フラットパネルディスプレイ概論（9）FPD の製造技術（2）新規導入技術
Introduction to Flat Panel Display (9) Production Technology of FPD (2) Introducing New Technology
Ukai Display Device Institute代表

工学博士

鵜飼育弘

YASUHIRO UKAI Ph.D.
Ukai Display Device Instituteが高い状態にあるが、結晶化によって内部エネルギーが小1. はじめにさい状態に遷移する。単発のレーザ照射でTFT 作製に最前号では、「a-Si TFTアレイ製造」と題してa-Si TFTア

適な結晶化状態が実現できれば量産的にみて好ましいレイ製造工程を中心にTFT-LCD 製造の概略を述べた。

が、現実には複数発のレーザ照射（マルチショット）をした低温ポリシリコン（Low Temperature poly-Si : LTPS）方が良好なTFT 特性が得られる。これは、結晶粒界エネ

TFT は高精細 TFT-LCD や TFT-OLED のバックプレーン

ルギーおよび結晶粒界内の欠陥が複数発照射中に減少としては欠かせない。一方、大型化、高精細化、高品位し、より安定状態に移行するためと考えられる。ラインビーム化には従来のラビング技術に代わる配向技術が注目さを走査しながら重ね打ちする場合、大面積にわたってれ、量産適用されている。今回は、LTPS-TFT 製造の固poly-Si 膜の結晶均一性を確保するためには、照射ビーム有技術と、液晶セル工程に新たに導入された光配向技

強度の安定性は極めて重要なパラメータである。図 1に示術を紹介する。

したように、良好な結晶が得られるレーザエネルギーマージンが非常に狭いこともあって、ビームエネルギー強度の厳

2. LTPS TFT-LCD 製造の固有技術
2.1 ELA（Excimer Laser Annealing）による結晶化技術

密な制御が要求される。この方法では、矩形ビームの長軸ビーム長によって再結晶化される領域が制限される。LTPS
TFT-LCD が量産され始めた1999 年頃の装置は 200mmのビーム長を有し、つなぎ合わせなしで作製できるパネルサ

poly-Si 膜の形成方法は大きく分けて、（1）a-Siのエキシマレーザアニール（ELA）による結晶化、（2）a-Si からの固イズは12.1 型であった。現在では750mmの装置が量産に適用され 55 型 OLED-TVの量産にも寄与している。

相成長、
（3）
poly-Siの直接堆積（as-depo poly-Si）があるが、ここでは現在量産プロセスに用いられているELAによる結晶化を取り上げる。なお，（2）の a-Si からの固相成長は、高温 poly-Si 膜の製造に適用されている。
レーザ光源としてはガス寿命の長い XeCl（波長 λ＝308nm）を用いることが多く、a-Si 膜の吸収の大きい紫外光のエキシマレーザが使われている。レーザの照射法としては図 1に示すように、光学系を組んでラインビーム形成し、ラインを重ね打ちするのが一般的である。面ビームによる一括照射も検討されているが、現時点での主流はラインビー
ム照射である。プリカーサに用いるa-Siは内部エネルギー

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図 1 ELA 装置の概念とa-Si 膜厚と結晶性の関係

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図2に示すように現在量産に用いられている装置では、レーザ発信周波数が最高 600Hz、最大出力 1200W、パ水素工程を導入することが必要になる。
2.2 イオンドーピング技術

ルスエネルギー密度 Max. 2J/cm 2 の矩形パルス・ビーム

LTPS TFT構造は、a-Si TFTと同様にボトムゲート型とトッをa-Si 膜上に照射させ、a-Si 膜を溶かし過冷却状態にしプゲート型に大別される。ELA 法による結晶化の観点からた後に再 結 晶 化させる。プリカーサ 膜として PECVD

両者の違いは、前者は下側のSiO2 膜と接している結晶の（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition）法で形初期成長側をチャネルに用い、後者は上側の自由表面側成したa-Siを用いた場合、膜中に〜10％の水素を含むのをチャネルに用いるものである。いずれの構造においてもイでいきなりレーザ照射を行うと、結晶化と同時に膜中の水オンドーピングが必要な箇所は駆動回路部と画素部であ素 が 爆 発 的 に 抜 け 出る
「爆 発 的 結 晶 化（Explosiveる。駆動回路の低消費電力化のためCMOS 構造が採用Crystallization）」が起こってしまう。従って、結晶化に先されている。CMOSのソース/ドレイン（S/D）部はトランジスタ立ちプリカーサ膜を400〜450℃程度で熱処理して膜中の動作信頼性を高めるため、画素部のn-ch TFTはリークの水素を数％以下に脱離させるか、もしくはまず低エネル電流低減のため図 3に示すLDD（Lightly Doped Drain）

ギー密度でレーザ照射して膜中の水素を脱離させる脱構造が必要である。
ドレイン端での電界を緩和させてホットキャリアによる劣化を低減させることで信頼性が向上する。
またリーク電流は、逆バイアスを印加した場合、ドレイン近傍の空乏層にある欠陥準位で電子とホールが生成される速度で決まる。これをLDD 構造にすることで低減できる。
また、TFTのしきい値電圧（Vth）制御のためにリン（P）またはボロン（B）を精度良く注入することもTFT の開発およびTFT-LCDの応用が進むにつれ必要になってきた。これらS/
D、LDD、チャネルドープ（Vth 制御）それぞれについて必
要なイオン種とドーズ量をまとめると、次のようになる。
（1）S/D 部；P，B，5 × 10 14〜5 × 1015/cm2（2）LDD 部；P，1 × 1012〜5 × 1013/cm2（3）Vth 制御；Bまたは P，5 × 1011〜2 × 1012/cm2

図 2 ELA 用レーザと光学系

この部分が LDDLDDありソース、ドレイン領域とチャネルの間に比較的低濃度の不純物を添加する。
（＝Lightly doped drain）

LDDなし

・チャネル ─ソース間の電界を緩和することによりオフ電流（リーク電流）を下げる効果がある。
・ソース ─ドレイン耐圧を向上させる。

図 3 LTPS-TFT の LDD 構造と特徴

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イオンエネルギーは，デバイス構造に依存するが 5〜

トロール誘導加熱によるアニール装置が開発され量産100KeV である。量産当初、図 4 に示すような非質量分工程に導入され始めた。この装置の特徴は、基板温度離型装置が使われていた。この方式は基板上へのイオを短時間で制御可能でしかも面内の温度分布も良好でンビームの一括照射が可能であるため、あまり高いビームあることが挙げられる。従来のアニール方式と比較して電流密度を必要とせずに高濃度注入が可能である。し処理時間が 1.3 倍早く、COO（Cost of Ownership）を改かし、イオンビームの均一性を確保するためにはイオン源善できる装置である。

を大型化する必要があるが、これは低濃度注入での制御性に乏しく、基板サイズの大型化には適さない。LTPSを用いた TFT-LCD の高機能化が進むにつれ、図 5 に示す質量分離型のイオン注入装置が量産に適用されている。これは，非 質 量 分 離 型 装 置の欠 点である
（1）低真空領域でのイオン注入で生じるイオンの中性化と水素イオンのコンタミネーションによるドーズ量制御の困難性、（2）H ＋やその他多量の不純物イオンの

図 4 非質量分離型イオン注入装置の概念図

混入による基板温度の上昇、特にレジストをマスクに用いた場合のレジスト焼けなどの欠点を解消できる。図 6 に示すように第 5.5 世代の基板サイズ（1300mm ×1500mm）に対応できる装置が実用化されている。
イオンドーピングプロセスでは、それに引き続く活 性 化プロセスも重 要である。活性化の手段としては、電気炉によるバッチ式アニール法、ELA 法、RTA（Rapid Thermal Annealing）法 があ

図 5 質量分離型イオン注入装置の概念図る。電気炉によるアニール法は単純で安定しているが活性化率が低く、低抵抗のドレイン・ソース領域を実現するには多量の不純物ドーピングが必要である。ELA 法は活性化率が高いが、配線などが熱損傷を受ける場合がある。
しかも装置価格が最も高い。RTA による活性化プロセス装置は、ガラス基板をキセノンアークランプと反射鏡の隙間を枚葉搬送するものである。この装置の特徴は、高スループットでの活性化が可能であり、しかも大型ガラス基板への対応も容易であることにある。最近、ゾーンコン

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図 6 第 5.5 世代用イオン注入装置概略図

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3. 光配向技術

によって反応する特殊な材料を配向膜として採用し、照前号の図 2 に示したように、液晶の配向処理としてはのである。独自の材料開発や照射装置、プロセス技術

ポリイミド（PI）膜を布でこする、いわゆるラビングが用いらの結集による成果で、大きさがわずか 2 ナノ程度の液晶れている。しかし、ラビングには次の問題点があった。①分子を、ピコスケールの精度で傾斜制御できるナノテクノ

ラビングによる生産歩留まりの低下、すなわち、布を高速ロジーを超えた「ピコテクノロジー」という。バックライトユでこすりつけるため発塵（抜けたラビング布の毛や，配向ニット（Buck Light Unit : BLU）からの光モレがなく、「沈膜の削りカス）が避けられず、この異物が布やガラス基み込んだ黒」の表示が可能なほか、液晶パネルの開口板表面に付着すると、ラビングローラーそのものが異物率も高く、高効率にバックライト光を活用できるのであざやを引きずってしまうため、スジ状の表示ムラが発生。②まかな色を表示しながら、省エネ化も図れる。光配向技術

たガラス基板表面に付着した異物は洗浄工程により完「UV 2A 技術」を採用した液晶パネルの特長は、全に取り除く必要があり、もし残存すれば、後の工程で①高コントラスト5000：1（ 従来比：1.6 倍）液晶層の厚みが均一にならないため、液晶パネルの不②開口率従来比：20％以上アップ良要因となる。③ラビングでは布が PI（絶縁膜）を擦るの③高速応答（従来比 2 倍の速さ）で静電気を発生し、TFT が静電破壊を起こすことがあ④パネル構造のシンプル化による生産効率の向上る。そこで、ダストおよび静電気フリーのクリーンプロセスとである。なお、この技術を実用化するにあたって、開発しして光配向が注目されてきた光配向技術が量産工程にた課題は主に 3 つある。第 1 は配向膜材料の開発、第 2導入され始めた。

は従来にない斜め露光装置の開発、第 3 は前後の工程

3.1 UV A（Ultraviolet induced multi-domain Verticalを含む、まったく新たな配向プロセスの確立である。配向2Alignment）技術

射方向によって液晶分子の並びを高精度に制御するもの安定性は液晶分子を配向する方位角が経時変化しVA-mode TFT-LCDにおいては、マルチドメインの形ないこと。配向膜の加工は、UV光の照射方向に揃うよう成法として斜め電界法が用いられている。しかし、このに配向膜表面の高分子の主鎖を傾ける方法を用いる。

方法では液晶パネルの透過率の低下をもたらすため、

3.2 IPS-Mode および FFS-Mode 用光配向技術

PSA（Polymer-Sustained Alignment）方式が提案されスマートフォンやタブレットの高精細化および高品位化実用化されている。この方法は液晶に光重合性のモノの要望が高まっている。ここで用いられるFPD は、IPS/マー（Reactive Mesogen : RM）を微量添加し、硬化さFFS モード TFT-LCD が大きな地位を占めている。そのせることで配向を安定化させる。しかも、液晶に電圧を理由はタッチパネルとの相性が良く、本質的にタッチムラ印加し液晶分子を傾斜させた状態で紫外線を照射してが生じないことによる。しかし、IPS/FFS モードの配向処硬化させることで、液晶分子が傾斜配向する方位を制理は旧態依然としてラビングが用いられている。ところ御するため、均一性や信頼性の課題が皆無とは言えなが、高精細化および大型ガラス基板対応が困難で、しい。シャープは、テレビ向け次世代液晶パネルの中核技

かもコントラスト比の改善にはラビングに代わる技術が求術として、「光配向技術」を実用化した。これはシンプルめられる。

なパネル構造で、液晶分子の向きを精密に制御できる光（1）UV 光配向技術の課題配向技術「UV 2A 技術」を開発し、世界で初めて本格的

LCD-TV の代表的な表示モードは、VA-ModeとIPS-に生産導入した。この技術は、図 7に示すように、紫外線Mode が市場を二分している。VA-Mode TFT-LCD の配向処理方法としては、PSA や UV 2A が実用化されている。しかし、IPS-Mode の配向処理法は旧態依然としてラビングが用いられている。ラビング処理は基板表面にポリイミドなどの高分子膜を塗布・焼成後、クロスでラビング（PI 表面をこする）することで水平配向を得ている。

図 7 UV2A 技術の光配向の模式図

この配向処理で液晶分子は基板に水平に配向する。

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5基板表面と液晶分子のチルト角（tilt angle）
は 1〜2°でる配光処理が行われている。光源には 3kW 水銀（Hg）

強い配向規制力（anchoring strength）が得られる。ラビランプが用いられている。露光波長は 285nm-320nm、ング処理を必要とするLCD-ModeはIPS-Mode 以外に、主波長は 313nm である。照射均一性は± 5％、消光比

広く用いられているTN-Mode がある。したがって、水平（Extinction ratio : ER）は 30％以上である。なお、消光配向処理にも光配向技術の導入が急がれていたが、次比の一般的定義は「光強度変調器で、透過光の強度の課題があり量産には適用されていない。

を変化したときの最小と最大の透過光の強度の比」であ①強い配向規制力が得られないため、ラビングと同等のる。転じて光配向装置では、消光比 ER は偏光の質を電気光学特性が得られない表す数値として、P 偏光強度 IpとS 偏光強度 Isを用い②焼き付き（image sticking）が発生し、信頼性の面での大きな課題てER = Ip / Isと表せる。照射光の偏光軸の設定は自由で、例えば、0 / 45 / 90 / 135°などが可能である。偏光③配向膜の光照射に対する感度が低く、処理時間が長軸の設定精度は± 0.1°。偏光軸ムラ（±°）は、照射面にく掛り量産的でないおける偏光方向θの場所ムラを表す量で、±（θmax−θ

しかし、Chimei Innolux Corporation（ CMI）
は、光配min）/ 2 で表される。

向技術を使った IPS 方式の TFT-LCDを開発し、FPD偏光板の透過率は 85％以上。タクトタイムは、照射International 2011 に出展した。画面寸法は 4.5 型、画エネルギー密度 30mJ/cm2 で第 6 世代基板（1850mm ×素数は 720 × 1280 で、スマートフォンなどの中小型液晶1500mm）当たり35 秒である。

パネルの量産を今年中に始める予定という。
（2）UV 配向装置
V-Technology Co.,Ltd は VA-Mode TFT-LCD の光4. おわりに配向用露光装置としての量産実績を有す。昨年 9 月に長年、FPD のターゲットはテレビであった。しかし、今や北京で開催された FPD International China で植木氏

Full High Definition（ FHD）を上回る解像度のディスプから光配向用露光装置 AEGIS の紹介があった。この装レイを用いた応用製品が商品化されている。例えば、つ置は表 1 に示すように、IPS/FFS 用光配向装置である。

い先ごろ発売された Apple 新 iPad は 9.7 型、画素数

光配向装置とは、直線偏光紫外線で配向膜に異方性

2048 × 1536、解像度 246ppiとFHD 以上の画素数を有を持たせ、所定の方向に液晶を並べる装置である。適す。したがって、今後は FPD が新しい応用分野を切り開用基板サイズには制限がない。なお、シャープ堺工場はくとともに、新しい商品が我々の生活に溶け込みライフス

第 10 世代対応の基板ガラスが採用され UV A 技術によタイルに大きな影響を与えている。

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ここで紹介した LTPS-TFT

表 1 光配向用露光装置

製造の固有技術や光配向技術は、新しい FPD の世界を切り開く基盤技術と言える。これ
らの装置の多くは、依然として日本メーカの 存 在 価 値 が 高い。しかし、いつまでもこの地位を維持できるかは、国内のパネルメーカの今後に依存しているといっても過言でない。
FPDに限らず物作りのなくなったところに、装置や部材メーカの存続はあり得ないことを肝に銘ずべきである。

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