｜低應力複合阻障薄膜封裝技術與應用

摘要：本研究利用感應耦合電漿化學氣相沉積系統，在可撓式塑膠基板上製備具低應力之有機矽基/無機氧化矽氣體阻障層薄膜，並利用彎曲測試儀器探討氣體阻障層薄膜於不同撓曲曲率及彎曲次數後之可靠度。研究結果顯示，在聚乙烯對苯二甲酸酯可撓式塑膠基板（PET）上所沉積之低應力氣體阻障層薄膜，在大於撓曲曲率半徑20 mm時，其水氣阻障能力並無顯著劣化的現象。當多對氣體阻障層薄膜於撓曲測試後，其多對有機矽基/氧化矽薄膜結構仍然維持良好的水氣阻障能力，顯示出此多層結構在可撓式基板上具有優異之撓曲可靠性。最後，將高阻障性能之有機矽基/氧化矽薄膜結構應用於有機發光二極體的封裝製程上，結果顯示出此封裝結構能有效地提升有機發光二極體壽命。

Abstract: A low-stress gas barrier film using an organosilicon/silicon oxide multilayer barrier structure deposited on flexible plastic substrates was prepared by inductively coupled plasma chemical vapor deposition (ICP-CVD). The mechanical reliability of gas barrier structure deposited onto the flexible plastic substrate after the bending test at various curvatures and flexible cycles was discussed. As a result, the vapor barrier performance of low-stress gas barrier films deposited onto the polyethylene terephthalate (PET) substrate shows no evident variation under a bending curvature of 20 mm. For cyclic bending test on the PET substrate coated with the organosilicon/silicon oxide multilayer barrier structure, the deposited films still maintain their water vapor transmission rate (WVTR) value after the bending test, indicating that the low-stress multilayer barrier structure has an excellent flexible reliability. Finally, the organic/inorganic barrier structure with a high vapor barrier property was applied to the encapsulation of organic light emitting diode (OLED) device. Such gas barrier structure causes the operation lifetime of OLED to increase.

關鍵詞：感應耦合電漿化學氣相沉積系統、可撓式塑膠基板、氣體阻障層

Keywords：Inductively coupled plasma chemical vapor deposition, Flexible plastic substrates, Gas Barrier

前言
近年來軟性電子蓬勃發展，相關技術開發也已逐漸成熟，其中又以有機發光二極體（Organic light emitting diode, OLED）在可撓式基板上之應用最為熱門，其原因為可大面積製造、薄、具彎曲性與不易碎等優點，且其製程適用於捲對捲傳輸設備製造，但目前OLED一直無法大量推廣應用，其原因之一為其壽命問題較難克服，因此封裝技術的開發為現今國際上努力的方向。一般常見的封裝方式有傳統玻璃封蓋法（glass of traditional lid）、可撓式塑膠封蓋法（laminated barrier-coated lid）及薄膜封裝法（monolithic thin film）[1]，由於現今產品朝向輕、薄、短、小且需兼顧可撓性的趨勢發展，所以OLED的封裝方式亦朝以薄膜化製作氣體阻障層之型態進行[2-6]。在氣體阻障層的研究中又以氧化矽（SiOx）無機薄膜之開發居多，此乃由於氧化矽薄膜具有傑出的絕緣性、薄膜緻密性、光學性質、化性和機械性質等，且有眾多成膜設備及可選擇之前驅物進行生產，因此，近二十年來有許多學者及研究單位投入SiOx薄膜的研究領域。然而，當無機薄膜沉積至一定厚度時，其薄膜的氣體阻障特性不會隨著薄膜厚度增加而提高，這是由於薄膜內部的內應力會隨著膜厚的增加而有上昇的趨勢，到最後其氣體阻障層膜材會有微破裂的現象產生，因此需加入有機薄膜材料以降低無機層薄膜的應力累積，達到較低的氣體滲透率，其中最成功的技術為Vitex Systems公司分別利用濺鍍及蒸鍍沉積系統，開發出多層有機及無機薄膜交錯堆疊之複合膜氣體阻障層，但由於此技術需在不同設備交互成膜，流程較為複雜，且其封裝結構具有高度專利性，因此若使用此技術不僅需購置成本昂貴之設備且需付高額之專利使用費用，此外，此封裝技術之單一層有機薄膜厚度約需1 μm以上，其應力釋放之效果才能展現，而經由此技術多層堆疊後之封裝厚度約達數μm，較無法符合軟性電子所需之輕、薄之需求。有鑑於此，工研院南分院雷射應用科技中心軟電製程設備部於98年度起，即開始進行開發單一腔體式薄膜封裝製程設備技術，並利用此技術降低有機層薄膜厚度並維持其功效，且於多層堆疊後之厚度控制約為1 μm，較符合軟性電子之輕、薄需求。圖1（a）為自行開發之感應耦合電漿化學氣相沉積系統（Inductively coupled plasma chemical vapor deposition, ICP-CVD），圖1（b）為此沉積系統電漿模組示意圖，其電漿源激發型態使用感應式耦合電漿（Inductively Coupled Plasma, ICP），與常見電容式耦合電漿（Capacitive Coupling Plasma, CCP）的差異在於CCP電子能量是兩電極板之電位差加速電子，因此電子運動方向與電極垂直，大部分沒有與中性氣體分子碰撞之電子會撞擊到電極，造成能量的消耗並加熱電極板，又因為基板通常放置在兩電極板之間，因此造成離子轟擊基板進而造成軟板溫度升高並會損傷基板上之元件，而感應式耦合電漿其原理為將線圈通以RF Power，線圈上產生時變之電流進而產生磁場，利用法拉第定律可得知磁場會產生一反方向感應電動勢，此電場經由介電層傳至腔體，腔體內的電子受到電場加速獲得能量，撞擊中性氣體產生游離化並產生電漿，由於感應式耦合電漿受感應電場之影響，其運動方向與電極平行，因此離子轟擊的現象較不明顯，適合應用於軟性基板或是元件製程上。圖1（c）為採用感應耦合電漿技術之高密度電漿量測結果，由圖中可看出藉由功率及腔壓之控制，電漿密達可達1012/cm3以上，此將有助於調控氣體分子解離程度，對於開發阻氣膜製程有很大的幫助。

南分院雷射中心自行開發並聯式感應耦合式化學氣相沉積系統，具有簡易、低成本、可大型化生產等特點，且其開發之設備具有自主專利性。藉由ICP高電漿密度的特性，可控制氣體分子解離狀況，配合單一前驅物六甲基二聚矽氧烷單體（HMDSO），開發出單一腔體可調變有機/無機多層薄膜封裝技術應用於可撓式塑膠基板上，但由於採用薄膜封裝需多層堆疊才有高阻水氧效果，因此以此種單一材料於多層堆疊間如何做好應力控制，是影響阻氣效果極為關鍵之處。此外，由於塑膠基板本身具有撓曲性，當封裝薄膜應用於此相關產品時，必須能夠承受多次撓曲變化，否則基材一扭曲將會導致薄膜產生碎裂或微裂縫的情形發生，進而影響薄膜的氣體阻障特性。因此，如何在多層堆疊架構下做好應力之控制，並可實際應用於OLED光電元件壽命測試上，本文將會針對上述需求進行說明。期許藉由本製程及設備技術之開發可協助國內面板相關廠商，利用既有的玻璃製程優勢，轉進軟性顯示器或其他軟性電子元件的生產，並協助國內設備業者建立軟性電子領域設備自主能力並提升國內軟性電子產業生產能量。