Introduction aux générateurs de modèles
Le concept de lithographie sans masque fait généralement référence à une application qui rend l'utilisation d'un photomasque économiquement irréalisable parce que le volume et la valeur des objets gravés ne permettent pas de supporter le coût d'un masque. Elle implique toutefois un volume nettement supérieur à un et un taux de production de quelques minutes plutôt que de quelques heures. Cela a de nombreuses implications qui ne seront pas abordées ci-dessous, comme, par exemple, le temps que nous pouvons consacrer à la préparation des données. Cette présentation technique porte sur l'aspect optique des choses.
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 pratiquement la même chose : ils écrivent un motif sur une surface recouverte d'un matériau photosensible. La différence réside dans le fait que l'enregistreur de masque vise généralement une qualité d'image nettement supérieure et que le volume est d'un motif par objet écrit, 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 actif est beaucoup plus petite que la taille de la surface photosensible que nous avons l'intention d'exposer à l'aide d'un motif. Par conséquent, un mouvement de balayage ou de pas est toujours impliqué.
Le choix du générateur de motifs influe également sur la résolution finale. Le balayage de la pièce avec un point lumineux, que nous déplaçons à l'aide d'un déflecteur acousto-optique, entraîne la formation d'une image incohérente, car nous ne pouvons qu'ajouter de l'intensité au fil du temps. Si le modulateur expose un objet bidimensionnel, l'imagerie devient cohérente ou partiellement cohérente, nous pouvons maintenant ajouter ou soustraire de l'amplitude, et la résolution réalisable peut être poussée vers un quart de la longueur d'onde. Cependant, même si nous restons avec des modulateurs plus simples qui ne modulent pas la phase de la lumière, les résolutions réalisables peuvent encore être poussées en dessous de la moitié de la longueur d'onde, même sans adapter l'illumination au motif. Certains détails à ce sujet sont abordés dans un exposé technique antérieur.
La DLP - Un champion inattendu
Du point de vue de la théorie de l'imagerie pure, le DLP est l'enfant étrange du quartier. Les générateurs de motifs doivent, d'une manière générale, être capables de créer des images en niveaux de gris et le DLP est un dispositif binaire, cire sur cire, cire sur cire. La source lumineuse est d'une importance capitale pour tout système d'imagerie. Ceci est vrai - avec intérêt - pour un générateur de motifs. Le DLP a été conçu pour une lampe à arc à haute intensité, tandis qu'un modulateur spatial de lumière aspirant à être un petit masque programmable est censé être éclairé par une source laser, telle qu'un laser Excimer.
Origine et limites de la DLP
Pour quelqu'un comme moi, qui a commencé dans le camp KrF - tilt-mirror, le DLP semblait être un mauvais choix. Il n'a pas la même résolution limite puisque la méthode implicite d'échelonnement des gris dégrade quelque peu les effets de la cohérence partielle. Cependant, tout ce qui semblait si important à l'époque où les fabricants de masques optiques promettaient encore des nœuds de 90, 65 et 45 nm, a disparu deux décennies plus tard.
Le paysage changeant des générateurs de modèles
Aujourd'hui, la course aux générateurs de modèles n'est plus une résolution. Ce combat a été perdu par 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
On ne saurait trop insister sur les propriétés de la source lumineuse. Le laser à excimère, qui génère des centaines de milliers de modes indépendants en une seule impulsion de 10 nanosecondes, résout pratiquement tous les problèmes que nous rencontrons lors de la conception d'un générateur de motifs qui expose une pièce en mouvement continu. Il convient parfaitement à l'application d'écriture de masque haut de gamme avec un modulateur bidimensionnel. C'est un mariage parfait, car je suppose qu'au paradis, on ne se soucie pas de l'argent.
Quelles sont alors les alternatives ? Comme nous l'avons déjà mentionné, nous avons besoin de modes indépendants (ou de photons) pour créer une cohérence spatiale (partielle) et nous avons besoin que ces modes soient comprimés dans une zone suffisamment petite (forte irradiation), ou qu'ils soient émis dans un cône suffisamment petit, et de préférence les deux en même temps. Et pour ajouter l'insulte à l'injure, nous avons besoin que cette source de lumière soit pulsée afin qu'elle puisse être projetée sur une surface en mouvement.
Permettez-moi de résumer. Cette source lumineuse n'existe pas. Si nous excluons l'Excimer, nous devrons faire des compromis
Une inadéquation avec les sources de lumière traditionnelles
Le projecteur DLP et l'atelier de lithographie traditionnel ont un point commun : la lampe à arc à haute pression. Mais la similitude s'arrête là. La lampe à mercure était utilisée pour éclairer un grand masque projeté avec une ouverture numérique relativement "grande". Même après les vacances des fabricants de masques, les ouvertures numériques combinées à la taille du champ éclairé, la "taille" de la source lumineuse était toujours adaptée à un masque, alors qu'elle l'est terriblement pour un SLM. Avec la taille de la lumière, je fais bien sûr référence à l'étendue, mais cela signifie essentiellement la taille ou l'étendue, alors nous nous en tiendrons à cela.
Le laser est roi dans le monde de la lithographie optique SLM, du moins il l'était. Avant d'approfondir la question de la DLP, je dois faire une petite digression. Nous devons parler de l'échelle de gris.
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 à proximité de la limite de résolution (le plus souvent). Le facteur de filtrage est généralement paramétré comme un rapport entre l'ouverture numérique et 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 et plus grands puissent être justifiés, mais des valeurs supérieures à un ne peuvent jamais être motivées car elles détruisent l'échelle de gris par interférence.
Matrices de miroirs analogiques vs. DLP
Cependant, avec le DLP, l'intrigue se corse. Pour les dispositifs analogiques, la taille de la source lumineuse qui peut être acceptée par le système de projection correspond au carré du rapport susmentionné multiplié par le nombre de pixels. Si seul le nombre de pixels compte, c'est parce 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 le fait d'assimiler l'étendue au nombre de pixels. Il y a ici une erreur dimensionnelle 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)
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 à un rapport supérieur à un et le dispositif révélera alors 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
Que se passe-t-il donc ici ? Pourquoi est-ce important ? La raison de cette agitation est que le système de projection accepte désormais une source lumineuse de taille beaucoup plus importante (étendue). Pouvons-nous utiliser à nouveau la lampe I ? Sans doute, mais c'est encore mieux. Il devient possible d'abandonner complètement le laser et d'utiliser une LED UV.
DLP - Une capacité d'écriture qui change la donne
Deux aspects rendent ce projet passionnant. Le DLP nécessite une source de lumière partiellement cohérente et en créer une à l'aide de diodes laser demande beaucoup de travail, sans parler du coût. Il faut de nombreuses diodes laser, des fibres et de la patience. La LED est une source multimode à émission de surface. Le seul problème que nous avons rencontré est que nous ne pouvions pas faire passer suffisamment de lumière à travers le système de projection. Elle était trop "grande". C'est toujours trop grand, mais la perte de lumière commence à être acceptable, même pour le nombre de pixels disponibles pour les UV-DLP d'aujourd'hui, et si (ou quand) Texas Instruments sort le modulateur 4096 x 2160 pour les UV, c'est pratiquement fini pour toute autre solution d'écriture sans masque. Ce sera le roi, bien que le dispositif DLP9000XUV existe déjà. Le petit nouveau va, si ce n'est déjà fait, au sens figuré, tourner en rond autour de tous les autres lorsqu'il s'agira de capacité d'écriture à l'aide d'une source de lumière bon marché.
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.
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