论文标题：Galvanometer-Based Alignment-Error-Free Full-in-Situ Imaging and Laser Processing System with Applications to Pan-Semiconductor Manufacturing

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.07.041

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1. 文章导读：

激光精密加工技术，以其高精度、非接触、灵活高效等优势，在芯片制造、柔性电子等高端领域扮演着愈发重要的角色。尤其是在泛半导体制造中，激光已成为Micro-LED巨量转移、柔性电路板切割等核心工艺不可或缺的工具。

然而，“看得见”才能“打得准”。传统激光系统在加工前，需要通过相机“看”一眼工件，再将图像坐标一步步转换为激光的扫描角度。这个过程如同在没有地图的情况下进行多次坐标转换，极易产生“对准误差”。为了补偿这些误差，繁琐、耗时的校准流程成为了必须，这严重制约了它在小批量、高复杂定制化生产场景中的应用。

针对这一挑战，清华大学与北京航空航天大学的研究团队联合提出了一种基于扫描振镜的无对准误差全原位成像与激光加工新方法，该项成果发表在《Engineering》期刊上。团队研究独辟蹊径，通过一种“光学路径复用”的创新设计，让系统在“看见”目标的同时，就能直接获得“打击”所需的坐标，从原理上跳过了繁琐的坐标转换与校准步骤，实现了“所见即所得”的精准加工。这项突破性技术，为高端半导体器件的灵活化、智能化制造提供了全新的解决方案。

图1. (a) 现有原位振镜激光加工系统与(b) 所提出的全原位振镜激光加工系统的对准流程示意图。

2. 研究内容：

为了解决传统激光加工中因多次坐标转换而导致的校准繁琐与对准误差难题，本研究提出了一个全新的技术思路：让系统在“看见”工件的同时，就直接获得激光“加工”它所需的指令。

研究团队构建了一套基于振镜的全原位成像与激光加工系统。该系统的核心创新在于其 “光学路径复用”设计：一个半透半反镜将成像子系统与加工子系统合二为一，使得亮度传感器与激光源共享等效光路。基于光路可逆原理，当振镜偏转某个角度使传感器“看到”工件上某一点时，保持该角度不变并开启激光，激光就能被精确引导至同一点进行加工。这一设计从原理层面跳过了“像素坐标→平面坐标→角度坐标”的复杂转换，根除了对准误差的产生根源。

为了实现高质量的“看见”，该方法采用点扫描式成像：通过精确控制振镜偏转，让亮度传感器逐点采集扫描平面上各处的光强信号，并直接以振镜的偏转角度（θx, θy）为坐标，重构出工件的图像。这种方法赋予了系统无缝切换视野与精度的独特能力：既可进行大范围快速普查，也可在感兴趣区域进行高分辨率的精细观测，无需图像拼接，也避免了由此引入的误差。

为验证该系统的卓越性能，研究团队进行了两项典型泛半导体制造场景下的实验：

（1）柔性电路板异形切割：系统首先对大范围FPC进行快速扫描，定位到待切割的星形图案；随后对该区域进行高分辨率精细成像，直接提取图案边缘点的角度坐标并生成加工轨迹。结果显示，激光精准地沿图案边缘完成了切割，且无偏移或变形；作为对比，传统视觉方法因图像拼接误差导致了明显的轮廓失真。

（2）Micro-LED芯片缺陷检测与修复：面对键合在石英板上的Micro-LED芯片阵列，通过“大范围粗扫→可疑区域精扫→缺陷确认”的流程，系统高效地从115个芯片中精准定位出3个错位芯片。随后，系统直接引导激光对错位芯片区域进行覆盖性扫描，选择性烧蚀其下方的聚合物牺牲层，成功将其移除,为后续高质量的巨量转移做好了准备。

实验结果充分验证了该方法“所见即所得”的精准加工能力，并展示了其在小批量、高柔性、高复杂度制造任务中的巨大应用潜力。

图2. (a) 基于离轴相机的方案示意图，该方案在平面坐标系中捕获大范围低分辨率图像。(b) 基于同轴相机的方案示意图，该方案在平面坐标系中捕获小范围高分辨率图像。(c) 本文提出方案的示意图，该方案在角坐标系中采集图像，同时支持大范围与高分辨率成像。

3. 研究总结：

本研究创新性地提出并验证了一种基于振镜的“光学路径复用”方法，从原理上构建了无对准误差的全原位激光加工系统。主要成果表明：

(1) 该系统成功实现了无需任何复杂标定的精准激光加工，从根源上消除了因多步坐标转换带来的对准误差。

(2) 通过点扫描成像与振镜控制的深度融合，系统具备了大范围与高分辨率扫描能力，克服了传统视觉方法视野与精度不可兼得、且需图像拼接的固有限制。

(3) 在柔性电路板异形切割和Micro-LED芯片缺陷修复两个典型案例中，该系统均展现出“所见即所得”的卓越性能，验证了其在小批量、高定制化、高复杂度制造任务中的强大潜力。

本研究为解决激光精密制造中长期存在的对准与校准难题提供了一条全新的技术路径，为泛半导体领域迈向更智能、更灵活的“智能制造”提供了关键的使能技术。未来，通过提升成像效率并集成人工智能算法，该方法有望在更广阔的精密制造场景中发挥核心作用。

论文信息：

Yuxuan Cao, Kuai Yang, Yingchun Guan, Zhen Zhang, Galvanometer-Based Alignment-Error-Free Full-in-Situ Imaging and Laser Processing System with Applications to Pan-Semiconductor Manufacturing, Engineering, DOI: 10.1016/j.eng.2025.07.041

作者介绍

曹宇轩，清华大学机械工程系直博生，公派赴瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）联合培养。主要研究方向光机电一体化、激光高速扫描及微纳器件等。曾获IEEE相关国际会议最佳应用论文奖、最佳学生论文奖等荣誉，发表高水平SCI/EI学术论文6篇，授权国家发明专利5项。

杨快，清华大学机械工程系直博生，主要研究方向为精密光机电一体化系统设计与控制、激光高速高精扫描等，发表高水平SCI/EI学术论文8篇，授权国家发明专利3项。

管迎春，北京航空航天大学学科责任教授，机械工程及自动化学院材料加工系主任，国家海外高层次青年人才，大型金属构件增材制造国家工程实验室激光精密加工方向学术带头人。专注跨尺度多材料激光精密制造核心装备和关键工艺等应用基础研究，主持国家级/省部级重点项目20余项，发表高水平SCI/EI学术论文100余篇，授权国内外发明专利20余项，出版英文专著章节5章，应用于罗罗、普惠、格芯等跨国500强企业，获中国机械工业科学技术发明二等奖等。

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