OLED蒸镀技术

作者: 日期:2020-01-23 19:49:43

OLED拥有卓越的颜色和画质的原因是其自发光性。显示屏幕的自发射意味着光和颜色都由像素自身发射。这个概念与使用像LCD这种接收来自外部光源(背光源)的光并通过滤光片控制光颜色的类型形成对比。

在显示器中,像素形成的方式称为色彩图案化。 基于红,绿和蓝三原色(通常三个子像素组成一个像素)的子像素必须被没有误差的图案化,这样显示器的屏幕才可以完全准确的显示内容。那么如何制造一个自发光OLED像素?

行业中有各种各样的方法,大规模生产最常用的方法是蒸镀。目前实现高精度,大容量OLED微单元彩色图案化的唯一方法是通过蒸镀。

蒸镀是OLED的核心工艺之一,也是OLED制造工艺五大步骤的第二个阶段。

[LTPS]→[蒸镀]→[封装]→[单元]→[模块]

如果用LTPS(低温多晶硅)控制发光的各个像素,蒸镀过程则是制造能够产生光和颜色的自发光像素本身。

让我们来回顾一下。

OLED是由在玻璃基板上发射红色(R),绿色(G)和蓝色(B)的有机发光层,以及用于保护有机发光层的结构组成。 仔细观察有机发光层,可以看到HIL和ETL等辅助层结合在一起。这有助于提高发光效率,使发光效率比仅RGB发出的光更高。

形成有机层的最常用的方法是“蒸镀”。 蒸镀类似于蒸发。

如图1所示,是OLED蒸镀的概念图。较上面是玻璃基板,再由殷钢(Invar Steel,即铁镍合金)制成的FMM(Fine Metal Mask,即高精细掩模版)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,蒸做角为。TS距离一般在400~800 mm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,PPI时较小,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。

如图2所示,是FMM蒸镀示意图,FMM的实际照片如图3所示。生产FMM的方式主要有三种,即蚀刻、电铸和多重材料(金属+树脂材料)复合。SD在这里指的就是的和,它会影响PPI,因此越小越好,否则会发生R串色到B的问题。关于图2的详细说明,请参考以下两点:

(1)是蒸镀气体与垂直法线的较大夹角,是FMM二次刻蚀与法线的夹角,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孔较窄处宽,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和基板间基准面延伸长度,h是子像素下底间间距。

(2)一般希望,,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。

蒸镀必须先在真空中进行,也就是在称为真空室的设备中进行。制造好的大型LTPS背板,在真空室内进行彩色图案化。(在此基板上完成彩色图案制造之后,将根据智能手机的尺寸对单元进行切割和使用。)

一旦LTPS制造好并放置在蒸镀真空室中,然后就是在LTPS基板下面放置精密的金属掩模板(FMM)。掩模板是在薄钢板上有刻有小孔的器件,所以当有机材料蒸镀时,它只能沉积在特定的位置。如果不使用掩模板,则会将绿色和蓝色沉积在红色(R)像素上,这样将无法获得纯色。 因此,在蒸镀过程中不同的时间使用RGB相应位置和形状的不同掩模板。

当掩模板准备就绪时,将蒸发源(如有机材料等蒸发材料)放在其下,并将其加热到适当的温度。当加热开始时,分子单元中的有机小分子穿过掩模并积淀到预期位置。

OLED蒸镀工艺首先在LTPS(低温多晶硅)之上形成有机层。请记住LTPS是用来控制显示器上的像素的开关。在OLED中,发光像素由有机材料构成,这些有机材料通过电信号发光和相应颜色。控制电路信号由LTPS负责,因此LTPS应该与OLED层形成连接,形成方法在“蒸镀”过程完成。

电子从阴极被注入到EIL(电子注入层)中,并通过ETL(电子传输层)到达EML。

类似地,空穴从阳极被注入到相对侧的HIL(空穴注入层)中,并通过HTL(空穴传输层)到达EML。当EML中的电子和空穴相遇时,它们复合然后发出光。

同样的结构,不仅是红色,如果绿色和蓝色的有机发光层都能创造出来,它们被组合以形成单个像素。

基本的OLED蒸镀工艺,首先从去除LTPS(包含阳极)基板上的污垢和杂质的工作开始。在清洗和干燥衬底之后,使用plasma去除阳极残留物质,并且改善从阳极到HIL的空穴注入特性。

然后,全面蒸镀HIL(空穴注入层),然后在蒸镀HTL(空穴传输层)以形成辅助层。

接下来就是实际发光的EML层,需要使用掩模选择性地沉积在期望的位置。

随后,蒸镀ETL(沉积电子传输层)和EIL(电子注入层)以形成电子传输的辅助层,最后蒸镀阴极,从而完成有机发射层的整个沉积过程。

现有主流的AMOLED生产技术还是以蒸镀技术为主, 并依托于蒸镀机、蒸发源和掩模板(FMM or OPM)等设备完成器件的制作。以下将对现有蒸镀技术进行简要讨论。

蒸镀技术简介

无论是用于中小尺寸运用场景的RGB分色 AMOLED显示屏或者是用于大尺寸运用场景的WOLED显示屏, 其制作工艺还是真空蒸镀技术。所以在这些器件中, 如HIL、HTL、EML(R & G & B等颜色)、ETL、EIL、 Cathode和Charge Generation Layer等功能层还是采用真空蒸镀方式、连续地沉积在TFT基板之上。

由于工艺参杂的需要和为了避免交叉污染, 不同的功能层需要在不同的蒸镀机腔体内蒸镀, 同时在蒸镀完成后通过机械手将基板在不同的腔体之间进行转移。

在显示器面板生产中, 材料成膜方式可以大致的分为PVD物理气象沉积方法(Physical Vapor Deposition)和CVD化学气象沉积方法(Chemical Vapor Deposition)。而蒸镀技术是物理气象沉积方法的一种。

蒸镀的原理基本上可以简化为材料受热升华, 其后再在较冷的基板上再沉积的一个过程。当材料被加热分离时,每单位蒸馏面积单位时间(m2s)内蒸发的分子数J和为蒸汽压强、材料的分子质量M和温度T呈现一定的正比关系。 由此可见, 随着蒸汽压的增加, 沉积速度也在增加。同时温度T亦是决定蒸发速率大小的一个重要因素。

蒸镀是OLED的核心,全球蒸镀机(尤其蒸镀封装一体机)生产几乎被Canon Tokki独占。

蒸镀机呈现几大特点:1. OLED工艺标准化程度较低,定制化需求高;2.蒸镀机价格极其昂贵,达到8500万美元;3.蒸镀机产能严重不足,Tokki年产能在10台左右,供给远小于需求。三星基本包下其所有设备订单,对于其他面板生产商,能否得到Tokki蒸镀设备成了决定产能的重要因素。

目前,爱发科、Evatech、Sunic System、UNITEX公司、倍强科技也已实现部分蒸镀设备的生产,但质量和效率远不及Tokki,其可定制化的大型蒸镀封装一体机在全球目前没有竞争对手。

封装工艺种类多,设备向全自动集成方向发展。由于OLED内层结构对水、氧、灰尘极其敏感,封装技术直接决定了OLED面板的寿命,其工艺依赖于材料和设备两方面。

目前可生产OLED封装设备的公司较多:Tokki、ANS、DOV、周星工程、OTBv公司等。随着柔性面板的发展,封装结构也在不断调整,这一过程必将伴随诸多设备更新换代。根据工业生产线向全自动一体化发展的趋势,未来的封装设备会与蒸镀/打印设备集合为一体。