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문제 정의
- , 2008), 특히 집속이온빔 가공장치를 이용한 3차원 구조구현기법 연구는 충분히 이해할 수 있을 정도로 연구되지 않았으며 심도 있고 계획적인 연구를 수행할 필요가 있다고 판단되며, 3차원 분석기법 및 장비 활용영역의 확대라는 관점에서 연구가치가 높다고 생각된다. 이 논문에서는 TFT-LCD 패널에서 박막 트랜지스터의 구조가 파괴된 시료를 이용해서 집속이온빔 가공장치로써 2차원 영상을 얻었고, IMOD 소프트웨어를 이용하여 3차원 구조구현기법으로 막을 재구성하여 불량현상을 정확히 이해하고자 하였다.
제안 방법
- TFT-LCD 패널의 불량현상 중 Data선과 Gate선이 밝게 빛나는 선 불량(line defect)을 유발하는 박막 트랜지스터 시료에 대해서 집속이온빔 가공장치(Dual-beam FIB/SEM)와 IMOD 소프트웨어를 이용하여 3차원 구조구현(3D reconstruction) 연구를 하였다. 실험결과는 박막 트랜지스터 구성막 중 Gate절연막(SiNx)의 유실로 인해 Data막과 Gate막이 접합된 것이 확인되었고, 이 현상으로 인해서 픽셀의 ON/OFF 기능이 상실되어 밝게 빛나는 불량이 발생한 것으로 나타났다.
- 박막 트랜지스터의 주사전자현미경 단면이미지 파일은 시그윈(Cygwin) 소프트웨어에서 엠알씨(mrc) 파일로 변환하여 스택(stack) 파일로 제작하였다. 스택(Stack) 파일은 마이다스(Midas) 소프트웨어에서 회전, X축, Y축, 회전하면서 2차 이미지 정렬을 하였다. 정렬된 스택(stack)파일은 3디모드(3dmod) 소프트웨어에서 대상물을 구분하는 컨투어 드로잉(contour drawing)작업과 드로잉(drawing)된 대상물(objective)을 연결하는 메쉬(mesh)작업을 진행하였고, 메쉬(mesh)작업을 완료하여 3차원 구조구현 이미지를 확인하였다.
- 1차적으로 빔 전류 2 nA에서 넓은 면적을 에칭시켰고, 관찰영역에서는 단면이미지와 시료손상을 최소화하기 위해서 빔 전류 50 pA에서 에칭하였다. 시료표면의 집속이온빔 가공장치 중 발생하는 표면 손상을 방지하기 위해서 백금(Pt)을 증착하였다. 백금 보호막은 표면손상 방지뿐만 아니라 식각속도(Etch rate) 차이에서 발생하는 워터폴 현상(waterfall effect)과 대전효과의 영향도 감소시켜 양질의 이미지를 얻는데 도움이 된다.
- 이것은 기판으로 사용하는 유리의 대전효과가 사라지는 2차전자 에너지 값(KeV)이 2 kV이기 때문으로 판단된다. 이미지 정렬은 데이터 수집 이후 소프트웨어에서 진행되지만 집속이온빔 가공도중에 리얼 스캔 주사전자현미경 이미지로 1차 정렬을 진행하였다. 현재 TFT-LCD산업에서 널리 사용되고 있는 PECVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition)공정으로 증착시킨 Gate 절연막은 국부영역 내에서 두께가 약 1 nm 이내의 편차를 가지고 있기 때문에(Lee et al.
- 이것은 집속이온 장치의 식각가공 과정을 주사전자현미경을 통해서 실시간으로 확인 할 수 있기 때문에 가능한 작업이다. 적층되는 2차원 이미지가 많을수록 집속이온빔 가공장치 가공으로 인한 체적변화를 최소화 할 수 있고, 정확도가 높은 구조구현을 할 수 있기 때문에 단층 가공간격은 20 nm로 진행하였고, 총 100장의 단면 이미지를 저장하였다. 단면가공 간격을 20 nm로 설정한 이유는, 집속이온빔 가공장치의 빔 분해능이 7 nm이고, 가공 중 발생하는 빔에 의한 시료 손상을 감안했을 때 규칙적이고 안정적인 가공두께의 최소 간격으로 판단되었기 때문이다.
- 스택(Stack) 파일은 마이다스(Midas) 소프트웨어에서 회전, X축, Y축, 회전하면서 2차 이미지 정렬을 하였다. 정렬된 스택(stack)파일은 3디모드(3dmod) 소프트웨어에서 대상물을 구분하는 컨투어 드로잉(contour drawing)작업과 드로잉(drawing)된 대상물(objective)을 연결하는 메쉬(mesh)작업을 진행하였고, 메쉬(mesh)작업을 완료하여 3차원 구조구현 이미지를 확인하였다. Fig.
대상 데이터
- 연속 절편법(Serial sectioning)과 단면이미지 촬영은 집속이 온빔 가공장치(Dual-Beam FIB/SEM, 1540XB, Carl Zeiss, Germany)를 사용하였으며, 장비의 제원은 Table 1에 나타내었다. 3차원 구조구현을 위한 이미지 프로세싱 소프트웨어는 Colorado university Boulder laboratory의 IMOD를 사용하였다. 무료 다운로드 홈페이지 주소는 http://bio.
- 3차원 구조구현을 위한 이미지 프로세싱 소프트웨어는 Colorado university Boulder laboratory의 IMOD를 사용하였다. 무료 다운로드 홈페이지 주소는 http://bio.colorado.edu이다.
- 박막 트랜지스터의 주사전자현미경 단면이미지 파일은 시그윈(Cygwin) 소프트웨어에서 엠알씨(mrc) 파일로 변환하여 스택(stack) 파일로 제작하였다. 스택(Stack) 파일은 마이다스(Midas) 소프트웨어에서 회전, X축, Y축, 회전하면서 2차 이미지 정렬을 하였다.
- 본 연구에서는 TFT-LCD 패널 중에서 가로-세로 선 전체가 빛나는 불량을 유발하는 박막 트랜지스터 소자에 대해서 분석하였고, TFT-LCD 패널은 Data 신호선과 Gate 신호선이 연결되어 3072×768의 픽셀로 구성되어 있다.
- 이미지 정렬은 데이터 수집 이후 소프트웨어에서 진행되지만 집속이온빔 가공도중에 리얼 스캔 주사전자현미경 이미지로 1차 정렬을 진행하였다. 현재 TFT-LCD산업에서 널리 사용되고 있는 PECVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition)공정으로 증착시킨 Gate 절연막은 국부영역 내에서 두께가 약 1 nm 이내의 편차를 가지고 있기 때문에(Lee et al., 2008) Gate 절연막 계면을 X축으로 설정하여 이용하였고, Y축은 백금 보호막 표면을 집속이온빔 가공장치로 가공한 선 모양의 흔적을 이용하였다. 이것은 집속이온 장치의 식각가공 과정을 주사전자현미경을 통해서 실시간으로 확인 할 수 있기 때문에 가능한 작업이다.
이론/모형
- 본 연구에서는 TFT-LCD 패널 중에서 가로-세로 선 전체가 빛나는 불량을 유발하는 박막 트랜지스터 소자에 대해서 분석하였고, TFT-LCD 패널은 Data 신호선과 Gate 신호선이 연결되어 3072×768의 픽셀로 구성되어 있다. TFTLCD 불량 픽셀의 신호 확인을 위한 파형측정은 오실로스코프(Oscilloscope, 744A, Tektroniks, USA)를 사용하였다. 연속 절편법(Serial sectioning)과 단면이미지 촬영은 집속이 온빔 가공장치(Dual-Beam FIB/SEM, 1540XB, Carl Zeiss, Germany)를 사용하였으며, 장비의 제원은 Table 1에 나타내었다.
- TFTLCD 불량 픽셀의 신호 확인을 위한 파형측정은 오실로스코프(Oscilloscope, 744A, Tektroniks, USA)를 사용하였다. 연속 절편법(Serial sectioning)과 단면이미지 촬영은 집속이 온빔 가공장치(Dual-Beam FIB/SEM, 1540XB, Carl Zeiss, Germany)를 사용하였으며, 장비의 제원은 Table 1에 나타내었다. 3차원 구조구현을 위한 이미지 프로세싱 소프트웨어는 Colorado university Boulder laboratory의 IMOD를 사용하였다.
성능/효과
- 박막 트랜지스터 표면에서 돌기형태의 특이변형 형상을 관찰할 수 있는데 돌기형상의 크기는 600 nm이고, 불량 영역 전체크기는 약 2 μm로 측정되었다. COF (Chip On Film) 영역에서 Data 입력신호를 오실로스코프를 이용하여 파형측정 측정결과, Data 신호와 Gate 신호가 혼합되어 나타나는 것을 확인할 수 있었다(화살표시 영역). 박막 트랜지스터는 Data와 Gate가 Gate절연막을 사이에 두고 상/하에서 교차되는 구조로서 구조적 문제는 Data와 Gate 두 막에 영향을 끼치기 때문에 가로-세로의 십자가 형태로 선 불량을 발생시킬 수 있으며, Fig.
- 5에서 관찰되듯이 Gate와 Data를 분리시키는 Gate절연막이 없고 두 막이 접합되면 입력되는 신호는 ON/OFF를 구분하지 못하고 Drain을 통해서 신호와 상관없이 투명전극에 계속적으로 전류를 공급하게 된다(권, 2003). 결과적으로 이 신호는 픽셀을 항상 밝게 빛나게 하며, 불량 박막 트랜지스터가 있는 픽셀을 교차하는 가로-세로 픽셀 선 전체에 동일한 문제를 야기하는 것으로 판단된다. 이 결과에 기인하여 Data-Gate 접합 불량은 Gate막 공정 이후 Gate절연막 증착 이전에 환경성 이물 또는 장비 내부 이물이 유입된 것으로 추정된다.
- 실험결과는 박막 트랜지스터 구성막 중 Gate절연막(SiNx)의 유실로 인해 Data막과 Gate막이 접합된 것이 확인되었고, 이 현상으로 인해서 픽셀의 ON/OFF 기능이 상실되어 밝게 빛나는 불량이 발생한 것으로 나타났다. 본 연구에서 제시한 집속이온빔 장치에 의한 3차원 구조구현 자료는 2차원 단면이미지와 비교하여 많은 정보를 제공하였고 미시적인 거동에 대해서 3차원 해석으로 불량현상을 이해할 수 있었다.
- TFT-LCD 패널의 불량현상 중 Data선과 Gate선이 밝게 빛나는 선 불량(line defect)을 유발하는 박막 트랜지스터 시료에 대해서 집속이온빔 가공장치(Dual-beam FIB/SEM)와 IMOD 소프트웨어를 이용하여 3차원 구조구현(3D reconstruction) 연구를 하였다. 실험결과는 박막 트랜지스터 구성막 중 Gate절연막(SiNx)의 유실로 인해 Data막과 Gate막이 접합된 것이 확인되었고, 이 현상으로 인해서 픽셀의 ON/OFF 기능이 상실되어 밝게 빛나는 불량이 발생한 것으로 나타났다. 본 연구에서 제시한 집속이온빔 장치에 의한 3차원 구조구현 자료는 2차원 단면이미지와 비교하여 많은 정보를 제공하였고 미시적인 거동에 대해서 3차원 해석으로 불량현상을 이해할 수 있었다.
- 박막 트랜지스터의 집속이온빔 가공장치로 가공된 단면은 대전방지층이 없는 새로운 재료의 표면이 되며, 고전압에서 SEM이미지를 촬영하면 비전도성 Gate 절연막(SiNx)과 유리 기판에 의해 대전효과가 발생하게 된다. 주사전자현미경 가속전압을 변화시키면서 확인 한 결과 가속전압 2 kV에서 대전효과가 없어지고 깨끗한 이미지를 촬영할 수 있었다. 이것은 기판으로 사용하는 유리의 대전효과가 사라지는 2차전자 에너지 값(KeV)이 2 kV이기 때문으로 판단된다.
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