Water Vapor and Hydrogen Transport Behavior in the Thin Film Barrier prepared by Atomic Layer Deposition

Abstract

According to the trend of the electronic device industry that requires high performance and high flexibility, research is being actively conducted in related fields. The display corresponds to one of the most important technologies among the core elements of electronic devices, and the display is also developing in the direction of high performance and high flexibility. Among the light-emitting device technologies, OLED is considered as a next-generation display light-emitting device technology because of its superior luminous efficiency, color reproducibility, and brightness characteristics compared to existing LCDs. However, since the light-emitting characteristics of OLED are deteriorated by moisture and oxygen in the air, an encapsulation technology that can prevent this is applied. In addition, an oxide semiconductor is a device used in a display backplane with a large change in characteristics due to hydrogen, and research on a barrier to control hydrogen is in progress. In the past, glass with excellent properties has been used as a gas diffusion barrier. However, in a situation where electronic devices are being developed in a form that requires flexibility, glass can be broken by external stress, so a thin film encapsulation technology that can replace the glass and secure flexibility at the same time is emerging. Thin film encapsulation requires a deposition technique that uniformly applies a thin film. Although there are various deposition methods, the atomic layer deposition method, which is the thinnest, has high quality and can be applied uniformly, is one of the most promising deposition techniques. The existing thin film encapsulation technology was mainly applied using PECVD. When PECVD is used, there are deficiencies in the quality of the film, such as particle problems occurring in the vapor phase and the density of the film, and a high thickness is applied to compensate for this. Demand for a thinner film that is superior to those of PECVD SiO2 and SiNx, which are currently most used in mass production, is increasing. Therefore, in this study, the evaluation and analysis of the gas diffusion prevention film of the thin film produced using the atomic layer deposition method was divided into three main directions. First, the physical and chemical properties of SiO2 and SiNx single thin films fabricated using the atomic layer deposition method were evaluated and compared with those of SiO2 and SiNx fabricated by PECVD. Second, the gas diffusion prevention properties were evaluated for moisture and hydrogen gas, respectively, based on the analysis of the membrane properties conducted in this way. Through these results, the tendency according to the gas, the tendency according to the material, and the tendency according to the process method were analyzed, respectively. Finally, by applying this to the simulation based on the measured gas permeation data, the validity of the simulation was evaluated and information about the defects inside the diffusion barrier sample was predicted. |고성능, 고유연성을 요구하고 있는 전자기기 산업의 트렌드에 따라 관련 분야들에서 연구가 활발히 진행되고 있다. 디스플레이는 전자기기의 핵심 요소 중 가장 중요한 기술 중 하나에 해당하며 디스플레이 또한 고성능, 고유연성의 방향으로 발전하고 있다. OLED는 발광소자 기술 중 기존의 LCD 대비 발광 효율, 색재현성, 밝기 특성이 우수하여 차세대 디스플레이 발광소자 기술로 손꼽히고 있다. 그러나 OLED는 공기중의 수분과 산소에 의해 발광특성이 열화되기 때문에 이를 막아줄 수 있는 봉지 기술이 적용되고 있다. 또한 산화물 반도체는 수소에 의한 특성 변화가 큰 display backplane에서 사용되는 소자로, 수소를 제어하기 위한 barrier 연구가 진행 중이다. 기존에는 기체 확산 방지막으로 특성이 뛰어난 glass를 사용해왔다. 그러나 전자기기가 점차 유연성을 요구하는 형태로 개발되고 있는 상황에서 glass는 외부 응력에 의해 깨질 수 있기 때문에 glass를 대체할 수 있는 특성을 가짐과 동시에 유연성을 확보할 수 있는 박막 봉지 기술이 대두된다. 박막 봉지는 얇은 막을 균일하게 도포하는 증착 기술이 필요하다. 증착 방법은 다양하지만, 가장 얇으면서 막의 품질이 높고 균일하게 도포가 가능한 원자층 증착법이 유력한 증착 기술 중 하나이다. 기존의 박막봉지 기술은 주로 PECVD를 사용하여 적용되었다. PECVD를 사용하여 증착할 경우, 기상에서 발생하는 particle 문제, 막의 밀도 등 막의 품질 측면에 부족함이 있으며, 이를 보완하기 위해 높은 두께를 적용하고 있다. 현재 양산에서 가장 많이 활용되는 PECVD SiO2, SiNx의 특성보다 우수하면서 더 얇은 막에 대한 수요가 증가하고 있는 추세이다. 따라서 본 연구에서는 원자층 증착법을 이용하여 제작한 박막의 기체 확산 방지막에 평가 및 해석에 대한 연구로 크게 세가지로 방향을 나누어 진행하였다. 첫째로 원자층 증착법을 이용해 제작한 SiO2, SiNx 단일 박막들의 물리적, 화학적 특성을 평가하고, 이를 PECVD로 제작한 SiO2, SiNx와 비교 분석하였다. 두번째로 이렇게 진행된 막 특성 분석을 기반으로 기체 확산 방지 특성을 수분과 수소기체에 대해 각각 평가하였다. 이러한 결과를 통해 기체에 따른 경향, 물질에 따른 경향, 공정 방법에 따른 경향을 각각 해석하였다. 마지막으로, 측정된 기체 투과 데이터를 기반으로 이를 시뮬레이션에 적용함으로써 시뮬레이션의 타당성을 평가함과 동시에 확산 방지막 샘플 내부의 defect에 대한 정보를 예측하였다.