تقنيات الليزر الصغيرة - تقنيات وتطورات جديدة لتطبيقات العرض

نبذة مختصرة

  شهدت منطقة أجهزة العرض نمواً سريعاً للغاية في السنوات الأخيرة ولا تظهر هذه التطورات أي علامة على التراجع. واحدة من التطورات الرئيسية في هذا المجال هو استخدام أشعة الليزر لمختلف مهام التصنيع المتناهي الصغر.تصف هذه الورقة بعض التقنيات التي تم تطويرها باستخدام ليزر excimer لإنتاج تركيبات مجهرية جديدة في مواد البوليمر. يتم تقديم أمثلة على أنواع المجهرية التي يتم إنتاجها وأنواعهايتم شرح التطبيق للتطبيقات جهاز العرض. وتناقش التطورات القادمة في تصنيع شاشات الليزر.

 1 المقدمة

  أدى الارتفاع الأخير في الاتصالات الرقمية وأنظمة الوسائط المتعددة إلى تزايد المتطلبات التقنية المعقدة على المنتجات الإلكترونية الشخصية ووسائل الترفيه التفاعلية وأجهزة العرض التجارية والمحلية.بعض هذه التطورات كانت مدفوعة جزئياً بمتطلبات حجم التصنيع ولكن هناك عناصر هامة أخرى يجب معالجتها فقط بسبب الطبيعة الجديدة للأنظمة الإلكترونية الحديثة. لتلبية هذهيتم استخدام الليزر الآن على نطاق واسع في بيئات التطوير والإنتاج حيث أنها توفر مزيجًا فريدًا من المرونة والكفاءة والقدرة على إنتاج مجموعة واسعة من الهياكل المجهرية.

  في العديد من تطبيقات العرض ، يسمح استخدام مواد فوتوبوليمير غير ثنائية التدفق بعرض خصائص العرض مثل زاوية الرؤية (AOV) ، وتعريف المعالم وسطوع الصورة ليتم تحسينها بشكل كبير [1]. هذه التشغيليةيتم تحقيق التحسينات في كثير من الأحيان عن طريق الجمع بين هذه البوليمرات الضوئية مع هياكل ميكروماتشينية إضافية لتوفير أداء محسَّن خارج المحور. في الجسيماتص ، أجهزة عرض الكريستال السائل (LCD) ، سواء الخلفية أو التشغيلتحت ظروف الإضاءة المحيطة ، استفادت من هذه التطورات. تشرح هذه الورقة بعض الطرق الجديدة لتصنيع البنى الدقيقة المختلفة التي يتم إنتاجها باستخدام تقنيات الليزر الميكروية المصممة لـأجهزة العرض البصرية.

2.MICROSTRUCTURES لأجهزة العرض باليد

  هناك العديد من الفوائد في أجهزة العرض (خاصة أجهزة محمولة) باستخدام الإضاءة المحيطة في التشغيل العادي ، والأهم من ذلك هو الحد من استهلاك الطاقة. ومع ذلك ، فإن استخدام الضوء المحيط يحتوي على بعضتحتاج القيود والتصاميم الخاصة بأنظمة الإضاءة إلى وضع هذه القيود في الاعتبار. في الوحدات المحمولة باليد مثل الهواتف الخلوية المتنقلة ، على سبيل المثال ، غالبًا ما يحجب رأس المستخدم والجسم الكثير من الضوء المتاح وهكذايجب استخدام الهياكل المنشورية الخاصة لإعادة توجيه ضوء الحادث بشكل انتقائي. يوضح الشكل 1 تمثيلاً تخطيطياً لعملية عرض LCD نموذجية حيث يكون الضوء من أعلى رأس المشاهد بشكل تفضيليينعكس تجاه المشاهد ، الذي يمكنه حمل الشاشة بزاوية مريحة. وتهدف هذه الأجهزة إلى الحد من الانعكاس المرآوي للحد من "الوهج" وتحسين سطوع الصورة المعروضة.

  في الشكل 1 ، يظهر مصدر الإضاءة الخلفية لشاشات الكريستال السائل كخيار لأنه يمكن استخدام البنى المنشورية إما في أنماط عاكسة أو عاكسة أو انتقالية بحتة ، اعتمادًا على المنتجات. منذميزات المنشورية هي في ركائز البوليمر ، وهي تنتج حاليا عن طريق تكرار التقليدية من أسياد المعادن. على الرغم من أن الأساليب الحالية تنتج أجزاء ذات جودة عالية ، إلا أنها تحتوي على عدد من العيوب ، بما في ذلك

  for ضرورة إعادة الأدوات المتكررة والمكلفة

  to القدرة على بناء الهياكل المعقدة أو متعددة الأبعاد

of سرعة المعالجة

  processingMulti - مرحلة المعالجة ، أي ماجستير يجب أن يتم تشكيله من خلالها الأجزاء المطلوبة مصنوعة

  أسياد المعادن الموجودة هشة للغاية وعرضة للضرر الميكانيكي

  نظرًا للقيود المذكورة أعلاه ، تقدم طرق المعالجة بالليزر خيارًا جذابًا جدًا لإنتاج هذه الميزات المنشورية حيث يمكن استخدامها في تركيب الهياكل المطلوبة مباشرةً في عينات البوليمر بشكل رائعبراعة ودون الاتصال بالمادة.

 2.1Laser Micromachining

  تم استخدام نظام micromachining بالليزر excimer في جميع الأعمال المذكورة هنا بسبب الأداء الممتاز لهذه الليزرات فوق البنفسجية في micromachining من البوليمرات [2]. استخدمت تقنية قناع القناع لإلغاء مختلفعينات البوليمر مباشرة وإنتاج الهياكل المنشورية قيد النظر.

  تم الإبلاغ عن عدد من التحسينات على المبدأ الأساسي لإسقاط القناع في السابق [3]. على وجه الخصوص ، يعتبر استخدام سحب الشغل [3] مناسبًا بشكل مثالي لإنتاج ميزات موشورية ويقدم العديد من المزايا ،بما في ذلك القدرة على:

   السيطرة على العمق والطول والمقطع العرضي للأجزاء الدقيقة.

  `دقة عالية ودقة ل micromachining من الهياكل.

   تمديد التقنية لأحجام كبيرة لخيارات الإنتاج الضخم.

  ولإثبات جدوى استخدام الأساليب الميكروميكانيكية بالليزر للتطبيقات المذكورة أعلاه ، كانت الهياكل التمثيلية micromachined لتمكين إجراء مقارنة مباشرة بين المسار الرئيسي للمعادن والليزر.التقنيات.

  في نظام إسقاط القناع ، تم استخدام ليزر إكسيمر قياسي يعمل على طول موجة 248 نانومتر وقادر على معدلات تكرار النبضات حتى 150 هرتز مع عدسة تصوير x5 0.125NA. كان العدسة بحجم حقل الصورة 14 ملمالتي سمحت بحدود 280 ميكروفلزم من 50مم عرض ليتم تشكيله في وقت واحد عن طريق الإسقاط من قناع الكروم على الكوارتز. وشكلت شعاع الليزر وتم تجانسها لتشكيل صورة "مستوية الشكل" مستطيلة الشكل على مستوى القناعبأبعاد 75 مم × 10 مم. تم عقد العينات بشكل مسطح على طاولات XYZ التي قدمت دقة تحديد المواقع الجانبية من 100nm ورفع (التنسيق البؤري) من 50nm. تجدر الإشارة إلى أن عدسة 0.125NA تسمح بعمق التركيزما يقرب من±16مم حتى معالجة العينات هي قضية مهمة في الحفاظ على جودة صورة ثابتة. بالإضافة إلى ذلك ، وضعت فوهة اتجاهي على مقربة من موقع الاجتثاث لتمكين مساعدة الغاز لاستخدامها خلالميكروميكانيكية بالليزر.

  تم تحسين المعلمات للميكروماتينج لتحديد أفضل مجموعة من الشروط من حيث كثافة طاقة الليزر ، وعدد الطلقات لكل منطقة (للعمق المطلوب) ، ومعدل تكرار الليزر ، وسرعة حركة العينة (feedrate) والغازمساعدة. إن المعلمة الأخرى التي لها تأثير مهم على جودة العينة النهائية هي الطريقة التي يتم بها فحص الأنماط المثلثية المنشورية على العينة ، وهذا ما يفسر أدناه.

  كان المتطلبان الرئيسيان للميكروفيمز هو أنه ينبغي أن يكون لهما زاوية مقدارها 10 وعرضهما 50m ، مما يعني أن عمق أعمق جزء من الميكروفسمات يجب أن يكون 8.8.مم. عند كثافة طاقة ليزر محددةأو ، فلغة ، هو مسألة بسيطة لتحديد عدد اللقطات التي تعطي هذا العمق ولكن ، من أجل إنتاج عينة المنشورية مقبولة بصريا ، يجب أيضا أن تؤخذ في الاعتبار عوامل أخرى. يوضح الشكل 2 تمثيلالطريقة التي يتم بها micromachining.

  إذا افترضنا أن النقطتين N مطلوبة إجمالاً في أي منطقة وحدة لهذه المنطقة حتى يتم تصغيرها إلى عمق 8.8  م ، فإنه يمكن رؤيتها بالرجوع إلى الشكل 2 أن هناك العديد من الطرق التي يمكن بها التقاط تلك اللقطات N أودعت علىعينة. نظرًا لأنه يتم تشكيل العينة عن طريق مسح نمط في محور واحد ثم تكرار الفحص في المواضع المجاورة على العينة ، فإن أبسط طريقة لتحقيق إجمالي عدد N من اللقطات هو باستخدام N لقطات / منطقة في اتجاه المسح الضوئيثم يخطو جانبيا بعرض واحد كامل (أي خطوة جانبية = ث). إذا تم تسليط الحزمة بشكل عرضي بمقدار نصف عرض شعاعي (أي بمقدار w / 2) ، فيجب استخدام لقطات / منطقة N / 2 في اتجاه المسح. بشكل عام ، إذا تم إسقاط الحزمةجانبيا بعرض 1 / م من عرض الحزمة ، يجب أن يكون عدد الطلقات لكل منطقة في اتجاه المسح هو N / m. وبطبيعة الحال ، يمكن تكرار العملية برمتها عدة مرات بحيث تكون دورة واحدة من آلات العملية إلى أصغرالعمق من المطلوب ويتم تكرار الإجراء بأكمله على التوالي حتى يتم تحقيق العمق المطلوب. وبالتالي،

  إجمالي اللقطات N = L S m

  حيث L هو عدد حلقات المعالجة ، S هو عدد الطلقات لكل مساحة في اتجاه المسح m هو جزء العرض من w الذي يتم من خلاله تخطي العينة (على سبيل المثال خطوة بخطوة من 1/3 من عرض الحزمة م = 3).

  ويؤثر الجمع بين المعلمات الثلاث L و S و m على جودة الخصائص الميكروميكانيكية ، لا سيما سلاسة "وجوه" microprisms. على وجه الخصوص ، إذا كان S ، عدد الطلقات لكل منطقة في المسحالاتجاه ، كبير للغاية ، ثم تتحلل نعومة المنشور لأن العينة تحرك مسافة أكبر بين النبضات. ويتضح ذلك في الشكل 3 الذي يبين صورة مجهرية إلكترونية (SEM) للميكروفريمسيتم تشكيلها في البولي كربونات حيث تكون & quot؛ خطوات & quot؛ يمكن رؤيتها على وجوه المنشور.

  وقد وجد أنه تم إنتاج microprisms عالية الجودة باستخدام fluence الليزر من 1J / cm2 مع 80 لقطات / منطقة بمعدل تكرار الليزر من 150Hz. تم أيضا مقارنة آثار الأكسجين والنيتروجين والهليوم والغازات المساعدة الجوية وهذا هوالموصوفة في القسم 2.2.5.

  2.2 تحليل الهياكل الآلية بالليزر

  تم تشكيل عينات من البوليمر بحجم 50 مم × 50 مم بالليزر مع 10 ميكروميرات ، ثم تم تحليلها باستخدام الفحص المجهري ، مسح المجهر الإلكتروني ، قياس التداخل وتحليل الحيود. تم تقييم هذه العينات على حد سواءمن الناحية النوعية والكمية - بما أن المنتجات النهائية لهذه الهياكل هي أجهزة عرض بصرية ، فإن المظهر النوعي للعين هو مقياس مهم جدًا لجودتها.

2.2.1 الهياكل العاكسة

  ويبين الشكل 4 صورة SEM 10°microprisms micromachined إلى polycarbonate تبين الطبيعة المنتظمة والقابلة للاستنساخ لآلية الليزر المحسنة. تجدر الإشارة إلى أن عينة واسعة 50mm تحتوي على ما يقرب من 1000microprisms والتغيرات في الأبعاد لترتيب ~ 2مم يمكن إدراكها بسهولة بالتغيير في الانتظام الذي تسببه.

  تم استخدام مقياس تداخل Zygo أيضًا لقياس سطوح السطح في مركز أحد العينات ، ويظهر الشكل 3 والبيانات متعددة الأبعاد التي تم الحصول عليها في الشكل 5. ويمكن ملاحظة أن عمق التحليل المستعرض~ 8.8مم يتفق تماما مع القيمة المطلوبة وسلامة وانتظام microprisms المجاورة واضح أيضا.

يتمثل الدور الرئيسي للهيكل المنشوري الانعكاس ، كما هو موضح في الشكل 1 ، في إعادة توجيه الضوء من زاوية الانعكاس المرآوي إلى اتجاه أكثر ملاءمة ، ويمكن بسهولة عرض ذلك الحادث الخفيف عند ~ 30° الى الطبيعيسيتم إعادة توجيهنحو الطبيعي إذا 10° يتم استخدام الهياكل المنشورية. تم التحقق من ذلك عن طريق قياس الحساسية الزاوية للانعكاس من العينات المشكّلة بالليزر باستخدام مصدر الضوء الأبيض. ويبين الشكل 6 مؤامرة قطبية ومقطع عرضيمن شدة الضوء المقاسة كدالة للزاوية. كان ضوء الإدخال حادثة بزاوية 30° إلى العادي ويمكن رؤية اثنين من قمم انعكاس. تكون الذروة الأوسع على اليسار (ذروة & quot؛ A & quot؛) من 10° microprisms إعادةتوجيه الضوء نحو الوضع الطبيعي في حين أن الذروة الضيقة على الجانب الأيمن (الذروة & quot؛ B & quot؛) تنتج عن الانعكاس المرآوي من السطح الأمامي للبولي كربونات.

2.2.2 الهياكل العكوسة مع موزع الهواء

  وكما يتبين من الشكل 1 ، فإن جهاز العرض النموذجي عادة ما يكون له أيضًا عنصر نشر أمام الهيكل المنشوري ، كما تم قياس إضافة هذا باستخدام نفس الطريقة. ويبين الشكل 7 النتائج منانعكاس الضوء من عينة ناشرة فقط ومن تركيبة ناشر وبنية موشورية.

  يمكن ملاحظة أنه ، كما هو متوقع ، فإن عينة الناشر في حد ذاتها توزع الضوء على مخروط واسع من الزوايا مع الحفاظ على ذروتها حول°  زاوية الانعكاس المرآوي. إضافة 10°  microprisms يركزمعظم الضوء حول العادي إلى العينة ، وبالتالي إعطاء مجموعة من الزوايا للعرض مريح للعرض.

  على الرغم من أن استخدام الهياكل المنشورية عادة ما يعني أن الضوء يعاد توجيهه بشكل أساسي في محور واحد ، إلا أن تطبيقات العرض قيد المناقشة هنا تستفيد أيضًا من الضوء المتوفر في المحور الآخر أيضًا ،من توزيع الضوء في كلا المحورين ليس بالضرورة تأثير ضار. هذا هو السبب أيضا في وجود كمية صغيرة من عدم التماثل على وجوه المنشور ، كما هو موضح في الشكل 4 ، وهو أمر مرغوب فيه.

  2.2.3 هياكل النقل

إذا كان يجب استخدام الميكروفيلم في وضع نقي بحت ، أي مع خيار الإضاءة الخلفية كما هو موضح في الشكل 1 ، فمن المتوقع أن ينتقل الضوء بواسطة العينة في ~ 10° إلى الطبيعي مع حدوث طبيعيإضاءة. وقد تأكد ذلك من خلال قياس الكثافة المرسلة كدالة لزاوية الضوء الطبيعي ، وتظهر النتيجة في الشكل 8.

  2.2.4 التحسين الميكروميكانيكي

  وكما سبق ذكره ، فإن حساسية العين للهياكل غير الدورية تجعل عملية التصنيع بأكملها غير متسامحة نسبياً مع الأخطاء في تحديد المواقع أو التركيز. إذا ، على سبيل المثال ، تداخل الحزمة أو خطوة جانبية (كما هو موضح فيالقسم 2-1) غير صحيح ، ثم حتى سوء تحديد طفيف لمجموعة واحدة من المثلثات سيتداخل مع مجموعة أخرى من الأنماط ، مما يتسبب في تدهور جودة الميكروفلمات. يمكن رؤية هذا في الشكل 9 الذي يظهر SEM لمنطقة التداخل حيث ، كما هو موضح في الشكل 2 (د) ، يتم وضع حافة المسح الضوئي رقم 2 في وضع فائق على صورة # 1.

  يمكن ملاحظة أن حواف زوايا المثلثات أسوأ في القسم حيث تم تنفيذ كل من المسح الضوئي رقم 1 و # 2 وهذا التأثير في حواف المناشير ليست جيدة. اختلافات صغيرة مثل هذاتحتاج إلى التحكم بعناية لتحقيق أفضل النتائج.

 2.2.5 غاز مساعد

  تم تشكيل أربع عينات بشروط متطابقة مع تغيير الغاز المساعد فقط بينهما. تم استخدام الهواء والأكسجين والنيتروجين والهيليوم وتم قياس استجابة الانعكاسية الزاوي لكل من العينات. عن طريق العين ، ذلككان من الواضح أن التأثير الرئيسي للغازات المختلفة كان مقدار الانتشار والانتثار الضوئي الذي تسببت فيه العينة وتم إثبات ذلك بواسطة بيانات الانعكاسية. ويبين الشكل 10 مؤامرات الانعكاس القطبي للأفضلوأسوأ غازات مساعدة للهياكل المنشورية.

  تظهر العينة المشكّلة تحت مساعدة النيتروجين انعراجًا متميزًا تمامًا مقارنةً بعينة مساعدة الهيليوم حيث يتم ملاحظة منطقة واسعة الانتشار. يبدو أن السبب الرئيسي لهذا الاختلاف هو مبلغ إعادة الإيداعمادة على العينة أثناء الاجتثاث بالليزر مما يؤدي إلى تشتيت الضوء بكميات متفاوتة. أظهرت هذه الاختبارات بوضوح أن غاز النيتروجين المساعد كان الأفضل إلى حد بعيد من حيث تسبب أقل تعطيل لآثارmicroprisms.

 3. التطورات المستقبلية

  واحدة من مزايا micromachining الليزر هي المرونة المتأصلة التي يوفرها ومجموعة واسعة من الاحتمالات التي يقدمها لإنتاج مختلف الهياكل المجهرية. في تطبيقات جهاز العرض ، على سبيل المثال ،يمكن استخدام نظام micromachining الليزر excimer بعدة طرق:

  ofPterning أكاسيد إجراء شفافة (على سبيل المثال ITO) مع القطب أو ميزات أخرى

  ofMachining من طبقات في البوليمر وأجهزة LED العضوية

  ofdrilling من الوصلات و vias للأنظمة متعددة الطبقات

  of إنتاج الهياكل الدقيقة مثل microlenses للمكونات البصرية

  يُظهر الشكل 11 مثالين عن البنى المكروية البصرية - العدسات الأسطوانية المجهري الدقيقة والقناة البصرية & quot؛ الأهرامات & quot ؛، التي تم تطويرها لتوجيه الضوء والتحكم به بالنسبة لأجهزة عرض LED و LCD. في التطبيقاتمثل تلك التي نوقشت في هذه الورقة ، فإن استخدام micromachining الليزر يوفر القدرة على تصميم شكل microprisms ، على سبيل المثال ، لتناسب مختلف هندسية عاكسة / transmissive حيث ، على سبيل المثال ، مع المنشوريمكن استخدام جوانب متعددة الزوايا أو متغيرة باستمرار. هذه الهياكل غير ممكنة مع الآلات الميكانيكية الدقيقة.

  كما أن ليزرات أخرى مثل أشعة الليزر التي تعمل بالأشعة تحت الحمراء أو المرئية أو فوق البنفسجية ، تجد أيضًا زيادة في استخدام أجهزة العرض ، لا سيما بالنسبة إلى أنماط فائقة السرعة. وبصرف النظر عن عنصر تنوعا من الليزر المباشرمعالجة ، فإن الفائدة الرئيسية الأخرى من بالقطع بالليزر هو أنه عادة ما تكون عملية جافة أحادية المرحلة ، أي أنه يمكن تجنب الزخارف الحجرية وخطوات التنميش الكيميائي. هذا لا يقلل فقط من التكاليف المرتبطة الرطبمحطات المعالجة ولكن أيضا تمكن أحجام كبيرة جدا للتعامل معها والتي هي أبعد من قدرات التعرض الحالي ونظم الحفر.

وبشكل متزايد ، يجري تصميم وتطوير المزيد من الأنظمة ذات الوحدات متعددة الوظائف ، وقد تشمل هذه العناصر عناصر مثل الأجهزة البصرية والأنظمة الميكانيكية الدقيقة والدوائر الكهربائية والوصلات البينية. كهذا الجهاز المتقدمينضج التكنولوجيا ، والليزر micromachining سيلعب دورا حيويا في تصنيعها ، مما يسمح بتحقيق مواصفات الأداء لم يسبق لها مثيل.

  4.SUMMARY

  وقد تم استخدام ميكروساخين الليزر من نوع إكسيمر لإنتاج بنية موشورية في البوليمرات لاستخدامها كعناصر ضوئية انتقائية في أجهزة العرض. تم تحسين ظروف المعالجة لإنتاج عينات ذات مساحة كبيرة عالية الجودةالتي تم اختبارها باستخدام الأساليب البصرية. وقد أكد التقييم أن الهياكل المجهرية لها الخصائص المتوقعة من العينات وأثبتت قابليتها للتطبيق على أجهزة العرض.