ディスプレイ製造のための MicroLEDs-レーザープロセス

高エネルギー紫外レーザー ビームは、ディスプレイ製造における UV 転写プロセス、具体的にはレーザー リフトオフ テクノロジー (LLO) および物質移動 (LIFT) およびピクセル リペアで使用されます。 このドキュメントでは、チップ サイズが縮小し続ける中で、UVtransfer がこれらの大規模な転送と生産ステップが将来のニーズを満たすことをどのように保証するかについて説明します。 さらに、このプロセスには、さまざまなリペア方式に対応できるという利点があり、期待される実際のチップ歩留まりを満たすことができます。

MicroLED の可能性と課題

MicroLED (μLED) は、将来のディスプレイ画面を構築する大きな可能性を秘めた新しいタイプの機器であり、楽しみにしています。これらのデバイスは通常、窒化ガリウム (GaN) に基づいており、現在 20 ～ 50 μm の範囲にあり、10 μm 以下に縮小されると予想されています。サファイアウエハー成長基板上に既存のGaN製造技術を用いることで、数ミクロンのカッティングチャネル幅を持つμLEDを非常に高密度に製造することができます。

ミクロンサイズ、高輝度、高製造密度の組み合わせにより、現在使用されている OLED および LCD テクノロジを超えてディスプレイ市場を拡大できます。たとえば、μLED を使用して、AR/VR アプリケーション用のミニチュア (たとえば、1 インチ未満) の高解像度ディスプレイを作成できます。同時に、屋内および屋外の超大型ディスプレイにも使用できます。

μLED の使用は、チップ サイズが縮小するにつれて、所定のサイズのウエハー上で成長するチップの数が大幅に増加するため、このような大型ディスプレイを製造するのに費用対効果が高くなります。したがって、チップサイズよりもはるかに大きな画素ピッチを持つ大型ディスプレイの場合、ディスプレイのコストに影響を与える主な要因は総画素数になります。これは、OLED やその他の技術とは対照的であり、これらの技術のコストは表示領域とともに増加します。



図 1. 直視できる大きな MicroLED ディスプレイのアイコン

 

ただし、μLED が広く展開される前に克服する必要があるいくつかの技術的課題があります。主な障害は、サファイア成長ウェーハからチップを取り除くプロセスの開発です。もう 1 つの障害は、ミクロン レベルの精度と信頼性でチップをディスプレイ基板に転送するプロセスです。さらに、これらのプロセスは、避けられない不良チップの問題を解決するための修理/交換ソリューションと互換性がある必要があります。同時に、LED 業界の目標は現在の全体的なコストを 20 分の 1 に削減することであるため、自動化と互換性があり、高スループットを提供する必要があります。さらに、このプロセスは小型化の傾向に準拠しており、予想されるチップサイズの縮小はこれに大きなメリットがあります。これにより、将来のサイズ縮小のためにツールを改善するために多くの資本を費やす必要がなくなります。

レーザー技術の背景

ナノ秒パルス幅の高エネルギー紫外レーザー パルスは、レーザー加工で使用されます.このプロセスには、これらの課題に対応できる多くの独自の利点があります。短波長の紫外光は、材料の深部に入らずに、界面と表面の材料の薄い層を直接アブレーションできます。狭いパルス幅と組み合わせることで、このルミネセンス アブレーション プロセスは、熱衝撃や下層の材料への損傷を回避できます。大きなパルス エネルギーには、独自の多目的プロセスの利点があります.ビームを使用してフォトマスクを投影できるため、1 パルスあたり数百または数千のチップを処理できます。したがって、これらのタイプのレーザーは、OLED および高性能 LCD ディスプレイ用の TFT シリコン バックプレーンを製造するための大量生産ツールとしてディスプレイ業界で広く使用されています。



現在、μLED ディスプレイ製造におけるレーザー技術の利点は次のとおりです。

 

•レーザーリフトオフ技術 (LLO) は、完成した μLED をサファイア成長ウェーハから分離します。

• マストランスファー (LIFT) は μLED をドナーから基板に移動します。

• マイクロLEDのレーザーリペア機能により、歩留まりの問題を解決し、不良率を低減

• エキシマ レーザー アニーリング (ELA) を使用して LTPS-TFT バックプレーンを製造

・重合度に応じたレーザーカット

これらの分野のいくつかにおける最近の主要な進展を以下に示します。

以下は、これらの分野のいくつかにおける最新の重要な進展です。

 

LLOの最新ニュース

レーザー リフトオフ技術 (LLO) は、以前のマイクロ LED レーザー プロセスで既に導入されているサファイア成長ウェーハから完成した μLED を分離できます。したがって、ここでは、現在開発ツールの一部となっている最新の自動調整機能を含め、青および緑のチップに対する LLO の主な利点について簡単に確認します。

サファイアは通常、GaN μLED をバッチで製造するための最適な成長基板として使用されます。ただし、薄型 LED をサファイアから分離して、垂直構造 LED の 2 番目の接点を作成する必要があります。さらに、サファイアは後工程で処理するにはかさばりすぎており、その厚さは μLED チップの 50 ～ 100 倍です。これには、高密度 μLED をサファイア基板から取り外し、一時的なキャリアに移す必要があります。



図 2. サファイア ウェーハから GaN 膜を剥離するための LLO プロセスの概略図

μLED の LLO のために、Coherent Company は UV 転送プロセスを開発しました。 LLO プロセスは、裏面から (透明なサファイアを介して) チップを照らすことによって機能します。これにより、小さな GaN 層が除去され、少量の膨張窒素が生成され、チップが解放されます。 UV転送プロセスの波長 (248 nm) により、他のタイプの材料 (AlN を含む) 上に成長した μLED にも適用できます。

UV転写プロセスでは、フォトマスクを介してサファイアウエハーに投影される前に、紫外線レーザービームの形状が「ハイトップ」強度波形の長方形ビームに変更されます。この均一な強度により、処理領域のすべての点で同じ力が確実に適用されます。光学系は、各高エネルギーパルスが大面積のチップを剥がすように構成されています。当社の UV 転写プロセスは、LLO で高エネルギーの紫外エキシマ レーザー パルスを使用するため、この独自の多目的な利点があり、大量生産コストの削減に大きな役割を果たします。 (Coherent の別の同様のシステムである UVblade は、現在、フレキシブル OLED LLO で広く使用されています。)



図 3. UV 転写プロセスでは、「チップ上で処理」機能により、レーザー フィールドのエッジが常に切断トラックの中央と一致することが保証されます。

 

エキシマベースの LLO システムは、すでに複数の μLED パイロット製品ラインで稼働しています。当初、投影 (マスク) ビームに対するウエハーの動きは、移動ステージ上のエンコーダーによってのみ制御されていました。 「チップ上での処理」は最近の技術進歩であり、UV 転写プロセスの中核でもあり、アライメント精度をさらに向上させ、チップの小型化と切断レーンの狭小化を実現できます。

「チップ上での処理」により、レーザー ラインのエッジにあるチップが部分的に照射される可能性も排除されます。この場合でも、大まかな位置合わせは移動ステージのエンコーダーによって監視されます。ただし、チップのチェッカーボード パターンを使用してビームに対してウェーハを位置合わせする無限ループのインテリジェント ビジョン システムを使用すると、精密な位置合わせが実現されます。これにより、レーザー フィールドのエッジが常にスクライブ トラックの中央と一致し、チップを横切ることがなくなります。

 

レーザー誘起物質移動

UVtransfer プロセスは、大量転送 (LIFT) の原理を使用しており、選択したチップの大量転送と配置にも非常に適しています。ここでの主な課題は、間隔の大きな違いです。チップはウェーハと搬送キャリア上に非常に密接に配置されており、現在のピッチは約 1000 dpi です。ただし、サイズと解像度によっては、ディスプレイ上のピッチが 50 ～ 100 dpi に過ぎない場合があります。また、チップは混在して配置する必要があり、各ピクセル位置には赤、青、緑のチップを 1 つずつ配置する必要があります。



図 4. UVtransfer は、マスク上でステップ アンド スキャン プロセスを使用して、ディスプレイ上に正しいピッチを作成します。

 

既存の非レーザー転送方法では、必要な解像度で必要なスループットを提供できません。たとえば、機械的なピック アンド プレース方式の速度と配置の精度は非常に限られているため、現在のテクノロジの傾向についていくことはできません。一方、フリップチップ実装機は、高精度（例えば±1.5pm）の実装が可能ですが、一度に処理できるチップは1つだけです。対照的に、UV 転写は高精度 (±1.5 pm) を提供できるだけでなく、その多目的性により大量のスループットを提供でき、1 回のレーザー照射で数千のチップを移動および配置できます。

 

図 4 の概略図は、この方法の動作を示しています。 LLO は、動的リリース レイヤーを介して一時的なキャリアにチップを保持します。紫外線を多く吸収する優しい接着剤です。一時的なキャリアとチップは、最終的なキャリアとほぼ接触しています.最終的なキャリアは、通常、TFT バックプレーンでパターン化され、接着層またはパッドで覆われたガラスまたはフレキシブル パネルです。キャリアの裏側から紫外線を照射。ほとんどすべてのレーザー エネルギーが動的リリース層に吸収され、動的リリース層が蒸発します。蒸気の膨張圧力によって発生する衝撃力により、チップがキャリアから最終基板に押し出され、チップ上に残留物が発生しないことが理想的です。

LLO プロセスでは、隣接するすべてのチップをエリア全体で同時に処理する転送プロセスとは異なり、チップ ピッチを元のチップの狭いピッチから最終的なディスプレイのピクセル ピッチに変更します。これには、フォトマスクの使用と、5 チップごとまたは 10 チップごとにのみ照らすモードが必要です。次に、チップが充填されるのを待つために表示画面の次の領域が所定の位置に移動すると、マスクがインデックスされ、新しいキャリアを転送するために、一時的なキャリアに対してウェハ ピッチの単位で移動します。チップの列。



図 5. 非常に均一な「フラットトップ」ビーム波形は、正確な配置には不可欠ですが、処理規模にはあまり寄与しません。

LLO と転写のもう 1 つの違いは、後者が接着剤のアブレーションを伴うことです。これには、III-V 半導体よりも 5 ～ 20 倍低いレーザー光束が必要です。この高い効率は、低いレーザー出力が高いスループットを達成できることを意味します。

UVtransfer プロセスの他のいくつかの機能も、その動作にとって重要です。たとえば、キャリアに搭載されたチップとTFT基板の間のギャップがゼロに近い場合でも、インパルスを管理および制御して、正確な配置と損傷のないように各チップを正常に転送する必要があります。具体的には、伝達プロセスの品質を確保するために、力の大きさと方向が最適化され、ディスプレイ画面全体で一貫している必要があります。

加工領域内でチップを均一かつ安定して搬送するためには、均一性の高いレーザー照射が必要であり、これがコヒーレントのコアコンピタンスであり、さまざまなアプリケーションに幅広く利用されています。これにより、非常に均一な 2D フィールドが形成され、アプリケーションのニーズを満たすために、比較的大きな長さと幅を持つ正方形または長方形に光学的に再形成されます。例えば、6" ウェハーの搬送では、ウェハー上で使用可能な領域は約 100 mm x 100 mm です。図 4 に示すように、ローカル (シングル チップ) 領域で強度が均一であれば、チップは全域で均一に押し出されるため、力は常に垂直であり、ガウス分布による横ずれやビーム波形の傾きを引き起こさない.各チップを同じ量の力で押すことができるからです。

 

重要なことに、UV 転写プロセスは、現在の試作よりも小さなチップ (<5 ミクロン) と狭い切断チャネルを簡単にサポートできます。実際、紫外光は波長が短いため、将来的にはミクロンレベルの解像度を達成することができます。より小さいチップが必要とするのは、異なる投影マスクだけです。

 

不良チップの修理・交換

 

μLEDディスプレイが市場で成功するためには、製造コストを大幅に削減し、100%の歩留まりに向けて努力を惜しまないことが必要です。そうでないと、数億ピクセルのディスプレイ画面を生成することはできません。しかし、問題のあるチップは避けられないため、メーカーは修理/交換ソリューションと互換性のある生産技術プラットフォームしか採用できません。コヒーレントの LLO およびトランスファー向け UV トランスファーは、現在検討中の代替コンセプトと互換性があります。

プロセスの最初のステップは、ウェーハ上の欠陥のあるチップを見つけて取り除くことです。ただし、これにより一時的なキャリアに空きができます (当初は欠陥のあるチップで占められていました)。したがって、これらの空孔は最終基板で補充する必要があります。

このプロセスを選択した領域のみ、または単一のチップに適用すると、LLO の前にウェーハから欠陥のあるチップを取り除くことができます。そして、除去された各ウエハー上のチップがマップを形成し、さらに基板上の欠落したチップのマップが形成される。欠落したチップは、一括転写後に同様の順方向UV転写プロセスを介して個別に挿入できますが、このとき、指定された単一の紫外線ビームが使用されます。レーザー出力は、レーザーが III-V 材料または気化可能な接着剤を除去しているかどうかによって異なります。



総括する

MicroLED は、マイクロおよび大型ディスプレイの性能とアプリケーション範囲を拡大できるエキサイティングな開発技術です。高スループットの生産を実現する前に、克服しなければならない多くの障害があることは間違いありません。ただし、紫外レーザー ビームを使用する 2 つの多目的プロセスは、パイロット プラントで強力な機能を証明しています。さらに重要なことに、UVtransfer は完全にスケーラブルであるため、コストのかかる再投資やプロセス交換を必要とせずに、小型化の開発をスムーズに進めることができます。高エネルギーUVレーザーの拡張性により、顧客のプロセスが開発されると、この実績のあるソリューションは生産ラインに簡単に移行でき、現在および将来の精度要件を満たします。