文/René Liebers，Mandy Gebhardt，F(xiàn)abian Wagner

虛擬現(xiàn)實（VR）指的是創(chuàng)建一個獨立的世界，讓用戶沉浸在VR中的設備，需要一個適應于人類視覺系統(tǒng)的近眼顯示屏，而無需透過顯示屏看到東西。通過增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR），虛擬圖像與現(xiàn)實世界交互。AR/MR都需要顯示技術，使用戶能夠同時看到現(xiàn)實世界和虛擬圖像。

設備的光學設計是與AR相關的最重要的技術挑戰(zhàn)之一。AR設備的核心是光學組合器，它將現(xiàn)實世界的圖像與顯示器或投影儀生成的虛擬圖像結合在一起。而通常情況下，這些組合器的外形尺寸并不適合消費者日常使用。

波導技術可以為上述問題提供有潛力的解決方案，由光學級玻璃制成的平面基板可使虛擬圖像平行于波導表面顯示，同時允許現(xiàn)實世界的光線垂直于波導表面通過（見圖 1）。AR設備的大部分性能定義參數(shù)取決于波導材料及其規(guī)格，如折射率、比密度、透射率、均勻性、平坦度、翹曲度等。

圖1：波導組合結構（光導技術）的功能原理示意圖。

日益成熟的AR市場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。玻璃的耐用性取決于其加工方式。通常，人們最關心的是終端消費者的眼睛安全。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)生較高且可預測的斷裂強度，并能在較長的生產(chǎn)過程中保持其他相關元件的特性不變。只有這樣，生產(chǎn)出的產(chǎn)品才能在終端市場上實現(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度。最終目標是為AR設備制造商提供一種互補的材料和設備解決方案，為具有成本效益的波導制造（從實驗室規(guī)模到批量生產(chǎn)）提供可靠且可擴展的解決方案。

方法和實驗 

激光工藝和設置。研發(fā)工作從決定采用經(jīng)過大規(guī)模生產(chǎn)驗證的切割工藝開始。激光改性切割是一種標準的、公認的生產(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定曲線（預定斷裂線）對玻璃進行改性（絲狀化），并貫穿整個材料厚度（見圖 2）。每個改性點都是由單個激光脈沖或脈沖串的局部沖擊產(chǎn)生的。脈沖串通常由短時間范圍內(nèi)的許多獨立脈沖組成，并在單個改性點上有效地相互作用。

針對所選玻璃，我們研究了多種超短脈沖激光（脈沖持續(xù)時間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)從單脈沖到每個脈沖串8個脈沖變化，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。

第二步是沿斷裂線分離玻璃。對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)生應力使玻璃斷裂。

本實驗的所有結果都是在折射率為1.8（RealView1.8）、厚度為700µm的SCHOTT RealView玻璃晶圓上實現(xiàn)的。

強度測量。玻璃的強度是用標準四點彎曲測試裝置測量的，樣品尺寸為45mm×44mm。彎曲測試沿著試樣45mm的一側進行。然而，標準的四點測試方法有其局限性，一旦中心點的位移等于或超過試件的厚度，應用的簡化板理論就會產(chǎn)生誤差。此外，根據(jù)有限元分析結果調(diào)整了測得的力與應力的換算。對所有試樣的斷裂類型進行了檢查，斷口在平面上的樣品被忽略。[1,2]

統(tǒng)計和實驗設計。3D-Micromac公司設計了一組隨激光參數(shù)變化的統(tǒng)計實驗。選取的四個響應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)象學的角度來看，預計玻璃的激光入口和出口兩側的性能會有所不同。如上所述，了解和控制這些差異對于建立穩(wěn)定可靠的工藝至關重要。實驗設計反映了這一點，將試樣的兩側分開并分別進行測試。首先進行了粗略的參數(shù)篩選，隨后進行了改進和驗證。

實驗結果

第一次篩選設計（篩選運行1）的參數(shù)范圍很大，目的是找到一個模型，用所選參數(shù)預測響應變量。經(jīng)過幾組實驗后，適用于激光入口和出口側的合理模型（r2=0.97）基本確定。

在確定了最有利的工藝窗口后，工程師們進行了一次粒度更大的實驗（篩選運行 2），以找到最佳強度值。盡管模型預測激光入口側和出口側的特征值存在顯著差異，但研究結果表明模型擬合度良好。因此，通過工藝優(yōu)化，可以使入口側和出口側表現(xiàn)出相同的高強度值。

驗證結果揭示了多個細節(jié)。首先，與之前的結果（紅線/綠線）相比，使用新的激光改性工藝（藍線）后，玻璃的抗彎強度（見圖3）增強了30%以上。

圖3：切割工藝優(yōu)化前后玻璃（SCHOTT RealView 1.8）的彎曲強度。

其次，以上結果表明，所設計的激光工藝模型可以預測，并通過配置適當?shù)募す鈪��?shù)，也可以達到預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度，可以看出，入口和出口出的強度值明顯趨于一致。

第三，研究結果表明已經(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。該工藝模型驗證結果一致且可重復，因此可以對產(chǎn)量和穩(wěn)定性等變量進行推斷和預測。

在驗證了新激光切割工藝具有高度可重復性后，下一步就是將該工藝應用到適合大規(guī)模生產(chǎn)的設備中。設備的一個最重要的功能是確保集成到工藝流程中的其他組件（如材料進給和夾持工具等）不會對工藝參數(shù)產(chǎn)生負面影響。

持續(xù)的測試表明，工藝模型中的設置對用于AR目鏡的其他類型的玻璃也同樣適用。同時，該工藝模型也非常有效地優(yōu)化了激光切割工藝。

將工藝集成到可擴展的大規(guī)模生產(chǎn)平臺中

模塊化設備。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，因此團隊決定設計一種可升級的模塊化激光系統(tǒng)（microPOLAR）。該系統(tǒng)的基礎是經(jīng)過工業(yè)驗證的成熟系統(tǒng)，可集成不同的工藝、夾持和質(zhì)量檢測模塊，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，還可以采用多個模塊并行加工，提高生產(chǎn)效率。

圖4：從晶圓開始進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)界的驗證。該系統(tǒng)的設計和工作流程是與SCHOTT公司共同開發(fā)并獲得批準。由于系統(tǒng)是完全可升級和可降級的，客戶可以在現(xiàn)場改造全自動處理單元或額外的工作站。晶圓裝載過程由符合SEMI標準的設備前端模塊完成。

在設計輸出模塊時，特別注意保持目鏡的斷裂強度，因為即使是目鏡邊緣輕微的損壞，也會對設備的產(chǎn)量和使用壽命產(chǎn)生負面影響。

配置和成本概覽。圖5為系統(tǒng)配置概覽。選項1是用于工藝開發(fā)和產(chǎn)品測試階段的研發(fā)解決方案。選項2、3和4基于上述多載體平臺，可根據(jù)客戶需求進行升級和降級。由于生產(chǎn)的產(chǎn)品（目鏡）是安裝在AR設備中售賣，因此生產(chǎn)成本至關重要。一臺配備齊全的激光設備，在生產(chǎn)線上有四個工藝模塊，生產(chǎn)一個目鏡的時間約為5s以內(nèi)。因此，每年最多可生產(chǎn)約500萬個目鏡。

圖5：microPOLAR系統(tǒng)選項概覽。包括預計的單片目鏡生產(chǎn)時間（按照一片6英寸晶片上生產(chǎn)4個目鏡計算）。

產(chǎn)量和利潤直接影響擁有成本。為機器配備全套設備可將每個目鏡的生產(chǎn)成本降低至少80%（見圖6）。

圖6：產(chǎn)量和利潤直接影響擁有成本。為機器配備全套設備可將每個目鏡的生產(chǎn)成本降低至少80%。

結論

SCHOTT AG公司和 3D-Micromac公司將各自在材料科學和設備制造方面的專業(yè)技術相結合，極大地推動了AR目鏡所用的高折射率玻璃切割工藝的發(fā)展，提高了切割強度和效率。工藝模型可預測切割試樣每一側的強度特征值。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具有更高且相同的強度。此外，該模型還可根據(jù)具體的強度要求實現(xiàn)定制化工藝。

此外，本文還提出了一種可擴展的設備模塊，可支持實驗室研究及大規(guī)模量產(chǎn)。設備的模塊化確保了穩(wěn)定、可投入量產(chǎn)的工藝，其已在實驗室規(guī)模的設備中完全實現(xiàn)。另外，可以通過添加更多的工藝模塊來提高產(chǎn)量，從而避免購買完整的量產(chǎn)設備系統(tǒng)所帶來的高昂成本。

參考文獻：

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).