JP2008519451A - 絶縁体及び半導体を共に形成するように有機材料をパターンニングする方法並びにそれによって形成されたデバイス - Google Patents

Abstract

電子デバイスを製作する方法は、硬化した状態で半導体材料を形成する前駆体の材料の層を形成すること、及び、その前駆体の材料を光に対して露出させることを含む。その前駆体は、光に対して露出されたエリアで絶縁体を、及び、その光に対して露出されなかったエリアで半導体を形成するために、その光の存在下で加熱される。その光は、好ましくは、可視の範囲にある。適切な前駆体は、例えば、その半導体としてのペンタセン（２０４）及び絶縁体としての６，１３−ペンタセンキノン（２０６）を形成するための６，１３−ジヒドロ−６，１３−（２，３，４，５−テトラクロロ−２，４−シクロヘキサジエノ）−ペンタセン（２０２）を含むこともある。その方法と一致して作られたデバイスもまた含まれる。

Description

この開示は、半導体技術に、及び、より詳しくは、同時に同じ前駆体において絶縁体及び半導体の両方を形成するように有機材料をパターニングするための方法、並びにこれらの方法を用いることによって形成されたデバイスに、関する。

有機エレクトロニクスは、ディスプレイの用途のための柔軟なアクティブマトリックスのバックプレーンを作る際に、用いられることもある。これらのバックプレーンは、それらは、有機材料を用いるが、回路及び、シフト抵抗器のような、電気的なデバイスを支持することが可能である（例えば、参照によってここに組み込まれた、Ｇｅｌｉｎｃｋ，Ｇ．Ｈ．ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔ．（２００４），３，１０６（非特許文献１）を参照のこと）。これらのアクティブマトリックスは、柔軟なディスプレイを得るために、電気泳動ディスプレイの効果と組み合わせられることもある（例えば、参照によってここに組み込まれた、Ｈｕｉｔｅｍａ，Ｈ．Ｅ．Ａ．ｅｔ ａｌ．，Ｐｒｏｃ．ＩＤＷ（２００３），１６６３−４（非特許文献２）を参照のこと）。有機半導体は、これらの用途のために提供されることもあるが、しかし、その有機半導体の材料は、トランジスタの所望の性能を得るように構造化されることが必要である。

その半導体の構造化は、複雑であると共に、しばしば多数のステップの工程を必然的に伴う。一般には、その工程は、その半導体の前駆体が、スピンコーティングによって設けられることを含む。そして、この前駆体は、加熱するステップの間に、その半導体へ転換される。この半導体は、その後、レジストを設けること、そのレジストを照明すること、及び、そのレジストを現像することによって、構造化される。これの後に、その半導体は、反応性イオンエッチ（reactive ion etch）（ＲＩＥ）のステップによって、局所的に取り除かれると共に、自由選択でそのフォトレジストが、取り除かれる。

代替の方法は、参照によってここに組み込まれた、Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．（２００３）１５，２０６６（非特許文献３）においてＡｆｚａｌｉ ｅｔ ａｌ．によって記載されたものである。Ａｆｚａｌｉは、感光性のペンタセンの前駆体を使用する。この方法の一つの不都合は、形成された光産物が、トランジスタの性能に否定的に影響を及ぼすということである。
Ｇｅｌｉｎｃｋ，Ｇ．Ｈ．ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔ．（２００４），３，１０６ Ｈｕｉｔｅｍａ，Ｈ．Ｅ．Ａ．ｅｔ ａｌ．，Ｐｒｏｃ．ＩＤＷ（２００３），１６６３−４ Ａｆｚａｌｉ ｅｔ ａｌ．，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．（２００３）１５，２０６６

電子デバイスを製作するための方法は、硬化した状態で半導体材料を形成するための前駆体の材料の層を形成すること、及び、光に対してその前駆体の材料を露出させることを含む。その前駆体は、光に対して露出されたエリアで絶縁体を、及び、その光に対して露出されなかったエリアで半導体を、形成するために、その光の存在下で加熱される。その光は、好ましくは、可視の範囲にある。適切な前駆体は、例えば、その半導体としてのペンタセン及び絶縁体としての６，１３−ペンタセンキノンを形成するために、６，１３−ジヒドロ−６，１３−（２，３，４，５−テトラクロロ−２，４−シクロヘキサジエノ）−ペンタセン（6,13-dihydro-6,13-(2,3,4,5-tetrachloro-2,4-cyclohexadieno)-pentacene）を含むこともある。その前駆体は、６，１３−ジヒドロ−６，１３−（２，３，４，５−テトラブロモ−２，４−シクロヘキサジエノ）−ペンタセン（6,13-dihydro-6,13-(2,3,4,5-tetrabromo-2,4-cyclohexadieno)-pentacene）、より大きいアセンの前駆体、及び／又は、非アセンの前駆体を含むこともある。

本開示のこれらの及び他の目的、特徴、及び利点は、添付する図面に関連して読まれるものである、それの例示的な実施形態の以下に続く詳細な説明から明らかなものになると思われる。

この開示は、以下に続く図を参照して、好適な実施形態の以下に続く記載を詳細に与えることにする。

本開示は、有機材料をパターニングするための効率的な方式を記述する。一つの好適な実施形態においては、ペンタセンが、パターニングされる。ペンタセンは、半導体材料であるが、その材料は、半導体の性能について多数の利点を有する。例えば、ペンタセンは、前駆体の形態で溶液から塗布され、且つ、次に、ペンタセンへ転換されると共に反応性イオンエッチ（reactive ion etch）（ＲＩＥ）との組み合わせで標準的なフォトリソグラフィー技術を使用することで構造化されることもある。そのＲＩＥエッチは、特に厄介なものであるが、ペンタセンが、実際にあらゆる実用的な溶剤に不溶性であるので、依然として必要とされる。

本開示は、（高い温度での）露光の下で、６，１３−ペンタセンキノンのような、酸化物が、ペンタセンの代わりに、その前駆体から形成されるという観察を使用する。６，１３−ペンタセンキノンは、半導体性ではない。このように、付加的なフォトレジストの堆積及び陳腐化した又は不必要なＲＩＥエッチ工程を行うことで、非晶質の透明な絶縁体の基材に埋め込まれた半導体性のペンタセンの島が、形成される方法が、与えられる。

半導体構造を製作するための方法は、図１−４を参照して、例示的に示される。今、同様の符号が、数個の図のいたるところで類似の又は同一の要素を識別する図面を具体的に詳細に参照すると、及び、図１を最初に参照すると、前駆体ペンタセン１０の層は、基板１２の方へスピンさせられる。前駆体１０は、６，１３−ジヒドロ−６，１３−（２，３，４，５−テトラクロロ−２，４−シクロヘキサジエノ）−ペンタセン、及び／又は、６，１３−ジヒドロ−６，１３−（２，３，４，５−テトラブロモ−２，４−シクロヘキサジエノ）−ペンタセンを含むこともあるが、それらは、オランダにおける、ＳＹＮＣＯＭ^ＴＭによって特別注文で作られたものであることもある。

基板１２は、その完成したデバイスの用途に依存して、半導体材料、透明な導電体、又は他の材料を含むこともある。前駆体材料１０が、好ましくは、液体の状態にあるので、材料１０は、スピンコーティングによって基板１２へ容易に塗布される；しかしながら、他の塗布の工程もまた、予期される。

図２及び３を参照すると、前駆体１０は、可視光の存在の下に加熱される；しかしながら、ＵＶ光又はＩＲ光もまた、使用することができる。加熱するステップの間に前駆体１０を光へ露出させることによって、ペンタセンへの前駆体ペンタセンの転換は、影響される。光２６（図３）は、半導体を加工する間に前駆体１０をパターニングするために、マスク２８によってマスクされることもある。これは、加工される同じ材料で絶縁性の構造と同時に形成されるものである半導体の構造を許容する。

この方法の間に、前駆体ペンタセンは、酸化物又はキノンへ、及び、特に６，１３−ペンタセンキノンへ、転換されるが、それは、ペンタセンの酸化された形態である。６，１３−ペンタセンキノンは、絶縁体であると共に導電性の又は半導体性の材料ではない。このようなものとしては、複数の利点を、これらの特質の結果として、提供することができるが、それら利点は、本開示の知見を備えた当業者には明らかであろう。

ペンタセンへの酸素の存在下における前駆体１０の転換を引き起こすための十分な熱は、十分な持続時間、言わば例えば少なくとも５秒又はそれより多くの間に、約摂氏１５０度より上の温度を加えることを含むこともある、転換のための他の方法、例えば、約１０秒の間における２００℃などもまた、用いられることもある。より高い温度は、他の電子デバイス又は材料に悪影響を有することもある。より高い又はより低い温度が、用いられることもあると共に、適用時間が、選択された温度に従って調節されることもある。周囲の酸素、又は、より多い若しくはより少ない濃度の酸素でさえも、その酸化物を形成するためには、十分である。付加的に、低い光の強度は、例えば、電球の光の強度（言わば、約５−６０ワット）は、ペンタセンへの前駆体１０の転換を変えるためには、十分である。初期の強度は、好ましくは、白色光について約０．１ｍＷ／ｃｍ^２と約１Ｗ／ｃｍ^２との間の範囲にある。ＩＲから可視を通じてＵＶまでの光の広い帯域が、その転換を提供するために、用いられることもある。

図４を参照すると、ペンタセン２０は、光が不在であったエリアに形成されると共に、６，１３−ペンタセンキノン２２は、光がその加熱するステップの間に存在したエリアに形成される。この方式では、半導体性のエリア２０（ペンタセン）及び絶縁性のエリア２２（６，１３−ペンタセンキノン）は、同じ層１１に同時に形成される。６，１３−ペンタセンキノンが、透明なものであると共に非晶質であり、且つ、このようにいずれのコントラストも与えない一方で、ペンタセンは、紫の色を備えた多結晶質の（よって、光散乱性の）膜を形成する。パターニングされたエリア２０及び２２は、トランジスタ、ダイオード、又は、さらには水平に配置されたコンデンサのような電子部品を形成するために、用いられることもある。他のデバイス及び構成部品もまた、この開示と一致して形成されることもある。

本開示と一致して、ペンタセン前駆体をパターニングすることは、製造業者が、レジストの構造化（及び除去）及びエッチング（例、ＲＩＥエッチ）を除去することを、並びに、その転換のステップ（例、前駆体からペンタセンへの）の間における単純なパターンの様式の照明でこれらを置き換えることを、許容する。本発明者等は、その温度の（加熱する）ステップの間における適度の光の強度での（白色光での、しかし、また可視（例、黄色光）、ＵＶ、又はＩＲでの）照明が、光の存在下で、（ペンタセンに至る）“通常の”レトロなディールス・アルダー（Diels-Alder）が、起こらないが、しかし、（半）導体の代わりに絶縁体である、ペンタセンの酸化された形態（６，１３−ペンタセンキノン）が、形成されるように、ペンタセンへのその前駆体ペンタセンの転換に影響することを見出してきた。

これは、本発明者等によって行われた実験で、図５−７において実証される。図５を参照すると、ペンタセン前駆体材料１０は、電子デバイス４０へとスピンさせられた。与えられたエリア４２は、熱板を使用することでその温度を上昇させる一方、白色光に対して露出された。その光の欠如では、ペンタセンが、エリア４４に形成される。エリア４４におけるペンタセンは、この事例では、紫の色を備えた多結晶性の（よって、光散乱性の）膜を形成した。エリア４２における６，１３−ペンタセンキノンは、その照明されたエリアに形成したが、透明な且つ非晶質のものであると共に、このようにいずれのコントラストも与えるものではない。

図６を参照すると、反射率対波数が、図５のエリア４２（“内側のスポット”）における材料について示される。矢印５０は、６，１３−ペンタセンキノン（キノン）についての関心のある点を指す。そのスペクトルは、エリア４２におけるスポットの内側における６，１３−ペンタセンキノンの形成を実証する。

図７を参照すると、反射率対波数が、図５のエリア４４（“外側のスポット”）における材料について示される。矢印５４は、６，１３−ペンタセンキノンについての関心のある点を指す。そのスペクトルは、エリア４４におけるスポットの外側における６，１３−ペンタセンキノンの形成を実証する。

本開示は、多数の異なるデバイス及び製造する手順において有用性を見出すこともある。重合体のトランジスタを製作するための一つの手順は、Ｇ．Ｈ．Ｇｅｌｉｎｃｋ ｅｔ ａｌ，Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，３，１０６−１１０に見出されることもある。この手順は、上に述べたような、前駆体ペンタセンの膜がスピンコーティングされるステップへ引き続き行われることもある。

今、ペンタセンの島が、そのキノンの非晶質の基材に埋め込まれる、トランジスタを作るための代替の方法を、一般的に記述することにする。図８を参照すると、ブロック１００において、表面又は基板が、ペンタセン前駆体の塗布のために用意される。これは、上に参照したようなＧ．Ｈ．Ｇｅｌｉｎｃｋ ｅｔ ａｌ．に概略が述べられた手順を含むこともある。ブロック１０２において、その前駆体は、その表面に形成される。これは、他の方法が、その用途に依存して、用いられることもあるとはいえ、その表面をスピンコーティングすることによって、行われることもある。

ブロック１０４において、その前駆体の層は、高い温度でマスクを通じて光に対して局所的に露出させられる。その光は、好ましくは、白色光又は黄色光であるが、しかしながら、ＵＶ又はＩＲを、同様にして使用することができる。一つの実施形態において、レーザー又はダイオードからのコヒーレントな光が、その投射された像の解像度を増加させるために、好適なものであることもある。他の像を生じさせる技術がまた、用いられることもある。

あるいは、ブロック１０６において、その前駆体材料は、光源（レーザー、赤外（ＩＲ）ランプ、など）によって局所的に加熱されるが、その光源は、その前駆体の部分を同時に露出させると共に加熱することもあり、このように６，１３−ペンタセンキノンを形成する。このステップは、照明されてないエリアにペンタセンを形成するために、通常の加熱するステップを必要とする。

いずれかの事例において、その前駆体の露出は、キノンが形成されるように酸素が存在する環境に最も良く適用される。いずれかの事例において、その前駆体の層を、約十分の数マイクロメートルの、又はより少ない、例、集積回路及びアクティブマトリックスディスプレイ、及び、特に、柔軟なディスプレイ及び重合体電子工学デバイスにおける使用に十分な、寸法の下まで、パターニングすることができる。

本開示が、ペンタセン及びそれの酸化物に関して記載されてきたが、しかし、ここにおける技術が、他の化合物、及び、例えば、光の存在下で酸化物７，１６−ヘプタセンキノンを形成する、７，１６−ジヒドロ−７，１６−（２，３，４，５−テトラクロロ−２，４−シクロヘキサジエノ）−ヘプタセン（7,16-dihydro-7,16-(2,3,4,5-tetrachloro-2,4-cyclohexadieno)-heptacene）のような、オリゴセンの群における化学物質へ拡張されることもあることは、理解されることである。さらには、より大きいアセン前駆体は、用いられることもある。その形成された絶縁体は、同様にして６，１３−ペンタセンのより大きい同胞の分子を含むこともある（これは、使用された出発の前駆体のタイプに依存する）。

今、好適な実施形態の化学的な図を、実例として記述することにする。図９を参照すると、本開示と一致した異なる状態を形成する前駆体の分子２０２が、実例として示される。分子２０２は、ハロゲン化された分子であると共に、好適なハロゲンは、塩素及び臭素（例、Ｘ＝Ｃｌ及び／又はＢｒ）である。テトラクロロが、好適なものであるとはいえ、全ての置換が、同じハロゲンであることは、必ずしも必要なことではない。図１０に示された別の構造が、また、用いられることもあると共に、同じ工程が、ここに記載したように使用される。

図９を参照して、第一の例において、分子２０２は、増加させられた温度（ΔＴ）の下で、ペンタセン２０４へ転換される。第二の例において、熱（ΔＴ）、光（ｈν）及び酸素（Ｏ_２）の存在において、前駆体２０２は、６，１３−ペンタセンキノン２０６のような、キノンを形成する。

有機材料をパターニングするための方法及びそれによって形成されたデバイスについての好適な実施形態（それら実施形態は、実例としてのものであると共に限定するものではないことが意図される）を記載してきたが、上の教示に照らして、当業者が変更及び変形をすることができることは、留意されることである。従って、添付された特許請求の範囲によって概略が述べられたような、ここに開示された実施形態の範囲及び主旨内における、変化が、開示された本開示の特定の実施形態において、なされることもあることは、理解されることである。特許法によって要求された詳細及び特殊性をこのように記載してきたが、特許証によって保護された、請求される及び望まれるものは、添付された特許請求の範囲において述べられたものである。

図１は、本開示の一つの実施形態と一致した、形成された前駆体の材料を有する基体の断面図である； 図２は、本開示の一つの実施形態と一致した、その前駆体の材料の選択的な露出用のマスクを有する図１の基体の断面図である； 図３は、本開示の一つの実施形態と一致した、その前駆体の材料の光に対する露出及び加熱の工程を示す図２の基体の断面図である； 図４は、本開示の一つの実施形態と一致した、絶縁体の部分及び半導体の部分の形成の後の図３の基体の断面図である； 図５は、本開示の一つの実験的な実施形態と一致した、絶縁体の部分及び半導体の部分を示す電子部品の上面図である； 図６は、本開示と一致した、図５の構造についての材料の特性を実証する分光写真を示す； 図７は、本開示と一致した、図５の構造についての材料の特性を実証する分光写真を示す； 図８は、本開示と一致した、半導体デバイスを製作するための方法のステップを示すブロック図である； 図９は、本開示の一つの態様と一致した、前駆体の材料についての例示的な化学構造並びに絶縁体及び半導体材料へのそれの形成を示す図である； 図１０は、本開示の一つの態様と一致した、代替の前駆体の材料についての例示的な化学構造を示す図である。

Claims (27)

1. 電子デバイスを製作する方法であって、
   硬化した状態で半導体材料を形成する前駆体の材料の層を形成するステップ；並びに
   光に対して露出されたエリアにおいて絶縁体を、及び、該光に対して露出されなかったエリアで半導体を、形成するように、光及び周囲の酸素の存在下で該前駆体を加熱するステップ：
   を含む、方法。
2. 前記加熱するステップは、可視の、ＵＶの、及び／又はＩＲの領域における光に対して前記前駆体の材料を露出させることを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記光は、約０．１ｍＷ／ｃｍ^２と１Ｗ／ｃｍ^２との間の強度を有する白色光を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記加熱するステップは、レーザーを使用することで、光及び熱に対して同時に前記前駆体の材料を露出させることを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記前駆体を加熱するステップは、摂氏１５０度よりも高く前記前駆体を加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記前駆体を加熱するステップは、前記光に対して露出されたエリアに酸化物を形成するように、酸素の存在下で前記前駆体を加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記前駆体は、ペンタセンの前駆体又はアセンの前駆体を含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記絶縁体は、キノンを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記キノンは、６，１３−ペンタセンキノン又はより大きい同胞の材料を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記半導体材料は、ペンタセンを含む、請求項１に記載の方法。
11. 光の存在下で前記前駆体を加熱するステップは、光源で、選択された領域において、前記前駆体を同時に加熱すると共に照明すること、及び、その後、照明されなかった領域に半導体を形成するように、前記前駆体を加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
12. 電子デバイスを製作する方法であって、
    硬化した状態で半導体材料を形成する前駆体の材料の層を形成するステップ；
    光に対して露出されたエリアで絶縁体を、及び、前記光に対して露出されなかったエリアで半導体を、同時に形成するためのパターンと一致して、光に対して前記前駆体の材料の部分を選択的に露出させる一方で前記前駆体を加熱するステップ
    ：を含む、方法。
13. 前記加熱するステップは、可視光に対して前記前駆体の材料を露出させることを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記加熱するステップは、可視の、ＩＲの、及び／又はＵＶの光の少なくとも一つへ前記前駆体の材料を露出させることを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記前駆体を加熱するステップは、少なくとも５秒の間、摂氏１５０度よりも高く前記前駆体を加熱することを含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記前駆体を加熱するステップは、前記光に対して露出されたエリアに酸化物を形成するように、酸素の存在下で前記前駆体を加熱することを含む、請求項１２に記載の方法。
17. 前記前駆体は、ペンタセンの前駆体又はアセンの前駆体の一つ以上を含む、請求項１２に記載の方法。
18. 前記絶縁体は、６，１３−ペンタセンキノンを含む、請求項１２に記載の方法。
19. 前記半導体材料は、ペンタセンを含む、請求項１２に記載の方法。
20. 前記加熱するステップは、光源で、選択された領域に、前記前駆体を同時に加熱すると共に照明すること、並びに、その後、照明されなかった領域に半導体を形成するように、前記前駆体を加熱することを含む、請求項１２に記載の方法。
21. 加熱する工程の間に同じ前駆体の材料から形成された、半導体材料及び絶縁体材料を含む少なくとも一つの層：を含む、半導体デバイスであって、
    該半導体材料は、該加熱する工程によって形成されると共に、該絶縁体は、該加熱する工程及び可視光に対する露出によって選択的に形成される、半導体デバイス。
22. 前記前駆体の材料は、６，１３−ジヒドロ−６，１３−（２，３，４，５−テトラクロロ−２，４−シクロヘキサジエノ）−ペンタセン、及び／又は、６，１３−ジヒドロ−６，１３−（２，３，４，５−テトラブロモ−２，４−シクロヘキサジエノ）−ペンタセンの一つ以上を含む、請求項２１に記載の半導体デバイス。
23. 前記半導体デバイスは、電子部品を含む、請求項２１に記載の半導体デバイス。
24. 前記可視光は、白色光又は黄色光を含む、請求項２１に記載の半導体デバイス。
25. 前記半導体材料は、ペンタセンを含む、請求項２１に記載の半導体デバイス。
26. 前記絶縁体材料は、ペンタセンキノンを含む、請求項２１に記載の半導体デバイス。
27. 前記ペンタセンキノンは、６，１３−ペンタセンキノンを含む、請求項２６に記載の半導体デバイス。
    

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