MicroLED - ディスプレイ製造用レーザプロセス

MicroLEDの可能性と課題

MicroLED（μLED）は、未来のディスプレイに大きな可能性をもたらす、新しいタイプのデバイスです。 一般的に窒化ガリウム（GaN）をベースとしており、現状では寸法が20～50 µm程度ですが、将来的には10 µm以下まで小型化されると予想されています。 サファイア成長ウエハの基板に既存のGaN製造技術を駆使することにより、数ミクロンの線幅で非常に高い密度を達成できます。

ミクロンサイズの寸法、高輝度、高製造密度を実現したことで、ディスプレイ市場は有機ELや液晶ディスプレイにより拡大を遂げた現在の市場を超えてさらに拡大することでしょう。 たとえばμLEDは、1インチ未満の超小型AR/VRアプリケーション用高解像度ディスプレイの製造に使用できます。 サイズとしては正反対ですが、屋内・屋外用の大画面ディスプレイにも対応しています。

ダイサイズが小さくなればなるほど、ウエハ上に形成できるダイの数が大幅に増えるため、このような大型ディスプレイはμLEDから経済的に製造することができます。その結果、大型ディスプレイではピクセルのピッチがダイの寸法よりもかなり大きいため、メインディスプレイのコストドライバーはピクセルの合計数になります。 これは、コストがディスプレイ面積に連動する有機ELなどの技術とは対照的です。

ただし、μLEDが広く導入されるには、克服すべき技術的課題がいくつかあります。 その1つが、サファイアウエハの成長基板からダイを分離するプロセスの開発です。 ほかにも、ミクロンレベルの精度と信頼性でディスプレイ基板にダイを移載するプロセスがあります。 こうしたプロセスは、不良ダイという避けられない問題に対処するための修復・交換方式と互換性を持つ必要があります。 同時に自動化にも対応し、LED産業が現在の総コストにおいて最大20倍のコスト削減を目指す中で、高スループットを実現する必要があります。 また、ダイは今後も小型化することが予想されるため、サイズを小さくするたびに多額の資金が必要となる設備の入れ替えをしなくても小型化のトレンドに対応できるようなプロセスが望ましいでしょう。

μLEDのLLO用として、CoherentはUV転写プロセスを開発しました。 LLOプロセスでは、背面から（透明サファイアを通過して）ダイに照射します。 これによりGaNの微細な層が浸食され、少量の窒素ガスが発生してダイを分離します。 波長（248　nm）のUVtransferプロセスは、AlNなどほかの類似材料で成長させたμLEDにも使用できます。

UVtransferプロセスでは、UVレーザビームをトップハット型の出力プロファイルを持つ方形にしてから、フォトマスクを通してサファイアウエハに照射します。 この均一な強度によって、加工フィールド内のあらゆるポイントに同一の力が加えられます。 光学系は、高エネルギーパルスごとに大きな面積のダイをリフトできるよう設定されています。 この並列処理ができるという長所は、高エネルギーのUVエキシマレーザパルスをベースにしたUVtransferプロセスを使用する当社のLLO特有のものであり、大量生産でコスト削減を実現するための重要な要因となります。 （Coherentの類似システムであるUVbladeは、柔軟な有機ELのLLOに広く使われています）。

レーザ誘起前方転写（LIFT）

UVtransferプロセスはまた、レーザ誘起前方転写（LIFT）の原理を使って、選択したダイを大量移載・配置するのに最適です。 ここで重要な課題となるのが、ピッチの劇的な違いです。 ウエハと移載キャリアの上に、現在は約1000 dpiのピッチで緊密にダイが並べられています。 しかしサイズや解像度によって、ディスプレイ上のピッチが50­～100 dpiしかない場合もあります。 また、ダイは順番に配置し、赤、青、緑を各ピクセル位置に置く必要があります。

レーザ以外の既存の移載方法では、必要な解像度で必要なスループットを実現できません。 たとえば、機械的なピックアンドプレース方式では速度と配置の精度に限界があるため、現在のテクノロジーの方向性には対応できません。 一方、フリップチップボンダーは高精度の配置（±1.5 μm）を実現していますが、一度に1つのダイしか処理できません。 対照的に、UVtransferは高精度（±1.5 μm）および大量の並列処理をする能力があり、何千ものダイを1回のレーザ照射で移載・配置できます。

エリア全体の隣接ダイを同時に処理するLLOプロセスとは異なり、移載プロセスでは、ダイの間隔が、元のウエハの近接した間隔から、最終的なディスプレイのピクセル間隔に変わります。 これは、たとえば5番目ごとや10番目ごとにダイに照射するようなパターンのフォトマスクを使って行われます。 ディスプレイの次のエリアがダイを乗せる位置に並進すると、1単位分のウエハ間隔を移動するよう、マスクの割り出しが一時的なキャリアに対して行われ、まったく新しい配列のダイが移載されます。

LLOと移載のもう1つの違いは、後者には接着剤の剥離が含まれ、必要なレーザフルエンスがIII-V族半導体の5～20倍低いことです。 この高効率性は、レーザ出力が低くても高スループットが得られることを意味しています。

UVtransferプロセスは、実装時にも重要な特徴があります。 たとえば、キャリアにマウントされたダイとTFT基板の間に隙間がほぼない場合でも、損傷なく正確な配置で各ダイの移載を成功させるには、衝撃の力を管理・制御する必要があります。 特に、力の大きさと方向をディスプレイ全体に最適かつ一定のものにし、移載の処理ウィンドウを確保できるようにします。

処理フィールドのダイに対して極めて均質で一定した移載を行うには、極めて均質なレーザ照射が必要です。これはCoherentのコアコンピテンシーであり、さまざまな用途で広く利用されています。 これにより極めて均質な2Dフィールドができ、用途に応じて正方形や高アスペクト比の長方形に形が変えられます。 たとえば6インチのウエハーの移載では、ウエハーの有効フィールドは約100mm x 100mmです。図4にあるように、局所（1つのダイ）に対する強度が均一ということは、エリアのどこでもダイが均等に押し出されることを意味します。 つまり、力は常に垂直方向で、ガウス型または傾斜型の強度プロファイルを持つビームが引き起こすような、横方向のずれはありません。 大きな範囲（ウエハ幅）のビーム強度が均質であることも重要です。それにより、各ダイが同じ力の大きさで押し出されます。

重要なのは、UVtransferプロセスが、極めて小さなダイ（5ミクロン未満）や、現在のパイロット生産より狭いストリートに簡単に対応できる点です。 実際、短波長UV光によって、将来のミクロンレベルの解像度が実現可能です。 ダイの小型化に必要なのは、異なる照射マスクだけと言えます。

赤色ダイの修復・交換

μLEDベースのディスプレイが市場で成功するには、製造コストを大幅に削減し、歩留まりを100%に押し上げる必要があります。 これが達成できない場合、何億ピクセルにもなり得るディスプレイは実用化できません。 しかし不良ダイは避けられないため、メーカーができるのは、さまざまな修復・交換方式と互換性のある製造技術プラットフォームを採用することしかありません。 LLOと移載の両方に適用した場合のCoherentのUVtransferは、すでに研究されている交換方式と互換性があります。

このプロセスの最初のステップでは、不良ダイの位置を特定し、ウエハから取り除きます。 そうすると、一時的なキャリアの上に欠損スポット（取り除いたダイがあった場所）が残ります。 すると、空いているスポットは最終的な基板で塞がれます。

選択したエリアだけに、ダイレベルでこのプロセスを適用し、不良ダイをウエハから取り除いてからLLOを行います。 各ウエハから取り除いたダイのマップが前方転写され、基板上のダイ欠損のマップになります。 これらがそれぞれ、同様の前方UV転写（UVtransfer）プロセスにより大量移載後に挿入されますが、これには定義されたシングルUVビームを使います。 レーザ出力は、レーザがIII-V材料と犠牲接着剤のどちらを侵食しているかによって変わります。