ガス：ディスプレイ製造に不可欠な材料

1990年代に初めて普及が始まって以来、アクティブマトリックス薄膜トランジスタ（TFT）ディスプレイは、現代生活において不可欠な存在となっています。それらはテレビやスマートフォンだけにとどまらず、日常生活における主要な通信および情報のポータルとして機能しています。例えば、腕時計（ウェアラブル）、家電、広告、看板、自動車などです。

ディスプレイTFT製造と半導体デバイス製造には多くの共通点があります。例えば、工程（堆積、エッチング、洗浄、ドーピング）、使用されるガスの種類、そしてディスプレイ製造と半導体製造の両方がガスを多く使用する点です。

しかし、両者には異なる技術的な推進力と製造上の課題もあります。半導体デバイス製造においては、デバイスをますます小型化することに技術的な制約があります。一方、ディスプレイ製造における課題は主に、消費者が求める大きくて薄いディスプレイを提供するために、ガラスの均一性を保つことです。

半導体ウエハのサイズは、ウエハの表面全体にわたって均一に小さな特徴を作ることが難しくなったため、限界に達していますが、ディスプレイの母ガラスのサイズは、過去20年間で0.1m×0.1m、厚さ1.1mmから3m×3m、厚さ0.5mmに拡大しました。これは、消費者の大きく、軽く、コスト効率の高いデバイスへの需要に応えるためです。

ディスプレイ母ガラスの面積が大きくなるにつれて、ディスプレイ製造プロセスで使用される装置や必要なガスの量も増加しています。さらに、より鮮やかな色、高解像度、低消費電力といった消費者の要求に応えるために、ディスプレイメーカーはアクティブマトリックス有機発光ディスプレイ（AMOLED）の開発と商業化を進めています。

技術

ディスプレイデバイスの層

現在市場には、アクティブマトリックス液晶ディスプレイ（AMLCD）とAMOLEDの2種類のディスプレイがあります。ディスプレイを構成する基本的な部品は、AMLCDとAMOLEDで共通です。ディスプレイデバイスには4つの層があります（図1）：光源、スイッチ（薄膜トランジスタ、ここでガスが主に使用されます）、色選択を制御するシャッター、RGB（赤、緑、青）色フィルターです。

バックプレーン/TFTについて

ディスプレイ用の薄膜トランジスタは、2D遷移トランジスタで、これはFinFET以前のバルクCMOSに似ています。アクティブマトリックスディスプレイの場合、各ピクセルには1つのトランジスタがあり、ピクセル内の個々のRGBを駆動します。ディスプレイの解像度が増加するにつれて、トランジスタのサイズは小さくなりますが、半導体デバイスのサブマイクロン規模には達しません。325PPI密度の場合、トランジスタのサイズは約0.0001mm²で、4Kテレビ（80PPI密度）の場合、トランジスタのサイズは約0.001mm²です。

技術動向

TFT-LCD（薄膜トランジスタ液晶ディスプレイ）はベースライン技術であり、MO / 白色OLED（有機発光ダイオード）は大きな画面に使用されます。LTPS / AMOLEDは小型・中型画面に使用されます。OLEDの課題は、1ミクロン未満の粒子が歩留まりに与える影響、高コスト（a-Siに比べて）、およびOLED工程での湿気による歩留まりの低下です。

モビリティの制限（図2）は、解像度向上などのより良い視覚体験を提供するために、MOおよびLTPSへのシフトの主な理由の一つです。

リユ1：MOにおける課題は、IGZOメタライゼーション後の酸化およびOLED工程後の湿気防止であり、これが歩留まりの低下を引き起こします。製造には大量の一酸化二窒素（N₂O）が必要であり、これにより従来の供給モードに変更が必要になる可能性があります。

現在、AMLCDディスプレイは市場で依然として支配的ですが、AMOLEDディスプレイは急速に成長しています。現在、スマートフォンの約25％がAMOLEDディスプレイを採用しており、これは2021年までに約40％に増加する見込みです。OLEDテレビも急速に成長しており、年々二桁の成長率を記録しています。IHSのデータに基づくと、AMOLED技術を使用したディスプレイパネルの収益は、今後5年間でCAGR（年平均成長率）18.9％を達成する見込みであり、同じ期間にAMLCDディスプレイの収益はCAGR-2.8％になると予想されています。ディスプレイパネル全体の収益のCAGRは2.5％となる見込みです。AMOLEDディスプレイパネルの急成長を受けて、パネルメーカーはAMOLEDパネルを製造するための設備投資を加速しています

バックプレーンの種類

ディスプレイ用の薄膜トランジスタには、アモルファスシリコン（a-Si）、低温ポリシリコン（LTPS）、金属酸化物（MO）、または透明アモルファス酸化物半導体（TAOS）があります。AMLCDパネルは、低解像度ディスプレイとテレビにa-Siを使用し、高解像度ディスプレイにはLTPSトランジスタが使用されますが、そのコストが高いため、小型および中型ディスプレイに主に限定されます。AMOLEDパネルは、TVや大型ディスプレイにはMOデバイスを、その他のディスプレイにはLTPSとMOトランジスタを使用します（図3）。

ガスの使用方法

AMOLEDパネルの製造では、AMLCDパネルとは異なるガスが使用されるため、技術の変化が求められます。図4に示すように、ディスプレイ製造ではさまざまなガスが使用されます。

これらのガスは、電子特性ガス（ESG）と電子バルクガス（EBG）の2つに分類できます（図5）。電子特性ガスは、シラン、三フッ化窒素、フルオリン（現場生成）、六フッ化硫黄、アンモニア、リン化水素混合物などがあり、これらはディスプレイ製造に使用されるガスの52％を占めます。一方、電子バルクガス—窒素、水素、ヘリウム、酸素、二酸化炭素、アルゴン—は残りの48％を占めます。

主要な使用ドライバー

ディスプレイ製造における主要なガス使用ドライバーはPECVD（プラズマ強化化学蒸着法）であり、これはESG（電子特性ガス）の支出の75％を占めています。一方、ドライエッチングはヘリウムの使用を促進しています。LTPSおよびMOトランジスタの製造は、一酸化二窒素（N₂O）の使用を促進しています。MOトランジスタ製造におけるESGの使用は、図4に示されている内容と異なり、一酸化二窒素がガス支出の63％を占め、三フッ化窒素（NF₃）が26％、シランが7％、六フッ化硫黄およびアンモニアが合計で約4％を占めます。レーザーガスは、リソグラフィーだけでなく、LTPSのエキシマレーザーアニールにも使用されます。

シラン（SiH₄）：シランはディスプレイ製造における最も重要な分子の一つです。シランはアンモニア（NH₃）と共に使用してa-Siトランジスタ用の窒化シリコン層を形成し、窒素（N₂）と共にLTPSトランジスタ用のエキシマレーザーアニール前のa-Siを形成し、一酸化二窒素（N₂O）と共にMOトランジスタ用の酸化シリコン層を形成します。

三フッ化窒素（NF₃）：NF₃は、a-SiおよびLTPSディスプレイ製造における支出および体積の点で最大の電子材料ですが、MO製造においては一酸化二窒素に取って代わられました。NF₃はPECVDチャンバーの清掃に使用されます。このガスは競争の激しい市場でコスト優位を得るためにスケーラビリティが求められます。

一酸化二窒素（N₂O）：N₂OはLTPSおよびMOディスプレイ製造に使用され、MO製造においては支出および体積の点で最大の電子材料となっています。N₂Oは低コストであるため地域的かつローカライズされた製品であり、長距離供給チェーンや高い物流コストが不可能です。母ガラス面積5.5m²あたり平均約2kgを使用し、通常の120K/月の容量の第8.5世代MOディスプレイ製造では月に約240トンが必要です。最大のN₂O圧縮ガストレーラーは一度に6トンしか配送できないため、MO製造ではコストが高くリスクも伴います。

窒素（N₂）：典型的な大型ディスプレイファブでは、N₂の需要が1時間あたり50,000Nm³に達することがあり、オンサイト発電機（例：Linde SPECTRA-N® 50,000）などがコスト効果の高いソリューションとして有効であり、従来の窒素プラントに比べてCO₂（炭素 dioxide）排出量を8％削減するという利点もあります。

ヘリウム（He）：H₂はガラスの処理中および処理後の冷却に使用されます。製造業者はヘリウムが非再生可能ガスであるため、コストや供給問題からその使用を削減する方法を模索しています。

ファブ内のガス供給

N₂オンサイト発電機：窒素はファブで最も消費されるガスであり、最初のツールがファブに持ち込まれる前に利用可能である必要があります。主要な半導体ファブと同様に、大型ディスプレイファブでは非常に大量の窒素が必要であり、これを経済的に供給できるのはオンサイトプラントのみです。

低温液体トラックトレーラー：酸素、アルゴン、および二酸化炭素はオフサイトプラントで生成され、短距離で特殊な真空断熱タンク車で液体として運ばれます。

圧縮ガストラックトレーラー：水素やヘリウムなどの大量ガスは、圧縮ガスとしてトラックやISOサイズのタンクで長距離運ばれます。

個別パッケージ：特別なガスは個別にパッケージングされて供給されます。シランや三フッ化窒素のような大量材料は、最大10トンを収納できる大きなISOパッケージで供給されることがあります。小規模な要求のある材料は標準的なガスシリンダーで包装されます。

混合ガス：レーザーガスやドーパントは、いくつかの異なるガスを混合したものとして供給されます。混合製品の精度と精密度は、ディスプレイデバイスの製造を許容可能なパラメータ内で運営するために重要です。

ファブ内供給：ガス供給は、ファブへの物質の供給または製造にとどまらず、その後、個別の生産ツールに供給される前にさらにフィルタリング、精製、およびオンライン分析が行われます。

結論

より鮮やかな色、高解像度、低消費電力のディスプレイに対する消費者の要求は、ディスプレイメーカーに新しいディスプレイ技術の開発を促進させ、フレキシブルおよび透明ディスプレイなどの新技術の開発を加速させるでしょう。LTPSおよびMOをサポートするトランジスタは、新しいディスプレイのニーズを支えるため、ガス使用量は今後も増加するでしょう。