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AMOLED蒸镀设备中的镀膜技术应用解析

相对于 LCD 来说, OLED具有自发光、不需背光 源、对比度高、厚度薄、质量轻、视角广、反应速度快、可用于挠曲性面板、使用温度范围广、构造及制程较简单 等优异特性, 被认为是下一代平面显示器件的重点发展方向之一, 因此受到越来越多人的关注。


目前国内外 已有许多厂家投入到 OLED器件和设备的研发与生产当中。 OLED技术虽然可称之为最理想的显示技术, 但要想真正实现产业化, 仍然面临一系列需要解决的技术难题, 比如大面积基板的镀膜均匀性问题。有机 膜的不均匀性将导致发光亮度和色彩的不均匀性, 影响显示效果; 有机材料利 用率过低, 导致器件成本过高也是 OLED量产化的一大障碍。 目前国内外OLED镀膜工序普遍采用蒸发镀膜, 而且绝大部分是点源蒸 发, 如下图所示。

                                                                                    传统点源蒸发


该种工艺存在以下缺陷

  • 更换或添加材料时间长、操作麻烦。由于基片与蒸发源位于同一真空 室中, 因此必须打开真空室, 在大气状态下进行材料的添加和更换, 然后重新抽真空才可工作, 对生产效率影响极大。 

  • 为了获得更高的像素精度, 掩膜板比较薄, 而且由于掩膜板在基 片的下面, 这样使得掩膜板极易受本身自重的影响而产生中部下垂现象, 造成掩膜板与基片之间的间隙不均 匀, 进而造成蒸镀图形的不准确或者图形边界不清晰。

  • 在蒸发镀膜时呈圆锥形放射状向基片扩散并沉积, 容易造成基片各处的膜厚不均匀。 

  • 点状蒸发源的蒸发速率较低, 对有机材料的利用率不高, 这对于价格昂 贵的有机材料而言, 生产成本较高。 

为了改善上述缺陷, 有人采取增大点源与基片之间距离的方式来解决, 但是却使得真空室体积变大, 造价昂贵, 且有机材料的利用率更低; 也有人采取在同一真空室中设置多个点状蒸发源的解决办法, 但是总是 有一定限度的, 因为各个点状蒸发源之间仍然是不连续的。在对蒸镀图案以及膜厚的均匀性要求较高的场 合, 这 2 种方式仍然不能满足实际生产的要求。 针对传统蒸镀方案的缺陷, 有技术团队将 OVPD ( Organic Vapor Phase Deposition) 技术应用在 OLED研发中, 研 制了一台既可以在基片上制备出精确蒸镀图案、又可以获得较好的膜厚均匀性以及蒸发材料利用率高的蒸 镀实验装置。 


OLED 蒸镀实验装置研制

OLED 研发中采用的 OVPD 方法是采用气体携带 蒸发材料的方式进行有机蒸镀的[2~6], 原理如下图所示。

有机材料蒸发源设在蒸镀室外, 工作时对蒸发膜 料和气管进行加热, 采用气体携带的方式将已蒸发的 膜料带入蒸镀室, 然后再通过扫描装置沉积在基片表 面。气管和蒸发源采用不同的加热源进行加热。

膜层厚度可以直接通过气体流量、扫描速度和扫描时间来控 制, 不需安装石英晶体震荡器来测膜厚, 操作方便简 单。这种方式得到的膜层均匀性优于点源蒸发, 更换或 添加材料方便, 降低了生产成本。 国外已有厂家采用不同形式的线源进行尝试。该技术团队所研发的的镀膜设备装置上进行了一系列相关实验, 以进一步验证 OVPD技术在 OLED蒸镀装置中应用的可行性及可控性。实验 装置结构如下图所示。 

研制的 OVPD蒸镀实验装置具有如下特点: 

  • 气体进入有机材料蒸发源之前设有流量控制 装置, 可以控制携带气体流量的大小, 便于控制沉积速 率。

  • 基片与蒸发料分别位于独立的腔体中, 更换或 添加蒸发料时不必破坏蒸镀室真空, 提高了生产效率。

  • 掩膜板安放在基片的上面, 不会因掩膜板自重下垂 而与基片之间产生不均匀间隙, 提高了蒸镀图形的精 度。

  • 在蒸发源与混合腔体相连的管道上设有阀门, 便于独立控制每一个蒸发源, 防止蒸发料串扰。另外, 当需要重新添加某一种有机材料时, 只需要关闭相应 管道的阀门, 并单独打开放置该蒸发料的蒸发源即可, 无需停止另一种有机材料的蒸镀, 可以有效地提高生 产效率。 

  • 气流管道与蒸镀室之间设有混合腔体, 蒸 发以后的气态蒸发料 ( 主材料和掺杂材料) 在此先得到 充分的混合, 然后进入蒸镀室进行蒸镀, 避免了因不同气态蒸发料在蒸镀室中不均匀分布而造成基片各处膜层成分不均匀的现象。

  • 输气管道与蒸发源内腔相 通, 气源通过输气管道向蒸发源内腔的蒸发料表面输送热气。生产时, 先将蒸发料预热至接近材料升华状态, 通过加热的输气管道向蒸发料表面输送热气, 热气的温度略高于材料的蒸发温度, 使有机材料继续升温, 保 证有机材料总是自其表面由上而下依次升华, 不会出现有机材料受热不均匀、蒸镀浓度不稳定的现象, 有利 于提高蒸镀质量和蒸发料的利用率。

  • 扫描装置中也设有加热系统, 保证进入扫描系统的气态蒸发料能够 保温, 维持在蒸发或升华状态, 避免气态的蒸发料在扫描系统中过早地沉积或凝结。

  • 每个加热点都有精确 的温度控制, 随时监控各点的温度变化。 ( 9) 扫描系统可以来回平行移动且速度可控, 蒸发料在扫描系统中呈 线状形式喷出, 即所说的线性源, 可以使基片蒸镀膜厚更均匀。


工艺实验

利用研制的实验装置, 参考 OLED器件生产中的部分工艺参数进行了一系列工艺实验, 验证 OVPD在 OLED蒸镀实验装置中应用的可行性。蒸镀材料为 Alq3 ( 蒸发源 1) 和 NPB ( 蒸发源 2) ; 气源为高纯氮气;ITO 基片玻璃尺寸为 370.0 mm× 470.0 mm× 1.1 mm。工艺参数及实验结果见下表。

实验在 2 种蒸镀材料的工作温度范围内, 验证了 OVPD技术在 OLED蒸镀实验装置中的可行性, 同时在 保证其他条件相同的情况下, 验证了膜层的厚度可以用扫描时间来控制。其他因素对膜厚及沉积速率的影响 需要通过进一步详细的实验来验证。

实验的过程中, 还发现蒸发过程中膜厚的均匀性与以下几点有关: 

  • 携带气源的稳定性。 

  • 扫描头的水平度, 即与基片之间距离的均匀性, 不能有倾斜。

  • 基片移动速 率的稳定性。

  • 扫描头移动速率的平稳性。

  • 扫描系统线性喷淋头的优化设计。 利用研制的实验装置和开发的相关工艺, 参考OLED器件生产中的相关工艺参数, 进一步研制了结构最 简单的 OLED器件, 器件结构为 ITO/NPB/Alq3/Al 。 Al 膜采用电阻式热蒸发工艺, 并通过驱动装置使该器件成 功点亮发光。


结 论

将 OVPD技术应用在 OLED研发中, 研制了一台既可以在基片上制备出精确蒸镀图案、又可以获得较好 的膜厚均匀性以及蒸发材料利用率高的 OLED蒸镀实验装置。利用开发的相关工艺初步尝试制作了器件, 验 证了 OVPD在 OLED蒸镀实验装置中应用的可行性。


by《OLED industry》

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