Đồ án Xây dựng hệ Photolithography và khảo sát kĩ thuật đóng gói Oled

1 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 Mục Lục LỜI CẢM ƠN i DANH MỤC HÌNH ii DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi Mục ục ........................................................................................................................... 1 A.Lý thyết tổng quan ...................................................................................................... 4 I.OLEDs và photolithography ........................................................................................ 5 I.1.Giới thiệu chung ........................................................................................................ 5 I.2.Tổng quan về Photolithography ......................................................................... 6 I.3.Quá trình photolithography ................................................................................ 8 I.3.1 Sấy khử nƣớc ............................................................................................. 8 I.3.2.Tạo màng PR trên bề mặt đế.................................................................... 10 I.3.3.Tiền xử lý nhiệt màng PR trƣớc khi chiếu UV ........................................ 12 I.3.4.Chiếu UV đế sau khi đã đƣợc xử lý nhiệt ................................................ 13 I.3.4.1. Mask ............................................................................................... 13 I.3.4.1.1. Vật liệu tạo mask ...................................................................... 13 I.3.4.1.2. Bản thiết kế ............................................................................... 14 I.3.4.1.3. Dấu căn chỉnh ........................................................................... 14 I.3.4.1.4. Mask vùng tối và mask vùng sáng ........................................... 15 I.3.4.2. Chiếu UV đế .................................................................................... 16 I.3.5. Development-Hình thành hình dáng mẫu trên bề mặt đế ....................... 17 2 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.3.6.Hard baking-Hậu xử lý nhiệt màng PR ................................................... 18 II.OLEDs và kĩ thuật đóng gói OLED .......................................................................... 18 II.1.Giới thiệu chung .............................................................................................. 18 II.2.Cấu trúc cơ bản của OLEDs ........................................................................... 19 II.2.1Cấu trúc đơn ớp ...................................................................................... 19 II.2.2 Cấu trúc đa ớp ....................................................................................... 20 II.3.Cơ chế hoạt động của OLED .......................................................................... 21 II.3.1.Sự phun hạt tải ........................................................................................ 21 II.3.2 Sự truyền hạt tải...................................................................................... 24 II.3.3. Sự hình thành Exciton ........................................................................... 24 II.4.Hiệu suất của OLED ....................................................................................... 26 II.4.1.Hiệu suất ƣợng tử .................................................................................. 26 II.4.2.Hiệu suất phát quang .............................................................................. 29 II.5.Độ bền của OLED ........................................................................................... 30 II.5.1.Sự hình thành và phát triển của điểm tối ................................................ 30 II.5.2.Sự khuếch tán của kim loại .................................................................... 31 II.5.3.Sự suy giảm hóa học của thành phần bên trong lớp hữu cơ ................... 31 II.5.4.Sự kết tinh của vật liệu hữu cơ ............................................................... 31 II.6.Đóng gói OLED .............................................................................................. 32 II.6.1.Ảnh hƣởng của Oxy và hơi nƣớc đến tuổi thọ OLED ........................... 32 II.6.2.Các phƣơng pháp đóng gói OLED ......................................................... 32 II.6.2.1.Phƣơng pháp đóng gói truyền thống ............................................... 32 3 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 II.6.2.2.Phƣơng pháp đóng gói bằng màng SiNx ......................................... 35 II.6.2.2.1.Tóm ƣợc .................................................................................. 36 II.6.2.2.2.Thí nghiệm ............................................................................... 36 II.6.2.2.3.Kết quả và bàn luận .................................................................. 37 II.6.3.Phƣơng pháp kiểm tra độ kín nƣớc của lớp màng đóng gói .................. 40 B.Thực nghiệm ............................................................................................................. 41 III.Xây dựng hệ photolithography ................................................................................ 42 III.1.Phòng Photolithography ................................................................................ 43 III.2.Hệ Spin coating ............................................................................................. 44 III.3.Hệ ủ nhiệt ....................................................................................................... 46 III.4.Đèn UV .......................................................................................................... 47 III.5.Bộ phận giữ và điều chỉnh mẫu ..................................................................... 49 III.6. Bộ phận quan sát mẫu ................................................................................... 50 IV.Quy trình khảo sát sự hấp thụ hơi nƣớc trong đóng gói .......................................... 52 V.Kết quả và bàn luận .................................................................................................. 56 V.1.Khảo sát các quy tr nh trong chu tr nh photo ithoraphy ................................. 56 V.1.1.Những vấn đề gặp phải trong quá tr nh Photo ithography ..................... 58 V.1.2 Áp dụng Photolithography tạo hình dạng trên bề mặt đế ITO ............... 60 V.2.Khảo sát sự hấp thụ của hơi nƣớc trong đóng gói .......................................... 63 KẾT LUẬT ................................................................................................................... 68 HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ........................................................................ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 70 4 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 5 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.OLED và Photolithography I.1.Giới thiệu chung Diode phát quang hữu cơ hay còn gọi là OLED là linh kiện điện phát quang (EL) sử dụng vật liệu hữu cơ àm nhiệm vụ phát ánh sáng, vật liệu hữu cơ phát quang đã đƣợc nghiên cứu từ những năm 50 của thể kỉ 20 và cấu trúc hoàn chỉnh đầu tiên của OLED đƣợc đƣợc C.L.Tang công bố năm 1987 [1]. Trải qua hơn nữa thế kỉ phát triển cấu trúc OLED ngày càng tinh vi hơn và đòi hỏi độ chính xác cao trong công việc thiết kế linh kiện. Việc vi mô hóa linh kiện điện tử không chỉ diễn ra đối với OLED nó xảy ra với hầu hết mọi linh kiện điện tử nhƣ chip xử lý trong CPU máy tính, bo mạch chủ… Chính vì thế mà kĩ thuật tạo hình dạng vi mô cũng đƣợc phát triển mạnh mẽ trong thời gian này nổi bật trong số đó à kĩ thuật Photolithography, Photo ithography ra đời từ rất sớm có nền tảng từ thuật in thạch bản (lithography) và đƣợc ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay. Photo ithography à phƣơng pháp truyền tải hình dáng của mẫu đến vật liệu nhạy quang (đƣợc gọi là photoresist) thông qua mask (tấm vật liệu có những h nh dáng đƣợc tạo bằng vật liệu có khả năng cản sáng trên bề mặt) [11] (Hình A.I.1). Những hình dáng này tạo ra những vùng khác nhau trên đế nền (đối tƣợng cần tạo dáng), nhƣ vùng cần đƣợc loại bỏ,và vùng cần giữ lại. Những vùng này cũng chính à những chi tiết trên OLED nhƣ Hình A.I.1:Minh họa quá trình truyền tải hình ảnh đến đế nền thông qua mask trong photolithography 6 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 vùng cho điện cực vùng cho vật liệu phát quang, những vùng phân cách…Quá tr nh truyền tải hình ảnh kết thúc bởi giai đoạn ăn mòn và oại bỏ những phần không cần thiết trên đế nền [11]. I.2.Tổng quan về Photolithography Nhƣ đã tr nh bày ở trên Photo othography à phƣơng pháp đƣợc sử dụng để tạo ra những hình dạng mong muốn trên bề mặt đế nền [6] nói một cách h nh tƣợng thì Photolithogra- phy tƣơng tự nhƣ kĩ thuật điêu khắc trong đó đối tƣợng điêu khắc là những vật có kích thƣớc vi mô, hệ thống photo ithography đƣợc chia làm 3 phần: Phần 1. bộ phận xử lí mẫu thông thƣờng gồm hệ thống spin coating có chức năng tạo màng trên bề mặt mẫu, hệ thống ủ nhiệt với chức năng àm tăng độ kết dính giữa màng và bề mặt mẫu. Phần 2. bộ phận quan sát điều chỉnh mẫu, bao gồm một kính hiển vi làm chức năng quan sát, đĩa đặt mẫu có khả năng di chuyển, một màn chắn (mask) làm chức năng truyền tải hình ảnh lên bề mặt mẫu [6]. Phần 3. bộ phận chiếu sáng mẫu gồm hệ thống đèn UV hoặc ebeam,… đây à phần tạo ra sự khác biệt giữa photolithography với những phƣơng pháp ithography khác, với việc sử dụng ánh sáng để tạo những chi tiết, photolithography có khả năng tạo ra những đƣờng nét cực nhỏ với độ chính xác cao. Photolithography sử dụng đặc tính của hợp chất nhạy quang (PR), hợp chất nhạy quang thay đổi tính chất hóa học (cụ thể à tính tan) khi đƣợc chiếu sáng bởi ánh sáng có bƣớc sóng phù hợp, hợp chất nhạy quang đƣợc chia thành 2 loại Chất nhạy quang âm – khả năng bị hòa tan vào developer giảm ở những điểm đƣợc chiếu sáng.(Hình A.I.2a) Chất nhạy quang dƣơng – khả năng hòa tan vào deve oper tăng ở những điểm đƣợc chiếu sáng.(Hình A.I.2b) 7 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 PR thông thƣờng gồm 3 thành phần: vật liệu nền (resin) có chức năng h nh thành h nh dạng màng, Hợp chất quang hoạt (PAC), và dung môi (một số loại dung môi thông dụng Cellosolve acetate, Butyl acetate, Dig yme…). Dƣới đây à ví dụ về thành phần PR thông dụng là DQN (Diazonaphthoquinone/novolac). Dung môi kiểm soát tính chất cơ học của PR. Nó làm cho PR ở dạng lỏng, và cũng kiểm soát độ nhớt của PR. PAC kìm hãm tốc độ tan trong depve oper trƣớc khi hợp chất đƣợc chiếu sáng. Tuy nhiên sau khi chiếu sáng nó lại làm cho PR tan tốt hơn trong deve oper [7]. Hình A.I.2: Chất nhạy quang (PR) dương (a) và chất nhạy quang (PR) âm (b)[7] Hình A.I.3:Ví dụ về thành phần cơ bản của chất nhạy quang DQN [7] 8 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.3.Quá trình photolithography Photolithography có thể tạo ra những hình dáng phức tạp với kich thƣớc cực nhỏ, quy tr nh thông thƣờng của photolithography gồm có 6 bƣớc chính : 1.Sấy khử nƣớc-loại nƣớc giúp tăng độ kết dính của đế với PR. 2.Tạo màng PR trên bề mặt đế bằng Spin, hoặc Spray. 3.Soft baking-Tiền xử lý nhiệt màng PR trƣớc khi chiếu UV, loại bỏ một ƣợng dung môi đáng kể ảnh hƣởng đến độ dày màng. 4.Exposure-Chiếu UV sử dụng mask để tạo hình. 5.Depvelopment- Hình thành hình dáng mẫu trên bề mặt đế. 6.Hard baking-Hậu xử lý nhiệt màng PR loại bỏ ƣợng nƣớc còn lại, ảnh hƣởng đến độ bám của màng. I.3.1. Sấy khử nƣớc Độ bám của PR đối với những bề mặt đế thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ thủy tinh hay kim loại có tính quyết định đến độ chính xác của h nh dáng PR đƣợc hình thành bằng quá tr nh ăn mòn hoặc cấy ion. Thủy tinh và kim loại đƣợc coi à nhƣng vật liệu có năng ƣợng bề mặt cao (>103dynes/cm), còn PR là dung dịch với năng ƣợng bề mặt thấp (<36dynes/cm) [8]. Vì vậy PR đƣợc kì vọng sẽ thấm ƣớt bề mặt thủy tinh và kim loại một cách tự nhiên, một độ bám dính cao giữa thủy tinh, kim loại với PR cũng à kết quả tất yếu. Tuy nhiên có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến độ bám dính của PR. 1. PR có nồng độ dung môi cao hơn quá nhiều so với resin sẽ dẫn đến việc dung môi có thế đẩy resin ra khỏi bề mặt đế làm giảm độ bám dính của PR tới bề mặt đế. 2. Liên kết resin-resin có thể mạnh hơn giữa resin với vật liệu nền của bề mặt đế đặc biệt nếu sự ràng buộc của dung môi với resin kém. Resin sẽ co chặt lại để tối thiểu hóa năng ƣợng của nó. Cả hai trƣờng hợp trên đều iên quan đến chất ƣợng của PR, việc chọn PR tốt với tỉ lệ thành phần hợp lí sẽ àm tăng độ kết dính của PR đối với bề mặt đế. 9 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 3. Sự nhiễm bẩn bề mặt-đặc biệt à hơi nƣớc. Nƣớc có ái lực rất cao đối với thủy tinh (368 dynes/cm) [8]. Hơi nƣớc tƣơng tác với thủy tinh là vấn đề đặc biệt vì thủy tinh sẽ bị thủy hợp khi ở trong môi trƣờng có độ ẩm nhất định. Hơi nƣớc trên bề mặt đế sẽ đƣợc hấp thụ bởi đế và hình thành liên kết OH (nhóm si- lanol). Hơi nƣớc trên bề mặt đế có thể đƣợc giảm bớt thông qua giai đoạn sấy khô ở nhiệt độ lớn hơn 1000 C nhƣng với nhóm silanol thì nhiệt độ sấy phải cao hơn nữa để hơi nƣớc đƣợc loại đi thật nhanh trƣớc khi phủ PR lên. Để tối thiểu hóa ảnh hƣởng của hơi nƣớc đối với độ bám của PR, nhiều kĩ thuật tiền xử lý đã đƣợc ứng dụng. Kĩ thuật thông dụng nhất là sử dụng Hexamethyldisilazane (HMDS) phủ lên bề mặt mẫu bằng phƣơng pháp phủ quay để loại bỏ hơi nƣớc trên bề mặt mẫu quá tr nh đó đƣợc minh họa ở Hình A.I.4. Hơi nƣớc trên bề mặt đế (Hình A.I.4a) phản ứng với HMDS để loại hơi nƣớc bị hấp thụ đồng thời giải phóng khí NH3 (Hình A.I.4b) lúc này bề mặt đế đã không còn iên kết với nhóm si ano cái sau đó sẽ phản ứng tiếp với HMDS để loại bỏ nhiều khí NH3 hơn (Hình A.I.4 c) để lại một bề mặt đế với áp lực bề mặt và ƣợng hơi nƣớc thấp. Hơn thế nữa bề mặt đƣợc xử lý với HMDS có độ bám dính với PR cao hơn và h nh thành một mặt phân giới kị nƣớc. Hình A.I.4 :Sự đẩy mạnh độ bám dính của PR bằng cách sử dụng HMDS [8] 10 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.3.2.Tạo màng PR trên bề mặt đế Dẫu có nhiều phƣơng pháp để lớp PR có thể đƣợc phủ lên bề mặt đế,nhƣng tạo màng bằng phƣơng pháp phủ quay (spin) uôn à phƣơng pháp thông dụng nhất. Trong phƣơng pháp phủ quay, một ƣợng PR nhất định đƣợc nhỏ ên đế và sau đó đế đƣợc cho quay ở tốc độ cao để hình thành hình dạng của màng. Quá tr nh đó đƣợc mô tả ở Hình A.I.5. Hình A.I.5: Quá trình tạo màng PR bằng phương pháp Spin [7] Quá trình phủ quay bắt đầu với một ƣợng PR nhất định đƣợc nhỏ giọt ên đế, việc nhỏ giọt có thể đƣợc thực hiện với đế đứng yên hoặc quay với vận tốc hạn chế ở vài trăm vòng trên phút (RPMs). Lƣợng PR dùng cho mỗi lần tạo màng khác nhau tùy thuộc vào kích thƣớc đế. Sau đó đế đƣợc tăng tốc dần cho đến tốc độ tối đa, thông thƣờng khoảng 1000 đến 10000 RPMs (Hình A.I.5c) ở tốc độ vài RPMs lớp PR bắt đầu dịch chuyển dƣới tác động của lực li a)nhỏ một ƣợng PR thích hợp lên bề mặt đế b) cho PR trải đều ra khắp bề mặt đế c) tăng tốc spin d)spin ở tốc độ cao nhất đã định Hình A.I.6: Các pha của màng PR trong qua trình spin [9] 11 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 tâm, lớp PR có dạng sóng (Hình A.I.6a), lớp PR có cấu trúc h nh “vƣơng miện” ở khoảng 30RPMs [8] (Hình A.I.6b) theo sau sự h nh thành pha “vƣơng miện”, ƣợng PR còn lại bị bắn ra khỏi đế và hình thành pha xoắn ốc của màng PR [8,9] (Hình A.I.6c). Trong suốt pha xoắn ốc này hàng ngàn giọt PR nhỏ xíu bị đẩy khỏi rìa của đế. Cuối cùng màng PR phải đƣợc spin âu hơn nữa để dung môi bay hơi àm khô màng. Các thông số kĩ thuật ảnh hƣởng đến độ dày màng [8] -Không phụ thuộc vào thể tích màng. -Không phụ thuộc vào tốc độ spin trong quá trình nhỏ giọt. -Không phụ thuộc vào tốc độ tăng tốc từ lúc nhỏ giọt đến tốc độ cuối cùng. -Phụ thuộc vào tốc độ quay cuối cùng. Nói cách khác việc chọn tốc độ quay cuối cùng cao hay thấp quyết độ dày của màng (Hình A.I.7). -Phụ thuộc vào độ nhớt của PR (Hình A.I.8). -Phụ thuộc vào khoảng 5-10 giây khi mà độ dày của màng bão hòa (Hình A.III.8). Hình A.I.7 :Độ dày màng theo tốc độ quay cuối và độ nhớt [8] 12 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 I.3.3.Tiền xử lý nhiệt màng PR trƣớc khi chiếu UV Sau khi tạo màng bằng spin, ƣợng dung môi mất đi khoảng 10%-20% [8] do bay hơi, tuy nhiên lớp PR vẫn còn chứa một ƣợng khá lớn dung môi, điều đó àm cho sự khác biệt giữa vùng đƣợc chiếu UV (Hình A.I.9) và vùng không đƣợc chiếu UV giảm đi. Để loại bỏ ƣợng dung môi này bƣớc tiền xử lý nhiệt đế trƣớc khi chiếu UV đƣợc sử dụng. Tiền xử lý nhiệt có một số lợi ích sau: - Làm cho lớp PR mới phủ cứng hơn và tăng độ kết dính với đế. - Ổn định màng giảm tình trạng chƣa dính hoàn toàn ở bề mặt. - Giảm ƣợng dung môi còn dƣ, tăng sự khác biệt giữa tốc độ develop giữa vùng đƣợc chiếu sáng và vùng không đƣợc chiếu sáng. Hình A.I.8:Độ dày màng theo thời gian [8] Hình A.I.9:Ảnh hưởng của dung môi đến sự khác biệt giữa vùng được chiếu sáng và không được chiếu sáng sau khi develop[7] 13 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 Lƣợng dung môi còn dƣ trong ớp PR hình thành một lớp phân cách ngay tại vùng đƣợc chiếu sáng ngăn không cho ánh sáng đi qua toàn bộ vùng đƣợc chiếu sáng. Việc tiền xử lý nhiệt đem ại nhiều lợi ích, tuy nhiên việc xác định thời gian,và nhiệt độ xử lý lại càng quan trọng hơn. Tùy từng loại PR mà ta chọn nhiệt độ xử lý khác nhau dựa vào tính chất của thành phần có trong PR. Mục đích của việc tiền xử lý nhiệt là làm bay hơi dung môi càng nhiều càng tốt nhƣ vậy nhiệt độ cần phải đạt tới là nhiệt độ bay hơi của dung môi, nhƣng ở hầu hết các loại PR, nhiệt độ bay hơi của dung môi thƣờng rất cao và ở nhiệt độ đó thành phần nền đã bắt đầu phân hủy. Thông thƣờng nhiệt độ xử lý nhiệt của bƣớc này phải dƣới Tg của thành phần nền và trên nhiệt độ phân hủy của chất nhạy quang [8] để vừa bảo vệ cấu trúc màng, vừa tăng tối đa hiệu quả àm bay hơi dung môi. Trong đó Tg của một vật liệu là nhiệt độ mà vật liệu vật liệu đó chuyển sang trang thái đa tinh (Bảng A.I.1) Tg Td của một số thành phần PR thông dụng. I.3.4.Chiếu UV đế sau khi đã đƣợc xử lý nhiệt Bƣớc tiếp theo sau khi xử lý nhiệt là chiếu sáng đế bằng tia UV, sử dụng mask để tạo ra hình dạng mong muốn, trong bƣớc này mask đóng vai trò hết sức quan trọng, chúng ta sẽ dành phần đầu tiên của phần III.4 này để tìm hiểu về nó. I.3.4.1.Mask I.3.4.1.1.Vật liệu tạo mask Trƣớc tiên và cũng rất cần thiết để biết rằng vật liệu để chế tạo mask phải có độ truyền qua cao đối với bƣớc sóng của ánh sáng mà ta sử dụng, nó phải thật phẳng và không có Bảng A.I.1:Nhiệt độ Tg,Td của một thành phần PR thông dụng[8] 14 Khóa luận tốt nghiệp Đại học 8-2010 khuyết tật nào trên bề mặt [10]. Nó phải có hệ số giãn nở nhiệt tƣơng tự nhƣ hệ số giãn nở nhiệt của silicon. Vật liệu thƣờng đƣợc sử dụng là thủy tinh và thạch anh, trong đó th thạch anh tốt hơn v nó có hệ số giãn nở nhiệt giống với si icon hơn thủy tinh, tuy vậy nó lại quá đắt so với mask làm bằng thủy tinh. Điều thứ hai cần phải chú ý là vật liệu dùng để tạo hình dạng trên bề mặt mask, nó phải có tính chất à không cho bƣớc sóng ánh sáng chúng ta sử dụng truyền qua nó và dễ dàng để tạo hình lên bề mặt mask với độ nét cao [10]. Hai vật liệu đƣợc dùng phổ biến à nhũ tƣơng kim loại (emulsion) và chrome. Nhủ tƣơng kim loại thì rẻ hơn nhiều, tuy nhiên chất ƣợng màng không cao nhƣ chrome. Màng oxit sắt cũng có thể đƣợc sử dụng nhƣng ít phổ biến hơn nhũ tƣơng và chrome. I.3.4.1.2.Bản thiết kế Bƣớc đầu tiên trong việc tạo mask là tạo một bản thiết kế.Đây à quá tr nh xác định nơi mà kiểu mẫu đƣợc truyền cho mask và xác định hình dạng thiết bị.Bản thiết kế thông thƣờng đƣợc thực hiện bởi một số công cụ đồ họa nhƣ L-Edit , CleWin , Cadence , Au- toCaD hoặc bất cứ chƣơng tr nh CaD nào khác. Khi m