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10043-11-5/OLED蒸镀用坩埚的性能对比:钽、石墨、氮化硼

说到显示技术,大家最熟悉的可能还是LCD和LED液晶显示屏,但若您现在再去商城采购,会发现OLED(有机发光二极管)显示技术已经成为了新的主流。

OLED技术是指有机半导体材料和发光材料在电场驱动下,通过载流子注入和复合导致发光的现象。作为一种固态自发光技术,OLED不需要以前用LCD搭配LED背光源的组合,因此可以将电视厚度做得很薄,可视角度更广、功耗更低、色彩也更丰富,并且可以在塑料、树脂等不同的柔性衬底材料上进行生产,实现软屏,因此越来越受到消费者的喜爱。

在OLED的制造工艺中,“蒸镀”是其中的精华部分也是难点,是指在高真空状况下,将所要蒸镀的材料利用电阻或电子束加热,在真空腔体内使用坩埚加热OLED材料使原子蒸发,到达并附着在基板表面上的一种镀膜技术。

OLED蒸镀用坩埚的性能对比:钽、石墨、氮化硼

OLED发光原理示意图

在OLED中,除了发光材料外,就连金属电极等也是这么蒸上去的,因此坩埚的好坏直接影响着OLED制程的良率。若选择不合适的坩埚,就会造成坩锅里的材料蒸镀不完全,达不到设备要求的沸点,无法附着在基板表面上,不仅浪费时间、人力,还会造成蒸镀材料无法有效应用、制程良率变差,增加原物料成本负担。因此选用一个好坩埚,就是一个好的开始。

OLED蒸镀用坩埚的材质选择

常用的支撑物有:W、Mo、Ta,耐高温的金属氧化物、陶瓷或石墨坩埚等,不过也要注意支撑材料与蒸发物之间可能会发生反应。目前OLED蒸镀材料主要以有机物和金属为主,可使用以下三种材质的坩埚。

1钽(Ta)

钽是一种坚硬蓝灰色的稀有过渡金属,它具高延展性、化学稳定性高,不与其他化合物质发生反应,熔点高达2996°C,主要存在于钽铁矿中。钽的硬度适中,富有延展性,可以拉成细丝式制薄箔。其热膨胀系数很小。钽有非常出色的化学性质,具有极高的抗腐蚀性。无论是在冷和热的条件下,对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。

钽可用来制造蒸发器皿等,也可做电子管的电极、整流器、电解电容,也常作为合金的次要成份,医疗上用来制成薄片或细线,缝补破坏的组织。钽的抗腐蚀性主要来源于其表面生成的稳定的五氧化二钽(Ta2O5)保护膜,能很好地抵御氧化,所以可作真空蒸镀部件的坩锅材料。许多抗腐蚀部件都需要用到钽。

2特种石墨(Graphite)

石墨是一种结晶形碳。颜色有深黑色,铁墨色至深灰色。溶点3652℃、沸点4827℃。质软、表面细滑、可导电、化学性质不活泼,与酸、碱等不易反应,常常被拿来制作成坩埚,是作为多种类少数量的合金熔解最适合使用的坩埚,由于其具有良好的高温性能和很长的使用寿命,而被应用于大型的合金冶炼铸造工艺及矿石的熔解分析中。同时,石墨坩锅很好的液体及气体防渗透性,可耐高温,抑制粉尘产生。

但由于石墨坩埚在使用时基本都处于高温条件下,而且周围存在很多空气,因为很容易被氧化。而且在冶炼铸造、熔融工艺中,石墨坩埚会被严重腐蚀,降低其使用寿命。为了提高石墨坩埚的使用寿命,还可以往石墨坩埚中添加碳化硅等材料增强其耐腐蚀性。

3热解氮化硼(PBN)

热解氮化硼(PBN)是一种六方晶系的先进陶瓷材料,呈象牙白色,无毒,纯度可以达到99.999%,耐酸碱,抗氧化,导热性好,表面致密好,耐高温,无孔隙、易加工。它是在高温、高真空条件下,采用含硼气体(BCl3或B2H6)当原料,以化学气相沉积法方式制作,不过因B2H6有剧毒,目前多以BCl3为原料。这当中含硼气体经过热解(1500~1800℃)与NH3在高温反应室内反应成氮化硼固体。

PBN材料的生长过程类似于“落雪”,即反应中生长的六角形BN小雪片不断地堆落在加热的石墨基体(芯模)上,随着时间的延长,堆积层在加厚,即形成了PBN的壳体,脱模取下即是独立的、纯的PBN部件,留于其上即是PBN涂层。相同的方法也可以用于制备PBN板材。

OLED蒸镀用坩埚的性能对比:钽、石墨、氮化硼

热解氮化硼生长示意图

PBN坩埚的高纯度是因为它的制备过程无须添加任何烧结剂,因此在真空下的使用温度高达1800度,气氛保护下使用温度最高可达2100℃(一般用氮气或者氩气),目前在蒸镀/分子束磊晶(MBE)/GaAs长晶等用途上用最多。不过因沉积速度很慢,因此PBN坩埚价格相当昂贵,多为小尺寸坩埚。

该怎么挑选?

当然是要从实际出发,结合生产工艺要求再进行选择。比如说蒸镀材料不同,可以配合的坩锅也就不同,因为要升温到材料要求的沸点并不是每个材质的坩锅都能配合,所以得依据材料特性量身定做,才能达到将材料充份蒸镀的目的。此外,坩埚材质的密度、热导率等也是要根据实际生产情况来决定。因此OLED蒸镀用坩埚一般都需经客制化生产,才能达到好的效果。