Laser in der Displayherstellung: Excimer-Laser-Anlassverfahren

Die AMOLED-Displays, die heute in den meisten Mobiltelefonen zum Einsatz kommen, sind äußerst farbenprächtig, hell und scharf und wurden so konzipiert, dass sie unter der Oberfläche weniger Strom verbrauchen. Dies ist besonders wichtig, da das Display in der Regel mehr Akkuleistung verbraucht als jede andere Komponente des Mobiltelefons. Damit all dies tatsächlich funktioniert, kommt eine enorme Menge an Technologie zum Einsatz. Und Coherent spielen dabei eine absolut entscheidende Rolle. In dieser sechsteiligen Blogserie werden wir uns einige konkrete Anwendungsbereiche von Lasern bei der Herstellung von Displays ansehen. 

Einer der wichtigsten Prozesse, der Coherent durchgeführt wird, findet in der ersten Phase der Herstellung von Geräteschaltungen statt. Dabei wird eine dünne Schicht aus Silizium – dem Halbleiter, der das Herzstück aller modernen Festkörperelektronikgeräte bildet – auf eine große Platte aufgebracht, die als „Mutterglas“ bezeichnet wird. Heutzutage sind diese Mother-Glass-Platten in der Regel 1,5 m x 1,85 m groß (GEN 6.5), doch die Hersteller von Mobiltelefonen möchten sie vergrößern, um die Kosten für einzelne Displays zu senken.  

Das Problem ist die Formlosigkeit

Allerdings gibt es bei dieser Siliziumschicht ein kleines Problem. Das zur Herstellung verwendete chemische Gasphasenabscheidungsverfahren erzeugt amorphes Silizium. In amorphem Silizium sind die einzelnen Atome unregelmäßig und ungeordnet angeordnet. Schaltkreise aus amorphem Silizium weisen schlechte elektrische Eigenschaften auf, wodurch das Display dunkler wird und mehr Batterieleistung verbraucht. 

Im Gegensatz dazu werden die integrierten Schaltkreise in Mobiltelefonen und alle anderen elektronischen Geräte, die wir heute verwenden, aus einkristallinem Silizium hergestellt. Die Atome sind in einkristallinem Silizium äußerst regelmäßig angeordnet. Diese Anordnung sorgt für hervorragende elektronische Eigenschaften, was einer der Gründe dafür ist, dass moderne Mikroprozessoren so unglaublich schnell sind.

Die Technologien zur Herstellung von Einkristall-Siliziumwafern, die in Mikroprozessoren zum Einsatz kommen, lassen sich jedoch nicht auf die Größe von Mutterglasplatten übertragen. Es ist jedoch bekannt, dass es eine dritte Form von Silizium gibt, das sogenannte polykristalline Silizium, bei dem die Atome relativ regelmäßig angeordnet sind. Der entscheidende Indikator hierbei ist die Elektronenbeweglichkeit, und die Elektronenbeweglichkeit von polykristallinem Silizium kann bis zu 200-mal höher sein als die von amorphem Silizium (die Elektronenbeweglichkeit von monokristallinem Silizium ist im Allgemeinen mindestens doppelt so hoch wie die von polykristallinem Silizium). Die Verwendung von polykristallinem Silizium ist der Hauptgrund dafür, dass Displays heutzutage so fantastisch sind. 

Gute Ideen für die Display-Produktion

Wie lässt sich also polykristallines Silizium herstellen? Zumindest theoretisch ist das gar nicht so schwer. Man muss lediglich eine Schicht aus amorphem Silizium so lange erhitzen, bis sie schmilzt, und sie dann schnell abkühlen, damit sie in polykristalliner Form wieder erstarrt.

Das Problem ist, dass das Silizium auf etwa 600 °C erhitzt werden muss, um es zu schmelzen. Diese hohen Temperaturen und die damit verbundenen schnellen Temperaturwechsel beschädigen jedoch Panels aus normalem Glas, sodass stattdessen teures hitzebeständiges Glas verwendet werden muss. Aus diesem Grund werden die Preise für Displays deutlich steigen, insbesondere wenn die Hersteller auf größere Glaspanels umsteigen.  

Bei der Lösung handelt es sich um eine Technologie namens „Excimer-Laser-Annealing“ (ELA), die zur Herstellung von Niedertemperatur-Polykristallinem Silizium (LTPS) eingesetzt wird. Dabei kommt einCoherent zum Einsatz. 

Der Grund für den Einsatz des Excimer-Lasers liegt darin, dass er die einzige Lichtquelle ist, die sehr starke UV-Impulse erzeugen kann. Silizium absorbiert UV-Strahlung stark, sodass es in Verbindung mit der hohen Impulsenergie bereits nach wenigen Laserimpulsen schnell schmilzt. Dieses nahezu vollständige Schmelzen ist für die Bildung der richtigen Polykristallstruktur und das Erreichen der gewünschten elektronischen Eigenschaften unerlässlich.  

Die Leistung des Excimer-Lasers wird in einen schmalen Strahl gebündelt. Dieser wird schnell über das Mutterglas gescannt, um die ELA effizient durchzuführen.

Die hohe Absorptionsfähigkeit von Silikon verhindert zudem, dass UV-Strahlen in großem Umfang unter das Glas oder – bei flexiblen Displays – in die Polyamidschicht (PI) eindringen. Selbst wenn das Silikon vollständig schmilzt, erwärmt sich das Glas während des ELA-Prozesses daher nicht. Aus diesem Grund kann ELA auf kostengünstigen Standard-Glasplatten durchgeführt werden. Dies ist der Grund, warum ELA die einzige Methode zur Herstellung von LTPS für AMOLED-Displays in Mobiltelefonen ist. 

Um ELA auf großen Glas-Substraten durchzuführen, wird der üblicherweise rechteckige Strahl des Excimer-Lasers in der Regel in einen schmalen Linienstrahl umgewandelt, der der Breite der Platte entspricht. Dieser schmale Linienstrahl wird auf die Glasplatte fokussiert und über deren gesamte Länge abgetastet, um die gewünschte Schmelze und Erstarrung des Siliziums zu erreichen.
 

ELA-Produktion

Jedes Jahr werden etwa 1,5 Milliarden Mobiltelefone hergestellt. Jeder der führenden Hersteller produziert täglich etwa eine Million Mobiltelefone. Es versteht sich von selbst, dass diese Unternehmen einen äußerst stabilen und kostengünstigen Produktionsprozess anstreben. Denn bei solchen Produktionsmengen entstehen enorme Kosten, wenn die Fertigungslinie auch nur für einen Moment stillsteht oder Ausschuss entsteht. 

Das Coherent -System ist eine kostengünstige ELA-Lösung mit hoher Kapazität, die von allen führenden Display-Herstellern eingesetzt wird.

Der einzige Weg, mit dem Coherent sicherstellen kann, dass die von den Herstellern geforderten Anforderungen an Qualität, Zuverlässigkeit, Durchsatz und Kosten erfüllt werden, ist die Bereitstellung Coherent – einem integrierten UV-Laser- und Optiksystem. Da ELA-Systeme mit hoher Kapazität in der Branche mehrere verschiedene Komponenten vereinen, muss jede einzelne Komponente nicht nur einwandfrei funktionieren, sondern auch nahtlos mit den anderen Teilen des Systems zusammenarbeiten. Zu diesen Komponenten gehören:

• Excimer-Laser –Coherent VYPER – wurden entwickelt, um Energieimpulse mit sehr hoher Energie und hoher Wiederholungsrate zu liefern (um die erforderliche Bearbeitungsgeschwindigkeit zu erreichen) und zeichnen sich durch hervorragende Stabilität sowie eine lange Lebensdauer aus. 
• Die LineBeam-Optik, die einen rechteckigen Excimer-Laserstrahl nutzt, wandelt diesen in eine lange, schmale Linie mit sehr gleichmäßiger Intensität um. Dies ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die Eigenschaften des ELA-Prozesses nicht von der Position entlang des Strahls abhängen.
• Ein aktives Überwachungs- und Steuerungssystem zur Überprüfung und Gewährleistung der Prozessqualität und -konsistenz.

ELA ist ein unverzichtbares Werkzeug für die Herstellung hochwertiger Flachbildschirme. Und da Coherent sein LineBeam-System kontinuierlich erweitert, um die größeren Muttergläser zu bearbeiten, die Hersteller für die nächste Generation großer Smartphones und Tablets einsetzen wollen, wird sich daran wohl so schnell nichts ändern.  

Weiterführende Ressourcen