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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.20 No.9 pp.84-89
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2021.20.09.084

Measurement of Step Difference using Digital Holography of ITO Thin Film Fabricated by Sputtering Method

Hyun Il Jung*, Ju Yeop Shin**, Jong Hyun Park*, Hyunchul Jung***, Kyeong-suk Kim****#
*Dept. of Mechanical System & Automotive Engineering, Graduate School, Chosun UNIV.
**Habaek Co.,Ltd.
***Center for Scientfic Instruments, Industry Academic Cooperation foundation, Chosun UNIV.
****Dept. of Mechanical Engineering, Chosun UNIV.
#Corresponding Author : gsckim@chosun.ac.kr Tel: -82-62-230-7282, Fax: -82-62-233-6423
17/06/2021 16/07/2021 18/07/2021

Abstract


Indium tin oxide (ITO) transparent electrodes, which are used to manufacture organic light-emitting diodes, are used in light-emitting surface electrodes of display EL panels such as cell phones and TVs, liquid crystal panels, transparent switches, and plane heating elements. ITO is a major component that consists of indium and tin and is advantageous in terms of obtaining sheet resistance and light transmittance in a thin film. However, the optical performance of devices decreases with an increase in its thickness. A digital holography system was constructed and measured for the step measurement of the ITO thin film, and the reliability of the technique was verified by comparing the FE-SEM measurement results. The error rate of the step difference measurement was within ±5%. This result demonstrated that this technique is useful for applications in advanced MEMS and NEMS industrial fields.



스퍼터링 공법으로 제작한 ITO 박막의 디지털 홀로그래피를 이용한 단차에 대한 측정

정 현일*, 신 주엽**, 박 종현*, 정 현철***, 김 경석****#
*조선대학교 일반대학원 기계시스템미래자동차공학과
**㈜하백
***조선대학교 산학협력단 공동장비운영센터
****조선대학교 공과대학 기계공학과

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    투명전도막(Transparent Conductive Oxide : TCO) 재료는 비저항이 1×10-3Ω/cm이하, 면저항이 103Ω /sq 이하로 전기전도성이 우수하고 380 ~ 780nm 의 가시광선 영역에서의 투과율이 80% 이상 이라 는 두 가지 성질을 만족시켜야 한다. 투명전극 재 료는 디스플레이 산업에서 핵심 부품이라 할 수 있으며, 본 연구에서 사용한 인듐 주석 산화물 (Indium Tin Oxide : ITO)은 대표적인 투명전극 재 료이다. 일반적으로 90%의 In2O3, 10%의 SnO2 구 성으로 이루어져 있다. ITO의 단점으로는 유연성 이 낮다는 점, 주재료인 인듐이 고갈되어 가고 있 는 유한자원 이라는 점 때문에 가격이 나날이 비 싸져 가고 있다는 점이 있다. 이와 같은 이유로 오랫동안 대체품 연구가 활발히 이루어져 왔으나, 투명도, 전기전도성, 강도, 온도 같은 전기적 및 광학적 특성이 가장 뛰어나 현재까지 가장 널리 쓰이는 투명전극 재료이다.[1-2]

    ITO 박막의 증착 방법으로는 주로 스퍼터링 공법 이 쓰인다. 이것은 플라즈마 발생 시 생기는 이온 에 의해 막을 형성하는 공법으로, 균일한 박막 증 착과 고속 증착이 가능하다.[3] ITO 뿐만 아닌 모든 TCO 는 디스플레이를 형성하는 박막층의 두께를 아는 것이 중요하다.

    회로 고집적화를 위해서는 회로의 패턴, 높이 등 에 대한 정확도와 균일성이 중요하다. 회로가 제대 로 형성되지 않을 경우 투과율 불량, 단선 등의 여 러 가지 불량으로 나타날 수 있기 때문이다. 패턴 검사를 위해 SEM(Scanning Electron Microscopy), AFM(Atomic Force Microscopy), Alpha step 등의 다 양한 장비들이 사용되고 있다. 이 중, 접촉식의 경 우, 접촉하는 팁이 약하고 접촉 시 시험편에 손상 이 생길 위험이 있다. 반면 비 접촉식의 경우, 시험 편에 손상없이 더 정확한 실험값을 얻을 수 있다. 그러나, 고가의 장비라는 점, 시편의 크기에 영향을 받는다는 점, 영상을 취합하여 표현하기 때문에 데 이터 처리 속도가 느리다는 단점도 있다.[4]

    그리스 어원에서 홀로그래피는 완전한(Holos) 정 보(Gramma) 기록을 의미한다. 홀로그램은 대상체로 부터 빛의 크기, 위상 분포를 기록하게 된다. 디지 털 홀로그래피는 이미지를 재생하기 위해 가간섭성 광원을 사용하며, 이를 통해 광파의 위상 정보를 기록 또는 재생하는 기술이다. 또한, CCD(Charged Coupled Device) 카메라를 입력장치로 사용하여 실 시간으로 홀로그램 데이터를 입력 받아 분석이 가 능하다는 장점이 있다. 이전 홀로그래피 기술들과 는 달리 편집과 데이터 압축 및 전송이 특히 용이 하다고 할 수 있다.

    ITO 투명 전극은 디스플레이 시장이 극속도로 성 장함에 있어서 수요가 증가하여 희소성이 극대화 되고 있다. 이로 인해 최적화된 증착의 필요성이 크게 대두 된다. 본 논문에서는 디지털 홀로그래피 의 측정 능력을 검증하고 나아가 교정용으로 사용 하기 위해, 스퍼터링 공법으로 ITO 박막을 제작하 여 실험하였다.

    2. 실험 장비 및 내용

    2.1 디지털 홀로그래피 시스템

    ITO 박막과 같은 투과형 대상체에 대해서는 Fig. 1에서 볼는 바와 같이, Mach-Zehnder 간섭계와 같 은 투과형 디지털 홀로그래피 간섭계를 사용한다. Mach-Zehnder 간섭계의 원리는 레이저가 Spatial Filter를 통과 후 첫 번째 B.S에서 두 갈래로 나뉘게 된다. 물체파는 시험편을 투과하게 되고 기준파는 Mirror에 반사되어 두 번째 B.S에서 물체파와 기준 파가 합쳐지게 된다. 합쳐지면서 간섭무늬가 CCD 에 입사되어 홀로그램으로 저장된다.[5-6]

    본 논문에서는 ITO 증착 박막에 대한 단차 측정 을 위해 Fig. 2와 같이 Laser, Spatial filter, Collimating lens, Iris, PZT actuator, Mirror, B.S(Beam splitter), CCD로 이루어진 간섭계를 구성하였다. 홀 로그래피의 기본 개념의 시작은 참조파(reference wave)와 대상체로부터 반사된 물체파(object wave)가 CCD 카메라의 표면에서 간섭을 일으키는 것으로부 터 시작한다. 이와 같이 간섭을 일으킨 합성 파형 은 CCD카메라를 통하여 전자적으로 기록되고 저장 된다.[7]

    2.2 FE-SEM

    디지털 홀로그래피를 이용한 ITO 증착 박막의 단 차 측정에 대해 비교를 통한 신뢰성 확보를 위해 방출형 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope; FE-SEM)을 이용하여 측정을 진 행하였다. 이 장비는 대상체 표면에 전자선을 주사 하여 입체구조를 직접 관찰할 수 있어 박막의 형상 측정이나 미세구조를 가진 물체의 검사, 성분 분석, 결함검사 등에 주로 사용된다. 광범위한 샘플을 수 용할 수 있는 세 가지 모드 (고진공, 저진공 및 ESEM)가 있는 기기이다. 일반 광학 현미경과는 달 리 광원을 전자선으로, 매질을 진공으로, 렌즈를 자 계렌즈로 사용한다는 차이점이 있다. Fig. 3에 실험 에 사용한 FE-SEM 장치를 나타냈으며, 사양은 Table 1에 표기하였다.[8]

    2.3 시험편

    디지털 홀로그래피와 FE-SEM을 이용한 ITO 증 착 박막의 단차 측정 실험의 정확도를 향상시키기 위해 Calibration 시험편을 사용하였으며, 일반적으 로 사용되는 증착높이 150nm부터 200nm까지 10nm씩 증가시켜 6가지의 높이로 시험편을 준비 하였다. 6가지 시험편을 대상으로 증착 박막의 단 차 측정 실험을 수행하여, 단차와 측정 결과 각각 의 오차율을 구하였으며, 디지털 홀로그래피의 실 험 결과와 FE-SEM의 실험 결과를 비교하였다.

    3. 실험결과 및 고찰

    3.1 디지털 홀로그래피 측정 결과

    구성한 디지털 홀로그래피 간섭 시스템을 이용 하여 증착 높이별 ITO 박막의 단차를 측정하였다. 디지털 홀로그래피로 참조광의 정보를 획득하고 박막을 측정하여 물체광의 정보를 획득하였다. 이 때, 파의 강도와 위상정보를 획득하였으며, 150nm 의 ITO 박막의 측정 결과를 Fig. 4에 나타냈다. Fig. 4(a)(b)는 획득한 디지털 홀로그래피 이미 지의 세기(Intensity)와 위상도(Phase map)를 각각 보여준다. 물체광의 정보에서 참조광의 정보를 감 산하여 물체에 대한 위상 정보만 남도록 하여 위 상지도를 얻게 되며, 이를 결펼침한 결과를 Fig. 4(c)에 나타내었다. Fig. 4(d)는 3차원으로 복원한 결과를 보여주고 있으며, 이 결펼침된 이미지 상 에 선(프로파일 라인)을 긋고, 이 선에 대한 프로 파일 정보를 취득하여 단차를 측정 할 수 있도록 하였다. Fig. 4(e)는 프로파일 라인에서의 프로파일 정보를 보여주고 있다. Fig. 4(c)에 표시된 5개의 프로파일 라인에서의 프로파일 정보를 평균하여 값을 구하였다.

    Table 2에 나타낸 결과에서 볼 수 있듯이, 150, 160, 170, 180, 190, 200nm 높이로 증착한 박막은 각각 151.8, 162.3, 173.7, 184.7, 196.5, 205.6nm로 측정되었다. 오차율은 1.20, 1.44, 2.18, 2.61, 3.42, 2.80%로 ±5% 이내임을 알 수 있었으며, 이를 Table 2에 나타내었다. 150, 160nm까지는 1% 대의 오차율이지만 170nm부터는 2~3% 대로 오차율이 증가함을 확인할 수 있었다.

    3.2 FE-SEM 측정 결과 및 비교 검증

    FE-SEM 으로 측정한 ITO 박막 증착 시험편에 대한 단차 측정 결과는 Fig. 5에 대표적으로 150nm 증착에 대한 결과를 나타내었다. Table 3에 FE-SEM으로 박막 단차를 측정한 결과를 나타내 었다. FE-SEM의 Digital holography와 달리 증착 두께가 두꺼워 질수록 오차율이 감소하는 결과를 확인할 수 있었다. 이것은 프로파일 라인을 긋기 위해 작업자가 수동으로 위치를 잡기 때문에, 동 일 화면면적에서 두께가 두꺼워 질수록 차지하는 범위가 커지기 때문에 오차율이 낮아지는 것으로 판단된다. 디지털 홀로그래피로 측정한 결과와 비 교하였을 때, 둘 다 오차율이 ±5% 이내임을 확인 할 수 있었다. 증착 시, 증착 높이가 설계값대로 증착되지 않았을 수 있다는 점을 감안하였으며, 상용 장비인 FE-SEM으로 측정한 결과와 비교하 였을 때 증착 높이 순서대로 2.15, 2.20, 2.78, 2.21, 2.93, 3.01%로 측정되었다. 오차율이 2, 3% 내외인 것으로 볼 때, 디지털 홀로그래피 측정 결 과 또한 충분히 신뢰할 수 있을 것으로 판단된다.

    4. 결 론

    본 논문에서는 디지털 홀로그래피로 ITO 투명 전 극을 스퍼터링 공법으로 150nm부터 200nm까지 10nm 단위로 증착하여, 높이가 다른 총 6종의 ITO 증착 박막에 대해 단차를 측정하였다. 증착 높이별 로 측정한 결과, 증착 높이에 대한 오차율은 2.275%로 측정되었다. 상용장비이며 원래 박막 검 사장비로 활용되고 있는 FE-SEM 측정 결과와 비 교하더라도 나노급의 박막 검사에도 충분히 활용 할 수 있음을 확인할 수 있었다.

    디지털 홀로그래피는 박막 두께가 두꺼울수록 오 차율이 커지는데 투과 시 높이별로 굴절율이 조금 씩 달라지며, 이 영향으로 두께가 두꺼울수록 오차 율이 증가한 것이라고 판단된다. 두께별로 계산식 을 보정하면 될 것으로 보이며 이에 대해 추가로 연구가 진행되면 앞으로 충분히 박막과 같은 MEMS 및 NEMS 산업에도 적용할 수 있을 것으 로 판단된다.

    후 기

    “이 논문은 2019년도 조선대학교 학술연구비 지원 에 의하여 연구되었음.”(This study was supported research fund from chosun university 2019)

    Figure

    KSMPE-20-9-84_F1.gif
    Mach-Zehnder interferometer
    KSMPE-20-9-84_F2.gif
    Digital holography interferometer system
    KSMPE-20-9-84_F3.gif
    FE-SEM
    KSMPE-20-9-84_F4.gif
    Result of digital holography

    Table

    Specifications of FE-SEM
    Result of digital holography
    Result of FE-SEM

    Reference

    1. Mentley, D. E., “State of flat-panel display technology and future trends,” Proceeding of the IEEE, Vol. 90, No. 4, pp. 453-459, 2002.
    2. Castellano, J. A. and et al., “Handbook of display technology,” Elsevier, Amsterdam, Netherlands, pp. 4-5, 2012.
    3. Kim, G. H., Lee, S. H., Yoon, J. H., and Kim, D. H., “ITO transparent electrode material technology trends,” Information Display, Vol. 11, No, 5, pp. 17-22, 2010.
    4. Kim, K. S., Jung, H. I., Shin, J. Y., Yi, S. H., Kwon, I. H., and Jung, H. C., “Measurement of Line Width for Honeycomb Structured Circuit Using Reflective Digital Holography,” Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 37, No 3, pp. 158-159, 2017.
    5. Cuche, E., Marquet, P., and Depeursinge, C., “Spatial filtering for zero-order and twin-image elimination in digital off-axis holography,” Applied Optics, Vol. 39, No. 23, pp. 4070-4075, 2000.
    6. Kim, K. S., “Principle of Digital Holography,” in Technical Lecture, Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol 33. No 5, pp. 472-478, 2013.
    7. Schnars, U. and Jueptner, W., “Digital Holography,” Springer, Berlin, Germany, pp. 21-98, 1965.
    8. Jung, H. C., Shin, J. Y., and Kim K. S., “Deposition Step-height Measurement for ITO Thin Film Pattern Fabricated with Photo-lithography,” Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol 40. No 1, pp. 9-15, 2020.