ディスプレイ・バックプレーン工程 #01 — 画面の裏の半導体、バックプレーンとは

スマートフォンの画面を点けた瞬間、数百万個の画素がそれぞれ決められた明るさで一斉に光ります。誰が画素の一つひとつに「今このくらい光れ」と指示しているのでしょうか。その仕事をする回路層が画面の裏に隠れています — それがバックプレーン（Backplane）です。

本稿は「ディスプレイ・バックプレーン工程」シリーズの第1回です。ガラス板の上に目に見えないトランジスタを数百万個つくり出す製造工程を、実際のファブ（Fab）の工程順そのままにたどりながら、基礎から扱います。すべての内容は教科書・論文・特許・百科事典など公開資料で誰でも確認できる水準にとどめ、各回の末尾に実際の出典を残します。

画面を拡大してみると

画面という物体をごく間近で見たことがあるでしょうか。虫めがね、あるいは水滴ひとつあれば画面の正体が現れます — なめらかに見えていた画面は、実は赤・緑・青の小さな発光片、すなわちサブピクセル（sub-pixel）がびっしり敷き詰められた格子です。

拡大すると現れるサブピクセル格子。写真：Wikimedia Commons (Politelyinsulting, CC BY-SA 3.0)

よく使われるFHD解像度（1920×1080）だけでも画素は約207万個、サブピクセルにすると約622万個です。この数百万個の発光片がそれぞれ独立に、1秒間に数十～数百回ずつ明るさを変えます。それを制御するスイッチが、サブピクセルごとに最低ひとつは付いていなければならないという意味です。

数字で見る難しさ

「数百万個」という言い方では実感がわきません。解像度ごとに実際の数字を計算してみると、バックプレーンがどういう種類の問題なのかがはっきりします。サブピクセル数は横×縦×3（RGB）、1行（row）に与えられる時間は 1 ÷（リフレッシュレート × 行数） で求まります。1フレームのあいだに画面全体を上から下へ1行ずつ走査するからです。

解像度	画素数	サブピクセル数（＝最小TFT数）	120Hzで1行に与えられる時間
HD 1366×768	約105万	約315万	10.85 µs
FHD 1920×1080	約207万	約622万	7.72 µs
QHD+ 3200×1440	約461万	約1,382万	5.79 µs
4K UHD 3840×2160	約829万	約2,488万	3.86 µs
8K UHD 7680×4320	約3,318万	約9,953万	1.93 µs

4Kパネル1枚にトランジスタが2,488万個、8Kでは1億個に迫ります。そしてその1行を埋めるために許された時間は4マイクロ秒あまりです。100万分の4秒のうちに、その行のすべての画素を目標電圧まで充電し、次の行へ移らなければなりません。

この時間制約がなぜ材料を選ばせるのかも、簡単な計算で見えます。画素1個の蓄積容量を0.5pF、必要な電圧変化を5Vとすると、必要な充電電流は I = C × ΔV ÷ t = 0.5pF × 5V ÷ 3.86µs ≈ 0.65µA です。値そのものは小さく見えますが、この電流を数十マイクロメートルのトランジスタ1個が、しかも2,488万個すべてが同じように流さねばならないところが問題です。電子がうまく動けない材料では時間内に充電が終わらず、その画素は目標より暗く出ます。

画面は二つの層でできている

ディスプレイパネルを横から切ると、大きく二つの部分が見えます。上側は実際に光をつくるフロントプレーン（Frontplane） — OLEDなら有機発光層、LCDなら液晶とカラーフィルタです。下側が今回のシリーズの主役であるバックプレーンで、先ほど見たサブピクセル一つひとつに付いているスイッチ、すなわち薄膜トランジスタ（TFT, Thin Film Transistor）の巨大な配列です。その上を、指先の位置を読むタッチ層と画面を守るカバーウィンドウが覆います。

「薄膜（Thin Film）」という名が付いた理由もここにあります。半導体チップのトランジスタが厚いシリコンウェハを削ってつくられるのに対し、ディスプレイのトランジスタはガラスの上に数十～数百ナノメートル厚の薄い膜を層ごとに積み上げてつくります。ウェハは直径30cmの円板ですが、ディスプレイ用ガラス基板は一辺が2～3mに達する巨大な板です。「巨大な面積に、きわめて薄く、数百万個を同じように」 — これがバックプレーン製造の本質的な難しさです。

アクティブ駆動という発明 — 系譜

バックプレーンという概念は一朝一夕に生まれたものではありません。公開文献で確認できる系譜は60年を超えます。

薄膜トランジスタという素子そのものは、1962年に学術誌で初めて体系的に発表されました（P. K. Weimer, "The TFT — A New Thin-Film Transistor"）。ウェハを削る代わりに絶縁基板の上に半導体膜を成膜してトランジスタをつくるという、いまのバックプレーンの原型がこのとき提示されています。

この素子を画面に取り付けたのが1973年です。6×6インチ、1インチあたり20ラインの液晶パネルがTFT配列で駆動された事例が報告され（T. P. Brody ほか）、これが今日いうアクティブマトリクス（Active Matrix）駆動の出発点です。ここでいう「アクティブ」とは、画素ごとに自分のスイッチと蓄積容量を持ち、次の順番が回ってくるまで状態を自ら保持するという意味です。スイッチを持たないパッシブ駆動では、行数が増えるほど1画素が点いている時間が短くなり、明るさとコントラストが崩れます。上の表の「1行に与えられる時間」がなぜ問題になるのかは、ここにつながります。

次の問いは「何でつくるか」でした。1979年にアモルファスシリコンで電界効果素子がつくれることが報告され（P. G. Le Comber、W. E. Spear ほか）、大面積ガラスの上に安価にトランジスタを敷きつめる道が開け、それがLCDの時代をつくりました。1986年にはエキシマレーザーでアモルファスシリコンを瞬間結晶化し多結晶シリコンTFTをつくる方法が報告され（T. Sameshima ほか）、LTPSの扉が開きます。そして2004年、アモルファス酸化物半導体で常温・フレキシブル基板上に透明TFTをつくった結果が報告され（K. Nomura、H. Hosono ほか）、酸化物バックプレーンの系譜が始まります。

1962年の素子、1973年の駆動方式、1979・1986・2004年の三つのチャネル材料 — いま私たちが使っている画面は、この五つの出来事の上に立っています。

なぜバックプレーンが画質を左右するのか

とりわけOLEDは電流駆動素子です。画素に流し込む電流の大きさがそのまま明るさになるため、トランジスタの電流供給能力がわずかに揺らぐだけで明るさの斑（ムラ、mura）としてそのまま現れます。LCDの時代にはトランジスタは液晶に電圧をかける単純なオン・オフスイッチに近いものでしたが、OLEDではトランジスタがアナログ電流源の役割まで担わねばなりません。要求水準がまったく変わったのです。

ずれの性質も違います。スイッチであれば「開いたか閉じたか」さえ合っていればよいので、素子ごとの特性差は画面に表れにくい。ところが電流源はしきい値電圧が0.1Vずれるだけで流れる電流が変わり、それがそのまま明るさの差として見えます。人の目は広い面にわたるゆるやかな明るさの差にとりわけ敏感で、数パーセントのばらつきでも斑として認識されます。そのためOLEDバックプレーンでは、素子1個の性能よりも数千万個の均一性のほうが重い問題になります。

ここに市場の要求が重なります。解像度が上がるほど画素は小さくなり、リフレッシュレートが120Hzに上がるほどスイッチング時間は短くなり、バッテリーを節約するには漏れ電流を極度に小さくしなければなりません。結局、より小さく、より速く、より均一で、より漏れないトランジスタをガラスの上につくる能力 — それがバックプレーン技術のすべてです。

バックプレーンの三世代 — 材料の分かれ道

バックプレーンの材料技術は大きく三つの筋道で発展してきました。いずれも公開文献に整理されている業界標準技術であり、以下の移動度の数値は学術レビューに報告された代表値です（"Excimer-laser annealing for low-temperature poly-Si TFTs," J. Inf. Disp. 4(1) (2003)）。

• a-Si（アモルファスシリコン） — 1980年代からLCDとともに定着した最も古い方式。低い温度で大面積に容易につくれて安価ですが、原子配列が無秩序で電子が動きにくい（電子移動度およそ0.5～1 cm²/Vs）。大型テレビ・モニタ級のLCDにはいまも十分です。
• LTPS（低温ポリシリコン） — レーザーでアモルファスシリコンを瞬間的に溶かして固め、結晶に変えた方式。電子移動度がおよそ100 cm²/Vsとa-Siの100倍前後まで跳ね上がり、小さな画素の中に高速な駆動回路を入れられます。「低温（Low Temperature）」という修飾語は、ガラスが変形しない温度（およそ600℃以下）で結晶化をやり遂げるという意味です。スマートフォンOLEDの事実上の標準です。
• 酸化物（オキサイド、IGZO系） — インジウム・ガリウム・亜鉛の酸化物でつくった半導体。移動度は約10 cm²/VsとLTPSより低いものの、a-Siより10倍以上高く、なにより漏れ電流が極度に小さいため、画面が静止しているときは駆動を休んでも画像が保たれます。タブレット・ノートPC・大型OLEDで勢力を広げています。

三つの材料の性格を一つの表に並べると、選択の論理が見えてきます。

項目	a-Si	LTPS	酸化物（IGZO系）	LTPO
チャネル構造	アモルファスシリコン	多結晶シリコン	アモルファス酸化物	二つのチャネルが同居
電子移動度（cm²/Vs）	約0.5～1	約100	約10	部位ごとに上の二値
最初の報告	1979年	1986年（ELA）	2004年	2010年代に実用化
均一性	良好（無秩序がかえって揃う）	結晶粒界のためばらつきが大きい	良好	混合設計で補正
漏れ電流	中程度	大きい	きわめて小さい	保持区間は酸化物が担当
プロセス最高温度	約300℃台	約600℃以下＋レーザー	常温～350℃台	LTPSの温度予算に従う
工程ステップ数	最も少ない	最も多い	中程度	LTPSより多い
主な用途	大型LCD	スマートフォンOLED	タブレット・ノートPC・大型OLED	可変リフレッシュのスマートフォン・時計

表で注目すべきは、どの材料も全項目で勝てていないという点です。LTPSは移動度で圧倒的ですが均一性と漏れ電流で負け、工程ステップ数も最も多い。酸化物は漏れ電流と均一性がよい一方、移動度が足りず画素の中に大きな回路を入れにくい。a-Siは安価ですが、OLEDの電流源の役割は担えません。

そこで最新のスマートフォンには、この二つを画素の中で混ぜて使う LTPO（LTPS + Oxide） ハイブリッドが登場しました — 高速なスイッチングが要るところはLTPSが、漏れてはならないところは酸化物が担い、1Hzまでリフレッシュレートを下げてバッテリーを節約する可変リフレッシュ画面が可能になりました。表の最後の列が示すとおり、LTPOは新しい材料ではなく表の空欄を互いに埋め合う配置です。バックプレーン材料の選択がそのまま製品の性格を決める時代です。

このシリーズは、そのなかで最も工程ステップが多く学ぶところの豊富な LTPSバックプレーンの製造工程を基準に歩いていきます。LTPSを理解すれば、a-Siと酸化物の工程はその部分集合または変形として自然に理解できます。

ガラスはなぜ大きくなり続けるのか

バックプレーンの話で外せないのが基板世代（Generation）です。世代が上がるとは、一度に処理するガラス板が大きくなるという意味です。以下の寸法は、ある特許明細書が業界慣行として列挙した値です（US 8,093,136）。面積と倍率はその寸法から直接計算しました。

世代	ガラス寸法（mm）	面積（m²）	第3世代比
第3世代	550 × 650	0.36	1.0倍
第4世代	730 × 920	0.67	1.9倍
第5世代	1100 × 1300	1.43	4.0倍
第6世代	1500 × 1850	2.78	7.8倍
第7世代	1870 × 2200	4.11	11.5倍
第8世代	2200 × 2400	5.28	14.8倍
第10世代	2950 × 3400	10.03	28.1倍

世代を上げる理由は単純です。工程装置1台がガラス1枚を処理するのにかかる時間は面積に正比例しないため、大きなガラス1枚から多く取れるほどパネル1枚あたりの原価が下がります。同じ特許は2200×2500mm級の基板から55インチパネルを6枚取れると記していますが、これは直接計算でも確認できます — 55インチ16:9パネルは約1218×685mmなので、2500 ÷ 1218 = 2枚、2200 ÷ 685 = 3枚、掛けて6枚です。

ただしこの計算は、周縁の余白と切断代を無視した上限値です。実際のラインではガラスの縁の一定幅が使えず、パネル間の切断線（スクライブ）の余裕も要るため、上の数字より少なくなることがよくあります。世代の選択とは結局、つくろうとするパネル寸法の整数倍とガラス寸法がどれだけうまく噛み合うかという問題です。中途半端に合うと、大きなガラスを使っても捨てる面積が増えてかえって損になります。

そしてこの巨大さが工程の難易度を決めます。第8世代基板1枚から4Kパネルを6枚取るとすれば、その1枚の上につくらねばならないトランジスタは約1億4,930万個です（2,488万 × 6）。素子1個が不良になる確率が100万分の1（1ppm）にすぎなくても、パネル1枚あたり平均およそ25個の不良素子が生じます。画面のまんなかの点25個は、すなわち不良品です。バックプレーン工程が歩留まりの産業と呼ばれる理由であり、このシリーズが洗浄だけで3回分（18～20回）を費やす理由でもあります。

よくある誤解 三つ

• 「移動度の高い材料が無条件によい」 — 移動度は電流をどれだけよく流すかにすぎません。OLED画素で実際に重要なのは数千万個がどれだけ揃っているかであり、移動度の高いLTPSはむしろ結晶粒界のせいで素子ごとのばらつきが大きい。だから画素回路に補償トランジスタを何個も入れてこのばらつきを打ち消します。
• 「バックプレーンは画質と無関係な後段だ」 — 発光材料が色と効率を決めるとすれば、バックプレーンはその材料が出せる性能のうちどれだけを実際に取り出すかを決めます。残像、ムラ、低輝度階調のつぶれ、リフレッシュレートの可変幅は、いずれもバックプレーン側の問題です。
• 「トランジスタは画素ごとに1個」 — LCDはおおむね1個で足りますが、OLEDの画素回路は補償のために複数のトランジスタとキャパシタで構成されます。先の表でサブピクセル数を「最小TFT数」と書いたのはそのためで、実際の素子数はその数倍になります。

このシリーズの地図 — 9段階、全20回

ガラス基板がファブに投入されて完成したバックプレーンになるまでに、大きく9段階の工程を経ます。この地図が今後の連載全体の目次です。

• PI塗布（2・3回） — 折れる画面の秘密。ガラスの上にポリイミドを塗ってフレキシブル基板をつくる。
• 熱処理（4・5回） — 膜の中の水素をあらかじめ抜いておく準備運動。飛ばすと次の工程で膜が破裂する。
• ELA結晶化（6・7回） — エキシマレーザーでアモルファスシリコンを瞬間溶融させ多結晶に変える、LTPSの心臓。
• ドーピング（8回） — シリコンに不純物を打ち込み、トランジスタの極性（N型・P型）を刻む。
• 成膜（9～11回） — 真空とプラズマの舞台。金属配線と絶縁膜を一層ずつ積む。
• フォト（12・13回） — 感光液と紫外線で回路パターンを「写真を撮るように」描く。
• エッチング（14～16回） — 共通概念とパラメータ、ドライエッチング、ウェットエッチングを順に。パターンどおり削る技術と腐食との戦い。
• ストリップ（17回） — 役目を終えた感光膜（PR）をきれいに剥がす。
• 洗浄（18～20回） — 目に見えない粒子が歩留まりを決める。粒子はなぜ付き、どう剥がすのか。

ひとつ先に言っておくと、5～9番（成膜→フォト→エッチング→ストリップ→洗浄）は一巡ではありません。配線を一層つくるたびにこのサイクルが繰り返されます。バックプレーン1枚でこの車輪が何度も回ります — トランジスタのゲート、ソース・ドレイン、画素電極がそれぞれ別の層だからです。

この繰り返しが、先の表にあった「工程ステップ数」という項目の実体です。材料を変えるとは、つまりこの車輪を何周多く回すかを変えることであり、1周ごとにマスク1枚・装置数台・検査1回が付いてきます。LTPSが高いのは材料費ではなく周回数のせいです。

連載をはじめるにあたって

毎回は同じ三段構成に従います。原理（なぜこの工程が必要か）→ 装置（何でやるか）→ 管理ポイント（現場は何を見ているか）。教科書の原理と現場の感覚を一回のなかでつなぐことが、このシリーズの目標です。すべての内容は公開文献の水準で扱い、特定の会社・製品・生産ラインの話はせず、引用した資料の出典を各回の末尾に残します。

次回は最初の工程、折れる画面を可能にした PI（ポリイミド）塗布から始めます。ガラスの上に液体を塗って基板を「つくる」話です。

参考資料

• P. K. Weimer, "The TFT — A New Thin-Film Transistor," Proceedings of the IRE 50(6), 1462 (1962)：絶縁基板の上に成膜でトランジスタをつくる薄膜トランジスタ概念の原典
• T. P. Brody et al., "A 6 × 6 inch 20 lines-per-inch liquid-crystal display panel," IEEE Trans. Electron Devices 20(11), 995 (1973)：TFT配列で液晶画面を駆動した初期の報告 — アクティブマトリクス駆動の起源
• P. G. Le Comber, W. E. Spear, A. Ghaith, "Amorphous-silicon field-effect device and possible application," Electronics Letters 15(6), 179 (1979)：アモルファスシリコンで電界効果素子を実現した報告 — a-Siバックプレーンの出発点
• T. Sameshima, S. Usui, M. Sekiya, "XeCl excimer laser annealing used in the fabrication of poly-Si TFT's," IEEE Electron Device Letters 7(5), 276 (1986)：エキシマレーザー結晶化で多結晶シリコンTFTをつくった報告 — LTPSの技術的起源
• K. Nomura et al., "Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors," Nature 432, 488 (2004)：アモルファス酸化物半導体で常温・フレキシブルTFTを実現した報告 — 酸化物バックプレーンの起源
• T. Kamiya, K. Nomura, H. Hosono, "Present status of amorphous In–Ga–Zn–O thin-film transistors," Sci. Technol. Adv. Mater. 11, 044305 (2010)：酸化物TFTの均一性・安定性・大面積プロセスの現状をまとめたレビュー
• Excimer-laser annealing for low-temperature poly-Si TFTs — Journal of Information Display (2003)：LTPSとa-Si TFTの移動度比較、ELA工程の概要 — 本文の移動度代表値の根拠
• US 8,093,136 — Method for manufacturing SOI substrate：明細書に第3世代～第10世代のガラス基板寸法を列挙 — 本文の世代別表の寸法の根拠
• T. Kamiya, H. Hosono, "Amorphous Oxide Semiconductors for High-Performance Flexible Thin-Film Transistors," Jpn. J. Appl. Phys. 45, 4303 (2006)：アモルファス酸化物チャネルの電子伝導機構と素子特性
• Thin-film transistor — Wikipedia：TFTの構造・歴史・材料別比較
• Low-temperature polycrystalline silicon — Wikipedia：LTPSの概要と工程の流れ
• 写真：LCD subpixels — Wikimedia Commons (Politelyinsulting, CC BY-SA 3.0)