EP1636421A2 - Lösung und verfahren zur behandlung eines substrates und ein halbleiterbauelement - Google Patents

Lösung und verfahren zur behandlung eines substrates und ein halbleiterbauelement

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EP1636421A2
EP1636421A2 EP04738696A EP04738696A EP1636421A2 EP 1636421 A2 EP1636421 A2 EP 1636421A2 EP 04738696 A EP04738696 A EP 04738696A EP 04738696 A EP04738696 A EP 04738696A EP 1636421 A2 EP1636421 A2 EP 1636421A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
paper
substrate
solution according
solution
parts
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04738696A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Marcus Halik
Günter Schmid
Hagen Klauk
Florian Eder
Ute Zschieschang
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1636421A2 publication Critical patent/EP1636421A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H19/00—Coated paper; Coating material
    • D21H19/10—Coatings without pigments
    • D21H19/14—Coatings without pigments applied in a form other than the aqueous solution defined in group D21H19/12
    • D21H19/24—Coatings without pigments applied in a form other than the aqueous solution defined in group D21H19/12 comprising macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K71/00—Manufacture or treatment specially adapted for the organic devices covered by this subclass
    • H10K71/10—Deposition of organic active material
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D21—PAPER-MAKING; PRODUCTION OF CELLULOSE
    • D21H—PULP COMPOSITIONS; PREPARATION THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASSES D21C OR D21D; IMPREGNATING OR COATING OF PAPER; TREATMENT OF FINISHED PAPER NOT COVERED BY CLASS B31 OR SUBCLASS D21G; PAPER NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D21H19/00—Coated paper; Coating material
    • D21H19/72—Coated paper characterised by the paper substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00—Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having potential barriers
    • H10K10/40—Organic transistors
    • H10K10/46—Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462—Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/466—Lateral bottom-gate IGFETs comprising only a single gate
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/31504—Composite [nonstructural laminate]
    • Y10T428/31971—Of carbohydrate
    • Y10T428/31993—Of paper

Definitions

  • the invention relates to a solution according to the preamble of claim 1, a method for treating a substrate according to claim 15 and a semiconductor component according to the preamble of claim 20.
  • Transistors can be chosen the smaller the thinner that
  • Gate dielectric can be manufactured.
  • the substrate compatibility is particularly important for a direct integration into the production process of a packaging Interest. If the packaging consists of paper or cellulosic fiber-containing materials, the polymer electronics should be able to be integrated directly onto this carrier material. However, paper generally has a very rough surface, so that its use as a substrate places high demands on the integration process.
  • paper as a substrate for polymer ktr-on-i is proposed in EP 1 073 993 B1, but no specific method of implementation is specified. It is also known that paper is suitable as a substrate for the production of electrochromic displays or electrochemical transistors without details of the production being known.
  • the present invention has for its object to provide a solution and a method with which
  • Semiconductor components can be arranged on rough surfaces.
  • the creation of a semiconductor component on a correspondingly prepared layer is also an object of this invention.
  • a surface coating of paper or another rough surface of a paper-containing substrate is possible, which e.g. integration of field effect transistors, in particular organic field effect transistors, is permitted.
  • the advantage of the phenol-containing base polymer is a poly-4-vifylphenol, a poly-4-vinylphenol-co-methacrylic acid-2-hydroxyethyl ester and / or a poly-4-vinylphenol-co-methacrylic acid methyl ester.
  • An advantageous embodiment of the invention has at least one crosslinker component, it being particularly advantageous if at least one crosslinker component is a di- or a tribenzyl alcohol compound, in particular 4-hydroxymethylbenzyl alcohol.
  • At least one crosslinker component is a formaldehyde generator, in particular polyrnelamine-co-formaldehyde, and / or an electrophilic crosslinker system, in particular 4-hydroxymethylbenzyl alcohol and / or 4-toluenesulfonic acid. It is also advantageous if one embodiment is at least one electrophilic crosslinker component with one of the following compounds:
  • R 2 alkyl having 1 to 10 carbon atoms or aryl It is also advantageous if a thermal acid generator is present in the solution, in particular a compound which can transfer a proton to the hydroxyl group of a benzyl alcohol, in particular 4-toluenesulfonic acid, at temperatures below 150 ° C.
  • a thermal acid generator is present in the solution, in particular a compound which can transfer a proton to the hydroxyl group of a benzyl alcohol, in particular 4-toluenesulfonic acid, at temperatures below 150 ° C.
  • Photo acid generator _ are used in the solution, in particular a photo acid generator which, after irradiation with UV light, generates a photo acid which furthermore causes the transfer of a proton to the hydroxyl group of a benzyl alcohol, in particular a sulfonium and / or an iodonium salt.
  • An alcohol in particular n-butanol, and / or dioxane, N-methylpyrolidone (NMP), ⁇ -butyrolactone, xylene and / or propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA) is advantageously used as the solvent.
  • the best film properties are formed when the mass fraction of the solution is between 5 and 20%.
  • the object is also achieved by a method having the features of claim 15.
  • a method having the features of claim 15. The fact that the surface with a solution according to at least one of claims 1 to 14 in Is brought into contact, a polymer formulation is deposited on the surface from the solution, which smoothes the fibers of the surface, in the order of the layer thickness of the polymer film (100 to 500 nm).
  • the polymer formulation is deposited flat and / or structured on the surface.
  • Advantageous methods for applying the solution are spin coating, spray coating, printing and / or immersion processes.
  • thermal crosslinking and / or photoinduced crosslinking of the polymer formulation is carried out on the surface. It is advantageous if thermal crosslinking is carried out at a temperature between 120 and 200 ° C.
  • the object is also achieved by a semiconductor component, in particular an organic field-effect transistor, in which the substrate has a surface that is covered by a
  • Method according to at least one of claims 15 to 19 is treated. It is advantageous if the substrate is a paper, in particular a smooth, hot-pressed, wood-free paper without easily soluble fillers. This enables particularly inexpensive semiconductor components to be produced.
  • Fig. 4 drawing of a photo with a paper substrate for an integrated circuit; 5 output characteristic curve of a pentacene OFET on a paper substrate;
  • Fig. 7 drawing of a characteristic curve of a 5-stage ring oscillator.
  • Composite materials made of paper and plastic can be treated by the solution according to the invention and / or the method according to the invention, so that a semiconductor component can be arranged on the substrate.
  • paper In contrast to other flexible substrates (e.g. plastic films), paper differs in that it is essentially made of cellulose-based fibers, which together with various fillers form a three-dimensional network. However, most are
  • Papers Fiber structures present on the surface of the paper which means that the surface of the paper has a roughness which corresponds to the size of the cellulose fibers used (several micrometers) and the fibers themselves have a surface roughness of several show a hundred nanometers. This is shown in Figures 1A and 1B.
  • Special papers are also known (photo glossy paper, inkjet paper) in which the surface roughness is reduced by means of film lamination.
  • these film laminations are not resistant to process conditions, such as they are required in integrated circuits based on organic field effect transistors (temperature resistance up to 200 ° C,
  • the roughness of the paper and the absorption of solvents (water, acetone, alcohols, etc.) and the associated swelling behavior of the paper prove to be problematic for the processing and integration of organic thin-film transistors and their total thickness (see Fig. 3 ) is between 200 nm and 1 ⁇ m and in which structure sizes of less than 5 ⁇ m (channel length - distance between source and drain contact) must be mapped correctly.
  • solvents water, acetone, alcohols, etc.
  • non-laminated papers are suitable, especially those that do not have easily soluble fillers, are wood-free and smooth (e.g. hot pressed).
  • a polymer formulation is applied flat or structured to the paper surface.
  • a formulation of poly-4-vinylphenol with a crosslinker component in an organic solvent eg alcohols, PGMEA.
  • All formaldehyde generators for example polymelamine-co-formaldehyde methylated
  • other electrophiles are generally suitable as crosslinker components
  • Crosslinker systems e.g. 4-hydroxymethylbenzyl alcohol / 4-toluenesulfonic acid. 2 shows compounds that can serve as electrophilic crosslinkers.
  • Chemically cross-link paper surface by supplying thermal energy (at 120-200 ° C) and thus form a thin polymer film on the surface of the paper, which is chemically resistant and smooth and allows organic thin-film transistors to be produced on it.
  • This polymer layer also prevents swelling (penetration of solvent into the paper structure) of the paper.
  • the polymer film is very thin (100 - 500 nm) and therefore does not affect the macroscopic properties of the paper (e.g. flexibility, color, etc.).
  • photo-induced crosslinking systems (PAG + electrophilic crosslinking agents) are also suitable, it being possible to achieve photostructurability of the polymeric protective layer with these systems.
  • Formulations of other phenol-containing base polymers are also possible for such applications.
  • the following embodiments are mentioned as examples:
  • all phenol-containing polymers and their copolymers such as poly-4-vinylphenol, poly-4-vinylphenol-co-methacrylic acid-2-hydroxyethyl ester or poly-4-vinylphenol-co-methacrylic acid methyl ester, are suitable as base polymers.
  • 4-Hydroxymethylbenzyl alcohol or other di- or tribenzyl alcohol compounds are particularly suitable as crosslinking component.
  • Suitable photo acid generators are in principle all compounds which, after irradiation with UV light, are able to generate a photo acid which furthermore causes the transfer of a proton to the hydroxyl group of the benzyl alcohol (e.g. sulfonium or iodonium salts ).
  • An alcohol in particular n-butanol, and / or dioxane, N-methylpyrolidone (NMP), ⁇ -butyrolactone, xylene and / or propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA) are suitable as solvents.
  • Formulation 1 10% solution in PGMEA (100: 10: 2.5) A mixture of 2 g PVP (MW approx. 20,000) and 200 mg 4-hydroxymethylbenzyl alcohol are dissolved in 20.5 g PGMEA on a vibrator (about 3 hours). 50 mg of 4-toluenesulfonic acid are then added and the mixture is shaken for a further hour. Before use, the polymer solution is filtered through a 0.2 ⁇ m filter.
  • Formulation 2 10% solution in PGMEA (100: 20: 2.5) A mixture of 2 g of PVP (MW approx. 20,000) and 400 mg of 4-hydroxymethylbenzyl alcohol are dissolved in 20.5 g of PGMEA on a vibrator (about 3 hours). 50 mg of 4-toluenesulfonic acid are then added and the mixture is shaken for a further hour. Before use, the polymer solution is filtered through a 0.2 ⁇ m filter.
  • the surface is coated with a polymer formulation deposited from solution, which is applied to the paper surface in a flat or structured manner. This can e.g. by spin coating, spray coating, printing and / or dipping processes.
  • OFET organic field effect transistor
  • a gate electrode 21 is arranged on a base substrate 20 and is covered by a gate dielectric layer 22.
  • a gate dielectric view 22 can e.g. consist of a molecular monolayer.
  • Such dielectrics have a layer thickness of less than 5 nm (bottom up).
  • a source layer 23a and a drain layer 23b are arranged on the gate dielectric layer 22, both of which have an active semiconducting layer 24 in above them
  • a passivation layer 25 is arranged above the active layer 24.
  • FIG. 4 shows a tracing of a photo, which shows integrated circuits as semiconductor components on a flexible and light paper substrate.
  • This embodiment has a titanium gate layer, a PVP dielectric, a gold source-drain layer and pentazene as an organic semiconductor.
  • the circuits are mounted on a circular paper substrate through which shown hand is clearly bent. The rectangular crosses on the substrate therefore appear to be bent.
  • FIG. 5 shows the family of output characteristics of a pentacene OFET on a paper substrate according to the embodiment shown in FIG. 4.
  • FIG. 7 shows a tracing of an oscilloscope image which represents the characteristic curve of a 5-stage ring oscillator.
  • the ring oscillator works with a signal delay of 120 ms per stage.

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Abstract

Lösung und Verfahren zur Behandlung einer rauen Oberfläche und ein Halbleiterbauelement. Die Erfindung betrifft eine Lösung zur Behandlung einer rauen Oberfläche, insbesondere eines Papieren, als Trägermaterial für ein Halbleiterbauelement, gekennzeichnet durch mindestens ein phenolhaltiges Basispolymer und / oder Copolymer. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche mit einer Lösung und ein Halbleiterbauelement, das ein Substrat aufweist, das mit einer Lösung gemäß dem Verfahren behandelt wurde. Damit ist es möglich, Halbleiterbauelemente auf rauen Oberflächen anzuordnen.

Description

Beschreibung
Lösung und Verfahren zur Behandlung eines Substrates und ein Halbleiterbauelement
Die Erfindung betrifft eine Lösung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zur Behandlung eines Substrates nach Anspruch 15 und ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 20.
Die Einführung von RF-ID Systemen als potentieller Ersatz für den störanfälligen und nur in direktem Sichtkontakt zum Scanner anwendbaren Barcode oder als Sicherheitsmerkmal auf Verpackungen und anderen Gütern gilt als zukunftsweisende Anwendung für extrem preiswerte Elektronik. Aufgrund der Flexibilität und der großen Variationsbreite von Verpackungsmaterialien, sind besonders Schaltungen auf flexiblen Substraten, die in hohen Stückzahlen in Rolle-zu- Rolle Verfahren gefertigt werden können von Interesse. Aufgrund des enormen Preisdrucks solcher Anwendungen eignen sich siliziumbasierte Schaltungen lediglich für leistungsgetriebene Spezialanwendungen, nicht jedoch für den Massenmarkt .
Alternative Systeme mit integrierten Schaltungen basierend auf organischen Feldeffekttransistoren (OFET) stellen eine mögliche Lösung für diesen Massenanwendungsbereich preiswerter Elektronik dar.
Halbleitende Polymere bzw. organische Halbleiter bieten anderseits das Potential, dass billige Drucktechniken zu ihrer Strukturierung und Applikation eingesetzt werden können. Das Gatepotential zur Steuerung der
Transistoren kann umso kleiner gewählt werden, je dünner das
Gatedielektrikum hergestellt werden kann.
Für eine direkte Integration in den Produktionsprozess einer Verpackung ist die Substratkompatibilität von besonderem Interesse. Besteht die Verpackung aus Papier o.a. cellulosefaserhaltigen Materialien, sollte die Polymerelektronik direkt auf dieses Trägermaterial integrierbar sein. Papier weist in der Regel aber eine sehr raue Oberfläche auf, so dass seine Verwendung als Substrat hohe Anforderungen an den Integrationsprozess stellt.
Die_ Verwendung., von Papier., als -Substrat- für -Polymerele-ktr-on-i wird zwar in der EP 1 073 993 Bl vorgeschlagen, jedoch wird kein konkretes Verfahren zur Realisierung angegeben. Auch ist es bekannt, dass sich Papier, als Substrat für die Herstellung elektrochromer Displays bzw. elektrochemischer Transistoren eignet, ohne dass Details der Herstellung bekannt wären.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung und ein Verfahren zu schaffen, mit dem
Halbleiterbauelemente auf rauen Oberflächen angeordnet werden können. Auch die Schaffung eines Halbleiterbauelements auf einer entsprechend präparierten Schicht ist eine Aufgabe dieser Erfindung.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Lösung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die Verwendung einer Lösung mit mindestens einem phenolhaltigen Basispolymer und / oder Copolymer ist eine Oberflächenbeschichtung von Papier oder einer anderen rauen Oberfläche eines papierhaltigen Substrates möglich, die z.B. eine Integration von Feldeffekttransistoren, insbesondere organischen Feldeffekttransistoren erlaubt.
Kit Vorteil ist das phenolhaltige Basispolymer ein Poly-4- vifiylphenol, ein Poly-4-vinylphenol-co-methacrylsäure-2- hydroxyethylester und / oder ein Poly-4-vinylphenol-co- methacrylsäuremethylester. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eine Vernetzerkomponente auf, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn mindestens eine Vernetzerkomponente eine Di- oder eine Tribenzylalkoholverbindung, insbesondere 4-Hydroxymethyl-benzylalkohol ist. Auch ist es vorteilhaft, wenn mindestens eine ' Vernetzerkomponente ein Formaldehydgenerator, insbesondere Polyrnelamin-co-formaldehyd methyliert und / oder ein elektrophiles Vernetzersystem, insbesondere 4- Hydroxymethylbenzylalkohol und / oder 4- Toluolsulfonsäure ist . Ferner ist es vorteilhaft, wenn eine Ausführungsform mindestens eine elektrophile Vernetzerkomponente mit einer der folgenden Verbindungen ist :
Für R, gilt: .—so2 -, — (CH2)χ — wobei x = 1 - 1 , ausserdem:
Für R2 gilt: Alkyl mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen oder Aryl Auch ist es vorteilhaft, wen ein thermischer Säuregenerator in der Lösung enthalten, insbesondere eine Verbindung, die bei Temperaturen unterhalb von 150°C ein Proton auf die Hydroxygruppe eines Benzylalkohols übertragen kann, insbesondere 4-Toluolsulfonsäure .
Auch kann Photosäuregenerator _in _der Lösung verwendet werden, insbesondere ein Photosäuregenerator der nach Bestrahlung mit UV-Licht eine Photosäure generiert, die im weiteren die Übertragung eines Protons auf die Hydroxygruppe eines Benzylalkohols bewirkt, insbesondere ein Sulfonium- und / oder ein Iodonium-Salz .
Als Lösungsmittel wird vorteilhafterweise ein Alkohol, insbesondere n-Butanol, und / oder Dioxan, N-Methylpyrolidon (NMP) , γ-Butyrolacton, Xylen und / oder Propylenglykolmonomethyletheracetat (PGMEA) verwendet.
Dabei bilden sich die besten Filmeigenschaften, wenn der Masseanteil der Lösung zwischen 5 und 20 % liegt.
Vorteilhaft sind folgende Zusammensetzungen der Lösungen:
Basispolymer 100 Teile,
Elektrophiler Vernetzer 10 bis 20 Teile, Säurekatalysator 1 bis 10 Teile.
Oder:
Basispolymer 100 Teile,
Elektrophiler Vernetzer 10 bis 20 Teile, PAG 0,2 bis 10 Teile.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Dadurch, dass die Oberfläche mit einer Lösung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 in Kontakt gebracht wird, scheidet sich aus der Lösung eine Polymerformulierung auf der Oberfläche ab, die die Fasern der Oberfläche glättet, und zwar in der Größenordnung der Schichtdicke des Polymerfilms (100 bis 500 nm) .
Vorteilhaft ist dabei, wenn die Polymerformulierung flächig und / oder strukturiert auf der Oberfläche abgeschieden wird. Vorteilhafte Verfahren zum Aufbringen der Lösung sind Spin- Coating, Spray-Coating, Druck- und / oder Tauchprozesse.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine thermische Vernetzung und / oder eine photoinduzierte Vernetzung der Polymerformulierung auf der Oberfläche vorgenommen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn eine thermische Vernetzung bei einer Temperatur zwischen 120 und 200 °C vorgenommen wird.
Die Aufgabe wird auch durch ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein organischer Feldeffekttransistor, gelöst, bei dem das Substrat eine Oberfläche aufweist, die mit eine
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 19 behandelt ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Substrat ein Papier ist, insbesondere ein glattes, heiß verpresstes, holzfreies Papier ohne leichtlösliche Füllstoffe. Damit lassen sich besonders kostengünstige Halbleiterbauelement herstellen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1A, B Zeichnung von Rasterelektronenmikroskop- Aufnahmen von Zellulosefasern;
Fig. 2 Strukturformeln für elektrophile Vernetzer; Fig. 3 schematischer Aufbau eines organischen Feldeffekttransistors ;
Fig. 4 Zeichnung eines Fotos mit einem Papiersubstrat für eine integrierte Schaltung; Fig. 5 Ausgangskennlinie eines Pentazen-OFET auf einem PapierSubstrat;
Fig. 6 Durchgangskennlinie eines Pentazen-OFET auf einem Papiersubstrat;
Fig. 7 Zeichnung einer Kennlinie eines 5-Stufen Ringoszillators .
Bevor auf Ausführungsformen der Erfindung eingegangen wird, soll die grundlegende Problematik rauer Oberflächen als Grundlage für Halbleiterbauelemente dargestellt werden. Dabei wird dies anhand von Substraten aus Papier beschrieben, wobei grundsätzlich auch papierhaltige Substrate (z.B.
Kompositmaterialien aus Papier und Kunststoff) durch die erfindungsgemäße Lösung und / oder das erfindungsgemäße Verfahren behandelt werden können, so dass auf dem Substrat ein Halbleiterbauelement angeordnet werden kann.
Papiere unterscheiden sich im Gegensatz zu anderen flexiblen Substraten (z.B. Kunststofffolien) dadurch, dass sie im Wesentlichen aus Cellulose basierten Fasern aufgebaut sind, die zusammen mit diversen Füllstoffen ein dreidimensionales Netzwerk ausbilden. Dabei sind jedoch bei den meisten
Papieren Faserstrukturen an der Oberfläche des Papiers präsent, was zur Folge hat, dass die Oberfläche des Papiers eine Rauigkeit aufweist, welche sich in der Größenordnung der eingesetzten Cellulosefasern entspricht (mehrere Mikrometer) und die Fasern selbst eine Oberflächenrauigkeit von mehreren hundert Nanometern zeigen. Dies ist in den Fig. 1A und 1B dargestellt .
Es sind auch Spezialpapiere bekannt, (Fotoglossy-Papier, Inkjet-Papier) bei denen die Oberflächenrauigkeit mittels einer Folienlaminierung reduziert ist. Diese Folienlaminierungen sind jedoch nicht resistent gegenüber Prozessbedingungen, -wie sie -z.B.- -bei der--He stellung- von integrierten Schaltungen basierend auf organischen Feldeffekttransistoren benötigt werden (Temperaturbeständigkeit bis 200°C,
Lösungsmittelbeständigkeit - basische wässrige Lösungsmittel, organische Lösungsmittel) . Des weiteren sind diese Spezialpapiere relativ teuer, was sie für den Einsatz von Massenartikeln ungeeignet macht.
Generell erweist sich die Rauigkeit des Papiers, sowie die Aufnahme von Lösungsmitteln (Wasser, Aceton, Alkohole, etc.) und das damit verbundene Quellverhalten des Papiers als problematisch für die Prozessierung und Integration von organischen Dünnschicht-Transistoren deren Gesamtdicke (vgl. Fig. 3) zwischen 200 nm und 1 μm beträgt und bei denen Strukturgrößen von kleiner 5 μm (Kanallänge - Abstand zwischen Source- und Drainkontakt) fehlerfrei abgebildet werden müssen. Mit Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, kostengünstig eine prozesskompatible
Oberflächenbeschichtung auf Papieren zu erzeugen, so dass im Weiteren organische Dunnschicht-Transistoren und darauf basierend ICs auf diesen Papieren hergestellt werden können. Grundsätzlich sind alle nichtlaminierten Papiere geeignet, besonders solche, die keine leichtlöslichen Füllstoffe aufweisen, holzfrei und glatt (z.B. heiß verpresst) sind.
Dabei wird eine Polymerformulierung flächig oder strukturiert auf die Papieroberfläche aufgetragen. Besonders geeignet ist hierfür eine Formulierung von Poly-4-vinylphenol mit einer Vernetzerkomponente in einem organischen Lösemittel (z.B. Alkohole, PGMEA) . Als Vernetzerkomponente eigenen sich generell alle Formaldehydgeneratoren (z. B. Polymelamin-co- formaldehyd methyliert) und andere elektrophile
Vernetzersysteme (z.B. 4-Hydroxymethylbenzylalkohol / 4- Toluolsulfonsäure) . In Fig. 2 sind Verbindungen dargestellt, die als elektrophile Vernetzer dienen können.
Diese Polymerschichten lassen sich, aufgebracht auf die
Papieroberfläche, durch die Zufuhr thermischer Energie (bei 120 -200°C) chemisch vernetzen und bilden so einen dünnen Polymerfilm auf der Oberfläche des Papiers, der chemisch resistent und glatt ist und es erlaubt, organische Dünnschicht-Transistoren darauf herzustellen. Dabei verhindert diese Polymerschicht auch ein Quellen (Eindringen von Lösemittel in die Papierstruktur) des Papiers . Der Polymerfilm ist je nach Formulierung und Applikationsmethode sehr dünn (100 - 500 nm) und beeinflusst daher nicht die makroskopischen Eigenschaften des Papiers (z.B. Flexibilität, Farbe etc.) . Es handelt sich demnach nicht um eine klassische Planarisierungsmethode bei der die Papieroberfläche und damit die Fasern an der Oberfläche) in eine dicke Polymerschicht eingebettet wird, sondern vielmehr um eine oberflächliche Glättung der Fasern in der Größenordnung der Schichtdicke des Polymerfilms (100-500 nm) .
Des weiteren eignen sich auch photoinduzierte VernetzerSysteme (PAG + elektrophiler Vernetzer) , wobei mit diesen Systemen eine Photostrukturierbarkeit der polymeren Schutzschicht erreicht werden kann.
Ebenfalls sind auch Formulierungen anderer phenolhaltiger Basispolymere (z.B. Poly-4-vinylphenol-co- methacrylsäure-2- hydroxyethylester oder Poly-4-vinylphenol-co- methacrylsäuremethylester) für solche Anwendungen möglich. Beispielhaft sind folgende Ausführungsformen genannt: Als Basispolymere eignen sich prinzipiell alle phenolhaltigen Polymere und deren Copolymere, wie Poly-4-vinylphenol, Poly- 4-vinylphenol-co-methacrylsäure-2-hydroxyethylester oder Poly-4-vinylphenol-co-methacrylsäuremethylester .
Als Vernetzerkomponente eignen sich besonders 4- Hydroxymethyl-benzylalkohol oder andere Di- oder -Tribenzyla-lkoholVerbindungen.- -
Als thermische Säurekatalysatoren eignen sich prinzipiell alle Verbindungen, die unterhalb von 150 °C in der Lage sind, ein Proton auf die Hydroxygruppe des Benzylalkohols zu übertragen (z.B. 4-Toluolsulfonsäure) .
Als Photosäuregeneratoren (PAGs) eignen sich grundsätzlich alle Verbindungen, die in der Lage sind, nach Bestrahlung mit UV-Licht, eine Photosäure zu generieren, die im Weiteren die Übertragung eines Protons auf die Hydroxygruppe des Benzylalkohols bewirkt (z.B. Sulfonium- oder Iodonium-Salze) .
Als Lösungsmittel eignen sich ein Alkohol, insbesondere n- Butanol, und / oder Dioxan, N-Methylpyrolidon (NMP) , γ- Butyrolacton, Xylen und / oder Propylenglykolmonomethyletheracetat (PGMEA) .
Als Ausführungsbeispiele werden mengenmäßig folgende Mischungen angegeben.
Basispolymer 100 Teile,
Elektrophiler Vernetzer 10 bis 20 Teile, Säurekatalysator 1 bis 10 Teile.
Oder:
Basispolymer 100 Teile,
Elektrophiler Vernetzer 10 bis 20 Teile, PAG 0,2 bis 10 Teile, Die Massenanteile liegen vorteilhafterweise zwischen 5 und 20
Im Folgenden werden zwei Formulierungen beispielhaft angegeben :
Formulierung 1: 10%-ige Lösung in PGMEA (100: 10: 2,5) Eine Mischung aus 2 g PVP (MW ca. 20.000) und 200 mg 4- Hydroxymethyl-benzylalkohol werden in 20,5 g PGMEA auf einer Rüttelapparatur gelöst (ca. 3 Stunden) . Anschließend werden 50 mg 4- Toluolsulfonsäure zugegeben und eine weitere Stunde geschüttelt. Vor Benutzung wird die Polymerlösung durch einen 0.2 μm Filter filtriert.
Formulierung 2: 10%-ige Lösung in PGMEA (100: 20 : 2,5) Eine Mischung aus 2 g PVP (MW ca. 20.000) und 400 mg 4- Hydroxymethyl-benzylalkohol werden in 20,5 g PGMEA auf einer Rüttelapparatur gelöst (ca. 3 Stunden) . Anschließend werden 50 mg 4- Toluolsulfonsäure zugegeben und eine weitere Stunde geschüttelt. Vor Benutzung wird die Polymerlösung durch einen 0.2 μm Filter filtriert.
Die Oberflächenbeschichtung erfolgt mit einer aus Lösung abgeschiedenen Polymerformulierung, die flächig oder strukturiert auf die Papieroberfläche aufgebracht wird. Dies kann z.B. durch Spin-Coating, Spray-Coating, Druck- und / oder Tauchprozesse geschehen.
Ein Ausführungsbeispiel für die Filmpräparation ist Folgende:
2 ml der Formulierung 1 werden mittels Spin Coater bei 2000 U/min für 22 s auf ein Papiersubstrat (Maxigloss 100; UPM
Kymmene Group)) aufgebracht. Anschließend wird dieses bei 100 °C für 2 min auf einer Hotplate getrocknet. Die Vernetzungsreaktion erfolgt bei 200 °C im Ofen unter 400 bar N2-Atmosphäre . Die Filmpräparation für Formulierung 2 erfolgt analog.
Aufbauend auf dieser Vorbehandlung der Papieroberfläche können organische Transistoren und Schaltungen aufgebaut werden.
In Fig. 3 ist der grundsätzliche Aufbau eines organische Feldeffekttransistors (OFET) dargestellt. Organische Feldeffekttransistoren sind elektronische Bauteile, die aus mehreren Schichten (Lagen) bestehen, welche alle strukturiert sind, um durch Verbindungen einzelner Schichten integrierte Schaltungen zu generieren. Dabei zeigt Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines solchen Transistors in einer Bottom-Kontakt Architektur.
Auf einem Basis-Substrat 20 ist eine Gateelektrode 21 angeordnet, die von einer Gatedielektrikumsschicht 22 überdeckt ist. Eine solche Gatedielektrikumssicht 22 kann z.B. aus einer molekularen Monolage bestehen. Derartige Dielektrika besitzen eine Schichtdicke von weniger als 5 nm (Bottom up) .
Auf der Gatedielektrikumsschicht 22 sind eine Sourceschicht 23a und eine Drainschicht 23b angeordnet, die beide mit einer darbüberliegenden aktiven halbleitenden Schicht 24 in
Verbindung stehen. Über der aktiven Schicht 24 ist eine Passivierungsschicht 25 angeordnet.
In Fig. 4 ist eine Durchzeichnung eines Fotos dargestellt, das integrierte Schaltungen als Halbleiterbauelemente auf einem biegsamen und leichten Papiersubstrat zeigt . Diese Ausführungsform weist eine Titan-Gatelage, ein PVP- Dielektrikum, eine Gold-Source-Drain Lage und Pentazen als organischen Halbleiter auf. Die Schaltungen sind auf einem kreisrunden Papiersubstrat angebracht, das durch die dargestellte Hand deutlich durchgebogen wird. Die rechtwinkligen Kreuze auf dem Substrat erscheinen daher verbogen.
Fig. 5 zeigt die Ausgangskennlinienschar eines Pentazen-OFET auf einem Papiersubstrat gemäß der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform. Der OFET mit PVP Gatedielektrikum weist folgende-"Daten- auf:' L~=- 50 -μτri7-W--=---50O- μm> - tpp -=="-27~0- nm,- carrier mobility = 0,2 cm2 / Vs und Threshold voltage = - 6 V.
In Fig. 6 ist die Durchgangskennlinie des OFET gemäß Fig. 5 dargestellt (Subthreshold slope = 1,8 V / Decade) , of / off current ratio 10s.
In Fig. 7 ist eine Durchzeichnung eines Oszilloskopbildes dargestellt, das die Kennlinie eines 5-Stufen Ringoszillators darstellt. Der Ringoszillator arbeitet mit einer Signalverzögerung von 120 ms pro Stufe.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, die von der erfindungsgemäßen Lösung, dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch machen. Bezugszeichenliste
20 Basis-Substrat für OFET
21 Gateelektrode
22 Gatedielektrikumsschicht 23a Sourceschicht
23b Drainschicht
24 aktive Halbleiterschicht
25 Passivierungsschicht

Claims

Patentansprüche
1. Lösung zur Behandlung eines Substrates aus Papier oder zur Behandlung eines papierhaltigen Substrates, insbesondere eines Papieres als Trägermaterial für ein Halbleiterbauelement ,
geken zeichnet durch
mindestens ein phenolhaltiges Basispolymer und / oder Copolymer .
2. Lösung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das phenolhaltige Basispolymer ein Poly-4—vinylphenol , ein Poly-4-vinylphenol-co-methacrylsäure-2-hydroxyethylester und / oder ein Poly-4-vinylphenol-co- methacrylsäuremethylester ist.
3. Lösung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch mindestens eine Vernetzerkomponente.
4. Lösung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vernetzerkomponente eine Di- oder eine Tribenzylalkoholverbindung, insbesondere 4-Hydroxymethylbenzylalkohol ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Vernetzerkomponente ein Formaldehydgenerator, insbesondere Polymelamin-co-formaldehyd methyliert und / oder ein elektrophiles Vernetzersystem, insbesondere 4- Hydroxymethylbenzylalkohol und / oder 4- Toluolsulfonsäure ist .
6. Lösung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass mindestens eine elektrophile Vernetzerkomponente eine der folgenden Verbindungen ist:
Für n gilt: ,— so2 -, — (CH2)χ — wobei x = 1 - 10. , ausserdem:
Für R2 gilt: Alkyl mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen oder Aryl
7. Lösung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen thermischen Säuregenerator .
8. Lösung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass mindestens ein thermischer Säuregenerator eine Verbindung -ist,- die- -bei- -Temperaturen -unterhalb- von -150 °G -ein- Proton auf die Hydroxygruppe eines Benzylalkohols übertragen kann, insbesondere 4-Toluolsulfonsäure .
9. Lösung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen Photosäuregenerator .
10. Lösung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Photosäuregenerator nach Bestrahlung mit UV-Licht eine Photosäure generiert, die im weiteren die Übertragung eines Protons auf die Hydroxygruppe eines Benzylalkohols bewirkt, insbesondere ein Sulfonium- und / oder ein Iodonium-Salz .
11. Lösung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche gekennzeichnet durch mindestens ein Lösungsmittel, insbesondere einen Alkohol, insbesondere n-Butanol, Dioxan, N-Methylpyrolidon (NMP) , γ-Butyrolacton, Xylen und / oder Propylenglykolmonomethyletheracetat (PGMEA) enthält .
12. Lösung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass der
Masseanteil zwischen 5 und 20 % liegt.
13. Lösung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung: Basispolymer 100 Teile,
Elektrophiler Vernetzer 10 bis 20 Teile, Säurekatalysator 1 bis 10 Teile.
14. Lösung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung:
Basispolymer 100 Teile,
Elektrophiler Vernetzer 10 bis 20 Teile, PAG 0,2 bis 10 Teile.
15. Verfahren zur Behandlung eines Substrates aus Papier oder zur Behandlung eines papierhaltigen Substrates, insbesondere eines Papieres als Trägermaterial für ein Halbleiterbauelement,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche mit einer Lösung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 in Kontakt gebracht wird, wobei sich aus der Lösung eine Polymerformulierung auf der Oberfläche abscheidet .
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Polymerformulierung flächig und / oder strukturiert auf der Oberfläche abscheidet .
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung durch Spin-Coating, Spray-Coating, Druck- und / oder Tauchprozesse auf das Substrat gebracht wird.
18. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine thermische Vernetzung und / oder eine photoinduzierte Vernetzung der Polymerformulierung auf dem Substrat vorgenommen wird.
19. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine thermische Vernetzung bei einer Temperatur zwischen 120 und 200 °C vorgenommen wird.
20. Halbleiterbauelement, insbesondere ein organischer Feldeffekttransistor, mit einem Substrat,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Substrat mit einem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 19 behandelt ist.
21. Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ein Papier ist, insbesondere ein glattes, heiß verpresstes, holzfreies Papier ohne leichtlösliche Füllstoffe.
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