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文/René Liebers,Mandy Gebhardt,F(xiàn)abian Wagner 虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)指的是創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的世界,讓用戶沉浸在VR中的設(shè)備,需要一個(gè)適應(yīng)于人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)的近眼顯示屏,而無(wú)需透過(guò)顯示屏看到東西。通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和混合現(xiàn)實(shí)(MR),虛擬圖像與現(xiàn)實(shí)世界交互。AR/MR都需要顯示技術(shù),使用戶能夠同時(shí)看到現(xiàn)實(shí)世界和虛擬圖像。 設(shè)備的光學(xué)設(shè)計(jì)是與AR相關(guān)的最重要的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。AR設(shè)備的核心是光學(xué)組合器,它將現(xiàn)實(shí)世界的圖像與顯示器或投影儀生成的虛擬圖像結(jié)合在一起。而通常情況下,這些組合器的外形尺寸并不適合消費(fèi)者日常使用。 波導(dǎo)技術(shù)可以為上述問(wèn)題提供有潛力的解決方案,由光學(xué)級(jí)玻璃制成的平面基板可使虛擬圖像平行于波導(dǎo)表面顯示,同時(shí)允許現(xiàn)實(shí)世界的光線垂直于波導(dǎo)表面通過(guò)(見(jiàn)圖 1)。AR設(shè)備的大部分性能定義參數(shù)取決于波導(dǎo)材料及其規(guī)格,如折射率、比密度、透射率、均勻性、平坦度、翹曲度等。
圖1:波導(dǎo)組合結(jié)構(gòu)(光導(dǎo)技術(shù))的功能原理示意圖。 日益成熟的AR市場(chǎng)需要考慮使用壽命和可靠性問(wèn)題,這些問(wèn)題通常與產(chǎn)品的耐用性和加工成品率有關(guān)。玻璃的耐用性取決于其加工方式。通常,人們最關(guān)心的是終端消費(fèi)者的眼睛安全。然而,玻璃在加工過(guò)程中發(fā)生斷裂也有可能影響生產(chǎn)線上的其他元件。因此,必須采用一種特殊的玻璃分離工藝,這種工藝能產(chǎn)生較高且可預(yù)測(cè)的斷裂強(qiáng)度,并能在較長(zhǎng)的生產(chǎn)過(guò)程中保持其他相關(guān)元件的特性不變。只有這樣,生產(chǎn)出的產(chǎn)品才能在終端市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。 SCHOTT公司和3D-Micromac兩家公司聯(lián)手合作,以更好地提高AR目鏡玻璃切割工藝的斷裂強(qiáng)度。最終目標(biāo)是為AR設(shè)備制造商提供一種互補(bǔ)的材料和設(shè)備解決方案,為具有成本效益的波導(dǎo)制造(從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到批量生產(chǎn))提供可靠且可擴(kuò)展的解決方案。 方法和實(shí)驗(yàn) 激光工藝和設(shè)置。研發(fā)工作從決定采用經(jīng)過(guò)大規(guī)模生產(chǎn)驗(yàn)證的切割工藝開(kāi)始。激光改性切割是一種標(biāo)準(zhǔn)的、公認(rèn)的生產(chǎn)工藝,多年來(lái)一直在顯示行業(yè)使用,因此這里選用激光改性切割工藝。 第一步是使用皮秒或飛秒激光脈沖沿預(yù)定曲線(預(yù)定斷裂線)對(duì)玻璃進(jìn)行改性(絲狀化),并貫穿整個(gè)材料厚度(見(jiàn)圖 2)。每個(gè)改性點(diǎn)都是由單個(gè)激光脈沖或脈沖串的局部沖擊產(chǎn)生的。脈沖串通常由短時(shí)間范圍內(nèi)的許多獨(dú)立脈沖組成,并在單個(gè)改性點(diǎn)上有效地相互作用。 針對(duì)所選玻璃,我們研究了多種超短脈沖激光(脈沖持續(xù)時(shí)間350fs~20ps)和脈沖參數(shù),以找到能夠可靠可控的改性工藝。脈沖數(shù)從單脈沖到每個(gè)脈沖串8個(gè)脈沖變化,累積的脈沖能量從80mJ到270mJ不等。此外,沿切割路徑每次改性掃描間距在1~10µm之間變化。
圖2:激光切割玻璃基板的工藝流程。 第二步是沿?cái)嗔丫分離玻璃。對(duì)于自由形狀的幾何體,通常采用CO2 激光作用于改性區(qū)域,產(chǎn)生應(yīng)力使玻璃斷裂。 本實(shí)驗(yàn)的所有結(jié)果都是在折射率為1.8(RealView1.8)、厚度為700µm的SCHOTT RealView玻璃晶圓上實(shí)現(xiàn)的。 強(qiáng)度測(cè)量。玻璃的強(qiáng)度是用標(biāo)準(zhǔn)四點(diǎn)彎曲測(cè)試裝置測(cè)量的,樣品尺寸為45mm×44mm。彎曲測(cè)試沿著試樣45mm的一側(cè)進(jìn)行。然而,標(biāo)準(zhǔn)的四點(diǎn)測(cè)試方法有其局限性,一旦中心點(diǎn)的位移等于或超過(guò)試件的厚度,應(yīng)用的簡(jiǎn)化板理論就會(huì)產(chǎn)生誤差。此外,根據(jù)有限元分析結(jié)果調(diào)整了測(cè)得的力與應(yīng)力的換算。對(duì)所有試樣的斷裂類(lèi)型進(jìn)行了檢查,斷口在平面上的樣品被忽略。[1,2] 統(tǒng)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。3D-Micromac公司設(shè)計(jì)了一組隨激光參數(shù)變化的統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)。選取的四個(gè)響應(yīng)變量分別是玻璃的激光入口和出口處的特征值和Weibull模量。從現(xiàn)象學(xué)的角度來(lái)看,預(yù)計(jì)玻璃的激光入口和出口兩側(cè)的性能會(huì)有所不同。如上所述,了解和控制這些差異對(duì)于建立穩(wěn)定可靠的工藝至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)反映了這一點(diǎn),將試樣的兩側(cè)分開(kāi)并分別進(jìn)行測(cè)試。首先進(jìn)行了粗略的參數(shù)篩選,隨后進(jìn)行了改進(jìn)和驗(yàn)證。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 第一次篩選設(shè)計(jì)(篩選運(yùn)行1)的參數(shù)范圍很大,目的是找到一個(gè)模型,用所選參數(shù)預(yù)測(cè)響應(yīng)變量。經(jīng)過(guò)幾組實(shí)驗(yàn)后,適用于激光入口和出口側(cè)的合理模型(r2=0.97)基本確定。 在確定了最有利的工藝窗口后,工程師們進(jìn)行了一次粒度更大的實(shí)驗(yàn)(篩選運(yùn)行 2),以找到最佳強(qiáng)度值。盡管模型預(yù)測(cè)激光入口側(cè)和出口側(cè)的特征值存在顯著差異,但研究結(jié)果表明模型擬合度良好。因此,通過(guò)工藝優(yōu)化,可以使入口側(cè)和出口側(cè)表現(xiàn)出相同的高強(qiáng)度值。 驗(yàn)證結(jié)果揭示了多個(gè)細(xì)節(jié)。首先,與之前的結(jié)果(紅線/綠線)相比,使用新的激光改性工藝(藍(lán)線)后,玻璃的抗彎強(qiáng)度(見(jiàn)圖3)增強(qiáng)了30%以上。
圖3:切割工藝優(yōu)化前后玻璃(SCHOTT RealView 1.8)的彎曲強(qiáng)度。 其次,以上結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的激光工藝模型可以預(yù)測(cè),并通過(guò)配置適當(dāng)?shù)募す鈪?shù),也可以達(dá)到預(yù)期的特征值和模量值。圖3中紅色和綠色分布分別代表玻璃在激光入口和出口處的斷裂強(qiáng)度,可以看出,入口和出口出的強(qiáng)度值明顯趨于一致。 第三,研究結(jié)果表明已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種穩(wěn)定的、可用于大規(guī)模生產(chǎn)的玻璃激光切割工藝。該工藝模型驗(yàn)證結(jié)果一致且可重復(fù),因此可以對(duì)產(chǎn)量和穩(wěn)定性等變量進(jìn)行推斷和預(yù)測(cè)。 在驗(yàn)證了新激光切割工藝具有高度可重復(fù)性后,下一步就是將該工藝應(yīng)用到適合大規(guī)模生產(chǎn)的設(shè)備中。設(shè)備的一個(gè)最重要的功能是確保集成到工藝流程中的其他組件(如材料進(jìn)給和夾持工具等)不會(huì)對(duì)工藝參數(shù)產(chǎn)生負(fù)面影響。 持續(xù)的測(cè)試表明,工藝模型中的設(shè)置對(duì)用于AR目鏡的其他類(lèi)型的玻璃也同樣適用。同時(shí),該工藝模型也非常有效地優(yōu)化了激光切割工藝。 將工藝集成到可擴(kuò)展的大規(guī)模生產(chǎn)平臺(tái)中 模塊化設(shè)備。盡管許多AR客戶仍處于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期階段,但由于AR的量產(chǎn)之路十分清晰,因此團(tuán)隊(duì)決定設(shè)計(jì)一種可升級(jí)的模塊化激光系統(tǒng)(microPOLAR)。該系統(tǒng)的基礎(chǔ)是經(jīng)過(guò)工業(yè)驗(yàn)證的成熟系統(tǒng),可集成不同的工藝、夾持和質(zhì)量檢測(cè)模塊,為用戶提供高度的靈活性。 激光系統(tǒng)既可以加工裸晶圓,也可以加工粘在膠帶上的晶圓(見(jiàn)圖 4)。用于分離的工藝模塊可以輔以輸入和輸出處理。此外,在最慢的加工步驟中,還可以采用多個(gè)模塊并行加工,提高生產(chǎn)效率。
圖4:從晶圓開(kāi)始進(jìn)行目鏡制備的工作流程示意圖。 定制的多載體系統(tǒng)以及集成的激光源,已經(jīng)得到了業(yè)界的驗(yàn)證。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工作流程是與SCHOTT公司共同開(kāi)發(fā)并獲得批準(zhǔn)。由于系統(tǒng)是完全可升級(jí)和可降級(jí)的,客戶可以在現(xiàn)場(chǎng)改造全自動(dòng)處理單元或額外的工作站。晶圓裝載過(guò)程由符合SEMI標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備前端模塊完成。 在設(shè)計(jì)輸出模塊時(shí),特別注意保持目鏡的斷裂強(qiáng)度,因?yàn)榧词故悄跨R邊緣輕微的損壞,也會(huì)對(duì)設(shè)備的產(chǎn)量和使用壽命產(chǎn)生負(fù)面影響。 配置和成本概覽。圖5為系統(tǒng)配置概覽。選項(xiàng)1是用于工藝開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品測(cè)試階段的研發(fā)解決方案。選項(xiàng)2、3和4基于上述多載體平臺(tái),可根據(jù)客戶需求進(jìn)行升級(jí)和降級(jí)。由于生產(chǎn)的產(chǎn)品(目鏡)是安裝在AR設(shè)備中售賣(mài),因此生產(chǎn)成本至關(guān)重要。一臺(tái)配備齊全的激光設(shè)備,在生產(chǎn)線上有四個(gè)工藝模塊,生產(chǎn)一個(gè)目鏡的時(shí)間約為5s以內(nèi)。因此,每年最多可生產(chǎn)約500萬(wàn)個(gè)目鏡。
圖5:microPOLAR系統(tǒng)選項(xiàng)概覽。包括預(yù)計(jì)的單片目鏡生產(chǎn)時(shí)間(按照一片6英寸晶片上生產(chǎn)4個(gè)目鏡計(jì)算)。 產(chǎn)量和利潤(rùn)直接影響擁有成本。為機(jī)器配備全套設(shè)備可將每個(gè)目鏡的生產(chǎn)成本降低至少80%(見(jiàn)圖6)。
圖6:產(chǎn)量和利潤(rùn)直接影響擁有成本。為機(jī)器配備全套設(shè)備可將每個(gè)目鏡的生產(chǎn)成本降低至少80%。 結(jié)論 SCHOTT AG公司和 3D-Micromac公司將各自在材料科學(xué)和設(shè)備制造方面的專(zhuān)業(yè)技術(shù)相結(jié)合,極大地推動(dòng)了AR目鏡所用的高折射率玻璃切割工藝的發(fā)展,提高了切割強(qiáng)度和效率。工藝模型可預(yù)測(cè)切割試樣每一側(cè)的強(qiáng)度特征值。通過(guò)該模型,可以采用最佳激光源和激光參數(shù),開(kāi)發(fā)出穩(wěn)定、可量產(chǎn)的工藝,從而使被分割的玻璃兩側(cè)具有更高且相同的強(qiáng)度。此外,該模型還可根據(jù)具體的強(qiáng)度要求實(shí)現(xiàn)定制化工藝。 此外,本文還提出了一種可擴(kuò)展的設(shè)備模塊,可支持實(shí)驗(yàn)室研究及大規(guī)模量產(chǎn)。設(shè)備的模塊化確保了穩(wěn)定、可投入量產(chǎn)的工藝,其已在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的設(shè)備中完全實(shí)現(xiàn)。另外,可以通過(guò)添加更多的工藝模塊來(lái)提高產(chǎn)量,從而避免購(gòu)買(mǎi)完整的量產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)所帶來(lái)的高昂成本。 參考文獻(xiàn): 1.J. Herrmann, Fraktographie, TSA-Z Standard operating Procedure AAW_ZL_P-002-01 (Nov. 8, 2017). 2.2. G. D. Quinn, Fractography of ceramics and Glasses, NIST Special Publication 960-16e2 (2016).
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