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)于人類視覺系統(tǒng)的近眼顯示屏，而無需透過顯示屏看到東西。通過增強(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（見圖 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題，這些問題通常與產(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)過大規(guī)模生產(chǎn)驗(yàn)證的切割工藝開始。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，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。通過該模型，可以采用最佳激光源和激光參數(shù)，開發(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，可以通過添加更多的工藝模塊來提高產(chǎn)量，從而避免購(gòu)買完整的量產(chǎn)設(shè)備系統(tǒng)所帶來的高昂成本。

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).