EP4329977A2 - Verfahren und system zur herstellung mikrostrukturierter komponenten - Google Patents
Verfahren und system zur herstellung mikrostrukturierter komponentenInfo
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- EP4329977A2 EP4329977A2 EP22725764.9A EP22725764A EP4329977A2 EP 4329977 A2 EP4329977 A2 EP 4329977A2 EP 22725764 A EP22725764 A EP 22725764A EP 4329977 A2 EP4329977 A2 EP 4329977A2
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Definitions
- the invention relates to a method and a system for producing a microstructured component that has a large number of microfunctional elements on a substrate, in which laser processing is carried out in at least one method step in a laser processing station under the control of a control unit.
- a preferred area of application is the production of a micro-LED display, which has a substrate that carries an array of pixel-forming micro-light-emitting diodes, which are arranged on an electrical supply structure arranged on the substrate.
- micro-LED sometimes also called micro-LED or pLED - stands for a flat screen technology based on light emitting diodes (LED).
- Micro LED displays are microelectronic components based on arrays of microscopic light-emitting diodes that form the display's picture elements, also known as pixels. Between the individual pLEDs there are gaps, which are also referred to as streets. Individual pixels can consist of three sub-pixels, i.e. three pLEDs for red (R), green (G) and blue (B). This means that there can also be streets between the pLEDs within a pixel.
- the micro-LEDs are self-illuminating, dimmable and can be switched off completely and therefore do not require any backlighting, as is the case with liquid crystal displays (LCDs for short).
- LCDs liquid crystal displays
- LLO Laser Lift-Off
- LIFT Laser-Induced-Forward-Transfer
- Laser Lift-Off is a method of selectively ablating one material from another. A process is used in which the laser beam penetrates a transparent base material and is strongly coupled into a second material. LLO is commonly used in LED manufacturing to separate the GaN semiconductor from a sapphire base wafer.
- Laser-induced forward transfer is a class of processes that use laser radiation to transfer material from a starting substrate (donor) to a target substrate (acceptor).
- the arrangement of the pLED on the EPI wafer can differ from that on the display.
- the lateral distances can be different.
- e.g. blue pLEDs with different color conversion layers (e.g. quantum dots) can be used.
- micro-LED screens as screens with light-emitting diodes that have a light width of less than 50 pm or a light area of less than 0.003 mm 2 .
- the width (lateral extent) of a pLED can range, for example, from more than 30 pm ( ⁇ 100 pm) down to around 1 pm to 3 pm.
- the webs between the pLEDs are often only about 6 pm to 1 pm wide. Deviations from these currently typical dimensions are possible, in particular in the direction of further miniaturization, for example in order to create screens with an even higher resolution.
- one object of the invention is to provide a method and a system for the production of microstructured components which allow such components to be produced economically even with increasing miniaturization of the structures to be produced.
- the invention provides a method with the features of claim 1.
- a system having the features of claim 12 is also provided.
- Advantageous developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated into the description by reference.
- microstructured components that have a large number of microfunctional elements on a substrate.
- This can be, for example, microelectronic and/or micromechanical functional elements.
- An example is the production of a micro-LED display, which has a substrate (display substrate) which carries an array of pixel-forming micro-light-emitting diodes on an electrical supply structure (also referred to as a backplane).
- laser processing is carried out in a laser processing station under the control of a control unit.
- laser radiation with definable beam properties is radiated onto the workpiece in a definable manner in order to bring about locally limited changes in the workpiece.
- Laser processing can also be referred to as laser micro processing, since processing accuracies in the micrometer range (e.g. a few micrometers, possibly less than one micrometer) may be required.
- the workpiece can be a substrate that has not yet been processed or a substrate that has a coating and/or other functional structures.
- a positioning operation is carried out.
- a workpiece to be machined is moved into a machining position of the laser machining station in response to movement signals from the control unit.
- the positioning movement takes place in such a way that the workpiece is in a desired position at a specified point in time.
- the workpiece can move constantly and run through the desired position at a finite speed in such a way that it is in the desired position at the target time (“dynamic positioning”).
- the Positioning motion can also be controlled so that the motion stops momentarily when the workpiece is in the target position (“static positioning”)
- a movement system is an electro-mechanical system for movement and positioning purposes in automation and allows an object moved with it to be moved and positioned according to a specific movement profile in two or three dimensions. They are also often referred to as motion and positioning systems.
- a camera-based observation of the workpiece takes place.
- the observation is carried out with the aid of a camera system that has at least one camera and includes image acquisition, ie the acquisition of at least one section of the workpiece in the object field of the camera and the generation of an image representing the section. It can be a single image or multiple images.
- the image is evaluated by image processing using an evaluation unit of the system in order to determine position data that represent the actual position of at least one structural element of the workpiece in the object field at the time of image acquisition.
- the structural element is an element on the workpiece that can be easily identified in the image with regard to its position. Possible structural elements are, for example, contact pads on the backplane, alignment marks specially attached at certain points, one or more LEDs or other functional elements.
- the actual position is compared with a specified target position of the structure element. Based on the comparison, correction signals are generated as a function of a deviation of the actual position from the target position.
- correction signals or correction values are generated which represent the extent of the deviation and indicate a need for correction . If the comparison shows that the determined actual position already corresponds sufficiently well to the target position, a corresponding correction signal (“no correction necessary”) can be generated, which would correspond to a correction value of zero. Based on the result of the comparison, the machining position of the workpiece is corrected as part of a position correction by generating a corrective movement by controlling the workpiece movement system in such a way that the actual position of the structural element is adjusted as well as possible to the target position. The target position does not have to be reached exactly, but the difference between the target and actual position must be reduced in such a way that the actual position after the position correction is within the tolerance range for the target position.
- At least one laser beam directed onto the workpiece for local laser processing of the workpiece is radiated onto the workpiece at at least one processing point of the correctly positioned workpiece.
- a system that is suitable and configured for carrying out the method accordingly comprises a control unit, the laser processing station with the laser processing unit that can be controlled by the control unit, and a workpiece movement system that can move a workpiece in response to movement signals from the control unit. Furthermore, a camera system with a camera for observing the workpiece and for capturing one or more images is provided, which are then evaluated in the evaluation unit.
- the evaluation unit is configured to evaluate the image using image processing to determine position data that represents the actual position, and also compares the actual position with the target position of the structural element to possibly generate correction signals if the deviations are too large.
- the control unit is prompted to correct the machining position by controlling the workpiece movement system in order to adjust the actual position to the target position on the basis of the correction signals.
- the actual position is at or close to the target position with a high level of accuracy. If this is the case, the control unit can cause the laser processing unit to radiate at least one laser beam directed onto the workpiece for local laser processing of the workpiece at at least one processing point of the positioned workpiece.
- the claimed invention is based, among other things, on findings by the inventors from investigations into commercially available workpiece movement systems, which are frequently also referred to as movement and positioning systems. Surprisingly, it turned out that even with high-quality and correspondingly expensive workpiece movement systems, the absolute accuracy of the positioning over relatively large travel distances and possibly over a relatively long period of time, as required for display production for the process of precise Positioning of very small micro-LEDs is required, not or hardly sufficient.
- the absolute position error can amount to several microns for traversing distances of the order of 500 mm.
- the non-correctable repetition error with a travel path of less than 50 mm should be less than 100 nm in a relatively short period of time after a correction and thus lie within the required accuracy range.
- a workpiece movement system can be used for high-precision laser processing, even if it generates relatively high absolute position errors, for example with large travel distances, since camera-based observation including image processing, determination of any position errors and position correction based on them can still be used for the Laser micro-machining required position of the workpiece can be set with the highest precision in the micrometer range even after longer traverse paths.
- a camera-based position control is implemented, which can compensate for any structural or principle-related weaknesses of commercial workpiece movement systems with relatively inexpensive means.
- a mask with a large number of mask openings is used in order to enable parallel processing at a large number of processing points at the same time.
- the mask splits a possibly processed laser beam into a large number of partial beams.
- the mask openings emitting laser radiation are then imaged onto a processing plane of the laser processing unit.
- the mask is arranged in a mask plane that is optically conjugate to the processing plane.
- the mask openings emitting laser radiation are imaged onto a processing plane of the laser processing unit by means of an optical imaging system.
- a mask movement system is preferably provided which supports the mask and, under the control of the control unit, allows the mask to be displaced in the mask plane and rotated about an axis perpendicular to the mask plane.
- the workpiece is moved continuously by means of the movement system and a laser pulse is triggered at each of the specified positions.
- a laser pulse frequency within the scope of the specification of the laser system and a distance between the processing positions and a specific traversing speed of the substrate.
- a positioning with a brief standstill or a positioning with a very slow movement through the desired position is carried out, which is only available for a short but sufficient period of time.
- work is carried out step by step on a sectoral basis.
- a sector is a sub-area or a section of the entire workpiece that can be virtually divided into a large number of equal or unequal sectors.
- a sector can, for example, have a rectangular shape with equal or unequal side lengths.
- the method includes the generation and storage of a grid of correction values within a measured sector and subsequent processing of this sector.
- the corrected values are used for the laser processing of the workpiece. If necessary, an interpolation of the intermediate values at the positions not measured is carried out.
- narrow-band light is used for camera observation and image acquisition. This can make a further contribution to achieving the highest positioning accuracies and the lowest positioning errors.
- the term “light” is used in general both for electromagnetic radiation from the spectral range visible to the naked eye (VIS, visible spectral range) and for electromagnetic radiation not visible to the naked eye, in particular from the ultraviolet spectral range (UV).
- narrow-band light is also referred to as “quasi-monochromatic” or “single-color” light.
- the terms “narrow-band”, “quasi-monochromatic” or “monochrome” are synonyms and are intended to make it clear that the light is electromagnetic radiation from a relatively narrow wavelength range or from a narrow wavelength band.
- the spectral bandwidth of the narrow-band light or the narrow-band radiation can be significantly less than 100 nm, with the spectral bandwidth of the light used for image acquisition preferably being 50 nm or less, in particular 10 nm or less. There are different ways to implement this.
- an illumination area on the workpiece that encompasses the object field of the camera is illuminated with narrow-band illumination light for camera observation and image acquisition at least during the acquisition of an image.
- the system can have an illumination system that includes an illumination light source that is already narrow-band per se and/or optical devices (e.g. gratings or filters) for limiting the illumination light spectrum of an illumination light source to a narrower wavelength range.
- optical devices e.g. gratings or filters
- Suitable light-emitting diodes (LEDs) or laser diodes can be used as the light source for generating the illumination light.
- the light from the laser of the laser processing unit can also be used for illumination with a correspondingly lower intensity.
- quasi- monochromatic illumination light the occurrence of color errors or chromatic aberrations can be avoided or reduced to such an extent that the resolution for position measurements is not significantly impaired.
- monochromatic illuminating light enables the use of optical systems, such as laser optics, which are generally not chromatically corrected, for beam guidance.
- a filter, a grid and/or another wavelength-selective device can be arranged between the object plane of the camera (or the processing plane of the laser processing unit) and the camera sensor, which, e.g. with the effect of a bandpass filter, only sends light from a narrow wavelength band to the camera lets through, so that only narrow-band or quasi-monochromatic light is used to generate the image used for the evaluation.
- the illumination system can be configured in such a way that the principle of Koehler illumination is used.
- a ring light can be used as an illumination light source.
- the productive laser processing of substrates is often done "on-the-fly", i.e. in the movement of the substrate, so that an available time window for the exposure and the creation of an image would only be relatively small, unless a pulsed laser is used as the light source of the illumination system becomes.
- a full "on-the-fly" correction might come too late in some situations to compensate for larger deviations. Therefore, according to preferred embodiments, it is provided that the observation and image processing is implemented within a correction operation before the laser processing and the laser processing step (e.g. to implement an LLO, LIFT or repair process) is only started after the corrected processing position has been set.
- the laser processing therefore starts as soon as possible after a possible displacement of the workpiece to correct a position error.
- the workpiece preferably does not move during the image acquisition, so that the measurement for the correction can be carried out with the workpiece stationary.
- the correction should be as local as possible, i.e. where the next laser processing takes place, with the shortest possible travel distances.
- the area in which the structural elements used for position measurement are located should be as close as possible are at the next processing point.
- the preferred step-by-step sectorial processing has proven itself, since only traversing paths in the magnitude of the sector transverse dimensions (eg in the range from approx. 10 mm to approx. 30 mm) have to be covered.
- the position correction takes place promptly before the start of the next processing step, ie in particular before an additional error may occur due to the input of energy during processing.
- This can be compensated if a new measurement is carried out beforehand.
- the split times may be on the order of a second or less, for example down to a millisecond.
- the processing should therefore take place immediately after the position correction, without further movements not related to the processing, e.g. without an intermediate beam analysis.
- the laser processing unit includes an imaging lens for imaging a mask plane in the processing plane of the laser processing unit, which is usually in or near the surface of the workpiece.
- an imaging lens for imaging a mask plane in the processing plane of the laser processing unit, which is usually in or near the surface of the workpiece.
- the camera-based observation of the workpiece to be positioned or of the positioned workpiece is carried out by means of the camera through this imaging lens.
- an observation beam path runs from the workpiece or the object plane of the imaging lens on the workpiece side through the imaging lens to the camera.
- the illumination beam path, with which the illumination light is directed onto the section to be observed preferably also runs through the imaging objective. This is particularly well possible when monochromatic illumination light is used, for the beam guidance of which chromatically non-corrected optics can also be used.
- the illumination area on the workpiece is illuminated with quasi-monochromatic illumination light with an illumination wavelength in the ultraviolet range (UV illumination light).
- the illumination system can have a light source that emits in the ultraviolet range.
- the use of ultraviolet light for measuring offers, among other things, the advantage of a higher resolution due to the shorter wavelength. This means that even finer structures can be recorded and evaluated more precisely with the camera than when used longer wavelengths.
- illumination wavelengths in the range of less than 300 nm can be used, for example illumination wavelengths in the range of around 270 nm or illumination wavelengths in the range of around 248 nm or below.
- a further advantage of using ultraviolet light for illumination arises in many exemplary embodiments from the fact that a laser wavelength in the ultraviolet range is also used for laser processing, for example at a wavelength of 193 nm, 248 nm, 308 nm or 355 nm.
- a laser wavelength in the ultraviolet range is also used for laser processing, for example at a wavelength of 193 nm, 248 nm, 308 nm or 355 nm.
- an excimer laser can be used as the laser source, for example a KrF excimer laser with an emission wavelength of approximately 248 nm.
- Such excimer lasers have proven themselves for laser processing. Good adaptation to the laser processing unit is possible by using illumination light with similar wavelengths.
- the illumination light has an illumination wavelength that corresponds to or is close to the laser wavelength, it is particularly easy to design the anti-reflection coating of transparent optical components in such a way that they have an anti-reflective or transmission-increasing effect both for the laser wavelength and for the illumination light.
- the illumination system is designed in such a way that illumination light with an illumination wavelength in the visible spectral range (VIS) is used, narrow-band green light with a wavelength in the range from 490 nm to 575 nm preferably being used for illumination.
- VIS visible spectral range
- narrow-band green light with a wavelength in the range from 490 nm to 575 nm preferably being used for illumination.
- the laser processing unit has a beam deflection device, which has a substrate and a beam deflection surface formed thereon, oriented obliquely to a main axis of the laser processing unit, for deflecting the laser beam into an essentially having direction of propagation parallel to the main axis.
- the laser radiation source and the downstream beam guidance components can be constructed in this way be that the irradiation occurs essentially in the horizontal direction, while the main axis of the laser processing unit is oriented vertically.
- the main axis of the laser processing unit is that axis which is defined by the optical axis of the imaging objective.
- an observation beam path running between the processing plane of the laser processing unit and the camera passes through the beam deflection surface, with the beam deflection device being designed in such a way that it at least partially transmits illumination light.
- the beam deflection surface should have a certain transmission for illuminating light, ie it should not reflect and/or absorb it completely.
- the substrate of the beam deflection device can be coated with a dielectric coating that forms the beam deflection surface.
- the coating is preferably designed in such a way that it has a very high degree of reflection (e.g. more than 99%) for the incoming laser light at the angles of incidence present and a relatively high transmission for the illumination light used for illumination, e.g. in the range from 20% to 70 %.
- the substrate of the beam deflection device is designed as a plane plate which is transparent to the illumination light and which is tilted relative to the main axis about a first tilting axis which is oriented perpendicularly to the main axis, for example by 45°.
- the substrate can consist, for example, of synthetic quartz glass (fused silica) or another material which is transparent to ultraviolet light and visible light and has a low coefficient of thermal expansion.
- an astigmatism compensation unit that transmits illumination light is therefore arranged in the observation beam path between the beam deflection device and the camera. This is designed to at least reduce the introduced astigmatic aberration components to partially compensate, whereby the resolving power of the observation system can be increased overall.
- the astigmatism compensation unit preferably has a plane plate that is transparent to illumination light and that relative to the main axis is about a second tilting axis oriented perpendicularly to the main axis and to the first tilting axis.
- the plane plate of the beam deflection device and the astigmatism compensation unit should have the same or essentially the same thickness, so that they introduce astigmatic distortions in two mutually perpendicular directions, which mutually compensate due to the different orientation of the tilting axes.
- the observation system can thus be designed in such a way that there are no astigmatic aberrations between the object plane of the camera and the light-sensitive sensor (for example CCD sensor or CMOS sensor) that would impair the resolution of the sample observation.
- Exact positioning of the workpiece and any functional elements attached to it in space is an important contribution to achieving the highest machining accuracy. Further contributions come from the side of the laser processing unit, since the position of the impinging laser beams in space should also be known for precise processing. In addition, a homogeneous intensity distribution over the entire beam cross-section and a high edge steepness at the edge of the mask apertures are important prerequisites for high processing quality.
- each individual functional element for example each micro-LED, should ideally be irradiated individually, completely and evenly across the LED, while neighboring LEDs are not hit by the radiation intended for an LED, but only by the laser beams assigned to them.
- preferred embodiments have a camera-based beam analysis system integrated into the laser processing station for in-situ analysis of beam parameters of the laser beam. This enables beam diagnostics to be carried out promptly before processing, for example when setting up the laser processing station or checking the beam quality to ensure correct imaging of the mask on the workpiece.
- the beam analysis system preferably has at least one beam analysis unit which has a camera arrangement which is sensitive to the laser wavelength and has a camera which has an object field which lies in the processing plane of the laser processing unit or in a plane optically conjugate to the processing plane.
- the camera can capture an image that is as sharp as possible and has a good resolution of the laser beams effective in the processing plane or, for example, an image of the illuminated apertures of the mask. Beam parameters and alignment parameters can then be determined from this in an evaluation device and processed by the control unit to correct any errors.
- the camera assembly has a laser wavelength sensitive camera, preferably an ultraviolet light (UV) camera, that can directly process the laser light from a UV laser.
- a laser wavelength sensitive camera preferably an ultraviolet light (UV) camera
- UV ultraviolet light
- the object field of the camera is not large enough to cover all apertures of a mask at the same time. Rather, only subgroups of the apertures are detected in each case.
- the camera is moved step-and-repeat over the plane to be measured and individual images are combined in the evaluation unit using software to form an image of the complete mask and evaluated using image processing. Alternatively, the individual images can also be evaluated.
- the beam analysis system can be mounted on the positioning device of the acceptor substrate outside of the substrate table or on a separate positioning unit. This favors precise positioning of the beam analysis system in the sub-pm range, which is a prerequisite for the exact composition of the individual images and thus the correct analysis of the laser beam in the processing plane.
- the positioning device can then be measured using a high-precision lithographic mask structure, which is imaged in the processing position using the laser system. This results in the positions where adjacent images are stitched together, a deviation from the original structure that is a measure of the relative positioning error in the X and Y directions (respectively the sum of the X and Y errors at the two positions where the images were taken). After calculating these deviations, the error can thus be compensated.
- a camera-based beam analysis system for in-situ analysis of beam parameters of the laser beam of the type described in this application can also represent a protectable invention independently of the other features of the claimed invention.
- a laser processing system with an integrated beam analysis system is thus also disclosed, but without camera-based position correction or without camera-based position regulation.
- a camera-based shadow-cast image analysis system for in-situ observation and analysis of rapidly occurring processes in the area of the processing zone influenced by the laser beam is integrated into the laser processing station for these purposes.
- knowledge of the processes occurring during laser ablation can be gained by means of "shadowgraphy” or by means of shadow-cast image generation and analysis, and corrections of processing parameters can be made possible in the event of unfavorable processes.
- the shadow image analysis system is also referred to below as the “shadowgraphy system”.
- a shadow image analysis system or the technique of shadowgraphy can be used, for example, in the context of process development and process control.
- Another area of application is in the area of repair processes, i.e. process steps with which partially defective components, such as pLED displays, can be repaired in order to improve the overall yield.
- the shadow cast analysis system has a short-pulse light source or flash light source for the time-controlled irradiation of short illumination light pulses or flashes in a direction of irradiation oriented transversely to the laser beam. Furthermore, on the opposite side, the system includes a camera for capturing shadow images (shadow graphs) of the processing zone irradiated with the laser beam. Furthermore, an evaluation unit for evaluating camera images of the camera is provided. Illumination light pulses are preferably radiated into the region of the processing zone parallel to the processing plane. Alternatively, irradiation at a relatively flat or acute angle is possible, which can be less than 30° or less than 20°, for example.
- a particularly critical process stage for example in the manufacture of micro-LED displays, is the transfer of micro-LEDs using the LIFT process.
- a very small donor-acceptor distance is generally used there. In-situ monitoring of the process would be desirable. Without this, the parameter search and optimization as well as the troubleshooting of quality problems are difficult.
- a LIFT processing station i.e. a laser processing station set up for a LIFT process
- a LIFT processing station which allows high-resolution shadowgraphy on a smaller area (measuring area).
- the flight phase of micro-LEDs can be precisely characterized after detachment from the donor.
- a suitable embodiment of a shadow image analysis system is characterized by a beam deflection system, in particular a mirror system, with a deflection element arranged between the short-pulse light source and the processing zone, in particular a deflection mirror, for deflecting illumination light from a direction oriented at an angle to the processing plane into a direction parallel to the processing plane and with a deflection element arranged between the processing zone and the camera, in particular a deflection mirror, for deflecting the radiation running parallel to the processing plane into a direction of incidence of the camera oriented obliquely to the processing plane.
- Embodiments are particularly advantageous in which the shadow-cast image analysis system is configured to trigger a series of illumination pulses, triggered by laser pulses from the laser processing laser, so that the part detached from the workpiece is imaged multiple times, at different times and in different positions, in one image. by the camera sensor integrating over the series of illumination pulses and evaluating the image. A multiple exposure is thus carried out.
- a trajectory tracking can be realized, in which the trajectory of a part, for example a pLED, detached from the workpiece by means of a laser pulse, is determined and analyzed.
- the process parameters can then be optimized in such a way that the trajectory at the detachment location leads to the intended installation location on the acceptor with sufficient precision.
- a camera-based shadow image analysis system for in-situ observation and analysis of rapidly occurring processes in the area of the processing zone influenced by the laser beam of the type described in this application can also represent a protectable invention independently of the other features of the claimed invention.
- a laser processing system with an integrated, camera-based shadow-cast image analysis system is thus also disclosed, but without camera-based position correction or without camera-based position regulation.
- 1 shows a laser processing station configured for the laser lift-off (LLO) method
- FIG. 2 shows a laser processing station configured for Laser-Induced Forward-Transfer (LIFT);
- LIFT Laser-Induced Forward-Transfer
- 3 shows an embodiment of a laser processing station that is equipped with components that enable camera-based position control, in which narrow-band green light is used; 4 shows an embodiment of a laser processing station equipped with components that enable camera-based position control, in which work is carried out with ultraviolet light;
- FIG. 5 shows a laser processing station for a laser lift-off operation with a UV camera and the possibility of in-situ observation of the micro-LEDs to be transferred;
- FIG. 6 shows exemplary embodiments of beam diagnosis systems which are integrated into the laser processing station, some alternatively or cumulatively usable beam analysis units being shown schematically in a single representation;
- Fig. 7 shows an embodiment of a laser processing station in which a
- Shadowgraphy system is integrated
- FIG. 8 shows another exemplary embodiment of a laser processing station in which a shadowgraphy system is integrated
- Fig. 9 shows an embodiment of a laser processing station in which a
- Shadowgraphy system is integrated, which is designed for the observation of the area close to the sample including the sample surface.
- microelectronic components each have a large number of micro-functional elements that are applied to a substrate. That at the
- the area of application in the foreground of the exemplary embodiments is the production of a micro-LED display.
- a display includes a substrate carrying an array of micro light emitting diodes (pLEDs) intended to form the individual picture elements or pixels of the display. These are applied to an electrical supply structure.
- pLEDs micro light emitting diodes
- laser processing is carried out in a laser processing station, which can also be referred to as laser microprocessing, since fine structures with typical structure sizes in the order of one or a few micrometers can be processed and/or produced.
- 1 and 2 schematically show some components of a laser processing station 100 according to the prior art (SdT).
- the laser processing station is configured for the Laser-Lift-Off (LLO) method, in the case of FIG. 2 for Laser-Induced Forward-Transfer (LIFT).
- LLO Laser-Lift-Off
- LIFT Laser-Induced Forward-Transfer
- the laser processing station 100 has a laser processing unit 110 that works with laser radiation from a laser radiation source 112 in the form of a KrF excimer laser, which emits a laser beam 105 with a laser wavelength of approx. 248 nm, i.e. laser radiation in the deep ultraviolet range (DUV).
- the laser beam is irradiated in a horizontal direction parallel to the x-axis of the system coordinate system.
- the expanded and/or otherwise prepared laser beam passes through a mask 107, which is arranged in a mask plane 108 and has a grid arrangement of apertures or openings 109, each of which allows partial beams to pass through, so that a group of partial beams exits, which requires parallel processing ( simultaneous processing at a large number of points on the workpiece).
- the mask can have several hundred or several thousand mask openings 109, which are generally of the same design (cf. detail).
- the mask openings can have different shapes, e.g. square, scalene rectangular or similar.
- the beams of the partial beams are deflected at a beam deflection device 115 and then propagate essentially vertically or parallel to a main axis 116 of the laser processing unit 110 (parallel to the z-direction) or at more or less acute angles thereto downwards in the direction of a workpiece 150 to be processed
- the beam deflection device 115 has a plane-parallel substrate 117 made of synthetic quartz glass, on which a plane surface is formed as a reflective beam deflection surface 118 by being coated with a dielectric coating that is highly reflective for the laser radiation.
- the arrangement of illuminated mask openings 109 in the mask plane 108 is imaged in the processing plane 122 of the laser processing unit with the aid of an imaging objective 120 .
- the optical axis of the imaging objective 120 defines or corresponds to the main axis 116 of the laser processing unit.
- the image can be enlarging, reducing or retaining the size (1:1 image).
- the intensity distribution in the processing level is the same as in the mask level, but on a smaller scale.
- the laser processing station 100 comprises a workpiece movement system 200 which is set up to switch on in response to movement signals from the control unit 190 to position the workpiece to be machined in a desired machining position of the laser machining station.
- the workpiece movement system 200 comprises a first substrate table 210, which moves parallel to the (horizontal) x-y plane of the system coordinate system and in the height direction (parallel to the z-direction) to a desired position very precisely and around a vertical one Axis of rotation can be rotated (PHI axis).
- precisely controllable direct electric drives are provided in the example.
- a second substrate table 220 is arranged above the first substrate table 210, which can also be moved in any direction horizontally (parallel to the x-y plane) and vertically (parallel to the z-direction) and rotated about a vertical axis can.
- the laser processing station 100 can contain both substrate tables, however, in the process stage of FIG. 1 the second substrate table is not used and is therefore not shown.
- the mask 107 is carried by a mask movement system, not shown, which, under control of the control unit, allows the mask 107 to translate in the mask plane 108 (parallel to the y-z plane) and to rotate the mask about an axis parallel to the x-direction .
- the laser processing station 100 is set up for a laser lift-off (LLO).
- LLO laser lift-off
- LEDs light-emitting diodes
- These layers often only have thicknesses in the micrometer range and are often already structured by means of laser processing in order to form individual functional elements 155 in the form of LEDs.
- a thin, mostly metallic connecting layer is applied to the GaN layer stack, for example by vapor deposition. With the help of this connecting layer, the growth substrate, which carries the GaN layer stack located thereon, is connected to another flat carrier substrate. The planar connection between the growth substrate and the GaN stack is released later. This transfers the GaN stack onto the carrier substrate.
- the workpiece 150 in FIG. 1 shows the arrangement before the planar connection is released.
- the upper flat substrate 152 is the growth substrate, which is also referred to as the donor substrate 152 because it later releases the functional elements 155 applied thereto. That
- the carrier substrate 154 resting on the first substrate table 210 is also referred to as the acceptor substrate 154 because it accepts or accommodates the functional elements 155 .
- the acceptor substrate with the GaN stacks carried by it then serves as the basis for the further steps in the production of the microelectronic component.
- the workpiece is positioned in such a way that the processing plane 122 lies in the area between the donor substrate 152 and the GaN elements 155 in order to release the planar connection between them by means of laser processing.
- the buffer layer which is located in the boundary area between the growth substrate and the GaN elements, is destroyed or removed by laser radiation.
- the laser irradiation takes place through the laser-transparent growth substrate 152 .
- the individual functional elements 155 held on the (acceptor) substrate 154 are then transferred or transferred onto a further flat substrate 156 .
- This is held in position by the first substrate table 210 and already has an electrical supply structure (backplane) applied by vapor deposition and structuring on its upper side, which is to be equipped with micro-LEDs.
- the underlying substrate 156 now serves as an acceptor substrate.
- the acceptor substrate 154 from FIG. 1, which carries the microelectronic functional elements 155 is turned over in such a way that the functional elements 155 now lie on the underside of the substrate. In this orientation, the substrate now serving as the donor substrate is held by the second substrate table 220 of FIG.
- the micro-LEDs are then detached from the donor substrate 154 and transferred to the acceptor substrate 156 by irradiating laser beams in the exact position.
- the laser does not act directly through radiation forces, but is used as a means of controlled energy input and usually thermally triggers the material transfer.
- the micro-LEDs are detached directly from the EPI wafer, the energy comes from the pressure generated by the liberated nitrogen decomposing a thin GaN layer.
- the donor-acceptor distance 158 which is a measure of the flight distance of the functional elements 155 to be transferred, is generally between 30 pm and 500 pm, in particular between 80 pm and 200 pm.
- the workpiece movement system 200 must be able to move the workpiece, if necessary over longer travel distances of the order of a few hundred millimeters, with high positioning accuracy (of the order of 1 pm or less) at a predetermined target position.
- high positioning accuracy of the order of 1 pm or less
- this is necessary for both substrate tables in order to be able to ensure that the transfer is in the correct position.
- a few exemplary embodiments are explained below, which make such high positioning accuracies possible in an economical manner.
- the laser processing station 300 in FIG. 3 is additionally equipped with optical, mechanical and software components that enable camera-based position control.
- an illumination system 310 for illuminating an illumination area 305 on the workpiece 150 with narrow-band illumination light from a narrow wavelength range in the visible spectrum at a wavelength of approximately 528 nm, ie with green light.
- the illumination system is set up for Koehler illumination, which offers homogeneous illumination of the zones to be illuminated in the illumination area 305 without imaging the light source.
- Green light source 312 may include one or more LEDs.
- a horizontal branch of the illumination beam path leads through a collector lens 316 and a downstream field diaphragm 314 to a beam splitter cube 321 whose flat beam splitter surface is inclined by 45° relative to the main axis 116 of the laser processing unit 110 .
- the beam splitter surface reflects a first portion of the illumination light in a direction parallel to the main axis 116 downward onto the workpiece 150.
- This portion passes through the plane-parallel substrate 317 of the beam deflection device 315, which is transparent to green light, and whose dielectric coating is highly reflective for the UV laser light, but for Green light has a high transmission, so that the illumination light impinges on the illumination area 305 on the workpiece through the laser objective 120 .
- Each point of the light source 312 illuminates the entire illuminated area on the workpiece, as a result of which a homogenization effect is achieved.
- the aperture of the imaging lens 120 represents the condenser diaphragm and the imaging lens simultaneously acts as a condenser. This should be taken into account when designing the system - so that if possible only the area that is visible in the camera is illuminated and the lens is illuminated is not outshone - this results in little scattered light and maximum intensity of the (usable) lighting.
- the illumination is imaged in the aperture of the imaging lens 120 (laser lens) in such a way that it is illuminated between 65% and a maximum of 90% and the luminous field diaphragm is imaged in the processing plane 122 via the laser lens in such a reduced size that the illuminated one is Area is only slightly larger than the area displayed in the camera.
- Portions of illuminating light that are let through or transmitted through the beam splitter surface are caught and absorbed by an absorber 319 and as a result cannot lead to undesired scattered light.
- imaging lens 120 which now functions as a lens for camera observation
- beam deflection device 315 and beam splitter cube 321 parallel to main axis 116 in the direction of a camera 340, which in the example for visible light, in particular for green light, has a has high sensitivity.
- a tube 325 is attached in front of the camera, which has a light-absorbing property on the inside and acts as a stray light absorber.
- the optical arrangement is designed in such a way that an image of the processing plane 122 falls onto the photosensitive sensor of the camera 340 with the aid of the imaging objective 120 (and optionally further optical components).
- the camera sensor is therefore in a plane that is optically conjugate to the processing plane 122 .
- the camera 340 is connected to the control unit 190 for signal transmission.
- the beam deflection device 315 has a substrate 117 which is transparent to visible light and is in the form of a flat plate made of quartz glass, for example, whose flat substrate surface facing the laser beam is coated with a dielectric coating.
- This has a highly reflective effect for the UV laser wavelength (degree of reflection R > 99%) and has a relatively high transmission for the green light of the illumination (degree of transmission T more than 20%, eg 50% - 70%).
- the illumination light coming from the workpiece in the observation beam path passes through the beam deflection device 315 in a parallel offset manner.
- the inventors have found that an astigmatic distortion of the image of structural elements on the workpiece can also occur, which can limit the local resolution.
- the reason for this is, among other things, that the rays in the bundle of rays do not all run parallel to one another - one direction "sees" a different plate thickness (X direction) for jet components with different angles of incidence, while the other direction (Y) does not. This causes the image to be distorted in one direction.
- an astigmatism compensation unit 330 that transmits illumination light is mounted between the beam deflection device 315 and the camera 340 in the observation beam path, which is shown in FIG. 3 from the y-direction and in detail figure 3A from the x-direction .
- the astigmatism compensation unit is formed by a plane-parallel transparent plate, which is tilted by 45° with respect to the main axis 116 of the laser processing unit 110 about a tilting axis running parallel to the x-axis.
- the beam deflection device 315 is tilted by 45° about a tilting axis which is parallel to the y-direction, i.e. perpendicular to the tilting axis of the astigmatism
- the arrangement can also be described in such a way that the substrate of the
- Beam deflection device 315 is designed as a plane plate that transmits illumination light, which is at an angle of 45° in the laser beam and thus deflects it by 90°, and that the astigmatism compensation unit has a plane plate 330 that is transparent to illumination light and is at an angle of 45° in the observation beam path , but is arranged rotated by 90° to the substrate 317 of the beam deflection device 315 in the axis of the observation beam path.
- a narrow-band bandpass filter 335 in front of the camera 340 limits the illumination bandwidth used for image generation to approximately ⁇ 5 nm around the central wavelength of the green illumination light, which was already relatively narrow-band before the filtering. As a result of the additional filtering around the central wavelength at the bandpass filter 335, only a relatively small amount of intensity is lost.
- a high-contrast image with a particularly good resolution is thus possible—in the example approximately 2 ⁇ m—although the imaging lens 120 is not diffraction-limited for the green wavelength used and the two thick, translucent plane plates (Beam deflection device and astigmatism compensator) are in the beam path. This means that ambient light and, if necessary, radiation from a laser plasma etc. are also suppressed.
- a workpiece positioning operation can be performed as follows using camera-based observation.
- the workpiece movement system 200 positions a substrate table such that a predetermined actual position should be reached for a predetermined structural element or multiple predetermined structural elements of the workpiece.
- the actual position must be in the detection range or in the object field of the camera 340.
- At least one image of that section of the workpiece which is illuminated by the lighting system and which is in the detection range of the camera is then generated with the aid of the camera.
- the image or images are evaluated using image processing in order to determine position data that represent the actual position of the selected structure element in the detection area.
- the control device 190 includes an evaluation unit 195 for evaluating images by means of image processing.
- a comparison module is also implemented in the evaluation unit (by means of appropriate software), which compares the determined actual position with a predetermined desired position of the structural element. If there is an intolerable deviation in position or position, correction signals or corresponding correction values are generated, which indicate to the workpiece movement system how a correction movement is to be carried out in order to bring the observed structural element to the desired position or to a sufficiently close proximity to it. The workpiece moving system 200 then performs the correction movement of the substrate table.
- the system is programmed in such a way that laser processing by irradiating laser radiation only begins when positioning in the target position (if necessary including the necessary correction movement) has been completed.
- the workpiece is stationary, i.e. it is not moved.
- FIG. 4 it will now be explained by way of example how the achievable local resolution and the positioning accuracy can be further improved by some modifications to the structure of FIG.
- Some elements of the laser processing station 400 that are the same or substantially the same in Fig. 3 and Fig. 4 bear the same reference numbers as in Fig. 3.
- an improvement can be achieved, among other things, if the camera observation is carried out with radiation from the ultraviolet range.
- a camera 440 is used which is sensitive in the ultraviolet wavelength range (UV camera).
- an illumination system 410 is used with an illumination light source 412 operating within this ultraviolet wavelength range.
- an LED with a wavelength of 270 nm can be used as the illumination light source. This wavelength is close enough to the laser wavelength (248 nm) that, for example, the antireflection coatings in the imaging lens 120 are also effective for the illumination radiation.
- a dielectric coating can be provided on the beam deflection device 415, which has a highly reflective effect for 248 nm, while it is already sufficiently transparent (sufficient transmittance) for the illumination wavelengths of 270 nm (cf. reflectivity diagram in Fig. 4B).
- FIG. 5 shows a laser processing station 500 for a laser lift-off operation with a UV camera 540 and the possibility of in-situ observation of the micro-LEDs to be transferred.
- This exemplary embodiment explains how, by using a camera 540 that is sensitive in the ultraviolet wavelength range, the processes in the processing plane 122 can also be observed directly at the laser wavelength used (here 248 nm).
- a dielectric laser deflection mirror is used in the beam deflection device 515, which has a sufficient and defined transmission in the ultraviolet range used (for example at 248 nm).
- this beam deflection mirror can be designed as a physical beam splitter that transmits a small, defined part of the laser radiation on the way from the workpiece 150 to the camera 540 .
- this beam deflection mirror can be designed that, in principle, every dielectric mirror has a residual transmission for the wavelength used, which cannot be avoided due to the principle.
- a dedicated physical beam splitter is preferably used in the beam deflection device, i.e.
- a dielectric coating that has a relatively high, defined degree of reflection for the laser wavelength and at the same time a transmittance that is also defined with high precision for this laser wavelength at the incidence angles that occur (um 45°).
- beam splitters with a transmission in the range from about 0.5% to c. 5% can be used (cf. reflectivity diagram in Fig. 5B).
- Laser processing is particularly efficient and precise when work is carried out step by step and in sectors.
- Such method variants include the generation and storage of a grid of correction values within a measured sector and processing of this sector as soon as possible thereafter. The corrected values are used for the laser processing of the workpiece. Then a next sector is measured and processed accordingly, etc.
- the processing first takes place in a defined section (sector) of the entire traversing range of the various motion systems. This can mean, for example, that a 6-inch wafer is not processed in one step, but that smaller sectors of, for example, 25 x 25 mm 2 or 16 x 16 mm 2 or 22 x 27 mm 2 are processed step by step. Before processing in such a sector, the movement systems in this sector are currently measured and corrected. For image processing, the coordinate table should stand still or move slowly enough so that there is no disturbing motion blur. However, only a grid within the sector is recorded (eg 5 positions in the X direction by 10 positions in the Y direction), not the entire area of the workpiece within the sector and not all machining positions either.
- a grid within the sector is recorded (eg 5 positions in the X direction by 10 positions in the Y direction), not the entire area of the workpiece within the sector and not all machining positions either.
- Images are continuously recorded in the specified grid and the image processing and calculation of the correction values take place in parallel while the images are being recorded at the next positions. During processing, the values between the measured positions are then interpolated. The necessary number of measurement positions depends on the error that occurs and can be adjusted dynamically if necessary.
- a second sector is measured and then processed, so that the measurement and processing always take place in close succession. This means that deviations that only occur during the complete processing can also be corrected. That is, when the fix is done, it will be processed and the switch should happen automatically. If necessary, the operator can be informed and asked for confirmation if unusual, implausible deviations are measured.
- the properties of the laser beams are also decisive on the part of the laser processing unit in order to achieve maximum precision in processing.
- an exact alignment of the mask apertures to the micro LEDs on the donor substrate and an exact adjustment of the position of the image are essential for correct processing.
- FIG. 6 A few options for beam analysis or beam profiling are shown schematically in a single representation with reference to FIG. 6 .
- Some basic components of the laser processing units correspond to those of Fig. 5, including the laser, the mask 107 in the mask plane 108, the beam deflection device 515 and the camera 540, which is sensitive to UV radiation, and the astigmatism compensation unit 530 arranged between this and the beam deflection device.
- components of a camera-based beam analysis system 700 are provided, which are integrated into the laser processing station 600 and are set up to carry out an in situ analysis of beam properties of the laser beam 105 .
- components of a first beam analysis unit 720 and a second beam analysis unit 740 which can be provided as an alternative or in addition to the first beam analysis unit.
- the components of the first analysis group 720 are attached below the processing plane 122 in the extension of the laser beam impinging there, i.e. in the extension of the main axis 116 of the laser processing unit 610, in such a way that the laser beams can hit the beam analysis unit when the substrate table 210 of the movement system 200 is as far laterally as shown procedure is that it no longer blocks the beam path.
- the intensity distribution in the processing plane 122 is imaged onto a flat UV-VIS converter 726 by means of a lens 724 with a suitable imaging scale. This is arranged in a plane that is optically conjugate to the camera sensor of the camera 722 .
- the image of the UV-VIS converter is imaged via a further lens 728 onto the camera chip of the camera 722 (VIS camera), which is sensitive to visible light.
- UV camera a camera sensitive to UV light
- the intermediate UV-VIS converter and the intermediate image using it can then be omitted.
- the camera 722 is step-and-repeat in steps parallel to the processing plane 122 (ie parallel to the xy plane) in different measurement positions over the irradiated area of the processing plane emotional. Individual images are recorded in each case. The individual images are combined by software to form an image of the complete mask and evaluated using image processing.
- An advantage of this variant is that the complete beam path from the laser to the processing level 122 is included in the diagnosis and accordingly any error in one of the components from the laser to the processing level can be detected. In addition, there are no more components in the area after the processing level, ie in the first analysis group 720, than are absolutely necessary for the measurement.
- the camera positioning for the beam analysis can be measured and corrected using a high-precision lithographic mask structure, which is imaged in the processing position in the processing plane 122 with the aid of the laser system or laser processing unit 610 .
- positioning errors can be determined and corrected using image processing based on the errors in the image of the mask in the border area between the individual images.
- the components of the beam analysis system 720 can be mounted on the positioning device 200 or outside of the substrate holder 210 or on a separate positioning unit.
- the precise positioning of the beam analysis system in the sub-pm range is the prerequisite for the exact composition of the individual images and thus the correct analysis of the laser beam in the processing plane 122. Fine calibration of the positioning is therefore very important in this area.
- a second beam analysis unit 740 can be provided. Its components are arranged in a straight extension of the laser beams 105 behind the beam deflection device 515 acting as a beam splitter. The optical axis of the second beam analysis unit 740 is perpendicular to the main axis 116 of the laser processing unit.
- the structure with camera 742, optional imaging lens 748, optional UV-VIS converter 746 and lens 744 is analogous to corresponding components of the first beam analysis unit 720.
- An astigmatism compensation unit 745 with an inclined flat plate similar to the astigmatism compensation unit 530 is inserted in beam deflection device 515, since the laser beam incident on the second beam analysis unit 740 has passed through the inclined flat plate of beam deflection device 515 and has experienced astigmatic changes that are to be compensated.
- One advantage of the second beam analysis unit 740 is that it can also be used during laser processing to monitor the laser beams and/or the mask 107, for example for quality assurance.
- a disadvantage is that any defects in the imaging lens 520 could not be detected with the second beam analysis unit.
- the structure with UV camera 540 that is also present in other exemplary embodiments also allows a beam analysis or beam profiling to be carried out.
- an auxiliary substrate that scatters strongly and uniformly can be brought into the processing plane 122 .
- the energy distribution on this highly scattering plane is then imaged into camera 540 .
- An alternative method of beam profiling is possible if a plane mirror is brought into the processing plane 122.
- a UV-VIS converter can also be used in combination with a VIS camera.
- Beam diagnosis including measurement and, if necessary, correction of the position of the mask apertures, is an important part of the measures that can be taken to ensure the highest possible overall processing accuracy.
- FIG. 7 schematically shows an exemplary embodiment of a laser processing station 750 that is equipped with components of a shadow image analysis system 800, which can also be referred to as a shadowgraphy system 800.
- a shadow image analysis system 800 which can also be referred to as a shadowgraphy system 800. This allows fast processes to be observed in situ, i.e. during the laser processing, in the area of the processing zone 106, i.e. there where laser radiation impinges on the workpiece 150 and interacts with it.
- the shadowgraphy system has a short-pulse light source or flash light source 810, which can emit very short light pulses (typical length down to 30 ns to 100 ns) of sufficient intensity.
- LEDs are provided, which can provide the necessary brightness of the lighting pulses through high current (possibly more than 100 A) during the short exposure time.
- the short illumination light pulses can be triggered by the laser pulses from the laser processing unit 760 .
- control unit 190 contains a delay unit that makes it possible to emit light pulses only after predetermined delay times after a laser pulse, in order to be able to observe the processes during the detachment of a die within a short time after the laser pulse strikes.
- a collector diaphragm 812 Downstream of the short-pulse light source 810 are a collector diaphragm 812 and a collector lens 814 of the shadowgraphy illumination.
- the illumination beam path emanating from the light source initially runs obliquely to the processing plane 122, for example at an angle of 20° to 50° to it, so that the short-pulse light source and the downstream components can be placed relatively close to the processing zone without touching the workpiece collide.
- a first deflection mirror 822 of a mirror system 825 is arranged between the short-pulse light source and the processing zone.
- the mirror element is wedge-shaped and thus allows the end edge of the deflection mirror near the processing zone to be arranged at a very small distance from the processing plane. The distance can be between 50 pm and 200 pm, for example.
- the mirror system 825 On the side opposite the first deflection mirror 822, the mirror system 825 has a second deflection mirror 824, which can be arranged mirror-symmetrically to the first deflection mirror 822 with respect to the main axis 116 of the laser processing unit to a camera 830.
- a second deflection mirror 824 can be arranged mirror-symmetrically to the first deflection mirror 822 with respect to the main axis 116 of the laser processing unit to a camera 830.
- a suction device 840 is used to suck detached particles out of the processing zone.
- a camera 830 for capturing shadow images of the processing zone is provided on the side opposite the short-pulse light source.
- the optical axis of the camera is oriented at an angle to the processing plane (angle between 30° and 60°, for example). Due to the oblique orientation, the camera 830 can be brought very close to the processing zone without colliding with the workpiece.
- a lens 832 for imaging the detached die onto the chip of the camera is arranged between the camera and the deflection mirror.
- the shadow cast image analysis system 800 can be configured in such a way that, triggered by laser pulses from the laser 112, images with a large number of illumination pulses offset in time are generated and evaluated.
- the system is designed to observe particles with typical sizes between 3 pm and 30 pm.
- the multiple exposure allows the trajectory to be tracked in such a way that the particle or the micro-LED can be seen multiple times in the captured images, namely at different times and in different positions.
- particles with speeds of up to 8 m/s (80 m/s with clear motion blur) could be observed and their trajectories recorded and analyzed.
- a repair process or repair process can be implemented, for example, as follows.
- the display 150 (workpiece 150) to be examined is controlled, measured and each pixel or each micro-LED is evaluated. Micro-LEDs that remain dark, for example, or whose luminance is outside the specification are considered defective.
- a table or matrix is generated in which the positions of all defective dies are identified.
- An arithmetic unit of the control unit 190 calculates movements or a contour across the display that connects the positions of all defective pixels. This contour is traversed successively by controlling the movement system. Laser pulses are triggered at the respective positions of defective dies. In the process, the die 159 detaches itself from the display substrate, is accelerated and reaches the suction device 840. This results in empty spaces at the positions of the defective dies, which are fitted with new dies. There is therefore no stacking of new (defect-free) dies on top of remaining defective dies.
- the shadowgraphy system enables these process steps to be observed and controlled.
- the realization of a 100% inspection is made possible, among other things, by the mirror system 825, whose components close to the workpiece are positioned at a distance of, for example, approx to the imaging lens 120 of the laser processing unit configured for a LIFT process.
- a solution with a relatively low optical resolution can be used to make a larger area of the processing zone visible and to allow observation of the processing zone while the assembled display substrate is moved using the movement system 200 under the laser processing unit 760 is moved.
- it can be clarified whether a die has been detached and accelerated, and a new laser pulse can be triggered if this is not the case.
- the observation also makes it possible to determine whether the defective dies have safely entered the suction 840, otherwise a note can be made in the error log.
- the use of a shadow image analysis in the context of repair processes, for example in the manufacture of micro-LED displays, can thus help to produce practically error-free displays.
- a repair can also be carried out on a transfer substrate. This can be beneficial because there is no risk of damaging the backplane.
- a modern 8K display contains around 100 million micro LEDs.
- yield loss the so-called "yield loss” which is then significantly reduced when production is ramped up as part of a learning curve.
- a finished display may contain a few thousand defective pixels.
- repair processes are carried out to exchange these defective elements. The defective elements are first removed again. This can be done efficiently with a LIFT process. Even if the process is completely established, repair processes will probably be a useful addition to the production process in the long term.
- FIG. 8 Another possible use of the shadow impact image analysis within the framework of LIFT processes is explained with reference to FIG. 8 .
- the components of the shadow image analysis system 800 have the same reference numbers as the corresponding components in FIG. 7 for reasons of clarity.
- the mirror system is missing.
- the short-pulse light source 810 and the camera 830 mounted on the opposite side have coaxial optical axes that are perpendicular to the main axis of the laser processing unit 760 so that the illumination beam path of the shadow cast image analysis system is in front of and behind the Processing zone runs parallel to the processing plane 122.
- the arrangement can be used for high-resolution shadowgraphy during a LIFT operation to optimize the laser parameters.
- the observation runs parallel to the sample surface without a mirror. Observation is possible starting immediately with the detachment from the donor surface, since the illuminating light is practically no distance from the sample surface. High resolution observation can be achieved by allowing only a few centimeters between the short pulse light source 810 and the camera 830 on the acquisition side.
- the observable area can be relatively small, suitably the design can be such that the observable area is only slightly larger than the maximum donor-acceptor distance. In most cases, an observation of a distance of a maximum of 500 pm, possibly also significantly less, for example down to 100 pm or below, is sufficient.
- the detached die can only be observed from this position.
- a further development of the shadow image analysis system 900 shown in FIG. 9 is configured to observe the area from the sample surface to a height of approximately 500 ⁇ m.
- the radiation from the short-pulse light source 910 is directed at a flat angle (e.g. 10° to 30°) onto the sample surface (workpiece surface) in the area of the processing zone 106, so that the relatively well reflecting sample surface acts as a deflection mirror.
- the deflection mirror 924 arranged behind the processing zone on the side of the camera 930 is tilted slightly downwards (compared to the deflection mirror 824) so that the dies in the processing zone are visible in the lower area of the camera image.
- the radiation from the short-pulse light source 910 is now deflected from the sample surface onto the deflection mirror 924 of the camera and then imaged onto the chip of the camera 930.
- the shadowgraphy beam path no longer runs exactly parallel to the sample surface, but the entire area, starting with the sample surface, can be monitored with only slight distortion of the image. In this way, the process of detaching the die from the sample surface can also be visualized and evaluated.
- the laser parameters can be set in such a way that the particles to be detached (dies, pLEDs or the like) fly parallel to one another to the acceptor essentially without rotating or lateral offset in order to ensure the required accuracy.
- the observation of the flight behavior can depend on laser parameters as well as on the nature of the EPI wafer and others parameters. Observation within a narrow strip is usually sufficient for this.
- the shadow image analysis can be used to identify those parameters that ensure a high-quality LIFT process.
- the setup can be used for random checks of the production process to identify any quality problems.
- the inventors have performed extensive analysis and consideration of potential errors.
- the error analysis shows that the total of all errors to be considered should remain below approx. 1.5 pm if the currently foreseeable maximum machining accuracy is to be achieved.
- the width of the streets between the pLEDs can be regarded as a guideline value as the maximum tolerable error, since the adjacent pLED at the edge would also be irradiated with an even larger error.
- the edge steepness of the image ie the area at the limit of the mask aperture in which the laser energy drops from 90% to 10%, still has to be subtracted from this maximum tolerable error. This depends on the properties of the lens used and can be 1.6 pm, for example. If the width of the streets is e.g.
- Additional measures may be useful to further increase the processing precision.
- a correction of the pixel sensitivity can be useful here.
- a correction can be achieved, for example, by measuring the same area of known intensity of the laser beam several times with different pixels by step-by-step displacement on the camera and then compensating for the differences.
- laser stability can also play a role. Small differences between the individual pulses can occur.
- An increase in accuracy can be achieved by averaging using a suitable filter.
- Image wandering caused by heating can be suppressed or avoided, for example, by using intermittent illumination instead of continuous illumination, eg via pulse width modulation in the illumination.
- Another solution provides for an additional, possibly to use a higher-resolution off-axis camera system with lighting, which is spatially arranged next to the processing lens. The observation then takes place before or after the processing.
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Herstellung einer mikroelektronischen Komponente, die eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat aufweist, wird in wenigstens einer Verfahrensstufe in einer Laserbearbeitungsstation unter der Steuerung durch eine Steuereinheit eine Laserbearbeitung durchgeführt. Die Verfahrensstufe umfasst ein Positionieren eines zu bearbeitenden Werkstücks in einer Bearbeitungsposition der Laserbearbeitungsstation mittels eines Werkstück-Bewegungssystems in Reaktion auf Bewegungssignale der Steuereinheit. Dabei erfolgt ein kamerabasiertes Beobachten des Werkstücks mittels eines Kamerasystems, wobei wenigstens ein Bild eines im Objektfeld einer Kamera liegenden Ausschnitts des Werkstücks erzeugt wird. Das Bild wird mittels Bildverarbeitung zur Ermittlung von Positionsdaten ausgewertet, die die Ist-Position wenigstens eines Strukturelements des Werkstücks im Objektfeld repräsentieren. Die Ist-Position wird mit einer Soll-Position des Strukturelements verglichen und es werden Korrektursignale in Abhängigkeit von einer Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position erzeugt. Die Bearbeitungsposition wird auf Basis der Korrektursignale durch Ansteuern des Werkstück-Bewegungssystems korrigiert, um die Ist-Position an die Soll-Position anzugleichen. Dann wird zur lokalen Laserbearbeitung des Werkstücks wenigstens ein auf das Werkstück gerichteter Laserstrahl an wenigstens einer Bearbeitungsstelle des Werkstücks eingestrahlt.
Description
Verfahren und System zur Herstellung mikrostrukturierter Komponenten
ANWENDUNGSGEBIET UND STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Herstellung einer mikrostrukturierten Komponente, die eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat aufweist, worin in wenigstens einer Verfahrensstufe in einer Laserbearbeitungsstation unter der Steuerung durch eine Steuereinheit eine Laserbearbeitung durchgeführt wird. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Herstellung eines Micro-LED-Displays, welches ein Substrat aufweist, das ein Array von Pixel bildenden Micro-Leuchtdioden trägt, die auf einer auf dem Substrat angeordneten elektrischen Versorgungsstruktur angeordnet sind.
Der Begriff Micro-LED - manchmal auch Mikro-LED oder pLED genannt - steht für eine Flachbildschirmtechnologie auf Basis von Leuchtdioden (light emitting diode, LED). Micro- LED-Displays sind mikroelektronische Komponenten, die auf Anordnungen (Arrays) mikroskopisch kleiner Leuchtdioden basieren, die die Bildelemente des Displays, auch als Pixel bezeichnet, bilden. Zwischen den einzelnen pLEDs liegen jeweils Zwischenräume, die auch als Straßen bezeichnet werden. Einzelne Pixel können aus drei Subpixeln, d.h. drei pLEDs für Rot (R), Grün (G) und Blau (B) bestehen. Damit können auch innerhalb eines Pixels Straßen zwischen den pLEDs bestehen. Die Micro-LEDs sind selbstleuchtend, dimmbar und komplett abschaltbar und benötigen deshalb keine Hintergrundbeleuchtung wie bei Flüssigkristallanzeigen (Liquid Crystal Displays, kurz: LCDs).
Im Zuge der Entwicklung der Micro-LED-Technologie als neue Display-Technologie bietet die Laserbearbeitung mehrere Möglichkeiten, u.a. Laser Lift-Off (LLO), um die fertigen pLEDs vom Saphir-Wachstumswafer zu trennen, Laser-Induced-Forward-Transfer (LIFT), um die pLEDs von einem Donor auf das Substrat zu übertragen und/oder Laser-Reparatur z.B. von pLED- Displays zur Behebung von Ausbeuteproblemen und Defektraten.
Laser-Lift-Off (LLO) ist ein Verfahren zum selektiven Abtragen eines Materials von einem anderen Material. Dabei wird ein Prozess genutzt, bei dem der Laserstrahl ein transparentes Grundmaterial durchdringt und in ein zweites Material stark einkoppelt. LLO wird häufig bei der LED-Herstellung verwendet, um den GaN-Halbleiter von einem Saphir-Basis-Wafer zu trennen.
Der laserinduzierte Vorwärtstransfer (LIFT) ist eine Klasse von Verfahren, bei denen mittels Laserstrahlung Material von einem Ausgangssubstrat (Donor) auf ein Zielsubstrat (Akzeptor) übertragen wird.
Eine Übersicht zum Einsatz von laserbasierten Technologien bei der Fertigung von Micro-LEDs findet man in dem Whitepaper „MicroLEDs - Laser Processes for Display Production“ über die Homepage der Firma Coherent unter https://de.coherent.com/microled, betrieben von Coherent Shared Services B.V., Dieselstraße 5b, D-64807 Dieburg.
Für die Produktion existieren unterschiedliche Konzepte, die meist vom Hersteller und dessen spezifischer Verfahrensvariante abhängen und durch unterschiedliche Anpassung von LLO und LIFT Verfahren umgesetzt werden. In jedem Fall muss eine massive Parallelbearbeitung realisiert werden, um die große Anzahl an pLED wirtschaftlich übertragen zu können. Dazu werden Masken mit einer Vielzahl von Öffnungen bzw. Aperturen verwendet, die einen aufbereiteten Laserstrahl in eine entsprechende Vielzahl von Teilstrahlen aufteilen. Die Laserstrahlung emittierenden Maskenöffnungen werden dann auf die Bearbeitungsebene der Laserbearbeitungseinheit abgebildet.
Die Anordnung der pLED auf dem EPI-Wafer kann sich dabei von derjenigen auf dem Display unterscheiden. Beispielweise können die lateralen Abstände unterschiedlich sein. Man kann z.B. nur jede n-te pLED übertragen und dadurch den gewünschten Abstand auf dem Display- Substrat erreichen. Es besteht die Möglichkeit, pLED in drei verschiedenen Farben, von drei verschiedenen EPI-Wafern zu verwenden. Alternativ können z.B. blaue pLED mit unterschiedlichen Farbkonversionslagen (z.B. Quantum Dots) eingesetzt werden.
Manche Hersteller definieren Micro-LED-Bildschirme als Bildschirme mit Leuchtdioden, die eine Leuchtbreite kleiner als 50 pm oder eine Leuchtfläche kleiner als 0,003 mm2 haben. Die Breite (laterale Ausdehnung) einer pLED kann z.B. von über 30 pm (<100 pm) bis hinunter zu ca. 1 pm bis 3 pm reichen. Die Stege zwischen den pLED sind häufig nur ca. 6 pm bis 1 pm breit. Abweichungen von diesen aktuell typischen Dimensionen sind möglich, insbesondere in Richtung einer weiteren Miniaturisierung, z.B. um Bildschirme mit noch höherer Auflösung zu schaffen.
Die Kosten zur Bereitstellung der für solche Prozesse geeigneten Systeme steigen nahezu exponentiell mit den Anforderungen an die Möglichkeit, immer feinere Strukturen in stabilen Prozessen zu erzeugen.
AUFGABE UND LÖSUNG
Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und ein System zur Herstellung mikrostrukturierter Komponenten bereitzustellen, die auch bei zunehmender Miniaturisierung der zu erzeugenden Strukturen eine wirtschaftliche Fertigung solcher Komponenten 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 12 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 mikrostrukturierten Komponenten vorgesehen, die eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat aufweisen. Es kann sich dabei z.B. um mikroelektronische und/oder um mikromechanische Funktionselemente handeln. Ein Beispiel ist die Herstellung eines Mikro-LED-Displays, das ein Substrat (Display- Substrat) aufweist, welches ein Array von Pixel bildenden Mikro-Leuchtdioden auf einer elektrischen Versorgungsstruktur (auch als Backplane bezeichnet) trägt.
In wenigstens einer Verfahrensstufe wird in einer Laserbearbeitungsstation unter der Steuerung durch eine Steuereinheit eine Laserbearbeitung durchgeführt. Dabei wird Laserstrahlung mit vorgebbaren Strahleigenschaften in vorgebbarer Weise auf das Werkstück eingestrahlt, um lokal begrenzte Veränderungen am Werkstück zu bewirken. Die Laserbearbeitung kann auch als Lasermikrobearbeitung bezeichnet werden, da Bearbeitungsgenauigkeiten im Mikrometerbereich (z.B. wenige Mikrometer, ggf. auch weniger als ein Mikrometer) gefordert sein können.
Bei dem Werkstück kann es sich um ein noch nicht bearbeitetes Substrat handeln oder um ein Substrat, das eine Beschichtung und/oder andere Funktionsstrukturen trägt.
In dieser Verfahrensstufe wird u.a. eine Positionier-Operation ausgeführt. In der Positionier- Operation wird ein zu bearbeitendes Werkstück in Reaktion auf Bewegungssignale der Steuereinheit in eine Bearbeitungsposition der Laserbearbeitungsstation bewegt. Die Positionier-Bewegung erfolgt derart, dass sich das Werkstück zu einem vorgegebenen Zeitpunkt in einer angestrebten Position befindet. Das Werkstück kann sich dabei ständig bewegen und mit endlicher Geschwindigkeit so durch die angestrebte Position laufen, dass es sich zum Zielzeitpunkt an der angestrebten Position befindet („dynamische Positionierung“). Die
Positionier-Bewegung kann auch so gesteuert werden, dass die Bewegung kurz angehalten wird, wenn sich das Werkstück in der Ziel-Position befindet („statische Positionierung“)
Zur Durchführung dieser Werkstückbewegung weist die Laserbearbeitungsstation ein Werkstück-Bewegungssystem auf. Ein Bewegungssystem ist ein elektrisch-mechanisches System für Bewegungs- und Positionierzwecke in der Automatisierung und erlaubt, einen damit bewegten Gegenstand nach einem bestimmten Bewegungsprofil in zwei oder drei Dimensionen zu bewegen und zu positionieren. Sie werden häufig auch als Bewegungs- und Positioniersysteme bezeichnet.
Es findet eine kamerabasierte Beobachtung des Werkstücks statt. Die Beobachtung wird mithilfe eines Kamerasystems durchgeführt, das wenigstens eine Kamera aufweist, und umfasst eine Bilderfassung, also das Erfassen mindestens eines im Objektfeld der Kamera liegenden Ausschnitts des Werkstücks sowie die Erzeugung eines den Ausschnitt repräsentierenden Bildes. Es kann sich um ein einzelnes Bild oder um mehrere Bilder handeln.
In einer Auswerteoperation wird mithilfe einer Auswerteeinheit des Systems das Bild mittels Bildverarbeitung ausgewertet, um Positionsdaten zu ermitteln, die die Ist-Position wenigstens eines Strukturelements des Werkstücks im Objektfeld zum Zeitpunkt der Bilderfassung repräsentieren. Das Strukturelement ist ein im Bild bezüglich seiner Position gut identifizierbares Element am Werkstück. Als Strukturelemente kommen z.B. Kontaktpads auf der Backplane, speziell an bestimmten Stellen angebrachte Justiermarken, eine oder mehrere LEDs oder andere Funktionselemente in Frage.
In einer Vergleichsoperation wird die Ist-Position mit einer vorgegebenen Soll-Position des Strukturelements verglichen. Basierend auf dem Vergleich werden Korrektursignale in Abhängigkeit von einer Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position erzeugt.
Wenn die durch kamerabasierte Beobachtung und Bildauswertung festgestellte Ist-Position eines ausgewählten Strukturelements des Werkstücks nicht oder nicht bis auf eine ggf. akzeptable kleine Abweichung der Soll-Position entspricht, werden Korrektursignale bzw. Korrekturwerte erzeugt, die das Ausmaß der Abweichung repräsentieren und eine Korrekturbedürftigkeit anzeigen. Wenn der Vergleich ergibt, dass die festgestellte Ist-Position bereits ausreichend gut der Soll-Position entspricht, kann ein entsprechendes Korrektursignal („keine Korrektur nötig“) erzeugt werden, welches einem Korrekturwert Null entsprechen würde.
Basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs erfolgt im Rahmen einer Positionskorrektur durch Erzeugen einer Korrekturbewegung eine Korrektur der Bearbeitungsposition des Werkstücks durch Ansteuern des Werkstück-Bewegungssystems in der Weise, dass die Ist-Position des Strukturelements an die Soll-Position möglichst gut angeglichen wird. Dabei muss nicht exakt die Soll-Position erreicht werden, die Differenz zwischen Soll- und Ist-Position muss aber derart verringert werden, dass die Ist-Position nach der Positionskorrektur innerhalb des Toleranzbereichs zur Soll-Position liegt.
Schließlich wird wenigstens ein auf das Werkstück gerichteter Laserstrahl zur lokalen Laserbearbeitung des Werkstücks an wenigstens einer Bearbeitungsstelle des korrekt positionierten Werkstücks auf das Werkstück eingestrahlt.
Ein zur Durchführung des Verfahrens geeignetes und konfiguriertes System umfasst dementsprechend eine Steuereinheit, die Laserbearbeitungsstation mit der durch die Steuereinheit steuerbaren Laserbearbeitungseinheit sowie ein Werkstück-Bewegungssystem, welches in Reaktion auf Bewegungssignale der Steuereinheit ein Werkstück bewegen kann. Weiterhin ist ein Kamerasystem mit einer Kamera zur Beobachtung des Werkstücks und zur Erfassung von einem oder mehreren Bildern vorgesehen, die dann in der Auswerteeinheit ausgewertet werden. Die Auswerteeinheit ist zum Auswerten des Bilds mittels Bildverarbeitung zur Ermittlung von Positionsdaten konfiguriert, die die Ist-Position repräsentieren, und führt auch den Vergleich der Ist-Position mit der Soll-Position des Strukturelements zum eventuellen Erzeugen von Korrektursignalen bei zu großen Abweichungen durch. Abhängig vom Ergebnis der Auswertung wird die Steuereinheit veranlasst, die Bearbeitungsposition durch Ansteuern des Werkstück-Bewegungssystems zu korrigieren, um dadurch die Ist-Position an die Soll- Position auf Basis der Korrektursignale anzugleichen. Nach der Auswertung und der eventuellen Positionskorrektur liegt die Ist-Position mit hoher Genauigkeit auf oder nahe bei der Soll-Position. Wenn dies der Fall ist, kann die Steuereinheit die Laserbearbeitungseinheit dazu veranlassen, wenigstens einen auf das Werkstück gerichteten Laserstrahl zur lokalen Laserbearbeitung des Werkstücks an wenigstens einer Bearbeitungsstelle des positionierten Werkstücks einzustrahlen.
Die beanspruchte Erfindung beruht unter anderem auf Erkenntnissen der Erfinder aus Untersuchungen von kommerziell erhältlichen Werkstück-Bewegungssystemen, die häufig auch als Bewegungs- und Positioniersysteme bezeichnet werden. Dabei stellte sich überraschend heraus, dass auch bei hochwertigen und entsprechend teuren Werkstück-Bewegungssystemen die Absolut-Genauigkeit der Positionierung über relativ große Verfahrwege und gegebenenfalls über einen relativ langen Zeitraum, wie er zur Display-Herstellung für den Prozess zur genauen
Positionierung sehr kleiner Mikro-LEDs erforderlich ist, nicht oder kaum ausreicht. Der absolute Positionsfehler kann bei Verfahrwegen in der Größenordnung von 500 mm durchaus mehrere Mikrometer betragen. Der nicht korrigierbare Wiederholfehler bei unter 50 mm Verfahrweg sollte dagegen in einem relativ kurzen Zeitraum nach einer Korrektur kleiner als 100 nm sein und somit im geforderten Genauigkeitsbereich liegen.
Gemäß dem Vorschlag der Erfinder kann ein Werkstück-Bewegungssystem selbst dann, wenn es beispielsweise bei großen Verfahrwegen relativ hohe absolute Positionsfehler generiert, für hochpräzise Laserbearbeitungen genutzt werden, da über die kamerabasierte Beobachtung inklusive Bildbearbeitung, Ermittlung eventueller Positionsfehler und daran orientierter Positionskorrektur dennoch die für die Lasermikrobearbeitung erforderliche Position des Werkstücks auch nach längeren Verfahrwegen mit höchster Präzision im Mikrometerbereich eingestellt werden kann. Insoweit wird eine kamerabasierte Positionsregelung implementiert, die eventuelle konstruktive oder prinzipbedingte Schwächen kommerzieller Werkstück- Bewegungssysteme mit relativ kostengünstigen Mitteln kompensieren kann.
Gemäß einer Weiterbildung kann eine massive Parallelbearbeitung realisiert werden, um z.B. eine große Anzahl an pLED wirtschaftlich übertragen zu können. Um eine Parallelbearbeitung an einer Vielzahl von Bearbeitungsstellen gleichzeitig zu ermöglichen, wird eine Maske mit einer Vielzahl von Maskenöffnungen verwendet. Die Maske teilt einen ggf. aufbereiteten Laserstrahl in eine Vielzahl von Teilstrahlen auf. Die Laserstrahlung emittierenden Maskenöffnungen werden dann auf eine Bearbeitungsebene der Laserbearbeitungseinheit abgebildet. Im System wird die Maske in einer zur Bearbeitungsebene optisch konjugierten Maskenebene angeordnet. Mittels eines optischen Abbildungssystems werden die Laserstrahlung emittierenden Maskenöffnungen auf eine Bearbeitungsebene der Laserbearbeitungseinheit abgebildet. Vorzugsweise ist ein Masken-Bewegungssystem vorgesehen, welches die Maske trägt und unter der Steuerung durch die Steuereinheit eine Verlagerung der Maske in der Maskenebene sowie eine Drehung der Maske um eine zur Maskenebene senkrechte Achse erlaubt.
Gemäß einer Weiterbildung wird das Werkstück mittels des Bewegungssystems kontinuierlich bewegt und an den vorgegebenen Positionen jeweils ein Laserpuls ausgelöst. Damit ergeben sich eine Laserpulsfrequenz im Rahmen der Spezifikation des Lasersystems und ein Abstand der Bearbeitungspositionen sowie eine bestimmte Verfahrgeschwindigkeit des Substrats. Zur Bildaufnahme für die Korrektur erfolgt eine Positionierung mit kurzzeitigem Stillstand oder eine Positionierung mit einer sehr langsamen Bewegung durch die gewünschte Position, die nur über einen kurzen, aber ausreichenden Zeitraum vorliegt.
Gemäß einer Weiterbildung wird schrittweise sektoriell gearbeitet. Ein Sektor ist ein Teilbereich oder ein Ausschnitt des gesamten Werkstücks, das virtuell in eine Vielzahl gleicher oder ungleicher Sektoren aufgeteilt werden kann. Ein Sektor kann z.B. Rechteckform mit gleichen oder ungleichen Seitenlängen haben. Das Verfahren umfasst dabei die Erzeugung und das Abspeichern eines Rasters von Korrekturwerten innerhalb eines vermessenen Sektors und eine nachfolgende Bearbeitung dieses Sektors. Dabei werden die korrigierten Werte für die Laserbearbeitung des Werkstücks genutzt. Gegebenenfalls wird eine Interpolation der Zwischenwerte an den nicht vermessenen Positionen durchgeführt.
Gemäß einer Weiterbildung wird für die Kamerabeobachtung und Bilderfassung schmalbandiges Licht verwendet bzw. genutzt. Dadurch kann ein weiterer Beitrag zur Erzielung höchster Positioniergenauigkeiten bzw. geringster Positionierfehler geleistet werden. Der Begriff „Licht“ wird in dieser Anmeldung allgemein sowohl für elektromagnetische Strahlung aus dem mit bloßem Auge sichtbaren Spektra Ibereich (VIS, visible spectral ränge) als auch für mit bloßem Auge nicht sichtbare elektromagnetische Strahlung, insbesondere aus den Ultravioletten Spektralbereich (UV), verwendet, Schmalbandiges Licht wird in dieser Anmeldung auch als „quasi-monochromatisches“ oder „einfarbiges“ Licht bezeichnet. Die Begriffe „schmalbandig“, „quasi-monochromatisch“ oder „einfarbig“ sind Synonyme und sollen verdeutlichen, dass es sich bei dem Licht um elektromagnetische Strahlung aus einem relativ engen Wellenlängenbereich bzw. aus einem schmalen Wellenlängenband handelt. Die spektrale Bandbreite des schmalbandigen Lichts bzw. der schmalbandigen Strahlung kann deutlich weniger als 100 nm betragen, wobei vorzugsweise die spektrale Bandbreite des für die Bilderfassung genutzten Lichts 50 nm oder weniger, insbesondere 10 nm oder weniger, betragen kann. Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, dies umzusetzen.
Gemäß einer Weiterbildung wird für die Kamerabeobachtung und Bilderfassung wenigstens während der Erfassung eines Bildes ein das Objektfeld der Kamera umfassender Beleuchtungsbereich am Werkstück mit schmalbandigem Beleuchtungslicht beleuchtet. Dazu kann das System ein Beleuchtungssystem aufweisen, das eine per se bereits schmalbandige Beleuchtungslichtquelle und/oder optische Einrichtungen (z.B. Gitter oder Filter) zur Begrenzung des Beleuchtungslichtspektrums einer Beleuchtungslichtquelle auf einen engeren Wellenlängenbereich umfasst.
Als Lichtquelle zur Erzeugung des Beleuchtungslichts können beispielsweise geeignete lichtemittierende Dioden (LED) oder Laserdioden verwendet werden. In manchen Konstellationen kann auch das Licht des Lasers der Laserbearbeitungseinheit bei entsprechend geringerer Intensität zur Beleuchtung genutzt werden. Durch die Verwendung von quasi-
monochromatischem Beleuchtungslicht kann die Entstehung von Farbfehlern bzw. chromatischen Aberrationen vermieden oder so weit vermindert werden, dass die Auflösung für Positionsmessungen dadurch nicht nennenswert beeinträchtigt wird. Die Verwendung von einfarbigem Beleuchtungslicht ermöglicht zur Strahlführung die Verwendung von optischen Systemen, wie zum Beispiel Laseroptiken, die im Allgemeinen nicht chromatisch korrigiert sind.
Alternativ oder zusätzlich kann zwischen der Objektebene der Kamera (bzw. der Bearbeitungsebene der Laserbearbeitungseinheit) und dem Kamerasensor ein Filter, ein Gitter und/oder eine andere wellenlängenselektive Einrichtung angeordnet sein, die z.B. mit der Wirkung eines Bandpassfilters nur Licht aus einem schmalen Wellenlängenband zur Kamera durchlässt, so dass für die Erzeugung des für die Auswertung genutzten Bildes nur schmalbandiges bzw. quasi-monochromatisches Licht genutzt wird.
Um eine möglichst homogene Intensitätsverteilung in den beleuchteten Bereichen zu erreichen kann das Beleuchtungssystem so konfiguriert sein, dass das Prinzip der Köhlerbeleuchtung genutzt wird. Als Alternative kann z.B. ein Ringlicht als Beleuchtungslichtquelle genutzt werden.
In Kombination mit der kamerabasierten Positionsregelung wird ein System bereitgestellt, mit dem Laserbearbeitung mit höchster Positioniergenauigkeit der Bearbeitungsstellen zu wirtschaftlich vernünftig darstellbaren Bedingungen gewährleistet werden kann.
Die produktive Laserbearbeitung von Substraten erfolgt häufig „on-the-fly“, d.h. in der Bewegung des Substrats, so dass ein verfügbares Zeitfenster für die Belichtung und die Erstellung eines Bilds nur relativ klein wäre, sofern nicht ein gepulster Laser als Lichtquelle des Beleuchtungssystems verwendet wird. Eine vollständige „on-the-fly“-Korrektur könnte in manchen Situationen zu spät kommen, um größere Abweichungen auszugleichen. Daher ist gemäß bevorzugter Ausführungsformen vorgesehen, dass die Beobachtung und Bildverarbeitung innerhalb einer Korrekturoperation vor der Laserbearbeitung realisiert wird und der Laserbearbeitungsschritt (z.B. zur Realisierung eines LLO-, LIFT- oder Repair-Prozesses) erst nach Einstellen der korrigierten Bearbeitungsposition gestartet wird. Die Laserbearbeitung startet also möglichst zeitnah nach einer eventuellen Verlagerung des Werkstücks zur Korrektur eines Positionsfehlers. Vorzugsweise bewegt sich das Werkstück während der Bilderfassung nicht, so dass die Messung für die Korrektur bei ruhendem Werkstück erfolgen kann.
Die Korrektur sollte möglichst lokal erfolgen, also dort, wo die nächste Laserbearbeitung stattfindet, bei möglichst geringen Verfahrwegen. Mit anderen Worten sollte sich derjenige Bereich, in dem die zur Positionsmessung verwendeten Strukturelemente liegen, möglichst nah
bei der nächsten Bearbeitungsstelle liegen. Hierzu hat sich die bevorzugte schrittweise sektorielle Bearbeitung bewährt, da nur Verfahrwege in der Größenordnung der Sektorquermaße (z.B. im Bereich von ca. 10 mm bis zu ca. 30 mm) zurückzulegen sind.
Außerdem wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Positionskorrektur zeitnah vor Beginn des nächsten Bearbeitungsschritts erfolgt, also insbesondere bevor aufgrund von Energieeintrag während der Bearbeitung möglicherweise ein zusätzlicher Fehler auftritt. Dieser kann kompensiert werden, wenn zuvor eine neue Messung durchgeführt wird. Die Zwischenzeiten können z.B. in der Größenordnung einer Sekunde oder darunter, z.B. bis hinunter zu einer Millisekunde liegen. Die Bearbeitung sollte somit unmittelbar nach der Positionskorrektur erfolgen, ohne weitere, nicht mit der Bearbeitung in Zusammenhang stehende Bewegungen, z.B. ohne eine zwischengeschaltete Strahlanalyse.
Die Laserbearbeitungseinheit umfasst ein Abbildungsobjektiv zur Abbildung einer Maskenebene in die Bearbeitungsebene der Laserbearbeitungseinheit, die meist in oder in der Nähe der Oberfläche des Werkstücks liegt. Bei bevorzugten Ausführungen ist vorgesehen, dass die kamerabasierte Beobachtung des zu positionierenden oder des positionierten Werkstücks mittels der Kamera durch dieses Abbildungsobjektiv hindurch erfolgt. Mit anderen Worten: Ein Beobachtungsstrahlengang verläuft vom Werkstück bzw. der werkstückseitigen Objektebene des Abbildungsobjektivs durch das Abbildungsobjektiv hindurch zur Kamera. Der Beleuchtungsstrahlengang, mit dem Beleuchtungslicht auf den zu beobachtenden Ausschnitt geleitet wird, verläuft vorzugsweise ebenfalls durch das Abbildungsobjektiv hindurch. Dies ist insbesondere dann gut möglich, wenn einfarbiges Beleuchtungslicht verwendet wird, für dessen Strahlführung auch chromatisch nicht korrigierte Optiken genutzt werden können. Mit einer kamerabasierten Beobachtung durch die Linse (Through the Lens, TTL) sind besonders präzise Messergebnisse bei kompakten Gesamtmaßen der für die Messung erforderlichen Komponenten möglich. Insbesondere können bei Nutzung der TTL-Beobachtung zusätzliche Fehler vermieden werden, die z.B. durch Verfahren zu einer außeraxial angeordneten Messkamera entstehen könnten.
Bei manchen Ausführungsformen wird der Beleuchtungsbereich am Werkstück mit quasi monochromatischem Beleuchtungslicht mit einer Beleuchtungswellenlänge im Ultraviolett- Bereich (UV-Beleuchtungslicht) beleuchtet. Das Beleuchtungssystem kann dazu eine Lichtquelle aufweisen, die im Ultraviolett-Bereich abstrahlt. Die Verwendung von Ultraviolettlicht zum Messen bietet gegenüber der Verwendung von sichtbarem Licht unter anderem den Vorteil einer höheren Auflösung aufgrund der kürzeren Wellenlänge. Damit können auch feinere Strukturen präziser mittels Kamera erfasst und ausgewertet werden als bei Verwendung
längerer Wellenlängen. Insbesondere können Beleuchtungswellenlängen im Bereich von weniger als 300 nm verwendet werden, beispielsweise Beleuchtungswellenlängen im Bereich um ca. 270 nm oder Beleuchtungswellenlängen im Bereich um ca. 248 nm oder darunter.
Eine Beobachtung im UV-Bereich kann zwar aufgrund der höheren Preise für UV-sensitive Kameras etwas teurer sein, durch die höhere Auflösung können aber die angestrebten feineren Strukturen zuverlässiger hergestellt werden.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Ultraviolettlicht zur Beleuchtung entsteht bei vielen Ausführungsbeispielen dadurch, dass zur Laserbearbeitung ebenfalls eine Laserwellenlänge im Ultraviolettbereich genutzt wird, z.B. bei 193 nm, 248 nm, 308 nm oder 355 nm Wellenlänge. Insbesondere kann als Laserquelle ein Excimerlaser genutzt werden, beispielsweise ein KrF- Excimerlaser mit einer Emissionswellenlänge von ca. 248 nm. Derartige Excimerlaser haben sich für die Laserbearbeitung bewährt. Durch Verwendung von Beleuchtungslicht mit ähnlichen Wellenlängen ist eine gute Anpassung an die Laserbearbeitungseinheit möglich. Wenn das Beleuchtungslicht eine Beleuchtungswellenlänge hat, die der Laserwellenlänge entspricht oder in deren Nähe liegt, so ist es besonders einfach möglich, bei transparenten optischen Komponenten deren Antireflexbeschichtung so auszulegen, dass sie sowohl für die Laserwellenlänge als auch für das Beleuchtungslicht entspiegelnd bzw. transmissionserhöhend wirken.
Es ist auch möglich, dass das Beleuchtungssystem so ausgelegt ist, dass Beleuchtungslicht mit einer Beleuchtungswellenlänge im sichtbaren Spektralbereich (VIS) genutzt wird, wobei vorzugsweise schmalbandiges Grünlicht mit einer Wellenlänge im Bereich von 490 nm bis 575 nm zur Beleuchtung verwendet wird. Damit ist ein guter Kompromiss zwischen Bereitstellungskosten und erzielbarer Auflösung realisierbar, da für Grünlicht empfindliche Kameras mit hoher Qualität auch zu günstigen Kosten verfügbar sind und da andererseits Versuche gezeigt haben, dass bei Beleuchtung mit schmalbandigem Grünlicht in vielen Fällen ausreichend gute örtliche Auflösungen erzielt werden können.
Um unterschiedliche Funktionalitäten bei insgesamt kompakter Baugröße des Systems realisieren zu können, ist bei bevorzugten Ausführungsformen vorgesehen, dass die Laserbearbeitungseinheit eine Strahlumlenkeinrichtung aufweist, die ein Substrat und eine daran ausgebildete, schräg zu einer Hauptachse der Laserbearbeitungseinheit orientierte Strahlumlenkfläche zur Umlenkung des Laserstrahls in eine im Wesentlichen parallel zur Hauptachse verlaufende Ausbreitungsrichtung aufweist. Dadurch können die Laserstrahlungsquelle und die nachgeschalteten Strahlführungskomponenten so aufgebaut
werden, dass die Einstrahlung im Wesentlichen in horizontaler Richtung erfolgt, während die Hauptachse der Laserbearbeitungseinheit vertikal orientiert ist. Als Hauptachse der Laserbearbeitungseinheit wird hier diejenige Achse bezeichnet, die durch die optische Achse des Abbildungsobjektivs definiert wird.
Um andererseits eine Beobachtung durch das Abbildungsobjektiv der Laserbearbeitungseinheit hindurch zu ermöglichen, ist vorzugsweise vorgesehen, dass ein zwischen der Bearbeitungsebene der Laserbearbeitungseinheit und der Kamera verlaufender Beobachtungsstrahlengang durch die Strahlumlenkfläche hindurchführt, wobei die Strahlumlenkeinrichtung so ausgelegt ist, dass sie Beleuchtungslicht wenigstens teilweise transmittiert. Mit anderen Worten soll die Strahlumlenkfläche eine gewisse Transmission für Beleuchtungslicht aufweisen, diese also nicht vollständig reflektieren und/oder absorbieren.
Das Substrat der Strahlumlenkeinrichtung kann mit einer dielektrischen Beschichtung beschichtet sein, die die Strahlumlenkfläche bildet. Die Beschichtung ist vorzugsweise so ausgelegt, dass sie für das eintretende Laserlicht bei den vorliegenden Einfallswinkeln einen sehr hohen Reflexionsgrad (beispielsweise von mehr als 99 %) und für das zur Beleuchtung verwendete Beleuchtungslicht eine relativ hohe Transmission aufweist, z.B. im Bereich von 20% bis 70%.
Gemäß einer Weiterbildung ist das Substrat der Strahlumlenkeinrichtung als für Beleuchtungslicht transparente Planplatte ausgebildet, die gegenüber der Hauptachse um eine senkrecht zur Hauptachse orientierte erste Kippachse verkippt ist, z.B. um 45°. Das Substrat kann beispielsweise aus synthetischem Quarzglas (fused silica) oder einem anderen für Ultraviolettlicht und sichtbares Licht transparenten Material mit geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten bestehen.
Die Verwendung einer solchen Strahlumlenkeinrichtung bietet die Möglichkeit, im Bereich der Strahlumlenkeinrichtung den Laserstrahlengang und den Beobachtungsstrahlengang zu separieren. Allerdings haben Untersuchungen gezeigt, dass es je nach Auslegung der Strahlumlenkeinrichtung sein kann, dass dadurch die optischen Wege im Beobachtungsstrahlengang so verändert werden, dass astigmatische Aberrationen auftreten können, die das Auflösungsvermögen beeinträchtigen. Bei bevorzugten Ausführungsformen ist daher im Beobachtungsstrahlengang zwischen der Strahlumlenkeinrichtung und der Kamera eine Beleuchtungslicht transmittierende Astigmatismus-Kompensationseinheit angeordnet. Diese ist dazu ausgelegt, die eingeführten astigmatischen Aberrationsanteile wenigstens
teilweise zu kompensieren, wodurch das Auflösungsvermögen des Beobachtungssystems insgesamt erhöht werden kann.
Für den Fall, dass das Substrat der Strahlumlenkeinrichtung als Beleuchtungslicht transmittierende Planplatte ausgebildet ist, die gegenüber der Hauptachse um eine senkrecht zur Hauptachse orientierte erste Kippachse verkippt ist, weist die Astigmatismus- Kompensationseinheit vorzugsweise eine für Beleuchtungslicht transparente Planplatte auf, die gegenüber der Hauptachse um eine senkrecht zur Hauptachse und zur ersten Kippachse orientierte zweite Kippachse verkippt ist. Die Planplatte der Strahlumlenkeinrichtung und der Astigmatismus-Kompensationseinheit sollten die gleiche oder im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweisen, so dass sie in zwei zueinander senkrechten Richtungen astigmatische Verzerrungen einführen, die sich aufgrund der unterschiedlichen Orientierung der Kippachsen gegenseitig kompensieren. Somit kann das Beobachtungssystem so ausgelegt werden, dass zwischen der Objektebene der Kamera und dem lichtempfindlichen Sensor (zum Beispiel CCD- Sensor oder CMOS-Sensor) keine die Auflösung der Probenbeobachtung beeinträchtigenden astigmatischen Aberrationen verbleiben.
Eine exakte Positionierung des Werkstücks und der gegebenenfalls darauf angebrachten Funktionselemente im Raum ist ein wichtiger Beitrag zur Erzielung höchster Bearbeitungsgenauigkeiten. Weitere Beiträge ergeben sich auf Seiten der Laserbearbeitungseinheit, da für eine positionsgenaue Bearbeitung auch die Position der auftreffenden Laserstrahlen im Raum bekannt sein sollte. Zudem sind eine homogene Intensitätsverteilung über den gesamten Strahlquerschnitt sowie eine hohe Flankensteilheit am Rand der Maskenaperturen wichtige Voraussetzungen für eine hohe Bearbeitungsqualität.
Bei der Laserbearbeitung sollte idealerweise jedes einzelne Funktionselement, beispielsweise jede Mikro-LED einzelnen bestrahlt werden, und zwar vollständig und über die LED hinweg gleichmäßig, während benachbarte LEDs von der für eine LED vorgesehene Strahlung nicht getroffen werden, sondern lediglich durch die diesen zugeordneten Laserstrahlen.
Zur messtechnischen Erfassung geeigneter Messgrößen weisen bevorzugte Ausführungsformen ein in die Laserbearbeitungsstation integriertes kamerabasiertes Strahlanalysesystem zur in-situ-Analyse von Strahlparametern des Laserstrahls auf. Damit ist zeitnah zur Bearbeitung eine Strahldiagnose möglich, beispielsweise im Rahmen der Einrichtung der Laserbearbeitungsstation oder eine Kontrolle der Strahlqualität bei der Sicherstellung einer korrekten Abbildung der Maske auf das Werkstück.
Vorzugsweise weist das Strahlanalysesystem wenigstens eine Strahlanalyseeinheit auf, die eine für die Laserwellenlänge empfindliche Kameraanordnung mit einer Kamera aufweist, welche ein Objektfeld aufweist, das in der Bearbeitungsebene der Laserbearbeitungseinheit oder in einer zur Bearbeitungsebene optisch konjugierten Ebene liegt. Mit dieser Anordnung kann erreicht werden, dass die Kamera ein möglichst scharfes, gut aufzulösendes Bild der in der Bearbeitungsebene wirksamen Laserstrahlen oder z.B. ein Bild der ausgeleuchteten Aperturen der Maske erfassen kann. Daraus können dann in einer Auswerteeinrichtung Strahlparameter und Ausrichtungsparameter ermittelt und zur Korrektur eventueller Fehler durch die Steuereinheit verarbeitet werden.
Bei manchen Ausführungsformen hat die Kameraanordnung eine für die Laserwellenlänge empfindliche Kamera, vorzugsweise eine für Ultraviolettlicht empfindliche Kamera (UV-Kamera), die direkt das Laserlicht eines UV-Lasers verarbeiten kann. Alternativ ist es auch möglich, die Kameraanordnung mit einer für sichtbares Licht empfindlichen Kamera auszustatten und einen flächigen Wandler vorzusehen, der in einer Objektebene der Kamera angeordnet ist und dafür konfiguriert ist, Licht der Laserwellenlänge in Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich zu wandeln. Damit emittiert der Wandler sichtbares Licht genau mit der örtlichen Verteilung, die in der Bearbeitungsebene oder in der Maskenebene vorliegt.
In der Regel ist das Objektfeld der Kamera nicht groß genug, um alle Aperturen einer Maske gleichzeitig zu erfassen. Vielmehr werden jeweils nur Untergruppen der Aperturen erfasst. In diesem Fall wird zur Diagnose der kompletten Maskenstruktur die Kamera im Step-and-Repeat- Verfahren über die zu vermessenden Ebene bewegt und Einzelbilder werden in der Auswerteeinheit per Software zu einem Bild der kompletten Maske zusammengesetzt und mittels Bildverarbeitung ausgewertet. Alternativ können auch bereits die Einzelbilder ausgewertet werden.
Damit jederzeit eine Vermessung der Position der Masken möglich ist, kann das Strahlanalysesystem an der Positioniereinrichtung des Akzeptorsubstrats außerhalb des Substrattischs oder auf einer separaten Positioniereinheit montiert sein. Das begünstigt eine präzise Positionierung des Strahlanalysesystems im Sub-pm-Bereich, die Voraussetzung für die exakte Zusammensetzung der Einzelbilder und damit der korrekten Analyse des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene ist.
Die Vermessung der Positioniereinrichtung kann dann unter Verwendung einer hochpräzisen lithografischen Maskenstruktur erfolgen, die unter Nutzung der Laseranlage in die Bearbeitungsposition abgebildet wird. Dabei ergibt sich an den Positionen, wo benachbarte
Bilder aneinandergefügt werden, eine Abweichung von der originalen Struktur, die ein Maß für den relativen Positionierfehler in X- und Y-Richtung (jeweils die Summe aus den X- und Y- Fehlern an den zwei Positionen, wo die Bilder aufgenommen wurden) darstellt. Nach der Berechnung dieser Abweichungen kann der Fehler somit kompensiert werden.
Ein kamerabasiertes Strahlanalysesystem zur in-situ-Analyse von Strahlparametern des Laserstrahls der in dieser Anmeldung beschriebenen Art kann auch unabhängig von den sonstigen Merkmalen der beanspruchten Erfindung eine schutzfähige Erfindung darstellen. Offenbart ist somit auch ein Laserbearbeitungssystem mit einem integrierten Strahlanalysesystem, jedoch ohne kamerabasierte Positionskorrektur bzw. ohne kamerabasierte Positionsregelung.
Die Erfinder haben erkannt, dass es möglich ist, aus der Beobachtung von Vorgängen, die in unmittelbarer Nähe der Bearbeitungsstelle während der Laserbearbeitung ablaufen, Rückschlüsse auf Prozessoptimierungsmöglichkeiten zu ziehen und basierend darauf Prozessparameter zu optimieren. Bei manchen Ausführungsformen wird für diese Zwecke in die Laserbearbeitungsstation ein kamerabasiertes Schattenwurfbild-Analysesystem zur in-situ- Beobachtung und Analyse schnell ablaufender Vorgänge im Bereich der durch Laserstrahl beeinflussten Bearbeitungszone integriert. Damit können mittels „Shadowgraphy“ bzw. mittels Schattenwurfbilderzeugung und - analyse z.B. Kenntnisse der bei einer Laserablation ablaufenden Vorgänge gewonnen und bei ungünstigen Verläufen Korrekturen von Bearbeitungsparametern ermöglicht werden. Das Schattenwurfbild-Analysesystem wird im Folgenden auch als „Shadowgraphy-System“ bezeichnet.
Ein Schattenwurfbild-Analysesystem bzw. die Technik der Shadowgraphy kann beispielsweise im Rahmen der Prozessentwicklung und Prozesskontrolle genutzt werden. Ein anderes Anwendungsgebiet liegt im Bereich von Repair-Prozessen, also Prozessschritten, mit denen partiell defekte Komponenten, wie z.B. pLED-Displays, repariert werden können, um die Ausbeute insgesamt zu verbessern.
Das Schattenwurf-Analysesystem weist eine Kurzpuls-Lichtquelle bzw. Blitzlichtquelle zur zeitgesteuerten Einstrahlung von kurzen Beleuchtungslichtpulsen bzw. Blitzen in einer quer zum Laserstrahl orientierten Einstrahlrichtung auf. Weiterhin umfasst das System auf einer gegenüberliegenden Seite eine Kamera zur Erfassung von Schattenwurfbildern (Shadowgraphs) der mit dem Laserstrahl bestrahlten Bearbeitungszone. Weiterhin ist eine Auswerteeinheit zur Auswertung von Kamerabildern der Kamera vorgesehen.
Vorzugsweise erfolgt die Einstrahlung von Beleuchtungslichtpulsen in den Bereich der Bearbeitungszone parallel zur Bearbeitungsebene. Alternativ ist eine Einstrahlung unter einem relativ flachen bzw. spitzen Winkel möglich, der z.B. bei weniger als 30° oder weniger als 20° liegen kann.
Eine besonders kritische Prozessstufe beispielsweise bei der Herstellung von Micro-LED- Display ist die Übertragung von Micro-LEDs mit Hilfe des LIFT-Verfahrens. Dort wird in der Regel mit einem sehr geringen Donor-Akzeptor-Abstand gearbeitet. Eine in-situ Überwachung des Prozesses wäre wünschenswert. Ohne diese gestaltet sich die Parametersuche und Optimierung sowie die Fehlersuche bei Qualitätsproblemen schwierig.
Bei manchen Ausführungsformen ist eine LIFT-Bearbeitungsstation (d.h. eine für einen LIFT- Prozess eingerichtete Laserbearbeitungsstation) vorgesehen, die auf einer kleineren Fläche (Messfläche) hochauflösende Shadowgraphy gestattet. Damit kann jedenfalls im Bereich der kleinen Messfläche z.B. die Flugphase von Micro-LEDs nach dem Ablösen vom Donor genau charakterisiert werden.
Es ist den Erfindern außerdem gelungen, eine Konfiguration eines Schattenwurf- Analysesystems zu entwickeln, das Shadowgraphy auch dann ermöglicht, wenn die beobachtete Bearbeitungszone innerhalb eines seitlich schwer zugänglichen Bereichs liegt, beispielsweise in der Nähe der Oberfläche eines Donorsubstrats bei der Fertigung von Micro- LED-Displays. Eine hierfür geeignete Ausführungsform eines Schattenwurfbild-Analysesystems ist gekennzeichnet durch ein Strahlumlenksystem, insbesondere ein Spiegelsystem, mit einem zwischen der Kurzpuls-Lichtquelle und der Bearbeitungszone angeordneten Umlenkelement, insbesondere einem Umlenkspiegel, zur Umlenkung von Beleuchtungslicht aus einer schräg zur Bearbeitungsebene orientierten Richtung in eine parallel zur Bearbeitungsebene verlaufende Einstrahlrichtung und mit einem zwischen der Bearbeitungszone und der Kamera angeordneten Umlenkelement, insbesondere einem Umlenkspiegel, zur Umlenkung der parallel zur Bearbeitungsebene verlaufenden Strahlung in eine schräg zur Bearbeitungsebene orientierte Einfallsrichtung der Kamera. Damit ist es möglich, eine hochleistungsfähige Kamera an fast jeder x-y-Position des relativ großen Werkstückes relativ nah zu diesem schräg anzuordnen und dennoch im Bereich der Bearbeitungszone einen Shadowgraphy-Strahlengang zu erreichen, der parallel zur Bearbeitungsebene verläuft. Damit können auch Repair-Prozesse mittels Shadowgraphy überwacht werden. Zur Strahlumlenkung kann anstelle eines Spiegels z.B. auch ein Prisma genutzt werden.
Besonders vorteilhaft sind Ausführungsformen, bei denen das Schattenwurfbild-Analysesystem dafür konfiguriert ist, getriggert durch Laserpulse des Laserbearbeitungs-Lasers eine Serie von Beleuchtungspulsen auszulösen, so dass das vom Werkstück abgelöste Teil mehrfach, zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen Positionen, in einem Bild abgebildet wird, indem der Kamerasensor über die Serie von Beleuchtungspulsen integriert und das Bild auszuwerten. Es wird also eine Mehrfachbelichtung durchgeführt. Dadurch kann z.B. eine Flugbahnverfolgung realisiert werden, bei der die Flugbahn eines mittels eines Laserpulses vom Werkstück abgelösten Teils, z.B. einer pLED, ermittelt und analysiert wird. Die Prozessparameter können dann so optimiert werden, dass die Flugbahn am Ort des Ablösens mit ausreichender Präzision zum vorgesehenen Einbauort am Akzeptor führt.
Ein kamerabasiertes Schattenwurfbild-Analysesystem zur in-situ-Beobachtung und Analyse schnell ablaufender Vorgänge im Bereich der durch Laserstrahl beeinflussten Bearbeitungszone der in dieser Anmeldung beschriebenen Art kann auch unabhängig von den sonstigen Merkmalen der beanspruchten Erfindung eine schutzfähige Erfindung darstellen. Offenbart ist somit auch ein Laserbearbeitungssystem mit einem integrierten, kamerabasierten Schattenwurfbild-Analysesystem, jedoch ohne kamerabasierte Positionskorrektur bzw. ohne kamerabasierte Positionsregelung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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.
Fig. 1 zeigt eine Laserbearbeitungsstation, die für das Verfahren des Laser-Lift-Off (LLO) konfiguriert ist;
Fig. 2 zeigt eine Laserbearbeitungsstation, die für einen laserinduzierten Vorwärtstransfer (Laser-Induced Forward-Transfer, LIFT) konfiguriert ist;
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsstation, die mit Komponenten ausgestattet ist, die eine kamerabasierte Positionsregelung ermöglichen, worin mit schmalbandigem Grünlicht gearbeitet wird;
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsstation, die mit Komponenten ausgestattet ist, die eine kamerabasierte Positionsregelung ermöglichen, worin mit Ultraviolettlicht gearbeitet wird;
Fig. 5 zeigt eine Laserbearbeitungsstation für eine Laser-Lift-Off-Operation mit UV-Kamera und der Möglichkeit einer in-situ-Beobachtung der zu übertragenden Mikro-LEDs;
Fig. 6 zeigt Ausführungsbeispiele für Strahldiagnosesysteme, die in die Laserbearbeitungsstation integriert sind, wobei einige alternativ oder kumulativ nutzbare Strahlanalyseeinheiten in einer einzigen Darstellung schematisch dargestellt sind;
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsstation, in die ein
Shadowgraphy-System integriert ist;
Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsstation, in die ein Shadowgraphy-System integriert ist;
Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsstation, in die ein
Shadowgraphy-System integriert ist, welches für die Beobachtung des probennahen Bereichs einschließlich der Probenoberfläche ausgelegt ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele von Verfahren und Systemen zur Herstellung mikroelektronischer Komponenten unter Verwendung von Laserbearbeitungsverfahren dargestellt. Die mikroelektronischen Komponenten weisen jeweils eine Vielzahl von Mikro- Funktionselementen auf, die auf einem Substrat aufgebracht sind. Das bei den
Ausführungsbeispielen im Vordergrund stehende Anwendungsgebiet ist die Herstellung eines Mikro-LED-Displays. Ein solches Display umfasst ein Substrat, das ein Array von Mikro- Leuchtdioden (pLEDs) trägt, die die einzelnen Bildelemente bzw. Pixel des Displays bilden sollen. Diese sind auf einer elektrischen Versorgungsstruktur aufgebracht. In wenigstens einer Verfahrensstufe wird in einer Laserbearbeitungsstation eine Laserbearbeitung durchgeführt, die auch als Lasermikrobearbeitung bezeichnet werden kann, da damit feine Strukturen mit typischen Strukturgrößen in der Größenordnung von einem oder wenigen Mikrometern bearbeitet und/oder erzeugt werden können.
Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch einige Komponenten einer Laserbearbeitungsstation 100 gemäß dem Stand der Technik (SdT). Im Fall der Fig. 1 ist die Laserbearbeitungsstation für das Verfahren des Laser-Lift-Off (LLO) konfiguriert, im Fall von Fig. 2 für den laserinduzierten Vorwärtstransfer (Laser-Induced Forward-Transfer, LIFT).
Die Laserbearbeitungsstation 100 weist eine Laserbearbeitungseinheit 110 auf, die mit Laserstrahlung einer Laserstrahlungsquelle 112 in Form eines KrF-Excimerlasers arbeitet, der einen Laserstrahl 105 mit einer Laserwellenlänge von ca. 248 nm abgibt, also Laserstrahlung im tiefen Ultraviolettbereich (DUV). Der Laserstrahl wird in horizontaler Richtung parallel zur x- Achse des Systemkoordinatensystems eingestrahlt.
Der aufgeweitete und/oder auf andere Weise aufbereitete Laserstrahl durchtritt eine Maske 107, die in einer Maskenebene 108 angeordnet ist und eine Rasteranordnung von Aperturen bzw. Öffnungen 109 aufweist, die jeweils Teilbündel hindurchlassen, so dass eine Gruppe von Teilbündeln austritt, die eine Parallelbearbeitung (gleichzeitige Bearbeitungen an einer Vielzahl von Stellen am Werkstück) ermöglichen. Die Maske kann mehrere Hundert oder mehrere Tausend in der Regel gleichartig gestaltete Maskenöffnungen 109 aufweisen (vgl. Detail). Die Maskenöffnungen können unterschiedliche Form haben, z.B. quadratisch, ungleichseitig rechteckig o. dgl.
Die Strahlen der 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) 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 117, an dem eine Planfläche als reflektive Strahlumlenkfläche 118 ausgebildet ist, indem sie mit einer für die Laserstrahlung hochreflektierenden dielektrischen Beschichtung beschichtet ist. Die Anordnung ausgeleuchteter Maskenöffnungen 109 in der Maskenebene 108 wird mithilfe eines Abbildungsobjektivs 120 in die Bearbeitungsebene 122 der Laserbearbeitungseinheit abgebildet. 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 liegt in der Bearbeitungsebene die gleiche Intensitätsverteilung wie in der Maskenebene vor, allerdings im Maßstab verkleinert.
Die Laserbearbeitungsstation 100 umfasst ein Werkstück-Bewegungssystem 200, welches dafür eingerichtet ist, in Reaktion auf Bewegungssignale der Steuereinheit 190 ein zu
bearbeitendes Werkstück in einer gewünschten Bearbeitungsposition der Laserbearbeitungsstation zu positionieren.
Bei der Konfiguration von Fig. 1 umfasst das Werkstück-Bewegungssystem 200 einen ersten Substrattisch 210, der parallel zur (horizontalen) x-y-Ebene des Systemkoordinatensystems 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.
In der Konfiguration von Fig. 2 ist oberhalb des ersten Substrattisches 210 ein zweiter Substrattisch 220 angeordnet, der ebenfalls in beliebige Richtungen horizontal (parallel zur x-y- Ebene) sowie vertikal (parallel zur z-Richtung) gesteuert verfahren sowie um eine vertikale Achse gedreht werden kann. Die Laserbearbeitungsstation 100 kann beide Substrattische enthalten, in der Verfahrensstufe von Fig. 1 wird der zweite Substrattisch jedoch nicht genutzt und ist daher nicht dargestellt.
Die Maske 107 wird von einem nicht dargestellten Masken-Bewegungssystem getragen, welches unter der Steuerung durch die Steuereinheit eine Verlagerung der Maske 107 in der Maskenebene 108 (parallel zur y-z-Ebene) sowie eine Drehung der Maske um eine zur x- Richtung parallele Achse erlaubt.
In der Situation von Fig. 1 ist die Laserbearbeitungsstation 100 für einen Laser-Lift-Off (LLO) eingerichtet. Heutzutage werden unter anderem lichtemittierende Dioden (LEDs) häufig hergestellt, indem auf einem als Aufwachssubstrat dienenden Saphirwafer (EPI-Wafer) durch epitaktisches Wachstum p- und n-dotierte Halbleiterschichten aus Galliumnitrid (GaN) gebildet werden. Diese Schichten haben häufig nur Dicken im Mikrometerbereich und sind häufig mittels Laserbearbeitung schon strukturiert, um einzelne Funktionselemente 155 in Form von LEDs zu bilden. Auf den GaN-Schichtstapel wird eine dünne, meist metallische Verbindungsschicht zum Beispiel durch Aufdampfen aufgebracht. Mithilfe dieser Verbindungsschicht wird das Aufwachssubstrat, das die darauf befindlichen GaN-Schichtstapel trägt, mit einem weiteren flachen Trägersubstrat verbunden. Später wird die flächige Verbindung zwischen dem Aufwachssubstrat und dem GaN-Stapel gelöst. Dadurch wird der GaN-Stapel auf das Trägersubstrat transferiert.
Das Werkstück 150 in Fig. 1 zeigt die Anordnung vor dem Lösen der flächigen Verbindung. Das obere flache Substrat 152 ist das Aufwachssubstrat, das auch als Donor-Substrat 152 bezeichnet wird, weil es die darauf aufgebrachten Funktionselemente 155 später abgibt. Das
auf dem ersten Substrattisch 210 aufliegende Trägersubstrat 154 wird auch als Akzeptor- Substrat 154 bezeichnet, weil es die Funktionselemente 155 akzeptiert bzw. aufnimmt. Das Akzeptor-Substrat mit den davon getragenen GaN-Stapeln dient dann als Basis für die weiteren Schritte der Herstellung der mikroelektronischen Komponente.
Beim Laser-Lift-Off-Verfahren wird das Werkstück so positioniert, dass die Bearbeitungsebene 122 in dem Bereich zwischen Donor-Substrat 152 und den GaN-Elementen 155 liegt, um die flächige Verbindung dazwischen mittels Laserbearbeitung zu lösen. Dabei wird die Pufferschicht, die sich im Grenzbereich zwischen dem Aufwachssubstrat und den GaN- Elementen befindet, durch Laserstrahlung zerstört oder entfernt. Die Laserbestrahlung erfolgt dabei durch das lasertransparente Aufwachssubstrat 152 hindurch.
In einer nachfolgenden LIFT-Operation (vgl. Fig. 2) werden die auf dem (Akzeptor-)Substrat 154 gehaltenen einzelnen Funktionselemente 155 dann auf ein weiteres flaches Substrat 156 übertragen bzw. transferiert. Dieses wird vom ersten Substrattisch 210 in Position gehalten und hat an seiner mit Mikro-LEDs zu bestückenden Oberseite bereits eine durch Bedampfen und Strukturieren aufgebrachte elektrische Versorgungsstruktur (backplane). Das unten liegende Substrat 156 dient nun als Akzeptor-Substrat. Das Akzeptor-Substrat 154 aus Fig. 1, welches die mikroelektronischen Funktionselemente 155 trägt, wird ausgehend von der dortigen Anordnung so umgedreht, dass nun die Funktionselemente 155 an der Unterseite des Substrats liegen. In dieser Orientierung wird das nun als Donor-Substrat dienende Substrat vom zweiten Substrattisch 220 der Fig. 2 so gehalten, dass die zu übertragenden Funktionselemente gegenüber dem Akzeptor-Substrat 156 liegen. Durch positionsgenaue Einstrahlung von Laserstrahlen werden dann die Mikro-LEDs vom Donor-Substrat 154 abgelöst und auf das Akzeptor-Substrat 156 übertragen. Der Laser wirkt dabei nicht unmittelbar durch Strahlungskräfte, sondern wird als Mittel zum kontrollierten Energieeintrag genutzt und löst den Materialtransfer in der Regel thermisch aus. Wenn die Mikro-LEDs direkt vom EPI-Wafer abgelöst werden, dann kommt die Energie aus dem Druck, der vom freiwerdenden Stickstoff durch die Zersetzung einer dünnen GaN Lage erzeugt wird.
Der Donor-Akzeptor-Abstand 158, der ein Maß für die Flugweite der zu übertragenden Funktionselemente 155 ist, beträgt in der Regel zwischen 30 pm und 500 pm, insbesondere zwischen 80 pm und 200 pm.
Beispielsweise bei der Herstellung von Mikro-LED-Displays muss das Werkstück- Bewegungssystem 200 in der Lage sein, das Werkstück gegebenenfalls über größere Verfahrwege in der Größenordnung einiger Hundert Millimeter mit hoher Positioniergenauigkeit
(in der Größenordnung von 1 pm oder weniger) an einer vorgegebenen Soll-Position zu positionieren. Im Falle des LIFT-Verfahrens ist dies für beide Substrattische erforderlich, um den positionsrichtigen Transfer sicherstellen zu können. Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele erläutert, die derart hohe Positioniergenauigkeiten in wirtschaftlicher Weise ermöglichen.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 3 tragen einige Komponenten, die auch bei den Referenzbeispielen der Fig. 1 und 2 vorhanden sind, die dort verwendeten Bezugszeichen.
Die Laserbearbeitungsstation 300 in Fig. 3 ist zusätzlich mit optischen, mechanischen und softwaretechnischen Komponenten ausgestattet, die eine kamerabasierte Positionsregelung ermöglichen.
Dazu gehören Komponenten eines Beleuchtungssystems 310 zum Beleuchten eines Beleuchtungsbereichs 305 am Werkstück 150 mit schmalbandigem Beleuchtungslicht aus einem engen Wellenlängenbereich im sichtbaren Spektrum bei ca. 528 nm Wellenlänge, also mit Grünlicht. Das Beleuchtungssystem ist für Köhlerbeleuchtung eingerichtet, die eine homogene Beleuchtung der zu beleuchtenden Zonen im Beleuchtungsbereich 305 ohne Abbildung der Lichtquelle bietet.
Die Grünlichtquelle 312 kann eine oder mehrere LEDs umfassen. Ein horizontaler Ast des Beleuchtungsstrahlengangs führt durch eine Kollektorlinse 316 sowie eine nachgeschaltete Leuchtfeldblende 314 hindurch zu einem Strahlteilerwürfel 321, dessen ebene Strahlteilerfläche um 45° gegenüber der Hauptachse 116 der Laserbearbeitungseinheit 110 geneigt ist. Die Strahlteilerfläche reflektiert einen ersten Anteil des Beleuchtungslichts in Richtung parallel zur Hauptachse 116 nach unten auf das Werkstück 150. Dieser Anteil durchtritt das für grünes Licht transparente planparallele Substrat 317 der Strahlumlenkeinrichtung 315, deren dielektrische Beschichtung zwar für das UV-Laserlicht hochreflektierend wirkt, jedoch für grünes Licht eine hohe Transmission aufweist, so dass das Beleuchtungslicht durch das Laserobjektiv 120 hindurch auf den Beleuchtungsbereich 305 am Werkstück trifft.
Jeder Punkt der Lichtquelle 312 beleuchtet die gesamte beleuchtete Fläche am Werkstück, wodurch ein Homogenisierungseffekt erreicht wird. Die Apertur des Abbildungsobjektivs 120 stellt die Kondensorblende dar und das Abbildungsobjektiv fungiert gleichzeitig als Kondensor. Dies sollte bei der Auslegung des Systems berücksichtigt werden - so dass möglichst nur der Bereich, der in der Kamera sichtbar ist, beleuchtet wird und das Objektiv ausgeleuchtet aber
nicht überstrahlt wird - dies ergibt wenig Streulicht und maximale Intensität der (nutzbaren) Beleuchtung.
Besonders günstig ist es, wenn die Beleuchtung so in die Apertur des Abbildungsobjektivs 120 (Laserobjektivs) abgebildet wird, dass diese zwischen 65% bis maximal 90 % ausgeleuchtet wird und die Leuchtfeldblende über das Laserobjektiv so verkleinert in die Bearbeitungsebene 122 abgebildet wird, das die beleuchtete Fläche nur geringfügig größer als der in der Kamera abgebildete Bereich ist.
Anteile von Beleuchtungslicht, die durch die Strahlteilerfläche hindurchgelassen bzw. transmittiert werden, werden mit einem Absorber 319 aufgefangen und absorbiert und können dadurch nicht zu unerwünschtem Streulicht führen.
Das vom Werkstück 150 zurückgehende Licht durchtritt nochmals das (nun als Objektiv für die Kamerabeobachtung fungierende) Abbildungsobjektiv 120, die Strahlumlenkeinrichtung 315 und den Strahlteilerwürfel 321 parallel zur Hauptachse 116 in Richtung einer Kamera 340, die im Beispielsfall für sichtbares Licht, insbesondere für Grünlicht, eine hohe Sensitivität aufweist. Vor der Kamera ist ein Tubus 325 angebracht, der im Innern eine lichtabsorbierende Eigenschaft aufweist und als Streulichtabsorber fungiert.
Die optische Anordnung ist so ausgelegt, dass mithilfe des Abbildungsobjektivs 120 (und ggf. weiterer optischer Komponenten) ein Bild der Bearbeitungsebene 122 auf den photosensitiven Sensor der Kamera 340 fällt. Der Kamerasensor liegt also in einer zur Bearbeitungsebene 122 optisch konjugierten Ebene.
Die Kamera 340 ist zur Signalübertragung mit der Steuereinheit 190 verbunden. Diese umfasst eine Auswerteeinheit 195 zum Auswerten von Bildern der Kamera mittels Bildverarbeitung. Diese Auswertung wird im Rahmen der später noch erläuterten kamerabasierten Positionsregelung genutzt.
Die Strahlumlenkeinrichtung 315 hat ein für sichtbares Licht transparentes Substrat 117 in Form einer z.B. aus Quarzglas bestehenden Planplatte, deren dem Laserstrahl zugewandte ebene Substratoberfläche mit einer dielektrischen Beschichtung beschichtet ist. Diese wirkt für die UV- Laserwellenlänge hochreflektierend (Reflexionsgrad R > 99%) und hat für das Grünlicht der Beleuchtung eine relativ hohe Transmission (Transmissionsgrad T mehr als 20%, z.B. 50% - 70%). Dadurch tritt das vom Werkstück kommende Beleuchtungslicht im Beobachtungsstrahlengang parallel versetzt durch die Strahlumlenkeinrichtung 315 hindurch.
Die Erfinder haben festgestellt, dass dabei auch eine astigmatische Verzerrung des Bilds von Strukturelementen am Werkstück entstehen kann, die das örtliche Auflösungsvermögen begrenzen kann. Ursächlich dafür ist u.a., dass die Strahlen im Strahlenbündel nicht alle parallel zueinander verlaufen - eine Richtung „sieht“ für Strahlanteile mit unterschiedlichem Auftreffwinkel eine unterschiedliche Plattendicke (X-Richtung), die andere Richtung (Y) nicht. Dies führt zu einer Verzerrung des Bildes in einer Richtung.
Um dadurch verursachte Nachteile zu vermeiden, ist zwischen der Strahlumlenkeinrichtung 315 und der Kamera 340 im Beobachtungsstrahlengang eine für Beleuchtungslicht transmittierende Astigmatismus-Kompensationseinheit 330 angebracht, die in Fig. 3 aus der y-Richtung und in der Detailfigur 3A aus der x-Richtung dargestellt ist. Die Astigmatismus-Kompensationseinheit wird durch eine planparallele transparente Platte gebildet, die bezüglich der Hauptachse 116 der Laserbearbeitungseinheit 110 um 45° um eine parallel zur x-Achse verlaufende Kippachse gekippt ist. Die Strahlumlenkeinrichtung 315 ist dagegen um 45° um eine Kippachse gekippt, die parallel zur y-Richtung, also senkrecht zur Kippachse der Astigmatismus-
Kompensationseinheit, gekippt ist. Durch die Einfügung dieses zweiten Substrats (mit gleicher Dicke und aus dem gleichen Material und somit gleicher optischer Dicke) wird die Strahlung, die das Bild auf dem Kamerachip erzeugt, in beide Strahlachsen gleichartig behandelt, so dass die Kamera 340 ein im Wesentlichen astigmatismusfreies Bild der Bearbeitungsebene 122 erzeugen kann.
Die Anordnung kann auch so beschrieben werden, dass das Substrat der
Strahlumlenkeinrichtung 315 als Beleuchtungslicht transmittierende Planplatte ausgebildet ist, die unter einem Winkel von 45° im Laserstrahl steht und diesen somit um 90° umlenkt und dass die Astigmatismus-Kompensationseinheit eine für Beleuchtungslicht transparente Planplatte 330 aufweist, die unter einem Winkel von 45° im Beobachtungsstrahlengang steht, jedoch zum Substrat 317 der Strahlumlenkeinrichtung 315 in der Achse des Beobachtungsstrahlengangs um 90° gedreht angeordnet ist.
Ein schmalbandiges Bandpassfilter 335 vor der Kamera 340 begrenzt die zur Bilderzeugung genutzte Bandbreite der Beleuchtung auf ca. ±5 nm um die Zentralwellenlänge des grünen Beleuchtungslichts, das bereits vor der Filterung relativ schmalbandig war. Durch die zusätzliche Filterung um die Zentralwellenlänge am Bandpassfilter 335 geht somit nur relativ wenig Intensität verloren. Damit wird ein kontraststarkes Bild mit besonders guter Auflösung möglich - im Beispiel ca. 2 pm - obwohl das Abbildungsobjektiv 120 nicht beugungsbegrenzt für die genutzte grüne Wellenlänge ist und die beiden lichtdurchlässigen dicken Planplatten
(Strahlumlenkeinrichtung und Astigmatismus-Kompensator) im Strahlengang stehen. Damit wird auch Umgebungslicht und ggf. Strahlung eines Laser-Plasma usw. ausgeblendet.
Eine Werkstück-Positionieroperation kann mithilfe der kamerabasierten Beobachtung wie folgt ablaufen. Zunächst positioniert das Werkstück-Bewegungssystem 200 in Reaktion auf Steuersignale der Steuereinrichtung 190 einen Substrattisch so, dass für ein vorgegebenes Strukturelement oder mehrere vorgegebene Strukturelemente des Werkstücks eine vorgegebene Ist-Position erreicht werden sollte. Die Ist-Position muss im Erfassungsbereich bzw. im Objektfeld der Kamera 340 liegen. Mithilfe der Kamera wird dann wenigstens ein Bild desjenigen Ausschnitts des Werkstücks erzeugt, welches vom Beleuchtungssystem beleuchtet wird und welches im Erfassungsbereich der Kamera liegt. Das Bild bzw. die Bilder werden mittels Bildverarbeitung ausgewertet, um Positionsdaten zu ermitteln, die die Ist-Position des ausgewählten Strukturelements im Erfassungsbereich repräsentieren. Dazu umfasst die Steuereinrichtung 190 eine Auswerteeinheit 195 zum Auswerten von Bildern mittels Bildverarbeitung.
In der Auswerteeinheit ist auch (durch entsprechende Software) ein Vergleichsmodul implementiert, das die ermittelte Ist-Position mit einer vorgegebenen Soll-Position des Strukturelements vergleicht. Liegt eine nicht tolerierbare Lageabweichung bzw. Positionsabweichung vor, so werden Korrektursignale oder entsprechende Korrekturwerte erzeugt, die dem Werkstück-Bewegungssystem angeben, wie eine Korrekturbewegung auszuführen ist, um das beobachtete Strukturelement zur Soll-Position oder in ausreichend gute Nähe desselben zu bringen. Das Werkstück-Bewegungssystem 200 führt dann die Korrekturbewegung des Substrattisches aus.
Bei einer sektoriellen Bearbeitung werden innerhalb eines im nächsten Schritt zu bearbeitenden Sektors in einem vorgegebenen Raster Bilder des Substrats aufgenommen, verarbeitet und Positionswerte berechnet. Die Differenz zwischen Istwert und Sollwert wird jeweils in eine Korrekturtabelle geschrieben, die während der Bearbeitung zur Korrektur verwendet wird, wobei die Werte zwischen den Punkten des Rasters interpoliert werden. Wenn keine Positionsabweichung vorliegt, steht eine 0 in der Tabelle.
Das System ist so programmiert, dass die Laserbearbeitung durch Einstrahlung von Laserstrahlung erst dann beginnt, wenn die Positionierung in die Soll-Position (gegebenenfalls inklusive der erforderlichen Korrekturbewegung) abgeschlossen ist. Dabei ruht das Werkstück, wird also nicht bewegt.
Anhand von Fig. 4 wird nun beispielhaft erläutert, wie die erreichbare örtliche Auflösung und die Positioniergenauigkeit durch einige Modifikationen am Aufbau von Fig. 3 noch verbessert werden können. Einige Elemente der Laserbearbeitungsstation 400, die in Fig. 3 und Fig. 4 gleich oder im Wesentlichen gleich sind, tragen dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 3.
Eine Verbesserung ist unter anderem dann erzielbar, wenn die Kamerabeobachtung mit Strahlung aus dem Ultraviolettbereich erfolgt. Beim Ausführungsbeispiel von Fig. 4 wird eine Kamera 440 verwendet, die im ultravioletten Wellenlängenbereich empfindlich ist (UV-Kamera). Weiterhin wird ein Beleuchtungssystem 410 mit einer Beleuchtungslichtquelle 412 verwendet, die innerhalb dieses ultravioletten Wellenlängenbereichs arbeitet. So kann beispielsweise als Beleuchtungslichtquelle eine LED mit einer Wellenlänge von 270 nm verwendet werden. Diese Wellenlänge liegt zwar nahe genug bei der Laserwellenlänge (248 nm), dass zum Beispiel die Antireflexbeschichtungen im Abbildungsobjektiv 120 auch für die Beleuchtungsstrahlung gut wirksam sind. Gleichzeitig kann aber an der Strahlumlenkeinrichtung 415 eine dielektrische Beschichtung vorgesehen sein, die für 248 nm hochreflektierend wirkt, während sie für die Beleuchtungswellenlängen von 270 nm bereits ausreichend transparent (hinreichender Transmissionsgrad) ist (vgl. Reflektivitätsdiagramm in Fig. 4B)
Die Fig. 5 zeigt eine Laserbearbeitungsstation 500 für eine Laser-Lift-Off-Operation mit UV- Kamera 540 und der Möglichkeit einer In-situ-Beobachtung der zu übertragenden Mikro-LEDs. Anhand dieses Ausführungsbeispiels wird erläutert, wie durch Verwendung einer im ultravioletten Wellenlängenbereich empfindlichen Kamera 540 die Beobachtung der Vorgänge in der Bearbeitungsebene 122 auch direkt bei der verwendeten Laserwellenlänge (hier 248 nm) erfolgen kann. Um dies zu erreichen, wird in der Strahlumlenkeinrichtung 515 ein dielektrischer Laserumlenkspiegel verwendet, der über eine ausreichende und definierte Transmission im verwendeten Ultraviolettbereich, z.B. bei 248 nm) verfügt. Dazu kann dieser Strahlumlenkspiegel als physikalischer Strahlteiler ausgelegt werden, der einen kleinen, definierten Teil der Laserstrahlung auf dem Weg vom Werkstück 150 zur Kamera 540 transmittiert. Dazu kann ausgenutzt werden, dass prinzipiell jeder dielektrische Spiegel eine Resttransmission für die verwendete Wellenlänge aufweist, die sich prinzipbedingt nicht vermeiden lässt. Bessere Spiegel, d.h. Spiegel mit hohem Reflexionsgrad, haben relativ wenig Resttransmission. Man kann einen dielektrischen Spiegel verwenden, dessen Resttransmission ausreicht, um mit einer UV-empfindlichen Kamera 540 ein Bild aufzunehmen. Vorzugsweise wird in der Strahlumlenkeinrichtung ein dedizierter physikalischer Strahlteiler verwendet, also eine dielektrische Beschichtung, die einen relativ hohen, definierten Reflexionsgrad für die Laserwellenlänge und gleichzeitig einen ebenfalls mit hoher Genauigkeit definierten Transmissionsgrad für diese Laserwellenlänge bei den vorkommenden Inzidenzwinkeln (um
45°) aufweist. Beispielsweise können Strahlteiler mit einer Transmission im Bereich von ca. 0,5% bis c. 5% genutzt werden (vgl. Reflektivitätsdiagramm in Fig. 5B).
Besonders effizient und präzise wird die Laserbearbeitung dann, wenn schrittweise und sektoriell gearbeitet wird. Solche Verfahrensvarianten umfassen die Erzeugung und das Abspeichern eines Rasters von Korrekturwerten innerhalb eines vermessenen Sektors und eine möglichst zeitnah danach folgende Bearbeitung dieses Sektors. Dabei werden die korrigierten Werte für die Laserbearbeitung des Werkstücks genutzt. Danach wird ein nächster Sektor entsprechend vermessen und bearbeitet etc.
In einem Beispielsfall erfolgt die Bearbeitung zunächst in einem definierten Ausschnitt (Sektor) des gesamten Verfahrbereichs der verschiedenen Bewegungssysteme. Dies kann z.B. heißen, dass ein 6 Zoll Wafer nicht in einem Schritt verarbeitet wird, sondern jeweils kleinere Sektoren von z.B. 25 x 25 mm2 oder 16 x 16 mm2 oder 22 x 27 mm2 schrittweise bearbeitet werden. Vor der Bearbeitung in einem derartigen Sektor werden die Bewegungssysteme in diesem Sektor aktuell vermessen und korrigiert. Für die Bildverarbeitung sollte der Koordinatentisch stehen oder sich so langsam bewegen, dass keine störende Bewegungsunschärfe auftritt. Es wird jedoch nur ein Raster innerhalb des Sektors aufgenommen (z.B. 5 Positionen in X-Richtung mal 10 Positionen in Y-Richtung), nicht die gesamte Fläche des Werkstücks innerhalb des Sektors und auch nicht alle Bearbeitungspositionen. Dabei werden im vorgegebenen Raster kontinuierlich Bilder aufgenommen und die Bildverarbeitung und Berechnung der Korrekturwerte erfolgt parallel dazu während der Aufnahme der Bilder an den nächsten Positionen. Bei der Bearbeitung werden die Werte zwischen den gemessenen Positionen dann interpoliert. Die notwendige Anzahl der Messpositionen ist vom auftretenden Fehler abhängig und kann ggf. dynamisch angepasst werden.
Nach der Bearbeitung in einem ersten Sektor wird ein zweiter Sektor vermessen und dann bearbeitet, so dass die Vermessung und Bearbeitung immer zeitnah nacheinander erfolgen. Damit können Abweichungen, die erst innerhalb der vollständigen Bearbeitung auftreten, mit korrigiert werden. Das heißt, wenn die Korrektur fertig ist, wird bearbeitet und der Wechsel sollte automatisch erfolgen. Gegebenenfalls kann der Bediener informiert und zur Bestätigung aufgefordert werden, wenn ungewöhnliche, nicht plausible Abweichungen gemessen werden.
Neben einer exakten Positionierung des Werkstücks bzw. seiner Strukturelemente im Raum sind auch auf Seiten der Laserbearbeitungseinheit Eigenschaften der Laserstrahlen (z.B. Position im Raum, Flankensteilheit, Homogenität über den Strahlquerschnitt etc.) mitentscheidend, um höchste Präzision der Bearbeitung zu erreichen. Ebenso sind zum
Beispiel für die LIFT-Operation eine exakte Ausrichtung der Maskenaperturen zu den Mikro LEDs auf dem Donorsubstrat sowie eine exakte Einstellung der Position der Abbildung wesentlich für eine korrekte Bearbeitung.
Anhand von Fig. 6 werden einige Möglichkeiten zur Strahlanalyse bzw. zum Beam Profiling in einer einzigen Darstellung schematisch dargestellt. Dabei entsprechen einige Grundkomponenten der Laserbearbeitungseinheiten denjenigen der Fig. 5, unter anderem der Laser, die Maske 107 in der Maskenebene 108, die Strahlumlenkeinrichtung 515 sowie die für UV-Strahlung empfindliche Kamera 540 und die zwischen dieser und der Strahlumlenkeinrichtung angeordnete Astigmatismus-Kompensationseinheit 530.
Zusätzlich sind Komponenten eines kamerabasierten Strahlanalysesystems 700 vorgesehen, die in die Laserbearbeitungsstation 600 integriert sind und dazu eingerichtet sind, eine in-situ- Analyse von Strahleigenschaften des Laserstrahls 105 durchzuführen. Dargestellt sind Komponenten einer ersten Strahlanalyseeinheit 720 sowie einer zweiten Strahlanalyseeinheit 740, die alternativ oder zusätzlich zur ersten Strahlanalyseeinheit vorgesehen sein kann.
Die Komponenten der ersten Analysegruppe 720 sind unterhalb der Bearbeitungsebene 122 in Verlängerung des dort auftreffenden Laserstrahls, also in Verlängerung der Hauptachse 116 der Laserbearbeitungseinheit 610 so angebracht, dass die Laserstrahlen die Strahlanalyseeinheit treffen können, wenn der Substrattisch 210 des Bewegungssystems 200 wie dargestellt seitlich so weit verfahren ist, dass er den Strahlweg nicht mehr blockiert. Mithilfe der ersten Strahlanalyseeinheit 720 wird die Intensitätsverteilung in der Bearbeitungsebene 122 mittels eines Objektivs 724 mit geeignetem Abbildungsmaßstab auf einen flächigen UV-VIS- Wandler 726 abgebildet. Dieser ist in einer zum Kamerasensor der Kamera 722 optisch konjugierten Ebene angeordnet. Das Bild des UV-VIS-Wandlers wird über ein weiteres Objektiv 728 auf den für sichtbares Licht empfindlichen Kamerachip der Kamera 722 (VIS-Kamera) abgebildet.
In einer alternativen Variante wird eine für UV-Licht empfindliche Kamera (UV-Kamera) verwendet. Dann können der zwischengeschaltete UV-VIS-Wandler sowie die diesen nutzende Zwischenabbildung entfallen.
Zur Diagnose der kompletten Maskenstruktur der Maske 107 wird die Kamera 722 im Step-and- Repeat-Verfahren schrittweise parallel zur Bearbeitungsebene 122 (d.h. parallel zur x-y-Ebene) in unterschiedliche Messpositionen über den bestrahlten Bereich der Bearbeitungsebene
bewegt. Dabei werden jeweils Einzelbilder erfasst. Die Einzelbilder werden per Software zum Bild der kompletten Maske zusammengesetzt und mittels Bildverarbeitung ausgewertet.
Ein Vorteil dieser Variante besteht darin, dass der komplette Strahlweg vom Laser bis zur Bearbeitungsebene 122 in der Diagnose enthalten ist und dementsprechend jeder Fehler in einer der Komponenten vom Laser bis zur Bearbeitungsebene erkannt werden kann. Außerdem befinden sich im Bereich nach der Bearbeitungsebene, also in der ersten Analysegruppe 720, nicht mehr Komponenten als für die Messung unbedingt benötigt werden.
Gemäß einer Weiterbildung kann eine Vermessung und Korrektur der Kamerapositionierung für die Strahlanalyse unter Nutzung einer hochpräzisen lithografischen Maskenstruktur erfolgen, die mit Hilfe der Laseranlage bzw. Laserbearbeitungseinheit 610 in die Bearbeitungsposition in der Bearbeitungsebene 122 abgebildet wird. Nach einer Aufnahme von Maskenaperturen an verschiedenen Positionen der Strahlanalysekamera und Zusammensetzung der einzelnen Bilder per Software zu einem Bild der kompletten Maske können Positionierfehler anhand der Fehler im Bild der Maske im Grenzbereich zwischen den Einzelbildern mittels Bildverarbeitung bestimmt und korrigiert werden. Dabei kann sich an den Positionen, wo benachbarte Bilder aneinandergefügt werden, eine Abweichung von der originalen Struktur ergeben, die ein Maß für den relativen Positionierfehler in X- und Y-Richtung (jeweils die Summe aus den X- und Y- Fehlern an den zwei Positionen (wo die Bilder aufgenommen wurden) darstellt. Nach der Berechnung dieser Abweichungen kann ein eventueller Fehler somit kompensiert werden.
Damit jederzeit eine Vermessung der Position einer Maske möglich ist, können die Komponenten des Strahlanalysesystems 720 an der Positioniereinrichtung 200 bzw. außerhalb des Substrathalters 210 oder auf einer separaten Positioniereinheit montiert werden. Dabei bildet die präzise Positionierung des Strahlanalysesystems im Sub-pm-Bereich die Voraussetzung für die exakte Zusammensetzung der Einzelbilder und damit der korrekten Analyse des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene 122. Eine Fein-Kalibrierung der Positionierung ist deshalb in diesem Bereich sehr wichtig.
Alternativ oder zusätzlich kann eine zweite Strahlanalyseeinheit 740 vorgesehen sein. Deren Komponenten sind in gerader Verlängerung der Laserstrahlen 105 hinter der als Strahlteiler wirkenden Strahlumlenkeinrichtung 515 angeordnet. Die optische Achse der zweiten Strahlanalyseeinheit 740 verläuft senkrecht zur Hauptachse 116 der Laserbearbeitungseinheit. Der Aufbau mit Kamera 742, optionalem Abbildungsobjektiv 748, optionalem UV-VIS-Wandler 746 und Objektivs 744 ist analog zu entsprechenden Komponenten ersten Strahlanalyseeinheit 720. Zwischen diesen Komponenten und der schräg gestellten transparenten Planplatte der
Strahlumlenkeinrichtung 515 ist noch eine Astigmatismus-Kompensationseinheit 745 mit einer schräggestellten Planplatte analog zur Astigmatismus-Kompensationseinheit 530 eingefügt, da der in die zweite Strahlanalyseeinheit 740 einfallende Laserstrahl die schräggestellten Planplatte der Strahlumlenkeinrichtung 515 durchtreten und dabei astigmatische Veränderungen erfahren hat, die kompensiert werden sollen.
Ein Vorteil der zweiten Strahlanalyseeinheit 740 besteht darin, dass diese auch während der Laserbearbeitung zur Überwachung der Laserstrahlen und/oder der Maske 107 zum Beispiel zur Qualitätssicherung verwendet werden kann. Ein Nachteil besteht darin, dass eventuelle Fehler im Abbildungsobjektiv 520 mit der zweiten Strahlanalyseeinheit nicht festgestellt werden könnte.
Der auch bei anderen Ausführungsbeispielen vorhandene Aufbau mit UV-Kamera 540 gestattet ebenfalls die Durchführung einer Strahlanalyse bzw. eines Beam Profiling. Hierzu kann ein stark und gleichmäßig streuendes Hilfs-Substrat in die Bearbeitungsebene 122 gebracht werden. Die Energieverteilung auf dieser stark streuenden Ebene wird dann in die Kamera 540 abgebildet. Eine alternative Methode des Beam Profiling ist möglich, wenn ein ebener Spiegel in die Bearbeitungsebene 122 gebracht wird. Dann kann alternativ zur UV-Kamera 540 auch ein UV- VIS-Wandler in Kombination mit einer VIS-Kamera eingesetzt werden.
Die Strahldiagnose inklusive der Vermessung und gegebenenfalls Korrektur der Position der Maskenaperturen ist ein wichtiger Bestandteil von Maßnahmen, die getroffen werden können, um eine möglichst hohe Genauigkeit der Bearbeitung insgesamt zu gewährleisten.
Anhand der Figuren 7 und 9 werden nachfolgend weitere Möglichkeiten erläutert, eine Laserbearbeitungsstation z.B. für die Fertigung von Micro-LED-Displays so auszustatten, dass Displays mit hoher Präzision und hoher Ausbeute gefertigt werden können.
Fig. 7 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Laserbearbeitungsstation 750, die mit Komponenten eines Schattenwurfbild-Analysesystem 800 ausgestattet ist, welches auch als Shadowgraphy-System 800 bezeichnet werden kann. Damit können in-situ, d.h. während der Laserbearbeitung, schnell ablaufende Vorgänge im Bereich der Bearbeitungszone 106 beobachtet werden, also dort, wo Laserstrahlung auf das Werkstück 150 auftrifft und mit diesem wechselwirkt.
Fig. 7 zeigt dazu schematisch einen möglichen Aufbau für Shadowgraphy während einer LIFT- Operation für Reparaturprozesse. Bei dem dargestellten Reparaturprozess soll ein defektes
Pixel bzw. ein defekter „Die“ 159, von einem mit einer Vielzahl von gleichartigen Pixeln bestückten Display-Substrat 156 entfernt und die Prozesse bei der Ablösung dabei beobachtet werden. Das Shadowgraphy-System weist dazu eine Kurzpuls-Lichtquelle bzw. Blitzlichtquelle 810 auf, die sehr kurze Lichtpulse (typische Länge bis hinunter zu 30ns bis 100ns) ausreichender Intensität emittieren kann. Dazu sind LEDs vorgesehen, die die notwendige Helligkeit der Beleuchtungspulse durch hohen Strom (ggf. mehr als 100 A) während der kurzen Belichtungszeit liefern können. Die kurzen Beleuchtungslichtpulse können durch die Laserpulse der Laserbearbeitungseinheit 760 getriggert werden. Dazu enthält die Steuereinheit 190 eine Verzögerungseinheit bzw. Delay-Einheit, die es ermöglicht, Lichtpulse erst nach vorgegebenen Verzögerungszeiten nach einem Laserpuls abzugeben, um innerhalb kurzer Zeiten nach Auftreffen des Laserpulses die Vorgänge beim Ablösen eines Dies beobachten zu können.
Der Kurzpuls-Lichtquelle 810 nachgeschaltet sind eine Kollektorblende 812 und eine Kollektorlinse 814 der Shadowgraphy-Beleuchtung. Der von der Lichtquelle ausgehende Beleuchtungsstrahlengang verläuft zunächst schräg zur Bearbeitungsebene 122, beispielsweise in einem Winkel von 20° bis 50° zu dieser, so dass die Kurzpuls-Lichtquelle und die nachgeschalteten Komponenten relativ nah an die Bearbeitungszone platziert werden können, ohne mit dem Werkstück zu kollidieren.
Um zu erreichen, dass das Beleuchtungslicht im Bereich der Bearbeitungszone 106 parallel zur Bearbeitungsebene 122 durch die Bearbeitungszone läuft, ist zwischen der Kurzpuls-Lichtquelle und der Bearbeitungszone ein erster Umlenkspiegel 822 eines Spiegelsystems 825 angeordnet. Das Spiegelelement ist keilförmig ausgebildet und erlaubt es damit, die der Bearbeitungszone nahe Endkante des Umlenkspiegels in sehr geringem Abstand zur Bearbeitungsebene anzuordnen. Der Abstand kann beispielsweise zwischen 50pm und 200pm liegen.
An der dem ersten Umlenkspiegel 822 gegenüberliegenden Seite weist das Spiegelsystem 825 einen zweiten Umlenkspiegel 824 auf, der bezüglich der Hauptachse 116 der Laserbearbeitungseinheit spiegelsymmetrisch zum ersten Umlenkspiegel 822 angeordnet sein kann und das werkstückparallel durch die Bearbeitungszone 106 gelaufene Licht in eine schräg zur Bearbeitungsebene 122 verlaufende Richtung zu einer Kamera 830 umlenkt. Wenn bei der Laserablation ein abgelöstes Teilchen im Bereich der Bearbeitungszone 106 durch den Beleuchtungsstrahlengang hindurchfliegt, wird Licht blockiert und innerhalb des Beleuchtungsstrahlengangs ein Schatten 826 erzeugt. Eine Absaugeinrichtung 840 dient zum Absaugen abgelöster Partikel aus der Bearbeitungszone.
An der der Kurzpuls-Lichtquelle gegenüberliegenden Seite ist eine Kamera 830 zur Erfassung von Schattenwurfbildern der Bearbeitungszone vorgesehen. Die optische Achse der Kamera ist schräg zur Bearbeitungsebene (Winkel beispielsweise zwischen 30° und 60°) orientiert. Aufgrund der schrägen Orientierung kann die Kamera 830 sehr nahe an die Bearbeitungszone herangebracht werden, ohne mit dem Werkstück zu kollidieren. Zwischen der Kamera und dem Umlenkspiegel ist ein Objektiv 832 zur Abbildung des abgelösten Dies auf den Chip der Kamera angeordnet.
Das Schattenwurfbild-Analysesystem 800 kann so konfiguriert sein, dass getriggert durch Laserpulse des Lasers 112 Bilder mit einer Vielzahl zeitlich versetzter Beleuchtungspulse erzeugt und ausgewertet werden. Das System ist im Beispielsfall dafür ausgelegt, Teilchen mit typischen Größen zwischen 3pm und 30pm zu beobachten. Die mehrfache Belichtung erlaubt eine Verfolgung der Flugbahn in der Weise, dass das Partikel bzw. die Micro-LED mehrfach in den erfassten Bildern zu erkennen ist, und zwar zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen Positionen. Bei einem experimentellen Setup konnten Teilchen mit Geschwindigkeiten von bis zu 8 m/s (80 m/s bei deutlicher Bewegungsunschärfe) beobachtet und deren Flugbahn erfasst und analysiert werden.
Ein Reparaturprozess bzw. Repair-Prozess kann beispielsweise wie folgt realisiert werden. Das zu begutachtende Display 150 (Werkstück 150) wird angesteuert, vermessen und jedes Pixel bzw. jede Micro-LED wird bewertet. Micro-LEDs, die beispielsweise dunkel bleiben oder deren Leuchtdichte außerhalb der Spezifikation liegt, gelten als defekt. Es wird eine Tabelle bzw. Matrix erzeugt, in der die Positionen aller defekten Dies gekennzeichnet sind.
Eine Recheneinheit der Steuereinheit 190 berechnet Bewegungen bzw. eine Kontur über das Display, die die Positionen aller defekten Pixel verbindet. Diese Kontur wird durch Ansteuerung des Bewegungssystems sukzessive abgefahren. An den jeweiligen Positionen defekter Dies werden Laserpulse ausgelöst. Dabei löst sich der Die 159 vom Displaysubstrat, wird beschleunigt und gelangt in die Absaugung 840. Dadurch ergeben sich an den Positionen der defekten Dies Leerstellen, die mit neuen Dies bestückt werden. Es erfolgt also kein Stapeln von neuen (defektfreien) Dies auf noch verbliebenen defekten Dies.
Das Shadowgraphy-System ermöglicht eine Beobachtung und Kontrolle dieser Verfahrensschritte. Die Realisierung einer 100%-Kontrolle wird u.a. durch das Spiegelsystem 825 ermöglicht, dessen werkstücknahe Komponenten in einem Abstand von z.B. ca. 50 -200pm über der Bearbeitungsebene (Probenoberfläche) positioniert sind und lateral beispielsweise fest
zum Abbildungsobjektiv 120 der Laserbearbeitungseinheit angeordnet sein können, die für einen LIFT-Prozess konfiguriert ist.
Für die Qualitätssicherung in der Repair-Anwendung kann eine Lösung mit relativ niedriger optischer Auflösung benutzt werden, um einen größeren Bereich der Bearbeitungszone sichtbar zu machen und eine Beobachtung der Bearbeitungszone zu erlauben, während das bestückte Display-Substrat mithilfe des Bewegungssystems 200 unter der Laserbearbeitungseinheit 760 bewegt wird. Es kann u.a. geklärt werden, ob ein Die abgelöst und beschleunigt wurde, ggf. kann ein neuer Laserpuls getriggert werden, falls dies nicht der Fall ist. Die Beobachtung erlaubt auch festzustellen, ob die defekten Dies sicher in die Absaugung 840 gelangt sind, anderenfalls kann eine Notiz im Fehlerprotokoll erstellt werden. Die Nutzung einer Schattenwurfbild-Analyse im Rahmen von Reparaturprozessen beispielsweise bei der Herstellung von Micro-LED-Displays kann somit dazu beitragen, praktisch fehlerfreie Displays herzustellen.
Eine Reparatur kann auch schon auf einem Transfer-Substrat erfolgen. Das kann günstig sein, weil nicht die Gefahr besteht, die Backplane zu beschädigen.
Der hierdurch erzielbare hohe Nutzen kann wie folgt verstanden werden. Ein modernes 8K- Display enthält ca. 100 Millionen Micro-LEDs. Mit Einführung einer neuen Technologie kommt es erfahrungsgemäß bei der Fertigung zu einer reduzierten Ausbeute, dem sogenannten „yield loss“, der dann beim Hochfahren der Produktion im Rahmen einer Lernkurve erheblich reduziert wird. Anfangs kann ein fertiggestelltes Display beispielsweise einige Tausend defekte Pixel enthalten. Um dennoch ein fehlerfreies Produkt zu erhalten, werden Repair-Prozesse durchgeführt, um diese defekten Elemente auszutauschen. Die defekten Elemente werden zunächst wieder entfernt. Dies kann effizient mit einem LIFT-Prozess erfolgen. Auch bei völlig eingefahrenem Prozess werden Repair-Prozesse voraussichtlich dauerhaft eine sinnvolle Ergänzung für den Produktionsprozess sein.
Anhand von Fig. 8 wird eine andere Nutzungsmöglichkeit der Schattenwurfbild-Analyse im Rahmen von LIFT-Prozessen erläutert. Bei dieser Variante tragen die Komponenten des Schattenwurfbild-Analysesystems 800 aus Gründen der Übersichtlichkeit die gleichen Bezugszeichen wie die entsprechenden Komponenten in Fig 7. Im Unterschied zur Anordnung von Fig. 7 fehlt das Spiegelsystem. Die Kurzpuls-Lichtquelle 810 und die an der gegenüberliegenden Seite angebrachte Kamera 830 haben koaxial verlaufenden optische Achsen, die senkrecht zur Hauptachse der Laserbearbeitungseinheit 760 so verlaufen, dass der Beleuchtungsstrahlengang des Schattenwurfbild-Analysesystems vor und hinter der
Bearbeitungszone parallel zur Bearbeitungsebene 122 verläuft. Die Anordnung kann für eine hochaufgelöste Shadowgraphy während einer LIFT-Operation zur Parameteroptimierung der Laserparameter genutzt werden. Dabei wird kein kompletter Wafer oder kein komplettes Display analysiert, sondern lediglich eine relativ kleinflächige Probe 750. Die Beobachtung verläuft parallel zur Probenoberfläche ohne Spiegel. Dabei ist eine Beobachtung beginnend unmittelbar mit dem Ablösen von der Donor-Oberfläche möglich, indem das Beleuchtungslicht praktisch keinen Abstand zur Probenoberfläche hat. Eine Beobachtung mit hoher Auflösung kann dadurch erreicht werden, dass zwischen der Kurzpuls-Lichtquelle 810 und der Kamera 830 auf der Erfassungsseite nur wenige Zentimeter Abstand liegen können. Der beobachtbare Bereich kann relativ klein sein, zweckmäßigerweise kann die Auslegung so sein, dass der Beobachtungsbereich nur geringfügig größer als der maximale Donor-Akzeptor-Abstand ist. Meist ist eine Beobachtung einer Strecke von maximal 500pm, ggf. auch deutlich weniger, beispielsweise bis hinunter bis 100pm oder darunter, ausreichend.
Da bei der Anordnung von Fig. 8 die Unterkante des Beleuchtungsstrahlengangs z.B. ca. 100 pm über der Probenoberfläche angeordnet ist, kann der abgelöste Die auch erst ab dieser Position beobachtet werden. Eine Weiterbildung des Schattenwurfbild-Analysesystem 900, dargestellt in Figur 9, ist dafür konfiguriert, den Bereich von der Probenoberfläche bis zu einer Höhe von ca. 500 pm zu beobachten. Hierfür wird die Strahlung der Kurzpuls-Lichtquelle 910 unter flachem Winkel (z.B. 10° bis 30°) auf die Probenoberfläche (Werkstückoberfläche) im Bereich der Bearbeitungszone 106 gerichtet, so dass die relativ gut reflektierende Probenoberfläche als Umlenkspiegel fungiert. Der hinter der Bearbeitungszone auf der Seite der Kamera 930 angeordnete Umlenkspiegel 924 wird (im Vergleich zum Umlenkspiegel 824) leicht nach unten geneigt, so dass die Dies in der Bearbeitungszone im unteren Bereich des Kamerabildes sichtbar werden. Die Strahlung der Kurzpuls-Lichtquelle 910 wird nun von der Probenoberfläche auf den Umlenkspiegel 924 der Kamera umgelenkt und danach auf den Chip der Kamera 930 abgebildet. Mit Anwendung dieses Aufbaus verläuft der Shadowgraphy- Strahlengang zwar nicht mehr exakt parallel zur Probenoberfläche, es kann jedoch der gesamte Bereich beginnend mit der Probenoberfläche bei nur geringer Verzerrung der Abbildung überwacht werden. Somit kann ebenfalls der Prozess des Ablösens des Die von der Probenoberfläche visualisiert und bewertet werden.
Mit Hilfe der Erkenntnisse aus der Schattenwurfbild-Analyse können die Laserparameter so eingestellt werden, dass die abzulösenden Teilchen (Dies, pLEDs o.dgl.) im Wesentlichen ohne Eigendrehung oder lateralen Versatz parallel zueinander zum Akzeptor fliegen, um die erforderliche Genauigkeit zu gewährleisten. Die Beobachtung des Flugverhaltens kann in Abhängigkeit von Laser-Parametern sowie von der Natur des EPI-Wafers und anderer
Parameter erfolgen. Die Beobachtung innerhalb eines schmalen Streifens reicht hierfür in der Regel aus. Durch die Schattenwurfbild-Analyse können diejenigen Parameter identifiziert werden, die einen LIFT-Prozess mit hoher Qualität gewährleisten. Das Setup kann für eine stichprobenartige Kontrolle des Produktionsprozesses zur Erkennung eventueller Qualitätsprobleme genutzt werden.
Die Erfinder haben aufwändige Analysen und Betrachtungen potenzieller Fehler durchgeführt. Aus der Fehlerbetrachtung geht hervor, dass die Summe aller zu betrachtenden Fehler unterhalb von ca. 1,5 pm bleiben sollte, wenn aktuell absehbare höchste Bearbeitungsgenauigkeit erreicht werden sollen. Als maximal tolerierbarer Fehler kann als Richtwert die Breite der Straßen zwischen den pLEDs angesehen werden, da bei einem noch größeren Fehler die benachbarte pLED am Rand mitbestrahlt werden würde. Die Flankensteilheit der Abbildung, das heißt der Bereich an der Grenze der Maskenapertur, in dem die Laserenergie von 90% auf 10% abfällt, muss noch von diesem maximal tolerierbaren Fehler abgezogen werden. Diese hängt mit den Eigenschaften des verwendeten Objektivs zusammen und kann beispielsweise 1,6 pm betragen. Wenn die Breite der Straßen z.B. 3 pm beträgt, ergibt sich hier eine maximal zulässige Abweichung zwischen der Abbildung der Maskenaperturen in der Bearbeitungsebene und der Position der zugehörigen pLED von 1,4 pm. Es ist daraus ersichtlich, dass jeder die Präzision verbesserte Teilschritten wichtig sein kann, auch wenn er nur Fehler in der Größenordnung von Zehntelmikrometer vermeiden kann.
Zur weiteren Steigerung der Bearbeitungspräzision können ggf. weitere Maßnahmen nützlich sein. Bei Kamerasystemen kann es beispielsweise Empfindlichkeitsunterschiede der einzelnen Pixel geben. Dies kann insbesondere bei Erzeugung von zusammengesetzten Bildern aus Einzelbildern deren Qualität beeinträchtigen. Hier kann eine Korrektur der Pixelempfindlichkeit sinnvoll sein. Eine Korrektur kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der gleiche Bereich bekannter Intensität des Laserstrahls durch schrittweisen Versatz an der Kamera mehrfach mit unterschiedlichen Pixeln vermessen wird und die Unterschiede dann kompensiert werden. Beim Zusammensetzen (bzw. Stiching) zusammengesetzter Bilder aus Einzelbildern kann auch die Laserstabilität eine Rolle spielen. So können kleine Unterschiede zwischen den einzelnen Pulsen auftreten. Durch eine Mittelwertbildung mittels eines geeigneten Filters kann eine Genauigkeitssteigerung erreicht werden. Weiterhin kann es sein, dass die für die Kamerabeobachtung notwendige Beleuchtung zu einem lokalen Energieeintrag im System führt und es dadurch verursacht zur Wanderung von Bildern kommt. Das erwärmungsbedingte Bildwandern kann z.B. unterdrückt oder vermieden werden, indem anstelle einer kontinuierlichen Beleuchtung eine intermittierende Beleuchtung benutzt wird, z.B. über eine Pulsweitenmodulation bei der Beleuchtung. Eine andere Lösung sieht vor, ein zusätzliches, ggf.
höher auflösendes Off-Axis-Kamerasystem mit Beleuchtung zu verwenden, welches räumlich neben dem Bearbeitungsobjektiv angeordnet ist. Die Beobachtung damit erfolgt dann vor oder nach der Bearbeitung.
Claims
Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer mikrostrukturierten Komponente, die eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat aufweist, insbesondere zur Herstellung eines Micro-LED-Displays, welches ein Substrat aufweist, das ein Array von Pixel bildenden Micro- Leuchtdioden auf einer elektrischen Versorgungsstruktur trägt, worin in wenigstens einer Verfahrensstufe in einer Laserbearbeitungsstation unter der Steuerung durch eine Steuereinheit eine Laserbearbeitung durchgeführt wird, wobei die Verfahrensstufe ein Positionieren eines zu bearbeitenden Werkstücks in einer Bearbeitungsposition der Laserbearbeitungsstation mittels eines Werkstück- Bewegungssystems in Reaktion auf Bewegungssignale der Steuereinheit umfasst, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Kamerabasiertes Beobachten des Werkstücks mittels eines Kamerasystems, wobei das Beobachten ein Erfassen mindestens eines im Objektfeld einer Kamera liegenden Ausschnitts des Werkstücks sowie die Erzeugung eines den Ausschnitt repräsentierenden Bildes umfasst;
Auswerten des Bildes mittels Bildverarbeitung zur Ermittlung von Positionsdaten, die die Ist-Position wenigstens eines Strukturelements des Werkstücks im Objektfeld repräsentieren;
Vergleichen der Ist-Position mit einer Soll-Position des Strukturelements und Erzeugen von Korrektursignalen in Abhängigkeit von einer Abweichung der Ist-Position von der Soll- Position;
Korrigieren der Bearbeitungsposition durch Ansteuern des Werkstück- Bewegungssystems zur Angleichung der Ist-Position an die Soll-Position auf Basis der Korrektursignale;
Einstrahlen wenigstens eines auf das Werkstück gerichteten Laserstrahls zur lokalen Laserbearbeitung des Werkstücks an wenigstens einer Bearbeitungsstelle des Werkstücks.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Parallelbearbeitung an einer Vielzahl von Bearbeitungsstellen, wobei eine Maske mit einer Vielzahl von Maskenöffnungen verwendet wird, die Maske einen Laserstrahl in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufteilt und die Laserstrahlung emittierenden Maskenöffnungen auf eine Bearbeitungsebene einer Laserbearbeitungseinheit abgebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück in eine Vielzahl Sektoren aufgeteilt wird und die Sektoren schrittweise nacheinander bearbeitet werden, wobei innerhalb eines vermessenen Sektors ein Raster von Korrekturwerten erzeugt und abgespeichert wird und eine nachfolgende Bearbeitung dieses Sektors die mithilfe der Korrekturwerte korrigierten Werte für die Laserbearbeitung des Werkstücks nutzt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kamerabeobachtung und Bilderfassung schmalbandiges Licht genutzt wird, wobei vorzugsweise das für die Bilderfassung genutzte Licht eine spektrale Bandbreite von 10 nm oder weniger aufweist, wobei vorzugsweise mindestens während der Erfassung eines Bildes ein das Objektfeld der Kamera einschließender Beleuchtungsbereich am Werkstück mit schmalbandigem Beleuchtungslicht beleuchtet wird und/oder wobei mittels einer wellenlängenselektiven Einrichtung zwischen der Objektebene der Kamera und der Kamera nur Licht aus einem schmalen Wellenlängenband, insbesondere mit einer spektralen Bandbreite von 10 nm oder weniger, zur Kamera durchgelassen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtung und Bildverarbeitung innerhalb eines Korrekturschrittes vor der Laserbearbeitung realisiert wird und der Laserbearbeitungsschritt erst nach Einstellen der korrigierten Bearbeitungsposition gestartet wird, wobei sich vorzugsweise das Werkstück während der Bilderfassung nicht bewegt, so dass die Messung für die Korrektur bei ruhendem Werkstück erfolgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungseinheit ein Abbildungsobjektiv zur Abbildung einer Maskenebene in eine Bearbeitungsebene der Laserbearbeitungseinheit aufweist und dass die Beobachtung des positionierten Werkstücks mittels der Kamera durch das Abbildungsobjektiv hindurch erfolgt, wobei vorzugsweise eine Strahlumlenkeinrichtung mit einer schräg zu einer Hauptachse der Laserbearbeitungseinheit orientierten Strahlumlenkfläche vorgesehen ist, die den Laserstrahl in eine im Wesentlichen parallel zur Hauptachse verlaufende Ausbreitungsrichtung umlenkt, wobei die Beobachtung des positionierten Werkstücks mittels der Kamera durch die Strahlumlenkfläche hindurch erfolgt, wobei vorzugsweise im Beobachtungsstrahlengang zwischen der Strahlumlenkfläche und der Kamera eine Astigmatismuskorrektur eingeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Laserbearbeitung eine Laserwellenlänge im Ultraviolettbereich, insbesondere bei ca. 248 nm, genutzt wird und dass Beleuchtungslicht verwendet wird, das eine Beleuchtungswellenlänge im Ultraviolettbereich aufweist, wobei vorzugsweise eine Beleuchtungswellenlänge im Bereich von weniger als 300 nm verwendet wird, wobei insbesondere für die Beleuchtung des Werkstücks abgeschwächtes Licht einer für die Laserbearbeitung genutzten Laserlichtquelle verwendet wird, oder dadurch, dass zur Laserbearbeitung eine Laserwellenlänge im Ultraviolettbereich, insbesondere bei ca. 248 nm,
genutzt wird und Beleuchtungslicht verwendet wird, welches eine Beleuchtungswellenlänge im sichtbaren Spektralbereich (VIS) aufweist, wobei vorzugsweise schmalbandiges Grünlicht mit einer Wellenlänge im Bereich von 490 nm bis 575 nm zur Beleuchtung verwendet wird.
8. Verfahren nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, gekennzeichnet durch eine in die Laserbearbeitungsstation integrierte Strahlanalyse der Laserstrahlung in der Bearbeitungsebene zur Bestimmung der Positionen von Abbildungen der Maskenaperturen in der Bearbeitungsebene, wobei eine Steuerung des Werkstück-Bewegungssystems in der Weise durchgeführt wird, dass die Position und Orientierung jeder Maskenapertur in der Bearbeitungsebene bei jedem Laserpuls mit der Position und Orientierung eines zu bearbeitenden Strukturelements übereinstimmt und/oder wobei eine Vermessung und Korrektur der Kamerapositionierung für die Strahlanalyse unter Nutzung der Maskenstruktur erfolgt, die mit Hilfe der Laseranlage in die Bearbeitungsposition abgebildet wird, wobei nach einer Aufnahme von Maskenaperturen an verschiedenen Positionen der Strahlanalysekamera einzelne Bilder per Software zu einem Bild der kompletten Maske zusammengesetzt und Positionierfehler anhand der Fehler im Bild der Maske im Grenzbereich zwischen den Einzelbildern mittels Bildverarbeitung bestimmt und korrigiert werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in die Laserbearbeitungsstation integrierte Strahldiagnose der Laserstrahlung, worin das Kamerasystem zur Beobachtung des Werkstücks für die Strahldiagnose eingesetzt wird, indem in der Bearbeitungsebene ein die Laserstrahlung reflektierendes oder stark streuendes Hilfs- Substrat angebracht wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kamerasystem zur Beobachtung des Werkstücks zusätzlich für die Kontrolle der Laserbearbeitung eingesetzt wird, indem das Kamerasystem mithilfe von Triggersignalen der Laserbearbeitung ausgelöst wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine in-situ- Beobachtung und Analyse schnell ablaufender Vorgänge im Bereich der durch Laserstrahl beeinflussten Bearbeitungszone mittels Schattenwurfbild-Analyse, wobei vorzugsweise eine Flugbahnverfolgung durchgeführt wird, bei der die Flugbahn eines mittels eines Laserpulses vom Werkstück abgelösten Teils ermittelt und analysiert wird.
12. System zur Herstellung einer mikrostrukturierten Komponente, die eine Vielzahl von Mikro-Funktionselementen auf einem Substrat aufweist, insbesondere zur Herstellung eines
Micro-LED-Displays, welches ein Substrat aufweist, das ein Array von Pixel bildenden Micro- Leuchtdioden auf einer elektrischen Versorgungsstruktur trägt, umfassend: eine Steuereinheit (190); eine Laserbearbeitungsstation (100) mit einer durch die Steuereinheit steuerbaren Laserbearbeitungseinheit (110); ein Werkstück-Bewegungssystems (200) zum Positionieren eines zu bearbeitenden Werkstücks (150) in einer Bearbeitungsposition der Laserbearbeitungsstation in Reaktion auf Bewegungssignale der Steuereinheit (190); gekennzeichnet durch ein Kamerasystem mit einer Kamera (340) zur Beobachtung des Werkstücks (150), wobei das Kamerasystem eingerichtet ist, mindestens einen im Objektfeld der Kamera liegenden Ausschnitt des Werkstücks zu erfassen sowie ein den Ausschnitt repräsentierendes Bild zu erzeugen; einer Auswerteeinheit (195) zum Auswerten des Bildes mittels Bildverarbeitung zur Ermittlung von Positionsdaten, die die Ist-Position wenigstens eines Strukturelements des Werkstücks im Objektfeld repräsentieren, sowie zum Vergleichen der Ist-Position mit einer Soll- Position des Strukturelements und zum Erzeugen von Korrektursignalen in Abhängigkeit von einer Abweichung der Ist-Position von der Soll-Position, wobei die Steuereinheit (190) konfiguriert ist, die Bearbeitungsposition durch Ansteuern des Werkstück-Bewegungssystems (200) zur Angleichung der Ist-Position an die Soll-Position auf Basis der Korrektursignale zu korrigieren, und die Laserbearbeitungseinheit (110) zu veranlassen, wenigstens einen auf das Werkstück (150) gerichteten Laserstrahl (105) zur lokalen Laserbearbeitung des Werkstücks an wenigstens einer Bearbeitungsstelle des Werkstücks (150) einzustrahlen.
13. System nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Maske (107) mit einer Vielzahl von Maskenöffnungen (109), wobei die Maske in einer Maskenebene (108) angeordnet und dafür konfiguriert ist, einen Laserstrahl in eine Vielzahl von Teilstrahlen aufzuteilen, wobei die Laserstrahlung emittierenden Maskenöffnungen auf eine Bearbeitungsebene der Laserbearbeitungseinheit abbildbar sind, wobei vorzugsweise zum Tragen der Maske (107) ein Masken-Bewegungssystem vorgesehen ist, welches unter der Steuerung durch die Steuereinheit (190 eine Verlagerung der Maske (107) in der Maskenebene (108) sowie eine Drehung der Maske um eine zur Maskenebene senkrechte Achse erlaubt.
14. System nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch ein Beleuchtungssystem (310) zum Beleuchten eines Beleuchtungsbereichs (305) am Werkstück (150) mit schmalbandigem Beleuchtungslicht und/oder durch eine zwischen der Objektebene der Kamera
(340) und der Kamera angeordnete wellenlängenselektive Einrichtung (335), die nur Licht aus einem schmalen Wellenlängenband zur Kamera durchlässt, vorzugsweise derart, dass das für die Bilderfassung genutzte Licht eine spektrale Bandbreite von 10 nm oder weniger aufweist.
15. System nach einem der Ansprüche 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungseinheit eine Strahlumlenkeinrichtung (115) mit einem Substrat (117) und einer daran ausgebildeten, schräg zu einer Hauptachse (116) der Laserbearbeitungseinheit orientierten Strahlumlenkfläche (118) zur Umlenkung des Laserstrahls in eine im Wesentlichen parallel zur Hauptachse (116) verlaufende Ausbreitungsrichtung aufweist.
16. System nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Bearbeitungsebene (122) der Laserbearbeitungseinheit (110) und der Kamera (340) verlaufender Beobachtungsstrahlengang durch die Strahlumlenkfläche (118) hindurchführt, wobei die Strahlumlenkeinrichtung (115) Beleuchtungslicht wenigstens teilweise transmittiert, wobei vorzugsweise das Substrat (117) der Strahlumlenkeinrichtung mit einer dielektrischen Beschichtung beschichtet ist, die vorzugsweise so ausgelegt ist, dass sie für das eintretende Laserlicht bei den vorliegenden Einfallswinkeln einen Reflexionsgrad von mehr als 99 % und für das zur Beleuchtung verwendete Beleuchtungslicht eine Transmission von mindestens 1 % aufweist, wobei die Transmission vorzugsweise im Bereich von 20 % bis 70 % liegt.
17. System nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Beobachtungsstrahlengang zwischen der Strahlumlenkeinrichtung (315) und der Kamera (340) eine Beleuchtungslicht transmittierende Astigmatismus-Kompensationseinheit (330) angeordnet ist, wobei vorzugsweise das Substrat (317) der Strahlumlenkeinrichtung als Beleuchtungslicht transmittierende Planplatte ausgebildet ist, die gegenüber der Hauptachse (116) um eine senkrecht zur Hauptachse orientierte erste Kippachse verkippt ist und dass die Astigmatismus- Kompensationseinheit (330) eine für Beleuchtungslicht transparente Planplatte aufweist, die gegenüber der Hauptachse um eine senkrecht zur ersten Kippachse orientierte zweite Kippachse verkippt ist.
18. System nach dem Oberbegriff von Anspruch 12, insbesondere nach einem der Ansprüche 12 bis 17, gekennzeichnet durch ein in die Laserbearbeitungsstation integriertes kamerabasiertes Strahlanalysesystem (700) zur in-situ-Analyse von Strahlparametern des Laserstrahls (105).
19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlanalysesystem
(700) wenigstens eine Strahlanalyseeinheit (720, 740) aufweist, die eine für die
Laserwellenlänge empfindlichen Kameraanordnung mit einer Kamera (722, 742) umfasst, welche ein Objektfeld aufweist, wobei vorzugsweise die Kameraanordnung eine für die Laserwellenlänge empfindliche Kamera, insbesondere eine UV-Kamera aufweist oder wobei die Kameraanordnung eine für sichtbares Licht empfindliche Kamera sowie einen flächigen Wandler (726, 746) aufweist, der in einer Objektebene der Kamera angeordnet und dafür konfiguriert ist, Licht der Laserwellenlänge in Licht aus dem sichtbaren Spektralbereich zu wandeln.
20. System nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlanalysesystem wenigstens eine der folgenden Einheiten aufweist:
(i) eine erste Strahlanalyseeinheit (720) mit einer für die Laserwellenlänge empfindlichen Kameraanordnung, die eine Kamera (722) umfasst, welche ein Objektfeld aufweist, das in der Bearbeitungsebene (122) der Laserbearbeitungseinheit oder in einer zur Bearbeitungsebene optisch konjugierten Ebene liegt und an der der Laserbearbeitungseinheit (610) gegenüberlegenden Seite der Bearbeitungsebene (122) angeordnet ist;
(ii) eine zweite Strahlanalyseeinheit (740) mit einer für die Laserwellenlänge empfindlichen Kameraanordnung, die eine Kamera (742) umfasst, welche ein Objektfeld aufweist, das in einer zu einer Maskenebene (108) optisch konjugierten Ebene liegt, wobei die Kamera in Verlängerung einer senkrecht zur Hauptachse (116) der Laserbearbeitungseinheit (610) orientierten Einstrahlrichtung des Laserstrahls angeordnet ist.
21. System nach einem der Ansprüche 12 bis 20, gekennzeichnet durch ein in die Laserbearbeitungsstation (700) integriertes kamerabasiertes Schattenwurfbild-Analysesystem (800) zur in-situ-Beobachtung und Analyse schnell ablaufender Vorgänge im Bereich der durch Laserstrahlung beeinflussten Bearbeitungszone (106), wobei das Schattenwurfbild- Analysesystem eine Kurzpuls-Lichtquelle (810) zur zeitgesteuerten Einstrahlung von kurzen Beleuchtungslichtpulsen in einer quer zum Laserstrahl orientierten Einstrahlrichtung und an einer gegenüberliegenden Seite eine Kamera (830) zur Erfassung von Schattenwurfbildern der Bearbeitungszone aufweist und eine Auswerteeinheit zur Auswertung von Kamerabildern der Kamera vorgesehen ist.
22. System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Schattenwurfbild- Analysesystem (800, 900) ein Strahlumlenksystem, insbesondere ein Spiegelsystem (825), mit einem zwischen der Kurzpuls-Lichtquelle (810, 910) und der Bearbeitungszone (106) angeordneten Umlenkelement, insbesondere einem Umlenkspiegel (822), zur Umlenkung von
Beleuchtungslicht aus einer schräg zur Bearbeitungsebene (122) orientierten Richtung in eine parallel zur Bearbeitungsebene (122) verlaufende Einstrahlrichtung und/oder mit einem zwischen der Bearbeitungszone (106) und der Kamera (830, 930) angeordneten
Umlenkelement, insbesondere einem Umlenkspiegel (824, 924), zur Umlenkung von parallel oder in spitzem Winkel zur Bearbeitungsebene verlaufende Strahlung in eine schräg zur Bearbeitungsebene orientierte Einfallsrichtung der Kamera aufweist.
23. System nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Schattenwurfbild-Analysesystem (800) dafür konfiguriert ist, getriggert durch einen Laserpuls der Laserstrahlungsquelle ein Bild mit einer Vielzahl zeitlich versetzt ausgelöster Beleuchtungspulse zu erzeugen, so dass das vom Werkstück abgelöste Teil mehrfach, zu verschiedenen Zeiten an verschiedenen Positionen, im Bild abgebildet wird und das Bild auszuwerten, wobei vorzugsweise eine Flugbahnverfolgung durchgeführt wird, bei der die Flugbahn eines mittels eines Laserpulses vom Werkstück abgelösten Teils ermittelt und analysiert wird.
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