JP2004179655A - マイクロ流体チャネルを用いた電子装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶液系有機半導体を用いて迅速で高い平行様式で微細なサイズの特徴をパターニングする方法を提供する。
【解決手段】半導体装置のアレイを形成するためのマイクロ流体チャネルを使用した構造および方法について説明する。マイクロ流体チャネルは、自己整合プロセスにおいて形成され、一連の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）装置を相互接続するのに使用される場合に特に有益であることが見出されている。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体処理に関し、より特別には本発明は薄膜トランジスタの大面積アレイの作製に関する。

近年、大面積薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイは画像装置および表示装置において重要な適用が見出されている。しかしながら、ＴＦＴのアレイの製造は、部分的には製造プロセスにおいて使用されるフォトリソグラフィーを用いた処理技術のコストおよび複雑さのために、かなり高価である。

最近では、有機半導体を使用してＴＦＴアレイが形成されている。そのような有機半導体はフレキシブルな基板との適合性があるために好ましい。有機半導体を使用すると、製造コストも減少する。製造コストが低くなる理由は、溶液処理可能な有機半導体がインクジェット印刷、スクリーン印刷またはマイクロモールディングを用いてパターニングすることができるからである。インクジェット印刷は「エレクトロルミネセントディスプレイおよびその製造方法」と題する米国特許第５，９７２，４１９号、および「インクジェットにより作製した集積回路」と題する国際公開公報第０１４６９８７Ａ２号において開示されている。スクリーン印刷はＦ．ガルニア（Ｇａｒｎｉｅｒ）、Ｒ．ハジュラオウイ（Ｈａｊｕｌａｏｕｉ）、Ａ．ヤサール（Ｙａｓｓａｒ）、Ｐ．ストリヴァスタヴァ（Ｓｔｒｉｖａｓｔａｖａ）による「印刷技術により実現した全ポリマー電界効果トランジスタ」サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）２６５ １９９４ ｐ１６８４−１６８６において記述されている、マイクロモールディングは「基板上で成形微細構造を作製するための方法」と題する米国特許第６，３２２，７３６号において記述されている。

しかしながらインクジェット印刷、マイクロモールディングおよびスクリーン印刷を用いる製造プロセスは困難がないわけではない。有機半導体のインクジェット印刷は連続的なプロセスであり、このため遅い。また、有機半導体のインクジェット印刷では、長時間、特別なプリントヘッドを印刷特徴と正確に整合し続ける必要があるので、印刷が困難である。さらに、印刷特徴は、一部、基板上へ噴射される溶液の濡れ性により制御される。濡れ性は正確に制御することが困難であることがある。

マイクロモールディング技術もまた困難を伴う。モールディング技術では通常、しばしばエラストマーポリマーから形成される鋳型が大面積にわたり基板と接触する必要がある。鋳型と基板の間では、正確な位置合わせを行うことが困難であることがある。しばしば、エラストマー鋳型が有機半導体を溶解させるのに使用する有機溶剤と適合しない。スクリーン印刷はインクジェット印刷より迅速である。スクリーン印刷は有機半導体を堆積させる平行方法を提供するからである。しかしながら、スクリーン印刷は、基板上で堆積させた溶液が広がること、微細な特徴を有するスクリーンを作製するのが困難であること、およびスクリーンと前にパターニングした特徴との間の位置合わせが困難であることのため、典型的には１００μｍ未満の大きさの小さな特徴を作製することができない。

米国特許第５，９７２，４１９号明細書 国際公開公報第０１４６９８７Ａ２号 米国特許第６，３２２，７３６号明細書 サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）２６５ １９９４ ｐ１６８４−１６８６

このように、溶液系有機半導体を用いて迅速で高い平行様式で微細なサイズの特徴をパターニングする方法が必要である。

半導体処理の改良された方法について記述する。この方法では、一連のマイクロチャネルが形成され、形成される複数の電子装置が相互に連絡される。溶液処理可能な半導体を含む溶液がマイクロ流体チャネル（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｃｈａｎｎｅｌ）内に流れ込み、乾燥させられる。このように、マイクロチャネルが溶液を分配し、溶剤が蒸発した後に残った残留物が形成される電子装置の一部を形成する。

自己整合マイクロ流体チャネルを形成するシステムについて記述する。このシステムは特に、ＴＦＴアレイにおいてＴＦＴを相互に連結させる流体チャネルの作製に適している。

図１は、ＴＦＴ用の自己整合マイクロ流体チャネルの作製のためのプロセスの流れの概略を示すものである。プロセスの流れの区分１０４では、透明基板１０８の第１の表面１０６には不透明なパターン１１２がパターニングされている。透明基板は、紫外線スペクトルまたは可視スペクトルの光のほとんどを有意の減衰無しで透過させるガラスまたはプラスチックなどの様々な材料から作製されてもよい。通常、５０％を超える光が基板を通過すると考えられる。

ＴＦＴ作製プロセスを簡略化する１つの方法は、ＴＦＴ形成において使用する有機半導体を、ＴＦＴのゲートを制御する電極およびＴＦＴのソース−ドレイン電圧を制御する電極と自己整合させるものである。ＴＦＴのソース領域間のデータ相互接続を形成する導電線はまた、ＴＦＴの性能に逆効果を与えることのない半導体でコートすることができる。自己整合を達成する１つの方法はソース、ドレインおよびゲートパッド電極ならびにデータ相互接続線を、不透明な導体で作製し、その後に不透明な導体をフォトマスクとして使用するものである。このように、本発明の１つの実施の形態では、不透明なパターン１１２の少なくとも一部が導電線、典型的には金またはクロムなどの金属から作製される。金属は、ソースおよびドレイン領域の電流を制御する電極、ゲート電圧を制御するゲートパッド、およびソース電極を接続するための相互接続線を形成する。金属は様々な技術を用いてパターニングしてもよく、そのような技術としてはろう−レジスト印刷が挙げられるがこれに限定されるものではない。

ＴＦＴアレイにおいて使用する全ての導体が対応する有機半導体領域と関連するわけではない。このように、本発明の１つの実施の形態では、導体１１６の第２のパターンは透明な導体、典型的には酸化スズインジウム（ＩＴＯ）を用いて形成される。ＩＴＯはどの有機半導体領域とも関連しないＴＦＴアレイ制御回路の導電部品を形成する。

図１の区分１２０では、透明基板１０８の第１の表面１０６および関連する不透明および透明な導体パターン１１２、１１６がポリマー１２４によりコートされる。ポリマーは典型的には光硬化可能なエポキシの市販型であるＳＵ−８などの感光性ポリマー、または他の感光性材料である。ポリマーはスピンコーティングまたは浸漬コーティングなどの様々な技術を用いて基板１０８上にコートしてもよい。

感光性材料をパターニングするために、図１の区分１３０は、透明基板１０８を通過する光１３４を示している。透明基板１０８を通過する光はポリマーの露光部分を生じさせる。光は典型的には、波長が２００ｎｍ〜６００ｎｍの間のＵＶまたは可視光である。光はポリマー材料中の官能基を架橋させることにより、または加熱時に架橋する官能基を生成させることにより感光性ポリマーを規定することができる。このように、これらのプロセスは露光領域のポリマーの物理特性を変化させる。不透明な導体パターン１１２によりマスクされた領域は特別な周波数範囲の光に露光されず、未露光のままである。露光されていないポリマーは溶剤によるストリッピングにより簡単に除去される。

図１の区分１４０は、未硬化ポリマーを除去した後に得られた構造を示す図である。図示されるように、未開発ポリマーを除去すると、流体チャネル１４４が形成される。各流体チャネルの寸法はオリジナルのマスク用不透明導体の幅、感光性ポリマーの曝露特性、および硬化プロセスで使用した光の波長に依存する。各流体チャネルの幅は他の技術を使用して形成できるものより小さくすることができる。典型的には、各チャネルの幅は５００μｍよりもかなり小さく、より通常は幅が２００μｍよりも小さい。短波長を光展開用に使用すると、チャネルの幅を０．５μｍのオーダーのサイズに減少させることができる。

図１の区分１５０は半導体、典型的には溶液処理可能な有機半導体を含む溶液のチャネル内への堆積を示す。溶液処理可能な半導体は典型的には、粘度の低い、典型的には５０ｃＰ未満（粘度の測定値）の溶剤中に溶解した有機ポリマーである。溶液形態のコロイドまたはナノ粒子無機半導体懸濁液も使用することができる。溶液処理可能な半導体の堆積はマイクロ流体ネットワーク中の１つの位置で起こしてもよい。堆積後、粘度が低いため半導体を含む流体は自然の毛管流によりマイクロ流体ネットワーク全体に再分配され、そのため、短時間の後、様々な相互接続されたマイクロチャネル内の流体レベルが大体等しくなる。半導体を含む溶液の堆積は、マイクロピペッティング、高圧を用いた分配法、および単純な毛管作用を含む様々な技術を用いて実施してもよい。区分１５０では、シリンジ１５４および針またはマイクロピペット構造を使用して、溶液処理可能な半導体を含む溶液を堆積させることが図示されている。

マイクロチャネル全体に溶液処理可能な半導体を分配させた後、粒子数の低い環境で溶液を乾燥させ、汚染の機会を最小に抑える。１つの実施の形態では、熱源を使用して乾燥プロセスを制御する。半導体溶液からの乾燥膜または残留物がＴＦＴの半導体層を形成する。

説明したプロセスはＴＦＴ構造の作製に特によく適合しているが、他の構造を形成するのに使用してもよい。図２はマイクロ流体チャネルを使用してＴＦＴアレイを形成する１つの方法を説明する流れ図である。図３は図２で説明したプロセスの様々な段階でのＴＦＴの平面図である。

図２のブロック２０４では、透明基板がＩＴＯなどの透明な導体層でコートされる。ブロック２０８で、不透明な導体、典型的にはクロムなどの不透明な金属を透明な導体上に堆積させる。不透明導体および透明導体をその後パターニングして、製造に役立つ特徴を作り出し、ＴＦＴの動作も制御する。

多くの方法を使用して導体のパターニングを行ってもよい。１つの実施の形態では、その後のパターニングが必要ないインクジェット印刷を介して導体を堆積する。他の実施の形態では、印刷はブロック２１２および２１６で説明されているようにろうレジストを用いて実施される。ブロック２１２では、ＴＦＴに電源を接続させるゲート線に対するマスクとして不透明金属を規定するようにろうレジストを印刷する。図３の構造３０４は不透明導体３１２内のゲート線に対するマスクを規定する印刷されたろう領域３０８を示す。図２のブロック２１６では、不透明導体をエッチングする。ろうは不透明導体から作製されたゲート線が得られるマスクとして機能する。ブロック２２０でろうマスクを除去する。その後、透明導体をブロック２２２でエッチングする。エッチングした不透明導体は透明導体用のエッチングマスクとして作用する。図３の構造３１６は透明基板層３２０の上面の透明導体領域３１８上で得られた不透明導体を示す図である。

次に、不透明ゲートパッドを形成する。ブロック２２４は、ゲートパッドを規定するろうマスクの印刷を説明するものである。構造３２２は透明導体３２０上の不透明金属からなる線上方でのろうマスク３２４の堆積を示す。ブロック２２８で不透明導体をエッチングする。ろうマスクはマスク下の領域を保護し、そのためブロック２３２でろうマスクを除去すると構造３２５で示される不透明ゲートパッドが得られる。構造３２５では、透明導電線３２６はクロムゲートパッド３２７を制御回路（図示せず）に接続する。ろうを堆積させ、導体をエッチングし、ろうを除去する手順は当技術分野では周知である。詳細な説明は米国特許出願第０９／８３８，６８４号および第０９／８３８，６８５号（どちらも２００１年４月１４日に出願されている）においてなされている。

図２のブロック２３６〜２５２はＴＦＴ構造のソースおよびドレインの形成を説明する。ブロック２３６では、構造３３２で示されるように基板上に二酸化珪素またはポリマーなどの誘電体薄膜３３０を堆積させる。図２のブロック２４０では、基板上に第２の不透明導体層を堆積させる。第２の不透明導体層をパターニングし、ソースおよびドレインコンタクトおよびデータ線を形成する。１つのパターニング法では、ブロック２４４でろうマスクを堆積させる。ろうマスクはソードパッド、ドレインパッドおよびデータ線を形成するために使用される導体領域を保護する。図３の構造３３４は透明導体３３５上のろうパターンを示す。ろうパターンはデータ線３３６ならびにソースパッドおよびドレインパッド３３８をマスクする。ブロック２４８で導体をエッチングし、データ線およびドレインパッド３３８を形成する。ブロック２５２で、ろうを除去すると構造３４０が残る。得られた不透明導体パターンはソースおよびドレインコンタクト３３９、ならびにＴＦＴアレイにおいてＴＦＴを接続する共通のデータ線３４２を形成する。

ブロック２５６〜２８０はＴＦＴの半導体層の形成について記述する。ブロック２５６では、感光性ポリマー３４６、典型的にはＳＵ−８または他の光学的に限定可能な材料を、構造３４４で示されるように基板上に堆積させる。感光性ポリマーを堆積させるために使用する堆積方法にはスピンコーティングまたは浸漬コーティングが含まれる。ブロック２６０では、放射線源により、感光性ポリマーのマスクされていない領域を規定する放射線照射を実施する。本発明の１つの実施の形態では、放射線露光は基板の裏側から行われ、そのため基板と感光性ポリマーとの間の不透明導体はパターニング用の放射線をブロックするマスクとして機能する。マイクロチャネルを使用してＴＦＴを形成する場合、マスクはゲートパッド、ソースおよびドレイン、ならびにデータ線領域を含む。

ブロック２６４では、感光性ポリマーの未露光領域を溶剤を用いて除去する。図３の構造３５０はポリマーの露光領域が３５２開口ネットワークを規定する、得られた構造を示す。ネットワークはデータ線３４２をカバーし、ＴＦＴアレイ内のＴＦＴのソース−ドレイン−ゲートパッド領域３２７、３３９をカバーするチャネルを含む。ブロック２６８では、ＴＦＴ活性材料の溶液で開口ネットワークを満たす。溶液は通常ポリ（チオフェン）系ポリマーまたはポリ（９−９’−ジオクチルフルオレン−コ−ビチオフェン）などの有機半導体である。熱硬化可能な溶解性のペンタセン（ｐｅｎｔａｃｅｎｅ）前駆物質などの他の溶液処理可能な有機半導体を使用してもよい。

流体チャネルは一連の開口を接続し、有機半導体を回路全体に分配する。分配システムにより流体供給源を固定したまま、流体をチャネルの１つの点で堆積させることができる。充填速度をより速くし、面積をより大きくする必要があれば、流体供給源または複数の流体供給源をマイクロチャネルに沿っていくつかの位置まで移動させることができる。図示した場合では、マイクロチャネルに充填するための分配点の数は、マイクロチャネルに沿って形成する電子装置またはＴＦＴの数よりもずっと少ない。このように、少なくとも１つの電子装置に対し、マイクチャネルは半導体材料の主な供給源である。

図３の構造３６２は有機半導体３６４で満たした流体チャネルを示す。マイクロチャネルを使用して半導体材料を分配すると、不十分な溶解度または共通のプリントヘッドとの材料の不適合性のためインクジェット印刷が困難な半導体材料を使用することが可能となる。ブロック２７２では、流体半導体を乾燥させる。流体半導体は典型的にはキャリヤ溶液を含み、半導体材料はそのキャリヤ溶液中に溶解される。キャリヤ溶液が蒸発すると残留物が残り、ＴＦＴの一部を形成する半導体固体として機能する。

ブロック２７６では、半導体を保護するために、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリ（ビニルアルコール）、またはポリ（スチレン）などの保護ポリマーを流体チャネル内に堆積させることができる。保護ポリマーは溶剤に溶解することができ、チャネルのネットワークを通して流すことができる。乾燥させた膜はブロック２７２の半導体層を封じ込める。このように各チャネルは、半導体で満たされた底部および保護ポリマーで満たされた上部を含む。ブロック２８０で、基板を平面化する。

図４は図２および図３の方法を用いて作製したＴＦＴ例の側断面図である。図４では、透明基板４０４はＴＦＴ構造を支持する。導電ゲート線１０８は電気信号を搬送しゲートパッド４１２を制御する。ゲートは誘電体薄層４２４によりソース４１６およびドレイン４２０から分離され、この誘電体薄層はゲート４１２とソース４１６およびドレイン４２０との電気的短絡を防止する。

チャネル壁４２８、４３２はチャネル４３６を規定する。チャネル空隙の一部はソース４１６とドレイン４２０との間の領域を含む。ある時点で溶剤キャリヤ中に溶解させ、または懸濁させた半導体材料４４０はソース４１６とドレイン４２０との間の領域を満たす。チャネル壁は、溶剤が蒸発し半導体材料が乾燥するまで溶剤および半導体材料４４０を閉じ込める。

図５は、溶液処理可能な半導体を分配するために使用したマイクロチャネルにより接続したＴＦＴのアレイの平面図である。ソース−ゲート−ドレイン領域上に半導体を含む各ＴＦＴ半導体領域５０４、５０８、５１２は、対応するマイクロチャネル５１６を介して他のＴＦＴ半導体領域に接続される。通常２つのＴＦＴが提供される実施例で、マスクとして各ソースパッドをアドレスするデータ線を用いてマイクロチャネルを形成した。

本明細書で使用されているように、チャネルは流体を閉じ込めるために適した２つの壁の間の領域として規定されるが、流体は壁の表面に大体平行な方向に流れることができる。チャネルは幅よりずっと長い長さを有する。回路で使用する場合、チャネルは少なくとも２つの回路素子を接続する。

本発明の１つの実施の形態における自己整合マイクロ流体チャネルを製造するためのプロセスの流れを示す概略図である。 マイクロ流体チャネルを用いてＴＦＴを形成するプロセスを説明する流れ図である。 図２の流れ図の様々な段階で作製されるＴＦＴの平面図である。 マイクロ流体チャネルと関連するＴＦＴの側断面図である。 図１〜３で説明したプロセスの流れを用いて作製したＴＦＴアレイを示す図である。

符号の説明

１０８ 透明基板、１１２ 不透明パターン、１１６ 導体、１２４ ポリマー、１３４ 光、１４４ 流体チャネル、１５４ シリンジ。

Claims (3)

1. 各電気コンタクトが基板上の複数の電子装置における１つの装置に対応する、少なくとも２つの電気コンタクトをパターニングする工程と、
   前記電気コンタクトを相互接続し、前記基板上に形成された前記少なくとも２つの電気コンタクトへ溶液を分配するためのマイクロ流体チャネルを形成する工程と、
   前記流体チャネルを通して溶液を分配する工程と、
   前記溶液を乾燥させ、残った残留物により前記複数の電子装置における各装置の一部を形成させる工程と、
   を含む複数の電子装置を形成する方法。
2. 透明基板の第１の側に不透明線をパターニングする工程と、
   前記不透明線上に感光性ポリマーを堆積させる工程と、
   前記不透明線をフォトマスクとして使用しマイクロ流体チャネルを形成する工程と、
   を含む複数の半導体装置を形成する方法。
3. 複数の薄膜トランジスタにおける各薄膜トランジスタのソース−ゲート−ドレイン領域を形成する工程と、
   前記複数の薄膜トランジスタの各薄膜トランジスタの前記ソース−ゲート−ドレイン領域に接続する導電線を不透明導体から形成する工程と、
   前記不透明導体から作製された導電線と自己整合するマイクロチャネルを、感光性ポリマーから形成する工程と、
   を含む薄膜トランジスタのアレイを形成する方法。
   
   

Images