Come fare: Modulatori di luce spaziale

Su questo Tech-Talk

I modulatori spaziali di luce (SLM) sono componenti ottici attivi in grado di modificare l’ampiezza, la fase o la polarizzazione del fascio luminoso. Per questo argomento tecnico, mi concentrerò su un sottogruppo specifico: quelli che lo realizzano utilizzando un array a pixel, bidimensionale. Sebbene questo non copra tutti i tipi di SLM, è una categoria abbastanza ampia e interessante da esplorare. Poiché questo blog si concentra sui sistemi integratori, sottolineerò anche le principali considerazioni da tenere in considerazione se si decide di integrare un SLM nel proprio sistema.

Reflettente o trasmissivo

Innanzitutto, esistono due principali sottoclassi: quella riflettente e quella trasmissiva. La maggior parte dei SLM industriali di interesse è di tipo riflettente. La ragione è semplice. I dispositivi ad alte prestazioni richiedono un wafer CMOS per distribuire i dati all’interno del dispositivo. Il modo più semplice per raggiungere questo obiettivo consiste nel posizionare una lamina metallica direttamente sopra il wafer. È possibile realizzare una superficie trasmissiva otticamente, che può distribuire un segnale elettrico, ma ciò implica l’esistenza di elettroni liberi e questi tendono a interagire con la luce trasmessa. Il compromesso che questo comporta influisce tipicamente sulla velocità del dispositivo o sulla trasmissione ottica.

Ciò detto, è comunque possibile trovare molti prodotti tecnicamente interessanti che utilizzano questo principio sia nelle applicazioni per il consumo (come i display LCD e alcuni progetti basati su LCoS) sia nelle applicazioni industriali.

SLM a ampiezza riflettiva

Si tratta di una categoria importante di modulatori spaziali della luce. In particolare, troviamo Il DLP di Texas Instruments in questa classe. Anche se questo tipo di SLM altera la fase della luce riflessa, non vengono utilizzati come tali. Permettetemi di spiegare. Il DLP è un dispositivo composto da micro-specchi puramente riflettenti, dove ciascun micro-specchio può avere solo due stati stabili, alterabili tra un valore positivo o negativo di 12 gradi lungo la sua diagonale, sebbene l’angolo possa variare a seconda dei diversi tipi di dispositivo. Ogni punto della superficie di questo dispositivo altera la fase della luce introducendo una differenza di traiettoria ottica, ma poiché queste fasi non sono indipendenti, possiamo osservare solo l’effetto netto di un piccolo specchio inclinato.

Esistono altri SLM che operano secondo lo stesso principio ottico, come ad esempio Specchio di inclinazione analogico IPMS SLM. Poiché i dispositivi a specchio inclinabile sono generalmente a fase neutra, affidano al sistema di imaging per esprimere il loro effetto previsto. Senza di esso, sembrano solo una superficie riflettente grossolana. Con un sistema di proiezione progettato correttamente, diventano sistemi di generazione di pattern altamente performanti che non possono essere distaccati dalle maschere binarie di alta qualità.

I dispositivi analogici a specchio inclinabile sono semplici da calibrare e da utilizzare, ma necessitano di un laser Excimer per raggiungere il loro vero potenziale. Tuttavia, esistono alcune proprietà che un specchio inclinato nel piano di proiezione apportano che vale la pena tenere presente. L’inclinazione di uno specchio isolato non può essere nascosta dal sistema ottico, anche se l’ottica di proiezione non è nemmeno vicina a risolvere il problema del microspecchio. Questo può essere utilizzato per impostare correttamente l’inquadratura, probabilmente anche nel modo più delicato senza un interferometro o un sensore di onde frontali, ma probabilmente utile solo a risoluzioni più basse.

La teoria di Fourier in soccorso

Per utilizzare un dispositivo a specchio inclinabile di questo tipo per applicazioni di alto livello, l’inclinazione dello specchio deve essere alternata (come nella figura sopra). L’ottica di proiezione annullerà quindi la fase. In generale, questi dispositivi sono più facilmente comprensibili utilizzando la teoria di Fourier.

Ecco un esempio: un dispositivo dotato di specchi piatti ha un contrasto infinito; basta inclinare gli specchi all’angolo corretto. Il piatto (o lo specchio) inclinato ha un modello di riflessione dato dalla funzione sinc e il valore zero di questa sinc è l’angolo giusto per ottenere un contrasto infinito. Cosa succede quando si utilizza un’illuminazione parzialmente coerente e lo SLM viene illuminato con una gamma di angoli di incidente? Questo significa che il contrasto è compromesso con l’illuminazione parzialmente coerente? Se si opta per la rappresentazione sinc, si può incorrere nel convincimento che sia impossibile impostare un angolo di inclinazione ottimale poiché non è possibile adattare simultaneamente l’unico angolo di inclinazione a una gamma di angoli di incidente. Se si opta invece per l’approccio di Fourier, l’area illuminata con un angolo di incidente zero riflette tutta la luce lungo la normale. L’effetto dell’inclinazione è rappresentato da una serie di modalità di diffrazione che non potranno essere trasmesse attraverso la pupilla. Per qualsiasi onda sferica fuori asse, la luce riflessa è solo una replica spostata del modello in asse. Se il primo aveva un contrasto infinito (quando osservato attraverso le ottiche di proiezione), lo stesso vale per la replica. L’approccio di Fourier dà la risposta corretta.

Difetti comuni dei dispositivi

I dispositivi MEMS non sono mai perfettamente piatti. Quando la superficie lucidata su cui sono realizzati viene risolta, si produce una liberazione meccanica delle forze che provoca un spostamento verticale di breve distanza. Ciò introduce una particolarità chiamata speckle e altri effetti. Questo limita la qualità dell’immagine quando si utilizzano questi dispositivi. Non tutti i produttori forniscono specifiche riguardo a questi effetti. Ad esempio, non sono riuscito a trovarne alcuna per il Ti DLP. Tuttavia, alcuni limiti a questo parametro sono dovuti all’efficienza della diffrazione. Poiché il DLP deve sovrapporre molte immagini per generare una scala di grigi, la particolarità di questo effetto non dovrebbe contribuire in modo significativo al deterioramento della qualità dell’immagine quando si utilizzano questi dispositivi.

Con il tempo, soprattutto quando si utilizzano lunghezze d’onda corte, la superficie superiore può subire un certo raffreddamento e compattamento, che porta a una certa curvatura degli specchi. Per i DLP, questo ha un effetto insignificante sulla qualità dell’immagine grazie alla grande inclinazione. Per i dispositivi analogici, questa è probabilmente la proprietà che determina la durata di utilizzo del dispositivo. Si manifesta come un deterioramento del contrasto, ma influisce su altre importanti proprietà di imaging, come la sensibilità al fuoco.

SLM a ampiezza lineare

I modulatori lineari o unidimensionali probabilmente meritano una pagina tutta loro, ma cercherò di racchiudere qui alcuni aspetti fondamentali parlando di due dispositivi molto diversi. Il primo è il Silicio Light Machines Grating Light Valve, o GLV per brevità. L’altro è lo show Fraunhofer IPMS 8k. questo documento.

Ciò che rende gli modulatori 1D interessanti è che possono utilizzare sorgenti laser continue o quasi continue. Nel caso del GLV, può addirittura utilizzare un laser Q-switched. Ciò è molto interessante dal punto di vista dei costi del sistema. Anche se la frequenza di ripetizione del GLV è piuttosto elevata per un laser Q-switched, esistono comunque buone opzioni disponibili. Il principale svantaggio dei GLV è il modo in cui generano la scala di grigi.

La scala di grigi viene generata creando un reticolo con una profondità variabile e, di conseguenza, una magnitudine variabile della luce diffusa. Questo dispositivo può essere utilizzato sia nel primo che nel secondo ordine, ma ha una risoluzione significativamente migliore nel primo ordine. Alcune varianti del dispositivo combinano due nastri per formare un pixel, mentre altre utilizzano 6 o 3 coppie di nastri. Ciò non ha alcun effetto significativo sulle proprietà dell’immagine ottica.

Ciononostante, è essenziale tenere presente che questo approccio combina l’ampiezza e la fase riflessa, che per la litografia è fondamentale poiché provoca una sensibilità al fuoco se il dispositivo viene utilizzato per la scala di grigi (cosa che avviene nella maggior parte dei casi). Un’altra conseguenza, forse non così critica, è che il minimo di riflessione non può essere calibrato se il dispositivo viene utilizzato nella modalità 0th order. Si potrebbe chiedersi: come possiamo calibrare un SLM che non riflette alcuna luce o solo una minima quantità? Diamo semplicemente a questo proposito che lo SLM a specchio inclinabile può essere facilmente calibrato, mentre il GLV lo sopravvive semplicemente non essendo molto sensibile quando viene utilizzato vicino allo zero della massima ampiezza riflessa. In qualità di dispositivo Fraunhofer, è opportuno notare che il GLV deve essere illuminato da una linea stretta, con uno spessore di 5-10 micron. Ciò significa che dobbiamo considerare la densità di potenza massima quando utilizziamo questo dispositivo.

Come fa allora la tecnologia Fraunhofer a risolvere questo problema? Questo dispositivo è stato sviluppato per gestire fonti continue ad alta potenza fin dall’inizio. Pertanto, il dispositivo è completamente piatto in tutto il suo diametro di 80×2 mm.² La superficie. Per sfruttare questo aspetto, il sistema SLM deve essere posizionato prima o dopo il punto focale ottimale. Per evitare un eccesso di ottica cilindrica, è possibile ripristinare l’immagine priva di astigmatismo inserendo una o due piastre inclinate parallele.

Poiché questo dispositivo utilizza specchi inclinabili, è a fase neutra e non presenta alcun effetto di focalizzazione continua quando viene utilizzato come SLM a scala grigia. Prima di passare alla sezione successiva, va detto che questo modulatore è stato progettato per una frequenza di campionamento di 2 MHz, non di 1 MHz come previsto. documento collegato (e la pubblicazione a riguardo) sostiene. Il motivo per cui possiamo permetterci di guidare un dispositivo al di sopra della sua frequenza di risonanza nominale è che il modulatore è stato progettato per un fattore di Q piuttosto basso, circa 1, e un dispositivo di gradazione grigia non può comunque risolvere i singoli pixel. In genere, un buon design risolve solitamente 3 o 4 pixel, a seconda di quanto si valuta la qualità dell’immagine. Queste due scelte progettuali hanno permesso a Micronic di pilotare questo modulatore a 2MHz. Con un pixel da 1,25um (in quella direzione) si è ottenuto una velocità di scrittura di 2,5 m/s. Era davvero qualcosa da vedere.

Fase riflettiva SLM

I SLM a fase riflettente creano una differenza di lunghezza del percorso in due modi principali. O spostando la superficie riflettente o modificando localmente l’indice di rifrazione per generare una differenza di lunghezza del percorso. La prima opzione descrive i modulatori spaziali di luce come il RealHolo, il Texas Instruments PLM o il Silicon Light Machines PLV. Dal punto di vista del potenziale tecnico, il RealHolo si distingue chiaramente tra i MEMS.

Liquid Crystal su Silicio – LCoS

Un'altra tecnologia di fase SLM molto diffusa è la Liquid Crystal on Silicon (LCoS). Questi microdisplay si basano su uno stack di tecnologie piuttosto complesso, che comprende un backplane CMOS, una capa metallica per i pixel, strati di allineamento superiore e inferiore per il liquido cristallo, una capa di Indium Tin Oxide (ITO) per generare il campo elettrico attraverso il liquido cristallo e uno strato di vetro di protezione per contenere l'ITO. Nonostante questa complessità, i produttori possono produrre pannelli LCoS in grandi volumi con elevati rendimenti e minimi difetti pixelari.

I pannelli LCoS offrono diversi vantaggi, tra cui la robustezza. Tuttavia, presentano anche svantaggi, come la dipendenza dalla polarizzazione. Inoltre, lo spessore della capa di cristalli liquidi, determinato dalla lunghezza d’onda per cui lo SLM è progettato, limita la risoluzione effettiva del modulatore. Questa limitazione deriva dalla natura dei campi elettrici, che tendono a divergere man mano che si diffondono dalla loro sorgente. I pannelli LCoS sono essenzialmente condensatori trasparenti altamente compatti, e quando le dimensioni laterali di ciascun condensatore sono inferiori alla distanza tra le sue placche, il campo elettrico si diffonde sui pixel circostanti, creando interferenze. Nell’industria LCoS, questo fenomeno è noto come fringe-field effects. Questo provoca sia effetti di polarizzazione indesiderati che Disclinationi. Prima di passare ai MEMS SLM, è importante menzionare un importante vantaggio: oggi è possibile acquistarli presso aziende come Hamamatsu o Holoeye Photonics.

Array di specchi a pistone MEMS

Anche se i dispositivi a pistone MEMS non sono così rari come gli unicorni, difficilmente li si vedranno in natura. Ciò detto, esistono davvero e se in futuro Texas Instruments rilasciasse il PLM, questi potrebbero davvero diventare molto comuni. I dispositivi a pistone sono davvero flessibili dal punto di vista ottico. Non ci sono effetti di polarizzazione, quindi non c’è bisogno di cambiare la polarità dell’impulso durante la fase di illuminazione. Sono veloci e la fase è stabile. Con LCoS bisogna cambiare frequentemente la polarità del voltaggio di alimentazione per evitare la degradazione del cristallo liquido. Nulla di tutto questo qui. Modulazione a 360 gradi della fase e nessun crosstalk da segnalare. Ottimo. Posso avere un po’ di questi? C’è un problema, che vale altrettanto per i pannelli LCoS: come si decide quale fase impostare su ogni pixel illuminato?

Generazione di immagini con dispositivi a fase

Di solito ricorriamo all’algoritmo Gerchberg-Saxton quando dobbiamo risolvere questo problema. È particolarmente utile nelle applicazioni visive, dove il cervello rende il risultato più appetibile. Uno dei grandi vantaggi dei dispositivi a fase modulante è che non abbiamo bisogno di ottica. Illuminiamo con un fascio sufficientemente ampio e otteniamo un proiettore composto da due parti: sorgente luminosa e SLM. La lunghezza d’onda e la dimensione dei pixel limitano la sua portata angolare, ma se questo è sufficiente, siamo già pronti. Altrimenti, possiamo utilizzare un telescopio galileiano per ottenere l’ingrandimento desiderato.

Nella litografia, dove la qualità dell'immagine è fondamentale, dobbiamo controllare la fase riflessa della luce. Se non facciamo questo su una distanza lunga, gli oggetti si spostano fuori fuoco. Il fatto di non farlo su una distanza breve aggiunge anche delle macchie alle immagini, che, oltre a crescere con le aberrazioni dell'ottica di proiezione, ne aumentano anche la qualità.

C’è però un’altra cosa da considerare. Come decideremo la fase da impostare per ogni pixel? I metodi di recupero della fase sono iterativi e, per quanto ne so, restituiscono una fase proiettata casualmente. I metodi diretti che conosco utilizzano reti neurali, ma non ho visto quale qualità d’immagine possiamo aspettarci da loro. Mi aspetterei che l’approccio delle reti neurali ricreerebbe al meglio i risultati dei metodi di recupero della fase utilizzati per addestrarle. Di conseguenza, mi aspetto che quei metodi generino una fase casuale.

Alcuni principi fondamentali della teoria

Sulla questione della generazione di modelli di alta qualità con modulatori a fase soltanto, dobbiamo almeno identificare due casi: uno è quello della mappatura lineare e l’altro una mappatura non lineare. La mappatura lineare corrisponde alla mappatura lineare tra il modulator e l’ampiezza dell’immagine nell’imaging coerente, mentre la mappatura non lineare si applica all’imaging parzialmente coerente.

Per ottenere immagini coerenti, sappiamo che l’ampiezza dell’immagine è una “funzione” lineare dell’ampiezza riflessa,

E quando P rappresenta un dispositivo discreto, possiamo trasformare l’integrale in una somma integrandolo su tutti i “pixel”;,

Ci sono dettagli su questo che ritengo possa essere ignorato per il momento. Tuttavia, sappiamo che in un modo o nell'altro possiamo invertire questa relazione,

In pratica, l'inverso di H è solitamente un pseudo-inverso e così via. Questo non è il punto. Tuttavia, anche nel caso semplice in cui la risposta dell'impulso H è reale (cioè senza parte immaginaria), e l'ampiezza che cerchiamo di risolvere è anche reale; la soluzione (p) diventa quindi reale. Non è esattamente una soluzione ottimale per un dispositivo a pistone.

I pistoni necessitano di una mappatura al cerchio complesso unitario

Quindi abbiamo bisogno di un modo per trasformare un vettore reale p (con elementi NxM, dove NxM è la dimensione del nostro SLM) in un vettore,

dove il vettore h ha le stesse dimensioni di p. Vogliamo le altezze, h, di possedere la proprietà che,

In altre parole, vogliamo cancellare la parte immaginaria utilizzando il sistema ottico. Non è il mio intento trasformare questo blog in un documento matematico, ma un sistema di immagini ben progettato per la grigliazione dei colori lascerà ampie possibilità di soluzione. h che corrispondono molto alle immagini generate dal mapping Hp.

Per i mappaggi lineari, o sistemi coerenti, in altre parole, possiamo fare molto per trovare una distribuzione delle fasi dei pistoni, senza combinare (ad esempio) 4 pixel per creare un pixel grigio effettivo, il che porterebbe a una perdita di capacità di scrittura di 4 volte. Sarebbe necessario addentrarsi in molti altri calcoli per descrivere appieno il processo, quindi forse un altro giorno.

Quando il cielo non è il limite SLM

Il modulatore a pistone applicato alla litografia è il modulo più avanzato per coloro che vogliono spingere la risoluzione sub-lunghezza d’onda oltre i propri limiti pratici, ma questo comporta un costo. Ecco il punto. Un modulatore a pistone può proiettare qualsiasi fase e ampiezza (in termini relativi), ma per la litografia non vogliamo affatto alcuna ampiezza. Vogliamo che l’immagine abbia una fase costante su tutto l’intero campo di visualizzazione perché una variazione di fase è una variazione delle dimensioni o della posizione delle caratteristiche attraverso il fuoco, e noi assolutamente non vogliamo questo. Ciò significa che dobbiamo dedicare del tempo per trovare una soluzione che limiti tale grado di libertà del modulo.

Essere in grado di avere sia la torta che di mangiarla, Micronic ha inventato uno specchio inclinabile Un design che includeva un passo di un quarto di lunghezza d’onda sulla metà dello specchio. Il risultato era un’ampiezza dell’immagine che poteva raggiungere un intervallo (relativo) tra -1 e 1 e una variazione di fase pari a zero. Tutto ciò di cui avevi bisogno senza dover lavorare con lo specchio a pistone. Il lato negativo era una riduzione della riflettività del dispositivo, che per un’applicazione che includeva un laser Excimer non era un problema. In linea di massima, potrebbero esistere topologie 2D che questo modulatore non può gestire in un’unica immagine. Tuttavia, ASML ha deciso di utilizzare questa soluzione per il suo dispositivo di scrittura diretta. Purtroppo, ASML non ha mai rilasciato questo prodotto. Per quanto ne so, si tratta dell’SLM più grande progettato e costruito fino ad oggi. 11 milioni di specchi analogici a inclinazione di 8 micron e frequenza di ripetizione dell’immagine di 6 kHz. Potete trovare un’immagine molto bella Qui l'immagine SEM.

Vuoi saperne di più

Se volete saperne di più, non esitate a contattarci. Contattatemi tramite la pagina di contatto oppure semplicemente inviando una e-mail contact@senslogic.de. Mi piace parlare di SLMs. Puoi anche lasciare un commento proprio qui.