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TECHNIKBEREICH
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hofkontrollfunktionen beim Epoxidstrahlen.
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HINTERGRUND
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Optische Geräte, die einen oder mehrere optische Strahlungsemitter und einen oder mehrere optische Sensoren enthalten, können in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, wie z. B. Abstandsmessung, Näherungssensorik, Gestenerkennung und Bildgebung. Kleine optoelektronische Module wie Bildgebungsgeräte und Lichtprojektoren verwenden optische Baugruppen, die Linsen oder andere optische Elemente enthalten, die entlang der optischen Achse des Geräts gestapelt sind, um die gewünschte optische Leistung zu erzielen. Replizierte optische Elemente umfassen transparente diffraktive und/oder refraktive optische Elemente zur Beeinflussung eines optischen Strahls. In einigen Anwendungen können solche optoelektronischen Module in den Gehäusen verschiedener Unterhaltungselektronik, wie z. B. mobilen Computergeräten, Smartphones oder anderen Geräten, enthalten sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Offenbarung beschreibt optische und optoelektronische Baugruppen, die Mikro-Abstandshalter enthalten, sowie Verfahren zur Herstellung solcher Baugruppen.
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Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl optischer Elemente, umfassend die Schritte des Bereitstellens eines Substrats, des Bereitstellens eines Werkzeugs, umfassend eine Vielzahl von Replikationsabschnitten, die jeweils eine Oberflächenstruktur eines der optischen Elemente definieren, und mindestens einen Kontaktabstandshalterabschnitt, des Ausrichtens des Werkzeugs und des Substrats in Bezug aufeinander und des Zusammenbringens des Werkzeugs und einer ersten Seite des Substrats, wobei sich Replikationsmaterial zwischen dem Werkzeug und dem Substrat befindet, wobei der Kontaktabstandshalterabschnitt die erste Seite des Substrats berührt, das Replikationsmaterial härtet und das Werkzeug von dem Substrat trennt, wobei das gehärtete Replikationsmaterial an dem Substrat haftet, wobei das Werkzeug Hoflinienmerkmale um mindestens einen Teil der Replikationsabschnitte aufweist, wobei die Hoflinienmerkmale so konfiguriert sind, dass sie das Replikationsmaterial auf einer ersten Seite der Hoflinie in Bezug auf sowohl das Werkzeug als auch das Substrat enthalten.
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Die hier beschriebenen Hofkontrollfunktionen ermöglichen vorteilhaft die Erstellung von dicht gepackten Layouts mit nicht kreisförmigen Linsen und Modulen, bei denen optische Strukturen und mechanische (z. B. Abstandshalter) oder elektrische Funktionalität (z. B. Bondpads) kombiniert werden. Weitere Vorteile sind die Erzeugung eines Entlüftungskanals auf einem Substrat ohne einen zusätzlichen Dicing-Schritt beim Replizieren und Stapeln. Mit den Features lassen sich dichtere Layouts erzeugen, Gehäuse mit Augensicherheitsmerkmalen erstellen und Prozessschritte zur Erzeugung von Entlüftungskanälen reduzieren. Die Features vermeiden einen unkontrollierten Epoxidfluss und die Bildung von Luftblasen, was dicht gepackte Strukturen ermöglicht und die Produktionskosten reduziert.
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Das Substrat kann ein „Wafer“ oder ein anderes Basiselement sein, dem eine zusätzliche Struktur hinzugefügt wurde, z. B. mit einer daran haftenden Struktur aus gehärtetem Replikationsmaterial, die eine Oberfläche der mehreren optischen Elemente definiert, mit einigen lithografisch hinzugefügten oder entfernten Merkmalen (wie Öffnungen usw.) oder mit einer anderen Struktur. Das Substrat kann aus einem beliebigen Material oder einer beliebigen Materialkombination bestehen.
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Die optischen Elemente können alle Elemente sein, die das einfallende Licht beeinflussen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Linsen/Kollimatoren, Mustergeneratoren, Ablenker, Spiegel, Strahlteiler, Elemente zur Zerlegung der Strahlung in ihre spektrale Zusammensetzung usw. sowie Kombinationen davon. Sowohl eine nachgebildete Struktur auf einer Seite eines Substrats als auch ein Ensemble von zwei ausgerichteten nachgebildeten optischen Elementen auf zwei Seiten eines Substrats werden als „optisches Element“ bezeichnet.
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Das Werkzeug (oder „Replikationswerkzeug“) kann aus einem ersten, harten Material bestehen, das eine starre Rückplatte bildet, und aus einem zweiten, weicheren Materialteil (Replikationsteil), der sowohl den/die Kontaktabstandshalterteil(e) als auch die Replikationsabschnitte bildet. Im Allgemeinen kann/können der/die Kontaktabstandshalter aus demselben Material bestehen wie der Teil des Werkzeugs, der die Replikationsabschnitte bildet, und kann/können lediglich strukturelle Merkmale des Werkzeugs sein (keine zusätzlichen Elemente). Alternativ können die Kontaktabstandshalterabschnitte ein zusätzliches Material umfassen, z. B. eine Beschichtung aus einem weichen und/oder klebenden Material auf einer äußersten Oberfläche.
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Alternativ zu einem Material mit geringer Steifigkeit wie PDMS können die Kontaktabstandshalter auch einen Klebstoff, z. B. eine Klebeschicht, enthalten. Die Verwendung eines Materials mit geringer Steifigkeit für den gesamten Replikationsabschnitt des Werkzeugs ist hinsichtlich der Herstellung vorteilhaft, da kein separater Schritt zum Hinzufügen der Kontaktabstandshalter oder einer Beschichtung derselben erforderlich ist. Der gesamte Replikationsabschnitt kann in einer einzigen Form durch Replikation (Gießen, Prägen usw.) von einer Vorlage oder Untervorlage hergestellt werden, die auch den/die Kontaktabstandshalterabschnitt(e) enthält.
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Die Kontaktabstandshalterabschnitte liegen während der Replikation an dem Substrat an, wobei sich kein Material zwischen den Kontaktabstandshalterabschnitten und dem Substrat befindet. Die Kontaktabstandshalterabschnitte können zusammenhängend sein oder eine Vielzahl diskreter Abschnitte um den Umfang herum umfassen oder über einen großen Teil des Umfangs und/oder ein Inneres der Replikationsfläche verteilt sein. Mit anderen Worten, der/die Kontaktabstandshalterabschnitt(e) kann/können in jeder beliebigen Konfiguration vorliegen, die es dem Replikationswerkzeug ermöglicht, auf dem Substrat aufzuliegen. Beispielsweise ist die Verteilung des/der Kontaktabstandshalterabschnitte(s) so, dass sich Kontaktabstandshalterabschnitte auf beiden Seiten jeder in der Ebene verlaufenden Linie durch den Massenschwerpunkt des Werkzeugs befinden. Die Abstandshalter sind so angeordnet und konfiguriert, dass, wenn das Werkzeug auf dem Substrat aufliegt, die Dicke (die z-Dimension senkrecht zur Substrat- und Werkzeugebene) durch die Abstandshalterabschnitte definiert ist.
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Die Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung sind in den beiliegenden Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Gegenstände und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen.
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Figurenliste
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- zeigt ein Beispiel für einen Querschnittsaufbau von Werkzeug/Substrat für die Replikation.
- ist eine replizierte Struktur mit schlechten Linienmerkmalen aufgrund von unkontrolliertem Epoxidfluss, der zur Luftblasenbildung während der Replikation führt.
- zeigt einen Querschnitt der Werkzeug-/Substratstruktur mit Hoflinienmerkmalen zur Steuerung des Epoxidflusses.
- zeigt Details von nachgebildeten Strukturen, die mit Hoflinienmerkmalen wie in nachgebildet sind.
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Gleiche Referenzsymbole in den verschiedenen Zeichnungen kennzeichnen gleiche Elemente.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Werkzeug 100 und ein Substrat 120. Das Werkzeug 100 umfasst in der gezeigten Ausführungsform eine starre Rückplatte 102 aus einem ersten Material, z. B. Glas, und einen Replikationsabschnitt 104 aus einem zweiten, weicheren Material, z. B. PDMS. Der Replikationsabschnitt bildet eine Replikationsfläche 108 mit einer Vielzahl von Replikationsabschnitten 106, deren Oberfläche jeweils eine (negative) Kopie einer Oberflächenform eines herzustellenden optischen Elements ist. Die Replikationsabschnitte 106 können konvex sein und somit eine konkave optische Elementoberfläche definieren, oder konvex sein und eine konkave optische Elementoberfläche definieren.
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Der Replikationsabschnitt 104 hat Kontaktabstandshalterabschnitte 112, die als peripher angeordnet dargestellt sind. Die Kontaktabstandshalterabschnitte 112 sind die Strukturen des Replikationswerkzeugs 100, die am weitesten in z-Richtung herausragen. Die Kontaktabstandshalterabschnitte sind im Wesentlichen flach und können daher während der Replikation auf dem Substrat 102 aufliegen, wobei sich kein Material zwischen den Kontaktabstandshalterabschnitten 112 und dem Substrat 120 befindet. Die Kontaktabstandshalterabschnitte 112 können z. B. einen Ring um den Umfang der Replikationsfläche 108 bilden, sie können eine Vielzahl diskreter Abschnitte um den Umfang umfassen, oder sie können eine Vielzahl diskreter Abschnitte umfassen, die über einen großen Teil des Umfangs und/oder einen Innenraum der Replikationsfläche 108 verteilt sind.
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Das Substrat 120 hat eine erste Seite (z. B. die Substratoberfläche 126) und eine zweite Seite und kann aus jedem geeigneten Material bestehen, z. B. aus Glas. Auf dem Substrat 120 ist ferner eine Struktur aufgebracht, an der das Abbild ausgerichtet werden soll. Die Struktur kann z. B. aus einer in der x-y-Ebene strukturierten Beschichtung 122 bestehen, wie z. B. einem Schirm mit Blenden, oder einem strukturierten IR-Filter, oder elektrischen Schichten (Cr, ITO, Au...), etc. Die Struktur kann zusätzlich oder alternativ weitere Merkmale wie Markierungen etc. aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Struktur eine gehärtete Replikationsmaterialstruktur umfassen, die eine Oberfläche der optischen Elemente bildet.
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Zur Replikation der Replikationsoberfläche 108 des Werkzeugs 100 wird Replikationsmaterial 124 auf das Substrat 120 oder das Werkzeug 100 oder sowohl das Werkzeug 100 als auch das Substrat 120 aufgebracht. Ein solches Aufbringen des Replikationsmaterials 124 kann das Aufbringen einer Vielzahl von Portionen des Replikationsmaterials 124, eine Portion für jeden der Replikationsabschnitte, auf das Werkzeug 100 und/oder das Substrat 120 umfassen (obwohl in der Figur eine einzelne Portion des Replikationsmaterials 124 dargestellt ist). Jede Portion kann z. B. durch Spritzen oder Spritzen eines Tropfens oder einer Vielzahl von Tropfen durch ein Dispensierwerkzeug aufgebracht werden, das z. B. in einer tintenstrahldruckerähnlichen Weise arbeiten kann. Jede Portion kann optional aus einer Vielzahl von Unterportionen bestehen, die nur während der Replikation miteinander in Kontakt kommen. Im Allgemeinen bestehen die Tröpfchen aus Epoxid.
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Nach dem Auftragen des Replikationsmaterials 124 werden das Substrat 120 und das Werkzeug 100 zueinander ausgerichtet. Zu diesem Zweck kann ein Verfahren verwendet werden, das demjenigen ähnelt, das in sogenannten Maskenausrichtern verwendet wird. Der Ausrichtvorgang kann das Ausrichten mindestens eines bestimmten Merkmals (vorzugsweise werden zwei Merkmale verwendet) des Werkzeugs 100 und/oder des Substrats 120 mit mindestens einem bestimmten Merkmal des Substrats 120 bzw. des Werkzeugs 100 oder mit einem Referenzpunkt einer Ausrichtvorrichtung umfassen. Geeignete Merkmale hierfür sind wohldefinierte Elemente der Struktur selbst (z. B. eine definierte Ecke einer strukturierten Beschichtung oder eine Linsenspitze etc.), gezielt angebrachte Ausrichtmarken, ggf. auch Kanten etc. des Basiselements etc. Zum Ausrichten gehört auch, wie in der Technik bekannt, die exakte Parallelisierung der Werkzeug- und Substratflächen zur Vermeidung von Keilfehlern; eine solche Parallelisierung kann vor der x-y-Ausrichtung erfolgen.
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Im Anschluss an die Ausrichtung werden das Substrat 120 und das Werkzeug 100 zusammengeführt, wobei die Kontaktabstandshalterteile 112 an der Substratoberfläche anliegen und (falls vorhanden, zusammen mit den schwimmenden Abstandshaltern) die z-Dimension definieren und auch das Werkzeug gegen x-y-Bewegungen sperren. Danach wird die Substrat-Werkzeug-Baugruppe aus der Ausrichtstation entnommen und an eine Härtestation übergeben.
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Der Replikationsabschnitt 104 des Werkzeugs oder zumindest eine Oberfläche der Kontaktabstandshalterabschnitte 112 besteht aus einem Material mit einer vergleichsweise geringen Steifigkeit, so dass er sich unter „normalen“ Bedingungen, bei denen beispielsweise kein größerer Druck als der durch die Schwerkraft des auf dem Substrat aufliegenden Werkzeugs oder umgekehrt verursacht wird, an Unebenheiten auf einer Mikrometer- und/oder Submikrometer-Skala anpassen und somit eine innige Verbindung mit der Substratoberfläche bilden kann. Darüber hinaus kann der Replikationsabschnitt des Werkzeugs oder zumindest die Oberfläche des Kontaktabstandsabschnitts eine vergleichsweise geringe Oberflächenenergie aufweisen, um eine solche Anpassung an Rauheiten im Mikrometer- und/oder Submikrometerbereich günstig zu gestalten. Ein bevorzugtes Beispiel für ein solches Material ist Polydimethylsiloxan PDMS.
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Wie in dargestellt, fließt bei der Replikation überschüssiges Epoxidharz 202 (z. B. das Replikationsmaterial 124), das während des Spritzens aufgetragen wird, normalerweise über den interessierenden Bereich und bildet einen Hof 204, wenn das Werkzeug 100 und das Substrat 100 (z. B. Glas) in Kontakt gebracht werden. Der Hof 204 hat typischerweise die Form eines Kreises, wie dargestellt. Dieser kreisförmige Hof 204 entsteht dadurch, dass während des Replikationsprozesses mehr Epoxidharz 202 zugegeben wird, als für die jeweilige Struktur erforderlich ist, wodurch ein Überlauf entsteht. Das zusätzliche Epoxidharz 202 stellt sicher, dass das gesamte Volumen des Replikationsmaterials, das für eine bestimmte Struktur benötigt wird, zur Verfügung steht (da die Toleranz des Epoxidharzvolumens nicht null ist), und die zusätzliche Flüssigkeit sammelt sich, um den Hof 204 zu bilden.
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Bei dichten Anordnungen können sich diese kreisförmigen Höfe 204 verbinden und unerwünschte Lufteinschlüsse 206 bilden, indem Luft zwischen den Kreisen eingeschlossen wird. Die Position der Lufteinschlüsse 206 kann nicht kontrolliert werden und kann dazu führen, dass Strukturen nicht vollständig bedeckt werden, was zu Ertragsverlusten führt. Bei Modulen, die gestapelt werden müssen, kann der unkontrollierte Epoxidfluss während der Replikation dazu führen, dass ein zusätzlicher Dicing-Schritt erforderlich ist, um Entlüftungskanäle während des Stapelns einzubauen.
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Um den Epoxidfluss während der Replikation zu steuern, können Yard-Line-Features (auch „Yard-Linien“, „Linien-Features“ oder „Yard-Line-Features“ genannt) in das Design des Werkzeugs 100 aufgenommen werden, um die lokalen Strömungskräfte zu verändern und dem Epoxid 202 eine bevorzugte Fließrichtung zu geben. Solche Merkmale können im Mastering-Prozess selbst (während des Laserschreibens) enthalten sein oder nachträglich in einem Lithomold-Prozess hinzugefügt werden, bei dem die Merkmale in einer zusätzlichen Epoxidschicht strukturiert werden können. Die hier beschriebenen Yard-Line-Merkmale können in alle Arten von Mastern integriert werden, die mit unterschiedlichen Technologien (EBL, Laser Writer, etc.) hergestellt werden.
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zeigt Yard-Linien 304, die das Fließen des flüssigen Epoxidharzes 302 (z. B. des Replikationsmaterials 124), das einen Yard 204 in eine Kreisform formt, verhindern. Stattdessen bewirken die Linienmerkmale 304, dass das flüssige Epoxidharz 302 in dem Moment, in dem das flüssige Epoxidharz 302 mit der Yard-Linie 304 in Kontakt kommt, der Yard-Linie 304 folgt. Die Linienmerkmale 304 sind in einigen Fällen in das Werkzeug 100 auf dessen Replikationsoberfläche 108 geätzt (oder anderweitig hergestellt) und/oder die Linienmerkmale 304 können alternativ oder zusätzlich auf dem Substrat 120 vorhanden sein.
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Die Yard-Linien 304 erzeugen eine lokale Änderung der Kapillarkraft. Kapillarwirkung ist die Fähigkeit einer Flüssigkeit, in engen Räumen ohne die Unterstützung von oder sogar gegen äußere Kräfte wie die Schwerkraft zu fließen; in diesem Fall befindet sich der enge Raum zwischen dem Werkzeug 100 (insbesondere der Yard-Linie 304) und dem Substrat 120.
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Lokale Änderungen der Kapillarkraft verändern die bevorzugte Fließrichtung des flüssigen Epoxidharzes 302. Bezug nehmend auf verringert eine beispielhafte Maßlinie 304 den Abstand zwischen der Werkzeugoberfläche 108 und der Oberfläche des Substrats 126 von Abstand d1 auf Abstand d2, wodurch sich der Kontaktwinkel zwischen der Flüssigkeit und der Luft außerhalb der Maßlinie 304 ändert. Diese physikalische Änderung bewirkt, dass sich die Kapillarkraft sehr schnell und lokal ändert (wie im Diagramm 312 dargestellt), wodurch das flüssige Epoxidharz 302 dazu gedrängt wird, innerhalb der Yard-Linie 304 zu bleiben (z. B. in Richtung der Innenseite der Struktur, wie durch den Pfeil 310 dargestellt). Die Yard-Linie 304 reduziert den Trennungsabstand auf d2, wodurch das flüssige Epoxidharz 302 eingeschlossen wird und sich nicht ausbreitet. Die Form der Yard-Linie 304 (z. B. ihr Winkel und die Höhe d2) kann so gewählt werden, dass sie ein maximales Volumen an flüssigem Epoxidharz 302 einschließt, z. B. ein maximales Epoxidharzvolumen, das die Kapillarkraft nicht überwinden kann, die für eine bestimmte Yard-Linienkonfiguration 304 vorliegt. Obwohl dreieckige Yard-Line-Merkmale 304 dargestellt sind, könnten die Merkmale jede Form haben, die den Trennungsabstand zwischen dem Werkzeug 100 und dem Substrat 120 verringert, z. B. eine rechteckige oder quadratische Stufe, eine gekrümmte Linie oder eine unregelmäßige Form.
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zeigt ein Substrat 400, das unter Verwendung von Yardline-Merkmalen 304 hergestellt wurde. Die Yard-Linien-Strukturen 404, die aus dem Replikationsprozess mit Yard-Linien 304 resultieren, erzeugen die dargestellten allgemein quadratischen Yards 406. Das heißt, die Yard-Linien 304 (in dargestellt) sind in einer allgemein quadratischen Form konfiguriert. Wenn das flüssige Epoxidharz 302 während des normalen Replikationsprozesses gespritzt wird, bewirken die Abstandslinien 304, dass das flüssige Epoxidharz 302 nicht über die Abstandslinien 304 hinausgeht. Daraus ergeben sich die abgebildeten quadratischen Hofformen 406, die durch die Hoflinienstrukturen 404 begrenzt werden. Obwohl quadratische Meter 406 dargestellt sind, könnten die aus den Meterlinien 304 resultierenden Epoxid-Meter jede beliebige Form haben, z. B. eine unregelmäßige Form. Das Beispielsubstrat 400 hat z. B. unregelmäßige Ecken 410, die Teil der quadratischen Höfe 406 sind. Diese unregelmäßigen Ecken 410 können Designmerkmale für das fertige optische Element sein.
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In einigen Ausführungsformen können Yard-Linien 304 verwendet werden, um flüssiges Epoxidharz 302 von einem Teil eines Substrats 120 auszuschließen, anstatt es innerhalb eines gewünschten Teils des Substrats 120 zu halten. So können z. B. Bereiche eines Substrats absichtlich sauber gehalten werden, z. B. Bondpads oder elektrische Kontakte für Augenschutzfunktionen. Die sauber zu haltenden Bereiche können von einer Yard-Linie 304 in beliebiger Form umschlossen werden.
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Wie bereits erwähnt, kann das Zerteilen (Dicing) zu einem bestimmten Zeitpunkt nach den oben genannten Verfahrensschritten für die ausgerichtete Replikation durchgeführt werden. Das Substrat mit dem/den darauf haftenden Abbild(ern) wird in die einzelnen optischen Elemente geteilt oder gewürfelt. Dieser Schritt kann notwendig sein, um Luftblasen zu entlüften (z. B. Luftblase 206 in ). Mit der durch die Yard-Linien 304 beschriebenen Yard-Technologie kann dieser Dicing-Schritt eliminiert werden.
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Die hier beschriebenen Hofkontrollfunktionen ermöglichen vorteilhaft die Erstellung von dicht gepackten Layouts mit nicht kreisförmigen Linsen und Modulen, bei denen optische Strukturen und mechanische (z. B. Abstandshalter) oder elektrische Funktionalität (z. B. Bondpads) kombiniert werden. Weitere Vorteile sind die Erzeugung eines Entlüftungskanals ohne einen zusätzlichen Dicing-Schritt beim Replizieren und Stapeln. Die Funktionen können genutzt werden, um dichtere Layouts zu erzeugen, Gehäuse mit Augensicherheitsfunktionen zu erstellen und die Anzahl der Prozessschritte durch die Erzeugung eines Entlüftungskanals zu reduzieren.
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Es wurde eine Reihe von Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Dennoch versteht es sich, dass verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sind andere Ausführungsformen innerhalb des Anwendungsbereichs der folgenden Ansprüche.