CN112885722A - 基于微区电化学刻蚀的晶体管沟道及源漏电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子器件制备领域，具体为一种基于微区电化学刻蚀的晶体管沟道及源漏电极的制备方法。本发明方法结合电化学原理及微区自限域加工技术，具体利用装有电解液的微管在基底的特定区域形成一个弯液面，通过在电解液和基底导电金属层间施加电压并使针管相对基底按规划好的路径和速度移动来制备图案化的电极。本发明通过高效灵活地控制金属材料的微区电化学刻蚀，有效解决了现有掩模电极制造工艺（如光刻和真空蒸镀）中工艺复杂、成本高或分辨率低的问题，对实验室研究与工业生产具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于电子器件制备领域，具体涉及一种晶体管沟道及源漏电极制备方法。
背景技术
金属电极微图案是场效应晶体管等电子器件的重要组成部分，其中晶体管源极和漏极之间的沟道形状和尺寸控制是制备技术的关键。光刻工艺是目前最常用的电极制备技术，但它需定制多种掩模版以实现不同电极图案的制造，存在操作复杂、仪器昂贵等局限性。常用于实验室电极图案制备的真空沉积同样需使用掩模版，且一般分辨率较低，难以满足精度要求。此外，由于有机半导体的高敏感性，有机场效应晶体管沟道制备工艺需尽可能减小对有机半导体的负面影响，这使得许多工艺难以与该类器件兼容。因此，开发简便高效的无掩模微电极制备方法以作为对传统电极制备工艺的补充，对实验室研究与工业生产都具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微区电化学刻蚀的晶体管沟道及源漏电极制备方法，以有效解决现有掩模电极制造中工艺复杂、成本高或分辨率低的问题。
本发明提供的基于微区电化学刻蚀的晶体管沟道及源漏电极制备方法，结合电化学原理及微区自限域加工技术，实现金属电极微纳尺度图案加工。本发明所建立的系统结构如图1所示，包括中空微管、电解液、电流表、电压源、光学显微镜、待加工试样(沉积在衬底上的金属层)、固定支架、电脑、手动调节台、电控位移台及位移控制器等部件，其中光学显微镜、电流表可选配。根据加工图案要求，电控位移台至少为平面一维或二维平移台，优选包含垂直Z方向的电控位移台，以便精确控制微管和试样表面间距。
本发明提供的基于微区电化学刻蚀的晶体管沟道及源漏电极制备方法，可以应用于不同晶体管结构，包括但不限于底栅底接触、底栅顶接触、顶栅底接触、顶栅顶接触等结构，半导体材料可为各类有机、无机半导体材料。根据所制备晶体管结构的不同，具体加工流程略有不同。下面以底栅顶接触结构晶体管沟道及源漏电极的制备为例，介绍本发明制备方法，工艺流程如图2所示。具体步骤如下：
（1）在衬底上沉积底栅金属层；
（2）在步骤(1)所述金属层上依次制备电介质层和半导体层；
（3）在步骤(2)所述半导体层上沉积金属层；
（4）将电解液装载入中空微管内，所选用电解液应能电化学刻蚀步骤(3)中所制备的金属层；
（5）经由手动调节台和/或电动Z向调节台，使微管靠近待加工金属层；靠近后，在毛细力作用下会在微管尖端和金属层之间形成弯液面，如图1b所示；
（6）在微管内电解液和待加工金属层之间施加以直流偏压或脉冲电压，为了保证电化学刻蚀的进行，待加工金属层应处于相对正电位；在正电位作用下，弯液面所覆盖的金属层将被电化学刻蚀掉；
（7）根据预设图案，控制弯液面在水平面内相对金属层位移，经由偏压、运动速度、电解液浓度等参数优化，即可在金属层上加工出特定形状的金属图案，完成沟道和源漏电极的制备。
其它结构晶体管沟道及源漏电极的加工可在此加工流程上加以微调即可实现，这里不做赘述。
本发明中，由于弯液面的自限域作用，电化学刻蚀仅在弯液面微区内进行，从而可实现较高的加工精度。加工精度由偏压大小、运动速度、电解液浓度、微管尖端直径等参数确定，微管尖端直径对打印精度有最大的影响。
本发明中，微管可为各类中空的能容纳电解液的管状物，可采用各种可行的加工工艺进一步减小微管直径。如对于玻璃材质的毛细管，可经由加热拉伸的工艺调节微管尖端直径。一般微管尖端直径在0.1微米至几百微米之间，对应所加工晶体管沟道的长度(对应于加工精度)可在亚微米至几百微米可调。
本发明中，运动速度应在加工过程中优化。运动速度过快，导致微区金属刻蚀不完全，无法形成有效沟道；运动速度过慢则会导致沟道长度展宽。通常运动速度在0.1微米/秒至100微米/秒范围内调节。
本发明中，偏压值也应在加工过程中优化。过大的偏压容易导致电解液中的水分解，产生的气体导致弯液面不稳定，影响加工效果；过小的偏压则影响加工效率，甚至导致金属层无法有效刻蚀。通常偏压值在0V至20V之间结合工作条件调节。
本发明中，根据所要加工图案的精度合理配置电控位移台。如加工精度10微米以上，则可考虑采用精密马达类的电控位移台；如要求几微米甚至更精细的加工精度，则可采用更高位移精度的压电类电控位移台。
本发明中，所适用的金属层包括各类可采用电化学加工的金属材料，包括但不限于铜、铂、镍、铑、锌等。
本发明中，晶体管结构可以制备于各种柔性和刚性基底，例如柔性聚酰亚胺衬底、刚性玻璃基底或SiO2/Si基底等。
本发明中，所述半导体层包括硅半导体，氧化物半导体，有机半导体，二维半导体等。制备工艺根据所用材料调整，有机半导体和氧化物半导体可采用溶液相关及真空相关工艺制备；二维半导体可采用机械剥离及分子束外延、化学气相沉积等工艺制备。
本发明通过高效灵活地控制金属材料的微区电化学刻蚀，有效解决了现有掩模电极制造工艺（如光刻和真空蒸镀）中工艺复杂、成本高或分辨率低的问题，对实验室研究与工业生产具有重要意义。
附图说明
图1为本发明所涉及的系统结构图。其中，图a微管远离试样表面；图b为微管靠试样表面，并在试样表面和微管尖端间建立起弯液面。
图2为本发明所述的基于微区电化学刻蚀工艺制备底栅顶接触晶体管沟道及源漏电极的流程图。其中，由a至e分别为：(a)制备底栅电极；(b)制备介质层；(c)制备半导体层；(d)制备金属层；(e) 基于微区电化学刻蚀的晶体管沟道及源漏电极制备。
图3为实施例1中所制备的插指电极局部的扫描电子显微镜图。
图4为实施例2中所制备有机晶体管器件的转移特性曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，以下结合具体实施例来详细说明本发明，但该实施例只是本发明的一部分，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实例以在SiO2/Si基板上制备插指电极为例，对本发明所述的基于微区电化学刻蚀的晶体管沟道及源漏电极制备方法进行解释说明。所用微管为经由加热拉伸处理的玻璃毛细管，毛细管尖端管径15微米。0.5M的CuSO4作为电解液，在电解液中插入一根铜线接地。SiO2/Si基板上采用真空热蒸发工艺沉积一层85纳米厚的铜层，铜层施加偏压2V。在制备好的微管中填充0.5M的CuSO4。将玻璃微管固定在基板上方，利用电动平移台控制基板向上运动，直至观察到电解液在玻璃微管的喷嘴和基板之间形成一个液体弯月面并监测到离子电流，使平移台在水平方向上沿设定的插指电极图案进行10μm/s的匀速运动。
本实施例刻蚀的铜插指沟道的扫描电子显微图如图3所示。
实施例2
本实例以在柔性聚酰亚胺基板上制备底栅顶接触结构晶体管为例上，对本发明所述的基于微区电化学刻蚀的晶体管沟道及源漏电极制备方法进行解释说明，具体步骤如下：
步骤一：在清洗过的聚酰亚胺基板上真空沉积制备宽度为1mm，厚度为50nm的铝底栅电极；
步骤二：使用旋涂法在步骤一所述的铝电极上制备PVDF-TrFE-CTFE电介质层，并在130℃下退火3h；
步骤三：采用旋涂法在步骤二所述的电介质层上制备机半导体DPP-DTT，并在130℃下退火3h；
步骤四：在步骤三所述的有机半导体层上真空沉积制备宽度为0.78mm，厚度为85nm的铜条纹；
步骤五：使用本发明的微区电化学刻蚀技术，在步骤一所述的铜条纹上制备插指电极，沟道有效长度为15μm，宽度为2.9mm，具体操作流程与实施例1中相同。
所制备有机晶体管器件的转移特性曲线如图4所示，器件开关比为3.4×103。
Claims (8)
1.一种基于微区电化学刻蚀的晶体管沟道及源漏电极的制备方法，其特征在于，结合电化学原理及微区自限域加工技术，实现金属电极微纳尺度图案加工；使用的制备系统包括中空微管、电解液、电流表、电压源、光学显微镜、待加工试样、固定支架、电脑、手动调节台、电控位移台及位移控制器部件，根据加工图案要求，电控位移台至少为平面一维或二维平移台，优选包含垂直Z方向的电控位移台，以便精确控制微管和试样表面间距；
所述晶体管结构包括底栅底接触、底栅顶接触、顶栅底接触、顶栅顶接触，半导体材料为各类有机、无机半导体材料；
对于底栅顶接触结构晶体管沟道及源漏电极的制备，具体步骤如下：
（1）在衬底上沉积底栅金属层；
（2）在步骤(1)所述金属层上依次制备电介质层和半导体层；
（3）在步骤(2)所述半导体层上沉积金属层；
（4）将电解液装载入中空微管内，所选用电解液应能电化学刻蚀步骤(3)中所制备的金属层；
（5）由手动调节台和/或电动Z向调节台，使微管靠近待加工金属层；靠近后，在毛细力作用下会在微管尖端和金属层之间形成弯液面；
（6）在微管内电解液和待加工金属层之间施加以直流偏压或脉冲电压，为了保证电化学刻蚀的进行，待加工金属层应处于相对正电位；在正电位作用下，弯液面所覆盖的金属层被电化学刻蚀掉；
（7）根据预设图案，控制弯液面在水平面内相对金属层位移，经由偏压、运动速度、电解液浓度参数优化，即在金属层上加工出特定形状的金属图案，完成沟道和源漏电极的制备。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微管为各类中空的能容纳电解液的管状物，微管尖端直径在0.1微米至几百微米之间，对应所加工晶体管沟道的长度在亚微米至几百微米之间，可调。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，调节台运动速度控制在0.1微米/秒至100微米/秒范围内。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，控制偏压值在0V至20V之间，结合工作条件调节。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，根据所要加工图案的精度合理配置电控位移台；对于加工精度10微米以上，则采用精密马达类的电控位移台；对于加工精度要求几微米甚至更精细的，则采用更高位移精度的压电类电控位移台。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所用的金属层材料为铜、铂、镍、铑或锌。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，晶体管结构制备于各种柔性和刚性基底，包括柔性聚酰亚胺衬底、刚性玻璃基底或SiO2/Si基底。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述半导体层材料选自：硅半导体，氧化物半导体，有机半导体，二维半导体。
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| CN202110027507.6A Pending CN112885722A (zh) | 2021-01-10 | 2021-01-10 | 基于微区电化学刻蚀的晶体管沟道及源漏电极的制备方法 |
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| CN (1) | CN112885722A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114203954A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-18 | 华中科技大学 | 一种锂电池波纹式沟道结构正极极片及其制备方法和应用 |
| CN115876994A (zh) * | 2022-11-18 | 2023-03-31 | 北京大学 | Dpp-dtt晶体管生物传感器及制造方法和检测方法 |
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-
2021
- 2021-01-10 CN CN202110027507.6A patent/CN112885722A/zh active Pending
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| CN114203954B (zh) * | 2021-11-30 | 2024-02-02 | 华中科技大学 | 一种锂电池波纹式沟道结构正极极片及其制备方法和应用 |
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