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OLED-Displays günstiger produzieren

Display-Lift-off-Verfahren mit UV-Scheibenlasern

15. November 2016, 12:57 Uhr | Kian Janami und Jan Wieduwilt

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Das LLO-Verfahren

Das LLO-Verfahren entstand in einem Gemeinschaftsprojekt mit einem OLED-Display-Hersteller, indem die benötigten Parameter erarbeitet und anschließend auf der TruMicro-7000-Laserplattform umgesetzt wurden. Mit dem neuen Verfahren liegt die Ausbeute für den Laser-lift-off-Prozess bei nahezu 100 Prozent. Von allen Festkörperlasern liefert das Scheibenlasersystem die höchste Pulsenergie im UV-Bereich – bei gleichzeitig hoher Pulsfrequenz und kurzer Pulsdauer. Der TruMicro 7370 (Bild 3) arbeitet mit etwa 17-ns-Pulsen im Nanosekundenbereich und erzeugt ausreichend Pulsenergie, um die Bindungen der Grenzschicht homogen und über eine große Fläche aufzubrechen.
Die Gesamtbetriebskosten des Scheibenlasers sind günstiger als die des Excimer-Lasers. Dafür gibt es einige Gründe: Der Excimer-Laser arbeitet bei einer Wellenlänge von 308 nm, der Scheibenlaser dagegen mit 343 nm.

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Der Transmissionsgrad des Glases bei Verwendung des Scheibenlaser ist deshalb etwas höher. Dadurch kommt bei derartigen Festkörperlasern mehr Energie an der Grenzschicht an. Somit ist der Prozess effizienter als beim Excimer-Laser. Zudem liefert der TruMicro 7370 eine höhere Pulsfrequenz von 10 kHz. Im Vergleich zum Excimer-Laser liegt die Pulswiederholrate etwa fünfzehnmal höher und kann direkt in höhere Scan-Geschwindigkeit umgesetzt werden. Somit kann ein höherer Gesamtdurchsatz erzielt werden. Hinzu kommen Vorteile bei der Wartung. Beim Excimer-Laser muss in regelmäßigen Abständen das Gas (Xenon) erneuert und die Röhre ausgetauscht werden. Noch dazu ist Xenon derzeit sehr teuer. Dagegen muss beim Scheibenlaser nach einer gewissen Zeit lediglich das Konversionsmodul ausgetauscht werden. Das Scheibenlaser-Verfahren ist somit wartungsarm, steigert die verfügbare Betriebszeit und senkt damit die Produktionskosten. Die Wartungskosten sowie die Ausfallzeiten liegen beim Excimer-Laser deutlich höher. Hinzu kommt, dass Scheibenlaser bei Trumpf bereits seit vielen Jahren zum Schneiden und Schweißen eingesetzt werden.

Hohe Pulsgenauigkeit und modularer Systemaufbau

Um eine hohe Prozessstabilität zu garantieren, muss die Pulsenergie genau bekannt und exakt dosierbar sein. Beim Scheibenlaser wird das durch eine Echtzeitleistungsregelung gewährleistet, die permanent alle Parameter überwacht und nachregelt. Bei dem sogenannten Double-Feedback-Loop durchläuft das Überwachungssystem mehrere Regelschleifen und stellt so sicher, dass immer die exakt geforderte Energie nach außen abgeben wird.

Neben dem Laser ist die Linienoptik eine Kernkomponente, die stark zur Stabilität des LLO-Prozesses beiträgt. Die Linienoptik formt aus dem runden Laserstrahl eine schmale Linie und verteilt die Leistungsintensität homogen über das gesamte Linienprofil. Die Linienlänge kann bis zu 1,5 m betragen, wohingegen die Linienbreite im Bereich von 20 bis 35 µm liegt. Mit langen Linienoptiken lassen sich zwar größere Substrate bearbeiten, jedoch wird das Handling auch zunehmend anspruchsvoller. Gleichzeitig wird es auch immer schwieriger, die Homogenität über die gesamte Länge zu gewährleisten. In der Display-Industrie spricht man bei den Substraten, auf denen die einzelnen Display-Zellen aufgebracht sind, von Glasgenerationen. Für die Herstellung von Displays für mobile Geräte wird bereits Generation 6 als Standard verwendet, was einer Substratgröße von 1800 x 1500 mm² entspricht. Das Scheibenlasersystem benötigt für ein solches Substrat zwischen einer halben und einer Minute, um die PI-Folie vom Glas zu lösen. Werden für den Prozess höhere Leistungen benötigt, können weitere Laserquellen in den Strahlengang eingekoppelt werden, um je nach Anwendungserfordernissen die Pulsenergie zu variieren. Gleichzeitig kann mit der Anzahl der synchronisierten Laser auch die Linienlänge variiert werden.

Bei der zeitlich synchronen Steuerung gibt es immer einen Masterlaser, auf den alle anderen Laser synchronisiert sind. Die Lichtpulse lassen sich mit hoher Genauigkeit aufeinander abstimmen, sodass sie gleichzeitig das Werkstück erreichen. Mit einem zeitlichen Versatz von weniger als 2 ns können die Laserstrahlen somit synchron in eine große Linienoptik eingekoppelt werden und bilden somit einen großen Einzelpuls ab. Die feine Skalierbarkeit beim Festkörperlasersystem lässt sinnvolle und wirtschaftliche Methoden für das LLO-Verfahren zu und ist auch dann zukunftsfähig, wenn neue Substrat-Generationen entwickelt werden.