投影物镜的数值孔径之比。用公式表示就是：

σ = NA_illumination / NA_projection

σ的取值范围通常在0到1之间。σ越小，照明越接近相干光；σ越大，照明越接近非相干光。

σ的调节直接影响成像性能：

• 小σ（0.3-0.5）：适合孤立图形，对比度高，但分辨率有限
• 中σ（0.5-0.7）：通用设置，平衡分辨率和对比度
• 大σ（0.7-1.0）：适合密集图形，分辨率高，但对比度下降

4.8 照明模式与σ的配合

照明模式和σ不是独立设置的，它们需要配合使用。我总结了一个简单的配合原则：

• 常规照明：σ通常设置在0.5-0.8之间
• 环形照明：σ由内环和外环决定，内环σ一般在0.4-0.6，外环σ在0.7-0.9
• 偶极照明：σ由极半径决定，通常在0.7-0.9之间
• 四极照明：σ由极半径决定，通常在0.6-0.8之间

嗯，这里要注意：这些只是经验值，具体数值需要根据实际工艺来优化。我建议你在调试时，先设置一个中间值，然后通过实验来微调。

4.9 知识体系结构图

下面我用一张SVG图，把照明系统的核心逻辑展示出来：

这张图把照明系统的核心逻辑串起来了。从光源出发，经过光瞳整形，形成不同的照明模式，再配合σ调节，最终实现优化成像的目标。

好了，照明系统这部分内容就讲到这里。下一节我会讲投影物镜系统，那是光刻机的另一个核心部件。

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