一种抗磁掩膜板及其制备方法与气相沉积设备

技术领域

本发明涉及气相沉积技术领域，尤其涉及一种抗磁掩膜板及其制备方法与气相沉积设备。

背景技术

气相沉积技术，包括热蒸镀真空气相沉积，磁控溅射，分子束沉积，化学气相沉积，原子层沉积等各种物理和化学气相沉积方法。掩模气相沉积方法是在对衬底进行气相沉积的过程中，以一个具有特定排列孔洞的薄膜或薄板遮挡在衬底的薄膜沉积表面，使被薄膜或薄板遮挡区域无法沉积薄膜，孔洞区域沉积薄膜。这个用来使衬底在薄膜沉积过程中区域选择性沉积薄膜的薄膜或薄板装置，一般被称为掩模板或掩膜版。

对于掩模图案非常小的精细掩模板，为了降低堵孔和阴影效应，掩模板的厚度要非常小，这造成掩模板在布置在气相沉积设备的上方时，掩模板在重力的作用下会产生一定的下垂，使得掩模板与衬底之间产生较大的间隙，这造成阴影效应的加剧，降低了薄膜沉积图案的质量。现有精细掩模为了减小掩模板的下垂，往往是使用强度非常高的材料制作掩模板，降低其在重力作用下的下垂，但这一方法的效果一般比较有限。有的是在掩模板表面镀铁或镍等铁磁材料的薄膜，其由于掩模板处的磁感应强度只有200-300高斯，铁磁物质磁性不足，只能减缓下垂现象，无法使掩模板完全贴合衬底。而且在对衬底进行物理和化学气相薄膜沉积过程中，气相材料对衬底表面的碰撞及化学反应会使衬底和掩模板升温。对于需要制作小于100μm甚至1μm量级及以下尺度精细图案的掩模板，热膨胀会使掩模板产生形变，降低薄膜图案的质量。

如公开号为CN111926291A的专利公开了一种掩膜板及掩膜板组件，该掩膜板包括开口区以及围绕所述开口区设置的焊接区，所述开口区外设有阻挡槽。当将掩膜板焊接在框架上时，掩膜板上会形成褶皱，本发明通过在掩膜板上设置阻挡槽，阻挡槽能够阻隔断褶皱的传递，避免褶皱传递至掩膜板的开口区内，进而防止开口区的位置发生偏移。该掩膜板解决的是减少掩膜板焊接出现褶皱的风险，以提升蒸镀良率的技术问题，依然无法解决掩膜板因重力下垂和蒸镀变形的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抗磁掩膜板及其制备方法与气相沉积设备，其中的掩膜板结构简单，制作成本低，可通过抗磁的作用贴紧衬底，可有效避免掩膜板的下垂，保证了衬底蒸镀的质量。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述抗磁掩膜板，包括由低热膨胀材料和抗磁材料制备的单层或多层结构的复合膜层，所述复合膜层的像素区上均布设置有像素开口。

所述复合膜层一侧通过环形石英片与支撑框架粘接相连，所述环形石英片和支撑框架上均设置有与所述像素区相对的避让开口。

所述低热膨胀材料包括线性热膨胀系数小于2×10

所述复合膜层包括低热膨胀膜层及其上设置的抗磁膜层，所述低热膨胀膜层由所述低热膨胀材料制备而成，所述抗磁膜层由所述抗磁材料制备而成。

所述低热膨胀膜层的厚度为50-2000nm，所述抗磁膜层的厚度为50-4000nm。

所述抗磁膜层上设置有交错布置的伸缩缝，所述伸缩缝将所述抗磁膜层分割成多个区域，每个区域内设置一个所述像素开口。

所述复合膜层由所述低热膨胀材料和所述抗磁材料混合制备而成，其中低热膨胀材料与抗磁材料的质量比为1:5～5:1。

一种所述的抗磁掩膜板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备包含多个像素开口的复合膜层；

步骤2：制备环形石英片，并将复合膜层通过环形石英片与支撑框架粘接相连。

所述步骤1的制备方法包括：1)制备抗磁材料；2)将抗磁材料沉积在低热膨胀膜层上形成复合膜层；3)在复合膜层上刻蚀均布的像素开口；

或所述步骤1的制备方法包括：1)制备压印阳版；2)配置低热膨胀材料和抗磁材料的混合悬浊液；3)将得到的混合悬浊液刮涂在支撑板上后形成复合膜层，通过压印阳版压在复合膜层上，冷却后取出。

一种气相沉积设备，包括镀膜室，所述镀膜室的上部和下部分别设置有伸入其中的承载台和分子源，所述镀膜室内安装有亥姆霍兹线圈，所述亥姆霍兹线圈中部定位所述抗磁掩膜板，所述承载台上安装有冷却板，所述抗磁掩膜板和所述冷却板之间夹持有衬底。

本发明的有益效果是：

本发明通过由低热膨胀材料和抗磁材料制备单层或多层结构的复合膜层，在此复合膜层上制作出一定形状排列的像素开口的图案阵列，成为一种抗磁掩模板。此掩模板在工作过程中，通过在气相沉积设备内安装亥姆霍兹线圈，将放置衬底的掩膜板放置于亥姆霍兹线圈中部，掩膜板中的抗磁材料会排斥亥姆霍兹线圈中产生的磁感线，能够产生稳定的磁悬浮现象，从而通过磁力排斥作用可使掩膜板贴紧衬底，可有效避免掩膜板的下垂；而且在蒸镀的过程中，上述掩膜板含低热膨胀材料，变形较小，均保证了衬底蒸镀的质量。

附图说明

下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明实施例1抗磁掩膜板的剖视图；

图2为本发明实施例1抗磁掩膜板的俯视图；

图3为本发明实施例2抗磁掩膜板的剖视图；

图4为本发明气相沉积设备的结构示意图；

上述图中的标记均为：1.复合膜层，1-1.低热膨胀膜层，1-2.抗磁膜层，1-3.伸缩缝，2.像素开口，3.环形石英片，4.支撑框架，5.避让开口，6.镀膜室，7.承载台，8.分子源，9.亥姆霍兹线圈，10.冷却板，11.衬底，12.定位卡爪。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在现有技术中，精细掩膜板存在下垂和蒸镀变形的技术问题。因此，基于以上技术问题，本发明提供了一种静电吸附掩膜板及其制备方法与气相沉积设备。

如图1所示，本发明提供了一种抗磁掩膜板，包括由低热膨胀材料和抗磁材料制备的单层或多层结构的复合膜层1，该复合膜层1的像素区上均布设置有像素开口2。其中的低热膨胀材料包括线性热膨胀系数小于2×10

具体地，其中的像素开口2的形状可根据需要设置为圆形、方形及不规则形状等，像素开口2的直径或最大边长大于20nm且小于100μm。

具体地，其中的复合膜层1一侧通过环形石英片3与支撑框架4通过胶粘的方式粘接相连，环形石英片3和支撑框架4上均设置有与像素区相对的避让开口5，环形石英片3和支撑框架4为复合膜层1提供了有效支撑，其中的避让开口5避免了对像素区中多个像素开口2的遮挡，保证了衬底11的顺利蒸镀。

具体地，其中的复合膜层1包括一下两种结构：一种是多层结构：本发明以两层结构为例说明，包括低热膨胀膜层1-1及其上设置的抗磁膜层1-2，其中的低热膨胀膜层1-1由低热膨胀材料制备而成，抗磁膜层1-2由抗磁材料制备而成。其中的低热膨胀膜层1-1也可设置为由不同材质制备的多层低热膨胀膜层1-1，其中的抗磁膜层1-2也可设置为由不同抗磁材质制备的多层抗磁膜层1-2。该低热膨胀膜层1-1的厚度为50-2000nm，抗磁膜层1-2的厚度为50-4000nm。该复合膜层1靠近抗磁膜层1-2的一侧通过胶粘的方式与环形石英片3相连。抗磁膜层1-2沉积在低热膨胀膜层1-1表面，沉积的方法包括物理气相沉积、化学气相沉积。如图2所示，具体地，其中的抗磁膜层1-2上设置有交错布置的伸缩缝1-3，伸缩缝1-3将抗磁膜层1-2分割成多个区域，每个区域内设置一个像素开口2。伸缩缝1-3通过选择性刻蚀的方法将每个像素开口2处的抗磁膜层1-2分隔开，可降低掩模板工作过程中抗磁膜层1-2和低热膨胀膜层1-1在温度升高时发生热膨胀，进而导致抗磁膜层1-2产生褶皱甚至与低热膨胀膜层1-1分离的问题。当然，对于本身就具有一定柔性的低热膨胀膜层1-1而言，这种热胀冷缩导致的膜层分离问题通常不存在或很小，也可以不制作伸缩缝1-3。

另一种是单层结构，如图3所示，即该复合膜层1由低热膨胀材料和抗磁材料混合制备而成，其中低热膨胀材料与抗磁材料的质量比为1:5～5:1。低热膨胀材料和抗磁材料热混合后形成溶液，可通过涂布、压印的方式制备成型。

一种抗磁掩膜板的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备包含多个像素开口2的复合膜层1。当上述复合膜层1为多层结构时，其制备方法包括：1)制备抗磁材料：将抗磁材料热解或将抗磁材料热解后与环氧树脂等具有粘性的材质混合得到混合材料；2)将抗磁材料沉积在低热膨胀膜层1-1上形成复合膜层1：通过涂布的方法将抗磁材料沉积在低热膨胀膜层1-1表面；3)在复合膜层1上刻蚀(激光刻蚀或化学刻蚀等)均布的像素开口2。当上述符合膜层为单层结构时，其制备方法包括：1)制备压印阳版2)配置低热膨胀材料和抗磁材料的混合悬浊液：3)将得到的混合悬浊液刮涂在支撑板上后形成复合膜层1，通过压印阳版压在复合膜层1上，冷却后取出。

步骤2：制备环形石英片3，并将复合膜层1通过环形石英片3与支撑框架4粘接相连。

如图4所示，本发明还提供了一种气相沉积设备，包括镀膜室6，镀膜室6的上部和下部分别设置有伸入其中的承载台7和分子源8，镀膜室6内安装有亥姆霍兹线圈9，亥姆霍兹线圈9中部通过镀膜室6内的定位卡爪12定位上述抗磁掩膜板，承载台7上安装有用于对衬底11冷却降温的冷却板10，抗磁掩膜板和冷却板10之间夹持有衬底11。亥姆霍兹线圈9一般由两个或多个平行的线圈组构成，线圈中流通电流会在线圈内部产生比较均匀的磁场，将抗磁掩膜板放置在多个线圈之间后，由于抗磁掩膜板内含抗磁材质，会排斥磁感线，使抗磁掩膜板紧贴衬底11，避免了掩膜板因重力而下垂的问题。

上述气相沉积设备的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：将衬底11放置在抗磁掩膜板上，使衬底11所要沉积的一侧对准抗磁掩膜板的像素开口2；

步骤2：将抗磁掩膜板和衬底11放置在亥姆霍兹线圈9中部；

步骤3：将抗磁掩膜板通过定位卡爪12定位固定，使抗磁掩膜板和冷却板10将衬底11夹持；

步骤4：亥姆霍兹线圈9通电，由于抗磁掩膜板内含抗磁材质，会排斥磁感线，使抗磁掩膜板紧贴在衬底11的表面；

步骤5：分子源8向镀膜室6内输入气源，通过物理或化学气相沉积的方法，使衬底11表面完成气相沉积。

以下实施例将对上述两种抗磁掩膜板的结构及其制备方法做具体阐述。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提供了一种抗磁掩膜板，包括低热膨胀膜层1-1和抗磁膜层1-2，其中的低热膨胀膜层1-1为低热膨胀玻璃，抗磁膜层1-2为石墨与环氧树脂的混合物，抗磁膜层1-2通过环形石英片3与支撑框架4粘接相连。

上述抗磁掩膜板的制备方法如下：

步骤1：制备抗磁材料：将50g热解石墨放入磨机中球磨2小时，得到平均粒径50nm的热解石墨粉末。将50g热解石墨粉末与50g环氧树脂混合搅拌2小时，至混合均匀，得到热解石墨/胶水混合材料。

步骤2：将抗磁材料沉积在低热膨胀膜层1-1上形成复合膜层1：取直径300mm、厚度为9μm的低热膨胀玻璃薄膜，其线性热膨胀系数小于10^-6/K(购买于秦皇岛星箭特种玻璃有限公司)，通过旋转涂布工艺，在其表面均匀涂布厚度约为1μm的热解石墨/胶水混合材料，静置2小时使其完全固化。

步骤3：在复合膜层1上刻蚀均布的像素开口2：通过激光蚀刻或化学蚀刻的方法，在复合膜层1中制作出具有特定图案的孔洞阵列，孔洞直径为2μm，得到开孔的复合膜层1的抗磁性复合精细掩模板薄片。可根据需要通过选择性蚀刻方法将每个像素区的热解石墨与环氧树脂复合层相互分隔开形成伸缩缝1-3，以降低掩模板工作过程中石墨和环氧树脂复合层在温度升高时发生的热膨胀。

步骤4：制备环形石英片3：取一块直径为300mm，厚度为150μm的石英玻璃片，用激光切割或金刚石划片等方式，去掉以石英片中心为圆心，直径250mm的圆形部分，使其成为一个环形石英片3。

步骤5：将复合膜层1通过环形石英片3与支撑框架4粘接相连：1)将复合膜层1平铺水平放置在直径300mm的平坦硅片上，使抗磁膜层1-2的一侧背离硅片；用丝网印刷方法在环形石英片3一侧表面刮涂2μm厚度的环氧树脂胶水；随后，将其水平放置到复合膜层1的表面，涂有胶水的一侧朝向复合膜层1的抗磁膜层1-2；对石英片施加10N压力，静置1小时，待胶水完全固化。

2)在环形石英片3背离复合膜层1的一面再次刮涂2μm厚度的环氧树脂胶水，随后，将其水平放置到不锈钢的支撑框架4的凹槽内，涂有胶水的一侧朝向支撑框架4；对石英片施加10N压力，静置1小时，待胶水完全固化。

至此，本实施例通过环形石英片3将含有特定孔洞阵列的复合膜层1粘接在不锈钢的支撑框架4上，成为一个低热膨胀玻璃/强抗磁性热解石墨复合的精细掩模板。

实施例2

如图3所示，本实施例提供了一种抗磁掩膜板，包括由低热膨胀材料(聚碳酸酯)和抗磁材料(石墨)混合制备而成的复合膜层1，该复合膜层1通过环形石英片3与支撑框架4粘接相连。

1)制备压印阳版2)配置低热膨胀材料和抗磁材料的混合悬浊液：3)将得到的混合悬浊液刮涂在支撑板上后形成复合膜层1，通过压印阳版压在复合膜层1上，冷却后取出。

上述抗磁掩膜板的制备方法如下：

步骤1：制备压印阳版：1)取直径300mm的石英玻璃板，通过磁控溅射的方法在其光滑表面先后镀厚度为50nm的铜和厚度为2μm的铬；用电子束直写方式在其镀膜层上制作出特定排列的图案阵列孔洞，孔洞为圆形，最小尺寸1μm，深度2μm，这个具有特定孔洞的镀铬玻璃盘成为母版。2)在母版表面旋涂10nm厚度的二甲基硅油作为脱模剂，在其表面电铸一个厚度为1mm的铬板，此铬板具有与母版孔洞完全吻合的突起，这个铬板称为压印阳版。

步骤2：配置低热膨胀材料和抗磁材料的混合悬浊液：将50g的热解石墨放入磨机中球磨2小时，得到平均粒径50nm的热解石墨粉末；将50g的热解石墨粉末与50g聚碳酸酯颗粒混合，在氮气气氛下中加热至290℃，待聚碳酸酯完全融化后搅拌2小时，使石墨粉末与聚碳酸酯均匀混合，得到热解石墨/聚碳酸酯复合材料悬浊液。

步骤3：制备含多个像素开口2的复合膜层1：在清洁的不锈钢砧板和压印阳版表面分别喷涂厚度为20nm的二甲基硅油作为脱模剂；取10g融化状态的热解石墨/聚碳酸酯复合材料悬浊液刮涂在不锈钢砧板上，再将压印阳版压在复合材料薄膜上，施加10kg力，维持2分钟，待复合材料薄膜完全冷却后取出，这样就得到一个厚度2μm，包含最小尺寸为1μm的图案阵列的热解石墨/聚碳酸酯复合材料薄膜，这个薄膜即为热解石墨/聚碳酸酯复合材料的复合膜层1。

步骤4：按照与实施例1中步骤4和步骤5的方法，将此复合膜层1通过环形石英片3与支撑框架4固定相连。

至此，本实施例通过环形石英片3将含有特定孔洞阵列的复合膜层1粘接在不锈钢的支撑框架4上，成为一个热解石墨/聚碳酸酯复合的精细掩模板。

综上，本发明设计的掩膜板结构简单，制作成本低，可通过抗磁的作用贴紧衬底，可有效避免掩膜板的下垂，保证了衬底蒸镀的质量。

以上所述，只是用图解说明本发明的一些原理，本说明书并非是要将本发明局限在所示所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。