JP2005166894A - 有機薄膜トランジスタ、その製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 移動度が良好で、素子のコンタクト性が良好で長期にわたり安定した性能を有する有機薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 第１基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、有機半導体膜、ソース電極、ドレイン電極、保護膜、第２基板によって構成されている有機薄膜トランジスタであって、前記ソース電極およびドレイン電極の第２基板に対する付着力が第１基板に対する付着力よりも強い有機薄膜トランジスタ。第１基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜、ゲート電極、有機半導体膜を形成する工程、第２基板上にソース電極、ドレイン電極、保護膜を形成する工程、前記第１基板に形成された有機半導体膜の面と、第２基板に形成されたソース電極、ドレイン電極および保護膜の面とを重ね合わせる工程を有する有機薄膜トランジスタの製造方法。
【選択図】 なし

Description

本発明は、有機半導体材料を用いた有機薄膜トランジスタ、その製造方法および製造装置に関する。特に、有機半導体膜とソース電極及びドレイン電極となる導体膜の形成に関する有機薄膜トランジスタに係る。

近年、有機半導体材料を用いた薄膜トランジスタ（以下、有機薄膜トランジスタを示す）の開発競争が加速している。有機材料を用いることでプロセスの低温化が図れ、低コストで大面積にトランジスタを形成できることが期待される。薄型ディスプレイや電子ペーパーの駆動回路、無線認証（ＲＦ−ＩＤ）のタグ、ＩＣカードなどの応用展開が想定されている。技術的なレビューが幾つか存在する。（例えば、非特許文献１参照）

有機薄膜トランジスタの構造例を図３に示す。３０１は基板、３０２は導体膜からなるゲート電極、３０３はゲート絶縁膜、３０４は有機半導体膜、３０５はソース電極、３０６はドレイン電極である。

図３において、基板３０１には、例えばガラスエポキシ樹脂を用いることが出来る。この場合、ゲート電極３０２は導体膜をゲート電極形状にパターニング後、研磨による平坦化処理を行っている。さらにその上にゲート絶縁膜、有機半導体膜、ソース電極、ドレイン電極を形成し有機薄膜トランジスタを構成している。

有機薄膜トランジスタの構造は、基板に対し有機半導体膜の上にソース電極、ドレイン電極を形成するトップ電極構造（以下、ＴＥ構造）と、ゲート絶縁膜上にソース電極、ドレイン電極を形成した後に有機半導体膜を形成するボトム電極構造（以下、ＢＥ構造）が知られている。ＴＥ構造はゲート絶縁膜上にソース電極、ドレイン電極がないために、高品位の有機半導体膜を形成しやすいことから移動度がＢＥ構造よりも高い傾向にある。一方、ＴＥ構造をとる事により、有機半導体膜の成膜領域を制限して下側の電極構造との接続を取ることになるため製造工程が複雑になるという欠点がある。

ＴＥ構造のソース電極及びドレイン電極を作る手法としてはマスク蒸着が知られている。これは、エッチングなどを利用してパターン形成したメタルマスクを基板近傍に配して、マスク上の開口部だけ選択して蒸着物質を付着させる手法である。しかしながら、真空中で昇華した高温蒸着物質の付着により有機半導体膜が変質する。また、概ね５０μｍを下回る微細パターンを形成するのが困難である。さらには真空プロセスであるため製造コストは高い。

印刷プロセスによるソース電極、ドレイン電極を使用することでコストダウンが可能である。従来技術としてスクリーン印刷による作成例がある（例えば、特許文献１参照）。また、ソフトコンタクト方式に関する報告がある（例えば、非特許文献２参照）。

薄膜トランジスタを有する集積回路デバイスを作る手法として、基板を分けてプロセスを分離する提案がある。例えば、特許文献２には、相互接続構造を形成する目的から第１基板と第２基板を設けて、第１基板に薄膜トランジスタの一部を形成し、第２基板に残りの部分を形成して、この２枚の基板を積層してＴＦＴを有する集積回路デバイスを形成する提案がある。このように基板ごとにプロセスを分離することは印刷技術を利用してＴＥ構造を作るという課題に対する解となりうる。
特開２００２−２０４０１２号公報（第９頁） 特開２００１−２３０４２１号公報（第４頁 Ｃ．Ｄ．Ｄｉｍｉｔｒａｋｏｐｏｕｌｏｓ 他、"Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ"、「Ｏｒｇａｎｉｃ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ Ａｒｅａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」、２００２年１４、Ｎｏ．２、ｐ．９９−１１７ Ｊａｎａ Ｚａμｍｓｅｉｌ 他、"Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ"、「Ｃｏｎｔａｃｔ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｔｈａｔ ｕｓｅ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｄｒａｉｎ ｅｌｅｃｔｏｒｏｄｅｓ ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ ｓｏｆｔ ｃｏｎｔａｃｔ ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ」、Ｖｏｌ．９３，Ｎｏ．１０、２００３年、ｐ．６１１７−６１２４

しかしながら、上記の有機薄膜トランジスタでは、有機半導体膜を形成した基板とソース電極及びドレイン電極を形成した基板を貼り合せる製造方法により有機薄膜トランジスタを形成する際に、貼り合わせ圧力を加えすぎると素子が破壊したり、あるいは貼り合わせ圧力が不足するとコンタクト不良により寄生抵抗が増大して実効的な移動度が低下するという問題点がある。

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、移動度が良好で、素子のコンタクト性が良好で長期にわたり安定した性能を有する有機薄膜トランジスタを提供するものである。

また、本発明は、プラスチック基板を用いた有機薄膜トランジスタを製造する上で印刷技術を利用して、移動度が良好で、素子のコンタクト性が良好なＴＥ構造の有機薄膜トランジスタの製造方法を提供するものである。

また、本発明は、上記の製造方法を実施する有機薄膜トランジスタの製造装置を提供するものである。

すなわち、本発明の第一の発明は、第１基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、有機半導体膜、ソース電極、ドレイン電極、保護膜、第２基板によって構成されている有機薄膜トランジスタであって、前記ソース電極およびドレイン電極の第２基板に対する付着力が第１基板に対する付着力よりも強いことを特徴とする有機薄膜トランジスタである。

前記ソース電極およびドレイン電極の一方の面が第２基板と接しており、他方の面が有機半導体膜と接していることが好ましい。
前記保護膜が半固形物を含有することが好ましい。

また、本発明の第二の発明は、第１基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、有機半導体膜、ソース電極、ドレイン電極、保護膜、第２基板によって構成されている有機薄膜トランジスタの製造方法であって、第１基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜、ゲート電極、有機半導体膜を形成する工程と、第２基板上にソース電極、ドレイン電極、保護膜を形成する工程と、前記第１基板に形成された有機半導体膜の面と、第２基板に形成されたソース電極、ドレイン電極および保護膜の面とを重ね合わせる工程を有することを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法である。

前記第１基板に有機半導体膜を形成する成膜工程と、前記第１基板に形成された有機半導体膜の面と、第２基板に形成されたソース電極、ドレイン電極および保護膜の面とを重ね合わせる工程を連続的に行うことが好ましい。

さらに、本発明の第三の発明は、第１基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、有機半導体膜、ソース電極、ドレイン電極、保護膜、第２基板によって構成されている有機薄膜トランジスタの製造装置であって、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ゲート電極が形成されている第１基板に有機半導体膜を形成する手段と、該第１基板と、ソース電極、ドレイン電極、保護膜が形成されている第２基板とを重ね合わせる手段とを有し、かつ前記第１基板への有機半導体膜の成膜と、第１基板と第２基板との重ね合わせを連続的に同一装置内で行うことを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造装置である。

本発明は、移動度が良好で、素子のコンタクト性が良好で長期にわたり安定した性能を有する有機薄膜トランジスタを提供することができる。
また、本発明は、プラスチック基板を用いた有機薄膜トランジスタを製造する上で印刷技術を利用して、移動度が良好で、素子のコンタクト性が良好なＴＥ構造の有機薄膜トランジスタの製造方法を提供することができる。
また、本発明は、上記の製造方法を実施する有機薄膜トランジスタの製造装置を提供することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の有機薄膜トランジスタは、第１基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、有機半導体膜、ソース電極、ドレイン電極、保護膜、第２基板によって構成されている有機薄膜トランジスタであって、前記ソース電極およびドレイン電極の第２基板に対する付着力が第１基板に対する付着力よりも強いことを特徴とする。

上記の本発明の有機薄膜トランジスタを以下に示す。
ソース電極およびドレイン電極の第２基板に対する付着力が第１基板に対する付着力よりも強いということは、ソース電極とドレイン電極は第２基板をベースに印刷技術を用いて作成したことを意味する。第２基板に対して印刷プロセスを行うことで、第１基板側にある有機半導体膜に対するプロセス損傷を防止することが出来る。

さらには、半固形物からなる保護膜をソース電極とドレイン電極のない領域に選択的に配置し、この保護膜の量を適切に調整することで、密着力が不足して寄生抵抗が増えるようなことがなく、かつプレスによって過大なストレスが掛かることがない状態を実現することが出来る。つまり半固形物からなる保護膜を用いることで印刷技術によるＴＥ構造のトランジスタを形成することができる。

ＴＥ構造のトランジスタはＢＥ構造のトランジスタと比べ有機半導体膜の結晶性が良いことから移動度が向上し、ひいては遮断周波数やオン抵抗といったデバイス性能が大幅にアップすることになる。

以下、本発明を図面に基づいて説明する
本発明の有機薄膜トランジスタの構造例を図１に示す。１０１は第１基板、１０２は導体膜からなるゲート電極、１０３はゲート絶縁膜、１０４は有機半導体膜、１０５はソース電極、１０６はドレイン電極、１０７は保護膜、１０８は第２基板である。

本発明の有機薄膜トランジスタを製造する上では、第１基板１０１上に有機半導体膜１０４までの積層構造を作成し、第２基板１０８上にソース電極１０５、ドレイン電極１０６と保護膜１０７を形成する。第１基板１０１の有機半導体膜１０４の露出面と第２基板１０８のソース電極１０５、ドレイン電極１０６、保護膜１０７を接触させる形で、重ね合わせることにより本発明の有機薄膜トランジスタは完成する。

第２基板１０８上に作成する保護膜１０７は半固形物であり、ソース電極とドレイン電極のない領域に選択的に配置してあるため、第１基板の有機半導体膜と接触した際に、ソース電極とドレイン電極による凹凸を埋める形に変形する。このため、重ね合わせする際の加圧力が均等化するため、有機薄膜トランジスタに余分な応力がかかることがない。さらにはＴＥ構造のトランジスタを形成すると同時に保護膜を形成することが出来る。

特許文献２と本発明の違いは、この保護膜１０７の有り無しである。本発明のように半固形物からなる保護膜１０７を設けずに貼り合わせによるＴＥ構造を実現すると、積層時のストレスが大きいため十分な信頼性が得られないことになる。

上記の本発明におけるプロセスで形成した有機薄膜トランジスタでは、各層の付着力は第１基板を母材として積層したものと第２基板を母材として積層したもので異なる結果となる。例えば、本発明による有機薄膜トランジスタの第１基板と第２基板を剥離しようとすると、ソース電極及びドレイン電極は第２基板側に残留するようになる。換言すれば、ソース電極とドレイン電極の付着力が第１基板より第２基板の方が強いことになる。

第１基板および第２基板に対するソース電極とドレイン電極の付着力は、剥離による残膜率の多少で容易に比較することが可能である。なお第２基板上に形成した半固形物からなる保護膜は、元来付着力が弱いため、どちらの基板に多く残留するかは定量性がない。

電極形成に用いるペーストは貴金属を含むものを用いることで導電率を向上することが可能である。こうした材料では、粒径が大きく表面が起伏に富むため電極と有機半導体膜との接触面積が実効的に大きくなる。このため、接触抵抗は小さくなり、良好なオーミックコンタクトを得ることが可能になる。

電極形成に用いる貴金属を含むペーストは、インクジェット、スクリーン、オフセットなど向けに粘度を調整したもので出来るだけ粒径が小さいものが良い。さらには樹脂基板のガラス転移温度（Ｔｇ）よりも低い焼成温度で硬化する低温焼成型のペーストが良い。例えば、ハリマ化成のナノペースト、東洋紡のＡｇペーストＤＰ１２０−Ｈ３、太陽インキ製造の導電性ペーストＥＣＭ−１００ ＡＦ４８１０などを用いることが出来る。

本発明におけるソース電極、ドレイン電極の形成に用いることが出来る印刷技術としては、インクジェット、スクリーン、オフセット、フレキソ、グラビアなどの方式を挙げることが出来る。また、近年技術開発が進んでいるソフトリソグラフィ技術やナノプリント技術も用いることが出来る。

有機半導体膜１０４までの積層構造を作成した第１基板側とソース電極１０５、ドレイン電極１０６と保護膜１０７を形成した第２基板側を貼り合わせる工程は、アライメントをかけながら精密に行うことが重要である。また、貼り合わせの際の雰囲気は特に規定するものではないが有機半導体膜の特性に変化が生じないよう調整したものであることは言うまでもない。従って、有機半導体膜の成膜工程と第２基板側との貼り合わせ工程は、同一の装置内で連続的に順次行う形態であることが望ましい。

ここで述べる「同一の装置内」とは、一連の操作がシーケンスを管理する同一の制御システムの傘下に置かれている状況を指している。つまり、成膜、加熱、ディスペンスなどの工程はそれぞれ専門装置があるため、それぞれが分離していても構わないが、一つのシーケンスに従って連続的に使用する場合には本発明の適応範囲にある。

また、「連続的に順次行う形態」とは、材料劣化を伴わない適切な期限内に生産されたものを順番に処理していくことを表している。本発明の実施例においては、ロール方式の生産装置の例を示しているが、バッチ処理式や枚葉処理式においても適用可能である。

本発明の保護膜では、第２基板上に半固形物からなる保護膜を形成する条件を調整することにより、保護膜がたれて余計な場所に付着したりすることがない。このため、素子作成のハンドリング性が大幅に向上し生産性が高まることになる。

保護膜として使用する半固形物としては、有機半導体膜と化学的に反応を生じない不活性な絶縁材料を用いる。また放出ガスが少なく、水分、大気、酸素に対し封止効果をもつものが良い。グリスやワニス、ゲルを用いることが出来る。具体的には、グリスであれば、シリコーン系グリス、フッ素系グリス（例えばテフロン（登録商標）を増ちょう材としたＰＴＦＥグリス）、炭化水素系グリス（例えばアピエゾングリス）などで、真空グリスとして用いられるものである。具体的には、ゲルであれば、ゼラチンやセルロース類、アミド類などが用いられる。

グリスは、それを構成する基材、増ちょう材、添加剤のうち、増ちょう材と添加剤が固体粒子である場合は、粒径が小さく微小な凹凸になじむものが、余分な応力を有機半導体膜に与えないという観点で好ましい。本発明に用いるグリスのちょう度は２００から４５０が望ましく、さらには２５０から３５０が望ましい。

半固形物からなる保護膜の形成プロセスは、ディスペンスやインクジェット、スクリーンやオフセットといった各種印刷技術を用いることが出来る。また、近年技術開発が進んでいるソフトリソグラフィ技術やナノプリント技術も用いることが出来る。

本発明の保護膜は、前記の半固形物だけでなく複数の材料からなる積層物であっても良い。例えば、無機あるいは有機絶縁膜と前記の半固形物の組み合わせでも良い。この場合、無機あるいは有機絶縁膜と前記の半固形物を同じ領域に限定して成膜するのが困難である。そのため、半固形物からなる保護膜はソース電極、ドレイン電極のない領域に選択的に設けるが、無機あるいは有機の絶縁膜はソース電極、ドレイン電極と有機半導体膜の接触を妨げない場所に設けることになる。無機絶縁膜としては、例えば酸素透過性が低いＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ などの酸化物や、Ｓｉ₃ Ｎ₄ などの窒化物を用いることが出来る。また、有機絶縁膜としてはポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンなどの絶縁性有機ポリマーを用いることも出来る。

また、保護膜は複数の材料からなる混合物であっても良い。例えば、吸湿材料と前記の半固形物の組み合わせでも良い。吸湿材料としては、炭酸カルシウム、合成ゼオライト、酸化バリウム、シリカゲル等を用いることが出来る。

また、保護膜は遮光性の高い物質からなる層を設けるか、混入する形としても良い。遮光性の高い物質が導電性である場合や層を設ける場合には、第２基板のソース電極、ドレイン電極がない側に設ける。

保護膜による封止能力を高める観点では、貼り合わせ後に周囲を接着して外気を遮断するのが効果的である。接着手段は特に規定するものではないが、有機半導体膜にダメージを与えないようにするためには、熱ストレスや接着による雰囲気変化などに留意する必要がある。ＵＶ硬化樹脂等の各種接着剤を適宜使用すれば良く、当該業者には容易に選定できるものである。

本発明の第１基板としては、シリコンウエハやガラスなどの無機材料や、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリイミド、ポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどの高分子材料などから選択することが可能である。基板に要求される項目としては、平坦性、強度、耐熱性、熱膨張係数、コストなどの観点から適宜用途に応じて選択することが可能である。

本発明の第２基板としては、各種高分子材料を用いることが出来る。例えば、ナイロン、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、エチレン・酢酸ビニル共重合体、二軸延伸ポリプロピレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレンなどである。また、酸素バリア性を向上させるため塩化ビニリデンを被覆したものや、遮光性を向上させるためアルミニウムを蒸着したものを用いても良い。その際は、有機半導体膜と接する面を絶縁材料とすれば良い。

また本発明の第２基板としては、保護膜との密着力を調整するため、保護膜と接する面に対しては親保護膜性を、保護膜と接しない面に対しては疎保護膜性を付与することが重要である。調整手段としては、プラズマ処理、オゾン処理、ＵＶ処理などの各種表面処理を行うことや、接着層などの新たな機能付加を行うことが出来る。

第２基板に対してソース電極、ドレイン電極、保護膜を形成するプロセスの順は、電極が先でも保護膜が先でもよい。保護膜を先に形成する場合には、膜厚や材質を調整することで電極を形成する際の親疎水性塗り分けの効果をもたらすことが可能である。

本発明における第２基板と保護膜の違いは、第２基板が基材として単独で形状を保持しうるのに対し、保護膜は基材の存在なしに形状を保持できないという違いで分離することにする。換言すれば第２基板と保護膜とでは厚さが異なり、材質により異なるが、第２基板は概ね２５μｍよりも厚いものを、保護膜は２５μｍより薄いものが好ましい。

また、本発明の第１基板は、２枚の第２基板を用いて挟み込むことが出来る（図１１）。この場合、ラミネートとして知られる熱溶着を行うことが可能になる。
本発明の有機半導体膜としては、ペンタセン、テトラセン、アントラセンなどのπ共役電子を持つオリゴマーやポリチオフェン、ポリアセン、ポリアセチレン、ポリアニリン等の有機半導体ポリマーなどから適宜選択することが可能である。

本発明のゲート絶縁膜としてはＳｉＯ₂ ，Ａｌ₂ Ｏ₃ ，Ｔａ₂ Ｏ₅ などの無機酸化物や、Ｓｉ₃ Ｎ₄ などの窒化物を用いることが出来る。ゲート絶縁膜は、オン抵抗を下げ、ドレイン電流を増大するためには高誘電率材料であることが望ましい。また、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチレンなどの絶縁性有機ポリマーを用いることも出来る。

本発明のゲート電極、ソース電極、ドレイン電極としては、金、銀、白金などの貴金属や銅、アルミニウムなど導電率が高い材料を含む導電性ペースト材料を用いることが出来る。また、導電性ポリマーを用いてこれらの電極を形成することも出来る。粘度を印刷に適した範囲に調合するために、バインダーとしてポリエステルなどのポリマーや希釈溶剤などを適宜混合することができる。

本発明の有機薄膜トランジスタの動作手順は図３に示した従来のものと同じである。すなわち、ソース電極を接地し、ドレイン電極にドレイン電圧Ｖｄｄを印加した状態で、ゲート電極にしきい値電圧Ｖｔｈを超える電圧を印加する。この時、ゲート電極からの電界によって有機半導体膜の導電率が変化し、ソース電極とドレイン電極間に電流が流れる。ゲート電圧によってスイッチのようにソース電極とドレイン電極間の電流をオンオフすることが出来る。

図４から１０は、本発明の有機薄膜トランジスタの製造方法を示す模式図である。図４において、４０１は基板（第１基板）、４０２は導体膜である。基板４０１と導体膜４０２は、例えばガラスエポキシ基板と銅箔の組み合わせで一体となったものがプリント回路基板として流通しており、今回は基板厚さ０．２ｍｍ、導体膜である銅箔の膜厚３５μｍのものを使用した。また、基板に対し両面に導体膜を配した形態のものが多いが、本発明の説明上不要なため省略している。

次に、導体膜に対しパターニングを施し所望のゲート形状に加工する。加工手段としてはドライフィルムを利用したリソグラフィ技術によるマスク形成と、導体膜のウエットエッチングによる形状転写を用いることが出来る。図５は配線形状に加工した後の状態を示す。４０２がゲート電極となる導体膜である。ウエットエッチ後に、この導体膜部分を化学機械研磨ＣＭＰで研磨を行い、本発明を実施する上で必要な表面荒さの調整を行う。

図６は、ゲート電極となる導体膜４０２上にゲート絶縁膜４０３を形成した状態を示す。ゲート絶縁膜４０３の形成にはマグネトロンスパッタを用いた。成膜領域はシャドーマスクで規定する。材料はＡｌ２Ｏ３である。膜厚は２５０ｎｍである。

図７は、ゲート絶縁膜４０３上に有機半導体膜４０４を形成した状態を示す。有機半導体膜４０４の形成には蒸着を用いた。成膜領域はシャドーマスクで規定する。材料は昇華精製したペンタセンである。膜厚は１５０ｎｍである。

図８は、第２基板４０８と接するようにソース電極４０５とドレイン電極４０６を設けた状態を示す。第２基板４０８はポリエチレンで厚さは１５０μｍである。ソース電極４０５およびドレイン電極４０６の形成にはスクリーン印刷を用いた。材料は銀８０％含有のペーストである。膜厚は４０００ｎｍである。代表的なゲート長、ゲート幅はそれぞれ４００μｍ、４ｍｍである。スクリーン印刷後にクリーンオーブンで１５０℃、１時間の熱処理を行い銀ペーストを焼成した。焼成後の比抵抗は２×１０^-5Ωｃｍである。

図９は、ソース電極４０５とドレイン電極４０６を設けた第２基板４０８上に保護膜４０７をソース電極４０５とドレイン電極４０６のない領域に塗布した状態を示す。保護膜４０７はソース電極４０５とドレイン電極４０６の間隔を完全に埋め尽くすのではなく隙間を残して塗布されている。保護膜４０７は信越シリコーンのシリコン真空グリスで、重ね合わせ前の厚さは２０μｍである。また、保護膜４０７の塗布にはディスペンサを用いた。

図１０は、有機半導体膜４０４を覆うようにソース電極４０５、ドレイン電極４０６および保護膜４０７および第２基板４０８を重ね合わせした後の状態を示す。重ね合わせ後は図１０に示すように、保護膜４０７は半固形物であることから変形しながら有機半導体膜４０４およびソース電極４０５、ドレイン電極４０６が形成する起伏を埋める。このため、重ね合わせ時の印加圧力が特定の電極部分に集中することがないため、有機半導体膜に対して低い応力しかかからない。しかも、電極形成に用いる貴金属を含むペーストは粒径が大きく起伏に富むため電極と有機半導体膜との接触面積が実効的に大きい。このため、接触抵抗は小さくなり、良好なオーミックコンタクトが得られる。従って、半導体素子としての特性を損なうことや、素子の破壊をまねくことなくＴＥ構造のトランジスタを形成することが可能になる。ＴＥ構造の有機薄膜トランジスタはＢＥ構造のものと比べ有機半導体膜の結晶成長を阻害する要因がゲート絶縁膜上にないため高品位の有機半導体膜が得られ、結果として高い移動度を持つ良好なトランジスタ特性が得られる。さらには保護膜４０７により封止効果が得られるため雰囲気に敏感な有機半導体膜が外気にさらされることがなくなり、素子の特性が安定化する。

図５の研磨工程まで終了した基板は、カードサイズ（８６ｍｍ×５４ｍｍ）に切り出される。この基板を図６以降の工程を行ってトランジスタ素子を完成させた。完成後にトランジスタ素子のＤＣ特性を半導体パラメータアナライザ（ＨＰ４１５５Ｂ）で測定した。テストに用いたパターン形状は、同一サイズのトランジスタ素子が切り出した１枚の基板上に１２０個並ぶものである。

移動度は、下記の式（１）に従って算出した。

ここで、Ｃｉはゲート絶縁膜の１×１ｃｍ² の静電容量である。Ｗ、Ｌはそれぞれ実施例で示したチャネル長およびチャネル幅である。移動度はｃｍ²／Ｖｓで示すことができる。

その結果、移動度が概ね０．７ｃｍ² ／Ｖｓの優れたトランジスタ特性が得られた。また、長期にわたり安定したトランジスタ特性が得られたことで有機半導体膜が大気にさらされることなく封止が効いていることを確認できた。

ＴＥ構造の実現手段を確認する意図から、出来上がったカードサイズ基板上のトランジスタ素子を第１基板側と第２基板側に引き剥がす実験を行った。ソース電極及びドレイン電極は第２基板上に形成したことから、引き剥がした後も第２基板上にこれらの電極と電極の残骸が多数残ることが確認された。従って，ソース電極およびドレイン電極の第２基板に対する付着力が第１基板に対する付着力よりも強いことを実験的に確認することが出来た。

比較例１

比較例として、ソース電極及びドレイン電極がＢＥ構造である点以外は条件を揃えた素子を作成し、トランジスタ素子のＤＣ特性の評価を行った。ＢＥ構造であるトランジスタを作成する場合には，ゲート絶縁膜を成膜後、ソース電極及びドレイン電極をゲート絶縁膜上にスクリーン印刷で作成した。次に有機半導体膜としてペンタセンを成膜した後、第２基板上に保護膜として真空グリスを塗布したものを保護膜と有機半導体膜が接するように重ね合わせて素子を完成させた。

その結果、移動度が概ね０．２ｃｍ² ／Ｖｓに揃ったトランジスタ特性が得られた。封止効果によりトランジスタ特性のばらつきは少ないものの、ＢＥ構造であるため移動度がＴＥ構造の半分以下となった。トランジスタ特性が現行普及しているアモルファスシリコンよりはるかに劣るため、使用できるアプリケーションが限定されることが予想される。

第１基板１０１を２枚の第２基板１０８，１０９で挟み込んでラミネートする以外には実施例１と同じ構成で作成した有機薄膜トランジスタの評価を行った。断面模式図は図１１である。第２基板１０８，１０９はポリエチレン・ポリエステル・ＥＶＡからなる１５０μｍ厚のフィルムを用いた。第２基板１０８は、ソース電極１０５とドレイン電極１０６をあらかじめスクリーン印刷で形成し、１５０℃、１時間のクリーンオーブン加熱を施したものを使用している。半固形物である真空グリス１０７をディスペンスし、７０℃でクリーンオーブン加熱をして第２基板側に対する密着力を上げている。また、周囲にはグリスが付着しない領域を設けてヒートシールが可能な構造としている。

実施例１と同様にして薄膜トランジスタ素子を作成した。ラミネートには市販されているラミネータ（株式会社アスカ製、Ａｓｍｉｘ）を用いた。静特性を半導体パラメータアナライザで測定した。第２基板１０８上にソース電極とドレイン電極を形成し貼り合せによってＴＥ構造を実現したトランジスタ素子では、移動度が概ね０．７ｃｍ² ／Ｖｓの優れたトランジスタ特性が得られた。

ＴＥ構造の実現手段を確認する意図から、出来上がったカードサイズ基板上のトランジスタ素子を第１基板と２枚の第２基板に引き剥がす実験を行った。実施例１と異なり、ヒートシールにより２枚の第２基板を接着していることから、第２基板同士を分離することで、第１基板からの引き剥がしは容易に行うことが出来た。ソース電極及びドレイン電極は第２基板１０８上に形成したことから、引き剥がした後も第２基板１０８上にこれらの電極と電極の残骸が多数残ることが確認された。従って，ソース電極およびドレイン電極の第２基板に対する付着力が第１基板に対する付着力よりも強いことを実験的に確認することが出来た。

比較例２

ソース電極及びドレイン電極がＢＥ構造である点以外は実施例２と条件を揃えた素子を作成し、トランジスタのＤＣ特性を比較した。ＢＥ構造であるトランジスタを作成する場合には，ゲート絶縁膜を成膜後、ソース電極及びドレイン電極をゲート絶縁膜上にスクリーン印刷で作成した。次に有機半導体膜としてペンタセンを成膜した後、第２基板上に保護膜として真空グリスを塗布したものを保護膜と有機半導体膜が接するように重ね合わせてトランジスタを形成する。さらにラミネート処理を実施例２と同様に行い素子を完成させた。その結果、移動度が概ね０．２ｃｍ² ／Ｖｓに揃ったトランジスタ特性が得られた。封止効果によりトランジスタ特性のばらつきは少ないものの、ＢＥ構造であるため移動度がＴＥ構造の半分以下となった。トランジスタ特性が現行普及しているアモルファスシリコンよりはるかに劣る結果となった。

保護膜として、絶縁膜と前記半固形物である真空グリスとの組み合わせからなる積層物とした以外には実施例１と同じ構成で作成した有機薄膜トランジスタの評価を行った。絶縁膜は無機酸化物である１μｍ厚のＳｉＯ₂ である。第２基板はポリエチレン・ポリエステル・ＥＶＡからなるフィルムで厚さは１５０μｍである。この第２基板に対して、マグネトロンスパッタ装置を用いてＳｉＯ₂ 膜をリアクティブスパッタで成膜した。Ａｒに対する酸素の混合比は５％、放電圧力は０．４Ｐａである。さらに第２基板１０８は、ソース電極１０５とドレイン電極１０６をスクリーン印刷で形成し、１５０℃１時間のクリーンオーブン加熱を施したものを使用している。

実施例１と同様にして薄膜トランジスタ素子を作成した。断面模式図は図１２であり、実施例１の図１と比べ酸素バリア膜ＳｉＯ₂ （図１２の絶縁膜１１０）と真空グリス（図１２の１０７）の積層構造となっている。トランジスタの静特性を半導体パラメータアナライザで測定した。第２基板１０８上にソース電極とドレイン電極を形成し貼り合せによってＴＥ構造を実現したトランジスタ素子では、移動度が概ね０．７ｃｍ² ／Ｖｓの優れたトランジスタ特性が得られた。

比較例３

ソース電極及びドレイン電極がＢＥ構造である点以外は実施例３と条件を揃えた素子を作成し、トランジスタのＤＣ特性を比較した。ＢＥ構造であるトランジスタを作成する場合には，ゲート絶縁膜を成膜後、ソース電極及びドレイン電極をゲート絶縁膜上にスクリーン印刷で作成した。次に有機半導体膜としてペンタセンを成膜した後、第２基板上に保護膜として真空グリスを塗布したものを保護膜と有機半導体膜が接するように重ね合わせて素子を完成させた。その結果、移動度が概ね０．２ｃｍ² ／Ｖｓに揃ったトランジスタ特性が得られた。封止効果によりトランジスタ特性のばらつきは少ないものの、ＢＥ構造であるため移動度がＴＥ構造の半分以下となった。トランジスタ特性が現行普及しているアモルファスシリコンよりはるかに劣る結果となった。

保護膜として、複数の異なる材料の混合物とした以外には実施例１と同じ構成で作成した有機薄膜トランジスタについて、保護膜のありなしによる重ね合わせ後のトランジスタ特性の評価を行った。第２基板１０８は、ソース電極１０５とドレイン電極１０６をあらかじめスクリーン印刷で形成し、１５０℃、１時間のクリーンオーブン加熱を施したものを使用している。混合物は、吸湿材料である炭酸カルシウムと前記半固形物である真空グリスからなる。信越シリコーン製の真空グリス中に炭酸カルシウムを１０ｗｔ％混入し、充分に攪拌したものをディスペンスし、７０℃で窒素雰囲気中で加熱をして第２基板側に対する密着力を上げている。

実施例１と同様にして薄膜トランジスタ素子を作成した。断面模式図は図１３であり、実施例１の図１と比べ吸湿材料である炭酸カルシウム（図１３の１１１）が半固形物である真空グリス中に追加されている。トランジスタの静特性を半導体パラメータアナライザで測定した。第２基板１０８上にソース電極とドレイン電極を形成し貼り合せによってＴＥ構造を実現したトランジスタ素子では、移動度が概ね０．７ｃｍ² ／Ｖｓの優れたトランジスタ特性が得られた。

比較例４

ソース電極及びドレイン電極がＢＥ構造である点以外は実施例４と条件を揃えた素子を作成し、トランジスタのＤＣ特性を比較した。ＢＥ構造であるトランジスタを作成する場合には，ゲート絶縁膜を成膜後、ソース電極及びドレイン電極をゲート絶縁膜上にスクリーン印刷で作成した。次に有機半導体膜としてペンタセンを成膜した後、第２基板上に保護膜として真空グリスを塗布したものを保護膜と有機半導体膜が接するように重ね合わせて素子を完成させた。その結果、移動度が概ね０．２ｃｍ² ／Ｖｓに揃ったトランジスタ特性が得られた。封止効果によりトランジスタ特性のばらつきは少ないものの、ＢＥ構造であるため移動度がＴＥ構造の半分以下となった。トランジスタ特性が現行普及しているアモルファスシリコンよりはるかに劣る結果となった。

第２基板に対し遮光性を向上するためにＡｌを成膜した以外には実施例１と同じ構成で作成した有機薄膜トランジスタについて、保護膜のありなしによる重ね合わせ後のトランジスタ特性の評価を行った。第２基板はポリエチレン・ポリエステル・ＥＶＡからなるフィルムで厚さは１５０μｍである。この第２基板に対して、保護膜を形成しない面に対して０．３μｍのＡｌ膜をマグネトロンスパッタ装置を用いて成膜した。成膜後の第２基板の透過率測定を３５０−１１００ｎｍの波長域で行うと５％以下であり全反射状態であった。第２基板１０８は、ソース電極１０５とドレイン電極１０６をあらかじめスクリーン印刷で形成し、１５０℃、１時間のクリーンオーブン加熱を施したものを使用している。

実施例１と同様にして薄膜トランジスタ素子を作成した。断面模式図は図１４であり、実施例１の図１と比べＡｌ遮光膜（図１４の１１２）が追加されている。トランジスタの静特性を半導体パラメータアナライザで測定した。第２基板１０８上にソース電極とドレイン電極を形成し貼り合せによってＴＥ構造を実現したトランジスタ素子では、移動度が概ね０．７ｃｍ² ／Ｖｓの優れたトランジスタ特性が得られた。

比較例５

ソース電極及びドレイン電極がＢＥ構造である点以外は実施例５と条件を揃えた素子を作成し、トランジスタのＤＣ特性を比較した。ＢＥ構造であるトランジスタを作成する場合には，ゲート絶縁膜を成膜後、ソース電極及びドレイン電極をゲート絶縁膜上にスクリーン印刷で作成した。次に有機半導体膜としてペンタセンを成膜した後、第２基板上に保護膜として真空グリスを塗布したものを保護膜と有機半導体膜が接するように重ね合わせて素子を完成させた。その結果、移動度が概ね０．２ｃｍ² ／Ｖｓに揃ったトランジスタ特性が得られた。封止効果によりトランジスタ特性のばらつきは少ないものの、ＢＥ構造であるため移動度がＴＥ構造の半分以下となった。トランジスタ特性が現行普及しているアモルファスシリコンよりはるかに劣る結果となった。

図２は本発明の保護膜形成プロセスをインラインで行う製造装置の模式図である。この装置ではラミネート用ヒータによりラミネートを行っているが熱溶着は本発明において必須ではない。図２において、５００は真空チャンバ、５０１は巻きだしロール、５０２は巻き取りロール、５０３はあいし巻きだしロール、５０４はあいし巻取りロール、５０５は図７の工程まで終了した第１基板、５０６は基板ヒータ、５０７は膜厚モニタ、５０８はラミネータ用ヒータ、５０９は成膜シャッタ、５１０と５１１は防着板、５１２は蒸着ソース、５１３は第２基板の巻きだしロール、５１４と５１５はテンションローラ、５１６は第２基板用のラミネートローラ、５１７は第２基板である。本例においては第２基板５１７は既にソース電極、ドレイン電極、半固形物からなる保護膜が既に形成された状態で巻き取られている。

真空チャンバ５００は図示しない真空排気用ポンプおよびバルブを通して、大気圧より低い真空度に保たれており、図７の工程まで終了した第１基板５０５は巻きだしロール５０１から巻き取りロール５０２へ向けて一定速度で搬送される。このとき、テンションローラ５１４，５１５が、第１基板の張り具合を調節する。また、基板面へのきず防止のためのあいしはあいし巻きとりローラ５０３に巻き取られる。

真空チャンバ内５００は図示しないゲートバルブを通りぬけて、防着板５１０，５１１で覆われた成膜空間へと導かれる。成膜空間の真空度は２×１０^-4Ｐａに保たれており、そこでは、必要なタイミングに応じてシャッタ５０９があけられ、蒸着源５１２から発生した有機半導体粒子が第１基板に付着する。成膜に際しては基板ヒータ５０６がオンになっており、所望の温度に基板をコントロールする。ペンタセンを用いて成膜をおこなった。蒸着速度は、膜厚モニタで管理されており、蒸着速度は毎秒０．９Å、基板温度は５０℃である。成膜したペンタセンの総膜厚は７０ｎｍである。

次に有機半導体膜の成膜が終了した基板５０５はラミネート用ヒータ５０８の近くを通り、第２基板の巻きだしローラ５１３から供給された第２基板５１７とともに密着ローラ５１６を通り抜け、圧着される。ラミネートヒータによる加熱で２枚の基板は溶着する。溶着後の基板は最終的には巻き取り前にあいし巻きだしローラ５０４から排出されてラミネートが終了して第１基板と第２基板が合体したものと一緒に巻き取りローラ５０２に巻き取られて工程が終了する。有機半導体膜は一切大気に触れることがなく、またラミネートの際にエアをかむこともなく本工程を経るとスムーズに実装工程へまわすことが可能になる。

本発明は、図１の構造に基づいて説明がなされているが、この構造のみに適用されるものではない。広く同じ課題に直面するケースに適用可能である。また、フィールド絶縁膜や保護膜やコンタクトビアなど本発明と直接関係ない部分について省略してある。

本発明の有機薄膜トランジスタは、移動度が良好で、素子のコンタクト性が良好で長期にわたり安定した性能を有するので、薄型ディスプレイや電子ペーパーの駆動回路、無線認証（ＲＦ−ＩＤ）のタグ、ＩＣカードなどの有機薄膜トランジスタとして利用することができる。

また、本発明の製造方法は、プラスチック基板を用いた有機薄膜トランジスタを製造する上で印刷技術を利用して、移動度が良好で、素子のコンタクト性が良好なＴＥ構造の有機薄膜トランジスタを安価に製造する方法として利用することができる。
また、本発明の製造装置は、上記の製造方法を実施する装置として利用することができる。

本発明の有機薄膜トランジスタの構造を示す模式図である。 本発明の実施例６に示す有機薄膜トランジスタの製造装置を示す模式図である。 従来技術の有機薄膜トランジスタの構造を示す模式図である。 本発明の有機薄膜トランジスタを作成するプロセスを示す模式図である。 本発明の有機薄膜トランジスタを作成するプロセスを示す模式図である。 本発明の有機薄膜トランジスタを作成するプロセスを示す模式図である。 本発明の有機薄膜トランジスタを作成するプロセスを示す模式図である。 本発明の有機薄膜トランジスタを作成するプロセスを示す模式図である。 本発明の有機薄膜トランジスタを作成するプロセスを示す模式図である。 本発明の有機薄膜トランジスタを作成するプロセスを示す模式図である。 本発明の実施例２に示す有機薄膜トランジスタの構造を示す模式図である。 本発明の実施例３に示す有機薄膜トランジスタの構造を示す模式図である。 本発明の実施例４に示す有機薄膜トランジスタの構造を示す模式図である。 本発明の実施例５に示す有機薄膜トランジスタの構造を示す模式図である。

符号の説明

１０１ 基板
１０２ 導体膜からなるゲート電極
１０３ ゲート絶縁膜
１０４ 有機半導体膜
１０５ ソース電極
１０６ ドレイン電極
１０７ 保護膜
１０８ 第２基板
１０９ 第２基板
１１０ 絶縁膜
１１１ 吸湿材料
１１２ 遮光膜
３０１ 基板
３０２ 導体膜からなるゲート電極
３０３ ゲート絶縁膜
３０４ 有機半導体膜
３０５ ソース電極
３０６ ドレイン電極
４０１ 基板
４０２ ゲート電極となる導体膜
４０３ ゲート絶縁膜
４０４ 有機半導体膜
４０５ ソース電極
４０６ ドレイン電極
４０７ 保護膜
４０８ 第２基板
５００ 真空チャンバ
５０１ 巻きだしロール
５０２ 巻き取りロール
５０３ あいし巻取りロール
５０４ あいし巻だしロール
５０５ 図７の工程まで終了した第１基板
５０６ 基板ヒータ
５０７ 膜厚モニタ
５０８ ラミネータ用ヒータ
５０９ 成膜シャッタ
５１０ 防着板
５１１ 防着板
５１２ 蒸着ソース
５１３ 第２基板の巻きだしロール
５１４ テンションローラ
５１５ テンションローラ
５１６ 第２基板用のラミネートローラ
５１７ ソース電極、ドレイン電極、保護膜が形成された第２基板

Claims (6)

1. 第１基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、有機半導体膜、ソース電極、ドレイン電極、保護膜、第２基板によって構成されている有機薄膜トランジスタであって、前記ソース電極およびドレイン電極の第２基板に対する付着力が第１基板に対する付着力よりも強いことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
2. 前記ソース電極およびドレイン電極の一方の面が第２基板と接しており、他方の面が有機半導体膜と接していることを特徴とする請求項１記載の有機薄膜トランジスタ。
3. 前記保護膜が半固形物を含有することを特徴とする請求項１記載の有機薄膜トランジスタ。
4. 第１基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、有機半導体膜、ソース電極、ドレイン電極、保護膜、第２基板によって構成されている有機薄膜トランジスタの製造方法であって、第１基板上にゲート電極、ゲート絶縁膜、ゲート電極、有機半導体膜を形成する工程と、第２基板上にソース電極、ドレイン電極、保護膜を形成する工程と、前記第１基板に形成された有機半導体膜の面と、第２基板に形成されたソース電極、ドレイン電極および保護膜の面とを重ね合わせる工程を有することを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
5. 前記第１基板に有機半導体膜を形成する成膜工程と、前記第１基板に形成された有機半導体膜の面と、第２基板に形成されたソース電極、ドレイン電極および保護膜の面とを重ね合わせる工程を連続的に行うことを特徴とする請求項４記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
6. 第１基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜、有機半導体膜、ソース電極、ドレイン電極、保護膜、第２基板によって構成されている有機薄膜トランジスタの製造装置であって、ゲート電極、ゲート絶縁膜、ゲート電極が形成されている第１基板に有機半導体膜を形成する手段と、該第１基板と、ソース電極、ドレイン電極、保護膜が形成されている第２基板とを重ね合わせる手段とを有し、かつ前記第１基板への有機半導体膜の成膜と、第１基板と第２基板との重ね合わせを連続的に同一装置内で行うことを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造装置。

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