셰이커를 이용한 임의의 위상 추출 방식 디지털 홀로그래피를 이용한 ITO 박막의 단차 측정에 대한 연구

Abstract

전기에 자극을 받아 빛을 발산하는 자체발광형 유기물질인 유기발광소자(Organic Light Emitting Diodes, OLED)는 박막이며 응답 속도가 빠르다는 등의 장점을 가져 휴대폰이나 TV와 같은 디스플레이 EL패널의 발광면 전극, 액정 패널, 조명 등에 쓰인다. 여기에서 전기적 특성은 양극 전극의 영향을 받는데 투명 전도성 산화막(Transparent Conducting Oxides, TCO)을 사용한다 [1-6]. 우수한 전기적 특성과 가시광선 85 % 이상의 높은 투과율을 가지고 있는 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)을 사용한다 [6-11]. 집적회로를 증착하는 방법은 크게 물리적 기상증착(Physical Vapor Deposition, PVD)과 화학적 기상증착(Chemical Vapor Deposition, CVD)인 방법이 있는데 PVD는 원하는 고체의 타겟을 물리적인 작용으로 기판 위에 박막을 증착하는 방법이다. 주로 Grove가 1852년에 처음 개발한 PVD 방법 중 진공증착법의 일종인 스퍼터링 공법을 Cr, Al, Mo 등 박막을 증착하는데 이용된다 [12-15]. 높은 운동에너지의 이온이 타겟 표면에서 충돌해 표면 원자들 역시 높은 운동에너지를 가진 채 진공으로 떨어져 나온다. 플라즈마 속의 Ar 양이온을 가속시켜 기판에 충돌하여 기판에 침착되면서 박막이 형성된다 [16-17]. 회로 고집적화를 위해서는 회로의 패턴, 높이 등 정확도와 균일성이 중요하다. 광 투과율, 전기전도 특성 등은 민감하여 제작 공정에 따라 특성이 달라지고 회로가 정확하게 증착되지 않을 경우 투과율 불량, 단선 등의 여러 가지 불량으로 나타날 수 있어 박막의 형상을 검사하는 방법으로 SEM(Scanning Electron Microscopy), AFM(Atomic Force Microscopy), Alpha Step, Surface Profiler 등의 다양한 장비들이 사용되고 있다. 그러나 이러한 방법들은 Au, Pt 등의 전도성 금속 코팅을 하여 측정하지 않으면 심한 이미지 왜곡 현상이 발생할 수 있어 대상체에 손상이 갈 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 측정하고자 하는 대상체의 크기가 제한되어 있어 작게 잘라서 측정해야 하는 단점이 있다 [18-21]. 이러한 단점을 보완할 수 있도록 측정할 대상물을 훼손해야 하는 계측 방법이 아닌 비접촉, 비파괴 검사인 광계측 분야의 위상이동 디지털 홀로그래피 기법을 측정에 활용할 수 있도록 하였다. 홀로그래피는 1948년 Dennis Gabor에 의해 간섭성을 가진 참조파가 대상체에 의해 회절이나 산란된 물체파가 동시에 있게 되면 진폭과 위상 정보를 가지고 있다. 참조파의 정보를 재생해 원 이미지를 획득할 수 있어 완전한(Holos), 기록하다(Graphein)이라는 말과 사진술(Photogrphy)라는 말을 합성하여 물체의 파에 대한 정보를 기록하고 재생하는 기술로 홀로그래피(Hologrpahy)가 쓰이게 되었다 [22-25]. Goodman과 Lawrence에 의해 홀로그램을 이용해서 수치적 재생하는 방법을 발견하였다 [26-27]. Kronrod가 컴퓨터를 이용해 이를 실현해내었다. 컴퓨터의 발전에 따라 기존 홀로그래피에서 기록할 때 필름을 사용하던 것 대신 CCD(Charge Coupled Device)와 컴퓨터를 이용해 기록과 재생을 할 수 있게 되었고 이를 디지털 홀로그래피라고 한다 [28-29]. 이렇게 발명된 홀로그래피는 MEMS, NEMS, PCB 기판, 바이오 분야와 같이 미세 물체를 제작하는 산업 분야, 3차원 디스플레이 등 여러 분야에서 정밀한 공정을 위해 측정 기술을 요구하는데 앞서 언급한 기존 측정 방법들의 단점으로 인해 최근 대안으로 디지털 홀로그래피를 이용한 3차원 형상 측정법이 대두되고 있다. 그러나 디지털 홀로그래피를 이용해 정밀한 측정을 위해서는 정밀한 위상이동이 선행되어야 하여 이를 위해서는 일반적으로 PZT Actuator를 이용한 정밀하게 위상을 제어한다. PZT Actuator는 높은 분해능을 가질수록 수 백만원에 달할 정도의 고가의 장비에 속한다. 이러한 장비를 사용하여도 위상이동 디지털 홀로그래피는 진동이나 소음과 같은 외란에서 단절된 실험적인 환경에서 측정을 진행하여야 한다. 즉, 측정 환경이 실험실에서의 실험에 국한되어 있었다. 최근 IIC(Interframe Intensity Correlation) 기법이 개발되며 이를 이용하여 외란에 강한 디지털 홀로그래피 측정에 대한 연구가 진행되고 있다. 정밀한 위상이동 대신 진동을 부가하고 이러한 진동 안에서 움직인 위상을 동영상으로 측정하고 임의로 원하는 위상이동을 획득하는 방식으로 디지털 홀로그래피의 측정으로 현장 적용성을 높이는 연구를 진행하였다 [30-31]. 본 논문에서는 이와 같은 연구를 토대로 PVD 방법으로 ITO를 OLED에 주로 사용되는 높이인 150nm로 증착하여 단차 시험편을 제작하였다. Shaker와 Arbitrary/Function Generator를 이용해 주파수에 따른 진동을 부가하고 원하는 위상을 추출하는 방식으로 디지털 홀로그래피 기법을 이용해 단차를 측정하였다. FE-SEM 장비로 측정한 ITO 박막 단차와 비교를 통해 본 연구에서 사용한 디지털 홀로그래피 시스템의 성능을 검증할 수 있도록 하였다. 이를 통해 위상이동으로 사용 가능한 주파수 대역을 확인하였다. 본 연구를 통해 외란에 약한 디지털 홀로그래피의 단점을 보완하여 산업 현장에서 측정 가능하도록 적용 가능한 주파수 대역에 대해 연구하였다.|Organic Light Emitting Diodes (OLED) is a thin film that is widely used for light-emitting electrodes on display panels such as mobile phones and TVs due to their fast response speed. These OLEDs use Transparent Conducting Oxides (TCO) because they are affected by the electrical properties of anode electrodes. Among them, Indium Tin Oxide (ITO) with excellent electrical properties and 85% or more visible light transmittance is used. Deposition methods are largely divided into two categories as follows; Physical Vapor Deposition (PVD) and Chemical Vapor Deposition (CVD), and PVD is typically used. Accuracy and uniformity of the pattern and height of the circuit are important for high density integration of the circuit. The optical transmittance and electrical conduction characteristics of thin films are sensitive, so that the various defects are occurred in kinds of poor transmittance and open circuit, if the characteristics vary depending on the manufacturing process or the circuit is not accurately deposited. Various equipment such as SEM (Scanning Electron Microscopy), AFM (Atomic Force Microscopy), Alpha Step, and Surface Profilers are used to examine the geometric sutructure of the thin films. However, these methods have a problem that if not measured by conductive metal coating such as Au and Pt, severe image distortion can occur, causing damage to the object. Also, the size of the object to be measured is limited. As a way to compensate for these shortcomings, non-destructive, non-contact digital holographic instruments with fast measurement time was used. Holography was first started by D. Gabor. If the coherent reference wave and the objective wave which is diffracted or scattered by the object interfere and the interference fringe is formed, it has the information of the amplitude and phase of combined waves. Because it is possible to obtain the original image by reproducing the information of reference wave, Holos or Gram, meaning "complete recording", and Photogrphy, were combined to create hologrpahy, meaning a technique to record and regenerate information about the combined waves. Through the continuous study of Holography, the diffraction of waves can be calculated numerically so that its 3D image can be regenerated. As a result of the development of the computer, it is possible to record and play the film using a CCD (Charge Coupled Device) and a computer instead of using the film to record it in existing holographies. This is called digital holography. With advantages such as short measurement time, non-contact, and non-destructive testing methods, Holography is widely applied to MEMS and NEMS industries, biology, and others. However, because precise phase shifting should be provided for the precise measurement, the measurement environment is limited to the laboratories. Recently, IIC techniques have been developed, and research has been conducted on digital holography measurements that are resistant to disturbance. A study was conducted to increase the applicability of the field, and instead of precise phase shifting, vibration is given and the phase shifting status is arbitrarily extracted by video measurement of the phase movement status in this vibration. In this work, test pieces by depositioning ITO up to a height of 150 nm, which is mainly used for OLED using the PVD method were produced. Height differences were measured using digital holography techniques by adding vibration in accordance with frequency through a shaker and extracting desired phase. The results are compared with those of the ITO thin film measured by FE-SEM, it was confirmed that the performance of the digital holography system used in this study is useful. From the result, the frequency bands available for phase shift could be identified. Through this study, the disadvantages of digital holography affected by disturbance supplemented so that it can be used in industrial sites.