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LCD & OLED-Anwendungen


LCD und OLED Flachbildschirm Dünnfilmtransistor Kristallisation

Kristallisationsprozesse (aus der Flüssigphase und Festphase) von a-Si Schichten sind von großer Bedeutung für die Herstellung von LCD und OLED Flachbildschirmen.
LAVA® Laser Optik Substratbestrahlung im INNOVAVENT Applikationslabor
lcd olde anwendungen
Mikroskophoto einer 50 nm a-Si Schicht nach der Bestrahlung nach dem UV SLA Verfahren und ELA Verfahren
 
Dünnfilmtransistoren in einer Siliziumschicht schalten einzelne Pixel des Displays um das Bild aufzubauen. In LCD-Bildschirmen wird die Polarisation des Flüssigkristalls gedreht um die RGB (rot, grün, blau) Helligkeit der Pixel sehr schnell einzustellen, und in OLED-Flachbildschirmen wird der Versorgungsstrom der lichtemittierenden organischen Diodenmatrix gesteuert.

In beiden Displaytypen wird durch die Kristallisation der amorph aufgedampften Si-Schicht die Elektronenbeweglichkeit um einen Faktor 500-1000 erhöht um in der Schicht schnell schaltenden Dünnfilmtransistoren aufzubauen. Mit dem Laserlicht wird die Siliziumschicht für kurze Zeit so sehr erwärmt, dass sie sich verflüssigt und danach kristallin wieder verfestigt. Grünes Laserlicht (515 nm, 532 nm) wird in einer 50-70 nm a-Si-Schicht gut absorbiert (Absorptionskoeffizient ~200,000 cm-¹), dagegen ist die Absorption in p-Si Schichten ca. 20x geringer (ca. 5,000 cm-¹)
 
UV-Laserlicht der Wellenlänge 343nm wird in einer 10nm-Schicht a-Si und p-Si Schicht nahezu vollständig absorbiert (Absorptionskoeffizient >1.000.000 cm-¹).
 
Pulslängen von 10-100ns sind geeignet die Siliziumschicht aufzuheizen und gleichzeitig die Erwärmung des Glassubstrates darunter so klein zu halten, dass keine mechanischen Spannung oder thermischen Beschädigungen auftreten.

Prozesse zur lateralen Kristallisation von dünnen Siliziumfilmen mit Excimerlaserlicht der Wellenlänge 308nm wurden erstmals von der Gruppe um Prof. J. Im an der Columbia Universität in den 1990er Jahren beschrieben (z. B. Robert S. Sposili, James S. Im, Sequential lateral solidification of thin silicon films on SiO1, Applied Physics Letters 69, p. 2864 (1996)) und Prozesspatente dazu angemeldet.

GLA (Green Laser Annealing) nutzt gepulstes Laserlicht mit der Wellenlänge 532nm. UV-SLA (UV Solidstate Laser Annealing) wird mit Festkörperlasern, die die Wellenlänge 343nm emittieren, betrieben. Diese beiden Prozesse sind technische und wirtschaftliche Alternativen zum “near complet melt” ELA (Excimer Laser Annealing) von a-Si-Filmen.

Der GLA-Prozess ist für hochauflösende LCD-Anwendungen gut geeignet. Dabei ist besonders, dass der GLA-Prozess ein „Einzelpulsprozess“ ist. Das grüne Laserlicht wird beim Scannen an der Vorderseite der 30µm FWHM breiten Linie im a-Si absorbiert. Im bereits umgewandelten p-Si ist die Absorption um einen Faktor 20 kleiner und das Laserlicht wird kaum absorbiert. Die Verteilung von Korngrößen und die Rauigkeit einer mit GLA hergestellten p-Si-Schicht ist gut geeignet für LCD TFT Schichten. Für kleine TFT-Strukturen, die in hochauflösenden OLED Displays Verwendung finden, ist die Streuung der Korngrößen in der p-Si-Schicht bisher zu groß.

Für den GLA-Prozess wird eine gaussförmige 30µm FWHM Laserlinie von bis zu 750mm Länge mit Faser gekoppeltem 532nm, typisch 60-100ns Festkörperlaserlicht hergestellt. Sehr attraktiv ist, dass der GLA-Prozess geringe Laser-Betriebskosten (ca. 20% im Vergleich zu Excimerlasern, CoO = cost of ownership) und kaum Wartungsaufwand (Verfügbarkeit von DPSSL >90%) im Vergleich zu ELA-(Excimerlaser Annealing)-Anlagen verursacht.

Der 343nm UV-SLA-Prozess ähnelt dem ELA Prozess sehr und die vollständige Absorption findet - wie bei der Wellenlänge 308nm - in a-Si und p-Si-Schichten statt. Dies ermöglicht die Schichten (p-Si) beim Scannen mehrfach zu belichten und damit gleichmäßige Korngrößenverteilungen zu realisieren. Die verwendeten UV-Festkörperlaser reduzieren bei einer Pulslänge von 15-20ns die notwendige Energiedichte für die Kristallisation auf 200-250mJ/cm² (im Vergleich dazu: ELA: ~420mJ/cm²). Flat Top Profile in der (kleinen) Scanachse von 30-100µm können gleichmäßige Kornstrukturen erzeugen, die das ELA-typische Muster mit der Periode der Laserwellenlänge zeigen. UV-SLA hat das Potenzial mit einem 10-20x kleinerem Pitch (1-2µm im Vergleich zu 20µm pro Puls) bei 10 kHz Laserpulsfrequenz uniformere p-Si Filme herzustellen als ELA. Festkörperlaseranordnungen bieten bei vergleichbarer Leistung größeren Durchsatz und reduzierte Betriebskosten auf ca. 40-50% im Vergleich zu ELA.
Eine 500mm lange Linie mit einem 30µm Flat Top erreicht mit 6 TruMicro 7370 (20mJ, 10 kHz, 15-20ns) UV-Festkörperlasern eine ausreichende Energiedichte von >250mJ/cm². Um die Linienlänge auf 750mm oder 1000mm zu steigern und den Flat Top in der kurzen Achse auf 50µm auszudehnen braucht es zukünftige Laserquellen, die mehr als 40mJ Pulsenergie pro Laserquelle liefern.

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Letzte Aktualisierung: 05.11.2016
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