Micromachining laser: nuove tecniche e sviluppi per le applicazioni di visualizzazione

ASTRATTO

  L'area dei dispositivi di visualizzazione ha registrato una crescita estremamente rapida negli ultimi anni e questi progressi non mostrano segni di declino. Uno dei principali sviluppi in questo campo è stato l'uso di laser per varie attività di microfabbricazione.Questo documento descrive alcune tecniche che sono state sviluppate usando laser ad eccimeri per la produzione di nuove microstrutture in materiali polimerici. Esempi dei tipi di microstrutture che vengono prodotti sono presentati e lorol'applicabilità per le applicazioni del dispositivo di visualizzazione è delineata. Prossimi sviluppi nella produzione laser di display sono discussi.

 1. INTRODUZIONE

  Il recente aumento delle comunicazioni digitali e dei sistemi multimediali ha portato a richieste tecniche sempre più complesse poste su prodotti elettronici personali, supporti di intrattenimento interattivi e dispositivi di visualizzazione commerciali e domestici.Alcuni di questi sviluppi sono stati in parte determinati dalle esigenze della produzione in serie, ma altri elementi significativi hanno dovuto essere affrontati esclusivamente a causa della natura nuova dei moderni sistemi microelettronici. Per incontrarlile richieste, i laser sono ora ampiamente utilizzati negli ambienti di sviluppo e produzione poiché forniscono una combinazione unica di flessibilità, efficienza e capacità di produrre un'ampia varietà di microstrutture.

  In molte applicazioni di visualizzazione, l'uso di materiali fotopolimerici non birifrangenti consente di migliorare notevolmente le proprietà di visualizzazione come l'angolo di campo (AOV), la definizione delle caratteristiche e la luminosità dell'immagine [1]. Questi operativii miglioramenti sono spesso raggiunti dalla combinazione di tali fotopolimeri con strutture microlavorate aggiuntive per fornire prestazioni fuori asse migliorate. In particolarer, dispositivi a cristalli liquidi (LCD), retroilluminati o operativiin condizioni di luce ambientale, hanno beneficiato di questi sviluppi. Questo documento descrive alcuni nuovi metodi per la produzione di diverse microstrutture prodotte usando tecniche di microlavorazione laser progettate perdispositivi di visualizzazione ottica.

2.MICROSTRUTTURE PER DISPOSITIVI DI DISPLAY A MANO

  Ci sono molti vantaggi nei dispositivi di visualizzazione (specialmente quelli portatili) che utilizzano la luce ambientale nel normale funzionamento, la più importante è ovviamente la riduzione del consumo di energia. L'uso della luce ambientale, tuttavia, ne ha alcunii vincoli e i progetti dei sistemi di illuminazione devono tenere a mente tali limiti. Nelle unità portatili come i telefoni cellulari mobili, ad esempio, la testa e il corpo dell'utente spesso oscurano gran parte della luce disponibile e quindispeciali strutture prismatiche devono essere utilizzate per reindirizzare selettivamente la luce incidente. La Figura 1 mostra una rappresentazione schematica di una tipica operazione di visualizzazione LCD in cui la luce dall'alto della testa dell'osservatore è preferenzialeriflessa verso lo spettatore, che può tenere il display ad un angolo confortevole. È intenzione di questi dispositivi che la riflessione speculare sia ridotta al minimo per ridurre il "riverbero" e ottimizzare la luminosità dell'immagine visualizzata.

  Nella figura 1, una sorgente di retroilluminazione per il display LCD è mostrata come un'opzione in quanto le strutture prismatiche possono essere utilizzate in modalità riflettente, riflettente più trasmissiva o puramente trasmissiva, a seconda dei prodotti. Dal momento che ille caratteristiche prismatiche sono in substrati polimerici, sono attualmente prodotte dalla replicazione convenzionale da masters metallici. Sebbene i metodi attuali producano parti di alta qualità, presentano una serie di inconvenienti, tra cui

Necessità per re-tooling frequente e costoso

  Inabilità a lavorare strutture complesse o multidimensionali

   Velocità di elaborazione

   Elaborazione multi-stadio, cioè un master deve essere lavorato da cui vengono prodotte le parti necessarie

  I masters metallici esistenti sono molto fragili e suscettibili di danni meccanici

  A causa dei vincoli di cui sopra, i metodi di lavorazione laser offrono un'opzione molto interessante per la produzione di queste caratteristiche prismatiche poiché possono essere utilizzate per lavorare le strutture desiderate direttamente nei campioni di polimero con grandeversatilità e senza contatto con il materiale.

 2.1 Microlavorazione laser

  Un sistema di microlavorazione laser ad eccimeri è stato utilizzato in tutto il lavoro qui riportato a causa delle eccellenti prestazioni di questi laser UV nella microlavorazione dei polimeri [2]. La tecnica della proiezione di maschera wa impiegato per ablare varicampioni di polimero direttamente e produrre le strutture prismatiche considerate.

  Un certo numero di perfezionamenti al principio di base della proiezione della maschera sono stati segnalati in precedenza [3]. In particolare, l'uso del trascinamento del pezzo [3] è ideale per la produzione di caratteristiche prismatiche e offre molti vantaggi,compresa la capacità di:

  controllare la profondità, la lunghezza e la sezione trasversale dei microprismi.

  mantenere alta precisione e risoluzione per la microlavorazione delle strutture.

   Estendere la tecnica alle grandi dimensioni per le opzioni di produzione di massa.

  Per dimostrare la fattibilità dei metodi di microlavorazione laser per le applicazioni sopra discusse, le strutture rappresentative sono state microlavorate per consentire un confronto diretto tra il percorso del master e del laser esistentetecniche.

  Nel sistema di proiezione della maschera, un laser ad eccimeri standard funzionante ad una lunghezza d'onda di 248 nm e capace di frequenze di ripetizione degli impulsi fino a 150 Hz è stato usato insieme ad una lente di imaging x5 0,125NA. L'obiettivo aveva una dimensione del campo immagine di 14 mmche ha permesso fino a 280 microprismi di 50mm larghezza da lavorare simultaneamente mediante proiezione da una maschera al cromo su quarzo. Il raggio laser è stato modellato e omogeneizzato per formare un profilo "piano-piatto" di forma rettangolare sul piano della mascheracon dimensioni di 75 mm x 10 mm. I campioni sono stati mantenuti piatti sulle tavole XYZ che offrivano una risoluzione di posizionamento laterale di 100 nm e una risoluzione (focale) di elevazione di 50 nm. Va notato che una lente 0.125NA consente una profondità di messa a fuocodi circa±16mm la gestione dei campioni è un problema importante nel mantenimento di una qualità dell'immagine costante. Inoltre, un ugello direzionale è stato collocato in stretta prossimità del sito di ablazione per consentire l'uso di gas assist durante ilmicrolavorazione laser.

  I parametri per la microlavorazione sono stati ottimizzati per determinare il miglior set di condizioni in termini di densità di energia laser, numero di colpi per area (per profondità richiesta), frequenza di ripetizione laser, velocità di movimento del campione (velocità di avanzamento) e gasassistere. L'altro parametro che ha un effetto importante sulla qualità del campione finale è il modo in cui i modelli triangolari prismatici vengono scansionati sul campione, e questo è spiegato di seguito.

I due requisiti principali per i microprismi erano che dovevano avere un angolo di 10 ° e avere una larghezza di 50 μm, il che significa che la profondità della parte più profonda dei microprismi deve essere 8.8mm. Ad una particolare densità di energia lasero fluenza, è semplice determinare il numero di colpi che danno questa profondità ma, al fine di produrre un campione prismatico otticamente accettabile, anche altri fattori devono essere tenuti in considerazione. La figura 2 mostra una rappresentazione diil modo in cui viene eseguita la microlavorazione.

  Se supponiamo che N colpi siano richiesti in totale da qualsiasi area unitaria per quell'area da ablare ad una profondità di 8,8m, allora si può vedere con riferimento alla figura 2 che ci sono molti modi in cui questi N shot possono essere depositato sulcampione. Poiché il campione viene lavorato mediante la scansione di un motivo su un asse e quindi ripetendo la scansione in posizioni adiacenti sul campione, il modo più semplice per ottenere un totale di n colpi è utilizzando N colpi / area nella direzione di scansione equindi avanzare lateralmente di una larghezza del fascio completa (cioè passo laterale = w). Se il raggio viene spostato lateralmente di una larghezza di mezzo raggio (vale a dire di w / 2), allora N / 2 colpi / area devono essere utilizzati nella direzione di scansione. In generale, se il raggio è calpestatolateralmente di 1 / m della larghezza del fascio, quindi il numero di colpi per area nella direzione di scansione deve essere N / m. Naturalmente, l'intero processo può essere ripetuto un numero di volte in modo che un singolo ciclo del processo si riduca a un numero minoreprofondità del necessario e l'intera procedura viene ripetuta successivamente fino a raggiungere la profondità desiderata. Perciò,

  Colpi totali N = L S m

  dove L è il numero di cicli di elaborazione, S è il numero di colpi per area nella direzione di scansione m è la frazione della larghezza del fascio w con la quale il campione viene spostato lateralmente (ad esempio, facendo un passo di 1/3 della larghezza del fascio si ottiene m = 3).

  La combinazione dei tre parametri L, S e m influenza la qualità delle caratteristiche microlavorate, in particolare la levigatezza delle "facce" dei microprismi. In particolare, se S, il numero di colpi per area nella scansionedirezione, è troppo grande, quindi la levigatezza delle facce del prisma degrada perché il campione si sposta di una distanza maggiore tra gli impulsi. Questo è illustrato nella figura 3 che mostra un microscopio elettronico a scansione (SEM) di microprismilavorato in policarbonato dove significativi "gradini" può essere visto sui volti dei prismi.

  È stato scoperto che microprismi di alta qualità sono stati prodotti utilizzando una fluenza laser di 1J / cm2 con 80 scatti / area a una frequenza di ripetizione del laser di 150 Hz. Sono stati anche confrontati gli effetti dell'ossigeno, dell'azoto, dell'elio e dei gas di supporto dell'ariadescritto nella sezione 2.2.5.

  2.2 Analisi di strutture lavorate al laser

Campioni di polimeri di dimensioni ~ 50mm x 50mm sono stati lavorati a laser con microprismi da 10 e quindi analizzati mediante microscopia ottica, microscopia elettronica a scansione, interferometria e analisi di diffrazione. Questi campioni sono stati valutati entrambiqualitativamente e quantitativamente - dal momento che i prodotti finali per queste strutture sono dispositivi di visualizzazione ottica, l'aspetto qualitativo alla vista è una misura molto importante della loro qualità.

  2.2.1 Strutture riflettenti

  La Figura 4 mostra un'immagine SEM di 10°microprismi micromacchinati in policarbonato che mostrano la natura regolare e riproducibile della lavorazione laser ottimizzata. Va notato che un campione largo 50 mm contiene circa 1000microprismi e cambiamenti dimensionali dell'ordine di ~ 2msono facilmente distinguibili dal cambiamento di regolarità che causano.

  Un interferometro Zygo è stato anche utilizzato per misurare il rilievo superficiale al centro di uno dei campioni e i dati tridimensionali e 3D ottenuti sono mostrati in figura 5. Si può vedere che la profondità dall'analisi della sezione trasversale di~ 8.8mm concorda precisamente con il valore desiderato e anche la scorrevolezza e la regolarità dei microprismi adiacenti sono chiaramente evidenti.

Il ruolo principale della struttura prismatica riflettente, come mostrato nella figura 1, è di riorientare la luce dall'angolo di riflettanza speculare in una direzione più comoda e si può facilmente mostrare che l'incidente di luce a ~ 30° al normaleverrà reindirizzatoverso il normale se 10° vengono utilizzate strutture prismatiche. Ciò è stato verificato misurando la sensibilità angolare della riflessione dai campioni lavorati al laser usando una sorgente di luce bianca. La figura 6 mostra un diagramma polare e una sezione trasversaledelle intensità luminose misurate in funzione dell'angolo. La luce in ingresso era incidente con un angolo di 30° al normale e due picchi di riflessione possono essere visti. Il picco più ampio a sinistra (picco & quot; A & quot;) è dal 10° microprismidirigere la luce verso il normale mentre il picco più stretto sul lato destro (picco "B") è causato dalla riflessione speculare dalla superficie anteriore del policarbonato.

2.2.2 Strutture riflettenti con un diffusore

  Come si può vedere dalla figura 1, un dispositivo di visualizzazione tipico di solito ha anche un elemento diffusore davanti alla struttura prismatica e l'aggiunta di questa è stata anche misurata usando lo stesso metodo. La Figura 7 mostra i risultati delriflessione della luce da un semplice campione di diffusore e dalla combinazione di un diffusore e una struttura prismatica.

  Si può vedere che, come previsto, il campione del diffusore da solo sparge la luce su un ampio cono di angoli mantenendo il suo picco intorno al 30°  angolo di riflessione speculare. L'aggiunta del 10°  microprismi concentratila maggior parte della luce attorno al normale al campione, fornendo in tal modo la gamma di angoli visivamente visualizzabile per il display.

  Sebbene l'uso di strutture prismatiche di solito significhi che la luce viene reindirizzata principalmente su un asse, le applicazioni di visualizzazione in discussione qui beneficiano anche della luce disponibile nell'altro asse e quindi l'ampliamentodella distribuzione della luce in entrambi gli assi non è necessariamente un effetto dannoso. Questo è anche il motivo per cui è desiderabile una piccola quantità di non uniformità sulle facce dei prismi, come mostrato nella figura 4.

  2.2.3 Strutture trasmissive

  Se i microprismi devono essere usati in modalità puramente trasmissiva, cioè con l'opzione retroilluminazione come mostrato in figura 1, allora si prevede che la luce debba essere trasmessa dal campione a ~ 10° al normale con incidenza normaleilluminazione. Ciò è stato confermato misurando l'intensità trasmessa come una funzione dell'angolo per luce incidente normale e il risultato è mostrato in figura 8.

  2.2.4 Ottimizzazione della microlavorazione

  Come già accennato, la sensibilità dell'occhio alle strutture non periodiche rende l'intero processo di lavorazione relativamente intollerante agli errori di posizionamento o messa a fuoco. Se, ad esempio, il raggio si sovrappone o si passa lateralmente (come discusso insezione 2.1) non è corretto, quindi anche un leggero posizionamento errato di un set di triangoli interferirà con un altro insieme di pattern, causando la degradazione della qualità dei microprismi. Questo può essere visto in figura 9 che mostra un SEM di unregione di sovrapposizione dove, come mostrato nella figura 2 (d), il bordo della scansione n. 2 è super-posizionato su una scansione n. 1 esistente.

  Si può vedere che la nitidezza degli angoli dei triangoli è peggiore nella sezione in cui sono state eseguite entrambe le scansioni n. 1 e n. 2 e questo effetto ha come risultato che i bordi dei prismi non sono altrettanto buoni. Piccole variazioni come questadevono essere controllati attentamente per ottenere i migliori risultati.

 2.2.5Gas Assist

  Quattro campioni sono stati lavorati con condizioni identiche con solo il gas di assistenza che viene cambiato in mezzo. Sono stati utilizzati aria, ossigeno, azoto ed elio e quindi è stata misurata la risposta di riflettività angolare di ciascuno dei campioni. Ad occhio, essoEra chiaro che l'effetto principale dei diversi gas era la quantità di diffusione e di dispersione ottica causata dal campione e questo era confermato dai dati di riflettività. La Figura 10 mostra diagrammi di riflettività polare dei migliorie il peggiore aiuta i gas per le strutture prismatiche.

  Il campione lavorato sotto l'ausilio dell'azoto mostra una diffrazione piuttosto distinta rispetto al campione di elio assistito in cui si osserva un'ampia regione diffusa. La causa principale di questa differenza sembra essere la quantità di ri-depositatomateriale sul campione durante l'ablazione laser che provoca la dispersione della luce di quantità variabili. Questi test hanno mostrato chiaramente che il gas di supporto dell'azoto era di gran lunga il migliore in termini di minor disturbo agli effetti delmicroprismi.

 3. SVILUPPI FUTURI

  Uno dei vantaggi della microlavorazione laser è la flessibilità intrinseca che offre e l'ampia gamma di possibilità che offre per la produzione di varie microstrutture. Nelle applicazioni del dispositivo di visualizzazione, ad esempio, aIl sistema di microlavorazione laser ad eccimeri può essere utilizzato in molti modi:

  patterning di ossidi conduttori trasparenti (ad esempio ITO) con elettrodo o altre caratteristiche

  macchinazione di strati in polimeri e dispositivi LED organici

  drivazione di interconnessioni e vie per sistemi multistrato

  produzione di microstrutture come microlenti per componenti ottici

  La Figura 11 mostra due esempi di microstrutture ottiche - lenti cilindriche microlavorate e canalizzazioni ottiche "piramidi", entrambe le quali sono state sviluppate per guidare e controllare la luce per dispositivi di visualizzazione a LED e LCD. Nelle applicazionicome quelli discussi in questo documento, l'uso della microlavorazione laser offre la possibilità di adattare la forma dei microprismi, ad esempio, per adattarsi a diverse geometrie riflettenti / trasmissive dove, ad esempio, i prismi conpossono essere usate sfaccettature a più angolazioni o a variazione continua. Tali strutture non sono possibili con macchine utensili meccaniche di precisione.

  Anche altri laser come i laser a stato solido a infrarossi, a luce visibile o ultravioletti stanno riscontrando un uso crescente nella produzione di dispositivi di visualizzazione, in particolare per la modellazione ad altissima velocità. Oltre all'elemento di versatilità del laser direttol'elaborazione, l'altro vantaggio principale della lavorazione laser è che di solito è un processo a secco a stadio singolo, vale a dire che è possibile evitare fasi di disegno litografico e di attacco chimico. Questo non solo riduce i costi associati al bagnatostazioni di lavorazione ma consente anche di gestire dimensioni molto grandi che vanno oltre le capacità dei sistemi di esposizione e di incisione attuali.

  Sempre più sistemi vengono progettati e sviluppati con più unità multifunzionali e possono includere elementi quali dispositivi ottici, sistemi micromeccanici, circuiti elettrici e interconnessioni. Come questo dispositivo avanzatola tecnologia matura, la microlavorazione laser giocherà un ruolo vitale nella loro fabbricazione, consentendo di realizzare specifiche di prestazioni senza precedenti.

  4.SUMMARY

  La microlavorazione laser ad eccimeri è stata utilizzata per produrre strutture prismatiche in polimeri da utilizzare come elementi ottici selettivi nei dispositivi di visualizzazione. Le condizioni di lavorazione sono state ottimizzate per produrre campioni di alta qualità e di grandi dimensioniche sono stati testati usando metodi ottici. La valutazione ha confermato che le strutture microlavorate hanno gli attributi attesi dai campioni e hanno dimostrato la loro applicabilità per i dispositivi di visualizzazione.