Trends in Imaging Design: Why Do We Need Optical Design Kits for Flat Optics?

Flat Optics: An Emerging Technology Leveraging Semiconductor Processes

Flat Optics: 반도체 공정을 활용하는 새로운 기술

광학 장치는 빛과 상호 작용하여 빛의 경로, 방향, 편광 또는 강도를 변경합니다. 전자 장치의 기본 구성 요소는 전자의 게이트 역할을 하는 트랜지스터입니다. 광학의 기본 구성 요소는 광 경로를 변경하여 광선을 편향시키는 렌즈입니다. 여러 개의 렌즈를 사용하면 색수차 및 기하학적 수차를 최대한 줄이면서 광선을 편향시킬 수 있습니다. 표준 렌즈 제조 방식에는 폴리머 주입과 glass-turning, grinding 및 polishing이 포함되며, 이를 통해 3D 곡면 렌즈가 만들어집니다.

카메라의 보편화로 인해 지난 15년 동안 결상 시스템이 10배나 증가하면서 기존 제조 방식에 압박이 가해졌습니다. (평평한) 기판에서 반도체 공정을 활용하는 평면 렌즈는 기존의 폴리머 주입 및 glass-turning에 대한 대안으로 등장했습니다. 이 새로운 제조 기술은 UV 복제 또는 핫 엠보싱을 활용하여 렌즈 및 보다 광범위하게는 광학 제품을 제조합니다. 또한 기존의 구형 또는 비구면 3D 모양 대신 나노 구조의 평면 렌즈의 등장처럼 새로운 모양의 렌즈를 위한 길을 열어줍니다.

기판에 패턴화된 나노구조가 광선의 파장보다 작을 때 빛은 새로운 인공 물질과 상호 작용하여 광 경로에서 3D 렌즈 역할을 합니다. 메타렌즈 외에도 Flat Optics 및 반도체 공정은 굴절 및 회절 광학 요소에 대한 광학 장치 공학에서 무한한 가능성을 열어줍니다. 이는 다시 광 가이드, 메타렌즈, IR, UV 필터 및 나노 구조 광원(예: AR용 microLED 마이크로디스플레이)의 혁신을 위한 길을 열어줍니다. Flat Optics을 위한 최초의 대량 생산 응용 프로그램인 IR 3D 감지 조명기에 힘입어 이 분야는 지난 5년간 55%의 놀라운 연평균 성장률(CAGR)을 기록했습니다.

Evolution of Optics Manufacturing: Why We Need Optical PDKs

광학 제조의 진화: 광학 PDK가 필요한 이유

Flat Optics를 활용하는 첨단 광학 설계로 인해 제조량이 새로운 한계에 도달하고 디바이스 크기가 획기적으로 소형화되고 있습니다. 한편 이미지 성능 및 전력 소비와 같은 다른 기술적 요건은 달성하기가 더욱 어려워지고 있습니다. 많은 광학 제조업체들이 고급 요구 사항을 충족하고 비용을 최적화하기 위해 기존 광학 공정에서 반도체 공정을 사용한 대량 제조로 전환하고 있습니다. 광학 기술이 발전함에 따라 광학 공차도 발전해야 합니다. 오늘날 광학 공차는 재료 특성을 추정하고 제조 변동을 매개변수로 표현하여 수행됩니다. 제조 공정이 완전히 고려되지 않아 낮은 수율, 낮은 성능 및 재설계가 발생할 수 있습니다. 이러한 설계-제조-테스트 루프는 광학 설계자, 통합 팀 및 테스트 엔지니어에게 시간과 비용 측면에서 많은 비용이 소요됩니다.

수년에 걸쳐 microelectronics 설계자들은 설계 단계에서 정확한 시뮬레이션을 통해 제조 변동을 설명하기 위해 에코시스템, 도구 및 방법론을 개발했습니다. 그 결과 반도체 파운드리 공정 설계 키트(PDK)는 전자 설계자들이 널리 사용할 수 있습니다. 목표 성능 매개변수에는 전자 제품의 저항 및 capacitance가 포함되지만 라인 가장자리 거칠기, 측벽 각도의 변화, 광 근접 보정 전략 및 마스크 스티칭과 같은 다른 제조 효과도 반사, 투과, 회절 효율성, 색상 감쇠, 분산 및 수율과 같은 Flat Optics 성능에 영향을 미칠 수 있습니다. 카메라용 소형 렌즈, 도파관 결합기 또는 microLED 디스플레이와 같은 나노 구조 Flat Optics 장치를 효율적으로 설계하려면 제조 공정의 기능과 한계를 고려하는 것이 그 어느 때보다 중요합니다. 이 분석은 DR(설계 규칙) 및 PDK를 사용하는 집적 회로(IC) 설계에서 수행됩니다. microelectronics와 유사하게 Flat Optics는 광학 설계자를 안내하고 통합 엔지니어의 작업을 용이하게 하기 위해 광학 공정 설계 키트(OPDK)가 필요합니다. OPDK를 구축하는 방법론을 검토해 보겠습니다.

Optical Design and Manufacturing Simulation for Flat Optics

Flat Optics용 광학 설계 및 제조 시뮬레이션

Flat Optics 설계, 공정, 재료 및 응용 분야는 이 기술의 참신함을 감안할 때 빠른 속도로 발전하고 있습니다. Flat Optics 디바이스의 제조 공정을 시뮬레이션하면 최종 디바이스가 어떻게 작동할지에 대한 통찰력을 얻을 수 있으므로 첫 번째 제조 루프에 도달하기 전에 제조 영향을 보상하도록 설계를 조정할 수 있습니다. 또한 광학 설계와 공정 시뮬레이션 사이의 격차를 좁히면 공동 최적화, 광학 DR 및 OPDK를 위한 기반을 마련할 수 있습니다.

Synopsys는 설계부터 제조 시뮬레이션까지 Flat Optics 기반 시스템을 개발하기 위한 완전한 툴 세트를 제공합니다. 이 포트폴리오에는 결상 광학 설계 및 공차를 위한 CODE V®, 미광 분석 및 도파관 결합기 최적화를 위한 LightTools®, 마이크로디스플레이, 홀로그램 및 회절 격자, 메타옵틱스 설계를 위한 RSoft^TM Photonic Device Tools가 포함됩니다. 또한 전자 광학 디바이스 및 제조 공정 시뮬레이션, 마스크 합성 및 데이터 준비 툴, 수율 탐색 및 관리 도구를 포함하는 Sentaurus^TM 툴 제품군과 함께 Synopsys TCAD (Technology Computer-Aided Design) 포트폴리오가 포함되어 있습니다.

설계에서 제조까지 시뮬레이션 흐름과 유사하게 Flat Optics 흐름은 광학 설계에서 시작됩니다. 이 첫 번째 단계는 원하는 광학 성능을 향해 나노 구조 패턴을 최적화하는 것을 목표로 합니다. 그런 다음 Flat Optics의 GDS 파일이 생성되고 후처리되며, 제조 시뮬레이션 툴을 활용하여 광 근접 효과를 수정하고 포토레지스트의 동작을 설명하며 선택한 식각 공정의 영향을 시뮬레이션합니다. 흐름은 구조의 수정된 GDS를 출력하며 광학 설계 도구로 시뮬레이션하여 시뮬레이션된 공정이 광학 성능에 미치는 영향을 측정할 수 있습니다. 완전히 통합되고 자동화되면 흐름은 모든 Flat Optics 구성 요소에 적합한 OPDK를 생성합니다.

The Metalens Example

Metalens 예제

Flat Optics 설계에서 제조까지의 흐름을 예로 들어 보겠습니다. 광학 시스템에서 무채색은 다양한 파장에 따른 초점 이동을 방지하기 위한 목적입니다. 이 유형의 렌즈는 모든 실화상 카메라에 널리 사용됩니다. "classic" 굴절 광학의 경우 색수차는 렌즈 재료의 분산으로 인해 발생하며 다양한 굴절 광학의 조합을 통해 보정할 수 있습니다. 재료 분산 외에도 flat achromatic lens의 나노 구조는 파장에 따른 광학 거동을 나타냅니다. 메타렌즈 무채색 보정은 메타렌즈 내 나노 구조의 적절한 재료, 배열 및 모양을 선택함으로써 이루어집니다. 다양하고 복잡한 타겟 유형에 맞게 메타 표면 배열을 최적화하는 Synopsys의 MetaOptic Designer tool을 사용하여 설계할 수 있습니다.

우리는 MetaOptic Designer를 사용하여 20µm의 초점 거리에서 Airy spot을 사용하고 500nm 파장에서 최적화된 achromatic metalens를 설계했습니다. 두 번째 케이스는 20µm의 동일한 초점 거리에 대해 3개의 파장[400nm, 500nm 및 600nm]에 대해 설계 및 최적화되었습니다. 두 설계 사례 모두 동일한 메타 원자 라이브러리(SiO2 기판 위의 Si3N4 나노 기둥)를 사용합니다. 그런 다음 초기 설계 대상 지오메트리가 제조 흐름에서 시뮬레이션됩니다. 제조 시뮬레이션은 대상 패턴으로 시작됩니다. 그런 다음 OPC(Optical Proximity Correction) 기술(Proteus OPC 또는 Proteus ILT)로 대상 패턴을 보정하여 포토리소그래피 마스크를 생성하여 포토리소그래피 중 이미지 충실도 손실 및 라인 엔드 쇼트닝과 같은 문제를 보상하는 마스크 패턴을 생성합니다. 다음으로 보정된 마스크는 엄격한 포토리소그래피 시뮬레이션(S-Litho)을 사용하여 이미지화되어 포토레지스트 패턴을 생성합니다. 마지막으로, 포토레지스트 패턴은 식각 공정(Sentaurus Process Explorer)에서 기판 재료로 전사되어 설계된 패턴의 해당 표현을 웨이퍼에 남깁니다. 생성된 물리적 소자는 광학 성능 평가를 위한 광학 시뮬레이션으로 피드백되어 설계 팀이 제조 흐름을 동결하기 전에 설계를 조정할 수 있습니다.

Designing for the Future: OPDKs

미래를 위한 설계: OPDK

제안된 설계-제조 시뮬레이션 흐름은 제조 공정의 영향을 미리 예측하여 Flat Optics 설계를 할 수 있는 길을 열어줍니다. 궁극적으로 시뮬레이션 체인 전반에 걸쳐 공동 최적화가 가능해져 통합 엔지니어가 새로운 Flat Optics 설계를 시작하기 전에 광학 설계자에게 제공할 수 있는 광학 DR 및 OPDK를 제공할 수 있습니다.

Synopsys는 통합 환경에서 업계 최고의 플랫폼인 광학 설계, 장치 모델링 및 리소그래피 시뮬레이션 도구를 제공하여 차세대 Flat Optics 장치의 시장 출시 시간을 단축할 수 있습니다. Flat Optics 설계를 만들고 있으며 제조 비용을 절감하면서 복잡한 제조 효과를 고려하여 시장 출시 시간을 단축하려는 경우, 당사가 도와드릴 준비가 되어 있습니다.