ディスプレイ製造におけるレーザー：MicroLEDのリフトオフ、移設、修理
Coherent UVtransferシステムは、MicroLEDディスプレイの製造において重要な3つのステップを実行し、圧倒的な解像度と輝度を持つスケーラブルなディスプレイを実現します。
2022年10月4日、Coherent
フラットパネルディスプレイの製造工程を紹介する本連載の第6回では、レーザーを用いたMicroLED搭載の次世代ディスプレイの自動量産化について、将来を見据えて考察してみたいと思います。
AMOLED技術は、スマートフォンやテレビの薄型ディスプレイに、素晴らしい色と解像度をもたらしています。しかし、ディスプレイメーカーはすでに、ディスプレイの次の「大きなトレンド」となるMicroLEDディスプレイに注目しています。
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50ミクロン未満の微小な無機LEDをベースにしたこの新技術には、いくつかの利点があります。まず、有機ELの発光体に影響を及ぼす可能性のある経年劣化の心配がありません。また、より高い輝度とコントラストを実現することができます。さらに、大型テレビやパブリックディスプレイをより低コストで製造できるほか、VR/AR用途向けの超小型ディスプレイの製造も可能にする可能性を秘めた、拡張性の高い技術です。
MicroLEDディスプレイは、実は以前から限定的に存在していましたが、現在、ディスプレイメーカーがこれを本格的に生産する方法を確立しつつあります。その結果、レーザーがいくつかの重要な役割を果たしていることが明らかになりました。詳しく見ていきましょう
ウェハースケール・エコノミー
無機（半導体）LEDは、自動車の高輝度ヘッドランプなどに使用されるなど、高い光量に対応しています。これにより、MicroLEDは非常に小型でありながら、同時に非常に明るくすることが可能です。現在の最先端サイズは50×50ミクロン程度ですが、将来的には10×10ミクロン程度まで小型化されると予測されています。
このアクティブエミッターには、赤、緑、青の3種類があります。いずれも高密度に配列されたサファイアウェハー上に、エピタキシャル成長によって量産されます。そのため、直径6インチのウェハー上に数百万個のMicroLEDを配列することができ、大規模な経済性を実現できます。
最終的には、比較的安価な大型ガラスに必要回路を載せ、薄型ディスプレイとして機能させることになります。複数のタイルで構成される大型ディスプレイでは、総表示面積が2メートル、画素ピッチが1ミリ以上になることもあります。1画素に3個の微小なエミッターを配置しても、ディスプレイの大部分はデッドスペースになってしまいます。大画面の場合、画素数が大きなコスト要因となるため、最終的なコストダウンが期待できます。
コンセプトは分かりやすいのですが、実際の実装は簡単ではありません。
リフトオフを実現する
実際、これを実現するには大きな課題があります。数百万個にも及ぶMicroLED（ダイ）を、製造したサファイアウェハーから移し、大型ディスプレイパネル上に正確に配置する必要があります。信じられないかもしれませんが、初期の試作機では、個々のダイをバキュームロボットなどで機械的にピックアップし、配置していました。しかし、それでは量産に間に合いません。また、ダイがさらに小さくなると、取り扱い時に一部が破損するリスクもあり、迅速に行うことは困難です。8Kディスプレイの場合、3,000万画素以上、つまり1億個近いダイが必要となるため、歩留まりは非常に高くなければなりません。
その解決策として、本シリーズの以前のドキュメントで紹介した実績のある技術のいくつかに関連する自動多重化プロセスにおいて、レーザーを使用することです。
実際には、リフトオフ、移設、修理という3つのプロセスが個別に必要となります。まず、MicroLEDを成長させたサファイアウェハーから分離し、レーザーリフトオフ（LLO）と呼ばれる従来のレーザー技術を用いて、取り扱いが容易な仮のキャリアに移し替えます。キャリアに接着剤を塗布し、金型の上部に接触させます。エキシマレーザーの紫外線をサファイアウェハーの裏側から照射し、ダイ形成前にウェハー上に蒸着された薄い犠牲層を蒸発させます。これにより、MicroLEDは一時的なキャリア上に残り、成長ウェハー上と同じ間隔で配置されます。
LIFT - ピッチを変更する
次は、レーザー誘起前方転写法（LIFT）です。ここでは、紫外線（エキシマ）レーザーからのパルスが、透明なキャリアの裏側から照射されます。レーザー光はキャリアと接着剤を通過し、GaNに残ったバッファ層と相互作用します。これにより、転写残りがほとんどなくなり、短波長の紫外線を使用すれば、MicroLEDとユーザーとの接触面への影響もありません。これにより、金型は物理的に吹き飛ばされ、最終的なディスプレイパネルに押し付けられます。ディスプレイパネルに密着させますが、衝突を避けるため、MicroLEDの厚みよりも大きな隙間を設ける必要があります。最終的なガラスパネルの接着剤が、MicroLEDを所定の位置に保持します。
LIFTでは、広範囲のレーザービームがフォトマスクを通過するため、特定のダイのみが解放され、ディスプレイ基板に押し付けられます。均一な、いわゆるフラットトップビームは、完璧な配置に不可欠です。（実物大ではありません）。
さて、肝心の「魔法」ですが、これはピッチ（金型の間隔）を変更することです。長方形のレーザービームは、穴の開いたマスクを通過します。そして、投影された穴のパターンが最終的なディスプレイの画素と同じ距離になるように、ビームを2.5倍または5倍に拡大します。これにより、EpiWafer上のLEDピッチの5分の1、10分の1、あるいはその他の整数倍が、レーザーパルスによって数マイクロメートルの小さな隙間を越えてディスプレイに押し出されることになります。その後、キャリアは、固定されたビームとマスクに対してごくわずかにMicroLEDの上を移動し、隣接するMicroLEDのセットに到達します。さらに表示パネルを移動させ、これを繰り返します。この手順や繰り返しが少し分かりにくい場合は、分かりやすい動画がありますので、ご安心ください。
また、一部のメーカーでは、EpiWaferからダイを持ち上げる際にピッチを変更するという、少し変わった工程順序に取り組んでいます。これは「選択的LLO」と呼ばれています。しかし、全体的な結果は同じです。
高スループットと修理
LIFTは、比較的小さなサファイアウェハー上に多数のマイクロLEDを経済的に製造し、それらをより広いピッチで配置することで、1枚の大きなパネルを作成することを可能にする技術です。また、LIFTのもう一つの大きなメリットは、その高速性です。1パルスで数千個のマイクロLEDを駆動することができます。
現在の研究開発において、エキシマレーザーのパルスレートは最大20パルス/秒（20 Hz）であり、わずか1秒で最大640 mm²の面積をマイクロLEDで覆うことができます。しかし、このエキシマレーザー技術は、高い（1 J以上）パルスエネルギーと高い繰り返し率を用いるレーザーアニール用途で実証されているように、極めて出力拡張性の高い技術です。LIFTでは、より高いパルスエネルギーを利用することで、より大きなマスクとフィールドサイズを実現することができます。
現在、無機マイクロLEDのような比較的単純な半導体デバイスの歩留まりは、驚くほど高くなっています。しかし、各ディスプレイには数百万個のRGBデバイスが搭載されているため、ピクセルの欠陥や操作ミスにより、RGBデバイスの1つが正しく発光しない可能性がわずかながら存在します。その場合、自動化されたレーザープロセスでは、1か所が開いたマスクやスキャナーを用いたシステムを使用し、交換用のダイを追加することで、簡単に修復することができます。
Coherent社はすでに、MicroLEDディスプレイの製造向けに「UVtransfer」というツールを提供していますが、このツールは、レーザーリフトオフ（LLO）、レーザー誘起転移（LIFT）、欠陥画素の修復・トリミングという3つのプロセスをすべて実際に実行することができます。この3in1ツールにより、大型MicroLEDディスプレイの製造が実用的かつ経済的なものとなります。
詳しくはCoherent UVtransferシステムをご覧ください。
