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激光微加工 - 显示应用的新技术和发展

浏览数量:20     作者:本站编辑     发布时间: 2018-07-02      来源:本站

抽象

  显示设备领域近年来经历了极快的增长,这些进步没有显示下降的迹象。该领域的主要发展之一是使用激光进行各种微加工任务。本文介绍了一些使用准分子激光器开发的技术,用于生产聚合物材料中的新型微结构。提出了生产的微结构类型的例子及其概述了对显示设备应用的适用性。讨论了激光器制造显示器的即将到来的发展。

 一,简介

  最近数字通信和多媒体系统的兴起导致对个人电子产品,交互式娱乐辅助设备以及商业和家用显示设备的技术要求越来越复杂。其中一些发展部分是由批量生产的要求驱动的,但其他重要因素必须完全由于现代微电子系统的新颖性质而得到解决。为了满足这些激光器现在被广泛用于发展和生产环境,因为它们提供了灵活性,效率和生产各种微结构的能力的独特组合。

  在许多显示器应用中,使用非双折射光聚合物材料可以大大提高显示特性,例如视角(AOV),特征清晰度和图像亮度[1]。这些操作通常通过将这种光聚合物与另外的微机械结构组合以提供改进的离轴性能来实现增强。特别是r,液晶显示(LCD)设备,无论是背光还是操作在环境照明条件下,受益于这些发展。本文介绍了一些新的方法,用于制造使用激光微加工技术生产的不同微结构光学显示设备。

2.手持显示设备的微结构

  在正常操作中使用环境光的显示设备(尤其是便携式设备)有许多好处,最重要的一个显然是降低功耗。然而,使用环境光确实有一些约束和照明系统的设计需要牢记这些限制。例如,在诸如移动蜂窝电话的手持单元中,用户的头部和身体经常遮挡大部分可用光线,因此必须使用特殊的棱镜结构来选择性地改变入射光的方向。图1示出了典型的LCD显示操作的示意图,其中来自观察者头部上方的光是优选的向观众反射,他们能够以舒适的角度握住显示器。这些装置的目的是使镜面反射最小化以减少“眩光”并优化所观察图像的亮度。

激光微加工(1)

  在图1中,LCD的背光源作为选项示出,因为棱镜结构可以用于反射,反射加透射或纯透射模式,这取决于产品。自从棱柱形特征在聚合物基材中,它们目前通过金属母模的常规复制来生产。虽然目前的方法生产高质量的零件,但它们有许多缺点,包括

经常和昂贵的重新加工的必要性

  无法加工复杂或多维结构

  加工速度

  多阶段处理,即必须加工母版,从中制作所需的零件

  现有的金属母版非常脆弱,容易受到机械损坏

  由于上述限制,激光加工方法为这些棱镜特征的生产提供了非常有吸引力的选择,因为它们可用于将所需结构直接加工到聚合物样品中多功能性,无需接触材料。

 2.1激光微加工

  准分子激光微机械加工系统用于此处报道的所有工作,因为这些紫外激光器在聚合物微加工中具有优异的性能[2]。掩模投影技术用于消融各种各样的聚合物样品直接生成正在考虑的棱柱结构。

  先前已经报道了对掩模投影基本原理的一些改进[3]。特别是,工件拖动[3]的使用非常适合于棱镜特征的生产,并提供许多好处,包括以下能力:

  控制微棱镜的深度,长度和横截面。

  保持结构微加工的高精度和分辨率。

  将技术扩展到大规模生产选项。

  为了证明激光微加工方法对于上述应用的可行性,对微观加工的代表性结构进行了直接比较,以便在现有的金属主线路和激光器之间进行直接比较。技术。

  在掩模投影系统中,使用工作在248nm波长并且能够具有高达150Hz的脉冲重复率的标准准分子激光器与x5 0.125NA成像透镜一起使用。镜头的像场尺寸为14mm允许多达280个微棱镜50通过从石英镀铬面罩投影同时加工宽度。激光束成形并均匀化,以在掩模平面处形成矩形“平顶”轮廓尺寸为75mm x 10mm。将样品平放在XYZ台上,其横向定位分辨率为100nm,高度(焦点)分辨率为50nm。应注意,0.125NA透镜允许焦深±16因此,样本处理是保持图像质量一致性的重要问题。另外,定向喷嘴放置在消融部位附近,以便能够在消融过程中使用气体辅助激光微加工。

  微机械加工的参数经过优化,可根据激光能量密度,每个区域的射击次数(所需深度),激光重复率,样品运动速度(进给速度)和气体来确定最佳条件。助攻。对最终样品的质量具有重要影响的另一个参数是在样品上扫描棱柱三角形图案的方式,这将在下面解释。

  微棱镜的两个主要要求是它们应该具有10°的角度并且具有50μm的宽度,这意味着微棱镜的最深部分的深度必须是8.8。。在特定的激光能量密度下或者注量,确定给出这种深度的镜头数量是一件简单的事情,但是,为了产生光学上可接受的棱镜样品,​​还必须考虑其他因素。图2显示了微机械加工的方式。

激光微加工(2)

  如果我们假设该区域的任何单位区域总共需要N个镜头被消融到8.8m的深度,那么参考图2可以看出,这些N个镜头可以有很多种方式可以沉积在样品。由于通过在一个轴上扫描图案然后在样品上的相邻位置重复扫描来加工样品,因此通过在扫描方向上使用N个镜头/区域来实现总共N个镜头的最简单方式是然后侧向踩一个完整的光束宽度(即侧面步长= w)。如果光束侧向步进半个光束宽度(即w / 2),则必须在扫描方向上使用N / 2个镜头/区域。通常,如果梁是阶梯式的在横向宽度为1 / m的情况下,扫描方向上每个区域的发射次数必须为N / m。当然,整个过程可以重复多次,使过程机器的单个循环变小深度超过要求,并且连续重复整个过程,直到达到所需的深度。因此,

  总射击数N = L S m

  其中L是处理循环的数量,S是扫描方向上每个区域的镜头数量m是样本横向步进的波束宽度w的分数(例如,步长为光束宽度的1/3) M = 3)。

  三个参数L,S和m的组合影响微加工特征的质量,尤其是微棱镜“面”的平滑度。特别是,如果是S,则扫描每个区域的镜头数方向太大,则棱镜面的光滑度会降低,因为样品在脉冲之间移动的距离更大。这在图3中示出,其显示了微棱镜的扫描电子显微照片(SEM)加工成聚碳酸酯,其中有重要的“步骤”。可以在棱镜的表面上看到。

激光微加工(3)

  发现使用1J / cm 2的激光能量密度和80Hz /面积的激光重复率为150Hz产生高质量的微棱镜。还比较了氧气,氮气,氦气和空气辅助气体的影响在2.2.5节中描述。

2.2激光加工结构分析

将尺寸约为50mm×50mm的聚合物样品用10°微棱镜进行激光加工,然后使用光学显微镜,扫描电子显微镜,干涉测量和衍射分析进行分析。对这些样品进行了评估定性和定量 - 由于这些结构的最终产品是光学显示设备,因此眼睛的质量外观是衡量其质量的重要指标。

  2.2.1反射结构

  图4显示了10的SEM照片°微机械加工成聚碳酸酯,显示出优化激光加工的规则性和可再现性。应注意,50mm宽的样品含有约1000个微棱镜和尺寸变化约为2m很容易通过它们引起的规律性变化来辨别。

激光微加工(4)

  Zygo干涉仪也用于测量其中一个样品中心的表面浮雕,得到的3D和横截面数据如图5所示。可以看出,横截面分析的深度来自于横截面分析。〜8.8m精确地与期望值一致,并且相邻微棱镜的光滑度和规则性也是清楚明显的。

激光微加工(5)

如图1所示,反射棱镜结构的主要作用是将来自镜面反射角的光重新引导到更方便的方向,并且可以很容易地显示光在~30处发光。° 正常将被重定向朝向正常如果10° 使用棱柱结构。通过使用白光源测量来自激光加工样品的反射的角度灵敏度来验证这一点。图6显示了极坐标图和横截面测量的光强度作为角度的函数。输入光以30°的角度入射° 可以看到正常和两个反射峰。左边较宽的峰(峰值“A”)来自10° 微棱镜将光导向法线,而右侧的较窄峰(峰值“B”)是由来自聚碳酸酯前表面的镜面反射引起的。

激光微加工(6)

2.2.2带扩散器的反射结构

  从图1中可以看出,典型的显示装置通常还在棱镜结构的前面具有漫射元件,并且还使用相同的方法测量其添加。图7显示了结果仅来自漫射器样品的光反射以及来自漫射器和棱镜结构的组合。

激光微加工(7)

  可以看出,正如预期的那样,漫射器样本本身纯粹将光散射在宽锥角上,同时保持其在30°附近的峰值。°  镜面反射角。增加10°  微棱镜浓缩物大部分光线围绕样品的法线,从而为显示器提供方便可视的角度范围。

虽然棱镜结构的使用通常意味着光主要在一个轴上被重定向,但是这里讨论的显示器应用也受益于另一个轴上可用的光以及扩展两个轴上的光分布不一定是有害的影响。这也是为什么需要棱镜面上的少量不均匀性的原因,如图4所示。

  2.2.3传输结构

  如果要以纯透射模式使用微棱镜,即使用如图1所示的背光选项,那么预计光应该由样品在~10传输。° 正常发病时正常照明。这已经通过测量作为正常入射光的角度的函数的透射强度得到证实,结果显示在图8中。

激光微加工(8)

  2.2.4微机械加工优化

  如已经提到的,眼睛对非周期性结构的敏感性使得整个加工过程相对不容忍定位或聚焦中的误差。例如,如果光束重叠或侧面步骤(如中所述)第2.1节)是不正确的,那么即使是一组三角形的轻微错误定位也会干扰另一组图案,导致微棱镜的质量降低。这可以在图9中看到,图9显示了α的SEM重叠区域,其中,如图2(d)所示,扫描#2的边缘位于现有扫描#1上。

  可以看出,在已经执行扫描#1和#2的部分中,三角形的角的锐度更差,并且这种效果导致棱镜的边缘不那么好。像这样的小变化需要仔细控制才能达到最佳效果。

激光微加工(9)

 2.2.5气体辅助

  在相同条件下加工四个样品,其间仅改变辅助气体。使用空气,氧气,氮气和氦气,然后测量每个样品的角度反射率响应。通过眼睛,它很明显,不同气体的主要影响是由样品引起的扩散量和光散射量,这是由反射率数据证实的。图10显示了最佳的极地反射率图最恶劣的辅助气体用于棱柱结构。

激光微加工(10)

  在氮气辅助下加工的样品显示出非常明显的衍射,与氦辅助样品相反,其中观察到宽的扩散区域。造成这种差异的主要原因似乎是重新存放的数量激光烧蚀过程中样品上的材料会使光以不同的量分散。这些测试清楚地表明,氮气辅助气体是迄今为止最好的,对造成的影响最小微棱镜。

 3.未来发展

  激光微机械加工的一个优点是它提供的固有的灵活性以及它为各种微结构的生产提供的大量可能性。在显示设备应用中,例如,a准分子激光微加工系统可以在很多方面使用:

  ·具有电极或其他特征的透明导电氧化物(例如ITO)的图案化

  聚合物和有机LED器件中的层的加工

  为多层系统钻取互连和过孔

  微结构的生产,例如光学元件的微透镜

  图11示出了光学微结构的两个例子 - 微机械加工的柱面透镜和光学通道“金字塔”,两者都被开发用于引导和控制LED和LCD显示器件的光。在应用程序中例如,在本文中讨论的那些,激光微机械加工的使用提供了定制微棱镜形状的能力,例如,以适应不同的反射/透射几何形状,例如棱镜与可以使用多角度或连续变化的小平面。使用精密机械加工机器不可能实现这种结构。

  其他激光器如红外,可见或紫外固态激光器也越来越多地用于显示器件制造,特别是用于超高速图案化。除了直接激光的多功能性元素在加工中,激光加工的另一个主要好处是它通常是单级干法,即可以避免光刻图案化和化学蚀刻步骤。这不仅降低了与湿相关的成本处理站还能够处理非常大的尺寸,这超出了当前曝光和蚀刻系统的能力。

激光微加工(11)

  越来越多地设计和开发具有多功能单元的更多系统,并且这些系统可以包括诸如光学装置,微机械系统,电路和互连的元件。作为这种先进的设备随着技术的成熟,激光微机械加工将在其制造过程中发挥至关重要的作用,从而实现前所未有的性能规范。

  4.SUMMARY

  准分子激光微机械加工已被用于生产聚合物中的棱镜结构,用作显示装置中的选择性光学元件。加工条件已经过优化,可生产出高质量的大面积样品已经使用光学方法测试过。评估已经证实,微机械加工结构具有样品所期望的属性,并且已经证明了它们对于显示装置的适用性。

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