Photomask

　　Display 产线上使用的Mask 为两种: Array 段和CF 段(TFT-LCD)用的, 以玻璃为基础材料的曝光Photomask; 和AMOLED 段以金属为基本材料的Shadow Mask (Open Mask & FMM)。

　　Photomask 主要用于Array 段曝光显影用。Photomask 主体结构为透明基材+遮光材料, 主要用于通过曝光、显影和刻蚀工艺制作高精度的集成电路用。

　　常见的基板、遮光材料以及材料特性如Table 1 和Table 2 (** 资料来源较老2008, 仅能作为参考 **)。

Table 1 Photomask 分类 (10) (** 资料来源较老2008, 仅能作为参考 **)

Table 2 Photomask 常用透明基板和硬质遮光材料 (10) (** 资料来源较老2008, 仅能作为参考 **)

Table 3 Display 用 PhotoMask 主要参数(3)

　　在Display 生产中, 主要使用的是石英/苏打玻璃+铬膜(Cr + CrO) 的Photomask 形式 (Table 3) (3)。根据透过性的不同, Photomask 可以进一步被分为Binary Mask 和Half Tone Mask (3)：

　　• Binary Mask: 该类型mask 上区域分为全透光区域和不透明区域。

　　• Half-tone Mask: 除去以上两个区域外, 该Mask 上还存在半透明区域。通过控制半透明区域的光透过量可以控制下方PR 胶刻蚀后的图案的高度。该Mask 亦被称为Gray-Scale Mask 和3D Mask (or GTM mask (10))。

　　在FPD 产业中该Mask 基本材料为石英玻璃, 并通过在玻璃上制作金属铬Cr 作为遮光盖(Cr 可采用Sputtering 方式制作)。

　　在使用时Cr 面与PR 胶接触进行曝光(Mask 间距约10 μm)。在Display 生产中, 除去CF 板外, Photomask 用来制作主要用于制作TFT 部分, 如S/D/G栅和绝缘层等。

　　根据DNP 的资料来看, 现有Photomask 可以制作分辨率为14 nm 至28 nm 精度的器件(5)。

　　TFT 和CF 的精度不同, 所以对Photomask 的品质规格要求也有差异(Table 4)(10)。

Table 4 普通TFT Mask 要求品质(10) (** 资料来源较老2008, 仅能作为参考 **)

　　**a: CD 图形尺寸精度

　　**b: Pattern Centrality Accuracy 图形居中精度

　　**c: Registration 图形位置精度

　　**d: Total Pitch TP 图形总长精度

　　**e: Overlay 图形套盒精度

　　Shadow Mask: Open Mask & Fine Metal Mask

　　在制作发光部件时, 根据现有OLED 的工艺, 可以分别采用Open Mask 形式和FMM 形式对器件进行制作。

Fig 5 旭晖应用材料的Open Mask (9)

Fig 6 旭晖应用材料的Fine Metal Mask(9)

　　Open Mask 技术主要用于AMOLED 的WOLED 生产中。该技术由LG Display 主要, 并主要用于大尺寸面板的制造和生产中。和FMM 工艺分别对RGB 进行精细蒸镀不同, Open Mask 的尺寸较大, 主要用于在WOLED 技术中HIL 和HTL 等共通层的制作。

　　FMM 全称为Fine Metal Mask(精细金属掩模版), 其主材可以主要是金属或金属+树脂。从FMM 开孔形状来区分, 根据FMM 的开孔形状的不同, FMM 可以再进一步细分为Slot 型和Slit 型(4)。

Fig 7 FMM 细分

Fig L8 Toppan Slot Type & Slit Type of FMM(4)

　　生产FMM 的方式主要有三种(1): 蚀刻、电铸(Electroforming Metal)和多重材料(金属+树脂材料)复合。

　　• 蚀刻法可以考虑为做减法, 主要是通过蚀刻Invar Sheet 的方式制作。现阶段主要的OLED 面板FMM 供应商, 如大日本印刷(DaiNippon Printing)、凸版印刷(TOPPAN)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20 μm 左右并达到WQHD 级别分辨率。

　　WQHD 级别分辨率FMM 在现阶段由DNP, 并已出货给Samsung Display 且通过了量产的验证。

　　在该方法产出的FMM 也已经通过三星量产的认证。在2017 年结束与Samsung Display 垄断性合约后(提供10~20 μm 厚的FMM), DNP 已经与BOE 达成协议, 并会逐步向BOE 提供WQHD 级手机用FMM(约30 μm 厚)(7)。

　　• 电铸(Electroforming Metal)可以视为做加法。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Hitachi Maxell。这两家公司已经将板厚控制到约5 μm, 并正在研发WQHD 分辨率级别的FMM 产品(1)。

　　• 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2 μm FMM 的能力(向1 μm 发展)(1)。

　　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。

　　Display 生产中主要采用的FMM 生产技术还是以蚀刻为主。该技术主要由Samsung Display 主导并用于中小尺寸的AMOLED 制造中。

　　FMM 产业链主要由:

　　• 原材料供应商。

　　• FMM 加工商。

　　• 最终用户。

　　三者组成。

Table 5 FMM Value Chain(2)

　　其中FMM 原材料由Hitachi Metals 提供, 其后材料会送到FMM 制作商处制作FMM Mask, 并待制作完成后送交到终端客户手上。#p#分页标题#e#

　　截至到2017 年中旬为止, Hitachi Metals 是为数不多能提供厚度在20 μm 以下、高分辨率(WQHD)且不会受到重力影响的FMM 原材料的厂商(1)。

　　采用蚀刻法制作FMM 板材时, 其基材为FMM Sheet 合金, 该合金材质一般为因瓦合金或超级因瓦合金:

　　• 因瓦合金简称为INVAR。一般FMM 用的INVAR 为是镍Ni 含量为35.4%左右的铁合金(INVAR 36), 且在-20℃~20℃下热膨胀系

　　数平均值为1.6 × 10-6/℃。 (Table 6)。

　　• 如果需要制造高精度的FMM, 则需要更高级的INVAR 合金(Super INVAR alloy)。现在市面上唯一能提供满足FMM 使用需求的Super INVAR alloy 合金的厂商是Hitachi Metal (Table 7) 。

　　Hitachi Metals 提供的超因瓦合金板(Super Invar Alloy)产品编号为MA-SINVER(6)。

　　该合金成分比例约铁50~70%, 镍29~40%, 钴15%以下。与其他材料相比, Hitachi Metals 提供的超因瓦合金板的热膨胀系数趋近于0, 且能够耐受蒸镀制程的高温而不变形。

　　在AMOLED 生产中, Samsung Display 与Hitachi Metal 有深度的合作且有可能就Super INVAR alloy 签有排他性协议。

Table 6 Hitachi Metal MA-INV 36 基本参数(6)

Table 7 Hitachi Metal MA-S-INVER 超因瓦合金板基本参数(6)

Table 8 Toppan 的FMM 主要参数(4)

　　FMM 掩模版为显示屏生产必不可少的一个材料。在AMOLED 的生产中, FMM 主要运用于AMOLED 段RGB 材料的蒸镀所用。

　　产线上使用FMM 蒸镀AMOLED 时, 除去在较高温度下(80℃左右)金属形变和金属热膨胀的不利影响外, 随着FMM 尺寸的变大, FMM 中部亦容易产生形变, 导致蒸镀材料的错位, 并最终产生EML 层错位混色和金属过孔无法覆盖等现象。

　　因为在现阶段FMM 很难兼顾大面积、第重量、低热膨胀系数的要求(Table 8)。

　　同时FMM 亦为生产耗材。因为蒸镀材料会在FMM 上沉积, 所以FMM 从理论上而言是一种昂贵的易耗品。在产线上生产时, FMM在进行数次蒸镀后都需要进行清洗,

　　而同一个工艺段往往需要多块FMM 作为备用且相互轮流进行蒸镀以保证生产的效率。

　　References

　　1. 日本OLED 金属遮罩“竞争战”: DNP 蚀刻遭遇电铸技术挑战, OLEDindustry, April 4th,

　　2. 陈光荣, AMOLED 关键技术与FPD 产业重大变革, ITRI,

　　3. Large-size Photomask for Displays, Toppan,

　　4. Fine Metal Masks for OLED Displays, Toppan,

　　5. Photomasks, Dai Nippon Printing,

　　6. Controlled Expansion Alloys, Hitachi Metals MMC Superalloy, Ltd,

　　7. Dai Nippon Printing to supply FMM masks to BOE Display, OLED-infor, June 20th,

　　8. The ELVESS OLED Mass Production System, Equipment for Mass Production, Canon Tokki,

　　9. OLED Fine Metal Mask & OLED Open Mask, 旭晖应用材料,

　　10. 瞿立成, 光掩模技术基础。