离轴照明（off-axis illumination），亦称“倾斜曝光”或“非轴向曝光”，是半导体技术中光刻图案化过程里的一种先进曝光技术。该技术能够在不改变数值孔径（如浸没光刻）或所用波长的情况下，提高特定结构的分辨率并增大焦深。 类似技术早被用于提高光学顯微鏡的对比度。1989年，该技术首次引入半导体技术领域，并于20世纪90年代初被佳能和尼康整合至其光刻系统中。

离轴照明属于分辨率增强技术，主要应用于特征尺寸小于光波长（193 nm）的场景。该类技术还包括光学邻近校正、相移掩模（）及多重图案化（）。

工作原理
传统照明
在光刻图案化过程中，光会引发光敏抗蚀剂层（光刻胶）的局部光化学反应，从而改变光刻胶的局部特性（主要是溶解度）。通过包含目标图形的光掩模遮挡光线来实现局部曝光，使特定区域受光而其他区域不受光。溶解对应区域后，基底（通常为硅晶圆）上便会留下带有光掩模图形的掩蔽光刻胶层。这种光掩模图形投影的简单描述仅适用于尺寸大于所用光波长的结构。近年来半导体技术中，若光掩模上的目标结构尺寸接近波长级别，光的波动性便不可忽略。特别是微小周期性结构产生的衍射效应，对光刻胶内的图形投影具有决定性影响。下文将简要说明极密集结构的投影质量为何会下降，以及离轴照明如何改善投影效果。

通常光线垂直照射掩模，即平行于光学系统的主轴，常称为柯勒照明（以奥古斯特·科勒命名）。0级衍射光沿入射方向在光学系统中继续传播，而其他衍射级次的光则向两侧衍射。由于高级次衍射光的偏转角随结构尺寸缩小而增大，对于极小的结构，只有0级衍射光能穿过掩模到达物镜并最终投射到光刻胶层上。然而0级衍射光仅包含光源信息，导致光掩模的结构无法投射到光刻胶层中。成功投影至少需要一个额外的衍射级次。通常衍射级次越多，投影质量越高，但更高级次对质量的提升作用会迅速减弱。为在极高分辨率下仍保持充足的投影质量，只需使0级、+1级和-1级衍射光到达物镜即可（三光束照明）。

离轴照明
单极离轴照明可改善此问题。该方案中，光线以倾斜角度照射掩模。这种照射方式可使各衍射级次的横向位置发生偏移，即使结构更密集，射入物镜的也不仅仅是0级衍射光。当0级光束与其中一束1级光束（+1或-1级）以相同角度与光轴相交并被物镜收集时，即可获得最佳投影效果（双光束照明）。该设置能够改善垂直于光线入射面的周期性结构的分辨率（达到理论最大值）。然而平行于入射面的结构则无法得到改善，这是实际应用中的显著缺点。此外，该设置未能收集另一束1级衍射光，导致能量损失巨大；且每次均需针对不同的结构尺寸重新调整入射角，这也是其不利之处。

由于技术实现成本高（需彻底重新设计现有设备）以及“倾斜光学系统”应用不够灵活，离轴照明在实际应用中采取了另一种方式。现有光刻设备的结构基本保持不变，主要仅在系统与光掩模之间增设一个特定形状的孔径光阑。 该光阑的特点是遮挡光轴附近的区域，从而阻挡光线垂直照射到结构上。经此改造，光线仅从中间半径或边缘区域照射掩模，由所采用的环形光源形成圆锥状角分布，斜射至掩模。这与前文所述的斜角照明类似，会使所有发生倾斜。系统经过微调后，物镜仅收集入射光的0级和其中一束1级衍射光的边缘光线，使其照射到光敏层（光刻胶）上，从而在光刻胶内产生更高的。

中文术语“离轴照明”、德语术语“Schrägbeleuchtung”及相应的英语术语“”具有一定误导性，因为在传统的部分相干照明中，也存在平行和倾斜于光轴的光分量。因此“离轴照明”专门指代1992年以后出现的、完全排除平行于光轴的光分量的技术。

光源分布类型
常见的光源分布类型包括：

偶极照明（x或y轴）：适用于所有线条与偶极子排列方向平行的图形。

四极照明（，quad）：适用于所有线条沿x或y方向分布的图形，但不适用于斜线（例如45°）。

交叉四极照明（，c-quad）。

环形照明（）：能够提高各种方向结构的分辨率。不过这种提升幅度不如专用的光源分布显著，且会牺牲部分焦深。

除这些基本形态外，业界还推出了多种基本形态的组合（通常保留少量传统圆孔光阑分布）或细节有所改变（主要体现在尺寸上）的形态，它们对特定结构具有优势。此外各设备制造商均提供专属的光源分布方案，这些方案大多基于四极照明。例如艾司摩爾（ASML）的四极分段环形照明（，QUASAR）、佳能的CQuest（）以及尼康的SHRINC（）。

近年来研究人员亦在探索更复杂的形态，例如六极照明或阿斯麦的自由曲面照明（，FlexRay）。

优缺点
这种分辨率增强技术的主要优点在于可较为轻松地整合至现有曝光系统中。在一台设备上同时提供上述各种光源分布及传统照明模式几乎没有技术障碍。因而能够快速、低成本地完成原本极为昂贵（数百万欧元）的曝光设备改造，因为离轴照明无法普遍提高所有情形下的分辨率。

离轴照明对分辨率的提升高度依赖于投影结构的位置和尺寸，且每种结构均需单独优化，因为光掩模上的结构在尺寸、周期性和方向上通常差异极大。因此离轴照明的应用与周期性结构的密集间距（）密切相关，需针对特定间距进行优化。对于间距较大的结构，其投影效果甚至可能劣于传统照明。一般无法将某组曝光设置直接移植用于其他尺寸的结构。这一限制同样适用于偏离优化轴的结构，例如交叉四极照明中斜向偏离x-y轴的结构。

整体而言，只有特定间距的周期性结构才能实现最佳投影，而孤立线条的分辨率则无法得到改善。原因在于孤立线条不产生离散的衍射级次，仅生成连续的衍射图样。照明对孤立线条与密集线条作用效果的差异，导致两者在分辨率上存在系统性偏差，研发过程中必须予以关注。缩小该偏差的方法之一是在孤立结构附近添加尺寸低于分辨率极限的辅助结构。

就光源有效能量而言，离轴照明相较于三光束照明也存在劣势。偏转其中一束1级衍射光束会损失部分曝光能量，须通过延长曝光时间予以补偿。

文献
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参考