瑞利判据一直是光刻机发展的根本遵循，被光刻产业界奉为“金科玉律”。同时，公开发表的“突破瑞利判据”的理论与实验学术论文数以万计，成就了诸多的“全球高被引科学家”。那么，瑞利判据的尽头，BEUV

　　芯片号称现代社会的“工业粮食”，是信息产业的基石。自1958年集成电路诞生之日以来，芯片产业日益成为国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性产业。

　　芯片深刻地改变了人类的生产生活方式，从手机、家电、汽车等以大众消费者为导向的C端产品，到医疗设备、电力、交通运输、电信、电子政务等以业务为导向的B端产品，再到国防领域中的卫星、导弹、航母等装备，都离不开小小的芯片。所谓的“三百六十行，行行用芯。”

　　一颗芯片的诞生流程极其漫长，经历重重考验，可分为芯片设计、前道工序（芯片制造）和后道工序（封测）三个环节。

　　前道工序是芯片产业链的核心环节，是指根据芯片设计版图，采用乐高盖房子方式，以晶圆作为地基，在晶片或介质基片上进行扩散、薄膜、光刻、刻蚀、离子注入、化学机械抛光（CMP）、金属化、量测等工序，层层往上叠的芯片制造流程，最终将芯片设计公司设计好的电路图移植到晶圆上，并实现预定的芯片电学功能。

　　前道工序九大设备主要包括：扩散炉、薄膜沉积设备（包括PECVD、LPCVD、ALD等）、光刻机、涂胶显影机、刻蚀机、离子注入设备、CMP、量测设备和清洗设备。

　　在芯片制造流程中，光刻技术水平直接决定了芯片的最小线宽，定义了半导体器件的特征尺寸，直接决定芯片的制程水平和性能水平。毫无疑问，光刻工艺是芯片制造流程中技术难度最大、成本最高、周期最长的环节。先进技术节点的芯片制造需要60-90步光刻工艺，光刻成本占比约为30%，耗费时间占比约为40%~50%。

　　光刻机则是前道工序九大设备之首，在芯片生产线%。光刻机集成了物理学、超精密光学、精密仪器、高分子物理与化学、数学、材料、自动控制、流体力学、高精度环境控制、软件等40多个学科的最新科学成就，在60余年的发展历程中， 光刻机（包括其零部件）不断挑战人类超精密制造装备的极限，被誉为“现代光学工业之花”，芯片产业 “皇冠上的明珠”。

　　瑞利判据一直是光刻机发展的根本，被光刻产业界奉为“金科玉律”。当前的光刻机发展已经进入高NA（Numerical aperture，数值孔径）的EUV光刻时代，制程可达2nm及以下，预计2025年开始量产。

　　那么，后NA EUV光刻机将如何演化？BEUV（Beyond Extreme Ultraviolet，超越极紫外）光刻机是否会演化成光刻机的大结局？

　　这不得不提到三位杰出的科学家：英国皇家天文学家乔治·比德尔·艾里（George Biddell Airy，1801年~1892年）、德国物理学家恩斯特·阿贝（Ernst Abbe，1840年~1905年）和英国物理学家瑞利（J.Rayleigh，1842年~1919年）。

　　基于光的衍射特性，一个无限小的理想光点，通过任何尺寸的“完美”镜头（实际上每个镜头都具有限定的孔径， 都具有像差）成像后，也会形成一个弥散的图案，即一个明暗相间的圆形光斑。其中以第一暗环为界限的中央亮斑称作“Airy斑”。简而言之，Airy斑中心是一块明亮区域，周围是一系列亮度不断降低的同心圆环。

　　1863年，恩斯特·卡尔·阿贝成为耶拿大学一名讲师（Privatdozent）。1866年，蔡司（Carl Zeiss， 1816年~1888年）聘请当时年仅26岁的阿贝作为独立研究员，从事光学显微镜的设计和研究。需要指出的是，阿贝的物理讲座也需要蔡司公司制造的光学仪器。1872年，阿贝辞去了耶拿大学的工作，正式加盟蔡司公司。

　　1873年，阿贝基于“Airy斑”原理，提出了“Abbe光学衍射极限理论”（Diffraction limitation），分辨率定义为：

　　阿贝是首位定义数值孔径术语的科学家。具体来说，NA=nsin， 是透镜成像系统的数值孔径。因此，分辨率也可被定义为:

　　简而言之，传统光学显微镜能够探测到的物体最小细节是光波长的一半。该经典的公式被刻于阿贝墓碑上。

　　众所周知，当前，EUV光刻机的镜头系统由蔡司公司所制造，镜头系统采用的超低热膨胀玻璃来自于肖特公司。

　　1896年，英国物理学家瑞利以“Airy斑”理论为基础，对“Abbe光学衍射极限理论”进行了进一步的延伸和细化，建立了“瑞利判据”（Rayleigh Criterion）。如果一个点光源的衍射图像的中央最亮处刚好与另一个点光源的衍射图像第一个最暗处相重合，瑞利认为这两个点光源恰好能被这一光学仪器所分辨。

　　瑞利判据通常使用在光学成像的领域，包括显微镜、望远镜、摄影和其他光学成像设备，用于目前各类光学仪器的最高空间分辨率的计算公式。瑞利判据为我们提供了一个判断物体细节是否可以被光学显微镜分辨的标准，同时也指导我们如何提高显微镜的分辨率，例如通过选择更短的辐射波长、提高折射率或使用具有更大半孔径角的显微镜等方法。

　　瑞利的研究工作涵盖了电学、声学和光学等多个领域。1904年，诺贝尔物理学奖授予瑞利，以表彰他在研究最重要的一些气体的密度以及在这些研究中发现了氩。

　　其中，CD是光刻图形的特征尺寸，光学系统在晶圆上可实现的最小线宽，即光刻机的分辨率，k1是工艺因子，DoF是光刻焦深，k2是工艺因子。

　　至此，瑞利判据是波长和数值孔径的表达式，它描述了光刻机衍射极限系统中的分辨率极限，成为了光刻机发展的基础，近60年来，一直被光刻产业界奉为“金科玉律”。

　　瑞利判据表明，物体上两点之间的距离大于某个特定值时才会被分辨。这个特定值与入射光的波长和数值孔径NA有关。在光刻过程中，分辨率的极限直接决定了光刻机能够制造的最小特征尺寸。

　　光刻机的设计师和工程师们必须根据瑞利判据来优化光刻机的设计与制造，以提高光刻分辨率极限，使光刻机能够区分的两个点之间的距离越来越小。根据瑞利判据，提高单次光刻分辨率的方法主要有以下三种途径：

　　除了分辨率之外，焦深DoF也是一个关键参数。在实际的光刻过程中，光刻机镜头会有一个焦点，而在这个焦点的周围存在一个晶片表面可以在垂直方向上移动的范围，只要光刻胶（即感光层）的厚度在这个范围内，那么整个胶层都能得到清晰的曝光，不会导致光刻分辨率出现显著的下降。

　　一般来说，光刻的分辨率越高，焦深越小。也就是说，光刻允许的工艺容差就越小。在实际操作过程中，晶片的表面位置有纳米尺度的变动，也会导致图案的细节部分变得模糊，对光刻结果产生显著的影响。这对光刻机的调平调焦系统提出了更为苛刻的要求。

　　第一种提高光刻分辨率途径，光刻机的波长已经经历了从435nm（G-线nm（I-线nm（深紫外，DUV）、193nm（ArF，干式和水浸没式）到目前的13.5nm（极紫外，EUV）的发展历程。

　　。DUV光刻机投影透镜的数值孔径NA也从0.4增大到0.93，在193nm浸没式光刻机中，由于晶圆和透镜之间填充了水，数值孔径NA可以高达1.35。对于EUV光刻机，数值孔径NA则从0.33提高到了0.55。

　　。例如，离轴照明、计算光刻和光刻胶工艺，等等，用于减小工艺因子k1。单次光刻k1反映了光刻工艺中的实际情况，其理论极限是0.25。

　　为了进一步缩小工艺因子k1，多重曝光技术也被提出来。理论上，“193nm水浸没式技术”+“多重曝光”可以应用于3nm节点的芯片生产。但是实际上，当芯片进入7 nm节点，工艺复杂度直线上升，其工艺步骤是EUV光刻的5倍，光刻次数是EUV光刻的3倍，从而造成了难以解决的“80%的芯片良率”问题。而80%的芯片良率通常是芯片工厂实现盈利的标准。

　　2023年12月，ASML研发的高NA EUV光刻机送达英特尔公司位于美国俄勒冈州的D1X工厂进行安装，该工厂已经成为英特尔公司最前沿研究的基地，也是该公司开发每一代芯片技术的地方。

　　上述芯片工艺或将有部分利用高NA EUV光刻机。除了英特尔公司以。