Die stetige Weiterentwicklung der OLED-Display-Herstellung

Exim-Laser sind zu einer wichtigen Schlüsseltechnologie bei der Herstellung von Flachbildschirmen geworden. Exim-Laser erzeugen hochenergetische Impulse im ultravioletten (UV) Lichtbereich und zeichnen sich durch ein äußerst gleichmäßiges Strahlintensitätsprofil sowie sehr geringe Energieschwankungen zwischen den Impulsen aus. 

Dank dieser einzigartigen Eigenschaften des Excimer-Lasers ist unserVYPERCoherent LineBeam-Systemauf Basis des VYPER-Excimerlasers ermöglichtdas Excimerlaser-Annealing(ELA). Bei der Herstellungvon Displaysfür Smartphones und Tablets ist das Laser-Annealing der auf Glas-Substraten aufgebrachten Siliziumschicht unerlässlich. ELA ist ein bewährtes Verfahren bei der Herstellung von OLED-Flachbildschirmen und hat sich als Industriestandard etabliert, 

Die einzigartigen UV-Impulseigenschaften von Excimer-Lasern bringen praktische Probleme hinsichtlich der Betriebszeit und der Betriebskosten mit sich. Die Lebensdauer der Excimer-Laserröhren ist kurz, sodass sie in voll ausgelasteten Produktionslinien für Flachbildschirme regelmäßig ausgetauscht werden müssen. Darüber hinaus müssen auch die optischen Fenster aufgrund der durch UV-Licht verursachten Alterung regelmäßig ausgetauscht werden.

Ausfallzeiten in der Display-Fertigung verursachen hohe Kosten. Hinzu kommt, dass die Kosten für regelmäßig auszutauschende Teile aufgrund der Wartungszyklen noch weiter steigen.

Allerdings gab es bislang keine Lasertechnologie, mit der sich die für ELA erforderlichen hochenergetischen UV-Impulse kostengünstig erzeugen ließen. Doch das gehört nun der Vergangenheit an. 

PYTHON wurde entwickelt.

Im Jahr 2019 startete bei Coherent im Rahmen eines kontinuierlichen Innovationszyklus zur Weiterentwicklung der Technologie ein Programm zur Entwicklung von LD-angeregten Festkörperlasern für ELA. Dr. Norman Hodgson, Chief Technology Officer der Lasersparte bei Coherent, erklärte dazu:„Unser Ziel war es, einen Laser zu entwickeln, der im Wesentlichen die gleichen Leistungseigenschaften wie unser VYPER-Excimer-Laser aufweist – der derzeit in allen ELA-Anlagen weltweit als Laserquelle zum Einsatz kommt –, dabei aber die Betriebskosten senkt. Dadurch lässt er sichin die bestehenden LineBeam-Systeme integrieren, sodass unsere Kunden die Laser-Annealing-Systeme ohne oder mit nur minimalen Anpassungen an ihren Prozessen nutzen können.“

„Es versteht sich von selbst, dass Coherent bereits über umfangreiche Erfahrung und Fachkenntnisse in der Entwicklung und Herstellung zuverlässiger Festkörperlaser verfügte. Das Problem war jedoch, dass so gut wie nichts von dem, was wir bis dahin aufgebaut hatten, für die Entwicklung eines Lasers genutzt werden konnte, der den extremen Anforderungen von ELA gerecht wurde. Wir mussten die Technologie von Grund auf neu erfinden.“

紫外線LD励起固体レーザは、一般的に、良好なビーム品質（M²<1.3）と1ミリジュール未満のパルスエネルギーを兼ね備えるように設計されます。これにより、非常に小さなスポットサイズにレーザを集約させることが可能になり、マイクロマシニング用の理想的なレーザソースが実現します。はるかに高い出力が要求される場合は、25という高いM²値と、最大40ミリジュールのパルスエネルギーを発揮するマルチモードレーザとして使用できます。

Allerdings,PYTHONgenannte Designziel unseres DPSS-VYPER-Ersatzes unterschied sich jedoch grundlegend von dem des DPSS-VYPER. Um die Strahleigenschaften des VYPER eins zu eins nachzubilden, waren ein weitaus höherer M²-Wert und eine Pulsenergie von 1 Joule erforderlich.

Designinnovation

Bei der Entwicklung eines Festkörperlasers mit den für ELA erforderlichen einzigartigen Ausgangseigenschaften gab es vor allem Herausforderungen in drei Bereichen.

Der erste Punkt betrifft die Herausforderungen im Zusammenhang mit den nichtlinearen Kristallen, die zur Umwandlung der ursprünglichen Infrarotstrahlung des Laserkristalls in UV-Strahlung verwendet werden. Die physikalische Größe des PYTHON-Kristalls und die vom PYTHON-Kristall verarbeitete Laserleistung übersteigen das bisherige Niveau von Laserkristallen bei weitem. Es mussten daher neue Methoden entwickelt werden, um den Umwandlungsprozess in dieser Größenordnung mathematisch zu modellieren.

Die Herstellung derart großer Kristalle in einer Qualität, wie sie insbesondere für Anwendungen mit hoher Laserleistung erforderlich ist, stellte eine enorme Herausforderung dar. Die Advanced Crystals Group von Coherent ist für das Züchten und die Bearbeitung dieser Kristalle zuständig. Um bei der Umstellung auf die Serienfertigung eine stabile Versorgung zu gewährleisten und gleichzeitig Kristalle in der geforderten Qualität zu entwickeln, war es unerlässlich, über diese Kompetenzen im eigenen Haus zu verfügen.

Die zweite geforderte technische Innovation ist die Entwicklung von Beschichtungen, die für alle optischen Systeme geeignet sind. Diese Beschichtungen müssen in der Lage sein, Bearbeitungen mit extrem hoher Laserfluenz standzuhalten, ohne dabei beschädigt zu werden. 

Beschichtungen, die eine hohe Laserschadensschwelle ermöglichen, gibt es zwar schon seit Jahrzehnten, doch für Beschichtungen, die für alle optischen Systeme geeignet sind, galten ganz eigene Anforderungen. Konkret mussten mehrere Anforderungen erfüllt werden, darunter die Strahlgröße, die Pulsenergie und die Bedingungen für eine Dauerbeleuchtung (da das System praktisch rund um die Uhr an 365 Tagen im Jahr in Betrieb ist). 

„Wir mussten eine neue Methode zur Beschichtungsentwicklung erarbeiten und auf der Grundlage von Lebenszyklustestergebnissen sowie Analysen der Beschichtung und der Bauteile selbst mehrere Iterationsrunden durchlaufen. Da die Betriebsbedingungen weit über den üblichen Leistungsbereich hinausgingen, reichte unser bisheriges Wissen nicht aus, um diese Anforderungen zu bewältigen“, erklärt Dr. Hodgson. 

Der dritte wichtige Innovationsbereich betraf die Technologie für die Q-Schaltung von Lasern. Bei der Q-Schaltung von Lasern muss ein Modulator im Inneren des Laserresonators platziert werden, um hochenergetische Impulse mit einer Impulsbreite im Bereich von einigen zehn Nanosekunden zu erzeugen. Dieses Verfahren ist weit verbreitet und wird inCoherent eingesetzt.

Allerdings muss ich noch einmal betonen, dass die herkömmlichen Ansätze angesichts der Laserleistung und der Strahlgröße von PYTHON nicht zum Erfolg führten. Aus diesem Grund entwickelte das Team von Coherent eine neue, eigens für PYTHON konzipierte Pulsgenerierungstechnologie. 

Bildung multinationaler Teams

Dank unseres breit gefächerten Ingenieurteams konnten alle oben genannten Innovationen zügig umgesetzt werden. Dieses Team setzte sich aus technischen Experten für die Bereiche LD-angeregte Festkörperlaser, Architektur von angeregten Halbleiterlasern, Frequenzkonversionstechniken, Kristallzüchtung und Beschichtungsverfahren zusammen. 

Dank des Engagements dieser Technikexperten war bereits sechs Monate nach Programmstart der erste einsatztaugliche Laser-Prototyp fertiggestellt.Etwa ein Jahr später wurden zwei Prototypen von Lasersystemen fertiggestellt, die die angestrebte Leistung von 600 W erreichten.Diese Laserwurdenin das LineBeam-Werkzeugintegriert, und es wurden Laser-Annealing-Tests durchgeführt. Nachdem bei diesen Tests gute Ergebnisse erzielt worden waren, wurde mit der Konstruktion und dem Testen des Endprodukts begonnen, und nach weiteren etwa anderthalb Jahren war das Endprodukt fertiggestellt. 

Dr. Hodgson erklärte: „Die Entwicklung von PYTHON war das schwierigste Projekt meiner beruflichen Laufbahn. Denn für PYTHON mussten fast alle Laserkomponenten speziell angefertigt werden.Ohne die starke vertikale Integration bei Coherent wäre dies meiner Meinung nach nicht möglich gewesen. Es war erforderlich, die Technologien in den Bereichen Frequenzkonversion, Q-Schaltung, dielektrische Beschichtung und Kristallzüchtung weiterzuentwickeln. Nur weil wir über interne Experten auf höchstem Niveau verfügen, die die interne Entwicklung der Technologien und die Eigenfertigung der Produkte ermöglichen, konnten wir diese Technologien weiterentwickeln. Dank dessen sind wir in der Lage, die geforderte Leistung, Qualität und Steuerungsgenauigkeit zu erreichen.“

Derzeit ist PYTHON eine Alternative für ELA, die nicht nur eine Senkung der Betriebskosten um 50 % ermöglicht, sondern auch zu besseren Ergebnissen beim Laser-Annealing führt. Weitere Informationen finden Sie unterPYTHON.

Der PYTHON-Laser (Göttingen, Deutschland –Coherent), der zur Durchführung von Laser-Annealing-Tests im LineBeam-System installiert wurde.

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