显示装备之殇——OLED蒸渡端设备深度研究（下）
三、Cell端核心设备——精细金属掩膜版（FMM）
1.FMM概念介绍
在AMOLED制程工艺中，有机半导体材料镀膜是最关键的制程之一。目前，唯一量产的有机发光二极管（OLED）成膜技术是真空蒸镀与金属掩模板（MetalMask）相结合的方法。
与蒸镀系统配合的掩膜版（Mask）是决定蒸镀系统性能的关键。OLED蒸镀用掩模板（Mask）主要分为开口掩模板（OpenMask）和精细金属掩膜版（FineMetalMask）。开口掩模板（OpenMask）用于形成通用层（Commonlayer）的蒸镀腔体；精细金属掩膜版（FMM）的主要作用是在OLED生产过程中沉积RGB有机物质并形成像素，准确和精细地沉淀有机物质，提高分辨率和良率。FMM的开孔直接决定OLED显示屏的像素高低，开孔越小，像素越高。
【图18】蒸镀示意图
2.FMM生产方式
从FMM开孔形状来看，根据FMM的开孔形状的不同，FMM可以进一步细分为插槽型和狭缝型，狭缝型FMM工艺容易做到小开口尺寸，但是其受其物理强度极低的影响，其屏幕尺寸受到限制，不能制作成大尺寸屏幕，同时将导致掩膜版的使用寿命大大缩短，生产成本增加。
【图19】FMM开孔形状分类
生产FMM的方式主要有三种:蚀刻、电铸和多重材料(金属+树脂材料)复合。
【图20】蚀刻法生产FMM流程
虽然HitachiMaxell与V-Technology分别采用电铸和多重材料复合方式对QHD（分辨率960*540）分辨率以上的FMM有进行研究,但是其产品还未进入量产和厂商验证阶段。
3.FMM结构及工艺要求
一张FMM主要由frame，cover，support，alignstick，finestick五个部分组成。制作过程是把cover，support，alignstick，finestick以一定的方式焊接在frame上，这一过程称之为张网。因此，张网机又叫焊接机。
蒸镀过程中有机材料释放热量，使FMM和玻璃温度升高。FMM制作材料一般选用金属材料。为降低蒸镀过程中FMM的热膨胀效应，frame，cover，support，alignstick，finestick倾向于选用热膨胀系数较小的材料。比如常用的Invar36，称为不变钢。
4.Finestick伸缩率设计
蒸镀过程中有机材料释放热量，使FMM和玻璃温度升高。FMM热膨胀后变长，与玻璃之间形成缝隙，不利于蒸镀材料的规则沉积。因此要给FMM一定的预张力。与此对应，finestick在制作时，要设计一定的收缩率η。
【图21】FMM热膨胀示意图
定义η=（设计尺寸-实际尺寸）/设计尺寸*100%，假设FMM的热膨胀系数为α，对于长度为l的FMM，在温度升高△T时，即设计收缩率必须满足η≥α△T。
按Invar36平均热膨胀系数1.6×10-6算，可得出蒸镀不同温升的finestick最小收缩率，如下表所示。
【表3】不同温升下所需的finestick最小收缩率
【表4】AMOLED常见材料的热膨胀系数
5.FMM市场现状及竞争格局
根据IHSMarkit的数据，预计FMM市场将从2017年的2.34亿美元增长到2022年的12亿美元。
但是从现阶段的FMM形成的产业链来看，上游材料INVAR（10~20μm厚）只有日立金属可以生产，而中游主要是日韩和中国台湾地区，中国大陆并没有能够量产FMM的公司，但是中国大陆却是需求量最大的市场。
在2018年以前，由于日立跟DNP（大日本印刷）是捆绑合作，而DNP（大日本印刷）与三星是签署了垄断性合约(提供10~20μm厚的FMM)。到了2018年三星跟DNP（大日本印刷）垄断合约到期，这也才有了DNP（大日本印刷）已经与BOE（京东方）达成协议，DNP（大日本印刷）会逐步向BOE（京东方）提供WQHD级手机用的FMM(约30μm厚)。
DNP（大日本印刷）与TOPPAN（日本凸版印刷）有限的产能无法满足众多面板制造商的需求，庞大的市场促使上游材料企业积极参与。2018年联创光电投资10亿元的FMM生产项目落户南昌市赣江新区，投产后有望打破FMM依赖进口的局面，推动国内OLED显示技术的发展。
【图22】FMM产业链及对应企业
6.主要厂商分析
6.1达运精密工业股份有限公司（台湾）
1.公司简介
2.历史沿革
3.主要产品
4.财务状况
6.2昆山允升吉光电科技有限公司
6.3安徽省大富光电科技有限公司
6.4大日本印刷株式会社
6.5日本凸版印刷株式会社
6.6PoongwonPrecisionCo.,Ltd.
6.7V-technology
1、公司基本信息
2、主营业务
沉积面膜业务
沉积掩模是在TFT基板上形成有机材料的掩模，并且是OLED制造的基本组件之一。因此，预计从中长期来看，OLED沉积掩模的市场将会增长。自2012年以来，公司一直在进行专有沉积掩模（精细混合掩模，FHM）的研发，然后我们于2017年12月在山形县米泽市成立了VET，以制造和开发FHM。资本投资约50亿日元，并计划在山形县和米泽市的支持下于2019年开始量产。
FHM（精细混合面膜）是适用于OLED制造的下一代沉积掩模，既轻巧又薄，同时保持使用金属和树脂的混合结构的强度。FHM在TFT上精确形成OLED材料的沉积。
半导体设备
1）无掩模光刻技术。该系统（DL-1000）利用远心光学照明系统和数字微镜设备（DMD）来根据需要立即在PC屏幕上设计的图案数据的光刻胶上曝光，而无需使用光掩膜。与单独的光路观察系统相比，这可以轻松，准确地进行重叠对准。DL-1000是DMD作为高分辨率图形发生器，具有超快的反射镜切换速度，能够轻松，快速地对微结构进行图形化。DL-1000配有CCD摄像机，能够与曝光光路同轴地观察基材。与单独的光路观察系统相比更准确。
1um分辨率（可选0.5um或2um分辨率）；
扫描和分步重复模式均可用；
使用长寿命光源（LED或半导体激光器）的免维护系统；
高速图案形成速度>1000mm2/min（激光光源）；
智能实时自动对焦功能甚至可以在薄透明基板，有图案的基板和翘曲的基板上进行图案化；
通过同轴观察系统TTL（ThroughTheLens）同时观察表面图案和曝光图案，并使用我们自己的图像处理技术进行高精度覆盖；
提供用于DXF和GDSII的数据转换器；
可以曝光灰度图像以进行3D结构化；
低至12.5nm的地址网格单元；
广泛的基材尺寸：几毫米到公制尺寸。
2）半导体MaskWriter。MaskWriter具有独特的“免消耗”设计，非常适合先进技术节点中的第二层PSM光掩模图案形成以及移动，物联网（IoT）或汽车应用中的二进制光掩模图案形成，能够大幅度降低生产成本。
光掩模图案化的要求；
解析度原始开发的无畸变光学器件使我们的MaskWriter能够执行500nm或更高的光学分辨率，同时满足高速和高精度要求；
MaskWriter配备了高效光源，与传统的Laser基本MaskWriter相比，其功耗极低。
此外，我们的集团公司OHT正在促进用于MRAM的自动晶圆检测设备和探测器的业务。
平板显示器生产设备
随着5G的出现和物联网的发展，FPD（平板显示器）有望在未来发展为各种类型的面板。公司提供各种制造设备，将最好的光机电一体化，以满足客户的各种需求。
1）大型玻璃基板曝光设备“RZ”。“RZ”是构成彩色滤光片（CF）工艺核心的曝光设备，在FPD（平板显示器）生产中很重要。作为兼容大屏幕FPD的近接型曝光设备，它在全球占有最大的市场份额。
2）卷对卷曝光设备“DZ”。DZ“是为曝光而优化的接触曝光设备，例如用于OLED的沉积掩模。它支持垂直传送和水平传送的曝光，并且还有单晶片类型的型号。我们用我们的设备很好地满足您的需求。
3）照相对准胶片曝光设备“AEGIS”。取向膜是使显示器中的液晶分子单向取向的功能性聚合物膜。“AEGIS”使用特殊的紫外线和光掩模以非接触方式形成取向膜。它对应于G10.5尺寸的玻璃基板。
3.历史沿革
4.财务信息
5.股东信息
6.8Athene
印刷用金属掩膜
1）用于PKG凸点形成的金属掩膜。这使得可以减少焊料量的变化，这是近年来在迅速多样化的移动IT设备上高密度安装的各种电子组件的安装问题。公司改善了添加方法中存在的厚度变化，并实现了均匀的焊料量。此外，通过减小间距，已经实现了超硬金属掩模以解决刚性问题。
3）触摸屏点间隔印刷用金属掩膜。随着显示器市场的迅速发展，对触摸面板作为输入/输出设备的需求正在增长。
使用我们原始的方法打开R面膜。通过采用这种构造方法，消除了被认为是缺陷的掩模开口缺陷和针孔的问题，并且可以处理用普通的附加掩模无法实现的窄间距图案。表面平滑度和开口壁粗糙度均在0.1μm以下。公司可以处理的最大尺寸为700mmx550mm，这是一种大型面罩，在多面加工中表现出色。
4）用于SMT安装的附加金属掩模。锡膏助焊剂在开口壁上的摩擦应力大大降低，从而可以实现高质量的锡膏印刷，例如0402芯片。
气相沉积金属掩模
有机EL显示器像素沉积掩模。在下一代移动显示器中起主导作用的有机EL显示器。通过使用Athene独特的电铸方法将开口制成R形，可以在图案区域上均匀沉积像素。另外，通过消除抗蚀剂残留物的技术可以形成没有缺陷的开口，并且通过原始的间距调节技术和框架接合技术实现了高间距精度和开口精度。
电铸涂层夹具
公司的夹具可有效掩盖具有复杂配置的产品，Athene的目标是省时地开发费力的多色涂层工艺，公司的技术使其夹具赢得了业内最大的份额。
各种媒体产品
CD-ROM，DVD，CD-DA和Blu-ray。在从设计到分销的所有过程中，Athene的技能将为客户提供创新，优质的产品和服务，以满足客户的需求。
半导体封装电路印刷用金属掩膜由于结构问题，均匀的印刷和膜厚控制曾经是一个巨大的挑战。然而，Athene使用独特的创新技术开发了无缝的“数字屏幕”。它的平整表面是通过同时电铸网和高精度电铸金属掩膜的整体模制而成的。尽管对电路密度更高的半导体封装的需求不断增长，但Athene仍可以进行无任何不规则印刷的打印。
3、历史沿革
6.9主要厂商对比
FMM产品规格比较（单位：mm）
7.总结
7.1市场动态
7.2竞争格局
①日本方面：在2018年以前，由于日立跟DNP（大日本印刷）是捆绑合作，而DNP（大日本印刷）与三星是签署了垄断性合约(提供10~20μm厚的FMM)。到了2018年三星跟DNP（大日本印刷）垄断合约到期，这也才有了DNP（大日本印刷）已经与BOE（京东方）达成协议，DNP（大日本印刷）会逐步向BOE（京东方）提供WQHD级手机用的FMM(约30μm厚)。
主流厂商DNP（大日本印刷）与TOPPAN（日本凸版印刷）有限的产能无法满足众多面板制造商的需求，庞大的市场促使上游材料企业积极参与。
③中国台湾方面：达运精密也在生产该类产品，但具体产品指标暂不得而知。
④中国大陆方面：
2018年，上市公司联创光电投资10亿元的FMM生产项目落户南昌市赣江新区；
大富科技旗下子公司大富机电先期将在安徽大富重工产业园，投资9000万元，建设3条高精度金属掩模板生产线；
四、Cell端核心设备——蒸镀机
1.蒸镀工艺简介
目前市场上量产的AMOLED显示屏制作工艺是真空蒸镀技术，其各功能层包括HIL（空穴注入层）、HTL（空穴传输层）、EML（实际发光层、RGB等颜色）、ETL（电子传输层）、EIL（电子注入层）等都是采用真空蒸镀的方式、连续地沉积在TFT（薄膜晶体管）（薄膜晶体管）基板上。
【图23】OLED基本结构
由于工艺参杂的需要和为了避免交叉污染，不同的功能层需要在不同的蒸镀机腔体内蒸镀，同时在蒸镀完成后通过机械手将基板在不同的腔体之间进行转移。蒸镀腔内有蒸镀源、张网机、玻璃基板和冷却板等设备。在进行有机薄膜蒸镀时，需要先将带有TFT（薄膜晶体管）（薄膜晶体管）的基板进行反转，其后通过张网机将Mask和基板对齐，再将蒸镀源打开对基板进行蒸镀。
【图24】OLED蒸镀封装流程图
【图25】蒸镀流程
2.蒸镀机工作原理
OLED真空蒸镀机是一条设备连线，长约一百米，是整个OLED生产过程的核心设备。蒸镀是OLED制造工艺的关键，通过真空蒸镀机能够将OLED有机发光材料精准、均匀、可控地蒸镀到玻璃基板上。真空蒸镀过程就是就是通过电流加热，电子束轰击加热和激光加热等方法，将待成膜的物质置于真空中进行蒸发或升华，使之在基片表面析出的过程。
OLED蒸镀分为有机材料蒸镀和无机蒸镀。有机材料蒸镀：在高真空腔室中设有多个放置有机材料的蒸发源，加热蒸发源蒸镀有机材料，并利用石英晶体振荡器来控制膜厚。基板放置在样品托架上，其下面放置的金属掩膜板控制蒸镀图案。
无机蒸镀：在有机材料薄膜蒸镀完成后进行蒸镀，用于金属电极蒸镀的源通常采用钼、钽和钨等材料制作，以便用于不同的金属电极蒸镀(主要是防止舟金属与蒸镀金属发生化学反应)。
3.蒸镀机结构
蒸镀系统结构包括：操作接口、InfeedLoad/Lock传输腔体、Plasma真空腔体、有机蒸镀真空腔体、金属蒸镀真空腔体、材料蒸镀控制柜、手套箱、气体循环系统。
操作接口控制软件的各操作接口与设备各组成部分一一对应，以控制设备的相应气阀及机动操作。
4.蒸镀源
蒸镀源（蒸发源）从纯学术角度来看可分为三种，各自的特性如下：
得利于良好的物质束流方向性和蒸发的可控制性，克努森蒸发源被大量的运用的高精度的蒸镀生产中。如果为了得到更好的材料厚度和均匀性，装配了克努森蒸发源的蒸镀装置也还可以进一步通过增大靶材-源距离(TargetSourceDistance.T/S)、转动基板和将蒸发源和基板表面置于同一个圆周上等方式提高薄膜的沉积均匀性。
【图26】蒸发源种类
行业生产来看可分为点源（PointSource）、线源（LineSource）和面源（Planar/AreaSource）：
【图27】线源、面源示意图
（用线源将材料蒸发到平面上，将平面翻转，加热平面使材料蒸发）
真空蒸镀法需要将有机材料蒸发或者气化，一般分为电阻加热蒸镀法和电子束蒸镀法等。电阻加热蒸镀法是在真空蒸镀机中放入盛有有机物的坩埚，通过对其内部的电阻丝通电加热，使有机材料蒸发或气化，然后在基板上附着并最终成膜；电子束蒸镀法是利用电子束照射下的非常强的能量，使靶材加热升华或者蒸发，但是由于电子束能量过于强大，适用于金属或者氧化物层的蒸镀，因此OLED器件的有机物层蒸镀几乎都采用电阻加热蒸镀法。
5.蒸镀机市场现状及竞争格局
CanonTokki是日本的一家世界级企业，公司员工约350人，公司年产值高达数十亿美元，是业界公认最好的蒸镀机制造商，几乎独占全球的OLED蒸镀设备。CanonTokki蒸镀机具有极高的对位精准度,能够把OLED有机发光材料精准的蒸镀到基板上,误差控制在5微米之内（1微米＝1/10000公分,相当于头发直径的1%）,独步业界。CanonTokki原本的年产能3~4台蒸镀机,直到2017年扩充产能,年产能拉高到7台,据业内消息，2018年CanonTokki蒸镀机规划出货量为11台。
日本的ULVAC（爱科华）紧追不舍，虽然与CanonTokki这种垄断巨头相比还有不小的差距，但是其也在大力研发，积极创新，推出的新型镀膜设备一ZELDA采用线型蒸镀源技术，可将材料利用率大幅提升至20%，并可均匀地将有机发光材料镀在AMOLED面板上，提升面板厂前段制程的良率。
韩国的SFA和SNU也不甘落下，2016年10月，韩国设备业者SFA供应昆山国显光电2台5.5代线蒸镀设备。2016年12月，SFA宣布收购SNU，两家蒸镀设备厂商的强强联合，在技术上的积累可以产生协同效应，将有望增强在蒸镀设备制造领域的竞争力。另外，由于OLED屏幕在智能手机上的应用日益广泛，世界范围内的面板制造商都在加速投资OLED生产线，SFA收购SNU可以大幅度提高产能和生产大规模蒸镀设备的战略可行性。
韩国SunicSystem也是OLED蒸镀设备知名厂商之一，曾供应华星光电研发产线蒸镀设备和供应乐金显示器(LGD)量产设备，在未来的蒸镀设备订单竞争中，SunicSystem也是一个不可小觑的对手。
另一方面，目前OLED面板制造使用的蒸镀技术成本高昂，在未来真空蒸镀工艺可能将被OLED印刷技术所取代。在印刷生产OLED技术方面，三菱化学最为领先，该生产方式的材料成本仅为蒸镀生产OLED面板的10%。此外，印刷工艺不需要再高温真空环境下进行，对于制造工艺的要求也大幅降低，成本也自然更低。目前中国有多个印刷式OLED产品研发中心，一个是京东方合肥基地的实验室，一个是TCL、深天马合作的广东聚华印刷式OLED研发中心，还有一个是华南理工高分子光电材料与器件研究所。其中京东方和华星光电在印刷OLED方面都展现出了较强的实力，专利数量均超过了曾经的OLED专利强者LG和默克，一定程度上反映出了中国企业研发能力的进步以及现今所处的行业地位。对于中国面板厂商而言，如果能在印刷显示技术方面抢占先机，意味着能够打破韩国在OLED领域的垄断地位，成为新技术的引领者。
6.1CanonTokki
1.公司基本信息
4.收入构成
5.财务状况
6.2ULAVC
5.财务情况
6.3SFA
2.主要产品
3.财务情况
6.4SunicSystem
7.1市场竞争格局
①日本方面：
日本的ULVAC紧追不舍，虽然与CanonTokki这种垄断巨头相比还有不小的差距，但是其也在大力研发，积极创新，推出的新型镀膜设备一ZELDA采用线型蒸镀源技术，可将材料利用率大幅提升至20%，并可均匀地将有机发光材料镀在AMOLED面板上，提升面板厂前段制程的良率。
②韩国方面：
③国内方面：
国内OLED蒸镀设备生产厂商方面，国内OLED大型生产线装备虽仍一片空白，OLED科研型蒸镀设备已达国际水平，中试型生产装备已成功研发。下游生产产商方面，京东方等传统的6代OLED生产线都需要日本的高端蒸镀机。