English
version

Новости

17 марта 2017

Фотолитография – ключевое техническое решение для перспективных AMOLED-дисплеев высокого разрешенияmagazine.imec.be

17 марта 2017 года — «Фотолитография – ключевое техническое решение для перспективных AMOLED-дисплеев высокого разрешения» — под таким названием корпоративный журнал компании imec опубликовал следующую статью.

Павел Малиновский (Pawel Malinowski) и Тунхуэй Ке (TungHuei Ke) показывают тестовое устройство, использованное для исследования приёмов формирования OLED высокого разрешения.

Павел Малиновский (Pawel Malinowski) и Тунхуэй Ке (TungHuei Ke) показывают тестовое устройство, использованное для исследования приёмов формирования OLED высокого разрешения.

Сфера применения органических светодиодов (OLED) постоянно расширяется: от экранов телевизоров до смартфонов, автомобильной светотехники и носимых устройств. OLED-дисплеи могут быть тонкими и гибкими, они обладают отличными оптическими характеристиками и из них можно делать дисплеи крупных размеров. Но помогут ли они и далее повышать разрешение дисплеев, что необходимо в новых приложениях, таких как устройства виртуальной и дополненной реальности? Павел Малиновский и Тунхуэй Ке, старшие научные сотрудники imec, разъясняют, как imec и Хольст-Центр реагируют на эти новые потребности. Они считают фотолитографию ключевой технологией для изготовления нового поколения дисплеев высокого разрешения на органических светодиодах (OLED), в том числе и на базе активных матриц (AMOLED).

Технология OLED завоёвывает рынок дисплеев

На протяжении более пятидесяти лет электронно-лучевые трубки были самым популярным устройством отображения в телевизорах и компьютерах, пока их не заменили плазменные и жидкокристаллические дисплеи (LCD). Последние стояли у истоков плоских дисплеев, которые прижились не только в домах и офисах, но и в автомобильных, мобильных и мультимедийных устройствах. С 2010 года рынок плазменных дисплеев сдал позиции, чтобы поддержать OLED — нового конкурента LCD технологии. Павел Малиновский: «Этот новичок на сегодня уже завоевал значительную долю на рынке дисплеев (9,3% в 2015 году), и она постоянно растет. В настоящее время OLED-дисплеи массово производятся для мобильных телефонов, планшетов, телевизоров и носимых устройств. Аналитическое агентство IDTechEx прогнозирует, что объём рынка сбыта всех типов OLED-дисплеев достигнет почти 16 миллиардов долларов в 2016 году и вырастет до 57 миллиардов долларов к 2026 году».

Тунхуэй Ке: «OLED и LCD основаны на различных технологиях. OLED представляет собой многослойное устройство, в котором рабочая многослойная структура из органических полупроводников расположена между электродами. При приложении напряжения происходит инжекция электронов и дырок и их рекомбинация, приводящая к образованию экситонов в эмиссионном слое. Фотоны образуются за счёт высвобождения энергии возбужденных молекул эмиссионного слоя. Цвет излучения можно точно задавать подбором молекул эмиссионного слоя и структуры устройства. Это позволяет добиться расширенного цветового пространства и более точной цветопередачи по сравнению с ЖК-дисплеями. В отличие от ЖК-устройств, в которых жидкокристаллический материал используется в качестве затвора для управления интенсивностью светового излучения, OLED излучает сам по себе. В результате OLED имеет ряд важных преимуществ, таких как очень малое время отклика, высокая частота обновления, бесконечно большой коэффициент контрастности (истинный черный цвет) и более простая структура панели, если сравнивать с технологией ЖК-дисплеев. OLED управляется током. В OLED-дисплее с активной матрицей отдельные субпиксели изображения могут управляться независимо друг от друга с помощью соответствующего устройства управления пикселями. За счет более простой структуры панель OLED-дисплея можно изготовить очень тонкой, что позволяет делать гибкие дисплеи, сворачиваемые в рулон или даже тянущиеся дисплеи. Благодаря превосходным механическим свойствам гибких OLED-дисплеев их можно применять в разнообразных носимых устройствах различных форм-факторов. Все больше и больше компаний в индустрии производства дисплеев намерены перейти на массовый выпуск OLED, ориентируясь на выпуск следующего поколения портативных электронных устройств в 2018 году».

Сравнение структуры устройств OLED и LCD.

Сравнение структуры устройств OLED и LCD

Сравнение дисплеев на базе технологий LCD и OLED. На рисунке – микрофотография стандартного ЖК-дисплея для смартфона и разработанного imec монохромного пассивного OLED-дисплея с разрешением 2500 пикселей на дюйм (ppi). OLED позволят разместить на той же площади значительно большее количество пикселей.

Сравнение дисплеев на базе технологий LCD и OLED. На рисунке – микрофотография стандартного ЖК-дисплея для смартфона и разработанного imec монохромного пассивного OLED-дисплея с разрешением 2500 пикселей на дюйм (ppi). OLED позволят разместить на той же площади значительно большее количество пикселей.

Навстречу дисплеям с разрешением 8K

Индустрия производства дисплеев относится к наиболее инновационным. Довольно быстро появляются новые товары в новых форм-факторах и применениях, особенно в сегменте AMOLED-дисплеев. Примером могут служить окулярные дисплеи, включая устройства виртуальной и дополненной реальности. Павел Малиновский: «В то же время гонка за более высокими разрешениями и не думает замедляться. Современным товарам требуются OLED-дисплеи с высокой плотностью пикселей, то есть около 200 пикселей на дюйм (ppi) для телевизоров с разрешением 4K (3840×2160 пикселей) и 500 ppi для мобильных устройств с поддержкой Full HD (1920×1080 пикселей). Производители дисплеев предлагают далее увеличить разрешение до 8K (7680×4320 пикселей). Исследования показали, что это будет способствовать формированию глубины ощущений, что фактически обеспечит восприятие трёхмерного изображения на плоском экране телевизора. В зависимости от типа дисплея разрешение 8К обуславливает различные требования к шагу пикселя. Например, для смартфонов с 5,5-дюймовым дисплеем это соответствует шагу пикселя менее 20 мкм. Для микро-дисплеев (0,5 дюйма), требуется шаг пикселя всего 2 мкм».

Требования к шагу пикселя для разрешения 8K на дисплеях различных типов (телевизоры, планшеты, смартфоны, микро-дисплеи и шлемы виртуальной реальности).

Требования к шагу пикселя для разрешения 8K на дисплеях различных типов (телевизоры, планшеты, смартфоны, микро-дисплеи и шлемы виртуальной реальности).

Фотолитография — ключевая технология

Одной из основных проблем в производстве OLED-дисплеев с высоким разрешением является формирование сверхминиатюрных OLED-пикселей. Современные методы формирования органических полупроводников включают использование теневой маски и струйной печати. Несмотря на то, что эти методы очень эффективны для небольших дисплеев с низким разрешением (менее 500 ppi), они не подходят для формирования структур с высоким разрешением на подложках большого размера. Например, при использовании метода нанесения через теневую маску тонкий лист металла (маска) с отверстиями помещается на подложку. Органические молекулы проходят через отверстия и попадают на подложку. Павел Малиновский: «Этот метод позволяет получить шаг пикселя в районе 20 мкм. Тем не менее, размер дисплея и выход годных ограниченны из-за изгиба маски и процедур очистки. Кроме того, при использовании масок между каналами RGB возникает область плавного перехода шириной примерно от 15 до 20 микрометров. Это означает, что при более высоких разрешениях площадь апертуры — это область, которая на самом деле излучает свет – значительно уменьшается.

Поэтому производители дисплеев находятся в постоянном поиске экономически эффективного способа, подходящего для формирования структуры RGB OLED с элементами субмикронного размера на подложках большого и малого размера. И именно здесь на сцену выходит фотолитография. Эта технология, аналогичная применяемой для изготовления КМОП-структур, позволяет использовать подложки практически неограниченного размера при практически произвольном разрешении. Кроме этого, необходимое оборудование уже используется в промышленном масштабе. Тунхуэй Ке: «Применить эту технологию к формированию органических материалов, однако, не так просто. Стандартные химические вещества (фоторезисты, проявители, составы для удаления верхнего слоя), применяемые для формирования структур в кремнии, растворяют или загрязняют уязвимый органический полупроводниковый материал. Кроме того, обычные OLED-устройства значительно деградируют в стандартных для фотолитографии технологических условиях из-за воздействия окружающего воздуха и ультрафиолетового излучения. Было предложено использовать в определенных технологических условиях альтернативные материалы для резистов, в частности, сухой лёд или фторсодержащие фоторезисты. Но эти материалы создают проблемы с точки зрения утилизации отходов, совместимости аппаратного оснащения и масштабируемости производства».

Фоторезисты для экспозиции i-линией – подход imec и Fujifilm

Специалисты Imec совместно с Fujifilm провели работы по использованию нефторированных, химически усовершенствованных фоторезистных систем, совместимых с фотолитографией i-линии (т.е. при использовании ультрафиолетового излучения с длиной волны 365 нм). В 2013 году они впервые продемонстрировали реализуемость этой технологии. С тех пор команда достигла ряда принципиально важных результатов, доказавших, что этот метод поддерживает формирование изображений высокого разрешения на подложках большого размера. Павел Малиновский: «В 2014 году мы показали двухцветные OLED-матрицы с шагом субпикселя в 200 микрометров. В 2015 году мы успешно продемонстрировали OLED-матрицы с RGB, у которых шаг субпикселя составил 20 микрометров, а разрешение — 640 ppi. А недавно мы применили эту технологию для производства двухцветных OLED-матриц с шагом субпикселя в 10 микрометров и разрешением 1250 ppi. С помощью этого уникального, экономически эффективного и прорывного подхода мы решаем не только вопрос химической совместимости с OLED, но и вопросы совместимости аппаратного оснащения и масштабируемости». В самом деле, необходимость в дополнительных капитальных инвестициях отсутствует, так как в рамках новой технологии могут использоваться существующие системы для экспонирования i-линии.

Многоцветный OLED-дисплей с разрешением 1250 ppi

Для проверки формирования структуры специалисты Fujifilm и imec использовали тестовые структуры, изготовленные в конфигурации с общими контактами. В такой простой структуре анод (оксид индия-олова, ITO) и катод (серебро, Ag) являются общими для всех пикселей в матрице. Обработка тестовых структур осуществляется на стеклянных подложках размером 3×3 см с заранее сформированными нижними контактными дорожками. Для каждого цвета производится термическое напыление многослойной структуры из низкомолекулярных органических полупроводников разного типа поверх краевого покровного слоя (ECL, edge-cover layer) из нитрида кремния SiN, который захватывает область экспонирования и краевую область. Формирование структуры достигается фотолитографическим нанесением каждого из цветов поверх нитрид-кремниевого слоя ECL. После экспонирования фоторезиста i-линии через фотошаблон незащищённая многослойная структура OLED удаляется методом реактивного ионного травления.

Схематичное поперечное сечение тестовой структуры RGB OLED-матрицы.

Схематичное поперечное сечение тестовой структуры RGB OLED-матрицы.

Тунхуэй Ке: «Таким образом, мы можем достичь высокого относительного размера апертуры в 85% при шаге матрицы в 20 микрометров, что соответствует плотности 640 ppi. Для сравнения, относительный размер апертуры серийно выпускаемого OLED-дисплея с плотностью 500 ppi составляет около 18%. Получение такой высокой эффективной площади излучения — одна из сильных сторон этого метода фотолитографии. Это критически важное требование к окулярным дисплеям в приложениях виртуальной/дополненной реальности. Снижение доли неизлучающих областей (уменьшение расстояния между пикселями) значительно повысит качество изображения и обеспечит более выраженный эффект погружения. Кроме этого, повышение относительного размера апертуры светоизлучающего пикселя приводит к уменьшению плотности тока при том же уровне яркости. Это может значительно увеличить срок эксплуатации OLED. Мы также провели проверку на эффекты деградации. Известно, что формирование структур из уязвимых к внешним воздействиям многослойных OLED снижает, в частности, эффективность фотоэлектрического преобразования. Однако после оптимизации фоторезиста, условий технологического процесса и структуры OLED-устройств, изучение оптико-электрических свойств одноцветных устройств не выявило существенного влияния такого формирования структур». Павел Малиновский: «В числе наших последних достижений — изготовление пассивных дисплеев с разрешением 1900×600 субпикселей с формированием матриц чередующихся структур красного и синего свечения. Для обоих цветов мы наблюдали равномерное излучение. В этой конфигурации пиксель матрицы состоит из 4 субпикселей (два красных, два синих), а шаг полноцветного пикселя в 20 мкм (или шаг субпикселя в 10 мкм) соответствует разрешению 1250 ppi. Сейчас вместе с Fujifilm мы работаем над трехцветными OLED-матрицами с шагом субпикселя в 10 микрометров.

Демонстрация OLED-дисплеев с высоким разрешением, разработанных Fujifilm и imec. (Слева) пассивный одноцветный дисплей с разрешением 2500 ppi; (в центре) пассивный двухцветный дисплей с разрешением 1250 ppi; (справа) микрофотография, показывающая электролюминесценцию увеличенного фрагмента двухцветной матрицы с шагом OLED-пикселя в 10 микрометров.

Демонстрация OLED-дисплеев с высоким разрешением, разработанных Fujifilm и imec. (Слева) пассивный одноцветный дисплей с разрешением 2500 ppi; (в центре) пассивный двухцветный дисплей с разрешением 1250 ppi; (справа) микрофотография, показывающая электролюминесценцию увеличенного фрагмента двухцветной матрицы с шагом OLED-пикселя в 10 микрометров.

Увеличенное изображение пассивного дисплея с OLED оранжевого/синего цвета и разрешением 1250 ppi.

Увеличенное изображение пассивного дисплея с OLED оранжевого/синего цвета и разрешением 1250 ppi.

Путь к дисплеям следующего поколения

Полученные результаты четко показывают, что фотолитография обеспечивает экономически эффективный, прорывной процесс изготовления RGB OLED. При разрешении до 1250 ppi и шаге субпикселя в 10 мкм становится возможным формирование многоцветных OLED-матриц дисплеев для смартфонов с разрешением выше 4К. Но есть и другие проблемы, которые необходимо решить, прежде чем подобные дисплеи выйдут на рынок. Например, стандартная конфигурация контактов, которая используется в тестовых структурах RGB, не идеальна для многоцветных матриц. Павел Малиновский: «Реальное напряжение включения различных светоизлучающих слоев OLED варьируется. Поэтому на следующем этапе этот процесс будет применен на подложке с тонкопленочными транзисторами (TFT), когда каждым цветом можно будет управлять по-отдельности. Также наблюдается ухудшение качественных характеристик со временем, в текущий момент это одна из наиболее важных проблем при внедрении новых технологий производства. Это требует более глубокого изучения явлений деградации при использовании нового процесса формирования структур».

Все эти новые потребности учтены в программе изучения гибких дисплеев imec и Хольст-Центра, которая была запущена четыре года назад и нацелена на получение экономически эффективного способа производства нового поколения гибких AMOLED-дисплеев. Команда, работающая над этой программой, изучает выполнение операций с фольгой, работу на подложках с TFT, а также формирование тонких барьеров, необходимых для защиты OLED. Эта команда исследует ряд ключевых технологий, которые позволят снизить энергопотребление, продлить срок службы, сократить производственные затраты, повысить производительность таких дисплеев, которые в скором будущем будут использоваться повсеместно.

Дополнительная информация (на английском языке)

Fujifilm и imec разрабатывают новые фоторезистные технологии для формирования субмикронных структур органических полупроводников — пресс-релиз, 2013 год.

Fujifilm и imec демонстрируют полноцветные OLED с фоторезистными технологиями для органических полупроводников — пресс-релиз, 2015 год.

IDTechEx — Прогноз аналитического агентства по рынку OLED-дисплеев на 2016-2026 годы.

Оригинал этой статьи.

Теги
Мы в соцсетях