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AMOLED蒸镀架构、点源线源与金属遮罩定位、设计、精度及清洗解析

2019/7/22

小分子有机发光二极体(OLED)制程较成熟,但材料极易被氧气及被水分所破坏,故制造过程中需使用到真空系统。有机发光二极管元件的薄膜是采用热蒸镀的方式,薄膜的的生长是靠分子间的凡得瓦力作用而堆栈成,薄膜的结构属于非晶型( Amorphous)。

热蒸镀法需将RGB有机发光二极管材料蒸发,通过凝结后一层层堆积在玻璃基板上面,有机层的总厚度只有100~150nm。由于蒸镀的时候,当下方升华上来的气体碰到上方较冷的基板形成非晶型薄膜。一般而言·较低的热蒸镀速率可以形成较佳的均向性 Homogeneity)与低形态缺陷( Morphological Defects),因此有机材料可以得到较高的飘迁移率(Drift Mobility)]。

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真空热蒸镀架构

1显示真空热蒸镀架构,小分子有机发光二极管多以真空热蒸镀(VTE, Vacuum Thermal Evaporation)方式定义三元色像素,蒸镀源通常采用点状多色蒸镀源( Multi- Color Point Evaporation Source)直线型移动式蒸镀源( Linear Evaporation Source)或平面型蒸镀源( Planar Evaporation Source)并依序将RGB有机发光二极体加热至材料的界温度,使得材料蒸镀在薄膜晶体管阵列背板上。

  

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2显示真空蒸镀法的制造流程,有机发光二极管分子通过细密的金属遮罩( Metal Shadow Mask)的技术,并通过金属遮罩的移动达到RGB 有机发光二极管的像素沉积。

  

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通常腔体的空度必须保持在10-6 Torr,适当的薄膜电晶体管阵列背板加热可以助有机发光二极管成长,基板加热温度通常不超过150°C。一般而言真空热蒸有机发光二极管薄膜厚度可控制于士3%的均匀度,金属遮罩对准精度( Mask Alignment)可控制于±5um。商业用空热蒸镀系统多为独立分离的真空腔体,可区分别为载入腔体( Load/Unload Chamber)、前处理腔体( Pretreatment Chamber))有机腔体( Organic Chamber)、金属腔体( Metal Chamber)等。

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点源与线源

3为点源示意图,大部分的点源( Point Sources)是由石英舟 ( Quartz Boat),加热器( Heater)与挡板(Bafe)所组成,通过RGB个别点状蒸发源透过金属遮罩成膜在基板上。

  

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然而点状源应用于大面积蒸镀时·需要考虑到量产的均匀性、点状源至基板距离离( Source-to- Substrate Distan)与离轴距(Off- Axis Location)、有机材料使用率( Effective Material Utilization) 成膜速率( Deposition Rates)等。

  

4 左:基板旋转蒸镀  右:扫描式点状源蒸镀

4为提高蒸镀均匀性的方式,实际上多通过数RPM( Revolution Per Minute)的慢速旋转基板或采用扫描式点状源蒸( Scanning Evaporation)概念来克服点状源的缺陷。线状源 ( Linear Sources)通过扫描式移动解决大面积蒸镀均匀性的问题,因此线源较点状源有较佳的成膜速卒丶均匀性与有机材料使用率。

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金属遮罩定位

为了防止蒸镀时金属遮罩震动或位移( Mask Mis-registeri造成有机发光二极管RGB像素成膜重叠混色与部分像素未成膜而影响发光效能。图5为实际上因金属遮罩对准异常而造成像素成膜不均的现象。为了避免此现象大多数的设备商多以机构对准系统与金属遮罩定位系统着手。

  

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6为金属遮罩定位示意图,实际上会在金属遮罩傅送机构上用磁铁( Magne)将金属遮罩紧紧固定,同时与基板上的对位标记搭配,整体位置准确度可达±15μm。

  

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金屏遮罩设计

下方表格列举了FMM的特性规格, OLED用蒸镀遮罩可区分为玻璃遮罩与金属遮罩,其中以金属遮罩使用较为普遍。

  

金属遮罩(FMM, Fine Metal Mask)的材质为铜并在其表面镀上34-36μm厚度的镍( Nickel)。金属遮罩依据其面板分辨率多以微放电加工(Miro-EDM,Miro- Electro- Discharge Machining)、电化学蚀刻(ECE, Electro- Chemical Etching8]等方式制造。

7示金属罩的计?因应不同的有机光二极体产品应用, FMM的开口会随着像素排列设计而区分直条型( Stripe)、三角(Dela) 型与马赛克( Mosaic)型。

  

7 A:OLED RGB 像素排列

  

7 A:金属遮罩像素排列

8为实际直条型与三角型金属置的俯视图, 大尺寸电视用有机光二极管的 FMM多采用三角型排列,探用的厂商有 Sanyo.Hitachi。

  

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而以一般文字显示为主的监视器、低分辨率或 PMOLED的金属遮罩会采用直条型排列,采用的厂商有 Sanyo,Samsung 同时为了因应不同RGB的衰减差异性(DA, Differential Aging),通常金属遮罩会依RGB个别有机发光二极管发光效率与面板分辨率来调整金属遮罩的开口面积。然而精细金属遮罩在次世代尺寸的制造上有技术上的瓶颈·因此诸如雷射转写,喷墨印刷、白光有机发光二极管搭配彩色滤光片等技术相继被提出来克服此问题。

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金属遮罩精度

当薄膜晶体管背板与金属遮罩重合时,遮罩移动的精准度、蒸镀时温度升高所造成遮罩形变,往往形成对准上约±5微米的误差( Alignment Error),加上影子效应( Shadow Effect)所造成约5-10微米的影子区域误差(如同图9所示·因此要将金属遮罩放大比例地应用到大尺寸基板上仍有技术上的问题。

  

下面表中列举常见金属框架特性,由于热蒸镀产生的温度容易使得金属遮罩膨服系数的差异而产生形变。

  

一般可选择低热膨账系数、高屈服强度( Yield Strength)、高抗张强度( (Tensile Strength)与高硬度( Hardness)的金属遮罩或金属框架( Metal Frame)的支撑来降低因形变所导致的有机发光二极体对准误差。图4.11显示金属框架与金属遮罩架构,当应用在大型化基板生产时·除了设计较佳的金属框架外,可通过垂直定位设备的导入来降低微尘量和避开金属罩和基板弯曲问题。

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遮罩清洁

有机发光二极管材料的沉积会降低金属遮罩的平整度,因此经常进行清洁成为了必要工作,导致产出缩减、成本增加。遮罩清洁可区分为湿式清洁与干式清洁,下表中列举遮罩清洁技术的优缺点。

  

遮罩湿式遮罩凊洁在有机发光二极管制作过程中被广泛的采用乃由于其具有低成本丶高可靠性、高产能等优点。湿式遮罩清洁是利用化学反应来进行有机薄膜的去除,而化学反应本身不具方向性?因此湿式罩遮罩清洁过程为等向性。湿式遮罩清洁的速率通常可通过改变溶液浓度及温度予以控制。一般当溶液浓度增加时,遮罩清洁速率将会提高。而提高溶液温度可加速化学反应速进而加金属遮罩清洁速。

干式遮罩清洁利用辉光放电将Ar气体解离成带正电的离子·再利用偏压将离子加速?溅撃在遮罩的表面而将有机原子击出,也就是所谓的物理性清洁。另外利用NH3N2O、O2作为遮罩清洁有机材料的气体。NH3所解离的N和H自由基和离子来还原有机链,N2O或O2于电浆中所产生的N及0化学活性极强的自由基及离子来氧化有机链达到断键清洁的效果?因此种反应完全利用化学反应来达成,也就是所谓的化学反应性清洁。