CN1484330A - 多层反射膜及其制程 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多层反射膜及其制程，可与其他已知的制程合并应用于发光元件的微共振腔的制造；其步骤包括：(一)、在一发光元件的透明基板上进行溅镀，同时加入第一种浓度或成份的反应气体，形成具有第一种光折射率的薄膜；(二)、持续前一步骤的溅镀，将所加入的反应气体换成第二种浓度或成份的气体；形成具有第二种光折射率的薄膜；及(三)、重复进行前两步骤，借以形成相邻两层的光折射率互不相同的多层反射膜，必要时，于进行步骤(一)之前，先以涂布或溅镀的方法，在透明基板上添加一种高穿透率的高分子化合物，或是高穿透率的无机薄膜，使之至少构成一界面缓冲层，将可减少在溅镀过程中发生多层反射膜剥落或劣化的机会。

Description

多层反射膜及其制程

技术领域

本发明是有关一种多层反射膜(multi-layer mirror)结构及其制程，尤指一种发光元件的微共振腔的多层反射膜结构及制程。

背景技术

有机电激发光二极体(Organic Light Emitting Diode，OLED)的技术依其所使用的有机薄膜材料的不同，大致可分为二类，一是以发色有机化合物为材料的小分子元件系统，另一则是以共轭性高分子为材料的高分子元件系统。由于具有和发光二极体(light-emitting diode，LED)相似特性，因此小分子有机发光二极体被称为SMOLED，高分子发光二极体则被称为Polymer OLED。

基本上OLED元件的运作与传统半导体LED相似，在一外加偏压下，使电洞与电子各自从正负极注入，在电场的作用下电洞与电子相向移动，两者因再结合而发光。而元件发光的颜色主要决定于元件内具有萤光特性的有机材料，此外OLED可将少量的客发光体混入主发光体中来提高元件的发光效率，并可使发光的颜色横跨整个可见光区。

“光”是能量波的一种形式。人类的视神经只对红、绿、蓝三色光反应特别敏感。其他的颜色则是由这三种颜色的光混合而成；换句话说，我们平常看到的其他颜色是视网膜上的视锥细胞把外来的红、绿、蓝光信号组合的结果，它们并不是“实际存在”的颜色。红光的波长在6000埃(Angstrom)左右，绿光波长在5500埃左右，而蓝光的波长则在4650埃左右。在这些可见光当中，以红光的波长较大而散射较小，蓝光的波长相对较短而散射的现象却比较大。因为短的光波有容易散射的缺点，目前OLED元件的发光效率便因光线的不同的波长特性，产生发光效率不足的现象，有待克服。

为解决发光元件光源的异向性问题，许多公司已针对元件的结构进行不同的设计。以提升发光效率为目的，发展出来较为有效的结构设计，例如已知结构的“微共振腔(micro-cavity)”可引导并增强特定波长的光波共振，朝发光元件的表面方向放射。已知的微共振腔结构于基板与导电层之间，具有一“多层反射膜(multi-layer mirror)”，可使部分的光波移相而使特定颜色的光借由共振获得增强

目前已知的多层反射膜是以化学蒸镀的方法制造，将氧化硅(SiO₂)及氮化硅(Si_xN_y)交互蒸镀于基板上，借由氧化硅及氮化硅这两种材料的光折射率不同，可使光的波相移位而产生多层反射膜的光学强化效果，有关此类技术内容，读者可自行参考美国第5,405,710号、5,814,416号或6,278,236号专利内容。

蒸镀是在真空中将金属加热蒸发产生金属蒸气，使其附着在基板上凝聚成薄膜。蒸镀的基板材质没有限制，从金属到陶磁都能使用。化学蒸镀虽然应用面极广，但其成膜速率太过缓慢，蒸镀表面不断累积高温，很难适合量产化的要求。

新型的溅镀设备几乎都使用强力磁铁将电子成螺旋状运动以加速靶材周围的氩气离子化，造成靶与氩气离子间的撞击机率增加，提高溅镀速率。一般金属镀膜大都采用直流溅镀，而不导电的陶磁材料则使用RF交流溅镀。

为了提高生产效率，本发明改以溅镀设备进行多层反射膜制造，有别于已知的方法，将可提升产能，并大大增加多层反射膜材料的可选择范围。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题，在于利用溅镀设备配合不同种类或浓度的反应气体，在一基板上沉积相邻两层的光折射率互不相同的薄膜，制成一多层反射膜。

为了达到上述目的，依据本发明的微共振腔的多层反射膜的制造步骤可包括：

(一)、在一发光元件的透明基板上进行溅镀，同时加入第一种浓度或成份的反应气体，形成具有第一种光折射率的薄膜；

(二)、持续前一步骤的溅镀，将所加入的反应气体换成第二种浓度或成份的气体；形成具有第二种光折射率的薄膜；及

(三)、重复进行前两步骤，借以形成相邻两层的光折射率皆不同的多层反射膜。

此外，可视多层反射膜的膜层数及材料之间的附着性而定，在必要时，在进行步骤(一)之前，先以涂布或溅镀的方法，在透明基板上添加一种高穿透率的高分子化合物，或是高穿透率的无机薄膜，使之至少构成一界面缓冲层(buffer layer)，如此将可减少在溅镀过程中发生多层反射膜剥落或劣化的机会。

根据本发明，可利用溅镀的方式，借由反应气体的变换、流量的调整与靶材的选择，大量生产具有相邻两层不同折射率的多层反射膜，其步骤有别于目前已知的化学蒸镀制法，借由控制反应气体的流量或浓度，即可调整个别层膜的折射率，有助于多层反射膜量产效能的提升与设备的简化。

附图说明

图1是已知的OLED元件基本结构；

图2是依据本发明所实施的发光元件的结构示意图；

图3是依据本发明所实施的基本流程。

具体实施方式

为了让本发明的上述和其他目的、特征及优点更加明显易懂，下文特举若干较佳实施例，并配合所附图示详细说明。

图1所示，是一已知的OLED元件的基本结构，包括：一透明基板10及一微共振腔20。其中微共振腔20是在透明基板10依序添加一多层反射膜22、一透明电极层23一发光材料层24及一顶部电极层25。

在透明电极层23与顶部电极层25之间外加一偏压，使发光材料层24中的电洞与电子各自从正负极注入，并在电场作用下，使电洞与电子相向移动；当电洞与电子在发光材料层24相遇结合时，因释放出能量产生光波。元件发光的颜色主要决定于元件内具有萤光特性的有机材料，此外OLED可将少量的客发光体混入主发光体中来提高元件的发光效率，并可使发光的颜色横跨整个可见光区。

按目前已知的制程，多层反射膜22设于透明基板10与透明电极层23之间，可以化学蒸镀的方法直接蒸镀在透明基板10上，产生多层具有不同折射率(refractive index)的薄膜，借由膜厚与折射指数的搭配，使特定波长的光线通过时因相位位移(phase sfift)而重叠共振。利用此共振的原理，使彩色OLED萤幕的红、绿与蓝等三原色光的强度增加。

实施范例一

参考图2及图3所示。依据本发明的多层反射膜22的制造步骤，可包括：

(一)、溅镀沉积第一多层反射膜30。此步骤可以硅为靶材，氮(N₂)为反应气体，利用一射频(RF)溅镀设备在透明基材上进行溅镀，沉积一氮化硅(Si_xN_y)薄层；

(二)、溅镀沉积第二多层反射膜40。将反应气体更换为氧(O₂)，继续以同一设备及靶材进行溅镀，在透明基材上沉积一氧化硅(SiO_x)薄层膜；及

(三)、重复进行前两步骤50，借以沉积形成相邻两层的光折射率互不相同的多层反射膜。

前述氮化硅与氧化硅的沉积次序可以互换，但溅镀的膜厚应控制在：λ/4n左右；其中

λ：光的波长

n：材料的折射指数(Refractive Index)

上述的透明基板10材料，可选用玻璃质或透明塑胶制造。例如，采用透光性良好的聚碳酸脂(Polycarbonate，PC)作为透明基板10材料。若考虑连续多层溅镀或担心溅镀材料与透明基板10之间粘附力不足，可先在透明基板10表面旋涂或溅镀一界面缓冲层21。界面缓冲层21可选用高透明性的高分子材料，或是高透明性的无机材料；例如旋涂一层来自日本DIC公司出产的型号SD-101或SD-715高分子胶(lacquer)，已在量产测试中证实本发明中缓冲层(buffer layer)的效果。

实施范例二

同样可参考图2及图3所示。依据本发明的多层反射膜22的制造步骤，也可包括：

(一)、溅镀沉积第一多层反射膜30。此步骤可以硅为靶材，氧(O₂)为反应气体，利用一射频(RF)溅镀设备在透明基材上进行溅镀，沉积一氧化硅(SiO₂)薄层；

(二)、溅镀沉积第二多层反射膜40。将反应气体更换为氧化氮(NO)，继续以同一设备及靶材进行溅镀，在透明基材上沉积一氮氧化硅(SiN_xO_y)薄层膜；及

(二)、重复进行前两步骤50，借以沉积形成相邻两层的光折射率互不相同的多层反射膜。

前述氮化硅与氮氧化硅的沉积次序可以互换，但溅镀的膜厚仍应控制在：λ/4n左右；其中：

λ：光的波长

n：材料的折射指数(Refractive Index)

其余有关透明基板及缓冲层的选择及应用，请参照实施例一的介绍。

实施范例三

参考图2及图3所示。依据本发明的多层反射膜22的制造步骤，也可包括：

(一)、溅镀沉积第一多层反射膜30。此步骤可以硅为靶材，以较低浓度的氧(O₂)为反应气体，利用一射频(RF)溅镀设备在透明基材上进行溅镀，沉积一低比例的氧化硅(SiO₂)薄层；

(二)、溅镀沉积第二多层反射膜40。将反应气体更换为较高浓度的氧(O₂)，继续以同一设备及靶材进行溅镀，在透明基材上沉积一高比例的氧化硅(SiO₂)薄层；及

(三)、重复进行前两步骤50，借以沉积形成相邻两层的光折射率互不相同的多层反射膜。

前述氧浓度是利用进气流量的节制达成，高、低浓度的控制次序可以互换，但溅镀的膜厚仍应控制在：λ/4n左右；其中：

λ：光的波长

n：材料的折射指数(Refractive Index)

其余有关透明基板及缓冲层的选择及应用，请参前一实施例的介绍。以上各实施例的射频(RF)溅镀设备，可为低频调控(1～200KHZ，例如设定于16～17KHZ的范围)，或为高频调控(超过1MHz上)。

实施范例四

应用于本发明溅镀的靶材并不限于上述的硅材料，也可选自锌与硅混合物、硅、铝、铝钛合金、钛、钽、锗、锗合金、砷化镓、砷化铟镓、铁、铋、钙、镉、铈、铯、铟、锑铟合金、锑、钾、镧、锂、镁、钠、钕、铂、硅、铅及碲等材料的其中之一，加入不同的反应气体，例如氮、氧、氟、碳……或其他已知的反应气体，将可利用本发明所公开的步骤，在基板上沉积任何两种或两种以上的组合交错组合，形成任何相邻两层的光折射率互异的多层膜结构。

应用本发明，利用溅镀可将上述靶材沉积为薄膜，包括：硫化锌与氧化硅混合物(ZnS-SiO₂)、氧化硅(SiO_x)、氮氧化硅(SiO_xN_y)、氧化铝(Al)、铝钛氮化物(AlTiN)、氧化钛(TiO₂)、氧化钽(Ta₂O₅)、锗(Ge)及锗合金的氮化物或氧化物、砷化镓(GaAs)、砷化铟镓(GaInAs)、三氧化二铁(Fe₂O₃)、四氧化三铁(Fe₃O₄)、氮化铋(Bi₂N_x)、氧化铋(Bi₂O₃)、氟化钙(CaF₂)、氧化钙(CaO)、镉(Cd)的氧化镉(CdO)、硫化镉(Cd₂O₃或CdS)、铈(Ce)的氧化物或氟化物(CeO₂或CeF₂)、溴化铯(CsBr)、碘化铯(CsI)、砷化铟(InAs)、锑铟合金(InSb)、氧化铟(In₂O₂)、溴化钾(KBr)、氟化物(KCl)、氧化镧(La₂O₃)、氟化镧(LaF₃)、氟化锂(LiF)、氧化镁(MgO)、氟化镁(MgF₂)、氟化钠(NaF)、氧化钕(Nd₂O₃)、氟化钕(NdF或NdF₃)、氧化铂(PtO₂)、氧化锑(Sb₂O₃)、硫化锑(Sb₂S₃)、碳化硅(SiC)，及氯化铅(PbCl)、氟化铅(PbF₂)、硫化铅(PbS)或碲化铅(PbTe)等其中的任何两种或两种以上。

兹举例如下：

(一)、溅镀沉积第一多层反射膜30。此步骤可以硫化锌与氧化硅混合物为靶材，利用一射频(RF)溅镀设备在透明基材上进行溅镀，沉积一硫化锌与氧化硅混合物(ZnS-SiO₂)薄膜；

(二)、溅镀沉积第二多层反射膜40。换以氮化铝(AlN)为靶材，利用一射频(RF)溅镀设备在前一层薄膜上沉积一氮化铝(AlN)薄膜；及

(三)、重复进行前两步骤50，借以沉积形成相邻两层的光折射率皆不同的多层反射膜。

前述氧浓度是利用进气流量的节制达成，高、低浓度的控制次序可以互换，但溅镀的膜厚仍应控制在：入/4n左右；其中：

λ：光的波长

n：材料的折射指数(Refractive Index)

以上请参考图3所示。其余有关透明基板及缓冲层的选择及应用，仍请参考实施例一的介绍。

本发明已经以较佳实施例公开如上，然其目的并非用以限定本发明，任何熟习本项发明技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，所做的等效的设计与润饰仍应包含在本发明的专利保护范围内。

Claims (15)

1、一种多层反射膜的制程，其特征在于制造步骤至少包括：

(a)溅镀沉积第一多层反射膜，在一发光元件的透明基板上进行溅镀，同时加入第一种反应气体，形成具有第一种光折射率的薄膜；

(b)溅镀沉积第二多层反射膜，持续前一步骤的溅镀，将前述第一种反应气体换成第二种反应气体，借以形成具有第二种光折射率的薄膜；及

(c)重复进行前两步骤，借以形成一种相邻两层的光折射率皆不同的多层反射膜。

2、如权利要求1所述的多层反射膜的制程，其特征在于所述的溅镀制程所采用的靶材是选自锌、硅混合物、硅、铝、铝钛合金、钛、钽、锗、锗合金、砷化镓、砷化铟镓、铁、铋、钙、镉、铈、铯、铟、锑铟合金、锑、钾、镧、锂、镁、钠、钕、铂、硅、铅及碲的组合的其中之一。

3、如权利要求2所述的多层反射膜的制程，其特征在于所述的多层反射膜的材质属于硫化锌、氧化硅混合物(ZnS-SiO₂)、氧化硅(SiO_x)、氮氧化硅(SiO_xN_y)、氧化铝(Al)、铝钛氮化物(AlTiN)、氧化钛(TiO₂)、氧化钽(Ta₂O₅)、锗(Ge)及锗合金的氮化物或氧化物、砷化镓(GaAs)、砷化铟镓(GaInAs)、三氧化二铁(Fe₂O₃)、四氧化三铁(Fe₃O₄)、氮化铋(Bi₂N_x)、氧化铋(Bi₂O₃)、氟化钙(CaF₂)、氧化钙(CaO)、镉(Cd)的氧化镉(CdO)、硫化镉(Cd₂O₃或CdS)、铈(Ce)的氧化物或氟化物(CeO₂或CeF₂)、溴化铯(CsBr)、碘化铯(CsI)、砷化铟(InAs)、锑铟合金(InSb)、氧化铟(In₂O₂)、溴化钾(KBr)、氟化物(KCl)、氧化镧(La₂O₃)、氟化镧(LaF₃)、氟化锂(LiF)、氧化镁(MgO)、氟化镁(MgF₂)、氟化钠(NaF)、氧化钕(Nd₂O₃)、氟化钕(NdF或NdF₃)、氧化铂(PtO₂)、氧化锑(Sb₂O₃)、硫化锑(Sb₂S₃)、碳化硅(SiC)、氯化铅(PbCl)、氟化铅(PbF₂)、硫化铅(PbS)及碲化铅(PbTe)的组合中的任何两种或两种以上。

4、如权利要求1所述的多层反射膜的制程，其特征在于所述的溅镀该第一多层反射膜的靶材为硫化锌与氧化硅混合物(ZnS-SiO₂)，而溅镀该第二多层反射膜的靶材为氮化铝(AlN)。

5、如权利要求1所述的多层反射膜的制程，其特征在于所述的用于溅镀该第一多层反射膜的靶材为氮化铝(AlN)，而溅镀该第二多层反射膜的靶材则为硫化锌与氧化硅混合物(ZnS-SiO₂)。

6、如权利要求1所述的多层反射膜的制程，其特征在于所述的溅镀的靶材为硅，该第一种反应气体为氮(N₂)，该第二种反应气体为氧(O₂)。

7、如权利要求1所述的多层反射膜的制程，其特征在于所述的溅镀的靶材为硅，该第一种反应气体为氧(O₂)，该第二种反应气体为氮(N₂)。

8、如权利要求1所述的多层反射膜的制程，其特征在于所述的溅镀的靶材为硅，该第一种反应气体为氧(O₂)，该第二种反应气体为氧化氮(NO)。

9、如权利要求1所述的多层反射膜的制程，其特征在于所述的溅镀的靶材为硅，该第一种反应气体为氧化氮(NO)，而该第二种反应气体为氧(O₂)。

10、如权利要求1所述的多层反射膜的制程，其特征在于所述的溅镀的靶材为硅，该第一种反应气体与该第二种反应气体为同一种气体，其中只有浓度的不同。

11、如权利要求1所述的多层反射膜的制程，其特征在于是以不同的速率通入同一反应气体，使造成不同浓度而分别成为该第一种反应气体与该第二种反应气体。

12、如权利要求1所述的多层反射膜的制程，其特征在于所述的溅镀是利用一射频(RF)溅镀设备在该透明基板上进行溅镀。

13、如权利要求12所述的多层反射膜的制程，其特征在于所述的溅镀设备的操作射频介于1～200KHz的范围。

14、如权利要求12所述的多层反射膜的制程，其特征在于所述的溅镀设备的操作射频介于16～17KHz的范围。

15、如权利要求12所述的多层反射膜的制程，其特征在于所述的溅镀设备的操作射频高于1MHz以上。

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