高精准度蔽荫掩模沉积系统及其方法与流程

本案主张2016年5月24日申请的序列号为62/340,793号美国临时专利申请案(代理档案号：6494-208pr1)的优先权，所述申请案以引用的方式并入本文中。

本发明大体上涉及薄膜沉积，且更特定来说，本发明涉及基于蒸镀的薄膜沉积。

背景技术：

基于蔽荫掩模的沉积是将材料沉积到衬底的表面上使得沉积材料在沉积过程本身期间根据期望来图案化的过程。这通常称为“直接图案化”材料的图案化层。

在典型蔽荫掩模沉积过程中，在与衬底相距某一距离的源处使所要材料汽化。随着材料的汽化原子朝向衬底行进，其必须通过定位于衬底表面的正前方的蔽荫掩模。蔽荫掩模含有开口(即，孔隙)，其布置匹配衬底上的材料的所要图案的布置(以类似于丝网或艺术模板的方式)。因此，汽化原子仅通过孔隙而沉积于衬底表面上。

多年来，基于蔽荫掩模的沉积已在集成电路(ic)工业中用于将材料图案沉积于衬底上，此部分归因于其避免需要在沉积材料层之后图案化所述材料层的事实。因此，其使用无需将沉积材料暴露于有害化学物质(例如酸性蚀刻剂、苛性光刻显影化学物质及其类似者)来将其图案化。另外，其使用还减少衬底必须经受的处置及额外处理量，借此可减少衬底损坏且提高制造良率。对于例如有机材料的许多材料，通过蔽荫掩模的图案化实际上是必不可少的，这是因为材料不能经受光刻化学物质。

不幸地，可通过蔽荫掩模沉积来获得的特征分辨率会因沉积材料趋向于在通过蔽荫掩模之后横向散布(称为“羽化(feathering)”)的事实而减小。因此，关键特征必须通过其之间的相对较大敞开空间区域来分离。在许多应用中，这已限制可获得的整体装置分辨率的密度。

例如，主动矩阵有机发光二极管(amoled)显示器需要基于蔽荫掩模来沉积其发光材料，这是因为这些材料不能经受光刻或蚀刻。对于全色amoled显示器，每一显示像素包含各自发射不同色彩的若干区域，称为发光材料的“子像素”。然而，归因于羽化问题，必须在这些子像素区域之间包含相对较大安全边限间隙以确保沉积材料中无重叠。在一些情况中，这些间隙必须几乎与子像素本身一样大，此引入非所要光学假影，尤其当在近眼应用(例如头戴式显示器)中观看时。因此，现有技术的amoled显示器通常已受限于每英寸约600个像素(ppi)或更小，此对包含近眼扩增实境及虚拟现实应用的许多应用来说是不足的。另外，子像素之间需要大间隙导致像素填充因子减小，此减小显示亮度。因此，必须增大通过有机层的电流密度来提供所要亮度，此会缩短显示器寿命。

替代方法是使用具有与显示器本身的主动区域一样大的孔隙的蔽荫掩模来跨整个显示器沉积发射单色白光有机层且接着将红色、绿色及蓝色滤波器图案化或沉积于oled的顶部上。这些彩色滤波器吸收除光谱的红色、绿色或蓝色部分(取决于彩色滤波器)的外的全部发射白光，以允许产生全色图像。然而，这些彩色滤波器吸收高达80％的发射光，此显著减小显示亮度，从而再次需要以高于所要驱动电流操作。

在现有技术中，仍未满足对适于将高分辨率材料图案直接图案化于衬底上的过程的需要。

技术实现要素：

本发明实现衬底上的图案化材料层的高分辨率直接沉积。本发明的实施例将汽化原子的传播角滤波为围绕垂直于衬底的表面的方向的窄范围。因此，减轻蔽荫掩模的特征的横向尺寸外的沉积材料的羽化。本发明的实施例特别适合用于沉积例如有机发光材料的敏感材料。实施例还非常适于沉积封装应用、集成电路处理应用及其类似者中的其它薄膜及厚膜层。

本发明的说明性实施例是一种直接图案化沉积系统，其中材料在源处被汽化，使得其在通过蔽荫掩模的孔隙图案之后沉积于衬底的表面上。所述汽化原子在其到达所述蔽荫掩模之前通过准直器，所述准直器阻挡除具有接近于垂直于所述衬底表面的方向的传播角的汽化原子的外的全部汽化原子。因此，与现有技术相比，孔隙与其相应沉积材料区域之间的横向偏差被减小。

所述准直器包含具有高高宽纵横比的多个通道，其中所述通道的纵轴大体上与垂直方向对准。因此，不沿接近于垂直的方向行进的汽化原子由所述通道的内侧壁阻挡。

在一些实施例中，所述源经设定尺寸及布置以提供汽化原子的锥形蒸汽羽(vaporplume)，使得所述整个衬底表面同时接收汽化材料。在这些实施例中的若干者中，沿路径移动所述源，使得所述衬底表面的二维区域上的沉积材料的厚度的均匀性得以改进。

在一些实施例中，所述源是发射扇形蒸汽羽的线性源，其中所述线性源沿未与其纵轴对准的方向移动。在这些实施例中的若干者中，沿大体上正交于所述源的所述纵轴及所述垂直方向两者的方向移动所述源。在这些实施例中的若干者中，沿非线性路径移动所述源。

在一些实施例中，所述源包含多个个别喷嘴，其中的每一者发射锥形蒸汽羽，使得所述喷嘴共同提供所述衬底表面的区域上的大体上均匀汽化原子流。

在一些实施例中，所述源是二维平面源，其经布置成平行于且面向所述衬底，使得有机材料在被加热时跨所述源的平坦表面均匀地汽化。在一些实施例中，提供所述源与所述蔽荫掩模之间的相对运动以改进所述衬底表面的二维区域上的沉积材料的厚度均匀性。

本发明的实施例是一种用于将第一材料沉积于衬底的沉积区域中的多个沉积位点上的系统，所述多个沉积位点布置成第一布置，其中所述系统包括：源，其用于提供所述第一材料的第一多个汽化原子，所述第一多个汽化原子中的每一者沿传播方向传播，所述传播方向以相对于垂直于由所述衬底界定的第一平面的第一方向的传播角为特征，其中所述第一多个汽化原子的传播角范围跨越第一角范围；蔽荫掩模，其包括布置成所述第一布置的多个孔隙；及准直器，其包括多个通道，所述准直器介于所述源与所述蔽荫掩模之间，其中所述多个通道中的每一者经设定尺寸及布置以仅使具有小于所述第一角范围的第二角范围内的传播角的汽化原子通过。

本发明的另一实施例是一种用于将第一材料沉积于衬底的沉积区域中的多个沉积位点上的系统，所述多个沉积位点布置成第一布置，其中所述系统包括：源，其可操作以提供多个汽化原子，所述多个汽化原子中的每一者沿界定传播角的传播方向行进，其中所述多个传播角跨越第一角范围；蔽荫掩模，其包括布置成所述第一布置的多个孔隙，其中所述蔽荫掩模及所述多个沉积位点共同界定小于所述第一角范围的可接受角范围；及准直器，其定位于所述源与所述蔽荫掩模之间，所述准直器包括多个通道，所述多个通道中的每一者具有界定小于或等于所述可接受角范围的滤波角范围的高宽纵横比。

本发明的又一实施例是一种用于将第一材料沉积于在衬底上布置成第一布置的多个沉积位点上的方法，其中所述方法包括：在准直器处接收第一多个汽化原子，所述准直器定位于源与具有布置成所述第一布置的多个孔隙的蔽荫掩模之间，其中所述第一多个汽化原子以第一传播角范围为特征；使第二多个汽化原子选择性地通过所述准直器而到所述蔽荫掩模，其中所述第二多个汽化原子以窄于所述第一传播角范围的第二传播角范围为特征；及使所述第二多个汽化原子中的至少若干者能够通过所述多个孔隙而沉积于所述衬底上。

附图说明

图1描绘根据现有技术的直接图案化沉积系统的主要特征的横截面的示意图。

图2描绘根据本发明的说明性实施例的高精准度直接图案化沉积系统的主要特征的横截面的示意图。

图3描绘根据说明性实施例的用于将直接图案化材料层沉积于衬底上的方法的操作。

图4描绘衬底102的像素区域及蔽荫掩模106的其对应孔隙120的放大图的示意图。

图5a描绘根据说明性实施例的准直器的横截面图的示意图。

图5b到c分别描绘准直器208的区域的俯视图及截面图的示意图。

具体实施方式

图1描绘根据现有技术的直接图案化沉积系统的主要特征的横截面的示意图。系统100是常规蒸镀系统，其通过蒸镀材料通过定位于衬底前方的蔽荫掩模来将所要材料图案沉积于衬底上。系统100包含布置于低压真空室(未展示)内的源104及蔽荫掩模106。

衬底102是适于形成主动矩阵有机发光二极管(amoled)显示器的玻璃衬底。衬底102包含界定平面108及垂直轴110的表面114。垂直轴110正交于平面108。表面114包含用于接收发射绿光的材料的多个沉积位点g、用于接收发射蓝光的材料的多个沉积位点b及用于接收发射红光的材料的多个沉积位点r。沉积位点布置于多个像素区域112中，使得每一像素区域包含用于每一色彩的发光材料的沉积位点。

源104是用于使材料116汽化的坩埚，其相对于衬底102居中，且材料116是发射红光的有机发光材料。当材料116在真空室的低压气氛内熔化或升华时，源104射出汽化原子122，汽化原子122以大体上朝向衬底102的弹道方式从源向外传播。由源104射出的汽化原子共同界定蒸汽羽124。

蔽荫掩模106是包含孔隙120的结构材料板。蔽荫掩模大体上是平坦的且界定平面118。蔽荫掩模定位于源104与衬底102之间，使得其阻挡除通过其孔隙的汽化原子的外的全部汽化原子通过。蔽荫掩模与衬底间隔间距s(通常为数十或数百微米)，平面108及118大体上平行，且孔隙120与沉积位点r对准。

理想地，当沉积发红光材料116时，汽化原子仅入射于沉积位点r上。不幸地，蒸汽羽124包含沿许多不同传播方向126行进的汽化原子，许多传播方向不与垂直轴110的方向对准。因此，通过孔隙120的大部分汽化原子沿具有可观横向分量的传播方向行进。每一汽化原子在表面114上的入射点在几何学上取决于其传播角及衬底与蔽荫掩模之间的空间关系，具体来说，间距s及孔隙120与沉积位点r的对准。为了本说明书(其包含所附权利要求书)，将术语“传播角”界定为由汽化原子相对于垂直于衬底102的平面108的方向(即，垂直方向128，其与垂直轴110对准)的传播方向形成的角度。例如，汽化原子122沿传播方向126行进，传播方向126相对于垂直方向128形成传播角θp。

蒸汽羽124的汽化原子的传播角跨越-θm到+θm的相对较大角范围，这导致现有技术直接沉积系统的显著缺点。特定来说，其导致材料118沉积于孔隙120的周边外的表面114上，此通常称为“羽化”。此外，孔隙处的羽化量会随所述孔隙与衬底102的中心的距离而增加。

对于定位于蒸汽羽124的中心附近的孔隙，到达蔽荫掩模106的汽化原子122具有相对较小角范围内的传播角。换句话说，其沿仅略微偏离垂直轴110的方向行进。因此，通过这些孔隙的汽化原子在通过蔽荫掩模之后仅展现最小横向漂移(即，羽化)。因此，在此区域中，沉积材料116的横向范围通常几乎与孔隙120的边缘对准(即，其主要沉积于目标沉积位点r上)。

然而，对于更远离蒸汽羽124的中心的孔隙，到达蔽荫掩模106的汽化原子跨越相对较大角范围且包含较接近于|θm|的传播角。因此，在这些区域中，汽化原子在通过蔽荫掩模之后行进的横向距离较大，从而导致完全超出孔隙的横向范围的沉积材料羽化。这导致孔隙开口的边缘与其中沉积材料116的区域的周边之间的横向偏移δf。因此，沉积材料扩展超出目标沉积位点的区域。在一些情况中，此羽化可导致材料沉积于希望用于不同发光材料的相邻沉积位点(即，沉积位点b及/或g)上，借此导致色彩混合。

应注意，蔽荫掩模与衬底之间的任何额外不对准会加剧羽化，例如偏离平面108及118的平行度(即，掩模与衬底之间的相对侧倾及/或纵倾)、蔽荫掩模及/或衬底的不平坦度及蔽荫掩模与衬底之间的平移及/或旋转不对准。此外，在许多现有技术沉积系统(例如用于沉积一种以上材料的系统等等)中，源102相对于衬底偏心定位，这导致甚至更大羽化问题。

然而，本发明的方面是：阻挡具有大于所要传播角的传播角的汽化原子到达蔽荫掩模106可显著减少羽化，借此使沉积材料的图案能够具有相对于蔽荫掩模的孔隙图案的较高分辨率及保真度。

图2描绘根据本发明的说明性实施例的高精准度直接图案化沉积系统的主要特征的横截面的示意图。系统200包含真空室202、衬底卡盘204、源104、蔽荫掩模106、掩模卡盘206、准直器208及定位系统210。系统200可操作以将所要材料图案蒸镀到衬底表面上且无需例如光刻及蚀刻的后续消减图案化操作。

本文是关于将发光材料图案沉积于玻璃衬底上(其作为制造amoled显示器的部分)来描述系统200。然而，所属领域的技术人员应在阅读本说明书之后清楚，本发明可针对在任何各种衬底(例如半导体衬底(例如硅、碳化硅、锗等等)、陶瓷衬底、金属衬底、塑料衬底及其类似者)上形成实际上任何薄膜及厚膜材料(有机或无机)的直接图案化层。此外，尽管说明性实施例是热蒸镀系统，但所属领域的技术人员应在阅读本说明书之后认识到，本发明可针对实际上任何材料沉积过程，例如电子束蒸镀、溅镀及其类似者。此外，尽管所描绘的实例是适合用于单衬底平面处理的沉积系统，但本发明还适合用于其它制造方法，例如丛集工具处理、追踪处理、滚动条式处理、卷带式处理等等。因此，本发明适合用于各种应用，其包含(但不限于)封装应用、ic制造、mems制造、纳米技术装置制造、球栅阵列(bga)制造及其类似者。

真空室202是常规压力容器，其可操作以提供支持材料116的蒸镀的低压气氛。应注意，真空室202可为独立单元、丛集沉积系统的部分或其中将多个蒸镀室布置成线性链的追踪沉积系统的部分。在一些实施例中，真空室202包含能够形成不同材料的不同图案(例如(例如)发射不同色彩(例如红色、绿色及蓝色)光的多个发光子像素)的若干蒸镀源/蔽荫掩模组合。

图3描绘根据说明性实施例的用于将直接图案化材料层沉积于衬底上的方法的操作。本文继续参考图2且参考图4及5a到c来描述方法300。方法300开始于操作301，其中将准直器208安装于准直器卡盘210中。

准直器208是包括由薄壁分离的多个通道的机械坚固板，如下文将相对于图5a到c来更详细描述。准直器208经设定尺寸及布置以用作空间滤波器，其选择性地使沿几乎垂直于平面108的方向传播的汽化原子(即，具有非常小传播角的汽化原子)通过。因此，准直器202减轻跨整个衬底102的羽化。

准直器卡盘210是用于相对于蔽荫掩模106固持及定位准直器的环形夹紧机构。

在操作302中，将蔽荫掩模106安装于掩模卡盘206中。

掩模卡盘206是将蔽荫掩模106定位于源106与衬底116之间的机械夹。在一些实施例中，掩模卡盘206是类似于衬底卡盘204的静电卡盘。通常，仅围绕蔽荫掩模106的周边支撑蔽荫掩模106。因此，现有技术中的蔽荫掩模趋向于在重力作用下下垂。此下垂局部增大掩模与衬底之间的中心间隙且因此加剧此区域中的羽化。在一些实施例中，掩模卡盘206包含使蔽荫掩模向上偏置以抵消归因于重力的蔽荫掩模下垂的微小曲率(例如向上斜度)。在一些实施例中，精细支撑结构可跨掩模卡盘206中的开口延伸以支撑掩模且减小重力下垂。

在操作303中，将衬底102安装于衬底卡盘204中。

衬底卡盘204是用于固定衬底102使得衬底非常平坦的压盘。衬底卡盘204经设定尺寸及布置以仅从一侧(前侧或背侧)接触衬底102以减轻对将材料沉积于衬底的另一侧上的干扰。在所描绘的实例中，衬底卡盘204是静电卡盘，其跨电介质质施加电压以将衬底102静电地固定“夹紧”于适当位置中。在一些实施例中，衬底卡盘204从衬底的两侧经由例如真空机械夹的不同构件来固定衬底，等等。在一些实施例中，衬底卡盘204包含原位间隙传感器，其与定位系统212一起操作以控制衬底102与蔽荫掩模106之间的间距及平行度。

在操作304中，由定位系统212控制衬底102、蔽荫掩模106及准直器208的相对位置。

定位系统212是用于控制衬底102、源104、蔽荫掩模106及准直器208的相对位置的系统。定位系统包含三个六轴操纵器及用于控制衬底102与蔽荫掩模106之间的对准的光学对准系统。六轴操纵器中的每一者与衬底卡盘204、掩模卡盘206及准直器卡盘210中的每一者可操作地连接以控制其沿x轴、y轴及z轴中的每一者的位置及围绕x轴、y轴及z轴中的每一者的旋转。在一些实施例中，掩模卡盘206及准直器卡盘210中的至少一者的位置不是由六轴定位器控制。在一些实施例中，定位系统212还包含用于控制衬底102及蔽荫掩模106的相对旋转对准的旋转台。

在操作304中，定位系统212定位衬底及蔽荫掩模，使得沉积区域216中的沉积位点r与孔隙120对准，平面108及118平行，且衬底与蔽荫掩模之间的间距s尽可能地接近于零(即，接触)，优选地，在数微米(例如1到5微米)内。在一些实施例中，s是另一合适间距。

在操作305中，源104产生蒸汽羽124。如上文相对于图1所描述，蒸汽羽124的汽化原子的传播角跨越-θm到+θm的相对较大角范围。

如上文相对于图1所论述，衬底102与蔽荫掩模106之间的横向及旋转对准、衬底102与蔽荫掩模106之间的间距s及入射于蔽荫掩模上的汽化原子的传播角θp的范围确定发生于衬底的表面114处的羽化量。

图4描绘衬底102的像素区域及蔽荫掩模106的其对应孔隙120的放大图的示意图。如图中所展示，为了孔隙120与沉积位点r上的材料的沉积之间的高保真度，通过蔽荫掩模106的汽化原子的传播角必须在-θa到+θa的可接受范围内。为了本说明书(其包含所附权利要求书)，将术语“可接受角范围”界定为期望通过蔽荫掩模的传播角的范围，其跨越从-θa到+θa的角范围。通常，可接受角范围是使材料116能够在通过孔隙120之后仅沉积于沉积位点r上的角范围。在一些实施例中，可接受角范围包含围绕沉积位点的小防护带以允许小于最近沉积位点之间的间距的一半的羽化。具有此范围外的传播角的入射于蔽荫掩模上的任何汽化原子将沉积于超出沉积位点r的横向范围的表面114上。

在操作306中，由准直器208过滤蒸汽羽124以产生蒸汽柱214。

图5a描绘根据说明性实施例的准直器的横截面图的示意图。准直器208包含经图案化以形成多个通道504的主体502，多个通道504中的每一者延伸穿过主体502的厚度。

主体502是适于平面处理的玻璃板。在所描绘的实例中，主体502具有约25毫米(mm)的厚度；然而，可在不背离本发明的范围的情况下使用任何实用厚度。在一些实施例中，主体502包括适于承受与热及/或电子束蒸镀相关联的温度且不会显著变形的不同结构刚性材料。适合用于主体502中的材料包含(但不限于)半导体(例如硅、碳化硅等等)、陶瓷(例如氧化铝等等)、复合材料(例如碳纤维等等)、玻璃纤维、印刷电路板、金属、聚合物(例如聚醚醚酮(peek)等等)及其类似者。

通道504是使用常规处理操作(例如金属成形、钻孔、电子放电加工、深反应性离子蚀刻(drie)及其类似者)来形成于主体502中的通孔。在所描绘的实例中，通道504具有圆形横截面，其具有约3mm的直径。因此，通道504具有约8:1的高宽纵横比。优选地，高宽纵横比至少等于3:1。另外，对于超过100:1的高宽纵横比，通过准直器的汽化原子流开始减小到非所要位准；然而，超过100:1的高宽纵横比是在本发明的范围内。在一些实施例中，通道504具有非圆形横截面形状(例如正方形、矩形、六边形、八边形、不规则形等等)。

通道504的形成产生驻留于通道之间的多个壁506。优选地，为实现高通量，壁506要尽可能地薄且不牺牲主体502的结构完整性。在所描绘的实例中，壁506具有约500微米的平均厚度；然而，壁506可使用任何实用厚度。

图5b到c分别描绘准直器208的区域的俯视图及截面图的示意图。通道506布置成蜂窝状布置，其中列是周期性的且相邻列从其相邻者偏移半个周期。在一些实施例中，通道布置成例如二维周期、六方紧密堆积、随机及其类似者的不同布置。

如图5c中所描绘，通道504的纵横比界定滤波角范围。为了本说明书(其包含所附权利要求书)，将术语“滤波角范围”界定为将通过准直器208的传播角的范围，其跨越从-θc到+θc的角范围。因此，具有大于|θc|的传播角的汽化原子将被准直器阻挡。

所属领域的技术人员应认识到，上文针对主体502、通道504及壁506所提供的尺寸仅供说明，且可在不背离本发明的范围的情况下使用其它尺寸。

在操作307中，孔隙120使蒸汽柱214的汽化原子通过，使得其沉积于沉积区域216中的沉积位点r上。

在任选操作308中，定位系统212将运动施予准直器208以改进汽化原子密度跨蒸汽柱214的横向范围的均匀性，借此改进跨衬底102上的沉积位点的沉积均匀性。在一些实施例中，定位系统212可操作以将振荡运动施予准直器208。

应注意，在说明性实施例中，源104大体上为材料116的点源，这是因为其坩埚的敞开面积显著小于衬底102的面积。

在任选操作309中，定位系统212在x-y平面中相对于衬底移动源102以改进沉积均匀性。

在一些实施例中，源104是线性蒸镀源，其包括发射汽化原子的扇形蒸汽羽的多个喷嘴。在一些实施例中，定位系统212在x-y平面中沿未与其纵轴对准的方向移动线性源以改进衬底102上的沉积材料的均匀性。在一些实施例中，此路径是大体上正交于喷嘴的线性布置及垂直轴110两者的线路。在一些实施例中，在x-y平面中沿非线性路径移动线性源。

在一些实施例中，源104包含喷嘴的二维布置，每一喷嘴发射锥形蒸汽羽，使得多个喷嘴共同提供衬底表面的区域上的大体上均匀汽化原子流。在一些实施例中，定位系统212移动喷嘴的二维布置以促进沉积均匀性。在一些实施例中，喷嘴的二维布置在平面中旋转以促进沉积均匀性。

在一些实施例中，源104是二维平面源，其包含跨其顶面分布的材料层116。源经布置使得此顶面平行于且面向衬底102。材料116在被加热时跨平面均匀地汽化。tung等人在“通过使用新颖平面蒸发技术的oled制造(oledfabricationbyusinganovelplanarevaporationtechnique)”(int.j.ofphotoenergy，第2014(18)卷，第1页到第8页(2014))(其以引用的方式并入本文中)中揭示适合用于本发明的实施例中的示范性平面蒸镀源。

在一些实施例中，为改进材料116沉积于表面114的二维区域上时的均匀性，定位系统212通过移动衬底/掩模组合及源中的至少一者来施予源104与衬底102及蔽荫掩模106的组合之间的相对运动。

应了解，本发明仅教示根据本发明的一些实施例，且所属领域的技术人员可在阅读本发明之后容易地设想本发明的许多变化，且本发明的范围将由以下权利要求书确定。