Laser-micromachining - nieuwe technieken en ontwikkelingen voor display-toepassingen

ABSTRACT

  Het gebied met weergaveapparaten heeft de afgelopen jaren een extreem snelle groei doorgemaakt en deze ontwikkelingen laten geen tekenen van afname zien. Een van de belangrijkste ontwikkelingen op dit gebied was het gebruik van lasers voor verschillende microfabricatietaken.Dit artikel beschrijft enkele technieken die zijn ontwikkeld met behulp van excimeerlasers voor de productie van nieuwe microstructuren in polymeermaterialen. Voorbeelden van de soorten microstructuren die worden geproduceerd, worden gepresenteerd en huntoepasbaarheid voor toepassingen van weergaveapparaten wordt geschetst. De komende ontwikkelingen in de laserproductie van displays worden besproken.

 1. INLEIDING

  De recente toename van digitale communicatie en multimediasystemen heeft geleid tot steeds complexere technische eisen aan persoonlijke elektronische producten, interactieve hulpmiddelen voor amusement en commerciële en huishoudelijke weergaveapparaten.Sommige van deze ontwikkelingen zijn deels ingegeven door de vereisten van de volumefabricage, maar andere belangrijke elementen moesten alleen worden aangepakt vanwege de nieuwe aard van moderne micro-elektronische systemen. Om deze te ontmoeteneisen, lasers worden nu op grote schaal gebruikt in ontwikkelings- en productieomgevingen omdat ze een unieke combinatie van flexibiliteit, efficiëntie en de mogelijkheid bieden om een ​​breed scala aan microstructuren te produceren.

In veel weergavetoepassingen maakt het gebruik van niet-dubbelbrekende fotopolymeermaterialen mogelijk display-eigenschappen zoals de kijkhoek (AOV), functiedefinitie en beeldhelderheid aanzienlijk te verbeteren [1]. Deze zijn operationeelVerbeteringen worden vaak bereikt door de combinatie van dergelijke fotopolymeren met extra micro-bewerkte structuren om verbeterde prestaties buiten de as te verschaffen. In particular LCD-apparaten (liquid crystal display), verlicht of in werkingonder omgevingslichtomstandigheden, hebben geprofiteerd van deze ontwikkelingen. Dit artikel beschrijft enkele nieuwe methoden voor de vervaardiging van verschillende microstructuren geproduceerd met behulp van laser-micromachiningtechnieken waarvoor ze zijn ontworpenoptische weergaveapparaten.

2.MICROSTRUCTUREN VOOR IN DE HAND TE STELLEN DISPLAYAPPARATEN

  Er zijn veel voordelen in weergaveapparaten (vooral draagbare) die omgevingslicht gebruiken bij normaal gebruik, waarvan de belangrijkste natuurlijk het verminderen van het stroomverbruik is. Het gebruik van omgevingslicht heeft echter watbeperkingen en de ontwerpen van de verlichtingsstelsels moeten dergelijke beperkingen in gedachten houden. In handapparaten zoals mobiele mobiele telefoons, bijvoorbeeld, verslijten het hoofd en lichaam van de gebruiker vaak veel van het beschikbare licht en dusspeciale prismatische structuren moeten worden gebruikt om het invallende licht selectief door te sturen. Figuur 1 toont een schematische weergave van een typische LCD-schermbewerking waarbij het licht van boven het hoofd van de kijker bij voorkeur isnaar de kijker gereflecteerd, die het scherm in een comfortabele hoek kan houden. Het is de bedoeling van deze apparaten dat de spiegelende reflectie tot een minimum wordt beperkt om "verblinding" te verminderen en de helderheid van het bekeken beeld te optimaliseren.

  In figuur 1 wordt een achtergrondverlichtingbron voor het LCD weergegeven als een optie omdat de prismatische structuren kunnen worden gebruikt in reflecterende, reflecterende plus doorlatende of zuiver doorlatende modi, afhankelijk van de producten. Sinds deprismatische kenmerken zijn in polymere substraten, ze worden momenteel geproduceerd door de conventionele replicatie van metaalmasters. Hoewel de huidige methoden onderdelen van hoge kwaliteit produceren, hebben ze een aantal nadelen, waaronder

   Noodzaak voor frequente en dure herschikking van gereedschap

   Ongeschiktheid om complexe of multidimensionale structuren te bewerken

  Snelheid van verwerking

  Multi-stage verwerking, d.w.z. een master moet worden bewerkt van waaruit de vereiste onderdelen worden gemaakt

  De bestaande metaalmeesters zijn erg fragiel en gevoelig voor mechanische schade

  Vanwege de bovenstaande beperkingen bieden laserbewerkingsmethoden een zeer aantrekkelijke optie voor de productie van deze prismatische kenmerken, omdat ze kunnen worden gebruikt om de gewenste structuren direct in de polymeermonsters te verwerken met groteveelzijdigheid en zonder contact te maken met het materiaal.

 2.1 Lasermicromachines

  Een excimeerlasermicromachinesysteem werd gebruikt in al het werk dat hier wordt vermeld vanwege de uitstekende prestaties van deze UV-lasers in de microbewerking van polymeren [2]. De techniek van maskerprojectie werd gebruikt om verschillende te ablaterenpolymere monsters direct en produceren de prismatische structuren in overweging.

  Een aantal verfijningen van het basisprincipe van maskerprojectie zijn eerder gerapporteerd [3]. Met name het gebruik van werkstukslepen [3] is bij uitstek geschikt voor de productie van prismatische functies en biedt veel voordelen,inclusief de mogelijkheid om:

  bestuur de diepte, lengte en doorsnede van de microprisma's.

   behouden een hoge precisie en resolutie voor het microbewerken van structuren.

  uitbreiden van de techniek naar grote maten voor massaproductie-opties.

  Om de haalbaarheid van lasermicromachinewerkwijzen voor de hierboven besproken toepassingen te demonstreren, werden representatieve structuren micromachined om een ​​directe vergelijking mogelijk te maken tussen de bestaande metaal-masterroute en lasertechnieken.

  In het maskerprojectiesysteem werd een standaard excimeerlaser met een golflengte van 248 nm en in staat tot pulsherhalingssnelheden tot 150 Hz gebruikt samen met een x5 0,125NA beeldvormingslens. De lens had een beeldveld van 14 mmwaardoor maximaal 280 microprisma's van 50 mogelijk warenmm breedte gelijktijdig te bewerken door projectie van een chroom-op-kwartsmasker. De laserstraal werd gevormd en gehomogeniseerd om een ​​rechthoekig "vlak boven" profiel op het maskervlak te vormenmet afmetingen van 75 mm x 10 mm. De monsters werden plat gehouden op XYZ-tabellen die een laterale positioneringsresolutie van 100 nm en een elevatie (focale) resolutie van 50 nm hadden. Opgemerkt moet worden dat een 0,125NA-lens een scherptediepte toelaatvan ongeveer±16mm dus de verwerking van het monster is een belangrijk probleem bij het handhaven van een consistente beeldkwaliteit. Bovendien werd een richtmondstuk in de nabijheid van de ablatieplaats geplaatst om gashulp te kunnen gebruiken tijdens delaser micromachining.

  De parameters voor micromachining zijn geoptimaliseerd om de beste set van condities te bepalen in termen van laserenergie dichtheid, aantal opnames per gebied (voor de vereiste diepte), laser herhalingsfrequentie, sample bewegingssnelheid (voeding) en gashelpen. De enige andere parameter die een belangrijk effect heeft op de kwaliteit van het uiteindelijke monster, is de manier waarop de prismatische driehoekspatronen over het monster worden gescand en dit wordt hieronder uitgelegd.

  De twee belangrijkste vereisten voor de microprisma's waren dat ze een hoek van 10 hadden en een breedte van 50m hadden, wat betekent dat de diepte van het diepste deel van de microprisma's 8,8 moet zijn.mm. Bij een bepaalde laserenergiedichtheidof fluence, het is een eenvoudige zaak om het aantal opnames te bepalen die deze diepte geven, maar om een ​​optisch aanvaardbaar prismatisch monster te produceren, moeten ook andere factoren in gedachten worden gehouden. Figuur 2 toont een weergave vande manier waarop de microbewerking wordt volbracht.

  Als we aannemen dat N-opnames in totaal vereist zijn door elk eenheidsgebied voor dat gebied dat moet worden geablateerd tot een diepte van 8,8m, dan is aan de hand van figuur 2 te zien dat er veel manieren zijn waarop die N-opnames kunnen worden uitgevoerd gestort op demonster. Aangezien het monster wordt bewerkt door een patroon in één as te scannen en vervolgens de scan in aangrenzende posities op het monster te herhalen, is de eenvoudigste manier om een ​​totaal van N-opnamen te verkrijgen, door N-opnamen / oppervlakte in de scanrichting te gebruiken endan zijwaarts stappen met één volledige bundelbreedte (dat wil zeggen zijstap = w). Als de bundel zijwaarts wordt getrapt met een halve bundelbreedte (dat wil zeggen met w / 2), dan moeten N / 2 shots / gebied worden gebruikt in de scanrichting. Over het algemeen als de straal is getraptzijwaarts met 1 / m van de bundelbreedte, dan moet het aantal opnames per gebied in de scanrichting N / m zijn. Natuurlijk kan het hele proces een aantal keren worden herhaald, zodat een enkele cyclus van het proces naar een kleinere machine gaatdiepte dan vereist en de hele procedure wordt achtereenvolgens herhaald totdat de gewenste diepte is bereikt. daarom

  Totaal aantal opnamen N = L S m

  waar L het aantal verwerkingslussen is, is S het aantal schoten per gebied in de scanrichting m is de fractie van de bundelbreedte w waarmee het monster zijwaarts wordt getrapt (bijv. een stap van 1/3 van de bundelbreedte geeft m = 3).

  De combinatie van de drie parameters L, S en m beïnvloedt de kwaliteit van de micromachined functies, vooral de gladheid van de "gezichten" van de microprisma's. In het bijzonder, als S, het aantal opnamen per gebied in het scannenrichting, is te groot, dan neemt de gladheid van de prismavlakken af, omdat het monster een grotere afstand tussen pulsen aflegt. Dit wordt geïllustreerd in figuur 3, die een scanning-elektronenmicrofoto (SEM) van microprisma's toontmachinaal bewerkt tot polycarbonaat, waarbij significante "stappen" kan op de gezichten van de prisma's worden gezien.

  Er werd gevonden dat hoogwaardige microprisma's werden geproduceerd met behulp van een laserfluentie van 1 J / cm2 met 80shots / oppervlakte bij een laserherhalingssnelheid van 150 Hz. De effecten van zuurstof, stikstof, helium en luchtondersteunende gassen werden ook vergeleken en dit isbeschreven in paragraaf 2.2.5.

  2.2 Analyse van door laser bewerkte structuren

  Polymeermonsters met een grootte van ~ 50 mm x 50 mm werden met laser bewerkt met 10 microprisma's en vervolgens geanalyseerd met behulp van optische microscopie, scanning elektronenmicroscopie, interferometrie en diffractie-analyse. Deze monsters werden beide geëvalueerdKwalitatief en kwantitatief - aangezien de eindproducten voor deze structuren optische weergaveapparaten zijn, is het kwalitatieve uiterlijk voor het oog een zeer belangrijke maatstaf voor hun kwaliteit.

  2.2.1 Reflecterende structuren

  Figuur 4 toont een SEM-afbeelding van 10°micropartikels gemicromachineerd in polycarbonaat die de normale en reproduceerbare aard van de geoptimaliseerde laserbewerking laten zien. Opgemerkt moet worden dat een 50 mm breed monster ongeveer 1000 bevatmicroprisma's en dimensionale veranderingen in de orde van ~ 2mm zijn gemakkelijk waarneembaar door de verandering in regelmaat die ze veroorzaken.

  Een Zygo-interferometer werd ook gebruikt om het oppervlaktereliëf te meten in het midden van een van de monsters en de verkregen 3D- en transversale gegevens worden getoond in figuur 5. Te zien is dat de diepte van de cross-sectionele analyse van~ 8.8mm komt precies overeen met de gewenste waarde en de gladheid en regelmatigheid van aangrenzende microprisma's is ook duidelijk zichtbaar.

De hoofdrol van de reflecterende prismatische structuur, zoals weergegeven in figuur 1, is om licht vanuit de spiegelende reflectantiehoek in een meer geschikte richting te richten en het kan gemakkelijk worden aangetoond dat licht dat invalt op ~ 30° naar normaalzal worden omgeleidnaar de normale als 10° prismatische structuren worden gebruikt. Dit werd geverifieerd door de hoekgevoeligheid van de reflectie van de met een laser bewerkte monsters te meten met behulp van een bron met wit licht. Figuur 6 toont een polaire grafiek en dwarsdoorsnedevan de lichtintensiteiten gemeten als een functie van de hoek. Het ingangslicht was invallend in een hoek van 30° naar de normale en twee reflectiepieken te zien. De bredere piek aan de linkerkant (piek & quot; A & quot;) is van de 10° microprisma's rehet richten van het licht naar de normaal, terwijl de smallere piek aan de rechterzijde (piek "B") wordt veroorzaakt door de spiegelende reflectie van het vooroppervlak van het polycarbonaat.

2.2.2 Reflecterende structuren met een diffuser

  Zoals te zien is in figuur 1, heeft een typische weergave-inrichting gewoonlijk ook een diffusorelement vóór de prismatische structuur en de toevoeging hiervan werd ook gemeten met behulp van dezelfde methode. Figuur 7 toont de resultaten van dereflectie van licht van slechts een diffusormonster en van de combinatie van een diffusor en een prismatische structuur.

  Zoals te verwachten valt, strooit het diffusormonster op zichzelf puur het licht over een brede kegel van hoeken uit terwijl zijn piek rond de 30 graden blijft.°  spiegelende reflectiehoek. De toevoeging van de 10° microprisma concentratenhet meeste van het licht rond de normaal van het monster, waardoor het overzichtelijke bereik van hoeken voor het display wordt gegeven.

  Hoewel het gebruik van prismatische structuren meestal betekent dat licht hoofdzakelijk in één as wordt doorgestuurd, profiteren de hier besproken weergavetoepassingen ook van het feit dat in de andere as ook licht beschikbaar is, dus de verbredingvan de lichtverdeling in beide assen hoeft niet noodzakelijk een nadelig effect te hebben. Dit is ook de reden waarom een ​​kleine hoeveelheid niet-uniformiteit op de vlakken van de prisma's, zoals te zien in figuur 4, wenselijk is.

  2.2.3Transmissieve structuren

  Als de microprisma's moeten worden gebruikt in een zuiver doorlatende modus, d.w.z. met de achtergrondverlichtingsoptie zoals getoond in figuur 1, dan wordt verwacht dat het licht door het monster moet worden uitgezonden op ~ 10° naar normaal met normale incidentieverlichting. Dit is bevestigd door het meten van de uitgezonden intensiteit als een functie van de hoek voor normaal invallend licht en het resultaat wordt getoond in figuur 8.

  2.2.4 Optimalisatie van coderingsmachines

  Zoals reeds genoemd, maakt de gevoeligheid van oog voor niet-periodieke structuren het gehele bewerkingsproces relatief onverdraagzaam voor fouten in positionering of focus. Als de straal bijvoorbeeld overlap of zijstap (zoals besproken insectie 2.1) is onjuist, dan zal zelfs een kleine verkeerde positionering van een reeks driehoeken een ander stel patronen storen, waardoor de kwaliteit van de microprisma's achteruitgaat. Dit is te zien in figuur 9, die een SEM van een toontoverlappingsgebied waar, zoals getoond in figuur 2 (d), de rand van scan # 2 super gepositioneerd is op een bestaande scan # 1.

  Het kan worden gezien dat de scherpte van de hoeken van de driehoeken slechter is in de sectie waar beide scans # 1 en # 2 zijn uitgevoerd en dit effect heeft tot gevolg dat de randen van de prisma's niet zo goed zijn. Kleine variaties zoals dezemoeten zorgvuldig worden gecontroleerd om de beste resultaten te bereiken.

 2.2.5Gas hulp

  Vier monsters werden machinaal bewerkt met identieke omstandigheden waarbij alleen het hulpgas werd vervangen. Lucht, zuurstof, stikstof en helium werden gebruikt en de hoekreflectievermogenrespons van elk van de monsters werd vervolgens gemeten. Met het oog, hetwas duidelijk dat het belangrijkste effect van de verschillende gassen de hoeveelheid diffusie en optische verstrooiing was die werd veroorzaakt door het monster en dit werd bevestigd door de reflectiviteitsgegevens. Figuur 10 toont polaire reflectiviteitsgrafieken van de besteen de slechtste gassen voor de prismatische structuren.

  Het monster dat machinaal is bewerkt onder stikstofondersteuning vertoont behoorlijk verschillende diffractie in tegenstelling tot het helium-hulpmonster waar een breed diffuus gebied wordt waargenomen. De belangrijkste oorzaak van dit verschil lijkt de hoeveelheid opnieuw gestort te zijnmateriaal op het monster tijdens de laserablatie waardoor licht wordt verspreid door verschillende hoeveelheden. Deze tests toonden duidelijk aan dat stikstofassistent verreweg de beste was wat betreft het veroorzaken van de minste verstoring van de effecten van demicroprisma.

 3. TOEKOMSTIGE ONTWIKKELINGEN

  Een van de voordelen van de laser-micromachining is de inherente flexibiliteit die het biedt en de grote verscheidenheid aan mogelijkheden die het biedt voor de productie van verschillende microstructuren. In toepassingen voor weergaveapparaten, bijvoorbeeld, eenexcimer laser micromachining-systeem kan op vele manieren worden gebruikt:

  patroon van transparant geleidende oxiden (bijvoorbeeld ITO) met elektrode of andere kenmerken

   machinaal bewerken van lagen in polymeer en organische LED-apparaten

  boren van interconnecties en via's voor meerlaagse systemen

  productie van microstructuren zoals microlenzen voor optische componenten

  Figuur 11 toont twee voorbeelden van optische microstructuren - micromachined cilindrische lenzen en optische kanalisatie "piramides", die beide zijn ontwikkeld om licht te geleiden en te regelen voor LED- en LCD-weergaveapparaten. In toepassingenzoals die besproken in dit artikel, biedt het gebruik van laser-micromachining de mogelijkheid om de vorm van de microprisma's aan te passen, bijvoorbeeld om te passen bij verschillende reflecterende / doorlatende geometrieën waar, bijvoorbeeld, prisma's metmeerhoekige of continu variërende facetten kunnen worden gebruikt. Dergelijke structuren zijn niet mogelijk met precisie-mechanische gereedschapmachines.

  Andere lasers zoals infrarode, zichtbare of ultraviolette halfgeleiderlasers worden ook steeds vaker gebruikt in de productie van beeldschermapparatuur, met name voor ultra-highspeed-patronen. Afgezien van het veelzijdigheidselement van directe laserverwerking, het andere grote voordeel van laserbewerking is dat het meestal een eenstaps droog proces is, d.w.z. lithografische patronen en chemische etsstappen kunnen worden vermeden. Dit vermindert niet alleen de kosten die samenhangen met natbewerkingsstations maar maakt het ook mogelijk om zeer grote maten te hanteren die buiten de mogelijkheden van de huidige belichtings- en etssystemen vallen.

  Steeds meer systemen met multifunctionele eenheden worden ontworpen en ontwikkeld en deze kunnen elementen omvatten zoals optische apparaten, micro-mechanische systemen, elektrische circuits en onderlinge verbindingen. Als dit geavanceerde apparaattechnologie rijpt, laser-micromachining zal een cruciale rol spelen in hun productie, waardoor ongekende prestatiespecificaties kunnen worden gerealiseerd.

  4.SUMMARY

  Excimeerlasermicromachining is gebruikt om prismatische structuren in polymeren te produceren voor gebruik als selectieve optische elementen in weergave-inrichtingen. De verwerkingsomstandigheden zijn geoptimaliseerd voor het produceren van monsters met een groot oppervlak van hoge kwaliteitdie zijn getest met behulp van optische methoden. De evaluatie heeft bevestigd dat de structuren met micromachines de kenmerken hebben die van de monsters worden verwacht en hebben hun toepasbaarheid voor weergaveapparaten aangetoond.