Micromecanizado láser: nuevas técnicas y desarrollos para aplicaciones de visualización

ABSTRACTO

  El área de dispositivos de visualización ha experimentado un crecimiento extremadamente rápido en los últimos años y estos avances no muestran signos de disminución. Uno de los principales avances en este campo ha sido el uso de láser para diversas tareas de microfabricación.Este artículo describe algunas técnicas que se han desarrollado utilizando láser excimer para la producción de nuevas microestructuras en materiales de polímeros. Se presentan ejemplos de los tipos de microestructuras que se producen y sula aplicabilidad para las aplicaciones del dispositivo de visualización se describe. Se discuten los próximos desarrollos en la fabricación de pantallas láser.

 1. INTRODUCCIÓN

  El reciente aumento de las comunicaciones digitales y los sistemas multimedia ha dado lugar a demandas técnicas cada vez más complejas en productos electrónicos personales, dispositivos de entretenimiento interactivos y dispositivos de visualización comerciales y domésticos.Algunos de estos desarrollos han sido impulsados ​​en parte por los requerimientos de la fabricación en volumen, pero otros elementos significativos han tenido que abordarse puramente debido a la naturaleza novedosa de los sistemas microelectrónicos modernos. Para cumplir con estosSin embargo, las demandas, los láseres están siendo ampliamente utilizados en entornos de desarrollo y producción, ya que proporcionan una combinación única de flexibilidad, eficiencia y la capacidad de producir una amplia variedad de microestructuras.

  En muchas aplicaciones de visualización, el uso de materiales de fotopolímero no birrefringentes permite mejorar notablemente las propiedades de visualización, como el ángulo de visión (AOV), la definición de características y el brillo de la imagen [1]. Estos operativosa menudo se consiguen mejoras mediante la combinación de tales fotopolímeros con estructuras micromecanizadas adicionales para proporcionar un rendimiento fuera del eje mejorado. En particularr, dispositivos de pantalla de cristal líquido (LCD), ya sean retroiluminados u operativosen condiciones de luz ambiental, se han beneficiado de estos desarrollos. Este artículo describe algunos métodos nuevos para la fabricación de diferentes microestructuras producidas utilizando técnicas de micromecanizado láser diseñadas paradispositivos de visualización óptica.

2. MICROESTRUCTURAS PARA DISPOSITIVOS DE VISUALIZACIÓN A MANO

  Hay muchos beneficios en los dispositivos de visualización (especialmente los portátiles) que utilizan luz ambiental en funcionamiento normal, el más importante, obviamente, es la reducción en el consumo de energía. El uso de luz ambiental, sin embargo, tiene algunoslas restricciones y los diseños de los sistemas de iluminación deben tener en cuenta tales limitaciones. En unidades de mano tales como teléfonos celulares móviles, por ejemplo, la cabeza y el cuerpo del usuario a menudo oscurecen gran parte de la luz disponible y asíestructuras prismáticas especiales tienen que ser usadas para redirigir la luz incidente selectivamente. La Figura 1 muestra una representación esquemática de una operación típica de pantalla LCD donde la luz desde arriba de la cabeza del espectador es preferentementereflejado hacia el espectador, que puede sostener la pantalla en un ángulo cómodo. Es la intención de estos dispositivos que la reflexión especular se minimice para reducir el "resplandor" y optimizar el brillo de la imagen vista.

  En la figura 1, se muestra como opción una fuente de retroiluminación para el LCD porque las estructuras prismáticas se pueden usar en modos reflexivo, reflexivo más transmisivo o puramente transmisivo, dependiendo de los productos. Desde ellas características prismáticas están en sustratos poliméricos, actualmente se producen mediante la replicación convencional de maestros de metal. Aunque los métodos actuales producen piezas de alta calidad, tienen una serie de inconvenientes, que incluyen

   Necesidad de nuevas herramientas costosas y frecuentes

  Inability para mecanizar estructuras complejas o multidimensionales

   Velocidad de procesamiento

  Procesamiento en múltiples etapas, es decir, se debe mecanizar un maestro a partir del cual se fabrican las piezas necesarias

   Los maestros de metal existentes son muy frágiles y susceptibles a daños mecánicos

  Debido a las limitaciones anteriores, los métodos de procesamiento por láser ofrecen una opción muy atractiva para la producción de estas características prismáticas, ya que pueden usarse para mecanizar las estructuras deseadas directamente en las muestras de polímero con granversatilidad y sin contacto con el material.

 2.1 Laser Micromachining

  Se utilizó un sistema de micromecanizado con láser excimer en todo el trabajo presentado aquí debido al excelente rendimiento de estos láseres UV en el micromecanizado de polímeros [2]. La técnica de proyección de máscara wa empleó para eliminar diversosmuestras de polímeros directamente y producen las estructuras prismáticas consideradas.

  Se han informado previamente algunos refinamientos del principio básico de proyección de máscaras [3]. En particular, el uso del arrastre de la pieza de trabajo [3] es ideal para la producción de características prismáticas y ofrece muchos beneficios,incluyendo la capacidad de:

   Controlar la profundidad, longitud y sección transversal de los microprismas.

  mantener alta precisión y resolución para el micromecanizado de estructuras.

   extender la técnica a tamaños grandes para opciones de producción en masa.

  Para demostrar la viabilidad de los métodos de micromecanizado por láser para las aplicaciones mencionadas anteriormente, las estructuras representativas se micromecanizaron para permitir una comparación directa entre la ruta maestra del metal existente y el láser.técnicas.

  En el sistema de proyección de máscaras, se usó un láser excímero estándar que funcionaba a una longitud de onda de 248 nm y capaz de velocidades de repetición de pulsos de hasta 150Hz junto con una lente de formación de imágenes x 125 0.125NA. La lente tenía un tamaño de campo de imagen de 14 mmque permitió hasta 280 microprismas de 50metrom ancho que se mecanizará simultáneamente mediante la proyección de una máscara de cromo sobre cuarzo. El rayo láser se formó y se homogeneizó para formar un perfil rectangular de "superficie plana" en el plano de la máscaracon dimensiones de 75 mm x 10 mm. Las muestras se mantuvieron planas en las tablas XYZ que ofrecían una resolución de posicionamiento lateral de 100nm y una resolución de elevación (focal) de 50nm. Cabe señalar que un objetivo 0.125NA permite una profundidad de enfoquede aproximadamente±16metrom así que el manejo de la muestra es un problema importante para mantener una calidad de imagen constante. Además, se colocó una boquilla direccional en las proximidades del sitio de ablación para permitir el uso de la asistencia de gas durante elmicromecanizado láser

  Los parámetros para micromecanizado se optimizaron para determinar el mejor conjunto de condiciones en términos de densidad de energía láser, número de disparos por área (para la profundidad requerida), velocidad de repetición del láser, velocidad de movimiento de la muestra (velocidad de avance) y gasayudar. El otro parámetro que tiene un efecto importante en la calidad de la muestra final es la forma en que se escanean los patrones triangulares prismáticos sobre la muestra, y esto se explica a continuación.

  Los dos requisitos principales para los microprismas eran que debían tener un ángulo de 10 y tener un ancho de 50m, lo que significa que la profundidad de la parte más profunda de los microprismas debe ser 8.8metrometro. En una densidad de energía láser particularo fluencia, es simple determinar el número de disparos que proporcionan esta profundidad pero, para producir una muestra prismática ópticamente aceptable, también se deben tener en cuenta otros factores. La figura 2 muestra una representación dela forma en que se logra la micromecanización.

  Si suponemos que se requieren N tiros en total por cualquier área de la unidad para que esa área se extirpe a una profundidad de 8.8m, entonces se puede ver con referencia a la figura 2 que hay muchas maneras en que esos N tiros pueden ser depositado en elmuestra. Dado que la muestra se mecaniza escaneando un patrón en un eje y luego repitiendo el escaneo en posiciones adyacentes en la muestra, la forma más sencilla de lograr un total de N disparos es mediante el uso de N disparos / área en la dirección de escaneo yluego caminar de lado por un ancho de haz completo (es decir, paso lateral = w). Si el rayo se desplaza hacia los lados por la mitad del ancho de un rayo (es decir, por w / 2), entonces se deben usar N / 2 disparos / área en la dirección de escaneo. En general, si el rayo es escalonadode lado en 1 / m del ancho del haz, entonces el número de disparos por área en la dirección de exploración debe ser N / m. Por supuesto, todo el proceso puede repetirse varias veces para que un solo ciclo del proceso sea más pequeño.profundidad de lo requerido y todo el procedimiento se repite sucesivamente hasta alcanzar la profundidad deseada. Por lo tanto,

  Total de disparos N = L S m

  donde L es el número de bucles de procesamiento, S es el número de disparos por área en la dirección de exploración m es la fracción del ancho del haz w por el cual la muestra se camina hacia los lados (por ejemplo, dar un paso de 1/3 del ancho del haz m = 3).

La combinación de los tres parámetros L, S y m afecta la calidad de las características micromecanizadas, especialmente la suavidad de las "caras" de los microprismas. En particular, si S, el número de disparos por área en el escaneodirección, es demasiado grande, entonces la suavidad de las caras del prisma se degrada porque la muestra se mueve una mayor distancia entre pulsos. Esto se ilustra en la figura 3 que muestra una micrografía electrónica de barrido (SEM) de microprismasmaquinado en policarbonato donde & quot; pasos significativos & quot; se puede ver en las caras de los prismas.

  Se descubrió que se producían microprismas de alta calidad utilizando una fluencia láser de 1J / cm2 con 80 disparos / área a una velocidad de repetición láser de 150Hz. Los efectos del oxígeno, nitrógeno, helio y gases de asistencia aérea también se compararon y esto esdescrito en la sección 2.2.5.

  2.2 Análisis de estructuras maquinadas con láser

  Las muestras de polímero de ~ 50 mm x 50 mm de tamaño se mecaniza láser con 10º microprismas y luego analizados mediante microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido, interferometría y análisis de difracción. Estas muestras fueron evaluadas tantoCualitativa y cuantitativamente, dado que los productos finales para estas estructuras son dispositivos de visualización ópticos, la apariencia cualitativa del ojo es una medida muy importante de su calidad.

  2.2.1Estructuras reflectoras

  La figura 4 muestra una imagen SEM de 10°microprismos micromecanizados en policarbonato que muestran la naturaleza regular y reproducible del mecanizado láser optimizado. Cabe señalar que una muestra de 50 mm de ancho contiene aproximadamente 1000microprismas y cambios dimensionales del orden de ~ 2metrom son fácilmente discernibles por el cambio en la regularidad que causan.

  Un interferómetro Zygo también se utilizó para medir el alivio de la superficie en el centro de una de las muestras y el 3D y los datos de corte transversal obtenida se muestra en la figura 5. Se puede observar que la profundidad a partir del análisis de la sección transversal de~ 8.8metrom concuerda precisamente con el valor deseado y la suavidad y regularidad de los microprismas adyacentes también es claramente evidente.

El papel principal de la estructura prismática de reflexión, como se muestra en la figura 1, es para volver a dirigir la luz desde el ángulo de reflectancia especular en una dirección más conveniente y se puede demostrar fácilmente que la luz incidente en ~ 30° a lo normalserá redirigidohacia lo normal si 10° estructuras prismáticas se utilizan. Esto se verificó midiendo la sensibilidad angular de la reflexión de las muestras mecanizadas con láser usando una fuente de luz blanca. La Figura 6 muestra un diagrama polar y una sección transversalde las intensidades de luz medidas en función del ángulo. La luz de entrada incidió en un ángulo de 30° a la normal y se pueden ver dos picos de reflexión. El pico más ancho a la izquierda (pico & quot; A & quot;) es de 10° microprisms redirigir la luz hacia la normal mientras que el pico más estrecho en el lado derecho (pico B) es causado por la reflexión especular desde la superficie frontal del policarbonato.

2.2.2 Estructuras reflectantes con un difusor

  Como se puede ver en la figura 1, un dispositivo de visualización típico normalmente también tiene un elemento difusor delante de la estructura prismática y la adición de este también se midió usando el mismo método. La figura 7 muestra los resultados de lareflejo de la luz de solo una muestra de difusor y de la combinación de un difusor y una estructura prismática.

  Se puede ver que, como se esperaba, la muestra del difusor dispersa puramente la luz sobre un cono ancho de ángulos mientras mantiene su pico alrededor de los 30°  ángulo de reflexión especular. La adición de los 10°  microprisms se concentrala mayor parte de la luz alrededor de la normal a la muestra, dando así la gama de ángulos convenientemente visible para la pantalla.

  Aunque el uso de estructuras prismáticas generalmente significa que la luz se redirige principalmente en un eje, las aplicaciones de visualización que se discuten aquí también se benefician de la disponibilidad de luz en el otro eje, así como también la ampliación.de la distribución de la luz en ambos ejes no es necesariamente un efecto perjudicial. Esta es también la razón por la cual es deseable una pequeña cantidad de no uniformidad en las caras de los prismas, como se ve en la figura 4.

  2.2.3Estructuras transmitidas

  Si los microprismas van a usarse en un modo puramente transmisivo, es decir, con la opción de luz de fondo como se muestra en la figura 1, entonces se espera que la luz se transmita por la muestra a ~ 10°a lo normal con incidencia normaliluminación. Esto se ha confirmado midiendo la intensidad transmitida como una función del ángulo para la luz incidente normal y el resultado se muestra en la figura 8.

  2.2.4 Optimización de micromáquinas

  Como ya se ha mencionado, la sensibilidad del ojo a estructuras no periódicas hace que todo el proceso de mecanizado sea relativamente intolerante a errores de posicionamiento o enfoque. Si, por ejemplo, la superposición del haz o el paso lateral (como se analiza ensección 2.1) es incorrecto, entonces incluso un ligero mal posicionamiento de un conjunto de triángulos interferirá con otro conjunto de patrones, causando la degradación de la calidad de los microprismas. Esto se puede ver en la figura 9 que muestra un SEM de unregión de superposición donde, como se muestra en la figura 2 (d), el borde del escaneo n. ° 2 está súper posicionado en un escaneo existente n. ° 1.

  Se puede ver que la nitidez de las esquinas de los triángulos es peor en la sección donde se han realizado los dos escaneos # 1 y # 2 y este efecto hace que los bordes de los prismas no sean tan buenos. Pequeñas variaciones como estanecesita ser controlado cuidadosamente para lograr los mejores resultados.

 2.2.5 Ayuda de Gas

  Cuatro muestras se maquinaron con condiciones idénticas con solo el gas de asistencia que se cambiaba en el medio. Se usaron aire, oxígeno, nitrógeno y helio y luego se midió la respuesta de reflectividad angular de cada una de las muestras. Por ojo,fue claro que el efecto principal de los diferentes gases fue la cantidad de difusión y dispersión óptica que fue causada por la muestra y esto fue confirmado por los datos de reflectividad. La Figura 10 muestra gráficos de reflectividad polar de los mejoresy los peores gases de asistencia para las estructuras prismáticas.

  La muestra mecanizada bajo asistencia de nitrógeno muestra una difracción bastante distinta a la de la muestra de asistencia de helio, donde se observa una amplia región difusa. La causa principal de esta diferencia parece ser la cantidad de re-depositadamaterial en la muestra durante la ablación con láser que hace que la luz se disperse en cantidades variables. Estas pruebas mostraron claramente que el gas de asistencia de nitrógeno era, con mucho, el mejor en términos de causar la menor alteración a los efectos de lamicroprismas.

 3. EVOLUCIÓN FUTURA

  Una de las ventajas del micromecanizado láser es la flexibilidad inherente que proporciona y la amplia gama de posibilidades que ofrece para la producción de diversas microestructuras. En aplicaciones de dispositivos de visualización, por ejemplo, unaEl sistema de micromecanizado con láser excimer se puede usar de muchas maneras:

   diseño de óxidos conductores transparentes (por ejemplo, ITO) con electrodo u otras características

  mecanizado de capas en polímero y dispositivos LED orgánicos

   Perforación de interconexiones y vías para sistemas multicapa

  producción de microestructuras como microlentes para componentes ópticos

  La figura 11 muestra dos ejemplos de microestructuras ópticas: lentes cilíndricas micromecanizadas y pirámides de canalización óptica, ambas desarrolladas para guiar y controlar la luz para dispositivos de visualización de LED y LCD. En aplicacionescomo los discutidos en este documento, el uso del micromecanizado por láser ofrece la capacidad de adaptar la forma de los microprismas, por ejemplo, para adaptarse a diferentes geometrías reflectoras / transmisivas donde, por ejemplo, prismas conse pueden usar facetas de múltiples ángulos o variables continuas. Tales estructuras no son posibles con máquinas de herramientas mecánicas de precisión.

  Otros láseres, como los láseres de estado sólido infrarrojos, visibles o ultravioleta, también se utilizan cada vez más en la fabricación de dispositivos de visualización, especialmente para patrones de velocidad ultra alta. Además del elemento de versatilidad del láser directoprocesamiento, el otro beneficio principal del mecanizado por láser es que generalmente es un proceso en seco de una sola etapa, es decir, pueden evitarse los patrones litográficos y los pasos de grabado químico. Esto no solo reduce los costos asociados con la humedadestaciones de procesamiento pero también permite manejar tamaños muy grandes que están más allá de las capacidades de los sistemas actuales de exposición y grabado.

  Cada vez más, se diseñan y desarrollan más sistemas con unidades multifuncionales que pueden incluir elementos tales como dispositivos ópticos, sistemas micromecánicos, circuitos eléctricos e interconexiones. Como este dispositivo avanzadoLa tecnología madura, el micromecanizado láser desempeñará un papel vital en su fabricación, lo que permitirá realizar especificaciones de rendimiento sin precedentes.

  4.SUMMARY

  El micromecanizado con láser Excimer se ha utilizado para producir estructuras prismáticas en polímeros para su uso como elementos ópticos selectivos en dispositivos de visualización. Las condiciones de procesamiento se han optimizado para producir muestras de alta calidad y gran áreaque han sido probados usando métodos ópticos. La evaluación ha confirmado que las estructuras micromecanizadas tienen los atributos esperados de las muestras y han demostrado su aplicabilidad para los dispositivos de visualización.