엑시머 레이저 기술로 micro-LED 디스플레이의 상용화를 주도하다
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Micro-LED를 바탕으로 한 새로운 디스플레이는 높은 채도, 넓은 시야각, 짧은 응답 시간, 높은 밝기, 그리고 낮은 소비 전력과 같은 장점을 제공한다. 그러나 Micro-LED의 제조 기술과 장비는 처리량, 수율, 그리고 생산성과 관련된 제조 문제 때문에 시장 확대를 저해하고 있다.
Micro-LED 디스플레이는 대형 옥외 LED 디스플레이의 소형 버전이다. 작은 크기의 LED 어레이를 포함하고 있으며, LED 어레이는 대형 디스플레이보다 약 100배 얇고 작다. 또한, LCD와 OLED 디스플레이보다 각각 전력의 10% 혹은 50%만을 쓰므로 전력 소모가 적다. 따라서 초소형 LED 디스플레이는 소니의 새로운 UHD(Ultra High Definition) 벽형 디스플레이와 같이 대각선 길이가 65인치 이상인 대용량 TV뿐만 아니라 점점 더 많은 수의 스마트 워치에 필요한 착용식 디스플레이로 단기간 사용을 위해 제안되었다.
LCD와 유기 LED(OLED) 공정을 장악한 모든 디스플레이 제조업체는 탁월한 성능과 픽셀 해상도를 제공하는 페이퍼처럼 얇은 두께, 경량, 강체, 또는 플렉시블 디스플레이를 제조하기 위해 다양한 레이저 공정에 의존한다. 이러한 프로세스에는 기판과 유기 박막의 드릴링 혹은 절단, 픽셀 이나 터치스크린 구조의 미세 패터닝, 표면 개질을 위한 엑시머 레이저 어닐링(ELA, Excimer Laser Annealing), 기판 분리와 용접 및 마킹을 위한 엑시머 레이저 리프트 오프(LLO, excimer Laser Lift-Off )가 있다.
엑시머 레이저는 최단 파장과 최고 출력을 결합함으로써 LCD와 OLED 부문에서 모바일 디스플레이 혁신의 최전선에 있다. 308nm 파장의 코히런트 라인빔(LB, Coherent Line Beam) 엑시머 레이저 광학 시스템은 고해상도 모바일 디스플레이에 필요한 저온 폴리 실리콘(LTPS, Low Temperature Polysilicon) 필름을 생산하고 플렉시블 OLED 생산 라인에서 기존의 단단한 디스플레이에서 유리 기판을 부드럽게 분리하는 데 사용된다.
Excimer LLO를 통한 박막 micro- LED의 성능 향상
비슷한 맥락에서, micro-LED 디스플레이 프로세싱은 엑시머 레이저 기술을 구현함으로써 이익을 얻는다. 대형 LED와 마찬가지로 micro-LED는 사파이어 웨이퍼에 질화 갈륨(GaN) 필름을 성장시켜 얻는다. 장치 높이를 줄이고 효율을 높이기 위해 GaN 기반 micro-LED 레이어는 전도성 캐리어 재료로 옮겨진다. 일반적으로 0.8μm 두께의 사파이어 웨이퍼는 248nm의 단파장에서 분리되고(그림 1), GaN 층의 최상부 10nm를 분해한다.
LLO 프로세스는 균열 형성 또는 칩핑과 같은 부작용을 방지하기 위해 공간적인 빔 균일성과 강도의 안정성을 유지하게 한다.
엑시머 레이저(<1% rms)의 탁월한 펄스 안정성과 빔 균질화 광학 시스템(약 100μm 깊이의 피사계 심도로, 긴 빔 축과 짧은 빔 축을 따라 평평한 톱 빔 프로파일을 제공)이 대량 생산에서 그에 상응하는 높은 수율을 달성한다. 또한, LLO 프로세스 동안 웨이퍼상의 엑시머 레이저 빔 기하 구조는 실제 웨이퍼 직경에 적합할 수 있다. 엑시머 레이저 광학 시스템 구성은 최대 8인치 웨이퍼 처리 요구 사항을 지원한다.
LB 155 시스템은 150W LEAP 레이저를 특징으로 하며 248nm 파장은 6인치 사파이어 웨이퍼와 단일 스캔으로 일치하도록 설계되었다. 레이저는 155mm 길이의 축 길이와 0.3mm의 짧은 축 폭의 균일한 라인 빔을 생성한다(그림 2). 엑시머 레이저 라인 빔 시스템은 시간당 60개 이상의 웨이퍼 처리량을 가능하게 하며, 사파이어 기판에서 micro-LED 에피 웨이퍼를 힘을 가하지 않고 분리하는 LLO용으로 선호되는 솔루션이다.
4K UHD 디스플레이는 3,840 x 2,160 x 3RGB 서브 픽셀과 연관되어 있다. 결과적으로, 이 디스플레이는 수 밀리미터의 배치 정확도로 디스플레이 백 플레인 패널에 거의 2,400만 개의 micro-LED를 전송해야 한다. 그러한 많은 수의 micro-LED에 적용되는 종래의 picking and placing는 디스플레이당 6주가 소요될 것이다.
Wafer-to-panel 병렬 전송을 위한 대형 엑시머 레이저 빔
micro-LED 기반 디스플레이의 광범위한 시장 확장을 가능하게 하기 위해 빠르고 정확한 wafer-to-panel 전달 솔루션이 설치되어야만 한다. micro-LED는 디스플레이 패널에서 일반적인 RGB 패턴을 따르므로, 큰 단면을 가진 엑시머 레이저 빔을 통한 병렬 전송을 실행할 수 있는 솔루션이다.
이를 위해, 가공된 micro-LED 에피 웨이퍼는 UV 흡수 폴리머 접착 필름에 의해 임시 캐리어 웨이퍼에 접착될 수 있다. 엑시머 레이저 파장이 248nm, 또는 308nm인 조명은 접착제를 기화시켜 인접한 micro-LED 칩을 수신 백 플레인 패널로 가속시킨다. micro-LED를 분리하는 데 필요한 에너지 밀도는 LLO 사파이어 제거를 위해 GaN을 분해하는 데 필요한 강도의 일부에 불과하다. 이것은 큰 빔 치수와 매우 높은 프로세스 속도가 달성될 수 있음을 의미한다.
실제로, 많은 평방 밀리미터의 프로세싱 필드 크기를 제공하는 엑시머 레이저 빔을 사용한다는 것은 수십만 개의 micro-LED 서브 픽셀이 커버될 수 있다는 것을 의미하며, 모든 레이저 샷은 초당 수백만 개의 서브 픽셀의 평행 물질 전달 속도를 초래한다. 이러한 엑시머 레이저 유도형 micro-LED의 순방향 전송은 1분 이내에 4K UHD 디스플레이를 조립하기 위한 micro-LED 전송 시간을 가져온다.
고성능 micro-LED 픽셀은 높은 이동성 LTPS 백플레인을 필요로 한다
엑시머 레이저 광학 시스템은 LLO 웨이퍼 분리와 wafer-to-panel 전달 프로세스에 대한 one-stop 기술 솔루션으로 적합하지만, 고해상도 micro-LED 디스플레이의 백플레인에서도 엑시머 레이저 프로세스를 사용해야 한다.
micro-LED 디스플레이의 각 서브 픽셀은 실제로 고해상도 LCD와 OLED 디스플레이와 마찬가지로 디스플레이 백플레인의 박막 트랜지스터 매트릭스에 의해 어드레싱되고 개별적 밝기로 구동되어야 한다.
고이동성 LTPS 백플레인은 micro-LED 디스플레이에 필요하며 파장 308nm의 ELA 비정질 실리콘 막은 기존의 산업 레이저 공정이다. 따라서 시장 점유율을 확보하고 결국 새로운 디스플레이 세그먼트를 형성하는 micro-LED 디스플레이는 LTPS 백플레인에 대한 지속적인 수요에 기여할 것이다.
자료 제공: Coherent(www.coherent.com)
