CN101053090B - 图案化有机材料以同时形成绝缘体和半导体的方法以及由此制成的器件 - Google Patents

图案化有机材料以同时形成绝缘体和半导体的方法以及由此制成的器件 Download PDF

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Abstract

一种制造电子器件的方法，所述方法包括形成用于形成半导体材料的前体材料固态层，和使该前体材料暴露于光。在光照下加热该前体，使暴露于光的区域形成绝缘体，而未暴露于光的区域形成半导体。所述光优选可见光。适合的前体可包括6，13-二氢-6，13-(2，3，4，5-四氯-2，4-环己二烯并)-并五苯(202)，形成例如作为半导体的并五苯(204)和作为绝缘体的6，13-并五苯醌(206)。还包括按该方法制成的器件。

Description

图案化有机材料以同时形成绝缘体和半导体的方法以及由此制成的器件
本发明涉及半导体技术，尤其涉及图案化(patterning)有机材料，以使同一前体同时形成绝缘体和半导体的方法，以及用这些方法制成的器件。
有机电子学可用于制造显示应用中的柔性有源矩阵底板。这些使用有机材料的底板能够支持电路和电气设备，如移位寄存器(见如Gelinck，G.H.等，Nature Mat.(2004)，3，106，以引用方式并入本文)。这些有源矩阵可与电泳显示效应结合，获得柔性显示器(见如Huitema，H.E.A.等，Proc.IDW(2003)，1663-4，以引用方式并入本文)。有机半导体可用于这些方面，但这些有机半导体材料必须经过结构化，以获得晶体管所需的性能。
半导体的结构化是复杂的，常常需要多步骤的加工过程。一般而言，该过程包括将半导体的前体以旋涂方式涂布。然后在加热步骤中将该前体转变为半导体。接着将该半导体涂布抗蚀剂，照射该抗蚀剂，使该抗蚀剂显影，从而使其结构化。之后，通过活性离子蚀刻步骤(RIE)局部地除去该半导体，任选除去该光致抗蚀剂。
Afzali等在Adv.Mater.(2003)15，2066(以引用方式并入本文)中描述了另一种方法。Afzali使用光敏的并五苯前体。该方法的一个缺点是，形成的光化产物对晶体管的性能有不利影响。
制造电子器件的方法包括形成用于形成半导体材料的前体材料固态层，并将该前体材料暴露于光下。在光照下加热该前体，在暴露于光的区域形成绝缘体，并在未暴露于光的区域形成半导体。所述光优选为可见光。适合的前体可包括6，13-二氢-6，13-(2，3，4，5-四氯-2，4-环己二烯并)-并五苯，以制成如作为半导体的并五苯和作为绝缘体的6，13-并五苯醌。该前体可包括6，13-二氢-6，13-(2，3，4，5-四溴-2，4-环己二烯并)-并五苯、更大的并苯前体和/或并九苯前体。
通过阅读以下详细描述的示例性实施方案，结合附图，本发明公开的这些及其他目的、特征和优点将更加清楚。
以下将参照下面的附图，描述优选实施方案，详细公开本发明：
图1是按本发明公开的一个实施方案的基体的横截面图，该基体上含有前体材料；
图2是图1基体的横截面图，按本发明公开的一个实施方案，该基体具有使前体材料选择性暴露的掩膜；
图3是图2基体的横截面图，表明该前体材料按本发明公开的一个实施方案暴露于光的过程和加热过程；
图4是按照本发明公开的一个实施方案形成绝缘体部分和半导体部分之后的图3基体的横截面图；
图5是按照本发明公开的一个试验性实施方案，具有绝缘体部分和半导体部分的电子器件的俯视图；
图6和图7是表明本发明公开的图5结构的材料特征的光谱图；
图8是表示按本发明制造半导体器件的方法步骤的方框图；
图9表示本发明一个方面中的前体材料的示例性化学结构及其形成绝缘体和半导体材料的过程；
图10表示本发明一个方面中的另一种前体材料的示例性化学结构。
本发明描述了图案化有机材料的有效方法。一个优选实施方案中，对并五苯进行图案化。并五苯是一种半导体材料，对半导体性能而言具有很多优点。例如，并五苯可以其前体形式的溶液涂布，然后转变成并五苯，并用标准的光刻技术结合活性离子蚀刻(RIE)进行结构化。RIE蚀刻特别麻烦，但仍然需要，因为并五苯不溶于几乎所有的实用溶剂。
本发明利用在光照下(升高的温度下)，由前体形成如6，13-并五苯醌等氧化物，而不是并五苯这一观察结果。6，13-并五苯醌不是半导体。因此，本发明提供了一种方法，该方法中使半导体的并五苯岛嵌在无定形的透明绝缘体基体中，从而使沉积附加的光致抗蚀剂步骤和RIE蚀刻步骤被舍弃或不必要。
图1-4示例性地表明了制造半导体结构的方法。现详细参考附图，这几幅图中相似或相同的元件采用相同的数字标记。从图1开始，该图中，将一层前体并五苯10旋涂于基体12上。所述前体10可包括6，13-二氢-6，13-(2，3，4，5-四氯-2，4-环己二烯并)-并五苯和/或6，13-二氢-6，13-(2，3，4，5-四溴-2，4-环己二烯并)-并五苯，可在荷兰由SYNCOMTM定做。
根据成品器件的应用，基体12可包括半导体材料、透明导体或其他材料。因为前体材料10优选液态，材料10容易通过旋涂方式涂布于基体12；但也可考虑其他涂布工艺。
参照图2和图3，在可见光照射下加热前体10；但也可使用紫外光或红外光。在加热步骤中使前体10暴露于光，可影响前体并五苯向并五苯的转变。在半导体加工过程中，可用掩膜28掩蔽光26(图3)，以图案化前体10。这可使同一被加工材料同时形成半导体结构与绝缘结构。
该方法中，前体并五苯被转变为氧化物或醌，尤其是6，13-并五苯醌，该物质是并五苯的氧化形式。6，13-并五苯醌是一种绝缘体，不是导体或半导体材料。因此，这些性质产生了多种优点，对于知晓本发明公开内容的本领域技术人员而言显而易见。
足以使前体10在氧气存在条件下转变成并五苯的加热过程，可包括施加约150摄氏度以上的温度一段足够的时间，例如至少5秒钟以上的时间，也可使用其他的转变方法，例如以200℃加热约10秒等。更高的温度对于其他电子器件或材料可能有害。可使用更高或更低的温度，加热时间可根据所选的温度进行调节。环境中的氧或者更高或更低浓度的氧足以形成所述氧化物。另外，例如灯泡光度等低光度(约5-60瓦)足以使前体10转变为并五苯。入射光强度对白光而言优选约0.1mW/cm2至约1W/cm2。从红外光区经可见光区至紫外光区这一宽范围的光都可用于产生所述转变。
参照图4，加热步骤中没有光照的区域形成并五苯20，有光照的区域形成6，13-并五苯醌22。用这种方式，在同样的层11中，同时形成半导体区域20(并五苯)和绝缘区域22(6，13-并五苯醌)。并五苯形成带有紫色的多晶(因此有光散射性)膜，而6，13-并五苯醌是透明且无定形的，因而不产生任何对比度。经图案化的区域20和区域22可用于制成电子元件，如晶体管、二极管或甚至是水平安置的电容器。还可按照本发明制成其他器件和元件。
按照本发明将并五苯前体图案化可使生产商省去抗蚀剂结构化(和去除)步骤和蚀刻(如RIE蚀刻)步骤，并用转变步骤(如前体转变成并五苯)中简单的按一定图案进行的光照法(pattern-wise illumination)取而代之。本发明的发明人已发现，在温度(加热)步骤中以中等光强度(用白光，也可用可见光(如黄光)、紫外光或红外光)照射，可影响前体并五苯向并五苯的转变，以致于在光照射下，不发生“正常的”逆Diels-Alder反应(形成并五苯)，而是形成并五苯的氧化形式(6，13-并五苯醌)，该物质为绝缘体，而不是(半)导体。
图5-7中用本发明人所做的试验证明了这一点。参照图5，将并五苯前体材料10旋涂于电子器件40上。使特定区域42暴露于白光下，同时用热板升高温度。没有光照的区域44形成并五苯。这种情况下，区域44的并五苯形成带紫色的多晶(因此，有光散射性)膜。在光照区域，6，13-并五苯醌形成于区域42，该物质是透明且无定形的，因而不产生任何对比度。
参照图6，表明了图5的区域42中(“内部区域”)材料在不同波数的反射比。箭头50指出了6，13-并五苯醌(醌)的特征点。该谱图表明在内部的区域42中形成6，13-并五苯醌。
参照图7，表明了图5的区域44中(“外部区域”)材料在不同波数的反射比。箭头54指出了6，13-并五苯醌的特征点。该谱图表明在外部的区域44中形成6，13-并五苯醌。
本发明可用于许多不同的器件和生产工序。在G.H.Gelinck等，Nature Materials，3，106-110中可找到制造聚合物晶体管的工序。该工序可延续至如上所述旋涂前体并五苯膜的步骤。
现将对制造晶体管的其他方法做一般性的描述，所述晶体管中，并五苯岛嵌在无定形醌基体内。参照图8，方框100中，制备表面或基体涂布并五苯前体。这可以包括上面提到的G.H.Gelinck等概括的步骤。方框102中，在所述表面上形成前体。这可通过旋涂该表面完成，尽管根据应用需要也可使用其他方法。
方框104中，在升高的温度下，通过使用掩膜，使前体层局部暴露于光下。所述光优选白光或黄光，但也可使用紫外光或红外光。一个实施方案中，可优选来自激光器或二极管的相干光以增加投射图象的分辨率。也可使用其他成象技术。
或者，在方框106中，用光源(激光器/红外(IR)灯等)对该前体材料局部加热，可同时光照和加热前体的多个部分，从而形成6，13-并五苯醌。该步骤需要常规的加热步骤，以使非光照区域中形成并五苯。
无论是哪种方式，使前体暴露于光的步骤最好在有氧的环境中进行，以便形成醌。无论是哪种方式，可将前体层设计成仅约十分之一微米以下的厚度，例如足以用于集成电路和有源矩阵显示器，尤其是柔性显示器和聚合物电子器件的厚度。
应理解，本发明已就并五苯及其氧化物进行了描述，但本文的教导可扩展至其他寡并苯(oligocene)化合物和化学品，如7，16-二氢-7，16-(2，3，4，5-四氯-2，4-环己二烯并)-并七苯，该物质在光存在下可形成氧化物7，16-并七苯醌。另外，可用更大的并苯前体。形成的绝缘体也可包括6，13-并五苯等更大的同属分子(这依赖于所用起始前体的类型)。
现将对优选实施方案的化学图解做示例性描述。参照图9，该图示例性地表明前体分子202按本发明公开的内容形成不同的形态。分子202为卤化分子，优选的卤素是氯和溴(如X＝Cl和/或Br)。虽然优选四氯取代，但不是所有取代均必须为相同的卤素取代。也可使用图10所示的另一种结构，并使用如本文所述的同样的方法。
参照图9，第一个实例中，分子202在升高的温度(ΔT)下转变为并五苯204。在第二个实例中，在加热(ΔT)、光(hv)和氧(O2)存在下，前体202形成醌，如6，13-并五苯醌206。
以上描述了图案化有机材料的方法和由此形成的器件的优选实施方案(示例性而不是限定性)，应注意本领域技术人员根据以上教导可作出各种修改和变更。因此应当了解，公开的具体实施方案可做改变，这样的改变仍在本文公开的实施方案的范围和精神内，该范围和精神由所附权利要求所概括。因此，本文已描述了专利法要求的细节和特征，在所附权利要求书中阐明了所要求的和希望由专利证书保护的权利。

Claims (12)

1.一种制造电子器件的方法，所述方法包括以下步骤：
形成用于形成固化态的半导体材料的前体材料层；和
在光照和环境氧存在下加热所述前体，在暴露于光的区域形成绝缘体，而在未暴露于光的区域形成半导体。
2.权利要求1的方法，其中所述加热步骤包括使所述前体材料暴露于可见光区、紫外光区、红外光区或至少两个所述区的组合的光照。
3.权利要求2的方法，其中所述光包括强度0.1mW/cm2至1W/cm2的白光。
4.权利要求1的方法，其中所述加热步骤包括用激光器使所述前体材料同时暴露于光和热。
5.权利要求1的方法，其中所述加热前体的步骤包括将所述前体加热至150摄氏度以上。
6.权利要求1的方法，其中所述加热前体的步骤包括在氧存在下加热所述前体，以在暴露于光的区域形成氧化物。
7.权利要求1的方法，其中所述前体包括并五苯前体或并苯前体。
8.权利要求7的方法，其中所述并五苯前体在光照和环境氧的存在下被图案化从而形成并五苯的氧化物，不需要沉积附加的光致抗蚀剂和不需要使用活性离子蚀刻。
9.权利要求1的方法，其中所述绝缘体包括醌。
10.权利要求9的方法，其中所述醌包括6，13-并五苯醌或更大的同属材料。
11.权利要求1的方法，其中所述半导体材料包括并五苯。
12.权利要求1的方法，其中所述在光存在下加热所述前体的步骤包括用光源在所选区域同时加热和照射所述前体，接着在非光照区域加热所述前体以形成半导体。
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