Welche Rolle spielen Laser und Lasermesstechnik in der Fertigung von OLED und MicroLED Bildschirmen?

Einleitung
Die enorme Weiterentwicklung der Bildschirm-Technologie in den vergangenen Jahren zeigt sich deutlich in unserem Alltag: Ob großformatige TV-Bildschirme oder kleinste Anzeigesysteme in Virtual Reality Brillen direkt vor unseren Augen, Displays finden sich an unzähligen Stellen und in ganz unterschiedlichen Anwendungen. Längst wurde die unhandliche Röhrentechnologie abgelöst, mittlerweile beherrschen transparente und flexible OLED-Bildschirme, die auf lichtemittierenden organischen Molekülen basieren, den Markt.

Sobald innovative Technologien die Bühne betreten, entdecken auch Zulieferer neue Chancen für sich – die Laserindustrie bildet hier keine Ausnahme. In diesem Sinne entwickelte sich, parallel zu weiteren Verbreitung von OLED und MicroLED und der damit verbundenen Verdrängung von LCD (Liquid Crystal Display)-Bildschirmen, ein neuer Markt für die Hersteller von Lasersystemen. Für welche Anwendungen die Lasersysteme in der Fertigung von OLED- und MicroLED-Bildschirmen verwendet werden und welche Herausforderungen in Hinblick auf die Laserqualität daraus resultieren, zeigt dieser Artikel.

Übersicht der Technologien
LCD ist eine transmissive Technologie, d.h. die einzelnen Pixel blockieren bzw. lassen Licht durch, das hinter ihnen erzeugt wurde. Um die Aus-/An-Funktion zu vereinfachen, wird an eine dünne Schicht an flüssigen Kristallen zwischen zwei Polarisatoren eine Spannung angelegt.

OLED und MicroLED sind emittierende Technologien, bei denen jedes Pixel eine kleine Lichtquelle ist. OLED-Pixel basieren auf lichtemittierenden organischen Molekülen, MicroLED-Pixel sind Halbleiter-LEDs. Während OLED-Moleküle direkt auf die Display-Rückwand aufgebracht werden, werden MicroLED-Chips auf einem Halbleiter-Wafer hergestellt und müssen übertragen werden.

Während OLED auf dem Markt bereits weit verbreitet ist, hinkt die MicroLED-Technologie noch hinterher, obwohl sie mehrere Vorteile bietet. Die größte Herausforderung bei der Einführung der MicroLED-Technologie ist derzeit die Übertragung der einzelnen MicroLED-Pixel vom Halbleiterwafer auf die Backplane des endgültigen Anzeigeprodukts.

Die folgende Tabelle zeigt einige Unterschiede zwischen diesen Technologien.

Laser Applications in OLED and microLED Display Manufacturing
Tabelle 1: Unterschiede zwischen den Technologien

Laseranwendungen in der OLED-Fertigung
Der Fertigungsprozess von OLED-Bildschirmen lässt sich in drei Segmente unterteilen:

  1. Abscheidung und Kristallisation von amorphem Silizium zur Herstellung der leitenden Verdrahtung der Pixel
  2. Bildung der Pixel. Rot, grün und blau emittierende OLED-Moleküle werden durch Aufdampfen oder Tintenstrahldrucken aufgebracht
  3. Verkapselung und Abheben.
    • Verkapselung. OLED-Moleküle sind sehr empfindlich gegenüber Feuchtigkeit. Das Display ist zwischen dünnen Polymer- oder Glasschichten eingekapselt.
    • Abheben. OLED-Displays werden auf transparenten Polymerfolien hergestellt. Während des Herstellungsprozesses ruht das Display auf einer Glasunterlage, die es stützt. Wenn das Display fertig ist, wird es vom Glas "abgezogen", was als "Lift-off" bezeichnet wird.

 

Bei den folgenden Herstellungsschritten werden Laser eingesetzt:

  • Laser-Glühen - Umwandlung von amorphem Silizium in polykristallines Silizium. Durch die Energie des Laserstrahls können sich die Siliziumatome bewegen, bis sie sich in einer stabilen kristallisierten Form festsetzen.
  • Laser-Liftoff - Trennung des OLED-Displays vom Glassubstrat. Der Laserstrahl wird zu einer schmalen, dünnen Linie geformt, die das OLED-Display abtastet und in der Grenzfläche zwischen dem OLED-Display und dem Glas absorbiert wird und die beiden voneinander trennt.
  • Schneiden und Bohren von Glas- und Polymerteilen. Beim Schneiden und Bohren mit Lasern wird das Material verdampft, anstatt es abzutragen, z. B. mit einem Bohrer. Dadurch können dünne und zerbrechliche Materialien bearbeitet werden, ohne dass sie Risse bekommen.

 

Laseranwendungen bei der Fertigung von MicroLED Bildschirmen
MicroLED-Pixel werden in einem "klassischen" Halbleiterverfahren hergestellt und müssen auf die MicroLED-Display-Backplane übertragen werden. Dies ist derzeit der schwierigste Schritt in der Mikro-LED-Fertigung. Für einen MicroLED-Fernsehbildschirm müssen Millionen von mikrometergroßen MicroLEDs mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit vom Wafer auf die Display-Backplane übertragen werden. Erschwerend kommt hinzu, dass die Mikro-LEDs auf dem Halbleiterwafer viel dichter sind als auf dem Display, so dass es unmöglich ist, Gruppen von Mikro-LEDs gleichzeitig zu übertragen.

Mehrere Unternehmen arbeiten an Technologien, um diesen Übertragungsschritt effizienter zu gestalten. Eines dieser Unternehmen, Uniqarta, hat eine Technologie entwickelt, die einen sich schnell bewegenden Laserstrahl verwendet, um MicroLED-Chips selektiv von einem Polymerträger auf die Display-Backplane zu übertragen. Die Freisetzung des MicroLED -Chips erfolgt durch lokale Erwärmung des Polymerträgers, wodurch dieser sich ausdehnt und eine "Beule" entsteht, die den MicroLED -Chip wegdrückt.

Laser Applications in OLED and microLED Display Manufacturing
Abb. 1: MicroLED Übertragung durch laserinduzierte Ausdehnung von Polymeren

Laser für die Herstellung von OLED und MicroLED
Excimer Lasers verwenden eine Mischung aus Edelgas und einem Halogengas und sie emittieren Strahlung im UV-Bereich. Festkörperlaser verwenden entweder Diodenlaser zum Pumpen eines Kristalls oder eine Faser, die mit Seltenen Erden wie Neodym dotiert wurde und im nahen IR emittiert. Zusätzliche Kristalle werden verwendet, um die Frequenz zu verdoppeln und zu verdreifachen. Weitere Komponenten werden zur Steuerung der Pulsbreite bis hinunter zu fs verwendet. Einige typische Parameter von Excimer- und Festkörperlasern sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Laser Applications in OLED and microLED Display Manufacturing
Tabelle 2: Unterschiedliche Laser zur Herstellung von OLED oder MicroLED Bildschirmen

Aus der Tabelle wird ersichtlich, dass Excimerlaser eine höhere Leistung liefern können. Doch dies ist nicht der einzige wichtige Parameter, bei der Fertigung der Displays. Auch die Pulsbreite spielt eine wichtige Rolle. Bei einer gegebenen Pulsenergie steigt die momentane Leistung, je kürzer der Puls wird. Infolge der hohen Momentanleistung wird das Material verdampft, bevor die Wärme aus dem vorgesehenen Arbeitsbereich abfließen und verschwendet werden oder, schlimmer noch, Schäden verursachen kann. Dies wird manchmal auch als "Kaltbearbeitung" bezeichnet, weil man Glas schneiden kann, ohne es zu erhitzen. Folglich kann ein Prozess, der mit einem ns-Laser 1000 W erfordert, bei Verwendung eines fs-Lasers viel weniger Leistung benötigen.

Während die meisten Anwendungen UV-Laser benötigen, erfordern andere jedoch auch sichtbare und IR-Laser:

  • Erhitzen des Lötmittels, um eine defekte MicroLED zu entfernen und durch eine neue zu ersetzen.
  • Strukturierung der feinen Metallmaske in OLED
  • Schneiden von ultradünnem Glas.

 

Herausforderungen bei der Messung der Laser
Einerseits ist es entscheidend, die Leistung des Laserstrahls exakt einzuhalten, um Schäden zu vermeiden. Andererseits gestaltet sich deren Messung schwierig. Es ist allgemein bekannt, dass die Auswahl des richtigen Lasersensors von der durchschnittlichen Leistung und der Leistungsdichte in [KW/cm2] abhängt. Bei gepulsten Lasern wird auch die Energiedichte in [J/cm2] berücksichtigt. Kurzpulslaser im ps- und fs-Bereich haben zwar eine relativ geringe Leistung, können aber aufgrund der hohen Momentanleistung dennoch allgemeine Sensoren beschädigen. Dies gilt insbesondere für UV-Laser, bei denen die Photonenenergie hoch ist und die Photonen leichter molekulare Bindungen aufbrechen können. Der richtige Sensor muss auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sein.

MKS Instruments erkannte diese Herausforderung und entwickelte Sensoren zur Leistungsmessung von Kurz- und Ultrakurzpulslasern, die über eine besondere Beschichtung verfügen: Die Ophir Sensoren F80(120)A-CM-17 und F150(200)A-CM-16 halten deutlich höheren Leistungsdichten stand als Sensoren mit Standardbeschichtungen. Zum Vergleich: Die Leistungsdichte eines UV-Laser (355nm) mit 20W und Pulsen im Nanosekunden-Bereich liegt bei 35kW/cm2 und kann mit dem F150(200)A-CM-16 gemessen werden.

Laser Applications in OLED and microLED Display Manufacturing
Abb. 2: Der Ophir F150(200)A-CM-16 eignet sich insbesondere zur Messung von Ultrakurzpulslasern, wie sie in der Fertigung von OLED-Bildschirmen genutzt werden.

Fazit
Innovative Technologien sind Treiber für neue Innovationen, wie das Beispiel OLED und MicroLED zeigt. Zur Fertigung von Produkten basierend auf der neuen Technologie müssen Produktionsmethoden überarbeitet oder neu entwickelt werden. Um die Qualität der neuen Fertigungsverfahren zu gewährleisten, sind wiederum neuartige oder modifizierte Messgeräte erforderlich. Die enge Zusammenarbeit innerhalb der einzelnen Marken von MKS Instruments – in diesem Fall Spectra-Physics und Ophir trägt wesentlich dazu bei, die Innovationen schnell zur Marktreife zu bringen.

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