CN107611025A - 一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法 - Google Patents

一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法 Download PDF

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陈建秋
姚日晖
陶瑞强
杨财桂
周艺聪
蔡炜
徐苗
王磊
彭俊彪
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Abstract

本发明公开了一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法。该方法包括以下步骤:(1)基底的预处理:将基底清洗、烘干,备用;(2)栅极的沉积:在预处理后的基底上通过真空磁控溅射图形化制备栅极;(3)绝缘层的沉积:在沉积的栅极表面通过阳极氧化沉积绝缘层;(4)有源层的沉积:在沉积的绝缘层表面通过真空磁控溅射图形化制备有源层;(5)源漏电极的制备:在沉积的有源层表面通过喷墨打印图形化制备源漏电极,得到所述堆栈式薄膜晶体管电极。本发明方法采用喷墨打印方式制备源漏电极,制备得到薄膜晶体管电极,大大节约了生产成本,同时解决了打印电极的引出线时在跨越TFT器件台阶时产生的墨水流散和团聚问题。

Description

一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法
技术领域
本发明涉及薄膜晶体管电极的制备技术领域,具体涉及一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法。
背景技术
薄膜晶体管(Thin Film Transistor,简称TFT),是一种用途广泛的半导体器件,其最重要的用途是在显示器中作为LCD和OLED器件像素的开关。
目前工业上采用真空法大规模生产制备薄膜晶体管。真空制备需要昂贵的真空设备和复杂的工艺。喷墨打印技术由于其设备简单、无需真空、低材料消耗和直接图形化等优点,近年来已成为国内外的研究热点。底栅顶接触型薄膜晶体管由栅极、绝缘层、有源层以及源漏电极堆叠组成,电极材料是薄膜晶体管中很重要的部分。在喷墨打印中,常用的电极墨水包括金属墨水、高分子导电墨水、透明氧化物墨水或无机非金属墨水。而银墨水具有高导电率、价格相对便宜和易制备等优点,已经成为一种常用的电极材料。
目前暂无喷墨打印TFT器件电极引出线的相关技术,现有的制备TFT电极引出线的方法大多为真空磁控溅射制备。真空磁控溅射方法利用磁控溅射技术生长一层电极引线膜层,利用光刻图形化工艺,经过光刻、显影、烘烤,形成电极层引线光刻胶图形,使已经去除光刻胶的光刻胶涂层区域所对应的电极引线保护层的表面相应部分裸露出来;然后利用电极刻蚀液将膜层裸露部分除去,最后利用剥离覆盖在电极引出线的光刻胶,形成跨越台阶的电极引出线。
采用传统真空磁控溅射法制备TFT器件电极引出线,在工业生产中具有广泛应用。但是由于真空制备法过程复杂,需要经过重复曝光显影步骤,导致其成本过高。
由于TFT器件为堆栈式结构,TFT阵列电极的引出线将跨越TFT器件各功能层堆叠而形成的台阶。而在打印TFT电极的引出线工艺中,由于各功能层膜表面能差异和台阶产生的高度差,墨水会在台阶处发生流散和团聚现象,容易导致TFT电极的引出线图形失真。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术制备薄膜晶体管(TFT)电极的过程中打印电极的引出线图形容易失真的缺陷,提供了一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法,以喷墨打印方式打印源漏电极,使打印的电极的引出线完整、墨水分散均匀,解决了TFT电极的引出线图形失真的缺陷;同时,本发明方法解决了打印TFT电极过程中,打印电极的引出线在跨越堆栈型结构时,墨水会出现的流散和团聚现象。
本发明喷墨打印制备的薄膜晶体管电极为堆栈型结构,即为底栅顶接触型结构,由包括栅极、绝缘层、有源层以及源漏电极的各功能层呈阶梯状堆叠组成,且源漏电极的引出线跨越整个TFT器件的各功能层堆叠形成的台阶。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法,包括如下步骤:
(1)基底的预处理:将基底清洗、烘干,备用;
(2)栅极的沉积:在预处理后的基底上通过真空磁控溅射图形化制备栅极;
(3)绝缘层的沉积:在沉积的栅极表面通过阳极氧化沉积绝缘层;
(4)有源层的沉积:在沉积的绝缘层表面通过真空磁控溅射图形化制备有源层;
(5)源漏电极的制备:在沉积的有源层表面通过喷墨打印图形化制备源漏电极,得到所述堆栈式薄膜晶体管电极。
优选的,步骤(1)中,所述基底为玻璃基板。
优选的,步骤(1)中,所述清洗是依次用异丙醇、四氢呋喃、碱性清洗剂、去离子水和异丙醇分别超声振荡5~10min。
优选的,步骤(1)中,所述烘干是在70~80℃的烘箱中烘干。
优选的,步骤(2)中,所述栅极包括Al栅极。
优选的,步骤(2)中,所述真空磁控溅射的工艺为:真空度为5×10-5 Pa,采用Ar离子轰击Al靶材,溅射气压为1mTorr,溅射功率为80~100W。
优选的,步骤(3)中,所述绝缘层包括Al2O3层。
优选的,步骤(3)中,所述阳极氧化是:将制备的Al栅极浸泡在质量分数为3.68%的酒石酸铵的乙二醇溶液中,氧化生成200nm厚的绝缘层。
优选的,步骤(4)中,所述有源层包括铟镓锌氧化物(IGZO)层。
优选的,步骤(4)中,所述真空磁控溅射的工艺为:真空度为5×10-5 Pa,采用Ar离子轰击a-IGZO靶材,溅射气压为5mTorr,O2/Ar流量比为5%,溅射功率为80W。
优选的,步骤(5)中,所述喷墨打印的打印基板的温度为50~60℃。
优选的,步骤(5)中,所述喷墨打印过程中,喷墨打印机的喷墨卡夹的温度设置为50~60℃。
优选的,步骤(5)中,所述喷墨打印的墨水材料采用包括ANP公司型号为DGP 40TE-20C的纳米银颗粒墨水。
进一步优选的,步骤(5)中,ANP公司型号为DGP 40TE-20C的纳米银颗粒墨水的指标参数为:固含量:30~35%;粘度:10~17;表面张力:35~38;电阻率:5~9uΩ·cm;溶剂:三乙二醇乙醚;烧结温度条件:180~200℃。
优选的,步骤(5)中,所述喷墨打印的工艺为:墨滴速度2~3m/s,墨滴间距30~40μm。
本发明采用喷墨打印方法制备堆栈式薄膜晶体管电极,制备的薄膜晶体管电极为堆栈型结构,即为底栅顶接触型结构,由包括栅极、绝缘层、有源层以及源漏电极的各功能层呈阶梯状堆叠组成,栅极,绝缘层和有源层均采用现有技术进行制备,源漏电极采用喷墨打印技术制备;其中,栅极和有源层均采用现有的真空磁控溅射技术沉积制备得到,而绝缘层通过现有的阳极氧化技术制备;源漏电极采用喷墨打印技术制备,通过控制喷墨打印基板和喷墨卡夹的温度,便于墨水中溶剂快速挥发,使墨水不发生流散和团聚,形成三相线钉扎,快速图形化制备源漏电极,使源漏电极的引出线完整、墨水分散均匀,解决了打印电极的引出线在跨越台阶时图形失真的问题。
与现有技术相比,本发明具有如下优点与技术效果:
(1)本发明方法采用喷墨打印方式制备源漏电极,制备得到薄膜晶体管电极,大大节约了生产成本;
(2)本发明方法通过调整喷墨打印基板和喷墨卡夹的温度,使墨水快速固化以解决打印电极的引出线时在跨越TFT器件台阶时产生的墨水流散和团聚问题。
附图说明
图1为本发明具体实施例制备的堆栈式薄膜晶体管电极的结构侧视图;
图2为本发明具体实施例制备的堆栈式薄膜晶体管电极的结构俯视图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明,但本发明的实施和保护不限于此。
本发明具体实施例中使用的材料和设备的参数规格如下:
喷墨打印采用的墨水材料为ANP公司型号为DGP 40TE-20C的纳米银颗粒墨水,其主要指标参数如下: 固含量:30~35%;粘度:10~17;表面张力:35~38;电阻率:5~9uΩ·cm;溶剂:三乙二醇乙醚;烧结温度条件:180~200℃。
采用的喷墨打印机为型号Dimatix DMP-2800的喷墨打印机。
采用的基底为长宽10mm*10mm、厚0.7mm的玻璃片。
本发明具体实施例制备的堆栈式薄膜晶体管电极的结构侧视图和俯视图分别如图1和图2所示,包括源漏电极1、栅极2、有源层3、栅极绝缘层4和玻璃基板5共五个功能层,玻璃基板5、栅极2、绝缘层4、有源层3和源漏电极1各功能依次堆叠,形成阶梯状薄膜晶体管电极,且源漏电极1的引出线跨越整个TFT器件的各功能层堆叠形成的台阶。
实施例1
堆栈式薄膜晶体管电极的制备,具体包括如下步骤:
(1)基底清洗:将玻璃基板基底放进超声波清洗机中,依次采用回收的异丙醇、四氢呋喃、碱性清洗液、去离子水、异丙醇分别超声震荡基底10min;
(2)基底烘干:将清洗过的基底放入烘箱中烘干,烘干温度为80℃;
(3)栅极沉积:在清洗过的基板上通过真空磁控溅射方法图形化制备一层Al栅极,真空磁控溅射条件为:真空度为5×10-5 Pa,采用Ar离子轰击Al靶材,溅射气压为1mTorr,溅射功率为100W,厚度为300nm;
(4)绝缘层沉积:在沉积的栅极表面通过阳极氧化方式沉积形成Al2O3绝缘层,阳极氧化条件为:将所制备的Al栅极浸泡在质量分数为3.68%的酒石酸铵的乙二醇溶液中,形成绝缘层厚度为200nm;
(5)有源层沉积:在沉积的绝缘层表面通过真空磁控溅射方法图形化制备一层IGZO有源层,真空磁控溅射条件为:真空度为5×10-5 Pa,采用Ar离子轰击a-IGZO靶材,溅射气压为5mTorr,O2/Ar流量比为5%,溅射功率为80W,厚度为25nm;
(6)源漏电极制备:在有源层表面通过喷墨打印方法图形化制备Ag源漏电极,喷墨打印条件为:墨滴速度3m/s,墨滴间距40μm,喷墨卡夹温度60℃,打印基板温度60℃,厚度为300nm,得到堆栈式薄膜晶体管电极。
制备的薄膜晶体管的各层材料依次为:玻璃片基底,栅极Al,绝缘层Al2O3,有源层IGZO,源漏电极Ag,其中Ag源漏电极的引出线图形完整且墨水物无流散、团聚现象。
对比喷墨卡夹及打印基板的温度为室温时,以及喷墨卡夹及打印基板的温度为60℃时,喷墨打印源漏电极的效果;由于各膜层表面能差异和台阶处重力作用,在室温下喷墨打印的源漏电极的引出线在Al2O3和玻璃基板交界处、Al2O3和a-IGZO交界处出现严重的墨水流散和团聚现象,导致打印电极引出线图形失真;而由于高温能促进溶剂快速挥发,形成三相线钉扎,在60℃下喷墨打印的源漏电极的引出线无明显的墨水流散和团聚现象,有效解决了源漏电极的引出线图形失真的问题。
实施例2
堆栈式薄膜晶体管电极的制备,具体包括如下步骤:
(1)基底清洗:将玻璃基板基底放进超声波清洗机中,依次采用回收的异丙醇、四氢呋喃、碱性清洗液、去离子水、异丙醇分别超声震荡基底7min;
(2)基底烘干:将清洗过的基底放入烘箱中烘干,烘干温度为75℃;
(3)栅极沉积:在清洗过的基板上通过真空磁控溅射方法图形化制备一层Al栅极,真空磁控溅射条件为:真空度为5×10-5 Pa,采用Ar离子轰击Al靶材,溅射气压为1mTorr,溅射功率为90W,厚度为300nm;
(4)绝缘层沉积:在沉积的栅极表面通过阳极氧化方式沉积形成Al2O3绝缘层,阳极氧化条件为:将所制备的Al栅极浸泡在质量分数为3.68%的酒石酸铵的乙二醇溶液中,形成绝缘层厚度为200nm;
(5)有源层沉积:在沉积的绝缘层表面通过真空磁控溅射方法图形化制备一层IGZO有源层,真空磁控溅射条件为:真空度为5×10-5 Pa,采用Ar离子轰击a-IGZO靶材,溅射气压为5mTorr,O2/Ar流量比为5%,溅射功率为80W,厚度为25nm;
(6)源漏电极制备:在有源层表面通过喷墨打印方法图形化制备Ag源漏电极,喷墨打印条件为:墨滴速度2.5m/s,墨滴间距35μm,喷墨卡夹温度55℃,打印基板温度55℃,厚度为300nm,得到堆栈式薄膜晶体管电极。
制备的薄膜晶体管的各层材料依次为:玻璃片基底,栅极Al,绝缘层Al2O3,有源层IGZO,源漏电极Ag,其中Ag源漏电极的引出线图形完整且墨水物无流散、团聚现象。
对比喷墨卡夹及打印基板的温度为室温时,以及喷墨卡夹及打印基板的温度为55℃时,喷墨打印源漏电极的效果;由于各膜层表面能差异和台阶处重力作用,在室温下喷墨打印的源漏电极的引出线在Al2O3和玻璃基板交界处、Al2O3和a-IGZO交界处出现严重的墨水流散和团聚现象,导致打印电极引出线图形失真;而由于高温能促进溶剂快速挥发,形成三相线钉扎,在55℃下喷墨打印的源漏电极的引出线无明显的墨水流散和团聚现象,有效解决了源漏电极的引出线图形失真的问题。
实施例3
堆栈式薄膜晶体管电极的制备,具体包括如下步骤:
(1)基底清洗:将玻璃基板基底放进超声波清洗机中,依次采用回收的异丙醇、四氢呋喃、碱性清洗液、去离子水、异丙醇分别超声震荡基底5min;
(2)基底烘干:将清洗过的基底放入烘箱中烘干,烘干温度为70℃;
(3)栅极沉积:在清洗过的基板上通过真空磁控溅射方法图形化制备一层Al栅极,真空磁控溅射条件为:真空度为5×10-5 Pa,采用Ar离子轰击Al靶材,溅射气压为1mTorr,溅射功率为80W,厚度为300nm;
(4)绝缘层沉积:在沉积的栅极表面通过阳极氧化方式沉积形成Al2O3绝缘层,阳极氧化条件为:将所制备的Al栅极浸泡在质量分数为3.68%的酒石酸铵的乙二醇溶液中,形成绝缘层厚度为200nm;
(5)有源层沉积:在沉积的绝缘层表面通过真空磁控溅射方法图形化制备一层IGZO有源层,真空磁控溅射条件为:真空度为5×10-5 Pa,采用Ar离子轰击a-IGZO靶材,溅射气压为5mTorr,O2/Ar流量比为5%,溅射功率为80W,厚度为25nm;
(6)源漏电极制备:在有源层表面通过喷墨打印方法图形化制备Ag源漏电极,喷墨打印条件为:墨滴速度2m/s,墨滴间距30μm,喷墨卡夹温度50℃,打印基板温度50℃,厚度为300nm,得到堆栈式薄膜晶体管电极。
制备的薄膜晶体管的各层材料依次为:玻璃片基底,栅极Al,绝缘层Al2O3,有源层IGZO,源漏电极Ag,其中Ag源漏电极的引出线图形完整且墨水物无流散、团聚现象。
对比喷墨卡夹及打印基板的温度为室温时,以及喷墨卡夹及打印基板的温度为50℃时,喷墨打印源漏电极的效果;由于各膜层表面能差异和台阶处重力作用,在室温下喷墨打印的源漏电极的引出线在Al2O3和玻璃基板交界处、Al2O3和a-IGZO交界处出现严重的墨水流散和团聚现象,导致打印电极引出线图形失真;而由于高温能促进溶剂快速挥发,形成三相线钉扎,在50℃下喷墨打印的源漏电极的引出线无明显的墨水流散和团聚现象,有效解决了源漏电极的引出线图形失真的问题。

Claims (10)

1.一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)基底的预处理:将基底清洗、烘干,备用;
(2)栅极的沉积:在预处理后的基底上通过真空磁控溅射图形化制备栅极;
(3)绝缘层的沉积:在沉积的栅极表面通过阳极氧化沉积绝缘层;
(4)有源层的沉积:在沉积的绝缘层表面通过真空磁控溅射图形化制备有源层;
(5)源漏电极的制备:在沉积的有源层表面通过喷墨打印图形化制备源漏电极,得到所述堆栈式薄膜晶体管电极。
2.根据权利要求1所述的一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述基底为玻璃基板;所述清洗是依次用异丙醇、四氢呋喃、碱性清洗剂、去离子水和异丙醇分别超声振荡5~10min。
3.根据权利要求1所述的一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法,其特征在于,步骤(1)中,所述烘干是在70~80℃的烘箱中烘干。
4.根据权利要求1所述的一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法,其特征在于,步骤(2)中,所述栅极包括Al栅极;所述真空磁控溅射的工艺为:真空度为5×10-5 Pa,采用Ar离子轰击Al靶材,溅射气压为1mTorr,溅射功率为80~100W。
5.根据权利要求1所述的一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法,其特征在于,步骤(3)中,所述绝缘层包括Al2O3层;所述阳极氧化是:将制备的Al栅极浸泡在质量分数为3.68%的酒石酸铵的乙二醇溶液中,氧化生成200nm厚的绝缘层。
6.根据权利要求1所述的一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法,其特征在于,步骤(4)中,所述有源层包括铟镓锌氧化物(IGZO)层;所述真空磁控溅射的工艺为:真空度为5×10-5 Pa,采用Ar离子轰击a-IGZO靶材,溅射气压为5mTorr,O2/Ar流量比为5%,溅射功率为80W。
7.根据权利要求1所述的一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法,其特征在于,步骤(5)中,所述喷墨打印的打印机基板的温度为50~60℃。
8.根据权利要求1所述的一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法,其特征在于,步骤(5)中,所述喷墨打印过程中,喷墨打印机的喷墨卡夹的温度设置为50~60℃。
9.根据权利要求1所述的一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法,其特征在于,步骤(5)中,所述喷墨打印的墨水材料采用包括ANP公司型号为DGP 40TE-20C的纳米银颗粒墨水。
10.根据权利要求1所述的一种堆栈式薄膜晶体管电极的喷墨打印制备方法,其特征在于,步骤(5)中,所述喷墨打印的工艺为:墨滴速度2~3m/s,墨滴间距30~35μm。
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