CN106654013B - 一种薄膜晶体管精细掩模板的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于半导体与电喷印技术领域，具体涉及一种薄膜晶体管精细掩模板的制备方法及采用该掩模板制备薄膜晶体管的方法，首先使用激光切割技术得到阵列化、镂空的金属薄板，采用静电纺丝技术在金属薄板上制备横跨镂空部分的纤维，使得镂空部分被分为间距为亚微米甚至纳米级的两块区域。以打印有纤维的金属薄板为掩模板，在半导体层上采用蒸镀或溅射的方式同时构造源极和漏极，源漏极之间的沟道长度略小于纤维直径，纤维直径宽度可实现范围为50nm～30μm，从而可以获得性能优异的TFT器件。本发明提出的精细掩模板制备方法和采用该精细掩模板制备薄膜晶体管的方法，工艺流程少，成本低，可以实现大面积、阵列化制备，有利于得到高集成度、高性能的薄膜晶体管器件。
Description
技术领域
本发明属于半导体与电喷印技术领域，具体涉及一种薄膜晶体管精细掩模板的制备方法及其应用，其能够同时制备源极和漏极，并在源极和漏极之间制备出纳米级的沟道，满足薄膜晶体管制备的精度需求。
背景技术
薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)作为微电子产品的基本元件，在柔性显示、可穿戴电子、微传感器等领域都有广泛的应用前景。随着微电子技术的发展，TFT的性能与集成度越来越高，特征尺寸不断缩小，对其设计与制造提出了诸多挑战。
晶体管源极、漏极的制备方法主要是射频溅射或者热蒸镀，源漏极之间沟道长度对晶体管性能有着决定性的影响，同时也影响着晶体管的集成度。高性能、高集成度晶体管的制备对小沟道的加工提出了要求，需要达到纳米级别。小沟道的加工常规方法是光刻，光刻工艺能够生产纳米级的精细结构，但是需要掩模，所用设备昂贵，具有工艺复杂，生产成本高，难以大面积生产的缺点。此外，由于光刻工艺与有机工艺不相容等原因会导致OTFT制备电极复杂。纳米压印同样可以生产100nm以下的微细结构。但纳米压印需要精度很高的模板，压印介质与基板存在兼容性问题，且同样存在工艺复杂，生产成本高等问题。
另一类制备小沟道的方法是通过制作金属掩模控制金属成膜区域来实现，该方法能够与有机工艺兼容，可以实现大面积制备。该方法使用的金属掩模一般用激光加工或机械加工的方法来生产，但是激光加工或机械加工无法做出两侧镂空中间只留有纳米级宽度金属线的图案，且特征尺寸低于100μm时，随着掩模精度的提高，制作成本急剧上升。因此需要寻找一种新的方法实现纳米沟道精细掩膜板的制备。
电流体动力喷印(Electrohydrodynamics，EHD)技术是一种新兴的微纳米级制造工艺，具有低成本、高效打印有机物溶液或金属熔融物的能力。静电纺丝作为电流体动力喷印模式的一种，可以制备连续长纳米纤维。在金属薄板上做出阵列化镂空图案，打印横跨镂空部分的纤维，纤维将镂空部分分为两块。以该沉积有纤维的金属薄板作为掩模板进行溅射或蒸镀时，镂空部分金属沉积为源、漏极，纤维部分阻挡了金属薄膜的沉积，形成长度略小于纤维宽度的沟道。将电纺纤维用于精细掩膜板的制备可以极大地降低掩模成本以及降低沟道长度。同时利于实现小沟道晶体管大面积、阵列化的制备。
由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种制备精细掩模板进而制备薄膜晶体管的方法，使其能够克服了薄膜晶体管传统小沟道制备工艺成本高、工艺复杂、环境要求苛刻等缺点，能够同时制备出满足精度要求的源极、漏极和沟道，简化制备精细掩模板的流程，得到高集成度、高性能的薄膜晶体管器件。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种薄膜晶体管精细掩模板的制备方法及采用该掩模板制备薄膜晶体管的方法，首先使用激光切割技术得到阵列化、镂空的金属薄板，以该金属薄板为基板，使用近场静电纺丝技术打印横跨镂空部分的纤维，使得镂空部分被分为间距为亚微米甚至纳米级的两块区域。以打印有纤维的金属薄板为掩模板，在有机半导体层上采用蒸镀或溅射的方式同时构造源极和漏极，源漏极之间的沟道长度略小于纤维直径，纤维直径宽度可实现范围为50nm～30μm，从而可以获得性能优异的TFT器件。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种薄膜晶体管精细掩模板的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1.准备一金属薄板，在该金属薄板上刻蚀多个镂空图案，上述镂空图案呈阵列化分布，从而制备出镂空金属薄板；
S2.制备静电纺丝溶液，用于纺制亚微米级纤维；
S3.采用步骤S2中制备的静电纺丝溶液在步骤S1中制得的金属薄板上纺制亚微米级的纤维，纺出的单根纤维横跨金属薄板的镂空部分，将金属薄板的镂空部分平均分割为相邻两块区域；
S4.待纤维固化后，即得到由金属薄板和纤维构成的用于制备薄膜晶体管的精细掩模板。
进一步优选地，所述金属薄板上的镂空图案采用激光切割工艺刻蚀而成。
优选地，所述纤维采用静电纺丝方法制备，纺丝溶液为PVDF或PEO等有机聚合物溶液，制备的纤维直径的大小范围为50nm～30μm。较多的比较试验表明，采用PVDF或PEO等有机聚合物溶液和静电纺丝的方法能够制备出更细的纳米级纤维，且仿制的纤维均匀一致、性能更好。将制备的纤维直径大小范围控制在上述范围内，能够得到纳米级的沟道，满足薄膜晶体管的制备需求。
优选地，所述纤维与下方的半导体层不接触。由于纤维与下方基板不接触，不仅免去了祛除纤维的过程，而且未完全固化纤维不与半导体层直接接触，避免了溶剂对半导体层的破坏效应，对各层溶剂的选择要求降低，有利于提高器件性能。
按照本发明的另一方面，提供了一种薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.准备一个基底层，在该基底层的表面从下至上依次制备薄膜晶体管的金属栅极、介电层和半导体层；
S2.在半导体层表面铺设采用如上所述的制备方法制备的精细掩模板，该精细掩模板通过纤维将金属薄板上的镂空部分平均分割为相邻两块区域；
S3.在精细掩模板表面进行镀膜工艺，由于精细掩模板中金属薄板的镂空部分被纤维分割为两块区域，因此在半导体层表面同时制备出源极和漏极，所述源极和漏极之间由于纤维的遮挡形成沟道；
S4.将所述半导体层表面的精细掩模板去除，制得薄膜晶体管。
进一步优选地，所述半导体层为有机半导体层。采用有机半导体层能够极大地简化制造工艺和降低制造成本，且有机半导体层具有良好的柔曲性，能够满足柔性薄膜晶体管的性能要求。
优选地，所述基底层为非柔性基底或柔性基底。本发明的薄膜晶体管的制备方法能够在各种基底上制备出薄膜晶体管，而根据实际使用需求使用不同的基底材料，制备出柔性或非柔性的薄膜晶体管，能够满足不同场合的使用需求。
优选地，所述纤维与下方的半导体层不接触。由于纤维与下方基板不接触，不仅免去了去除纤维的过程，而且未完全固化纤维不与半导体层直接接触，避免了溶剂对半导体层的破坏效应，对各层溶剂的选择要求降低，有利于提高器件性能。
优选地，所述镀膜工艺为溅射或蒸镀工艺。
优选地，所述源极与漏极之间沟道的宽度略小于纤维直径。在半导体层上同时制备源极和漏极，且使源极与漏极之间沟道长度略小于纤维直径，可以得到比较高的集成度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明克服了薄膜晶体管传统小沟道制备工艺成本高、工艺复杂、环境要求苛刻等特点，提出了用静电纺丝在镂空金属薄板上沉积纤维的方法制备精细掩膜板，由该方法制备出的掩模板具有纳米级的纤维将金属薄板分成两部分，采用该精细掩模板制备薄膜晶体管时，能够同时制备源极和漏极，并在源极和漏极之间形成纳米级的沟道，以满足薄膜晶体管制备的精度需求。
(2)本发明在制备精细掩模板时，采用PVDF或PEO等有机聚合物的纺丝溶液和静电纺丝的方法，能够制备出细度更细的纳米级的纤维，且纺制的纤维均匀一致，性能更好。将制备的纤维直径大小范围控制在一定范围内，能够得到纳米级的沟道，满足薄膜晶体管的制备需求。
(3)本发明提出的精细掩模板制备方法和采用该精细掩模板制备薄膜晶体管的方法，能够得到沟道尺寸在纳米级别的薄膜晶体管，且该方法还具有工艺流程少，成本低的优点，可以实现大面积、阵列化制备，有利于得到高集成度、高性能的薄膜晶体管器件。
附图说明
图1为采用静电纺丝方法制备掩膜板的示意图。
图2为本发明的薄膜晶体管中的微纳米沟道制备工艺流程图。
图3为使用本发明在硅基板上制备晶体管工艺流程图。
图4为使用本发明在柔性基板上制备晶体管工艺流程图。
其中，1为电纺丝运动平台，2是阵列化镂空金属薄板，3是高压电源，4是电喷印喷头，5是电纺丝泰勒锥，6是电纺纤维，7、8为溅射金得到的薄膜晶体管源漏极，9为非柔性薄膜晶体管栅极，10为非柔性薄膜晶体管介电层，11为非柔性薄膜晶体管半导体层，12为柔性薄膜晶体管柔性衬底，13为柔性薄膜晶体管栅极，14为柔性薄膜晶体管介电层，15为柔性薄膜晶体管半导体层。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为采用静电纺丝方法制备掩膜板的示意图。本发明的一种薄膜晶体管精细掩模板的制备方法，具体包括以下步骤：
S1.准备一金属薄板，在该金属薄板上刻蚀多个镂空图案，上述镂空图案呈阵列化分布，从而制备出镂空金属薄板；
S2.制备静电纺丝溶液，用于纺制亚微米级纤维；
S3.采用步骤S2中制备的静电纺丝溶液在步骤S1中制得的金属薄板上纺制亚微米级的纤维，纺出的单根纤维横跨金属薄板的镂空部分，将金属薄板的镂空部分平均分割为相邻两块区域；
S4.待纤维固化后，即得到由金属薄板和纤维构成的用于制备薄膜晶体的管精细掩模板。
在本发明的一个优选实施例中，所述金属薄板上的镂空图案采用激光切割工艺刻蚀而成。
在本发明的一个优选实施例中，所述纤维采用静电纺丝方法制备，纺丝溶液为PVDF或PEO等有机聚合物溶液，制备的纤维直径的大小范围为50nm～30μm。较多的比较试验表明，采用PVDF或PEO等有机聚合物溶液和静电纺丝的方法能够制备出更细的纳米级纤维，且纤维均匀一致，性能更好。将制备的纤维直径大小控制在上述范围内，能够得到纳米级的沟道，满足薄膜晶体管的制备需求。
在本发明的一个优选实施例中，所述纤维与下方的半导体层不接触。由于纤维与下方基板不接触，不仅免去了祛除纤维的过程，而且未完全固化纤维不与半导体层直接接触，避免了溶剂对半导体层的破坏效应，对各层溶剂的选择要求降低，有利于提高器件性能。
图2为本发明的薄膜晶体管中的微纳米沟道制备工艺流程图。按照本发明还提供了一种薄膜晶体管的制备方法，具体包括以下步骤：
S1.准备一个基底层，在该基底层的表面从下至上依次制备薄膜晶体管的金属栅极、介电层和半导体层；
S2.在半导体层表面铺设采用如上所述的制备方法制备的精细掩模板，该掩模板通过纤维将金属薄板上的镂空部分平均分割为相邻两块区域；
S3.在精细掩模板表面进行镀膜工艺，由于精细掩模板中金属薄板的镂空部分被纤维分割为两块区域，因此在半导体层表面同时制备出源极和漏极，所述源极和漏极之间由于纤维的遮挡形成微纳米沟道；
S4.将所述半导体层表面的精细掩模板去除，制得薄膜晶体管。
进一步优选地，所述半导体层为有机半导体层。采用有机半导体层能够极大地简化制造工艺和降低制造成本，且有机半导体层具有良好的柔曲性，能够满足柔性薄膜晶体管的性能要求。
在本发明的一个优选实施例中，所述基底层为非柔性基底或柔性基底。
在本发明的另一个优选实施例中，所述纤维与下方的半导体层不接触。
在本发明的另一个优选实施例中，所述镀膜工艺为溅射或蒸镀工艺。
在本发明的另一个优选实施例中，所述源极与漏极之间微纳米沟道的宽度略小于纤维直径。
为更好地解释本发明，以下给出两个具体实施例：
实施例1
利用本发明所述工艺方法在硅基板上制造薄膜晶体管过程如下：
(1)制备半导体层。将10mg的P3HT粉末添加在990mg的氯代苯中，加热70℃、100W超声溶解1-2h，待溶液无明显颗粒后加热60-70℃磁力搅拌2-3h后形成均匀的半导体溶液，并在静置30min后用0.02um的筛网过滤得到制备好的有机半导体溶液。外购氧化硅片，其中N++Si为栅极，厚度约200μm，如图3中9所示，SiO2为绝缘层，厚度约100nm，如图3中10所示。将半导体溶液旋涂在SiO2绝缘层表面，转速1500r/min，时间75s，得到的P3HT薄膜厚度一般控制在50-100nm之间，如图3中11所示。然后将旋涂后的硅片放进烘箱，抽真空在100度的温度下进行30min的退火处理。处理后的片子取出后置于手套箱中保存。
(2)制备掩膜板。使用金属切割的方法在10cm×10cm的金属方形薄板上切割出呈5×5排列的5mm×5mm的镂空正方形，如图1中2所示。将适量的PEO溶于去离子水，磁力搅拌6-8h后形成均匀的PEO溶液。将制备好的PEO溶液置于注射器中并固定在纺丝平台上，以制备好的镂空金属薄板为基板，调整纺丝参数，喷嘴距离基板高度为2～5mm，流量设定为50～100nl/min，调节高压放大器使得施加的外部电压为0.8-1.5KV。此时喷嘴处产生泰勒锥，可以打印出直径约为50nm～1μm的纤维，如图1中6所示。设置运动平台以设定轨迹运动，使得纤维横跨金属薄板镂空正方形，可以得到所需掩膜板。
(3)制备源极和漏极。使用步骤2中制备的沉积有纤维的金属薄板为掩膜板，通过热蒸发镀膜的方法在有机半导体上镀金，电流设定为80～120A，时间300S，厚度100nm～300nm，如图2中7、8所示。此种方法可同时得到晶体管的源极及漏极，沟道长度略小于纤维直径，约为50nm～1μm。
实施例2
利用本发明所述工艺方法制造柔性薄膜晶体管过程如下：
(1)制备金属栅极。将厚度为30-50μm的PI薄膜剪裁成10cm×10cm的方块，先后用丙酮、无水乙醇、去离子水各超声清洗10min，最后用氮气吹干。使用热蒸发镀膜的方法在清洗后的PI薄膜上镀金，厚度为100～300nm，如图4中13所示。
(2)制备绝缘层。将适量聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)溶于氯苯溶液中，配置成5-10mg/ml的溶液，将其旋涂于栅极表面，转速1000r/min，时间60s，厚度控制在100～300nm，旋涂完成后在100℃-150℃将薄膜烘干，如图4中14所示。
(3)制备有机半导体层。将10mg的P3HT粉末添加在990mg的氯代苯中，加热70度100W超声溶解1-2h，待溶液无明显颗粒后加热60-70度磁力搅拌2-3h后形成均匀的半导体溶液，并在静置30min后用0.02um的筛网过滤得到制备好的有机半导体溶液，将其旋涂在绝缘层表面转速1500r/min，时间75s，得到的P3HT薄膜厚度一般控制在50-100nm之间，如图4中15所示。然后将旋涂后的器件放进烘箱，抽真空在100℃的温度下进行30min的退火处理。处理后的片子取出后置于手套箱中保存。
(4)制备掩膜板。将适量的PVDF溶于DMF与丙酮，比例6：4，浓度18％，加热至35℃磁力搅拌6-7h后静置2h形成均匀PVDF溶液备用。使用金属切割的方法在10cm×10cm的金属方形薄板上切割出呈5×5排列的5mm×5mm的镂空正方形，如图1中2所示。将制备好的PVDF溶液置于喷嘴之中固定在纺丝平台之上，以制备好的金属薄板为基板，调整好纺丝参数，喷嘴距离基板高度为2～10mm，流量设定为300～600nl/min，调节高压放大器使得施加的外部电压为1.4-1.8KV。此时喷嘴处产生泰勒锥，可以打印出约为0.5μm～5μm的纤维，如图1中6所示。设置运动平台以设定轨迹运动，使得纤维横跨金属薄板镂空正方形，去除掉边缘多余纤维可以得到所需掩膜板。
(5)制备源极和漏极。使用步骤4中制备的沉积有纤维的金属薄板为掩膜板，通过热蒸发镀膜的方法在有机半导体上镀金，电流设定为80～120A，时间300S，厚度100nm～300nm，如图2中7、8所示。此种方法可同时得到晶体管的源极及漏极，沟道长度略小于纤维直径，约为0.5μm～5μm。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.准备一个基底层，在该基底层的表面从下至上依次制备薄膜晶体管的金属栅极、介电层和半导体层；
S2.在半导体层表面铺设精细掩模板，该精细掩模板通过纤维将金属薄板上的镂空部分平均分割为相邻两块区域；
S3.在精细掩模板表面进行镀膜工艺，由于精细掩模板中金属薄板的镂空部分被纤维分割为两块区域，因此在半导体层表面同时制备出源极和漏极，所述源极和漏极之间由于纤维的遮挡形成微纳米沟道，其中，所述纤维与下方的半导体层不接触；
S4.将所述半导体层表面的精细掩模板去除，即制得薄膜晶体管；
其中，所述精细掩模板的制备方法如下：
1).准备一金属薄板，在该金属薄板上刻蚀多个镂空图案，上述镂空图案呈阵列化分布，从而制备出镂空金属薄板；
2).制备静电纺丝溶液，用于纺制亚微米级的纤维；
3).采用步骤S2中制备的静电纺丝溶液在步骤S1中制得的金属薄板上纺制亚微米级的纤维，纺出的单根纤维横跨金属薄板的镂空部分，将金属薄板的镂空部分平均分割为相邻两块区域；
4).待纤维在金属薄板上固化后，即得到由金属薄板和纤维构成的用于制备薄膜晶体管的精细掩模板。
2.如权利要求1所述的一种薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述金属薄板上的镂空图案采用激光切割工艺刻蚀而成。
3.如权利要求1或2所述的一种薄膜晶体管的制备方法，其特征在于，所述纤维采用静电纺丝方法制备，所述纺丝溶液为有机聚合物溶液，制得的纤维直径范围为50nm～30μm。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述半导体层为有机半导体层。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述基底层为非柔性基底或柔性基底。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述镀膜工艺为溅射或蒸镀工艺。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述源极与漏极之间微纳米沟道的宽度略小于纤维直径。
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