DE112016007568T5

DE112016007568T5 - Verfahren und Vorrichtung zum Analysieren einer fluoreszierenden Schicht oder eines Schichtstapels, dermindestens eine fluoreszierende Schicht enthält

Info

Publication number: DE112016007568T5
Application number: DE112016007568.5T
Authority: DE
Inventors: Harald Hoppe; Roland Rösch; Rolf Öttking
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2016-12-31
Filing date: 2016-12-31
Publication date: 2019-10-02
Also published as: WO2018121832A1

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Analysieren eines optoelektronischen Bauelements (20) mit mindestens einem fluoreszierenden Element (22) in mindestens einer Schicht (25) offenbart. Die Elemente (22) können beispielsweise optische Licht emittierende Vorrichtungen sein. Das Verfahren umfasst das Beleuchten eines Bereichs einer Oberfläche (25) des optoelektronischen Bauelements (20) mit einem Satz der Mehrzahl von fluoreszierenden Elementen (22), Sammeln von lateral aufgelöster fluoreszierender Strahlung von dem Satz der fluoreszierenden Elemente (22) und Vergleichen die gesammelte fluoreszierende Strahlung mit simulierten Werten, um eine Analyse zu erstellen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren eines optoelektronischen Bauelements oder einer oder mehrerer Lumineszenzschichten unter Verwendung von Fluoreszenzstrahlung und eine Vorrichtung dafür.
Hintergrund der Erfindung
Es sind verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Dicke dünner Filme bekannt. Hierzu zählen die Rasterkraftmikroskopie (AFM), das Profilometer, die Rasterelektronenmikroskopie (SEM), die spektroskopische Ellipsometrie sowie spektroskopische Reflexions- oder Transmissionsmethoden. Die mikroskopischen Methoden sind invasiv, da die Proben zerstört werden müssen und nach der Messung nicht mehr verwendet werden können. Verfahren mit spektroskopischer Ellipsometrie sowie Reflexions- oder Transmissionsverfahren sind nicht invasiv, berücksichtigen jedoch normalerweise nur einen Punkt oder eine Linie innerhalb einer Fertigungslinie. Die Anwendung auf größere Flächen auf einmal (Dickenabbildung) ist bei diesen Methoden jedoch weder sehr verbreitet, noch ist der Kontrast sehr hoch.
In der Technik sind mehrere Patentanmeldungen bekannt, die Verfahren zum Analysieren der Dicke eines optoelektronischen Bauelements unter Verwendung von Fluoreszenzstrahlung beschreiben. Beispielsweise berichtet die deutsche Patentanmeldung Nr. DE 10 2004 037555 A1 ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung einer photokatalytischen Oberflächenbeschichtung, wie sie auf Dachziegeln zu finden ist. Das zu prüfende Objekt wird in eine Prüfkammer gelegt und mit UV-Licht bestrahlt. Die reflektierte Strahlung wird von einer Abbildungsvorrichtung erfasst und in ein Graustufen- oder künstliches Farbbild umgewandelt und mit einer Referenz verglichen, um die Dicke der Beschichtung festzustellen. Die Dickenbestimmung aus fluoreszierender Strahlung ist vorteilhaft, da sie einen höheren Kontrast zwischen Anregungs- und Detektionslicht ermöglicht, da Anregungs- und Detektionslicht in völlig unterschiedlichen Spektralbereichen liegen können.
Ein anderes Verfahren zum Messen der Dicke eines organischen Dünnfilms ist aus der europäischen Patentanmeldung Nr. EP 1 348 945 A1 bekannt, die das Beleuchten einer organischen Elektrolumineszenzvorrichtung mit UV-Licht und das anschließende Messen der von der Elektrolumineszenzvorrichtung erzeugten Fluoreszenzintensität berichtet. Die Dicke des Dünnfilms ergibt sich aus der Intensität der Fluoreszenz durch Vergleich mit Referenzbeschichtungen.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Verfahren dieser Offenbarung umfasst ein Verfahren zum Analysieren einer optoelektronischen Vorrichtung, die ein oder mehrere fluoreszierende Elemente in mindestens einer Schicht innerhalb eines Schichtstapels umfasst. Das Verfahren umfasst das Beleuchten eines Bereichs einer Oberfläche der optoelektronischen Vorrichtung, das Sammeln von Fluoreszenzstrahlung von dem oder den fluoreszierenden Elementen und das Vergleichen der gesammelten Fluoreszenzstrahlung mit simulierten Werten, um eine Analyse zu erstellen. Mit der Analyse kann beispielsweise die lateral aufgelöste Dicke der Lumineszenzschicht innerhalb eines Schichtstapels bestimmt werden. Das Verfahren dieser Offenbarung kann in einer Fertigungsanlage oder in einer Testanlage, in der die optoelektronischen Bauelemente kontinuierlich auf einer Rolle hergestellt werden oder in der die optoelektronischen Bauelemente auf ein Transportband gelegt und getestet werden, inline verwendet werden. Idealerweise wird das Verfahren direkt nach der Herstellung auf der Schicht durchgeführt, d.h. Bevor sie mit einer Elektrode oder einer anderen Schicht bedeckt wird. Es ist jedoch möglich, das Verfahren anzuwenden, wenn die Schicht, die später als Lumineszenzschicht bezeichnet wird, von weiteren transparenten Schichten wie einer transparenten Elektrode bedeckt wurde. Die simulierten Werte müssen diese zusätzliche(n) transparente(n) Schicht(en) berücksichtigen.
Das Verfahren verwendet zur Anregung sichtbare UV-Strahlung und die fluoreszierenden Elemente erzeugen fluoreszierende Strahlung (Fluoreszenz oder Lumineszenz), die typischerweise eine Wellenlänge von 400 nm bis 1800 nm aufweist.
In einem weiteren Aspekt umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt des Belichtens des Bereichs der Oberfläche des optoelektronischen Bauelements mit Strahlung unter einem anderen Einfallswinkel; und Sammeln der weiteren Fluoreszenzstrahlung aus dem Bereich, um eine weitere Analyse durchzuführen. Die Kombination beider Analysen liefert ein genaueres Ergebnis.
Eine Vorrichtung zur Analyse des optoelektronischen Bauelements ist ebenfalls offenbart. Die Vorrichtung umfasst eine erste Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten der optoelektronischen Einrichtung und einen ersten Detektor zum Sammeln von Fluoreszenzstrahlung von dem einen oder den mehreren fluoreszierenden Elementen. Mit einem Prozessor wird die vom Detektor gesammelte Fluoreszenzstrahlung mit einer Simulation verglichen, die auf den optischen Eigenschaften der einzelnen Schicht oder eines Schichtstapels basiert, der die fluoreszierende/lumineszierende Schicht zur Erstellung der Analyse enthält.
Um die Analyse kontinuierlich durchführen zu können, wird das optoelektronische Bauelement durch die Beleuchtungseinrichtung bewegt, beispielsweise auf einem Transportband oder auf einem selbsttragenden Untergrund. Die Analyse kann jedoch sicherlich an ruhenden Proben durchgeführt werden, was der technisch einfachere Fall wäre.
Die Analyse kann Probleme bei der Herstellung von Bauelementen oder Filmen aufzeigen, beispielsweise wenn die gemessene Dicke der Schicht von dem angegebenen Wert der Schicht abweicht. Eine kontinuierliche Echtzeitüberwachung der Schichtdicke ermöglicht eine schnelle und effiziente Anpassung des Herstellungsprozesses, wenn Probleme mit der Schichtdicke festgestellt werden.
Die Analyse kann auch Probleme bei der Herstellung von Vorrichtungen oder Filmen aufzeigen, beispielsweise wenn das lokale Signal Abweichungen über einen Schwellenwert hinaus aufweist, die zur Anzeige von Fehlern in solchen Schichten verwendet werden können.
Figurenliste

zeigt ein Beispiel der Vorrichtung.
zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens.
zeigt die gemessenen Komponenten des Brechungsindex.
zeigt die Absorption einfallender UV-Strahlung in der Tiefe.
zeigt das Spektrum der einfallenden UV-Strahlung.
zeigt die berechnete Anzahl von Exzitonen.
zeigt die Emission gegen die Tiefe.
und zeigen zwei Ergebnisse.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
zeigt ein Beispiel der Vorrichtung 10 zur Analyse eines optoelektronischen Bauelements 20 mit einer photoaktiven Schicht 25. Die photoaktive Schicht 25 ist in als oberste Schicht dargestellt, kann jedoch Teil eines Schichtstapels sein und kann in der Tat innerhalb des Schichtstapels vergraben werden. Der Begriff photoaktive Schicht wird in diesem Dokument allgemein verwendet, um jede Schicht einzuschließen, die auf einfallende Photonen reagiert und beispielsweise die emittierende Schicht in OLEDs einschließt.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine erste Beleuchtungsquelle 30, beispielsweise eine UV-zu-sichtbar-Lichtquelle (z. B. einfach eine LED), und einen ersten Strahlungsdetektor 40. Der Strahlungsdetektor 40 ist mit einem Computersystem verbunden, das einen Prozessor 50 umfasst, der einen Speicherbereich 60 zum Speichern von simulierten Daten hat. Die Beleuchtungsquelle 30 erzeugt typischerweise Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 200 nm bis 600 nm. Der Strahlungsdetektor 40 detektiert fluoreszierende Strahlung zum Beispiel im Bereich von 600 nm bis 1100 nm. Typische Strahlungsdetektoren 40 sind GaAs-Detektoren, die Strahlung im Bereich von 800 nm bis 1700 nm erfassen, und Si-Detektoren, die Strahlung im Bereich von 300 nm bis 1100 nm erfassen. Es ist jedoch klar, dass diese Werte die Erfindung nicht einschränken. Es können weitere Strahlungsdetektoren 40 und weitere Beleuchtungsquellen 30 vorhanden sein, wie nachstehend beschrieben.
Das optoelektronische Bauelement 20 könnte beispielsweise eine Vielzahl von photonischen Bauelementen sein, wie beispielsweise eine Anordnung von organischen Leuchtdioden, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die organischen LEDs sind als Elemente 22 im optoelektronischen Bauelement 20 dargestellt.
zeigt ein Ablaufdiagramm zur Durchführung des Verfahrens. In einem ersten Schritt 200 wird eine Simulation der erwarteten Fluoreszenzintensität als Funktion der photoaktiven Schichtdicke durchgeführt. Diese Simulation wird in dem Prozessor 50 ausgeführt und beispielsweise in dem Speicherbereich 60 gespeichert und wird zu einem späteren Zeitpunkt zum Vergleich mit den zu einem späteren Zeitpunkt erfassten experimentellen Daten benötigt. Die Simulation wird basierend auf dem zuvor bestimmten komplexen Brechungsindex der photoaktiven Schicht 25 und aller anderen Schichten durchgeführt, die von dem Anregungslicht des optoelektronischen Bauelements 20 durchdrungen werden. Dieser komplexe Brechungsindex umfasst sowohl die Realkomponente als auch die Imaginärkomponente. Das Photolumineszenzspektrum I(λ) und die Anzahl der Exzitonen n der fluoreszierenden Elemente in der photoaktiven Schicht 25 können dann beispielsweise basierend auf kohärenten Lichtausbreitungs- und Absorptionsprozessen innerhalb eines Mehrschichtstapels durch den Transfermatrix-Formalismus berechnet werden.
Diese Berechnung hängt von einer Reihe von Faktoren ab. Diese Faktoren schließen die Absorption der Photonen von der Beleuchtungsquelle 30 in der photoaktiven Schicht 25 ein, die eine Funktion der Wellenlänge und der Tiefe innerhalb der photoaktiven Schicht 25 ist. Es ist auch klar, dass einige der Exzitonen die aus den absorbierten Photonen erzeugt werden nicht strahlend rekombinieren in der photoaktiven Schicht 25 und andere werden von der photoaktiven Schicht 25 emittiert, jedoch werden nicht alle emittierten Exzitonen als fluoreszierende Strahlung im Strahlungsdetektor 40 detektiert. Die Berechnung gibt die relative Anzahl der detektierten Exzitonen an. Die Gesamtmenge an fluoreszierender Strahlung ist eine Funktion der Stärke des einfallenden Anregungslichts.
Ein Bereich der oberen Oberfläche 25 des optoelektronischen Bauelements 20 wird in Schritt 210 beleuchtet und eines oder mehrere der photonischen Bauelemente 22 in der oberen Oberfläche 25 emittieren in Schritt 215 fluoreszierende Strahlung. Die emittierte fluoreszierende Strahlung wird von dem Strahlungsdetektor 40 in Schritt 220 gesammelt mit einer bestimmten Quantenausbeute, wie oben diskutiert, und in Schritt 230 mit den simulierten Werten verglichen, um eine Analyse zu erzeugen.
In einem anderen Aspekt kann die Beleuchtungsquelle 30 den Bereich der oberen Oberfläche 25 in Schritt 210 mit einem anderen Einfallswinkel beleuchten und die weitere fluoreszierende Strahlung wird in Schritt 240 in einem weiteren Strahlungsdetektor 40 gesammelt. Alternativ dazu kann die zweite Strahlungsquelle 30 den oberen Bereich der Fläche 25 beleuchten.
Es ist vorteilhaft, wenn die Beleuchtungsquelle parallele Lichtstrahlen für eine ordnungsgemäße Analyse abgibt.
Das in diesem Dokument beschriebene Verfahren und die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung können bei Herstellungsverfahren für das Rolle-zu-Rolle-Drucken eines optisch aktiven Dünnfilmbauelements wie einem organischen Photovoltaikbauelement, einer organischen LED, einer OLED-Anordnung usw. verwendet werden. Diese Anwendungen sind nicht einschränkend für die Erfindung.
Beispiel
Ein detaillierteres Beispiel der Berechnung wird nun beschrieben, um die Erfindung zu veranschaulichen. zeigt die modellierten Komponenten n und k des komplexen Brechungsindex für eine konjugierte Polymerschicht, basierend auf der Auswertung von beispielsweise Transmissions- und Reflexionsspektren. Es ist möglich, die Absorption der einfallenden Beleuchtung unter Verwendung der Fresnel-Gleichungen in Abhängigkeit von der Dicke d der Schichten zu berechnen. 25 und dies ist in dargestellt.
Die Faltung der absorbierten Photonenmenge mit dem Spektrum der einfallenden Beleuchtung (in gezeigt) führt zur Berechnung der in gezeigten Anzahl N erzeugter Exzitonen gegen die Schichtdicke.
Es wurde oben festgestellt, dass ein Teil der erzeugten Exzitonen strahlend rekombiniert, wovon ein Teil im Detektor nachgewiesen wird. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann davon ausgegangen werden, dass beide Faktoren nicht von der Wellenlänge des Lichts abhängen. Bei der Berechnung der insgesamt emittierten Photonen, die normalisiert werden können, kann eine dickenabhängige Reabsorption der emittierten Photonen durch Verwendung einer kohärenten Lichtausbreitung (Transfer-Matrix-Methode) berücksichtigt werden.
Die Gesamtzahl der emittierten Photonen (also das Integral über das Spektrum und die Tiefe der photoaktiven Schicht) gegenüber dem Dicken der photoaktiven Schicht ist in angegeben. Diese Korrelation zwischen Fluoreszenz und Dicke der photoaktiven Schicht kann invertiert werden, um die in gezeigten Ergebnisse zu erhalten die in der Nachschlagetabelle gespeichert werden kann. Es ist ersichtlich, dass zwischen 140 nm und 250 nm die Gefahr einer Fehlkalkulation besteht. Diese Gefahr kann beseitigt werden, indem entweder zusätzliche Messungen unter einem anderen Einfallswinkel durchgeführt werden, oder es wird angenommen, dass zwischen benachbarten Bereichen, in denen die Dicke d berechnet werden kann, und den Bereichen, in denen mehr vorhanden ist, kein „Sprung“ (Diskontinuität) besteht.
und zeigen zwei Vergleichsergebnisse für die Messungen für eine Nenndicke von 60 nm (8A) und 64 nm (8B), in denen die Intensität der Photolumineszenz (obere Figur) gegen die berechnete Dicke der photoaktiven Schicht (untere Figur) gezeigt ist.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
20: Optoelektronisches Bauelement
22: Fluoreszierende Elemente
25: Oberseite
30: Beleuchtungsquelle
40: Strahlungsdetektor
50: Prozessor
60: Lagerbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004037555 A1 [0003]
EP 1348945 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Analysieren eines optoelektronischen Bauelements (20), das mindestens ein fluoreszierendes Element (22) in einer oder mehreren Schichten (25) umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Beleuchten (210) eines Bereichs einer Oberfläche des optoelektronischen Bauelements (20) mit dem mindestens einen fluoreszierenden Element (22); Sammeln (220) fluoreszierender Strahlung von dem mindestens einen fluoreszierenden Element (22); und Vergleichen (230) der gesammelten Fluoreszenzstrahlung mit optisch simulierten Werten unter Verwendung einer kohärenten Lichtausbreitung für die eine oder die mehreren Schichten (25), um eine Analyse zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Beleuchten durch mindestens eines von UV-Licht oder sichtbarem Licht ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die fluoreszierende Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1800 nm auftritt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Analyse ein Hinweis auf eine lateral aufgelöste Dicke (d) der Schicht (25) ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Analyse den lateral aufgelösten Nachweis von Defekten innerhalb der Schicht (25) ergibt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einem weiteren Schritt (240) zum Beleuchten des Bereichs der Oberfläche des optisch aktiven Bauelements mit Beleuchtung unter einem anderen Einfallswinkel; und Sammeln der weiteren fluoreszierenden Strahlung aus dem Bereich.
Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend das Vergleichen der weiteren gesammelten Strahlung mit einer weiteren Simulation, um eine weitere Analyse zu erzeugen
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optoelektronischen Bauelemente (20) organische Photovoltaik-Bauelemente oder organische LEDs oder eine Vielzahl davon sind.
Vorrichtung (10) zur Analyse eines optoelektronischen Bauelements (20) mit mindestens einem fluoreszierenden Element (22), das in mindestens einer Schicht (25) angeordnet ist, umfassend: eine erste Beleuchtungsquelle (30) zum Beleuchten des mindestens einen fluoreszierenden Elements (22); einen ersten Strahlungsdetektor (40) zum lateral aufgelösten Sammeln von fluoreszierender Strahlung von dem mindestens einen fluoreszierenden Element (22); und ein Computersystem zum Vergleichen der gesammelten Fluoreszenzstrahlung von dem ersten Strahlungsdetektor (40) mit einer Simulation, um eine Analyse zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das optoelektronische Bauelement (20) unter die Beleuchtungsquelle (30) bewegt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Beleuchtungsquelle (30) UV oder sichtbare Strahlung erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei der Strahlungsdetektor (40) Photonen im Bereich von 250 nm bis 1800 nm sammelt
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, ferner mit einer zweiten Beleuchtungsquelle (30') zum Beleuchten des optoelektronischen Bauelements (20) mit Strahlung unter einem Einfallswinkel, der sich vom Einfallswinkel der Strahlung von der ersten Beleuchtungsquelle (30) unterscheidet und einen zweiten Strahlungsdetektor (40') zum Analysieren eines Spektrums der gesammelten Fluoreszenzstrahlung.
Computerprogrammprodukt, das auf einem nicht greifbaren Medium gespeichert ist und Logikmittel umfasst, um einen Prozessor zu veranlassen, das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen.