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 der 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 Vortrag "Ti DLP - Das Arbeitspferd der maskenlosen Lithographie" erläutert.

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 es um den Zusammenhang zwischen Beugungsverlusten und Abbildungsqualität gehen wird.

Worin bestehen nun diese Mängel? 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 erwähnte Eigenschaft besitzt, ist der MEMS-basierte räumliche Lichtmodulator des Fraunhofer IPMS. 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 notwendig ist, um zu verhindern, dass Speckle (oder teilweise entwickelte Speckle) eine Kantenrauhigkeit der Linie erzeugen. Mit der richtigen Beleuchtungs- und Grauskalierungsstrategie sind die Bildeigenschaften, die diese Modulatoren bieten, nicht von Fotomasken zu unterscheiden.

Es sei darauf hingewiesen, dass trotz der ausgezeichneten Mikroplanarität dieser Modulatoren die teilweise auftretenden Flecken durch die Projektionsoptik noch verstärkt werden können. Da es sich hier um ein technisches SLM-Gespräch handelt, werden wir diese Details für ein anderes Mal aufheben, aber diejenigen, die daran interessiert sind, optische Systeme auf der Grundlage dieser Modulatoren zu entwerfen, können mich über die Kontaktseite oder per E-Mail an [email protected] kontaktieren.

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 hierfür ist die Latin Hypercube Sampling-Methode. 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.