Laser in der Displayherstellung: Annealing mit dem Excimerlaser

Die AMOLED-Displays, die heute in den meisten Handys zum Einsatz kommen, sind großartig – hell und scharf – und unter der Oberfläche haben die Hersteller sie so konstruiert, dass sie weniger Strom verbrauchen. Das ist wichtig, denn das Display verbraucht in der Regel mehr Akkuleistung als alle anderen Teile des Telefons. Es steckt eine enorme Menge an Technologie dahinter, um all dies zu ermöglichen. Und die Coherent spielen dabei eine absolut entscheidende Rolle. In dieser sechsteiligen Blogserie werden wir uns einige der Möglichkeiten ansehen, wie Laser bei der Herstellung von Displays eingesetzt werden. 

Einer der wichtigsten Prozesse, die von Coherent ausgeführt werden, findet bereits im ersten Schritt der Herstellung des Bauteilkreises statt. Dabei wird eine dünne Schicht Silizium – der Halbleiter, der das Herzstück aller modernen Festkörperelektronik bildet – auf einer großen Platte, dem sogenannten „Mutterglas“, abgeschieden. Heute sind diese Muttergläser in der Regel 1,5 m x 1,85 m (GEN 6,5) groß, obwohl die Mobiltelefonhersteller sie noch größer machen wollen, um die Kosten für die einzelnen Displays zu senken.  

Das Problem ist schwer zu fassen

Aber es gibt ein kleines Problem mit dieser Siliziumschicht. Bei der chemischen Gasphasenabscheidung wird amorphes Silizium hergestellt. In amorphem Silizium sind die einzelnen Atome unregelmäßig und ungeordnet verteilt. Schaltkreise aus amorphem Silizium weisen keine guten elektronischen Eigenschaften auf, was bedeutet, dass das Display dunkler ist und mehr Batteriestrom verbraucht. 

Im Gegensatz dazu werden die integrierten Schaltkreise in Mobiltelefonen und allen anderen elektronischen Geräten, die wir heute nutzen, aus einkristallinem Silizium hergestellt. In einkristallinem Silizium sind die Atome in hohem Maße geordnet. Diese Anordnung führt zu sehr guten elektronischen Eigenschaften und ist einer der Gründe, warum moderne Mikroprozessoren so rasend schnell sind.

Leider lassen sich die Techniken, mit denen die für Mikroprozessoren verwendeten einkristallinen Siliziumscheiben hergestellt werden, nicht auf die Größe einer Mutterglasscheibe skalieren. Aber es gibt noch eine dritte Form von Silizium – polykristallines Silizium –, bei der die Atome ziemlich regelmäßig angeordnet sind. Die wichtigste Kennzahl ist hier die Elektronenbeweglichkeit. Die Elektronenbeweglichkeit von polykristallinem Silizium kann bis zu 200 Mal höher sein als die von amorphem Silizium (und die Elektronenbeweglichkeit von einkristallinem Silizium ist in der Regel mindestens doppelt so hoch wie die von polykristallinem Silizium). Die Verwendung von polykristallinem Silizium ist ein wichtiger Faktor dafür, dass die aktuellen Displays so brillant sind. 

Eine brillante Idee für die Display-Produktion

Wie kommt man also an polykristallines Silizium? Eigentlich ist das gar nicht so schwer – zumindest in der Theorie. Es reicht aus, die amorphe Siliziumschicht zu erhitzen, bis sie schmilzt, und sie dann schnell abzukühlen, damit sie sich in der polykristallinen Form wieder verfestigt.

Das Problem ist, dass man das Silizium auf etwa 600 °C erhitzen muss, um es zu schmelzen. Diese hohe Temperatur und die damit verbundenen schnellen Temperaturwechsel würden jedoch Paneele aus normalem Glas beschädigen und erfordern stattdessen die Verwendung teurer, hitzebeständiger Gläser. Das würde Displays deutlich verteuern, vor allem, wenn die Hersteller immer größere Glaspanels herstellen.  

Die Lösung ist eine Technologie namens Excimerlaser-Annealing (ELA), die zur Herstellung von polykristallinem Niedertemperatur-Silizium (LTPS) eingesetzt wird. Und sie basiert auf Coherent. 

Der Grund für den Einsatz von Excimerlasern liegt darin, dass sie die einzige Quelle sind, die sehr starke Impulse von ultraviolettem Licht erzeugen kann. Silizium absorbiert ultraviolettes Licht in hohem Maße, was in Kombination mit der hohen Pulsenergie dazu führt, dass die dünne Siliziumschicht mit nur wenigen Laserpulsen schnell geschmolzen wird. Diese nahezu vollständige Schmelze ist entscheidend für die richtige polykristalline Bildung und die gewünschten elektronischen Eigenschaften.  

Der Ausgangsstrahl eines Excimerlasers wird zu einem schmalen Linienstrahl geformt; dieser wird schnell über das Mutterglas gescannt, um die ELA effizient durchzuführen.

Die hohe Absorption Siliziums verhindert zudem, dass das UV-Licht tief in die darunter liegende Glas- oder Polyamid (PI)-Schicht bei flexiblen Displays eindringt. Das Glas selbst wird also während des Annealing-Prozesses nicht heiß, auch wenn das Silizium vollständig geschmolzen ist. Aus diesem Grund kann ELA auf handelsüblichen, kostengünstigen Glaspanels durchgeführt werden. Aus diesem Grund ist ELA die einzige Methode zur Herstellung von LTPS für AMOLED-Mobiltelefondisplays. 

Um ELA auf großen Glasplatten durchzuführen, wird der normalerweise rechteckige Strahl des Excimerlasers in einen schmalen Linienstrahl umgewandelt, der in der Regel die Breite der Platte hat. Dieser schmale Linienstrahl wird auf die Glasplatte fokussiert und über deren gesamte Länge gescannt, um das gewünschte Schmelzen und die Rückverfestigung des Siliziums zu erreichen.
 

Produktions-ELA

Jedes Jahr werden etwa 1,5 Milliarden Mobiltelefone hergestellt. Jeder der großen Hersteller produziert täglich etwa eine Million Mobiltelefone. Es versteht sich von selbst, dass diese Unternehmen ihre Produktionsprozesse äußerst zuverlässig und kostengünstig gestalten wollen. Denn bei diesen Stückzahlen kostet alles, was das Fließband auch nur kurzzeitig aufhält oder zu Ausschuss führt, enorm viel Geld. 

Die LineBeam-Systeme von Coherent die kostengünstige ELA-Lösung für hohe Stückzahlen, die von allen großen Displayherstellern eingesetzt wird.

Die einzige Möglichkeit für Coherent, wirklich sicherzustellen, dass die ELA-Produktion die von den Herstellern geforderte Qualität, Zuverlässigkeit, den Durchsatz und die Kosteneigenschaften erreicht, besteht darin, integrierte UV-Laser und optische Systeme zu liefern – unser Coherent . Denn ELA-Systeme, die in der Praxis in großen Stückzahlen eingesetzt werden, bestehen aus mehreren verschiedenen Komponenten, von denen jede einzelne gut funktionieren und auch mit den anderen Teilen des Systems einwandfrei zusammenarbeiten muss. Zu diesen Komponenten gehören:

• Excimerlaser – dieVYPER von Coherent–, die für die Erzeugung von Impulsen mit sehr hoher Energie bei hohen Wiederholraten (zur Erreichung der erforderlichen Durchsatzgeschwindigkeiten) ausgelegt sind und sich durch außerordentliche Stabilität sowie eine lange Lebensdauer auszeichnen. 
• LineBeam-Optik, die den rechteckigen Excimerlaserstrahl in eine lange, schmale Linie mit extrem gleichmäßiger Intensität umwandelt. Dies ist notwendig, damit die Eigenschaften des ELA-Prozesses nicht von der Position entlang des Strahls abhängen.
• Aktive Überwachungs- und Kontrollsysteme zur Überprüfung und Sicherstellung der Prozessqualität und -konsistenz.

ELA ist ein unverzichtbares Werkzeug bei der Herstellung hochwertiger Displays. Und daran wird sich in absehbarer Zeit auch nichts ändern, denn Coherent seine LineBeam-Systeme kontinuierlich, um größere Formate des Mutterglases zu verarbeiten, das die Hersteller für die nächste Generation größerer Mobiltelefone und Tablets verwenden wollen.  

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