ホワイトペーパー
MicroLED - ディスプレイ製造用レーザプロセス
概要
高エネルギーの紫外線レーザビームにより、特にレーザリフトオフ（LLO）、レーザ誘起前方転写（LIFT）、ピクセル修復などの、ディスプレイ製造のためのUVtransferプロセスが可能になります。 このドキュメントでは、ダイの小型化が進む中で、こうした大量移載・配置の生産工程がUVtransferによってどのように将来性を確保できるのかを始めとして、最新の情報をお伝えします。 さらに、この加工方法にはさまざまな修復方式に対応できるという長所があり、期待通りのダイ歩留まりが得られます。
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。
「ダイの小型化の継続により、小型化のトレンドに対応できるようなプロセスが望まれます」。
図1： 直視型の大型MicroLEDディスプレイの図
レーザ加工のコンテキスト
高エネルギー紫外線レーザパルスおよびナノ秒パルス幅によるレーザ加工には、こうした課題に対応できる独自の利点があります。 短波長UV光は、材料の薄層に直接働いて界面や表面で剥離し、材料に深く浸透することはありません。 このコールドフォトアブレーションプロセスと短パルス幅を組み合わせ、下層の材料への熱による衝撃や損傷を防ぎます。 また、パルスエネルギーが大きく、ビームをフォトマスクに照射して1回のパルス照射で何百、何千ものダイを加工できるため、並列処理が可能になるという、ほかにはない利点もあります。 そのため、有機ELおよび高性能液晶ディスプレイのTFTシリコンバックプレーンを製造する大量生産ツールとして、このようなタイプのレーザがディスプレイ業界に浸透しており、次世代のμLEDディスプレイでももちろんそれが続くでしょう。
このときレーザ加工は、いくつかの点でμLEDディスプレイ製造に貢献します。
- レーザリフトオフ（LLO）により、完成したμLEDをサファイアウエハの成長基板から分離
- レーザ誘起前方転写（LIFT）により、μLEDをドナーから基板へ移載
- μLEDによるレーザ修復で、歩留まりの問題や不良率に対処
- エキシマレーザアニーリング（ELA）により、LTPS-TFTバックプレーンを製造
- さまざまな積層レベルでのレーザ切断に対応
これらの分野における最近の主な進展を以下に示します。
レーザリフトオフ（LLO）に関する最新情報
完成したμLEDをサファイアウエハの成長基板から分離するレーザリフトオフ（LLO）については、以前Micro-LEDのレーザ加工で説明しています。 そのためここでは、現在開発途上のツールである最新の自動アライメント機能を含め、青色や緑色のダイのLLOに関する主な改善点について、簡単に紹介するにとどめます。
バルクGaN μLEDは通常、最適な成長基板であるサファイアの上に形成されます。 しかし垂直構造のLEDが動作するための2つ目の接点を作るには、薄膜LEDをサファイアから剥がさなくてはなりません。 また、サファイアはμLEDダイの50～100倍の厚みがあり、下流で加工するにはかさばりすぎます。 そのため、高密度のμLEDをサファイア基板から一時的なキャリアに移載する必要が出てきます。
図2： GaN膜をサファイアウエハから剥離するLLOプロセスの概要
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）。
エキシマレーザベースのLLOシステムは、μLEDのパイロット生産ラインのいくつかですでに稼働しています。 照射（マスク）されたビームに対するウエハの動作は、当初は並進ステージ上のエンコーダーだけで制御されていました。 最近の進歩である「ダイ上加工」はUVtransferプロセスの核となる機能で、アライメントの精度をさらに向上し、ダイを小型化しストリートを狭めることに役立っています。
また「ダイ上加工」によって、レーザラインの端にあるダイへの照射が部分的になってしまう可能性がなくなります。 この場合大まかなアライメントは、やはり並進ステージ上のエンコーダーで監視されています。 しかし詳細なアライメントは、閉ループのスマートビジョンシステムで行われ、ダイの碁盤の目状の並びを利用して、ビームに対してウエハの位置が合わせられます。 これにより、レーザフィールドの端が常にストリートの中央に来て、ダイを横切ることはありません。
図3： 図3. UVtransferプロセスでは、ダイ上加工機能により、レーザフィールドの端が常にストリートの中央に来ます。
Laser Induced Forward Transfer (LIFT)
The UVtransfer process is also a perfect fit for the mass transfer and placement of selected dies using the principle of Laser Induced Forward Transfer (LIFT). Here a key challenge is the dramatic difference in pitch. On the wafer and the transfer carrier, the dies are closely packed, currently with a pitch of around 1000 dpi. But depending size and resolution, the pitch might be only 50-100 dpi on the display. Plus, the dies must be interleaved, with a red, blue and green die placed in each pixel location.
Existing non-laser transfer methods cannot deliver the necessary throughput at the required resolution. For example, mechanical pick and place methods are limited in speed and placement accuracy, and therefore cannot support the current technology trajectory. On the other hand, flip chip bonders are capable of high accuracy placement (e.g., ±1.5 μm) but can only handle one die at a time. In contrast, UVtransfer can deliver both high (±1.5 μm) accuracy and massive multiplex throughput, moving and placing thousands of dies in a single laser shot.
Figure 4 shows schematically how this method operates. LLO leaves the dies attached to a temporary carrier by means of a dynamic release layer. This is a benign adhesive that strongly absorbs UV light. The temporary carrier and dies are placed in near-contact with the final carrier, which is usually a glass or flex panel already patterned with a TFT backplane and covered with a bonding layer or pads. The UV light is directed from the back of the carrier. Virtually all the laser energy is absorbed by the dynamic release layer that is thereby vaporized. The impulsive force due to the expanding vapor pressure propels the die from the carrier on to the final substrate ideally without residues on the dies.
Figure 4: UVtransfer uses a step and scan process with a mask in order to create the correct pitch on the display.
Unlike the LLO process, where entire areas of adjacent dies are simultaneously processed, the transfer process is the step at which the pitch of the dies is changed from the close separation of the original wafer to the pixel pitch of the final display. This is performed using a photomask with a pattern that only irradiates every 5th die or every 10th die, for example. When the next area of the display is then translated into position for filling with dies, the mask is indexed to move one unit of the wafer pitch, relative to the temporary carrier, enabling a whole new array of dies to be transferred.
Another difference between LLO and transfer is that the latter involves ablation of an adhesive, requiring 5-20X lower laser fluence than a III-V semiconductor. This high efficiency means that high throughput can be achieved with only modest laser powers.
Several other features of our UVtransfer process are key to its implementation. For instance, even though the gap between the carrier mounted dies and the TFT- substrate is near zero, the impulse force must be managed and controlled in order to achieve successful transfer of every die, with accurate placement and no damage. Specifically, both the magnitude of the force and the direction of the force must be optimized and consistent over the entire display in order to not compromise the process window for the transfer.
Highly uniform and consistent transfer of the dies in the process field demands highly uniform laser irradiation which is a core competency at Coherent that is widely used in diverse applications. This creates a highly uniform 2D field which is then optically reshaped into a square or rectangle with high aspect ratio, in order to match the application. For the transfer of 6” wafers for example, the usable field on the wafer is around 100 mm x 100 mm. As illustrated schematically in figure 4, having intensity uniformity on the local (single die) scale means the die is pushed equally across its entire area. Thus, the force is always perpendicular, with none of the lateral shifts that would be induced by a beam with a gaussian or sloped intensity profile. Having a homogeneous beam intensity on the larger (wafer width) scale is equally important, as this ensures that each die is pushed with the same force magnitude.
Figure 5: A highly uniform “flat top” beam profile is essential for accurate placement – not to scale.
Importantly, the UVtransfer process can easily support much smaller dies (<5 microns) and narrower streets than currently in pilot production. Indeed, future micron scale resolution is achievable because of the short UV wavelength. All that is required for smaller dies is a different projection mask.
Repair/Replacement of Rogue Dies
The market success of displays based on μLEDs requires both a major reduction in production costs and a relentless push towards 100% yields. Otherwise, displays with potentially hundreds of millions of pixels will not be practical. But problem dies are inevitable, so manufacturers can only adopt production technology platforms that are compatible with repair/replacement schemes. Coherent’s UVtransfer applied to both LLO and transfer is compatible with replacement concepts that are already being investigated.
The first step in this process is locating and removing bad dies from the wafer. But, this then leaves missing spots (that would have been occupied by the removed dies) on the temporary carrier. So, these empty spots must then be refilled on the final substrate.
The failed dies can be removed from the wafer before LLO, by applying the process to a selected area only, down to a single die. The map of removed dies from each wafer is then transferred forward and turned into a map of missing dies on the substrate. These can be individually inserted after mass transfer by a similar forward UVtransfer process, but this time using a defined single ultraviolet beam. The laser power is matched to whether the laser is ablating a III-V material or a sacrificial adhesive.
Summary
MicroLEDs represent an exciting developing technology that can expand the performance and applications for displays at both ends of the size spectrum. No one doubts that there are numerous hurdles to overcome before high throughput becomes a production reality. But two highly multiplexed processes using UV laser beams are demonstrating their capabilities at the pilot plant level. More importantly, UVtransfer is completely size-scalable enabling a smooth forward journey along the miniaturization road map, without the need for costly re-investment or process replacement at any point. Once the customers process is developed the demonstrated solutions can be easily transferred to production lines due to the high energy UV laser scalability but keeping the precision of todays and tomorrows requirements.