JP2007311442A - 有機薄膜トランジスタおよびその製造装置と製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】キャリア移動度の大きいＴＦＴにより、トランジスタのスイッチング速度を高速化する。
【解決手段】有機薄膜トランジスタの製造装置１００は、半導体材料２を塗布する塗布装置５０と、塗布装置を収容する容器１５とを有する。容器内にガス導入装置１２から酸化防止のガスが導入される。塗布した半導体材料を光照射装置２０で発生しフィルター２１を経た光２２で乾燥させる。有機薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１は、ステージ１０上に載置される。ＴＦＴの上面に、ドレイン電極４とソース電極５の膜を形成する。ドレイン電極とソース電極に同一波長の光を照射すると、これにより、有機薄膜トランジスタ上面に温度分布を発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、有機薄膜トランジスタおよびその製造装置と製造方法に関する。

液晶や有機ＥＬ素子を用いた薄型表示装置では、画素駆動素子としてアモルファスシリコンや多結晶シリコン等の無機半導体を用いた薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと称す）が使用されている。ＴＦＴを製造するに際しては、プラズマ化学気相成長（ＣＶＤ）装置やスパッタ装置を用いて、半導体層や電極を形成している。しかし、ＴＦＴにさらなる低コスト化やフレキシブル化が求められており、インクジェットやスクリーン印刷等の手法により有機半導体を塗布してＴＦＴを製造することが検討されている。

このようなＴＦＴの製造方法の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の無機ＴＦＴの製造方法では、無機ＴＦＴのキャリア移動度を高めるために半導体層にマスクをして局所的にレーザー光を照射している。このマスクにより、半導体内部に非一様な温度分布が発生し、結晶粒径が調節される。

特開２００１−３４５２６７号公報

上記特許文献１に記載のＴＦＴの製造方法においては、有機絶縁膜を塗布した後に絶縁膜層をクリーンオーブンやホットプレートを用いて加熱している。この方法では、液体を塗布した直後に加熱することが望ましいが、塗布直後は液が流動するので装置間を移動させることは困難である。また、マスク等を用いて加熱しているが、パターンごとにマスクが必要となり、異なるパターンを作成するときには、マスクの費用が嵩む。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、塗布方式で
ＴＦＴを製造する際に、塗布膜での結晶成長を制御可能にすることにある。本発明の他の目的は、有機ＴＦＴの生産効率を向上させることにある。本発明のさらに他の目的は、有機ＴＦＴの生産の信頼性を向上させることにある。そして本発明は、これら目的の少なくともいずれかを達成することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の特徴は、基板上に絶縁層が形成され、ソース電極とドレイン電極と半導体層を有し、ソース電極とドレイン電極との間に半導体層が形成された有機薄膜トランジスタにおいて、ソース電極とドレイン電極の材料は異なる材料で構成されており、ソース電極とドレイン電極に同一波長の光を照射したときに異なる温度上昇を示すことにある。そしてこの特徴において、ソース電極の材料をＣｕとし、ドレイン電極の材料をＡｇとし、照射する光の波長を０.４μｍ 近傍とするのがよい。

上記目的を達成する本発明の他の特徴は、有機薄膜を有する基板に半導体材料を塗布する塗布装置と、この塗布装置を収容し密閉状態に形成される容器と、この容器内を封止するガスを容器に導入するガス導入装置と、基板を載置する基板載置手段とを有する有機薄膜トランジスタの製造装置において、容器内に基板に塗布した半導体材料を乾燥させる光を照射する光照射装置を設け、この光照射装置は実質的に均一な波長の光を塗布装置が半導体材料を塗布した後の基板上に照射可能であり、この均一光を照射した半導体材料に温度勾配を発生させるものである。

そしてこの特徴において、基板の上面にソース電極とドレイン電極とが形成された有機薄膜トランジスタを製造する有機薄膜トランジスタの製造装置であって、ソース電極とドレイン電極の材料は、銀，銅，クロム，アルミニウム，ニッケルのいずれかであり、ソース電極とドレイン電極の材料は互いに異なるのが好ましい。また、光照射装置が照射する光の波長は、半導体材料に吸収される割合よりも反射される割合が多い波長であるのがよく、光照射装置が照射する光の波長は、ソース電極とドレイン電極とおいて、一方は反射率が吸収率よりも大きく、他方は吸収率が反射率よりも大きいことが好ましい。さらに、光照射装置は、光を発生するランプと、このランプで発生した光を均一波長に揃えるフィルターとを有し、均一化した光を基板上に照射して半導体材料に温度勾配を発生させるものであってもよい。または、光照射装置は、キセノンランプと高圧水銀ランプと低圧水銀ランプの少なくともいずれかのランプであり、このランプはほぼ均一な特定波長の光を照射可能であってもよい。

上記目的を達成する本発明のさらに他の特徴は、基板上にソース電極およびドレイン電極、半導体層を有する有機薄膜トランジスタの製造方法において、基板を密封容器内に搬送し、搬送した基板に半導体層を塗布手段を用いて塗布し、半導体層が塗布された基板に実質的に均一な波長の光を照射して半導体層に温度勾配を発生させるものである。そしてこの特徴において、有機薄膜トランジスタのドレイン電極とソース電極を異なる金属材料で構成し、この異なる金属材料に実質的に均一な光を照射したとき反射率が異なるのがよく、有機薄膜トランジスタの基板がフィルム状のシートであり、この基板を密封容器内に配置した複数のローラーで搬送可能にしてもよい。

本発明によれば、半導体膜を塗布した後の半導体膜の乾燥工程において、塗布した半導体材料が温度勾配を発生した状態で乾燥させるので、結晶成長を制御できる。その結果、有機ＴＦＴの生産効率が向上する。また、結晶成長を温度勾配で制御しているので、複雑かつ高価な装置が不要となり、生産の信頼性が向上する。

以下、本発明に係る有機薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）１の製造方法を、図面を用いて説明する。図１に、ＴＦＴ製造装置１００の一実施例の正面断面図を示す。ＴＦＴ１は、基板６上に、複数の薄膜層が堆積されて形成されている。基板６の直ぐ上には、ところどころにゲート電極３が形成されており、ゲート電極３の周囲にはゲート絶縁膜７が形成されている。これらのゲート関連薄膜上には、詳細を後述するように、ドレイン電極４やソース電極５，半導体層２が互いに異なる位置に形成されている。

ＴＦＴ１の下面は、ＴＦＴ１を載置するステージ１０で支持されている。ステージ１０には、ＴＦＴ１の温度を調節するための図示しない温度調節手段が備えられている。ステージ１０および基板６を、容器１５が収容しており、容器１５の内部を外気と遮断している。容器１５の内部を、基板６の表面に処理する各種半導体材料と反応しない窒素等のガス１４が満たしている。容器１５にはこのガスを導く導入口が形成されており、この導入口にガスボンベ１２が流量調節弁１３を介して接続されている。流量調節弁１３は、容器１５に導入するガス量を調整するのに用いられる。

基板６の上方であって容器１５内の中頃には、基板６の表面に半導体膜２を塗布するのに用いる塗布装置５０が設けられている。また、容器６の内部であって上方には、基板６に塗布した半導体を乾燥させる複数のランプ２０が取り付けられている。ランプ２０の近くであって基板６の上方には、ランプ２０から放射された光の波長を制御するフィルター２１が設けられている。このフィルター２１は、ランプ２０で発光した光２２をＴＦＴ１全体に均一に照射する役目も果たす。なお、基板６は、半導体層２が塗布されていない状態で、容器１５の側面に設けた搬送扉１６から、図示しない搬送手段を用いてステージ
１０上に搬送される。

このように構成したＴＦＴ製造装置１００を用いて、ＴＦＴ１を製造する方法を、以下に説明する。ＴＦＴ１を製造する際には、半導体の塗布装置５０から塗布液を放出して基板６上に半導体膜２を塗布する。このときステージ１０の温度を、基板６に塗布された半導体膜２が乾燥しない温度か、または乾燥の進みが遅くなる温度とする。基板６上に半導体膜を２塗布したら、ステージ１０が備える温度制御手段を用いてステージ１０の温度を昇温させる。さらに、ランプ２０を点灯して、ＴＦＴ１上に均一化した光２２を照射する。

このとき、ドレイン電極４とソース電極５の材質、これら電極４，５に照射する光２２の波長を適宜選択する。そして、ステージ１０の温度を調整し、半導体層の温度勾配と平均温度を制御して、キャリア移動度の大きいＴＦＴ１を製作する。マスクレスで、ドレイン電極４およびソース電極５を作成する詳細を、図２および図３を用いて説明する。

図２に、図１に示した容器１５の内部を示す。上述したように、ＴＦＴ１は、基板６と、この基板６上に形成されたゲート電極３およびゲート絶縁膜７と、ゲート絶縁膜７のさらに上面に形成されたドレイン電極４およびソース電極５、半導体層２とを有している。図３に、図２の上面図を示す。予め別工程で半導体層２が塗布されており、乾燥工程に入る状態にある。

図３に示すように基板６上には、碁盤目状にほぼ矩形の半導体層２が配置されている。図３で半導体層２の右隣には、これもほぼ矩形状に形成され僅かに半導体層２より大きいソース電極５が形成されている。ソース電極５の右端側は、半導体層２と上下に重なり合っている。半導体層２の左端側には、上下方向に延び複数の半導体層２とその右端部で上下に重なるドレイン電極４が配置されている。

ところで本発明では、半導体層２が塗布された後の乾燥工程で、半導体層２に温度勾配を形成することを特徴としている。そのため、ＴＦＴ１の上方に配置したランプ２０から放射された光をフィルター２１に通し、このフィルター２１で波長を制御する。フィルター２１で波長を制御された光２２は、ＴＦＴ１全体に均一に照射される。

均一化した光２２により、温度勾配を発生させるために、ドレイン電極４とソース電極５を異なる金属材料で形成する。本実施例では、フィルター２１から照射される光２２の波長を０.４μｍ 近傍に設定し、ドレイン電極４をＡｇ、ソース電極５をＣｕで形成した。図４に、各金属材料の波長と反射率の関係を示す。反射率１００％は全反射の状態であり、反射率０％は全吸収状態である。

波長０.４μｍ の光は、Ｃｕ材料では７０％程度吸収されるが、Ａｇ材料では１０％程度しか吸収されない。したがって、波長０.４μｍ の光を用いると、Ｃｕ材料では吸収が大きくなりＣｕ材料の温度が大幅に上昇する。この同じ波長０.４μｍ の光をＡｇ材料に照射すると、吸収が小さくＡｇ材料の温度の上昇は小さい。このようにドレイン電極４とソース電極５の材質、および照射する光２２の波長と強度を調整すれば、半導体層２の両端の温度差を制御することができる。同時に、ＴＦＴ１を載置するステージ１０の温度も制御すれば、半導体層２の平均温度を調整することができる。

半導体膜２の材料にペンタセンを用いたときには、半導体膜２の乾燥を遅らせるために、半導体膜２の温度を１５０℃以下にする。さらに、上記方法で半導体膜２に温度勾配を発生させるために、ドレイン電極４をＡｇ、ソース電極５をＣｕで形成する。フィルター２１から照射される光２２の波長は、０.４μｍ 近傍とする。

このように構成したＴＦＴ１では、ドレイン電極４側が低温になり、ソース電極５側が高温になる。ステージ１０の温度を制御して、ドレイン電極４の温度を１５０〜１９０℃、ソース電極５の温度を２００℃程度とする。このような温度条件下では、結晶の成長が制御され、キャリア移動度の大きいＴＦＴ１を製造できる。なお、温度条件はＴＦＴ１のサイズにより変化する。

ところで、ペンタセンに０.４μｍ 以下の波長の紫外光を照射すると、劣化することが知られているので、フィルター２１から照射する光２２の波長を、０.４μｍ 以上の長さにする。本実施例では、ランプ２０とランプ２０から放射された光の波長を制御するフィルター２１とを設け、半導体膜２に照射する光２２の波長を調整したが、キセノンランプや、高圧水銀ランプ、低圧水銀ランプ等の予め定められた波長を照射するランプを用いれば、フィルター２１が不要となる。ただしその場合、ランプ２０の波長に適合したソース電極５およびドレイン電極４の材料を選ぶ必要がある。

図５に、本発明に係るＴＦＴ１の製造装置の他の実施例を、正面断面図で示す。本実施例が図１に示した実施例と相違するのは、図１の実施例では固定ステージ１０を用いていたのに対し、本実施例では基板６を移動可能な搬送用ローラー１１を備えることにある。搬送用ローラー１１は、基板６の下面を支持する基板６の幅より軸長の長いローラーであり、基板６の下側に複数本配置されている。半導体の塗布装置５０はランプ２０とともに容器１５の上部に取り付けられており、基板６の移動方向に併置されている。基板６を容器１５内で搬送可能にしたので、基板６として、フィルム状のシートを使用できる。

図示を省略したが、容器１５の左側では、フィルム状に形成された基板６が繰り出しリールに巻かれており、容器１５の右側では処理を終えた基板６が巻き取りリールに巻かれている。図示しないローラー駆動手段がローラー１１を駆動すると、フィルム状の基板６は、図５の左側から右側に移動する。そして、基板６が塗布装置５０の下方に到達すると、塗布装置５０から半導体材料が放出され、基板６上に半導体層２が塗布される。所定領域に半導体層２を塗布し終えたら、ローラー１１を駆動して塗布された半導体層２をランプ２０の下方に位置決めする。図１に示した実施例と同様の方法で、半導体層２を乾燥させる。乾燥を終えた半導体層２を有するＴＦＴ１は、巻き取りリール側に送られる。

本実施例では、有機薄膜トランジスタをフィルム状のシートに形成することができるので、連続処理が可能になる。また、図１に示した実施例では、塗布装置５０を用いて半導体材料を基板６上に塗布し、その後基板６全体を加熱して乾燥していたが、本実施例では塗布を終えたら搬送用ローラー１１を駆動して直ぐに乾燥工程に入ることができる。本実施例によれば、フィルム状のＴＦＴ１を製造することができ、ＴＦＴ１の製造タクトタイムが向上する。

上記各実施例によれば、ドレイン電極とソース電極の材質、およびこれら各電極に照射する光の波長を適切に選定することにより、半導体層の温度勾配と平均温度を自由に調整でき、半導体の乾燥工程を制御してキャリア移動度の大きいＴＦＴを製作することが可能となる。また、均一な波長の光を照射するだけで、温度勾配を発生できるので、容易に所望のＴＦＴを製造できる。

本発明に係る有機薄膜トランジスタの製造装置の一実施例の正面断面図である。 図１に示した製造装置で有機薄膜トランジスタを製造する方法を説明する図である。 本発明に係る有機薄膜トランジスタの一実施例の上面図である。 金属材料の光の反射率を説明するグラフである。 本発明に係る有機薄膜トランジスタの製造装置の他の実施例の正面断面図である。

符号の説明

１…有機薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）、２…半導体層、３…ゲート電極、４…ドレイン電極、５…ソース電極、６…基板、７…絶縁層、１０…ステージ、１１…搬送ローラー、１２…ガスボンベ、１３…流量調節弁、１４…ガス、１５…容器、１６…搬送扉、２０…ランプ、２１…フィルター、２２…光、５０…塗布装置、１００…ＴＦＴ製造装置。

Claims (11)

1. 基板上に絶縁層が形成され、ソース電極とドレイン電極と半導体層を有し、ソース電極とドレイン電極との間に半導体層が形成された有機薄膜トランジスタにおいて、前記ソース電極とドレイン電極の材料は異なる材料で構成されており、前記ソース電極とドレイン電極に同一波長の光を照射したときに異なる温度上昇を示すことを特徴とする有機薄膜トランジスタ。
2. 前記ソース電極の材料をＣｕとし、前記ドレイン電極の材料をＡｇとし、照射する光の波長を０.４μｍ 近傍としたことを特徴とする請求項１に記載の有機薄膜トランジスタ。
3. 有機薄膜を有する基板に半導体材料を塗布する塗布装置と、この塗布装置を収容し密閉状態に形成される容器と、この容器内を封止するガスを容器に導入するガス導入装置と、基板を載置する基板載置手段とを有する有機薄膜トランジスタの製造装置において、
   前記容器内に基板に塗布した半導体材料を乾燥させる光を照射する光照射装置を設け、この光照射装置は実質的に均一な波長の光を前記塗布装置が半導体材料を塗布した後の基板上に照射可能であり、この均一光を照射した半導体材料に温度勾配を発生させることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造装置。
4. 基板の上面にソース電極とドレイン電極とが形成された有機薄膜トランジスタを製造する有機薄膜トランジスタの製造装置であって、ソース電極とドレイン電極の材料は、銀，銅，クロム，アルミニウム，ニッケルのいずれかであり、ソース電極とドレイン電極の材料は互いに異なることを特徴とする請求項３に記載の有機薄膜トランジスタの製造装置。
5. 前記光照射装置が照射する光の波長は、半導体材料に吸収される割合よりも反射される割合が多い波長であることを特徴とする請求項３に記載の有機薄膜トランジスタの製造装置。
6. 前記光照射装置が照射する光の波長は、ソース電極とドレイン電極とおいて、一方は反射率が吸収率よりも大きく、他方は吸収率が反射率よりも大きいことを特徴とする請求項４に記載の有機薄膜トランジスタの製造装置。
7. 前記光照射装置は、光を発生するランプと、このランプで発生した光を均一波長に揃えるフィルターとを有し、均一化した光を基板上に照射して半導体材料に温度勾配を発生させることを特徴とする請求項３に記載の有機薄膜トランジスタの製造装置。
8. 前記光照射装置は、キセノンランプと高圧水銀ランプと低圧水銀ランプの少なくともいずれかのランプを有し、このランプはほぼ均一な特定波長の光を照射可能であることを特徴とした請求項３に記載の有機薄膜トランジスタの製造装置。
9. 基板上にソース電極およびドレイン電極、半導体層を有する有機薄膜トランジスタの製造方法において、前記基板を密封容器内に搬送し、搬送した基板に半導体層を塗布手段を用いて塗布し、半導体層が塗布された基板に実質的に均一な波長の光を照射して前記半導体層に温度勾配を発生させることを特徴とする有機薄膜トランジスタの製造方法。
10. 前記有機薄膜トランジスタのドレイン電極とソース電極を異なる金属材料で構成し、この異なる金属材料に前記実質的に均一な光を照射したとき反射率が異なることを特徴とする請求項９に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
11. 前記有機薄膜トランジスタの基板がフィルム状のシートであり、この基板を密封容器内に配置した複数のローラーで搬送可能にしたことを特徴とする請求項９に記載の有機薄膜トランジスタの製造方法。
    

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