WO2020096279A1 - 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법 - Google Patents

비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2020096279A1
WO2020096279A1 PCT/KR2019/014670 KR2019014670W WO2020096279A1 WO 2020096279 A1 WO2020096279 A1 WO 2020096279A1 KR 2019014670 W KR2019014670 W KR 2019014670W WO 2020096279 A1 WO2020096279 A1 WO 2020096279A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
amorphous
crystal
diffraction pattern
image
semiconductor layer
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/014670
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
서주형
Original Assignee
주식회사 엘지화학
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020190137988A external-priority patent/KR20200054076A/ko
Application filed by 주식회사 엘지화학 filed Critical 주식회사 엘지화학
Publication of WO2020096279A1 publication Critical patent/WO2020096279A1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G15/00—Compounds of gallium, indium or thallium
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection

Definitions

  • the present invention relates to a method for quantifying a crystal fraction in an amorphous oxide semiconductor layer, specifically, an amorphous oxide semiconductor layer by applying a dark field (DF) image of a transmission electron microscope (TEM) It relates to a method of quantifying the crystal fraction by location in the amorphous layer by selecting only the crystal distribution image in the layer.
  • DF dark field
  • TEM transmission electron microscope
  • Amorphous oxide is changed into a crystal according to heat treatment.
  • the low temperature heat treatment crystallization is not completely performed, and crystal and amorphous may exist together.
  • an oxide thin film layer such as indium galium zinc oxide (IGZO) used as a channel layer in a thin film transistor (TFT) device that is a display driving device
  • IGZO indium galium zinc oxide
  • TFT thin film transistor
  • low temperature heat treatment is performed to improve the performance of the thin film transistor.
  • the same electrical characteristics will be different. Therefore, it is important to check the crystal distribution in the amorphous oxide thin film layer for process development (heat treatment conditions).
  • the present invention is a method of quantitative analysis of the crystal fraction in the amorphous oxide semiconductor layer
  • the amorphous oxide is indium galium zinc oxide (IGZO), indium tin zinc oxide (ISZO), indium alluminum zinc oxide (IAZO), tin alluminum zinc oxide (SAZO), tin zinc oxide (SZO) ), ISO (indium silicon oxide), IWO (indium tungsten oxide), ITO (indium titanium oxide).
  • IGZO indium galium zinc oxide
  • ISZO indium tin zinc oxide
  • IAZO indium alluminum zinc oxide
  • SAZO tin alluminum zinc oxide
  • SZO tin zinc oxide
  • ISO indium silicon oxide
  • IWO indium tungsten oxide
  • ITO indium titanium oxide
  • a diffraction pattern due to crystals and a diffraction pattern due to amorphous are formed on a back focal plane of the objective lens, and the objective lens
  • the aperture is disposed on the rear focal plane.
  • the objective lens aperture is an aperture through which the electron beam passing through the amorphous layer passes through the objective lens and only through the diffraction beam formed through the objective lens. One or more are formed.
  • the aperture of the objective lens aperture can be positioned only in the diffraction pattern due to the crystal, and the diffraction pattern due to the amorphous phase can be obscured to obtain a dark field image having a high contrast.
  • the diffraction pattern due to crystals formed on the rear focal plane appears as a distinct bright ring.
  • the opening through which only the diffraction beam passes can be circular.
  • the image processing in step (b) may be performed using an image processing program mainly used in the art, such as ImageJ, AVIZO, Matlab, and the like.
  • the observation region of the crystal distribution in the amorphous layer is 100 nm or more.
  • a crystal distribution image can be obtained over a wide viewing area in the amorphous oxide thin film layer, and the crystal fraction can be quantified therefrom.
  • HRTEM transmission electron microscope
  • FIG. 2 is a diffraction pattern image of an IGZO thin film measured by a transmission electron microscope according to the present invention, wherein a faint ring represents a diffraction image due to an amorphous phase, and a bright ring represents a diffraction image due to a crystal phase.
  • FIG. 3 is a dark field image obtained by observing an IGZO thin film with a transmission electron microscope according to the present invention, and indicated by white indicates crystals.
  • FIG. 4 is a photograph of a crystal distribution in an IGZO thin film according to the present invention, in which a crystal region is converted into a binary photograph in the dark field of FIG. 3. Black marks indicate crystals.
  • Amorphous silicon is mainly used as a thin film transistor for driving a display in the related art, but has a disadvantage in that driving speed is slow and stability is poor, which is not preferable for roll-up display manufacturing.
  • amorphous oxide As an alternative to amorphous silicon, amorphous oxide has emerged, and is used to form a conductive transparent thin film, thereby replacing amorphous silicon.
  • Amorphous oxide is changed into a crystal by heat treatment, but is not completely crystallized at low temperature heat treatment, and crystal and amorphous substance may be mixed. Since the amorphous oxide has different electrical properties such as conductivity depending on the degree of crystal formation, it is necessary to grasp the distribution of crystals in the amorphous oxide thin film layer in order to establish heat treatment conditions.
  • a distribution image of a crystal having high contrast is obtained from a dark field (DF) image obtained by applying a transmission electron microscope to the amorphous oxide semiconductor layer, and by processing the image, a fraction of crystals in the amorphous thin film layer It has provided a method for quantifying.
  • DF dark field
  • the amorphous oxide is indium galium zinc oxide (IGZO), indium tin zinc oxide (ISZO), indium alluminum zinc oxide (IAZO), tin alluminum zinc oxide (SAZO), tin zinc oxide (SZO) ), ISO (indium silicon oxide), IWO (indium tungsten oxide), ITO (indium titanium oxide).
  • IGZO indium galium zinc oxide
  • ISZO indium tin zinc oxide
  • IAZO indium alluminum zinc oxide
  • SAZO tin alluminum zinc oxide
  • SZO tin zinc oxide
  • ISO indium silicon oxide
  • IWO indium tungsten oxide
  • ITO indium titanium oxide
  • Transmission electron microscopy is used to form a dark field image using a crystal structure of a substance.
  • Darkfield image formation using a transmission electron microscope is achieved by placing a material having a crystal structure in a chamber of the transmission electron microscope, irradiating an electron beam, and then forming an image of a material having a crystal structure on the surface of the material to be irradiated by contrast imaging.
  • the diffraction pattern due to crystals and the diffraction pattern due to amorphous are formed on the back focal plane of the objective lens, and the objective lens The aperture is disposed on the rear focal plane.
  • the objective lens aperture is an aperture through which the electron beam passing through the amorphous layer passes through the objective lens and only the diffraction beam of the diffraction beam, which is irradiated to the amorphous oxide semiconductor layer. ) Is formed.
  • the aperture of the objective aperture is positioned only in the diffraction pattern of the crystals present in the amorphous diffraction pattern, and the diffraction pattern due to the amorphous material is blocked to obtain a dark field image having high contrast. Can be obtained.
  • the diffraction pattern due to the amorphous group appears dark with diffuse rings, while the diffraction pattern due to the crystal appears as distinct bright rings, so that the distribution of crystals can be clearly observed.
  • the opening through which only the diffraction beam passes can be circular.
  • the diameter of the circular opening may be determined according to the size of the diffraction pattern due to crystals.
  • the method of the present invention it is possible to observe the distribution of crystals in a wide area in the amorphous oxide layer even at a low magnification, not a high magnification as in a conventional high-resolution image, so that it is possible to confirm the overall crystal distribution state, not only distribution in a specific area. Therefore, an observation region that was only a few tens of nanometers can be extended to hundreds of nanometers.
  • the observation region of the crystal distribution in the amorphous layer is 100 nm or more, such as 1 ⁇ m or more.
  • the first step for quantifying the crystal according to the present invention is to convert the crystal distribution image in the above-mentioned amorphous layer into a binary picture and then process the image.
  • the image processing may use an image processing program commonly used in the art, for example, ImageJ, AVIZO, Matlab, and the like.
  • the process of converting a crystal distribution image into a binary photo is performed by applying a 'Make Binary' function of an image processing program, such as ImageJ, to change the crystal region of bright contrast in the dark field to a single brightness of black and dark contrast. It is performed by dividing and dividing the region into white of a single brightness, thereby effectively determining the amount of crystal distribution for each region of the amorphous oxide layer.
  • a 'Make Binary' function of an image processing program such as ImageJ
  • a quantitative value can be extracted by dividing the crystalline fraction obtained by converting a crystal distribution image on a TEM dark field into a binary picture for each depth of the amorphous layer.
  • the present invention is based on two components, (1) measurement of a crystal distribution image with high contrast by applying a dark field image of a transmission electron microscope, and (2) conversion of the crystal distribution of the image into a binary picture.
  • quantification of the crystal fraction in the amorphous thin film layer through image processing is a feature of the technical configuration, and because of these features, the advantage of being able to observe the crystal distribution over a large area of the amorphous layer even when a transmission electron microscope is used at a low magnification. to provide.
  • indium galium zinc oxide (IGZO) was used as an amorphous oxide sample.
  • the IGZO sample was thinly processed to a thickness of 100 nm or less in a direction in which a cross-section was seen using a focused ion beam (FIB) to obtain a thin film.
  • FIB focused ion beam
  • Diffraction pattern images were obtained on the rear focal plane using a transmission electron microscope (TEM) on the IGZO thin film specimen.
  • the obtained diffraction pattern image as shown in Fig. 2, showed a faint ring portion due to the amorphous phase and a bright ring portion due to the crystal phase.
  • the crystal fraction was quantified by dividing by thin film depth (corresponding to areas 1 to 6 in FIG. 4).
  • FIG. 5 shows the crystal fraction obtained by converting a crystal distribution image on a TEM dark field into a binary photograph, which is divided into depths of the amorphous layer and expressed as a quantitative value.
  • An image was obtained using a high-resolution transmission electron microscope (HRTEM) on the same IGZO thin film specimen as in the above example. At this time, the magnification is set according to the size of the crystal phase. The smaller the size of the crystal phase is, the higher it is set.
  • the obtained image is a crystal lattice image formed by interference between a transmission beam (TB) and a diffraction beam (DB), which is shown in FIG. 1.
  • the lattice shape is clearly observed in the crystalline region compared to the amorphous region, but it is not easy to distinguish the crystalline region from the amorphous region by using only an atomic arrangement without overall composition difference.
  • the observation area is only about 40 nm. Therefore, it is difficult to confirm the crystal distribution in the entire thin film having an observation region of 100 nm or more.
  • the crystal lattice image obtained using a high-resolution transmission electron microscope which has been conventionally used as a method for confirming the crystal distribution in the amorphous oxide thin film, is difficult to distinguish between the crystalline region and the amorphous region, while the observation region is narrow.
  • the aperture of the objective lens aperture is positioned only on the diffraction pattern resulting from the crystal to obtain a dark field image, and image processing is performed to quantify the crystal fraction by position in the amorphous oxide thin film, thereby using high magnification Without knowing, it was found that the crystal distribution can be confirmed over a wide range of thin films, and it can be sufficiently predicted that it can be used as a parameter in future development of amorphous oxide through quantification of the crystal fraction.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

본 발명은 (a) 비정질 산화물 반도체층의 투과전자현미경(TEM) 회절 패턴 영상에서 비정질 영역의 회절 패턴에 존재하는 결정 영역의 회절 패턴만 대물렌즈 조리개의 개구부(aperture)로 선택하여 비정질층 내 결정 분포 영상을 얻는 단계; 및 (b) 상기 (a)로부터 얻은 영상의 결정 분포를 바이너리 사진으로 변환한 후 영상 처리(image processing)하여 상기 비정질층 내 결정 분율을 정량화하는 단계를 포함하는 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법을 제공한다.

Description

비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법
본 출원은 2018년 11월 9일자로 출원된 한국특허출원 10-2018-0136965호 및 2019년 10월 31일자로 출원된 한국특허출원 10-2019-0137988에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 상기 특허문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 비정질 산화물 반도체층 내 결정 분율을 정량화하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 비정질 산화물 반도체층에 투과전자현미경(transmission electron microscope, TEM)의 암시야(dark field, DF)상을 적용하여 비정질층 내 결정 분포 영상만을 선택함으로써 비정질층 내 위치별 결정 분율을 정량화하는 방법에 관한 것이다.
비정질 산화물은 열처리에 따라 결정으로 변화하는데 저온 열처리 시에는 완전한 결정화가 이루어지지 않고, 결정과 비정질이 같이 존재할 수 있다. 디스플레이 구동소자인 박막 트랜지스터(TFT) 소자에 채널층으로 사용되는 IGZO(indium galium zinc oxide)와 같은 산화물 박막층의 경우, 박막 트랜지스터 성능 향상을 위해 저온 열처리를 하게 되는데 그에 따른 결정 형성 정도에 따라 전도성과 같은 전기적 특성이 달라지게 된다. 따라서, 공정 개발(열처리 조건)을 위해서는 비정질 산화물 박막층 내의 결정 분포를 확인하는 것이 중요하다.
종래에는 비정질 산화물층 내의 결정 형상을 관찰하기 위해 투과전자현미경의 명시야(bright field, BF)상 또는 고해상도 투과전자현미경(high resolution transmission electron microscope, HRTEM)의 고분해능 영상을 이용하였다. 그러나, 명시야상의 경우, 결정 크기가 충분히 크기 않으면 비정질과 구분이 잘 되지 않는 단점이 있다. 또한, 고해상도 투과전자현미경의 고분해능 영상의 경우에는 결정과 비정질의 구분은 투과전자현미경의 명시야상에 비해 용이하나, 관찰영역(field of viw, FOV)이 너무 작아 전반적인 분포를 관찰하는데 한계가 있다.
본 발명의 목적은 비정질 산화물층 내 결정 분포를 관찰하는데 사용되었던 기존 방법들의 단점을 극복하면서 비정질 산화물층의 넓은 영역에 걸쳐 결정 분포를 확인하고 결정 분율을 정량화하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법으로서,
(a) 비정질 산화물 반도체층의 투과전자현미경 회절 패턴 영상에서 비정질 영역의 회절 패턴에 존재하는 결정 영역의 회절 패턴만 대물렌즈 조리개로 선택하여 비정질층 내 결정 분포 영상을 얻는 단계; 및
(b) 상기 (a)로부터 얻은 영상의 결정 분포를 바이너리 사진으로 변환한 후 영상 처리(image processing)하여 상기 비정질층 내 결정 분율을 정량화하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 상기 비정질 산화물은 IGZO(indium galium zinc oxide), ISZO(indium tin zinc oxide), IAZO(indium alluminum zinc oxide), SAZO(tin alluminum zinc oxide), SZO(tin zinc oxide), ISO(indium silicon oxide), IWO(indium tungsten oxide), ITO(indium titanium oxide) 등일 수 있다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 상기 (a) 단계의 투과전자현미경 회절 패턴 영상에서 결정 기인 회절 패턴 및 비정질 기인 회절 패턴이 대물렌즈의 후방 초점면(back focal plane)에 형성되고, 상기 대물렌즈 조리개는 상기 후방 초점면에 배치된다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 상기 대물렌즈 조리개는 비정질 산화물 반도체층에 조사되고 상기 비정질층을 통과한 전자빔이 대물렌즈를 통과하여 형성된 투과빔과 회절빔 중 회절빔만을 통과시키는 개구부(aperture)가 하나 이상 형성되어 있다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 상기 결정 기인 회절 패턴에만 대물렌즈 조리개의 개구부를 위치시키고 나머지 비정질 기인 회절 패턴은 가려서 높은 콘트라스(contrast)를 갖는 암시야상을 수득할 수 있다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 상기 후방 초점면에 형성되는 결정 기인 회절 패턴은 뚜렷한 밝은 링으로 나타난다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 상기 회절빔만을 통과시키는 개구부는 원형일 수 있다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 상기 (b) 단계에서의 영상 처리는 당업계에서 주로 사용하는 영상 처리 프로그램, 예컨대 ImageJ, AVIZO, Matlab 등을 이용하여 수행할 수 있다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 상기 비정질층 내 결정 분포의 관찰영역은 100nm 이상이다.
본 발명에 따르면. 비정질 산화물 박막 층 내의 넓은 관찰 영역에 걸쳐 결정 분포 영상을 얻을 수 있고 이로부터 결정의 분율을 정량화할 수 있다.
도 1은 선행기술에 따른 IGZO(indium galium zinc oxide) 박막의 고해상도 투과전자현미경(high-resolution transmission electron microscope, HRTEM) 격자 영상이다.
도 2는 본 발명에 따라 IGZO 박막을 투과전자현미경으로 측정한 회절 패턴 영상으로서, 희미한 링(ring)은 비정질상에 기인한 회절 영상을 나타내고, 밝은 링은 결정상에 기인한 회절 영상을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따라 IGZO 박막을 투과전자현미경으로 관찰하여 얻은 암시야상으로서, 흰색으로 표시된 것은 결정을 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 IGZO 박막 내 결정 분포 사진으로서, 도 3의 암시야상에서 결정 영역을 바이너리(binary) 사진으로 변환시킨 것이다. 검정색으로 표시된 것은 결정을 나타낸다.
도 5는 도 4에 기초한 IGZO 박막 내 깊이에 따른 위치(Area 1 내지 6)에서의 결정 분율(%) 분포 곡선이다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
종래 디스플레이 구동을 위한 박막 트랜지스터로서 비정질 실리콘이 주로 사용되었으나, 구동 속도가 느리고 안정성이 떨어지는 단점이 있어 롤업(roll-up) 디스플레이 제조에 바람직하지 않았다. 이러한 비정질 실리콘의 대안으로 비정질 산화물이 대두되었고, 전도성 투명 박막의 형성에 사용됨으로써 비정질 실리콘을 대체하게 되었다.
비정질 산화물은 열처리에 의해 결정으로 변화하는데 저온 열처리 시에는 완전한 결정화가 이루어지지 않고, 결정과 비정질이 혼재할 수 있다. 비정질 산화물은 결정 형성 정도에 따라 전도성과 같은 전기적 특성이 달라지게 되므로, 열처리 조건의 확립을 위해서는 비정질 산화물 박막 층 내의 결정의 분포를 파악하는 것이 필요하다.
이를 위해 종래 당업계에서는 투과전자현미경의 명시야상 또는 고해상도 투과전자현미경의 고분해능 영상을 주로 이용하였는데, 명시야상의 경우 결정 크기가 충분히 크기 않으면 비정질과 구분이 잘 가지 않았고 고분해능 영상의 경우에는 관찰영역이 너무 작아 전반적인 분포를 관찰하는 것이 어려웠다.
이에, 본 발명에서는 비정질 산화물 반도체 층에 투과전자현미경을 적용하여 얻은 암시야(dark field, DF)상으로부터 높은 콘트라스트를 갖는 결정의 분포 영상만을 수득하고, 이를 영상 처리함으로써 비정질 박막 층 내 결정의 분율을 정량화하는 방법을 제공하게 되었다.
구체적으로, 본 발명은
(a) 비정질 산화물 반도체 층의 투과전자현미경 회절 패턴 영상에서 비정질 영역의 회절 패턴에 존재하는 결정 영역의 회절 패턴만 대물렌즈 조리개로 선택하여 비정질층 내 결정 분포 영상을 얻는 단계; 및
(b) 상기 (a)로부터 얻은 영상의 결정 분포를 바이너리 사진으로 변환한 후 영상 처리(image processing)하여 상기 비정질층 내 결정 분율을 정량화하는 단계를 포함하는, 비정질 산화물 반도체 층 내의 결정 분율의 정량분석방법을 제공한다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 상기 비정질 산화물은 IGZO(indium galium zinc oxide), ISZO(indium tin zinc oxide), IAZO(indium alluminum zinc oxide), SAZO(tin alluminum zinc oxide), SZO(tin zinc oxide), ISO(indium silicon oxide), IWO(indium tungsten oxide), ITO(indium titanium oxide) 등일 수 있다.
투과전자현미경(TEM)은 물질의 결정 구조를 이용한 암시야상 형성에 이용된다. 투과전자현미경을 사용한 암시야상 형성은 결정 구조를 갖는 물질을 투과전자현미경의 챔버에 놓고 전자빔을 조사한 후, 피조사 물질 표면에 결정 구조를 갖는 물질의 영상을 콘트라스트 영상법으로 형성함으로써 이루어진다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 상기 (a) 단계의 투과전자현미경 회절 패턴 영상에서 결정 기인 회절 패턴 및 비정질 기인 회절 패턴은 대물렌즈의 후방 초점면(back focal plane)에 형성되고, 상기 대물렌즈 조리개는 상기 후방 초점면에 배치된다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 상기 대물렌즈 조리개는 비정질 산화물 반도체층에 조사되고 상기 비정질층을 통과한 전자빔이 대물렌즈를 통과하여 형성된 투과빔과 회절빔 중 회정절빔만을 통과시키는 개구부(aperture)가 하나 이상 형성되어 있다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 투과전자현미경의 회절 패턴 영상에서 비정질 회절 패턴 내에 존재하는 결정의 회절 패턴에만 대물렌즈 조리개의 개구부를 위치시키고 나머지 비정질 기인 회절 패턴은 가려서 높은 콘트라스를 갖는 암시야상을 수득할 수 있다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 상기 비정질 기인 회절 패턴은 퍼진 링(diffuse rings)으로 어둡게 나타나는 반면, 결정 기인 회절 패턴은 뚜렷한 밝은 링으로 나타나기 때문에 결정의 분포를 명확히 관찰할 수 있다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 상기 회절빔만을 통과시키는 개구부는 원형일 수 있다. 상기 원형 개구부의 직경은 결정 기인 회절 패턴의 크기에 따라 정할 수 있다.
본 발명의 방법에서는 종래 고분해능 영상과 같은 고배율이 아닌 저배율로도 비정질 산화물층 내 넓은 영역에서의 결정 분포를 관찰할 수 있어 특정 영역에서의 분포만이 아닌 전반적인 결정 분포 상태를 확인할 수 있다. 따라서, 수 십 ㎚에 불과했던 관찰영역이 수 백 ㎚로 확장될 수 있다.
본 발명의 한 실시양태에 따르면, 비정질층 내 결정 분포의 관찰영역은 100nm 이상, 예컨대 1㎛ 이상이다.
본 발명의 방법에서는 또한, 비정질 산화물층 내 결정의 정량화가 가능하여 공정 개발을 위한 파라미터(parameter)로서 쉽게 활용될 수 있다.
본 발명에 따른 상기 결정 정량화를 위한 첫 번째 단계는 위에서 언급한 비정질층 내 결정 분포 영상을 결정 분포 영상을 바이너리(binary) 사진으로 변환한 후 영상 처리하는 것이다. 이러한 영상 처리는 당업계에서 통상 사용되는 영상 처리 프로그램, 예를 들어, ImageJ, AVIZO, Matlab 등을 이용할 수 있다.
특히, 결정 분포 영상을 바이너리 사진으로 변환하는 과정은 영상 처리 프로그램, 예컨대 ImageJ의 'Make Binary' 기능을 적용하여 암시야상에서 밝은 콘트라스트(contrast)의 결정 영역을 단일 밝기의 검은색, 어두운 콘트라스트의 비정질 영역을 단일 밝기의 흰색으로 이분화하여 변환함으로써 수행되며, 이를 통해 비정질 산화물 층의 영역 별로 결정 분포량을 효과적으로 파악할 수 있다.
상기 영상 처리 프로그램을 이용하면 TEM 암시야상의 결정 분포 영상을 바이너리 사진으로 변환시켜 얻은 결정 분율을 비정질층의 깊이 별로 나누어 정량값을 추출할 수 있다.
이상의 내용을 토대로 할 때, 본 발명은 두 가지 구성요소, 즉 (1) 투과전자현미경의 암시야상을 적용하여 높은 콘트라스트를 가진 결정 분포 영상 측정 및 (2) 상기 영상의 결정분포를 바이너리 사진으로 변환시킨 후 영상 처리를 통한 비정질 박막 층 내 결정 분율 정량화를 기술구성의 특징으로 하며, 이러한 특징으로 인해 투과전자현미경을 저배율로 이용하여도 비정질층의 넓은 영역에 걸쳐 결정 분포를 관찰할 수 있는 장점을 제공한다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예로 한정되지 않는다.
실시예
본 실시예에서는 IGZO(indium galium zinc oxide)를 비정질 산화물 시료로서 사용하였다.
상기 IGZO 시료를 FIB(focused ion beam)를 이용하여 단면(cross-section)이 보이는 방향으로 두께 100nm 이하로 얇게 가공하여 박막을 수득하였다.
상기 IGZO 박막 시편을 대상으로 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 후방 초점면에 회절 패턴 영상을 수득하였다. 수득한 회절 패턴 영상은, 도 2에 나타낸 것과 같이, 비정질상에 기인한 희미한 링 부분과 결정상에 기인한 밝은 링 부분을 나타냈다.
상기 회절 패턴 영상에서 밝은 링 부분에만 개구부가 위치되도록 대물렌즈 조리개에 간격을 맞춰 원형 개구부를 배치하고 조리개의 나머지 영역은 비정질상 패턴을 가리게 하여 높은 콘트라스트를 가진 암시야상을 얻었다. 수득한 암시야상은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 밝게 표시되는 결정 영역(도 3에 흰색으로 표시된 부분)과 어둡게 표시되는 비결정 영역을 뚜렷이 나타냈다.
상기 암시야상의 밝은 영역으로 나타나는 결정 분포를 ImageJ 프로그램을 이용하여 바이너리 사진(도 4 참조)으로 변환한 후, 박막 깊이별(도 4의 Area 1 내지 6에 상응)로 나누어 결정 분율을 정량화하였다.
도 5는 TEM 암시야상의 결정 분포 영상을 바이너리 사진으로 변환시켜 얻은 결정 분율을 비정질층의 깊이 별로 나누어 정량값으로 나타낸 것이다.
비교예
상기 실시예와 동일한 IGZO 박막 시편을 대상으로 고해상도 투과전자현미경(HRTEM)을 이용하여 영상을 수득하였다. 이때 배율은 결정상의 크기에 따라 설정하는데, 결정상의 크기가 작을수록 더 높게 설정한다. 수득한 영상은 투과 빔(TB)과 회절 빔(DB)의 간섭으로 형성된 결정 격자 영상으로서, 이를 도 1에 나타냈다.
상기 영상에서 결정 영역은 비정질 영역에 비해 격자 형상이 명확히 관찰되나, 전반적으로 조성 차이 없이 원자 배열만으로는 결정 영역과 비정질 영역의 구분이 쉽지 않다. 또한, 사용된 배율을 기준으로 관찰영역이 40㎚ 정도에 불과하다. 따라서, 관찰영역이 100㎚ 이상인 전체 박막에서의 결정 분포를 확인하는 것은 어렵다.
상기 실시예 및 비교예로부터, 비정질 산화물 박막 내 결정 분포 확인을 위한 방법으로서 종래 사용되었던 고해상도 투과전자현미경을 이용하여 수득한 결정 격자 영상으로는 결정 영역과 비정질 영역의 구분이 어렵고 관찰영역이 좁은 반면, 본 발명에 따라 투과전자현미경 회절 패턴 영상에서 결정에서 기인한 회절 패턴에만 대물렌즈 조리개의 개구부를 위치시켜 암시야상을 얻은 후 이를 영상 처리하여 비정질 산화물 박막 내 위치별 결정 분율을 정량화함으로써 고배율을 사용하지 않고도 박막의 넓은 범위에 걸쳐 결정 분포를 확인할 수 있음을 알았고 결정 분율의 정량화를 통해 비정질 산화물의 향후 개발에 파라미터로 활용할 수 있음을 충분히 예측할 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. (a) 비정질 산화물 반도체층의 투과전자현미경(TEM) 회절 패턴 영상에서 비정질 영역의 회절 패턴에 존재하는 결정 영역의 회절 패턴만 대물렌즈 조리개의 개구부(aperture)로 선택하여 비정질층 내 결정 분포 영상을 얻는 단계; 및
    (b) 상기 (a)로부터 얻은 영상의 결정 분포를 바이너리 사진으로 변환한 후 영상 처리(image processing)하여 상기 비정질층 내 결정 분율을 정량화하는 단계를 포함하는, 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비정질 산화물은 IGZO(indium galium zinc oxide), ISZO(indium tin zinc oxide), IAZO(indium alluminum zinc oxide), SAZO(tin alluminum zinc oxide), SZO(tin zinc oxide), ISO(indium silicon oxide), IWO(indium tungsten oxide) 및 ITO(indium titanium oxide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 (a) 단계의 투과전자현미경 회절 패턴 영상에서 결정 기인 회절 패턴 및 비정질 기인 회절 패턴은 대물렌즈의 후방 초점면(back focal plane)에 형성되고, 상기 대물렌즈 조리개는 상기 후방 초점면에 배치되는 것인, 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 대물렌즈 조리개의 개구부는 비정질 산화물 반도체층에 조사되고 상기 비정질층을 통과한 전자빔이 대물렌즈를 통과하여 형성된 투과빔과 회절빔 중 회절빔만을 통과시키는 것인, 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 대물렌즈 조리개의 개구부는 하나 이상인 것인, 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 결정 기인 회절 패턴에만 대물렌즈 조리개의 개구부를 위치시키고 나머지 비정질 기인 회절 패턴은 가려서 높은 콘트라스(contrast)를 갖는 암시야상을 수득하는 것인, 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 개구부는 원형인 것인, 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계에서의 영상 처리는 ImageJ 영상 처리 프로그램을 이용하여 수행하는 것인, 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 비정질층 내 결정 분포의 관찰영역(FOV)은 100nm 이상인 것인, 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법.
PCT/KR2019/014670 2018-11-09 2019-11-01 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법 WO2020096279A1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2018-0136965 2018-11-09
KR20180136965 2018-11-09
KR10-2019-0137988 2019-10-31
KR1020190137988A KR20200054076A (ko) 2018-11-09 2019-10-31 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020096279A1 true WO2020096279A1 (ko) 2020-05-14

Family

ID=70611075

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2019/014670 WO2020096279A1 (ko) 2018-11-09 2019-11-01 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2020096279A1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100904894B1 (ko) * 2008-01-31 2009-06-29 재단법인서울대학교산학협력재단 대물렌즈 조리개 및 이를 이용한 패턴형성장치
KR20110014895A (ko) * 2009-08-06 2011-02-14 서울대학교산학협력단 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치 및 방법
JP2014240780A (ja) * 2013-06-11 2014-12-25 株式会社東芝 試料構造分析方法、透過電子顕微鏡およびプログラム
JP6062996B2 (ja) * 2010-01-19 2017-01-18 日本電子株式会社 位相コントラスト結像及び位相コントラスト結像のためのｔｅｍの調整
CN107677694A (zh) * 2017-08-03 2018-02-09 浙江大学 一种原位观察低塑性高强度金属马氏体相变的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100904894B1 (ko) * 2008-01-31 2009-06-29 재단법인서울대학교산학협력재단 대물렌즈 조리개 및 이를 이용한 패턴형성장치
KR20110014895A (ko) * 2009-08-06 2011-02-14 서울대학교산학협력단 물질의 결정구조를 이용한 패턴 형성장치 및 방법
JP6062996B2 (ja) * 2010-01-19 2017-01-18 日本電子株式会社 位相コントラスト結像及び位相コントラスト結像のためのｔｅｍの調整
JP2014240780A (ja) * 2013-06-11 2014-12-25 株式会社東芝 試料構造分析方法、透過電子顕微鏡およびプログラム
CN107677694A (zh) * 2017-08-03 2018-02-09 浙江大学 一种原位观察低塑性高强度金属马氏体相变的方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Marr et al. Fabrication of carbon films with∼ 500 nm holes for cryo-EM with a direct detector device
JP3867524B2 (ja) 電子線を用いた観察装置及び観察方法
EP2797101B1 (en) Method of using a phase plate in a transmission electron microscope
Mast et al. Characterization of nanomaterials by transmission electron microscopy: Measurement procedures
Hytch et al. Quantitative criteria for the detection and characterization of nanocrystals from high-resolution electron microscopy images
DE102011087537B4 (de) Röntgendiffraktionsvorrichtung und Röntgendiffraktions-Messverfahren
DE112018007852B4 (de) Elektronenstrahleinrichtung
US8760506B2 (en) Imaging system and method for enhancing microscopic images of unstained cells
DE112010005353T5 (de) Verfahren zum Überlagern und Anzeigen einer elektronenoptischen Abbildung und einer optischen Abbildung
Jeong et al. Automated crystal orientation mapping by precession electron diffraction-assisted four-dimensional scanning transmission electron microscopy using a scintillator-based CMOS detector
JP2008500795A (ja) 調整可能な変調伝達関数（ｍｔｆ）を使用して感知するためのシステムおよび方法
S’ari et al. Low dose scanning transmission electron microscopy of organic crystals by scanning moiré fringes
CN112150446A (zh) 显微镜镜检阅片扫描方法、计算机设备和系统
EP0460305B1 (en) Method for observing microscopic surface structure
WO2020096279A1 (ko) 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법
JP2006153894A (ja) 電子線を用いた観察装置及び観察方法
CN111397989A (zh) 一种半导体器件的检验样品的制备方法
CN113544492A (zh) 鉴定结构的方法
KR20200054076A (ko) 비정질 산화물 반도체층 내의 결정 분율의 정량분석방법
JP7466540B2 (ja) 構造を識別する方法
Fanta et al. Improving the imaging capability of an on-axis transmission Kikuchi detector
Crocker et al. Particles in paraffin sections demonstrated in the backscattered electron image (BEI)
WO2015135534A1 (de) Vorrichtung für die korrelative raster-transmissionselektronenmikroskopie (stem) und lichtmikroskopie
US6118133A (en) Apparatus and method for observing defect having marks making means
DE102020127071B3 (de) Verfahren und Mikroskop mit einer Einrichtung zum Erfassen von Verlagerungen einer Probe gegenüber einem Objektiv

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19883092

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19883092

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1