Lasermikrobearbeitung - neue Techniken und Entwicklungen für Displayanwendungen

ABSTRAKT

  Der Bereich der Anzeigegeräte hat in den letzten Jahren extrem schnell zugenommen, und diese Fortschritte zeigen keine Anzeichen eines Rückgangs. Eine der wichtigsten Entwicklungen auf diesem Gebiet war der Einsatz von Lasern für verschiedene Mikrofabrikationsaufgaben.In dieser Arbeit werden einige Techniken beschrieben, die unter Verwendung von Excimerlasern zur Herstellung neuer Mikrostrukturen in Polymermaterialien entwickelt wurden. Beispiele für die Arten von Mikrostrukturen, die hergestellt werden, werden vorgestellt und ihreDie Anwendbarkeit für Anzeigegeräteanwendungen wird beschrieben. Zukünftige Entwicklungen in der Laserfertigung von Displays werden diskutiert.

 1. EINLEITUNG

  Der jüngste Anstieg digitaler Kommunikations- und Multimediasysteme hat zu immer komplexeren technischen Anforderungen an persönliche elektronische Produkte, interaktive Unterhaltungshilfen und kommerzielle und private Anzeigegeräte geführt.Einige dieser Entwicklungen wurden teilweise durch die Anforderungen der Serienfertigung getrieben, aber andere wichtige Elemente mussten allein aufgrund der neuartigen Natur moderner mikroelektronischer Systeme angegangen werden. Um diese zu erfüllenDie Nachfrage nach Lasern ist in Entwicklungs- und Produktionsumgebungen weit verbreitet, da sie eine einzigartige Kombination aus Flexibilität, Effizienz und der Fähigkeit zur Herstellung einer Vielzahl von Mikrostrukturen bieten.

  In vielen Anzeigeanwendungen ermöglicht die Verwendung von nicht doppelbrechenden Photopolymermaterialien, dass die Anzeigeeigenschaften wie Blickwinkel (AOV), Merkmalsdefinition und Bildhelligkeit stark verbessert werden [1]. Diese operativVerbesserungen werden oft durch die Kombination solcher Photopolymere mit zusätzlichen mikrobearbeiteten Strukturen erzielt, um eine verbesserte Leistung außerhalb der Achse zu erreichen. Insbesonderer, Flüssigkristallanzeigegeräte (LCD), egal ob Hintergrundbeleuchtung oder Betriebunter Umgebungslichtbedingungen haben von diesen Entwicklungen profitiert. In diesem Artikel werden einige neue Verfahren zur Herstellung verschiedener Mikrostrukturen beschrieben, die mit Lasermikrobearbeitungsverfahren hergestellt werden, für die dies vorgesehen istoptische Anzeigegeräte.

2.MIKROSTRUKTUREN FÜR HANDGEFÜHRTE ANZEIGEGERÄTE

  Es gibt viele Vorteile bei Anzeigegeräten (insbesondere tragbaren), die Umgebungslicht im Normalbetrieb verwenden, wobei der wichtigste offensichtlich die Verringerung des Stromverbrauchs ist. Die Verwendung von Umgebungslicht hat jedoch einigeEinschränkungen und die Designs der Beleuchtungssysteme müssen diese Einschränkungen berücksichtigen. In tragbaren Geräten, wie z. B. Mobiltelefonen, verdecken Kopf und Körper des Benutzers häufig das zur Verfügung stehende Licht und soUm das einfallende Licht selektiv umzuleiten, müssen spezielle prismatische Strukturen verwendet werden. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen LCD-Anzeigevorgangs, bei dem das Licht von oberhalb des Kopfes des Betrachters bevorzugt wirdin Richtung des Betrachters reflektiert, der das Display in einem bequemen Winkel halten kann. Es ist die Absicht dieser Vorrichtungen, dass die Spiegelreflexion minimiert wird, um die "Blendung" zu reduzieren und die Helligkeit des betrachteten Bildes zu optimieren.

  In Abbildung 1 ist eine Hintergrundbeleuchtung für das LCD als Option dargestellt, da die prismatischen Strukturen je nach Produkt entweder reflektierend, reflektierend und durchlässig oder rein durchlässig verwendet werden können. Seit derprismatische Merkmale befinden sich in polymeren Substraten, sie werden derzeit durch konventionelle Replikation aus Metallmastern hergestellt. Obwohl die derzeitigen Verfahren qualitativ hochwertige Teile erzeugen, haben sie eine Reihe von Nachteilen, einschließlich

  Notwendigkeit für häufiges und teures Nachrüsten

  Unfähig, komplexe oder mehrdimensionale Strukturen zu bearbeiten

   Geschwindigkeit der Verarbeitung

  • Mehrstufige Bearbeitung, d. H. Ein Master muss bearbeitet werden, aus dem die erforderlichen Teile hergestellt werden

  Die vorhandenen Metallmaster sind sehr empfindlich und anfällig für mechanische Beschädigungen

  Aufgrund der oben genannten Einschränkungen bieten Laserbearbeitungsverfahren eine sehr attraktive Möglichkeit für die Herstellung dieser prismatischen Merkmale, da mit ihnen die gewünschten Strukturen direkt in die Polymerproben eingearbeitet werden könnenVielseitigkeit und ohne Kontakt mit dem Material.

 2.1Laser Mikrobearbeitung

  Aufgrund der hervorragenden Leistung dieser UV-Laser bei der Mikrobearbeitung von Polymeren wurde in allen hier beschriebenen Arbeiten ein Excimerlaser-Mikrobearbeitungssystem verwendet [2]. Die Technik der Maskenprojektion wurde angewendet, um verschiedene zu entfernenPolymerproben direkt und erzeugen die betrachteten prismatischen Strukturen.

  Zu einer Reihe von Verfeinerungen des Grundprinzips der Maskenprojektion wurde bereits berichtet [3]. Insbesondere die Verwendung des Werkstückschleppens [3] ist ideal für die Herstellung prismatischer Merkmale geeignet und bietet viele Vorteile.einschließlich der Fähigkeit zu:

  die Tiefe, Länge und den Querschnitt der Mikroprismen kontrollieren.

Aufrechterhaltung einer hohen Präzision und Auflösung für die Mikrobearbeitung von Strukturen.

  erweiterung der Technik auf große Größen für Massenproduktionsoptionen.

  Um die Realisierbarkeit von Lasermikrobearbeitungsverfahren für die oben diskutierten Anwendungen zu demonstrieren, wurden repräsentative Strukturen mikrobearbeitet, um einen direkten Vergleich zwischen der vorhandenen Metalmaster-Route und dem Laser zu ermöglichenTechniken.

  In dem Maskenprojektionssystem wurde ein Standard-Excimer-Laser, der bei einer Wellenlänge von 248 nm betrieben wurde und Pulswiederholungsraten von bis zu 150 Hz erreichen kann, zusammen mit einer x5 0,125NA-Abbildungslinse verwendet. Das Objektiv hatte eine Bildfeldgröße von 14 mmwas erlaubte bis zu 280 Mikroprismen von 50mm Breite, die gleichzeitig durch Projektion aus einer verchromten Quarzmaske bearbeitet werden soll. Der Laserstrahl wurde geformt und homogenisiert, um ein rechteckiges "Flat-Top" -Profil in der Maskenebene zu bildenmit Abmessungen von 75 mm x 10 mm. Die Proben wurden flach auf XYZ-Tischen gehalten, die eine laterale Positionierungsauflösung von 100 nm und eine Höhenauflösung von 50 nm aufwiesen. Es ist zu beachten, dass eine 0,125NA-Linse eine Tiefenschärfe zulässtungefähr±16mDie Handhabung von Proben ist daher ein wichtiges Thema, um eine konsistente Bildqualität zu gewährleisten. Darüber hinaus wurde eine Richtungsdüse in unmittelbarer Nähe der Ablationsstelle platziert, um die Gasunterstützung während des Eingriffs zu ermöglichenLaser-Mikrobearbeitung

  Die Parameter für die Mikrobearbeitung wurden optimiert, um den besten Satz von Bedingungen in Bezug auf die Laserenergiedichte, die Anzahl der Schüsse pro Fläche (für die erforderliche Tiefe), die Laserwiederholrate, die Bewegungsgeschwindigkeit der Probe (Vorschubgeschwindigkeit) und das Gas zu bestimmenhelfen. Der andere Parameter, der einen wichtigen Einfluss auf die Qualität der Endprobe hat, ist die Art und Weise, wie die prismatischen Dreiecksmuster über die Probe gescannt werden. Dies wird im Folgenden erläutert.

  Die zwei Hauptanforderungen an die Mikroprismen waren, dass sie einen Winkel von 10 ° und eine Breite von 50 μm haben sollten, was bedeutet, dass die Tiefe des tiefsten Teils der Mikroprismen 8,8 betragen mussmm. Bei einer bestimmten LaserenergiedichteBei Fluence ist es einfach, die Anzahl der Schüsse zu bestimmen, die diese Tiefe ergeben. Um jedoch eine optisch akzeptable prismatische Probe zu erhalten, müssen auch andere Faktoren berücksichtigt werden. Figur 2 zeigt eine Darstellung vondie Art und Weise, wie die Mikrobearbeitung durchgeführt wird.

  Wenn wir davon ausgehen, dass insgesamt N Aufnahmen für eine beliebige Einheitsfläche erforderlich sind, damit diese Fläche auf eine Tiefe von 8,8 & mgr; m abgetragen werden kann, ist unter Bezugnahme auf 2 ersichtlich, dass es viele Möglichkeiten gibt, auf denen diese N Aufnahmen möglich sind auf dem hinterlegtProbe. Da die Probe durch Scannen eines Musters in einer Achse und anschließendes Wiederholen des Scans in benachbarten Positionen auf der Probe bearbeitet wird, ist der einfachste Weg, um insgesamt N Aufnahmen zu erzielen, die Verwendung von N Aufnahmen / Fläche in Scanrichtung unddann schrittweise um eine komplette Strahlbreite (d. h. seitliche Stufe = w). Wenn der Strahl um eine halbe Strahlbreite (d. H. Um w / 2) seitwärts getreten wird, müssen N / 2 Aufnahmen / Bereich in der Abtastrichtung verwendet werden. Im Allgemeinen, wenn der Strahl getreten istseitlich um 1 / m der Strahlbreite, dann muss die Anzahl der Aufnahmen pro Fläche in Scanrichtung N / m sein. Natürlich kann der gesamte Prozess mehrere Male wiederholt werden, so dass ein einzelner Zyklus des Prozesses zu einem kleineren wirdTiefe als erforderlich und der gesamte Vorgang wird nacheinander wiederholt, bis die gewünschte Tiefe erreicht ist. Deshalb,

  Gesamtschüsse N = L S m

  Dabei ist L die Anzahl der Verarbeitungsschleifen, S ist die Anzahl der Aufnahmen pro Fläche in Scanrichtung. m ist der Bruchteil der Strahlbreite w, um den die Probe seitlich getreten wird (z. B. das Treten um ein Drittel der Strahlbreite ergibt) m = 3).

  Die Kombination der drei Parameter L, S und m beeinflusst die Qualität der mikrobearbeiteten Merkmale, insbesondere die Glätte der "Flächen" der Mikroprismen. Insbesondere wenn S die Anzahl der Aufnahmen pro Bereich beim Scannen istRichtung ist zu groß, dann verschlechtert sich die Glätte der Prismenfläche, da sich die Probe zwischen den Impulsen um einen größeren Abstand bewegt. Dies ist in 3 dargestellt, die eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme (SEM) von Mikroprismen zeigtzu Polycarbonat bearbeitet, wo signifikante "Stufen" und ist auf den Gesichtern der Prismen zu sehen.

  Es wurde gefunden, dass Mikroprismen hoher Qualität unter Verwendung einer Laserfluenz von 1 J / cm 2 mit 80 Bildern / Fläche bei einer Laserwiederholrate von 150 Hz hergestellt wurden. Die Wirkungen von Sauerstoff, Stickstoff, Helium und Luftunterstützungsgasen wurden ebenfalls verglichen und dies ist der Fallin Abschnitt 2.2.5 beschrieben.

  2.2Analyse laserbearbeiteter Strukturen

  Polymerproben mit einer Grße von ~ 50 mm x 50 mm wurden mit 10 & sup6; Mikroprismen laserbearbeitet und dann unter Verwendung von optischer Mikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Interferometrie und Beugungsanalyse analysiert. Diese Proben wurden beide bewertetqualitativ und quantitativ - da die Endprodukte für diese Strukturen optische Anzeigegeräte sind, ist das qualitative Erscheinungsbild des Auges ein sehr wichtiges Maß für ihre Qualität.

  2.2.1Reflektive Strukturen

  Fig. 4 zeigt ein SEM-Bild von 10°Mikroprismen, die zu Polycarbonat mikrobearbeitet wurden, zeigen die regelmäßige und reproduzierbare Natur der optimierten Laserbearbeitung. Es sei darauf hingewiesen, dass eine 50 mm breite Probe ungefähr 1000 enthältMikroprismen und Dimensionsänderungen in der Größenordnung von ~ 2mm sind leicht erkennbar an der Änderung der Regelmäßigkeit, die sie verursachen.

  Ein Zygo-Interferometer wurde auch verwendet, um das Oberflächenrelief in der Mitte einer der Proben zu messen, und die erhaltenen 3D- und Querschnittsdaten sind in 5 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Tiefe aus der Querschnittsanalyse von~ 8,8mm stimmt genau mit dem gewünschten Wert überein und die Glätte und Regelmäßigkeit benachbarter Mikroprismen ist ebenfalls klar erkennbar.

Die Hauptrolle der reflektierenden prismatischen Struktur, wie in 1 gezeigt, besteht darin, Licht aus dem spiegelnden Reflexionswinkel in eine günstigere Richtung umzulenken, und es kann leicht gezeigt werden, dass Licht bei ~ 30 einfällt° zum normalenwird weitergeleitetin Richtung des Normalen, wenn 10° Es werden prismatische Strukturen verwendet. Dies wurde durch Messen der Winkelempfindlichkeit der Reflexion von den mit Laser bearbeiteten Proben unter Verwendung einer Weißlichtquelle verifiziert. Fig. 6 zeigt ein Polardiagramm und einen Querschnittder gemessenen Lichtintensitäten als Funktion des Winkels. Das Eingangslicht fiel unter einem Winkel von 30 ein° zu den normalen und zwei Reflexionsspitzen sind zu sehen. Der breitere Peak auf der linken Seite (Peak "A") ist von 10° Mikroprismen reRichten des Lichts in Richtung der Normalität, während der schmalere Peak auf der rechten Seite (Peak "B") durch die Spiegelreflexion von der Vorderseite des Polycarbonats verursacht wird.

2.2.2 Reflektierende Strukturen mit einem Diffusor

  Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist eine typische Anzeigevorrichtung üblicherweise auch ein Diffusorelement vor der prismatischen Struktur auf, und deren Zugabe wurde ebenfalls mit derselben Methode gemessen. Abbildung 7 zeigt die Ergebnisse aus derReflexion von Licht nur von einer Diffusorprobe und von der Kombination eines Diffusors und einer prismatischen Struktur.

  Es ist zu erkennen, dass die Diffusorprobe wie erwartet das Licht über einen breiten Winkelkegel rein streut und dabei ihren Spitzenwert um die 30 ° C beibehält°  Spiegelreflexionswinkel. Die Hinzufügung der 10°  MikroprismenkonzentrateDas meiste Licht um die Normalen der Probe herum ist vorhanden, wodurch der Anzeigebereich für die Anzeige gut sichtbar ist.

  Zwar bedeutet die Verwendung prismatischer Strukturen in der Regel, dass Licht hauptsächlich in einer Achse umgelenkt wird. Die hier diskutierten Display-Anwendungen profitieren auch davon, dass Licht in der anderen Achse verfügbar ist, so dass die Verbreiterung möglich istder Lichtverteilung in beiden Achsen ist nicht unbedingt ein schädlicher Effekt. Dies ist auch der Grund, warum eine geringe Ungleichmäßigkeit auf den Flächen der Prismen, wie in 4 gezeigt, wünschenswert ist.

  2.2.3Transmissive Strukturen

  Wenn die Mikroprismen in einem rein durchlässigen Modus verwendet werden sollen, d. H. Mit der Option Hintergrundbeleuchtung, wie in 1 gezeigt, wird erwartet, dass das Licht bei ~ 10 von der Probe durchgelassen wird° bei normalem Auftreten normalErleuchtung. Dies wurde durch Messen der durchgelassenen Intensität als Funktion des Winkels für normal einfallendes Licht bestätigt. Das Ergebnis ist in Abbildung 8 dargestellt.

  2.2.4Mikrobearbeitungsoptimierung

  Wie bereits erwähnt, macht die Empfindlichkeit des Auges gegenüber nichtperiodischen Strukturen den gesamten Bearbeitungsprozess relativ unverträglich gegen Positionierungs- oder Fokusfehler. Wenn sich zum Beispiel der Strahl überlappt oder einen Seitenschritt hat (wie inAbschnitt 2.1) ist falsch, dann beeinträchtigt selbst eine geringfügige Fehlpositionierung eines Satzes von Dreiecken einen anderen Satz von Mustern, wodurch die Qualität der Mikroprismen beeinträchtigt wird. Dies ist in 9 zu sehen, die ein SEM eines zeigtÜberlappungsbereich, in dem, wie in Fig. 2 (d) gezeigt, die Kante von Scan # 2 auf einem vorhandenen Scan # 1 überlagert ist.

  Es ist ersichtlich, dass die Schärfe der Ecken der Dreiecke in dem Abschnitt, in dem beide Scans # 1 und # 2 durchgeführt wurden, schlechter ist und dieser Effekt dazu führt, dass die Kanten der Prismen nicht so gut sind. Kleine Abweichungen wie diesemüssen sorgfältig kontrolliert werden, um die besten Ergebnisse zu erzielen.

 2.2.5Gas Assist

  Vier Proben wurden unter identischen Bedingungen bearbeitet, wobei nur das Hilfsgas dazwischen geändert wurde. Luft, Sauerstoff, Stickstoff und Helium wurden verwendet und die Reaktion der Winkelreflektivität jeder Probe wurde dann gemessen. Mit dem AugeEs war klar, dass der Haupteffekt der verschiedenen Gase die Menge an Diffusion und optischer Streuung war, die durch die Probe verursacht wurde, und dies wurde durch die Reflektivitätsdaten bestätigt. Fig. 10 zeigt polare Reflexionsdiagramme der bestenund schlechteste Hilfsgase für die prismatischen Strukturen.

  Die unter Stickstoffunterstützung bearbeitete Probe zeigt eine ziemlich deutliche Beugung im Gegensatz zu der Heliumunterstützungsprobe, in der ein breiter diffuser Bereich beobachtet wird. Die Hauptursache für diesen Unterschied scheint die Menge der erneuten Einlagen zu seinMaterial auf der Probe während der Laserablation, wodurch Licht in unterschiedlichen Mengen dispergiert wird. Diese Tests zeigten eindeutig, dass Stickstoffhilfsgas mit Abstand das beste war, was die geringsten Beeinträchtigungen der Auswirkungen von Gas verursachtMikroprismen.

 3. ZUKÜNFTIGE ENTWICKLUNGEN

Einer der Vorteile der Lasermikrobearbeitung ist die inhärente Flexibilität, die sie bietet, und die vielfältigen Möglichkeiten, die sie zur Herstellung verschiedener Mikrostrukturen bieten. In Anzeigegeräteanwendungen beispielsweise eineExcimer-Laser-Mikrobearbeitungssystem kann auf vielfältige Weise eingesetzt werden:

  Musterung von transparenten leitenden Oxiden (z. B. ITO) mit einer Elektrode oder anderen Merkmalen

  Bearbeitung von Schichten in polymeren und organischen LED-Geräten

  bohren von verbindungen und durchkontaktierungen für mehrschichtige systeme

  Herstellung von Mikrostrukturen wie Mikrolinsen für optische Komponenten

  Fig. 11 zeigt zwei Beispiele für optische Mikrostrukturen - mikrobearbeitete Zylinderlinsen und "Pyramiden" für die optische Kanalisierung, die beide entwickelt wurden, um Licht für LED- und LCD-Anzeigevorrichtungen zu lenken und zu steuern. In AnwendungenWie in dieser Arbeit beschrieben, bietet die Verwendung von Lasermikrobearbeitungen die Möglichkeit, die Form der Mikroprismen z. B. an unterschiedliche reflektierende / durchlässige Geometrien anzupassen, bei denen zum Beispiel Prismen mitEs können mehrfach abgewinkelte oder kontinuierlich variierende Facetten verwendet werden. Solche Strukturen sind mit mechanischen Präzisionswerkzeugmaschinen nicht möglich.

  Auch andere Laser, wie Infrarot-, sichtbare oder ultraviolette Festkörperlaser, finden zunehmend Verwendung bei der Herstellung von Anzeigevorrichtungen, insbesondere für das Ultra-High-Speed-Patterning. Abgesehen von dem vielseitigen Element des direkten LasersBei der Verarbeitung ist der andere Hauptvorteil der Laserbearbeitung, dass es sich normalerweise um einen einstufigen Trockenprozess handelt, d. h. lithographische Musterung und chemische Ätzschritte können vermieden werden. Dies reduziert nicht nur die Kosten für NassBearbeitungsstationen ermöglicht aber auch die Handhabung sehr großer Größen, die jenseits der Fähigkeiten von aktuellen Belichtungs- und Ätzsystemen liegen.

  Zunehmend werden mehr Systeme mit multifunktionalen Einheiten entworfen und entwickelt, zu denen Elemente wie optische Geräte, mikromechanische Systeme, elektrische Schaltungen und Verbindungen gehören können. Wie dieses fortgeschrittene GerätDa die Technologie ausgereift ist, wird die Lasermikrobearbeitung bei ihrer Herstellung eine entscheidende Rolle spielen und die Realisierung beispielloser Leistungsspezifikationen ermöglichen.

  4.SUMMARY

  Excimer-Lasermikrobearbeitung wurde verwendet, um prismatische Strukturen in Polymeren zur Verwendung als selektive optische Elemente in Anzeigevorrichtungen herzustellen. Die Verarbeitungsbedingungen wurden optimiert, um großflächige Proben von hoher Qualität zu erzeugenwelche mit optischen Methoden getestet wurden. Die Auswertung hat bestätigt, dass die mikrobearbeiteten Strukturen die von den Proben erwarteten Eigenschaften aufweisen und ihre Anwendbarkeit für Anzeigevorrichtungen demonstriert haben.