[AeroTech] 如何為雷射直寫工藝選擇最佳定位設備
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[AeroTech] 如何為雷射直寫工藝選擇最佳定位設備

 (宏惠光電為AEROTECH 正式授權代理經銷商)

文章來源:https://www.aerotech.com/how-to-select-optimal-positioning-equipment-for-laser-direct-write-processes/

 

為給定過程選擇最佳自動化設備需要徹底了解過程參數以及定位誤差對結果的影響。激光直寫應用的最新進展為根據工藝參數選擇最佳定位設備提供了一個很好的例子。一般來說,激光直寫工藝由激光源、聚焦光學器件和運動子系統組成,用於將基板定位在光束下方(圖 1)。傳統上,研究人員使用這一工藝在使用紫外激光器的熔融石英基板中寫入波導、光纖布拉格光柵、定向耦合器等 [1]。在工業上,該工藝已被用於成功製造用於光電設備中的光學對準的耦合設備和製造可穿戴增強現實鏡頭。直接波導寫入的當前應用已經證明了在用於移動電話顯示器的康寧大猩猩玻璃的下方和表面上寫入對人眼透明的波導的能力 [2]。寫在顯示器上的表面等離子傳感器有可能用於生物傳感和氣體檢測。而 Mach-Zehnder 干涉儀可用於溫度傳感 [3]。

圖 1. 在典型的激光直接寫入設置中,XY 運動通常位於基板下方。Z(焦點運動)可能位於基板下方或附著在物鏡上,具體取決於工藝要求。

為了選擇將波導刻入手機顯示屏的最佳運動子系統,必須考慮工藝參數和應用目標。首先,波導必須是低損耗的。內接波導的波長損失直接取決於直接寫入過程中吸收的能量密度 [3]。因此,相對於其他脈衝的脈衝放置必須是可控的。在固定發射頻率下,依靠平移台的速度穩定性,可以將脈衝同步到定位設備。然而,速度不穩定性會導致脈衝定位錯誤,用戶將被迫根據點火頻率對速度進行編程。與其依靠力學的速度穩定性,校准後的機械編碼器位置可用於在一維、二維或三維的所需位置觸發激光脈衝,運動系統控制具有納秒延遲。這使用戶可以輕鬆地對運動曲線進行編程,而不必擔心整個二維或三維 (3D) 輪廓中的脈衝放置不一致(圖 2)。

圖 2. 將激光發射與運動系統編碼器反饋同步可在輪廓上產生一致的間距,而不管指令速度如何。
 
圖 2a。在陽極氧化鋁板上以 200 mm/s 的速度在拐角處進行脈衝同步。

在顯示玻璃內生產許多基於波導的傳感器需要內接波導的 3D 位置盡可能接近設計位置。定向耦合器等特性由 5 到 9 微米寬的多個波導組成,對 100 nm 量級的位置偏差很敏感。因此,定位系統必須在玻璃顯示器表面的平面內具有亞微米級的可重複性。傳統的三軸飛秒激光微加工定位系統,例如圖 3 所示的小型實驗室系統,由堆疊的 XY 機械軸承平台和獨立的垂直聚焦平台組成。隨著致動器行程增加以適應手機顯示器,由於滾動軸承元件和平台製造公差導致的離軸誤差變得更加明顯,導致波導之間的定位不一致。出於這個原因,機械軸承定位器通常被空氣軸承定位器取代,空氣軸承定位器位於空氣薄膜上,形成非接觸式軸承表面,消除滾動元件軸承的負面離軸效應。此外,空氣薄膜會在軸承表面產生平均效果,減少由於表面缺陷和製造公差導致的誤差,同時在所有方向上提供顯著更高水平的可重複性性能。這導致可重複的光點放置,並最終獲得更高質量的波導設備。創建一個非接觸式軸承表面,消除滾動元件軸承的負離軸效應。此外,空氣薄膜會在軸承表面產生平均效果,減少由於表面缺陷和製造公差導致的誤差,同時在所有方向上提供顯著更高水平的可重複性性能。這導致可重複的光點放置,並最終獲得更高質量的波導設備。創建一個非接觸式軸承表面,消除滾動元件軸承的負離軸效應。此外,空氣薄膜會在軸承表面產生平均效果,減少由於表面缺陷和製造公差導致的誤差,同時在所有方向上提供顯著更高水平的可重複性性能。這導致可重複的光點放置,並最終獲得更高質量的波導設備。

圖 3. 小型 XYZ 飛秒激光微加工系統。照片由 Altechna R&D 提供。

為了在 XY 平面上實現最佳的亞微米定位,安裝在感興趣表面的平面鏡和帶有高分辨率電子倍增器的激光干涉儀(圖 5),能夠分辨低至 0.15 nm 的運動,可用於生成地圖的定位誤差。該圖可用於校準將嵌入波導傳感器的區域上的誤差,從而實現 +/- 50 nm 或更好的平面內重複性。H 型平面空氣軸承架構(圖 4、圖 5)使玻璃基板更靠近定位器的編碼器,減少了堆疊 XY 系統中典型的離軸誤差。這導致可實現的最高精度激光光斑放置。

圖 4.具有卓越幾何性能和 +/- 50 nm 長期可重複性的 PlanarHD 平面空氣軸承。
 
圖 5. 帶有集成 Z/Theta Z 平台和 2D 激光干涉儀反饋的 XY 平面空氣軸承,用於直接紫外寫入光子芯片中的波導。照片由英國南安普頓大學光電研究中心 (ORC) 的 Paul Gow 博士提供。

要將多個傳感器刻入顯示表面,必須在玻璃基板內的 3D 空間中寫入波導。在處理過程中焦點沿焦點方向的動態移動會生成所需的 3D 波導結構。在 XY 輪廓運動期間,在焦點方向上的定位必須快速且高度準確,以確保不會由於光點放置不准確而導致波導之間的無意耦合。基於彎曲的壓電納米定位器(圖 5a.)可以在距離顯示表面的 400 微米深度範圍內提供快速、準確的點定位(圖 5b.)。電容探頭反饋實現了 < 10 nm 的可重複性,允許直接在顯示器表面下方寫入波導以用於傳感應用。

圖 5a。QFocus 基於彎曲的壓電允許通過在直接寫入期間移動物鏡來快速調整焦深。
 
圖 5b。QFocus,沒有有效載荷,在 400 微米移動後不到 15 毫秒的時間內穩定在百分之一的窗口內。使用 150 g 有效載荷可以在不到 30 ms 的時間內執行相同的步驟。

成功選擇精密定位設備以使流程運行需要對流程參數及其與定位設備的關係有基本的了解。先進的製造技術,例如手機顯示屏中波導的激光直寫,依靠優化的精密定位設備來實現新的應用,並有可能提供以前無法實現的好處,例如集成到手機顯示屏中的個人生物傳感和化學檢測功能。

 

參考

[1] J. Gates、C. Sima、C. Holmes、P. Smith (2013)。平面波導的紫外直寫:基礎和應用。https://spie.org/news/5036-uv-direct-writing-of-planar-waveguides-basics-and-applications?SSO=1
[2] J. Lapointe, M. Gagné, M. Li, R.卡什亞普 (2014)。用光子學讓智能手機更智能。光學快遞 15474. 卷。22 第 13 期,DOI:10.1364/OE.22.015473
[3] J. Lapointe、F. Parent、S. Loranger、M. Gagne、R. Kashyap(2015 年)。用光子學為手機賦能。IEEE

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