薄膜光學特性之分析模組技術
作者：
賴識翔、鄭皓蓬、林義鈞、董福慶、唐謙仁、韓建遠
刊登日期：2020/05/28
摘要
近年來，OLED相關產業快速發展，薄膜材料、元件結構及薄膜厚度等皆會影響OLED元件的特性，其中對於薄膜厚度精準度的要求，需搭配不同量測系統來進行監測。除了傳統採用石英振盪式膜厚監控系統監測鍍膜速率與膜厚變化外，我們開發具有高準確性的光學薄膜檢測方法來監控薄膜特性的變化，此法具有量測速度較快、非接觸薄膜表面與非破壞薄膜結構等特性，未來可將該模組裝置於真空鍍膜腔體上，使真空鍍膜設備具備即時測量薄膜光學特性的功能，可優化鍍膜製程及進行薄膜品質監控。
The OLED-related industries have grown swiftly in recent years. The thin film materials, device structure and film thickness will affect the characteristics of OLED devices. Among them, the requirements for the accuracy of thin film thickness need to be monitored with different measurement systems. In addition to the traditional method of the quartz oscillation film thickness monitoring system to measure the coating rate and thin film thickness, we have developed an optical film measurement method with high accuracy to monitor changes in thin film characteristics. This method has several advantages, for example: faster measurement speed, non-contact film surface, non-destructive film structure and so on. In the future, the module can be installed on the vacuum coating equipment, so that the vacuum coating equipment has the function of in-situ measuring the optical properties of the thin film, which can optimize the coating process and thin film quality.
關鍵詞(Keywords)
有機發光二極體、橢圓偏光技術、奈米薄膜
Organic Light-Emitting Diode (OLED), Ellipsometry, Nano-thin films
前言
真空鍍膜技術已廣泛應用於各類光電產品中，全球智慧型手機領導廠商Apple在2017年將有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode ，OLED)面板導入智慧型手機的應用，使得OLED材料、製程及設備等相關產業加速發展，同時也加速了OLED照明的發展。隨著各類光電產品性能需求提升，對於鍍膜精準度(均勻性、厚度等)的要求也趨於嚴苛，例如OLED奈米薄膜厚度精準需求將影響OLED元件特性，因此對於各類鍍膜精準度的要求，需搭配不同的監測系統來進行監測。OLED奈米薄膜傳統上使用蒸鍍鍍膜技術，採用石英振盪式膜厚監控系統監測鍍膜速率與膜厚變化，原理乃利用鍍膜過程中，質量的增加會使石英的振盪頻率產生變化，將變化的頻率值換算成動態鍍膜速率變化及累積的膜厚值，但需嚴格控制石英晶體溫度、溫度梯度、激發電場等外在因素，才能確保膜厚量測的精準性，但此法無法長時間連續式監控且僅能監控物理厚度。
本文將針對國際上OLED的市場概況做一簡單說明，同時介紹工研院機械所使用橢圓偏光技術來確保OLED薄膜厚度量測的精準性，橢圓偏光技術是一種具有高準確性的光學薄膜檢測方法，具有非破壞性與原位量測等優點，能保持樣品的完整性且可重複量測，可獲得薄膜厚度、折射率、消光係數等光學特性，未來可應用於真空鍍膜設備上，使其具備即時測量薄膜光學特性的功能，便可在鍍膜過程中進行薄膜品質監控，提高OLED元件之良率，降低其生產成本。
OLED照明國際概況
OLED照明已吸引國際大廠與各國政府投入大量資源進行研發，中國官方於2016年2月公佈2016-2020年國家重點研發計畫專案內容[1, 2]，其中重點專項3為戰略性的先進電子材料，和OLED直接相關的有OLED照明、OLED材料以及印刷式OLED之開發，在 “第三代半導體材料與半導體照明” 任務內1.4.2分項，即有OLED照明範圍，標題為 “高效大面積OLED照明器件製備的關鍵技術及生產示範”，研究內容涵蓋材料、原理及元件和大面積面板開發，預計達成在1000 cd/m2下，大面積OLED照明面板(100 x 100 mm2)發光效率＞150 lm/W且演色性＞90，照明面板的半衰壽命達1萬小時以上。這幾年中國多家廠商也積極投入OLED顯示與照明的研發，中國國家重點研發專案預計受惠廠商如京東方、華星、天馬、和輝等OLED顯示面板生產廠商，以及南京第一光電（First-o-lite）等專注於OLED照明開發的廠商。美國能源部(DOE)於2016年5月公布之研發計畫 [3]，DOE設定OLED照明面板的效率在2020年要達到160 lm/W，OLED燈具的壽命LT70（亮度衰退至初始值的70%）要達到5萬小時，預測OLED照明將在2020年後與LED的成本、效率與壽命指標皆趨於一致。
然而OLED藍色螢光材料的壽命僅是綠光或紅光材料的1/20，發光效率也不足，藍光材料仍然是OLED照明的產業化瓶頸。工研院改以長壽命的綠光材料，利用金屬－有機－金屬（Metal-Dielectric-Metal ; MDM）結構(如圖1所示)產生平面型電漿耦合效應，將綠光材料的發光頻譜轉換為藍光，徹底解決白光OLED照明產業化的重要困難，有效取代藍光材料。MDM結構與其他發光材料整合後，成為電漿耦合之白光PCOLED（Plasmon Coupled OLED），PCOLED可取代目前的Hybrid OLED白光結構與專利限制，成為一種不需要藍光材料的創新白光OLED架構，此概念已獲得2015年R&D100百大科技研發獎的肯定。MDM OLED奈米薄膜厚度精準需求將影響OLED元件特性，因此對於鍍膜精準度的要求，需搭配不同的監測系統來進行監測，除了傳統採用石英振盪式膜厚監控系統監測鍍膜速率與膜厚變化外，我們開發具有高準確性的光學薄膜檢測方法來監控薄膜特性的變化，此法具有量測速度較快、非接觸薄膜表面與非破壞薄膜結構等特性，後續將進一步說明。
(a) (b)
圖1 一般傳統Hybrid OLED (a)；工研院專利MDM白光OLED (b)。
橢圓偏光技術原理及分析模型
一般而言，以市售全新石英薄膜振盪式膜厚監控器(如圖2所示)的振盪頻率約為6 MHz或是5 MHz，會隨著使用時間、表面受熱蒸鍍材料冷卻沉積附著的污染程度，振盪頻率會隨之慢慢遞減。蒸發沉積鍍膜設備並不會隨著石英薄膜振盪片受汙染的程度而自動校正所偵測的實際鍍膜速率，因此往往造成觀測到的鍍膜速率與實際上之蒸發沉積鍍膜速率存在著落差，造成鍍膜速率控制無法達到高度精準。
圖2 石英振盪式膜厚監視器搭配真空密封法蘭。
除了上述石英振盪法監測鍍率外，現今薄膜厚度的量測方法有很多，光學方法通常具有量測速度較快、非接觸薄膜表面與非破壞薄膜結構的特性，所以適合於薄膜製程中和製備完成後的檢測，而常用的光學方法如：等厚干涉法、等傾干涉法、原子吸收光法、橢圓偏振法與白光干涉測量法，然而不同的測量方法各有其特點，每個方法都存在一定的測量精度、測量範圍和應用範圍，OLED薄膜需控制薄膜沉積精準度在數奈米等級，此外也需要在製鍍過程中即時監控來控制厚度，其中橢圓偏光量測技術應用最為廣泛，可以同時測量薄膜的厚度和光學特性外，並可以達到即時監測的要求。橢圓偏光技術是一種具有高準確性的光學薄膜檢測方法，具有非破壞性與原位量測等優點，能保持樣品的完整性且可重複量測，可獲得薄膜厚度、折射率、消光係數與表面粗糙度等薄膜特性參數，利用光譜光源可讓量測薄膜厚度精準度達奈米等級以上，觀察到0.1nm的厚度變化，圖3便是利用橢圓偏光技術量測單一層有機薄膜獲得其光學特性。[4-5]
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