Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Herstellungsverfahren für OLED-Displays

Der Excimer-Laser war eine zentrale Schlüsseltechnologie im Herstellungsprozess von Flachbildschirmen (FPD). FPD-Hersteller erzeugen hochenergetische UV-Impulse, die sich durch sehr geringe Energieabweichungen zwischen den einzelnen Impulsen und ein äußerst gleichmäßiges Strahlintensitätsprofil auszeichnen. 

Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaften ist unser VYPER Eximer-Laser-basierte Line-Beam-Systemevon Coherent das Eximer-Laser-Annealing(ELA) ermöglichen. Das Annealing der Siliziumschicht auf dem Glassubstrat ist bei der Herstellung vonSmartphone- und Tablet-Displaysvon entscheidender Bedeutung. ELA ist ein Standardprozess in der OLED-FPD-Produktion und hat sich in der Branche als Industriestandard etabliert. 

Die einzigartigen UV-Impulseigenschaften des Excimer-Lasers bringen jedoch praktische Probleme hinsichtlich der Betriebszeit und der Betriebskosten mit sich. Excimer-Laserröhren haben eine begrenzte Lebensdauer und müssen regelmäßig ausgetauscht werden, wenn die FPD-Produktionslinie mit voller Kapazität läuft. Zudem müssen einige optische Fenster aufgrund von durch UV-Strahlung verursachter Alterung regelmäßig ausgetauscht werden.

Ausfallzeiten führen zu höheren Kosten in der Display-Produktion, und durch regelmäßige Wartungsarbeiten entstehen zusätzliche Kosten für den Austausch von Verbrauchsmaterialien.

Allerdings gab es bisher keine kostengünstige Lasertechnologie, mit der sich die für ELA erforderlichen hochenergetischen UV-Impulse erzeugen ließen. Das war bisher so. 

Nun ist Python geboren.

Im Rahmen eines kontinuierlichen Innovationszyklus zur Weiterentwicklung der Technologie wurde 2019 bei Coherent das Entwicklungsprogramm für diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS) für ELA in vollem Umfang gestartet. Dr. Norman Hodgson, Chief Technology Officer der Lasersparte bei Coherent ., erklärte: „Das Ziel von Coherent war es, einen Laser zu entwickeln, der die gleichen Leistungsmerkmale wie VYPER aufweist – der derzeit weltweit als Quelle für alle ELA-Produktionsanlagen dient – und dabei geringere Betriebskosten verursacht.“ „Dadurch können Kunden diesen Laser in ihre bestehenden Line-Beam-Systeme integrieren und das Annealing-System nutzen, ohne den Prozess nennenswert oder gar nicht anpassen zu müssen.“

„Natürlich verfügt Coherent bereits über umfangreiche Erfahrung und Fachkompetenz in der Entwicklung und Herstellung von Festkörperlasern, die auf einem hohen Maß an Vertrauen beruhen. Das Problem ist jedoch, dass es kaum Vorarbeiten gibt, um einen Laser zu entwickeln, der den strengen Anforderungen von ELA gerecht wird. Deshalb mussten wir ganz von vorne anfangen und neue Technologien entwickeln.“

자외선 DPSS 레이저는 일반적으로 빔 품질(M²<1.3)이 우수하고 펄스 에너지가 1밀리줄 미만이 되도록 설계됩니다. 이를 통해 매우 작은 스폿 크기로 초점을 맞출 수 있어 미세가공에 이상적인 소스입니다. 때로는 훨씬 더 높은 전력이 필요한 경우 M²가 25에 달하고 펄스 에너지가 최대 40 밀리줄인 멀티 모드로 레이저를 작동할 수 있습니다.

Aber PYTHON, VYPER DPSS VYPER von Coherent, waren die Konstruktionsziele völlig anders. Um die Strahlcharakteristik des VYPER nachzubilden, waren ein deutlich höherer M²-Wert und eine Pulsenergie von 1 Joule erforderlich.

Innovatives Design

Die Herausforderungen bei der Herstellung von Festkörperlasern mit den für ELA erforderlichen spezifischen Ausgangseigenschaften lassen sich grob in drei Bereiche unterteilen.

Der erste Punkt betrifft den nichtlinearen Kristall, der zur Umwandlung der ursprünglichen Infrarotstrahlung des Lasers in UV-Strahlung verwendet wird. Die physikalische Größe PYTHON und die Menge der verarbeiteten Laserleistung liegen in einem Bereich, der sich deutlich von dem früherer Kristalle unterscheidet. Um den Umwandlungsprozess in dieser Größenordnung mathematisch zu modellieren, mussten neue Methoden entwickelt werden.

Insbesondere die Herstellung solcher großen Kristalle in der für die Verarbeitung mit hoher Laserleistung erforderlichen Qualität stellte eine enorme Herausforderung dar. Coherent züchtet und fertigt diese Kristalle in seiner eigenen „Advanced Crystals Group“. Diese Kompetenzen intern zu verfügen, war von entscheidender Bedeutung, um bei Produktionsbeginn eine stabile Versorgung zu gewährleisten und gleichzeitig Kristalle zu entwickeln, die die erforderlichen Qualitätsanforderungen erfüllen.

Die Entwicklung von Beschichtungen für alle optischen Komponenten war ein weiterer Meilenstein. Die Beschichtungen müssen extrem hohe Laserfluenzen ohne Beschädigung bewältigen können. 

Beschichtungen mit hoher Laserschadensschwelle werden zwar schon seit Jahrzehnten eingesetzt, doch in diesem Anwendungsbereich galten besondere Anforderungen. Von entscheidender Bedeutung war insbesondere die Kombination aus Strahlgröße, Pulsenergie und Dauerbeleuchtung (da das System praktisch rund um die Uhr in Betrieb ist). 

„Nachdem wir ein neues Beschichtungsdesign entwickelt hatten, mussten wir den Entwurf auf der Grundlage der Ergebnisse von Lebensdauertests sowie der Analyse der Beschichtung und der Komponenten selbst mehrfach überarbeiten. Der Grund dafür war, dass wir außerhalb des üblichen Leistungsbereichs arbeiteten und daher nichts von dem, was wir bisher kannten, richtig funktionierte“, erklärte Dr. Hodgson. 

Ein weiterer wichtiger Innovationsbereich betraf die Technologie zur Q-Schaltung von Lasern. Dabei wird ein Modulator im Inneren des Laserresonators platziert, um hochenergetische Impulse mit einer Impulsbreite von wenigen zehn Nanosekunden zu erzeugen. Dies ist eine weit verbreitete Technologie, dieinvielenCoherent Coherent zum Einsatz kommt.

Die Laserleistung und die Strahlgröße von PYTHON machten jedoch herkömmliche Ansätze unbrauchbar. Deshalb entwickelte Coherent eine neue, patentierte Puls-Technologie für PYTHON. 

aus einem multinationalen Team bestehend

All diese Innovationen konnten dank eines interdisziplinären Ingenieurteams rasch umgesetzt werden. Dieses Team setzte sich aus technischen Experten für DPSS-Laserdesign, Pumpdiodenarchitektur, Frequenzkonversionstechnologie sowie Kristallzüchtung und Beschichtungsverfahren zusammen. 

Als Ergebnis dieser Bemühungen wurde bereits sechs Monate nach Programmstart das erste Laser-Breadboard in Betrieb genommen. Etwa ein Jahr später waren zwei Prototypen des Lasersystems mit der angestrebten Leistung von 600 W fertiggestellt. Anschließend wurde dieser Laser in ein Linienstrahl-Werkzeug integriert, um Glühversuche durchzuführen. Als sich diese als erfolgreich erwiesen, begannen wir mit der Konstruktion und Erprobung des Endprodukts. All diese Arbeiten wurden innerhalb von etwa anderthalb Jahren abgeschlossen. 

„Da fast alle Laserkomponenten maßgeschneidert entwickelt werden mussten, war die Konstruktion von PYTHON das schwierigste Projekt meiner Karriere“, sagte Hodgson. „Ohne die vertikale IntegrationCoherent hätten wir diese Ergebnisse nicht erzielen können. Wir mussten Technologien in den Bereichen Frequenzkonversion, Q-Switching, dielektrische Beschichtung und Kristallzüchtung weiterentwickeln. Dies war nur möglich, weil wir über erstklassige Ingenieure verfügen, die diese Technologien entwickeln und alle Produkte selbst herstellen können. So können wir die erforderlichen Leistungs-, Qualitäts- und Kontrollstandards erreichen.“

Mittlerweile hat sich PYTHON als Alternative zu ELA etabliert, die die Betriebskosten um 50 % senkt und zudem die Ergebnisse des Annealing-Prozesses verbessert. PYTHON.

Der PYTHON-Laser wird derzeit in ein Linienstrahlsystem eingebaut, um Glühversuche durchzuführen. Coherent Göttingen, Coherent .

Weiterführende Ressourcen