Team 2

Kristalline Schaltschichten für lebendige Displays - bye, bye Pixel!

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Eine neue Generation von Excimer-Laser-Annealing-Systemen ermöglicht die Massenproduktion der schnellen und stromsparenden Schaltschichten, die mobile Displays zu den hochaufgelösten Alleskönnern machen, die heute für uns selbstverständlich sind.
Mobile Bildschirme haben in nur wenigen Jahren unsere Informationsgesellschaft und unser Kommunikationsverhalten revolutioniert. Mobile Internetzugänge sind zur Grundlage unserer Kommunikationskultur geworden. Im Zeitalter digitaler Medien haben Nutzer zu jeder Zeit und an jedem Ort Zugang zum gesammelten Wissen der Menschheit. Die visuelle Aufnahme der digitalisierten Information erfolgt dabei in erster Linie über digitale mobile Displays.

Digitale Displays setzen sich aus einzelnen Bildpunkten, den Pixeln zusammen – in der Anordnung vergleichbar mit den Karos auf Papier. Je mehr Pixel desto mehr Informationen lassen sich auf einem Display darstellen. Als Auflösungsmaßstab für mobile Displays gilt inzwischen eine Pixeldichte, bei der das Auge die einzelnen Pixel nicht mehr erkennen kann. Dies ist ab einer Pixeldichte von etwa 250 ppi der Fall. Dem allgemeinen Trend zu hohen Pixeldichten kann nur mit sinkenden Abmessungen der Pixel und der dazugehörigen Dünnschicht-Transistoren (TFTs) begegnet werden. Die Realisierung der dafür erforderlichen Schaltkreisabmessungen gelingt einzig auf Basis von hochleitfähigen Polysilizium-Schichten auf Glasträgern. Die kristallinen Schalter sind kleiner als konventionelle Schalter aus ungeordnetem Silizium, d.h. sie lassen mehr Licht durch das Display und sparen Energie, indem sie den Stromverbrauch für die Hintergrundbeleuchtung senken. Außerdem schalten kristalline Schaltschichten deutlich schneller, weshalb höhere Bildwiederholraten für Videoinformationen erreicht werden.

Die Zahl der Smartphone-Nutzer wird weltweit in den nächsten 3 Jahren von derzeit 1 auf 2 Milliarden ansteigen. Die Nachfrage nach Polysilizium wächst mit der rasant steigenden Marktdurchdringung der hochauflösenden LC- und OLED-Displays. Die sprunghaft gestiegene Nachfrage nach Polysilizium bedient das weltweit einzigartige Excimer-Laser-Annealing-System „VYPER/LineBeam750“, welches die hauchdünnen Kristallschichten -2.000 Mal dünner als ein Haar - am laufenden Meter durch selektives Anschmelzen aus amorphen Siliziumschichten erzeugen kann. Durch die kurze UV Wellenlänge von 308 nm und die kurze Laserpulsdauer von wenigen Nanosekunden konzentriert sich die Energie des Laserlichts ausschließlich in der Siliziumschicht und nicht im darunter liegenden, wärmeempfindlichen Substratglas. Das „VYPER/LineBeam750“ stellt heute das alleinige Produktionspotential zur Massenfertigung des kristallinen Schlüsselmaterials dar, welches sich aktuell in den hochauflösenden mobilen Displays aller Hersteller wiederfindet. Auf eine einfache Formel gebracht lautet dies: Ohne „VYPER/LineBeam750“-System keine kristallinen Schaltschichten für hochauflösende mobile Endgeräte.

Hauchdünne Kristallschichten auf riesigen Glassubstraten der Größe eines Doppelbettes
Die Methode des Excimerlaser-Annealing war bis zum Frühjahr 2011 auf 90 cm x 70 cm große Glassubstrate, aus denen die einzelnen Displays geschnitten wurden, beschränkt. Limitierender Faktor war dabei die Laserleistung bzw. die Laser-Linienlänge von der das Substrat im Prozess überstrichen wird. Doch mit den nur etwa 0,6 m2 großen Substraten ließ sich der seit 2010 sprunghafte ansteigende Flächenbedarf nach Polysilizium-Schichten, ausgelöst durch den Trend zu hohen Pixeldichten, nicht decken. Eine Verdoppelung der Linienlänge und der Laserenergie musste her, um die Herstellung von Kristallschichten auf ca. 2,8 m2 großen Substraten (1500 mm x 1850 mm) zu realisieren. Die nominierten Forscher und ihre Teams fanden einen Weg, mit dem sich die vom Markt geforderte Verdoppelung der Leistungsparameter realisieren ließ. Die Aussendung der ultravioletten Lichtpulse zweier eigens entwickelter Hochleistungs-Laser-Oszillatoren konnte in einem ersten Schritt durch Entwicklung einer patentierten Hochspannungsschaltung zeitlich auf den milliardsten Teil einer Sekunde hochpräzise zur Synchronisation gebracht werden. Der so entstandene „VYPER“-Laser mit 1,2 kW optischer Leistung bildete die Grundlage für die zweite Herausforderung: Ein Optikdesign für mehr als einen Oszillator-Strahl. Hierfür wurde erstmalig das Strahlführungssystem „LineBeam750“ konzipiert. Es integriert, mischt und homogenisiert zwei getrennt zugeführte Laserstrahlen und bildet den Gesamtstrahl in Form einer Linie - 75 cm lang und dabei dünn wie der Strich eines Druckbleistifts - auf dem Substrat ab. Das VYPER/Line Beam-Konzept erlaubt das Hinzufügen weiterer Oszillatoren und bietet damit zusätzliches Skalierungspotential. Interessant ist dies für die Herstellung von Kristallschichten für OLED-Fernseher auf riesigen 5.5 m2 großen Substraten (3 m x 2,8 m). So lassen sich z.B. bis zu 6 OLED-TVs mit 55 Zoll Displaydiagonale aus einem dieser Polysilizium-Riesensubstrate fertigen. Inzwischen wurden bereits die ersten VYPER/LineBeam-Systeme mit 2,4 kW UV-Leistung und entsprechend längerer Linienlänge ausgeliefert.

Mit dem „VYPER/LineBeam750“, ist dem nominierten Team die Überführung des Excimer-Laser-Annealing als einzige produktionstaugliche Methode zur Herstellung von Polysilizium-Schichten von der Nischenanwendung in die Massenproduktion gelungen. Rainer Pätzel ist Marketingleiter bei der Coherent LaserSystems GmbH & Co. KG. Ralph Delmdahl ist verantwortlich für den Bereich Produkt-Marketing des Göttinger Excimerlaser-Herstellers. Kai Schmidt ist Leiter der Forschung- und Entwicklungsabteilung in Göttingen.

Flächendurchsatz pro Monat: 15.000 m2 Polysilizium für über zwei Millionen mobile Displays
Ausgelöst durch die kontinuierliche Nachfrage nach „VYPER/LineBeam750“-Systemen zur Produktion von Polysilizium-Substraten hat sich die Beschäftigung am Standort Göttingen seit der erstmaligen Markteinführung im Frühjahr 2011 nahezu verdoppelt und es stehen weit über 50 Systeme in der Display-Massenproduktion. Der Flächendurchsatz eines „VYPER/LineBeam750“-Systems liegt bei ca. 15.000 m2 Polysilizium pro Monat. Das sind zwei Fußballfelder. Umgerechnet in 4-Zoll-Displays ein Ausstoß von über 2 Millionen Displays jeden Monat.

Der Markt für Polysilizium-Displays wird auch in den nächsten Jahren stark wachsen. Die Nachfrage nach VYPER/Line Beam-Anlagen zur Erzeugung der benötigten Kristallschichten ist gegenwärtig vor allem durch das Wachstum des Smartphone-Marktes getrieben. Diese Dynamik verstärkt sich zusätzlich durch das stetig wachsende Segment hochauflösender mobiler Displays mit Pixeldichten über 250 ppi, die inzwischen auch bei den etwas größeren Tablet-Bildschirmen zum Standard werden und bereits eine zweite Nachfragewelle auslösen. Marktforscher erwarten, dass die wenige Millimeter dünnen OLED-TVs sich gegenüber LCD-TVs aufgrund schnellerer Reaktionszeit, breiterer Farbwiedergabe und höheren Kontrasts langfristig durchsetzen werden. 70 Millionen OLED-TVs sollen im Jahr 2020 verkauft werden und bei Bildschirmgrößen ab 45 Zoll einen Marktanteil von zwei Dritteln erreichen. Da OLED-Displays grundsätzlich, d.h. auch bei kleiner Auflösung, kristalline Schaltschichten benötigen, ist in der Zukunft von einem großen Flächenbedarf auch im OLED-TV-Segment auszugehen. Das nominierte Team hat mit dem „VYPER/LineBeam“-System die zukunftsweisende Produktions-Infrastruktur für Polysilizium und darauf aufbauende Wachstumsmärkte im digitalen Zeitalter geschaffen.

Über Coherent LaserSystems GmbH & Co. KG
Die Göttinger Coherent LaserSystems GmbH & Co. KG ist das weltweit führende Pionierunternehmen in der Entwicklung und Herstellung von Excimerlasern und UV-Strahlführungssystemen für Anwendungen in Forschung, Medizin und Mikroelektronik. Über 15.000 Laser und Systeme wurden in dieser Zeit ausgeliefert, darunter vor 15 Jahren das weltweit erste Excimer-Laser-Annealing-System für die Display-Industrie. Die Vyper/LineBeam-Systeme werden in Göttingen von über 350 Mitarbeitern entwickelt, hergestellt und vermarktet, wobei auf ein nationales und internationales Netzwerk von Zulieferern zugegriffen wird.

Weitere Informationen unter www.coherent.com

Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.

Das Projekt „Kristalline Schaltschichten für lebendige Displays - bye, bye Pixel!“ wurde vom DIHK - Deutschen Industrie- und Handelskammertag vorgeschlagen.