University of Oulu

Sample preparation method and synchronized thermography to characterize uniformity of conductive thin films

Saved in:
Author: Leppänen, Kimmo
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Information Technology and Electrical Engineering, Department of Electrical Engineering, Optoelectronics and Measurement Techniques Laboratory
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 2.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526208312
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2015
Publish Date: 2015-06-02
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 12 June 2015, at 12 noon
Tutor: Docent Tapio Fabritius
Professor Risto Myllylä
Reviewer: Professor Erkki Ikonen
Docent Jarkko J. Saarinen
Description:

Abstract

The uniformity of conductive materials is an important property in thin film electronic applications such as solar cells and light emitting diodes (LED). Such uniformity variations are often very small, invisible or below the surface of the film and thus are difficult to detect even when using high-resolution characterization devices. Thus, surface measurement instruments such as profilometer, atomic force microscope, or scanning electron microscope can all encounter remarkable challenges. The uniformity of films can also be analyzed by conductivity measurements. However, they do not provide the precise spatial uniformity information of a large area sample.

To be able to investigate systematically the defects of conductive thin films an appropriate sample preparation method was constructed. In addition, a synchronized heating and IR-imaging based system (called synchronized thermography = ST) was developed to overcome the limitations of existing characterization methods. ST performance was tested and analyzed by measuring the single and multi-layer structures. In this work, Indium Tin Oxide (ITO) and poly(3,4-ethylenedioxy-thiopene):poly(styrene-sulfonate) (PEDOT: PSS) were used as examples of conductive thin films.

Obtained results show that ST is capable of localizing even small defects from thin film structures based on a single IR-image. In order to make automatic identification of the defect locations and the sizes of the defects, a data processing algorithm was implemented. The performed experiments have proven ST capable of determining the conductivity of the films and the critical bending curvature of ITO. Based on thin film multi-layer PEDOT:PSS measurements, the results suggest use of the ST-method is also suitable for thickness measurements.

ST with automatic data processing is a simple method to localize small defects in large-area thin film structures. This approach opens up new possibilities in measuring industrial scale manufacturing processes.


Tiivistelmä

Johtavien materiaalien tasalaatuisuus on tärkeä ominaisuus ohutkalvoelektroniikan sovelluksissa kuten aurinkokennoissa ja valoa emittoivissa diodeissa (LED). Tasalaatuisuuserot ovat usein erittäin pieniä, näkymättömiä tai ne sijaitsevat pinnan alla, joten niiden havaitseminen on vaikeaa jopa korkean resoluution karakterisointivälineillä. Niinpä pintaa mittaavat laitteet kuten profilometri, atomivoimamikroskooppi ja skannaava elektronimikroskooppi kohtaavat merkittäviä haasteita. Pinnan tasalaatuisuutta voidaan analysoida myös johtavuusmittauksilla. Ne eivät kuitenkaan anna täsmällistä spatiaalista informaatiota suurista näytteistä.

Johtavien ohutkalvojen rikkoutumien systemaattista tutkimista varten kehitettiin oma näytteiden käsittelymenetelmä. Lisäksi kehitettiin synkronoituun lämmitykseen ja infrapunakuvantamiseen perustuva mittaussysteemi (menetelmän nimi: synkronoitu termografia = ST), jolla pyritään ratkaisemaan nykyisten menetelmien rajoitukset. ST-menetelmää testattiin ja analysoitiin mittaamalla yksi- ja monikerroksisten kalvojen rakenteita. Indiumtinaoksidia (ITO) ja poly(3,4-etyleenidioksi-tiofeeni):poly(styreeni-sulfonaatti):a (PEDOT: PSS) käytettiin esimerkkeinä johtavista kalvoista.

Tulokset osoittavat, että ST kykenee paikallistamaan pienetkin virheet ohutkalvorakenteista jopa yhden infrapunakuvan perusteella. Automaattisen tiedonkäsittelyn algoritmi implementoitiin identifioimaan virheiden paikkariippuvuuksia ja kokoja. Tehdyt kokeet osoittavat, että ST-menetelmä soveltuu kalvojen johtavuuden ja ITO:n kriittisen taivutussäteen määrittämiseen. Monikerroksisiin PEDOT:PSS rakennemittauksiin perustuen ST-menetelmä näyttäisi soveltuvan myös ohutkalvojen paksuuksien määrittämiseen.

ST-menetelmä yhdistettynä automaattiseen mittaustiedon prosessointiin on yksinkertainen menetelmä paikallistamaan pieniä virheitä suuripinta-alaisilla näytteillä. Tämä lähestymistapa avaa uusia mittausmahdollisuuksia teollisuuden tuotantoprosesseihin.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-0831-2
ISBN Print: 978-952-62-0830-5
Issue: 530
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.