Micro-usinage laser - nouvelles techniques et développements pour les applications d'affichage

ABSTRAIT

  Le secteur des dispositifs d’affichage a connu une croissance extrêmement rapide au cours des dernières années et ces progrès ne montrent aucun signe de déclin. L'un des développements majeurs dans ce domaine a été l'utilisation de lasers pour diverses tâches de microfabrication.Cet article décrit certaines techniques développées à l'aide de lasers à excimère pour la production de nouvelles microstructures dans des matériaux polymères. Des exemples des types de microstructures qui sont produites sont présentés et leurl'applicabilité pour les applications de périphériques d'affichage est décrite. Les développements à venir dans la fabrication d’écrans au laser sont discutés.

 1. INTRODUCTION

  La récente montée en puissance des systèmes de communication numérique et multimédia a entraîné des exigences techniques de plus en plus complexes en matière de produits électroniques personnels, d’aides de divertissement interactives et d’appareils d’affichage commerciaux et domestiques.Certaines de ces évolutions ont été partiellement motivées par les exigences de la fabrication en série, mais d’autres éléments importants ont dû être traités uniquement en raison de la nature nouvelle des systèmes microélectroniques modernes. Pour rencontrer cesA la demande, les lasers sont maintenant largement utilisés dans les environnements de développement et de production, car ils offrent une combinaison unique de flexibilité, d’efficacité et de capacité à produire une grande variété de microstructures.

  Dans de nombreuses applications d'affichage, l'utilisation de matériaux photopolymères non biréfringents permet d'améliorer considérablement les propriétés d'affichage telles que l'angle de vue (AOV), la définition des caractéristiques et la luminosité de l'image [1]. Ces opérationnelsdes améliorations sont souvent obtenues par la combinaison de tels photopolymères avec des structures micro-usinées supplémentaires pour améliorer les performances hors axe. En particulierr, dispositifs d’affichage à cristaux liquides, qu’ils soient rétro-éclairés ou en fonctionnementdans des conditions d'éclairage ambiant, ont bénéficié de ces développements. Cet article décrit quelques nouvelles méthodes de fabrication de différentes microstructures produites à l'aide de techniques de micro-usinage au laser conçues pourdispositifs d'affichage optique.

2.MICROSTRUCTURES POUR DISPOSITIFS D'AFFICHAGE PORTATIFS

  Il existe de nombreux avantages aux dispositifs d’affichage (notamment portables) utilisant la lumière ambiante en fonctionnement normal, le plus important étant évidemment la réduction de la consommation d’énergie. L’utilisation de la lumière ambiante présente toutefois certainsles contraintes et la conception des systèmes d’éclairage doivent garder à l’esprit ces limitations. Dans les appareils portables, tels que les téléphones cellulaires mobiles, par exemple, la tête et le corps de l'utilisateur masquent souvent une grande partie de la lumière disponible.des structures prismatiques spéciales doivent être utilisées pour rediriger sélectivement la lumière incidente. La figure 1 montre une représentation schématique d’une opération typique d’affichage à cristaux liquides où la lumière venant du dessus de la tête du spectateur est préférentiellementreflété vers le spectateur, qui peut tenir l'écran à un angle confortable. Ces dispositifs ont pour objectif de minimiser la réflexion spéculaire afin de réduire les reflets et d'optimiser la luminosité de l'image visionnée.

  Sur la figure 1, une source de rétro-éclairage pour l'écran LCD est présentée en option, car les structures prismatiques peuvent être utilisées en modes réflectif, réflectif plus transmissif ou purement transmissif, selon les produits. Depuis lecaractéristiques prismatiques sont dans les substrats polymères, ils sont actuellement produits par la réplication conventionnelle à partir de masters métalliques. Bien que les méthodes actuelles produisent des pièces de haute qualité, elles présentent un certain nombre d'inconvénients, notamment

   Nécessité d'un réoutillage fréquent et coûteux

  Inaptitude à usiner des structures complexes ou multidimensionnelles

  Vitesse de traitement

  Traitement en plusieurs étapes, c'est-à-dire qu'un maître doit être fabriqué à partir duquel les pièces requises sont fabriquées

  Les matrices métalliques existantes sont très fragiles et susceptibles d'être endommagées mécaniquement

  En raison des contraintes susmentionnées, les méthodes de traitement au laser offrent une option très intéressante pour la production de ces caractéristiques prismatiques, car elles peuvent être utilisées pour usiner les structures souhaitées directement dans les échantillons de polymère avec une grande précision.polyvalence et sans contact avec le matériau.

 2.1Le micro-usinage au laser

  Un système de micro-usinage à laser excimer a été utilisé dans tous les travaux décrits ici en raison des excellentes performances de ces lasers UV dans le micro-usinage de polymères [2]. La technique de projection du masque a été utilisée pour ablater diverséchantillons de polymère directement et produisent les structures prismatiques considérées.

  Un certain nombre d'affinements du principe de base de la projection du masque ont été rapportés précédemment [3]. En particulier, l’utilisation du traçage des pièces [3] convient parfaitement à la production de fonctions prismatiques et offre de nombreux avantages,y compris la capacité de:

contrôler la profondeur, la longueur et la section des microprismes.

   maintenir une haute précision et résolution pour le micro-usinage des structures.

  étendre la technique aux grandes tailles pour les options de production de masse.

  Pour démontrer la faisabilité de méthodes de micro-usinage au laser pour les applications décrites ci-dessus, des structures représentatives ont été micro-usinées afin de permettre une comparaison directe entre la voie métallo-maître existante et la voie laser.techniques.

  Dans le système de projection de masque, un laser à excimère standard fonctionnant à une longueur d'onde de 248 nm et capable de vitesses de répétition des impulsions allant jusqu'à 150 Hz a été utilisé avec un objectif d'imagerie x5 0.125NA. La lentille avait une taille de champ d'image de 14mmqui a permis jusqu’à 280 microprismes de 50mm largeur à usiner simultanément par projection à partir d’un masque chromé sur quartz. Le faisceau laser a été mis en forme et homogénéisé pour former un profil «à sommet plat» de forme rectangulaire au niveau du plan du masque.avec des dimensions de 75mm x 10mm. Les échantillons ont été maintenus à plat sur des tables XYZ offrant une résolution de positionnement latéral de 100 nm et une résolution d'élévation (focale) de 50 nm. Il convient de noter qu’un objectif 0.125NA permet une profondeur de mise au point.d'environ±16mLa manipulation des échantillons est donc un élément important pour le maintien d’une qualité d’image constante. De plus, une buse directionnelle a été placée à proximité du site d’ablation pour permettre l’utilisation de gaz assist pendant lamicro-usinage laser.

  Les paramètres de micro-usinage ont été optimisés pour déterminer les meilleures conditions en termes de densité d'énergie laser, de nombre de prises de vue par zone (pour la profondeur requise), de taux de répétition laser, de vitesse de déplacement de l'échantillon (vitesse d'avance) et de gaz.aider. Un autre paramètre qui a un effet important sur la qualité de l'échantillon final est la manière dont les motifs triangulaires prismatiques sont balayés sur l'échantillon, ce qui est expliqué ci-dessous.

  Les deux exigences principales pour les microprismes étaient qu’ils aient un angle de 10 et une largeur de 50m, ce qui signifie que la profondeur de la partie la plus profonde des microprismes doit être de 8,8mm. À une densité d'énergie laser particulièreou la fluence, il est simple de déterminer le nombre de plans donnant cette profondeur mais, pour produire un échantillon prismatique optiquement acceptable, il faut également prendre en compte d’autres facteurs. La figure 2 montre une représentation dela manière dont le micro-usinage est accompli.

  Si nous supposons que N plans sont nécessaires au total par toute unité de surface pour que cette zone soit éliminée à une profondeur de 8,8 m, alors nous pouvons voir, en référence à la figure 2, qu'il existe de nombreuses manières de les effectuer. déposé sur leéchantillon. Puisque l'échantillon est usiné en balayant un motif dans un axe, puis en répétant le balayage dans des positions adjacentes sur l'échantillon, le moyen le plus simple d'obtenir un total de N coups est d'utiliser N coups / zone dans la direction du balayage etpuis en se déplaçant latéralement sur une largeur totale du faisceau (c.-à-d. marche latérale = w). Si le faisceau est déplacé latéralement d’une demi-largeur de largeur (c.-à-d. Par 2), il faut utiliser N / 2 plans / zone dans la direction de balayage. En général, si le rayon est renforcélatéralement par 1 / m de la largeur du faisceau, le nombre de coups par zone dans la direction de balayage doit être N / m. Bien sûr, l’ensemble du processus peut être répété plusieurs fois, de sorte qu’un seul cycle des machines de traitement aboutisse à une période plus courte.profondeur que nécessaire et toute la procédure est répétée jusqu'à ce que la profondeur souhaitée soit atteinte. Donc,

  Nombre total de prises de vue N ​​= L S m

  où L est le nombre de boucles de traitement, S est le nombre de prises de vue par zone dans la direction de balayage m est la fraction de la largeur du faisceau w avec laquelle l’échantillon est décalé latéralement (par exemple un pas de 1/3 de la largeur du faisceau donne m = 3).

  La combinaison des trois paramètres L, S et m affecte la qualité des caractéristiques micro-usinées, en particulier la régularité des «faces» des microprismes. En particulier, si S, le nombre de prises de vue par zone dans le balayagedirection est trop grande, le lissé des faces du prisme se dégrade car l’échantillon se déplace sur une distance plus grande entre les impulsions. Ceci est illustré à la figure 3 qui montre une micrographie électronique à balayage (SEM) de microprismesusinés en polycarbonate où des "étapes" significatives peut être vu sur les faces des prismes.

  Il a été constaté que des microprismes de haute qualité étaient produits en utilisant une fluence laser de 1J / cm2 avec 80 images / zone à un taux de répétition laser de 150Hz. Les effets des gaz d’oxygène, d’azote, d’hélium et d’air ont également été comparés.décrit à la section 2.2.5.

  2.2Analyse de structures usinées au laser

  Des échantillons de polymère d’une taille d’environ 50 mm x 50 mm ont été usinés au laser avec des microprismes 10, puis analysés par microscopie optique, par microscopie électronique à balayage, par interférométrie et par diffraction. Ces échantillons ont été évalués à la foisqualitativement et quantitativement - étant donné que les produits finaux de ces structures sont des dispositifs d'affichage optique, l'aspect qualitatif de l'œil est une mesure très importante de leur qualité.

  2.2.1 Structures réfléchissantes

  La figure 4 montre une image SEM de 10°microprismes micro-usinés en polycarbonate montrant le caractère régulier et reproductible de l'usinage laser optimisé. Il convient de noter qu’un échantillon de 50 mm de large contient environ 1 000microprismes et changements dimensionnels de l'ordre de ~ 2mm sont facilement discernables par le changement de régularité qu’ils provoquent.

  Un interféromètre Zygo a également été utilisé pour mesurer le relief de la surface au centre de l'un des échantillons. Les données 3D et en coupe obtenues sont illustrées à la figure 5. On peut voir que la profondeur de l'analyse en coupe transversale de~ 8.8mm concorde précisément avec la valeur souhaitée et le caractère lisse et régulier des microprismes adjacents est également évident.

Comme le montre la figure 1, la structure prismatique réfléchissante a pour rôle principal de rediriger la lumière provenant de l'angle de réflectance spéculaire dans une direction plus pratique.° à la normalesera redirigévers la normale si 10° les structures prismatiques sont utilisées. Ceci a été vérifié en mesurant la sensibilité angulaire de la réflexion des échantillons usinés au laser en utilisant une source de lumière blanche. La figure 6 montre un tracé polaire et une coupe transversaledes intensités lumineuses mesurées en fonction de l'angle. La lumière d'entrée était incidente à un angle de 30° à la normale et deux pics de réflexion peuvent être vus. Le pic le plus large à gauche (pic "A") est compris entre le 10° microprismes rediriger la lumière vers la normale alors que le pic le plus étroit du côté droit (pic "B") est provoqué par la réflexion spéculaire de la surface avant du polycarbonate.

2.2.2 Structures réfléchissantes avec diffuseur

  Comme on peut le voir sur la figure 1, un dispositif d'affichage typique a généralement également un élément diffuseur en face de la structure prismatique et l'ajout de celui-ci a également été mesuré en utilisant la même méthode. La figure 7 montre les résultats de laréflexion de la lumière à partir d'un échantillon de diffuseur et de la combinaison d'un diffuseur et d'une structure prismatique.

  Comme on pouvait s'y attendre, l'échantillon diffuseur diffuse la lumière sur un large cône d'angles tout en maintenant son maximum autour du 30°  angle de réflexion spéculaire. L'ajout du 10°  microprismes concentrésla majeure partie de la lumière autour de la normale à l’échantillon, donnant ainsi la plage d’angles facilement visualisable pour l’affichage.

Bien que l’utilisation de structures prismatiques signifie généralement que la lumière est principalement redirigée vers un axe, les applications d’affichage discutées ici bénéficient également de la lumière disponible dans l’autre axe, de sorte que l’élargissementLa répartition de la lumière dans les deux axes n’est pas nécessairement préjudiciable. C’est aussi la raison pour laquelle une faible non-uniformité sur les faces des prismes, comme le montre la figure 4, est souhaitable.

  2.2.3 Structures transmissives

  Si les microprismes doivent être utilisés dans un mode purement transmissif, c'est-à-dire avec l'option de rétroéclairage illustrée à la figure 1, il est alors prévu que la lumière soit transmise par l'échantillon à environ 10 secondes.° à la normale avec une incidence normaleéclairage. Cela a été confirmé en mesurant l'intensité transmise en fonction de l'angle pour la lumière incidente normale et le résultat est présenté à la figure 8.

  2.2.4 Optimisation du micro-usinage

  Comme cela a déjà été mentionné, la sensibilité de l’œil aux structures non périodiques rend l’ensemble du processus d’usinage relativement intolérant aux erreurs de positionnement ou de focalisation. Si, par exemple, le faisceau se chevauchent ou se déplacent latéralement (comme indiqué danssection 2.1) est incorrecte, alors même une légère erreur de positionnement d’un ensemble de triangles va interférer avec un autre ensemble de motifs, entraînant une dégradation de la qualité des microprismes. Ceci peut être vu à la figure 9 qui montre un SEM d’unzone de chevauchement où, comme illustré à la figure 2 (d), le bord du balayage n ° 2 est super positionné sur un scan existant n ° 1.

  On peut voir que la netteté des coins des triangles est pire dans la section où les deux balayages n ° 1 et n ° 2 ont été effectués et que cet effet a pour conséquence que les bords des prismes ne sont pas aussi bons. Petites variations comme celle-cidoivent être contrôlés avec soin pour obtenir les meilleurs résultats.

 2.2.5Gaz Assist

  Quatre échantillons ont été usinés dans des conditions identiques, seul le gaz auxiliaire étant changé entre les deux. De l'air, de l'oxygène, de l'azote et de l'hélium ont été utilisés et la réponse de réflectivité angulaire de chacun des échantillons a ensuite été mesurée. A l'oeil, çaIl était clair que l'effet principal des différents gaz était la quantité de diffusion et de diffusion optique causée par l'échantillon, ce que confirmaient les données de réflectivité. La figure 10 montre les diagrammes de réflectivité polaire des meilleurset pire gaz d'assistance pour les structures prismatiques.

  L'échantillon usiné sous assistance à l'azote présente une diffraction assez distincte contrairement à l'échantillon d'assistance à l'hélium dans lequel une vaste région diffuse est observée. La principale cause de cette différence semble être le montant de dépôtsmatériau présent sur l’échantillon lors de l’ablation au laser, ce qui provoque la dispersion de la lumière selon des quantités variables. Ces essais ont clairement montré que le gaz d'assistance à l'azote était de loin le meilleur en termes de perturbation minimale des effets de lamicroprismes.

 3. DÉVELOPPEMENTS FUTURS

  L'un des avantages du micro-usinage laser est la flexibilité inhérente qu'il procure et le large éventail de possibilités qu'il offre pour la production de diverses microstructures. Dans les applications d’affichage, par exemple, unLe système de micro-usinage au laser excimer peut être utilisé de différentes manières:

  la configuration d'oxydes conducteurs transparents (par exemple, ITO) avec une électrode ou d'autres caractéristiques

  usinage de couches dans des dispositifs à LED polymères et organiques

  perçage d'interconnexions et de vias pour les systèmes multicouches

  production de microstructures telles que des microlentilles pour composants optiques

  La figure 11 montre deux exemples de microstructures optiques - des lentilles cylindriques micro-usinées et des "pyramides" à canaux optiques, qui ont tous deux été développés pour guider et contrôler la lumière pour des dispositifs d'affichage à LED et LCD. Dans les applicationsComme dans le présent document, le micro-usinage au laser offre la possibilité d’adapter la forme des microprismes, par exemple pour s’adapter à différentes géométries réfléchissantes / transmissives telles que, par exemple, des prismes avecdes facettes à angles multiples ou à variation continue peuvent être utilisées. De telles structures ne sont pas possibles avec les machines-outils mécaniques de précision.

  D'autres lasers, tels que les lasers à semi-conducteurs infrarouges, visibles ou ultraviolets, sont également de plus en plus utilisés dans la fabrication de dispositifs d'affichage, en particulier pour la modélisation à ultra-haute vitesse. Outre la polyvalence du laser directle traitement, l’autre avantage principal de l’usinage au laser est qu’il s’agit généralement d’un procédé à sec en une seule étape, c’est-à-dire que les étapes de modelage lithographique et de gravure chimique peuvent être évitées. Cela réduit non seulement les coûts associés à lastations de traitement, mais permet également de manipuler de très grandes tailles qui dépassent les capacités des systèmes d'exposition et de gravure actuels.

  De plus en plus de systèmes dotés d'unités multifonctionnelles sont en cours de conception et de développement et peuvent inclure des éléments tels que des dispositifs optiques, des systèmes micromécaniques, des circuits électriques et des interconnexions. Comme cet appareil avancéLa technologie mûrit, le micro-usinage au laser jouera un rôle essentiel dans leur fabrication, permettant la réalisation de spécifications de performances sans précédent.

  4. RÉSUMÉ

  Le micro-usinage au laser excimer a été utilisé pour produire des structures prismatiques en polymères à utiliser comme éléments optiques sélectifs dans des dispositifs d'affichage. Les conditions de traitement ont été optimisées pour produire des échantillons de grande qualité de grande qualitéqui ont été testés en utilisant des méthodes optiques. L’évaluation a confirmé que les structures micro-usinées possèdent les attributs attendus des échantillons et ont démontré leur applicabilité aux dispositifs d’affichage.