JP5151004B2

JP5151004B2 - メタルマスクユニット及びその製造方法

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Publication number: JP5151004B2
Application number: JP2004356257A
Authority: JP
Inventors: 輝直土屋
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2024-12-09
Also published as: JP2006164815A; CN1965420A; CN100517796C

Description

本発明は、例えば、有機ＥＬ素子製造における蒸着工程で蒸着マスクとして用いるのに好適なメタルマスクユニット並びにその製造方法に関し、また、そのメタルマスクユニットを用いた有機ＥＬ素子材料の蒸着方法にも関する。

従来、有機ＥＬ素子製造において真空蒸着が行われており、その蒸着マスクとして、蒸着を許容する多数の細長い微少な開口部を備えたマスク部を有するメタルマスクが使用されている。そして蒸着に当たってはそのメタルマスクを、前記マスク部よりも大きい開口を備えた剛性の大きい窓枠形状のフレームに磁石等によって取り付けていた。しかしながら、近年、パターニングの微細化が進み、マスク部に形成している開口部が微細になり且つメタルマスクの板厚自体も薄くなってくると、メタルマスクを単に窓枠形状のフレームに磁石等を用いて固定しただけでは、マスク部にゆがみやたるみが生じ、開口部の精度が維持できなくなるという問題が生じた。

そこで、本出願人はこの問題を解決すべく検討の結果、図８に示すように、極く薄い金属板で製作し且つ複数のマスク部２を形成した構造の多面付けのメタルマスク１でも、メタルマスク１の４辺のそれぞれを、複数のクランプで把持し、各クランプによってメタルマスク１に矢印で示すようにテンションを付加し、且つそのテンションを各クランプごとに調整することで、メタルマスク１をゆがみやたるみの無い平坦な状態とし且つ各マスク部２の開口部を一定ピッチに保持でき、しかも、その状態で窓枠形状のフレーム３にスポット溶接等によって取り付け、周縁の不要部分を除去することで、図９に示すように、メタルマスク１をテンションが付加され平坦となった状態に保持した構造のメタルマスクユニット８を形成しうることを見出し、メタルマスクをゆがみやたるみの無い状態で窓枠形状のフレームに固定する方法及び装置を開発した（特開２００４−３１１３３５号公報参照）。

ところが、このように形成したメタルマスクユニット８においても更に改良すべき点のあることが判明した。すなわち、メタルマスクユニット８はフレーム３の片面にテンションを付加した状態のメタルマスク１を取り付けているため、図１０に誇張して示すように、メタルマスク１側が凹面となるように反りが発生する。このような反りのあるメタルマスクユニット８を蒸着マスクとして使用する場合、ガラス基板などの被蒸着基材とメタルマスクとの密着性が悪くなり、蒸着のパターン位置精度が低下してしまう。このため、反りの大きさ（図１０における寸法ｅ）を、適当な許容値（例えば、縦５００ｍｍ×横５００ｍｍのメタルマスクユニット８において０．１ｍｍ程度）以下に抑える必要がある。メタルマスクユニット８に生じる反りを抑制するには、フレームの厚さを大きくして剛性を増せばよいが、そうすると重量が大きくなって取り扱いにくくなり、また、コストも高くなる。
特開２００４−３１１３３５号公報

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、窓枠形状のフレームにテンションを付加した状態のメタルマスクを固定した構造のメタルマスクユニットにおいて、フレームの厚さを増大させて剛性を大きくしなくても、メタルマスクユニットに生じる反りを抑制して平面度を高めることの可能なメタルマスクユニット並びにその製造方法を提供することを課題とする。

本願請求項１に係る発明は、窓枠形状のフレームと、該フレームの表面に、縦方向及び横方向の少なくとも一方のテンションを付加した状態で固定されたメタルマスクとを備えたメタルマスクユニットにおいて、メタルマスクのテンションによって生じる恐れのある反りを防止するため、前記フレームの裏面に、長手方向にテンションを付加した金属テープを、前記メタルマスクに付加したテンションの方向に平行となるように取り付けておくという構成としたものである。

ここで、メタルマスクに付加するテンションの方向は、メタルマスクをゆがみやたわみのない平坦な状態に張ることができれば、メタルマスクの縦方向のみ或いは横方向のみとしてもよく、その場合には、フレーム裏面に取り付ける金属テープは、フレームの縦方向のみ或いは横方向のみに平行に配置すればよい。複数のマスク部を備えた多面付け用のメタルマスクでは、メタルマスクをゆがみやたわみのない平坦な状態に張るには、縦方向及び横方向の両方向にテンションを付加することが好ましい。そこで、請求項２に係る発明は、上記した請求項１に係る発明において、前記メタルマスクを複数のマスク部を備えた構造のものとすると共に縦方向及び横方向のテンションを付加しておき、前記金属テープを窓枠形状のフレームの４辺にそれぞれ取り付ける構成としたものである。

請求項３に係る発明は、上記した請求項１又は２に係る発明において、前記金属テープの両端近傍をスポット溶接で前記フレームに固定することで、フレームに取り付ける構成としたものであり、この構成により金属テープをフレームに簡単な操作で強固に取り付けることができ、且つ取り付け後の構造を単純なものとすることができる。

請求項４に係る発明は、上記したメタルマスクユニットの製造方法を提供するもので、窓枠形状のフレームの表面に、該フレームよりも大きいサイズのメタルマスクを、該メタルマスクに縦方向及び横方向の少なくとも一方のテンションを付加した状態で取り付ける工程と、前記フレームに取り付けたメタルマスクの周縁の不要部分を除去する工程と、前記フレームの裏面に、該フレームよりも長い長さの金属テープを、長手方向にテンションを付加した状態で、前記メタルマスクに付加したテンションの方向に平行に取り付ける工程と、前記フレームに取り付けた金属テープ両端の不要部分を除去する工程を有する構成としたものである。

請求項５に係る発明は、上記した請求項１から３のいずれか１項記載のメタルマスクユニットを用いて、有機ＥＬ素子の有機層又はカソード電極を蒸着することを特徴とする、有機ＥＬ素子材料の蒸着方法である。

本発明のメタルマスクユニットでは、フレームの表面側に取り付けているメタルマスクのテンションによって生じるフレームの反りを、フレーム裏面側に取り付けた金属テープのテンションで減少させることができ、フレームの剛性を増すことなく、反りを小さくして平面度を向上でき、このため、蒸着マスクとして使用した場合にガラス基板などの被蒸着基材に対する密着性が向上し、蒸着のパターン位置精度を向上できる。

本発明のメタルマスクユニットは、蒸着のみならず、マスキングが必要な任意の用途に使用できるが、特に、高精細パターニングが要求される有機ＥＬ素子の有機層又はカソード電極の蒸着に用いることが好ましく、このメタルマスクユニットを用いて、有機ＥＬ素子の有機層又はカソード電極を蒸着することで、高精細パターンの有機層又はカソード電極を高品質で且つ生産性良く形成することができる。

以下、有機ＥＬ素子製造における多面付けの蒸着マスクとして使用するメタルマスクユニットを例にとって本発明の好適な実施の形態を説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態に係るメタルマスクユニットを表面側から見た概略斜視図、図１（ｂ）はそのメタルマスクユニットを裏面側から見た概略斜視図、図２はそのメタルマスクユニットを構成する部品を組立前の状態で示す概略斜視図である。図１、図２において、全体を参照符号１０で示すメタルマスクユニットは、窓枠形状のフレーム１３と、その表面にテンションを付加された状態で取り付けられたメタルマスク１１と、フレーム１３の裏面にテンションを付加された状態で取り付けられた金属テープ１７、１８を備えている。

メタルマスク１１は、金属薄板製のもので、複数のマスク部１２を縦横に並べて形成している。各マスク部１２は、エッチング等によって形成した多数の微少な開口部を備えたものである。各マスク部１２における開口部は、蒸着時に蒸気の通過を許容するためのものであり、その開口部の形状、配列は任意であり、例えば、細長いスリット状の開口部を平行に並べたもの、スロット状の開口部を縦方向に並べると共に平行にも並べたもの等を挙げることができる。フレーム１３に取り付ける前のメタルマスク１１は、フレーム１３よりも縦横両方向ともに大きいサイズに作られており、フレーム１３の外周縁にほぼ対応する位置に、折り曲げることで容易に切断可能な易切断線１５を形成している。なお、易切断線１５は、メタルマスク１１に加えるテンションには耐え得る強度を備えたものである。メタルマスク１１の厚さ、マスク部１２の寸法、それに形成した多数の微少な開口部の寸法等は特に限定するものではないが、代表的なものとして、メタルマスク１１の厚さは３０〜２００μｍ、マスク部１２の寸法は長さが５０〜７０ｍｍ、幅が３０〜５０ｍｍ、開口部の幅が４０〜１００μｍ、平行に配列された開口部間の無孔部分の幅が８０〜２００μｍ等を例示できる。

フレーム１３は、メタルマスク１１の多数のマスク部１２を形成した領域を包含する大きさの開口１４を備えた窓枠形状のものである。このフレーム１３は、テンションを付加した状態のメタルマスク１１を取り付けた後においても、そのメタルマスク１１のテンションによってたわんでメタルマスクにゆがみやたるみが生じることがないよう、また、保管時、蒸着機への取付時、蒸着操作時などの取り扱い時においても、メタルマスク１１を平坦な状態に保持しうる剛性を備えたものである。なお、テンションを付加したメタルマスク１１を取り付けた時点（金属テープを取り付ける前の時点）において多少の反り（例えば、縦５００ｍｍ×横５００ｍｍのフレーム１３において０．２〜０．５ｍｍ程度の反り）が生じても、後で金属テープ１７、１８を取り付けて矯正しうるので、そのような小さい反りまで生じさせないような大きい剛性を持たせる必要はない。フレーム１３の厚さとしては、２ｍｍ〜３０ｍｍ程度を例示でき、幅（開口１４の内周面とフレーム外周面との距離）としては、５ｍｍ〜５０ｍｍ程度を例示できる。フレーム１３の裏面には、金属テープ１７、１８を取り付けるエリアに溝状の掘り込み２０を入れている。

金属テープ１７、１８は、それに長手方向のテンションを付加した状態でフレーム１３に取り付けることでメタルマスクユニット１０の反りを許容範囲内に抑えるためのものである。金属テープ１７、１８の幅及び厚さは、弾性領域内で必要な大きさのテンションを加えることができるように選定されるものであり、例えば、幅は５〜５０ｍｍ、厚さは５０〜２００μｍ程度に選定される。フレーム１３に取り付ける前の金属テープ１７、１８の長さは、フレーム１３よりも長くしておく。

次に、メタルマスクユニット１０の製造方法を説明する。あらかじめ、図２に示すメタルマスク１１、フレーム１３、金属テープ１７、１８を用意しておく。まず、フレーム１３の上にメタルマスク１１を乗せ、図３、図４に示すように、そのメタルマスク１１の４辺のそれぞれを、複数のクランプ２３で把持させ、各クランプ２３に連結しているエアシリンダ等の駆動手段２４を作動させて、各クランプ２３を矢印で示すように縦横方向に引っ張り、メタルマスク１１にテンションを付加する。ここで、メタルマスク１１の４辺にそれぞれ設けている複数のクランプ２３は、マスク部１２の列と、マスク部の無い領域とに合わせて配置しており、従って、メタルマスク１１のマスク部１２を形成した領域と、マスク部の無い領域とをそれぞれ別個のクランプ２３で引っ張ってテンションを付加することが可能であり、これによって、メタルマスク１１の剛性の異なる領域をそれぞれ別個のクランプ２３でテンション付加することができる。そして、メタルマスク１１の各辺を複数のクランプ２３で把持して引っ張った状態で、メタルマスク１１の表面状態を目視検査し、ゆがみやたるみがあれば、その領域を引っ張っているクランプ２３に加える引張力を調整し、メタルマスク１１をゆがみやたるみのない平坦な状態で且つマスク部１２の開口部が平行に引き揃えられた状態に調整する。また、メタルマスク１１に形成している各マスク部１２の位置を検査し、各マスク部が所定の寸法精度内の位置に入るように、各クランプ２３の引張力を調整する。以上により、メタルマスク１１をゆがみやたるみの無い状態で且つ各マスク部１２が所定の寸法精度範囲内に位置する状態とすることができる。その後、この状態で、メタルマスク１１の周縁部分をフレーム１３に、レーザ光を用いてスポット溶接し（スポット溶接部３０参照）、固定する。その後、クランプ２３を外し、メタルマスク１１の周縁の不要部分を易切断線１５を利用して除去する。

次に、図５に示すように、金属テープ１７を、長手方向にテンションを付加した状態で、フレーム１３の平行な２辺の裏面の掘り込み２０（図２参照）に押し当て、その両端近傍をレーザ光を用いてスポット溶接し（符号３２参照）、固定する。その後、金属テープ１７の両端の不要部分を切断、除去する。次いで、図６に示すように、金属テープ１８を、長手方向にテンションを付加した状態で、先に金属テンション１７を取り付けた２辺に直角な２辺の裏面の掘り込み２０（図５参照）に押し当て、その両端近傍をレーザ光を用いてスポット溶接し（符号３４参照）、固定する。その後、金属テープ１８の両端の不要部分を切断、除去する。以上により、図１に示すメタルマスクユニット１０が製造される。

以上の製造工程において、テンションを付加した状態のメタルマスク１１をフレーム１３に取り付けた時点では、図７（ａ）に誇張して示すように、メタルマスク１１のテンションによってフレーム１３に反りが生じている。しかし、その後に金属テープ１７にテンションを加えた状態でフレーム１３の裏面に取り付けることで、その金属テープ１７のテンションがフレーム１３の反りを元に戻す方向に作用し、図７（ｂ）に示すように、フレーム１３の反りが減少し、平面度が向上する。メタルマスク１１には縦方向及び横方向の両方向にテンションを付加しており、フレーム１３には縦方向及び横方向の両方に反りが生じるが、金属テープ１７、１８はフレーム１３の縦方向及び横方向の両方向にテンションを加えるように取り付けられるので、金属テープ１７、１８の取り付け後では、フレーム１３は縦方向及び横方向ともに反りが抑制され、平面度が向上する。

ここで、金属テープ１７、１８に付加するテンションは、メタルマスク１１に付加したテンションに等しくしておくと、フレーム１３の両面でのテンションバランスが取れて、フレーム１３の反りを確実に無くすことができるが、実用上は、メタルマスクに付加したテンションよりもかなり小さく選定してもよい。すなわち、フレーム１３自体がかなりの剛性を持っていてメタルマスク１１のテンションを支えており、また、微少な反り（例えば、縦５００ｍｍ×横５００ｍｍのフレーム１３において０．１ｍｍ以下の反り）は許容できるので、金属テープ１７、１８に付加するテンションは、メタルマスク１１に付加したテンションの５分の１から２分の１程度でよく、具体的にはフレーム１３に生じる反りが許容範囲内となるように選定すればよい。

以上のようにして製造されたメタルマスクユニット１０では、メタルマスク１１がゆがみやたるみの無い状態で且つマスク部１２の開口部が正確に平行に揃った状態に保たれており、且つ各マスク部１２の位置も所定の寸法精度内に保たれている。また、メタルマスクユニット１０の反りも微少な許容範囲内に保たれている。その後、このメタルマスクユニット１０を用いて、所定の蒸着操作を行う。すなわち、このメタルマスクユニットにガラス基板等の被蒸着基材を取り付け、蒸着機にセットし、有機ＥＬ素子の有機層又はカソード電極の蒸着を行う。これにより、微細なパターンの蒸着を位置精度良く行うことができ、高品質の有機層又はカソード電極を形成できる。

上記構成のメタルマスクユニット１０において、メタルマスク１１、フレーム１３、金属テープ１７、１８の材質は、特に限定されず、必要な強度、剛性、エッチング適性等を備えたものを適宜選定すればよい。例えば、メタルマスク１１には、４２アロイ、ステンレス鋼、インバー材等を挙げることができ、フレーム１３にはステンレス鋼、インバー材等を挙げることができ、金属テープ１７、１８には、メタルマスク１１と同様に４２アロイ、ステンレス鋼、インバー材等を挙げることができる。このうち、メタルマスク１１と金属テープ１７、１８とは、同じ材料或いは熱膨張係数が同一若しくは近いもの（例えば、熱膨張係数の差が２０％以下のもの）を用いることが好ました。このように材質選定をしておくと、メタルマスクユニット１０を製造時とは異なった温度環境下に置いた場合に、メタルマスク１１と金属テープ１７、１８の熱変形量に大きい差が生じることがなく、このため、メタルマスクユニット１０の反りが拡大することがない。

また、メタルマスク１１、フレーム１３、金属テープ１７、１８をすべてインバー材で形成することが一層好ましい。ここで用いるインバー材としては、Ｆｅ−３６％Ｎｉの標準組成のものでもよいし、この標準組成のＮｉの一部をＣｏに置換したもの、或いは微量のＭｎを添加したものでもよい。これらのインバー材はきわめて低い熱膨張率を示しており、例えば、Ｆｅ−３６％Ｎｉの標準組成のものでは、熱膨張率が１．２×１０^-6／Ｋ程度であり、また、標準組成のＮｉの一部をＣｏに置換したもの、或いは微量のＭｎを添加したものでは、熱膨張率が０．１×１０^-6／Ｋ程度である。このようなインバー材を用いると、メタルマスクユニット１０を製造時とは異なった温度環境下に置いた場合、メタルマスク１１、フレーム１３、金属テープ１７、１８の熱変形量に差がほとんどなく、しかもその熱変形量はきわめて小さい。このため、メタルマスクユニット１０に反りが生じてメタルマスク１１にたわみやゆがみが生じることがなく、且つ各マスク部１２の位置の変動もきわめて微小である。かくして、どのような温度環境下に置かれても、微細なパターンの蒸着を位置精度良く行うことができ、温度管理が容易となる。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、本発明はこれに限らず、特許請求の範囲の記載内で適宜変更可能である。例えば、メタルマスク１１の周縁部分のフレーム１３に対する固定方法としては、レーザ光によるスポット溶接に限らず、接着剤による固定、ねじ止め等に変更してもよい。また、金属テープ１７、１８の固定方法も、レーザ光によるスポット溶接に限らず、接着剤による固定、ねじ止め等に変更してもよい。ただし、実施の形態のようにレーザ光によるスポット溶接を用いると、ねじ止め等に比べて作業が簡単で且つ固定が確実であり、固定後の構造が単純であるといった利点が得られる。更に、金属テープ１７、１８の固定位置も、両端のみに限らず、中間の適当な位置の固定を併用してもよい。

更に、上記した実施の形態では、メタルマスク１１をフレーム１３に固定する際に、メタルマスク１１の４辺をそれぞれ、マスク部１２に対応する領域とマスク部のない領域に対応して設けた複数のクランプ２３で把持してテンションを付加しているが、メタルマスク１１にテンションを付加する手段はこの構成に限らず、メタルマスク１１をゆがみやたわみの無い平坦な状態に引っ張り、且つマスク部の開口部を平行に引き揃えることができれば、適宜変更可能である。例えば、メタルマスク１１の各辺に設ける複数のクランプの個数やクランプの幅を変更する等の変更を加えても良い。

更に、上記の実施の形態では、メタルマスク１１に縦横両方向にテンションを加えて平坦な状態としているが、メタルマスクによっては縦方向のみ或いは横方向のみにテンションを加えることで、メタルマスクをゆがみやたるみの無い状態に引き揃えることができる場合がある。本発明はその場合をも包含するものであり、その場合には、金属テープはフレームの４辺に設ける必要はなく、メタルマスクに付加したテンションの方向に平行な辺のみに、金属テープを取り付ければ良い。また、上記の実施の形態では、金属テープ１７、１８の全面がフレーム１３の開口１４を取り囲む枠の部分に重なるように取り付けているが、金属テープの取り付け位置はこれに限らず、フレーム１３に固定したメタルマスク１１のマスク部１２に干渉しない範囲で開口１４を横切るように金属テープを取り付ける構成としてもよい。

本発明のメタルマスクユニットは、高精細パターニングが要求される有機ＥＬ素子の有機層又はカソード電極の蒸着に用いることが好ましいが、これに限らず、他の用途における蒸着に用いても良く、更には、蒸着以外のマスキングが必要な用途に用いても良い。

（ａ）は本発明の実施の形態に係るメタルマスクユニットを表面側から見た概略斜視図、（ｂ）はそのメタルマスクユニットを裏面側から見た概略斜視図図１に示すメタルマスクユニットを構成する部品を組立前の状態で示す概略斜視図メタルマスクにテンションを付加してフレームに取り付ける状態を示す概略平面図メタルマスクにテンションを付加してフレームに取り付ける状態を示す概略斜視図金属テープにテンションを付加してフレームに取り付ける状態を示す概略斜視図金属テープにテンションを付加してフレームに取り付ける状態を示す概略斜視図（ａ）、（ｂ）はメタルマスクを取り付けたフレームの反りが金属テープで矯正されることを説明する概略側面図従来技術においてメタルマスクにテンションを付加してフレームに取り付ける状態を示す概略平面図従来のメタルマスクユニットの概略斜視図従来のメタルマスクユニットを、それに生じている反りを誇張して示す概略側面図

符号の説明

１０メタルマスクユニット
１１メタルマスク
１２マスク部
１３フレーム
１４開口
１５易切断線
１７、１８金属テープ
２０掘り込み
２３クランプ
２４駆動手段（エアシリンダ）
３０、３２、３４スポット溶接部

Claims

窓枠形状のフレームと、該フレームの表面に、縦方向及び横方向の少なくとも一方のテンションを付加した状態で取り付けられたメタルマスクと、前記フレームの裏面に、長手方向にテンションを付加した状態で且つ前記メタルマスクに付加したテンションの方向に平行に取り付けられた金属テープを有することを特徴とするメタルマスクユニット。
前記メタルマスクが複数のマスク部を備えると共に縦方向及び横方向のテンションを付加されており、前記金属テープが窓枠形状のフレームの４辺にそれぞれ取り付けられていることを特徴とする請求項１記載のメタルマスクユニット。
前記金属テープが、その両端近傍をスポット溶接で前記フレームに固定されていることを特徴とする請求項１又は２記載のメタルマスクユニット。
窓枠形状のフレームの表面に、該フレームよりも大きいサイズのメタルマスクを、該メタルマスクに縦方向及び横方向の少なくとも一方のテンションを付加した状態で取り付ける工程と、前記フレームに取り付けたメタルマスクの周縁の不要部分を除去する工程と、前記フレームの裏面に、該フレームよりも長い長さの金属テープを、長手方向にテンションを付加した状態で、前記メタルマスクに付加したテンションの方向に平行に取り付ける工程と、前記フレームに取り付けた金属テープ両端の不要部分を除去する工程を有するメタルマスクユニットの製造方法。
請求項１から３のいずれか１項記載のメタルマスクユニットを用いて、有機ＥＬ素子の有機層又はカソード電極を蒸着することを特徴とする、有機ＥＬ素子材料の蒸着方法。