Laser in der Displayherstellung: Excimer-Laser-Anlassen

Die AMOLED-Displays (Active Matrix Organic Light Emitting Diode), die derzeit in den meisten Mobiltelefonen zum Einsatz kommen, zeichnen sich durch eine hervorragende Bildqualität (hohe Helligkeit und Schärfe) aus. Hinter den Kulissen arbeiten die Hersteller daran, den Stromverbrauch zu senken. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da das Display in der Regel mehr Akkuleistung verbraucht als jeder andere Teil des Mobiltelefons. Um dies zu erreichen, wird eine Vielzahl von Technologien eingesetzt. DabeiCoherent-Laser eine unverzichtbare und wichtige Rolle. In dieser sechsteiligen Blogserie stellen wir Ihnen konkret vor, wie Laser bei der Herstellung von Displays eingesetzt werden. 

Eines der wichtigsten Bearbeitungsverfahren mit kohärenten Lasernfindet in der ersten Phase der Herstellung von Schaltkreisen statt. Konkret handelt es sich dabei um den Aufdampfprozess, bei dem dünne Schichten aus Silizium – dem Halbleiter, der das Herzstück der modernen Festkörperelektronik bildet – auf große Platten, sogenannte „Muttergläser“, aufgebracht werden.Derzeit sind diese Mother-Glass-Platten üblicherweise 1,5 m x 1,85 m groß (6,5. Generation), doch die Hersteller von Mobiltelefonen streben eine weitere Vergrößerung an,um die Kosten für einzelne Displays zu senken.

Das Problem ist das Amorph.

Diese Siliziumschicht weist jedoch ein kleines Problem auf. Bei der zur Herstellung verwendeten chemischen Gasphasenabscheidung entsteht amorphes Silizium. Bei amorfem Silizium sind die einzelnen Atome unregelmäßig und ungeordnet angeordnet. Schaltungen aus amorfem Silizium weisen schlechte elektrische Eigenschaften auf, was dazu führt, dass das Display dunkler wird und der Stromverbrauch steigt. 

Im Gegensatz dazu werden die integrierten Schaltkreise aller elektronischen Geräte, angefangen bei Mobiltelefonen, aus monokristallinem Silizium hergestellt. Bei monokristallinem Silizium sind die Atome in einer hochgradig geordneten Struktur angeordnet, was zu hervorragenden elektronischen Eigenschaften führt. Dies ist einer der Gründe dafür, dass moderne Mikroprozessoren so erstaunlich schnell sind.

Leider lässt sich die Technologie zur Herstellung von Einkristall-Siliziumwafern für Mikroprozessoren nicht so weit skalieren, dass Wafer hergestellt werden können, deren Größe der von Mutterglasplatten nahekommt.Es hat sich jedoch herausgestellt, dass es eine Form von Silizium gibt, bei der die Atome regelmäßig angeordnet sind: „polykristallines Silizium“. Ein wichtiger Indikator hierfür ist die Elektronenbeweglichkeit, die bei polykristallinem Silizium bis zu 200-mal höher ist als bei amorphem Silizium (die Elektronenbeweglichkeit von monokristallinem Silizium ist normalerweise mehr als doppelt so hoch wie die von polykristallinem Silizium). Die Verwendung von polykristallinem Silizium ist ein wesentlicher Faktor für die aktuelle Entwicklung von Displays. 

Hervorragende Ideen für die Display-Herstellung

Wie kommt man nun an polykristallines Silizium? Zumindest theoretisch ist das gar nicht so schwer. Man muss die Schicht aus amorphem Silizium so lange erhitzen, bis sie schmilzt, und sie anschließend schlagartig abkühlen, damit sie zu polykristallinem Silizium erstarrt.

Das Problem besteht darin, dass das Silizium auf etwa 600 °C erhitzt werden muss, um es zu schmelzen. Aufgrund dieser hohen Temperatur und der damit verbundenen starken Temperaturschwankungen würden Panels aus normalem Glas jedoch zerbrechen, sodass stattdessen teures hitzebeständiges Glas verwendet werden muss. In diesem Fall werden die Displays umso teurer, je größer die Hersteller die Glaspanels gestalten.  

Die Lösung für dieses Problem ist eine Technologie namens „Excimer-Laser-Annealing“ (ELA), die bei der Herstellung von Niedertemperatur-Polykristallinem Silizium (LTPS) zum Einsatz kommt. Diese Technologie basiertauf Excimer-Lasern von Coherent. 

Der Grund für den Einsatz eines Excimer-Lasers liegt darin, dass er die einzige Lichtquelle ist, die extrem starke UV-Impulse erzeugen kann. Da Silizium UV-Strahlung stark absorbiert, kann in Verbindung mit der hohen Impulsenergie eine dünne Siliziumschicht bereits mit wenigen Laserimpulsen rasch aufgeschmolzen werden. Diese nahezu vollständige Schmelze ist unerlässlich, um eine korrekte polykristalline Struktur und die gewünschten elektronischen Eigenschaften zu erzielen.  

Durch die Umwandlung der Leistung des Excimer-Lasers in einen schmalen Linienstrahl und dessen schnelle Abtastung auf dem Mutterglas lässt sich die ELA effizient durchführen.

Da Silizium zudem eine hohe Absorptionsrate aufweist, dringt nur wenig UV-Licht bis zum darunterliegenden Glas (bei flexiblen Displays die Polyamidschicht (PI)) durch. Selbst wenn das Silizium während des ELA-Prozesses vollständig geschmolzen wird, erwärmt sich das Glas selbst daher nicht. Aus diesem Grund kann der ELA-Prozess mit herkömmlichen, kostengünstigen Glasplatten durchgeführt werden. Dies ist der Grund, warum es für die Herstellung von LTPS für AMOLED-Displays in Mobiltelefonen keine andere Methode als ELA gibt. 

Um ELA auf einer großen Glas-Substratplatte durchzuführen, wird der üblicherweise rechteckige Strahl des Excimer-Lasers in einen schmalen Linienstrahl umgewandelt, der dieselbe Breite wie das Panel aufweist. Indem dieser schmale, linienförmige Strahl auf die Glasplatte gerichtet und über deren gesamte Länge abgetastet wird, werden das Schmelzen und die erneute Verfestigung des Siliziums erreicht.
 

ELA in der Fertigung

Jährlich werden etwa 1,5 Milliarden Mobiltelefone hergestellt. Die führenden Hersteller produzieren täglich etwa eine Million Mobiltelefone. Selbstverständlich legen diese Unternehmen bei ihren Fertigungsverfahren großen Wert auf hohe Zuverlässigkeit und niedrige Kosten. Denn bei einer solchen Massenproduktion entstehen schon bei einem kurzen Stillstand der Montagelinie oder bei der Entstehung von Ausschuss enorme Kosten. 

Coherent wird von führenden Display-Herstellern als kostengünstige ELA-Lösung für die Serienfertigung eingesetzt.

Um die von der Fertigungsindustrie geforderten Anforderungen an Qualität, Zuverlässigkeit, Durchsatz und Kosten zu erfüllen, bietet CoherentCoherent eine integrierte LösungCoherent an.Dies ist der einzige Weg, um ELA für die Fertigung zuverlässig zu realisieren. In der Praxis bestehen ELA-Systeme für die Massenproduktion aus mehreren unterschiedlichen Komponenten, die jeweils eine hervorragende Leistung erbringen und zudem perfekt mit den anderen Teilen des Systems zusammenarbeiten müssen. Zu diesen Komponenten gehören:

• Excimer-Laser (Coherent ). Diese sind so konstruiert, dass sie Impulse mit extrem hoher Energie bei hoher Wiederholungsrate (um den erforderlichen Durchsatz zu erreichen) mit außergewöhnlicher Stabilität und langer Lebensdauer liefern können.
• LineBeam-Optik. Sie wandelt das rechteckige Licht des Excimer-Lasers in einen schmalen Strahl mit äußerst stabiler Intensität um. Dies ist erforderlich, damit sich die Eigenschaften des ELA-Bearbeitungsverfahrens nicht je nach Position entlang des Strahls ändern.
• Ein aktives Überwachungs- und Steuerungssystem zur Überprüfung und Gewährleistung der Qualität und Konsistenz der Verarbeitungsprozesse.

ELA istfür die HerstellunghochwertigerFlachbildschirmeunverzichtbar. An dieser Situation wird sich so schnell nichts ändern. Coherent baut sein LineBeam-System kontinuierlich aus, um den Anforderungen der Hersteller gerecht zu werden, die immer größere Muttergläser für die nächste Generation von Smartphones und Tablets benötigen.

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