Ti DLP: el caballo de batalla de la litografía sin máscara

Introducción a los generadores de patrones

La Ti DLP se está convirtiendo en una fuerza importante en la litografía sin máscaras. Aunque es una herramienta extraña para esta tarea, tiene cualidades que compensan sobradamente sus inconvenientes. Para explicar lo que quiero decir, retrocedamos un poco.

La litografía sin máscara se refiere a un enfoque en el que el uso de una fotomáscara resulta poco práctico desde el punto de vista económico. ¿Por qué? Porque el volumen y el valor de los objetos que producimos no justifican el elevado coste de crear una máscara. También se trata de fabricar más de un objeto. Normalmente, los volúmenes son más de uno y esperamos tiempos de escritura de minutos, no de horas. Esto tiene muchas implicaciones que no trataré como, por ejemplo, cuánto tiempo podemos dedicar a la preparación de los datos. Esta charla técnica trata del lado óptico de las cosas.

Incluso si nos centramos sólo en la óptica, habrá diferencias entre la escritura sin máscara y la escritura con máscara. Ambos hacen, superficialmente, lo mismo: escriben un patrón sobre una superficie cubierta con un material fotosensible. La diferencia es que el escritor de máscaras suele tener como objetivo una calidad de imagen significativamente mayor y el volumen es de un patrón por objeto, al que solemos referirnos como fotomáscara. Disponemos de tiempo para adaptar los datos al sistema de proyección y para adaptar el sistema de proyección a los datos, aunque esto se utiliza muy poco o nunca. El tiempo disponible suele ser de una a varias horas, mientras que para la aplicación sin máscara, es de uno o varios minutos. No hay tiempo para adaptar nada.

Principios de la teoría de la imagen

Todo generador de patrones requiere un elemento óptico activo, y la elección no es sólo una cuestión de tecnología y practicidad. Sin embargo, sea cual sea la elección, podemos dar por sentado que la imagen proyectada mediante este elemento es mucho menor que el tamaño de la superficie fotosensible que pretendemos exponer con un patrón. Por lo tanto, todo generador de patrones utiliza algún tipo de escaneado.

La elección del generador de patrones también afecta a la resolución final. La exploración de la pieza con un punto de luz, que movemos con un deflector acústico-óptico, da lugar a la formación de imágenes incoherentes porque sólo podemos añadir intensidad con el tiempo. Si el modulador expone un objeto bidimensional, la formación de imágenes se vuelve coherente o parcialmente coherente. Ahora podemos sumar o restar amplitud, lo que limita la resolución a un cuarto de la longitud de onda. Sin embargo, aunque utilicemos moduladores más sencillos que no modulen la fase, es posible obtener resoluciones inferiores a la mitad de la longitud de onda incluso sin una iluminación avanzada. En un artículo anterior tech-talk.

El DLP - Un campeón inesperado

Desde el punto de vista de la teoría de la imagen, el DLP es el chico raro del barrio. Los generadores de patrones necesitan crear imágenes en escala de grises y el TI-DLP es un dispositivo binario. La fuente de luz es de vital importancia para cualquier sistema de imagen. Esto es cierto -con interés- para un generador de patrones. Texas Instruments diseñó el DLP para la lámpara de arco. No solemos ver esta fuente de luz con las SLM por problemas de etendue. Para las SLM, la fuente de luz preferida es el láser excimer.

Orígenes y limitaciones del DLP

Para alguien como yo, que empezó en el bando KrF - espejo basculante, el DLP parecía una mala elección. No tiene la misma resolución límite, ya que el método de escala de grises implícito degrada un poco los efectos de la coherencia parcial. Sin embargo, todo eso que parecía tan importante cuando los escritores de máscaras ópticas estaban de moda, ha pasado a mejor vida dos décadas después.

El cambiante panorama de los generadores de patrones

La carrera por los generadores de patrones hoy en día ya no es la resolución. Los generadores ópticos de patrones de escritura perdieron esta batalla frente a los EBeam hace muchos años. La batalla está ahora en el campo de la capacidad de escritura y el precio, donde el DLP ha establecido un punto de apoyo que puede ser imposible de romper. En este segmento, las resoluciones son moderadas. Normalmente, ni siquiera menores que la longitud de onda. El valor de las obleas expuestas ya no cubrirá el coste de un láser Excimer. Bueno, en sentido estricto podrían hacerlo, pero el valor de las máscaras no cubrirá el coste de desarrollo de una máquina de este tipo.

Fuentes luminosas y generadores de patrones

No podemos exagerar la importancia de la fuente de luz para cualquier generador de patrones ópticos. El láser de excímero genera cientos de miles de modos independientes en un solo pulso de 10 nanosegundos y, al hacerlo, resuelve prácticamente todos los problemas que encontramos al diseñar una herramienta para una pieza de trabajo en movimiento continuo. Encaja perfectamente en la aplicación de escritura de máscaras de gama alta con un modulador bidimensional. Es una combinación perfecta, porque en el cielo no nos importa el coste.

¿Cuáles son entonces las alternativas? Necesitamos fotones independientes para crear incoherencia espacial, y que estos fotones quepan en una etendue pequeña. Y para colmo de males, necesitamos una fuente pulsada que pueda congelar una imagen en una pieza de trabajo en movimiento. Permítanme resumir esto. Esta fuente de luz no existe. Si excluimos el Excimer, tendremos que comprometer algo. Dosis disponible, o resolución (aunque no tanta), o velocidad.

Un desajuste con las fuentes de luz tradicionales

El proyector DLP y el taller de litografía tradicional tenían algo en común: la lámpara de arco de alta presión. Pero la similitud termina aquí. La lámpara de mercurio era perfecta para una máscara grande y de alta resolución. Incluso después de la Mask Maker's Holiday, las aperturas numéricas combinadas con el tamaño del campo iluminado, el "tamaño" de la fuente de luz seguía siendo un buen ajuste para una máscara, mientras que es un ajuste terrible para una SLM. Con tamaño de la luz, me refiero por supuesto a étendue, pero eso significa esencialmente tamaño o extensión, así que vamos con ello.

El láser es el rey en el mundo de la SLM - Litografía Óptica, al menos solía serlo. Antes de profundizar en la DLP, debo hacer un pequeño inciso. Tenemos que hablar de la escala de grises.

Revisar la escala de grises y los límites de resolución

Con las SLM analógicas de matriz de espejos, que se supone que son 2D, el escalado de grises se realiza en la pupila, utilizándola como un filtro de paso bajo espacial. El grado de filtrado puede variar en función de cómo queramos que se comporte el sistema de imagen cerca del límite de resolución (en la mayoría de los casos). El factor de filtrado suele parametrizarse como un relación de la apertura numérica y la distancia angular entre los modos de difracción del conjunto de espejos. La elección de este factor como un tercio o un cuarto del ángulo de difracción fundamental (longitud de onda dividida por el periodo del espejo) suele ser una buena elección, aunque pueden motivarse tanto ratios menores como mayores, pero los valores mayores que un nunca puede ser motivada porque eso destruye la escala de grises por interferencia.

Matrices de espejos analógicos frente a DLP

Sin embargo, con el DLP, la trama se complica. En el caso de los dispositivos analógicos, el tamaño de la fuente de luz que puede aceptar el sistema de proyección escala el mencionado relación al cuadrado por el número de píxeles. La razón por la que sólo importa el número de píxeles es que la apertura numérica es inversamente proporcional al tamaño del píxel, mientras que el tamaño del campo es proporcional al tamaño del píxel. (perdone la simplificación que supone equiparar la étendue con el número de píxeles. Se trata de un error dimensional, ya que la étendue es un área multiplicada por un ángulo sólido del cono de luz y la longitud inversa que proporciona la compensación numérica está oculta dentro del cono de luz junto con la longitud de onda. Sin embargo, estamos comparando diferentes tecnologías con una longitud de onda fija. De ahí el atajo)

En este caso, la DLP ofrece un giro interesante. Si el ángulo de inclinación, el tamaño del píxel y la longitud de onda coinciden, el DLP puede comportarse como una rejilla resplandeciente con una buena eficacia de difracción. Las zonas blancas del patrón tendrán un aspecto blanco uniforme, y el negro será negro uniforme incluso cuando la apertura incluya órdenes de difracción de matriz superiores, y la forma de los espejos sólo se revelará en las regiones de transición. La apertura numérica del sistema puede ahora abrirse hasta un relación anterior y el aparato revelará ahora la forma de los píxeles en las regiones de transición. Se trata de una pequeña complicación que puede resolverse fácilmente dentro del procedimiento utilizado para generar la escala de grises.

El futuro de la litografía sin máscara: Una nueva era para la DLP

¿Qué está pasando aquí? ¿Por qué es importante? El motivo de este revuelo es que el sistema de proyección acepta ahora una fuente de luz con un tamaño mucho mayor (étendue). ¿Podemos volver a utilizar la lámpara I? Supongo que sí, pero es aún mejor. resulta viable abandonar por completo el láser y utilizar un LED UV.

DLP: un cambio de juego en la capacidad de escritura

Hay dos factores clave que lo hacen apasionante. En primer lugar, necesitamos una fuente de luz parcialmente coherente para la DLP. Esto es costoso y complejo de crear con diodos láser. Requiere numerosos LD, fibras y mucha paciencia. En cambio, los LED son emisores superficiales multimodo. Tienen un gran inconveniente: su etendue es demasiado grande para caber en las SLM normales. Sin embargo, el DLP nos permite sobredimensionar drásticamente la apertura numérica y disimular los inconvenientes con su potencia multipaso, dejando pasar mucha más luz. Y si (o cuando) Texas Instruments lanza el modulador UV de 4096 x 2160, consolidará el DLP como la solución definitiva para la escritura sin máscara. Esperemos que no pierdan la condición de blaze para 365 nm (por mucho). El actual DLP9000XUV ya está sentando las bases, ofreciendo una capacidad de escritura inigualable con una fuente de luz asequible. En sentido figurado, este "chico raro del barrio" dejará a todas las demás soluciones en la cuneta.

Palabras finales

El DLP junto con un LED UV es sin duda una opción muy interesante para la aplicación sin máscara, que será cada vez más atractiva con el desarrollo previsto de la tecnología DLP. Dicho esto, siguen existiendo retos tanto de diseño como de producción, por ejemplo, cómo adaptar la relación de aspecto del LED al modulador, preservar el etendue, establecer objetivos de diseño para la óptica de proyección que se ajusten a los requisitos del sistema, etc. Para todos estos temas, puede encontrar apoyo aquí, en Senslogic. Le invitamos a programar una consulta inicial gratuita.