OLED-工艺

PAGE\*MERGEFORMAT#/12OLED照明工艺之真空蒸镀1.OLED技术简介2.OLED一般工艺流程3.OLED真空蒸镀4.OLED发展及前景1.OLED技术简介有机电致发光(OrganicElectroluminescentLight)简称为OEL。它有两个技术分支，一个是分子量在500〜2000之间的小分子有机发光二极管(OrganicLightEmittingDiode)简称为OLED或SM-OLED；另一个是分子量在10000〜100000之间的高分子(又称聚合物)有机发光二极管(PolymerLight-EmittingDiode)简称为PLED或P-OLED。OLED的研究产生起源于一个偶然的发现。1979年的一天晚上，在Kodak公司从事科研工作的华裔科学家邓青云博士在回家的路上忽然想起有东西忘记在实验室里，回去以后，他发现黑暗中有个亮的东西。打开灯发现原来是一块做实验的有机蓄电池在发光。这是怎么回事？OLED研究就此开始，邓博士由此也被称为OLED之父。OLED显示器件是基于有机材料的一种电流型半导体发光器件。其典型结构是在ITO玻璃上制作一层几十纳米厚的有机发光材料作发光层，发光层上方有一层低功函数的金属电极。当电极上加有电压时，发光层就产生光辐射。OLED的发光机理和过程是从阴、阳两极分别注入电子和空穴，被注入的电子和空穴在有机层内传输，并在发光层内复合，从而激发发光层分子产生单态激子，单态激子辐射衰减而发光。作为新技术OLED有很多优点：1、厚度可以小于1毫米，仅为LCD屏幕的1/3,并且重量也更轻；2、固态机构，没有液体物质，因此抗震性能更好，不怕摔；3、几乎没有可视角度的问题，即使在很大的视角下观看，画面仍然不失真；4、响应时间是LCD的千分之一，显示运动画面绝对不会有拖影的现象；5、低温特性好，在零下40度时仍能正常显示，而LCD则无法做到；6、发光效率更高，能耗比LCD要低；7、能够在不同材质的基板上制造，可以做成能弯曲的柔软显示器。OLEDStructure2.OLED一般工艺流程■MetalCathode；金属阴极■ETL：电子传输层■OrganicEmitters1有机发光层■HIL；空穴注入层■LightOutput!光线输出■GlassSubstrate：玻璃基板■ITOAnode：ITO阳极OLED器件的制备工艺包括：ITO玻璃清洗一光刻一再清洗一前处理一真空蒸镀有机层一真空蒸镀背电极一真空蒸镀保护层一封装一切割一测试一模块组装一产品检验及老化实验等十几道工序，其几个关键工序的工艺如下：（1）ITO玻璃的洗净及面处理ITO作为阳极其表面状态直接影响空穴的注入和与有机薄膜层间的界面电子状态及有机材料的成膜性。如果ITO表面不清洁，其表面自由能变小，从而导致蒸镀在上面的空穴传输材料发生凝聚、成膜不均匀。也有可能导致击穿，使面板短路。ITO表面的处理过程为：洗洁精清洗一乙醇清洗一丙酮清洗一纯水清洗，均用超声波清洗机进行清洗，每次洗涤采用清洗5分钟，停止5分钟，分别重复3次的方法。然后再用红外烘箱烘干待用。对洗净后的ITO玻璃还需进行表面活化处理，以增加ITO表面层的含氧量，提高ITO表面的功函数。也可以用比例为水:双氧水:氨水=5:1:1混合的过氧化氢溶液处理ITO表面，使ITO表面过剩的锡含量减少而氧的比例增加，以提高ITO表面的功函数来增加空穴注入的几率，可使OLED器件亮度提高一个数量级。ITO玻璃在使用前还应经过“紫外线一臭氧”或“等离子”表面处理，主要目的是去除ITO表面残留的有机物、促使ITO表面氧化、增加ITO表面的功函数、提高ITO表面的平整度。未经处理的ITO表面功函数约为4.6eV,经过紫外线一臭氧或等离子表面处理后的ITO表面的功函数为5.0eV以上，发光效率及工作寿命都会得到提高。对ITO玻璃表面进行处理一定要在干燥的真空环境中进行，处理过的ITO玻璃不能在空气中放置太久，否则ITO表面就会失去活性。(2)ITO的光刻处理工艺光刻工序是从基板投片开始，经过清洗、涂胶、烘干、曝光、显影、蚀刻、脱膜等工艺手段，在基板上形成Cr等金属辅助电极图案、ITO图案、绝缘层(Insulator)图案、阴极隔离柱(Seperator)图案四部分图案成形组成，具体如下：以上工序中的涂胶、软烘、对准曝光、显影、硬烘一般需要在100级，温度23±3℃，湿度50±10%RH的黄光区中进行；预/主清洗、Cr/ITO蚀刻在净房洁净度1000级，温度23±3℃，湿度50±10%RH的白光区进行。上述是OLED显示基板。用于OLED照明的基板工序可以简化些，主要是对ITO层进行处理形成电极图案。(3)有机薄膜的真空蒸镀工艺OLED器件需要在高真空腔室中蒸镀多层有机薄膜，薄膜的质量关系到器件质量和寿命。在高真空腔室中设有多个放置有机材料的坩埚，加热坩埚蒸镀有机材料，并利用石英晶体振荡器来控制膜厚。ITO玻璃基板放置在可加热的旋转样品托架上，其下面放置的金属Mask控制蒸镀图案。在我们的真空蒸镀设备上进行蒸镀实验，实验结果表明，有机材料的蒸发温度一般在170℃~400℃之间、ITO样品基底温度在40℃~60℃、蒸发速度在1晶振点〜5晶振点/秒（即约1A〜5A）、蒸发腔的真空度在5X10-4Pa〜3X10-4Pa时蒸镀的效果较佳。但是，有机材料的蒸镀目前还存在材料有效使用率低（〈10%）、掺杂物的浓度难以精确控制、蒸镀速率不稳定、真空腔容易污染等等不足之处，从而导致样片基板的镀膜均匀度达不到器件。（4）金属电极的真空蒸镀工艺金属电极仍要在真空腔中进行蒸镀。金属电极通常使用低功函数的活泼金属，因此在有机材料薄膜蒸镀完成后进行蒸镀。常用的金属电极有Mg/Ag、Mg：Ag/Ag、Li/Al、LiF/Al等。用于金属电极蒸镀的舟通常采用钼、钽和钨等材料制作，以便用于不同的金属电极蒸镀（主要是防止舟金属与蒸镀金属起化学反应）。金属电极材料的蒸发一般用加热电流来表示，在我们的真空蒸镀设备上进行蒸镀实验，实验结果表明，金属电极材料的蒸发加热电流一般在20A〜50A之间、ITO样品基底温度在60℃左右、蒸发速度在5〜10晶振点/秒（即约5A〜10A）、蒸发腔的真空度在7X10-4Pa〜5X10-4Pa时蒸镀的效果较佳。（5）器件封装工艺OLED器件的有机薄膜及金属薄膜遇水和空气后会立即氧化，使器件性能迅速下降，因此在封装前决不能与空气和水接触。因此，OLED的封装工艺一定要在无水无氧的、通有惰性气体（如氩气、氮气）的手套箱中进行。封装材料包括粘合剂和覆盖材料。粘合剂使用紫外固化环氧固化剂，覆盖材料则采用玻四、老化测试工序一一OLED“三明治”的检查和修复老化测试工序是从封装完成后开始，经过老化（Aging）、点灯检查、漏电流检查等过程，对这个OLED“三明治”的检查，其主要工艺流程如下：老化有对整片基板，也有对切割裂片后的Cell进行Aging的方式。对于整片的基板老化的关键是基板加工时在每个产品单元旁增加了一个测试点，在光刻工序中预留相应的电源和信号线路，在检测工序可以实现直接对整个母板进行通电，通过测试点对母板上的每个OLED单元进行性能检测和老化试验。五、模组工序——OLED“三明治”的深加工模组工序是对Aging工序成后的Cell，进行TCP、FPC等外接元件的Bonding过程（FOG），以满足不同客户的终端产品的使用，其主要工艺流程如下：关键部分主要是贴ACF（AnisotropicConductivefilm各向异性导电薄膜），TCP与基板定位、预压，本压（主压）等，绑定过程中需要提升温度，使膜和基板充分连接，然后检查，重点是TCP与基板引脚的重叠度和ACF导电粒子的状态，最后涂硅胶等封闭起来进行保护。（（6）老化测试工序——OLED“三明治”的检查和修复老化测试工序是从封装完成后开始，经过老化（Aging）、点灯检查、漏电流检查等过程，对这个OLED“三明治”的检查，其主要工艺流程如下：老化有对整片基板，也有对切割裂片后的Cell进行Aging的方式。对于整片的基板老化的关键是基板加工时在每个产品单元旁增加了一个测试点，在光刻工序中预留相应的电源和信号线路，在检测工序可以实现直接对整个母板进行通电，通过测试点对母板上的每个OLED单元进行性能检测和老化试验。五、模组工序——OLED“三明治”的深加工模组工序是对Aging工序成后的Cell，进行TCP、FPC等外接元件的Bonding过程（FOG），以满足不同客户的终端产品的使用，其主要工艺流程如下：关键部分主要是贴ACF（AnisotropicConductivefilm各向异性导电薄膜），TCP与基板定位、预压，本压（主压）等，绑定过程中需要提升温度，使膜和基板充分连接，然后检查，重点是TCP与基板引脚的重叠度和ACF导电粒子的状态，最后涂硅胶等封闭起来进行保护。3.OLED蒸镀工艺1、基板烘烤：主要关注的是烘烤的温度和时间。2、基板冷却：主要关注的是冷却的时间，冷却到室温。3、前处理：plasma处理，要关注plasma的功率、时间、气压和气体流量。4、有机层蒸镀（HIL、HTL、EML、ETL）：要控制的是膜层的厚度（不同膜层的厚度一般不同，从100〜1000多埃都有），同时要控制好蒸镀的速率、温度，蒸镀的速率要合适，一般要在1〜2埃/秒（dopant的速率一般会比这小很多），温度不能过高（不同有机材料的蒸镀温度不一样，从100〜400℃都有）。5、无机层蒸镀（EIL）：要控制的是膜层的厚度（厚度较薄，一般10埃左右），同时要控制好镀膜的速率，一般要在0.1埃/秒左右，镀膜温度要700℃左右，较为稳定。6、阴极蒸镀：要控制的是膜层的厚度（看不同的结构，从1000〜3000埃都有可能），同时要控制好镀膜的速率，一般要在10埃/秒左右，还要调整好蒸镀的功率，自动加材料的时间也要调整好。阴极材料在显示行业用铝为主，在照明方面用银为主。7、蒸镀室的真空度要控制好，一般要达到5.0X10-5Pa以下，搬送室的真空度也要达到5.0X10-4Pa以下。8、蒸镀对于物料的纯度要求很高，02、Ar的纯度为4N,高纯N2要达6N,LiF要达4N,Al要达5N,Ag要达到5N,各种有机材料的纯度要达99%以上。（OLED真空蒸镀一、基本知识真空蒸镀：真空中通过电流加热，电子束轰击加热和激光加热等方法，使被蒸材料蒸发成原子或分子，它们随即以较大的自由程作直线运动，碰撞基片表面而凝结，形成薄膜。所以要求镀膜室里残余分子的自由程大于蒸发源到基片的距离，保证镀膜的纯净和牢固。真空测量工具：测量真空的装置称为真空规，常用的热偶真空规和电离真空规。热偶真空规可以测量0.1〜10Pa的压强，利用低压下气体的热传导与压强成正比的原理；电离真空规利用电子与气体分子碰撞产生电离电流随压强变化的原理制成，可测量范围是10—1〜10—6Pa。注意，电离真空规必须在0.1Pa以下使用，否则会损坏装置。真空膜层检测系统：石英芯片微量天平系统（QCM）,其工作原理为蒸镀过程中随着材料的蒸发，石英芯片质量增加，从而改变石英芯片的固有振荡周期，将石英振荡器组装到振荡回路中使薄膜质量的变化作为频率的变化读出。二、蒸镀设备简介功能：实现有机膜层的蒸镀和无机膜层的蒸镀。工作原理：利用电阻产生热能，将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在基片表面析出的过程。OLED蒸镀分为有机材料蒸镀和无机蒸镀，有机材料蒸镀：在高真空腔室中设有多个放置有机材料的蒸发源，加热蒸发源蒸镀有机材料，并利用石英晶体振荡器来控制膜厚。ITO玻璃基板放置在样品托架上，其下面放置的金属掩膜板控制蒸镀图案；无机蒸镀：在有机材料薄膜蒸镀完成后进行蒸镀，用于金属电极蒸镀的源通常采用钼、钽和钨等材料制作，以便用于不同的金属电极蒸镀（主要是防止舟金属与蒸镀金属发生化学反应）。从如下两方面—-蒸镀系统和其系统功能的描述对蒸镀设备系统进行简要概括。（一）蒸镀系统蒸镀系统结构包括：操作接口、InfeedLoad/Lock传输腔体、Plasma真空腔体、有机蒸镀真空腔体、金属蒸镀真空腔体、材料蒸镀控制柜、手套箱、气体循环系统。1、操作接口控制软件的各操作接口与设备各组成部分一一对应，以控制设备的相应气阀及机动操作。2、InfeedLoad/Lock传输腔体InfeedLoad/Lock传输腔体包括两个锁紧阀门、可移动的传送板、具有加热器的温度监测表、真空表、机械泵抽气阀门和N2充入阀门等。3、Plasma真空腔体Plasma真空腔体包括调节挡板（shutter）、机械泵阀门（valve）、分子泵、观察窗、Plasma电源、Ar、O2、CFX进气管道、真空度监测系统、电极板、托盘（两电极板之间）和N2充入阀门等。4、有机蒸镀腔体有机蒸镀腔体包括传送装置、蒸镀腔体、托盘、传送箱与真空腔体之间的阀门（valve）、转盘机械手臂、大挡板（mainshutter）、小挡板（sourceshutter）、有机材料坩锅、加热源、晶振片、厚度检测系统、机械泵、冷泵(低温泵)、维修口、观察窗、PLC电机、地充入阀门、粗真空表、高真空表等。5、金属蒸镀炉金属蒸镀炉包括传送装置、蒸镀腔体、托盘、传送箱与真空炉之间的阀门(valve)、转盘机械手臂、大挡板(mainshutter)、小挡板(sourceshutter)、LiF坩锅、Al坩锅、加热源、自动进料系统、晶振片、厚度检测系统、冷泵(低温泵)、维修口、观察窗、PLC电机、足充入阀门、粗真空表、高真空表等。6、材料蒸镀控制柜材料蒸镀控制柜包括温度控制表、厚度测量表、蒸镀金属材料的功率控制表和操作控制界面。7、手套箱包括N2手动/自动充入阀门、手动/自动出气阀门、手套、离子消除仪、湿度监测表、02含量监测器、循环系统接口。8、气体循环机包括除氧/除水份系统、循环风机、再生系统、气体压力控制器和粒子过滤器。(二)系统功能描述主要功能为：软件控制、传送腔体、02等离子处理、有机蒸镀、金属蒸镀、材料蒸镀控制、手套箱、气体循环系统。各主要功能如下说明。1、软件控制软件控制与设备相结合完成整个镀膜工作。主要是用来控制各气阀、阀门的开关、控制玻璃基片的传入与传出、蒸镀工艺。2、传送腔体物品进出手套箱时，起转换气体作用，避免大气直接进入手套箱，污染箱内高N2含量环境。加热烘干基片玻璃。3、02等离子处理去除玻璃表面有机物杂质及尘粒，改变表面粗糙度和提高功函数。4、有机蒸镀把各种组合的有机材料按一定的顺序、结构均匀的蒸镀到已光刻好的ITO玻璃（基片）上。5、金属蒸镀为制作金属阴极，蒸镀金属阴极材料（LIF、Al等）到基片上。6、材料蒸镀控制通过温度控制表控制有机材料的蒸发速度，厚度测量仪精确测量及控制有机材料的厚度；功率控制表控制金属材料的蒸发速度，厚度测量仪读取蒸发速度与厚度等数据，以完成蒸镀工作。7、手套箱提供基本符合要求的手动操作平台与环境。8、气体循环系统循环干燥手套箱气体并除去02,以达到维持手套高N2含量，低的氧及水份含量的操作环，循环系统保持在除氧及除水状态，以达到维持手套高N2含量的操作环境1987年，Kodak公司最早发表其研究成果，此后，全世界许多企业和研究机构开始致力于小分子OLED器件和相关课题的研究，有关的专著文献和专利的数量每年成百上千地递增。在美国（除Kodak公司外）和欧洲，绝大多数有机EL的研究工作是从90年代早期开始的。今天，高效率（＞15lm/w）和高稳定性（发光强度为150nits时，工作寿命》10000小时）的有机EL器件已经研制出来。对高分子有机EL的研究工作比对小分子有机EL的研究，起步要晚得多。直到1990年，才由Burroughs及其合作者研究成功第一个高分子有机EL器件。此后，为了发展聚合物EL技术，在美国和欧洲进行了大量的研究工作。人们一般都队为，聚合物材料比有机小分子材料要稳定，这也就成了发展聚合物EL的原动力。目前，OLED的产品已从试验室走向了市场。从1997〜1999年，OLED显示器的惟一市场是在车载显示器上，2000年以后，产品的应用范围逐渐扩大到手机显示屏。OLED在手机上的应用又极大地推动其技术的进一步发展和应用范围的迅速扩大。今年2月份举行的：LG,三星，索尼等平板显示业巨头纷纷推出大屏幕OLED显示器，苹果，诺基亚，摩托罗拉等手机制造商也展出OLED大屏智能手机。可以预见未来五到十年内OLED必将取代LCD,占领平板显示行业内最大的江山。12/12