KR20040082805A

KR20040082805A - method for thin film thickness gauge using Atomic Force Microscope tip-scratch in organic Electro-Luminescence device

Info

Publication number: KR20040082805A
Application number: KR1020030017489A
Authority: KR
Inventors: 김정호; 이정수; 김태형; 권현자; 김명섭; 오형윤
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2003-03-20
Publication date: 2004-09-30

Abstract

PURPOSE: A method for measuring a thickness of a thin film is provided to rapidly and precisely measure the thickness of the thin film by using an atomic force microscope in an organic electro luminescence device. CONSTITUTION: A predetermined portion of a thin film is scratched by using a tip of an atomic force microscope in such a manner that a base of an organic electro luminescence device formed at a lower portion of the thin film is exposed to an exterior. When the base of an organic electro luminescence device is exposed, a mode of the atomic force microscope is converted into a vibration mode and the predetermined portion of the thin film is scanned, thereby obtaining atomic force microscope image data. A sectional height profile is created by using the atomic force microscope image data.

Description

Method for thin film thickness gauge using Atomic Force Microscope tip-scratch in organic Electro-Luminescence device}

본 발명은 유기 EL 소자에서의 박막두께를 측정하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 주사 탐침 현미경(Atomic Force Microscope : AFM)을 이용한 유기 EL 소자의 박막 두께를 정량적으로 측정하는 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring the thickness of a thin film in an organic EL device, and more particularly, to a measuring method for quantitatively measuring the thin film thickness of an organic EL device using an atomic force microscope (AFM).

산업 전반에 걸쳐 박막 두께는 중요한 의미를 갖는다. 더욱이 전기, 전자 산업의 발달과 함께 옹그스트롬미터(Åm) 또는 마이크로미터(㎛) 단위의 매우 얇은 박막, 예컨대 반도체 기판에 형성되는 박막의 두께는 매우 중요한 의미를 갖는다.Thin film thickness is important throughout the industry. Moreover, with the development of the electrical and electronics industry, the thickness of very thin films, such as those formed on angstrom or micrometer (μm) units, such as semiconductor substrates, has a very important meaning.

즉, 반도체 소자의 고집적화에 따라 웨이퍼의 표면에 형성되는 박막의 두께는 제조 공정상의 파라미터로 작용한다.That is, the thickness of the thin film formed on the surface of the wafer according to the high integration of the semiconductor device acts as a parameter in the manufacturing process.

따라서, 박막의 두께가 원하는 범위 내로 조절되지 않으면 소자의 불량화를 초래하고, 사진공정에서의 마진을 감소시켜 수율 저하를 초래한다. 이러한 이유로, 제조공정 중 웨이퍼 표면의 특정부분에 대한 상부막(top layer) 두께의 측정은 상당히 중요한 의미를 갖는다.Therefore, when the thickness of the thin film is not adjusted within the desired range, the device is deteriorated, and the margin in the photographing process is reduced, resulting in a decrease in yield. For this reason, the measurement of the top layer thickness on certain parts of the wafer surface during the manufacturing process is of significant importance.

이와 같이, 박막 두께의 정확한 측정은 반도체 제조공정의 원가절감과 수율을 결정짓는 중요한 변수로서, 현재 사용되고 있는 박막의 두께 측정방법으로는 엘립소미트리(ellipsometry), 반사 측정(reflectometry), 각도-리졸브드(angle-resolved) XPS(X-ray photoelectron spectroscopy), QCM(Quarty Crystal Microbalance), SEM(secondary Electron Microscopy) 그리고 TEM(Transmission Electron Microscopy) 등이 있다.As such, the accurate measurement of thin film thickness is an important parameter that determines the cost reduction and yield of semiconductor manufacturing process. The thickness measuring method of the thin film currently used is ellipsometry, reflectometry, angle-resol. Angle-resolved X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), quality crystal microbalance (QCM), secondary electron microscopy (SEM), and transmission electron microscopy (TEM).

이때, 상기 엘립소미트리(ellipsometry)와 반사 측정(reflectometry)법은 박막의 재질이나, 표면/계면 상태(예, roughness) 등에 따라 복잡한 전자기학적 간섭현상이 야기되며, 시뮬레이션을 통한 두께 측정이 쉽지 않은 문제점을 가지고 있다. 그리고 수십 nm 이하 또는 수백 nm 이상의 박막에 대해서는 그 오차가 크다.In this case, the ellipsometry and reflectometry methods cause complex electromagnetic interference depending on the material of the thin film and the surface / interface state (eg, roughness), and thickness measurement through simulation is not easy. I have a problem. And the error is large for thin films of several tens nm or less or hundreds of nm or more.

상기 각도-리졸브드 XPS는 광전자의 복잡한 산란(scattering)과 함께, 출발점 두께의 한계로 수 nm 이상의 박막에 대해서는 측정이 거의 불가능한 문제점을 가지고 있다.The angle-resolved XPS has a problem that it is almost impossible to measure a thin film of several nm or more due to the complicated scattering of photoelectrons and the limit of the starting point thickness.

그리고 상기 QCM은 박막의 두께가 두꺼워질수록 진동수와 질량변화 사이의 선형성이 없어져서 이 역시 오차가 크게 발생하는 문제점을 가지고 있다.In addition, the QCM has a problem in that an error occurs because the linearity between the frequency and the mass change disappears as the thickness of the thin film becomes thicker.

마지막으로 상기 SEM 및 TEM은 유기/무기 복합 재질의 박막에 대한 시편의 단면을 원래 상태의 두께로 유지하면서 준비하기가 어려울 뿐만 아니라, 시간도 많이 걸리게 되는 문제점이 있다.Finally, the SEM and the TEM are not only difficult to prepare while maintaining the original section thickness of the thin film of the organic / inorganic composite material, but also require a lot of time.

또한, 현재 사용되고 있는 박막의 두께를 측정하는 방법은 유기 EL에서의 사용이 이루어지고 있지 않기 때문에, 이에 따른 해결 방안도 시급한 실정이다.In addition, since the method of measuring the thickness of the thin film currently used is not used in organic EL, the solution according to this is urgently urgent.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 종래 기술의 문제점에 직면하지 않으면서 유기 EL 소자에서 더 정확하고 신속히 박막의 두께를 측정하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for measuring a thickness of a thin film more accurately and quickly in an organic EL device without facing the problems of the prior art.

본 발명의 다른 목적은 유기 EL 소자에서와 같이 매우 얇은 박막 측정에 있어 간편하고 정밀하게 박막의 두께를 측정할 수 있는 주사 탐침 현미경(ATM)을 이용한 박막 두께 측정 방법을 제공하는데 있다.It is another object of the present invention to provide a thin film thickness measuring method using a scanning probe microscope (ATM) capable of measuring the thin film thickness easily and precisely in measuring very thin thin films as in organic EL devices.

도 1 은 본 발명에 따른 유기 EL 소자의 박막 두께 측정 방법을 나타내는 사시도1 is a perspective view showing a thin film thickness measuring method of an organic EL device according to the present invention

도 2(a)(b)는 본 발명에 따른 유기 EL 소자의 박막 두께 측정 방법을 나타낸 고도 측면도 및 평면도Figure 2 (a) (b) is an elevation side view and a plan view showing a thin film thickness measuring method of an organic EL device according to the present invention

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유기 EL 소자에서 주사 탐침 현미경을 이용한 박막 두께 측정방법의 특징은 박막이 형성된 유기 EL 소자의 상부면에 AFM(Atomic Force Microscope)의 탐침으로 스크래칭하여 상기 박막 하부에 형성된 유기 EL 소자의 기질이 노출되도록 미소 부위의 박막을 긁어내는 단계와, 유기 EL 소자의 기질이 노출되면, 상기 AFM을 진동모드로 전환하고 스크래칭 된 미소 부위를 스캔하여 AFM 이미지 데이터를 얻는 단계와, 상기 AFM 이미지 데이터를 이용하여 단면 고도 측면도를 생성하여 박막의 두께를 측정하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.Features of the thin film thickness measurement method using a scanning probe microscope in the organic EL device according to the present invention for achieving the above object is by scratching with an AFM (Atomic Force Microscope) probe on the upper surface of the organic EL device is a thin film formed Scraping the thin film of the minute portion to expose the substrate of the organic EL element formed under the thin film, and when the substrate of the organic EL element is exposed, the AFM is switched to the vibration mode and the scratched minute portion is scanned to scan the AFM image data. And obtaining a cross-sectional elevation side view using the AFM image data to measure the thickness of the thin film.

이때, 상기 박막의 두께를 측정하는 단계는 상기 박막 상부면에 선택적으로 AFM(Atomic Force Microscope) 탐침(tip)으로 스크래칭(scratching)된 미소 부위와 스크래칭되지 않은 임의의 한 부위의 지점을 지정하는 단계와, 상기 선택된 지점에 대응된 높이를 계산하고, 최대 높이와 최저 높이의 차이의 평균값을 박막의 두께 값으로 결정하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.In this case, the measuring of the thickness of the thin film may be performed by designating a spot on the top surface of the thin film that is selectively scratched with an AFM (Atomic Force Microscope) tip and any spot that is not scratched. And calculating a height corresponding to the selected point and determining the average value of the difference between the maximum height and the minimum height as the thickness value of the thin film.

그리고 상기 선택되는 지점 중 한 지점은 AFM(Atomic Force Microscope) 탐침(tip)으로 스크래칭(scratching)된 미소 부위이고, 다른 한 지점은 스크래칭되지 않은 임의의 한 부위인 것이 바람직하다.And one of the selected points is a micro site scratched with an AFM (Atomic Force Microscope) tip, and the other point is any one site not scratched.

또한, 상기 박막은 CuPc 박막이 입혀진 시료인 것이 바람직하다.In addition, the thin film is preferably a sample coated with a CuPc thin film.

또한, 상기 유기 EL 소자의 기질은 ITO/글라스/기판이 순차적으로 형성되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the substrate of the organic EL device is formed of ITO / glass / substrate sequentially.

또한, 상기 박막의 단단함이 상기 유기 EL 소자의 기질(substrate)의 단단함보다 작은 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the rigidity of the thin film is smaller than that of the substrate of the organic EL element.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings.

본 발명에 따른 주사 탐침 현미경을 이용한 박막 두께 측정 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, a preferred embodiment of a thin film thickness measuring method using a scanning probe microscope according to the present invention will be described.

도 1 은 본 발명에 따른 유기 EL 소자의 박막 두께 측정 방법을 나타내는 사시도이고, 도 2(a)(b)는 본 발명에 따른 유기 EL 소자의 박막 두께 측정 방법을 나타낸 고도 측면도 및 평면도를 나타낸 도면이다.1 is a perspective view showing a thin film thickness measuring method of an organic EL device according to the present invention, Figure 2 (a) (b) is an elevational side view and a plan view showing a thin film thickness measuring method of an organic EL device according to the present invention to be.

도 1과 도 2(a)(b)를 참조하여 실시예로 유기 EL(Electro-Luminescence) 소자에 사용되는 시료를 통해 본 발명을 이용하여 두께의 정량 측정을 시행하는 방법을 설명하면 다음과 같다.Referring to FIGS. 1 and 2 (a) (b), a method of performing quantitative measurement of thickness using the present invention through a sample used in an organic EL (Electro-Luminescence) device is described as follows. .

먼저, 기판 위에 글라스, ITO를 순차적으로 형성한다. 그리고 상기 ITO 위에 두께를 측정하고자 CuPc(copper phthalocyanine) 박막이 입혀진 시료를 적층하여 형성한다. 도 1에서는 상기 CuPc 박막만을 나타내고 있다.First, glass and ITO are sequentially formed on a substrate. And to measure the thickness on the ITO is formed by laminating a sample coated with a copper phthalocyanine (CuPc) thin film. In FIG. 1, only the said CuPc thin film is shown.

이어 상기 박막을 도 1에서와 같이 AFM(Atomic Force Microscope) 탐침(tip)으로 스크래칭(scratching)하여 미소 부위 박막만 제거한 후, 그 부위를 도 2(a)와 같이 이미징 한다.Subsequently, the thin film is scratched with an Atomic Force Microscope (AFM) tip as shown in FIG. 1 to remove only the microscopic portion of the thin film, and then the portion is imaged as shown in FIG.

이때, 상기 박막의 단단함이 하부의 ITO/글라스/기판인 기질(substrate)의 단단함보다 작아야 한다.At this time, the rigidity of the thin film should be less than the rigidity of the substrate (substrate) of the lower ITO / glass / substrate.

그리고 박막의 아래 부분인 기질에는 손상이 가지 않으면서 박막만 긁어낼 수 있는 접촉 힘(contact force) 또는 로딩 힘(loading force)을 찾아내어 AFM 접촉 모드로 기질이 나타날 때까지 미소 부위의 박막을 긁어낸다.Find the contact force or loading force that only scratches the film without damaging the substrate underneath it, and then scratch the thin film until the substrate appears in AFM contact mode. Serve

이와 같이 완전히 박막이 제거되고 나면 AFM 진동 모드(non-contact or intermittent contact)로 전환한 후, 그 부위를 스캔하여 AFM 이미지 데이터를 얻는다.After the thin film is completely removed, it is switched to AFM vibration mode (non-contact or intermittent contact), and the area is scanned to obtain AFM image data.

그리고 상기 얻어진 AFM 이미지 데이터를 통해 단면도 해석으로 도 2(a)와 같이 단면 고도 측면도를 얻게 되고, 이 얻어진 AFM 이미지의 단면 고도측면도(height profile)로부터 박막의 두께를 정확히 알 수 있게 된다.A cross-sectional elevation side view is obtained by cross-sectional analysis through the obtained AFM image data as shown in FIG. 2 (a), and the thickness of the thin film can be accurately known from the cross-sectional height profile of the obtained AFM image.

상기 단면 고도 측면도를 통해 박막의 두께를 측정하는 방법은 먼저 박막 상부면에 선택적으로 2 지점(o, o')을 지정한다. 이중 한 지점(o')은 AFM(Atomic Force Microscope) 탐침(tip)으로 스크래칭(scratching)된 미소 부위이고, 다른 한 지점(o)은 스크래칭되지 않은 임의의 한 부위이다.The method for measuring the thickness of the thin film through the cross-sectional elevation side view first designates two points (o, o ') selectively on the upper surface of the thin film. One point (o ') is a microsite scratched with an Atomic Force Microscope (AFM) tip, and the other point (o) is any one site that is not scratched.

그리고 상기 선택된 2 지점에 대응된 높이를 계산하고, 이때의 최대 높이와 최저 높이의 차이를 박막의 두께로 결정하게 된다. 더욱이, 다수개의 패터닝된 단차 부분을 다 지점 지정하여 이때 높이차의 평균값을 박막의 두께로 결정함으로써, 측정오차를 보다 줄일 수도 있다.The height corresponding to the two selected points is calculated, and the difference between the maximum height and the minimum height at this time is determined as the thickness of the thin film. Further, by measuring a plurality of patterned stepped portions at multiple points and determining the average value of the height differences as the thickness of the thin film, measurement errors may be further reduced.

이상에서와 같이 본 발명은 기존 방법과는 달리 간단한 물리 현상(scratching)을 이용한 것으로 기하학적 모델로 쉽게 이해되며, 시료 전처리 과정이나 시뮬레이션 등이 필요 없게 된다.As described above, the present invention, unlike the conventional method, uses a simple physical phenomenon (scratching) and is easily understood as a geometric model, and does not require a sample preparation process or a simulation.

따라서, 더 쉽게, 더 빨리 그리고 더 정확하게 두께 측정이 가능하며, 짧은 시간에 계면과 박막 표면의 울퉁불퉁함(roughness)으로 인한 박막 두께의 미소 변화를 포함하는 고 공간 분해능(high spatial resolution)의 두께 정량 측정이 가능하게 된다.Thus, thickness measurements are made easier, faster and more accurately, and with high spatial resolution thickness measurements, including micro-changes in thin film thickness due to the roughness of the interface and thin film surface in a short time. Measurement is possible.

부수적으로 계면의 울퉁불퉁함에 대한 정보도 함께 얻게 된다.Incidentally, information about the interface irregularities is also obtained.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 유기 EL 소자에서 주사 탐침 현미경을 이용한 박막 두께 측정 방법은 다음과 같은 효과가 있다.The method for measuring thin film thickness using a scanning probe microscope in the organic EL device according to the present invention as described above has the following effects.

첫째, 유기 EL 소자에 적층 형성되는 박막과 같이 매우 얇은 박막의 두께를 간편하고 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.First, there is an effect that the thickness of a very thin film, such as a thin film laminated on an organic EL element, can be easily and precisely measured.

둘째, 미세 박막의 통상적인 측정방법인 엘립소미트리보다 측정값이 정확하고, 정밀한 두께 측정시 사용되는 TEM 측정방법 보다도 상대적으로 측정오차가 작아 신뢰성을 높일 수 있는 효과가 있다.Second, the measurement value is more accurate than the ellipsomite, which is a typical measurement method for fine thin films, and has a relatively small measurement error than the TEM measurement method used for precise thickness measurement, thereby improving reliability.

셋째, TEM 측정방법의 단점인 복잡한 샘플 준비과정이 요구되지 않아 더 정확하고 신속히 박막의 두께를 측정하는 효과가 있다.Third, the complicated sample preparation process, which is a disadvantage of the TEM measurement method, is not required, thereby measuring the thickness of the thin film more accurately and quickly.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.

Claims

Scratching the thin film of the micro-site so that the substrate of the organic EL device formed under the thin film is exposed by scratching with an AFM (Atomic Force Microscope) probe on the upper surface of the organic EL device where the thin film is formed;

When the substrate of the organic EL device is exposed, converting the AFM into a vibration mode and scanning the scratched minute portion to obtain AFM image data;

And measuring the thickness of the thin film by generating a cross-sectional elevation side view using the AFM image data.

The method of claim 1, wherein measuring the thickness of the thin film

Designating a point on the thin film upper surface of a micro site scratched with an Atomic Force Microscope (AFM) tip and an arbitrary site that is not scratched;

And calculating a height corresponding to the selected point and determining an average value of a difference between a maximum height and a minimum height as a thickness value of the thin film.

The method of claim 2,

One of the selected points is a microsite scratched with an AFM (Atomic Force Microscope) tip, and the other point is an arbitrary non-scratched site. Thin film thickness measurement method using a microscope.

The method of claim 1,

The thin film is a thin film thickness measuring method using a scanning probe microscope in an organic EL device, characterized in that the CuPc thin film is coated.

The method of claim 1,

The substrate of the organic EL device is a thin film thickness measurement method using a scanning probe microscope in the organic EL device, characterized in that the ITO / glass / substrate is formed sequentially.

The method of claim 1,

The thin film thickness measuring method using the scanning probe microscope in the organic electroluminescent element characterized by the rigidity of the said thin film being smaller than the rigidity of the substrate of the said organic electroluminescent element.