Ti DLP - Le cheval de bataille de la lithographie sans masque

Introduction aux générateurs de modèles

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.

Même si nous nous concentrons uniquement sur l'optique, il y aura des différences entre un dispositif de gravure sans masque et un dispositif de gravure avec masque. Les deux font, superficiellement, la même chose : ils écrivent un motif sur une surface recouverte d'un matériau photosensible. La différence réside dans le fait que le dispositif de gravure de masque vise généralement une qualité d'image nettement supérieure et que le volume est d'un motif par objet, ce que nous appelons généralement un photomasque. Nous avons le temps d'adapter les données au système de projection et d'adapter le système de projection aux données, bien que cela soit rarement, voire jamais, utilisé. Le temps disponible est généralement d'une à plusieurs heures, tandis que pour l'application sans masque, il est d'une ou plusieurs minutes. Il n'y a pas de temps pour adapter quoi que ce soit.

Principes de la théorie de l'imagerie

Chaque générateur de motifs nécessite un élément optique actif, et le choix n'est pas seulement une question de technologie et de praticité. Cependant, quel que soit le choix, nous pouvons considérer que l'image projetée à l'aide de cet élément est beaucoup plus petite que la taille de la surface photosensible que nous avons l'intention d'exposer à l'aide d'un motif. C'est pourquoi tous les générateurs de motifs utilisent une forme ou une autre de balayage.

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 discussion technique.

The DLP – An Unexpected Champion

Du point de vue de la théorie de l'imagerie pure, le DLP est l'enfant étrange du quartier. Les générateurs de motifs doivent créer des images en niveaux de gris et le TI-DLP est un dispositif binaire. La source lumineuse est d'une importance capitale pour tout système d'imagerie. Ceci est vrai - avec intérêt - pour un générateur de motifs. Texas Instruments a conçu le DLP pour la lampe à arc. Nous ne voyons généralement pas cette source lumineuse avec les SLM à cause des problèmes d'étendue. Pour les SLM, la source lumineuse préférée est le laser excimer.

Origine et limites de la 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.

Le paysage changeant des générateurs de modèles

Aujourd'hui, la course aux générateurs de modèles n'est plus une question de résolution. Les générateurs de motifs optiques ont perdu cette bataille au profit de l'EBeam il y a de nombreuses années. La bataille se situe maintenant dans le domaine de la capacité d'écriture et du prix, où le DLP a pris pied et pourrait être impossible à briser. Dans ce segment, les résolutions sont modérées. En général, elles ne sont même pas inférieures à la longueur d'onde. La valeur des tranches exposées ne couvrira plus le coût d'un laser Excimer. Enfin, à proprement parler, c'est possible, mais la valeur des masques ne couvrira pas le coût de développement d'une telle machine.

Sources lumineuses et générateurs de motifs

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.

Quelles sont alors les alternatives ? Nous avons besoin de photons indépendants pour créer une incohérence spatiale, et ces photons doivent tenir dans une petite étendue. Et pour ajouter l'insulte à l'injure, nous avons besoin d'une source pulsée pour qu'elle puisse geler une image sur une pièce en mouvement. Permettez-moi de résumer. Cette source lumineuse n'existe pas. Si nous excluons l'Excimer, nous devrons faire des compromis. La dose disponible, ou la résolution (mais pas tant que ça), ou la vitesse.

Une inadéquation avec les sources lumineuses traditionnelles

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.

Réexamen de l'échelle des gris et des limites de résolution

Avec les SLM analogiques à miroirs, supposés être 2D, la mise à l'échelle des gris est effectuée dans la pupille, en l'utilisant comme un filtre passe-bas spatial. Le degré de filtrage peut varier en fonction de la manière dont nous voulons que le système d'imagerie se comporte près de la limite de résolution (le plus souvent). Le facteur de filtrage est généralement paramétré comme un ratio de l'ouverture numérique et de la distance angulaire entre les modes de diffraction du réseau de miroirs. Le choix d'un tiers ou d'un quart de l'angle de diffraction fondamental (longueur d'onde divisée par la période du miroir) est généralement un bon choix, bien que des rapports plus petits ou plus grands puissent être motivés. un ne peut jamais être motivée, car cela détruit l'échelle de gris par interférence.

Matrices de miroirs analogiques vs. DLP

Cependant, avec le DLP, l'intrigue se corse. Pour les appareils analogiques, la taille de la source lumineuse acceptée par le système de projection correspond à l'échelle susmentionnée. ratio au carré multiplié par le nombre de pixels. La raison pour laquelle seul le nombre de pixels compte est que l'ouverture numérique est inversement proportionnelle à la taille du pixel, tandis que la taille du champ est proportionnelle à la taille du pixel, de sorte que la taille du pixel n'entre pas en ligne de compte. (Veuillez excuser la simplification qu'implique l'assimilation de l'étendue au nombre de pixels. Il s'agit d'une erreur de dimension puisque l'étendue est une surface multipliée par un angle solide du cône de lumière et que la longueur inverse qui fournit la compensation numérique est cachée à l'intérieur du cône de lumière avec la longueur d'onde. Cependant, nous comparons différentes technologies à une longueur d'onde fixe. D'où le raccourci suivant)

Dans ce cas, le DLP présente une particularité intéressante. Si l'angle d'inclinaison, la taille des pixels et la longueur d'onde correspondent, le DLP peut se comporter comme un réseau blazé avec une bonne efficacité de diffraction. Les zones blanches du motif seront uniformément blanches et les zones noires uniformément noires, même si l'ouverture comprend des ordres de diffraction plus élevés, et la forme des miroirs ne sera révélée que dans les régions de transition. L'ouverture numérique du système peut maintenant être ouverte jusqu'à une valeur de ratio au-dessus d'un et l'appareil révélera maintenant la forme des pixels dans les régions de transition. Il s'agit d'une petite complication qui peut être facilement résolue dans le cadre de la procédure utilisée pour générer l'échelle de gris.

L'avenir de la lithographie sans masque : Une nouvelle ère pour 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.

Dernières paroles

Le DLP associé à une LED UV est sans aucun doute un choix très intéressant pour l'application sans masque, un choix qui deviendra de plus en plus attrayant avec le développement prévu de la technologie DLP. Cela dit, il reste des défis de conception et de production à relever, comme l'adaptation du rapport d'aspect de la LED au modulateur, la préservation de l'étendue, la définition d'objectifs de conception pour l'optique de projection qui correspondent aux exigences du système, et plus encore. Pour tous ces sujets, vous pouvez trouver de l'aide chez Senslogic. Nous vous invitons à prendre rendez-vous pour une première consultation gratuite.