作者: By: Brett Heintz, Applications Engineer, Aerotech Inc.
譯者: William Yeh, Regional Sales Manager, Aerotech Taiwan
選擇針對某制程最適化的自動控制定位系統(tǒng)時,需要對于制程參數(shù)以及定位系統(tǒng)之誤差分析有全方位了解.在近期的雷射直寫制程中,需要定位系統(tǒng)的精密度已經(jīng)提高到無法不使用制程參數(shù)來評估定位系統(tǒng)規(guī)格.大體而言,一般雷射直寫制程包含雷射源,聚焦鏡組,以及運(yùn)動系統(tǒng)以將工件定位至正確位置 (圖一).傳統(tǒng)而言,此制程通常是研究員用來在石英玻璃材料中,搭配UV雷射,直寫布拉格光柵?。╢iber Bragg grating),光波導(dǎo)(waveguides),定向耦合器(directional couplers)等等[1].在產(chǎn)業(yè)界中,這道制程已經(jīng)成功用來生產(chǎn)許多耦合組件用來進(jìn)行光電組件的光束對位,以及生產(chǎn)擴(kuò)增實境的光學(xué)鏡片等等.目前最新的雷射直寫制程已經(jīng)可以展示出,在Corning Gorilla Glass超硬玻璃上,成功直寫透明的光波導(dǎo),以應(yīng)用于手持裝置的面板[2].表面電漿子傳感器(Surface plasmon sensors)透過在顯示器上雷射直寫,可以被用于生物感測技術(shù)以及氣體偵測技術(shù),而馬赫-曾德爾干涉儀可以被用于溫度感測應(yīng)用上[3].
圖1:在一套常見的雷射直寫系統(tǒng)中,XY軸通常會設(shè)計于工件底下,Z軸(聚焦軸)依照不同制程,通常設(shè)計于工件下或者在工件以上用來移動物鏡.
若需要選擇一套最適化的運(yùn)動控制次系統(tǒng)以用來蝕刻手持裝置上顯示器的光波導(dǎo),其制程參數(shù)與目標(biāo)必須要清楚確認(rèn).第一,光波導(dǎo)必須要有最低的衰減,在蝕刻的光波導(dǎo)中,波長衰減直接與能量密度吸收有關(guān)[3].因此,雷射光斑放置距離的一致性與可程序化必須要可控制并可預(yù)測.將光斑間距與運(yùn)動系統(tǒng)做同步可以使用定位平臺具備高速度穩(wěn)定性來達(dá)到此需求,當(dāng)搭配定頻率雷射時.然而,速度不穩(wěn)定性可能會影響到光斑放置距離一致性的問題,使用者可能需要在控制時,持續(xù)更改速度條件以搭配固定輸出頻率.若使用校正后的光學(xué)尺回饋訊號,以控制雷射光斑輸出的距離,并控制一維,二維,甚至三維的觸發(fā)控制,搭配奈秒等級的延遲時間,可以有效的解決光斑放置距離不一致問題,并減少程序復(fù)雜度.用戶將可以直接以加工路徑做程序編輯,不需要擔(dān)心光斑間距改變,甚至在多維結(jié)構(gòu)均可以輕易實現(xiàn)(圖二)..
圖2.a將雷射輸出控制與運(yùn)動控制器的編碼器回饋訊號同步,不論在轉(zhuǎn)角或速度改變,均提供一致性的光斑間距
圖2.b 在200 mm/s速度下加工,進(jìn)行光斑同步轉(zhuǎn)角動作,維持光斑間距一致性
若需要生產(chǎn)許多基于光波導(dǎo)的傳感器于玻璃顯示器上,需要確保蝕刻路徑的3D空間路徑趨近于理想值.例如定向耦合器(directional couplers)其包含多組光波導(dǎo),間距僅有5 ~ 9 micron的寬度,它們對于位置誤差的敏感度達(dá)到100 nm左右的數(shù)量級,因此運(yùn)動控制與定位系統(tǒng)的重復(fù)定位精度,需要在整個玻璃顯示器尺寸上達(dá)到次微米.傳統(tǒng)的三軸飛秒雷射加工實驗室機(jī)臺,例如圖三內(nèi)顯示的小型實驗室等級機(jī)臺,使用堆棧式XY機(jī)械軸程平臺,與獨(dú)立的垂直移動聚焦軸.當(dāng)需要加工的范圍加大,由于顯示器尺寸與數(shù)量加大,因為機(jī)械軸程平臺滾動組件造成的幾何公差,以及平臺生產(chǎn)的公差等,將會造成加工光波導(dǎo)的不一致性.
因為這些原因,機(jī)械軸程平臺通常會被氣浮軸承所取代,使用空氣薄層,產(chǎn)生非接觸式的軸承,解決因為滾動組件所造成的幾何公差問題,另外,氣浮軸承因為可以平均化軸承表面的高低起伏,可以在所有方向甚至提供更高等級的重復(fù)定位精度.產(chǎn)生的結(jié)果將可以生產(chǎn)更高重復(fù)性的光斑位置,也就代表更高質(zhì)量的光波導(dǎo)相關(guān)裝置.
圖3. 小尺寸飛秒雷射微細(xì)加工系統(tǒng)Photo courtesy of Altechna R&D.
為了達(dá)到更高的大范圍,次微米定位精度,部分項目會搭配共平面鏡組,以及雷射干涉儀回饋裝置 (圖五),搭配高分辨率訊號細(xì)分器,用戶將可以達(dá)到0.15 nm等級的分辨率,并且可以用來產(chǎn)生誤差補(bǔ)償表格.此誤差補(bǔ)償表可以用來校正光波導(dǎo)傳感器放置位置物差的精度,提供高達(dá)整個面達(dá)到+/- 50 nm的重復(fù)定位精度.使用H 型設(shè)計的共平面氣浮軸承,(圖四,圖五)可以將玻璃機(jī)材與位置回饋裝置距離拉近,降低傳統(tǒng)堆棧平臺的幾何公差,可達(dá)到最高等級的雷射光斑放置精度能力.
圖4 PlanarHD共平面氣浮軸承系統(tǒng)具備絕佳幾何精度,達(dá)到 +/- 50 nm長時間重復(fù)定位精度
圖5 XY 共平面氣浮軸承系統(tǒng)搭配整合的 Z/Theta/Z 軸,以及2D雷射干涉儀回饋裝置,提供光電芯片上的光波導(dǎo)直寫制程.Photo courtesy of Paul Gow, Ph.D., of the Optoelectronics Research Centre (ORC) at the University of Southampton, England.
若需在顯示器表面上蝕刻三維傳感器,光波導(dǎo)將需要被蝕刻在玻璃機(jī)材的三度空間內(nèi),三維結(jié)構(gòu)成形會需要動態(tài)去改變聚焦位置,因此會需要定位系統(tǒng)在進(jìn)行XY位移時,焦距的改變非常高速且精準(zhǔn)的完成.以確保光波導(dǎo)不會因為光斑放置位置誤差,導(dǎo)致有偶發(fā)性的耦合,使用饒性軸承機(jī)構(gòu)搭配壓電奈米致動器的焦距控制軸 (圖六)可提供高速,精準(zhǔn)的光斑放置位置,范圍達(dá)400 micron,使用電容式位移計可達(dá)到< 10 nm等級的重復(fù)定位精度,提供光波導(dǎo)的直寫可以直接在顯示器下進(jìn)行傳感器直寫.
圖六.a QFocus饒性軸承壓電平臺可以提供高速,高精度的物鏡焦距調(diào)整
圖六 .b QFocus 空載情況下,移動400 micron位移,在 15 ms 時間內(nèi)位移整定完成,放置150 物鏡,則可在30 ms移動整定完成
成功選擇精密運(yùn)動控制與定位系統(tǒng),用以將一道高精度的制程自動化,需要對于制程參數(shù)以及與運(yùn)度機(jī)構(gòu)的關(guān)系具備全方位了解.先進(jìn)制造技術(shù),例如雷射直寫顯示器內(nèi)的光波導(dǎo)線路,需要優(yōu)化的運(yùn)動控制與定位平臺與控制技術(shù),以達(dá)到新制程開發(fā)的需求,在未來可解決過去無法解決的制程問題,甚至開發(fā)新應(yīng)用如個人化的生物感測技術(shù),化學(xué)物質(zhì)的偵測技術(shù),全部整合至手機(jī)的顯示器內(nèi).
References
[1] J. Gates, C. Sima, C. Holmes, P. Smith (2013). UV direct writing of planar waveguides: basics and applications. https://spie.org/news/5036-uv-direct-writing-of-planar-waveguides-basics-and-applications?SSO=1
[2] J. Lapointe, M. Gagné, M. Li, R. Kashyap (2014). Making smart phones Smarter with photonics. OPTICS EXPRESS 15474. Vol. 22 No. 13, DOI:10.1364/OE.22.015473
[3] J. Lapointe, F. Parent, S. Loranger, M. Gagne, R. Kashyap (2015). Empowering Cell Phones with Photonics. IEEE
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