EIN DEUTLICHER FORTSCHRITT IN DER OLED-DISPLAY-PRODUKTION

Excimer-Laser sind eine Schlüsseltechnologie in der Herstellung von Flachbildschirmen. Sie erzeugen hochenergetische Impulse aus ultraviolettem (UV) Licht mit sehr geringenPulsenergie und einem äußerst homogenen Strahlintensitätsprofil. 

Diese einzigartigen Eigenschaften ermöglichen Excimerlaser (ELA) mitLineBeam-Systemen Coherent auf Basis unserer VYPER Excimerlasern. Das Tempern der Siliziumschichten auf dem Glassubstrat ist entscheidend für die Herstellung von Smartphone- und Tablet-Displays. ELA ist das etablierte Verfahren in der OLED-Flachbildschirmproduktion, der Standard, an dem sich die Branche orientiert. 

Die einzigartigen UV-Impulseigenschaften von Excimerlasern bringen jedoch gewisse Herausforderungen hinsichtlich der Betriebszeit und der Betriebskosten mit sich. Die Excimerlaser haben eine begrenzte Lebensdauer; in einer Flachbildschirm-Fertigungslinie, die mit voller Kapazität läuft, müssen sie regelmäßig ausgetauscht werden. Darüber hinaus müssen einige optische Fenster aufgrund der durch UV-Licht verursachten Materialalterung regelmäßig ersetzt werden.

Stillstandszeiten sind in einer Display-Fertigungslinie kostspielig, und Wartungszyklen erhöhen die Kosten für den Austausch von Verschleißteilen.

Bislang gab es jedoch keine kostengünstige Lasertechnologie sich die für ELA erforderlichen hochenergetischen UV-Impulse erzeugen ließen. Bis jetzt. 

Der PYTHON konzipiert

Das Programm zur Entwicklung eines Diode Festkörperlasers (DPSS) für ELA wurde bei Coherent 2019 im Rahmen eines kontinuierlichen Innovationszyklus, der die Technologie vorantreibt, ernsthaft in Angriff genommen. „Unser Ziel war es, einen Laser mit geringeren Betriebskosten zu entwickeln, dessen Leistungseigenschaften im Wesentlichen mit denen unseresExcimerlaser identisch sind, der derzeit weltweit als Quelle für alle ELA-Produktionsanlagen dient“, erklärt Dr. Norman Hodgson, Chief Technology Officer für den Laserbereich Coherent . „Dadurch könnten wir ihn in unsere aktuellen LineBeam-Systeme integrieren und unseren Kunden ermöglichen, das Temper-System mit nur geringen oder gar keinen Anpassungen an ihren Prozess einzusetzen.“

„Natürlich verfügte Coherent über enorme Erfahrung und Fachkompetenz bei der Entwicklung und Herstellung hochzuverlässiger Festkörperlaser. Das Problem war jedoch, dass fast nichts von dem, was bisher getan worden war, für die Entwicklung eines Lasers geeignet war, der den extremen Anforderungen von ELA gerecht wurde. Wir mussten ganz von vorne anfangen und neue Technologien entwickeln.“

Ultraviolet DPSS lasers are usually designed to have good beam quality (M²<1.3) and pulse energies of less than one millijoule. This allows them to be focused down to a very small spot size and makes them an ideal source for micromachining. Sometimes, when much higher power is required, the laser might be operated multimode, with M² as high as 25 and pulse energies of up to 40 millijoules.

Das Designziel für unseren DPSS VYPER – genannt PYTHON – völlig anders. Wir benötigten eine viel höhere M²-Leistung und eine Pulsenergie 1 Joule, um die Strahleigenschaften des VYPER nachzubilden.

Designinnovationen

Die Herausforderung bei der Entwicklung eines Festkörperlaser den für ELA erforderlichen besonderen Ausgangseigenschaften betraf im Wesentlichen drei verschiedene Bereiche.

Der erste Aspekt betraf die nichtlinearen Kristalle, die dazu dienen, die ursprüngliche Infrarotstrahlung des Laserkristalls in UV-Strahlung umzuwandeln. Die physikalische Größe der PYTHON und die von ihnen verarbeitete Laserleistung liegen in einem ganz anderen Bereich als bei allen ihren Vorgängern. Selbst die mathematische Modellierung des Umwandlungsprozesses in diesem Maßstab erforderte die Entwicklung neuer Methoden.

Die Herstellung dieser großen Kristalle, insbesondere in der Qualität, die für die hohen Laserdichten erforderlich ist, stellte ebenfalls eine enorme Herausforderung dar. Coherent und fertigt diese Kristalle in der eigenen „Advanced Crystals Group“. Diese Kapazitäten intern zu besitzen, war entscheidend für die Entwicklung von Kristallen in der erforderlichen Qualität und für die Sicherstellung einer zuverlässigen Versorgung beim Übergang in die Serienproduktion.

Die Entwicklung von Beschichtungen für alle optischen Komponenten stellte einen weiteren Meilenstein dar. Diese müssen den extrem hohen Laserfluenzen standhalten, ohne beschädigt zu werden. 

Zwar gibt es Zerstörschwelle hoher Zerstörschwelle bereits seit vielen Jahrzehnten, doch stellte diese Anwendung ganz besondere Anforderungen. Konkret handelte es sich dabei um die Kombination aus Strahlgröße, Pulsenergie und Dauerbeleuchtung (da die Systeme praktisch rund um die Uhr in Betrieb sind). 

„Wir mussten neuartige Beschichtungsdesigns entwickeln und anschließend mehrere Designiterationen durchführen, die auf den Ergebnissen von Lebensdauertests sowie der Analyse der Beschichtungen und Bauteile selbst basierten. Der Grund dafür war, dass wir uns so weit außerhalb des üblichen Leistungsbereichs bewegten, dass nichts von dem, was wir bisher kannten, gut genug funktionierte“, erklärt Hodgson. 

Der letzte wichtige Innovationsbereich betraf die Technologie zur Güteschaltung des Lasers. Dabei wird ein Modulator in den Laserresonator eingebaut, Laserresonator hochenergetische Impulse mit Impulsbreiten im Bereich von einigen zehn Nanosekunden zu erzeugen. Dies ist eine äußerst gängige Technik, die in vielenCoherent Coherent zum Einsatz kommt.

Aber auch hier PYTHON die Laserleistung und die Strahlgröße des PYTHON den herkömmlichen Ansatz unbrauchbar. Daher entwickelte das Coherent eine neue, firmeneigene Pulsierungstechnologie für den PYTHON. 

Ein multinationales Team nimmt Gestalt an

All diese Innovationen konnten dank eines interdisziplinären Ingenieurteams in kurzer Zeit umgesetzt werden. Es setzte sich aus Technologieexperten in den Bereichen DPSS-Laserdesign, Diode , Frequenzkonversionstechniken, Kristallzüchtung und Beschichtungsverfahren zusammen. 

Dank ihrer Bemühungen war das erste Prototypenmodell des Lasers bereits sechs Monate nach Programmstart betriebsbereit. Etwa ein Jahr später wurden zwei Prototypen des Lasersystems mit der angestrebten Ausgangsleistung von 600 W fertiggestellt. Diese Laser wurden anschließend in ein LineBeam-Werkzeug integriert, um Temperungstests durchzuführen. Als sich diese als erfolgreich erwiesen, begannen wir mit der Entwicklung und Erprobung des Endprodukts. All dies wurde in weiteren etwa anderthalb Jahren abgeschlossen. 

„Die Entwicklung von PYTHON das anspruchsvollste Projekt meiner Karriere, da praktisch jede Laserkomponente speziell dafür entwickelt werden musste“, erklärt Hodgson. „Und ich kann mir nicht vorstellen, dass wir dies ohne die vertikale Integration innerhalb von Coherent hätten erreichen können. Wir mussten die Technologie für Frequenzumwandlung, Güteschaltung, dielektrische Beschichtungen und Kristallzüchtung weiterentwickeln. Das konnten wir nur erreichen, weil wir über erstklassige Ingenieure verfügen, die diese Technologien entwickeln und alle diese Produkte im eigenen Haus herstellen. So können wir die erforderliche Leistung, Qualität und Kontrollstufe erreichen.“

PYTHON bietet PYTHON eine Alternative zu ELA, die die Betriebskosten um 50 % senkt und sogar die Temperergebnisse verbessert. Erfahren Sie mehr über PYTHON.

Ein PYTHON wird in ein LineBeam-System eingebaut, um bei Coherent Göttingen Glühversuche durchzuführen.

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