Microusinagem a laser - novas técnicas e desenvolvimentos para aplicações de display

ABSTRATO

  A área de dispositivos de exibição experimentou um crescimento extremamente rápido nos últimos anos e esses avanços não mostram sinais de declínio. Um dos principais desenvolvimentos neste campo tem sido o uso de lasers para várias tarefas de microfabricação.Este trabalho descreve algumas técnicas que foram desenvolvidas usando lasers excímeros para a produção de novas microestruturas em materiais poliméricos. Exemplos dos tipos de microestruturas que são produzidos são apresentados e seusa aplicabilidade para aplicativos de dispositivos de exibição é descrita. Desenvolvimentos futuros na fabricação de displays de laser são discutidos.

 1. INTRODUÇÃO

  O recente aumento nos sistemas de comunicações digitais e multimídia levou a demandas técnicas cada vez mais complexas sendo colocadas em produtos eletrônicos pessoais, dispositivos de entretenimento interativo e dispositivos de exibição comerciais e domésticos.Alguns desses desenvolvimentos foram em parte impulsionados pelos requisitos de fabricação em volume, mas outros elementos significativos tiveram que ser tratados puramente devido à natureza inovadora dos modernos sistemas microeletrônicos. Para atender a essesdemandas, os lasers estão sendo amplamente utilizados em ambientes de desenvolvimento e produção, uma vez que fornecem uma combinação única de flexibilidade, eficiência e capacidade de produzir uma ampla variedade de microestruturas.

  Em muitas aplicações de exibição, o uso de materiais de fotopolímeros não birrefringentes permite que as propriedades de exibição, como o ângulo de visão (AOV), a definição de recursos e o brilho da imagem, melhorem bastante [1]. Estas operaçõesas melhorias são frequentemente conseguidas pela combinação de tais fotopolímeros com estruturas micromaquinadas adicionais para proporcionar um desempenho melhorado fora do eixo. Em particularr, dispositivos de display de cristal líquido (LCD), sejam retroiluminados ousob condições de iluminação ambiente, beneficiaram destes desenvolvimentos. Este artigo descreve alguns novos métodos para a fabricação de diferentes microestruturas produzidas usando técnicas de micro-usinagem a laser que são projetadas paradispositivos de exibição óptica.

2. MICROESTRUTURAS PARA DISPOSITIVOS DE EXIBIÇÃO À MÃO

  Há muitos benefícios em dispositivos de exibição (especialmente os portáteis) que usam luz ambiente em operação normal, o mais importante obviamente é a redução no consumo de energia. O uso de luz ambiente, no entanto, tem algumrestrições e os projetos dos sistemas de iluminação precisam manter tais limitações em mente. Em unidades portáteis, como telefones celulares, por exemplo, a cabeça e o corpo do usuário geralmente ocultam grande parte da luz disponível e, portanto,estruturas especiais prismáticas devem ser usadas para redirecionar a luz incidente seletivamente. A Figura 1 mostra uma representação esquemática de uma típica operação de exibição de LCD, onde a luz de cima da cabeça do espectador é preferencialmenterefletida para o espectador, que pode segurar a tela em um ângulo confortável. É a intenção destes dispositivos que a reflexão especular é minimizada para reduzir o brilho e otimizar o brilho da imagem visualizada.

  Na figura 1, uma fonte de luz de fundo para o LCD é mostrada como uma opção, porque as estruturas prismáticas podem ser usadas em modos reflexivo, refletivo, transmissivo ou puramente transmissivo, dependendo dos produtos. Desde ocaracterísticas prismáticas estão em substratos poliméricos, elas são atualmente produzidas pela replicação convencional de mestres de metal. Embora os métodos atuais produzam peças de alta qualidade, eles apresentam várias desvantagens, incluindo

  Inecessidade de re-ferramental freqüente e caro

   Incapacidade de usinar estruturas complexas ou multidimensionais

   Velocidade de processamento

   Processamento em múltiplos estágios, ou seja, um mestre deve ser usinado a partir do qual as peças necessárias são feitas

   Os mestres de metal existentes são muito frágeis e suscetíveis a danos mecânicos

  Devido às restrições acima, os métodos de processamento a laser oferecem uma opção muito atraente para a produção dessas características prismáticas, já que podem ser usadas para usinar as estruturas desejadas diretamente nas amostras de polímero com grandeversatilidade e sem entrar em contato com o material.

 2.1 Micro-usinagem a laser

  Um sistema de micro-usinagem com excimer laser foi utilizado em todos os trabalhos aqui relatados devido ao excelente desempenho desses lasers UV na micro-usinagem de polímeros [2]. A técnica de projeção de máscara foi empregada para remover váriosamostras de polímeros diretamente e produzir as estruturas prismáticas em consideração.

  Vários refinamentos do princípio básico da projeção de máscara foram relatados anteriormente [3]. Em particular, o uso de arrasto de peças [3] é ideal para a produção de características prismáticas e oferece muitos benefícios,incluindo a capacidade de:

  controle a profundidade, comprimento e seção transversal dos microprismas.

  • Manter alta precisão e resolução para a micro-usinagem de estruturas.

   Expandir a técnica para tamanhos grandes para opções de produção em massa.

  Para demonstrar a viabilidade dos métodos de micro-usinagem a laser para as aplicações discutidas acima, as estruturas representativas foram micromaquinados para permitir uma comparação direta entre a rota mestre-metal existente e a lasertécnicas.

  No sistema de projeção de máscara, um laser excimer padrão operando em um comprimento de onda de 248nm e capaz de taxas de repetição de pulso de até 150Hz foi usado junto com uma lente de imagem x5 0.125NA. A lente tinha um tamanho de campo de imagem de 14mmque permitiu até 280 microprismas de 50mm largura a ser usinada simultaneamente por projeção a partir de uma máscara de cromo-em-quartzo. O feixe de laser foi moldado e homogeneizado para formar um perfil de "topo achatado" retangular no plano da máscaracom dimensões de 75mm x 10mm. As amostras foram retidas em mesas XYZ, oferecendo uma resolução de posicionamento lateral de 100nm e uma resolução (focal) de 50nm. Deve-se notar que uma lente de 0,125NA permite uma profundidade de focode aproximadamente±16mm O manuseio de amostras é uma questão importante na manutenção de uma qualidade de imagem consistente. Além disso, um bocal direcional foi colocado próximo ao local de ablação para permitir que o auxílio do gás fosse usado durante omicro-usinagem a laser.

  Os parâmetros para micro-usinagem foram otimizados para determinar o melhor conjunto de condições em termos de densidade de energia do laser, número de fotos por área (para a profundidade necessária), taxa de repetição do laser, velocidade de movimento da amostra (avanço) e gásAssist. O outro parâmetro que tem um efeito importante na qualidade da amostra final é a maneira pela qual os padrões triangulares prismáticos são escaneados sobre a amostra, e isso é explicado abaixo.

  Os dois requisitos principais para os microprismas eram que eles deveriam ter um ângulo de 10 e ter uma largura de 50m, o que significa que a profundidade da parte mais profunda dos microprismas tem que ser 8.8mm. Em uma determinada densidade de energia do laserou fluência, é simples determinar o número de disparos que dão essa profundidade, mas, para produzir uma amostra prismática opticamente aceitável, outros fatores também devem ser levados em conta. A figura 2 mostra uma representação dea maneira pela qual a micro-usinagem é realizada.

  Se assumirmos que N tiros são necessários no total por qualquer área de unidade para que a área seja ablada até uma profundidade de 8.8m, então pode-se ver com referência à figura 2 que há muitas maneiras em que esses N disparos podem ser depositado noamostra. Como a amostra é usinada digitalizando um padrão em um eixo e depois repetindo a digitalização em posições adjacentes na amostra, a maneira mais simples de atingir um total de N disparos é usando N disparos / área na direção de varredura eem seguida, pisar lateralmente por uma largura de feixe completa (isto é, passo lateral = w). Se o feixe for escalonado lateralmente pela metade de uma largura de feixe (ou seja, por w / 2), então N / 2 disparos / área devem ser usados ​​na direção de varredura. Em geral, se o feixe é escalonadolateralmente por 1 / m da largura do feixe, o número de disparos por área na direção de varredura deve ser N / m. É claro que todo o processo pode ser repetido várias vezes, de modo que um único ciclo das máquinas de processamento para um menorprofundidade que o necessário e todo o procedimento é repetido sucessivamente até que a profundidade desejada seja alcançada. Assim sendo,

  Total de tacadas N = L S m

  onde L é o número de loops de processamento, S é o número de disparos por área na direção de varredura m é a fração da largura de feixe w pela qual a amostra é escalonada para os lados (por exemplo, pisando um 1/3 da largura do feixe m = 3).

  A combinação dos três parâmetros L, S e m afeta a qualidade das características micro-usinadas, especialmente a suavidade das “faces” dos microprismas. Em particular, se S, o número de disparos por área na varreduradireção, é muito grande, então a suavidade das faces do prisma se degrada porque a amostra se move uma distância maior entre os pulsos. Isso é ilustrado na figura 3, que mostra uma micrografia eletrônica de varredura (MEV) de microprismasmaquinado em policarbonato onde "passos" significativos pode ser visto nas faces dos prismas.

  Verificou-se que microprismas de alta qualidade foram produzidos utilizando uma fluência de laser de 1J / cm2 com 80shots / área a uma taxa de repetição de laser de 150Hz. Os efeitos dos gases oxigênio, nitrogênio, hélio e ar assistido também foram comparados edescrito na seção 2.2.5.

  2.2Análise de estruturas usinadas a laser

  Amostras de polímero de ~ 50mm x 50mm foram usinadas a laser com 10 microprismas e analisadas em microscopia ótica, microscopia eletrônica de varredura, interferometria e análise de difração. Estas amostras foram avaliadasqualitativa e quantitativamente - como os produtos finais dessas estruturas são dispositivos de exibição ótica, a aparência qualitativa do olho é uma medida muito importante de sua qualidade.

  2.2.1Restruturas Refletivas

  A Figura 4 mostra uma imagem SEM de 10°microprismas micromachinados em policarbonato mostrando a natureza regular e reprodutível da usinagem a laser otimizada. Deve-se notar que uma amostra com 50 mm de largura contém aproximadamentemicroprismas e mudanças dimensionais da ordem de ~ 2mm são prontamente discerníveis pela mudança na regularidade que causam.

  Um interferômetro Zygo também foi usado para medir o relevo da superfície no centro de uma das amostras e os dados 3D e transversais obtidos são mostrados na figura 5. Pode-se observar que a profundidade da análise transversal~ 8,8mm concorda precisamente com o valor desejado e a suavidade e regularidade de microprismas adjacentes também é claramente evidente.

O papel principal da estrutura prismática reflexiva, como mostrado na figura 1, é redirecionar a luz do ângulo de refletância especular para uma direção mais conveniente e pode ser facilmente mostrado que a luz incide a ~ 30° para o normalserá redirecionadopara o normal se 10° estruturas prismáticas são usadas. Isto foi verificado medindo a sensibilidade angular da reflexão das amostras usinadas por laser usando uma fonte de luz branca. A figura 6 mostra um gráfico polar e uma seção transversaldas intensidades de luz medidas em função do ângulo. A luz de entrada foi incidente em um ângulo de 30° para o normal e dois picos de reflexão podem ser vistos. O pico mais amplo à esquerda (pico "A") é do 10°microprismas redireccionar a luz para o normal enquanto o pico mais estreito no lado direito (pico "B") é causado pela reflexão especular a partir da superfície frontal do policarbonato.

2.2.2Restruturas reflexivas com um difusor

  Como pode ser visto na figura 1, um dispositivo típico de exibição geralmente também tem um elemento difusor na frente da estrutura prismática e a adição disso também foi medida usando o mesmo método. A Figura 7 mostra os resultados doreflexo da luz a partir de apenas uma amostra difusor e da combinação de um difusor e estrutura prismática.

  Pode-se observar que, como esperado, a amostra do difusor por si só difunde a luz sobre um amplo cone de ângulos, mantendo seu pico em torno de 30°  ângulo de reflexão especular. A adição dos 10°  concentrados de microprismasa maior parte da luz em torno do normal para a amostra, dando assim a faixa de ângulos convenientemente visualizáveis ​​para a exibição.

  Embora o uso de estruturas prismáticas normalmente signifique que a luz é redirecionada principalmente em um eixo, as aplicações de exibição em discussão aqui também se beneficiam da luz estar disponível no outro eixo, assim também o alargamentoda distribuição de luz em ambos os eixos não é necessariamente um efeito prejudicial. Esta é também a razão pela qual uma pequena quantidade de não uniformidade nas faces dos prismas, como visto na figura 4, é desejável.

  2.2.3 Estruturas Transmissivas

  Se os microprismas forem usados ​​em um modo puramente transmissivo, isto é, com a opção de luz de fundo como mostrado na figura 1, então é esperado que a luz seja transmitida pela amostra em ~ 10° ao normal com incidência normaliluminação. Isto foi confirmado medindo a intensidade transmitida como uma função do ângulo para a luz incidente normal e o resultado é mostrado na figura 8.

  2.2.4Micromodelação Otimização

  Como já foi mencionado, a sensibilidade do olho a estruturas não periódicas faz com que todo o processo de usinagem seja relativamente intolerante a erros de posicionamento ou foco. Se, por exemplo, o feixe se sobrepuser ou seseção 2.1) está incorreto, então mesmo um ligeiro posicionamento incorreto de um conjunto de triângulos interferirá em outro conjunto de padrões, fazendo com que a qualidade dos microprismas se degrade. Isto pode ser visto na figura 9, que mostra um SEM de umsobreponha a região onde, como mostrado na figura 2 (d), a borda da varredura # 2 está super posicionada em uma varredura existente # 1.

  Pode-se ver que a nitidez dos cantos dos triângulos é pior na seção em que ambas as digitalizações # 1 e # 2 foram realizadas, e esse efeito faz com que as bordas dos prismas não sejam tão boas. Pequenas variações como estaprecisa ser controlado cuidadosamente para alcançar os melhores resultados.

 2.2.5Gas Assist

  Quatro amostras foram usinadas com condições idênticas, com apenas o gás auxiliar sendo alterado entre elas. Ar, oxigênio, nitrogênio e hélio foram usados ​​e a resposta da refletividade angular de cada uma das amostras foi então medida. De olho,Ficou claro que o principal efeito dos diferentes gases foi a quantidade de difusão e dispersão óptica que foi causada pela amostra e isso foi confirmado pelos dados de refletividade. A Figura 10 mostra os gráficos de refletividade polar dos melhorese pior ajudar os gases para as estruturas prismáticas.

  A amostra usinada sob assistência de nitrogênio mostra uma difração bastante distinta, em oposição à amostra auxiliar de hélio, onde uma ampla região difusa é observada. A principal causa desta diferença parece ser a quantidade de novos depositadosmaterial na amostra durante a ablação a laser, o que faz com que a luz seja dispersada em quantidades variáveis. Estes testes mostraram claramente que o nitrogênio auxiliar de gás foi de longe o melhor em termos de causar menos perturbação aos efeitos domicroprismas.

 3. EVOLUÇÃO FUTURA

  Uma das vantagens da micro-usinagem a laser é a flexibilidade inerente que ela oferece e a grande variedade de possibilidades oferecidas para a produção de várias microestruturas. Em aplicativos de dispositivos de exibição, por exemplo,O sistema de micro-usinagem excimer laser pode ser usado de várias maneiras:

  patralização de óxidos condutores transparentes (por exemplo, ITO) com eletrodo ou outras características

   maquinação de camadas em polímero e dispositivos LED orgânicos

  Filtragem de interconexões e vias para sistemas multicamadas

  produção de microestruturas como microlentes para componentes ópticos

  A Figura 11 mostra dois exemplos de microestruturas ópticas - lentes cilíndricas micro-usinadas e canalização óptica "pirâmides", ambas desenvolvidas para guiar e controlar a luz para dispositivos de visualização LED e LCD. Em aplicaçõestais como as discutidas neste artigo, o uso de micro-usinagem a laser oferece a capacidade de adaptar a forma dos microprismas, por exemplo, para atender diferentes geometrias refletivas / transmissivas onde, por exemplo, prismas comfacetas de múltiplos ângulos ou de variação contínua podem ser usadas. Tais estruturas não são possíveis com máquinas de ferramentas mecânicas de precisão.

  Outros lasers, como os lasers de estado sólido infravermelho, visível ou ultravioleta, também estão encontrando um uso crescente na fabricação de dispositivos de exibição, particularmente para padrões de alta velocidade. Além do elemento de versatilidade do laser diretoprocessamento, o outro principal benefício da usinagem a laser é que ela é geralmente um processo seco de estágio único, isto é, padronização litográfica e etapas de corrosão química podem ser evitadas. Isso não só reduz os custos associados à umidadeestações de processamento, mas também permite que tamanhos muito grandes sejam manuseados, que estão além das capacidades dos atuais sistemas de exposição e corrosão.

Cada vez mais, sistemas com unidades multifuncionais estão sendo projetados e desenvolvidos e podem incluir elementos como dispositivos ópticos, sistemas micro-mecânicos, circuitos elétricos e interconexões. Como este dispositivo avançadoa tecnologia amadurece, a micro-usinagem a laser desempenhará um papel vital em sua fabricação, permitindo que especificações de desempenho sem precedentes sejam realizadas.

  4.UMUMÁRIO

  A micro-usinagem com excimer laser tem sido usada para produzir estruturas prismáticas em polímeros para uso como elementos ópticos seletivos em dispositivos de exibição. As condições de processamento foram otimizadas para produzir amostras de alta área e alta qualidadeque foram testados usando métodos ópticos. A avaliação confirmou que as estruturas micro-usinadas têm os atributos esperados das amostras e demonstraram sua aplicabilidade para dispositivos de exibição.