A Study on Water Vapor Permeation of Silicon-based Oxide Thin Films Deposited by PEALD

Abstract

As OLEDs have got great attention, demands of encapsulation layer increase for preventing deterioration of OLED from moisture and oxygen. Among the various encapsulation techniques, glass or metal lid encapsulation has superior barrier property, but have limitation with edge permeation and its fragile property. These rigid materials have some issues in applying to flexible devices. Thin film encapsulation (TFE) can show excellent barrier property even in thin thickness, and it is advantageous for application in flexible devices with its thin thickness. For TFE, plasma-enhanced atomic layer deposition (PEALD) is a promising deposition method due to nano-scale thickness controllability, low process temperature, and excellent conformality. In this study, we propose homogeneously mixed Si-based oxide thin films for improving barrier property even at thin thickness. Homogeneously mixed structure (HMS) films consisting of Si, Sn, and O were deposited at low temperature (100℃) using PEALD, and single layer films which are SiO2 and SnO2 were deposited as reference. The processes to deposit HMS films consist of following steps: “1st precursor dose – purge – 2nd precursor dose – purge – oxidation – purge”. To understand the growth mechanism of HMS films, density functional theory (DFT) calculations were conducted for adsorption reactions of 1st precursor and 2nd precursor. The chemical and physical properties of films such as chemical bonding state, atomic composition, film density, surface roughness, crystallinity, and optical transmittance were measured, and we confirmed that film characteristics could be controllable by changing dose sequence in the HMS process. Also, water vapor transmission rate (WVTR) was analyzed using electrical Ca test. At the same thickness of 60 nm, WVTR of SiSn¬xOy film which was deposited by “Si precursor → Sn precursor → O2 plasma” is 1.33 × 10-4 g/m2day, SnSixOy film which was deposited by “Sn precursor → Si precursor → O2 plasma” is 5.99 × 10-4 g/m2day, and single layer films have following WVTR values: SiO2 is 2.43 × 10-3 g/m2day and SnO2 is 5.27 × 10-4 g/m2day. These results imply that barrier property can be improved by including of SnO2 which has excellent barrier property, while crystallization of film is suppressed by SiO2. Since grain boundaries could serve as gas permeation paths, preventing crystallization is also important to improve barrier property. As a result, the barrier property could be improved by mixing two films through complementing shortcomings of one single layer film. Moreover, optimized atomic concentration and process conditions can be further investigated to find best barrier property.|유기 발광 소자 (OLEDs)의 차세대 디스플레이 적용 연구가 활발해 짐 에 따라 유기 발광 소자가 주목을 받고 있다. 하지만 유기 발광 소자는 대기 중의 수분이나 산소에 의해 소자가 열화 되는 문제를 지니고 있다. 이를 해결 하기 위해 봉지막 (encapsulation) 기술의 연구 필요성도 증가하고 있다. 기존 에 봉지막으로 주로 쓰이던 유리나 금속막은 수분을 잘 막아주지만, 차세대 유연 디스플레이에 적용하기 어렵다는 단점이 있다. 이에 비해 박막 봉지 (thin film encapsulation, TFE)는 얇은 봉지층의 두께를 가지고 있어 유연 디스 플레이에 적용될 수 있고, 두께 대비 투습 방지 특성도 우수하여 활발한 연구 가 진행되고 있다. 박막 봉지를 위해 다양한 증착 방법이 적용되어 왔는데, 본 연구에서는 플라즈마 원자층 증착법을 이용하여 박막을 증착하였다. 플라즈마 원자층 증착법은 나노 수준에서의 두께 제어가 용이하고, 우수한 균일도를 보 이며, 낮은 공정 온도를 가질 수 있어 박막 봉지에 적용 되기에 적합한 증착 방식이다. 다양한 무기물, 유기물이 박막 봉지에 이용될 수 있는데, 본 연구에 서는 실리콘 산화물, 주석 산화물의 특성을 살펴 본 후, 이 두 물질을 이용하 여 실리콘 기반 박막을 증착하였다. 모든 공정은 박막 봉지 응용을 위해 저온 (100℃)에서 이루어졌다. 실리콘 기반 박막을 형성하기 위해서는 두 프리커서 를 순차적으로 주입 후 산소 플라즈마를 주입하는 공정 (HMS 방식)을 이용하 였으며, 실리콘 비율이 다른 두 박막을 증착하기 위해서 실리콘, 주석 프리커 서의 순서를 바꾸어 공정을 진행하였다. HMS 필름의 성장 메커니즘을 이해하 기 위해 두 전구체의 흡착 반응의 제일원리 계산이 진행되었다. 본 연구에서 는 HMS 공정에서 전구체의 주입 순서를 바꿈에 따라 화학적 결합 상태, 원자 조성, 막 밀도, 표면 거칠기, 광 투과율 및 결정성과 같은 박막 특성이 달라지 는 것을 확인하였다. 또한 수분 투과율을 측정했을 때 동일 두께에서 실리콘 산화물은 2.43 × 10-3 g/m2day, 주석 산화물은 5.27 × 10-4 g/m2day 인 것에 비해 실리콘 기반의 혼합 구조인 SiSnxOy 박막 (실리콘 전구체 – 주석 전구체 - 산소 플라즈마 순서로 증착) 은 1.33 × 10-4 g/m2day, SnSixOy (주석 전구체 – 실리콘 전구체 - 산소 플라즈마 순서로 증착) 은 5.27 × 10-4 g/m2day 으로, SiSnxOy 박막이 두 단일 박막에 비해 크게 향상된 수분 투과 방지 특성을 가 지는 것을 확인했다. 박막 분석 결과와 함께 생각해보면, 실리콘 산화물에 주 석 산화물이 적정량 포함되었을 때 투습 방지 특성은 주석 산화물의 효과로 향상되면서 동시에 실리콘 산화물에 의해 결정성은 억제되어, 추가적인 물의 투과 경로를 제공하지 않기 때문에 투습 방지 특성이 더욱 향상된다고 생각할 수 있다. 결과적으로 적절히 두 물질을 혼합함으로써 각 물질의 단점을 보완 하여 투습 방지 특성을 향상시킬 수 있음을 확인했다. 이를 기반으로 향후에 적절한 공정 조건 및 조성비를 탐색하여 최상의 투습 방지 특성을 보이는 박 막을 개발할 수 있을 것이다.