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

Introducción a los generadores de patrones

The Ti DLP is becoming a major force in maskless lithography. Even though it is an odd tool for this task, it has qualities that more than enough compensate for its drawbacks. To explain what I mean, let’s go back a little.

Maskless lithography refers to an approach where using a photomask becomes economically impractical. Why? Because the volume and value of the objects we produce don’t justify the high cost of creating a mask. It is also about making more than just one object. Typically, the volumes are more than just one and we expect minute write times, not hours. This has many implications that I will not cover such as, for example, how much time we can spend on the data preparation. This tech talk is about the optical side of things.

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.

The choice of pattern generator also affects ultimate resolution. Scanning the workpiece with a spot of light, which we move with an acousto-optical deflector, results in incoherent image formation because we can only add intensity over time. If the modulator exposes a two-dimensional object, the imaging becomes coherent or partially coherent. We can now add or subtract amplitude, which limits resolution to a quarter of the wavelength. However, even if we use simpler modulators that don’t modulate the phase, resolutions below half of the wavelength are possible even without advanced illumination. I covered some details of this in an earlier tech-talk.

The DLP – An Unexpected Champion

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

For someone like myself, who started out in the KrF – tilt-mirror camp, the DLP appeared to be a poor choice. It doesn’t have the same limit resolution since the implied gray-scaling method somewhat degrades the effects of partial coherence. However, all of that which seemed so important when optical mask writers were the rage, has gone by the way of the dodo bird two decades later.

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

We cannot overstate the importance of the light source for any optical pattern generator. The excimer laser generates hundreds of thousands of independent modes in a single 10 nanosecond pulse, and in doing so, it solves pretty much all the problems we encounter when designing a tool for a continuously moving workpiece. It fits perfectly the high-end mask-writer application with a two-dimensional modulator. It’s a match made in heaven because in heaven we don’t care about cost.

¿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

The DLP projector and the traditional lithography shop had one thing in common, the high-pressure arc lamp. But the similarity ends right here. The Mercury lamp was perfect for a large, high-resolution mask. Even after the Mask Maker’s Holiday, the numerical apertures combined with the size of the illuminated field, the “size” of the light source was still a good fit for a mask while it is a terrible fit for a SLM. With size of the light, I am of course referring to étendue, but that essentially means size or extent so we’ll go with it.

The laser is king in the SLM – Optical Lithography world, at least it used to be. Before we can dive deeper with DLP, I must digress a little. We need to talk about gray scaling.

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

So what’s going on here? Why is this relevant? The reason this the excitement is because the projection system now accepts a light source with a much larger size (étendue). Can we use the I-lamp again? I guess, but it’s even better. it becomes viable to drop the laser altogether and use a UV-LED.

DLP – A Write Capacity Game Changer

Two key factors make this exciting. First, we need a partially coherent light source for the DLP. This is costly and complex to create with laser diodes. It requires numerous LDs, fibers, and a lot of patience. LEDs, on the other hand, are multi-mode surface emitters. They’ve had one major drawback, their etendue is too large to fit normal SLMs. However, the DLP allows us to drastically over-size the numerical aperture and cover up the drawbacks with its multi-pass power, allowing much more light through. And if (or when) Texas Instruments releases the 4096 x 2160 UV modulator, it’ll solidify DLP as the ultimate solution for maskless writing. Let’s hope they don’t miss the blaze condition for 365 nm (by much). The current DLP9000XUV is already setting the stage, offering unmatched write capacity with an affordable light source. Figuratively speaking, this “strange kid on the block” will leave all other solutions in the dust.

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.