Development of an Adhesive-Dispensing-Unit for precision application purposes in the production of wafer scale micro-optical components

Abstract

A crescente demanda por produtos ópticos pequenos e precisos para sistemas ópticos miniaturizados em várias aplicações exigentes necessitam de uma tecnologia de produção adequada para esses componentes feitos de vidros especializados. Enquanto as tecnologias de ponta utilizam um processo de retificação, polimento ou de corrosão demorada e cara, o inovador projeto de pesquisa Wafer Level Optics (WLO) se foca em uma abordagem baseada em placas via modelagem precisa em vidros. Essa abordagem promete um meio efetivo de aproveitar um efeito de escala adequado, levando a duas grandes vantagens: primeiramente, a produção em nível de placas permite uma produção menos custosa de centenas de elementos ópticos em apenas um passo de produção. Segundo que também facilita outros passos subsequentes, desde, por exemplo, o manuseio e alinhamento dos elementos podem ser feitos em escala de placas também. Ainda que esse método de produção já é uma tecnologia de ponta nas indústrias de litografia e semicondutores e também é usado largamente na produção de componentes ópticos de plástico, sua transferência para a produção de componentes micro-ópticos de vidro ainda apresenta várias dificuldades cruciais ainda não resolvidas e alguns problemas operacionais. Do ponto de vista metrológico, as dificuldades se encontram no alinhamento exato entre as placas. Nesse ponto, o alinhamento por frentes de onda de um sistema óptico promete ser altamente adequado para o alinhamento de uma placa inteira com a precisão necessária no nível de sub-um. A grande necessidade para pequenas tolerâncias é devido aos efeitos, que até as pequenas imperfeições no processo de alinhamento têm na função óptica do sistema. Entretanto, a precisão e a função óptica de um sistema micro-óptico não é apenas dependente da precisão do alinhamento, mas também da capacidade de colar as placas alinhadas entre si com grande precisão e numa determinada posição Para atingir um bom resultado na união é de grande importância ajustar as propriedades do adesivo para o processo de união escolhido. Na cadeia desse processo rigoroso, o projeto Wafer Level Optics considera que a união das placas alinhadas precisa der considerado simultaneamente com o procedimento de alinhamento propriamente dito. Para atingir um resultado ótimo de união, as propriedades físicas do adesivo precisam ser combinadas com o processo de colagem e dos requisitos dependentes. Portanto a escolha de um adesivo adequado está fortemente ligado com o projeto do aparelho de alinhamento, já que o método de secagem do adesivo é altamente influenciado pelo procedimento de alinhamento. Depois do adesivo ser avaliado fisicamente, a segunda maior tarefa envolve o processo de aplicação e o desenvolvimento de um dispositivo adequado. O adesivo será aplicado externamente através de um sistema de tecnologia de microgotas, permitindo gotas bem pequenas no nível de 20pl com uma frequência máxima de 6kHz. Essas características são usadas para projetar um processo de aplicação dinâmico, em que a placa é movida em uma mesa xy em altas velocidades sob o sistema de despejamento. O processo de aplicação tem o objetivo de realizar um procedimento automatizado, no qual a placa colocada no sistema receberá a quantidade exata de adesivo nas posições exatas entre os elementos micro-ópticos. Por isso, séria necessário projetar, criar e montar um aparelho integrado, capaz de conter o bico e o sistema de aplicação de micro gotas e mover a placa nas direções necessárias. Isso também inclui a escolha e integração de um outro equipamento, como a mesa xy. Para o propósito de automação, será também necessário desenvolver um programa em Lab- View, para controlar e monitorar o processo de aplicação. A placa contendo as gotas de cola será posteriormente colocado em um equipamento para alinhamento, onde depois de um processo preciso de alinhamento, o adesivo será secado.

The continuously growing demand for small and precise glass optics for miniaturized optical systems in demanding applications require adequate production technologies for such optical components made of specialized glasses. The Wafer Level Optics research project (WLO) aims at the utilization of a waferbased manufacturing approach via precision glass moulding. This approach promises an effective way to harness adequate scale effects, leading to two major advantages: firstly the wafer-based manufacturing enables the by far more cost effective production of hundreds of optical elements in just one manufacturing step. Secondly it would also facilitate subsequent process steps, since e.g. the handling and alignment of the elements can be undertaken on waferlevel as well. From the metrological point of view, the ostensible difficulties lie in the exact alignment of the wafers to one another. At this point the wavefront-based alignment of an optical system promises to be highly suitable for the alignment of an entire wafer with a necessary accuracy in the sub -um range. The imperativeness of the need for such tight tolerances is deducted by the effects, that even slight imperfections in the alignment process have on the optical function of a system. However, the precision and optical function of a micro-optical system is not only dependant on the accuracy of the alignment, but also on the capability to cement the aligned wafer to one another with high accuracy and within in a well determined position. In order to achieve a good bonding result it is critical to adjust the properties of the adhesive to the targeted bonding process. After the adhesives have been physically evaluated the second major task involves the actual application process and the developement of an adequate appliance. It will be necessary to design, construct and assemble an integrated device, capable of holding the micro drop application nozzle / system and moving the wafer on an automated basis. For automation purposes it will be furthermore necessary, to design a accompanying LabView programme, in order to control and monitor the application process.