DE10349027B4

DE10349027B4 - Organische Schaltung mit kleinen Strukturen und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE10349027B4
Application number: DE10349027A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr. Fix; Andreas Ullmann
Original assignee: PolyIC GmbH and Co KG
Current assignee: PolyIC GmbH and Co KG
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2023-10-23
Also published as: DE10349027A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung von organischen Schaltungen mit kleinen Strukturen, gekennzeichnet durch:
– Verbinden einer elektrischen Struktur (6, 8) mit einem schrumpffähigen organischen Substrat (2), und
– Schrumpfen des schrumpffähigen Substrats (2) und der mit dem Substrat (2) verbundenen elektrischen Struktur (6, 8), wobei Volumenänderungen des Substrats (2) und der mit ihm verbundenen elektrischen Struktur (6, 8) im einstelligen Prozentbereich ausgenommen sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung elektrischer Schaltungen aus organischer Elektronik bzw. Polymerelektronik mit kleinen elektrischen Strukturen und die mit diesem Verfahren hergestellten elektrischen Schaltungen.
Für die wirtschaftliche Herstellung elektrischer Schaltungen aus Polymerelektronik (wie z. B. RFID-Tags) sind preiswerte Herstellungsverfahren z. B. mit Druckverfahren notwendig. Diese haben den Nachteil, dass sich keine kleineren Strukturgrößen als etwa 10-20 μm realisieren lassen. Da die Geschwindigkeit von Transistoren umgekehrt proportional zum Quadrat der Kanallänge (=Abstand zwischen Source- und Drain-Elektrode) ist, würde eine Halbierung der Kanallänge zu einer Vervierfachung der Schalt-geschwindigkeit führen. Das zeigt, wie wichtig die Herstellung kleiner Strukturen ist.
Kleinere Strukturen werden bisher nur durch fotolithografische Verfahren erzeugt, diese kommen für eine preiswerte, d. h. wirtschaftliche Herstellung von Polymerelektronik nicht in Frage. Das heißt, es sind bisher jedoch keine Lösungen bekannt, die geeignet sind, kleinere Polymerelektronik-Strukturen wirtschaftlich sinnvoll herzustellen.

Herkömmliche organische Schaltungen werden beispielsweise als organische Logikgatter in dem Artikel „Fast polymer integrated circuits" der Applied Physical Letters, Ausgabe 81, Seite 1735, (2002) beschrieben.

Ein anderes Dokument, das den Stand der Technik von organischen Schaltungen beschreibt, ist beispielsweise der Artikel „High-performance all-polymer integrated circuits" der Applied Physical Letters, Ausgabe 77, Seite 1487, (2000). Diese Schaltungen können mit niedrigen Spannungen betrieben werden, weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie sehr langsam sind.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine organische Elektronik mit kleinen Strukturen unter 10-20 μm bereitzustellen.

Es ist weiterhin eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für Polymerelektronik mit kleinen Strukturen unter 10-20 μm bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von organischen Schaltungen mit kleinen Strukturen gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei das Verbinden einer elektrischen Struktur mit einem schrumpffähigen organischen Substrat und das Schrumpfen des schrumpffähigen Substrats und der mit dem Substrat verbundenen elektrischen Struktur.

Der Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, das es ermöglicht, relative grobe (z. B. gedruckte) Strukturen durch Schrumpfen zu verkleinern.

Durch das Verbinden einer elektrischen Struktur oder einer elektrischen Teilstruktur mit einem schrumpffähigen organischen Substrat kann die elektrische Struktur letztendlich durch eine darauf folgende Schrumpfbewegung des Substrats verkleinert werden. Dafür ist es notwendig, dass eine relativ starke Verbindung zwischen der elektrischen Struktur und dem Substrat besteht, um zu verhindern, dass sich die Struktur bei dem Schrumpfen von dem Substrat abschält.

Die elektrischen Strukturen können beispielsweise durch Drucktechniken auf das Substrat aufgebracht werden. Es ist auch möglich, Druck/Prägetechniken zu verwenden. Es ist ebenfalls möglich, die elektrische Struktur in das Substrat einzubringen.

Als schrumpffähiges Substrat kommen alle organischen Materialien in Frage, die eine mechanisch, physikalisch oder chemisch induzierte Schrumpfung ausführen können. Die wichtigste Eigenschaft des Substrates besteht darin, dass bei dem Schrumpfungsvorgang das Substrat maßstabgerecht und reproduzierbar jeweils in einer, zwei oder auch drei Dimensionen verkleinert wird. Es können auch Substrate verwendet werden, die in verschiedenen Dimensionen unterschiedlich stark schrumpfen.

Als Substrat kommen beispielsweise PES- (Polyester), PET-(Polyethylenterephthalat), PEN-, PP- (Polypropylen), Polyimid- Folie und dergleichen in Frage. Das Substrat kann auch mehrschichtig ausgeführt sein.

Durch die Verkleinerung lässt sich die Funktionsfähigkeit der Polymerelektronikschaltung verbessern. Die Verbesserung der Funktionsfähigkeit basiert auf einer inversen Proportionalität der Schaltgeschwindigkeit von Transistoren zu dem Quadrat des Abstandes zwischen Source- und Drain-Elektrode.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das schrumpffähige Substrat vor dem Verbinden mit der elektrischen Struktur strukturiert. Durch ein Strukturieren des Substrats können die elektrischen Strukturen beispielsweise in Gräben oder Vertiefungen aufgebracht werden. Dadurch kann die Verbindung des Substrats mit der elektrischen Struktur verbessert werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine zweite schrumpffähige Substratschicht auf die elektrische Struktur aufgebracht werden, um so das Schrumpfverhalten zu verbessern. Dies lässt sich besonders gut umsetzten, wenn die Bauhöhe der elektrischen Struktur verringert wurde. Ein Foliensubstrat kann vor dem Schrumpfen zusammengefaltet werden, wodurch die Schaltung besonders gut geschützt ist, wodurch sichergestellt werden kann, dass das Substrat und das Decksubstrat identisch sind und gleichmäßig schrumpfen.

Vorzugsweise wird das schrumpffähige Substrat ausgedehnt, bevor es mit der elektrischen Struktur verbunden wird. So kann beispielsweise ein elastisches Substrat gedehnt werden, bevor die elektrische Struktur aufgebracht wird. Nach dem Aufbringen der elektrischen Struktur kann das gedehnte Substrat von selbst auf die ursprüngliche Größe zurückschrumpfen.

In einer weiteren bevorzugen Ausführungsform des Verfahrens wird das Ausdehnen durch Aufquellen des schrumpffähigen Substrats erreicht. Durch Aufquellen kann ein Substrat in drei Dimensionen ausgedehnt werden. Wenn das Substrat geschrumpft wird, nachdem die elektrischen Strukturen aufgebracht wurden, kann das Substrat in allen drei Dimensionen schrumpfen. Die Vorteile sind dabei beträchtlich, wenn das Gewicht oder die Dicke der Schaltung verringert werden soll. Wenn ein aufgequollenes Substrat zusammen mit einer aufgequollenen oder quellbaren elektrischen Struktur verwendet wird, kann der Schrumpfungsvorgang tatsächlich in drei Dimensionen durchgeführt werden, dass heißt die Dicke des Substrats nimmt beim Schrumpfen nicht zu, sondern ab. Dies ist vorteilhaft, wenn die Dicke oder das Gewicht der Schaltung begrenzt ist oder die Kosten für das Substrat verringert werden sollen.

Vorzugsweise wird eine weitere elektrische Struktur mit dem schrumpffähigen Substrat verbunden, nachdem das Substrat geschrumpft wurde. Dadurch kann man auch nicht schrumpffähige elektrische Strukturen auf dem Substrat aufbringen, wie beispielsweise Antennen-Strukturen von Sicherungsetiketten. Weitere Anwendungen können beispielsweise im Aufbringen von Folienbatterien, Steckern oder dergleichen liegen.

Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Entwerfen einer organischen Schaltung mit kleinen Strukturen bereitgestellt. Das Verfahren umfasst dabei das Auswählen einer Schaltung, das Auswählen eines Substrats und das Ausdehnen der Schaltung entsprechend den Schrumpfeigenschaften des ausgewählten schrumpffähigen Substrats.

Es sei angenommen, dass die Schaltung oder zumindest der Schaltplan einer Schaltung bekannt ist, bevor über ein geeignetes Herstellungsverfahren entschieden wird. Das Entwurfverfahren kann aber auch dazu verwendet werden, die Struktur entsprechend dem Schrumpfverhalten des Substrats zu optimieren. Es sei angenommen, dass das zu verwendende Substrat ebenfalls bekannt ist und aufgrund von äußeren Eigenschaften ausgewählt wird.

Wenn die Schrumpfungseigenschaften des Substrats bekannt sind, kann aus der gewünschten Form nach dem Schrumpfen eine ,ungeschrumpfte' elektrische Struktur errechnet werden. Dabei kann auch die jeweils benötigte Dicke der elektrischen Struktur z. B. für den Druck berücksichtigt werden.

Dass Verfahren kann das Auswählen eins schrumpffähigen Substrats entsprechend den gewünschten Strukturen umfassen. Das Programm kann auch dazu verwendet werden, eine Schaltung entsprechend den Schrumpfungseigenschaften eines ausgewählten Substrats auszulegen. Insbesondere bei Substraten, die nur in einer Dimension schrumpfen, können die elektrischen Strukturen für ein optimales Ergebnis entsprechend der Vorzugsrichtung ausgerichtet werden.

Das Verfahren kann beispielsweise durch ein Computerprogramm in einem virtuellen Prozess umgesetzt oder durch Versuchsreihen umgesetzt werden.

Gemäß eines anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung wird ein Computerprogramm bereitgestellt, das Programmcodemittel aufweist, die geeignet sind, um das vorstehende Verfahren zum Entwerfen einer organischen Schaltung mit kleinen Strukturen auszuführen, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.

Gemäß eines anderen Aspekts der vorliegenden Erfindung wird eine Organische elektrische Schaltung mit kleinen Strukturen bereitgestellt. Die organische elektrische Schaltung weist dabei geschrumpfte elektrische Strukturen auf, die mit einem geschrumpften elektrischen Substrat verbunden sind, wobei die elektrischen Strukturen vor dem Schrumpfen des Substrats mit dem Substrat verbunden wurden.

Vorzugsweise sind die elektrischen Strukturen ebenfalls aus einem schrumpffähigen Material gebildet. Wenn für die elektrischen Strukturen schrumpffähige Materialien verwendet werden, wird die Verbindung zwischen den elektrischen Strukturen und dem Substrat beim Schrumpfen weniger belastet, dadurch wird ein Versagen der elektrischen Struktur beim Schrumpfen unwahrscheinlicher. Ein schrumpffähiges elektrisches Material kann beispielsweise aus einem gequollenen organischen Leiter oder Halbleitermaterial gebildet werden.

Bevorzugt wird das Substrat nur in einer Richtung geschrumpft. Für solche Anwendungen eignen sich besonders Folien, die bei der Herstellung in einer Richtung vorgestreckt sind.

Als Substrat kann beispielsweise auch ein vernetztes und gedehntes Polymer verwendet werden.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben, wobei:
1 eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer elektrischen Teilstruktur eines organischen Feldeffekt-Transistors (OFET) während der Herstellung darstellt, und
2 eine Schnittansicht der fertigen elektrischen Struktur des OFETS von 1 ist.
1 stellt schematisch einen Schnitt durch eine Grundstruktur eines organischen Feldeffekt Transistors (OFET) dar. Auf einem schrumffähigen Substrat 2 sind zwei Elektroden 6, 8 aufgebracht. Das Substrat 2 kann beispielsweise aus einer Polyesterfolie (oder auch PET, PEN, PP, Polyimid) bestehen. Das Substrat kann auch eine mehrschichtige Struktur aufweisen. So kann beispielsweise eine Haftvermittlerschicht (nicht dargestellt) auf das Substrat aufgebracht sein. Auf das Substrat wird eine strukturierte leitfähige Schicht mit der Source-Elektrode 6 bzw. einer Drain-Elektrode 8 aufgebracht. Diese Schicht kann aus einem leitfähigen organischen Material wie z. B. Polyanilin (PANI) oder Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT) bestehen oder aus einer metallischen Schicht wie z. B. Gold oder Indium-Titan-Oxid (ITO). Strukturiert wird diese Schicht z. B. durch Drucktechniken (beispielsweise Tampondruck, Siebdruck, Offsetdruck) oder durch Fotolithografie. Es können auch Laser verwendet werden, um eine aufgebrachte leitfähige Schicht bzw. Struktur durch Verdampfen zu strukturieren. Die Striche 4 in dem Substrat sollen gleiche Abstände im Verhältnis zu der Substratdicke verdeutlichen.
In 2 wurde das Substrat mit der Source/Drain-Elektrode durch thermische Behandlung, z. B. durch mehrmenütige Konvektion mit 200 °C heißer Luft auf z. B. die Hälfte geschrumpft. Das geschrumpfte Substrat wurde in dem dargestellten Beispiel auf die Hälfte seiner Länge geschrumpft. Es sei zur Veranschaulichung angenommen, dass die Schrumpfung eindimensional ausgeführt wurde. Da bei einer eindimensionalen thermischen Schrumpfung die Menge und die Dichte des Substratmaterials im Wesentlichen erhalten bleiben, vergrößert sich die Dicke des Substrats um den Faktor 2. Bei einer zweidimensionalen Schrumpfung um jeweils den Faktor 2 würde sich die Substratdicke vervierfachen. In dem gegebenen Beispiel sind die Flächen zwischen benachbarten Strichen 2 in beiden Figuren im Wesentlichen gleich. Mit der Dicke des Substrats vergrößert sich auch die Dicke der Elektroden 6, 8.
Auf das geschrumpfte Substrat und die geschrumpften Elektroden 6, 8 wird zuerst eine halbleitende Schicht 10 (z. B. Polyalkylthiophen, Polyfluoren, Petacene oder PTV) und dann eine Isolatorschicht 12 (z. B. PHS, PVP, Fotolacke oder SiO, SiN) aufgebracht. Die Schichten können beispielsweise durch Aufschleudern, Siebdrucken oder dergleichen aufgebracht werden. Abschließend wird die Gate-Elektrode 14 (z. B. aus leitfähigen organischen Materialien wie PEDOT, PANI oder aus Metallen wie z. B. Gold, Titan oder Aluminium) strukturiert aufgebracht, z. B. durch Drucken oder Fotolithografie.
Es können auch komplette Schaltungen aus Polymerelektronik geschrumpft werden. Es kann auch zuerst eine komplette Polymerelektronik-Schaltungsstruktur wie beispielsweise in den 1 und 2 beschrieben hergestellt werden, die dann in einem letzten Schritt geschrumpft wird.
Das Schrumpfen kann auch durch vorheriges Ausdehnen eines elastischen Substrates erreicht werden. So kann beispielsweise ein elastisches Substrat (z. B. eine dünne PET-Folie, elastische Polymerfolie, ...) verwendet werden, das vor dem Strukturieren von Source/Drain-Elektrode gedehnt wird und anschließend von alleine schrumpft.
Das Schrumpfen kann auch durch Entquellen eines vorher aufgequollenen Substrates erreicht werden. Das Substrat beispielsweise eine PET-Folie, eine Polymerfolie oder eine andere quellbare Folie kann in einem Bad (z. B. in einem Lösungsmittel) aufgequollen werden. Das Substrat kann auch gequollen hergestellt werden. Nach der Strukturierung von Source/Drain-Elektrode wird das Substrat durch Trocknen oder durch eine chemische Behandlung geschrumpft. Bei Verwendung eines gequollenen Substrats kann die organische Schaltung in allen drei Dimensionen geschrumpft werden. Wenn für die elektrischen Strukturen ebenfalls ein aufgequollenes leitendes oder halbleitendes Polymermaterial verwendet wird, können auch mehrschichtige elektrische Strukturen verwendet werden, ohne dass Scherspannungen zwischen dem Substrat und den elektrischen Strukturen auftreten können. Damit wird sich die elektrische Schaltung bzw. das Substrat beim Schrumpfen nicht verzeihen oder wölben.
Es ist zu bemerken, dass das die geschrumpfte Schaltung nach dem Schrumpfen beispielsweise mit nicht schrumpffähigen Strukturen versehen werden kann.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Schrumpfen strukturierter Schichten oder Schichtpaketen. Voraussetzung für den Schrumpfungsvorgang ist eine geeignete Wahl von Substrat und den sich darauf befindlichen Schichten. Wichtigste Eigenschaft des Substrates ist, dass es durch den Schrumpfungsvorgang maßstabsgerecht und reproduzierbar in einer, zwei oder drei Dimensionen verkleinert wird. Die sich in oder auf dem Substrat befindlichen Schichten müssen so gewählt sein, dass sie durch den Schrumpfungsvorgang nicht beschädigt werden. Der Schrumpfungsvorgang kann durch Einbringen von Energie, wie eine kurze thermische Behandlung wie z. B. Heizplatte, Heißluft-Fön, Bestrahlung, einen Ofen oder Eintauchen in ein heißes Bad erfolgen. Das Schrumpfen kann auch durch eine chemische Behandlung durch geeignete Chemikalien (je nach Substrat eine Säure, eine Lauge oder ein Lösungsmittel) erreicht werden.
Ein Vorteil der Erfindung liegt in der prozesstechnisch einfachen Möglichkeit zur Verkleinerung des Source/Drain-Abstandes (d. h. der Kanallänge) beispielsweise von des OFETs und der damit verbundenen deutlichen Geschwindigkeitserhöhung der Polymerelektronikschaltung. Kombiniert man diese Verkleinerungsmethode mit Polymerelektronikschaltungen, welche durch Drucken hergestellt wurden, so kann man auf sehr kostengünstigen Weg schnelle integrierte Schaltungen produzieren. Ein weiterer Vorteil liegt in der Universalität der Methode: Es lassen sich damit auch lithografisch strukturierte Schichten verkleinern und somit auch extrem kleine und schnelle Polymerelektronikschaltungen erzeugen.
Das verfahren ist auch bei einer Verbesserung der Drucktechniken weiterhin auch auf kleinere Ausgangsstrukturen anwendbar.
Für herkömmliche, auf Einkristallen basierende Materialsysteme der Mikroelektronik, wie z. B. Silizium oder Gallium-Arsenid lässt sich die vorliegende Erfindung prinzipiell nicht anwenden, da sich Einkristalle prinzipiell nicht verkleinern bzw. schrumpfen lassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung von organischen Schaltungen mit kleinen Strukturen, gekennzeichnet durch: – Verbinden einer elektrischen Struktur (6, 8) mit einem schrumpffähigen organischen Substrat (2), und – Schrumpfen des schrumpffähigen Substrats (2) und der mit dem Substrat (2) verbundenen elektrischen Struktur (6, 8), wobei Volumenänderungen des Substrats (2) und der mit ihm verbundenen elektrischen Struktur (6, 8) im einstelligen Prozentbereich ausgenommen sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch Strukturieren des schrumpffähigen Substrats (2), bevor die elektrische Struktur (6, 8) mit dem Substrat (2) verbunden wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiter gekennzeichnet durch Aufbringen einer zweiten schrumpffähigen Substratschicht auf die verbundene elektrische Struktur (6, 8) vor dem Schrumpfen.
Verfahren gemäß Anspruch 3, weiter gekennzeichnet durch Verbinden der elektrischen Struktur (6, 8) mit der zweiten schrumpffähigen Substratschicht, nach dem das Substrat geschrumpft wurde.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiter gekennzeichnet durch vorheriges Ausdehnen des schrumpffähigen Substrats (2).
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausdehnen durch Aufquellen des schrumpffähigen Substrats (2) erreicht wird.
Verfahren zum Entwerfen einer Schaltung mit kleinen Strukturen, aufweisend: – Auswählen einer Schaltung, – Auswählen eines Substrats, – Ausdehnen der Schaltung entsprechend einem schrumpffähigen Substrat und – Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Verfahren gemäß Anspruch 7, weiter gekennzeichnet durch das Entwerfen der Schaltung mittels eines Computerprogramms, das geeignete Programmcodemittel aufweist.
Organische elektrische Schaltung mit kleinen Strukturen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Strukturen (6, 8) mit einem schrumpffähigen Substrat (2) verbunden sind, das zusammen mit den elektrischen Strukturen (6, 8) geschrumpft wurde, wobei Volumenänderungen des Substrats (2) und der mit ihm verbundenen elektrischen Struktur (6, 8) im einstelligen Prozentbereich ausgenommen sind.
Organische elektrische Schaltung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Strukturen (6, 8) und/oder das Substrat (2) in einer Richtung geschrumpft wurden.