ディスプレイ製造におけるレーザー：エキシマレーザーアニール
コヒーレントエキシマレーザーは、より高輝度で、より高解像度、かつエネルギー効率に優れたディスプレイを実現します。
2022年10月4日、Coherent
現在、ほとんどの携帯電話に採用されているAMOLED（アクティブマトリクス型有機EL）ディスプレイは、非常に美しい（高輝度・高鮮明度）ディスプレイです。その裏側では、メーカー各社が消費電力を抑える工夫を凝らしています。ディスプレイは通常、携帯電話の他のどの部分よりも多くのバッテリー電力を消費するため、これは重要な課題です。これを実現するために、膨大な技術が投入されています。その中で、コヒーレントレーザーは、絶対に欠かせない重要な役割を担っています。このブログシリーズでは、全6回にわたり、ディスプレイの製造においてレーザーがどのように活用されているかを具体的にご紹介します。
コヒーレントレーザーを用いた最も重要な加工手法の一つは、デバイス回路の製造における最初の段階で実施されます。具体的には、現代の固体電子工学の中核をなす半導体であるシリコンの薄膜を、「マザーガラス」と呼ばれる大きなパネル上に蒸着する工程です。現在、これらのマザーガラスパネルは通常1.5 m × 1.85 m（第6.5世代）ですが、携帯電話メーカーは個々のディスプレイのコストを削減するため、さらなる大型化を目指しています。
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問題はアモルファスです。
このシリコン層には少し問題があります。これを製造するための化学気相成長法では、アモルファスシリコンが生成されます。アモルファスシリコンは、個々の原子が不規則かつ無秩序に配列しています。アモルファスシリコンを使用した回路は、電子的特性が劣るため、ディスプレイが暗くなり、バッテリーの消費量も多くなります。
それに対して、携帯電話をはじめとするあらゆる電子デバイスの集積回路は、単結晶シリコンで作られています。単結晶シリコンでは原子が高度に配列しており、この配列が優れた電子特性を生み出します。これが、現代のマイクロプロセッサが驚異的な高速性を発揮する理由の一つです。
残念ながら、マイクロプロセッサに使用される単結晶シリコンウェハーを製造する技術は、母ガラスパネルに近いサイズのものを製造するにはスケールアップすることができません。しかし、シリコンの中には、原子が規則正しく並んでいる「多結晶シリコン」が存在することが判明しました。ここで重要な指標となるのが電子移動度であり、多結晶シリコンの電子移動度はアモルファスシリコンの200倍にも達します（単結晶シリコンの電子移動度は通常、多結晶シリコンの2倍以上です）。多結晶シリコンの使用が、現在のディスプレイの発展における大きな要因となっています。
ディスプレイ製造のための優れたアイデア
では、多結晶シリコンを得るにはどうすればよいでしょうか。少なくとも理論的には、それほど難しいことではありません。アモルファスシリコンの層が溶けるまで加熱し、その後急冷して多結晶に固めればよいのです。
問題は、シリコンを溶かすために約600℃まで加熱する必要があることです。しかし、この高温とそれに伴う急激な温度変化により、通常のガラスで作られたパネルは破損してしまうため、代わりに高価な耐熱ガラスを使用する必要があります。この場合、特にメーカーがガラスパネルのサイズを大きくするにつれて、ディスプレイの価格は高くなります。
その課題を解決するのが、低温多結晶シリコン（LTPS）の製造に使用されるエキシマレーザーアニール（ELA）という技術です。この技術は、Coherent社のエキシマレーザーに依存しています。
エキシマレーザーが採用される理由は、極めて強力な紫外線パルスを発生させることができる唯一の光源だからです。シリコンは紫外線を強く吸収するため、高いパルスエネルギーと相まって、わずか数回のレーザーパルスで薄いシリコン層を急速に溶かすことができます。適切な多結晶構造を形成し、望ましい電子的特性を得るためには、このほぼ完全な溶融が不可欠です。
エキシマレーザーの出力を細いラインビームにし、これを母ガラス上で高速走査させることで、効率的にELAを行うことができます。
また、シリコンは吸収率が高いため、下側のガラス（フレキシブルディスプレイの場合はポリアミド（PI）層）には紫外線がほとんど届きません。したがって、ELA処理の際にシリコンを十分に溶かしても、ガラス自体は熱くなりません。このため、ELA処理は一般的な安価なガラスパネルを用いて実施することができます。これが、携帯電話のAMOLEDディスプレイ用LTPSの製造方法としてELAしか選択肢がない理由です。
大型のマザーガラス基板上でELAを行うには、エキシマレーザーから発せられる通常は長方形のビームを、パネルと同じ幅の細いラインビームに変換します。この細い線状のビームをガラス板に照射し、全長にわたって走査させることで、シリコンの溶融と再固化を実現します。
製造におけるELA
携帯電話は年間約15億台生産されています。主要メーカー各社は、1日に約100万台の携帯電話を製造しています。もちろん、これらの企業は生産・加工プロセスにおいて、高い信頼性と低コストを求めています。なぜなら、このような大量生産においては、組み立てラインを少しでも停止させたり、不良品を出したりすると、莫大なコストがかかってしまうからです。
Coherent 、コストパフォーマンスに優れた量産型ELAソリューションとして、主要なディスプレイメーカーに採用されています。
Coherentは、製造業界が求める品質、信頼性、スループット、コスト性能を実現するため、Coherent 」を提供しています。これは、製造用ELAを確実に実現する唯一の方法です。現実の世界では、大量生産されるELAシステムには複数の異なるコンポーネントが組み込まれており、それぞれが優れた性能を発揮し、さらにシステムの他の部分と完璧に連携する必要があります。これらのコンポーネントには以下が含まれます：
- エキシマレーザー（Coherent ）。これは、非常に高エネルギーのパルスを高い繰り返し周波数で（必要なスループット速度を達成するために）、並外れた安定性と長い動作寿命をもって提供できるよう設計されています。
- LineBeam光学系。長方形のエキシマレーザー光を、極めて安定した強度の細長い線状に再形成します。これは、ELA加工法の特性がビームに沿った位置によって変化しないようにするために必要です。
- 加工の品質と一貫性を検証・保証するための、能動的な監視および制御システム。
ELAは、高品質なフラットパネルディスプレイの生産に不可欠です。この状況は、すぐには変わらないでしょう。Coherent社は、次世代の大型スマートフォンやタブレット端末に使用されるマザーガラスの大型化を求めるメーカーのニーズに応えるため、LineBeamシステムの規模を拡大し続けています。
