디스플레이 제작에서의 레이저: 엑시머 레이저 어닐링
Coherent 엑시머 레이저는 더 밝고 고해상도이며 에너지 효율적인 디스플레이를 가능하게 하는 핵심 프로세스를 수행합니다.
2022년 10월 4일, Coherent
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오늘날 대부분의 휴대전화에 사용되는 AMOLED 디스플레이는 매우 화려하고 밝고 선명하며 표면 아래에서 제조업체가 전력을 덜 사용하도록 설계했습니다. 디스플레이는 일반적으로 휴대전화의 다른 어떤 것보다 더 많은 배터리 전력을 사용하기 때문에 중요합니다. 이러한 모든 일이 실제로 일어나도록 하기 위해서는 엄청난 양의 기술이 적용됩니다. 그리고 Coherent 레이저는 여기서 절대적으로 중요한 역할을 합니다. 6부로 구성된 이 블로그 시리즈에서는 디스플레이를 제조하는 데 레이저가 사용되는 몇 가지 구체적인 방법을 살펴보겠습니다.
Coherent 레이저로 구동되는 가장 중요한 프로세스 중 하나는 장치 회로를 제작하는 첫 번째 단계에 있습니다. 이것은 모든 최신 고체 전자 장치의 중심에 있는 반도체인 실리콘의 얇은 층이 "마더 글라스"라고 불리는 대형 패널에 증착될 때입니다. 오늘날 이러한 마더 글라스 패널은 일반적으로 1.5m x 1.85m(GEN 6.5)이지만 휴대전화 제조업체는 개별 디스플레이 비용을 낮추기 위해 더 크게 만들고 싶어합니다.
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문제는 무정형입니다
그러나 이 실리콘 층에는 작은 문제가 있습니다. 그것을 만드는 데 사용되는 화학 증기 증착 공정은 비정질 실리콘을 생성합니다. 비정질 실리콘에서 개별 원자는 불규칙하고 무질서한 방식으로 배열됩니다. 비정질 실리콘으로 만든 회로는 전자적 특성이 좋지 않아 디스플레이가 더 어두워지고 더 많은 배터리 전력을 사용합니다.
이와 반대로 휴대폰 내부의 집적 회로와 오늘날 우리가 사용하는 다른 모든 전자 장비는 단결정 실리콘을 사용하여 만들어집니다. 원자는 단결정 실리콘에서 고도로 정돈되어 있습니다. 이 배열은 정말 좋은 전자적 특성을 생성하며 이는 최신 마이크로프로세서가 엄청나게 빠른 이유 중 하나입니다.
하지만 마이크로프로세서에 사용되는 단결정 실리콘 웨이퍼를 만드는 데 사용되는 기술은 마더 글라스 패널 크기에 가깝도록 만들 수 없습니다. 그러나 원자가 상당히 규칙적으로 정렬되어 있는 세 번째 형태의 실리콘인 다결정 실리콘이 있는 것으로 알려졌습니다. 여기서 핵심 지표는 전자 이동성이며, 다결정 실리콘의 전자 이동성은 비정질 실리콘의 전자 이동도보다 200배나 더 높을 수 있습니다(단결정 실리콘 전자 이동성은 일반적으로 다결정 실리콘보다 최소 2배 우수함). 다결정 실리콘의 사용은 현재 디스플레이가 환상적인 이유의 주된 요인입니다.
디스플레이 생산을 위한 좋은 아이디어
따라서 어떻게 하면 다결정 실리콘을 얻을 수 있을까요? 적어도 이론상으로는 그리 어렵지 않습니다. 필요한 것은 비정질 실리콘 층이 녹을 때까지 가열한 다음 빠르게 냉각시켜 다결정 형태로 재응고하는 것뿐입니다.
문제는 실리콘을 녹이기 위해 약 600°C까지 가열해야 한다는 것입니다. 그러나 그 높은 온도와 이와 관련된 신속한 열 순환은 일반 유리로 만든 패널을 손상시키므로 대신 값비싼 내열성 유리를 사용해야 합니다. 이 때문에 특히 제조업체가 더 큰 유리 패널 크기로 확장함에 따라 디스플레이 가격이 훨씬 더 비싸질 것입니다.
솔루션은 저온 다결정 실리콘(LTPS)을 만드는 데 사용되는 엑시머 레이저 어닐링(ELA)이라는 기술입니다. 또한 Coherent 엑시머 레이저를 사용하는 것입니다.
엑시머 레이저를 사용하는 이유는 매우 강력한 자외선 펄스를 생성할 수 있는 유일한 광원이기 때문입니다. 실리콘은 자외선을 강하게 흡수하며, 따라서 높은 펄스 에너지와 결합하여 단 몇 번의 레이저 펄스로 얇은 실리콘 층을 빠르게 녹입니다. 이 거의 완벽한 용융은 올바른 다결정 형성 및 원하는 전자적 특성을 얻는 데 필수적입니다.
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실리콘의 높은 흡수성은 또한 UV 광선이 유리 아래 또는 연성 디스플레이의 경우 폴리아미드(PI) 층으로 많이 침투하는 것을 방지합니다. 따라서 실리콘이 완전히 녹더라도 ELA 동안 유리 자체가 뜨거워지지 않습니다. 이 때문에 ELA는 표준의 저비용 유리 패널에서 수행할 수 있습니다. 이것이 ELA가 AMOLED 휴대폰 디스플레이용 LTPS를 만드는 유일한 방법인 이유입니다.
대형 마더 글라스 기판에서 ELA를 수행하기 위해 엑시머 레이저의 일반적인 직사각형 빔은 일반적으로 패널 너비인 가는 라인 빔으로 모양이 바뀝니다. 이 가는 라인 빔은 유리 패널에 초점을 맞추고 전체 길이에 걸쳐 스캔하여 원하는 실리콘 용융 및 재응고를 달성합니다.
ELA 생산
매년 약 15억 개의 휴대폰이 생산됩니다. 각 상위 제조업체는 매일 약 100만 대의 휴대전화를 만듭니다. 말할 필요도 없이 이들 회사는 생산 공정이 매우 안정적이고 비용이 저렴하기를 원합니다. 이러한 양의 생산에서는 어셈블리 라인이 잠시라도 멈추거나 폐기물을 생성하는 경우 엄청난 비용이 소요되기 때문입니다.
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Coherent LineBeam 시스템은 모든 주요 디스플레이 제조업체에서 사용하는 비용 효율적인 대용량 ELA 솔루션입니다.
Coherent가 생산 ELA가 제조업체가 요구하는 품질, 신뢰성, 처리량 및 비용 특성을 달성하도록 보장하는 유일한 방법은 통합 UV 레이저 및 광학 시스템인 Coherent LineBeam을 공급하는 것입니다. 실제로 업계에서 대용량 ELA 시스템은 몇 가지 다른 구성 요소를 통합하기 때문에 각 구성 요소는 잘 수행되어야 하고 시스템의 다른 부분과도 완벽하게 작동해야 합니다. 이러한 구성 요소에는 다음이 포함됩니다.
- 엑시머 레이저 – Coherent VYPER 시리즈 – 고반복률로 매우 높은 에너지 펄스를 전달하고(필요한 처리 속도 달성을 위해) 뛰어난 안정성 및 긴 작동 수명을 제공하도록 제작되었습니다.
- 직사각형 엑시머 레이저 빔을 사용하는 LineBeam 광학 장치는 매우 일관된 강도를 갖는 길고 가는 선으로 모양을 변경합니다. 이는 ELA 프로세스의 특성이 빔을 따라 위치에 따라 달라지지 않도록 하기 위해 필요합니다.
- 프로세스 품질 및 일관성을 확인하고 보장하기 위한 능동 모니터링 및 제어 시스템.
ELA는 고품질 평면 패널 디스플레이 생산에 없어서는 안될 도구입니다. 그리고 Coherent는 제조업체가 차세대 대형 휴대전화 및 태블릿 장치에 사용하려는 더 큰 크기의 마더 글라스를 처리하기 위해 LineBeam 시스템을 계속 확장하고 있기 때문에 이는 금방 변경될 것 같지 않습니다.