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문제 정의
- 본 논문에서는 전면 발광 유기발광소자의 투명 박막 봉지의 적용을 위해 저온 SiNx 박막을 성장시킬 수 있는 유기발광소자용 유도결합 플라즈마화학기상 증착장치를 개발하여 그 특성을 연구하였다. 플라즈마 및 박막의 균일도 확보를 위해 시뮬레이션을 통한 최적의 안테나 구조를 도 출하 여유도결합 플라즈마용 선형 안테나를 제작하였으며 370 X 400 mm 유리 기판 기준 6 %이하의 SiNx 박막 균일도 조건을 확보하였다.
- 본 논문에서는 전면발광 유기발광소자의 투명 박막 봉지로 기대되고 있는 SiNx 박막을 성장시키기 위한 유기발광소자용 유도결합 플라즈마 화학 기상 장치를 개발하여 그 특성에 관하여 논하였다. 본 장비는 유기발광소자의 사각형 유리 기판의 특성을 고려하여 외장형 선형 안테나 및 사각 타입 가스 주입 시스템을 갖추고 있으며, 유기발광소자의 공정을 고려하여 시스템 내에 마스크 정렬 기구 및 저온 냉각 장치가 포함된 척을 도입하였다.
제안 방법
- 그림 11에 시뮬레이션 결과를 나타내었다. 경계조건은 냉각수 유속 0.5 m/s, 온도 20 °C, 그리고 플라즈마에 의한 분위기 온도를 120 °C로 각각 설정하였다. 기판에 온도는 테두리 영역에서 38.
- 선택하였다. 구체적인 안테나 모양을 결정하기 위해 안테나에 인가되는 RF power 분포 분석을 통해 유도되는 플라즈마의 밀도를 예측하였다.RF power 분포를 시뮬레이션 하기 위해 안테나가 장착되어 있는 상부를 안테나영역, 세라믹 윈도우에 의해 분리되어 진공상태에서 플라즈마가 형성되는 곳을 플라즈마 영역이라 정의하였다.
- 이를 위하여 본 유도결합 플라즈마 화학 기상 성막 장치 내에는 그림 1에 나타내듯이 별도의 외부 정렬 장치 없이 챔버 내부에서 기판 정렬이 가능한 척을 설계하였다. 금속 마스크를 통하여 기판과 마스크를 정렬하기 위해선 먼저 기판의 정렬이 필요한데 이를 위해 중앙부에 He 가스주입 및 기판의 테두리를 밀어줄 수 있는 정렬 시스템을 고안하였다. 정렬 시 중앙부에서 He 가스가 주입되면 약간 기울어져 있는 척 구조에 의해 한쪽으로 기판이 이동을 하게 되고 동시에 테두리에서 기판을 밀어주어 기판의 정렬 오차를 최소화 하였다.
- 장치가 필수적이다. 본 유도결합 플라즈마 화학 기상 성막 장치는 박막 성막 시 플라즈마를 통해 발생하는 기판 온도 상승 현상을 저온 냉각 척을 이용하여 기판을 냉각시켜 유기물을 보호할 수 있는 구조를 채택하였다. 특히 유기발광소자 공정에서 SiNx의 패터닝을 위해 사용되는 금속 마스크의 냉각 역시 동시에 이루어져야 하기 때문에 기판과 금속 마스크 프레임에 He 가스를 직접적으로 공급하여 냉각효과를 극대화하였다.
- 논하였다. 본 장비는 유기발광소자의 사각형 유리 기판의 특성을 고려하여 외장형 선형 안테나 및 사각 타입 가스 주입 시스템을 갖추고 있으며, 유기발광소자의 공정을 고려하여 시스템 내에 마스크 정렬 기구 및 저온 냉각 장치가 포함된 척을 도입하였다. 이를 통하여 유기발광소자용 고품질의 저온 SiNx 박막을 성장시킬 수 있었으며 전면발광 유기발광소자의 필수 요소인 고품위 투명 박막 봉지를 구현하였다.
- 상기의 시뮬레이션 결과를 통해 챔버 크기와 기판 크기(370 X 400 mm)를 고려한 안테나 구조를 도출하였다. 이를 이용하여 형성시킨 플라즈마 시뮬레이션 결과를 그림 7에 나타내었다.
- 기판은 370 X 400 mm 크기의 2세대 유리 기판을 사용하였으며 성장된 SiNx 두께 측정은 Ellisometer (SOPRA 社, SE-5 FPD)와 알파스텝을 이용하였다. 유도결합 플라즈마 화학기상 성막장치에 의한 SiNx 성막 공정 시 플라즈마에 의한 소자 특성 손상 검증을 위해 HIL/HTL/EML/ETL/LiF/Mg-Ag 구조의 테스트용 유기발광소자에 SiNx 박막을 증착하여 이를 SiNx 박막이 증착되지 않은 시편과 전기적, 광학적 특성을 비교하였다.
- 이를 위하여 본 유도결합 플라즈마 화학 기상 성막 장치 내에는 그림 1에 나타내듯이 별도의 외부 정렬 장치 없이 챔버 내부에서 기판 정렬이 가능한 척을 설계하였다. 금속 마스크를 통하여 기판과 마스크를 정렬하기 위해선 먼저 기판의 정렬이 필요한데 이를 위해 중앙부에 He 가스주입 및 기판의 테두리를 밀어줄 수 있는 정렬 시스템을 고안하였다.
- 본 장비는 유기발광소자의 사각형 유리 기판의 특성을 고려하여 외장형 선형 안테나 및 사각 타입 가스 주입 시스템을 갖추고 있으며, 유기발광소자의 공정을 고려하여 시스템 내에 마스크 정렬 기구 및 저온 냉각 장치가 포함된 척을 도입하였다. 이를 통하여 유기발광소자용 고품질의 저온 SiNx 박막을 성장시킬 수 있었으며 전면발광 유기발광소자의 필수 요소인 고품위 투명 박막 봉지를 구현하였다.
- 그림 3에 나타내듯이 각각의 테두리 가스 노즐은 중심을 기준으로 같은 기판 면적을 차지하며 가스를 분사하기 때문에 사각타입의 유리 기판에 성막을 할 경우 박막의 균일도를 향상시키기에 유리한 구조이다. 특히 각각의 노즐이 동일한 유리 기판 면적을 담당하게 하여 성막 시 균일도를 극대화 할 수 있는 구조를 채택하였다.
- 플라즈마 노출에 의한 소자의 열화 특성을 분석하기 위해 HIL/HTL/EML/ETL/LiF 側 g-Ag구조의테스트 셀 상에 유도결합 플라즈마 화학기상 증착 장치로 SiNx 박막을 봉지막으로 증착한 후 전기적 특성을 측정하였다. 이때 SiNx 박막이 증착 되지 않은 시편을 비교 샘플로 정하고 SiNx가 증착된 시편과 전류-전압 특성을 비교하여 그림 12에 나타내었다.
- 플라즈마 및 박막의 균일도 확보를 위해 시뮬레이션을 통한 최적의 안테나 구조를 도 출하 여유도결합 플라즈마용 선형 안테나를 제작하였으며 370 X 400 mm 유리 기판 기준 6 %이하의 SiNx 박막 균일도 조건을 확보하였다. 또한, 유기발광소자 공정에서 필수 요소인 저온 공정을 확보하기 위해 마스크 정렬 기능이 내장된 유도결합 플라즈마 화학기상 증착 장치용 저온 냉각척을 개발하여 SiNx 성장 시 기판의 온도를 50 °C이하로 유지시킬 수 있었다.
- 플라즈마가 형성되는 외부에 장착되는 외장형안테나이며, 원형 기판을 사용하는 Si 공정과 달리 사각형 기판을 사용하는 유기발광소자의 특성을 고려하여 선형의 안테나 구조를 채택하였다. 안테나의 재질은 파이프형 구리로 이루어 졌으며 내부는 온도 상승을 막기 위해 냉각수를 흘려줄 수 있다.
대상 데이터
- 타나낸다. 1000 W의 소스 파워와 100 W의 바이어스 파워를 인가해 SiH4/N2 분위기내에서 100 nm 두께의 SiNx 박막을 유리 기판 상에 성막하였다. 낮은 온도에서 성막한 박막임에도 불구하고 조건에 따라 550 nm의 파장에서 85 - 92 %의 높은 투과도를 나타내었다.
- 특히 투명 봉지용 SiNx의 경우 NHs사용에 따른 박막의 유기물 혹은 금속층과 접착력 문제가 발생하기 때문에 N2가스를 반응가스로 선택하였다. 기판은 370 X 400 mm 크기의 2세대 유리 기판을 사용하였으며 성장된 SiNx 두께 측정은 Ellisometer (SOPRA 社, SE-5 FPD)와 알파스텝을 이용하였다. 유도결합 플라즈마 화학기상 성막장치에 의한 SiNx 성막 공정 시 플라즈마에 의한 소자 특성 손상 검증을 위해 HIL/HTL/EML/ETL/LiF/Mg-Ag 구조의 테스트용 유기발광소자에 SiNx 박막을 증착하여 이를 SiNx 박막이 증착되지 않은 시편과 전기적, 광학적 특성을 비교하였다.
- 기판크기는 370x400 mm에서 테두리 5 mm 안쪽으로 일정간격 지점의 두께를 측정하였다.
- 이에 본 실험은 제작이 용이하고 대면적 플라즈마 균일도 확보가 유리하다고 알려진 선형의 안테나를 선택하였다. 구체적인 안테나 모양을 결정하기 위해 안테나에 인가되는 RF power 분포 분석을 통해 유도되는 플라즈마의 밀도를 예측하였다.
- 전면 발광 유기발광소자의 투명 박막 봉지를 위한 SiNx 박막의 성장을 위해 SiH4, N2, Ar 그리고 He 가스를 유도결합 플라즈마 화학기상 성막 장치의 반응 가스로 사용하였다. 유도결합 플라즈마를통한 SiNx 박막 형성을 위해 소스 가스는 주로 SiHt/NHa 혹은 SiH宓N2가 일반적으로 사용되어 왔으나 NH3 가스를 사용한 증착의 경우 박막내의 수소 함량이 증가하여 고유 특성을 저하시키는 문제가 있어 이를 대신하여 N2 가스를 사용할 경우 특성이 더 우수한 것으로 알려져 있다[16].
이론/모형
- 그림 8. Langmuir prove방법으로 측정된 RF power 변화에 따른 플라즈마 내의 data-checked="false">전자밀도의변화.
성능/효과
- RF power 2000 W 조건에서 5.9 %의 플라즈마균일도를 나타내었으며, 모든 조건에서 10 % 이내의 균일한 밀도를 나타내었다. 그림 8에 나타내듯이 RF power가 500 W에서 3000 W로 증가함에 따라 플라즈마 내의 전자 밀도가 증가함을 발견할 수 있는데 이는 챔버내에 유도되는 전자기장의 세기가 증가함에 따라 플라즈마 생성효율이 증가하기 때문이다.
- 이를 이용하여 형성시킨 플라즈마 시뮬레이션 결과를 그림 7에 나타내었다. RF power 를 5개의 안테나로 인가할 경우가 RF power 불균일 및 안테나 상호작용을 고려한 최적의 조건인 것으로 나타났다. 전체적으로 균일한 전자밀도를 나타내었으며, sheath가 형성되는 경계영역에서는 전자밀도가 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
- 일반적으로 플라즈마 공정을 이용하여 유기발광소자를 제작할 경우 플라즈마의 에너지에 의해 유기물의 구조가 파괴되어나, 전극이나 전극과 SiNx 사이에 계면층이 형성되어 유기발광소자의 구동 전압이 상승하며, 전극의 계면에 전류의 누설을 일으킬 수 있는 전도층이 형성될 경우 역방향 전압 영역에서의 누설 전류가 증가하는 것으로 알려져 있다[18, 19]. 그림 12에서 알 수 있듯이 SiNx가 증착된테스트 셀과 비교 샘플이 유사한 특성의 전류-전압 특성을 나타내고 있는데 이는 본유도 결합 플라즈마 화학기상 증착장치를 이용한 SiNx 성막 공정 시 플라즈마에 노출에 의한 소자 열화 현상이 나타나지 않음을 말해준다.
- 1000 W의 소스 파워와 100 W의 바이어스 파워를 인가해 SiH4/N2 분위기내에서 100 nm 두께의 SiNx 박막을 유리 기판 상에 성막하였다. 낮은 온도에서 성막한 박막임에도 불구하고 조건에 따라 550 nm의 파장에서 85 - 92 %의 높은 투과도를 나타내었다. 이때 SiNx의 굴절률은 1.
- 받게 된다. 또한 SiNx 박막을 성장시킨 테스트 셀은 비교 샘플과 같은 구동 전압을 나타내는데 이는 본 유도결합 플라즈마 화학기상 증착장치에의한 플라즈마 공정이 계면 층의 형성에 영향을 주지 않는 다는 것을 나타낸다. 뿐만 아니라 역방향 전압에서도 누설 전류가 발생하지 않는데 이는 스퍼터링 공법과 비교해 볼 때 상대적으로 유도결합 플라즈마 화학기상 증착 공정에는 기판으로 가속되어 유기광전소자의 전기적 특성에 영향을 주는 높은 에너지를 가진 입자의 수가 상대적으로 적다는 것을 말해준다[19].
- 이에 비해 그림 6은 사각형 내부에 여러 개의 안테나를 구성할 때 RF power의 균일한 분포를 얻을 수 있었다. 또한 사각형 내부에 구성된 안테나의 간격에 따른 RF power 분포가 달라지는 것을 시뮬레이션을 통해 알 수 있었다.
- 플라즈마 및 박막의 균일도 확보를 위해 시뮬레이션을 통한 최적의 안테나 구조를 도 출하 여유도결합 플라즈마용 선형 안테나를 제작하였으며 370 X 400 mm 유리 기판 기준 6 %이하의 SiNx 박막 균일도 조건을 확보하였다. 또한, 유기발광소자 공정에서 필수 요소인 저온 공정을 확보하기 위해 마스크 정렬 기능이 내장된 유도결합 플라즈마 화학기상 증착 장치용 저온 냉각척을 개발하여 SiNx 성장 시 기판의 온도를 50 °C이하로 유지시킬 수 있었다. 이러한 유도결합 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용해 증착된 SiNx 박막을 유기발광소자에 박막 봉지막 층으로 적용하여 전류-전압 특성을 측정한 결과 플라즈마에 노출에 의한 손상이 일어나지 않음을 확인할 수 있었다.
- Tsakadze 등의 결과와 일치한다[17]. 또한, 플라즈마 발생 시 기판온도는 50 °C 이하로 유지되는 것을 thermo-tape을 이용한 온도측정 결과에서 알 수 있었는데 이는 플라즈마에의해 생성된 입자가 기판과 충돌하면서 발생하는 열이 척의 냉각장치에 의해 효과적으로 제거 되는 것을 의미한다.
- 1 °C로 가장 높게 나타났다. 상기에서 설명 했듯이 실제 기판 온도를 측정해 본 결과 5 % 이내의 온도 균일도를 나타내었으며 열교환기를 이용하여 균일도 5 %이내에서 50 °C 이하의 온도를 유지할 수 있었다.
- 전체적으로 균일한 전자밀도를 나타내었으며, sheath가 형성되는 경계영역에서는 전자밀도가 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션을 통한 플라즈마 내의 이온 균일도는 1.4 %를 나타내었다.
- 또한, 유기발광소자 공정에서 필수 요소인 저온 공정을 확보하기 위해 마스크 정렬 기능이 내장된 유도결합 플라즈마 화학기상 증착 장치용 저온 냉각척을 개발하여 SiNx 성장 시 기판의 온도를 50 °C이하로 유지시킬 수 있었다. 이러한 유도결합 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용해 증착된 SiNx 박막을 유기발광소자에 박막 봉지막 층으로 적용하여 전류-전압 특성을 측정한 결과 플라즈마에 노출에 의한 손상이 일어나지 않음을 확인할 수 있었다. 상기의 결과들을 종합할 때 본 연구를 통해 개발된 유기발광소자 제작용 유도결합 플라즈마 화학기상 증착 장치를 이용하여 SiNx 박막 봉지막을 전면 발광 유기발광소자에 적용할 경우 유기발광소자의 성능 및 수명 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
- 또한 안테나 외부는 은(Ag)도금을 통해 표면저항을 낮춰 고주파의 흐름을 원활히 하였다. 이와 같은 선형 구조의 유도결합 안테나는 플라즈마 균일도 시뮬레이션 결과에서 1.4 %이하의 높은 플라즈마 균일도를 확보할 수 있음을 알 수 있었다. 특히 안테나간의 간격 및 안테나의 높이를 자유롭게 조절할 수 있어 플라즈마 균일도 및 박막 균일도 최적화에 유리한 구조를 채택하였다.
- RF power 를 5개의 안테나로 인가할 경우가 RF power 불균일 및 안테나 상호작용을 고려한 최적의 조건인 것으로 나타났다. 전체적으로 균일한 전자밀도를 나타내었으며, sheath가 형성되는 경계영역에서는 전자밀도가 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션을 통한 플라즈마 내의 이온 균일도는 1.
- 4 %이하의 높은 플라즈마 균일도를 확보할 수 있음을 알 수 있었다. 특히 안테나간의 간격 및 안테나의 높이를 자유롭게 조절할 수 있어 플라즈마 균일도 및 박막 균일도 최적화에 유리한 구조를 채택하였다. 그림 2에 나타내듯이 전체 9개의 선형 안테나로 플라즈마 소스를 구성하며 이중 5개의 안테나에 RF power가 입력된다.
- 플라즈마 발생조건은 Ar 가스를 중앙과 테두리 노즐에서 각각 30 seem 흘려주었으며, 압력은 5 mToiT로 유지 시켰다. 플라즈마 내 전자의 밀도는 공정 변수에 따라 ea/cm3 값을 나타내었으며, 플라즈마의 중앙을 기준으로 대칭적인 분포를 나타냄을 알 수 있었다.
후속연구
- SiNx 증착 시 기판온도 측정결과 역시 50 °C 이하의 값을 나타내었다. 따라서 본 유도결합 플라즈마 화학기상 증착장치를 80 °C 이하 온도가 요구되는 유기발광소자기 공정에 응용이 가능함을 기대할 수 있다.
- 이러한 유도결합 플라즈마 화학 기상 증착 장치를 이용해 증착된 SiNx 박막을 유기발광소자에 박막 봉지막 층으로 적용하여 전류-전압 특성을 측정한 결과 플라즈마에 노출에 의한 손상이 일어나지 않음을 확인할 수 있었다. 상기의 결과들을 종합할 때 본 연구를 통해 개발된 유기발광소자 제작용 유도결합 플라즈마 화학기상 증착 장치를 이용하여 SiNx 박막 봉지막을 전면 발광 유기발광소자에 적용할 경우 유기발광소자의 성능 및 수명 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
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