Flexible electronicsSemiconductor technology & processing

10 min

Fotolithografie: een cruciale technologie voor de volgende generatie AMOLED-schermen

Fotolithografie is een cruciale technologie voor de ontwikkeling van de nieuwe generatie hoge-resolutie (AM)OLED-schermen.

Scroll

Best of 2016 / Editie november 2016

OLEDs duiken in steeds meer toepassingen op, van televisieschermen tot smartphones, autoverlichting en wearables. OLED-schermen kunnen dun en soepel worden gemaakt, hebben uitstekende optische prestaties en zijn opschaalbaar naar grote formaten. Maar zullen ze ook naar een altijd hogere schermresolutie evolueren, en zo nieuwe toepassingen vinden in bijvoorbeeld toestellen voor virtuele of augmented reality? Pawel Malinowski en TungHuei Ke, senior researchers bij imec, leggen uit hoe imec en Holst Centre deze nieuwe behoeften aanpakken. Zij zien fotolithografie als een cruciale technologie voor de ontwikkeling van de nieuwe generatie hoge-resolutie (AM)OLED-schermen. 

De OLED-technologie wint veld op de markt voor beeldschermen

De kathodestraalbuis was meer dan een halve eeuw de populairste schermtechnologie voor televisies en computers, tot ze door de plasma- en LCD-technologieën werd verdrongen. Die twee technologieën liggen aan de basis van het flat panel dat vandaag algemeen gangbaar is, niet alleen thuis en op kantoor maar ook in auto's en in mobiele en multimediatoestellen. Sinds 2010 verliest de markt van de plasmaschermen terrein ten gunste van een nieuwe concurrent voor LCD-technologie: de OLED-technologie. Pawel Malinowski: "Deze nieuwkomer heeft al een aanzienlijk aandeel op de markt voor beeldschermen (9,3% in 2015) veroverd en dit aandeel blijft groeien. OLED-schermen worden nu op grote schaal geproduceerd voor mobiele telefoons, tablets, tv's en wearables. IDTechEX voorspelt dat de markt voor alle soorten OLED-schermen in 2016 bijna 16 miljard dollar zal bereiken en tegen 2026 naar 57 miljard dollar zal groeien."

TungHuei Ke: "OLEDs en LCD's zijn op verschillende technologieën gebaseerd. Een OLED bestaat uit meerdere lagen waarbij verschillende lagen van functionele organische halfgeleiders tussen de elektroden gesandwicht zitten. De elektronen en de gaten kunnen onder voorspanning worden geïnjecteerd. Ze recombineren en produceren excitonen in de emissielaag. De energie-relaxatie van de geëxciteerde emissiemoleculen kan fotonen voortbrengen. De emissiekleur kan nauwkeurig worden geregeld door de keuze van de emissiemolecule en van de structuur. Dat geeft een bredere kleurruimte en een nauwkeuriger kleurpunt dan een LCD. Anders dan LCDs, die vloeibare kristallen inzetten om de intensiteit van het uitgezonden licht te controleren, zijn OLEDs zelf-emitterend. Dat levert belangrijke voordelen op, zoals een uiterst snelle responstijd, een hoge ‘refresh’-snelheid, een oneindige contrastverhouding ('echt zwart') en een eenvoudigere structuur in vergelijking met LCD-technologie. De OLED is stroom-gestuurd. In een OLED-scherm met actieve matrix kunnen de afzonderlijke subpixels onafhankelijk van elkaar worden aangestuurd. Dankzij de eenvoudigere structuur kan het OLED-scherm ook erg dun worden gemaakt. Daardoor is de technologie beter geschikt voor flexibele, oprolbare of zelfs uitrekbare schermen. De superieure mechanische eigenschappen van flexibele OLED-schermen maken draagbare toepassingen met verschillende vormfactoren mogelijk. Meer en meer bedrijven in de schermenbranche kiezen dan ook voor de massaproductie van OLEDs, met 2018 als horizon voor de draagbare elektronische apparaten van de volgende generatie." 

 

 

oled vs lcd

Vergelijking van de structuur tussen OLED en LCD (bron: https://www.linkedin.com/pulse/20140814014849-147801316-what-s-the-difference-of-ips-oled-ltps)

oled vs lcd 2

De gebruikerservaring van een LCD- versus een OLED-scherm. De foto toont microscopische beelden van een LCD-scherm en van het eenkleurige 2500ppi passieve OLED-scherm van imec. Op het OLED-scherm kunnen beduidend meer pixels op dezelfde oppervlakte worden samengepakt.

Op weg naar schermen met 8K resolutie

De schermenbranche is een van de innovatiefste branches. Nieuwe producten met nieuwe vormfactoren en toepassingen verschijnen snel op de markt, vooral bij de AMOLED-schermen. Dat wordt geïllustreerd door bv. ‘near-to-eye’-toepassingen, zoals toestelletjes met virtuele en augmented reality. Pawel Malinowski: "Tegelijkertijd lijkt de wedren naar hogere resoluties niet te vertragen. De huidige producten vereisen OLED-schermen met een hoge pixeldichtheid, nl. ongeveer 200 pixels per inch (ppi) voor 4K-televisies (3840x2160 pixels) en 500ppi voor mobiele toestellen met hoge definitie (1920x1080 pixels). De schermfabrikanten willen de resolutie verder verhogen naar 8K (7680x4320 pixels). Uit studies is immers gebleken dat het dieptegevoel hierdoor wordt gestimuleerd en dat op die manier een flat panel de perceptie van een 3D-beeld kan scheppen. Afhankelijk van het schermtype leidt een resolutie van 8K tot verschillende eisen voor de pixel-pitch. Een 5,5 inch scherm van een smartphone vraagt een pixel-pitch van minder dan 20 micrometer. Voor een microscherm (0,5 inch) is een zeer kleine pixel-pitch van 2 micrometer nodig." 

pixel pitch requirements

Vereisten voor de pixel-pitch bij een resolutie van 8K voor verschillende schermtypes (televisie, tablet, smartphone en microscherm/scherm voor hoofdmontage).

Fotolithografie als cruciale technologie

Een van de grootste uitdagingen voor de productie van OLED-schermen met hoge resolutie is de patroonvorming van uiterste kleine OLED-pixels. De huidige methodes voor het aanbrengen van patronen op organische halfgeleiders omvatten shadow masking en inkjetprinting. Hoewel ze erg efficiënt zijn voor kleine schermen met lage resolutie (minder dan 500ppi), zijn ze niet geschikt voor patroonvorming met hoge resolutie op grote substraten. Bij shadow masking, bijvoorbeeld, wordt een dun vel metaal (het masker) met gaatjes op het substraat geplaatst. De organische moleculen gaan door de gaatjes en eindigen boven op het substraat. Pawel Malinowski: "Deze methode maakt een pixel-pitch in de orde van 20 micrometer mogelijk. Maar de schermgrootte en het productierendement blijven praktische uitdagingen. Dat heeft te maken met het buigen van het masker en met de gebruikte reinigingsprocedures. Het gebruik van maskers leidt bovendien tot een overvloeiing van 15 tot 20 micrometer tussen de RGB-stapels. Dat betekent dat bij hogere resoluties de ‘aperture area’ – de zone die werkelijk licht afgeeft – aanzienlijk kleiner wordt." 

De schermfabrikanten zijn daarom naarstig op zoek naar een techniek waarmee submicronpatronen voor RGB OLEDs op kleine en grote substraten kunnen gemaakt worden, en dit op een kostenefficiënte manier. En daar verschijnt fotolithografie op het toneel. Deze technologie, vergelijkbaar met de fabricage van CMOS, stelt vrijwel geen beperkingen aan de grootte van het substraat en de resolutie. De vereiste apparatuur is bovendien al op industriële schaal in gebruik. TungHuei Ke: "Deze techniek kan echter niet zomaar op organische materialen worden toegepast. De standaard chemicaliën (fotolakken, ontwikkelaars, strippers) voor de patroonvorming op silicium lossen het kwetsbare organische halfgeleidermateriaal op of tasten het aan. Conventionele OLEDs lijden ook sterk onder de standaardprocesomstandigheden van de fotolithografie, zoals de blootstelling aan de omgevingslucht en UV-licht. Het gebruik van alternatieve resistmaterialen, zoals bevroren CO2 of fluorhoudende resists, werd eerder al voorgesteld. Maar die materialen stellen uitdagingen rond de afvalverwerking, de compatibiliteit met de apparatuur en de opschaalbaarheid voor productie."

 

i-line fotoresists – een benadering van imec en Fujifilm

Imec en Fujifilm werken aan niet-fluorhoudende, chemisch versterkte fotoresistsystemen die compatibel zijn met i-line fotolithografie (belichting met 365 nm UV-licht). In 2013 hebben ze de haalbaarheid van deze technologie voor het eerst gedemonstreerd. Sindsdien heeft het team verscheidene state-of-the-art mijlpalen bereikt die tonen dat de methode geschikt is voor patroonvorming met hoge resolutie op grote substraten. Pawel Malinowski: "We hebben in 2014 tweekleurige OLED-arrays met patronen met een subpixel-pitch van 200 micrometer voorgesteld. In 2015 hebben we met succes RGB OLED-arrays aangetoond met een subpixel-pitch van 20 micrometer en een resolutie van 640ppi. En recent hebben we de techniek gebruikt om tweekleurige OLED-arrays met een subpixel-pitch van 10 micrometer en een resolutie van 1250ppi te produceren. Met deze unieke, kosteneffectieve en disruptieve benadering pakken we niet alleen de chemische compatibiliteit van OLEDs aan, maar ook de compatibiliteit met de fab en de opschaalbaarheid.” Er is immers geen extra kapitaalinvestering nodig, want de bestaande i-line belichtingssystemen kunnen voor de nieuwe technologie worden gebruikt. 

Een 1250ppi meerkleurig OLED-scherm

Om de patroonvorming te verifiëren, hebben Fujifilm en imec teststructuren gebruikt die gemaakt werden in een common-contact configuratie. In die eenvoudige structuur delen alle pixels van een array de anode (ITO) en de kathode (Ag). De teststructuren worden verwerkt op glassubstraten van 3x3cm2 met vooraf aangebrachte patronen voor de onderste (‘bottom’) contactlijnen. Voor elke OLED-kleur wordt een meerlaagse stapel van kleine moleculen met verschillende organische halfgeleiders thermisch verdampt op een SiN edge-cover layer (ECL), een laag die op de stap- en randzones aangebracht is. De patronen worden fotolithografisch aangebracht op elke kleur, bovenop de SiN ECL. Na de belichting van de i-line fotoresist doorheen het fotomasker, wordt de onbedekte OLED-stapel door middel van reactief ionenetsen verwijderd.

 

oled array

Schematische doorsnede van een teststructuur voor een RGB OLED-array.​​​​​​​

TungHuei Ke: "Op deze manier bereiken we een hoge ‘aperture’ verhouding van 85% met een array van 20 micrometer pitch, wat overeenkomt met een resolutie van 640ppi. Ter vergelijking, de ‘aperture’ verhouding van het gecommercialiseerde 500ppi OLED-scherm is ongeveer 18%. Die grote effectieve emissieoppervlakte is een van de troeven van onze fotolithografische techniek. Het is een cruciale vereiste voor ‘near-to-eye’ toepassingen in het domein van de virtuele/augmented reality. De kleinere ruimte tussen de pixels zou de beeldkwaliteit beduidend verhogen en leiden tot een betere immersieve ervaring. Bovendien geeft een hogere aperture-verhouding van de emissieve pixels een lagere stroomdensiteit bij een gelijk helderheidsniveau. Dat zou de operationele levensduur van de OLED fors kunnen vergroten. We hebben ook mogelijke degradatie-effecten onderzocht. We weten dat het aanbrengen van patronen op kwetsbare OLED-stacks onder meer de foto-elektrische conversie aantast. Na de optimalisatie van de fotoresist, de procesvoorwaarden en de structuur van de OLED, blijken eenkleurige OLED-schermen weinig ‘last’ te hebben van de patroonvorming. Dat konden we aantonen door middel van opto-elektrische karakterisatie." Pawel Malinowski: "In onze laatste realisatie hebben we passieve schermen met 1900x600 subpixels gemaakt met naast elkaar geplaatste arrays van rood en blauw. Voor beide kleuren hebben we een uniforme emissie waargenomen. In deze configuratie bestaat een array-pixel uit 4 subpixels (twee rode, twee blauwe). De full-color pitch van 20 micrometer (of een subpixel-pitch van 10 micrometer) komt overeen met 1250ppi. We werken nu samen met Fujifilm aan driekleurige OLED-arrays met een subpixel-pitch van 10 micrometer." 

demo oled

Demonstratie van OLED-schermen met hoge resolutie (imec en Fujifilm). (Links) passief scherm met één OLED-kleur en 2500ppi resolutie; (midden) passief scherm met twee OLED-kleuren en 1250ppi resolutie; (rechts) microscopisch beeld van een detail van de tweekleurige array dat de elektroluminescentie toont van OLED-pixels met een pitch van 10 micrometer. ​​​​​​​

imec logo demo oled

Detailbeeld van het passieve scherm met oranje/blauwe OLED-kleuren en 1250ppi resolutie.​​​​​​​

Op weg naar de schermen van de volgende generatie

Zoals duidelijk uit de resultaten blijkt, is fotolithografie een kosteneffectief, disruptief fabricageproces voor RGB OLEDs. Met een resolutie tot 1250ppi en een subpixel-pitch van 10 micrometer wordt de patroonvorming van meerkleurige OLED-arrays voor smartphoneschermen van meer dan 4K haalbaar. Maar er moeten nog andere problemen worden opgelost voor deze schermen klaar zijn voor de markt. De common-contact configuratie die in de RGB-teststructuren wordt gebruikt, is bijvoorbeeld niet ideaal voor veelkleurige arrays. Pawel Malinowski: "In de praktijk varieert de drempelspanning van de verschillende OLED-emissielagen. Daarom zal dit proces in een volgende stap worden geïntegreerd op een dunne-film transistor (TFT) backplane, waarbij elke kleur afzonderlijk wordt aangestuurd. En dan is er nog de degradatie van de levensduur, momenteel een van de grootste problemen van de nieuwe fabricagetechnieken. Hiervoor moet een meer diepgaande studie worden uitgevoerd." 

Het programma voor flexibele schermen van imec en Holst Centre houdt rekening met al die nieuwe behoeften. Het is vier jaar geleden van start gegaan en streeft naar een kosteneffectieve productie van de flexibele AMOLED-schermen van de volgende generatie. Het team bestudeert oplossingen voor het gebruik van folie, de verwerking van TFT-backplanes en van dunne barrières voor de bescherming van de OLEDs. Het onderzoekt een aantal cruciale technologieën die het vermogenverbruik verder zullen beperken, de levensduur zullen verlengen, de fabricagekosten zullen verlagen en de prestaties van deze weldra alomtegenwoordige schermen nog verder zullen verbeteren. 

 

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies