DE102021212669A1

DE102021212669A1 - Verfahren und System zur Herstellung eines xMR-Magnetfeldsensors

Info

Publication number: DE102021212669A1
Application number: DE102021212669.3A
Authority: DE
Inventors: Alexander Böhm; Bernd Keiper; Christian Belgardt; Michael Grimm; Michael Werner; Sven Albert; Uwe Kober
Original assignee: 3D Micromac AG
Current assignee: 3D Micromac AG
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2023-05-11
Also published as: TW202332528A; WO2023083759A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines xMR-Magnetfeldsensors mit mindestens einem xMR-Sensorelement aus einem Werkstück (150), das eine oder mehrere Schichten eines xMR-Mehrschichtsystems aufweist, das eine hartmagnetische Referenzschicht mit einer Referenz-Magnetisierungsrichtung aufweist, wird eine Programmieroperation durchgeführt, in welcher die räumliche Orientierung der Referenz-Magnetisierungsrichtung in einem zur Bildung eines xMR-Sensorelements vorgesehenen Sensorbereich eingestellt und/oder verändert wird, indem die Referenzschicht in einer Laserbearbeitungsoperation in dem Sensorbereich (SB) mittels Laserstrahlung (105) lokal begrenzt über eine Schwellentemperatur hinaus aufgeheizt wird, der aufgeheizte Bereich der Referenzschicht zu Einstellung der Referenz-Magnetisierungsrichtung einem von einer Magnetisierungseinrichtung (160) bereitgestellten, externen Magnetfeld mit vorgebbarer Feldrichtung ausgesetzt wird und der aufgeheizte Bereich anschließend wieder unter die Schwellentemperatur abgekühlt wird. Die Laserbearbeitungsoperation umfasst eine Maskenprojektionsoperation, worin eine Maske (130) mit wenigstens einer Maskenapertur (133) in einer Maskenebene (132) angeordnet wird, die mit Abstand zu einer Bearbeitungsebene (122) der Laserbearbeitungsoperation angeordnet ist, ein die Maskenapertur enthaltenden Bereich der Maske mit einem oder mehreren Laserpulsen einer gepulster Laserstrahlung bestrahlt wird; und ein mit Laserstrahlung ausgeleuchteter Bereich der Maskenapertur mithilfe eines zwischen der Maskenebene und der Bearbeitungsebene angeordneten Abbildungsobjektivs (140) in die Bearbeitungsebene (122) abgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Herstellung eines xMR Magnetfeldsensors.
Die Erkennung magnetischer Felder mithilfe von Magnetfeldsensoren ist eine Sensortechnologie, die in zahlreichen industriellen Anwendungen eingesetzt werden kann, z. B. bei der Winkelerfassung der genauen Position eines Lenkrads in einem Auto, bei der Erfassung und Kontrolle der Rotation in einem bürstenlosen DC-Motor, bei der Messung der Position und Interaktion von Objekten für Internet-of-Things (loT)-Anwendungen, bei der berührungslosen Erfassung von elektrischen Strömen und der Positionserfassung mittels E-Kompass für viele verschiedene mobile Geräte einschließlich Systemen der virtuellen Realität (VR).
Viele Magnetfeldsensoren nutzen magnetoresistive Effekte, also Effekte, die die Änderung des elektrischen Widerstands eines Materials durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes beschreiben. Dazu gehören insbesondere der anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR-Effekt), der Riesenmagnetowiderstand (auch als GMR-Effekt bezeichnet), der magnetische Tunnelwiderstand (englisch tunnel magnetoresistance, TMR) oder TMR-Effekt sowie der planare Hall-Effekt.
Sehr empfindliche Magnetfeldsensoren lassen sich durch die Verwendung von GMR- oder TMR-Sensorelementen aufbauen. Die Kürzel GMR und TMR werden in dieser Anmeldung mit dem Kürzel „xMR“ zusammengefasst. Ein xMR-Sensorelement nutzt den GMR-Effekt oder den TMR-Effekt. Diese werden in Strukturen beobachtet, die aus sich abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten bestehen. Der Effekt bewirkt, dass der elektrische Widerstand der Schichtstruktur von der gegenseitigen Orientierung der Magnetisierungen der magnetischen Schichten abhängt.
Im Allgemeinen weist ein xMR-Sensorelement ein xMR-Mehrschichtsystem auf, das eine weichmagnetische (ferromagnetische) Detektionsschicht mit einer durch ein externes Magnetfeld relativ leicht veränderbaren Magnetisierungsrichtung, eine im Vergleich dazu hartmagnetische Referenzschicht mit einer vorgebbaren Referenz-Magnetisierungsrichtung und eine nicht-magnetische Zwischenschicht umfasst, die zwischen der Detektionsschicht und der Referenzschicht angeordnet ist. Die Zwischenschicht ist bei GMR-Sensorelementen elektrisch leitfähig, bei TMR-Sensorelementen ist die Zwischenschicht eine sehr dünne Isolatorschicht.
Der elektrische Widerstand eines xMR-Sensorelements ist geringer, wenn die beiden Magnetisierungsrichtungen der Schichten zueinander parallel sind, und höher, wenn sie nicht parallel sind. Wenn die Richtung der Magnetisierung einer der Schichten (Referenzschicht) fest ist, folgt die Veränderung des elektrischen Widerstands der Richtung der Magnetisierung der anderen Schicht. Dies führt durch den sogenannten Spin-Valve-Effekt oder Tunnel-Valve-Effekt zu einer Sensorfunktionalität. Über die Messung des elektrischen Widerstands bzw. des Tunnelstroms kann somit auf die Orientierung des äußeren Magnetfeldes relativ zur Orientierung des Magnetfeldes der Referenzschicht geschlossen werden.
Die Herstellung eines xMR-Sensorelements umfasst die Einstellung der magnetischen Ausrichtung der Referenzmagnetschicht in der gewünschten Empfindlichkeitsrichtung. Die gewählte Magnetisierungsrichtung definiert die Empfindlichkeitsachse.
Bei Verfahren der in dieser Anmeldung betrachteten Art ist hierzu eine Programmierungsoperation vorgesehen, mit welcher die räumliche Orientierung der Referenz-Magnetisierungsrichtung nach Vorgabe eingestellt wird. Dazu wird die Referenzschicht mittels Laserstrahlung in einem Sensorbereich lokal begrenzt über eine Schwellentemperatur aufgeheizt, der aufgeheizte Sensorbereich der Referenzschicht zur Einstellung der Referenz-Magnetisierungsrichtung einem externen Magnetfeld mit vorgebbarer Feldrichtung ausgesetzt und anschließend wieder unter die Schwellentemperatur abgekühlt. Die Schwellentemperatur wird auch als „blocking temperature“ bezeichnet. Diese Art der Festlegung der Magnetisierungsrichtung wird auch als „Pinning“ bezeichnet.
Werden mehrere xMR-Sensorelemente z.B. mit einer Wheatstone-Brücken-Sensorschaltung elektrisch verknüpft, können xMR-Magnetfeldsensoren mit hoher Empfindlichkeit und stabilen Ausgangssignalen hergestellt werden. Im Zuge der Miniaturisierung von Sensorsystemen können solche Sensoren inzwischen in monolithischer Bauweise einschließlich Ausleseelektronik gefertigt werden. Zum Aufbau einer Wheatstone-Brücken-Sensorschaltung werden xMR-Sensorelemente mit lokal unterschiedlichen Richtungen der Magnetisierung der Referenzschichten benötigt.
Beispiele zum Aufbau und zur Herstellung von xMR-Magnetfeldsensoren sind z.B. in der WO 02/082111 A1 oder in der US 2019/0227129 A1 offenbart.
AUFGABE UND LÖSUNG
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und ein System zur Herstellung von xMR-Magnetfeldsensoren bereitzustellen, die eine wirtschaftliche Fertigung solcher Komponenten mit hoher Qualität erlauben.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin wird ein System mit den Merkmalen von Anspruch 9 bereitgestellt. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Das Verfahren und das System sind zur Herstellung von xMR-Magnetfeldsensoren vorgesehen bzw. geeignet. Ein xMR-Magnetfeldsensor weist mindestens ein xMR-Sensorelement auf. Wie eingangs erwähnt, nutzt ein xMR-Sensorelement den GMR-Effekt oder den TMR-Effekt zur Detektion von Magnetfeldern. xMR-Sensorelemente werden aus einem Werkstück hergestellt, das eine oder mehrere Schichten eines xMR-Mehrschichtsystems aufweist. Das Werkstück umfasst wenigstens eine hartmagnetische Referenzschicht mit einer Referenz-Magnetisierungsrichtung. Bei der Referenzschicht kann es sich um ein Referenzschichtsystem mit mehreren Referenzschichten handeln. Andere Schichten eines xMR-Mehrschichtsystems können ebenfalls bereits am Werkstück vorhanden oder ggf. erst später aufgebracht werden, z.B. weil sie nicht erwärmt werden sollen.
Bei vielen Ausführungsformen umfasst das Werkstück vor Beginn der Bearbeitung zusätzlich zu der hartmagnetischen Referenzschicht des xMR-Sensorelements bereits eine weichmagnetische bzw. ferromagnetische Detektionsschicht, die eine durch ein externes Magnetfeld veränderbare Magnetisierungsrichtung hat, sowie eine nicht-magnetische Zwischenschicht, die zwischen der Detektionsschicht und der Referenzschicht angeordnet ist. Zusätzlich zu diesen Schichten können weitere Schichten vorgesehen sein.
Ein wichtiger Verfahrensschritt bei gattungsgemäßen Verfahren ist eine sogenannte Programmieroperation, die dafür ausgelegt ist, die räumliche Orientierung der Referenz-Magnetisierungsrichtung in einem Sensorbereich einzustellen und/oder zu verändern. Der Begriff „Sensorbereich“ bezeichnet hier einen räumlich begrenzten Bereich des Werkstücks, in welchem ein xMR-Sensorelement erzeugt werden soll. Um dies zu erreichen, wird die Referenzschicht in einer Laserbearbeitungsoperation in dem Sensorbereich mittels Laserstrahlung lokal begrenzt über eine Schwellentemperatur aufgeheizt. Der aufgeheizte Bereich der Referenzschicht wird zur Einstellung der Referenz-Magnetisierungsrichtung einem externen Magnetfeld mit vorgebbarer Feldrichtung ausgesetzt und der aufgeheizte Bereich wird anschließend wieder unter die Schwellentemperatur abgekühlt. Beim Abkühlen im externen Magnetfeld wird die idealerweise magnetisch gesättigte Referenzschicht in der programmierten Richtung fixiert, was auch als „Pinning“ bezeichnet wird.
Wenn die Referenzschicht über diese Schwellentemperatur aufgeheizt wird, verschwindet der sogenannte „Exchange Bias-Effekt“, so dass die Richtung der Magnetisierung verloren geht. Das externe Magnetfeld sollte stark genug sein, um die Referenzschicht in der neuen gewählten Richtung zu sättigen. Beim Abkühlen im externen Feld wird die gesättigte Referenzschicht in der programmierten Richtung fixiert. Diese Festlegung der Magnetisierungsrichtung wird auch als „Pinning“ bezeichnet.
Der Teilprozess, der eine lokal begrenzte Aufheizung eines Sensorbereichs mittels Laserstrahlung im Laser-Auftreffbereich unter sehr genau vorgebbaren Bedingungen erlaubt, wird auch als „Selektive Laser Annealing“ bezeichnet.
Gemäß einer Formulierung der Erfindung ist bei einem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass die Laserbearbeitungsoperation eine Maskenprojektionsoperation umfasst. Dazu wird eine Maske mit wenigstens einer Maskenapertur bzw. Maskenöffnung in einer Maskenebene angeordnet, die mit Abstand zu einer Bearbeitungsebene der Laserbearbeitungsoperation angeordnet ist. Die Bearbeitungsebene ist diejenige Ebene, in welcher die Laserstrahlung auf das Werkstück trifft und mit diesem wechselwirken soll. Der Abstand bezieht sich auf den optischen Abstand entlang des Strahlengangs der Laserstrahlung. Dieser kann geradlinig sein, er kann jedoch auch mittels wenigstens einer Umlenkeinrichtung gefaltet verlaufen.
Für die Laserbearbeitung wird gepulste Laserstrahlung verwendet, so dass ein die Maskenapertur enthaltender Bereich der Maske mit einem oder mehreren Laserpulsen der gepulsten Laserstrahlung bestrahlt wird.
Ein mit Laserstrahlung ausgeleuchteter Bereich der Maskenapertur wird mithilfe eines im Strahlengang zwischen der Maskenebene und der Bearbeitungsebene angeordneten Abbildungsobjektivs in die Bearbeitungsebene abgebildet. Die Laserstrahlung trifft in diesem Laser-Auftreffbereich (auch Laserspot genannt) auf das Werkstück.
Durch die Maskenprojektionsoperation kann erreicht werden, dass die Form, die Lage und die Größe des Laserspots und damit auch des aufzuheizenden Sensorbereichs mit hoher Präzision relativ randscharf durch die Auslegung der Maske bzw. die Maskenapertur und die Abbildungseigenschaften des Abbildungsobjektivs vorgegeben werden können. Wenn die Bestrahlung des zur Bildung des Sensorelements vorgesehenen Flächenelements (Sensorbereich) durch Maskenprojektion erfolgt, ist es in vielen Fällen möglich, mit einem Laserpuls einen kompletten bzw. vollständigen Sensorbereich zu bestrahlen und dadurch zu programmieren.
Ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes System weist entsprechend ein Maskenprojektionssystem mit einer Maskenhalteeinheit zum Anordnen einer Maske in einer mit Abstand vor der Bearbeitungsebene liegenden Maskenebene sowie ein Abbildungsobjektiv zur Abbildung der Maskenebene in die Bearbeitungsebene der Laserbearbeitungseinheit auf. Die Maske weist wenigstens eine Maskenapertur bzw. Maskenöffnung zum Durchlassen eines zu transmittierenden Anteils des Laserstrahls auf. Dadurch kann die räumliche Strahlform am Laser-Auftreffbereich des Werkstücks mit scharfer Begrenzung vorgegeben werden.
Durch den Einsatz der Maskenprojektion kann die räumliche Ausdehnung des Laserspots auf dem Werkstück an die Form des zu programmierenden Sensorelements angepasst werden. Es können beispielsweise rechteckige Maskenaperturen mit ungleich langen Seiten oder quadratische Maskenaperturen genutzt werden. Je nach verfügbarer Laserenergie bzw. je nach erforderlicher maximaler Größe der Fläche auf dem Werkstück, die mit einer ausreichenden Laserfluenz bestrahlt werden soll, ist es manchmal möglich, ein vollständiges Sensorelement mit einem einzigen Laserpuls zu bestrahlen oder auch einen kompletten Sensor mit mehreren Sensorelementen, die mit der gleichen räumlichen Orientierung der Magnetisierung zu programmieren sind, mit einem Laserpuls zu bestrahlen. In diesem Fall würde die Maske mehrere Maskenaperturen aufweisen, die den zu programmierenden Sensorelementen entsprechen. Sofern die verfügbare Laserenergie bzw. Fläche hierfür nicht ausreicht, ist es auch möglich, nur einen Teil eines Sensorelements mit einem Laserpuls zu bestrahlen und die Programmierung eines kompletten Sensorelements mit mehreren Laserpulsen zu realisieren.
Neben den Vorteilen, die sich für die genaue Vorgabe und gute Ausleuchtung der jeweiligen Sensorbereiche ergeben, bringt eine Maskenprojektion auch Vorteile hinsichtlich der Magnetisierung. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist nämlich vorgesehen, dass Komponenten der Magnetisierungseinrichtung zwischen dem Abbildungsobjektiv und der Bearbeitungsebene angeordnet sind. Diese Komponenten, beispielsweise ein oder mehrere Permanentmagneten und deren Halterung, können somit in der Nähe des Werkstücks positioniert werden, so dass die Magnetisierung mit hohem Wirkungsgrad und präziser Vorgabe der Feldstärke und Feldrichtung erfolgen kann. Das externe Magnetfeld kann also aus einem Zwischenbereich zwischen dem Abbildungsobjektiv und der Bearbeitungsebene eingekoppelt werden.
Eine Weiterbildung des Verfahrens und des Systems ist gekennzeichnet durch eine Homogenisierung der Laserstrahlung derart, dass eine Intensitätsverteilung der durch eine Maskenapertur hindurchtretenden und auf einen Sensorbereich treffenden Laserstrahlung über den gesamten Querschnitt im Wesentlichen konstant ist. Die Bezeichnung „im Wesentlichen konstant“ bedeutet hier insbesondere, dass im bestrahlten Bereich die lokale Intensität um maximal 20%, insbesondere um maximal 10 %, variiert. Hierdurch können über die gesamte Querschnittsfläche eines Sensorelements ausreichend gleichmäßige Eigenschaften erzeugt werden. Durch die Homogenisierung kann auch erreicht werden, dass die Schwellentemperatur bzw. Blocking-Temperatur im gesamten bestrahlten Gebiet des Sensorelements im Wesentlichen gleichzeitig überschritten wird, ohne dass die Laserzerstörschwelle des Materials überschritten wird.
Vorzugsweise wird die Homogenisierung der Laserstrahlung in einem Bereich zwischen der Laserstrahlungsquelle und der Maskenebene in der Weise erzeugt, dass die Intensitätsverteilung der auf die Maskenapertur treffenden Laserstrahlung durch diese Homogenisierung vorgegeben werden kann. Dazu kann zwischen der Laserstrahlungsquelle und der Maskenebene ein optisches Homogenisierungssystem zur Homogenisierung der Intensitätsverteilung innerhalb des Laserstrahls vorgesehen sein. Das Homogenisierungssystem kann beispielsweise mindestens ein Diffraktives Optisches Element (DOE), mindestens einen räumlichen Lichtmodulator (Spatial Light Modulator (SLM)) und/oder mindestens eine strahlformende optische Faser aufweisen.
Als Alternative wäre es möglich, den von der Laserstrahlungsquelle generierten Laserstrahl vor Auftreffen auf die Maske auf einen deutlich größeren Durchmesser aufzuweiten und so zu positionieren, dass nur ein vergleichsweise homogener Bereich in der Nähe des Zentrums des Gauß-Profils der Intensitätsverteilung im aufgeweiteten Laserstrahl durch die Maskenöffnung hindurchgelangen kann. Die Abweichungen von einem homogenen Strahlprofil sind jedoch normalerweise in diesem Fall deutlich größer als bei Verwendung eines dedizierten Homogenisierungssystems zwischen Laserstrahlungsquelle und Maske.
Bei bevorzugten Ausführungsformen werden besondere Maßnahmen für ein zweckmäßiges Temperaturmanagement getroffen.
Eine Maßnahme, die sich als besonders nützlich herausgestellt hat, besteht darin, eine zeitliche Pulsform der Laserpulse einzustellen. Hierzu kann an dem System eine Pulseigenschafts-Einstelleinrichtung zur variablen Einstellung von Pulseigenschaften der Laserpulse vorgesehen sein, wobei diese in einem Modus dafür konfiguriert ist, die zeitliche Pulsform der Laserpulse einzustellen. Dies bedeutet, dass durch eine Vorgabe des Verlaufs der Laserintensität mit der Zeit innerhalb eines Pulses ein gewünschtes Temperaturprofil der Aufheizung beeinflusst werden kann. Durch die Anpassung der zeitlichen Pulsform wird u.a. eine genauere Einstellung der Maximaltemperatur im bestrahlten Bereich des Sensorelements möglich. Es gibt Lasersysteme, die eine solche Anpassung der zeitlichen Pulsform über ein entsprechendes Eingangssignal ermöglichen. Die zeitliche Pulsform wird dabei vorzugsweise so eingestellt, dass die Blocking-Temperatur bzw. Schwellentemperatur zügig und zuverlässig erreicht, aber nur vergleichsweise um ein geringes Ausmaß im gesamten zu programmierenden Gebiet überschritten wird. Dabei darf jedoch die Laserzerstörschwelle des bestrahlten Werkstückmaterials nicht überschritten werden. Die zeitliche Pulsform der Laserpulse kann dazu z.B. so eingestellt werden, eine maximale Intensität innerhalb eines Laserpulses gegenüber einem regulären (zeitlich nicht gesteuerten, z.B. zeitlich annähernd gaußförmigen) Laserpuls reduziert und ein Abklinggradient der Laserintensität nach Überschreiten der maximalen Intensität geringer ist als bei einem regulären Laserpuls.
Durch geeignete Anpassung der zeitlichen Pulsform an die temperaturabhängige Änderung der Absorption des bestrahlten Materials kann eine gleichmäßigere Erwärmung des Sensorbereichs erreicht werden, indem der Energieeintrag mit zunehmender Temperatur (und entsprechend zunehmender Erhöhung der Absorption) verringert wird.
Ein weiterer Beitrag zum Temperaturmanagement besteht bei manchen Weiterbildungen darin, dass eine über die Steuereinheit steuerbare Heizeinrichtung zum aktiven Aufheizen eines durch die Werkstückhaltevorrichtung gehaltenen Werkstücks auf eine Arbeitstemperatur vorgesehen ist, die deutlich höher als die Umgebungstemperatur, jedoch zuverlässig unterhalb der Schwellentemperatur liegt. Durch Aufheizen des Werkstücks vor der Laserbearbeitung sowie gegebenenfalls durch eine Temperaturstabilisierung kann die Änderung der Temperatur des Werkstücks im Sensorbereich während der Bearbeitung (und damit die Änderung der optimalen Laserparameter) vermieden oder reduziert werden. Die Erhöhung der Ausgangstemperatur des Werkstücks kann außerdem zur Reduzierung der benötigten Laserenergie führen. Dies rührt unter anderem daher, dass je nach Material bei zunehmender Temperatur auch der Absorptionsgrad des Werkstückmaterials zunimmt, so dass der Energiebedarf gegebenenfalls zusätzlich sinkt und die Prozessstabilität zunimmt. Hierbei ist auch zu berücksichtigen, dass die Werkstücke häufig bereits Halbleiterbauelemente aufweisen, die zum Beispiel für die Funktion der Sensoren benötigt werden. Um zuverlässig sicherzustellen, dass keine Schädigung dieser Halbleiterbauelemente hervorgerufen wird, ist es zweckmäßig, die Temperaturerhöhung auf unkritische Werte zu beschränken. Vorzugsweise liegen die durch Aufheizen eingestellten Arbeitstemperaturen im Bereich von 30°C bis 250°C, insbesondere im Bereich von 50°C bis 100°C.
Bei vielen Verfahrensvarianten ist keine aktive Kühlung erforderlich, da der Temperaturunterschied zwischen der Probentemperatur und der Schwellentemperatur relativ groß ist und nur ein kleines Volumen der Probe erwärmt wird, so dass sich allein durch Wärmeleitung im Werkstück eine hohe Abkühlgeschwindigkeit einstellt. In anderen Fällen kann jedoch eine aktive Kühlung sinnvoll sein. Daher ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass das Werkstück bei und/oder nach der Laserbestrahlung auf eine Temperatur unterhalb der Schwellentemperatur aktiv abgekühlt wird. Dazu kann beispielsweise ein Kühlfluid in einem lokal begrenzten Bereich aufgebracht werden. Zur Kühlung kann beispielsweise kaltes Gas (z.B. Luft oder Stickstoff) oder ein Flüssigkeitsnebel (zum Beispiel Wassersprühnebel) eingesetzt werden.
Je nach Verfahrensvariante und nach eingesetztem Schichtsystem kann auch die Laserbestrahlung in einer Inertgas-Atmosphäre vorteilhaft sein.
Eine erhebliche Steigerung des Durchsatzes fertiger Sensorelemente im Vergleich zum Stand der Technik wird gemäß einer Weiterbildung dadurch erreicht, dass das Werkstück während der Laserbestrahlung mit kontinuierlicher Geschwindigkeit in einer Bewegungsrichtung bewegt wird, so dass eine Pulsauslösung in der Bewegung des Werkstücks ohne Anhalten erfolgt. Durch diese „On-the-Fly“ -Pulsauslösung bzw. OTF-Pulsauslösung in der Bewegung können Massenproduktions-Hochgeschwindigkeitsprozesse realisiert werden. Ein bevorzugtes System weist dementsprechend ein Bewegungssystem auf, das dafür geeignet ist, das Werkstück während der Laserbestrahlung mit kontinuierlicher Geschwindigkeit in einer Bewegungsrichtung zu bewegen und Pulse während der Bewegung des Werkstücks auszulösen. Bei derartigen Weiterbildungen kann das Werkstück während der Bearbeitung somit kontinuierlich mit relativ hoher Geschwindigkeit bewegt werden, um einen effizienten Massenproduktionsprozess zu ermöglichen. Vorschubgeschwindigkeiten können z.B. im Bereich von 50 mm/s bis 500 mm/s liegen, insbesondere im Bereich von 150 mm/s bis 300 mm/s, ggf. auch darüber oder darunter.
Dabei kann es abhängig von der gewählten Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks und der gewählten Pulsdauer allerdings bei der Laserbestrahlung zu einer störenden Bewegungsunschärfe kommen, die sich daran zeigt, dass sich der bestrahlte Bereich in Bewegungsrichtung weiter erstreckt als es den gewünschten Abmessungen des Sensorbereichs in der Bewegungsrichtung entspricht. Um dem entgegenzuwirken, weist ein System gemäß einer Weiterbildung eine Bewegungsunschärfe-Kompensationseinrichtung mit wenigstens einer steuerbaren Komponente auf, die derart gesteuert wird, dass während der Dauer eines Laserpulses ein Laserstrahl-Auftreffbereich am Werkstück zur Kompensation einer Auftreffbereich-Verschmierung in der Bewegungsrichtung des Werkstücks mitgeführt wird. Die Bewegungsunschärfe kann somit mit einer zusätzlichen Bewegung während der Laserpulsdauer wenigstens teilweise kompensiert werden.
Bei manchen Ausführungsformen weist die Bewegungsunschärfe-Kompensationseinrichtung hierzu eine dynamisch steuerbare Laserstrahl-Umlenkeinrichtung auf, die in einem Laserstrahlengang zwischen der Laserquelle und der Bearbeitungsebene angeordnet ist. Diese Umlenkeinrichtung, beispielsweise ein Umlenkspiegel, kann dynamisch zum Beispiel mittels eines Piezoaktors verschwenkt werden, um die Kompensationsbewegung zu erzeugen. Der Umlenkspiegel kann auch durch einen Scanner ersetzt werden. Die Umlenkeinrichtung kann während des Laserpulses so angesteuert werden, dass der Laserspot, d.h. das Bild der Maske, der Bewegung des Werkstücks folgt. Zwischen den Laserpulsen wird der Spiegel dann zurück in die Ausgangsposition bewegt.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Bewegungsunschärfe-Kompensationseinrichtung dafür eingerichtet ist, die Maskenhalteeinheit während der Dauer eines Laserpulses zu verlagern und zwischen Laserpulsen zurück zu verlagern. Dazu kann eine Bewegungsachse der Maskenhalteeinheit entsprechend angesteuert werden. Auch hierdurch kann erreicht werden, dass der Laserspot bzw. das Bild der Maske der Bewegung der Probe folgt.
Es ist auch möglich, dass der steuerbare Umlenkspiegel oder Scanner bzw. die X-Z-Achsen der Maske nach der Bestrahlung eines Flächenelements so angesteuert werden, dass der Laserstrahl zu einem Flächenelement in einer benachbarten Zeile mit Sensorbereichen springt und ein weiterer Laserpuls ausgelöst wird und anschließend der Rücksprung zur Position der aktuellen Zeile erfolgt. Dadurch können mit einer Überfahrt zwei oder mehr Zeilen bearbeitet werden und damit die Bearbeitungsgeschwindigkeit zusätzlich erhöht werden.
Das System sollte in der Lage sein, unterschiedlichste Sensortypen zuverlässig zu fertigen, und zwar einschließlich solcher, die Bereiche mit unterschiedlicher räumlicher Orientierung der Magnetisierung innerhalb eines Sensors enthalten. Ein Beitrag dazu wird gemäß einer Weiterbildung dadurch geleistet, dass die Magnetisierungseinrichtung zwei oder mehr unterschiedliche Magneteinheiten aufweist. Unterschiedliche Magneteinheiten können unterschiedliche Anzahlen und/oder Anordnungen von Permanentmagneten und ggf. Polschuhen und/oder anderen Magnetfelderzeugenden oder -leitenden Teilen aufweisen und so aufgebaut sein, dass verschiedene räumliche Orientierungen der Magnetisierung und unterschiedliche Magnetfeldstärken innerhalb eines zu programmierenden Sensorelements realisiert werden können.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Magnetisierungseinrichtung zwei oder mehr Magneteinheiten (z.B. mit Permanentmagneten) aufweist, die in einem beweglich gelagerten Magnethalter gehalten und durch Verlagerung des Magnethalters selektiv in einer Arbeitsposition angeordnet werden können, in der sie das externe Magnetfeld zur Programmierung bereitstellen. Die Magneteinheiten, die vorzugsweise mit Permanentmagneten aufgebaut werden, können dieses mit unterschiedlicher Orientierung ihrer magnetischen Achsen und/oder mit unterschiedlichen Magnetfeldstärken bereitstellen. So können mehrere Magneteinheiten an oder auf einem elektrisch steuerbaren Revolver oder einem linearen Aufbau angeordnet sein, so dass die Magneteinheiten elektrisch steuerbar gewechselt werden können.
Eine Magneteinheit kann um eine Drehachse drehbar gelagert sein, so dass die räumliche Orientierung der Magnetisierung in einer parallel zur Bearbeitungsebene liegenden Ebene idealerweise in einem Winkel zwischen 0° und 360° stufenlos eingestellt werden kann.
Es kann auch sein, dass 3D-Sensoren erzeugt werden sollen. Dann kann es zusätzlich erforderlich sein, bestimmte räumliche Orientierungen der Magnetisierung bezüglich der Z-Achse (senkrecht zur Bearbeitungsebene) zu realisieren. Auch das ist mithilfe geeigneter Magneteinheiten möglich.
Figurenliste
Weitere Vorteile und Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die nachfolgend anhand der Figuren erläutert sind.

1A - 1D zeigt in 1A zur Verdeutlichung des Sensorprinzips eine schräge Ansicht, in 1B einen Schnitt durch den Schichtaufbau eines xMR-Sensorelements vor der Programmierung, in 1 C denselben Schichtaufbau nach der Programmierung und in 1D eine Draufsicht auf ein Beispiel einer xMR-Sensoranordnung mit mehreren Sensorelementen;
2 zeigt schematisch Komponenten einer Laserbearbeitungsstation eines Systems zur Herstellung von xMR-Magnetfeldsensoren;
3 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Wechselmaske gemäß eines Ausführungsbeispiels;
4 zeigt eine Draufsicht auf die Bearbeitungsebene inklusive Magnetisierungsrichtung und Kühlung;
5 zeigt eine schematische Seitenansicht einer flexiblen Magnetisierungseinrichtung, die zwischen Abbildungsobjektiv und Bearbeitungsebene angeordnet ist;
6 zeigt schematisch eine Seitenansicht aus dem Bereich einer anderen Magnetisierungseinrichtung in Kombination mit einer Kühleinrichtung und einer Heizeinrichtung und einer Einrichtung zum gesteuerten Wechsel von zwei Magneteinheiten;
7A, 7B zeigen Diagramme zur Erläuterung von Verfahrensvarianten mit einer gezielten Einstellung der zeitlichen Pulsformen zur Optimierung der Aufheizung bei einem Ausführungsbeispiel.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele von Verfahren und Systemen zur Herstellung von xMR-Magnetfeldsensoren beschrieben, die bei dem Teilprozess des „Programmierens“ bestimmte Varianten des „Selektive Laser Annealing“ nutzen, um eine lokal begrenzte Aufheizung eines Sensorbereichs mittels Laserstrahlung unter sehr genau vorgebbaren Bedingungen zu erreichen. xMR-Magnetfeldsensoren sind sehr empfindliche magnetoresistive Magnetfeldsensoren, die den GMR-Effekt oder den TMR-Effekt nutzen. Die Kürzel GMR und TMR werden in dieser Anmeldung mit dem Kürzel „xMR“ zusammengefasst.
1A zeigt schematisch einen Schnitt durch den Schichtaufbau eines xMR-Sensorelements SE, das sich abwechselnde magnetische und nichtmagnetische dünne Schichten aufweist. Der elektrische Widerstand der Schichtstruktur hängt von der gegenseitigen Orientierung der durch Pfeile symbolisierten Magnetisierungen der magnetischen Schichten ab. Die Schichtstruktur weist eine weichmagnetische (ferromagnetische) Detektionsschicht DET, eine im Vergleich dazu hartmagnetische Referenzschicht REF sowie eine zwischen der Detektionsschicht DET und der Referenzschicht REF angeordnete, nicht-magnetische Zwischenschicht ZW auf.
Die räumliche Orientierung der Magnetisierungsrichtung MR_DET der Detektionsschicht DET kann dem äußeren Magnetfeld MF folgen. Bei der Referenzschicht dagegen ändert sich die räumliche Orientierung der Magnetisierung MR_REF auch unter dem Einfluss starker äußerer Magnetfelder nicht oder kaum.
Wie in 1B dargestellt, umfasst die Referenzschicht REF im Beispielsfall eine relativ weichmagnetische ferromagnetische Schicht FS und eine antiferromagnetische Schicht AFS. Die räumliche Orientierung der Magnetisierungsrichtung der weichmagnetischen ferromagnetischen Schicht FS wird durch die antiferromagnetische Schicht AFS über den sogenannten „Exchange Bias Effekt“ festgelegt bzw. stabilisiert.
Bei der antiferromagnetischen Schicht AFS ist die räumliche Orientierung der Magnetisierung unterhalb einer Schwellentemperatur T_B bzw. der sogenannten Blocking-Temperatur T_B, nicht durch ein äußeres Magnetfeld MF beeinflussbar. Makroskopisch weist die antiferromagnetische Schicht keine Magnetisierung auf, da sich die magnetischen Momente der antiparallel ausgerichteten benachbarten Weißschen Bezirke gegenseitig kompensieren (vgl. 1B). Benachbarte Weißsche Bezirke bleiben auch nach der Programmierung antiparallel, sind jedoch dann alle parallel bzw. antiparallel zum äußeren Magnetfeld ausgerichtet (vgl. 1C). Eine einmal programmierte räumliche Orientierung der Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht FS wird jedoch durch die Orientierung in der antiferromagnetischen Schicht AFS stabilisiert, so dass die programmierte Orientierung auch unter starken äußeren Magnetfeldern nicht oder nahezu nicht verändert wird.
Die dünne Zwischenschicht ZW ist bei GMR-Sensorelementen unmagnetisch und elektrisch leitfähig, bei TMR-Sensorelementen dagegen unmagnetisch und nicht leitfähig, also isolierend. Die elektrische Leitfähigkeit der Zwischenschicht (bei GMR), gemessen längs der Schicht (vgl. 1C) bzw. der Tunnelstrom durch die Zwischenschicht hindurch (bei TMR, gemessen senkrecht zur Schicht) wird durch die räumliche Orientierung der Magnetisierung der Detektionsschicht im Verhältnis zur räumlichen Orientierung der Magnetisierung der Referenzschicht bestimmt.
Somit ist der Wert der Leitfähigkeit bzw. des Tunnelstroms von der räumlichen Orientierung des äußeren Magnetfelds MF abhängig und es kann bei geeigneter Auslegung des Sensorsystems durch Auswertung der Sensorsignale auf die Orientierung des äußeren Magnetfelds geschlossen werden.
Die Referenzschicht REF kann mittels Laserbestrahlung und damit erzeugter Erwärmung lokal über die Blocking-Temperatur (engl. blocking temperature) hinaus in einem äußeren Magnetfeld programmiert (gepinnt) werden. Die Herstellung eines xMR-Sensorelements umfasst die Einstellung der magnetischen Ausrichtung der Referenzmagnetschicht in einer gewünschten Empfindlichkeitsrichtung. Die gewählte Magnetisierungsausrichtung definiert die Empfindlichkeitsachse eines Sensorelements.
Häufig werden zum Aufbau von Sensorschaltungen SENS mehrere xMR-Sensorelemente mit unterschiedlichen Richtungen der Magnetisierung der Referenzschichten bzw. unterschiedlich orientierten Empfindlichkeitsachsen benötigt. 1C zeigt beispielhaft eine Wheatstone-Brücken-Sensorschaltung, die der 4 der WO 02/082111 A1 nachempfunden ist. Darin sind mehrere (hier vier) xMR-Sensorelemente SE unterschiedlicher Empfindlichkeitsachsen (Pfeile) zusammengeschaltet. Solche Sensoranordnungen können inzwischen in monolithischer Bauweise einschließlich Ausleseelektronik aus demselben Werkstück gefertigt werden.
In 2 sind schematisch Komponenten einer Laserbearbeitungsstation 100 gezeigt, die ein funktionaler Bestandteil eines Ausführungsbeispiels eines Systems zur Herstellung von xMR-Magnetfeldsensoren ist. Das System ist eingerichtet, um Verfahren zur Programmierung der räumlichen Orientierung der Magnetisierung dünner Schichten durchzuführen. Dies wird durch lasergestütztes Aufheizen des zu programmierenden Schichtelements bzw. Sensorelements auf eine Temperatur über der Blocking-Temperatur sowie anschließendes Abkühlen auf Raumtemperatur bei Vorhandensein eines äußeren magnetischen Feldes mit der für das zu programmierende Schichtelement vorgegebenen räumlichen Orientierung der Magnetisierung automatisiert erreicht. Die Programmierung kann in einem Massenproduktions-Hochgeschwindigkeitsprozess durch on-the-fly (OTF) Pulsauslösung in der Bewegung ohne Anhalten des Werkstücks 150 mit hoher Genauigkeit erledigt werden.
Die Laserbearbeitungsstation 100 weist eine Laserbearbeitungseinheit 110 auf, die mit Laserstrahlung einer Laserstrahlungsquelle 112 arbeitet. Diese emittiert einen Laserstrahl 105, der zunächst in horizontaler Richtung parallel zur x-Achse des Systemkoordinatensystems KS propagiert. Zusätzlich sind an der Laserbearbeitungsstation Be- und Entladesysteme und weitere Peripheriegeräte vorgesehen.
Die lasergestützte Programmierung der räumlichen Orientierung der Magnetisierung der Referenzschicht in Magnetsensoren beruht auf der definierten Erwärmung der Referenzschicht. Dafür sind alle Laserwellenlängen geeignet, die von den zu bestrahlenden Schichten ausreichend stark absorbiert werden. Dies ist für die meisten eingesetzten Schichten in einem großen Wellenlängenbereich gegeben, so dass meist kostengünstige Laser im nahen infraroten (NIR) Wellenlängenbereich zum Einsatz kommen. Im Beispiel wird ein Faserlaser mit der Wellenlänge 1064 nm genutzt. Der typischerweise genutzte Wellenlängenbereich liegt zwischen 500 nm und 3 µm. Zur Bestrahlung von Metallschichten, die im infraroten Wellenlängenbereich sehr stark reflektieren und damit diese Wellenlängen nur gering absorbieren, ist der Einsatz grüner Wellenlängen (z.B. 532 nm) besser geeignet. Alternativ ist es ebenfalls möglich, die Strahlung von Laserdioden zur Erwärmung der Referenzschicht einzusetzen. Dabei kommen bevorzugt Wellenlängen im Bereich zwischen 600 und 900 nm sowie zwischen 1,3 ... 1,6 µm zum Einsatz.
Die Laserstrahlungsquelle 112 emittiert gepulste Laserstrahlung, also einzelne Laserpulse. Vorzugsweise werden Laserpulse mit Pulsdauern zwischen 1 ns und 1 ms verwendet. In einem Ausführungsbeispiel wird ein Faserlaser mit der Wellenlänge 1064 nm und einer maximalen Pulsenergie bevorzugt im Bereich zwischen 400 µJ und 5 mJ eingesetzt. Die Anpassung der Pulsenergie des Lasers an den Prozess wird über einen elektrisch steuerbaren Abschwächer realisiert. Der Laser arbeitet intern bei einer konstanten Laserpulswiederholfrequenz (bevorzugt im Bereich zwischen 1 und 100 kHz), so dass vom Laser eine konstante Pulsenergie / Fluenz emittiert wird. Dabei werden nur die zur Programmierung benötigten Laserpulse auf das Werkstück gerichtet, das heißt, es werden dann Laserpulse auf das Werkstück gerichtet, wenn sich ein zu programmierendes Sensorelement im Bearbeitungsbereich befindet. Nicht benötigte Laserpulse können beispielsweise auf eine Strahlfalle gerichtet werden, die die Laserstrahlung absorbiert.
Der emittierte primäre Laserstrahl durchtritt eine Strahlformungseinheit 120, welche optische Komponenten eines Strahlaufweitungssystems 122 sowie optische Komponenten eines Homogenisierungssystems 125 umfasst. Das Homogenisierungssystem kann z.B. mindestens ein Diffraktives Optisches Element (DOE) enthalten.
Durch die Homogenisierung kann unter anderem erreicht werden, dass die Blocking-Temperatur bzw. Schwellentemperatur im gesamten bestrahlten Gebiet nahezu gleichzeitig überschritten wird, ohne die Laserzerstörschwelle des Materials zu überschreiten. Die Intensität über die Querschnittsfläche des Laserstrahls in der Maskenebene ist regelmäßig im Wesentlichen konstant in dem Sinne, dass nur eine relativ geringe Abweichung von beispielsweise maximal 20%, vorzugsweise maximal 10 % vorliegt.
Nach Durchtritt durch die Strahlformungseinheit 120 bzw. im Strahlengang hinter dieser hat der aufgeweitete Laserstrahl über seinen gesamten Querschnitt eine relativ gleichmäßige bzw. homogene Intensitätsverteilung, in welcher vorzugsweise lokale Intensitätsunterschiede weniger als 20%, vorzugsweise weniger als 10%, der maximalen lokalen Intensität betragen.
Die Laserbearbeitungsstation 100 ist für ein Maskenprojektionsverfahren eingerichtet. Dazu sind Komponenten eines Maskenprojektionssystems installiert. Dieses weist u.a. eine Maskenhalteeinheit 135 auf, die eine auswechselbare Maske 130 derart aufnehmen kann, dass die Maske in einer senkrecht zur Strahlrichtung des Laserstrahls 105 orientierten Maskenebene 132 angeordnet ist. Die Maske kann unter der Steuerung einer Steuereinheit 190 der Laserbearbeitungseinheit mithilfe entsprechender Maschinenachsen parallel und senkrecht zur Maskenebene 132 linear verlagert sowie um die Maskenebenen-Normalenrichtung gedreht und auch gekippt werden.
Die auswechselbare Maske weist wenigstens eine Maskenapertur bzw. Maskenöffnung 133 auf, durch die homogenisierte Laserstrahlung hindurchtreten kann. Die Maskenapertur kann z.B. eine rechteckige Form mit ungleichen Seitenlängen oder eine quadratische Form aufweisen. Details einer beispielhaften Wechselmaske sind in 3 gezeigt.
Die Maske 130 hat einen lichtundurchlässigen flachen Maskenkörper 131, an dem drei unterschiedliche Maskenbereiche 134-1, 134-2 und 134-3 ausgebildet sind. Im ersten Maskenbereich 134-1 gibt es zwei in Y-Richtung des Maskenkoordinatensystems MKS nebeneinanderliegende quadratische Maskenöffnungen 133-1, 133-2 gleicher Größe. Die gestrichelte Linie bezeichnet den Rand desjenigen rechteckigen Bereichs 108, der durch die von der Strahlformungseinheit kommende homogenisierte Laserstrahlung gleichmäßig ausgeleuchtet wird. Die Größe kann z.B. etwa 24 mm x 24 mm betragen. Damit können gleichzeitig zwei nebeneinanderliegende quadratische Sensorbereiche am Werkstück erzeugt werden.
Im daneben liegenden zweiten Maskenbereich 134-2 gibt es zwei zueinander parallele Reihen mit jeweils vier identisch großen quadratischen Maskenöffnungen. Diese können gleichzeitig ausgeleuchtet werden, so dass acht Sensorelemente gleicher Magnetisierungsrichtung gleichzeitig erzeugt werden können. Im daneben liegenden dritten Maskenbereich 134-3 sind vier linienartige Maskenöffnungen nebeneinander angeordnet, um entsprechend gestaltete Sensorelemente zu erzeugen.
Sofern die verfügbare Energie bzw. Fläche nicht ausreicht, ist es auch möglich, nur einen Teil eines Sensorelements mit einem Laserpuls zu bestrahlen und die Programmierung eines kompletten Sensorelements mit mehreren Laserpulsen zu realisieren.
Die Maskenhalteeinrichtung 135 erlaubt mit ihren Aktoren unterschiedliche Bewegungen der Maske 130. Eine Maskenbewegung mit relativ großem Hub in X-Richtung kann zum computergesteuerten Maskenwechsel genutzt werden, um einen der Maskenbereiche in denjenigen Bereich 108 zu bringen, der vom Laserstrahl ausgeleuchtet wird. Weiterhin sind kurze Translationsbewegungen in X-, Y- und Z-Richtung sowie Drehungen um die Z-Richtung (φ-Achse) möglich, um die Maskenposition entweder computergesteuert oder manuell zu justieren. Somit ist eine sehr flexible Prozessführung möglich.
Die durch die Maske bzw. durch die Maskenöffnung(en) hindurchgetretenen Anteile bzw. Teilbündel werden an einer Strahlumlenkeinrichtung 115 umgelenkt und propagieren dann im Wesentlichen vertikal bzw. parallel zu einer Hauptachse 116 der Laserbearbeitungseinheit 110 (parallel zur Z-Richtung des Maschinenkoordinatensystems KS) oder in mehr oder weniger spitzen Winkeln dazu nach unten in Richtung eines zu bearbeitenden Werkstücks 150.
Die Strahlumlenkeinrichtung 115 hat ein aus synthetischem Quarzglas bestehendes, planparalleles Substrat, an dem eine Planfläche als reflektive Strahlumlenkfläche ausgebildet ist, indem sie mit einer für die Laserstrahlung hochreflektierenden dielektrischen Beschichtung beschichtet ist. In der gezeigten Variante ist der Umlenkspiegel hochdynamisch gesteuert verkippbar (siehe Doppelpfeile). Diese Funktionalität kann z.B. genutzt werden, um Bewegungsunschärfen bei einer on-the-fly-Bearbeitung zu vermeiden. Ein periodischer Wechsel zwischen zwei benachbarten Zeilen der Bearbeitung ist ebenfalls möglich.
Die im Wesentlichen gleichmäßig ausgeleuchteten Maskenöffnungen 133 (eine oder mehrere) in der Maskenebene 132 werden mithilfe eines Abbildungsobjektivs 140 in die Bearbeitungsebene 122 der Laserbearbeitungseinheit abgebildet. Das Abbildungsobjektiv 140 ist eine Komponente des Maskenprojektionssystems und ist optisch zwischen der Maskenebene 132 und der Bearbeitungsebene 122 so angeordnet, dass die Maskenebene in der Objektebene und die Bearbeitungsebene in der Bildebene des Abbildungsobjektivs liegen. Die optische Achse des Abbildungsobjektivs 120 definiert die Hauptachse 116 der Laserbearbeitungseinheit bzw. entspricht dieser. Die Abbildung kann vergrößernd, verkleinernd oder größenerhaltend (1:1-Abbildung) sein. Im Beispiel ist das Abbildungsobjektiv ein Reduktionsobjektiv mit verkleinerndem Maßstab 15:1.
Im Beispiel liegt in der Bearbeitungsebene 122 die gleiche Intensitätsverteilung wie in der Maskenebene vor, allerdings im Maßstab verkleinert, so dass der Intensitätswert vergrößert wird. Die Bilder der gleichmäßig ausgeleuchteten Maskenaperturen bilden gleichmäßig ausgeleuchtete, z.B. rechteckige Laserstrahl-Auftreffbereiche bzw. Laserspots 109 präzise vorgegebener Gestalt auf der Werkstückoberfläche.
Wenn eine Bearbeitung mittels Maskenprojektion erfolgt, so kann ein relativ großer Bereich des Werkstücks, beispielsweise in einer Größe von 0,5 mm x 0,5 mm bis 5 mm x 5 mm, mit einem einzigen Laserpuls strukturiert bestrahlt werden.
Um einen Hochgeschwindigkeitsprozess mit on-the-fly (OTF) Pulsauslösung in der Bewegung ohne Anhalten des Werkstücks 150 zu ermöglichen, weist die Laserbearbeitungsstation 100 weiterhin ein Werkstück-Bewegungssystem 200 auf, welches dafür eingerichtet ist, in Reaktion auf Bewegungssignale der Steuereinheit 190 ein zu bearbeitendes Werkstück in einer horizontalen Bewegungsrichtung 205 senkrecht zur Hauptachse 116 der Laserbearbeitungsstation zu bewegen.
Bei der Konfiguration von 2 umfasst das Werkstück-Bewegungssystem 200 einen Substrattisch 210, der parallel zur (horizontalen) X-Y-Ebene des Systemkoordinatensystems bewegt sowie in Höhenrichtung (parallel zur Z-Richtung) sehr genau auf eine gewünschte Position verfahren sowie um eine vertikale Rotationsachse gedreht werden kann (PHI-Achse). Hierzu sind im Beispielsfall präzise ansteuerbare elektrische Direktantriebe vorgesehen.
Der Substrattisch 210 trägt eine Werkstückhaltevorrichtung 220 zur lagedefinierten Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstücks 150. Das Werkstück 150 ist ein Wafer, der eine Schichtstruktur mit sich abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen dünnen Schichten und ggf. weiteren Strukturen zur Herstellung von xMR-Sensorelementen aufweist.
Die Laserbearbeitungsstation umfasst weiterhin eine Magnetisierungseinrichtung 160, die mithilfe von Signalen einer Steuereinheit 190 einstellbar ist, um ein Magnetfeld mit variabel vorgebbarer Feldrichtung zu erzeugen, welches das Werkstück im Laserbestrahlungsbereich und in dessen Umgebung wenigstens teilweise durchdringt, wenn sich die Magnetisierungseinrichtung in einer Arbeitskonfiguration befindet. Die magnetfelderzeugenden Komponenten der Magnetisierungseinrichtung, insbesondere Permanentmagnete, sind geometrisch zwischen dem Abbildungsobjektiv 140 und der Bearbeitungsebene 122 sehr nahe am Werkstück angeordnet und können aufgrund des geringen Abstands zu den zu magnetisierenden Schichten sehr präzise und mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Ausführungsbeispiele von Magnetisierungseinrichtungen sind ist in den 4, 5 und 6 gezeigt.
4 zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Bearbeitungsebene bzw. auf die zu bearbeitende Oberseite des Werkstücks 150. Die Magnetisierungseinrichtung 160 weist eine Magneteinheit mit zwei Permanentmagneten 165 auf, die in einem beweglich gelagerten Magnethalter gehalten und durch Verlagerung des Magnethalters selektiv in eine Arbeitsposition anordenbar sind, wobei die Permanentmagneten mit unterschiedlicher Orientierung ihrer magnetischen Achsen (Verbindungsgerade zwischen Nordpol N und Südpol S) gehalten sind und/oder unterschiedliche Magnetfeldstärken bereitstellen.
Mithilfe der Magnetisierungseinrichtung 160 wird ein durch die Pfeileschar repräsentiertes homogenes Magnetfeld MF in der Bearbeitungsebene erzeugt, welches beim Programmieren die Ausrichtung der Magnetisierung der Referenzschicht in dieser Richtung erzwingt. Die Feldlinien verlaufen im Bereich des Laserspots im Wesentlichen parallel zur Schichtausdehnung der Schichten bzw. zur Werkstückoberfläche. Unmittelbar nach dem Aufheizen im Bereich des quadratischen Bilds der Maskenapertur (Laserspot 109) erfolgt die Abkühlung mithilfe des durch die Düse 182 aufgebrachten Kühlfluids, wenn sich das Werkstück kontinuierlich in der Richtung der kontinuierlichen Werkstückbewegung bewegt (Pfeil).
Durch Drehung der Magnetisierungseinrichtung bzw. der Magneteinheit um die Z-Richtung (alternativ ist auch die Drehung des Werkstücks möglich) kann die räumliche Orientierung der Magnetisierung innerhalb einer Ebene (z.B. der X-Y-Ebene) in einem Winkel von 0 bis 360° eingestellt werden, so dass es möglich ist, jede gewünschte Richtung der Magnetisierung für 2D-Sensoren einzustellen (vgl. 4).
Wenn 3D-Sensoren erzeugt werden sollen, ist es zusätzlich erforderlich, die räumliche Orientierung der Magnetisierung bezüglich der Z-Achse zu realisieren. Dafür kann vorgesehen sein, mehrere Magneteinheiten der Magnetisierungseinrichtung auf einem elektrisch steuerbaren Revolver oder linearen Aufbau (vgl. 6) anzuordnen, so dass die Magneteinheiten elektrisch steuerbar gewechselt werden können (siehe Doppelpfeil in 6).
Die Magnetisierungseinrichtung 160 in 6 weist zwei unterschiedliche Magneteinheiten 165-1, 165-2 auf, die jeweils zwei Permanentmagnete aufweisen. Diese sind in der Magneteinheit 165-1 mit paralleler und in der Magneteinheit 165-2 mit antiparalleler Orientierung ihrer Polarität nebeneinander angeordnet. Dabei stellt die in der Arbeitsposition angeordnete Magneteinheit 165-2 eine räumliche Orientierung der Magnetisierung parallel zur X-Y-Ebene zur Verfügung, während mit einer anderen Magneteinheit 165-1 eine räumliche Orientierung der Magnetisierung senkrecht zur X-Y-Ebene bereitgestellt werden kann. Ebenso ist es mit diesem System möglich, verschiedene Magneteinheiten bereitzustellen, mit denen unterschiedliche Magnetfeldstärken realisiert werden können. Unterschiedliche Magnetfeldstärken können beispielsweise für unterschiedliche Schichtsysteme oder Sensorkonfigurationen erforderlich sein.
Die Laserbearbeitungsstation 100 ist weiterhin mit steuerbaren Einrichtungen zum Temperaturmanagement ausgestattet. Der Werkstückhalter 220 ist als Heiz-Chuck ausgestaltet und umfasst eine zum Beispiel elektrisch betreibbare Heizeinrichtung 225, mit der ein durch die Werkstückhaltevorrichtung 220 gehaltenes Werkstück 150 auf eine Arbeitstemperatur deutlich oberhalb von Raumtemperatur (20 °C) aufgeheizt werden kann. Damit sind nach den Erfahrungen der Erfinder häufig qualitativ bessere Bearbeitungsergebnisse erzielbar. Unter anderem kann bei manchen Werkstoffen durch das Aufheizen erreicht werden, dass der Absorptionskoeffizient des Werkstückmaterials steigt, so dass weniger Laserenergie zum Aufheizen der Sensorelementbereiche notwendig ist. Außerdem erfolgt die Aufheizung über die Schwellentemperatur hinaus mit einer relativ kleinen, gut kontrollierbaren Temperaturerhöhung.
Weiterhin ist eine Kühleinrichtung 180 vorgesehen, mit der das aufgeheizte Werkstückmaterial aktiv unter die Schwellentemperatur abgekühlt werden kann. Es werden also deutlich höhere Abkühlgeschwindigkeiten erreicht als bei passivem Abkühlen. Die Kühlung kann kontinuierlich betrieben werden oder getaktet nur im Anschluss an die Laserbestrahlung ausgelöst werden.
Im Beispielsfall wird zur Kühlung kaltes Gas oder ein Flüssigkeitsnebel (zum Beispiel Wassersprühnebel) eingesetzt, der über die gezeigte Sprühdüse 182 in unmittelbarer Nähe des Laser-Auftreffbereichs 109 auf das Werkstück 150 strömt. Wasser kühlt besonders effizient durch den Entzug der vergleichsweise großen Verdunstungswärme von der erwärmten Werkstückoberfläche. Die Wassermenge sollte dabei so eingestellt werden, dass diese möglichst komplett verdunstet. Wie dargestellt, sollte die Kühlung in Bewegungsrichtung 205 hinter dem Laserkopf angeordnet und auf den Bereich der Heizzone bzw. deren unmittelbare Umgebung räumlich begrenzt sein. Gegebenenfalls kann ein Kühlpuls unmittelbar nach einem Heizpuls nur kurzzeitig in dem Zeitraum aktiviert werden, solange sich der erhitzte Bereich in der Kühlzone befindet. Die aktive Kühlung kann ebenfalls verhindern, dass benachbarte, nicht bestrahlte Gebiete durch Wärmeleitung zu stark erwärmt werden.
Wie oben erwähnt, wird das Werkstück während der Bearbeitung kontinuierlich mit relativ hoher Geschwindigkeit bewegt, um einen effizienten Massenproduktionsprozess zu ermöglichen. Diese Bewegung wird über das Bewegungssystem 200 erzeugt. In Abhängigkeit von der gewählten Vorschubgeschwindigkeit und der gewählten Pulsdauer kann es bei der Laserbestrahlung zu einer Bewegungsunschärfe kommen. Bei einer beispielhaft gewählten Geschwindigkeit des Werkstücktransports von 250 mm/s und einer Laserpulsdauer von 100 µs liegt diese Bewegungsunschärfe beispielsweise im Bereich von 25 µm, so dass in Bewegungsrichtung ein Bereich bestrahlt wird, der 25 µm größer ist als geplant. Außerdem werden die ersten und letzten 25 µm der bestrahlten Struktur in Bewegungsrichtung nicht mit der vollständigen Laserenergie bestrahlt. Dadurch können Abweichungen der Laserbearbeitung bzw. der Programmierung entstehen, die die zulässigen Toleranzen übersteigen.
Um dem entgegenzuwirken, weist das System eine Bewegungsunschärfe-Kompensationseinrichtung auf. Im Beispielsfall wird der Umlenkspiegel 115 als Teil dieser Kompensationseinrichtung verwendet. Der Umlenkspiegel 115 ist mithilfe von Piezoantrieben oder auf andere Weise elektrisch so ansteuerbar ausgelegt und kann während eines Laserpulses so angesteuert werden, dass der erzeugte Laserspot 109, d.h. das Bild der Maske auf dem Werkstück, der Bewegung des Werkstücks 150 folgen kann. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Laserpulsen wird der Spiegel dann zurück in seine Ausgangsposition bewegt. In 2 ist diese Kompensationsbewegung, die in Richtung der Probenbewegung erfolgt, durch die kleinen Doppelpfeile am Umlenkspiegel 115 dargestellt.
In 3 ist eine andere mögliche Kompensationsbewegung durch den Doppelpfeil am ersten Maskenbereich 134-1 dargestellt, die hier über eine Maskenbewegung in X-Richtung erfolgt.
Bei manchen Ausführungsvarianten werden der steuerbare Umlenkspiegel oder ein Scanner oder die X-Z-Achsen der Maske nach der Bestrahlung eines Flächenelements so angesteuert, dass der Laserstrahl zu einem Flächenelement in einer benachbarten Zeile springt, dann ein weiterer Laserpuls ausgelöst wird und anschließend der Rücksprung zur Position der aktuellen Zeile erfolgt. Durch hin und her springen zwischen zwei Bearbeitungszeilen kann die Produktivität der Bearbeitung weiter erhöht werden, da mit einer Überfahrt über den Wafer (das Werkstück) zwei Zeilen bearbeitet werden und sich die Anzahl der Überfahrten halbiert. Dies kann auch von Vorteil sein, wenn dadurch wegen der erhöhten Anzahl an Laserpulsen mit etwas geringerer Vorschubgeschwindigkeit der Probe gearbeitet werden muss. Durch Anpassung des Waferlayouts kann der Vorteil dieser Methode noch besser zum Tragen kommen, indem die Strukturen (Sensorelemente) in benachbarten Zeilen gegeneinander (z.B. um eine halbe Strukturlänge) versetzt sind. Dann muss der Spiegel beim Sprung zwischen den Zeilen im Wesentlichen nur in einer Achse und damit um einen geringeren Betrag versetzt werden. Der Versatz sollte so gering wie möglich gehalten werden, da sonst Abbildungsfehler zunehmen bzw. größere und damit kostenintensivere Objektive benötigt werden.
Die Verwendung der Maskenachsen für den Sprung zur benachbarten Zeile setzt einen entsprechend größeren Laserstrahl (homogene Fläche in der Maskenebene) voraus und kann damit die Ausnutzung der Laserenergie vermindern, da ein größerer Bereich von der Maske ausgeblendet wird. Der Versatz des Laserstrahls mittels des Umlenkspiegels würde diesen Nachteil vermeiden, kann jedoch zu etwas größeren Abbildungsfehlern führen, so dass sich je nach Anwendung die eine oder andere Variante als besser geeignet erweisen kann.
Das Laserbearbeitungssystem weist weitere Möglichkeiten zur Prozessoptimierung bei der Herstellung von xMR-Magnetfeldsensoren auf. Das an die Steuereinheit 190 angeschlossene Bedienungssystem 195 umfasst eine Pulseigenschafts-Einstelleinrichtung 197, mit der Pulseigenschaften der Laserpulse variabel eingestellt werden können. Beispielsweise können Pulsdauer, Pulshöhe etc. im Rahmen gewisser Grenzen modifiziert und dadurch an den Prozess besser angepasst werden.
Eine Besonderheit besteht darin, dass die Pulseigenschafts-Einstelleinrichtung in einem Modus dafür konfiguriert ist, die zeitliche Pulsform der Laserpulse einzustellen. Damit lässt sich also die Gestalt des Pulses in einem Intensitäts-Zeit-Diagramm, also die zeitliche Verteilung der Laserintensität innerhalb eines Pulses, einstellen. Dadurch kann ein besser an den Prozess angepasstes Temperaturprofil erzielt werden.
Zur Erläuterung zeigt 7A ein Intensitäts-Zeit-Diagramm, in dem links ein Standard-Puls PS und rechts ein modifizierter Laserpuls PSM mit besonders vorteilhafter zeitlicher Verteilung der Laserenergie gezeigt ist. 7B zeigt in einem korrespondierenden Temperatur-Zeit-Diagramm die jeweils zugehörigen Temperaturverläufe innerhalb der Probe. Beim regulären Puls (links) besteht die Gefahr, dass kurzzeitig so viel Laserenergie eingestrahlt wird, dass zwar die Blocking-Temperatur T_B zuverlässig überschritten wird, jedoch auch die Zerstörschwelle Tz des Werkstückmaterials überschritten wird, was zu Schäden an den Sensorelementen führen kann.
Im Gegensatz dazu wird bei dem rechts gezeigten modifizierten Laserpuls PSM die zeitliche Pulsform so eingestellt, dass die maximale Intensität geringer ist als beim regulären Puls, jedoch die Länge a und die Höhe b des dem Maximum nachlaufenden Pulses so modifiziert werden können, dass über etwas längere Zeit die Intensität auf einem etwa gleichbleibenden Niveau bleibt, bevor sie steil abfällt. Der darunter dargestellte Temperaturverlauf kann dadurch so justiert werden, dass die Blocking-Temperatur T_B sicher überschritten wird, ohne dass eine Zerstörung der Schichten eintritt. Dies kann insbesondere nützlich sein, wenn die Absorption der Schichten mit steigender Temperatur stark zunimmt.
Das Laserbearbeitungssystem 100 der 2 ist mit Einrichtungen zur kamerabasierten Beobachtung der Vorgänge am Werkstück 150 ausgestattet. Die kamerabasierte Beobachtung des bearbeiteten Werkstückbereichs erfolgt z.B. bei Grünlicht mittels einer Kamera 170 durch einen Strahlteiler 172 und das Abbildungsobjektiv 140 hindurch. Mit anderen Worten: Ein Beobachtungsstrahlengang verläuft vom Werkstück bzw. der werkstückseitigen Objektebene des Abbildungsobjektivs durch das Abbildungsobjektiv hindurch zur Kamera 170. Ein Beleuchtungsstrahlengang, mit dem Beleuchtungslicht von einer Beobachtungslichtquelle 175 über eine Reflexion am Strahlteiler 172 auf den zu beobachtenden Ausschnitt geleitet wird, verläuft vorzugsweise ebenfalls durch das Abbildungsobjektiv hindurch. Mit einer kamerabasierten Beobachtung durch die Linse (Through the Lens, TTL) sind besonders präzise Kontrollen bei kompakten Gesamtmaßen der für die Messung erforderlichen Komponenten möglich.
Die Kamera 170 ist zur Signalübertragung mit der Steuereinheit 190 verbunden. Diese umfasst eine Auswerteeinheit zum Auswerten von Bildern der Kamera mittels Bildverarbeitung. Diese Auswertung kann z.B. im Rahmen einer kamerabasierten Positionsregelung und Pulsauslösung genutzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 02/082111 A1 [0010, 0052]
US 2019/0227129 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines xMR-Magnetfeldsensors (SENS) mit mindestens einem xMR-Sensorelement (SE) aus einem Werkstück (150), das eine oder mehrere Schichten eines xMR-Mehrschichtsystems aufweist, welches wenigstens eine hartmagnetische Referenzschicht (REF) mit einer Referenz-Magnetisierungsrichtung umfasst, wobei das Verfahren eine Programmieroperation umfasst, in welcher die räumliche Orientierung der Referenz-Magnetisierungsrichtung in einem zur Bildung eines xMR-Sensorelements vorgesehenen Sensorbereich (SB) eingestellt und/oder verändert wird, indem die Referenzschicht in einer Laserbearbeitungsoperation in dem Sensorbereich mittels Laserstrahlung lokal begrenzt über eine Schwellentemperatur hinaus aufgeheizt wird, der aufgeheizte Bereich der Referenzschicht zu Einstellung der Referenz-Magnetisierungsrichtung einem externen Magnetfeld (MF) mit vorgebbarer Feldrichtung ausgesetzt wird und der aufgeheizte Bereich anschließend wieder unter die Schwellentemperatur abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsoperation eine Maskenprojektionsoperation umfasst, worin eine Maske (130) mit wenigstens einer Maskenapertur (133) in einer Maskenebene (132) angeordnet wird, die mit Abstand zu einer Bearbeitungsebene (122) der Laserbearbeitungsoperation angeordnet ist; ein die Maskenapertur enthaltenden Bereich der Maske mit einem oder mehreren Laserpulsen bestrahlt wird; ein mit Laserstrahlung ausgeleuchteter Bereich der Maskenapertur mithilfe eines zwischen der Maskenebene und der Bearbeitungsebene angeordneten Abbildungsobjektivs (140) in die Bearbeitungsebene (122) abgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Homogenisierung der Laserstrahlung derart, dass eine Intensitätsverteilung der durch eine Maskenapertur (133) hindurchtretenden und auf einen Sensorbereich (SB) treffenden Laserstrahlung über den gesamten Querschnitt im Wesentlichen konstant ist, vorzugsweise um maximal 20%, insbesondere um maximal 10% variiert, wobei vorzugsweise die Homogenisierung in einem Bereich zwischen der Laserstrahlungsquelle (112) und der Maskenebene (132) derart erzeugt wird, dass eine Intensitätsverteilung der auf die Maskenapertur (133) treffenden Laserstrahlung durch die Homogenisierung vorgebbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zeitliche Pulsform der Laserpulse (PSM) variabel eingestellt wird, insbesondere derart, dass eine maximale Intensität innerhalb eines Laserpulses gegenüber einem regulären Laserpuls reduziert und eine Abklinggradient der Laserintensität nach Überschreiten der maximalen Intensität geringer ist als bei einem regulären Laserpuls.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (150) vor Beginn und/oder während der Laserbestrahlung auf eine Arbeitstemperatur aufgeheizt wird, die höher als die Umgebungstemperatur und niedriger als die Schwellentemperatur (T_B) ist, wobei vorzugsweise die Arbeitstemperatur in einem Bereich von 30°C bis 250°C, insbesondere im Bereich von 50°C bis 100°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (150) bei und/oder nach der Laserbestrahlung auf eine Temperatur unterhalb der Schwellentemperatur (T_B) aktiv abgekühlt wird, vorzugsweise mittels Aufbringens eines Kühlfluids in einem lokal begrenzten Bereich.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (150) während der Laserbestrahlung mit kontinuierlicher Geschwindigkeit in einer Bewegungsrichtung (205) bewegt wird, so dass eine Pulsauslösung in der Bewegung des Werkstücks ohne Anhalten erfolgt, wobei die Geschwindigkeit vorzugsweise im Bereich von 50 mm/s bis 500 mm/s liegt, insbesondere im Bereich von 150 mm/s bis 300 mm/s.
Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Bewegungsunschärfe-Kompensation, worin mithilfe wenigstens einer steuerbaren Komponente (115) während der Dauer eines Laserpulses ein Laserstrahl-Auftreffbereich (109) am Werkstück zur Kompensation einer Auftreffbereichs-Verschmierung in der Bewegungsrichtung (205) des Werkstücks mitgeführt wird, wobei vorzugsweise als steuerbare Komponente ein Umlenkspiegel (115) im Strahlengang, eine Bewegungsachse einer Maskenhalteeinrichtung oder ein Scanner angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein steuerbarer Umlenkspiegel oder ein Scanner oder eine Bewegungsachse der Maskenhalteeinheit nach der Bestrahlung eines Flächenelements so angesteuert wird, dass der Laserstrahl zu einem Flächenelement in einer benachbarten Zeile mit Sensorbereichen springt und ein weiterer Laserpuls ausgelöst wird und anschließend ein Rücksprung zur Position der aktuellen Zeile mit Sensorbereichen erfolgt.
System zur Verwendung bei der Herstellung von xMR-Magnetfeldsensoren (SENS), wobei ein xMR-Magnetfeldsensor (SENS) ein xMR-Sensorelement (SE) mit einem xMR-Mehrschichtsystem aufweist, welches mindestens eine hartmagnetische Referenzmagnetschicht (REF) mit einer vorgebbaren Referenz-Magnetisierungsrichtung aufweist, umfassend: eine Steuereinheit (190); eine Laserbearbeitungsstation (100) mit einer durch die Steuereinheit steuerbaren Laserbearbeitungseinheit (110) zur Erzeugung eines Laserstrahls (105), der auf einen Laserbestrahlungsbereich (109) in einer Bearbeitungsebene (122) des Laserbearbeitungseinheit ausrichtbar ist; eine Werkstückhaltevorrichtung (220) zur lagedefinierten Aufnahme eines zu bearbeitenden Werkstücks (150); ein Werkstück-Bewegungssystems (200) zum Bewegen des zu bearbeitenden Werkstücks (150) in einem Arbeitsbereich der Laserbearbeitungsstation in Reaktion auf Bewegungssignale der Steuereinheit (190); eine einstellbare Magnetisierungseinrichtung (160) zum Erzeugen eines Magnetfelds variabel vorgebbarer Feldrichtung, welches das Werkstück (150) im Laserbestrahlungsbereich (109) wenigstens teilweise durchdringt, wenn sich die Magnetisierungseinrichtung (160) in einer Arbeitskonfiguration befindet; gekennzeichnet durch ein Maskenprojektionssystem mit einer Maskenhalteeinheit (135) zum Anordnen einer wenigstens eine Maskenapertur (133) bildenden Maske (130) in einer mit Abstand vor der Bearbeitungsebene (122) liegenden Maskenebene (132) und mit einem Abbildungsobjektiv (140) zur Abbildung der Maskenebene (132) in die Bearbeitungsebene (122) der Laserbearbeitungseinheit.
System nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein zwischen der Laserstrahlungsquelle (112) und der Maskenebene (132) angeordnetes optisches Homogenisierungssystem (125) zur Homogenisierung einer Intensitätsverteilung innerhalb des Laserstrahls (105), wobei das Homogenisierungssystem (125) vorzugsweise wenigstens ein Element der folgenden Gruppe aufweist: ein Diffraktives Optisches Element (DOE); ein räumlicher Lichtmodulator (spatial light modulator (SLM); eine strahlformende optische Faser.
System nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Pulseigenschafts-Einstelleinrichtung (197) zur variablen Einstellung von Pulseigenschaften der Laserpulse, wobei die Pulseigenschafts-Einstelleinrichtung in einem Modus dafür konfiguriert ist, eine zeitliche Pulsform der Laserpulse (PS, PSM) einzustellen.
System nach Anspruch 9, 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine über die Steuereinheit (190) steuerbare Heizeinrichtung (225) zum aktiven Aufheizen eines durch die Werkstückhaltevorrichtung (220) gehaltenen Werkstücks (150) auf eine Arbeitstemperatur und/oder durch eine über die Steuereinheit (190) steuerbare Kühleinrichtung (180) zum aktiven Kühlen eines durch die Werkstückhaltevorrichtung (220) gehaltenen Werkstücks (150).
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch ein Bewegungssystem (200), das über eine Steuereinheit (190) derart steuerbar ist, dass das Werkstück (150) während der Laserbestrahlung mit kontinuierlicher Geschwindigkeit in einer Bewegungsrichtung (205) bewegt wird, so dass eine Pulsauslösung in der Bewegung des Werkstücks ohne Anhalten erfolgt, wobei die Geschwindigkeit vorzugsweise im Bereich von 50 mm/s bis 500 mm/s liegt, insbesondere im Bereich von 150 mm/s bis 300 mm/s.
System nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Bewegungsunschärfe-Kompensationseinrichtung mit wenigstens einer steuerbaren Komponente, die derart gesteuert wird, dass während der Dauer eines Laserpulses ein Laserstrahl-Auftreffbereich (109) am Werkstück (150) zur Kompensation einer Auftreffbereichs-Verschmierung in der Bewegungsrichtung des Werkstücks mitgeführt wird, wobei vorzugsweise die Bewegungsunschärfe-Kompensationseinrichtung eine dynamisch ansteuerbare Laserstrahl-Umlenkeinrichtung (115) aufweist, die in einem Laserstrahlengang zwischen der Laserquelle und der Bearbeitungsebene (122) angeordnet ist und/oder wobei die Bewegungsunschärfe-Kompensationseinrichtung dafür eingerichtet ist, die Maske (130) während der Dauer eines Laserpulses zu verlagern.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierungseinrichtung (160) zwei oder mehr Magneteinheiten (165) aufweist, die in einem beweglich gelagerten Magnethalter gehalten und durch Verlagerung des Magnethalters selektiv in eine Arbeitsposition anordenbar sind, wobei vorzugsweise unterschiedliche Magneteinheiten Permanentmagnete mit unterschiedlicher Orientierung ihren magnetischen Achsen und/oder mit unterschiedlichen Magnetfeldstärken aufweisen und/oder dass die Magnetisierungseinrichtung (160) einen Magnethalter aufweist, der um eine senkrecht zur Bearbeitungsebene (122) orientierte Achse drehbar oder senkrecht zu dieser Achse verschiebbar gelagert ist.