万利彩票网

深圳证券交易所

股票代码:002819

股票代码

SZ002819

400-650-5566
您的当前位置:首页 > 技术文章
使用光谱椭偏仪测量纳米级OLED薄膜
2011-06-02      来源:东方集成      文:马强
未经东方集成同意,不得转载!
一、OLED介绍:
OLED有机发光二极管,其中电致发光层是一层有机化合物,电流流过电极之间的有机物半导体,有机物膜层发光。通常情况下,至少一侧的电极是透明的。
OLED用于显示器、PDA、空间照明、大面积发光。
OLED显示不需要背光照明,因此OLED可以显示深黑色、并且比液晶显示器要薄、轻。
OLED有两种类型:使用小分子制成,或者使用聚合物薄膜制成。
OLED寻址方式有被动寻址PM-OLED, 和主动寻址AM-OLED。AM-OLED使用TFT薄膜晶体管背板开关每一个独立的像素,可避免偶然的串扰改变未寻址像素的状态,使得高分辨率和大面积显示成为可能。
TFT就是使用非晶硅、多晶硅、CdSe半导体材料制成的FET场效应管。CdSe相对于前两者,使用比较少。

图1:OLED(图片来源wiki)
1)与LCD相比的优点:
低成本:理论上讲,可以使用丝网印刷,或墨水打印机制作。
低重量、可以使用柔性塑料衬底:
视场角宽、亮度高:因为是主动发光,所以,视场角接近90度,并且具有高的对比度
电光转换效率高:LCD需要使用背光光源,不存在真正的黑色;而未激活的OLED不发光、
不消耗功率
响应时间:OLED理论响应时间为0.01ms,刷新频率达到100KHz
2)与LCD相比的缺点:
目前的工艺成本:仍然很高;
使用寿命:蓝光OLED降低到一半光强时的使用寿命为14000小时(灭天8小时,约五年)
色平衡:蓝光OLED比其它材料更容易降解,增加了控制电路的复杂性和成本,或者通过
调节尺寸来保证色平衡。
蓝光OLED的效率低:4-6%
受水蒸气伤害:为了延长使用寿命,要改善密封工艺
户外明亮的环境下,可读性能差:
白色背景下,功率消耗大:缩减了电池的寿命
屏幕变色:因显示不同内容,引起的屏幕不同位置衰减不同
UV损伤:会导致暗淡或盲点,如20mw的近紫外蓝光激光器(波长400-450nm)

二、薄膜的制备:
发光薄膜的制备方法有许多种,包括溅射法、金属有机物化学汽相沉积法、溶胶-凝胶法、脉冲激光沉积法、喷雾热解法、蒸镀法等
1) 衬底的选择:
A. 抛光的硅片:衬底材料的光学表征参数明确。
B. 玻璃:相对于抛光的硅片而言,玻璃片的表面粗糙度大,即表面水平差。
较薄的玻璃衬底需要使用微光斑、或将背面玻璃打磨,避免背部反射。
较厚的玻璃片,可以使用小角度,比如50度,将上表面反射光斑和下表面反射光斑区分开来,我们需要测量的是上表面的反射光斑。

2) 小分子材料:如Alq3,用于绿光发射,电子传送材料,作为黄光和红光发射染料的基质。

小分子材料,通常使用真空中进行加热蒸发的方式镀膜。
蒸镀的优点:可以准确控制、均匀薄膜、构造复杂的多层结构。这就可以形成不同的载流子传输和载流子阻挡层,改善了小分子OLED的效率。
蒸镀的缺点:工艺成本高,不能作大面积的器件。

3) 聚合物材料:相对少的功率即可以产生高的电光效率。

不适用于蒸镀模式,常常将有机物溶解在溶液中,再通过旋涂的方式制备成膜。
旋涂的优点:更适于制作大面积薄膜。
还可以将发射材料通过一种墨水打印机的方式沉积的衬底上。
缺点:在顺序多层工艺中,后面的层会溶解前面的层,导致多层结构不容易生成。
金属阴极也许还要用热蒸发的方式沉积。

4) 磷光材料:聚合物作为基质材料并掺入有机金属化合物。用于改善聚合物材料的内量子效率。

三、测量工具和实验目标:
1)激光椭偏仪:紫外和可见光谱的吸收带,限制了我们不能使用单波长激光椭偏仪SE400来测量膜厚和折射率。 在测量过程中,会发现探测器无法接受到反射光。
通过光谱测量,可以发现近红外光谱吸收少,可以使用1.5微米的激光椭偏仪。SENTECH目前常规产品不提供双波长激光椭偏仪,因此,我们没有使用激光椭偏仪进行测量。

2)FTP反射式干涉式膜厚仪:当确切知道有机物材料的光学参数时,使用FTPadv测量薄膜的厚度,是一种很好的选择。
有机物材料的光学常数,受材料组份和工艺(如温度、湿度、掺杂)等影响,常常是一个变化的值。
FTP可以测量的最薄的薄膜厚度,普通的FTPadv为50nm, 专业的RM1000/RM2000为5nm。所以,对于超薄薄膜膜厚测量,一般不使用FTP的方式测量。

3)光谱椭偏仪:本次测量使用了光谱椭偏仪SE850(光谱范围240nm--2500nm)进行分析。
不同的光谱范围,因使用的光源、透镜、光谱仪、探测器、应用等不同,而化定为不同的型号,在后续的文章中,会逐步介绍。


四、光谱椭偏仪材料库:
SPECTRARAY II材料库,初始材料数量大约为200个, 其中关于有机物和光刻胶方面的材料有32个,可参考文章《使用FTP测量微米级光刻胶等有机物膜厚》。

五、光谱椭偏仪色散公式(和典型应用)和膜层结构



六、标准片的测量:
1). 标准片介绍:
常用标准片为硅上镀SiO2或SiN薄膜, 比如薄膜400nm SiO2 on Si。
标准片使用要注意保持清洁,比如用镊子夹取,避免指纹等污染。
标准片本身均匀度优于5%,SENTECH使用窗口限定测量区域,提高测量结果准确性,并防止表面油污等扩散到标准区域。标准片的测量,应在23+/-2℃测量,温度偏离会导致膜厚和折射率测量结果的偏离。具体偏离趋势由被测材料和测量原理决定,需要具体分析。
实际使用中,大约两年左右,标准片的膜厚受水汽、氧气等影响,膜厚会增加约1nm。
标准片的测量报告,测量值可以溯源到德国PTB物理研究所, 类似于中国计量院,具有法定效力。
标准片通常只用于判定机器状态是否正常。
其中,20nm标准片,可用于角度拟合,判断椭偏仪机械臂的设定角度和实际角度的偏差。


2)标准片的对准:保证入射光线和反射光线的角度正常,进而保证PSI和DELTA测量角度正确。SENTECH使用准直显微镜ACT来进行研究型光谱椭偏仪对准;对于经济性光谱椭偏仪,使用激光器进行对准。
高度对准,可准确到5微米以内;水平对准,可准确到0.5弧分以内。


正确的高度对准,十字叉丝变细。

正确的水平对准,十字叉丝中心物像重合。

七、各向异性材料:
1)各向异性:随光传输方向与光轴之间夹角方向的不同,待测材料在各个方向的光学参数而不同。
各向异性薄膜分成两种,即单轴材料和双轴材料。
单轴材料,有两个复杂的折射率色散关系,沿(X, Y)平面的折射率nxy(λ), 沿z轴方向的折射率nz(λ)。
双轴材料,有三个复杂的折射率色散关系,沿X轴、Y轴、Z轴的折射率nx(λ), ny(λ), nz(λ)。
从单轴材料和双轴材料的定义可以看出,各向异性的测量,有两种方式:一是改变入射的角度;一是改变样片水平旋转的角度。
典型的各向异性样品包括方解石calcite和聚酰(读xian)亚胺(读an)polyimide。
有机物样品常常具有各向异性,如OLED薄膜,测量时需要明确薄膜是否具有各向异性。 本次测量样品,无各向异性。

2)各向异性示例:如下图,硅上3.16微米聚酰亚胺薄膜。当我们在60度角和70度角测量有机物薄膜时,假设样品不具有各向异性,结果发现测量结果无法拟合;当我们引入z方向折射率时,我们发现结果可以实现拟合。所以,聚酰亚胺材料是单轴各向异性材料。




八、样品测量:
1)实验的目标:HTL (100nm)和LG201(50nm)
测量膜厚、折射率、消光系数,
分析cauchy模型和TauLorentz模型的拟合
观察材料的反射光是否宽角度透明(50度、60度、70度)
观察紫外UV和近红外NIR光谱,光谱椭偏仪测量结果


2)HTL: hole transport layer 孔传输层:
A、多角度测量50, 60, 70度 :
观察700nm光谱处psi曲线,从上向下依次是50度、60度、70度测量结果,入射光角度越小,曲线斜率越大。
观察320nm处Delta曲线,相位差变化越大,说明光在样品中的行程越大,70度角光行程最大。

B、全光谱测量240nm---2500nm
400nm以下紫外光谱振荡明显,800nm以上红外光谱椭偏测量变化连续。这说明,针对这种HTL样品,不需要红外光谱进行测量。

C、Cauchy柯西模型和Tau-Lorentz模型拟合对比

----柯西模型介绍:柯西模型中n和k, 不满足Kramers-Kronig consistent相关,即n与k是非相关的。
下面是新建的柯西模型,从模型中看,柯西模型的光谱范围从280nm---800nm,超出该部分光谱,不适于适用柯西模型。

适用柯西模型拟合:从下图中可以看出,柯西模型在420nm以下拟合效果不好,无法拟合振荡。所以,柯西拟合采用420nm--780nm光谱范围进行拟合。

拟合后得到一个大概的数值:MSE=1.4928


引入表面粗糙层:th=2nm, 模型采用EMA等效介质模型,理论计算结果和测量结果重合度提高,拟合评估函数值MSE会继续下降。




---Tau-Lorentz洛伦兹模型介绍:常用于带短波吸收的透明介电材料,如在OLED应用中的共轭聚合物吸收带。
Eg Bandgap. Onset of the absorption given in photon energy (eV).
A Strength of the oscillator (amplitude)
Eo (Resonance frequency) Approximate (for small C values) position of the turning
point of k (here outside the spectral range)
C Broadening of the oscillator
Small (c < 1.0 ) values will give sharp oscillators
High (c >> 1.0 ) will create broad oscillators
下面是新建的T-L模型,从模型中看,T-L模型的光谱范围从280nm---2500nm,超出该部分光谱,不适于适用T-L模型。

下图是拟合后的曲线,TL模型在280nm拟合效果不好,红外可以延伸到2500nm。

 色散函数膜厚折射率消光系数MSE
1Cauchy105.551.818301.49
2Tau-Lorentz105.601.81850----

D、生成折射率和消光系数曲线

3)LG201: 来源于LG Chem. Ltd. of Korea,有机小分子电子传输材料,黄绿光发光2000mcd/m2 (1分钟)。
A、 样品高度和水平对准:
样品2,水平调节后,对准十字叉丝中心;更换测量位置,十字叉丝中心偏移。
这说明,样品2的水平不均匀,怀疑,因薄膜过薄,蒸镀时均匀度差导致。
B、多角度测量50, 60, 70度

C、全光谱测量240nm---2500nm(70度角时测量曲线)

注:拟合时,要注意模型适用的光谱范围
D、Cauchy柯西模型和Tau-Lorentz模型拟合对比

 色散函数膜厚折射率消光系数MSE
1Cauchy偏差过大,未使用该模型
2Tau-Lorentz41.861.818701.6


4) 测量准确性分析:
A、标准片测量结果与膜厚的关系:
标准片膜厚 101.8nm, 折射率1.464;测量结果101.33,折射率1.467。
测量结果膜厚偏差小于0.5nm,折射率偏差0.003。
误差分析:机械误差。
标准片报告测量时设定硅的衬底折射率为3.874, 拟合时使用的是3.872。
标片表面不清洁。
B、样品测量结果与膜厚的关系
使用光谱椭偏仪测量,当薄膜的膜厚少于等于20nm时,一般建议锁定折射率进行测量。
固定折射率由同种工艺下,沉积较厚的薄膜测量得到。

九、后期实验目标:
A、水蒸气对材料降解的影响:在温湿度实验箱内,设定湿度和温度,研究温度、湿度对材料降解的影响。并测量,确定温度、湿度是否会导致材料光学表征参数的改变。

B、分析紫外光谱损伤:确定紫外光谱损伤的光谱范围, 和产生光学损伤的阈值光强能量。
从而在光谱椭偏仪内引入滤光片,避免光强过大,引起有机物材料损伤。

C、研究各角度的光学反射光强,随角度的变化而发生的变化。
D、在空气中材料降解与时间的关系,折射率变化、振荡峰偏移
E、在光照下材料降解与光强和时间的关系,折射率变化、振荡峰偏移
友情链接:天天彩票开户  天天彩票登陆  天天彩票开户  天天彩票人工计划  天天彩票  天天彩票官网  天天彩票助手  天天彩票手机登录  

免责声明: 本站资料及图片来源互联网文章,本网不承担任何由内容信息所引起的争议和法律责任。所有作品版权归原创作者所有,与本站立场无关,如用户分享不慎侵犯了您的权益,请联系我们告知,我们将做删除处理!