MIKROLINSEN-IMPRINT-LITHOGRAFIE. Halbleitertechnik für bessere Mobiltelefon-Kameras

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1 52 HALBLEITERTECHNIK Habeitertechnik für bessere Mobiteefon-Kameras Die derzeitige Fertigung von Kameras für Mobiteefone ist noch immer von aufwendigen manueen und habautomatischen Arbeitsschritten geprägt. Um die Hersteungs- und Montagekosten zu reduzieren und die Quaität der Kameras zu verbessern, git das Konzept der WAFER-LEVEL-KAMERA as sehr erfogversprechend. Bid 1. Fotografie mit Hindernissen: Handy-Kamera mit 3 Megapixen REINHARD VÖLKEL Digitae Kameras in Mobiteefonen gibt es seit vie kürzerer Zeit, as agemein zu vermuten wäre. Das aererste Mobiteefon mit Kamera, das Toshiba Camesse, kam vor nicht einma zehn Jahren in Japan auf den Markt. Erst drei Jahre später, ab dem Jahr 2002, wurden auch in Deutschand Kamera-Mobiteefone in größerem Umfang eingeführt. Unter dem Motto Wer wi schon mit dem Teefon fotografieren? zunächst as Marketing-Gag mit zweifehaftem Nutzen beächet, sind heute in über 80 Prozent aer Mobiteefone Kameras integriert. In den meisten Teefonen sind sogar zwei Kameras zu finden: eine Videokamera mit niedriger Aufösung und eine weitere Kamera mit einer Aufösung von bis zu zehn Megapixen für hochaufösende Fotos. Hochaufösende Digitakameras vor einigen Jahren noch eine teure Anschaffung werden damit zu biigen und jederzeit verfügbaren Wegwerfartiken. Dies wirft für Technikinteressierte einige Fragen auf: Wie werden wir in fünf Jahren fotografieren? Wird es eine 50-Megapixe-Kamera in einer Stecknade geben? Weche Auswirkungen hat diese nahezu beiebige Verfügbarkeit von inteigenten Kameramoduen für andere Anwendungen und Märkte? Miniaturisierung einer digitaen Kamera In der Eektronik ist keiner immer besser. Die fortschreitende Miniaturisierung in der Habeiterindustrie ermögicht immer höhere Recheneistungen und Datenraten, größere Datenspeicher und weniger Energieverbrauch. Das Moore sche Gesetz von 1965 beibt auch über das Jahr 2009 hinaus gütig. Nachdem CCD- und Bider: Suss, Zeiss Car Hanser Verag, München MIKROPRODUKTION 01/09

2 HALBLEITERTECHNIK 53 Bid 2. Miniaturisierung in der Optik: Die Größe eines beugungsbegrenzten Bidpunktes δx ist nur abhängig von der Weenänge λ und der Bendenzah F# CMOS-Bidsensoren der Kameras mit denseben waferbasierten Fertigungstechnoogien der Habeiterindustrie hergestet werden, ist die Entwickung der Bidsensoren ähnich stürmisch veraufen wie die der Computertechnoogie. Aus der Habeiterindustrie kommt auch die Roadmap für zukünftige Generationen von CMOS-Bidsensoren. Um Kosten zu sparen, versuchen die Hersteer die Größe der Bidpixe weiter zu reduzieren. Nach den heute übichen 2,2-µmund 1,75-µm-Pixen in Mobiteefon-Kameras kommen 1,5 µm und 1,3 µm. Gemäß der Logik der Habeiterindustrie bedeuten keinere Pixe eine höhere Aufösung oder eine Verkeinerung der teuren Sensorfäche bei geicher Aufösung. Je keiner der Bidsensor, desto keiner ist die Kamera und desto eichter ist die Integration in ein Mobiteefon bei geringeren Kosten für das jeweiige Modu. Leider gibt es hier ein fundamentaes Missverständnis. In der Optik ist keiner nicht automatisch besser im Gegentei. Bei Objektiven bedeutet eine Miniaturisierung praktisch immer eine Verschechterung der Bidquaität. Negative Auswirkungen der Miniaturisierung Der Grund dafür ist die Beugung des einfaenden Lichts an der Bende des Kameraobjektivs. Der keinste Lichtpunkt, den ein Objektiv in der Bidebene erzeugen kann, wird nur durch die Weenänge und die Bendenzah des Objektivs bestimmt. Verkeinert man eine Kamera, so ändert sich bei geicher Weenänge und Bendenzah nichts an der Größe des keinsten Bidpunktes. In Bid 2 wird dieser Zusammenhang an einem einfachen Beispie eräutert. Der Durchmesser eines beugungsbegrenzten Bidpunktes δx einer Linse mit Durchmesser D und Brennweite f ergibt sich aus δx = 2,44 λ F#, wobei λ die Weenänge und F# die Bendenzah mit F# = f/d ist. Zwei benachbarte Bidpunkte werden mit gutem Kontrast aufgeöst, wenn sie in der Bidebene mindestens den Abstand Δx Δx / 2 voneinander entfernt sind (Rayeigh-Kriterium). Verkeinert man ein Objektiv, so verringert sich anaog auch die Größe des Bidfedes, wogegen bei geichbeibender Bendenzah die V Bid 3. Links: Aufbau einer Mobiteefon-Kamera und Wafer-Leve-Kamera; rechts: Bei der Wafer-Leve-Kamera werden die auf Waferbasis hergesteten Linsenwafer mit Sub-µm-Präzision montiert und vereinzet MIKROPRODUKTION 01/09

3 54 HALBLEITERTECHNIK Bid 4. Schema und Bid einer Wafer- Leve-Kamera, die im Rahmen des EU-IST-Projekts Waori (2002 bis 2005) reaisiert wurde Größe des beugungsbegrenzten Bidpunktes δ x geich beibt. Eine Verkeinerung bedeutet demnach, dass die Anzah der darstebaren Bidpunkte mit der Größe des Bidfedes abnimmt. Fazit: Es kann keine stecknadegroße 50-Megapixe-Kamera geben. Worin besteht bei einer Miniaturisierung jetzt der fundamentae Unterschied zur Eektronik? In der Eektronik verringert man die Strukturgrößen und die Anzah der Eektronen pro Bit. Der Optiker kann Objektive verkeinern, nicht aber die Weenänge des Lichtes. Nachdem der keinste Bidpunkt nur von der Weenänge und der Bendenzah abhängt, führt eine Verkeinerung eines Objektivs nicht zu einer Verkeinerung des einzenen Bidpunktes. Die Größe der optischen Bits beibt bei einer Verkeinerung der Kamera geich. Deshab führt eine Verkeinerung des Bidsensors bei geicher Bendenzah automatisch zu einer massiven Reduktion der Bidinformation. Natürich ieße sich die Bendenzah und somit die Größe des beugungsbegrenzten Bidpunktes verkeinern. Das ist in der Praxis aber wenig sinnvo, da die Aberrationen respektive Bidfeher eines Objektivs bei keinen Bendenzahen stark ansteigen und die Konstruktion von hochgeöffneten Objektiven sehr teuer und aufwendig machen. Beispie einer typischen Kamera eines Mobiteefons Eine typische Mobiteefon-Kamera mit 3,2 Megapixen hat eine Bendenzah von F# = 2,8 mm und eine Brennweite von f = 5,6 mm. Beugungsbegrenzt ergibt sich ein Bidpunkt von δx 3,4 µm. Typischerweise wird ein 1/4-Zo-Bidsensor mit einem Bidfed von 3,6 mm 2,7 mm und Pixen mit jeweis 1,75 µm 1,75 µm Pixegröße verwendet. Gemäß dem Rayeigh-Kriterium würde die optische Aufösung bei einem beugungsbegrenzten Objektiv gut mit der Pixegröße des Sensors übereinstimmen, sofern das Objektiv beugungsbegrenzt ist. In der Reaität sind die in Mobiteefon-Kameras verwendeten Objektive eider deutich schechter. Sebst auf der optischen Achse sind die Bidpunkte in der Rege 2- bis 3-ma größer as die Beugungsgrenze. Im Randbereich > KONTAKT HERSTELLER SUSS MicroOptics SA CH-2000 Neuchâte Te Fax SUSS MicroTec AG Garching Te Fax des Bidfedes fät die Aufösung meist stark ab. Was bedeutet dies in der Praxis? Bereits mit heutigen CMOS-Bidsensoren wird in einer Kamera eines Mobiteefons ein einzener Bidpunkt von bis zu 20 Sensor-Pixen abgetastet. Die Kamera detektiert und speichert zwar 3,2 Miionen Pixe, die wirkiche Aufösung ist aber meist sehr vie schechter. Eine 5-Megapixe-Mobiteefon-Kamera erreicht seten die Bidquaität einer aten 2-Megapixe-Digicam mit 8 bis 10 µm großen Pixen. Spezie bei schechten Lichtverhätnissen (bei Nacht oder direkter Sonneneinstrahung) fät die Bidquaität der Mobiteefon-Kameras oft dramatisch ab. Eine weitere Verkeinerung der Sensor-Pixe macht aus Sicht der Optik wenig Sinn im Gegentei. Betrachten wir nun die Bauhöhe des beschriebenen 3,2-Megapixe-Kameramodus. Die Bauhöhe ergibt sich aus der Brennweite, dem Abstand von der ersten Linse zur Bende und der Dicke des Bidsensors und iegt bei unserem Beispie bei 8 bis 10 mm. Es ist eicht vorstebar, weche Bidquaität von einem Kameramodu mit 2 bis 3 mm Bauhöhe noch zu erwarten ist. Gibt es einen Ausweg? Bidsensoren sind in der Rege durch das Photonenrauschen imitiert. Je keiner die Pixe des Bidsensors werden, desto weniger Photonen werden absorbiert und desto schechter ist das Signa-Rausch-Verhätnis. Bidsensorhersteer versuchen jetzt durch im Chip integrierte Eektronik und Bider: Suss Car Hanser Verag, München MIKROPRODUKTION 01/09

4 HALBLEITERTECHNIK 55 Bid 5. Mask Aigner MA/BA8 Gen3 von Suss MicroTec mit spezie für Mikroinsen-Imprint-Lithografie ( Smie ) und das Packaging von Wafer-Leve-Kameras entwicketen Moduen Bidbearbeitung die Signae zu verbessern. Ein sehr interessanter Ansatz ist die vertikae Integration der Farbdetektion. Normaerweise werden pixeierte Farbfiter verwendet. Um ein RGB-Pixe zu detektieren, biden dabei drei oder vier Pixe jeweis eine Einheit. Bei der vertikaen Integration werden diese Pixe gestapet. Semitransparente Fiter und Sensoren erauben eine Farbdetektion in der Tiefe. Sicherich hät die Eektronik noch weitere Ideen und Kunstgriffe parat, mit denen Kameras für Mobiteefone keiner und biiger werden können. Trotzdem beibt festzuhaten, dass entgegen den Wünschen der Mobiteefonhersteer und den Roadmaps der CMOS-Bidsensorhersteer Kameras für Mobiteefone nicht wesentich weiter verkeinert werden können, ohne dass die Bidquaität eidet. Entscheidend für die Bidquaität einer Kamera im Mobiteefon ist neben der Quaität des Objektivs nur die Diagonae des Bidsensors. Je größer der Bidsensor, desto mehr optische Bidpunkte können detektiert werden. Ob diese Bidpunkte dann von einem oder 20 Sensor-Pixen detektiert werden, macht wenig Unterschied. von Kameraobjektiven für 1 bis 2 US-Doar pro System hersteen kann? Eine Mobiteefon-Kamera besteht aus 10 bis 20 verschiedenen Komponenten, beispiesweise Kunststoff- oder Gasinsen, Benden, Fitern, Aktuatoren, Hatern, Tubus und dem Bidsensor (Bid 3). Diese Komponenten werden einzen gefertigt und dann zusammengesetzt. Die Hersteung der Linsen erfogt meist durch Spritzguss von Poymeren oder durch Heißprägen von niedrigschmezenden Gäsern. Die gefassten Linsen werden in einen Tubus (Barre) gesetzt, das Objektiv wird geprüft und dann in einem Hater (Mount) auf den Bidsensor ausgerichtet. Bedingt durch die bei Spritzguss und bei Montage im Tubus erreichbare Genauigkeit beibt die Quaität der Objektive beschränkt. Die arbeitsintensive Montage beibt ein wesenticher Kostenfaktor, deshab befindet sich die auf Mobiteefon-Kameras speziaisierte Industrie praktisch ausschießich in Asien. Seit einigen Jahren wird versucht, auch die Optik in Wafertechnoogie herzusteen. Mittes Mikroinsen- V Objektive für Mobiteefon-Kameras Die erste digitae VGA-Kamera für den Consumer- Markt, die Appe QuickTake, kostete 1994 etwa 800 US-Doar. Heute kosten Kameramodue für Mobiteefone meist weniger as 5 US-Doar. Auf der Seite der Bidsensoren ässt sich dieser niedrige Preis mit den immensen Fortschritten der Habeiterindustrie erkären. DRAM-Habeiterfabriken der voretzten Generation können für die kostengünstige Hersteung von CMOS-Sensoren weiterverwendet werden. Wetweit wurde im Jahr 2008 mit Bidsensoren ein Umsatz von über 7 Miiarden US-Doar erziet. Auf der Seite der Objektive und beim Zusammenbau der Kameras ist die Kostenreduktion schwieriger nachzuvoziehen. Der Preis hochwertiger Fotoobjektive hat sich in den etzten 25 Jahren nicht wesentich verändert. Wie war es nun mögich, innerhab von wenigen Jahren eine Optikfertigung aufzubauen, die Miiarden Bid 6. Linsen-Master-Array (8 Zo) aus Messing von Kaeido Technoogy und mittes Mikroinsen-Imprint-Lithografie ( Smie ) repiziertes Mikroinsen-Array MIKROPRODUKTION 01/09

5 56 HALBLEITERTECHNIK Imprint-Lithografie werden Poymerinsen auf Gaswafern doppeseitig geprägt. Diese Linsenwafer werden dann mit Sub-µm-Präzision in einem Mask Aigner montiert und die fertigen Kameramodue anschießend vereinzet. Das Prinzip der Wafer-Leve-Kamera Von 2002 bis 2005 wurden im Rahmen des EU-IST- Forschungsprojekts Waori vom Fraunhofer IOF aus Jena, Fresne Optics aus Apoda, Suss MicroOptics und IMT aus Neuchâte/Schweiz sowie von CEA LETI und ATMEL aus Grenobe/Frankreich erste Wafer- Leve-Kameras aufgebaut. Europäische Unternehmen wie Heptagon aus Zürich und Anteryon aus dem niederändischen Eindhoven haben mitterweie erfogreich Produktionsinien für Wafer-Leve-Kameras aufgebaut (Bid 4). Das Konzept der Wafer-Leve-Kamera wird as sehr erfogversprechend angesehen, um Hersteungs- und Montagekosten zu reduzieren und die Quaität der Kameras zu verbessern. Bewährte Wafertechnoogie aus der Habeiterfertigung so die arbeitsintensiven manueen und habautomatischen Schritte bei der derzeitigen Kamerafertigung ersetzen. Die Einfachheit dieses Ansatzes der Wafer-Leve-Kamera führt eicht zu der Annahme, dass mit bestehenden CMOS-Technoogien auch Optikwafer hergestet und montiert werden könnten. Dies ist eider so nicht der Fa. Für die Hersteung der Linsenwafer und das Packaging mussten neue Konzepte und Technoogien entwicket werden: Bestehende Habeitertechnoogie ist nicht geeignet, um auf einem dünnen 8-Zo-Gaswafer asphärische Mikroinsen mit einigen Hundert Mikrometern Scheitehöhe zu fertigen. Die in der Habeiter- und Optikindustrie etabierten Poymermateriaien sind für die Mikroinsen-Imprint- Lithografie und den bei der Montage auf der Patine benötigten Refowprozess (260 C) nicht geeignet. Da auf den CMOS-Bidsensor einer Wafer-Leve- Kamera ein Gaswafer gekebt wird, muss der Chip durch Kontaktöcher (TSV-Technoogie) von der Rückseite kontaktiert werden. Eine andere Methode ist die Rückseitenbeeuchtung (BSI-Technoogie). Mikroinsen-Imprint- Lithografie ( Smie ) Trotz viefacher Probeme werden erste CIF- und VGA- Wafer-Leve-Kameras in Serie produziert und as Video-Objektive in Mobiteefone eingebaut. Führende Mobiteefonhersteer haben sich kar zu dem Konzept der Wafer-Leve-Kameras bekannt und sie in ihre Roadmaps aufgenommen. Dieser mögiche Technoogiewechse bei der Optikfertigung hat natürich bei den derzeitigen Kamera- und Optikhersteern einige Unruhe ausgeöst. Eine der Schüssetechnoogien für die Wafer- Leve-Kamera ist eine geeignete Lithografie-Methode, um auf 8-Zo-Gaswafern kosteneffizient asphärische Linsen mit hoher ateraer Präzision und Profitreue hersteen zu können. Die derzeit favorisierte Technoogie ist eine UV-Repikation, beispiesweise die Mikroinsen-Imprint-Lithografie ( Smie ) von Suss, bei der ein füssiges Poymer mit einem transparenten PDMS-Stempe in einem Mask Aigner auf dem Gaswafer aufgebracht und durch UV-Beichtung fixiert wird. Suss MicroTec hat dazu kürzich den Mask Aigner MA/BA8 Gen3 vorgestet (Bid 5). Dieser Mask Aigner, der spezie für Mikroinsen-Imprint-Lithografie und das Packaging von Wafer-Leve-Kameras entwicket wurde, eraubt ein beidseitiges Imprinten von Mikroinsen-Arrays und die Justage von Linsenwafern mit einer Präzision von bis zu ± 0,25 µm. Schüsseeemente für die Imprint-Lithografie sind geeignete Master-Arrays zur Repikation, wobei zwei unterschiediche Ansätze existieren. Aus keineren Arrays kann mittes Step-and-Repeat-Lithografie, zum Beispie mit einem NPS 300 -System von SET, ein 8-Zo- Master-Array hergestet werden. Von diesen Master- Arrays werden Stempe in PDMS hergestet und für die Imprint-Lithografie verwendet. Mittes Diamantdrehen oder 8-Zo-Mikrooptik-Fertigung können auch vofächige Master-Arrays hergestet werden. Suss MicroOptics und Kaeido Technoogy bieten ein breites Spektrum von Master-Arrays für Mikroinsen-Imprint- Lithografie an (Bid 6). Kaeido Technoogy fertigt Master-Arrays mittes Diamantdrehen und Mikrofräsen mit einer maximaen Scheitehöhe von 300 µm und einer ateraen Präzision von 1 bis 2 µm über den Wafer. Suss MicroOptics fertigt hochpräzise Linsen-Master mittes Fotoithografie, Schmeztechnoogie und Reaktivem Ionenätzen (RIE) mit einer maximaen Scheitehöhe von 100 µm. Für Kundendemonstrationen und Prototyping steht am IMT Neuchâte ein Kompetenzzentrum mit einer Suss MicroTec MA/BA8 Gen3 für PDMS-Stempehersteung, Imprint-Lithografie und Wafer-Leve-Packaging zur Verfügung. Ausbick Neben dem kostensensitiven Markt für Consumer- Kameras bietet die waferbasierte Optikhersteung noch eine Viefat von anderen interessanten Anwendungen, zum Beispie in der Sensorik und der Medizintechnik. Soche Ansätze werden derzeit im Rahmen des BMBF-VDI-Verbundprojekts Comika (FKZ 13N9410-7) untersucht. Zu dessen Partnern gehört das Fraunhofer IOF aus Jena, der Sensorhersteer Sick aus Wadkirch, das Beriner Unternehmen MSG Lithogas, Fresne Optics aus Apoda, Continenta Automotive aus Hannover, Aspect Systems aus Dresden, Schott aus Mainz und Suss MicroTec Lithography aus Garching bei München. MI AUTOR Dr. REINHARD VÖLKEL ist Geschäftsführer bei Suss MicroOptics in Neuchâte/Schweiz; Car Hanser Verag, München MIKROPRODUKTION 01/09

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