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【深度解析】OLED蒸镀段关键材料FMM必读干货!

2015-12-08 17:43:37

FMM全称为Fine Metal Mask(精细金属掩模版),其主材主要是金属或金属+树脂。

图1:OLED RGB的FMM制程

由于目前AMOLED面板量产的主流方法是真空蒸镀,而真空蒸镀必须用到FMM蒸镀技术,在干式制程中运用遮罩将RGB三种光色分子分别附着于狭小的区域中。应用于大尺寸面板时,大尺寸Mask在蒸镀制程中易产生变形与材料过度使用等弊病,维持平坦的表面是制程相对较难的精密金属遮罩的关键技术。

FMM是在LTPS光盘下面带上的精细的金属掩模。掩膜是一种在薄钢板上有一个小孔的器件,当沉积有机材料时只能沉积在特定位置。如果您不使用蒙版,则通过将红色,绿色和蓝色放在红色(R)像素上,将无法获得纯色。因此,在沉积过程中不同的时间使用RGB的每个位置和形状的不同掩模。

FMM的主要生产方式

从FMM开孔形状来看,根据FMM的开孔形状的不同,FMM 可以进一步细分为插槽型和狭缝型。从制作方式上看,FMM可分为fulltype 和dividedtype两类。


图2 FMM 开孔形状分类

生产FMM的方式主要有三种:蚀刻、电铸和多重材料(金属+树脂材料)复合。

蚀刻法—— 主要是通过蚀刻Invar Sheet 的方式制作。现阶段主要的OLED 面板FMM 供应商, 如DNP、凸版印刷和达运等均采用蚀刻技术。该方法制作出的FMM 在现阶段最薄可以做到20 μm 左右并达到WQHD 级别分辨率。

  1. Invar薄片两侧涂布光阻;

  2. 通过 UV Mask进行曝光、显影;

  3. 通过FeCl刻蚀液进行两侧刻蚀;

  4. 在一侧涂布UV光阻;

  5. 在另一侧通过FeCl刻蚀液继续进行刻蚀,刻穿并达到规格值后停止;

  6. 剥离所有光阻后,完成 Invar FMM的制作。


图3 蚀刻法制作流程图

  1. 电铸(Electroforming Metal)——通过该方法制作出的FMM 厚度很薄。采用该方法的厂家主要有日本Athene 与Hitachi Maxell。这两家公司已经将板厚控制到约5 μm, 并正在研发WQHD 分辨率级别的FMM 产品。

  1. 在阴极衬底上涂布光阻;

  2. 通过 UV Mask进行曝光、显影;

  3. 通过在电镀溶液中进行电镀作业,在阴极衬底上沉积 Invar材料,形成图形;

  4. 剥离光阻;

  5. 剥离阴极衬底,完成 Invar FMM的制作。

  6. 多重材料复合法——主要采用树脂和金属材料混合以制作FMM 以应对热膨胀, V-Technology 目前具有做到厚度为5μm, 且成膜精度位置为2 μm FMM 的能力(向1 μm 发展)。

虽然Hitachi Maxell与V-Technology分别采用电铸和多重材料复合方式对QHD分辨率以上的FMM有进行研究,但是其产品还未进入量产和厂商验证阶段。

一张FMM主要由frame,cover,support,alignstick,finestick五个部分组成。制作过程是把cover,support,alignstick,finestick以一定的方式焊接在frame上,这一过程称之为张网。因此,张网机又叫焊接机。

图4 FMM热膨胀示意图

什么要张网——finestick 收缩率设计

蒸镀过程中有机材料释放热量,使FMM和玻璃温度升高。FMM热膨胀后变长,与玻璃之间形成缝隙,不利于蒸镀材料的规则沉积。因此要给FMM一定的预张力。与此对应,finestick 在制作时,要设计一定的收缩率η。这就是为什么要张网的根本原因。

另外,finestick制作来料的totalpitch达不到所需求的PPA,也必须张网后才能达到更好的精度。

定义η=(设计尺寸-实际尺寸)/设计尺寸*100%,假设FMM的热膨胀系数为α,对于长度为l 的FMM,在温度升高△T时:

按Invar36平均热膨胀系数1.6×10-6算,可得出蒸镀不同温升的finestick最小收缩率,如下表所示:



FMM材质的选择及工艺技术要求

FMM制作材料一般选用金属材料。为降低蒸镀过程中FMM的热膨胀效应,frame,cover,support,alignstick,finestick倾向于选用热膨胀系数较小的材料。比如常用的INVAR36,称为不变钢。

Frame:一般厚度及尺寸根据蒸镀机的规格要求制作。普遍厚度为30mm。材质采用Invar36。由于涉及到张网时焊接原因,Frame加工对平坦度要求比较高,一般要达到50um以内。

Cover/support:一般采用30um~100um厚度的Invar36或者SUS304制作。如果选用Invar36,则是利用Invar热膨胀系数小的优势,能保证蒸镀过程中MASK形变小。如果采用SUS304,则是利用SUS材质不导磁的特点,在蒸镀过程中减少FMMwrinkle 的产生。

Alignstick:提供张网制作或者是蒸镀机对位的基准。对材质没有过多的要求。

Finestick:Finestick是FMM中最复杂,也是技术要求最高的部分。目前比较主流的有四大制作工艺

  1. 蚀刻工艺,不断减薄基材的厚度,以期获得更精细的开孔;

  2. 电铸工艺,利用电铸工艺特点可以突破蚀刻工艺的瓶颈,开孔更精细,缺点是无法满足特定的蒸镀角以及与Invar匹配的物理特性 ;

  3. 蚀刻+激光复合材料 ,利用刻蚀Invar形成基材,在基材上覆盖PI材料 ,再利用激光工艺在PI表面形成精密开孔,以达到与FMM功能相同的效果。该方法可行性较好,但是设备要求过于苛刻,不适合产业化生产 。

  4. 混合工艺 ,利用电铸+电铸或者电铸+蚀刻等混合工艺,其中电铸+蚀刻工艺无论是可行性还是产业化都具有独特的优越性,未来最有希望在这个工艺上突破高PPI难题。

Fine stick的设计及工艺技术要求

Finestick的设计涉及收缩率η,PPAY补偿及wrinkle的控制。收缩率η在满足(1)式的前提下,一般以5N大小的基础拉力设计模拟。过大的拉力容易造成wrinkle增加,在蒸镀磁板吸合时不易消除。

PPAY补偿与物体的泊松效应有关。我们知道,材料沿载荷方向产生伸长(或缩短)变形的同时,在垂直于载荷的方向会产生缩短(或伸长)变形。

张网时finestick受到延X方向的拉力,造成PPA在Y方向有向内缩的趋势。因此,在设计制作时,需对PPA进行补偿。材料的物理力学性能,finestick 的设计本身会影响到补偿量的变化。因此,一般第一模不进行补偿,后面根据实际使用的效果进行PPA补偿。


对finestick wrinkle的控制与蒸镀使用的效果相关。理论上讲,我们希望设计出没有wrinkle的FMM。但实际上是做不到的。对于薄板的拉伸必然引起延厚度方向的wrinkle。因此wrinkle的形貌和大小成为设计的主要考量点。设计模拟时一般要求wrinkle平滑,这样在蒸镀磁板吸合时容易展开。同时,wrinkle的大小不要超过100um。如果是“C”型的wrinkle,则大小可以适当放宽。

在设计的时候,有一种制作手表的圆形排布比较特殊。采用常规的设计,wrinkle很难展开。因此,可采用fulletching加cover/support遮挡设计规避这种缺陷。这也是三星电子众多设计方案中的一种。由于fulletching方式本身不定义产品的形状,finestick设计简单,变形相对可控。几乎所有的产品设计都可以采用这种方式实现。

shadow的形成及影响因素

下图是OLED蒸镀的概念图。最上面是玻璃基板,再由殷钢(Invar Steel,即铁镍合金)制成的FMM盖住玻璃,然后一起通过磁铁吸附在上基台上。蒸镀源内放置有机材料,通过电阻丝加热或电子束加热的方式使材料蒸发,再通过FMM进人到规定的像素开口区。这里的TS(Target- Source Distance)就是指蒸镀源到FMM目标的距离,蒸镀角为θ,TS距离一般在400~800mm不等。如果是同样的点蒸镀源和同样的蒸镀角,TS距离较小时,材料利用率高,PI较小,但成膜均一性较差,且SD(Shadow Distance,即阴影距离)较大;而TS距离较大时,成膜均一性会变好,SD会变小,但材料利用率较低,PPI较大。



由于蒸镀角,PDL&spacer,finestick制作采用二步刻蚀的方式,决定了蒸镀成膜时pixel厚度并不是平的。我们把95%的成膜厚度定义为有效厚度,其他的则称为shadow。Shadow的存在使得PDLgap增加,还会因为shadow镀到相邻的pixel而引起混色,所以设计上应尽量减少其产生。根据finestickslot开口CD,我们把CD范围内的shadow称为内shadow,CD范围外的shadow称为外shadow。假设PDL&spacer高度为h,蒸镀角为α,FMMdead width为w,则

Shadow外=w+h*cotα……

设计上一般h为3um左右,蒸镀角随蒸镀位置的不同是个变量。因此shadow是位置的函数。除了以上影响因素,shadow还与蒸镀成膜条件相关。一般成膜越厚,scan次数越多,shadow越大。

下图是FMM蒸镀示意图,SD在这里是指2f+2g+h的和,它会影响PPI,因此越小越好,否则会发生R串色到B的情况。

下面对这张图片进行说明:


(1)θ是蒸镀气体与垂直法线的最大夹角,α是FMM二次刻蚀与法线的夹角,β是FMM一次刻蚀与法线的夹角,a是FMM和基板间距,b是FMM二次刻蚀深度,c是FMM一次刻蚀深度,d是FMM孔最窄处宽,e是子像素间距,f是FMM二次刻蚀的基准面延伸长度,g是FMM和基板间距基准面延伸长度,h是子像素下底间间距

(2)一般希望θ,α,β的值都小一点,这样孔就是垂直的;同时,在a,b,c的值一定的情况下,f和g的值可以比较小;如果h的值也比较小的话,PPI可以做高。

FMM物理特性

蒸镀过程中除掉器件结构外,其他的难点问题几乎与FMM的使用息息相关。可以说,蒸镀的问题的核心,在于对FMM特性的研究。由于FMM在蒸镀过程中只存在物理变化,因此,对FMM物理特性的研究,显得尤为重要。

FMM在制作和使用过程中,受到如重力,CF,压力,磁力等应力的作用。此外蒸镀有机材料热量释放的影响还会产生热膨胀。以及FMM在应力作用下产生的蠕变行为。对FMM物理特性的研究,主要围绕应变、蠕变和热膨胀这三个方面展开。目前,国内很少有企业对此展开全面的研究。在这一点上,三星电子远远走在了前面。

蒸镀良率分析

用于蒸镀的LTPS玻璃基板,必须与FMM紧密贴合。否则就有混色不良产生。为了实现这一目的,蒸镀过程中采用coolingplate下压玻璃基板,采用magnet往上吸FMM,以消除两者之间的gap。另外,FMM的slot开孔必须与LTPS玻璃基板上阳极图案准确套合,否则蒸镀材料会镀偏造成混色。因此,决定蒸镀良率的两个关键因素:FMM与玻璃基板的贴合和套合。

1
贴合
影响贴合的主要因素有FMM平坦度,coolingplate的结构、位置和磁力大小。其中FMM平坦度涉及到MASK的设计和制作工艺,本文不展开讨论。coolingplate 目前有两种技术方案。一是Tokki采用的无冷却水方式。优势是能减轻plate下压的重量,减少破片风险的产生。而且无冷却水,结构可以做薄,减少对磁铁的损耗。

但是这会带来一个问题,随着蒸镀过程的进行,FMM和plate温度的变化造成MASK和玻璃基板的变形,不利于蒸镀套合的稳定。因此,Tokki蒸镀设备的长期稳定性,有待实践检验。coolingplate除去Tokki,其他蒸镀设备商都采用循环水冷却。好处是可以保证整个蒸镀过程中,MASK温度上升不超过5℃。能有效降低MASK和玻璃基板的变形,增加蒸镀过程的稳定性。但另一方面,coolingplate厚度的增加造成重量的过重,容易产生对玻璃的挤压而破片。而且,也会增加对磁力的损耗。如Tokki蒸镀机磁力能达到500Gs,而其他厂商最大在300Gs。但从实践的效果来看,300Gs的磁力并不会影响贴合的效果。

2
套合
提高AMOLED屏幕的发光效率,要求RGB像素开口率越高越好。然而开口率的增加,会降低像素之间的间隙(PDLGap)。因此在特定的工艺条件下,为避免套合偏位混色,PDLGap最小尺寸满足如下公式:


式中Margin表示工艺余量;Shift表示蒸镀原因造成的PPA偏移;TP、CD、PPA和alignment分别表示LTPS玻璃像素精度,FMMslot开孔尺寸精度,mask张网精度和蒸镀对位精度。

对于分辨率越高的显示屏,PPA和shift等参数管控要求越高。在以上所有影响套合精度的因素中,MASKPPA和蒸镀shift是影响最大的关键因子。他们决定了AMOLED生产厂商的技术能力。


表述方便,我们引入一个概念——蒸镀PPA。它表示的是实际蒸镀位置和LTPS玻璃阳极图案之间的位置偏差。依据上述公式可得:


3
蒸镀shift
导致蒸镀shift的主要原因是温度变化及MASK所受到的应力。

温度影响:

蒸镀过程中,有机材料被加热到200-400℃之间,透过mask在玻璃上凝结。中间放出热量使玻璃基板和mask温度升高。在热膨胀因素的作用下,玻璃基板的阳极图案出现膨胀。而mask像素孔出现收缩。另一方面,热量使maskframe框架膨胀。因此,温度对蒸镀PPA的影响较为复杂。需对最终结果进行分析总结相应的规律。

应力影响:

应力影响会发生形变,也会造成maskPPA的变化。这种变化一般来讲没有规律,只能调节。Maskframe在coolingplate的压力作用下蒸镀设备尽可能地降低该影响。

在重力作用的影响下,Maskstick 在与玻璃基板接触时也会因为应力而产生偏移。这部分应力主要有挤压应力和摩擦应力,不同stick在该应力的作用下会出现不同的偏移情况。

正因为蒸镀shift的存在,造成蒸镀套合PPA的控制是整个蒸镀过程中最为关键的一环。目前的解决方案是总结最终mask的PPA变化规律,在张网时进行相应的补偿。即便如此,蒸镀shift也不能完全消除。而且,玻璃基板尺寸越大,该shift值也越大。这也是目前AMOLED只能做到中小尺寸的原因。从国内量产的情况来看,部分厂商能把蒸镀shift最终控制到3um以内。只有做到这个水准,蒸镀的技术才能说被基本掌握。

4
MASK PPA
FMM张网制作精度用PPA来表示。从表2可以看出,随着屏幕分辨率的提高,mask张网精度要求不断提升。制作全高清屏幕,一般要求maskPPA低于5um。目前通过工艺改善,国内有部分厂商能达到这一水平。FMM stick来料精度、张网过程,焊接偏移,CF加载情况等均影响到mask精度。

总体来说,国内已量产企业对于AMOLED技术并未取得全面突破。都存在某些方面的技术短板。但每家公司面临的技术问题不一样。比如有的解决了贴合问题,而蒸镀套合PPA过大。而另外一些解决了套合问题,但贴合存在不良。因此,如果能综合各家经验,中国在攻克AMOLED技术的道路上会顺利很多。