【深度解析】OLED蒸镀段关键材料FMM必读干货！
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：OLEDRGB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InvarSheet 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20μm 左右并达到WQHD级别分辨率。
Invar薄片两侧涂布光阻;
通过UV Mask进行曝光、显影;
通过FeCl刻蚀液进行两侧刻蚀;
在一侧涂布UV光阻;
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;
剥离所有光阻后，完成Invar FMM的制作。
图3 蚀刻法制作流程图
电铸(ElectroformingMetal)——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HitachiMaxell。这两家公司已经将板厚控制到约5μm, 并正在研发WQHD分辨率级别的FMM产品。
在阴极衬底上涂布光阻;
通过UV Mask进行曝光、显影;
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;
剥离光阻;
剥离阴极衬底，完成Invar FMM的制作。
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2μm FMM 的能力(向1μm 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
为什么要张网——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：
图5 AMOLED常见材料的热膨胀系数
图6 不同温升下所需的finestick最小收缩率
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
蚀刻工艺，不断减薄基材的厚度，以期获得更精细的开孔；
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；
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。
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。
图7 未补偿的finestick PPA示意图
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。
图9 OLED蒸镀概念图
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：
图10 FMM蒸镀概念图
(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。
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。
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。
不同分辨率下对应的工艺技术要求
为表述方便，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：
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。
表格1 蒸镀套合PPA（蓝色为设计点位，棕色为实际蒸镀位置）
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。
参考资料
【深度】全方位解析AMOLED的FMM工艺设计及材料细节，OLEDindustry·20181226
中国大陆AMOLED技术进展及蒸镀良率分析，OLEDindustry-李仁桂，20181010