CN105073332B - 形成用于电容式触摸传感器的电极结构的方法 - Google Patents

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Abstract

一种使用脉冲式固体激光器通过激光直写刻划工艺在透明导电层中形成用于电容式触摸传感器的电极结构的方法，其中，透明导电层位于透明非导电层上，透明非导电层位于彩色滤光片层上，基板处的激光波长、脉冲长度和光束剖面选择如下：在257nm到266nm范围内的波长，在50fs到50ns范围内的脉冲长度，以及最大值(Emax)与最小值(Emin)之间的功率密度或者能量密度的均匀性小于10％的平顶光束剖面，其中均匀性定义为(Emax–Emin)/(Emax+Emin)。因此，可以在透明导电层中形成凹槽，以使每个凹槽的相对两侧上的透明导电层的区域电隔离，同时基本上不损害透明导电层之下的透明非导电层或者彩色滤光片层。

Description

形成用于电容式触摸传感器的电极结构的方法
技术领域
本发明涉及形成用于电容式触摸传感器的电极结构的方法，以及涉及用于实现该方法的装置。
背景技术
有将电容式触摸传感器结合到诸如智能电话、MP3播放器、PDA(掌上电脑)、平板电脑、超极本PC(个人计算机)、AIO(一体机)PC等的设备中的需求。这样的设备通常具有由玻璃或者塑料制成的前透明盖，在该前透明盖的背面上结合有透明的电容式传感器。电容式传感器通常由下述基板组成，该基板由诸如塑料或者玻璃之类的透明材料制成，诸如氧化铟锡(ITO)之类的透明导电(TC)性材料被施加在基板的相对侧上并且被图案化以形成发射电极(Tx)层和接收电极(Rx)层。可选地，可以使用由施加到基板上的一个TC层组成的单层传感器，该一个TC层被适当地图案化并且被互连以形成可单独处理的Tx和Rx结构。
将盖/触摸传感器组件附接到通常由液晶显示器(LCD)组成的显示模块。这样的布置造成了令人不快的厚且重的盖/传感器/显示模块。为了降低厚度和重量，期望直接在盖上形成电容式触摸传感器或者以某种方式将触摸传感器集成在LCD中。
集成在LCD中的双层传感器可以有两种类型：“on-cell”类型和“in-cell”类型。在“on-cell”类型中，传感器形成在LCD组件之上。在“in-cell”类型中，传感器的Tx层和Rx层位于LCD结构内部的各种位置。
在一种情况中，Tx和Rx电极形成在位于玻璃基板的相对两侧上的TC层中，该玻璃基板携载彩色滤光片(CF)组件并且形成LCD的上层基板。CF由沉积在黑矩阵(BM)结构中并且被涂覆以有机平整化(OP)层的有机RGB材料的条带制成。形成Tx电极的TC沉积在CF上的OP层之上，而形成Rx电极的TC直接沉积在玻璃基板的背侧上。
在另一情况中，Tx电极深埋在LCD中并且形成在TC层中，形成了与TFT在同一平面中的LCD的下电极。在该情况中，Rx电极形成在携载CF的基板的两侧中的一侧或另一侧上的TC层中。
对于Tx电极位于CF基板上并且形成LCD的上电极的情况，必须在LCD组装之前完成Tx图案化，而Rx电极的图案化可以发生在LCD组装之前或者之后。对于Tx电极与下LCD电极相结合并且Rx电极在CF基板的一侧或另一侧上的情况，则该Rx层可以在LCD组装之前或者之后被图案化。
因此，对于in-cell双层传感器，需要在位于玻璃基板上的RGB CF结构之上的有机物钝化(OP)层之上的TC层中形成Tx或者Rx电极图案，或者需要在下述玻璃基板上的TC层中形成Rx电极，该玻璃基板具有位于其背侧的CF结构。
在两种情况中，在TC层中形成电极结构的常见方法涉及基于抗蚀剂曝光和对TC的化学蚀刻的多步光刻处理。这样的光刻处理复杂并且会导致缺陷，尤其当在LCD组装完之后执行时。期望的是使用激光烧蚀在TC层中形成电极图案，但是如果使用标准的激光布置，会有下述重大风险：在激光烧蚀处理的过程中将会损害TC下面的各CF层、BM层或者OP层。
因此，本发明力图提供一种改进的方法，该方法使得能够使用激光烧蚀来在位于透明非导电层和彩色滤光片层之上的TC层中形成电极结构，而不会对TC之下的任何层造成重大损害。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种使用脉冲式固体激光器通过激光直写刻划工艺(a direct write laser scribing process)在透明导电层中形成用于电容式触摸传感器的电极结构的方法，其中，所述透明导电层位于透明非导电层上，所述透明非导电层位于彩色滤光片层上，基板处的激光波长、脉冲长度和光束剖面选择如下：
i)在257nm到266nm范围内的波长
ii)在50fs到50ns范围内的脉冲长度
iii)最大值(Emax)与最小值(Emin)之间的功率密度或者能量密度的均匀性小于10％的“平顶(top hat)”光束剖面(beam profile)，其中均匀性定义为(Emax–Emin)/(Emax+Emin)
使得在所述透明导电层中形成凹槽，以使每个凹槽的相对两侧上的所述透明导电层的区域电隔离，同时基本上不损害所述透明导电层之下的所述透明非导电层或者所述彩色滤光片层或者黑矩阵阵列。
根据本发明的第二方面，提供一种装置，该装置被布置成实现如上所述的方法，所述装置包括脉冲式激光源，所述脉冲式激光源被布置成使用脉冲式固体激光器在透明导电层中对用于电容式触摸传感器的电极结构进行激光直写刻划，其中，所述透明导电层位于透明非导电层上，所述透明非导电层位于彩色滤光片层上，所述激光源被布置成在基板处提供如下的波长、脉冲长度和光束剖面：
i)在257nm到266nm范围内的波长
ii)在50fs到50ns范围内的脉冲长度
iii)最大值(Emax)与最小值(Emin)之间的功率密度或者能量密度的均匀性小于10％的“平顶”能量密度光束剖面，其中均匀性定义为(Emax–Emin)/(Emax+Emin)。
使用术语“平顶”来描述下述光束剖面：在整个光束上(在指定的界限之内)具有近均匀的功率密度或者能量密度。
本发明的其它优选和可选特征将通过下面的描述和说明书的所附权利要求而变得清楚。
附图说明
现在将参照附图仅经由示例对本发明进行进一步描述，其中：
图1是已知的LCD和CF组件的截面图；
图2是已知的CF单元的截面图；
图3是已知的on-cell类型的集成的触摸面板/CF/LCD组件的截面图；
图4是已知的第一类型的in-cell集成的触摸面板/CF/LCD组件的截面图；
图5是已知的第二类型的in-cell集成的触摸面板/CF/LCD组件的截面图；
图6通过根据本发明的第一方面的方法的一个实施例示出了用于在in-cell模块(例如图4或者图5中示出的那样)的透明导电层中设置电极结构的凹槽的形成；
图7示出了在该方法中在透明导体的表面处设置的“平顶”光束剖面；
图8示出了在透明导电层的表面上形成具有这样的“平顶”光束剖面的光束的第一种方法；
图9示出了在透明导电层的表面上形成具有这样的“平顶”光束剖面的光束的第二种方法；
图10是根据本发明的第二方面的用于实现图6中示出的方法的装置的优选实施例的示意性透视图；以及
图11示出了将如图9和图10中所示出的那样成形的平顶光束引入到图11的装置中的方式。
具体实施方式
图1示出了一种已知类型的LCD/CF模块的构造。液晶材料层1的第一(下)侧被第一玻璃基板2限界，且其第二(上)侧被第二玻璃基板5限界，其中第一玻璃基板2覆盖有TFT设备3和第一TC层4，第二玻璃基板5覆盖有CF层6和第二TC层7。背光单元8发出穿过第一偏光片9并且穿过包括LCD/CF模块的所有层的非偏振光以通过第二偏光片10显现出来。存在多种其他的LCD/CF模块结构。CF层可以位于LCD层之前，例如在第一偏光片与背光之间。LCD结构还可以被倒转，TFT层在LCD的上侧而CF层位于LCD之上或者之下。
图2示出了典型的已知的CF和基板的细节。玻璃基板5具有形成在其第一侧上的RGB CF层。CF层由交替的条带11、12和13组成或者由分别对应于LCD的线或者LCD中单独像素的RGB材料的局部区域的二维阵列组成。RGB材料的条带被黑矩阵(BM)材料14的区域分隔开以提高观察对比度。通常使用多步的光刻工艺来形成这样的RGB和BM结构。
将薄的透明的不导电的有机平整化(OP)层15施加到RGB/BM层以形成光滑的上表面。通常使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者丙烯酸来形成该层。TC层7沉积在有机层15之上。
图3示出了一种已知类型的on-cell电容式触摸传感器模块的构造。玻璃或者透明的塑料基板16具有沉积在基板16的相对两侧上的TC层17和18。下TC层17被图案化以形成传感器Tx层，上TC层18被图案化以形成传感器Rx层。然后传感器组件被对齐到并且附接到在玻璃基板2与5之间组装的LCD/CF模块。
图4示出了一种已知类型的in-cell电容式触摸传感器模块的构造。第一TC层7覆盖了在玻璃基板5上的CF层6上设置的OP层15，并且在适当的图案化之后，形成传感器Tx层。第二TC层19沉积在用于承载CF层的玻璃基板5的背侧上，并且在适当的图案化之后，形成Rx层。图中省略了上面的偏光片和背光单元。
本发明涉及通过激光烧蚀对这样的设备的Tx层进行图案化。在这种特殊的in-cell传感器模块结构的情况中，这样的激光图案化发生在LCD组装之前。在Tx层图案化之后，CF基板5被对齐并且附接到下面的LCD基板2并且LCD充满液体材料1。
图5示出了另一种类型的in-cell电容式触摸传感器模块的构造。在这种情况中，位于承载TFT的玻璃基板2上的第一TC层4形成了传感器Tx层，覆盖CF层6上的OP层15的第二TC层7形成了传感器Rx层。图中再次省略了上面的偏光片和背光单元。
本发明还涉及通过激光烧蚀对这样的设备中的Rx层进行图案化。在这种特殊的in-cell传感器模块结构的情况中，这样的激光图案化发生在LCD组装之前。在Rx层图案化之后，CF基板5被对齐并且附接到下面的LCD基板2并且LCD充满液体材料1。
图6示出了根据本发明的第一方面的优选的方法，用于在CF层上的有机层15之上的TC层7中形成图案。脉冲式激光束20照射在TC层7的表面并且在表面上移动以便通过激光烧蚀来从TC层7移除材料从而在TC层7中形成凹槽21的图案。激光束20被布置成将凹槽21中的全部TC材料移除以使得没有电传导穿过凹槽21，但不会损害有机层15或者RGB材料11、12和13或者BM材料14。
使用的激光器为脉冲类型的激光器，能够发射具有小于50ns并且优选地小于50ps的持续时间的脉冲。激光器操作在深紫外(DUV)范围中。不期望在UV到IR区域(即351nm到1070nm)中操作，因为在这些波长处，TC层具有极小的吸收而部分RGB CF具有显著的吸收。
例如，使用的脉冲激光器可以从以下选择一种：
在266nm处进行操作、具有10ns的标称输出脉冲长度的激光器；
在266nm处进行操作、具有15ps的标称输出脉冲长度的激光器；
在263nm处进行操作、具有10ns的标称输出脉冲长度的激光器；
在262nm处进行操作、具有150fs的标称输出脉冲长度的激光器；
在257.5nm处进行操作、具有10ps的标称输出脉冲长度的激光器。
发现具有0.5ps到200ns范围内的脉冲长度的UV、可见光和IR激光器是不适合的，因为会发生对下面的CF材料的损害。然而，如果使用较短的波长，即266nm、263nm、262nm或者257.5nm，则可实现令人满意的结果，因为TC层中的吸收更大(因此给下面的层提供更多的保护)。
通常优选较短的脉冲长度，因为TC层和下面的有机层可能非常薄，例如100nm或更薄，因此易受热损害。脉冲长度越短，来自激光脉冲的热能能够用来扩散到相邻区域中，尤其是下面的层的时间周期就越短。
应当理解的是，选择激光波长和脉冲长度，使得激光刻划工艺在透明导电层中形成凹槽，该凹槽将每个凹槽的相对两侧上的TC层的区域电隔离，并且使得以基本上对透明非导电层或者对TC层之下的彩色滤光片层没有损害的方式来完成该需求。通过这种手段，可以在TC层中形成一系列凹槽以形成TC层中的电极结构。凹槽通常具有5到30μm范围内的宽度，尽管更宽的凹槽也是可以的。
本发明涉及通过直接的激光刻划在透明导电(TC)层中形成电极结构，其中有下述危险，对下面的非导电层和/或对下面的彩色滤光片层造成热损害。当烧蚀TC层所需的脉冲能量密度与有可能损害下面的层的脉冲能量密度之间只有很小的差别时，就会出现这样的危险。鉴于这种小的处理“窗口”，本方法包括提供具有平顶剖面的光束的步骤，正如下面进一步说明的那样。
图7A示出了高斯光束强度剖面，通常出现在当激光束聚焦时，图7B示出了根据本发明的实施例的在TC层的表面处的光束剖面。图7A绘制了当用透镜使脉冲式激光束聚焦时在焦平面处产生的功率密度分布或者能量密度分布。在这种情况下，存在所谓的高斯分布，该高斯分布在中心有峰值功率密度或者能量密度，在边缘处减少到低值。这样的高度不均匀的光束剖面是不期望的，因为两个原因：在TC材料的烧蚀阈值(Eabl)以下的能量作为热量沉积在焦点附近的区域中的热量，对TC层和下面的层造成热损害，以及光束的中心的峰值能量密度远高于烧蚀阈值，因此大量能量会穿透TC层，对下面的层造成损害。
图7B示出了根据本发明的第一实施例的在TC层的表面处的能量密度分布。在这种情况下，使用所谓的“平顶”功率密度分布或者能量密度分布，其中激光脉冲中的大部分能量包含在烧蚀阈值能量密度(Eabl)之上的区域中。理想情况下，分布是真正的平顶式，在光束的中心处没有明显的峰值，但是在实际中，这是难以实现的，因此在Emin到Emax范围上的能量密度的一些变化是可接受的。实验显示，光束的中心部分上的功率密度或者能量密度的均匀性小于10％的平顶光束剖面(其中，均匀性定义为(Emax-Emin)/(Emax+Emin))能够有效并且完全地移除TC层而基本上不会损害任何下面的层。优选地，Emax不超过1.3xEabl，其中Eabl是用于烧蚀TC层的阈值能量密度。
图8示出了在TC层的表面处在激光光斑中生成平顶式能量密度分布的一种方式。孔22放置在激光束20中，并且透镜23在涂覆有CF/BM、OP和TC层的基板25的表面上形成孔的成像24。如果孔的直径基本上小于照射孔的光束的直径，则光束的低能量密度部分将被除去并且在TC层表面上形成图7B中所示的类型的光束剖面。由于入射激光束通常是圆的，因此通常使用圆形的孔，并且因此在TC的表面上生成圆形斑。
图9示出了在TC层的表面处在激光光斑中生成平顶能量密度分布的另一种方式。位于激光束20中的衍射光学元件(DOE)26被设计成使得DOE在透镜23的位于CF基板25上的焦平面27处形成平顶能量密度分布。这样的布置与图8中示出的孔成像方法相比有很多优势：它在激光脉冲能量的利用方面更加有效，它具有更长的焦深并且可以生成非圆形(例如正方形的)斑。
图10示出了被布置成用于实现上述的激光图案化处理的装置的一种形式的示意性透视图。激光器28发射激光束20，该激光束20经由镜子29、29’被导向到二维扫描仪单元30。离开扫描仪的光束被平场聚焦透镜(f-theta透镜)31聚焦到基板25的表面上，该基板25安装在架台上使得基板可以在X方向和Y方向上移动。基板25涂覆有RGB CF层、有机层和上TC层(如上所述)。随着基板25静止，扫描仪30将光束移动到基板25的子区域32之上，在TC层中形成需要用于形成触摸传感器电极结构的隔离凹槽。在完成了每个子区域32之后，将基板25步进到新的子区域32并且重复该处理。重复这种“步进和扫描”处理直到基板25的全部子区域被图案化。子区域32可以对应于用于小设备(例如智能电话)的完整的触摸传感器或者可以只形成用于较大设备(例如平板电脑和个人计算机)的较大触摸传感器的一部分。在后者的情况中，需要将子区域“联结”在一起以形成触摸传感器的电极结构。
优选地在控制机构(例如，计算机)的控制之下操作装置，该控制机构被布置成控制激光器并且移动激光器以完成所述的扫描处理。
可以在下述基板上执行上述的电容式触摸传感器激光图案化处理，该基板每个包含一个或多个CF设备，该一个或多个CF设备随后被对齐到并且附接到LCD，或者可选地，可以在单个设备上执行激光图案化。
图11示出了可以怎样将设备(例如孔或DOE)插入到激光束路径20中以在基板处形成平顶能量分布。脉冲激光器28发射光束20，该光束20被扫描单元30沿着两个轴偏转并且被透镜31聚焦到基板25上。孔22通常以与透镜31隔开一段距离的方式放置在光束中，因为孔在基板处的成像通常在尺寸上大幅度减小，因此从透镜31到孔22的距离必须远远长于从透镜31到基板25的距离。如果使用DOE 26而不是孔来形成平顶光束剖面，那么通常将DOE26放置成靠近透镜31，在实践中意味着就在扫描单元30之前。
上文所述的处理的关键方面是：
1)在LCD RGB/BM彩色滤光片之上的透明非导电层(通常是有机层)之上的TC层中形成图案。
2)图案形成了用于双层电容式触摸传感器的Rx电极或者Tx电极。
3)通过激光直写烧蚀刻划窄凹槽将TC层图案化以形成传感器电极结构。
4)激光刻划工艺将凹槽中的TC材料完全除去，但是对下面的有机层、RGB层或者BM层不造成损害(或者造成最小损害)。
5)激光器为脉冲激光器，在DUV范围内进行操作并且发射具有小于50ns并且优选地小于50ps的持续时间的脉冲。
6)TC层的表面处的光束剖面是具有小于10％的均匀性的“平顶”能量密度光束剖面，以避免对下面层的损害，其中均匀性定义为(Emax–Emin)/(Emax+Emin)。
因此，该处理使得能够经由选择激光束通过激光刻划在单个TC层中形成图案，该激光束具有下述属性：使得能够在单个步骤中烧蚀TC层而不损害或者轻微损害下面的有机层、RGB层或者BM层。特别地，针对这些约束条件之间的窄处理窗口，使用平顶光束剖面使得激光束中的大部分能量落在该窗口内，例如如上所述的那样使得Emax不超过1.3x Eabl。
这种形成触摸传感器的电极结构的处理不同于已知的处理。尤其是，与已知的光刻方法相比，激光刻划具有显著的优势。它更加高效：它可以更快速地进行，它相比于光刻处理具有更好的收益率并且它可以更加容易地适应。因此，对于形成in-cell触摸传感器的电极结构，上述处理具有超过已知的光刻方法的更显著的优势。
在触摸传感器的其他形式中，透明导电层设置在玻璃层(或者吸收一些激光能量的其它层)上。在这样的情形中，方法可以不需要使用具有平顶剖面的激光束来避免损害下面的层，因为玻璃层给下面的层提供了一些保护。这样的方法是同时待审的专利申请GB1303074.7(公开号)的主题。

Claims (16)

1.一种使用脉冲式固体激光器通过激光直写刻划工艺在透明导电层中形成用于电容式触摸传感器的电极结构的方法，其中，所述透明导电层位于透明非导电层上，所述透明非导电层位于彩色滤光片层上，所述彩色滤光片层位于基板上，所述基板处的激光波长、脉冲长度和光束剖面选择如下：
i)在257nm到266nm范围内的波长
ii)在50fs到50ns范围内的脉冲长度
iii)所述基板处的光束剖面在整个光束上具有近均匀的功率密度或者能量密度，功率密度或者能量密度的均匀性小于10％，其中均匀性由最大值Emax和最小值Emin定义为(Emax–Emin)/(Emax+Emin)，
使得在所述透明导电层中形成凹槽，以使每个凹槽的相对两侧上的所述透明导电层的区域电隔离，同时基本上不损害所述透明导电层之下的所述透明非导电层或者所述彩色滤光片层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述脉冲长度为50ps或更小。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述激光波长为257.5nm或者266nm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，Emax不超过1.3×Eabl，其中Eabl为用于烧蚀所述透明导电层的阈值能量密度。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述电极结构包括发射电极结构和接收电极结构。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述电容式触摸传感器包括：透明基板、在所述透明基板上设置的所述彩色滤光片层、在所述彩色滤光片层之上形成透明平整化层的所述非导电层、以及在所述平整化层之上设置的所述透明导电层。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述电容式触摸传感器被用于形成组件的一部分，所述组件具有位于所述电容式触摸传感器之上的透明盖和位于所述电容式触摸传感器下面的显示模块。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述激光束被布置成在所述透明导电层的第一子区域之上进行扫描，然后步进到所述透明导电层的另一子区域并且在该区域之上进行扫描，重复这种处理直到所需的区域都被扫描完。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，待形成的所述电容式触摸传感器包括多个所述子区域。
10.一种被布置成实现根据任一前述权利要求所述的方法的装置，所述装置包括脉冲式激光源，所述脉冲式激光源被布置成在透明导电层中对用于电容式触摸传感器的电极结构进行激光直写刻划，其中，所述透明导电层位于透明非导电层上，所述透明非导电层位于彩色滤光片层上，所述彩色滤光片层位于基板上，所述脉冲式激光源被布置成在所述基板处提供如下的波长、脉冲长度和光束剖面：
i)在257nm到266nm范围内的波长
ii)在50fs到50ns范围内的脉冲长度
iii)所述基板处的光束剖面在整个光束上具有近均匀的功率密度或者能量密度，功率密度或者能量密度的均匀性小于10％，其中均匀性由最大值Emax与最小值Emin定义为(Emax–Emin)/(Emax+Emin)。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述脉冲长度为50ps或更小。
12.根据权利要求10所述的装置，其中，所述脉冲式激光源被布置成在所述透明导电层之上扫描以便在所述透明导电层中形成一系列凹槽。
13.根据权利要求10所述的装置，所述装置包括镜子和平场聚焦透镜，所述镜子被布置成实现所述扫描，所述平场聚焦透镜用于将所述激光束聚焦到所述透明导电层上。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的装置，所述装置被布置成实现步进和扫描处理以在所述透明导电层的多个子区域之上进行激光扫描。
15.根据权利要求11-13中任一项所述的装置，其中，所述激光束被布置成穿过具有小于所述激光束的直径的孔，以使所述激光束具有基本上平顶的剖面。
16.根据权利要求11-13中任一项所述的装置，其中，所述激光束穿过衍射光学元件，所述衍射光学元件被布置成使所述激光束具有基本上平顶的剖面。
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