Ein wichtiger Fortschritt bei der Herstellung von OLED-Displays

Excimerlaser sind eine Schlüsseltechnologie bei der Herstellung von Displays. Sie erzeugen hochenergetische Impulse aus ultraviolettem (UV) Licht mit sehr geringen Schwankungen der Energie von Impuls zu Impuls und einem homogenen Strahlintensitätsprofil. 

Diese einzigartigen Eigenschaften ermöglichen das Excimerlaser-Annealing (ELA) mit Coherent LineBeam-Systemen auf Basis unserer VYPER Excimerlasern. Das Annealen der Siliziumschichten auf dem Glassubstrat ist entscheidend für die Herstellung von Smartphone- undTablet-Displays. ELA ist der Referenzprozess in der Produktion von OLED-Displays, der Standard, nach dem sich die Branche organisiert hat. 

Die einzigartigen UV-Impulseigenschaften von Excimerlasern gehen jedoch mit bestimmten Betriebszeiten und Betriebskosten einher. Die Excimerlaserröhren haben eine begrenzte Lebensdauer; sie müssen in einer voll ausgelasteten Produktionslinie für Displays regelmäßig ausgetauscht werden. Darüber hinaus müssen einige optische Fenster aufgrund der durch UV-Licht verursachten Materialverschleißerscheinungen regelmäßig ausgetauscht werden.

Ausfallzeiten sind in einer Display-Produktionslinie kostspielig, und die Wartungszyklen erhöhen die Kosten für Verbrauchsmaterial und Ersatzteile.

Bislang gab es jedoch keine kostengünstigere Lasertechnologie, die die für ELA erforderlichen hochenergetischen UV-Impulse erzeugen konnte. Bis jetzt. 

Der PYTHON entwickelt

Das Programm zur Entwicklung eines diodengepumpten Festkörperlasers (DPSS) für ELA wurde bei Coherent als Teil eines kontinuierlichen Innovationszyklus, der die Technologie vorantreibt, ernsthaft in Angriff genommen. „Unser Ziel war es, einen kostengünstigeren Laser mit im Wesentlichen identischen Leistungsmerkmalen wie unser VYPER zu entwickeln, der derzeit die Quelle für alle ELA-Produktionsanlagen weltweit ist“, erklärt Dr. Norman Hodgson, Chief Technology Officer für das Lasersegment Coherent . „Damit können wir ihn in unsere aktuellen LineBeam-Systeme integrieren und unseren Kunden ermöglichen, das Annealing-System mit geringen oder gar keinen Anpassungen ihres Prozesses zu nutzen.“

Coherent bereits über enorme Erfahrung und Fachkompetenz bei der Entwicklung und Herstellung hochzuverlässiger Festkörperlaser. Das Problem ist, dass bisher fast nichts unternommen wurde, um einen Laser zu entwickeln, der den extremen Anforderungen von ELA gerecht wird. Wir mussten ganz von vorne anfangen und eine neue Technologie erfinden.“

Ultraviolette DPSS-Laser sind in der Regel auf eine gute Strahlqualität (M²<1,3) und Pulsenergien von weniger als einem Millijoule ausgelegt. Dadurch können sie auf eine sehr kleine Punktgröße fokussiert werden und sind eine ideale Quelle für die Mikromaterialbearbeitung. Wenn eine viel höhere Leistung erforderlich ist, kann der Laser auch im Multi-Mode betrieben werden, mit einem M² von bis zu 25 und Pulsenergien von bis zu 40 Millijoule.

Aber das Entwicklungsziel für unserenVYPER – genannt PYTHON – war ein völlig anderes. Wir benötigten eine viel höhere M² und eine Pulsenergie von 1 Joule, um die Strahleigenschaften des VYPER duplizieren.

Design-Innovationen

Die Herausforderung bei der Entwicklung eines Festkörperlasers mit den für ELA erforderlichen einzigartigen Leistungsmerkmalen lag vor allem in drei verschiedenen Bereichen.

Die erste betraf die nichtlinearen Kristalle, die dazu dienen, die ursprüngliche Infrarotstrahlung des Laserkristalls in UV-Strahlung umzuwandeln. Die physikalische Größe der PYTHON und die Menge an Laserleistung, die sie bewältigen können, unterscheiden sich deutlich von allem, was es zuvor gab. Selbst die mathematische Modellierung des Umwandlungsprozesses in dieser Größenordnung erforderte die Entwicklung neuer Methoden.

Die Herstellung dieser großen Kristalle, insbesondere in der Qualität, die für die hohen Laserleistungen erforderlich ist, stellte ebenfalls eine enorme Herausforderung dar. Coherent und fertigt diese Kristalle in unserer eigenen „Advanced Crystals Group“. Diese Kompetenz im eigenen Haus zu haben, war entscheidend für die Entwicklung von Kristallen mit der erforderlichen Qualität und die Gewährleistung einer zuverlässigen Versorgung, wenn wir in die Produktion einsteigen.

Die Entwicklung von Beschichtungen für alle Optiken war ein weiterer Meilenstein. Diese müssen den extrem hohen Laserfluenzen standhalten, ohne beschädigt zu werden. 

Beschichtungen mit einer hohen Laserschadensschwelle gibt es zwar schon seit vielen Jahrzehnten, doch diese Anwendung stellte eine Reihe einzigartiger Anforderungen. Konkret ging es dabei um die Kombination aus Strahlgröße, Pulsenergie und kontinuierlichen Bestrahlungsbedingungen (da die Systeme praktisch rund um die Uhr betrieben werden – 24/7). 

„Wir mussten neuartige Beschichtungsdesigns entwickeln und anschließend mehrere Designiterationen auf der Grundlage von Lebensdauertestergebnissen sowie Analysen der Beschichtungen und Komponenten selbst durchführen. Das lag daran, dass wir uns so weit außerhalb des normalen Leistungsrahmens bewegen, dass nichts, was wir bisher kannten, gut genug funktionierte“, bemerkt Hodgson. 

Der letzte große Innovationsbereich betraf die Technologie, die für die Pulsmodulation des Lasers eingesetzt wurde. Dabei wird ein Modulator in den Laserresonator eingebaut, um hochenergetische Pulse mit Pulsbreiten im Bereich von zehn Nanosekunden zu erzeugen. Dies ist eine weit verbreitete Technik, die in vielen Coherent zum Einsatz kommt.

Aber auch hier machten die Laserleistung und die Strahlgröße des PYTHON herkömmlichen Ansatz unbrauchbar. Deshalb hat das Coherent für den PYTHON neue, firmeneigene Pulsationstechnologie entwickelt. 

Ein multinationales Team nimmt Gestalt an

All diese Innovationen konnten dank eines multidisziplinären Ingenieurteams schnell umgesetzt werden. Es setzte sich aus Technologieexperten für DPSS-Laserdesign, Pumpdiodenarchitekturen, Frequenzwandlungstechniken, Kristallzüchtung und Beschichtungsverfahren zusammen. 

Als Ergebnis ihrer Bemühungen war das erste Breadboard des Lasers bereits sechs Monate nach Beginn des Programms einsatzbereit. Zwei Prototyp-Lasersysteme mit der gewünschten Ausgangsleistung von 600 W wurden etwa ein Jahr später fertiggestellt. Diese Laser wurden dann in ein LineBeam-Gerät integriert, um Annealing-Tests durchzuführen. Als sich diese als erfolgreich erwiesen, begannen wir mit der Entwicklung und dem Testen des Endprodukts. All dies wurde in etwa 1½ Jahren abgeschlossen. 

„Die Entwicklung des PYTHON das anspruchsvollste Projekt meiner Karriere, da praktisch jede Laserkomponente speziell dafür entwickelt werden musste“, erklärt Hodgson. „Und ich kann mir nicht vorstellen, dass wir dies ohne die vertikale Integration innerhalb von Coherent erreichen können. Wir mussten die Technologie für Frequenzkonversion, Güteumschaltung, dielektrische Beschichtungen und Kristallzüchtung weiterentwickeln. Dies gelang uns nur, weil wir über erstklassige technische Experten verfügen, die diese Technologien entwickeln und all diese Produkte im eigenen Haus herstellen. Dadurch können wir das erforderliche Leistungs-, Qualitäts- und Kontrollniveau erreichen.“

PYTHON nun eine Alternative zu ELA, die 50 % niedrigere Betriebskosten ermöglicht und sogar die Annealing-Ergebnisse verbessert. Erfahren Sie mehr über PYTHON.

Ein PYTHON wird in ein LineBeam-System eingebaut, um bei Coherent Göttingen Glühprüfungen durchzuführen.

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