Räumliche Lichtmodulatoren

Eines der komplexeren photonischen Geräte, mit denen man als Optikingenieur konfrontiert wird, ist der räumliche Lichtmodulator. Dabei handelt es sich um ein Gerät, das (normalerweise) ein computergeneriertes Signal in eine räumlich kontrollierte Intensitäts- oder Phasenverteilung umwandelt, je nach Art des Modulators.

Ein sehr bekanntes Gerät zur Intensitätsmodulation ist das DLP oder DMD von Texas Instruments. Auf den ersten Blick ist es ein beeindruckendes Gerät, und für seinen Zweck als Modulator für Projektoren ist es in der Tat sehr beeindruckend. Das DMD übernimmt tatsächlich die Führung auf dem Markt der maskenlosen Lithographie. Die technischen Gründe dafür werden in dem Tech-Talk "Ti DLP - Das Arbeitspferd der maskenlosen Lithografie"

Im Bereich der Phasenmodulation finden wir eher nischenorientierte LCOS (Liquid Crystal On Silicon) von Holoeye oder Hamamatsu. Diese räumlichen Lichtmodulatoren werden in optischen Pinzetten oder wellenlängenselektiven Schaltern (WSS), Mikroskopen oder virtuellen (augennahen) Displays eingesetzt.

Das Greifbare vs. das Subtile

Alle LCOS-Modulatoren sind zu langsam für High-End/High-Speed-Bildgebung. Das DMD hat diese Aufgabe vollständig übernommen. Mustergeneratoren, die 8-Bit-Graustufenbilder mit einer Rate von 5 Gigapixeln pro Sekunde erzeugen, können entwickelt werden, obwohl es eine Menge Arbeit ist, um die Unzulänglichkeiten dieser Geräte zu umgehen. Die Stärke des DMD liegt jedoch nicht in seiner optischen Oberfläche, so beeindruckend sie auch sein mag, sondern in seiner CMOS-Backplane. Diese digitale Ressource ermöglicht es dem DMD, viele seiner optischen Unzulänglichkeiten auszugleichen. Dies ist jedoch ein Thema für sich und sollte in einem späteren Tech-Talk behandelt werden, in dem der Zusammenhang zwischen Beugungsverlusten und Abbildungsqualität behandelt wird.

Worin bestehen nun diese Unzulänglichkeiten? Gelegenheits-SLM-Käufer konzentrieren sich vielleicht zunächst auf greifbare (äußere) Eigenschaften wie Größe, Bus-Geschwindigkeit und Anzahl der Pixel, die nichts über die Bildqualität aussagen. Eine Eigenschaft, über die nicht oft genug gesprochen wird, ist die optische Ebenheit, ob im Nah- oder Fernbereich.

Bildqualität - Oberflächenqualität

Ein Gerät, das die oben genannte Eigenschaft besitzt, ist die Fraunhofer IPMS MEMS-basierter räumlicher Lichtmodulator. Bei der Erzeugung hochwertiger Muster ist es gängige Praxis, denselben Teil einer Maske mehrfach zu schreiben und dabei verschiedene Segmente des Modulators zu verwenden, um verschiedene Abbildungsprobleme durch Mittelwertbildung zu verringern. Dieser Ansatz kann jedoch recht kostspielig sein, da die Abbildungsfehler mit der Quadratwurzel aus der Anzahl der für die Mittelwertbildung verwendeten Bilder abnehmen. Daher ist die Bildqualität vor der Mittelwertbildung von großer Bedeutung.

Die MEMS-basierten räumlichen Lichtmodulatoren des Fraunhofer IPMS wurden in den frühen 2000er Jahren in Zusammenarbeit mit Micronic entwickelt. Diese Modulatoren bieten eine exzellente Mikroplanarität, die eine Voraussetzung dafür ist, dass der Speckle (oder der teilweise entwickelte Speckle) keine Linienkantenrauhigkeit erzeugt. Mit der richtigen Beleuchtungs- und Grauskalierungsstrategie sind die Bildeigenschaften, die diese Modulatoren bieten, nicht von Fotomasken zu unterscheiden.

Obwohl diese Modulatoren eine ausgezeichnete Mikroplanarität bieten, können teilweise auftretende Flecken durch die Projektionsoptik noch verstärkt werden. Da es sich hier um einen technischen Vortrag über SLM handelt, werden wir diese Details für ein anderes Mal aufheben, aber diejenigen, die an der Entwicklung optischer Systeme auf der Grundlage dieser Modulatoren interessiert sind, wenden sich bitte an mich über die Kontaktseite oder per E-Mail an contact@senslogic.de

Die anfänglichen einschichtigen Aluminium-MEMS-Geräte litten unter mechanischen Einschränkungen, die durch die Entwicklung einer zweischichtigen MEMS-Struktur überwunden wurden, die alle mechanischen Probleme löste und gleichzeitig die optischen Eigenschaften bewahrte. Leider entschied sich die Industrie für die E-Beam-Technologie, da sie glaubte, dass Mehrstrahlsysteme die Probleme mit der Schreibzeit lösen würden, was zum Niedergang der Produktion von optischen High-End-Maskenschreibern führte. Da jedoch die Hoffnungen auf E-Beam-Maskenschreiber mit hoher Kapazität schwanden und das Volumen der für diese Art von Mustergeneratoren geeigneten Maskenknoten zunahm, könnte sich eine weitere Chance für diese Technologie ergeben.

Micronic und ASML entwickelten auch ein Stufenspiegelgerät, das das Äquivalent einer alternierenden Phasenverschiebungsmaske schreiben konnte. Beide Geräte ermöglichten die individuelle Kalibrierung jedes einzelnen der Millionen von Kippspiegeln bis zu der theoretischen Grenze, die nur durch die optische Ebenheit der Geräte gesetzt ist.

Der Excimer-Laser ist die bevorzugte Wahl für diesen Modulator aufgrund seiner geeigneten Etendue und kurzen Pulsdauern, die eine präzise Bildbelichtung auf einem sich bewegenden Werkstück ermöglichen. Die hohen Betriebskosten - bis zu 100 Euro pro 6-Zoll-Maske bei hohen Auflösungen - schränken jedoch seine breitere Anwendung ein. Singlemode-Festkörperlaser stellen zwar eine Alternative dar, doch müssen noch einige technische Herausforderungen bewältigt werden, bevor sie auf breiter Front eingesetzt werden können.

Angesichts des Erfolgs der Branche bei der Mehrfachstrukturierung und der optischen Proximity-Korrektur ist es möglich, 50 nm oder sogar noch weniger an der Maske zu erreichen, was einer vierfachen Vergrößerung gegenüber dem Wafer entspricht. Mit dieser Technologie kann eine beträchtliche Anzahl von Masken geschrieben werden, aber für OPC, Phasenverschiebung und gepixelte Maskenmagie muss das MEMS optisch flach und richtig kalibriert sein.

Modellierung von SLM-basierten Systemen

Unabhängig davon, welche räumliche Lichtmodulatortechnologie die externen Anforderungen erfüllt, weiß der Hersteller nicht, wie sie in einem bestimmten System funktioniert, da er dies im Allgemeinen nicht tut. Die Modellierung der physikalischen Optik kann jedoch ihre Eigenschaften leicht erfassen und ihre Wirksamkeit kann durch Simulationen vorhergesagt werden.

Es gibt viele Aspekte von SLMs und deren Verhalten in einer bestimmten optischen Konfiguration, die im Zusammenhang mit dem optischen System, in dem sie arbeiten, behandelt werden können und sollten. Die von Senslogic bevorzugte Technik dafür ist die Verwendung des Latin Hypercube Sampling Ansatz. Hier können wir herausfinden, wie die Unzulänglichkeiten des Modulators mit den Anforderungen des optischen Systems zusammenhängen, und die realen Freiheitsgrade mit Hilfe der Mathematik und der Singulärwert-Zerlegung sortieren.

Wenn sich der Staub gelegt hat und die Berechnungen abgeschlossen sind, stellt sich häufig heraus, dass das optische System, das so kompliziert erschien, viel weniger kompliziert ist, wenn es mit den richtigen Variablen beschrieben wird.

Möchten Sie mehr erfahren?

Wer sich näher mit dem Thema SLMs beschäftigen möchte, sollte einen Blick auf die Anleitungen: Räumliche Lichtmodulatoren wo Sie einen Überblick über die verschiedenen Arten und einige Details über nützliche Mathematik finden. Wenn Ihnen das nicht reicht, können Sie mich gerne kontaktieren unter contact@senslogic.deoder sogar einen Videoanruf vereinbaren. Ich helfe immer gerne.