Laser in der Displayherstellung: Excimerlaser

Die AMOLED-Displays, die heute in den meisten Mobiltelefonen zum Einsatz kommen, sind einfach umwerfend – hell und scharf – und hinter den Kulissen haben die Hersteller sie so konzipiert, dass sie weniger Strom verbrauchen. Das ist wichtig, da das Display in der Regel mehr Akkuleistung beansprucht als jede andere Komponente im Telefon. Es steckt eine enorme Menge an Technologie dahinter, um all dies tatsächlich zu ermöglichen. Und dabei spielen Coherent eine absolut entscheidende Rolle. In dieser sechsteiligen Blogserie werden wir uns einige der konkreten Anwendungsmöglichkeiten von Lasern bei der Herstellung von Displays ansehen. 

Einer der wichtigsten Prozesse, der mit Coherent durchgeführt wird, findet bereits im allerersten Schritt der Herstellung der Schaltkreise statt. Dabei wird eine dünne Siliziumschicht – der Halbleiter das Herzstück aller modernen Festkörperelektronik Halbleiter – auf eine große Platte aufgebracht, die als „Mutterglas“ bezeichnet wird. Heute sind diese Mutterglasplatten in der Regel 1,5 m x 1,85 m groß (GEN 6.5), obwohl die Smartphone-Hersteller sie noch größer gestalten möchten, um die Kosten für einzelne Displays zu senken.  

Das Problem ist schwer zu fassen

Allerdings gibt es bei dieser Siliziumschicht ein kleines Problem. Das zur Herstellung verwendete Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung erzeugt amorphes Silizium. In amorfem Silizium sind die einzelnen Atome unregelmäßig und ungeordnet angeordnet. Schaltkreise aus amorfem Silizium weisen keine guten elektronischen Eigenschaften auf, was bedeutet, dass das Display dunkler ist und mehr Akkuleistung verbraucht. 

Im Gegensatz dazu werden die integrierten Schaltkreise in Mobiltelefonen und allen anderen elektronischen Geräten, die wir heute nutzen, aus Einkristallsilizium hergestellt. Die Atome sind in Einkristallsilizium hochgradig geordnet; diese Anordnung sorgt für hervorragende elektronische Eigenschaften und ist einer der Gründe, warum moderne Mikroprozessoren so unglaublich schnell sind.

Leider lassen sich die Verfahren zur Herstellung der für Mikroprozessoren verwendeten Einkristall-Siliziumwafer nicht so skalieren, dass sie auch nur annähernd die Größe einer Glas-Frontscheibe erreichen. Es gibt jedoch eine dritte Form von Silizium – polykristallines Silizium –, bei der die Atome relativ regelmäßig angeordnet sind. Der entscheidende Maßstab ist hier die Elektronenbeweglichkeit, und die Elektronenbeweglichkeit von polykristallinem Silizium kann bis zu 200-mal höher sein als die von amorphem Silizium (wobei die Elektronenbeweglichkeit von einkristallinem Silizium in der Regel mindestens doppelt so gut ist wie die von polykristallinem Silizium). Die Verwendung von polykristallinem Silizium ist ein wesentlicher Faktor dafür, warum heutige Displays so fantastisch sind. 

Eine geniale Idee für die Display-Produktion

Wie stellt man also polykristallines Silizium her? Das ist eigentlich gar nicht so schwer – zumindest theoretisch. Man muss lediglich die amorphe Siliziumschicht erhitzen, bis sie schmilzt, und sie dann schnell abkühlen, damit sie in polykristalliner Form wieder erstarrt.

Das Problem ist, dass man das Silizium auf etwa 600 °C erhitzen muss, um es zu schmelzen. Diese hohe Temperatur und die damit verbundenen schnellen Temperaturwechsel würden jedoch Displays aus normalem Glas beschädigen und stattdessen den Einsatz teurer, hitzebeständiger Glasarten erfordern. Das würde die Displays erheblich verteuern, zumal die Hersteller immer größere Glasplatten herstellen.  

Die Lösung ist eine Technologie namens Excimerlaser (ELA), die zur Herstellung von Niedertemperatur-Polykristallinem Silizium (LTPS) eingesetzt wird. Dabei kommen Coherent von Coherent zum Einsatz. 

Der Grund für den Einsatz von Excimer-Lasern liegt darin, dass sie die einzige Quelle sind, die sehr starke Ultraviolettlichtimpulse erzeugen kann. Silizium absorbiert Ultraviolettlicht stark, und dies führt in Verbindung mit der hohen Pulsenergie dazu, dass die dünne Siliziumschicht bereits nach wenigen Laserimpulsen schnell schmilzt. Diese nahezu vollständige Schmelze ist entscheidend für die Bildung der richtigen polykristallinen Struktur und die gewünschten elektronischen Eigenschaften.  

Die Ausgangsleistung eines Excimerlaser zu einem dünnen Strahl gebündelt; dieser wird schnell über das Mutterglas geführt, um die ELA effizient durchzuführen.

Die hohe Absorption Siliziums verhindert zudem, dass das UV-Licht tief in das darunterliegende Glas – oder bei flexiblen Displays in die Polyamidschicht (PI) – eindringt. Daher erwärmt sich das Glas selbst während des ELA-Prozesses nicht, obwohl das Silizium vollständig geschmolzen wird. Aus diesem Grund kann ELA auf handelsüblichen, kostengünstigen Glasplatten durchgeführt werden. Deshalb ist ELA das einzige Verfahren zur Herstellung von LTPS für AMOLED-Displays in Mobiltelefonen. 

Um ELA auf großen Glas-Substraten durchzuführen, Excimerlaser der normalerweise rechteckige Strahl des Excimerlaser in einen schmalen Linienstrahl umgewandelt, dessen Breite in der Regel der Breite der Platte entspricht. Dieser schmale Linienstrahl wird auf die Glasplatte fokussiert und über deren gesamte Länge abgetastet, um das gewünschte Schmelzen und Wiederverfestigen des Siliziums zu erreichen.
 

Produktion ELA

Jedes Jahr werden etwa 1,5 Milliarden Mobiltelefone hergestellt. Jeder der führenden Hersteller produziert täglich etwa eine Million Geräte. Es versteht sich von selbst, dass diese Unternehmen darauf bedacht sind, ihre Produktionsprozesse äußerst zuverlässig und kostengünstig zu gestalten. Denn bei solchen Stückzahlen verursacht alles, was den Fertigungslauf auch nur für einen Moment aufhält oder Ausschussware verursacht, enorme Kosten. 

Die Coherent -Systeme Coherent sind die kostengünstige ELA-Lösung für die Massenproduktion, die von allen großen Display-Herstellern eingesetzt wird.

Der einzige Weg für Coherent wirklich Coherent dass ELA-Systeme in der Serienfertigung die von Herstellern geforderten Qualitäts-, Zuverlässigkeits-, Durchsatz- und Kostenmerkmale erfüllen, besteht darin, integrierte UV-Laser und optische Systeme anzubieten – unseren Coherent . Denn in der Praxis bestehen ELA-Systeme für die Massenproduktion aus mehreren verschiedenen Komponenten, von denen jede für sich genommen eine gute Leistung erbringen und zudem einwandfrei mit den anderen Teilen des Systems zusammenarbeiten muss. Zu diesen Komponenten gehören:

• Excimer-Laser – dieCoherent VYPER –, die darauf ausgelegt sind, sehr energiereiche Impulse bei hohen Wiederholraten (um die erforderlichen Durchsatzgeschwindigkeiten zu erreichen) mit außergewöhnlicher Stabilität und langer Lebensdauer zu liefern. 
• LineBeam-Optiken, die den rechteckigen Excimer Laserstrahl in eine lange, schmale Linie mit äußerst gleichmäßiger Intensität umformen. Dies ist notwendig, damit die Eigenschaften des ELA-Prozesses nicht je nach Position entlang des Strahls variieren.
• Aktive Überwachungs- und Steuerungssysteme zur Überprüfung und Gewährleistung der Prozessqualität und -konsistenz.

ELA ist ein unverzichtbares Werkzeug bei der Herstellung hochwertiger Flachbildschirme. Und daran wird sich so schnell nichts ändern, denn Coherent baut seine LineBeam-Systeme Coherent aus, um die größeren Mutterglasformate zu bewältigen, die Hersteller für die nächste Generation größerer Smartphones und Tablets einsetzen möchten.  

Verwandte Ressourcen