TWI656933B - 形成用於電容觸控感測器之電極結構之方法及執行該方法之設備 - Google Patents

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Abstract

一種藉由使用脈衝固態雷射進行直接寫入雷射刻劃製程在位於透明非導電層上之透明導電層中形成用於電容觸控感測器之電極結構的方法，該透明非導電層位於濾色器層上，基板上之雷射波長、脈衝長度及光束輪廓經選擇以使波長在257nm至266nm範圍內，脈衝長度在50fs至50ns範圍內，且頂帽光束輪廓之功率或能量密度在最大值(Emax)與最小值(Emin)之間的均一性小於10%，其中均一性定義為(Emax-Emin)/(Emax+Emin)。因此可在該透明導電層中形成凹槽以電隔絕該透明導電層中在各凹槽相對側之區域而不會實質上損壞該透明導電層下之該透明非導電層或該濾色器層。

Description

形成用於電容觸控感測器之電極結構之方法及執行該方法之設備
本發明係關於一種形成用於電容觸控感測器之電極結構之方法及用於執行該方法之設備。
需要在諸如智慧型手機、MP3播放機、PDA、平板電腦、超級本PC、AIO PC等之裝置中併入電容觸控感測器。該等裝置一般具有由玻璃或塑膠製成之前透明蓋板，其後部接合有透明電容感測器。電容感測器通常由用透明材料(諸如塑膠或玻璃)製造之基板組成，在該基板之相對側塗覆透明導電(TC)材料(諸如氧化銦錫(ITO))且該等透明導電(TC)材料經圖案化而形成發射電極(Tx)及接收電極(Rx)層。或者，可使用單層感測器，其由一個塗覆於基板之TC層組成，該TC層經適當圖案化且互連而形成可各別定址Tx及Rx結構。
蓋板/觸控感測器總成連接於通常由液晶顯示器(LCD)組成之顯示模組。該種配置使得蓋板/感測器/顯示模組不合需要地厚且重。為減小厚度及重量，需要直接在蓋板上形成電容觸控感測器或將觸控感測器以某種方式整合於LCD中。
整合於LCD中之雙層感測器可具有兩種類型：「晶胞上(on-cell)」型及「晶胞內(in-cell)型」。在「晶胞上」型中，在LCD總成頂部形成感測器。在「晶胞內」型中，感測器之Tx及Rx層位於LCD 結構內之各個位置處。
在一種情況下，在位於玻璃基板相對側之TC層中形成Tx及Rx電極，該玻璃基板載有濾色器(CF)總成且形成LCD之上部基板。CF由沈積在黑色基質(BM)結構內之有機RGB材料的條帶構成且外部塗有有機平坦化(OP)層。形成Tx電極之TC沈積在CF上OP層之頂部，且形成Rx電極之TC直接沈積在玻璃基板之後側。
在另一情況下，Tx電極較深地埋藏在LCD中且在於與TFT相同之平面中形成LCD下部電極的TC層中形成。在此情況下，Rx電極在載有CF之基板的兩側中之一者或另一者上的TC層中形成。
對於Tx電極位於CF基板上且形成LCD頂部電極之情況，Tx圖案化必須在LCD組裝之前進行，而Rx電極圖案化可在LCD組裝之前或之後進行。對於Tx電極與下部LCD電極組合且Rx電極在CF基板之一側或另一側之情況，則此Rx層可在LCD組裝之前或之後圖案化。
因此，對於晶胞內雙層感測器，必須在位於玻璃基板上RGB CF結構之頂部的有機鈍化(OP)層之頂部的TC層中形成Tx或Rx電極圖案，或在後側定位有CF結構之玻璃基板上之TC層中形成Rx電極。
在兩種情況下，在TC層中形成電極結構之常用方法均包括基於TC之抗蝕劑曝光及化學蝕刻之多步微影製程。該等微影製程較複雜且尤其在於LCD組裝後進行時會產生缺陷。需要使用雷射切除在TC層中形成電極圖案，但若使用標準雷射配置，則存在TC下之各個CF、BM或OP層在雷射切除製程期間被損壞的顯著風險。
因此，本發明設法提供一種使得雷射切除可用以在位於透明非導電層及濾色器層之頂部的TC層中形成電極結構而不會對TC下之任何層造成顯著損壞的改良方法。
根據本發明第一態樣，提供一種藉由使用脈衝固態雷射進行直 接寫入雷射刻劃製程在位於透明非導電層上之透明導電層中形成用於電容觸控感測器之電極結構的方法，該透明非導電層位於濾色器層上，基板上之雷射波長、脈衝長度及光束輪廓選擇如下：
i)波長在257nm至266nm範圍內
ii)脈衝長度在50fs至50ns範圍內
iii)「頂帽」光束輪廓之功率或能量密度在最大值(Emax)與最小值(Emin)之間的均一性小於10%，其中均一性定義為(Emax-Emin)/(Emax+Emin)，以使得在該透明導電層中形成凹槽以電隔絕該透明導電層中在各凹槽相對側之區域而不會實質上損壞該透明導電層下之該透明非導電層或濾色器層或黑色基質陣列。
根據本發明第二態樣，提供經配置以執行上述方法之設備，該設備包含脈衝雷射源，該脈衝雷射源經配置以使用脈衝固態雷射在位於透明非導電層上之透明導電層中直接寫入雷射刻劃用於電容觸控感測器之電極結構，該透明非導電層位於濾色器層上，該雷射源經配置以在基板上提供如下波長、脈衝長度及光束輪廓：
i)波長在257nm至266nm範圍內
ii)脈衝長度在50fs至50ns範圍內
iii)「頂帽」能量密度光束輪廓之功率或能量密度在最大值(Emax)與最小值(Emin)之間的均一性小於10%，其中均一性定義為(Emax-Emin)/(Emax+Emin)。
術語『頂帽』用於描述整個光束中(在規定界限內)具有幾近均一功率或能量密度之光束輪廓。
本發明之其他較佳及視情況存在之特徵將由本說明書之以下描述及隨附申請專利範圍而顯而易見。
1‧‧‧液晶材料
2‧‧‧玻璃基板
3‧‧‧TFT裝置
4‧‧‧透明導電層
5‧‧‧玻璃基板
6‧‧‧濾色器層
7‧‧‧透明導電層
8‧‧‧背光單元
9‧‧‧偏光片
10‧‧‧偏光器
11‧‧‧RGB濾色器層
12‧‧‧RGB濾色器層
13‧‧‧RGB濾色器層
14‧‧‧黑色基質材料
15‧‧‧有機平坦化層
16‧‧‧玻璃或透明塑膠基板
17‧‧‧透明導電層
18‧‧‧透明導電層
19‧‧‧透明導電層
20‧‧‧雷射光束
21‧‧‧凹槽
22‧‧‧孔
23‧‧‧透鏡
24‧‧‧影像
25‧‧‧濾色器基板
26‧‧‧繞射光學元件
27‧‧‧焦平面
28‧‧‧雷射光束
29‧‧‧鏡面
30‧‧‧掃描單元
31‧‧‧F-θ透鏡
32‧‧‧基板子區
現將參考隨附圖式僅以實例之方式進一步描述本發明，其中：圖1為已知LCD及CF總成之截面圖；圖2為已知CF單元之截面圖；圖3為已知晶胞上型經整合觸控面板/CF/LCD總成之截面圖；圖4為已知第一晶胞內型經整合觸控面板/CF/LCD總成之截面圖；圖5為已知第二晶胞內型經整合觸控面板/CF/LCD總成之截面圖；圖6說明藉由本發明第一態樣之方法的一個實施例形成凹槽以在晶胞內模組(諸如圖4或5中所示者)之透明導電層中提供電極結構；圖7A及7B說明此方法中在透明導體表面提供之「頂帽」光束輪廓；圖8展示在透明導電層之表面上形成具有該種「頂帽」光束輪廓之光束的第一方法；圖9展示在透明導電層之表面上形成具有該種「頂帽」光束輪廓之光束的第二方法；圖10為用於執行圖6中所說明之方法的本發明第二態樣之設備的一較佳實施例的示意性透視圖；且圖11展示向圖11之設備中引入如圖9及10中所說明而成形之頂帽光束的方法。
圖1展示一種已知LCD/CF模組之構造。液晶材料層1在第一(下)側接合用TFT裝置3及第一TC層4塗佈之第一玻璃基板2，且在第二(上)側接合用CF層6及第二TC層7塗佈之第二玻璃基板5。背光單元8發射非偏振光，該非偏振光穿過第一偏光片9及構成LCD/CF模組之所有層而穿過第二偏光器10射出。存在數種其他LCD/CF模組結構。CF 層可能位於LCD層前，例如在第一偏光器與背光之間。LCD結構亦可能翻轉，使得TFT層位於LCD上側，而CF層位於上方或下方。
圖2展示典型已知CF及基板之詳情。在玻璃基板5之第一側形成RGB CF層。CF層由交替條帶11、12及13或RGB材料中分別對應於LCD之線或個別像素的局部區域的二維陣列組成。RGB材料之條帶由黑色基質(BM)材料14之區域分隔以改良檢視對比度。通常使用多步微影製程形成該等RGB及BM結構。
薄透明非導電有機平坦化(OP)層15施覆於RGB/BM層以形成平滑上表面。通常使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或丙烯酸系樹脂形成此層。TC層7沈積在有機層15之頂部。
圖3展示一種已知晶胞上型電容觸控感測器模組之構造。在玻璃或透明塑膠基板16具有沈積在其相對側之TC層17及18。下部TC層17經圖案化形成感測器Tx層，且上部TC層18經圖案化形成感測器Rx層。感測器總成隨後與組裝在玻璃基板2與5之間的LCD/CF模組對準且連接。
圖4展示一種已知晶胞內型電容觸控感測器模組之構造。第一TC層7覆蓋提供在玻璃基板5上之CF層6上之OP層15，且在適當圖案化後形成感測器Tx層。第二TC層19沈積在支撐CF層之玻璃基板5之後側，且在適當圖案化後形成Rx層。圖中省略上部偏光器及背光單元。
本發明係關於藉由雷射切除來圖案化該種裝置之Tx層。在此特定晶胞內感測器模組結構之情況下，該雷射圖案化在組裝LCD前進行。圖案化Tx層後，CF基板5與下部LCD基板2及填充有液體材料1之LCD對準且連接。
圖5展示另一種晶胞內型電容觸控感測器模組之構造。在此情況下，位於支撐TFT之玻璃基板2上的第一TC層4形成感測器Tx層，且覆蓋CF層6上之OP層15的第二TC層7形成感測器Rx層。圖中再次省略上 部偏光器及背光單元。
本發明亦關於藉由雷射切除來圖案化該種裝置中之Rx層。在此特定晶胞內感測器模組結構之情況下，該雷射圖案化在組裝LCD前進行。圖案化Rx層後，CF基板5與下部LCD基板2及填充有液體材料1之LCD對準且連接。
圖6說明用於在CF層上有機層15之頂部上的TC層7中形成圖案的本發明第一態樣之一較佳方法。脈衝雷射光束20照射TC層7之表面且在表面上移動以藉由雷射切除自其移除材料而在TC層7中形成凹槽21之圖案。雷射光束20經配置以移除凹槽21中之所有TC材料以使得橫越凹槽21無導電性但不損壞有機層15或RGB材料11、12及13或BM材料14。
所用雷射具有脈衝型發射脈衝，其持續時間少於50ns且較佳少於50ps。在深紫外線(DUV)範圍內進行雷射操作。UV至IR區(亦即351nm至1070nm)中之操作不合需要，因為在此等波長下TC層具有最小吸收且RGB CF之部分具有顯著吸收。
所用脈衝雷射可例如選自以下中之一者：在266nm下操作之雷射，其中標稱輸出脈衝長度為10ns
在266nm下操作之雷射，其中標稱輸出脈衝長度為15ps
在263nm下操作之雷射，其中標稱輸出脈衝長度為10ns
在262nm下操作之雷射，其中標稱輸出脈衝長度為150fs
在257.5nm下操作之雷射，其中標稱輸出脈衝長度為10ps。
發現脈衝長度在0.5ps至200ns範圍內之UV、可見光及IR雷射不適合，因為會發生對下伏CF材料之損壞。然而，若使用較短波長(亦即266nm、263nm、262nm或257.5nm)，則可達成滿意結果，因為TC層中之吸收較大(故對下伏層提供較多保護)。
較短之脈衝長度一般較佳，因為TC層及下伏有機層可能極薄(例 如100nm或100nm以下)，因而易於發生熱損壞。脈衝長度愈短，雷射脈衝之熱能可擴散至鄰接區域、尤其下伏層中之時間愈短。
應瞭解，雷射波長及脈衝長度經選擇以使得雷射刻劃製程在透明導電層中形成凹槽，該等凹槽電隔絕TC層中在各凹槽相對側之區域，且此需要在實質上不損壞TC層下之透明非導電層或濾色器層的情況下進行。藉由此方法可在TC層中形成一系列凹槽而在其中形成電極結構。凹槽之寬度通常在5μm至30μm範圍內，但凹槽亦可能更寬。
本發明係針對藉由直接雷射刻劃在透明導電(TC)層中形成電極結構，其中存在對下伏非導電層及/或下伏濾色器層造成熱損壞之危險。此危險在切除TC層所需之脈衝能量密度與可能損壞下伏層之脈衝能量密度之間僅存在小差異時產生。鑒於此小製程『窗』，如下文進一步說明，該方法包括提供具有頂帽輪廓之光束的步驟。
圖7A展示高斯光束(Gaussian beam)強度輪廓，其一般在使雷射光束聚焦時產生，且圖7B展示根據本發明之一實施例在TC層之表面提供的光束輪廓。圖7A繪製用透鏡使脈衝雷射光束聚焦時在焦平面產生之功率密度或能量密度分佈圖。在此情況下，存在所謂高斯分佈，其在中心具有峰值功率或能量密度，而在邊緣降至低值。該種高度不均一光束輪廓因如下兩個原因而不合需要：低於TC材料之切除臨限值(Eabl)的能量沈積為焦點周圍區域中之熱，從而對TC層及下伏層造成熱損壞，且光束中心之峰值能量密度遠高於切除臨限值，故大量能量可穿透TC層，從而對下層造成損壞。
圖7B展示根據本發明之第一實施例在TC層之表面提供的能量密度分佈。在此情況下，使用所謂「頂帽」功率或能量密度分佈，其中雷射脈衝中之大部分能量含於高於切除臨限能量密度(Eabl)之區域中。理想地，該分佈應為真實頂帽而在光束中心無顯著峰，但實際上 難以達成此種分佈，故可接受能量密度在範圍Emin至Emax內的一定變化。實驗已顯示，光束中心部分上之功率均一性或能量密度均一性小於10%的頂帽光束輪廓(其中均一性定義為(Emax-Emin)/(Emax+Emin))可有效且完全移除TC層而不會對任何下伏層造成實質損壞。Emax較佳不超過1.3×Eabl，其中Eabl為用於切除TC層之臨限能量密度。
圖8展示一種在TC層表面之雷射光點中產生頂帽能量密度分佈的方法。孔22置於雷射光束20中，且透鏡23在經塗佈支撐CF/BM、OP及TC層之基板25的表面上形成孔之影像24。若孔之直徑實質上小於照射其之光束的直徑，則光束之低能量密度部分將被移除，且在TC層表面上形成圖7B中所示類型之光束輪廓。因為入射雷射光束一般為圓形，故通常使用圓孔，且由此在TC表面上產生圓形光點。
圖9展示另一在TC層表面之雷射光點中產生頂帽能量密度分佈的方法。位於雷射光束20中之繞射光學元件(DOE)26經設計以使得其在透鏡23位於CF基板25上之焦平面27中形成頂帽能量密度分佈。該種配置相較於圖8中所示之孔成像方法具有數種優勢；其可更加有效地使用雷射脈衝能量，其具有較長焦深且可產生非圓形(例如正方形)光點。
圖10展示經配置以執行上述雷射圖案化製程之設備的一種形式的示意性透視圖。雷射28發射雷射光束20，其經由鏡面29、29'引導至二維掃描單元30。離開掃描器之光束由f-θ透鏡31聚焦於基板25之表面上，該基板25安裝在平台上以使得其可沿方向X及Y移動。基板25塗佈有RGB CF層、有機層及頂部TC層(如上所述)。將基板25固定，掃描器30在基板25之子區32上移動光束，從而在TC層中形成為形成觸控感測器電極結構所需之隔絕凹槽。完成各子區32後，基板25步進至新子區32且重複該製程。重複此「步進及掃描」製程直至基板 25全部圖案化。子區32可對應於小裝置(諸如智慧型手機)之完整觸控感測器或可僅形成較大裝置(諸如平板電腦及PC)之較大觸控感測器之一部分。在後一情況下，子區需要『縫合』在一起形成觸控感測器之電極結構。
設備之操作較佳在控制構件(諸如電腦)之控制下進行，該控制構件經配置以控制雷射及雷射之移動以執行所述掃描製程。
上述電容觸控感測器雷射圖案化製程可在基板上進行，該等基板各含有一或多個CF裝置且隨後與LCD對準且連接，或者，雷射圖案化可在個別裝置上進行。
圖11展示裝置(例如孔或DOE)可如何插入雷射光束路徑20中而在基板上形成頂帽能量分佈。脈衝雷射28發射光束20，其由掃描單元30沿兩個軸偏轉且由透鏡31聚焦於基板25上。孔22一般與透鏡31間隔一定距離置於光束中，因為孔在基板上之影像的尺寸一般大幅減小，使得透鏡31至孔22之距離必須大大長於透鏡31至基板25之距離。若使用DOE 26替代孔而形成頂帽光束輪廓，則其一般接近透鏡31而置，在實踐中此意謂緊挨在掃描單元30前。
上述製程之關鍵態樣為：-
1)在LCD RGB/BM濾色器頂部之透明非導電層(其通常為有機層)頂部的TC層中形成圖案。
2)該圖案形成用於兩層電容觸控感測器之Rx或Tx電極。
3)藉由直接寫入雷射切除刻劃狹窄凹槽來圖案化TC層而形成感測器電極結構。
4)雷射刻劃製程完全移除凹槽中之TC材料而不會對下伏有機、RGB或BM層造成損壞(或對其造成最小損壞)。
5)該雷射為脈衝型，其在DUV範圍內操作且在少於50ns且較佳少於50ps之持續時間內發射脈衝。
6)TC層表面之光束輪廓具有「頂帽」能量密度光束輪廓，其均一性小於10%以避免損壞下伏層，其中均一性定義為(Emax-Emin)/(Emax+Emin)。
因此，該製程使得圖案可藉由選擇雷射光束進行雷射刻劃在單一TC層中形成，該雷射光束具有使得其可在單一步驟中切除TC層而不會對下伏有機、RGB或BM層造成損壞或對其造成最小損壞的特性。詳言之，鑒於此等限制條件之間的狹窄製程窗，使用頂帽光束輪廓以使得雷射光束中之大部分能量處於此窗內，例如如上所述使Emax不超過1.3×Eabl。
該種製程不同於形成觸控感測器之電極結構的已知製程。詳言之，相較於已知微影法，雷射刻劃具有顯著優勢。其更加有效：其可更快速地執行，相較於微影製程其具有大大改良之產率且其可更容易地調適。因此，相較於已知微影法，上述製程提供極大優勢來形成晶胞內觸控感測器之電極結構。
在觸控感測器之其他形式中，在玻璃層(或吸收一些雷射能量之其他層)上提供透明導電層。在該種情況下，該方法可能不需要使用具有頂帽輪廓之雷射光束來避免損壞下伏層，因為玻璃層為下伏層提供一定保護。該種方法為同在申請中之專利申請案第GB 1303074.7號(公開案第 號)之標的。

Claims (16)

  1. 一種藉由使用脈衝固態雷射進行直接寫入雷射刻劃製程在位於透明非導電層上之透明導電層中形成用於電容觸控感測器之電極結構的方法，該透明非導電層位於濾色器層上，基板上之雷射波長、脈衝長度及光束輪廓選擇如下：i)波長在257nm至266nm範圍內ii)脈衝長度在50fs至50ns範圍內iii)頂帽光束輪廓之功率或能量密度在最大值(Emax)與最小值(Emin)之間的均一性小於10%，其中均一性定義為(Emax-Emin)/(Emax+Emin)，以使得在該透明導電層中形成凹槽以電隔絕該透明導電層中在各凹槽相對側之區域而不會實質上損壞該透明導電層下之該透明非導電層或該濾色器層。
  2. 如請求項1之方法，其中該脈衝長度為50ps或以下。
  3. 如請求項1之方法，其中該雷射波長選自以下中之一者：257.5nm或266nm。
  4. 如請求項1之方法，其中Emax不超過1.3×Eabl，其中Eabl為用於切除該透明導電層之臨限能量密度。
  5. 如請求項1之方法，其中該電極結構包含發射與接收電極結構。
  6. 如請求項1之方法，其中該電容觸控感測器包含透明基板、在該透明基板上提供之該濾色器層、在該濾色器層上形成透明平坦化層之該非導電層及在該平坦化層上提供之該透明導電層。
  7. 如請求項1之方法，其中使用該電容觸控感測器形成如下總成之一部分，該總成在該電容觸控感測器上方具有透明蓋板且在該電容觸控感測器下方具有顯示模組。
  8. 如請求項1之方法，其中該雷射光束經配置以在該透明導電層之第一子區上掃描，且隨後步進至該透明導電層之另一子區且在其上掃描，重複此製程直至所需區域已掃描。
  9. 如請求項8之方法，其中欲形成之該電容觸控感測器包含複數個該等子區。
  10. 一種經配置以執行如請求項1至9中任一項之方法的設備，該設備包含脈衝雷射源，該脈衝雷射源經配置以在位於透明非導電層上之透明導電層中直接寫入雷射刻劃用於電容觸控感測器之電極結構，該透明非導電層位於濾色器層上，該雷射源經配置以在基板上提供如下波長、脈衝長度及光束輪廓：i)波長在257nm至266nm範圍內ii)脈衝長度在50fs至50ns範圍內iii)「頂帽」光束輪廓之功率或能量密度在最大值(Emax)與最小值(Emin)之間的均一性小於10%，其中均一性定義為(Emax-Emin)/(Emax+Emin)。
  11. 如請求項10之設備，其中該脈衝長度為50ps或以下。
  12. 如請求項10之設備，其中該雷射源經配置以在該透明導電層上掃描而在其中形成一系列凹槽。
  13. 如請求項12之設備，其包含經配置以實現該掃描之鏡面及用於使該雷射光束聚焦於該透明導電層上之f-θ透鏡。
  14. 如請求項10之設備，其經配置以執行步進及掃描製程而使該雷射在該透明導電層之複數個子區上掃描。
  15. 如請求項10之設備，其中該雷射光束經配置以穿過直徑實質上小於該雷射光束之孔以向該雷射光束給出實質上頂帽輪廓。
  16. 如請求項10之設備，其中該雷射光束穿過經配置以向該雷射光束給出實質上頂帽輪廓之繞射光學元件。
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