Mikromaszyna laserowa - nowe techniki i rozwiązania do zastosowań wyświetlaczy

ABSTRAKCYJNY

  W ostatnich latach powierzchnia urządzeń wyświetlających osiągnęła bardzo szybki wzrost, a postępy te nie wykazują oznak spadku. Jednym z ważniejszych osiągnięć w tej dziedzinie było wykorzystanie laserów do różnych zadań związanych z mikrofabrykowaniem.W artykule opisano niektóre techniki opracowane przy użyciu laserów ekscymerowych do produkcji nowych mikrostruktur w materiałach polimerowych. Przedstawiono przykłady rodzajów mikrostruktur i ich rodzajemożliwość zastosowania aplikacji do urządzeń wyświetlających. Omówiono nadchodzące zmiany w laserowej produkcji wyświetlaczy.

 1. WSTĘP

  Niedawny rozwój komunikacji cyfrowej i systemów multimedialnych doprowadził do coraz bardziej złożonych wymagań technicznych dotyczących osobistych produktów elektronicznych, interaktywnych urządzeń rozrywkowych oraz komercyjnych i domowych urządzeń wyświetlających.Niektóre z tych wydarzeń częściowo wynikały z wymagań dotyczących produkcji seryjnej, ale inne znaczące elementy musiały zostać rozwiązane wyłącznie ze względu na nowatorski charakter nowoczesnych systemów mikroelektronicznych. Aby to osiągnąćwymagania, lasery są obecnie szeroko stosowane w środowiskach rozwojowych i produkcyjnych, ponieważ zapewniają wyjątkowe połączenie elastyczności, wydajności i zdolności do wytwarzania szerokiej gamy mikrostruktur.

W wielu zastosowaniach wyświetlających zastosowanie materiałów fotopolimerowych nie dwójłomnych umożliwia znaczną poprawę właściwości wyświetlania, takich jak kąt widzenia (AOV), definicja cechy i jasność obrazu [1]. Te operacyjneulepszenia są często osiągane przez połączenie takich fotopolimerów z dodatkowymi mikromechanicznymi strukturami w celu zapewnienia ulepszonej wydajności poza osią. W szczególnościr, wyświetlacze ciekłokrystaliczne (LCD), niezależnie od tego, czy są podświetlane, czy działająw warunkach oświetlenia otoczenia skorzystały na tym rozwoju. W artykule opisano niektóre nowe metody wytwarzania różnych mikrostruktur wytwarzanych przy użyciu technik laserowej mikroobróbkioptyczne urządzenia wyświetlające.

2.MIKROSTRUKTURY DLA URZĄDZEŃ WYŚWIETLANYCH RĘCZNIE

  Istnieje wiele korzyści w urządzeniach wyświetlających (zwłaszcza przenośnych) przy użyciu światła otoczenia podczas normalnej pracy, z których najważniejszym jest zmniejszenie poboru mocy. Jednak korzystanie z światła otoczenia ma swojeograniczenia i projekty systemów oświetleniowych muszą uwzględniać takie ograniczenia. W urządzeniach podręcznych, takich jak np. Telefony komórkowe, głowa i ciało użytkownika często zasłaniają większość dostępnego światła, a więcnależy zastosować specjalne konstrukcje pryzmatyczne, aby selektywnie skierować światło padające. Figura 1 pokazuje schematyczne przedstawienie typowej operacji wyświetlacza LCD, gdzie światło z góry głowy widza jest preferencyjneodzwierciedlenie w kierunku widza, który może trzymać wyświetlacz pod wygodnym kątem. Intencją tych urządzeń jest minimalizacja odbicia lustrzanego w celu zmniejszenia "olśnienia" i zoptymalizowania jasności oglądanego obrazu.

  Na rysunku 1 źródło podświetlenia ekranu LCD jest wyświetlane jako opcja, ponieważ pryzmatyczne struktury mogą być używane w trybach odblaskowym, refleksyjnym plus transmisyjnym lub czysto transmisyjnym, w zależności od produktów. OdCechy pryzmatyczne są w polimerowych podłożach, są obecnie wytwarzane przez konwencjonalną replikację z metalowych matryc. Chociaż obecne metody wytwarzają części o wysokiej jakości, mają one wiele wad, w tym

  Niezbędność przy częstym i drogim przeprojektowaniu

   Niemożność obróbki złożonych lub wielowymiarowych struktur

   Szybkość przetwarzania

  Wielkoetapowe przetwarzanie, tzn. Nadrzędny musi zostać obrobiony, z którego wykonane są wymagane części

   Istniejący metalowi mistrzowie są bardzo delikatni i podatni na uszkodzenia mechaniczne

  Ze względu na powyższe ograniczenia, metody obróbki laserowej stanowią bardzo atrakcyjną opcję do produkcji tych pryzmatycznych cech, ponieważ mogą być stosowane do obróbki pożądanych struktur bezpośrednio w próbkach polimeru zwszechstronność i bez kontaktu z materiałem.

 2.1Laser Micromachining

  System do mikrominiowania laserem ekscymerowym został zastosowany we wszystkich opisanych tutaj pracach ze względu na doskonałą wydajność tych laserów UV w mikrominiowaniu polimerów [2]. Technika projekcji maski została użyta do ablacji różnychbezpośrednio pobiera próbki polimeru i produkuje rozważane konstrukcje pryzmatyczne.

  Szereg udoskonaleń podstawowej zasady projekcji maski zostało już wcześniej zgłoszonych [3]. W szczególności zastosowanie przeciągania przedmiotu obrabianego [3] idealnie nadaje się do produkcji elementów pryzmatycznych i oferuje wiele korzyści,w tym możliwość:

   kontrolować głębokość, długość i przekrój mikropryzmatów.

   zachowaj wysoką precyzję i rozdzielczość dla mikrominiowania konstrukcji.

  rozmienić technikę na duże rozmiary w przypadku opcji produkcji masowej.

  Aby zademonstrować wykonalność metod laserowej mikrominijki dla omówionych powyżej zastosowań, reprezentatywne struktury zostały mikromaszynowe, aby umożliwić bezpośrednie porównanie istniejącej trasy metal-master i laseratechniki.

  W systemie projekcji maski standardowy laserem ekscymerowym działającym przy długości fali 248 nm i zdolnym do częstotliwości powtarzania impulsów do 150 Hz użyto wraz z soczewką obrazową x5 0,125NA. Soczewka miała pole obrazu o rozmiarze 14 mmco pozwoliło na 280 mikropryzmatów o wartości 50mm szerokość, która ma być obrabiana jednocześnie, poprzez projekcję z maski chromowo-kwarcowej. Promień lasera ukształtowano i zhomogenizowano, uzyskując prostokątny profil z płaskim wierzchołkiem na płaszczyźnie maskio wymiarach 75 mm x 10 mm. Próbki trzymano płasko na stołach XYZ, które oferowały boczną rozdzielczość pozycjonowania 100 nm i elewacyjną (ogniskową) rozdzielczość 50 nm. Należy zauważyć, że obiektyw 0.125NA pozwala na uzyskanie większej głębi ostrościOkoło±16mm, więc obsługa próbek jest ważnym problemem w utrzymaniu stałej jakości obrazu. Dodatkowo, dysza kierunkowa została umieszczona w bliskim sąsiedztwie miejsca ablacji, aby umożliwić użycie wspomagania gazem podczaslaserowa mikroobróbka.

  Parametry mikromaszynowania zostały zoptymalizowane w celu określenia najlepszego zestawu warunków pod względem gęstości energii lasera, liczby zdjęć na obszar (dla wymaganej głębokości), częstotliwości powtarzania lasera, prędkości ruchu próbki (posuwu) i gazuwspierać. Innym parametrem, który ma istotny wpływ na jakość końcowej próbki, jest sposób, w jaki pryzmatyczne trójkątne wzory są skanowane na próbce, co wyjaśniono poniżej.

  Dwa główne wymagania dla mikropryzmatów polegały na tym, że powinny mieć kąt 10 ° i szerokość 50m, co oznacza, że ​​głębokość najgłębszej części mikropryzmatów musi wynosić 8,8.mm. Przy określonej gęstości energii laseralub fluence, jest to prosta sprawa, aby określić liczbę zdjęć, które dają tę głębokość, ale, aby wyprodukować optycznie dopuszczalną pryzmatyczną próbkę, inne czynniki również muszą być brane pod uwagę. Rysunek 2 pokazuje reprezentacjęsposób, w jaki wykonuje się mikroobróbkę.

  Jeśli założymy, że N strzały są wymagane w sumie przez dowolny obszar jednostki, aby ten obszar został usunięty do głębokości 8,8m, to można zauważyć w odniesieniu do figury 2, że istnieje wiele sposobów, w jakie można wykonać te N strzałów zdeponowane napróba. Ponieważ próbka jest obrabiana poprzez skanowanie wzoru w jednej osi, a następnie powtórzenie skanowania w sąsiednich pozycjach na próbce, najprostszym sposobem uzyskania N zdjęć jest użycie N zdjęć / obszaru w kierunku skanowania inastępnie przechodzenie w bok o jedną całkowitą szerokość wiązki (to jest krok boczny = w). Jeżeli wiązka zostanie przesunięta na bok o połowę szerokości wiązki (to jest o w / 2), wówczas należy użyć ujęcia / obszaru N / 2 w kierunku skanowania. Zasadniczo, jeśli wiązka jest schodkowabokiem o 1 / m szerokości wiązki, wtedy liczba zdjęć na obszar w kierunku skanowania musi wynosić N / m. Oczywiście cały proces można powtórzyć kilka razy, tak aby pojedynczy cykl maszyn procesowych był mniejszygłębokość niż wymagana, a cała procedura jest powtarzana sukcesywnie aż do uzyskania pożądanej głębokości. W związku z tym,

  Suma strzałów N = L S m

  gdzie L jest liczbą pętli przetwarzania, S jest liczbą uderzeń na obszar w kierunku skanowania m jest ułamkiem szerokości wiązki w, w której próbka jest przesuwana na bok (np. stopniowanie o 1/3 szerokości wiązki daje m = 3).

  Połączenie trzech parametrów L, S i m wpływa na jakość mikromaczynianych cech, w szczególności na gładkość "powierzchni" mikropryzmatów. W szczególności, jeśli S, liczba zdjęć na obszar w skanowaniukierunek, jest zbyt duży, a następnie gładkość powierzchni pryzmatycznych ulega degradacji, ponieważ próbka przesuwa się o większą odległość pomiędzy impulsami. Zostało to zilustrowane na rysunku 3, na którym pokazano mikrografię elektronową skaningową (SEM) mikropryzmatówobrabiane w poliwęglan, gdzie znaczące "stopnie" można zobaczyć na twarzach pryzmatów.

  Stwierdzono, że wysokiej jakości mikropryzmaty były wytwarzane przy użyciu fluktuacji laserowej 1J / cm2 przy 80shotach / obszarze przy częstotliwości powtarzania laserowego 150 Hz. Porównano również działanie tlenu, azotu, helu i gazów wspomagających powietrzeopisane w sekcji 2.2.5.

  2.2 Analiza struktur obrobionych laserem

  Próbki polimeru o wymiarach ~ 50 mm x 50 mm obrabiano laserowo z zastosowaniem mikropryzmatów 10, a następnie analizowano za pomocą mikroskopii optycznej, skaningowej mikroskopii elektronowej, interferometrii i analizy dyfrakcyjnej. Te próbki zostały ocenione zarównojakościowo i ilościowo - ponieważ produkty końcowe dla tych struktur są optycznymi urządzeniami wyświetlającymi, jakościowy wygląd oka jest bardzo ważną miarą ich jakości.

  2.2.1 Odbicia struktur

  Rysunek 4 pokazuje obraz SEM o wartości 10°mikropęknięcia mikromechaniczne w poliwęglany ukazujące regularną i odtwarzalną naturę zoptymalizowanej obróbki laserowej. Należy zauważyć, że próbka o szerokości 50 mm zawiera około 1000mikropryzmaty i zmiany wymiarowe rzędu ~ 2mm są łatwo rozpoznawalne przez zmianę regularności, którą powodują.

  Interferometr Zygo zastosowano również do pomiaru wypukłości powierzchni w środku jednej z próbek, a uzyskane dane 3D i przekrojów pokazano na rysunku 5. Można zauważyć, że głębokość z analizy przekrojów poprzecznych~ 8,8mm zgadza się dokładnie z pożądaną wartością, a gładkość i regularność sąsiednich mikropryzmatów jest również wyraźnie widoczna.

Główna rola odbijanej pryzmatycznej struktury, jak pokazano na rysunku 1, polega na przekierowaniu światła z lustrzanego kąta odbicia w dogodniejszy kierunek i można łatwo wykazać, że światło padające przy ~ 30° do normalnegozostanie przekierowanyw kierunku normalnym, jeśli 10° stosuje się konstrukcje pryzmatyczne. Zostało to zweryfikowane przez pomiar czułości kątowej odbicia od próbek obrabianych laserem przy użyciu białego źródła światła. Rysunek 6 pokazuje wykres polarny i przekrójnatężenia światła mierzone jako funkcja kąta. Światło wejściowe padało pod kątem 30 stopni° do normalnego i dwóch szczytów odbicia można zobaczyć. Szerszy pik po lewej (pik "A") pochodzi z 10° microprisms reskierowanie światła w kierunku normalnym, podczas gdy węższy pik po prawej stronie (szczyt "B") jest powodowany przez odbicie lustrzane od przedniej powierzchni poliwęglanu.

2.2.2 Odbicia struktur z dyfuzorem

  Jak można zauważyć na fig. 1, typowe urządzenie wyświetlające zwykle ma również element dyfuzora przed pryzmatyczną strukturą, a dodanie tego również zostało zmierzone przy użyciu tej samej metody. Rysunek 7 pokazuje wyniki zodbijanie światła od tylko próbki dyfuzora i od kombinacji dyfuzora i pryzmatycznej struktury.

  Widać, że zgodnie z oczekiwaniami sama próbka dyfuzora rozprasza światło po szerokim stożku kątów, zachowując swój szczyt wokół 30°  lustrzany kąt odbicia. Dodanie 10° mikropryzmy koncentrują sięwiększość światła wokół normalnej próbki, dając w ten sposób dogodny, widoczny zakres kątów dla wyświetlacza.

  Chociaż użycie pryzmatycznych struktur zwykle oznacza, że ​​światło jest kierowane głównie w jednej osi, omawiane tutaj zastosowania wyświetlacza również korzystają z światła dostępnego w drugiej osi, a także z poszerzeniarozkładu światła w obu osiach niekoniecznie ma szkodliwy wpływ. Jest to również powód, dla którego pożądana jest mała nierównomierność na powierzchniach pryzmatów, jak widać na figurze 4.

  2.2.3 Struktury drgające

  Jeżeli mikropryzmaty mają być stosowane w trybie czysto przepuszczalnym, tj. Z opcją podświetlenia, jak pokazano na figurze 1, to oczekuje się, że światło powinno być transmitowane przez próbkę przy ~ 10° do normy z normalną częstościąoświetlenie. Zostało to potwierdzone przez pomiar transmitowanej intensywności jako funkcji kąta dla normalnego światła padającego, a wynik pokazano na rysunku 8.

  2.2.4 Optymalizacja mikromechaniczna

  Jak już wspomniano, wrażliwość oka na nieperiodyczne struktury powoduje, że cały proces obróbki jest stosunkowo nietolerancyjny wobec błędów w pozycjonowaniu lub ostrości. Jeśli na przykład belka pokrywa się lub krok boczny (jak omówiono wsekcja 2.1) jest niepoprawna, wtedy nawet niewielkie błędne ustawienie jednego zestawu trójkątów będzie zakłócać inny zestaw wzorców, powodując pogorszenie jakości mikropryzmatów. Można to zobaczyć na rysunku 9, który pokazuje SEM zobszar nakładania się, gdzie, jak pokazano na figurze 2 (d), krawędź skanu # 2 jest super pozycjonowana na istniejącym skanie # 1.

  Widać, że ostrość rogów trójkątów jest gorsza w sekcji, w której wykonano oba skany # 1 i # 2, a efekt ten powoduje, że brzegi pryzmatów nie są tak dobre. Małe odmiany takie jak tonależy uważnie kontrolować, aby uzyskać najlepsze wyniki.

 2.2.5Gas Assist

  Cztery próbki zostały poddane obróbce w identycznych warunkach, przy czym między nimi zmieniany był jedynie gaz pomocniczy. Zastosowano powietrze, tlen, azot i hel, a następnie mierzono kątową odpowiedź odblaskową każdej z próbek. Na oko, tobyło jasne, że głównym efektem różnych gazów była ilość dyfuzji i rozproszenia optycznego, które zostały spowodowane przez próbkę, co zostało potwierdzone przez dane dotyczące współczynnika odbicia. Rysunek 10 pokazuje polarne wykresy współczynnika odbicia z najlepszychi najgorsze gazy wspomagające dla pryzmatycznych struktur.

  Próbka poddana obróbce w atmosferze azotu wykazuje całkiem wyraźną dyfrakcję w przeciwieństwie do próbki helowo-asystującej, w której obserwuje się szeroki obszar dyfuzyjny. Główną przyczyną tej różnicy wydaje się być ilość ponownie zdeponowanychmateriał na próbce podczas ablacji laserem, który powoduje rozpraszanie światła w różnych ilościach. Testy te wyraźnie wykazały, że gaz wspomagający azot był zdecydowanie najlepszy pod względem wywoływania najmniejszych zakłóceń w działaniumikropryzmaty.

 3. SZCZEGÓŁY ROZWOJU

  Jedną z zalet laserowej mikroobróbki jest naturalna elastyczność, którą zapewnia i szeroki zakres możliwości, jakie oferuje przy produkcji różnych mikrostruktur. W aplikacjach urządzeń wyświetlających, na przykładSystem excimer laser micromachining może być używany na wiele sposobów:

  przesunięcie przezroczystych tlenków przewodzących (np. ITO) z elektrodą lub innymi cechami

  obsługa warstw w polimerach i organicznych urządzeniach LED

  grubienie interkonektów i przelotek dla systemów wielowarstwowych

  produkcja mikrostruktur, takich jak mikrosoczewki do elementów optycznych

  Figura 11 pokazuje dwa przykłady mikrostruktur optycznych - mikromaszynowych cylindrycznych soczewek i optycznych kanałów "piramid", z których oba zostały opracowane do kierowania i kontrolowania światła dla wyświetlaczy LED i LCD. W aplikacjachtakie jak te omówione w niniejszym dokumencie, zastosowanie laserowej mikroobróbki daje możliwość dopasowania kształtu mikropryzmatów, na przykład do dopasowania różnych geometrii odblaskowo-przepuszczalnych, na przykład w przypadku pryzmatów zmogą być stosowane elementy o wielu kątach lub ciągle zmieniające się. Takie struktury nie są możliwe w precyzyjnych maszynach mechanicznych.

  Inne lasery, takie jak lasery półprzewodnikowe na podczerwień, widzialne lub ultrafioletowe, również znajdują coraz większe zastosowanie w produkcji urządzeń wyświetlających, w szczególności w ultraszybkich wzorach. Oprócz elementu wszechstronności bezpośredniego laseraprzy przetwarzaniu, inną główną zaletą obróbki laserowej jest to, że jest to zazwyczaj proces jednostopniowy na sucho, to znaczy można uniknąć tworzenia się litografii i etapów trawienia chemicznego. To nie tylko zmniejsza koszty związane z wilgociąstacje przerobu, ale także umożliwia manipulowanie bardzo dużymi rozmiarami, które wykraczają poza możliwości obecnych systemów ekspozycji i trawienia.

  Coraz więcej i więcej systemów z jednostkami wielofunkcyjnymi jest projektowanych i rozwijanych i mogą one zawierać elementy takie jak urządzenia optyczne, systemy mikro-mechaniczne, obwody elektryczne i interkonekty. Jako to zaawansowane urządzenietechnologia dojrzewa, mikroobróbka laserowa będzie odgrywać istotną rolę w ich produkcji, umożliwiając realizację niespotykanych specyfikacji wydajności.

  4. PODSUMOWANIE

  Mikroobróbka laserowa ekscymerowa została wykorzystana do produkcji pryzmatycznych struktur w polimerach do wykorzystania jako selektywne elementy optyczne w urządzeniach wyświetlających. Warunki przetwarzania zostały zoptymalizowane w celu uzyskania próbek o dużej powierzchni o dużej powierzchniktóre zostały przetestowane przy użyciu metod optycznych. Ocena potwierdziła, że ​​struktury mikromechaniczne mają oczekiwane cechy próbek i wykazały ich przydatność dla urządzeń wyświetlających.