WO2023237610A1 - Method and device for processing at least one sub-region of a layer system - Google Patents

Method and device for processing at least one sub-region of a layer system Download PDF

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WO2023237610A1
WO2023237610A1 PCT/EP2023/065248 EP2023065248W WO2023237610A1 WO 2023237610 A1 WO2023237610 A1 WO 2023237610A1 EP 2023065248 W EP2023065248 W EP 2023065248W WO 2023237610 A1 WO2023237610 A1 WO 2023237610A1
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laser
ultra
laser beam
short
laser pulses
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PCT/EP2023/065248
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Daniel Grossmann
Marc Sailer
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Trumpf Laser Gmbh
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    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
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    • B23K2101/36Electric or electronic devices
    • B23K2101/40Semiconductor devices

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for processing at least a portion of a layer system using ultrashort laser pulses of a laser beam from an ultrashort pulse laser.
  • micro-LEDs are used as light sources to make conventional, global backlighting of the display panel unnecessary.
  • the micro-LEDs are applied to a so-called active matrix so that each micro-LED can be controlled individually.
  • the displays with micro-LEDs therefore have the advantage that the micro-LEDs on the matrix can be controlled locally. This means that individual micro-LEDs can be switched on and off, which means, for example, a high contrast ratio and a very good black level can be achieved.
  • so-called bleeding of the background lighting through the display panels can be avoided due to their design.
  • excimer lasers have poor temporal pulse quality.
  • the difficult to control transient response and decay behavior of the laser pulses influences the processing quality.
  • the pulse length of excimer lasers is in the range of a few 10ns, so that the laser pulses interact with the boundary layer between the substrate and the micro-LED over a long period of time and accordingly have a thermal influence on the exposed materials. This can damage the semiconductor junctions, in particular the pn junctions, of the microLEDs.
  • the laser beam of an excimer laser does not have a defined polarization, so that they are particularly not suitable for high-performance applications, since the optical components necessary for high laser powers often require a defined polarization of the laser beam.
  • the laser beam In order to process a large number of micro-LEDs on the substrate, the laser beam must be moved over the substrate, or the focus position must be adjusted between the laser pulses.
  • inertial systems such as X-Y-Z translation tables or galvanic scanners typically do not enable the flexibility and speed that are necessary for highly dynamic process strategies.
  • a method for processing at least a partial region of a layer system, in particular a micro-LED, by means of ultrashort laser pulses of a laser beam of an ultrashort pulse laser is proposed, wherein the at least one partial region is arranged at a boundary layer on a substrate, the substrate being essentially transparent for the wavelength the ultra-short laser pulses of the laser beam, wherein the boundary layer is acted upon by the ultra-short laser pulses of the laser beam through the substrate, whereby the at least one partial area is processed.
  • the focus position of the ultra-short laser pulses of the laser beam in the boundary layer is adjusted with pulse precision.
  • the ultra-short pulse laser provides the laser pulses of the laser beam, with the individual laser pulses forming the laser beam in the direction of beam propagation.
  • the pulse duration of the ultra-short laser pulses can be between 50fs and 1000ps, preferably between 100fs and 100ps, particularly preferably between 50fs and 20ps.
  • the laser pulses can also be part of a so-called laser burst, with each laser burst comprising several laser pulses. During the length of the laser burst, the laser pulses can follow one another very closely, for example at intervals of a few picoseconds to nanoseconds.
  • the laser bursts can in particular be GHz bursts, in which the sequence of successive laser pulses of the respective burst takes place in the GHz range.
  • the sub-area of the layer system can in particular be a sub-area of a multi-layer system.
  • a subarea is a micro-LED, a mini-LED or another LED.
  • a layer system can also only include one layer of a material. In the following, the process is described primarily using a micro-LED.
  • Micro-LEDs are generally localized pn junctions of semiconductors, in particular III/V semiconductors, such as gallium nitride GaN, which emit light of a specific wavelength, preferably a visible wavelength, when a voltage or current is applied.
  • III/V semiconductors such as gallium nitride GaN
  • micro LED has external dimensions of a few micrometers.
  • micro-LEDs can be round or rectangular and have a diameter or edge length of a few 10pm.
  • a micro LED can be square and 20x20pm2 or 30x30pm2.
  • the micro-LEDs are typically manufactured on a substrate.
  • the p- and n-doped semiconductors are deposited one after the other onto the substrate.
  • the first layer of the micro-LED is accordingly arranged at a boundary layer on the substrate.
  • the first layer on the substrate has, for example, a p-doping and the second layer on the first layer has an n-doping.
  • a pn junction is created at the interface between the p- and n-doped layers, which generates light when a voltage or current is applied.
  • the layers are then separated along the layer normal, so that a large number of micro-LEDs are created on the substrate.
  • the substrate can influence the functionality of the micro-LEDs, since, for example, the substrate only allows insufficient removal of the heat generated when the micro-LEDs are operated. In addition, it can Substrate the optical properties deteriorate if the light from the micro-LEDs first has to penetrate through the substrate before it reaches the observer. For this reason, it is advantageous to remove the substrate from the micro LED.
  • the substrate can be or comprise a substantially transparent material such as sapphire or a polymer or a plastic, or consist of silicon or comprise silicon, such as silicon carbide SiC.
  • substantially transparent means that the material can partially or completely transmit the laser light of the given wavelength, for example more than 80% or more than 85% or more than 90% or more than 95% or more than 99% of the light , so that the laser beam can penetrate through the substrate and the micro-LED underlying the beam propagation direction can also be processed. The laser beam can therefore be guided through the at least partially transparent substrate.
  • the laser energy can be at least partially absorbed in the boundary layer, since the micro-LED is typically not transparent to the laser wavelength.
  • the boundary layer here comprises in particular a substrate-side section of the micro-LED, which is determined by the penetration depth of the laser beam into the micro-LED.
  • the boundary layer can also or additionally comprise a buffer layer that has been applied to the substrate in order to reduce the lattice mismatch between the substrate and the micro-LED.
  • the introduced laser energy in the boundary layer can separate the GaN into liquid gallium and gaseous nitrogen. This creates a vapor pressure in the boundary layer that separates the microLED from the substrate.
  • the micro-LED is detached from the substrate and, for example, transferred to a carrier substrate, for example to an underlying active matrix or a transfer layer.
  • the processing of the partial area can therefore in particular be the laser-induced forward transmission of the partial area and/or the laser lift-off of a partial area of a substrate.
  • the focus position of the ultra-short laser pulses of the laser beam in the boundary layer is adjusted with pulse precision.
  • the position of the ultra-short laser pulses of the laser beam in the boundary layer can be adapted to the geometry of the partial region with pulse precision.
  • the term “focus” in general is understood as a targeted increase in intensity, whereby the laser energy converges into a “focus area” or a “focus zone”.
  • focus will be used below regardless of the beam shape actually used and the methods used to bring about an increase in intensity.
  • the location of the intensity increase along the beam propagation direction can be influenced.
  • the intensity increase can be quasi-point-shaped and the focus area can have a Gaussian-shaped intensity cross section, as provided by a Gaussian laser beam.
  • the intensity increase can also be designed in a line shape, resulting in a Bessel-shaped focus area around the focus position, as can be provided by a non-diffracting beam.
  • other more complex beam shapes are also possible, the focus position of which extends in three dimensions, such as a multi-focus distribution of Gaussian laser beams and/or non-Gaussian intensity distributions, as described further below.
  • the focus position here is the location or coordinate of the focus zone in the plane, in particular the focal plane, perpendicular to the direction of propagation of the laser pulses.
  • the focus position can be, for example, the center of gravity coordinate or the center coordinate.
  • the focus position can be adjusted with pulse precision so that each laser pulse is directed into a different focus zone and accordingly each laser pulse can act on a different location in the boundary layer.
  • each laser pulse can act on a different location in the boundary layer.
  • the method has the advantage that the process quality can be optimized and that the processing throughput can be increased with full flexibility.
  • a specific area on the substrate can also be addressed and processed in this way.
  • this makes it possible to jump from one partial area to another partial area on the substrate from laser pulse to laser pulse, for example to skip partial areas in the processing process and at the same time maintain a high process speed.
  • the focus position can be adjusted with pulse precision also enables highly dynamic processing of the partial areas on the substrate.
  • the processing speed is then only limited by the repetition rate of the laser pulses.
  • the wavelength of the laser beam can be between 50nm and 300nm, preferably between 250nm and 270nm.
  • the wavelength can in particular be designed such that the subregion at the wavelength has a particularly high absorption and the substrate has a low absorption. This allows the partial area to be processed through the substrate.
  • smaller focus zones can also be formed with small wavelengths, so that particularly small structures on the substrate can be targeted.
  • the ultrashort pulse laser can be operated in its basic mode, with the diffraction coefficient M 2 being less than 1.5.
  • the basic transversal electrical mode TEMOO can be used as the laser mode, which has a pure Gaussian beam shape in the beam cross section and therefore in principle has the highest beam quality.
  • the beam cross section is smaller than in the higher modes, so that a more targeted processing of the sub-areas is possible.
  • the diffraction coefficient indicates the deviation of the laser beam from the ideal TEOO mode.
  • the fluence can be between 0.05J/cm2 and 10J/cm2, preferably between 0.1J/cm2 and 1J/cm2.
  • the processing quality can be adjusted using the fluence, as the energy deposited in the boundary layer directly influences the LLO or LIFT process.
  • the deposited energy has an influence on the magnitude of the vapor pressure that is created, which detaches the microLED from the substrate.
  • the repetition rate of the laser pulses can be greater than 10 kHz, preferably greater than 1 MHz.
  • the processing speed in particular can be adjusted by the repetition rate of the laser pulses.
  • a partial area can be processed with a laser pulse. Accordingly, more partial areas can be processed if a high repetition rate of the laser pulses is selected.
  • the repetition rate of the laser pulses can be, for example, 10MHz, so that over ten million partial areas can be processed per second. This enables a particularly high throughput of partial areas.
  • the laser beam of the ultrashort pulse laser can have a defined polarization, preferably linearly polarized.
  • Polarization describes the alignment, in particular the spatially or temporally variable alignment of the electric field vector of the laser beam relative to the direction of propagation of the laser beam.
  • a laser beam can be s-polarized, or p-polarized, or circularly polarized, or elliptically polarized.
  • the laser beam has a defined polarization
  • high-performance components can be used in particular that require a defined input polarization.
  • the method can also be used with particularly high laser powers due to the defined polarization.
  • the position of the laser pulses can be adjusted using a beam shaping device, the beam shaping device being a diffractive optical element and/or a microlens array and/or preferably an acousto-optical deflector.
  • a diffractive optical element is designed to influence the incident laser beam in one or more properties in two spatial dimensions.
  • a diffractive optical element is a specially shaped diffraction grating, whereby the incident laser beam is brought into the desired beam shape through diffraction.
  • Microlens arrays include arrangements of multiple microlenses.
  • Microlenses are small lenses, in particular lenses with a typical distance from lens center to lens center (“pitch”) of 0.1 to 10 mm, preferably 1 mm, whereby each individual lens in the arrangement can have the effect of a normal, macroscopic lens.
  • Pitch lens center to lens center
  • an angular spectrum is generated from the (at least essentially) collimated input laser beam, with a large number of partial laser beams being created depending on the distance between the microlens arrays due to interference and diffraction effects.
  • the variable change in the interference pattern results in a variation in the number of partial laser beams.
  • an acoustic wave is generated using an alternating voltage on a piezo crystal in an optically adjacent material, which periodically modulates the refractive index of the material.
  • the wave can propagate through the optical material, for example as a propagating wave or as a wave packet, or as a standing wave.
  • the periodic modulation of the refractive index creates a diffraction grating for an incident laser beam.
  • An incident laser beam is diffracted at the diffraction grating and thereby at least partially deflected at an angle to its original beam propagation direction.
  • the grating constant of the diffraction grating and thus the deflection angle depends, among other things, on the wavelength of the acoustic wave and therefore on the frequency of the applied alternating voltage. Over a Combining two acousto-optical deflectors in one deflector unit, for example, deflections in the x and y directions can be generated.
  • the acousto-optical deflector unit can in particular be a polarization-dependent acousto-optic deflector unit and can therefore be particularly suitable for performance.
  • the actus-optical deflector unit can be a quartz-based deflector unit.
  • the above-mentioned beam shaping devices enable particularly rapid repositioning of the laser pulses in the boundary layer.
  • Successive laser pulses can have different focus positions in the boundary layer, preferably the greatest possible distance from one another within the geometry of the partial region that has not yet been acted upon.
  • the heat input can be controlled particularly well. In particular, this reduces the risk of a partial area being damaged by excessive energy input.
  • the optimized heat distribution can reduce unwanted cracking.
  • Successive laser pulses preferably have the greatest possible distance from one another. For example, if a first laser pulse is guided into the upper left corner of a rectangular boundary layer of a partial area, then the second laser pulse can be guided into the lower right corner, for example. A third laser pulse can then be directed to the bottom left corner, and so on.
  • each individual partial area can be scanned with a large number of laser pulses.
  • the laser pulses can at least partially have a different beam shape, preferably have a multi-focus distribution.
  • the beam shape of a laser beam can be characterized, for example, by the intensity distribution in the plane in which the focus zone of the laser beam lies, perpendicular to the beam propagation direction. This level is the so-called focal level.
  • the beam shape can also be characterized by the intensity distributions in the planes in which the beam propagates.
  • the laser beam can be linear in the focal plane.
  • the laser beam is elongated in the beam propagation direction, resulting in, for example, a Bessel-shaped focus area around the focus position, as can be provided by a non-diffracting beam.
  • a beam shape can also be given by the fundamental mode or a higher TE mode.
  • the beam shape also includes more complex beam shapes, such as a so-called multi-focus distribution, in which the laser beam forms a large number of focus zones.
  • the multifocus distribution is a spatial distribution of individual focus zones, so-called individual foci.
  • the multifocus distribution includes at least two individual foci, with the individual foci being spatially separated from one another. However, the individual foci can all lie in the same focal plane, so that the individual foci can all be found in one plane along the beam propagation direction of the laser beam, but have different coordinates in the focal plane perpendicular to the beam propagation direction.
  • a multi-focus distribution is provided by a so-called beam shaping device, whereby the incident laser beam can be divided into a plurality of partial laser beams that are guided to different individual foci.
  • Beam shaping includes the design of the multi-focus distribution.
  • the beam shaping can also include the design of the individual foci, such as the formation of Gaussian or non-diffractive laser beams.
  • the laser energy is also distributed in the boundary layer.
  • a flat processing of the micro-LED can be achieved, whereby lateral material stresses are reduced.
  • the multifocus distribution can be used to imitate a homogeneous flattop beam shape with the individual foci, although each individual focus is, for example, Gaussian. Accordingly, the requirements for the phase front of the laser beam are significantly lower than for a flattop beam.
  • the ultrashort pulse laser can be operated in its basic mode and does not require multimode operation.
  • a multifocus distribution can be a grid-shaped arrangement of Gaussian focus zones.
  • a first laser pulse can propagate in a TE00 mode, while a second laser pulse has a distribution of 4x4 TE00 modes and a third laser pulse has a focus zone elongated in the beam propagation direction.
  • multi-stage energy deposition processes can be used, which, for example, enable a targeted shaping of a pressure wave, which is advantageous for the LLO and/or LIFT process.
  • the focus position of the multi-focus distribution can be adjusted with pulse precision for processing partial areas.
  • a substrate can be scanned with a multifocus distribution of 3 times 3 individual foci. This means that the boundary layer of the sub-areas can be acted upon in a spatially homogeneous manner, but the process speed still corresponds to the repetition frequency of the laser pulses.
  • the partial areas to be affected can be selected using a diagnostic device.
  • a diagnostic device may contain a database containing the coordinates of the functioning portions together with an identification number of the substrate.
  • the coordinates of the functioning subareas can be determined, for example, during functionality tests.
  • the diagnostic device communicates indirectly with the beam shaping device, so that only functioning partial areas are processed.
  • a device for processing a partial area of a layer system comprising an ultra-short pulse laser and processing optics, the ultra-short pulse laser being set up to provide a laser beam made up of ultra-short laser pulses, the partial area being arranged at a boundary layer on a substrate is, wherein the substrate is essentially transparent to the wavelength of the ultra-short laser pulses of the laser beam, the processing optics being set up to transfer the laser beam into the boundary layer and to apply the ultra-short laser pulses to it, whereby the partial area is processed.
  • the device comprises a beam shaping device which is designed to adjust the focus position of the ultra-short laser pulses of the laser beam in the boundary layer with pulse precision.
  • processing optics can be a lens or a mirror or a telescope, which in particular determines the position of the focal plane in the direction of beam propagation can be. This allows the focal plane to overlap with the boundary layer between the substrate and the partial area.
  • the ultrashort pulse laser can provide a basic laser beam with a wavelength of 1030 nm and include a frequency doubling crystal that is designed to double the frequency of the incident laser beam or halve the wavelength.
  • the basic laser beam can be guided twice through the frequency doubling crystal, preferably sequentially through a first frequency doubling crystal and then through a second frequency doubling crystal, whereby the frequency of the basic laser beam is quadrupled overall, or the wavelength of the basic laser beam is quartered overall and thus a laser beam with one wavelength between 250nm and 270nm is provided.
  • the ultra-short laser pulses are particularly suitable for such frequency doubling due to their high pulse peak intensities, as these non-linear effects typically scale with the intensity used. This makes it particularly easy to provide wavelengths in the UV range or DUV (Deep UV) range with ultra-short laser pulses.
  • At least one optical component of the device can comprise CaF or crystalline quartz, or can be made of CaF or crystalline quartz and/or can be designed as a reflective element.
  • the processing optics can be such an optical component.
  • a mirror and/or a lens system which guides the laser beam from the ultrashort pulse laser to the beam shaping device, to be such an optical component.
  • Optical components made of CaF or crystalline quartz are particularly suitable for UV and/or DUV applications because they have very low absorption for the short wavelengths.
  • Reflective elements have the advantage that the UV rays do not penetrate and interact with the material of the optical components. In particular, undesirable non-linear effects can be avoided.
  • the device can have a controller that is communicatively connected to the ultrashort pulse laser and the beam shaping device and is set up to control the ultrashort pulse laser and the beam shaping device.
  • the controller can be an FPGA and/or a computer and/or a microchip.
  • the controller can send and receive corresponding control signals.
  • the pulse output it is possible for the pulse output to be controlled by the ultrashort pulse laser.
  • this makes it possible for the adjustment of the focus position to be controlled by the beam shaping device.
  • the adjustment of the focus position and the delivery of the laser pulses to be coordinated with one another.
  • control commands or their execution can be synchronized with the seed frequency of the laser in all connected devices, so that a common time base exists for all components.
  • the device can have a feed device, preferably a scanner, particularly preferably a galvano scanner, which is set up to direct the laser beam in the focal plane, the feed device being communicatively connected to the controller.
  • a feed device preferably a scanner, particularly preferably a galvano scanner, which is set up to direct the laser beam in the focal plane, the feed device being communicatively connected to the controller.
  • Both the feed device and scanner optics can be synchronized via the seed frequency, so that a common time base exists for the feed, beam deflection, beam shaping and control of the pulsed laser.
  • the device can also have a diagnostic device which contains a database with the coordinates of functioning micro-LEDs on the substrate and which is communicatively connected to the controller or is formed as part of the controller.
  • Figure 1A, B, C shows a schematic representation of the method according to the invention
  • Figure 2A, B, C, D, E, F shows a further schematic representation of the method according to the invention
  • FIGS. 3A, B show a further schematic representation of the invention
  • FIGS. 4A, B show a further schematic representation of the invention
  • Figure 5 is a schematic representation of the device according to the invention.
  • Figures 6A, B show a further schematic representation of the invention
  • the simplified processing procedure applies analogously to general subareas 1 of the shift system.
  • a laser beam 20 is provided by an ultra-short pulse laser 2 (not shown) in which the ultra-short laser pulses run.
  • the micro-LED 1 is arranged on a boundary layer 130 on the substrate 30.
  • the substrate 30 can be made of sapphire, which can have a material thickness between 100 pm and 5 mm.
  • the substrate 30 can be a carrier layer or a carrier substrate, such as a film, an adhesive or a wafer, from which the micro-LEDs 1 are transferred to a display panel in a further step.
  • the layer thicknesses in Figures 1A, B are not drawn to scale.
  • the micro-LEDs 1 can have several layers 11, 12, 13, for example a layer 11 made of n-doped gallium nitride (GaN) and a layer 13 made of p-doped GaN.
  • a pn junction 12 is formed between the two layers 11, 13, in which light of a characteristic wavelength is produced when a current or voltage is applied.
  • the layers 11, 13 can be between 1 nm and 1 opm thick, for example.
  • the vertical cuts may already be present in the layer system, or may have been introduced into the layer system in a previous process step, so that the micro-LEDs 1 to be removed are only connected to the substrate via the boundary layer 130.
  • the boundary layer 130 between the micro-LED 1 and the substrate 30 is exposed to the laser beam 20 or the laser pulses 202 running therein. Since the substrate is 30 is transparent to the wavelength of the laser beam 20, the laser beam 20 can be guided through the substrate 30 to the boundary layer 130.
  • the GaN of the first layer 11 of the micro-LED 1 may not be transparent to the wavelength of the laser beam 20, so that the introduced laser energy of the ultra-short laser pulses is absorbed there.
  • the energy introduced can separate the GaN into liquid gallium and gaseous nitrogen at the interface, whereby a vapor pressure is formed at the interface 130, which detaches the micro-LED 1 from the substrate 30.
  • the micro-LED 1 can be separated from the substrate, for example by laser ablation at the interface 130.
  • targeted damage along the boundary layer 130 can be achieved through the interaction of the laser beam 20 with the first layer, so that the micro-LED 1 can be separated along the boundary layer 130.
  • the detachment of the micro-LED 1 from the substrate 30 is called laser lift-off (LLO).
  • the micro-LEDs 1 can be transferred to a carrier substrate 32 by the resulting forces.
  • micro-LEDs 1 can be attached directly to a carrier substrate, for example glued, or transferred to a carrier substrate, for example another wafer.
  • the micro-LED 1 can be applied to an active matrix as a carrier substrate 32, which is designed to provide a voltage and/or power supply to the micro-LED 1.
  • the carrier substrate 32 is approximately an adhesive layer. Since the micro-LEDs 1 were separated from the substrate 30 at the boundary layer 130 and transferred to the adhesive layer 32, the desired micro-LEDs 1 remain on the carrier substrate 32 when the substrate 30 is removed.
  • 1C shows a possible processing strategy or pulse sequence, which are introduced one after the other into the boundary layer 130.
  • Several laser pulses 202 with different pulse energy or time intervals are combined.
  • the ultra-short laser pulses have a pulse duration of between 50fs and 1000ps, preferably between 100fs and 100ps, particularly preferably between 50fs and 20ps.
  • the repetition rate of the laser pulses can be greater than 10 kHz, preferably greater than 1 MHz. However, in a Laserburst 200 the repetition rate can be significantly higher.
  • the wavelength of the laser beam 20 can be between 50nm and 300nm, preferably 257 or 258nm.
  • the laser 2 can be operated in its basic mode.
  • the fluence can be between 0.05J/cm2 and 10J/cm2, preferably between 0.1J/cm2 and 1J/cm2.
  • the section of the pulse sequence in Figure 1C initially consists of two laser pulses 202, with the first laser pulse 202 being longer than the second laser pulse 202. However, the second laser pulse 202 has a higher intensity.
  • the second section of the pulse sequence is a specific sequence of laser pulses 202, all of which have the same pulse length but increasing pulse intervals and decreasing pulse intensities.
  • the third section of the pulse sequence shows a GHz laser burst 200 in which the laser pulses 202 are a few nanoseconds apart or where the distance is less than 1 ns.
  • the fourth section of the pulse sequence again shows two laser pulses 202 with the same pulse length, but the second laser pulse 202 has a lower intensity than the first laser pulse 202.
  • All laser pulses 200 have a time interval that corresponds, for example, to the seed frequency of the ultrashort pulse laser 2. Accordingly, the laser pulses 200 can be synchronous to a clock frequency of the ultra-short pulse laser 2.
  • the laser pulses 202 are, for example, part of a pulse sequence which, for example, comprises ten laser pulses 200 which are numbered from #1 to #10.
  • Each laser pulse 202 can have a different focus position in the boundary layer 130, so that the focus position of the ultra-short laser pulses 202 of the laser beam in the boundary layer 130 is adjusted with pulse precision.
  • the repetition rate of the laser pulses 202 can be between 10 kHz and 50 MHz, approximately 25 MHz.
  • the first focus position can be acted upon by the laser pulses #1, #6, the second focus position can be acted upon by the laser pulses #2, #7, the third focus position can be acted upon by the laser pulses #3, #8, and the fourth focus position can be acted upon by the laser pulses #4, #9 are applied and the fifth focus position is acted upon by the laser pulses #5, #10.
  • the exposure of the boundary layer 130 in all focus positions takes only 1 ps at a repetition rate of, for example, 10MHz.
  • Such a rapid repositioning of the focus positions can be made possible, for example, with an acousto-optical deflector, as described further below.
  • FIG. 2B A further method according to the invention is shown in FIG. 2B.
  • the boundary layer 130 of the partial area 1 is exposed to 16 laser pulses 202, with the focus position between the laser pulses 202 being adjusted. This creates a pattern of 4 by 4 focus zones in the boundary layer 130, where the laser pulses 202 are introduced.
  • the thermal energy input can be optimized.
  • FIG. 2C A micro-LED 1 processed using this process can be seen, which bears the signature of the 16 laser pulses.
  • FIG. 2D A further method according to the invention is shown in FIG. 2D.
  • six laser pulses are introduced one after the other into the boundary layer 130 of a partial area 1.
  • the six laser pulses 202 numbered from #1 to #6, are introduced one after the other in different focus positions.
  • the successively acted upon positions are not directly adjacent, so that the thermal effect is distributed over the entire boundary layer 130 and thus the thermal introduction is optimized.
  • FIG. 2E Analogously, a process strategy is shown in FIG. 2E, whereby the focus positions of the laser pulses 202 are always as far apart as possible. For example, position #2 is the furthest away from #1. Likewise, position #3 is the furthest apart, and so on.
  • FIG. 2F A further method according to the invention is shown in FIG. 2F.
  • only one laser pulse 202 is emitted per partial area 1, with successive laser pulses 202 acting on the boundary layers 130 of different partial areas 1.
  • the first focus position of the ultra-short laser pulses 202 is initially placed in the lower left corner of the partial area 1. Only when the partial area 1, or even just a part of the partial area 1 of a substrate 30, has been processed, is the boundary layer of the first partial area 1 acted upon again. It is accordingly possible for the laser beam 20 to jump back and forth between the laser pulses 202 between the different partial areas and to act on the partial areas 1 sequentially, so to speak, at different focus positions. This makes it possible to control the build-up and release of material tensions in particular, thereby optimizing the process quality.
  • a process strategy as shown in Figures 2D, E can be used.
  • a third beam shape may be a complex beam shape that extends in three spatial dimensions.
  • a fourth beam shape (hexagon) be a multi-focus distribution that has, for example, six individual focus zones.
  • each laser pulse 200 can have its own beam shape impressed on it.
  • a partial area 1 is exposed to four different beam shapes and eight laser pulses 202.
  • the different beam shapes are introduced into the boundary layer 130 in different focus positions.
  • the multifocus distribution 22 is reoriented on the substrate 30 between each laser pulse 202 of the ultrashort pulse laser 2.
  • Each laser pulse 202 of the ultrashort pulse laser 2 is divided into six individual foci 220 and introduced into the boundary layer 130.
  • Each laser pulse has a pulse energy of more than 1 pJ, so that around a sixth of it reaches each individual focus.
  • the fluence is approximately 0.05J/cm2.
  • the partial areas 1 can be processed with the repetition frequency of the ultra-short pulse laser 2. If the repetition frequency is around 10MHz, ten million Miko-LEDs 1 can be processed per second.
  • a diagnostic device 8 (not shown) can know the positions of the functioning partial areas 1 on the substrate 30, so that the laser pulses 202 are only introduced into the interfaces 130 of the partial areas 1, which can later be used in a display. This allows the quality of such a display to be increased and, in particular, pixel errors to be avoided during production. Such skipping of the faulty partial areas 1 is not accompanied by a loss of process speed, since the laser beam 20 can skip the distance between two pulses.
  • FIG. 4B shows a method in which a multifocus distribution 22 of 3 times 3 individual foci is repositioned on the substrate 30 between each laser pulse 202 of the ultrashort pulse laser 2 in order to process microLEDs.
  • the empty grid locations correspond, for example, to the faulty micro-LEDs.
  • the ultra-short pulse laser 2 is set up to provide a laser beam 20 made up of ultra-short laser pulses 202.
  • the beam shaping device 4 is set up to impose a beam shape on the laser beam 20, while the processing optics 5 is set up to transfer the laser beam 20 into the boundary layer 130 between partial area 1 and substrate 30 and to apply the ultra-short laser pulses 202 to this, whereby the partial area 1 is processed.
  • the ultra-short pulse laser 2 can in particular provide a basic laser beam with a wavelength of 1030 nm and include a frequency doubling crystal (not shown) which is designed to double the frequency of the incident laser beam or halve the wavelength, the basic laser beam being guided successively through two frequency doubling crystals, for example becomes.
  • a frequency doubling crystal not shown
  • the frequency of the basic laser beam is quadrupled overall, or the wavelength of the basic laser beam is quartered overall.
  • a laser beam 20 with a wavelength between 250nm and 270nm is therefore provided.
  • the beam shaping device 4 can in particular be an acousto-optical deflector and/or a microlens array and/or a diffractive optical element which imprints a beam shape on the laser beam 20.
  • the partial laser beams, which are formed from the laser beam 20 by the beam shaping device 4, can be transferred into the respective focus zones via processing optics 5.
  • the acousto-optic deflectors can be used for rapid beam deflection so that the laser pulses 202 can be quickly repositioned.
  • the laser pulses 202 it is also possible for the laser pulses 202 to be repositioned, for example, by a polarization-dependent deflection, such as a birefringent crystal, so that only the polarization of the laser pulse 202 needs to be adjusted for rapid repositioning.
  • a polarization-dependent deflection such as a birefringent crystal
  • Such repositioning elements can be designed as part of the beam shaping device.
  • the optical components of the device can comprise CaF or crystalline quartz, or are made of CaF or crystalline quartz and/or can be designed as reflective elements, making the optical components particularly suitable for UV and DUV applications.
  • the device can have a feed device 6 in order to move the laser beam 20 and/or the substrate 30 with the partial region 1 relative to one another.
  • a feed device can be an xyz table.
  • the device can have a controller 7 which coordinates the various components of the device with one another.
  • the ultra-short pulse laser 2 can be connected to the controller 7, so that the controller 7 can trigger the emission of a laser pulse 202 or a laser burst 200.
  • the controller 7 can further be connected to the beam shaping device 4, so that the laser pulses 202 can be quickly repositioned. In this way, the focus positions can also be adapted to the geometric shape of the sub-area 1.
  • the control 7 can also be connected to a feed device 6, see above that the feed device 6 can be moved, for example, between the laser pulses 202 in order to achieve a rough positioning of the substrate 30 under the processing optics 5.
  • the ultra-short pulse laser 2 provides a laser beam 20 in which the laser pulses 202 of the laser 2 run.
  • the laser beam 20 is typically guided through a beam shaping device 4, which is, for example, an acousto-optical deflector unit.
  • the laser beam 20 can be focused using an adjacent lens and is then optionally guided through a filter element 54 where the beam profile of the laser beam 12 can be manipulated and optimized for the processing process. In particular, this allows spatial frequencies to be filtered out so that the laser pulses 10 imaged on the material 2 have a high contrast.
  • the image of the filter element 54 is finally imaged by the processing optics 5 into the boundary layer 130 of the partial area 1. This can be done, for example, by the processing optics 5 being a telescope.
  • the optional filter element 54 is in front of the first lens 50 in the beam direction at a distance which corresponds to the focal length F1 of the first lens.
  • the beam direction behind the first lens 50 there is a second lens 52.
  • the image-side focal point of the first lens 50 and the object-side focal point of the second lens 52 lie between the first lens 50 and the second lens 52. Both focal points coincide, so that the distance between the both lenses 50, 52 correspond to the sum of the focal lengths F1 + F2.
  • the telescope used is Fourier optics.
  • the focal plane is located behind the second lens 52 in the boundary layer 130 of the partial area 1.
  • the focal plane is arranged from the lens 52 at a distance F2, which corresponds to the focal length of the second lens 52.
  • the laser pulses 202 of the laser beam 20 hit the boundary layer 130 in the focal plane and are at least partially absorbed there, whereby the partial area 1 is processed.
  • the laser beam 20 can be moved relative to the material 2 with the feed device 6.
  • rapid deflection of the individual laser pulses is achieved via the actus-optical deflector 4.
  • a scanner for example a galvano scanner 62, can be used between the lenses 50, 52 of the processing optics 5, as shown in Figure 6B.
  • Position and/or angle information from the galvano scanner 62 and/or the feed device 6 can be recorded at a high measuring rate via corresponding encoders, so that synchronization with the laser pulses 202 is possible.

Abstract

The invention relates to a method for processing a sub-region (1) of a layer system, in particular a micro-LED, by means of ultra-short laser pulses of a laser beam (20) of an ultra-short-pulse laser (2), wherein the at least one sub-region (1) is arranged in a boundary layer (130) on a substrate (30), wherein the substrate (30) is substantially transparent for the wavelength of the ultra-short laser pulses of the laser beam (20), wherein the boundary layer (130) is applied with the ultra-short laser pulses (200) of the laser beam (20) through the substrate (30), whereby the at least one sub-region (1) is processed, wherein the position of the ultra-short laser pulses (202) of the laser beam (20) in the boundary layer (130) is adjusted precisely.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Verarbeiten mindestens eines Teilbereichs eines Schichtsystems Method and device for processing at least a portion of a layer system
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Verarbeiten mindestens eines Teilbereichs eines Schichtsystems mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers. The present invention relates to a device and a method for processing at least a portion of a layer system using ultrashort laser pulses of a laser beam from an ultrashort pulse laser.
Stand der Technik State of the art
In modernen Displaysystem werden Mikro-LEDs als Lichtquellen eingesetzt, um eine herkömmliche, globale Hintergrundbeleuchtung des Displaypanels überflüssig zu machen. Hierfür werden die Mikro-LEDs auf einer sogenannten Aktivmatrix aufgebracht, so dass jede Mikro-LED individuell angesteuert werden kann. Die Displays mit Mikro-LEDs weisen daher den Vorteil auf, dass die Mikro-LEDs auf der Matrix lokal ansteuerbar sind. Dadurch können einzelne Mikro-LEDs an- und abgeschaltet werden wodurch beispielsweise ein hohes Kontrastverhältnis und ein sehr guter Schwarzwert erreicht werden kann. Zudem kann ein sogenanntes Bleeding der Hintergrundbeleuchtung durch die Displaypanels bauartbedingt vermieden werden. In modern display systems, micro-LEDs are used as light sources to make conventional, global backlighting of the display panel unnecessary. For this purpose, the micro-LEDs are applied to a so-called active matrix so that each micro-LED can be controlled individually. The displays with micro-LEDs therefore have the advantage that the micro-LEDs on the matrix can be controlled locally. This means that individual micro-LEDs can be switched on and off, which means, for example, a high contrast ratio and a very good black level can be achieved. In addition, so-called bleeding of the background lighting through the display panels can be avoided due to their design.
Die Produktion solcher Displays mit Mikro-LEDs ist jedoch herausfordernd, da die Mikro-LEDs erst auf einem Substrat produziert werden und anschließend auf eine entsprechende Aktivmatrix übertragen werden müssen. Hierbei dürfen zudem nur funktionierende Mikro-LEDs auf die Aktivmatrix übertragen werden, um beispielsweise Pixelfehler zu vermeiden. Zur Übertragung der Mikro-LEDs auf eine entsprechende Aktivmatrix hat sich der Einsatz von Lasern bewährt. Insbesondere sind der Laser Lift-Off (LLO) Prozess, mit dem eine Mikro-LED von dem Substrat gelöst werden kann, und der sogenannte Laser Induced Forward Transfer (LIFT) Prozess, mit dem die Mikro-LED von dem Substrat auf die Aktivmatrix transferiert werden kann, relevant. In beiden Fällen wird die Grenzschicht zwischen dem Substrat und der Mikro-LED mit einem Laserpuls beaufschlagt, um eine entsprechende Verarbeitung der Mikro-LED zu erreichen. „Laser Processing of Micro-LED - a Coherent Whitepaper“ vom 23. Januar 2018 beschreibt, dass für die vorgenannten Prozesse typischerweise Excimerlaser eingesetzt werden. However, the production of such displays with micro-LEDs is challenging because the micro-LEDs are first produced on a substrate and then have to be transferred to a corresponding active matrix. In addition, only functioning micro-LEDs may be transferred to the active matrix in order to avoid pixel errors, for example. The use of lasers has proven successful for transferring the micro-LEDs to a corresponding active matrix. In particular, the Laser Lift-Off (LLO) process, with which a micro-LED can be detached from the substrate, and the so-called Laser Induced Forward Transfer (LIFT) process, with which the micro-LED is transferred from the substrate to the active matrix can become relevant. In both cases, a laser pulse is applied to the boundary layer between the substrate and the micro-LED in order to achieve appropriate processing of the micro-LED. “Laser Processing of Micro-LED - a Coherent Whitepaper” from January 23, 2018 describes that excimer lasers are typically used for the aforementioned processes.
Excimerlaser weisen jedoch eine geringe zeitliche Pulsqualität auf. Insbesondere beeinflusst das schwer kontrollierbare Ein- und Ausschwingverhalten der Laserpulse die Verarbeitungsqualität. Zudem liegt die Pulslänge von Excimerlasern im Bereich von einigen 10ns, so dass die Laserpulse über eine lange Zeit mit der Grenzschicht zwischen Substrat und Mikro-LED wechselwirken und dementsprechend die beaufschlagten Materialien thermisch beeinflussen. Dies kann insbesondere die Halbleiterübergänge, also insbesondere die pn-Übergänge, der Mikro-LEDs schädigen. Außerdem weist der Laserstrahl eines Excimerlasers keine definierte Polarisation auf, so dass diese sich insbesondere nicht für Hochleistungsanwendungen eignen, da die für hohe Laserleistungen notwendigen optischen Komponenten oft eine definierte Polarisation des Laserstrahls voraussetzen. However, excimer lasers have poor temporal pulse quality. In particular, the difficult to control transient response and decay behavior of the laser pulses influences the processing quality. In addition, the pulse length of excimer lasers is in the range of a few 10ns, so that the laser pulses interact with the boundary layer between the substrate and the micro-LED over a long period of time and accordingly have a thermal influence on the exposed materials. This can damage the semiconductor junctions, in particular the pn junctions, of the microLEDs. In addition, the laser beam of an excimer laser does not have a defined polarization, so that they are particularly not suitable for high-performance applications, since the optical components necessary for high laser powers often require a defined polarization of the laser beam.
Um eine Vielzahl von Mikro-LEDs auf dem Substrat zu verarbeiten, muss der Laserstrahl über das Substrat verschoben werden, beziehungsweise zwischen den Laserpulsen muss die Fokusposition angepasst werden. Trägheitsbehaftete System wie beispielsweise X-Y-Z- Verschiebetische oder Galvano-Scanner ermöglichen typischerweise aber nicht die Flexibilität und die Geschwindigkeit, die für hochdynamische Prozessstrategien notwendig sind. In order to process a large number of micro-LEDs on the substrate, the laser beam must be moved over the substrate, or the focus position must be adjusted between the laser pulses. However, inertial systems such as X-Y-Z translation tables or galvanic scanners typically do not enable the flexibility and speed that are necessary for highly dynamic process strategies.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Verarbeiten mindestens eines Teilbereichs eines Schichtsystems, sowie eine entsprechende Vorrichtung bereitzustellen. Based on the known prior art, it is an object of the present invention to provide an improved method for processing at least a partial area of a layer system, as well as a corresponding device.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Verarbeiten mindestens eines Teilbereichs eines Schichtsystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. The object is achieved by a method for processing at least a portion of a layer system with the features of claim 1. Advantageous further developments result from the subclaims, the description and the figures.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Verarbeiten mindestens eines Teilbereichs eines Schichtsystems, insbesondere einer Mikro-LED, mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls eines Ultrakurzpulslasers vorgeschlagen, wobei der mindestens eine Teilbereich an einer Grenzschicht auf einem Substrat angeordnet ist, wobei das Substrat im Wesentlichen transparent für die Wellenlänge der ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls ist, wobei die Grenzschicht durch das Substrat hindurch mit den ultrakurzen Laserpulsen des Laserstrahls beaufschlagt wird, wodurch der mindestens eine Teilbereich verarbeitet wird. Erfindungsgemäß wird die Fokusposition der ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls in der Grenzschicht pulsgenau angepasst. Der Ultrakurzpulslaser stellt hierbei die Laserpulse des Laserstrahls zur Verfügung, wobei die einzelnen Laserpulse den Laserstrahl in der Strahlausbreitungsrichtung ausbilden. Die Pulsdauer der ultrakurzen Laserpulse kann hierbei zwischen 50fs und 1000ps liegen, bevorzugt zwischen 100fs und 100ps liegen, besonders bevorzugt zwischen 50fs und 20ps liegen. Accordingly, a method for processing at least a partial region of a layer system, in particular a micro-LED, by means of ultrashort laser pulses of a laser beam of an ultrashort pulse laser is proposed, wherein the at least one partial region is arranged at a boundary layer on a substrate, the substrate being essentially transparent for the wavelength the ultra-short laser pulses of the laser beam, wherein the boundary layer is acted upon by the ultra-short laser pulses of the laser beam through the substrate, whereby the at least one partial area is processed. According to the invention, the focus position of the ultra-short laser pulses of the laser beam in the boundary layer is adjusted with pulse precision. The ultra-short pulse laser provides the laser pulses of the laser beam, with the individual laser pulses forming the laser beam in the direction of beam propagation. The pulse duration of the ultra-short laser pulses can be between 50fs and 1000ps, preferably between 100fs and 100ps, particularly preferably between 50fs and 20ps.
Die Laserpulse können hierbei auch Teil eines sogenannten Laserbursts sein, wobei jeder Laserburst mehrere Laserpulse umfasst. Während der Länge des Laserbursts können die Laserpulse sehr dicht, beispielsweise im Abstand weniger Piko- bis Nanosekunden, aufeinander folgen. Bei den Laserbursts kann es sich insbesondere um GHz-Bursts handeln, bei denen die Abfolge der aufeinanderfolgenden Laserpulse des jeweiligen Bursts im GHz Bereich stattfindet. The laser pulses can also be part of a so-called laser burst, with each laser burst comprising several laser pulses. During the length of the laser burst, the laser pulses can follow one another very closely, for example at intervals of a few picoseconds to nanoseconds. The laser bursts can in particular be GHz bursts, in which the sequence of successive laser pulses of the respective burst takes place in the GHz range.
Der Teilbereich des Schichtsystems kann insbesondere ein Teilbereich eines Mehrschichtsystems sein. Beispielsweise ist ein solcher Teilbereich eine Mikro-LED, eine Mini-LED oder eine sonstige LED. Ein Schichtsystem kann aber auch lediglich eine Schicht eines Materials umfassen. Im Folgenden wird das Verfahren überwiegend anhand einer Mikro-LED beschrieben. The sub-area of the layer system can in particular be a sub-area of a multi-layer system. For example, such a subarea is a micro-LED, a mini-LED or another LED. However, a layer system can also only include one layer of a material. In the following, the process is described primarily using a micro-LED.
Mikro-LEDs sind im Allgemeinen lokalisierte pn-Übergänge von Halbleitern, insbesondere von lll/V- Halbleitern, etwa Galliumnitrid GaN, die beim Anlegen einer Spannung oder eines Stroms Licht einer bestimmten Wellenlänge, bevorzugt einer sichtbaren Wellenlänge ausgeben. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Mikro-LED auch Licht im UV-Bereich oder im IR-Bereich abgibt. Micro-LEDs are generally localized pn junctions of semiconductors, in particular III/V semiconductors, such as gallium nitride GaN, which emit light of a specific wavelength, preferably a visible wavelength, when a voltage or current is applied. However, it is also possible for a micro-LED to also emit light in the UV range or in the IR range.
Eine Mikro-LED hat hierbei äußere Abmessungen von wenigen Mikrometern. Beispielsweise können Mikro-LEDs rund oder rechteckig sein und ein Durchmesser oder Kantenlänge von einigen 10pm aufweisen. Beispielsweise kann eine Mikro-LED quadratisch und 20x20pm2 oder 30x30pm2 groß sein. A micro LED has external dimensions of a few micrometers. For example, micro-LEDs can be round or rectangular and have a diameter or edge length of a few 10pm. For example, a micro LED can be square and 20x20pm2 or 30x30pm2.
Die Mikro-LEDs werden typischerweise auf einem Substrat gefertigt. Hierzu werden die p- und n- dotierten Halbleiter nacheinander auf das Substrat abgeschieden. Die erste Schicht der Mikro-LED ist dementsprechend an einer Grenzschicht auf dem Substrat angeordnet. Zudem weist die erste Schicht auf dem Substrat beispielsweise eine p-Dotierung auf und die zweite Schicht auf der ersten Schicht weist eine n-Dotierung auf. An der Grenzfläche der p- und n-dotierten Schicht entsteht so ein pn-Übergang, der beim Anlagen einer Spannung oder eines Stroms Licht erzeugt. Die Schichten werden anschließend entlang der Schichtnormalen getrennt, so dass eine Vielzahl von Mikro-LEDs auf dem Substrat entsteht. The micro-LEDs are typically manufactured on a substrate. For this purpose, the p- and n-doped semiconductors are deposited one after the other onto the substrate. The first layer of the micro-LED is accordingly arranged at a boundary layer on the substrate. In addition, the first layer on the substrate has, for example, a p-doping and the second layer on the first layer has an n-doping. A pn junction is created at the interface between the p- and n-doped layers, which generates light when a voltage or current is applied. The layers are then separated along the layer normal, so that a large number of micro-LEDs are created on the substrate.
Problematisch ist hierbei insbesondere, dass das Substrat die Funktionalität der Mikro-LEDs beeinflussen kann, da beispielsweise durch das Substrat lediglich ein unzureichender Abtransport der entstehenden Wärme möglich ist, die beim Betrieb der Mikro-LEDs entsteht. Zudem kann das Substrat die optischen Eigenschaften verschlechtern, wenn das Licht der Mikro-LEDs erst durch das Substrat hindurchdringen muss, bevor es zum Beobachter gelangt. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, das Substrat von der Mikro-LED zu entfernen. What is particularly problematic here is that the substrate can influence the functionality of the micro-LEDs, since, for example, the substrate only allows insufficient removal of the heat generated when the micro-LEDs are operated. In addition, it can Substrate the optical properties deteriorate if the light from the micro-LEDs first has to penetrate through the substrate before it reaches the observer. For this reason, it is advantageous to remove the substrate from the micro LED.
Zu diesem Zweck kann das Substrat ein im Wesentlichen transparentes Material wie beispielsweise Saphir oder ein Polymer oder ein Kunststoff sein oder umfassen, oder aus Silizium bestehen oder Silizium umfassen, wie beispielsweise Siliziumcarbid SiC. Im Wesentlichen transparent bedeutet dabei, dass das Material teilweise oder vollständig das Laserlicht der gegebenen Wellenlänge transmittieren kann, also beispielsweise mehr als 80% oder mehr als 85% oder mehr als 90% oder mehr als 95% oder mehr als 99% des Lichts transmittieren kann, sodass ein Durchdringen des Laserstrahls durch das Substrat möglich ist und somit auch ein Verarbeiten dea in Strahlausbreitungsrichtung unterliegenden Mikro-LED erfolgen kann. Der Laserstrahl kann also durch das mindestens teilweise transparente Substrat geführt werden. For this purpose, the substrate can be or comprise a substantially transparent material such as sapphire or a polymer or a plastic, or consist of silicon or comprise silicon, such as silicon carbide SiC. Substantially transparent means that the material can partially or completely transmit the laser light of the given wavelength, for example more than 80% or more than 85% or more than 90% or more than 95% or more than 99% of the light , so that the laser beam can penetrate through the substrate and the micro-LED underlying the beam propagation direction can also be processed. The laser beam can therefore be guided through the at least partially transparent substrate.
In der Grenzschicht kann die Laserenergie schließlich mindestens teilweise absorbiert werden, da die Mikro-LED typischerweise nicht transparent für die Laserwellenlänge ist. Die Grenzschicht umfasst hierbei insbesondere einen substratseitigen Abschnitt der Mikro-LED der durch die Eindringtiefe des Laserstrahls in die Mikro-LED gegeben ist. Die Grenzschicht kann aber auch oder zudem eine Pufferschicht umfassen, die auf dem Substrat aufgetragen wurde, um die Gitterfehlanpassung zwischen Substrat und Mikro-LED zu reduzieren. Finally, the laser energy can be at least partially absorbed in the boundary layer, since the micro-LED is typically not transparent to the laser wavelength. The boundary layer here comprises in particular a substrate-side section of the micro-LED, which is determined by the penetration depth of the laser beam into the micro-LED. However, the boundary layer can also or additionally comprise a buffer layer that has been applied to the substrate in order to reduce the lattice mismatch between the substrate and the micro-LED.
Beispielsweise kann im Falle einer Galliumnitrid GaN Mikro-LED durch die eingebrachte Laserenergie in der Grenzschicht das GaN in flüssiges Gallium und gasförmigen Stickstoff getrennt werden. Dadurch entsteht ein Dampfdruck in der Grenzschicht, der die Mikro-LED von dem Substrat trennt. Es kann aber auch sein, dass die Mikro-LED von dem Substrat gelöst wird und beispielsweise zu einem Trägersubstrat, beispielsweise zu einer unterliegenden Aktivmatrix oder einer Transferschicht überführt wird. Die Verarbeitung des Teilbereichs kann somit insbesondere die Laser-induzierte Vorwärtsübertragung des Teilbereichs und/oder dem Laser Lift-Off eines Teilbereichs von einem Substrat sein. For example, in the case of a gallium nitride GaN micro-LED, the introduced laser energy in the boundary layer can separate the GaN into liquid gallium and gaseous nitrogen. This creates a vapor pressure in the boundary layer that separates the microLED from the substrate. However, it can also be the case that the micro-LED is detached from the substrate and, for example, transferred to a carrier substrate, for example to an underlying active matrix or a transfer layer. The processing of the partial area can therefore in particular be the laser-induced forward transmission of the partial area and/or the laser lift-off of a partial area of a substrate.
Erfindungsgemäß wird die Fokusposition der ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls in der Grenzschicht pulsgenau angepasst. Insbesondere kann die Position der ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls in der Grenzschicht pulsgenau an die Geometrie des Teilbereichs angepasst werden. According to the invention, the focus position of the ultra-short laser pulses of the laser beam in the boundary layer is adjusted with pulse precision. In particular, the position of the ultra-short laser pulses of the laser beam in the boundary layer can be adapted to the geometry of the partial region with pulse precision.
Der Begriff „Fokus“ im Allgemeinen wird als eine gezielte Intensitätsüberhöhung verstanden, wobei die Laserenergie in einen „Fokusbereich“ oder eine „Fokuszone“ konvergiert. Insbesondere wird daher im Folgenden der Ausdruck „Fokus“ unabhängig von der tatsächlich verwendeten Strahlform und den Methoden zur Herbeiführung einer Intensitätsüberhöhung verwendet. Durch eine „Fokussierung“ der Laserpulse kann der Ort der Intensitätserhöhung entlang der Strahlausbreitungsrichtung beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Intensitätsüberhöhung quasi punktförmig sein und der Fokusbereich einen Gauß-förmigen Intensitätsquerschnitt aufweisen, wie er von einem Gauß’schen Laserstrahl zur Verfügung gestellt wird. Die Intensitätsüberhöhung kann auch linienförmig ausgebildet sein, wobei sich um die Fokusposition ein Besselförmiger Fokusbereich ergibt, wie er von einem nicht-beugenden Strahl zur Verfügung gestellt werden kann. Des Weiteren sind auch andere komplexere Strahlformen möglich, deren Fokusposition sich in drei Dimensionen erstreckt, wie beispielsweise ein Multifokusverteilungen aus Gauß’schen Laserstrahlen und/oder nicht Gauß’schen Intensitätsverteilungen, wie weiter unten beschrieben. The term “focus” in general is understood as a targeted increase in intensity, whereby the laser energy converges into a “focus area” or a “focus zone”. In particular, the term “focus” will be used below regardless of the beam shape actually used and the methods used to bring about an increase in intensity. By a By “focusing” the laser pulses, the location of the intensity increase along the beam propagation direction can be influenced. For example, the intensity increase can be quasi-point-shaped and the focus area can have a Gaussian-shaped intensity cross section, as provided by a Gaussian laser beam. The intensity increase can also be designed in a line shape, resulting in a Bessel-shaped focus area around the focus position, as can be provided by a non-diffracting beam. Furthermore, other more complex beam shapes are also possible, the focus position of which extends in three dimensions, such as a multi-focus distribution of Gaussian laser beams and/or non-Gaussian intensity distributions, as described further below.
Die Fokusposition ist hierbei der Ort oder die Koordinate der Fokuszone in der Ebene, insbesondere der Fokusebene, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Laserpulse. Die Fokusposition kann beispielsweise die Schwerpunktskoordinate oder die Mittelpunktskoordinate sein. The focus position here is the location or coordinate of the focus zone in the plane, in particular the focal plane, perpendicular to the direction of propagation of the laser pulses. The focus position can be, for example, the center of gravity coordinate or the center coordinate.
Die Fokusposition kann pulsgenau angepasst werden, so dass jeder Laserpuls in eine andere Fokuszone geleitet wird und dementsprechend jeder Laserpuls einen anderen Ort der Grenzschicht beaufschlagen kann. Es ist jedoch auch möglich, dass verschiedene Laserpulse denselben Ort beaufschlagen. The focus position can be adjusted with pulse precision so that each laser pulse is directed into a different focus zone and accordingly each laser pulse can act on a different location in the boundary layer. However, it is also possible for different laser pulses to affect the same location.
Durch eine solche pulsgenaue Anpassung der Fokusposition kann ein zu verarbeitender Teilbereich thermisch optimiert mit Laserpulsen abgerastert werden. Dementsprechend weist das Verfahren den Vorteil auf, dass die Prozessqualität optimiert werden kann und dass der Verarbeitungsdurchsatz bei voller Flexibilität erhöht werden kann. Through such pulse-precise adjustment of the focus position, a partial area to be processed can be scanned in a thermally optimized manner using laser pulses. Accordingly, the method has the advantage that the process quality can be optimized and that the processing throughput can be increased with full flexibility.
Zudem kann auf diese Weise aber auch ein bestimmter Teilbereich auf dem Substrat adressiert und verarbeitet werden. Insbesondere kann dadurch von Laserpuls zu Laserpuls von einem Teilbereich zu einem anderen Teilbereich auf dem Substrat gesprungen werden, um beispielsweise Teilbereiche im Verarbeitungsprozess zu überspringen und gleichzeitig eine hohe Prozessgeschwindigkeit beizubehalten. In addition, a specific area on the substrate can also be addressed and processed in this way. In particular, this makes it possible to jump from one partial area to another partial area on the substrate from laser pulse to laser pulse, for example to skip partial areas in the processing process and at the same time maintain a high process speed.
In dem die Fokusposition pulsgenau angepasst werden kann, wird auch eine hochdynamische Verarbeitung der Teilbereiche auf dem Substrat ermöglicht. Insbesondere wird dann die Verarbeitungsgeschwindigkeit nur noch von der Repetitionsrate der Laserpulse beschränkt. The fact that the focus position can be adjusted with pulse precision also enables highly dynamic processing of the partial areas on the substrate. In particular, the processing speed is then only limited by the repetition rate of the laser pulses.
Die Wellenlänge des Laserstrahls kann zwischen 50nm und 300nm liegen, bevorzugt zwischen 250nm und 270nm liegen. Die Wellenlänge kann insbesondere so ausgelegt sein, dass der Teilbereich bei der Wellenlänge eine besonders hohe Absorption aufweist und das Substrat eine geringe Absorption aufweist. Dadurch kann der Teilbereich durch das Substrat hindurch verarbeitet werden. Zudem können mit kleinen Wellenlängen auch kleinere Fokuszonen ausgebildet werden, so dass besonders kleine Strukturen auf dem Substrat gezielt beaufschlagt werden können. The wavelength of the laser beam can be between 50nm and 300nm, preferably between 250nm and 270nm. The wavelength can in particular be designed such that the subregion at the wavelength has a particularly high absorption and the substrate has a low absorption. This allows the partial area to be processed through the substrate. In addition, smaller focus zones can also be formed with small wavelengths, so that particularly small structures on the substrate can be targeted.
Der Ultrakurzpulslaser kann in seiner Grundmode betrieben werden, wobei die Beugungsmaßzahl M2 kleiner als 1 ,5 ist. The ultrashort pulse laser can be operated in its basic mode, with the diffraction coefficient M 2 being less than 1.5.
Dementsprechend kann als Lasermode die grundlegende Transversal-Elektrische Mode TEMOO verwendet werden, die im Strahlquerschnitt eine reine Gauß’sche Strahlform aufweist und dadurch prinzipiell die höchste Strahlqualität aufweist. Insbesondere ist bei der TEOO Mode der Strahlquerschnitt kleiner als bei den höheren Moden, so dass eine gezieltere Verarbeitung der Teilbereiche ermöglicht wird. Die Beugungsmaßzahl gibt hierbei die Abweichung des Laserstrahl von der idealen TEOO Mode an. Accordingly, the basic transversal electrical mode TEMOO can be used as the laser mode, which has a pure Gaussian beam shape in the beam cross section and therefore in principle has the highest beam quality. In particular, in the TEOO mode the beam cross section is smaller than in the higher modes, so that a more targeted processing of the sub-areas is possible. The diffraction coefficient indicates the deviation of the laser beam from the ideal TEOO mode.
Die Fluenz kann zwischen 0,05J/cm2 und 10J/cm2 liegen, bevorzugt zwischen 0,1J/cm2 und 1J/cm2 liegen. The fluence can be between 0.05J/cm2 and 10J/cm2, preferably between 0.1J/cm2 and 1J/cm2.
Durch die Fluenz kann die Verarbeitungsqualität eingestellt werden, da die in der Grenzschicht deponierte Energie direkt den LLO- oder LIFT-Prozess beeinflusst. Beispielsweise hat die deponierte Energie einen Einfluss auf die Größe des entstehenden Dampfdrucks, der die MikroLED vom Substrat löst. The processing quality can be adjusted using the fluence, as the energy deposited in the boundary layer directly influences the LLO or LIFT process. For example, the deposited energy has an influence on the magnitude of the vapor pressure that is created, which detaches the microLED from the substrate.
Die Repetitionsrate der Laserpulse kann größer als 10kHz sein, bevorzugt größer als 1 MHz sein.The repetition rate of the laser pulses can be greater than 10 kHz, preferably greater than 1 MHz.
Durch die Repetitionsrate der Laserpulse kann insbesondere die Verarbeitungsgeschwindigkeit eingestellt werden. Beispielsweise kann mit einem Laserpuls ein Teilbereich verarbeitet werden. Dementsprechend können mehr Teilbereiche verarbeitet werden, wenn eine hohe Repetitionsrate der Laserpulse gewählt wird. The processing speed in particular can be adjusted by the repetition rate of the laser pulses. For example, a partial area can be processed with a laser pulse. Accordingly, more partial areas can be processed if a high repetition rate of the laser pulses is selected.
Die Repetitionsrate der Laserpulse kann beispielsweise 10MHz sein, so dass pro Sekunde über zehn Millionen Teilbereiche verarbeitet werden können. Dadurch wird ein besonders hoher Durchsatz von Teilbereichen ermöglicht. The repetition rate of the laser pulses can be, for example, 10MHz, so that over ten million partial areas can be processed per second. This enables a particularly high throughput of partial areas.
Der Laserstrahl des Ultrakurzpulslasers kann eine definierte Polarisation aufweisen, bevorzugt linear polarisiert sein. Die Polarisation beschreibt hierbei die Ausrichtung, insbesondere die räumlich oder zeitlich veränderliche Ausrichtung des elektrischen Feldvektors des Laserstrahls relativ zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls. The laser beam of the ultrashort pulse laser can have a defined polarization, preferably linearly polarized. Polarization describes the alignment, in particular the spatially or temporally variable alignment of the electric field vector of the laser beam relative to the direction of propagation of the laser beam.
Beispielsweise kann ein Laserstrahl s-polarisiert, oder p-polarisiert, oder zirkular polarisiert oder elliptisch polarisiert sein. In dem der Laserstrahl eine definierte Polarisation aufweist, können insbesondere hochleistungstaugliche Bauelemente verwendet werden, die eine definierte Eingangspolarisation benötigen. In diesem Sinne kann das Verfahren durch die definierte Polarisation auch mit besonders hohen Laserleistungen angewandt werden. For example, a laser beam can be s-polarized, or p-polarized, or circularly polarized, or elliptically polarized. In that the laser beam has a defined polarization, high-performance components can be used in particular that require a defined input polarization. In this sense, the method can also be used with particularly high laser powers due to the defined polarization.
Die Position der Laserpulse kann mit einer Strahlformungsvorrichtung angepasst werden, wobei die Strahlformungsvorrichtung ein diffraktives optisches Element und/oder ein Mikrolinsenarray und/oder bevorzugt ein akustooptischer Deflektor ist. The position of the laser pulses can be adjusted using a beam shaping device, the beam shaping device being a diffractive optical element and/or a microlens array and/or preferably an acousto-optical deflector.
Ein diffraktives optisches Element ist dazu eingerichtet, den einfallenden Laserstrahl in zwei Raumdimensionen in einer oder mehreren Eigenschaften zu beeinflussen. Typischerweise ist ein diffraktives optisches Element ein speziell ausgeformtes Beugungsgitter, wobei durch die Beugung der einfallende Laserstrahl in die gewünschte Strahlform gebracht wird. A diffractive optical element is designed to influence the incident laser beam in one or more properties in two spatial dimensions. Typically, a diffractive optical element is a specially shaped diffraction grating, whereby the incident laser beam is brought into the desired beam shape through diffraction.
Mikrolinsenarrays umfassen Anordnungen von mehreren Mikrolinsen. Mikrolinsen sind hierbei kleine Linsen, insbesondere Linsen mit einem typischen Abstand Linsenmitte zu Linsenmitte („Pitch“) von 0,1 bis 10 mm bevorzugt 1 mm, wobei jede Einzellinse der Anordnung die Wirkung einer normalen, makroskopischen Linse aufweisen kann. Mit den mehreren Mikrolinsenarrays wird aus dem (zumindest im Wesentlichen) kollimierten Eingangslaserstrahl ein Winkelspektrum erzeugt, wobei je nach Abstand der Mikrolinsenarrays durch Interferenz- und Beugungseffekte eine Vielzahl an Teillaserstrahlen entstehen. Aus der variablen Veränderung des Interferenzmusters folgt eine Variation der Anzahl an Teillaserstrahlen. Microlens arrays include arrangements of multiple microlenses. Microlenses are small lenses, in particular lenses with a typical distance from lens center to lens center (“pitch”) of 0.1 to 10 mm, preferably 1 mm, whereby each individual lens in the arrangement can have the effect of a normal, macroscopic lens. With the multiple microlens arrays, an angular spectrum is generated from the (at least essentially) collimated input laser beam, with a large number of partial laser beams being created depending on the distance between the microlens arrays due to interference and diffraction effects. The variable change in the interference pattern results in a variation in the number of partial laser beams.
In einer akustooptischen Deflektoren-Einheit wird mit einer Wechselspannung an einem Piezokristall in einem optisch angrenzenden Material eine akustische Welle erzeugt, die den Brechungsindex des Materials periodisch moduliert. Die Welle kann hierbei durch das optische Material propagieren, beispielsweise als propagierende Welle oder als Wellenpaket, oder als stehende Welle ausgebildet sein. Durch die periodische Modulation des Brechungsindex wird hierbei ein Beugungsgitter für einen einfallenden Laserstrahl realisiert. Ein einfallender Laserstrahl wird an dem Beugungsgitter gebeugt und dadurch zumindest teilweise unter einem Winkel zu seiner ursprünglichen Strahlausbreitungsrichtung abgelenkt. Die Gitterkonstante des Beugungsgitters und somit der Ablenkwinkel hängt dabei unter anderem von der Wellenlänge der akustischen Welle ab und dadurch von der Frequenz der angelegten Wechselspannung. Über eine Kombination von zwei akustooptischen Deflektoren in einer Deflektoren-Einheit lassen sich so beispielsweise Ablenkungen in x- und y-Richtung erzeugen. In an acousto-optical deflector unit, an acoustic wave is generated using an alternating voltage on a piezo crystal in an optically adjacent material, which periodically modulates the refractive index of the material. The wave can propagate through the optical material, for example as a propagating wave or as a wave packet, or as a standing wave. The periodic modulation of the refractive index creates a diffraction grating for an incident laser beam. An incident laser beam is diffracted at the diffraction grating and thereby at least partially deflected at an angle to its original beam propagation direction. The grating constant of the diffraction grating and thus the deflection angle depends, among other things, on the wavelength of the acoustic wave and therefore on the frequency of the applied alternating voltage. Over a Combining two acousto-optical deflectors in one deflector unit, for example, deflections in the x and y directions can be generated.
Die akustooptische Deflektoren-Einheit kann insbesondere eine polarisationsabhängige akustooptische Deflektoren-Einheit sein und dadurch besonders leistungstauglich sein. Beispielswiese kann die aktusooptische Deflektoren-Einheit eine Deflektoren-Einheit auf Quarzbasis sein. The acousto-optical deflector unit can in particular be a polarization-dependent acousto-optic deflector unit and can therefore be particularly suitable for performance. For example, the actus-optical deflector unit can be a quartz-based deflector unit.
Durch die oben genannten Strahlformungsvorrichtungen ist eine besonders schnelle Umpositionierung der Laserpulse in der Grenzschicht möglich. The above-mentioned beam shaping devices enable particularly rapid repositioning of the laser pulses in the boundary layer.
Aufeinanderfolgende Laserpulse können unterschiedliche Fokuspositionen in der Grenzschicht aufweisen, bevorzugt den größtmöglichen Abstand zueinander innerhalb der noch nicht beaufschlagten Geometrie des Teilbereichs aufweisen. Successive laser pulses can have different focus positions in the boundary layer, preferably the greatest possible distance from one another within the geometry of the partial region that has not yet been acted upon.
Indem die aufeinanderfolgenden Laserpulse in der Grenzschicht verteilt werden, kann der Wärmeeintrag besonders gut kontrolliert werden. Insbesondere wird dadurch die Gefahr verringert, dass ein Teilbereich durch einen zu großen Energieeintrag beschädigt wird. Insbesondere kann durch die optimierte Wärmeverteilung die unerwünschte Rissbildung reduziert werden. By distributing the successive laser pulses in the boundary layer, the heat input can be controlled particularly well. In particular, this reduces the risk of a partial area being damaged by excessive energy input. In particular, the optimized heat distribution can reduce unwanted cracking.
Bevorzugt weisen aufeinander folgende Laserpulse den größtmöglichen Abstand zueinander auf. Wenn beispielsweise ein erster Laserpuls in die linke obere Ecke einer rechteckigen Grenzschicht eines Teilbereichs geführt wird, dann kann der zweite Laserpuls beispielsweise in die rechte untere Ecke geführt werden. Anschließend kann ein dritter Laserpuls in die linke untere Ecke geführt werden, und so weiter. Successive laser pulses preferably have the greatest possible distance from one another. For example, if a first laser pulse is guided into the upper left corner of a rectangular boundary layer of a partial area, then the second laser pulse can be guided into the lower right corner, for example. A third laser pulse can then be directed to the bottom left corner, and so on.
Insbesondere kann somit jeder einzelne Teilbereich mit einer Vielzahl von Laserpulsen abgerastert werden. In particular, each individual partial area can be scanned with a large number of laser pulses.
Die Laserpulse können mindestens teilweise eine unterschiedliche Strahlform aufweisen, bevorzugt eine Multifokusverteilung aufweisen. The laser pulses can at least partially have a different beam shape, preferably have a multi-focus distribution.
Die Strahlform eines Laserstrahls kann beispielsweise durch die Intensitätsverteilung in der Ebene, in der die Fokuszone des Laserstrahls liegt, senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung charakterisiert werden. Diese Ebene ist die sogenannte Fokusebene. Die Strahlform kann ebenfalls durch die Intensitätsverteilungen in den Ebenen, in denen die Strahlausbreitung erfolgt, charakterisiert werden. Beispielsweise kann der Laserstrahl in der Fokusebene linienförmig ausgebildet sein. Es kann aber auch sein, dass der Laserstrahl in Strahlausbreitungsrichtung elongiert ist, wobei sich beispielsweise um die Fokusposition ein Besselförmiger Fokusbereich ergibt, wie er von einem nicht-beugenden Strahl zur Verfügung gestellt werden kann. Eine Strahlform kann auch durch die Grundmode oder eine höhere TE-Mode gegeben sein. The beam shape of a laser beam can be characterized, for example, by the intensity distribution in the plane in which the focus zone of the laser beam lies, perpendicular to the beam propagation direction. This level is the so-called focal level. The beam shape can also be characterized by the intensity distributions in the planes in which the beam propagates. For example, the laser beam can be linear in the focal plane. However, it can also be the case that the laser beam is elongated in the beam propagation direction, resulting in, for example, a Bessel-shaped focus area around the focus position, as can be provided by a non-diffracting beam. A beam shape can also be given by the fundamental mode or a higher TE mode.
Des Weiteren umfasst die Strahlform auch komplexere Strahlformen, wie beispielsweise eine sogenannte Multifokusverteilung, bei der der Laserstrahl eine Vielzahl von Fokuszonen ausbildet. Furthermore, the beam shape also includes more complex beam shapes, such as a so-called multi-focus distribution, in which the laser beam forms a large number of focus zones.
Die Multifokusverteilung ist eine räumliche Verteilung von einzelnen Fokuszonen, sogenannten Einzelfoki. Die Multifokusverteilung umfasst mindestens zwei Einzelfoki, wobei die Einzelfoki räumlich getrennt voneinander sind. Die Einzelfoki können jedoch alle in derselben Fokusebene liegen, so dass die Einzelfoki alle in einer Ebene entlang der Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls anzutreffen sind, jedoch unterschiedliche Koordinaten in der Fokusebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung aufweisen. The multifocus distribution is a spatial distribution of individual focus zones, so-called individual foci. The multifocus distribution includes at least two individual foci, with the individual foci being spatially separated from one another. However, the individual foci can all lie in the same focal plane, so that the individual foci can all be found in one plane along the beam propagation direction of the laser beam, but have different coordinates in the focal plane perpendicular to the beam propagation direction.
Eine Multifokusverteilung wird durch eine sogenannte Strahlformungsvorrichtung bereitgestellt, wobei der einfallende Laserstrahl in eine Vielzahl von Teillaserstrahlen werden kann, die zu unterschiedlichen Einzelfoki geführt werden. Die Strahlformung umfasst hierbei die Ausgestaltung der Multifokusverteilung. Die Strahlformung kann hierbei aber auch die Ausgestaltung der Einzelfoki umfassen, wie beispielsweise das Ausbilden von Gauß’schen oder nicht-beugenden Laserstrahlen. A multi-focus distribution is provided by a so-called beam shaping device, whereby the incident laser beam can be divided into a plurality of partial laser beams that are guided to different individual foci. Beam shaping includes the design of the multi-focus distribution. The beam shaping can also include the design of the individual foci, such as the formation of Gaussian or non-diffractive laser beams.
Indem die Laserenergie auf verschiedene Einzelfoki verteilt wird, wird auch die Laserenergie in der Grenzschicht verteilt. Dadurch kann insbesondere eine flächige Verarbeitung der Mikro-LED erreicht werden, wodurch laterale Materialspannungen verringert werden. Gewissermaßen kann mit der Multifokusverteilung eine homogene Flattopstrahlform mit den Einzelfoki imitiert werden, wobei jedoch jeder Einzelfokus beispielsweise Gaußförmig ist. Dementsprechend sind die Anforderungen etwa an die Phasenfront des Laserstrahls deutlich geringer als bei einem Flattopstrahl. So kann der Ultrakurzpulslaser beispielsweise in seiner Grundmode betrieben werden und benötigt keinen Multimode-Betrieb. By distributing the laser energy to different individual foci, the laser energy is also distributed in the boundary layer. In this way, in particular, a flat processing of the micro-LED can be achieved, whereby lateral material stresses are reduced. In a sense, the multifocus distribution can be used to imitate a homogeneous flattop beam shape with the individual foci, although each individual focus is, for example, Gaussian. Accordingly, the requirements for the phase front of the laser beam are significantly lower than for a flattop beam. For example, the ultrashort pulse laser can be operated in its basic mode and does not require multimode operation.
Insbesondere kann eine Multifokusverteilung eine gitterförmige Anordnung von Gauß’schen Fokuszonen sein. Beispielsweise kann eine erster Laserpuls in einer TE00 Mode propagieren, während ein zweiter Laserpuls eine Verteilung von 4x4 TE00 Moden aufweist und eine dritter Laserpuls eine in Strahlausbreitungsrichtung elongierte Fokuszone aufweist. Dementsprechend können mehrstufige Energiedepositionsprozesse eingesetzt werden, welche beispielsweise ein gezieltes Formen einer Druckwelle ermöglichen, die für den LLO und/oder LIFT Prozess vorteilhaft sind. In particular, a multifocus distribution can be a grid-shaped arrangement of Gaussian focus zones. For example, a first laser pulse can propagate in a TE00 mode, while a second laser pulse has a distribution of 4x4 TE00 modes and a third laser pulse has a focus zone elongated in the beam propagation direction. Accordingly, multi-stage energy deposition processes can be used, which, for example, enable a targeted shaping of a pressure wave, which is advantageous for the LLO and/or LIFT process.
Beispielsweise kann für die Verarbeitung von Teilbereichen die Fokusposition der Multifokusverteilung pulsgenau angepasst werden. Beispielsweise kann mit einer Multifokusverteilung von 3 mal 3 Einzelfoki ein Substrat abgerastert werden. Dadurch kann die Grenzschicht der Teilbereiche räumlich homogen beaufschlagt werden, die Prozessgeschwindigkeit entspricht aber immer noch der Repetitionsfrequenz der Laserpulse. For example, the focus position of the multi-focus distribution can be adjusted with pulse precision for processing partial areas. For example, a substrate can be scanned with a multifocus distribution of 3 times 3 individual foci. This means that the boundary layer of the sub-areas can be acted upon in a spatially homogeneous manner, but the process speed still corresponds to the repetition frequency of the laser pulses.
Die zu beaufschlagenden Teilbereiche können durch eine Diagnostikvorrichtung ausgewählt werden. The partial areas to be affected can be selected using a diagnostic device.
Eine Diagnostikvorrichtung kann eine Datenbank enthalten, die die Koordinaten der funktionierenden Teilbereiche können zusammen mit einer Identifikationsnummer des Substrats enthält. Die Koordinaten der funktionierenden Teilbereiche können beispielsweise bei Funktionalitätstest festgestellt werden. Die Diagnostikvorrichtung mittelbar mit der Strahlformungsvorrichtung kommunizieren, so dass lediglich funktionierende Teilbereiche verarbeitet werden. A diagnostic device may contain a database containing the coordinates of the functioning portions together with an identification number of the substrate. The coordinates of the functioning subareas can be determined, for example, during functionality tests. The diagnostic device communicates indirectly with the beam shaping device, so that only functioning partial areas are processed.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren. The above task is further solved by a device with the features of claim 10. Advantageous developments of the method result from the subclaims as well as the present description and the figures.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zum Verarbeiten eines Teilbereichs eines Schichtsystems, insbesondere einer Mikro-LED, vorgeschlagen, umfassend einen Ultrakurzpulslaser und eine Bearbeitungsoptik, wobei der Ultrakurzpulslaser dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl aus ultrakurzen Laserpulsen bereitzustellen, wobei der Teilbereich an einer Grenzschicht auf einem Substrat angeordnet ist, wobei das Substrat im Wesentlichen transparent für die Wellenlänge der ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls ist, wobei die Bearbeitungsoptik dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in die Grenzschicht zu überführen und diese mit den ultrakurzen Laserpulsen zu beaufschlagen, wodurch der Teilbereich verarbeitet wird. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eine Strahlformungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die Fokusposition der ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls in der Grenzschicht pulsgenau anzupassen. Accordingly, a device for processing a partial area of a layer system, in particular a micro-LED, is proposed, comprising an ultra-short pulse laser and processing optics, the ultra-short pulse laser being set up to provide a laser beam made up of ultra-short laser pulses, the partial area being arranged at a boundary layer on a substrate is, wherein the substrate is essentially transparent to the wavelength of the ultra-short laser pulses of the laser beam, the processing optics being set up to transfer the laser beam into the boundary layer and to apply the ultra-short laser pulses to it, whereby the partial area is processed. According to the invention, the device comprises a beam shaping device which is designed to adjust the focus position of the ultra-short laser pulses of the laser beam in the boundary layer with pulse precision.
Beispielsweise kann eine solche Bearbeitungsoptik eine Linse oder ein Spiegel oder ein Teleskop sein, mit dem insbesondere die Lage der Fokusebene in Strahlausbreitungsrichtung bestimmt werden kann. Dadurch kann die Fokusebene mit der Grenzschicht zwischen Substrat und Teilbereich zum Überlapp gebracht werden. For example, such processing optics can be a lens or a mirror or a telescope, which in particular determines the position of the focal plane in the direction of beam propagation can be. This allows the focal plane to overlap with the boundary layer between the substrate and the partial area.
Der Ultrakurzpulslaser kann einen Grundlaserstrahl mit einer Wellenlänge von 1030nm bereitstellen und einen Frequenzverdopplungskristall umfassen, der dazu eingerichtet ist, die Frequenz des auftreffenden Laserstrahls zu verdoppeln, beziehungsweise die Wellenlänge zu halbieren. The ultrashort pulse laser can provide a basic laser beam with a wavelength of 1030 nm and include a frequency doubling crystal that is designed to double the frequency of the incident laser beam or halve the wavelength.
Der Grundlaserstrahl kann zweimal durch den Frequenzverdopplungskristall geführt werden, , bevorzugt sequentiell durch einen ersten Frequenzverdopplungskristall und anschließend durch einen zweiten Frequenzverdopplungskristall geführt werden, wodurch die Frequenz des Grundlaserstrahls insgesamt vervierfacht wird, beziehungsweise die Wellenlänge des Grundlaserstrahls insgesamt geviertelt wird und somit ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge zwischen 250nm und 270nm bereitgestellt wird. The basic laser beam can be guided twice through the frequency doubling crystal, preferably sequentially through a first frequency doubling crystal and then through a second frequency doubling crystal, whereby the frequency of the basic laser beam is quadrupled overall, or the wavelength of the basic laser beam is quartered overall and thus a laser beam with one wavelength between 250nm and 270nm is provided.
Die ultrakurzen Laserpulse eignen sich wegen ihrer hohen Pulsspitzenintensitäten besonders gut für solche Frequenzverdopplungen, da diese nicht-linearen Effekte typischerweise mit der verwendeten Intensität skalieren. Dadurch ist es auch besonders einfach mit ultrakurzen Laserpulsen Wellenlänge im UV-Bereich oder DUV (Deep UV) Bereich bereitzustellen. The ultra-short laser pulses are particularly suitable for such frequency doubling due to their high pulse peak intensities, as these non-linear effects typically scale with the intensity used. This makes it particularly easy to provide wavelengths in the UV range or DUV (Deep UV) range with ultra-short laser pulses.
Mindestens eine optische Komponente der Vorrichtung kann CaF oder kristallinen Quarz umfassen, oder aus CaF oder kristallinem Quarz sein und/oder als reflektives Element ausgestaltet sein. At least one optical component of the device can comprise CaF or crystalline quartz, or can be made of CaF or crystalline quartz and/or can be designed as a reflective element.
Beispielsweise kann die Bearbeitungsoptik eine solche optische Komponente sein. Es ist aber auch möglich, dass ein Spiegel und/oder ein Linsensystem, welches den Laserstrahl vom Ultrakurzpulslaser zur Strahlformungsvorrichtung führt, eine solche optische Komponente ist. For example, the processing optics can be such an optical component. However, it is also possible for a mirror and/or a lens system, which guides the laser beam from the ultrashort pulse laser to the beam shaping device, to be such an optical component.
Optische Komponenten aus CaF oder kristallinem Quarz eignen sich besonders für UV und/oder DUV Anwendungen, da sie für die kurzen Wellenlängen eine sehr geringe Absorption aufweisen. Reflektive Elemente haben hierbei den Vorteil, dass die UV Strahlen nicht in das Material der optischen Komponenten eindringen und mit ihm wechselwirken. Insbesondere können dadurch unerwünschte nichtlineare Effekte vermieden werden. Optical components made of CaF or crystalline quartz are particularly suitable for UV and/or DUV applications because they have very low absorption for the short wavelengths. Reflective elements have the advantage that the UV rays do not penetrate and interact with the material of the optical components. In particular, undesirable non-linear effects can be avoided.
Die Vorrichtung kann eine Steuerung aufweisen, die kommunikativ mit dem Ultrakurzpulslaser und der Strahlformungsvorrichtung verbunden ist und dazu eingerichtet ist, den Ultrakurzpulslaser und die Strahlformungsvorrichtung zu steuern. The device can have a controller that is communicatively connected to the ultrashort pulse laser and the beam shaping device and is set up to control the ultrashort pulse laser and the beam shaping device.
Beispielsweise kann die Steuerung ein FPGA und/oder ein Computer und/oder ein Mikrochip sein. In dem die Steuerung mit der Strahlformungsvorrichtung und dem Ultrakurzpulslaser kommunikativ verbunden ist, kann die Steuerung entsprechende Steuersignale senden und empfangen. Insbesondere ist es dadurch möglich, dass die Pulsabgabe durch den Ultrakurzpulslaser gesteuert wird. Insbesondere ist es dadurch möglich, dass Anpassung der Fokusposition durch die Strahlformungsvorrichtung gesteuert wird. Insbesondere ist es möglich, dass die Anpassung der Fokusposition und die Abgabe der Laserpulse miteinander koordiniert wird. For example, the controller can be an FPGA and/or a computer and/or a microchip. By communicatively connecting the controller to the beam shaping device and the ultrashort pulse laser, the controller can send and receive corresponding control signals. In particular, it is possible for the pulse output to be controlled by the ultrashort pulse laser. In particular, this makes it possible for the adjustment of the focus position to be controlled by the beam shaping device. In particular, it is possible for the adjustment of the focus position and the delivery of the laser pulses to be coordinated with one another.
Die Steuerbefehle beziehungsweise deren Ausführung kann hierbei in allen angeschlossenen Vorrichtungen mit der Seed-Frequenz des Lasers synchronisiert werden, so dass eine gemeinsame Zeitbasis für alle Komponenten existiert. The control commands or their execution can be synchronized with the seed frequency of the laser in all connected devices, so that a common time base exists for all components.
Die Vorrichtung kann eine Vorschubvorrichtung aufweisen, bevorzugt einen Scanner, besonders bevorzugt einen Galvano-Scanner, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl in der Fokusebene zu, wobei die Vorschubvorrichtung kommunikativ mit der Steuerung verbunden ist. The device can have a feed device, preferably a scanner, particularly preferably a galvano scanner, which is set up to direct the laser beam in the focal plane, the feed device being communicatively connected to the controller.
Sowohl die Vorschubvorrichtung als auch eine Scanner-Optik können über die Seed-Frequenz synchronisiert werden, so dass für den Vorschub, die Strahlablenkung, die Strahlformung und die Ansteuerung des gepulsten Lasers eine gemeinsame Zeitbasis existiert. Both the feed device and scanner optics can be synchronized via the seed frequency, so that a common time base exists for the feed, beam deflection, beam shaping and control of the pulsed laser.
Die Vorrichtung kann auch eine Diagnostikvorrichtung aufweisen, die eine Datenbank mit den Koordinaten funktionierender Mikro-LEDs auf dem Substrat enthält, und die kommunikativ mit der Steuerung verbunden ist, oder als Teil der Steuerung ausgebildet ist. The device can also have a diagnostic device which contains a database with the coordinates of functioning micro-LEDs on the substrate and which is communicatively connected to the controller or is formed as part of the controller.
Kurze Beschreibung der Figuren Short description of the characters
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen: Preferred further embodiments of the invention are explained in more detail by the following description of the figures. Show:
Figur 1A, B, C eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figure 1A, B, C shows a schematic representation of the method according to the invention;
Figur 2A, B, C, D, E, F eine weitere schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Figure 2A, B, C, D, E, F shows a further schematic representation of the method according to the invention;
Figur 3A, B eine weitere schematische Darstellung des erfindungsgemäßenFigures 3A, B show a further schematic representation of the invention
Verfahrens; procedure;
Figur 4A, B eine weitere schematische Darstellung des erfindungsgemäßenFigures 4A, B show a further schematic representation of the invention
Verfahrens; procedure;
Figur 5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und Figur 6A, B eine weitere schematische Darstellung der erfindungsgemäßenFigure 5 is a schematic representation of the device according to the invention; and Figures 6A, B show a further schematic representation of the invention
Vorrichtung. Contraption.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele Detailed description of preferred embodiments
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden. Preferred exemplary embodiments are described below with reference to the figures. The same, similar or identical elements in the different figures are given identical reference numbers, and a repeated description of these elements is partly omitted in order to avoid redundancies.
In Figur 1 A ist schematisch ein vereinfachtes Verarbeitungsverfahren, insbesondere ein LLO beziehungsweise LIFT Verfahren gezeigt, bei dem ein Teilbereich 1 in Form einer Mikro-LED 1 von einem Substrat 30 direkt auf eine Aktivmatrix 32 übertragen wird. Das vereinfachte Bearbeitungsverfahren gilt analog für allgemeine Teilbereiche 1 des Schichtsystems. 1 A schematically shows a simplified processing method, in particular an LLO or LIFT method, in which a partial area 1 in the form of a micro-LED 1 is transferred from a substrate 30 directly to an active matrix 32. The simplified processing procedure applies analogously to general subareas 1 of the shift system.
Hierfür wird von einem Ultrakurzpulslaser 2 (nicht gezeigt) ein Laserstrahl 20 bereitgestellt in dem die ultrakurzen Laserpulse laufen. Die Mikro-LED 1 ist hierbei im Ausgangszustand an einer Grenzschicht 130 auf dem Substrat 30 angeordnet. For this purpose, a laser beam 20 is provided by an ultra-short pulse laser 2 (not shown) in which the ultra-short laser pulses run. In the initial state, the micro-LED 1 is arranged on a boundary layer 130 on the substrate 30.
Beispielsweise kann das Substrat 30 aus Saphir sein, welches ein Materialdicke zwischen 100pm und 5 mm aufweisen kann. Es ist aber auch möglich, dass das Substrat 30 eine Trägerschicht ist, bzw. ein Trägersubstrat ist, etwa eine Folie, ein Klebstoff oder ein Wafer, von dem aus in einem weiteren Schritt die Mikro-LEDs 1 auf ein Displaypanel übertragen werden. Insbesondere sind die Schichtdicken in den Figur 1A, B nicht maßstabsgetreu gezeichnet. For example, the substrate 30 can be made of sapphire, which can have a material thickness between 100 pm and 5 mm. However, it is also possible for the substrate 30 to be a carrier layer or a carrier substrate, such as a film, an adhesive or a wafer, from which the micro-LEDs 1 are transferred to a display panel in a further step. In particular, the layer thicknesses in Figures 1A, B are not drawn to scale.
Die Mikro-LEDs 1 können hierbei mehrere Schichten 11 , 12, 13 aufweisen, beispielsweise eine Schicht 11 aus n-dotiertem Galliumnitrid (GaN) und eine Schicht 13 aus p-dotiertem GaN. Zwischen den beiden Schichten 11 , 13 bildet sich hierbei ein pn-Übergang aus 12, in dem beim Anlegen eines Stroms oder einer Spannung Licht einer charakteristischen Wellenlänge entsteht. Die Schichten 11 , 13 können beispielsweise zwischen 1 nm und 1 Opm dick sein kann. Beispielsweise können die vertikalen Schnitte in dem Schichtsystem schon vorhanden sein, beziehungsweise durch einen vorherigen Verfahrensschritt in das Schichtsystem eingebracht worden sein, so dass die herauszulösenden Mikro-LEDs 1 nur noch über die Grenzschicht 130 mit dem Substrat verbunden sind. The micro-LEDs 1 can have several layers 11, 12, 13, for example a layer 11 made of n-doped gallium nitride (GaN) and a layer 13 made of p-doped GaN. A pn junction 12 is formed between the two layers 11, 13, in which light of a characteristic wavelength is produced when a current or voltage is applied. The layers 11, 13 can be between 1 nm and 1 opm thick, for example. For example, the vertical cuts may already be present in the layer system, or may have been introduced into the layer system in a previous process step, so that the micro-LEDs 1 to be removed are only connected to the substrate via the boundary layer 130.
Die Grenzschicht 130 zwischen der Mikro-LED 1 und dem Substrat 30 wird mit dem Laserstrahl 20 beziehungsweise mit den darin laufenden Laserpulsen 202 beaufschlagt. Da das Substrat 30 transparent für die Wellenlänge des Laserstrahl 20 ist, kann der Laserstrahl 20 durch das Substrat 30 zur Grenzschicht 130 geleitet werden. The boundary layer 130 between the micro-LED 1 and the substrate 30 is exposed to the laser beam 20 or the laser pulses 202 running therein. Since the substrate is 30 is transparent to the wavelength of the laser beam 20, the laser beam 20 can be guided through the substrate 30 to the boundary layer 130.
Beispielsweise kann das GaN der ersten Schicht 11 der Mikro-LED 1 nicht transparent für die Wellenlänge des Laserstrahls 20 sein, so dass die eingebrachte Laserenergie der ultrakurzen Laserpulse dort absorbiert wird. Durch die eingebrachte Energie kann an der Grenzfläche das GaN zu flüssigem Gallium und gasförmigem Stickstoff getrennt werden, wodurch sich an der Grenzfläche 130 ein Dampfdruck ausbildet, der die Mikro-LED 1 von dem Substrat 30 löst. Gleichzeitig kann beispielsweise durch Laserablation an der Grenzfläche 130 die Mikro-LED 1 von dem Substrat getrennt werden. Gewissermaßen kann durch die Wechselwirkung des Laserstrahls 20 mit der ersten Schicht eine gezielte Schädigung entlang der Grenzschicht 130 erreicht werden, so dass die Mikro-LED 1 entlang der Grenzschicht 130 getrennt werden kann. Das Ablösen der Mikro-LED 1 von dem Substrat 30 wird hierbei Laser Lift-Off (LLO) genannt. For example, the GaN of the first layer 11 of the micro-LED 1 may not be transparent to the wavelength of the laser beam 20, so that the introduced laser energy of the ultra-short laser pulses is absorbed there. The energy introduced can separate the GaN into liquid gallium and gaseous nitrogen at the interface, whereby a vapor pressure is formed at the interface 130, which detaches the micro-LED 1 from the substrate 30. At the same time, the micro-LED 1 can be separated from the substrate, for example by laser ablation at the interface 130. To a certain extent, targeted damage along the boundary layer 130 can be achieved through the interaction of the laser beam 20 with the first layer, so that the micro-LED 1 can be separated along the boundary layer 130. The detachment of the micro-LED 1 from the substrate 30 is called laser lift-off (LLO).
Gleichzeitig können die Mikro-LEDs 1 durch die entstehenden Kräfte auf ein Trägersubstrat 32 übertragen werden. Insbesondere können so Mikro-LEDs 1 direkt auf einem Trägersubstrat befestigt beispielsweise geklebt werden oder auf ein Trägersubstrat, beispielsweise einen weiteren Wafer, übertragen werden. Insbesondere kann die Mikro-LED 1 so auf eine Aktivmatrix als Trägersubstrat 32 aufgetragen werden, die dazu eingerichtet ist, eine Spannungs- und/oder Stromversorgung der Mikro-LED 1 zur Verfügung zu stellen. At the same time, the micro-LEDs 1 can be transferred to a carrier substrate 32 by the resulting forces. In particular, micro-LEDs 1 can be attached directly to a carrier substrate, for example glued, or transferred to a carrier substrate, for example another wafer. In particular, the micro-LED 1 can be applied to an active matrix as a carrier substrate 32, which is designed to provide a voltage and/or power supply to the micro-LED 1.
In Figur 1 B ist das Trägersubstrat 32 etwa eine adhäsive Schicht. Da die Mikro-LEDs 1 von dem Substrat 30 an der Grenzschicht 130 getrennt wurde, und auf die adhäsive Schicht 32 übertragen wurde, verbleiben beim Entfernen des Substrats 30 die gewünschten Mikro-LEDs 1 auf dem Trägersubstrat 32. In Figure 1B, the carrier substrate 32 is approximately an adhesive layer. Since the micro-LEDs 1 were separated from the substrate 30 at the boundary layer 130 and transferred to the adhesive layer 32, the desired micro-LEDs 1 remain on the carrier substrate 32 when the substrate 30 is removed.
In Figur 1C ist eine mögliche Bearbeitungsstrategie beziehungsweise Pulssequenz gezeigt, die nacheinander in die Grenzschicht 130 eingebracht werden. Dabei werden mehrere Laserpulse 202 mit unterschiedlicher Pulsenergie oder zeitlichen Abständen kombiniert. 1C shows a possible processing strategy or pulse sequence, which are introduced one after the other into the boundary layer 130. Several laser pulses 202 with different pulse energy or time intervals are combined.
Die ultrakurzen Laserpulse weisen eine Pulsdauer von zwischen 50fs und 1000ps auf, bevorzugt zwischen 100fs und 100ps auf, besonders bevorzugt zwischen 50fs und 20ps auf. Die Repetitionsrate der Laserpulse kann größer als 10kHz sein, bevorzugt größer als 1 MHz sein. In einem Laserburst 200 kann die Repetitionsrate jedoch deutlich größer sein. Die Wellenlänge des Laserstrahls 20 kann zwischen 50nm und 300nm, bevorzugt bei 257 oder 258nm liegen. Zudem kann der Laser 2 in seiner Grundmode betrieben werden. Die Fluenz kann zwischen 0,05J/cm2 und 10J/cm2 liegen, bevorzugt zwischen 0,1J/cm2 und 1J/cm2 liegen. Der Abschnitt der Pulssequenz in Figur 1 C besteht zunächst aus zwei Laserpulsen 202, wobei der erste Laserpuls 202 länger ist als der zweite Laserpuls 202. Der zweite Laserpuls 202 weist jedoch eine höhere Intensität auf. Der zweite Abschnitt der Pulssequenz ist eine spezifische Abfolge von Laserpulsen 202 die alle dieselbe Pulslänge aberwachsende Pulsabstände und sinkende Pulsintensitäten aufweisen. Der dritte Abschnitt der Pulssequenz zeigt einen GHz-Laserburst 200 in dem die Laserpulse 202 einen Abstand von wenigen Nanosekunden aufweisen oder wo der Abstand kleiner als 1 ns ist. Der vierte Abschnitt der Pulssequenz zeigt erneut zwei Laserpulse 202 mit gleicher Pulslänge, wobei der zweite Laserpuls 202 jedoch eine geringere Intensität aufweist als der erste Laserpuls 202. The ultra-short laser pulses have a pulse duration of between 50fs and 1000ps, preferably between 100fs and 100ps, particularly preferably between 50fs and 20ps. The repetition rate of the laser pulses can be greater than 10 kHz, preferably greater than 1 MHz. However, in a Laserburst 200 the repetition rate can be significantly higher. The wavelength of the laser beam 20 can be between 50nm and 300nm, preferably 257 or 258nm. In addition, the laser 2 can be operated in its basic mode. The fluence can be between 0.05J/cm2 and 10J/cm2, preferably between 0.1J/cm2 and 1J/cm2. The section of the pulse sequence in Figure 1C initially consists of two laser pulses 202, with the first laser pulse 202 being longer than the second laser pulse 202. However, the second laser pulse 202 has a higher intensity. The second section of the pulse sequence is a specific sequence of laser pulses 202, all of which have the same pulse length but increasing pulse intervals and decreasing pulse intensities. The third section of the pulse sequence shows a GHz laser burst 200 in which the laser pulses 202 are a few nanoseconds apart or where the distance is less than 1 ns. The fourth section of the pulse sequence again shows two laser pulses 202 with the same pulse length, but the second laser pulse 202 has a lower intensity than the first laser pulse 202.
Alle Laserpulse 200 haben einen zeitlichen Abstand, der beispielsweise der Seed-Frequenz des Ultrakurzpulslasers 2 entspricht. Dementsprechend können die Laserpulse 200 synchron zu einer Taktfrequenz des Ultrakurzpulslasers 2 sein. All laser pulses 200 have a time interval that corresponds, for example, to the seed frequency of the ultrashort pulse laser 2. Accordingly, the laser pulses 200 can be synchronous to a clock frequency of the ultra-short pulse laser 2.
In Figur 2A ist ein erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt, mit dem Teilbereiche 1 mittels mehrerer Laserpulse 202 verarbeitet werden können. Hierzu werden die Fokuspositionen zwischen jedem Laserpuls 202 in der Grenzschicht 130 angepasst. Die Laserpulse 202 sind hierbei beispielsweise Teil einer Pulssequenz, die beispielsweise zehn Laserpulse 200 umfasst, die von #1 bis #10 durchnummeriert sind. Jeder Laserpuls 202 kann eine andere Fokusposition in der Grenzschicht 130 aufweisen, so dass die Fokusposition der ultrakurzen Laserpulse 202 des Laserstrahls in der Grenzschicht 130 pulsgenau angepasst wird. Beispielsweise kann die Repetitionsrate der Laserpulse 202 hier zwischen 10kHz und 50MHz groß sein, etwa 25MHz groß sein. Beispielsweise kann die erste Fokusposition von den Laserpulsen #1 , #6 beaufschlagt werden, die zweite Fokusposition von den Laserpulsen #2, #7 beaufschlagt werden, die dritte Fokusposition von den Laserpulsen #3, #8 beaufschlagt werden, die vierte Fokusposition von den Laserpulsen #4, #9 beaufschlagt werden und die fünfte Fokusposition von den Laserpulsen #5, #10 beaufschlagt werden. Die Beaufschlagung der Grenzschicht 130 in allen Fokuspositionen dauert bei einer Repetitionsrate von beispielsweise 10MHz, lediglich 1 ps. 2A shows a method according to the invention with which partial areas 1 can be processed using several laser pulses 202. For this purpose, the focus positions between each laser pulse 202 in the boundary layer 130 are adjusted. The laser pulses 202 are, for example, part of a pulse sequence which, for example, comprises ten laser pulses 200 which are numbered from #1 to #10. Each laser pulse 202 can have a different focus position in the boundary layer 130, so that the focus position of the ultra-short laser pulses 202 of the laser beam in the boundary layer 130 is adjusted with pulse precision. For example, the repetition rate of the laser pulses 202 can be between 10 kHz and 50 MHz, approximately 25 MHz. For example, the first focus position can be acted upon by the laser pulses #1, #6, the second focus position can be acted upon by the laser pulses #2, #7, the third focus position can be acted upon by the laser pulses #3, #8, and the fourth focus position can be acted upon by the laser pulses #4, #9 are applied and the fifth focus position is acted upon by the laser pulses #5, #10. The exposure of the boundary layer 130 in all focus positions takes only 1 ps at a repetition rate of, for example, 10MHz.
Eine solche schnelle Umpositionierung der Fokuspositionen kann beispielsweise mit einem akustooptischen Deflektor ermöglicht werden, wie weiter unten beschrieben. Such a rapid repositioning of the focus positions can be made possible, for example, with an acousto-optical deflector, as described further below.
In Figur 2B ist ein weiters erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt. Hierfür wird die Grenzschicht 130 des Teilbereichs 1 mit 16 Laserpulsen 202 beaufschlagt, wobei die Fokusposition zwischen den Laserpulsen 202 angepasst wird. Somit entsteht ein Muster von 4 mal 4 Fokuszonen in der Grenzschicht 130, wo die Laserpulse 202 eingebracht werden. Durch dieses sequenzielle Abrastern des Teilbereichs 1 kann die thermische Energieeinbringung optimiert werden. In Figur 2C ist eine nach diesem Verfahren verarbeitete Mikro-LED 1 zu sehen, die die Signatur der 16 Laserpulse trägt. A further method according to the invention is shown in FIG. 2B. For this purpose, the boundary layer 130 of the partial area 1 is exposed to 16 laser pulses 202, with the focus position between the laser pulses 202 being adjusted. This creates a pattern of 4 by 4 focus zones in the boundary layer 130, where the laser pulses 202 are introduced. Through this sequential scanning of the partial area 1, the thermal energy input can be optimized. In Figure 2C A micro-LED 1 processed using this process can be seen, which bears the signature of the 16 laser pulses.
In Figur 2D ist ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt. Hierbei werden sechs Laserpulse nacheinander in die Grenzschicht 130 eines Teilbereichs 1 eingebracht. Die sechs Laserpulse 202, durchnummeriert von #1 bis #6, werden hierbei nacheinander in verschiedenen Fokuspositionen eingebracht. Die nacheinander beaufschlagten Positionen sind hierbei nicht direkt benachbart, so dass die thermische Einwirkung über die gesamte Grenzschicht 130 verteilt wird und somit die thermische Einbringung optimiert wird. A further method according to the invention is shown in FIG. 2D. Here, six laser pulses are introduced one after the other into the boundary layer 130 of a partial area 1. The six laser pulses 202, numbered from #1 to #6, are introduced one after the other in different focus positions. The successively acted upon positions are not directly adjacent, so that the thermal effect is distributed over the entire boundary layer 130 and thus the thermal introduction is optimized.
Analog ist in Figur 2E eine Prozessstrategie gezeigt, wobei die Fokuspositionen der Laserpulse 202 immer möglichst weit voneinander entfernt sind. Beispielsweise ist die die Position #2 am weitesten von #1 entfernt. Ebenso ist die Position #3 am weitesten voneinander entfernt, und so weiter. Analogously, a process strategy is shown in FIG. 2E, whereby the focus positions of the laser pulses 202 are always as far apart as possible. For example, position #2 is the furthest away from #1. Likewise, position #3 is the furthest apart, and so on.
In Figur 2F ist ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt. Hierbei wird pro Teilbereich 1 lediglich ein Laserpuls 202 abgegeben, wobei aufeinanderfolgende Laserpulse 202 die Grenzschichten 130 unterschiedlicher Teilbereiche 1 beaufschlagen. Beispielsweise wird bei einem ersten Durchgang die erste Fokusposition der ultrakurzen Laserpulse 202 zunächst in die linke untere Ecke des Teilbereichs 1 gelegt. Erst wenn der Teilbereich 1 , oder auch nur ein Teil des Teilbereichs 1 eines Substrats 30, verarbeitet wurden, wird die Grenzschicht des ersten Teilbereichs 1 erneut beaufschlagt. Es ist dementsprechend möglich, dass der Laserstrahl 20 zwischen den Laserpulsen 202 zwischen den verschiedenen Teilbereichen hin- und herspringt und die Teilbereiche 1 gewissermaßen sequenziell an verschiedenen Fokuspositionen beaufschlagt. Dadurch kann insbesondere der Auf- und Abbau der Materialspannungen gesteuert werden, und somit die Prozessqualität optimiert werden. Für die Fokuspositionen auf den einzelnen Teilbereichen kann wiederum eine Prozessstrategie, wie in Figuren 2D, E gezeigt, angewendet werden. A further method according to the invention is shown in FIG. 2F. Here, only one laser pulse 202 is emitted per partial area 1, with successive laser pulses 202 acting on the boundary layers 130 of different partial areas 1. For example, in a first pass, the first focus position of the ultra-short laser pulses 202 is initially placed in the lower left corner of the partial area 1. Only when the partial area 1, or even just a part of the partial area 1 of a substrate 30, has been processed, is the boundary layer of the first partial area 1 acted upon again. It is accordingly possible for the laser beam 20 to jump back and forth between the laser pulses 202 between the different partial areas and to act on the partial areas 1 sequentially, so to speak, at different focus positions. This makes it possible to control the build-up and release of material tensions in particular, thereby optimizing the process quality. For the focus positions on the individual subareas, a process strategy as shown in Figures 2D, E can be used.
In Figur 3 ist ein weiteres Verfahren gezeigt, mit dem Teilbereiche 1 mittels mehrerer Laserpulse 202 eines Laserbursts 200 verarbeitet werden können. Hierbei wird nicht nur die Fokusposition zwischen den Laserpulses 202 verändert. Die Laserpulse 202 weisen auch unterschiedliche Strahlformen auf, die von einer Strahlformungsoptik 4 (nicht gezeigt) aufgeprägt werden können. Die unterschiedlichen Strahlformen werden hierbei durch die unterschiedlichen Symbole (Kreis, Quadrat, Dreieck, Sechseck) repräsentiert. Beispielsweise kann eine erste Strahlform (Kreis) eine Gauß’sche TE00 Mode sein. Beispielsweise kann eine zweite Strahlform (Quadrat) eine höhere TE- Mode sein. Beispielsweise kann eine dritte Strahlform (Dreieck) eine komplexe Strahlform sein, die sich in drei Raumdimensionen erstreckt. Beispielsweise kann eine vierte Strahlform (Sechseck) eine Multifokusverteilung sein, die beispielsweise sechs einzelne Fokuszonen aufweist. 3 shows a further method with which partial areas 1 can be processed using several laser pulses 202 of a laser burst 200. Not only is the focus position between the laser pulses 202 changed. The laser pulses 202 also have different beam shapes, which can be impressed by beam shaping optics 4 (not shown). The different beam shapes are represented by the different symbols (circle, square, triangle, hexagon). For example, a first beam shape (circle) can be a Gaussian TE00 mode. For example, a second beam shape (square) can be a higher TE mode. For example, a third beam shape (triangle) may be a complex beam shape that extends in three spatial dimensions. For example, a fourth beam shape (hexagon) be a multi-focus distribution that has, for example, six individual focus zones.
Beispielsweise kann jedem Laserpuls 200 eine eigene Strahlform aufgeprägt werden. For example, each laser pulse 200 can have its own beam shape impressed on it.
In Figur 3A wird hierbei ein Teilbereiche 1 mit vier verschiedenen Strahlformen und acht Laserpulses 202 beaufschlagt. Die verschiedenen Strahlformen werden hierbei in unterschiedlichen Fokuspositionen in die Grenzschicht 130 eingebracht. Es ist aber auch möglich, dass verschiedene Teilbereiche 1 mit verschiedenen Strahlformen beaufschlagt werden, wie in Figur 3B gezeigt. In Figure 3A, a partial area 1 is exposed to four different beam shapes and eight laser pulses 202. The different beam shapes are introduced into the boundary layer 130 in different focus positions. However, it is also possible for different partial areas 1 to be exposed to different beam shapes, as shown in FIG. 3B.
In Figur 4A ist weiteres erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt, mit dem mehrere Teilbereiche 1 sukzessive verarbeitet werden können. Hierzu wird die Multifokusverteilung 22 zwischen jedem Laserpuls 202 des Ultrakurzpulslasers 2 neu auf dem Substrat 30 orientiert. Jeder Laserpuls 202 des Ultrakurzpulslasers 2 wird hierbei in je sechs Einzelfoki 220 aufgeteilt und in die Grenzschicht 130 eingebracht. Jeder Laserpuls weist einen Pulsenergie von mehr als 1 pJ auf, so dass pro Einzelfokus etwa ein Sechstel davon ankommt. Bei einem Durchmesser der Einzelfoki von 20pm beträgt die Fluenz somit etwa 0,05J/cm2. Insbesondere können hierbei die Teilbereiche 1 mit der Repetitionsfrequenz des Ultrakurzpulslasers 2 verarbeitet werden. Wenn die Repetitionsfrequenz etwa bei 10MHz liegt, so können damit in der Sekunde zehn Millionen Miko-LEDs 1 verarbeitet werden. Insbesondere können einer Diagnostikvorrichtung 8 (nicht gezeigt) die Positionen der funktionierenden Teilbereiche 1 auf dem Substrat 30 bekannt sein, so dass die Laserpulse 202 nur in die Grenzflächen 130 der Teilbereiche 1 eingebracht werden, die später in einem Display verwendet werden können. Dadurch kann die Qualität eines solchen Displays gesteigert und insbesondere Pixelfehler bereits bei der Herstellung vermieden werden. Ein solches Überspringen der fehlerhaften Teilbereiche 1 geht damit nicht mit einem Verlust an Prozessgeschwindigkeit einher, da der Laserstrahl 20 die Strecke zwischen zwei Pulsen überspringen kann. 4A shows a further method according to the invention, with which several partial areas 1 can be processed successively. For this purpose, the multifocus distribution 22 is reoriented on the substrate 30 between each laser pulse 202 of the ultrashort pulse laser 2. Each laser pulse 202 of the ultrashort pulse laser 2 is divided into six individual foci 220 and introduced into the boundary layer 130. Each laser pulse has a pulse energy of more than 1 pJ, so that around a sixth of it reaches each individual focus. With a diameter of the individual foci of 20pm, the fluence is approximately 0.05J/cm2. In particular, the partial areas 1 can be processed with the repetition frequency of the ultra-short pulse laser 2. If the repetition frequency is around 10MHz, ten million Miko-LEDs 1 can be processed per second. In particular, a diagnostic device 8 (not shown) can know the positions of the functioning partial areas 1 on the substrate 30, so that the laser pulses 202 are only introduced into the interfaces 130 of the partial areas 1, which can later be used in a display. This allows the quality of such a display to be increased and, in particular, pixel errors to be avoided during production. Such skipping of the faulty partial areas 1 is not accompanied by a loss of process speed, since the laser beam 20 can skip the distance between two pulses.
In Figur 4B analog zu Figur 4A ist ein Verfahren gezeigt, bei dem eine Multifokusverteilung 22 aus 3 mal 3 Einzelfoki zwischen jedem Laserpuls 202 des Ultrakurzpulslasers 2 neu auf dem Substrat 30 positioniert wird um Mikro-LEDs zu verarbeiten. Die leeren Rasterstellen entsprechen hierbei beispielsweise den fehlerhaften Mikro-LEDs. Zum Verarbeiten der sechs Mikro-LEDs 1 werden hier leidglich sechs Laserpulse 202 benötigt. 4B, analogous to FIG. 4A, shows a method in which a multifocus distribution 22 of 3 times 3 individual foci is repositioned on the substrate 30 between each laser pulse 202 of the ultrashort pulse laser 2 in order to process microLEDs. The empty grid locations correspond, for example, to the faulty micro-LEDs. To process the six micro-LEDs 1, only six laser pulses 202 are required.
In Figur 5 ist sehr schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt. Hierbei ist der Ultrakurzpulslaser 2 dazu eingerichtet, einen Laserstrahl 20 aus ultrakurzen Laserpulsen 202 bereitzustellen. Die Strahlformungsvorrichtung 4 ist dazu eingerichtet, dem Laserstrahl 20 eine Strahlform aufzuprägen, während die Bearbeitungsoptik 5 dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl 20 in die Grenzschicht 130 zwischen Teilbereich 1 und Substrat 30 zu überführen und diese mit den ultrakurzen Laserpulsen 202 zu beaufschlagen, wodurch der Teilbereich 1 verarbeitet wird. Der Ultrakurzpulslaser 2 kann insbesondere einen Grundlaserstrahl mit einer Wellenlänge von 1030nm bereitstellen und einen Frequenzverdopplungskristall (nicht gezeigt) umfassen, der dazu eingerichtet ist, die Frequenz des auftreffenden Laserstrahls zu verdoppeln, beziehungsweise die Wellenlänge zu halbieren, wobei der Grundlaserstrahl beispielsweise sukzessive durch zwei Frequenzverdopplungskristalle geführt wird. Dadurch wird die Frequenz des Grundlaserstrahls insgesamt vervierfacht, beziehungsweise die Wellenlänge des Grundlaserstrahls insgesamt geviertelt. Es wird also ein Laserstrahl 20 mit einer Wellenlänge zwischen 250nm und 270nm bereitgestellt. A device according to the invention is shown very schematically in FIG. Here, the ultra-short pulse laser 2 is set up to provide a laser beam 20 made up of ultra-short laser pulses 202. The beam shaping device 4 is set up to impose a beam shape on the laser beam 20, while the processing optics 5 is set up to transfer the laser beam 20 into the boundary layer 130 between partial area 1 and substrate 30 and to apply the ultra-short laser pulses 202 to this, whereby the partial area 1 is processed. The ultra-short pulse laser 2 can in particular provide a basic laser beam with a wavelength of 1030 nm and include a frequency doubling crystal (not shown) which is designed to double the frequency of the incident laser beam or halve the wavelength, the basic laser beam being guided successively through two frequency doubling crystals, for example becomes. As a result, the frequency of the basic laser beam is quadrupled overall, or the wavelength of the basic laser beam is quartered overall. A laser beam 20 with a wavelength between 250nm and 270nm is therefore provided.
Die Strahlformungsvorrichtung 4 kann insbesondere ein akustooptischer Deflektor und/oder ein Mikrolinsenarray und/oder ein diffraktives optisches Element sein, welches dem Laserstrahl 20 eine Strahlform aufprägt. Die Teillaserstrahlen die aus dem Laserstrahl 20 von der Strahlformungsvorrichtung 4 geformt werden, können über eine Bearbeitungsoptik 5 in die jeweiligen Fokuszonen überführt werden. The beam shaping device 4 can in particular be an acousto-optical deflector and/or a microlens array and/or a diffractive optical element which imprints a beam shape on the laser beam 20. The partial laser beams, which are formed from the laser beam 20 by the beam shaping device 4, can be transferred into the respective focus zones via processing optics 5.
Insbesondere können die akustooptischen Deflektoren für eine schnelle Strahlablenkung verwendet werden, so dass die Laserpulse 202 schnell umpositioniert werden können. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Umpositionierung der Laserpulse 202 beispielsweise durch eine polarisationsabhängige Ablenkung, wie beispielsweise einem doppelbrechenden Kristall erfolgt, so dass für eine schnelle Umpositionierung lediglich die Polarisation des Laserpulses 202 eingestellt werden muss. Solche Umpositionierungselemente können hierbei als Teil der Strahlformungsvorrichtung ausgebildet sein. In particular, the acousto-optic deflectors can be used for rapid beam deflection so that the laser pulses 202 can be quickly repositioned. However, it is also possible for the laser pulses 202 to be repositioned, for example, by a polarization-dependent deflection, such as a birefringent crystal, so that only the polarization of the laser pulse 202 needs to be adjusted for rapid repositioning. Such repositioning elements can be designed as part of the beam shaping device.
Die optischen Komponenten der Vorrichtung können CaF oder kristallinen Quarz umfassen, oder aus CaF oder kristallinem Quarz sind und/oder als reflektive Elemente ausgestaltet sein, wodurch die optischen Komponenten besonders gut für UV- und DUV Anwendungen geeignet sind. The optical components of the device can comprise CaF or crystalline quartz, or are made of CaF or crystalline quartz and/or can be designed as reflective elements, making the optical components particularly suitable for UV and DUV applications.
Zudem kann die Vorrichtung über eine Vorschubvorrichtung 6 verfügen, um den Laserstrahl 20 und/oder das Substrat 30 mit dem Teilbereich 1 relativ zueinander zu bewegen. Beispielsweise kann eine solche Vorschubvorrichtung ein x-y-z-Tisch sein. In addition, the device can have a feed device 6 in order to move the laser beam 20 and/or the substrate 30 with the partial region 1 relative to one another. For example, such a feed device can be an xyz table.
Die Vorrichtung kann über eine Steuerung 7 verfügen, die die verschiedenen Komponenten der Vorrichtung miteinander koordiniert. Beispielsweise kann der Ultrakurzpulslaser 2 mit der Steuerung 7 verbunden sein, so dass die Steuerung 7 die Abgabe eines Laserpulses 202 oder eines Laserbursts 200 auslösen kann. Die Steuerung 7 kann weiter mit der Strahlformungsvorrichtung 4 verbunden sein, so dass eine schnelle Umpositionierung der Laserpulse 202 erfolgen kann. Hierüber können die Fokuspositionen auch an die geometrische Form des Teilbereichs 1 angepasst werden. Die Steuerung 7 kann zusätzlich auch mit einer Vorschubvorrichtung 6 verbunden sein, so dass die Vorschubvorrichtung 6 beispielsweise zwischen den Laserpulsen 202 verfahren werden kann, um eine Grobpositionierung des Substrats 30 unter der Bearbeitungsoptik 5 zu erreichen. The device can have a controller 7 which coordinates the various components of the device with one another. For example, the ultra-short pulse laser 2 can be connected to the controller 7, so that the controller 7 can trigger the emission of a laser pulse 202 or a laser burst 200. The controller 7 can further be connected to the beam shaping device 4, so that the laser pulses 202 can be quickly repositioned. In this way, the focus positions can also be adapted to the geometric shape of the sub-area 1. The control 7 can also be connected to a feed device 6, see above that the feed device 6 can be moved, for example, between the laser pulses 202 in order to achieve a rough positioning of the substrate 30 under the processing optics 5.
In Figur 6A ist schematisch ein Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt. Der Ultrakurzpulslaser 2 stellt hierbei einen Laserstrahl 20 zur Verfügung, in dem die Laserpulse 202 des Lasers 2 laufen. A part of the device according to the invention is shown schematically in FIG. 6A. The ultra-short pulse laser 2 provides a laser beam 20 in which the laser pulses 202 of the laser 2 run.
In der gezeigten Ausführungsformen wird der Laserstrahl 20 typischerweise durch eine Strahlformungsvorrichtung 4 geleitet, welches beispielsweise eine akustooptische Deflektoren- Einheit ist. Der Laserstrahl 20 kann mittels einer angrenzenden Linse fokussiert und wird anschließend optional durch ein Filterelement 54 geleitet, wo das Strahlprofil des Laserstrahls 12 manipuliert und für den Verarbeitungsprozess optimiert werden kann. Insbesondere können dadurch Raumfrequenzen herausgefiltert werden, so dass die auf das Material 2 abgebildeten Laserpulse 10 einen hohen Kontrast aufweisen. In the embodiments shown, the laser beam 20 is typically guided through a beam shaping device 4, which is, for example, an acousto-optical deflector unit. The laser beam 20 can be focused using an adjacent lens and is then optionally guided through a filter element 54 where the beam profile of the laser beam 12 can be manipulated and optimized for the processing process. In particular, this allows spatial frequencies to be filtered out so that the laser pulses 10 imaged on the material 2 have a high contrast.
Das Bild des Filterelements 54 wird schließlich von der Bearbeitungsoptik 5 in die Grenzschicht 130 des Teilbereichs 1 abgebildet. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Bearbeitungsoptik 5 etwa ein Teleskop ist. The image of the filter element 54 is finally imaged by the processing optics 5 into the boundary layer 130 of the partial area 1. This can be done, for example, by the processing optics 5 being a telescope.
Im gezeigten Fall steht das optionale Filterelement 54 hierbei in Strahlrichtung vor der ersten Linse 50 in einem Abstand, welcher Brennweite F1 der ersten Linse entspricht. In Strahlrichtung hinter der ersten Linse 50 befindet sich eine zweite Linse 52. Zwischen der ersten Linse 50 und der zweiten Linse 52 liegen der bildseitige Brennpunkt der ersten Linse 50 und der objektseitige Brennpunkt der zweiten Linse 52. Beide Brennpunkte fallen zusammen, sodass der Abstand der beiden Linsen 50, 52 der Summe der Brennweiten F1+F2 entspricht. Dementsprechend handelt es sich bei dem verwendeten Teleskop um eine Fourieroptik. Hinter der zweiten Linse 52 befindet sich die Fokusebene in der Grenzschicht 130 des Teilbereichs 1 . Die Fokusebene ist von der Linse 52 im Abstand F2 angeordnet, welcher der Brennweite der zweiten Linse 52 entspricht. In the case shown, the optional filter element 54 is in front of the first lens 50 in the beam direction at a distance which corresponds to the focal length F1 of the first lens. In the beam direction behind the first lens 50 there is a second lens 52. Between the first lens 50 and the second lens 52 lie the image-side focal point of the first lens 50 and the object-side focal point of the second lens 52. Both focal points coincide, so that the distance between the both lenses 50, 52 correspond to the sum of the focal lengths F1 + F2. Accordingly, the telescope used is Fourier optics. The focal plane is located behind the second lens 52 in the boundary layer 130 of the partial area 1. The focal plane is arranged from the lens 52 at a distance F2, which corresponds to the focal length of the second lens 52.
Die Laserpulse 202 des Laserstrahls 20 treffen in der Fokusebene auf die Grenzschicht 130 und werden dort zumindest teilweise absorbiert, wodurch der Teilbereich 1 verarbeitet wird. Während des Verarbeitungsvorgangs kann der Laserstrahl 20 relativ zum Material 2 mit der Vorschubvorrichtung 6 bewegt werden. Eine schnelle Ablenkung der einzelnen Laserpulse wird jedoch über den aktusooptischen Deflektor 4 realisiert. The laser pulses 202 of the laser beam 20 hit the boundary layer 130 in the focal plane and are at least partially absorbed there, whereby the partial area 1 is processed. During the processing process, the laser beam 20 can be moved relative to the material 2 with the feed device 6. However, rapid deflection of the individual laser pulses is achieved via the actus-optical deflector 4.
Anstelle eines mittels der Vorschubvorrichtung 6 bewegten Substrats oder zusätzlich zu der Vorschubvorrichtung 6 kann ein Scanner, beispielsweise ein Galvano-Scanner 62, zwischen den Linsen 50, 52 der Bearbeitungsoptik 5 verwendet werden, wie in Figur 6B gezeigt. Insbesondere können über entsprechende Encoder Positions- und/oder Winkelinformationen des Galvano- Scanners 62 und/oder der Vorschubvorrichtung 6 mit einer hohen Messrate aufgenommen werden, so dass eine Synchronisation mit den Laserpulsen 202 möglich ist. Instead of a substrate moved by means of the feed device 6 or in addition to the feed device 6, a scanner, for example a galvano scanner 62, can be used between the lenses 50, 52 of the processing optics 5, as shown in Figure 6B. In particular Position and/or angle information from the galvano scanner 62 and/or the feed device 6 can be recorded at a high measuring rate via corresponding encoders, so that synchronization with the laser pulses 202 is possible.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. To the extent applicable, all individual features shown in the exemplary embodiments can be combined and/or exchanged with one another without departing from the scope of the invention.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
1 Teilbereich 1 section
11 erste Schicht 11 first layer
12 pn-Übergang 12 pn junction
13 zweite Schicht 13 second layer
2 Ultrakurzpulslaser2 ultra-short pulse lasers
20 Laserstrahl 20 laser beam
200 Laserburst 200 laser burst
202 Laserpuls 202 laser pulse
22 Multifokusverteilung22 multi-focus distribution
220 Einzelfokus 220 single focus
30 Substrat 30 substrate
32 weiteres Substrat32 additional substrate
4 Strahlformungsoptik4 beam shaping optics
5 Bearbeitungsoptik5 processing optics
50 erste Linse 50 first lens
52 zweite Linse 52 second lens
54 Filterelement 54 filter element
6 Vorschubvorrichtung6 feed device
62 Scanner 62 scanners
7 Steuerung 7 Control
8 Diagnostikvorrichtung 8 diagnostic device

Claims

Ansprüche Expectations
1 . Verfahren zum Verarbeiten mindestens eines Teilbereichs (1) eines Schichtsystems, insbesondere einer Mikro-LED, mittels ultrakurzer Laserpulse eines Laserstrahls (20) eines Ultrakurzpulslasers (2), wobei der mindestens eine Teilbereich(l) an einer Grenzschicht (130) auf einem Substrat (30) angeordnet ist, wobei das Substrat (30) im Wesentlichen transparent für die Wellenlänge der ultrakurzen Laserpulse des Laserstrahls (20) ist, wobei die Grenzschicht (130) durch das Substrat (30) hindurch mit den ultrakurzen Laserpulsen (200) des Laserstrahls (20) beaufschlagt wird, wodurch der mindestens eine Teilbereich (1) verarbeitet wird, wobei die Position der ultrakurzen Laserpulse (202) des Laserstrahls (20) in der Grenzschicht (130) pulsgenau angepasst wird. 1 . Method for processing at least one partial region (1) of a layer system, in particular a micro-LED, by means of ultra-short laser pulses of a laser beam (20) of an ultra-short pulse laser (2), the at least one partial region (l) being at a boundary layer (130) on a substrate ( 30), wherein the substrate (30) is essentially transparent to the wavelength of the ultra-short laser pulses of the laser beam (20), the boundary layer (130) passing through the substrate (30) with the ultra-short laser pulses (200) of the laser beam ( 20) is applied, whereby the at least one partial area (1) is processed, the position of the ultra-short laser pulses (202) of the laser beam (20) in the boundary layer (130) being adjusted with pulse precision.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung des Teilbereichs (1) eine Laser-induzierte Vorwärtsübertragung des Teilbereichs (1) und/oder ein Laser-Lift-Off des Teilbereichs (1) ist. 2. The method according to claim 1, characterized in that the processing of the sub-area (1) is a laser-induced forward transmission of the sub-area (1) and / or a laser lift-off of the sub-area (1).
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der ultrakurzen Laserpulse (202) des Laserstrahls (20) in der Grenzschicht (130) pulsgenau an die Geometrie des Teilbereichs (1) angepasst wird. 3. Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the position of the ultra-short laser pulses (202) of the laser beam (20) in the boundary layer (130) is adapted to the geometry of the partial region (1) with pulse precision.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that
- die Pulsdauer der ultrakurzen Laserpulse zwischen 50fs und 1000ps liegt, bevorzugt zwischen 100fs und 100ps liegt, besonders bevorzugt zwischen 50fs und 20ps liegt, und/oder - the pulse duration of the ultra-short laser pulses is between 50fs and 1000ps, preferably between 100fs and 100ps, particularly preferably between 50fs and 20ps, and/or
- die Wellenlänge des Laserstrahls (20) zwischen 50nm und 300nm liegt, bevorzugt zwischen 250nm und 270nm liegt, und/oder - The wavelength of the laser beam (20) is between 50nm and 300nm, preferably between 250nm and 270nm, and/or
- der Laser (2) in seiner Grundmode betrieben wird, wobei die Beugungsmaßzahl M2 kleiner als 1 ,5 ist, und/oder - the laser (2) is operated in its basic mode, with the diffraction coefficient M 2 being less than 1.5, and/or
- die Fluenz zwischen 0,05J/cm2 und 10J/cm2 liegt, bevorzugt zwischen 0,1 J/cm2 und 1 J/cm2 liegt. - the fluence is between 0.05J/cm2 and 10J/cm2, preferably between 0.1 J/cm2 and 1 J/cm2.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Repetitionsrate der Laserpulse größer als 10kHz ist, bevorzugt größer als 1 MHz ist. 5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the repetition rate of the laser pulses is greater than 10 kHz, preferably greater than 1 MHz.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (20) des Ultrakurzpulslasers (2) eine definierte Polarisation aufweist, bevorzugt linear polarisiert ist. 6. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam (20) of the ultra-short pulse laser (2) has a defined polarization, preferably linearly polarized.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Laserpulse (202) mit einem akustooptischen Deflektor angepasst wird. 7. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the position of the laser pulses (202) is adjusted using an acousto-optical deflector.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinanderfolgende Laserpulse (202) unterschiedliche Fokuspositionen in der Grenzschicht (130) aufweisen, bevorzugt den größtmöglichen Abstand zueinander innerhalb der noch nicht beaufschlagten Geometrie des Teilbereichs (1) aufweisen. 8. Method according to one of the preceding claims, characterized in that successive laser pulses (202) have different focus positions in the boundary layer (130), preferably the greatest possible distance from one another within the geometry of the partial region (1) that has not yet been acted upon.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserpulse mindestens teilweise eine unterschiedliche Strahlform aufweisen, bevorzugt eine Multifokusverteilung aufweisen. 9. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser pulses at least partially have a different beam shape, preferably have a multi-focus distribution.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beaufschlagenden Teilbereiche (1) durch eine Diagnostikvorrichtung ausgewählt werden. 10. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the partial areas (1) to be acted upon are selected by a diagnostic device.
11 . Vorrichtung zum Verarbeiten mindestens eines Teilbereichs (1) eines Schichtsystems, insbesondere einer Mikro-LED, umfassend einen Ultrakurzpulslaser (2) und eine Bearbeitungsoptik (5), wobei der Ultrakurzpulslaser (2) dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl (20) aus ultrakurzen Laserpulsen (202) bereitzustellen, wobei der mindestens eine Teilbereich (1) an einer Grenzschicht (130) auf einem Substrat (30) angeordnet ist, wobei das Substrat (30) mindestens teilweise transparent für die Wellenlänge der ultrakurzen Laserpulse (202) des Laserstrahls (20) ist, wobei die Bearbeitungsoptik (5) dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (20) in die Grenzschicht (130) zu überführen und diese mit den ultrakurzen Laserpulsen (202) zu beaufschlagen, wodurch der mindestens eine Teilbereich (1) verarbeitet wird, wobei eine Strahlformungsvorrichtung (4) vorgesehen ist, die dazu eingerichtet ist, die Position der ultrakurzen Laserpulse (202) des Laserstrahls (20) in der Grenzschicht (130) pulsgenau anzupassen. 11. Device for processing at least a partial area (1) of a layer system, in particular a micro-LED, comprising an ultra-short pulse laser (2) and processing optics (5), the ultra-short pulse laser (2) being set up to produce a laser beam (20) made up of ultra-short laser pulses ( 202), wherein the at least one partial region (1) is arranged at a boundary layer (130) on a substrate (30), the substrate (30) being at least partially transparent to the wavelength of the ultra-short laser pulses (202) of the laser beam (20). is, wherein the processing optics (5) is set up to transfer the laser beam (20) into the boundary layer (130) and to apply the ultra-short laser pulses (202) to it, whereby the at least one partial area (1) is processed, one Beam shaping device (4) is provided, which is designed to adjust the position of the ultra-short laser pulses (202) of the laser beam (20) in the boundary layer (130) with pulse precision.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ultrakurzpulslaser (2) einen Grundlaserstrahl mit einer Wellenlänge von 1030nm bereitstellt und mindestens einen Frequenzverdopplungskristall umfasst, der dazu eingerichtet ist die Frequenz des auftreffenden Laserstrahls zu verdoppeln, beziehungsweise die Wellenlänge zu halbieren, wobei der Grundlaserstrahl zweimal durch den Frequenzverdopplungskristall geführt wird, bevorzugt sequentiell durch einen ersten Frequenzverdopplungskristall und anschließend durch einen zweiten Frequenzverdopplungskristall geführt wird, wodurch die Frequenz des Grundlaserstrahls insgesamt vervierfacht wird, beziehungsweise die Wellenlänge des Grundlaserstrahls insgesamt geviertelt wird und somit ein Laserstrahl (20) mit einer Wellenlänge zwischen 250nm und 270nm bereitgestellt wird. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsvorrichtung (4) ein akustooptischer Deflektor und/oder ein Mikrolinsenarray und/oder ein diffraktives optisches Element ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine optische Komponente der Vorrichtung CaF oder kristallinen Quarz umfasst, oder aus CaF oder kristallinem Quarz ist und/oder als reflektives Element ausgestaltet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch eine Steuerung (7), die kommunikativ mit dem Ultrakurzpulslaser (2) und/oder der Strahlformungsvorrichtung (4) verbunden ist und dazu eingerichtet ist, den Ultrakurzpulslaser und/oder die Strahlformungsvorrichtung (4) zu steuern. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Vorschubvorrichtung (6), bevorzugt einen Scanner, besonders bevorzugt einen Galvano-Scanner (62), zur Bewegung des Laserstrahls (20) in der Fokusebene, wobei die Vorschubvorrichtung (6) kommunikativ mit der Steuerung (7) verbunden ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, gekennzeichnet durch eine Diagnostikvorrichtung (8), die eine Datenbank mit den Koordinaten funktionierender Teilbereiche (1) auf dem Substrat (30) enthält, und die kommunikativ mit der Steuerung (7) verbunden ist, oder als Teil der Steuerung (7) ausgebildet ist. 12. The device according to claim 11, characterized in that the ultra-short pulse laser (2) provides a basic laser beam with a wavelength of 1030 nm and comprises at least one frequency doubling crystal, which is set up to double the frequency of the incident laser beam or to halve the wavelength, wherein the basic laser beam is guided twice through the frequency doubling crystal, preferably sequentially through a first frequency doubling crystal and then through a second frequency doubling crystal, whereby the frequency of the basic laser beam is quadrupled overall, or the wavelength of the basic laser beam is quartered overall and thus a laser beam (20). a wavelength between 250nm and 270nm is provided. Device according to one of claims 11 or 12, characterized in that the beam shaping device (4) is an acousto-optical deflector and/or a microlens array and/or a diffractive optical element. Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that at least one optical component of the device comprises CaF or crystalline quartz, or is made of CaF or crystalline quartz and / or is designed as a reflective element. Device according to one of claims 11 to 14, characterized by a control (7) which is communicatively connected to the ultra-short pulse laser (2) and/or the beam shaping device (4) and is set up to control the ultra-short pulse laser and/or the beam shaping device (4). to control. Device according to claim 15, characterized by a feed device (6), preferably a scanner, particularly preferably a galvano scanner (62), for moving the laser beam (20) in the focal plane, the feed device (6) being communicative with the control (7 ) connected is. Device according to one of claims 15 or 16, characterized by a diagnostic device (8) which contains a database with the coordinates of functioning partial areas (1) on the substrate (30) and which is communicatively connected to the controller (7), or as Part of the control (7) is formed.
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