雷射於觸控面板蝕刻技術之應用

雷射於觸控面板圖案蝕刻製程技術之應用

李炫璋工業技術研究院南分院雷射應用科技中心雷射系統應用部

前言

觸控面板在產業運用已有多年歷史，但一直不受市場所重視，雖然各種形式的觸控技術皆有其特點，但均未見到特別突出的應用實例，直到iPhone的問市才讓市場再度興起對觸控面板的熱潮，特別是投射式電容、多點觸控技術，而Windows 7新觸控的應用更讓此觸控面板應用熱潮從手機開始延伸到PC產業。而觸控面板中Touch Sensor為其主要的觸控感測元件，因此本文主要討論雷射在觸控面板圖案蝕刻製程技術的相關應用[1]。

觸控面板技術

觸控面板相關技術大致可分為：電阻式Resistance (數位式、類比式(4線、5線、8線、…))、電容式Capacitive (表面電容、投射電容)、表面聲波式SAW、紅外線式IR、電磁式Electromagnetic、光學式Optical等。另外全平面形式與各式In-Cell等技術亦在發展當中。

而目前一般的觸控面板製作流程，如圖1所示。其中由於光阻塗佈與顯影屬於濕式製程，所需的工法較複雜，圖形(Patterning)變更不僅耗時，而且也相對的困難，製作過程中也有化學廢液處理的環保問題，因此逐漸被雷射乾式製程所取代。所以雷射乾式製程特別適合使用在少量多樣的圖案成形製作。

部分可由雷射蝕刻取代

Source：拓墣產業研究所，2008/07[2]

圖1 觸控面板製作流程

觸控面板蝕刻技術

觸控面板上的透明導電膜主要是銦錫氧化物（ITO）透明導電薄膜用來傳導訊號，不過，由於導電薄膜濺鍍基本上是整面的，無法針對所要的圖形進行濺鍍，因此，若要在已濺鍍完的基板上形成圖形，需將ITO薄膜進行蝕刻。目前蝕刻的方式有兩種，分別為濕式蝕刻與乾式蝕刻，如圖2所示。濕式蝕刻為黃光微影蝕刻製程，相對於乾式蝕刻而言比較複雜，而且也須經過清洗的動作；且濕式蝕刻的圖形是經由光罩形成，若圖形需要改變則需配合光罩的修改。而乾式蝕刻，只需透過電腦規劃出所需要圖形，再配合雷射掃描系統，即可蝕刻出所要的圖形。

圖2 濕式蝕刻與乾式蝕刻示意圖

由表1可知乾式與濕式的蝕刻技術比較可以看出，雷射有濕式蝕刻無法即時更換圖形的優點，且相對於製作流程也少了好幾道流程。且部份材料(如：電子紙)無法或不易進行濕式蝕刻只能選擇其他方式進行，而雷射蝕刻則為很好的選項之ㄧ。

	雷射蝕刻	濕式蝕刻
In-Line 製程整合性	佳	佳
設備成本	中	高
廢水處理	無	需
優點	Ø 可隨時更換所要的蝕刻圖形，適合多樣化的圖形加工。 Ø 不需任何製程搭配即可完成ITO蝕刻。	Ø 可整片基板進行蝕刻處理。
缺點	Ø 屬於點的加工，無法整面同時進行，但可透多Beam的方式進行改善。	Ø 更換圖形需更換光罩進行，較沒有彈性。 Ø 需進行多次的製程較複雜。 Ø 需有化學藥劑有潛在環保問題

表1 蝕刻技術比較表

觸控面板進行貼合之前須將各層的ITO導電層利用雷射進行蝕刻，Pattern所要的電極圖形，如圖3所示，經由雷射的加工，將基板上的ITO去除。而蝕刻的圖形依功能性分為幾種，一種為電阻式(Isolation)，如圖4所示，另一種為電容式的蝕刻(Patterning)，如圖5所示，為典型的電容式蝕刻圖案。電容式在防污、防刮的特性比電阻式好，且透光性佳，不過，蝕刻的圖形較為複雜，而電阻式的圖形較簡單。

圖3 雷射蝕刻示意圖

圖4 電阻式蝕刻圖案(Isolation)

圖5 電容式蝕刻圖案(Pattern)

雷射蝕刻設備架構

目前雷射蝕刻設備架構主要有幾個方式：一種是透過振鏡進行雷射加工，另一種為直寫式的方式完成。不過，由於透過振鏡進行雷射加工，會因為振鏡馬達的X、Y軸組裝不精準或是使用f-θ聚焦鏡等元件，而造成加工圖形畸變的現象產生，如下圖6與圖7所示。因此，需透過校正的方式，對畸變的圖形進行補償的動作，以降低圖案形變的程度。

圖6 蝕刻圖案畸變示意圖

透過振鏡的方式處理加工，雖然可以快速的加工複雜的圖形，但由於掃描的範圍較小，對於較大的直線圖形，就需要利用雷射搭配XY 平台來完成。不過，因平台馬達的運動控制有加減速的現象，在進行雷射加工時，線段的頭尾部分，會因為加減速現象，在線段的端點累積過多的能量，使得線段的端點有加工不均勻的問題，如圖7所示。針對此一問題，有必要發展一雙軸的平台位置同步技術，透過偵測平台位置的方法，去即時調變雷射功率，以消除線段端點加工不均勻的現象。

圖7 線段開頭/結尾能量過大

另一方面，透過XY平台來進行直線畫切，對於複雜的圖形會有耗時的問題產生。因此，發展出複合式的雷射加工系統，將振鏡掃描系統結合雷射直寫系統搭配同步觸發模組，透過掃描與直寫式加工的結合，可以針對複雜圖形與大面積的線段進行加工。各式的加工系統架構優缺點的比較，如表2所示。

項目

複合式雷射蝕刻系統

(振鏡掃描+雷射直寫)

振鏡掃描式

雷射蝕刻系統

平台直寫式

雷射蝕刻系統

優點

Ø 可同時針對複雜圖形與長行程的線段進行加工(搭配XY 平台)

Ø 具備雷射同步觸發功能，雷射加工線段頭尾不會有過切的問題

Ø 可針對複雜圖形進行雷射蝕刻

Ø 搭配XY 平台行程，可進行較長行程線段加工

缺點

Ø 系統架構較複雜

Ø 畸變問題可經由本計劃的校正技術進行補正

Ø 會有圖形的畸變問題

Ø 加工面積較小，受限於掃描範圍

Ø 針對複雜圖形的加工，效率較差

Ø 線段的頭尾會有加工能量過大的問題

表2 各種雷射蝕刻技術比較

複合式雷射蝕刻系統

針對複合式雷射蝕刻系統，所需之關鍵模組主要可分成三大部分：

1. 雷射聚焦光路與光斑調變模組

2. 雷射同步觸發模組

3. 振鏡掃描控制模組。

完整的雷射蝕刻系統示意圖，如圖8所示。

圖8 雷射蝕刻系統示意圖

(1) 雷射聚焦光路與光斑調變模組

依據繞射極限所推得的雷射聚焦直徑公式，可以針對加工需求進行雷射源及光學組件的設計。

圖9 雷射光束聚焦示意圖

其中

2W₀：雷射聚焦後的光斑直徑

λ：雷射波長

f：透鏡焦距

D：入射光束直徑(raw beam diameter)

M²：雷射品質係數

過程中藉由控制入射光束直徑D的大小，即可以動態改變聚焦光斑尺寸，達到光斑控制的目的。

(2) 雷射同步觸發模組

現行的雷射系統，雷射觸發控制主要採用CW(頻率調變)或是Pulse(脈衝控制)的方法，因此若需要利用平台進行長行程的加工時，因為Stage運動控制有加減速的現象，導致刻痕線段的兩端端點會有雷射刻痕不均或是過深的問題，如圖10所示，可看出熱影響區(HAZ)及噴濺物的現象

圖10 雷射加工端點焦黑

而此現象發生的原因乃因雷射控制器Trigger雷射為定頻率的方式如圖11所示，它與Stage之間並無迴授機制，因此，雷射制控器並不知道平台目前的位置與速度，只能持續輸出固定頻率，因此會有加工不均的現象。為解決此部份的問題，雷射控制器本身要對馬達加減速的曲線，產生不同的Trigger頻率，如圖12所示。

圖11 定頻率Trigger示意圖

圖12 可變Trigger頻率示意圖

雷射同步觸發模組其作動方式，主要是透過Encoder介面作為迴授源，模組擷取平台位置，配合設定的加工位置距離，即時進行距離比對並且輸出雷射觸發脈衝(Trigger)，因此在雷射加工的全路徑，其加工能量及Overlap是均勻的，此一雷射擊發機制可有效的排除線段端點加工不均勻的困擾，有效的提升製程的穩定性，及提高產品加工品質。

(3) 振鏡掃描控制模組

振鏡掃描的控制，主要包含了幾個部份，分別為雷射重疊率控制、雷射能量密度、蝕刻圖案的畸變問題。

利用振鏡進行圖形的蝕刻加工時，因X、Y軸組裝不精確與使用f-θ聚焦鏡進行加工時，會有畸變的問題產生，如圖6所示：桶形或是枕形畸變，此失真的問題將會影響到雷射的雕刻的成像品質及定位精度。為解決此問題，需透過校正表補償的方式，來解決畸變的問題。而校正表的量測，目前多以人工量測的方式進行，將畸變圖形進行量測後，再進行補償值輸入、建立補償表，以得到好的量測結果。以人工的方式進行畸變量測，其缺點為耗時、速度慢且精度較差。因此，可透過視覺取像技術，達到畸變快速校正的功能，如圖13、圖14所示。

圖14 畸變校正前後比較示意圖

結論

依目前技術而言，ITO on PET與ITO on Glass均可得到良好的蝕刻效果。電阻式雷射劃線蝕刻機已可取代濕式製程。而雷射蝕刻機可作為電容式觸控面板打樣設備，如此可節省打樣時間與打樣成本(無需基本Tooling費用)。若電容式觸控面板Touch Sensor設計可在單面完成且只需Isolation，即設計電極時將蝕刻面積縮到最小，則雷射蝕刻亦有機會取代濕式製程。

目前工研院南分院雷射應用中心，已完成複合式透明導電層雷射蝕刻技術的開發，完成雷射光路與光斑調變技術、雷射同步觸發技術、振鏡掃描控制技術的建立。針對在光電產業或半導體業中有關的雷射技術，均可得到合適的支援。本技術亦可透過光路調整、雷射能量控制、製程參數控制等方法進行現在所熱門的產業：面板短路環切割、Marking、Drilling、Scribing(LED、Glass)、Patterning、Etching、Repair、…等雷射相關技術運用。

參考資料

[1] 李炫璋、呂紹銓，複合式透明導電層雷射蝕刻系統開發計畫書，工研院南分院雷射應用科技中心雷射系統應用部，2009.05

[2] 柏德葳、李永健，觸動人心好商機-觸控面板人性化介面新趨勢，拓墣產業研究所，TRI產業專題報告121，2008.08