09-접속이온빔(JE)

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경림 방
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1 한국현미경학회지제 39 권제 4 호 2009 Korean J. Microscopy 39(4), 349~354(2009) 집속이온빔장치와주사전자현미경을이용한박막트랜지스터구조불량의 3 차원해석 김지수 *, 이석열, 이임수, 김재열 엘지디스플레이 ( 주 ) 구미분석팀 Three Dimensional Reconstruction of Structural Defect of Thin Film Transistor Device by using Dual-Beam Focused Ion Beam and Scanning Electron Microscopy Ji-Soo Kim*, Seok-Ryoul Lee, Lim-Soo Lee and Jae-Yeal Kim Gumi Analysis Team, LG Display, Gumi, Gyeongbuk , Korea (Received November 26, 2009; Accepted December 24, 2009) ABSTRACT In this paper we have constructed three dimensional images and examined structural failure on thin film transistor (TFT) liquid crystal display (LCD) by using dual-beam focused ion beam (FIB) and IMOD software. Specimen was sectioned with dual-beam focused ion beam. Series of two dimensional images were obtained by scanning electron microscopy. Three dimensional reconstruction was constructed from them by using IMOD software. The short defect between Gate layer and Data layer was found from the result of three dimensional reconstruction. That phenomena made the function of the gate lost and data signal supplied to the electrode though the Drain continuously. That signal made continuous line defect. The result of the three dimensional reconstruction, serial section, SEM imaging by using the FIB will be the foundation of the next advanced study. Keywords : Three dimensional reconstruction, FIB, SEM, TFT-LCD 서론최근멀티미디어산업은급속히진행되어산업전반에서그영역이넓어지고있으며, 특히고화질의평판디스플레이에대한요구가증가하고있다. 여러종류의평판디스플레이산업에서주축이되는기술은비정질실리콘박막트랜지스터 (Thin film transistor, TFT) 를스위칭소자로사용하는박막트랜지스터액정표시장치 (Thin film transistor-liquid crystal display, TFT-LCD) 로생각되며, 박막트랜지스터소 자와컬러필터의고해상도, 고휘도를목적으로성능개선연구가활발히진행중이다 ( 장, 1997; 김, 2001). 박막트랜지스터는반도체공정으로제작되기때문에발생되는불량현상도미시적인거동을하며그중에서도공정진행중유입된이물에의한구조변형및파괴, 증착및식각작업오류로인한박막형성불량이큰비중을차지하고있다. 이러한불량들은 TFT-LCD 패널내에서정상픽셀과대비하여밝거나어둡게표시되기때문에작은결함에도불량현상이육안으로확인이되는디스플레이장치특성상반드시해결해야하는문제이다. 박막트랜지스터는발생되는불량현상의 * Correspondence should be addressed to Ji-Soo Kim, Gumi Analytical Technology Team, LG Display, 642-3, Jinpyung-dong, Gumi-si, Gyeongsangbuk-do , Korea. Ph.: (054) , Fax: (054) , ihaveidea@lgdisplay.com 349

2 350 Korean J. Microscopy Vol. 39, No. 4, 2009 크기가 nm~μm까지로범위가넓고, 고집적다층박막으로서표면및계면분석을위한고분해능영상이요구되기때문에집속이온빔가공장치 (Dual-Beam Focused Ion Beam/ Scanning Electron Microscopy, Dual-beam FIB/SEM) 에대한관심이높으며더불어많은활용이이뤄지고있다. 또한마이크론 / 나노스케일에서의재료의단면관찰, 패턴의절단및접합, 나노구조체제작, 극미소영역에대한투과전자현미경 (Transmission Electron Microscopy, TEM) 시료제작에유용하게사용되고있다 (Wu et al., 2003). 특히, 차세대디스플레이산업의주축이될유기발광다이오드 (OLED) 의다층유기막구조분석, 발광다이오드칩 (LED Chip; GaN) 의전위분석, 전자종이디스플레이 (Electric paper display, EPD) 의다층박막분석에서반드시필요한장비로판단된다. 최근세계적으로소프트웨어적 3차원구조구현기법인전자토모그래피 (Electron tomography) 연구가활발히진행중이며, 의 생물, 재료과학, 지질학등다양한분야에서시료의구조적인문제점을해결하기위해사용하고있다 (Kim et al., 2008; Mun et al., 2009). 3차원구조구현기법은전자현미경으로촬영된일련의연속적인이미지를소프트웨어적으로연결해서 3차원구조로재형성시키는연구로서투과전자현미경법, 집속이온가공법등이활용되고있다 (Groeber et al., 2003; Inkson et al., 2006). 하지만국내재료과학분야에서는아직시작단계로생각되며 (Kim et al., 2008), 특히집속이온빔가공장치를이용한 3차원구조구현기법연구는충분히이해할수있을정도로연구되지않았으며심도있고계획적인연구를수행할필요가있다고판단되며, 3차원분석기법및장비활용영역의확대라는관점에서연구가치가높다고생각된다. 이논문에서는 TFT-LCD 패널에서박막트랜지스터의구조가파괴된시료를이용해서집속이온빔가공장치로써 2차원영상을얻었고, IMOD 소프트웨어를이용하여 3차원구조구현기법으로막을재구성하여불량현상을정확히이해하고자하였다. 실험방법 1. 재료및장비본연구에서는 TFT-LCD 패널중에서가로-세로선전체가빛나는불량을유발하는박막트랜지스터소자에대해서분석하였고, TFT-LCD 패널은 Data 신호선과 Gate 신호선이연결되어 의픽셀로구성되어있다. TFT- LCD 불량픽셀의신호확인을위한파형측정은오실로스코프 (Oscilloscope, 744A, Tektroniks, USA) 를사용하였다. 연속절편법 (Serial sectioning) 과단면이미지촬영은집속이온빔가공장치 (Dual-Beam FIB/SEM, 1540XB, Carl Zeiss, Table 1. Dual-beam FIB/SEM parameters for imaging and simulations Contents SEM FIB Resolution 1.1 nm at 20 kv 7 nm at 30 kv Magnification 20~900 K 600~500 K Probe current 4 pa~20 na 1 pa~50 na Voltage 0.1~30 kv 3~30 kv Emitter Thermal FE Ga + liquid ion Detectors SE2, Inlens, BSD, STEM SE2, Inlens Germany) 를사용하였으며, 장비의제원은 Table 1에나타내었다. 3차원구조구현을위한이미지프로세싱소프트웨어는 Colorado university Boulder laboratory의 IMOD를사 용하였다. 무료다운로드홈페이지주소는 edu이다. 2. 연속절편법 (Serial sectioning) 과이미지작업 단층촬영을위해서시편홀더의기울기는 54 이고, 주사전자현미경과집속이온빔가공장치의유센트릭높이위치는 5mm에서맞추었다. 집속이온빔가공장치는가속전압 30 kv, 빔전류는 50 pa~2 na까지변화시켰다. 1차적으로빔전류2nA에서넓은면적을에칭시켰고, 관찰영역에서는단면이미지와시료손상을최소화하기위해서빔전류 50 pa 에서에칭하였다. 시료표면의집속이온빔가공장치중발생하는표면손상을방지하기위해서백금 (Pt) 을증착하였다. 백금보호막은표면손상방지뿐만아니라식각속도 (Etch rate) 차이에서발생하는워터폴현상 (waterfall effect) 과대전효과의영향도감소시켜양질의이미지를얻는데도움이된다. 박막트랜지스터의집속이온빔가공장치로가공된단면은대전방지층이없는새로운재료의표면이되며, 고전압에서 SEM이미지를촬영하면비전도성 Gate 절연막 (SiNx) 과유리기판에의해대전효과가발생하게된다. 주사전자현미경가속전압을변화시키면서확인한결과가속전압 2kV에서대전효과가없어지고깨끗한이미지를촬영할수있었다. 이것은기판으로사용하는유리의대전효과가사라지는 2차전자에너지값 (KeV) 이 2kV이기때문으로판단된다. 이미지정렬은데이터수집이후소프트웨어에서진행되지만집속이온빔가공도중에리얼스캔주사전자현미경이미지로 1차정렬을진행하였다. 현재 TFT-LCD산업에서널리사용되고있는 PECVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정으로증착시킨 Gate 절연막은국부영역내에서두께가약 1 nm 이내의편차를가지고있기때문에 (Lee et al., 2008) Gate 절연막계면을 X축으로설정하여이용하였고, Y축은백금보호막표면을집속이온빔가공장치로가공한선모양의흔적을이용하였다. 이것은집속이온장치의식각가공과정을주사전자현미경을통해서실시

2. Serial alignment of Stack files by Midas software (a) Before (b) After. 간으로확인할수있기때문에가능한작업이다. 적층되는 2차원이미지가많을수록집속이온빔가공장치가공으로인한체적변화를최소화할수있고, 정확도가높은구조구현을할수있기때문에단층가공간격은 20 nm로진행하였고, 총 100장의단면이미지를저장하였다.

3 Kim JS et al. : 351 (a) (b) (c) 400 nm 400 nm 400 nm (d) (e) (f) 400 nm 400 nm 400 nm Fig. 1. 2D images of Cross-sectional dual-beam FIB/SEM after 1 st alignment during serial sectioning (From (a) to (f)). The arrow mark shows the contact point between Data and Gate. (a) (b) 400 nm 400 nm Fig. 2. Serial alignment of Stack files by Midas software (a) Before (b) After. 간으로확인할수있기때문에가능한작업이다. 적층되는 2차원이미지가많을수록집속이온빔가공장치가공으로인한체적변화를최소화할수있고, 정확도가높은구조구현을할수있기때문에단층가공간격은 20 nm로진행하였고, 총 100장의단면이미지를저장하였다. 단면가공간격을 20 nm로설정한이유는, 집속이온빔가공장치의빔분해능이 7nm이고, 가공중발생하는빔에의한시료손상을감안했을때규칙적이고안정적인가공두께의최소간격으로판단되었기때문이다. 그리고단면가공작업중에나타날수있는이미지왜곡에대해서실험전각각의장비및빔 에대해서정렬을완료하였다. Fig. 1은연속절단중 1차이미지정렬을마친 2차원단면이지이며, (a) 에서부터 (f) 순서로진행하였다. Fig. 1-(d) 에서화살표시는 Data막과 Gate막의접합불량을가리키고있다. 3. 3차원구조구현 (Three dimension reconstruction) 박막트랜지스터의주사전자현미경단면이미지파일은시그윈 (Cygwin) 소프트웨어에서엠알씨 (mrc) 파일로변환하여스택 (stack) 파일로제작하였다. 스택 (Stack) 파일은마

352 Korean J. Microscopy Vol. 39, No. 4, 2009 (a) (b) (c) Fig. 3. The images of Image processing by 3dmod (a) contour drawing (b) meshing (c) 3D reconstruction. (a) (b) (c) Fig. 4. View of defect (a) TFT device on NG Pixel (b) magnified image of swelling point (c) waveform data.

정렬된스택 (stack) 파일은 3디모드 (3dmod) 소프트웨어에서대상물을구분하는컨투어드로잉 (contour drawing) 작업과드로잉 (drawing) 된대상물 (objective) 을연결하는메쉬 (mesh) 작업을진행하였고, 메쉬 (mesh) 작업을완료하여 3차원구조구현이미지를확인하였다. Fig.

4 352 Korean J. Microscopy Vol. 39, No. 4, 2009 (a) (b) (c) Fig. 3. The images of Image processing by 3dmod (a) contour drawing (b) meshing (c) 3D reconstruction. (a) (b) (c) Fig. 4. View of defect (a) TFT device on NG Pixel (b) magnified image of swelling point (c) waveform data. The arrow mark shows the mixed data of Data and Gate. 이다스 (Midas) 소프트웨어에서회전, X축, Y축, 회전하면서 2차이미지정렬을하였다. 정렬된스택 (stack) 파일은 3디모드 (3dmod) 소프트웨어에서대상물을구분하는컨투어드로잉 (contour drawing) 작업과드로잉 (drawing) 된대상물 (objective) 을연결하는메쉬 (mesh) 작업을진행하였고, 메쉬 (mesh) 작업을완료하여 3차원구조구현이미지를확인하였다. Fig. 2는마이다스소프트웨어서연속이미지정렬전 / 후를보여주는이미지이다. Fig. 3은 3dmod 소프트웨어에서이미지프로세싱을실시한이미지이다. (a) 는컨투어드로잉 (b) 는드로잉된 2차원이미지를연결하는메싱작업 (c) 는메싱된이미지를 3차원으로재형성한이미지이다. 결과및고찰 Fig. 4는 Data와 Gate선불량 (line defect) 을유발하는픽셀의박막트랜지스터표면이미지와 Data-Gate의신호특성을보여주는파형측정그래프이다. 박막트랜지스터표면에서돌기형태의특이변형형상을관찰할수있는데돌기형상의크기는 600 nm이고, 불량영역전체크기는약 2 μm로 측정되었다. COF (Chip On Film) 영역에서 Data 입력신호를오실로스코프를이용하여파형측정측정결과, Data 신호와 Gate 신호가혼합되어나타나는것을확인할수있었다 ( 화살표시영역 ). 박막트랜지스터는 Data와 Gate가 Gate절연막을사이에두고상 / 하에서교차되는구조로서구조적문제는 Data와 Gate 두막에영향을끼치기때문에가로-세로의십자가형태로선불량을발생시킬수있으며, Fig. 1-(d) 에서 Data와 Gate막의접합되어있는구조적문제를확인할수있었다. Fig. 5는이미지프로세싱작업이완료된 3차원구조구현이미지를각도 0, 45, 135, 180 로회전시키면서관찰한이미지이고, 전체이미지 (e) 는 45 기울인이미지이다. 3차원이미지에서 Data막과 Gate막의형상및불량현상을이해할수있었다. 3차원해석결과, Gate와 Data가접합되어있고, 접합된영역은원형으로융기되어있으며주변으로막이함몰되어있었다. Data와 Gate를구분하는 Gate절연막 (SiNx) 뿐만아니라 Data와 Gate사이에서신호를전달하는반도체비정질실리콘 (Si) 막도유실되어있었다. Fig. 1-(d) 에서 Data막은변형된 Gate막형상을따라서증착되어있고, Gate막이외의막들은안정적인공정이진행된것으로판단된다. Fig. 1-(d) 에서점으로관찰되는

Kim JS et al. : 353 (a) (b) Fig. 5. The images of 3D reconstruction according to the rotation angle (a) 0 (b) 45 (c) 135 (d) 180 (e) Whole image of 3D reconstruction (f) Magnified image of short area.

5 Kim JS et al. : 353 (a) (b) Fig. 5. The images of 3D reconstruction according to the rotation angle (a) 0 (b) 45 (c) 135 (d) 180 (e) Whole image of 3D reconstruction (f) Magnified image of short area. (c) (d) (e) (f) Data-Gate 접합은 3차원이미지에서불량영역전체가접합되어있으며, 그로인해융기된것으로확인되었다. 박막트랜지스터에서신호는주기적 / 지속적으로 Data막을통해서입력되고, 입력된신호는 Gate막의 ON/OFF 작용으로 Drain 을통해투명전극으로전달된다. 따라서 Fig. 5에서관찰되듯이 Gate와 Data를분리시키는 Gate절연막이없고두막이접합되면입력되는신호는 ON/OFF를구분하지못하고 Drain을통해서신호와상관없이투명전극에계속적으로전류를공급하게된다 ( 권, 2003). 결과적으로이신호는픽셀을항상밝게빛나게하며, 불량박막트랜지스터가있는픽셀을교차하는가로-세로픽셀선전체에동일한문제를야기하는것으로판단된다. 이결과에기인하여 Data-Gate 접합불량은 Gate막공정이후Gate절연막증착이전에환경성이물또는장비내부이물이유입된것으로추정된다. 이물의상단에 Gate절연막및비정질실리콘막이증착되고 Data막증착전세정공정에의해서이물이제거되면서 Gate 절연막및비정질실리콘막이유실되어 Gate막상부로 Data 막이증착되면서 Data막과 Gate막이접합된것으로판단된다. 결론 TFT-LCD 패널의불량현상중 Data선과 Gate선이밝게빛나는선불량 (line defect) 을유발하는박막트랜지스터시료에대해서집속이온빔가공장치 (Dual-beam FIB/SEM) 와 IMOD 소프트웨어를이용하여 3차원구조구현 (3D reconstruction) 연구를하였다. 실험결과는박막트랜지스터구성막중Gate절연막 (SiNx) 의유실로인해 Data막과 Gate막이접합된것이확인되었고, 이현상으로인해서픽셀의 ON/

6 354 Korean J. Microscopy Vol. 39, No. 4, 2009 OFF 기능이상실되어밝게빛나는불량이발생한것으로나타났다. 본연구에서제시한집속이온빔장치에의한 3차원구조구현자료는 2차원단면이미지와비교하여많은정보를제공하였고미시적인거동에대해서 3차원해석으로불량현상을이해할수있었다. 사 이논문을위한칼자이스 SMT사업부김상진이사, 강성만대리의기술적협조가있었으며이에감사드립니다. 사 참고문헌 권오경 : 고해상도 TFT-LCD 구동방법. 한국정보디스플레이학회지 4(6) : 16-20, 김정현 : TFT-LCD 의고개구율기술동향. 한국정보디스플레이학회지 2(1) : 36-44, 장진 : 박막트랜지스터 - 액정디스플레이 (TFT-LCD: Thin-Film Transistor Liquid Crystal Display. 화학세계 37(7) : 25-28, Groeber MA, Haley BK, Uchic MD, Dimiduk DM, Ghosh S: 3D reconstruction and characterization of polycrystlline microstructures using a FIB-SEM system. Materials Characterization 57 : , Inkson B, Mulvihill M, Mobus G: 3D determination of grain shape in a FeAl-based nanocomposite by 3D FIB tomography. Scripta Materialia 45 : , Kim JG, Lee SH, Kweon HS, Jeong JM, Jeong WG, Lee SJ, Jou HT, Kim YJ: Objective Aperture Effects for the Quantitative Analysis in Electron Tomography. Korean J. Microscopy 38 : , Lee SR, Choi JH, Jhe JH, Lee LS, Ahn BC: Study of the hydrogen of SiNx film by Fourier transform infrared spectroscopy. J Korean Vacuum Society 17(3) : , Mun JY, Lee KE, Han SS: Three dimensional reconstruction of cellular structure in drosophila retina using high voltage electron microscopy. Korean J. Microscopy 39(2) : , Wu HZ, Roberts SG, Mobus G, Inkson B: Subsurface damage analysis by TEM and 3D FIB crack mapping in alumina and alumina/5vol.%sic nanocomposites. Acta Materialia 51 : , 국문초록 TFT-LCD 의구조불량이발생한박막트랜지스터에대해서집속이온빔가공장치 (Dual-beam FIB/SEM) 를이용하여연속절편법 (Serial sectioning) 과일련의연속적인 2 차원주사전자현미경이미지를얻었고, IMOD 소프트웨어를통해서 3 차원구조구현 (3D reconstruction) 연구를하였다. 3 차원구조구현결과, Gate 막과 Data 막이접합되어있는불량이관찰되었다. 두막이접합되어서 ON/OFF 역할을하는 Gate 의기능이상실되었고, Data 신호는 Drain 을통해서투명전극에전류를공급하여계속빛나는선불량 (line defect) 이발생한것으로판단된다. 이논문의결과인집속이온빔가공장치 (Dual-Beam FIB/SEM) 를이용한 3 차원구조구현연구와연속절편법, 주사전자현미경이미지작업, 이미지프로세싱에대한결과는향후연구의기초자료로활용될수있을것으로판단된다.

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untitled Synthesis and structural analysis of nano-semiconductor material 2005 2 Synthesis and structural analysis of nano-semiconductor material 2005 2 . 2005 2 (1) MOCVD ZnO (2) MOCVD gallium oxide < gallium