Anwendung von Lasern in der Displayherstellung: Excimer-Laser-Annealing

Heutzutage sind die in den meisten Smartphones verwendeten AMOLED-Displays äußerst farbenprächtig, hell und scharf, doch hinter dieser beeindruckenden Oberfläche arbeiten die Hersteller auch daran, den Stromverbrauch der Displays zu senken. Dies ist wichtig, da Displays in der Regel mehr Akkuleistung verbrauchen als jede andere Komponente im Smartphone. Die Hersteller haben bereits zahlreiche Technologien eingesetzt, um dieses Ziel tatsächlich zu erreichen.Dabei spielenCoherent eine sehr wichtige Rolle. In dieser sechsteiligen Blogreihe werden wir einige konkrete Methoden zur Herstellung von Displays unter Verwendung von Lasern vorstellen. 

Im ersten Schritt der Herstellung von Schaltkreisen für elektronische Geräte kommt ein entscheidender Prozess zum Einsatz, der von Coherent wird.Zu diesem Zeitpunkt wird eine dünne Schicht Silizium – der Kernhalbleiter aller modernen Festkörper-Elektronikbauteile – auf eine große Platte aufgebracht, die als „Mutterglas“ bezeichnet wird. Heutzutage sind diese Mutterglasplatten in der Regel 1,5 Meter x 1,85 Meter groß (GEN 6.5), obwohl die Hersteller von Mobiltelefonen sie gerne noch größer gestalten würden, umdie Kosten pro Einzelbildschirm zu senken.

Die Schwierigkeit liegt im amorphen Silizium

Diese Siliziumschicht hat jedoch ein kleines Problem. Bei dem chemischen Gasphasenabscheidungsverfahren, mit dem diese Siliziumschicht hergestellt wird, entsteht amorphes Silizium. In amorphem Silizium sind die einzelnen Atome unregelmäßig und ungeordnet angeordnet. Schaltkreise aus amorphem 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 sowie alle anderen elektronischen Geräte, die wir heute nutzen, aus monokristallinem Silizium hergestellt. Die Atome in monokristallinem Silizium sind äußerst geordnet angeordnet; diese Anordnung sorgt für hervorragende elektronische Eigenschaften und ist einer der Gründe für die erstaunliche Geschwindigkeit moderner Mikroprozessoren.

Leider lässt sich die Herstellungstechnik für die in Mikroprozessoren verwendeten Einkristall-Siliziumwafer nicht auf eine Größe skalieren, die der von Glas-Substraten nahekommt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass es eine dritte Form von Silizium gibt – Polysilizium –, dessen atomare Anordnung relativ geordnet ist.Der entscheidende Indikator hierbei ist die Elektronenbeweglichkeit: Die Elektronenbeweglichkeit von Polysilizium kann bis zu 200-mal höher sein als die von amorphem Silizium (während die Elektronenbeweglichkeit von monokristallinem Silizium in der Regel mindestens doppelt so hoch ist wie die von Polysilizium). Die Verwendung von Polysilizium ist ein Hauptgrund für die hervorragende Qualität heutiger Displays. 

Eine geniale Idee für die Herstellung von Displays

Wie gewinnt man nun Polysilizium? Die Gewinnung von Polysilizium ist gar nicht so schwer, zumindest theoretisch. Man muss lediglich die amorphe Siliziumschicht erhitzen, bis sie schmilzt, und sie dann schnell abkühlen, damit sie wieder erstarrt und die Form von Polysilizium annimmt.

Das Problem ist jedoch, dass Silizium auf etwa 600 °C erhitzt werden muss, um zu schmelzen, und dass diese hohen Temperaturen sowie die damit verbundenen schnellen Temperaturwechsel gewöhnliche Glasplatten beschädigen würden, weshalb teures hitzebeständiges Glas verwendet werden muss. Dies verteuert das Display, insbesondere wenn die Hersteller auf größere Glasplattengrößen umsteigen.  

Die Lösung ist eine Technologie namens Excimer-Laser-Annealing (ELA), die zur Herstellung von Niedertemperatur-Polysilizium (LTPS) eingesetzt wird. Diese Technologie basiert aufCoherent . 

Der Grund für den Einsatz von Excimer-Lasern liegt darin, dass sie Lichtquellen sind, die sehr starke UV-Impulse erzeugen können. Da Silizium UV-Strahlung stark absorbiert und die Impulsenergie zudem hoch ist, reicht bereits eine geringe Anzahl von Laserimpulsen aus, um dünne Siliziumschichten schnell zu schmelzen. Dieses nahezu vollständige Schmelzen ist entscheidend für die Erzielung der richtigen polykristallinen Struktur und der gewünschten elektronischen Eigenschaften.  

Der Ausgang des Excimer-Lasers erzeugt einen feinen Lichtstrahl; dieser wird schnell über das Mutterglas geführt, um die ELA effizient durchzuführen.

Die hohe Absorptionsfähigkeit von Silizium verhindert zudem, dass UV-Strahlung in großem Umfang das darunterliegende Glas oder die Polyimidschicht (PI) in flexiblen Displays durchdringt. Daher erwärmt sich das Glas selbst während des ELA-Prozesses nicht, selbst wenn das Silizium vollständig schmilzt. Aus diesem Grund kann ELA auf handelsüblichen, kostengünstigen Glasplatten durchgeführt werden. Das ist der Grund, warum ELA das wichtigste Verfahren zur Herstellung von LTPS für AMOLED-Displays in Mobiltelefonen ist. 

Um ELA auf großen Glasplatten durchzuführen, wird der vom Excimer-Laser erzeugte Strahl (in der Regel rechteckig) in einen schmalen Linienstrahl umgeformt, dessen Breite in der Regel der Breite der Glasplatte entspricht. Dieser schmale Linienstrahl wird auf die Glasplatte fokussiert und über die gesamte Länge der Platte abgetastet, um das gewünschte Schmelzen und erneute Aushärten des Siliziums zu erreichen.
 

Groß angelegte ELA

Weltweit werden jährlich etwa 1,5 Milliarden Mobiltelefone hergestellt. Jeder große Hersteller produziert täglich etwa eine Million Mobiltelefone. Es versteht sich von selbst, dass diese Unternehmen Wert auf äußerst zuverlässige und kostengünstige Produktionsprozesse legen. Denn bei einem solchen Produktionsvolumen verursacht jeder Faktor, der zu einer vorübergehenden Unterbrechung der Fertigungslinie oder zu Ausschuss führt, erhebliche Kosten. 

Coherent ist eine kostengünstige Lösung für ELA im Großmaßstab, die von allen führenden Display-Herstellern eingesetzt wird.

Coherent – unser Coherent , dass ELA-Systeme im Großmaßstab die von den Herstellern geforderten Qualitäts-, Zuverlässigkeits-, Durchsatz- und Kostenanforderungen erfüllen. Denn in der Praxis bestehen ELA-Systeme im Großmaßstab aus mehreren verschiedenen Komponenten, von denen jede für sich genommen einwandfrei funktionieren und zudem gut mit den anderen Teilen des Systems zusammenwirken muss. Zu diesen Komponenten gehören:

• Excimer-Laser – Coherent VYPER – sind darauf ausgelegt, bei hoher Wiederholfrequenz (zur Erreichung der erforderlichen Durchsatzrate) sehr energiereiche Impulse mit außergewöhnlicher Stabilität und langer Lebensdauer zu liefern.
• Die LineBeam-Optik wandelt einen rechteckigen Excimer-Laserstrahl in einen schmalen Lichtstrahl mit äußerst gleichmäßiger Intensität um. Dies ist erforderlich, damit die Eigenschaften des ELA-Verfahrens nicht von der Position des Strahls abhängen.
• Aktives Überwachungs- und Steuerungssystem zur Überprüfung und Gewährleistung der Prozessqualität und -konsistenz.

ELA ist einunverzichtbaresWerkzeug für die Herstellung hochwertigerFlachbildschirme. Und daran wird sich in naher Zukunft wohl auch nichts ändern, da Coherent sein LineBeam-System Coherent , um Glasplatten mit größeren Abmessungen bearbeiten zu können, sodass Hersteller bereits heute die nächste Generation von Mobiltelefonen und Tablets mit größeren Bildschirmen ins Visier nehmen können.  

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