Ti DLP - Das Arbeitspferd der maskenlosen Lithografie

Einführung in Mustergeneratoren

Das Konzept der maskenlosen Lithografie bezieht sich in der Regel auf eine Anwendung, bei der die Verwendung einer Fotomaske wirtschaftlich nicht machbar ist, weil das Volumen und der Wert der zu beschreibenden Objekte die Kosten für eine Maske nicht tragen. Es handelt sich jedoch um ein Volumen, das deutlich größer als eins ist, und um eine Produktionsgeschwindigkeit, die eher Minuten als Stunden beträgt. Dies hat viele Auswirkungen, die im Folgenden nicht behandelt werden, wie z. B. die Frage, wie viel Zeit wir für die Datenaufbereitung aufwenden können. In diesem technischen Vortrag geht es um die optische Seite der Dinge.

Selbst wenn wir uns nur auf die Optik konzentrieren, gibt es Unterschiede zwischen einem maskenlosen und einem maskenbasierten Schreibgerät. Beide tun praktisch das Gleiche, sie schreiben ein Muster auf eine mit einem lichtempfindlichen Material bedeckte Oberfläche. Der Unterschied besteht darin, dass der Maskenschreiber in der Regel auf eine wesentlich höhere Bildqualität abzielt und das Volumen ein Muster pro geschriebenem Objekt ist, was wir üblicherweise als Fotomaske bezeichnen. Wir haben Zeit, um die Daten an das Projektionssystem anzupassen und das Projektionssystem an die Daten anzupassen, obwohl dies selten, wenn überhaupt, genutzt wird. Die verfügbare Zeit beträgt in der Regel eine bis mehrere Stunden, während sie bei der maskenlosen Anwendung eine oder mehrere Minuten beträgt. Es bleibt keine Zeit, um irgendetwas anzupassen.

Grundsätze der Bildgebungstheorie

Jeder Mustergenerator benötigt ein aktives optisches Element, und die Wahl ist nicht nur eine Frage der Technologie und der Praktikabilität. Unabhängig von der Wahl können wir jedoch davon ausgehen, dass das mit diesem aktiven Element projizierte Bild viel kleiner ist als die lichtempfindliche Fläche, die wir mit einem Muster belichten wollen. Daher ist immer eine Abtast- oder Schrittbewegung erforderlich.

Die Wahl des Mustergenerators beeinflusst auch die endgültige Auflösung. Die Abtastung des Werkstücks mit einem Lichtpunkt, den wir mit einem akusto-optischen Deflektor bewegen, führt zu einer inkohärenten Bildbildung, da wir nur die Intensität über die Zeit addieren können. Belichtet der Modulator ein zweidimensionales Objekt, wird die Abbildung kohärent oder teilkohärent, wir können nun Amplitude addieren oder subtrahieren, und die erreichbare Auflösung kann in Richtung eines Viertels der Wellenlänge verschoben werden. Aber selbst wenn wir bei einfacheren Modulatoren bleiben, die die Phase des Lichts nicht modulieren, können die erreichbaren Auflösungen immer noch unter die Hälfte der Wellenlänge gedrückt werden, auch ohne Anpassung der Beleuchtung an das Muster. Einige Details dazu werden in einem früheren Tech-Talk behandelt.

Der DLP - ein unerwarteter Champion

Vom Standpunkt der reinen Bildgebungstheorie aus betrachtet, ist der DLP das seltsame Kind im Block. Mustergeneratoren müssen im Allgemeinen in der Lage sein, Graustufenbilder zu erzeugen, und der DLP ist ein binäres Gerät, das mit Wachs an- und ausgeschaltet wird. Die Lichtquelle ist für jedes Bildgebungssystem von größter Bedeutung. Dies gilt insbesondere auch für einen Mustergenerator. Der DLP wurde einst für eine hochintensive Bogenlampe entwickelt, während ein räumlicher Lichtmodulator, der eine kleine programmierbare Maske sein soll, mit einer Laserquelle, z. B. einem Excimer-Laser, beleuchtet werden soll.

Ursprünge und Grenzen des DLP

Für jemanden wie mich, der sich zunächst für KrF-Kippspiegel entschied, schien der DLP eine schlechte Wahl zu sein. Er hat nicht die gleiche Grenzauflösung, da die implizite Grauskalierungsmethode die Auswirkungen der partiellen Kohärenz etwas verschlechtert. Doch all das, was so wichtig schien, als die Hersteller optischer Masken noch ein Versprechen für die 90-, 65- und 45-nm-Knoten hatten, ist zwei Jahrzehnte später nicht mehr aktuell.

Die sich verändernde Landschaft der Mustergeneratoren

Das Rennen um die Mustergeneratoren ist heute nicht mehr lösbar. Diesen Kampf hat EBeam schon vor vielen Jahren verloren. Der Kampf findet jetzt auf dem Gebiet der Schreibkapazität und des Preises statt, wo der DLP einen Fuß in der Tür hat, der möglicherweise nicht mehr zu brechen ist. In diesem Segment sind die Auflösungen moderat. In der Regel sind sie nicht einmal kleiner als die Wellenlänge. Der Wert der belichteten Wafer wird die Kosten für einen Excimer-Laser nicht mehr decken. Nun, streng genommen schon, aber der Wert der Masken deckt nicht die Kosten für die Entwicklung einer solchen Maschine.

Lichtquellen und Mustergeneratoren

Die Eigenschaften der Lichtquelle können nicht hoch genug eingeschätzt werden. Der Excimer-Laser, der Hunderttausende von unabhängigen Moden in einem einzigen 10-Nanosekunden-Puls erzeugt, löst so ziemlich alle Probleme, auf die wir bei der Entwicklung eines Mustergenerators stoßen, der ein sich kontinuierlich bewegendes Werkstück belichtet. Er passt perfekt zu der High-End-Maskenschreibanwendung mit einem zweidimensionalen Modulator. Es ist eine himmlische Kombination, denn ich nehme an, dass wir uns im Himmel nicht um Geld kümmern.

Was sind dann die Alternativen? Wie bereits angedeutet, brauchen wir unabhängige Moden (oder Photonen), um (partielle) räumliche Kohärenz zu erzeugen, und wir müssen diese Moden in einen ausreichend kleinen Bereich (hohe Bestrahlungsstärke) quetschen, oder wir müssen sie in einen ausreichend kleinen Kegel emittieren, und am besten beides zur gleichen Zeit. Und zu allem Überfluss muss diese Lichtquelle auch noch gepulst sein, damit sie auf eine sich bewegende Oberfläche projiziert werden kann.

Lassen Sie mich das zusammenfassen. Diese Lichtquelle gibt es nicht. Wenn wir das Excimer ausschließen, müssen wir einen Kompromiss eingehen

Ein Misfit mit traditionellen Lichtquellen

Der DLP-Projektor und die traditionelle Lithografie-Werkstatt haben eines gemeinsam: die Hochdruckbogenlampe. Aber die Ähnlichkeit endet genau hier. Die Quecksilberlampe wurde zur Beleuchtung einer großen Maske verwendet, die mit einer relativ "großen" numerischen Apertur projiziert wurde. Selbst nach dem Mask Maker's Holiday, der numerischen Apertur in Verbindung mit der Größe des beleuchteten Feldes, war die "Größe" der Lichtquelle immer noch gut für eine Maske geeignet, während sie für einen SLM schrecklich ist. Mit der Größe des Lichts meine ich natürlich die étendue, aber das bedeutet im Wesentlichen Größe oder Ausmaß, also bleiben wir dabei.

Der Laser ist der König in der Welt der SLM - Optischen Lithographie, zumindest war er das früher. Bevor wir tiefer in die DLP-Welt eintauchen können, muss ich ein wenig abschweifen. Wir müssen über Grauskalierung sprechen.

Grauskalierung und Auflösungsgrenzen neu überdenken

Bei analogen Spiegelarray-SLMs, von denen man annimmt, dass sie 2D sind, erfolgt die Grauskalierung in der Pupille, die als räumlicher Tiefpassfilter verwendet wird. Der Grad der Filterung kann variieren, je nachdem, wie sich das Abbildungssystem in der Nähe der Auflösungsgrenze verhalten soll (meistens). Der Filterfaktor wird in der Regel als Verhältnis zwischen der numerischen Apertur und dem Winkelabstand zwischen den Beugungsmoden der Spiegelanordnung parametrisiert. Die Wahl dieses Faktors als ein Drittel oder ein Viertel des fundamentalen Beugungswinkels (Wellenlänge geteilt durch Spiegelperiode) ist in der Regel eine gute Wahl, obwohl sowohl kleinere als auch große Verhältnisse motiviert sein können, aber Werte, die größer als eins sind, können niemals motiviert werden, da dies die Grauskalierung durch Interferenz zerstört.

Analoge Spiegelarrays vs. DLP

Bei DLP-Geräten wird die Sache jedoch komplizierter. Bei analogen Geräten skaliert die Größe der Lichtquelle, die vom Projektionssystem akzeptiert werden kann, mit dem oben erwähnten Verhältnis Quadrat mal Anzahl der Pixel. Der Grund, warum nur die Anzahl der Pixel eine Rolle spielt, liegt darin, dass die numerische Apertur umgekehrt zur Pixelgröße skaliert, während die Größe des Bildfeldes proportional zur Pixelgröße ist, so dass die Pixelgröße keine Rolle spielt.(Bitte verzeihen Sie die Vereinfachung, die sich aus der Gleichsetzung von étendue und Pixelzahl ergibt. Hier liegt ein Dimensionsfehler vor, da étendue eine Fläche mal Raumwinkel des Lichtkegels ist und die inverse Länge, die den numerischen Ausgleich liefert, zusammen mit der Wellenlänge im Lichtkegel verborgen ist. Wir vergleichen jedoch verschiedene Technologien bei einer festen Wellenlänge. Daher die Abkürzung)

Hier bietet das DLP eine interessante Wendung. Wenn der Neigungswinkel, die Pixelgröße und die Wellenlänge übereinstimmen, kann sich das DLP wie ein Blaze-Gitter mit guter Beugungseffizienz verhalten. Weiße Bereiche im Muster sehen einheitlich weiß aus, und Schwarz ist einheitlich schwarz, selbst wenn die Apertur höhere Beugungsordnungen enthält, und die Form der Spiegel wird nur in den Übergangsbereichen sichtbar. Die numerische Apertur des Systems kann nun bis zu einem Verhältnis von über eins geöffnet werden, und das Gerät zeigt nun die Form der Pixel in den Übergangsbereichen. Dies ist eine kleine Komplikation, die leicht innerhalb des Verfahrens zur Erzeugung von Graustufen gelöst werden kann.

Die Zukunft der maskenlosen Lithografie: Eine neue Ära für DLP

Was ist also hier los? Warum ist das relevant? Der Grund für die Aufregung ist, dass das Projektionssystem jetzt eine Lichtquelle mit einer viel größeren Größe (étendue) akzeptiert. Können wir wieder die I-Lampe verwenden? Ich denke schon, aber es ist sogar noch besser. Es wird machbar, den Laser ganz wegzulassen und eine UV-LED zu verwenden.

DLP - Eine neue Dimension der Schreibkapazität

Es gibt zwei Aspekte, die dies interessant machen. Für DLP ist eine teilkohärente Lichtquelle erforderlich, und eine solche mit Laserdioden zu schaffen, ist eine Menge Arbeit, ganz zu schweigen von den Kosten. Sie erfordert viele LDs, Fasern und Geduld. Die LED ist eine oberflächenemittierende Multimode-Lichtquelle. Das einzige Problem, das wir mit ihr hatten, war, dass wir nicht genug Licht durch das Projektionssystem quetschen konnten. Sie war zu "groß". Sie ist immer noch zu groß, aber der Lichtverlust wird langsam akzeptabel, selbst bei der Pixelzahl, die für die heutigen UV-DLPs zur Verfügung steht, und wenn (oder wenn) Texas Instruments den 4096 x 2160 Modulator für UV herausbringt, ist das Spiel für jede andere maskenlose Writer-Lösung so gut wie vorbei. Das wird die Krönung sein, auch wenn das DLP9000XUV-Gerät schon so gut wie fertig ist. Das unbekannte Kind im Block wird, wenn nicht schon jetzt, bildlich gesprochen, alle anderen umrunden, wenn es um die Schreibkapazität mit einer spottbilligen Lichtquelle geht.

Letzte Worte

Der DLP in Verbindung mit einer UV-LED ist zweifellos eine sehr interessante Wahl für die maskenlose Anwendung, die mit der voraussichtlichen Entwicklung der DLP-Technologie immer attraktiver wird. Dennoch gibt es sowohl beim Design als auch bei der Produktion Herausforderungen, wie z. B. die Anpassung des Seitenverhältnisses der LED an den Modulator, die Erhaltung der Etendue, die Festlegung von Designvorgaben für die Projektionsoptik, die den Systemanforderungen entsprechen, und vieles mehr. Für all diese Themen finden Sie hier bei Senslogic Unterstützung. Gerne können Sie ein kostenloses Erstgespräch vereinbaren.