JP2010109352A - Method of manufacturing semiconductor substrate and the semiconductor substrate obtained by the method - Google Patents

Method of manufacturing semiconductor substrate and the semiconductor substrate obtained by the method Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of efficiently manufacturing a semiconductor substrate that is formed of a semiconductor layer reduced in thickness with density, smoothness, and high performance by baking a printed layer, which is provided on a base material and contains semiconductor nanoparticles, at low temperature in a short time. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the semiconductor substrate includes the steps of: forming the printed layer on the base material by printing a pattern of a coating solution containing the semiconductor nanoparticles; and forming the patterned semiconductor layer by baking the printed layer. The printed layer is baked by exposure to surface wave plasma generated by applying microwave energy. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体基板の製造方法、その方法により得られた半導体基板、及び該半導体基板を備えた電子部材に関する。さらに詳しくは、本発明は、基材上に設けられた半導体ナノ粒子を含む印刷層を、低温かつ短時間で焼成処理して、ち密かつ平滑で性能に優れる半導体層を形成してなる半導体基板を効率よく製造する方法、その方法により得られた半導体基板、及び該半導体基板を備えた電子部材に関するものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor substrate, a semiconductor substrate obtained by the method, and an electronic member including the semiconductor substrate. More specifically, the present invention relates to a semiconductor substrate formed by baking a printed layer containing semiconductor nanoparticles provided on a base material at a low temperature in a short time to form a dense, smooth semiconductor layer having excellent performance. The present invention relates to a method for efficiently manufacturing a semiconductor substrate, a semiconductor substrate obtained by the method, and an electronic member including the semiconductor substrate.

液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイなどのフラットパネルディスプレイには、画像駆動素子として、薄膜トランジスタ(TFT)が使用されている。
従来、TFTに使用される薄膜としては、アモルファスシリコン、ポリシリコンなどの半導体薄膜を、化学気相成長法(CVD)や、スパッタリングなどの真空成膜法により形成してきた。これらの方法は、高額な設備を要する上に、パターニングのためにはフォトリソグラフィ技術が必要となり、工程数も多く、煩雑であった。また、これらの技術で大面積化に対応するのは容易ではなく、高額な製造コストが必要となる。
Thin film transistors (TFTs) are used as image drive elements in flat panel displays such as liquid crystal displays and organic EL displays.
Conventionally, as a thin film used for a TFT, a semiconductor thin film such as amorphous silicon or polysilicon has been formed by a chemical vapor deposition method (CVD) or a vacuum film forming method such as sputtering. These methods require expensive equipment and require a photolithography technique for patterning, which requires many steps and is complicated. In addition, it is not easy to cope with an increase in area with these techniques, and expensive manufacturing costs are required.

これに対し、塗布形成可能な半導体として有機半導体が注目されている。有機半導体は、塗布形成が可能であるために、低コストで、また低温で膜形成することができるため、フレキシブルディスプレイなどへの適用も可能である。しかし、有機半導体は一般に、移動度が小さく、大気中で不安定なため、実用化には至っていない。   In contrast, organic semiconductors have attracted attention as semiconductors that can be formed by coating. Since an organic semiconductor can be formed by coating, it can be formed at a low cost and at a low temperature, and can be applied to a flexible display or the like. However, since organic semiconductors generally have low mobility and are unstable in the atmosphere, they have not been put into practical use.

ところで、非特許文献1には、無機半導体の溶液ベースでのプロセスとして、液相プロセスを用いて、鉛セレン(PbSe)半導体のナノ結晶からなる導電チャンネルをもつ電界効果型トランジスターが提示されている。ナノ結晶は絶縁性であり、この材料をパターン状に塗膜形成した後、ヒドラジンにより還元した例が提示されている。
しかし、ヒドラジンは爆発性があって危険であり、また、PbSeは有毒であるため、実用化するには問題がある。
By the way, Non-Patent Document 1 presents a field effect transistor having a conductive channel made of a lead selenium (PbSe) semiconductor nanocrystal using a liquid phase process as a solution-based process of an inorganic semiconductor. . Nanocrystals are insulative, and an example in which this material is formed into a pattern and then reduced with hydrazine is presented.
However, since hydrazine is explosive and dangerous, and PbSe is toxic, there is a problem in putting it to practical use.

また、特許文献1には、基材上にナノ粒子膜を形成させ、熱処理するステップを含む、ナノ粒子を用いた薄膜半導体の製造方法が提案されている。ナノ粒子膜を形成させるステップは、ナノ粒子を溶媒に分散させ、ナノ粒子液を用意する工程と、ナノ粒子液に沈殿剤を混合させる工程と、沈殿剤が含まれたナノ粒子液を基材上に蒸着する工程とを含むものである。ナノ粒子としては、HgTe、HgSe、HgS、CdTe、CdSe、CdS、ZnTe、ZnSe、ZnS、PbTe、PbSe、PbS、及びZnOが挙げられている。
そして、沈殿剤が含まれたナノ粒子液を、基材上に蒸着する方法は、スピンコート法、ディップコート法、スタンプ法、スプレー法、Langmuir−Blodgett法、及びプリント法のいずれか一つを用い得ることが開示されている。さらに、ナノ粒子膜の熱処理は100℃〜185℃で10〜200分間行い、半導体層を得る例が開示されている。
しかしながら、特許文献1に記載の方法は、半導体特性が低く、さらに加熱時間が10〜200分と比較的長いため、生産性が低く、実用的な方法ではない。
Patent Document 1 proposes a method of manufacturing a thin film semiconductor using nanoparticles, including a step of forming a nanoparticle film on a substrate and performing a heat treatment. The step of forming a nanoparticle film includes a step of dispersing nanoparticles in a solvent and preparing a nanoparticle liquid, a step of mixing a precipitant in the nanoparticle liquid, and a nanoparticle liquid containing the precipitant. And a step of vapor deposition on the substrate. Nanoparticles include HgTe, HgSe, HgS, CdTe, CdSe, CdS, ZnTe, ZnSe, ZnS, PbTe, PbSe, PbS, and ZnO.
The method for depositing the nanoparticle liquid containing the precipitating agent on the substrate is one of a spin coating method, a dip coating method, a stamp method, a spray method, a Langmuir-Blodgett method, and a printing method. It is disclosed that it can be used. Furthermore, the example which heat-processes a nanoparticle film | membrane at 100 to 185 degreeC for 10 to 200 minutes and obtains a semiconductor layer is disclosed.
However, the method described in Patent Document 1 has low semiconductor characteristics and further has a relatively long heating time of 10 to 200 minutes, so that the productivity is low and is not a practical method.

また、特許文献2には、薄膜形成方法として、ナノ粒子を基材に付与し、基材上に付与されたナノ粒子を大気圧プラズマ処理することにより、薄膜を形成する薄膜形成方法が提案されている。大気圧または大気圧近傍の圧力下で、対向する電極間にガスを供給し、電極間に高周波電界を発生させることによってガスを励起ガスとし、励起ガスに基材上に付与されたナノ粒子を晒す大気圧プラズマ処理を用いる薄膜形成方法である。そして、ナノ粒子が金属原子含有化合物であり、金属原子含有化合物の金属原子がIn、Ga、Al、Sn、Ge、Sb、Bi及びZnからなる群から選ばれる少なくとも1つである薄膜形成方法が開示されている。
しかしながら、特許文献2に記載の具体的な薄膜の形成方法は、基材にスプレー塗布、スピンコート塗布により薄膜を付与し、大気圧プラズマ法により薄膜を形成するものであり、パターン印刷についての記載はなく、また、ナノ粒子も、Sn/In複合ナノ粒子に関する実施例で、得られる薄膜もSn/Inの透明導電膜が記載されているのみである。
Patent Document 2 proposes a thin film forming method for forming a thin film by applying nanoparticles to a substrate and subjecting the nanoparticles applied on the substrate to atmospheric pressure plasma processing as a thin film forming method. ing. Under a pressure of atmospheric pressure or near atmospheric pressure, a gas is supplied between opposing electrodes and a high-frequency electric field is generated between the electrodes to make the gas an excitation gas. It is a thin film formation method using the atmospheric pressure plasma treatment to expose. A thin film forming method in which the nanoparticle is a metal atom-containing compound, and the metal atom of the metal atom-containing compound is at least one selected from the group consisting of In, Ga, Al, Sn, Ge, Sb, Bi, and Zn. It is disclosed.
However, the specific method for forming a thin film described in Patent Document 2 is to apply a thin film to a substrate by spray coating or spin coating, and form the thin film by an atmospheric pressure plasma method. Description of pattern printing In addition, the nanoparticles are examples relating to Sn / In composite nanoparticles, and the obtained thin film only describes a Sn / In transparent conductive film.

このような状況下で、本発明者らは、Geナノ粒子を用いて、基材上に実用上十分な移動度を有する半導体層が形成されてなる半導体基板を、高い生産性のもとで製造する方法として、先に、基材上に形成されたパターン状のGeナノ粒子を含む印刷層を、還元性雰囲気下で600℃以上に加熱して焼成処理するか、あるいは水素ラジカルを発生するプロセスを用いて焼成処理する方法を見出し、特許を出願した(特願2008−92533号明細書)。   Under such circumstances, the present inventors have developed a semiconductor substrate in which a semiconductor layer having a practically sufficient mobility is formed on a base material using Ge nanoparticles with high productivity. As a manufacturing method, a printing layer including patterned Ge nanoparticles formed on a substrate is heated at 600 ° C. or higher in a reducing atmosphere, or a hydrogen radical is generated. A method for firing using a process was found and a patent was filed (Japanese Patent Application No. 2008-92533).

ところで、基材上に半導体ナノ粒子を含む塗布液を印刷して印刷層を設け、これを焼成処理して半導体層を形成する場合、焼成温度が高かったり、焼成時間が長かったりすると、この焼成処理に耐える耐熱性基材が必要となり、基材の選択自由度が小さくなるという問題が生じる。また、焼成時間が長かったり、ナノ粒子印刷層が不均一に焼成処理されると、ナノ粒子が異常な粒成長をしたり、面内で不均一に粒成長したりして、形成される半導体層の密度が低下したり、表面の凹凸が生じるという問題がある。このような半導体層を、例えば、TFTなどに使用した場合、半導体層に接するソース電極、ドレイン電極との接触が不十分になることによって、キャリア移動度が小さくなったり、十分な性能が得られないという問題が生じる。したがって、前記焼成処理は、できるだけ低温かつ短時間であることが好ましく、形成される半導体層は、粒子成長がなく、緻密であり、かつ平滑面を有することが好ましい。   By the way, when a coating layer is formed by printing a coating solution containing semiconductor nanoparticles on a base material, and this is fired to form a semiconductor layer, if the firing temperature is high or the firing time is long, this firing A heat-resistant base material that can withstand the treatment is required, resulting in a problem that the degree of freedom of selection of the base material is reduced. In addition, if the firing time is long or the nanoparticle printing layer is fired nonuniformly, the nanoparticles are formed by abnormal grain growth or nonuniform grain growth in the surface. There is a problem that the density of the layer is lowered or the surface is uneven. When such a semiconductor layer is used for, for example, a TFT, carrier mobility is reduced or sufficient performance is obtained due to insufficient contact with the source electrode and drain electrode in contact with the semiconductor layer. The problem of not. Therefore, the baking treatment is preferably performed at a temperature as low as possible for a short time, and the formed semiconductor layer preferably has no particle growth, is dense, and has a smooth surface.

また、半導体ナノ粒子を含む塗布液により半導体層を得る場合、その厚さは、半導体特性を維持しうる最低限以上の層厚である、通常10〜200nmであることが望ましい。半導体層の厚さがこれより厚いと、その後の焼成処理後において、層中、特に基材との界面付近に未焼結部分が残存してしまい、当該部分が不純物やキャリアの供給源となるため、半導体性能が低下する場合がある。一方、塗布液中の半導体ナノ粒子濃度を下げることで薄くすることは可能であるが、半導体ナノ粒子の濃度が低いため、焼成処理後に基材上でナノ粒子同士が焼結しにくく、緻密な層になりにくい場合もある。そのため、緻密な層が作製可能な半導体ナノ粒子濃度を維持しつつ、かつ薄く塗布することにより、層厚が10〜200nmといった薄い半導体層を作製することは、従来の半導体ナノ粒子を含む塗布液では困難となることがあった。   Moreover, when obtaining a semiconductor layer with the coating liquid containing a semiconductor nanoparticle, it is desirable that the thickness is 10-200 nm normally which is the minimum layer thickness which can maintain a semiconductor characteristic. If the thickness of the semiconductor layer is larger than this, an unsintered portion remains in the layer, particularly in the vicinity of the interface with the base material, after that, and this portion becomes a source of impurities and carriers. Therefore, the semiconductor performance may be deteriorated. On the other hand, it is possible to reduce the concentration by reducing the concentration of semiconductor nanoparticles in the coating solution. However, since the concentration of semiconductor nanoparticles is low, the nanoparticles are difficult to sinter on the base material after the baking treatment, and are dense. Sometimes it is difficult to layer. Therefore, producing a thin semiconductor layer having a layer thickness of 10 to 200 nm by applying a thin coating while maintaining a concentration of semiconductor nanoparticles capable of producing a dense layer is a conventional coating solution containing semiconductor nanoparticles. Then it might be difficult.

特開2007−273949号公報JP 2007-273949 A 特開2007−182605号公報JP 2007-182605 A Science,310,p86Science, 310, p86

本発明は、このような状況下で、基材上に設けられた半導体ナノ粒子を含む印刷層を、低温かつ短時間で焼成処理して、ち密かつ平滑で性能に優れ、さらに薄い半導体層を形成してなる半導体基板を効率よく製造する方法、その方法により得られた半導体基板、及び該半導体基板を備えた電子部材を提供することを目的とするものである。   Under such circumstances, the present invention bakes a printed layer containing semiconductor nanoparticles provided on a base material at a low temperature for a short time to obtain a dense, smooth, excellent performance, and even thinner semiconductor layer. It is an object of the present invention to provide a method for efficiently producing a formed semiconductor substrate, a semiconductor substrate obtained by the method, and an electronic member provided with the semiconductor substrate.

本発明者らは、前記目的を達成するために鋭意研究を重ねた結果、基材上に設けられた半導体ナノ粒子を含むパターン状の印刷層を、マイクロ波エネルギーの印加により発生する表面波プラズマに晒して焼成処理することにより、その目的を達成し得ることを見出した。本発明は、かかる知見に基づいて完成したものである。
すなわち、本発明は、
(1)基材上に、半導体ナノ粒子を含む塗布液をパターン状に印刷して印刷層を形成した後、この印刷層を焼成処理してパターン状の半導体層を形成する半導体基板の製造方法であって、マイクロ波エネルギーの印加により発生する表面波プラズマに前記印刷層を晒すことにより、該印刷層の焼成処理を行うことを特徴とする半導体基板の製造方法、
(2)上記(1)に記載の製造方法により得られたことを特徴とする半導体基板、及び
(3)上記(2)に記載の半導体基板を備えていることを特徴とする電子部材、
を提供するものである。
As a result of intensive studies to achieve the above object, the inventors of the present invention have developed a surface-wave plasma generated by applying microwave energy to a patterned printing layer containing semiconductor nanoparticles provided on a substrate. It has been found that the object can be achieved by subjecting to a baking treatment. The present invention has been completed based on such findings.
That is, the present invention
(1) A method of manufacturing a semiconductor substrate in which a coating layer containing semiconductor nanoparticles is printed on a base material in a pattern to form a printed layer, and then the printed layer is baked to form a patterned semiconductor layer. A method for manufacturing a semiconductor substrate, wherein the printed layer is subjected to a firing process by exposing the printed layer to surface wave plasma generated by application of microwave energy,
(2) A semiconductor substrate obtained by the manufacturing method as described in (1) above, and (3) an electronic member comprising the semiconductor substrate as described in (2) above,
Is to provide.

本発明の半導体基板の製造方法によれば、基材上に設けられた半導体ナノ粒子を含むパターン状の印刷層を、マイクロ波エネルギーの印加により発生する表面波プラズマに晒すことにより、低温かつ短時間で焼成処理が可能であり、ち密かつ平滑で性能に優れ、さらに薄い半導体層を形成してなる半導体基板を効率よく製造することができる。   According to the method for producing a semiconductor substrate of the present invention, a patterned printed layer containing semiconductor nanoparticles provided on a substrate is exposed to surface wave plasma generated by application of microwave energy, thereby reducing the temperature and the temperature. A semiconductor substrate that can be fired in time, dense, smooth, excellent in performance, and formed with a thinner semiconductor layer can be efficiently manufactured.

実施例1で製造された半導体基板の表面を観察した走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。2 is a scanning electron microscope (SEM) photograph in which the surface of the semiconductor substrate manufactured in Example 1 is observed. 参考例1で製造された半導体基板の表面を観察した走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph in which the surface of the semiconductor substrate manufactured in Reference Example 1 is observed. 実施例2で製造された半導体基板の断面を観察した走査型電子顕微鏡(SEM)写真である。4 is a scanning electron microscope (SEM) photograph in which a cross section of a semiconductor substrate manufactured in Example 2 is observed.

まず、本発明の半導体基板の製造方法について説明する。
[半導体基板の製造方法]
本発明の半導体基板の製造方法は、基材上に、半導体ナノ粒子を含む塗布液をパターン状に印刷して印刷層を形成した後、この印刷層を焼成処理してパターン状の半導体層を形成する半導体基板の製造方法であって、マイクロ波エネルギーの印加により発生する表面波プラズマに前記印刷層を晒すことにより、該印刷層の焼成処理を行うことを特徴とする。
なお、ここで基材上に印刷層を形成する態様としては、基材に直接印刷層を形成する場合と、基材の上にプライマー層、他の機能層、電極等を有する場合には、それらの上に印刷層を形成する場合のいずれをも含むものである。
First, the manufacturing method of the semiconductor substrate of this invention is demonstrated.
[Method for Manufacturing Semiconductor Substrate]
In the method for producing a semiconductor substrate of the present invention, a coating layer containing semiconductor nanoparticles is printed in a pattern on a substrate to form a printed layer, and then the printed layer is baked to form a patterned semiconductor layer. A method of manufacturing a semiconductor substrate to be formed, wherein the printed layer is subjected to a baking treatment by exposing the printed layer to surface wave plasma generated by application of microwave energy.
In addition, as an aspect which forms a printing layer on a base material here, when forming a printing layer directly on a base material, and when having a primer layer, other functional layers, an electrode, etc. on a base material, Any of the cases where a printed layer is formed on them is included.

(基材)
本発明の製造方法において用いる基材としては、半導体基板に用いられるものであれば特に制限されるものではなく、例えば、シリコンウェハ;ソーダライムガラス、無アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス、石英ガラスなどのガラス基板;アルミナなどのセラミック基板などの無機材料や、フィルム、シート、又は板状の各種プラスチックを用いることができるが、薄膜化の観点からフィルム形態が好適である。
フィルム基材として用い得るプラスチックとしては、焼成処理における耐熱性を考慮して、融点が200℃以上のものを挙げることができ、例えば、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、エポキシ樹脂、ガラス−エポキシ樹脂、ポリフェニレンエーテル、液晶性高分子化合物などを挙げることができる。
また、基材の表面には、易接着成分を成膜してもよいし、プラスチック基材を用いる場合には、その表面に酸化法や凹凸化法などの表面処理を施してもよい。
(Base material)
The base material used in the production method of the present invention is not particularly limited as long as it is used for a semiconductor substrate. For example, silicon wafer; soda lime glass, alkali-free glass, borosilicate glass, quartz glass, etc. A glass substrate; inorganic materials such as a ceramic substrate such as alumina, and various plastics such as a film, a sheet, or a plate can be used, but a film form is preferable from the viewpoint of thinning.
Examples of the plastic that can be used as the film substrate include those having a melting point of 200 ° C. or higher in consideration of heat resistance in the baking treatment, such as polyimide, polyethylene naphthalate (PEN), polyethylene terephthalate (PET), Examples thereof include polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, polyether sulfone, polycarbonate, polyamide imide, polyether imide, epoxy resin, glass-epoxy resin, polyphenylene ether, and liquid crystalline polymer compound.
In addition, an easily adhesive component may be formed on the surface of the base material, and when a plastic base material is used, the surface may be subjected to a surface treatment such as an oxidation method or an unevenness method.

易接着成分の成膜としては、例えば、Ni、Cr、Ti、Co、Mo、Ta等の金属薄膜あるいはそれらの金属酸化物を成膜する方法、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂等からなる接着成分を塗布する方法、その他、有機無機カップリング剤を塗布する方法が採用できる。
また、プラスチック基材に対する酸化法としては、例えばコロナ放電処理、プラズマ処理、クロム酸処理(湿式)、火炎処理、熱風処理、オゾン・紫外線照射処理などが挙げられる。また、凹凸化法としては、例えばサンドブラスト法、溶剤処理法などが挙げられる。これらの表面処理法は基材フィルムの種類に応じて適宜選ばれるが、一般にはプラズマ処理法が効果及び不純物による汚染が少ないなどの面から、好ましく用いられる。
Examples of easy adhesion component film formation include, for example, a method of forming a metal thin film such as Ni, Cr, Ti, Co, Mo, Ta, or a metal oxide thereof, a thermoplastic resin, a thermosetting resin, and a photocurable resin. A method of applying an adhesive component made of a resin or the like, or a method of applying an organic-inorganic coupling agent can be employed.
Examples of the oxidation method for the plastic substrate include corona discharge treatment, plasma treatment, chromic acid treatment (wet), flame treatment, hot air treatment, ozone / ultraviolet irradiation treatment, and the like. Examples of the uneven method include a sand blast method and a solvent treatment method. These surface treatment methods are appropriately selected according to the type of the base film, but in general, the plasma treatment method is preferably used from the viewpoints of effects and less contamination by impurities.

基材の厚さについては特に制限はないが、基材が無機材料である場合には、通常0.1〜10mm程度、好ましくは0.5〜3mmである。
一方、プラスチック基材の場合には、通常10〜300μmの範囲である。10μm以上であると、半導体層を形成する際に基材の変形が抑制され、形成される半導体層の形状安定性の点で好適である。また、300μm以下であると巻き取り加工を連続して行う場合に、柔軟性の点で好適である。
Although there is no restriction | limiting in particular about the thickness of a base material, When a base material is an inorganic material, it is about 0.1-10 mm normally, Preferably it is 0.5-3 mm.
On the other hand, in the case of a plastic substrate, it is usually in the range of 10 to 300 μm. When the thickness is 10 μm or more, deformation of the base material is suppressed when forming the semiconductor layer, which is preferable in terms of shape stability of the formed semiconductor layer. Moreover, when it is 300 micrometers or less, when winding-up processing is performed continuously, it is suitable at the point of a softness | flexibility.

また、基材には、半導体基板の用途に合せて、あらかじめ電極、絶縁層などを形成しておくことができる。なお、基材にこのような機能層や電極などが設けられる場合には、該機能層及び電極等の上に印刷層が形成される。
電極としては、例えば、Au,Ag、Cu、Ni,Al,Pt,Cr,Fe,Sn,Pd,Mo,Mn,In,Co,Pb、Si、Ir,Znなどの金属、スズドープ酸化インジウム、酸化スズ、酸化亜鉛、酸化チタンなどの金属酸化物、カーボン材料、導電性ポリマーなどが挙げられ、また絶縁層としては、例えば、Si、Al、Ta、Ti、Sn、V、Y、W、Cr、Ni,Mnなどの金属の酸化物や窒化物、チタン酸バリウムなど複合金属酸化物、絶縁性ポリマーなどの材料が用いられる。そのほか、用途に合せて、酸化防止層、ガスバリア層、拡散防止層などを設けることができる。
Moreover, an electrode, an insulating layer, etc. can be previously formed in the base material according to the use of the semiconductor substrate. In addition, when such a functional layer, an electrode, etc. are provided in a base material, a printing layer is formed on this functional layer, an electrode, etc.
Examples of the electrodes include metals such as Au, Ag, Cu, Ni, Al, Pt, Cr, Fe, Sn, Pd, Mo, Mn, In, Co, Pb, Si, Ir, and Zn, tin-doped indium oxide, and oxidation. Examples thereof include metal oxides such as tin, zinc oxide, and titanium oxide, carbon materials, and conductive polymers. Examples of the insulating layer include Si, Al, Ta, Ti, Sn, V, Y, W, Cr, Materials such as oxides and nitrides of metals such as Ni and Mn, composite metal oxides such as barium titanate, and insulating polymers are used. In addition, an antioxidant layer, a gas barrier layer, a diffusion prevention layer, and the like can be provided in accordance with the application.

(半導体ナノ粒子)
本発明の製造方法において用いる半導体ナノ粒子を構成する半導体物質については特に制限はなく、従来公知の半導体物質の中から適宜選択することができる。この半導体物質としては、例えばシリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)などの周期表14族元素、GaAs、InPなどのIII−V化合物、ZnTeなど一部のII−VI化合物等を用いることができる。
なお、前記III−V化合物としては、周期表13族のAl、Ga、In(Tlを含めることもある)と、15族のP、As、Sb(Nを含めることもある)との間に生じる原子比1:1の化合物が挙げられ、II−VI化合物は、周期表12族元素のZn、Cd、Hgと、16族元素のS、Se、Te(Oを含めることもある)の原子比1:1の化合物が挙げられる。
また、上記した半導体物質は、純粋なものであっても、不純物元素(例えば12族、14族、16族元素)をドープしたものであってもよい。ドープは、いつ行ってもよく、半導体ナノ粒子の形成段階や半導体層の形成後など、いずれの段階においても行うことができる。
これらの半導体物質の中で、シリコン(Si)及びゲルマニウム(Ge)が好ましく、特にゲルマニウム(Ge)が好適である。
(Semiconductor nanoparticles)
There is no restriction | limiting in particular about the semiconductor substance which comprises the semiconductor nanoparticle used in the manufacturing method of this invention, It can select suitably from a conventionally well-known semiconductor substance. As this semiconductor substance, for example, Group 14 elements of the periodic table such as silicon (Si) and germanium (Ge), III-V compounds such as GaAs and InP, some II-VI compounds such as ZnTe, and the like can be used.
In addition, as said III-V compound, periodic table group 13 Al, Ga, In (may include Tl) and 15 group P, As, Sb (may include N) The resulting atomic ratio compound is 1: 1, and the II-VI compound includes atoms of Zn, Cd, Hg of Group 12 elements of the periodic table and S, Se, Te (may include O) of Group 16 elements. A 1: 1 ratio of compounds is mentioned.
The semiconductor material described above may be pure or may be doped with an impurity element (for example, a group 12, 14, or 16 element). Doping may be performed at any time, and can be performed at any stage such as the stage of forming the semiconductor nanoparticles or after the formation of the semiconductor layer.
Among these semiconductor materials, silicon (Si) and germanium (Ge) are preferable, and germanium (Ge) is particularly preferable.

本発明においては、半導体ナノ粒子として、平均1次粒子径が1〜100nmのものを用いることが、塗布液への分散性、還元処理、焼成のしやすさ、パターン形成時の細線再現性などの観点から好ましい。
半導体ナノ粒子の平均1次粒子径が1nm以上であると容易に合成することができ、かつ、安定に分散させることができるために好ましい。一方、平均1次粒子径が100nm以下であると塗布液の分散安定性が良好であるとともに、本来の半導体材料の融点よりも融点を低くすることができるために十分な焼結が可能となり、ち密で平滑な半導体膜が得られるとともに、パターン形成時の細線再現性が良好となる。
以上の観点から、半導体ナノ粒子の平均1次粒子径は1〜50nmの範囲がより好ましく、さらに2〜30nmの範囲が特に好ましい。ここで、半導体ナノ粒子の平均1次粒子径は、透過型電子顕微鏡による観察像から測定される。
なお、本発明で用いる半導体ナノ粒子は、表面が酸化されていてもよく、また内部まで酸化されていてもよい。
In the present invention, semiconductor nanoparticles having an average primary particle diameter of 1 to 100 nm are used for dispersibility in a coating solution, reduction treatment, easiness of firing, fine line reproducibility during pattern formation, and the like. From the viewpoint of
The average primary particle diameter of the semiconductor nanoparticles is preferably 1 nm or more because it can be easily synthesized and can be stably dispersed. On the other hand, when the average primary particle size is 100 nm or less, the dispersion stability of the coating liquid is good and the melting point can be made lower than the melting point of the original semiconductor material, so that sufficient sintering is possible. A dense and smooth semiconductor film is obtained, and fine line reproducibility during pattern formation is improved.
From the above viewpoint, the average primary particle diameter of the semiconductor nanoparticles is more preferably in the range of 1 to 50 nm, and further preferably in the range of 2 to 30 nm. Here, the average primary particle diameter of the semiconductor nanoparticles is measured from an image observed with a transmission electron microscope.
In addition, the surface of the semiconductor nanoparticles used in the present invention may be oxidized or may be oxidized to the inside.

半導体ナノ粒子の形状は特に限定されず、球状、棒状、繊維状、板状、不定形等何れでもよいが、球状または不定形であることが分散性等の点で好ましい。
また、塗布液の分散安定性を高めるために、半導体ナノ粒子の表面処理を行ったり、高分子、イオン性化合物、界面活性剤等からなる分散剤を添加してもよい。
本発明においては、半導体ナノ粒子として、特にゲルマニウムナノ粒子(Geナノ粒子)が好ましく用いられる。
The shape of the semiconductor nanoparticles is not particularly limited and may be any of a spherical shape, a rod shape, a fiber shape, a plate shape, an irregular shape, and the like, but a spherical shape or an irregular shape is preferable from the viewpoint of dispersibility.
Moreover, in order to improve the dispersion stability of the coating liquid, the semiconductor nanoparticles may be subjected to a surface treatment, or a dispersant composed of a polymer, an ionic compound, a surfactant, or the like may be added.
In the present invention, germanium nanoparticles (Ge nanoparticles) are particularly preferably used as the semiconductor nanoparticles.

本発明に用いる半導体ナノ粒子は、スパークエロージョン法、ガス中蒸発法、真空蒸着法、スパッタリング法、CVD法等の物理的合成方法;熱分解法、化学還元法、電気分解法、超音波法、レーザーアブレーション法、マイクロ波合成法などの化学的合成方法により合成されるが、純度の点や粒径制御の点で、物理的合成方法が好ましく、中でも合成の簡易性の点で、真空蒸着法が特に好ましい。   The semiconductor nanoparticles used in the present invention are a physical synthesis method such as spark erosion method, gas evaporation method, vacuum deposition method, sputtering method, CVD method; thermal decomposition method, chemical reduction method, electrolysis method, ultrasonic method, It is synthesized by chemical synthesis methods such as laser ablation method and microwave synthesis method, but physical synthesis method is preferable in terms of purity and particle size control, especially vacuum deposition method in terms of simplicity of synthesis. Is particularly preferred.

(半導体ナノ粒子を含む塗布液)
半導体ナノ粒子を含む塗布液を構成し、上記半導体ナノ粒子を分散させる分散媒としては、水及び/又は有機溶媒を用いることができる。有機溶媒としては、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリンなどのアルコール類;トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素;アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、イソホロンなどのケトン類;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチルなどのエステル類;テトラヒドロフラン、ジオキサン、エチレングリコールモノメチルエーテル(メチルセロソルブ)、エチレングリコールモノエチルエーテル(エチルセロソルブ)、エチレングリコールモノブチルエーテル(ブチルセロソルブ)などのエーテル類、ヘキサン等の脂肪族炭化水素、シクロヘキサン等の脂環式炭化水素、クロロホルム、ジクロロエタン、ジクロロベンゼン等の一部ハロゲン置換した炭化水素などが挙げられる。
(Coating solution containing semiconductor nanoparticles)
Water and / or an organic solvent can be used as a dispersion medium for forming a coating solution containing semiconductor nanoparticles and dispersing the semiconductor nanoparticles. Organic solvents include methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, alcohols such as ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, propylene glycol, and glycerin; aromatic hydrocarbons such as toluene and xylene; acetone, methyl ethyl ketone , Ketones such as methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, isophorone; esters such as methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate; tetrahydrofuran, dioxane, ethylene glycol monomethyl ether (methyl cellosolve), ethylene glycol monoethyl ether (Ethyl cellosolve), ethers such as ethylene glycol monobutyl ether (butyl cellosolve), hexane, etc. Aliphatic hydrocarbons, alicyclic hydrocarbons such as cyclohexane, chloroform, dichloroethane, and some halogen-substituted hydrocarbon dichlorobenzene, and the like.

半導体ナノ粒子を分散媒に分散させるためには、半導体ナノ粒子が分散剤の存在下に、分散媒中に分散されていることが好ましい。分散剤としては、高分子分散剤、界面活性剤、あるいは金属や半導体と相互作用をするようなチオール基、アミノ基、水酸基、カルボキシル基などの極性官能基を有する化合物が好ましい。これらの分散剤は、半導体ナノ粒子の合成時に、ナノ粒子生成と同時にナノ粒子に被覆されるようにするのが好ましい。特に、半導体ナノ粒子を真空蒸着法などの物理的合成方法によって合成する場合には、界面活性剤を作用させて捕集すると、ナノ粒子が界面活性剤で被覆され、分散安定性の良好なナノ粒子が得られるため好ましい。   In order to disperse the semiconductor nanoparticles in the dispersion medium, the semiconductor nanoparticles are preferably dispersed in the dispersion medium in the presence of the dispersant. As the dispersant, a polymer dispersant, a surfactant, or a compound having a polar functional group such as a thiol group, an amino group, a hydroxyl group or a carboxyl group capable of interacting with a metal or a semiconductor is preferable. These dispersants are preferably coated with the nanoparticles simultaneously with the production of the nanoparticles during the synthesis of the semiconductor nanoparticles. In particular, when semiconductor nanoparticles are synthesized by a physical synthesis method such as a vacuum deposition method, the nanoparticles are coated with a surfactant and collected with a surfactant so that the nanoparticle has good dispersion stability. This is preferable because particles can be obtained.

界面活性剤としては、具体的には、カルボン酸塩系、スルホン酸塩系、硫酸エステル塩系、リン酸エステル塩系等の陰イオン界面活性剤;陽イオン界面活性剤;両性界面活性剤;エーテル系、エステルエーテル系、エステル系、含窒素系等の非イオン界面活性剤;フッ素系界面活性剤;反応性界面活性剤等が挙げられる。
このうち、含窒素系等の非イオン界面活性剤とエステル系の非イオン界面活性剤が、分散しやすさの点と分散液の安定性の点で好ましい。
Specific examples of the surfactant include carboxylate-based, sulfonate-based, sulfate ester-based and phosphate ester-based anionic surfactants; cationic surfactants; amphoteric surfactants; Nonionic surfactants such as ethers, ester ethers, esters, and nitrogen-containing systems; fluorine-based surfactants; reactive surfactants and the like can be mentioned.
Of these, nitrogen-containing nonionic surfactants and ester-based nonionic surfactants are preferable in terms of ease of dispersion and dispersion stability.

また、界面活性剤としては、カルボン酸無水物類及びカルボン酸イミド類が好ましく用いられ、塗布膜を薄く形成できる点で、カルボン酸無水物類が特に好ましい。
カルボン酸無水物類の特に好ましい具体例としては、例えば、アルキル又はアルケニル無水コハク酸、アルキル又はアルケニル無水グルタル酸、アルキル又はアルケニル無水マレイン酸、アルキル又はアルケニル無水フタル酸などが挙げられる。また、カルボン酸イミド類の特に好ましい具体例としては、例えば、アルキル又はアルケニルコハク酸イミド類、アルキル又はアルケニルグルタル酸イミド類、アルキル又はアルケニルマレイン酸イミド類、アルキル又はアルケニルフタル酸イミド類などである。これらの界面活性剤を用いることにより粒径の小さい分散粒子を形成させることができ、また、小粒径でも分散性、分散安定性、高濃度分散性に優れた半導体ナノ粒子の分散液を得ることができる。
Further, as the surfactant, carboxylic acid anhydrides and carboxylic acid imides are preferably used, and carboxylic acid anhydrides are particularly preferable in that a coating film can be formed thinly.
Specific examples of particularly preferred carboxylic acid anhydrides include alkyl or alkenyl succinic anhydride, alkyl or alkenyl glutaric anhydride, alkyl or alkenyl maleic anhydride, alkyl or alkenyl phthalic anhydride, and the like. Specific examples of particularly preferred carboxylic acid imides include alkyl or alkenyl succinimides, alkyl or alkenyl glutaric imides, alkyl or alkenyl maleic imides, alkyl or alkenyl phthalic imides, and the like. . By using these surfactants, dispersed particles having a small particle diameter can be formed, and a dispersion of semiconductor nanoparticles having excellent dispersibility, dispersion stability, and high concentration dispersibility can be obtained even with a small particle diameter. be able to.

分散液中における分散剤の濃度は特に限定はなく適宜調節可能であるが、分散媒100質量部に対して、界面活性剤は0.3〜50質量部の範囲が好ましい。0.3質量部以上であると十分な分散性を発揮し、半導体ナノ粒子の良好な分散性が得られる。一方、50質量部以下であると、焼成後に得られる半導体膜に分散剤が残留しないため、性能低下のおそれがなく、好ましい。以上の観点から、分散剤の濃度は1〜20質量部がより好ましく、3〜10質量部が特に好ましい。   The concentration of the dispersant in the dispersion is not particularly limited and can be adjusted as appropriate, but the surfactant is preferably in the range of 0.3 to 50 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the dispersion medium. When the amount is 0.3 part by mass or more, sufficient dispersibility is exhibited, and good dispersibility of the semiconductor nanoparticles can be obtained. On the other hand, when the amount is 50 parts by mass or less, since the dispersant does not remain in the semiconductor film obtained after firing, there is no fear of performance deterioration, which is preferable. From the above viewpoint, the concentration of the dispersant is more preferably 1 to 20 parts by mass, and particularly preferably 3 to 10 parts by mass.

また、塗布液には、半導体ナノ粒子を含む塗布液中の半導体ナノ粒子の分散性や分散安定性を良好にするために、分散補助剤を加えてもよい。分散補助剤としては1級若しくは2級アミン類、カルボン酸類又はアルコール類を加えることが特に好ましい。   In addition, a dispersion aid may be added to the coating solution in order to improve the dispersibility and dispersion stability of the semiconductor nanoparticles in the coating solution containing semiconductor nanoparticles. As a dispersion aid, it is particularly preferable to add primary or secondary amines, carboxylic acids or alcohols.

分散補助剤としての1級若しくは2級アミン類は特に限定はなく、アルキルアミン、アルケニルアミン、アニリン誘導体などが好ましい。とりわけ、アルキルアミン又はアルケニルアミンが、半導体ナノ粒子の分散性や分散安定性を良好にできる点で好ましい。1級アミン類のアルキル基又はアルケニル基の炭素数は特に限定はないが、分散性や分散安定性を良好にする観点から、好ましくは5〜25個、特に好ましくは8〜18個であり、2級アミン類の場合は、1個の有機基が、上記1級アミン類で記載したアルキル基又はアルケニル基であることが好ましい。もう一方の有機基はメチル基、エチル基、ビニル基などの低級の有機基であってもよい。また、アルキル基やアルケニル基は直鎖構造のものでも側鎖を有するものでもよい。   The primary or secondary amines as the dispersion aid are not particularly limited, and alkylamines, alkenylamines, aniline derivatives and the like are preferable. In particular, alkylamine or alkenylamine is preferable in that the dispersibility and dispersion stability of the semiconductor nanoparticles can be improved. The carbon number of the alkyl group or alkenyl group of the primary amines is not particularly limited, but is preferably 5 to 25, particularly preferably 8 to 18, from the viewpoint of improving dispersibility and dispersion stability. In the case of secondary amines, it is preferable that one organic group is the alkyl group or alkenyl group described in the primary amines. The other organic group may be a lower organic group such as a methyl group, an ethyl group, or a vinyl group. Further, the alkyl group or alkenyl group may have a linear structure or a side chain.

分散補助剤としてのカルボン酸類は特に限定はないが、分散性や分散安定性を良好にする観点から、カルボン酸の炭素数(1個)を含めて炭素数5〜25個の脂肪酸が好ましく、炭素数8〜20個の脂肪酸が特に好ましい。脂肪酸に関しては、常温で液体であるものがより好ましい。   Carboxylic acids as a dispersion aid are not particularly limited, but from the viewpoint of improving dispersibility and dispersion stability, fatty acids having 5 to 25 carbon atoms including the carbon number of the carboxylic acid (1) are preferable. A fatty acid having 8 to 20 carbon atoms is particularly preferred. Regarding fatty acids, those that are liquid at room temperature are more preferred.

分散補助剤としてのアルコール類は特に限定はないが、分散性や分散安定性を良好にする観点から、炭素数5〜25個のアルコール類が好ましく、炭素数8〜20個のアルコール類が特に好ましい。   Alcohols as a dispersion aid are not particularly limited, but from the viewpoint of improving dispersibility and dispersion stability, alcohols having 5 to 25 carbon atoms are preferable, and alcohols having 8 to 20 carbon atoms are particularly preferable. preferable.

また、塗布液には、基材への密着性を高めること、造膜性を高めること、印刷適性を付与すること、及び分散性を高めることを目的として、例えばポリエステル樹脂、アクリル樹脂、あるいはウレタン樹脂等を樹脂バインダーとして添加することができる。
さらに、焼成した後の基材との密着性あるいは造膜性を維持するために、エチルシリケート及びシリケートオリゴマー等の無機バインダーを使用してもよい。また、必要に応じて、粘度調整剤、表面張力調整剤、あるいは安定剤等を添加してもよい。
In addition, in the coating liquid, for example, polyester resin, acrylic resin, or urethane is used for the purpose of enhancing adhesion to a substrate, enhancing film forming property, imparting printability, and enhancing dispersibility. A resin or the like can be added as a resin binder.
Furthermore, an inorganic binder such as ethyl silicate and a silicate oligomer may be used in order to maintain adhesion or film-forming property with the base material after firing. Moreover, you may add a viscosity modifier, a surface tension modifier, a stabilizer, etc. as needed.

本発明で用いる半導体ナノ粒子を含む塗布液は、固形分濃度が5〜60質量%の範囲が好ましい。固形分濃度が5質量%以上であると十分な膜厚が得られ、60質量%以下であると良好な分散性が得られ、基材への半導体ナノ粒子を含む塗布液をパターン状に印刷することが容易である。以上の観点から、半導体ナノ粒子を含む塗布液中の固形分濃度は10〜50質量%の範囲がより好ましい。   The coating liquid containing semiconductor nanoparticles used in the present invention preferably has a solid content concentration of 5 to 60% by mass. When the solid content concentration is 5% by mass or more, a sufficient film thickness is obtained, and when it is 60% by mass or less, good dispersibility is obtained, and a coating liquid containing semiconductor nanoparticles on a substrate is printed in a pattern. Easy to do. From the above viewpoint, the solid content concentration in the coating liquid containing semiconductor nanoparticles is more preferably in the range of 10 to 50% by mass.

(塗布液の印刷)
基材上に半導体ナノ粒子を含む塗布液をパターン状に印刷する方法としては特に制限されず、グラビア印刷、スクリーン印刷、スプレーコート、スピンコート、コンマコート、バーコート、ナイフコート、オフセット印刷、フレキソ印刷、インクジェット印刷、ディスペンサ印刷などの方法を用いることができる。これらのうち、微細なパターニングを行うことができるという観点から、グラビア印刷、フレキソ印刷、インクジェット印刷が好ましい。
また、本発明では、基材などの上に半導体ナノ粒子を含む塗布液を所望のパターンに直接印刷することができるため、従来のフォトレジストを用いたリソグラフィー法に比較して、著しく生産性を向上させることができる。
(Printing of coating liquid)
The method for printing a coating solution containing semiconductor nanoparticles on a substrate in a pattern is not particularly limited, and gravure printing, screen printing, spray coating, spin coating, comma coating, bar coating, knife coating, offset printing, flexographic printing. Methods such as printing, ink jet printing, and dispenser printing can be used. Of these, gravure printing, flexographic printing, and inkjet printing are preferable from the viewpoint that fine patterning can be performed.
Further, in the present invention, since a coating solution containing semiconductor nanoparticles can be directly printed on a substrate or the like in a desired pattern, productivity is remarkably higher than that of a lithography method using a conventional photoresist. Can be improved.

基材上の半導体ナノ粒子を含む塗布液は、印刷後、通常の方法で乾燥を行ってもよい。具体的には、例えば、通常のオーブン等を用いて、80〜120℃程度の温度で0.1〜20分程度加熱して乾燥させる。乾燥後の印刷部分の膜厚は用途等に応じ、適宜塗布量や半導体ナノ粒子の平均1次粒子径等を変化させて制御することができる。具体的には、該膜厚は0.01〜100μmの範囲が好ましく、0.05〜50μmの範囲がより好ましい。乾燥は以下に記す還元性雰囲気下での加熱による焼成により乾燥を兼ねても構わないし、空気中で加熱せずに乾燥させてもよい。   The coating liquid containing the semiconductor nanoparticles on the substrate may be dried by a usual method after printing. Specifically, for example, it is heated and dried at a temperature of about 80 to 120 ° C. for about 0.1 to 20 minutes using a normal oven or the like. The film thickness of the printed portion after drying can be controlled by appropriately changing the coating amount, the average primary particle diameter of the semiconductor nanoparticles, and the like according to the application. Specifically, the film thickness is preferably in the range of 0.01 to 100 μm, more preferably in the range of 0.05 to 50 μm. Drying may be performed by baking by heating in a reducing atmosphere described below, or may be performed without heating in air.

(焼成処理)
本発明においては、このようにして基材上に設けられたパターン状の印刷層を、マイクロ波エネルギーの印加により発生する表面波プラズマ(以下「マイクロ波表面波プラズマ」と称することがある。)に晒すことにより焼成処理して、パターン状半導体層を形成する。
前記マイクロ波表面波プラズマの発生方法及び該表面波プラズマに、パターン状印刷層を晒す条件などについては、後で詳しく説明するが、本発明においては、前記マイクロ波表面波プラズマを、還元性気体の雰囲気下で発生させることが好ましい。
還元性気体の雰囲気(以下「還元性雰囲気」と称することがある。)下で発生したマイクロ波表面波プラズマに、パターン状印刷層を晒して焼成処理する際、焼成温度は、用いる半導体ナノ粒子の種類に応じて適宜選定することが好ましい。
(Baking process)
In the present invention, the pattern-like printed layer provided on the substrate in this way is surface wave plasma generated by application of microwave energy (hereinafter sometimes referred to as “microwave surface wave plasma”). The patterned semiconductor layer is formed by baking treatment by exposing to.
The method for generating the microwave surface wave plasma and the conditions for exposing the patterned print layer to the surface wave plasma will be described in detail later. In the present invention, the microwave surface wave plasma is reduced to a reducing gas. It is preferable to generate in the atmosphere.
When the patterned printing layer is exposed to a microwave surface wave plasma generated under an atmosphere of reducing gas (hereinafter sometimes referred to as “reducing atmosphere”) and the baking treatment is performed, the baking temperature depends on the semiconductor nanoparticles used. It is preferable to select appropriately according to the type.

なお、還元性雰囲気下で焼成する前に、半導体ナノ粒子分散液に含まれる分散剤等の有機物を除去するために、大気下で300〜500℃程度の温度で30分から2時間程度加熱することが好ましい。この加熱処理により、有機物が酸化分解除去される。
本発明の方法において、還元性雰囲気下とするのは、半導体ナノ粒子は、微粒子であるため酸化されやすく、特に表面が絶縁性の酸化物となっており、パターン状に塗布された半導体ナノ粒子を焼成しても、粒子間が導通された状態とならず、十分な半導体特性を得ることができないため、表面の酸化皮膜等を還元除去するためである。半導体ナノ粒子は、分散剤等の有機物が除去され、表面の酸化被膜等が還元除去された状態では、本来の半導体材料と比べて融点が低くなるために、プラズマから与えられる熱などによって、容易に粒子どうしが焼結するようになる。また、本発明には粒子内部まで酸化された半導体ナノ粒子を用いてもよい。
なお、還元性雰囲気を形成する還元性気体としては、水素、一酸化炭素、アンモニアなどのガス、あるいはこれらの混合ガスが挙げられるが、特に、微粒子表面に付着した有機物の除去には水素ガスが好ましい。
また、還元性気体には、ヘリウム、アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスを混合して用いれば、プラズマが発生し易くなるなどの効果がある。
In addition, before baking in a reducing atmosphere, in order to remove organic substances such as a dispersant contained in the semiconductor nanoparticle dispersion, heating is performed in the atmosphere at a temperature of about 300 to 500 ° C. for about 30 minutes to 2 hours. Is preferred. By this heat treatment, organic substances are oxidatively decomposed and removed.
In the method of the present invention, the semiconductor atmosphere is a semiconductor nanoparticle that is easily oxidized because it is a fine particle, and the surface of the semiconductor nanoparticle is an insulating oxide, and is coated in a pattern. This is for reducing and removing the oxide film and the like on the surface because the particles are not electrically connected to each other and sufficient semiconductor characteristics cannot be obtained. Semiconductor nanoparticles are easily removed by heat applied from plasma because the melting point is lower than that of the original semiconductor material when organic substances such as dispersants are removed and the oxide film on the surface is reduced and removed. The particles become sintered to each other. In the present invention, semiconductor nanoparticles oxidized to the inside of the particles may be used.
The reducing gas that forms the reducing atmosphere includes hydrogen, carbon monoxide, ammonia, or a mixed gas thereof. In particular, hydrogen gas is used to remove organic substances adhering to the surface of the fine particles. preferable.
Further, the reducing gas has an effect that plasma is easily generated when an inert gas such as helium, argon, neon, krypton, or xenon is mixed and used.

次に、本発明の半導体基板の製造方法における表面波プラズマの発生方法について説明する。
(表面波プラズマの発生方法)
本発明においては、マイクロ波エネルギーの印加により、表面波プラズマを発生させ、この表面波プラズマに、前述した半導体ナノ粒子を含む塗布液を用いて形成されたパターン状の印刷層を晒して焼成処理することにより、半導体基板を製造する。
前記表面波プラズマの発生方法に特に制限はなく、例えば減圧状態の焼成処理室の誘電体照射窓からマイクロ波エネルギーを供給し、該焼成処理室内に照射窓に沿う表面波プラズマを発生させる無電極プラズマ発生手段を用いるのが、大面積の基板の処理ができる点で好ましい。
Next, a method for generating surface wave plasma in the method for manufacturing a semiconductor substrate of the present invention will be described.
(Method for generating surface wave plasma)
In the present invention, by applying microwave energy, surface wave plasma is generated, and the surface-wave plasma is exposed to the pattern-like printed layer formed using the coating liquid containing the semiconductor nanoparticles described above and subjected to a firing treatment. By doing so, a semiconductor substrate is manufactured.
There is no particular limitation on the method of generating the surface wave plasma, for example, an electrodeless electrode that supplies microwave energy from a dielectric irradiation window in a reduced pressure firing process chamber and generates surface wave plasma along the irradiation window in the firing process chamber. The use of plasma generating means is preferable in that a large area substrate can be processed.

前記プラズマ発生手段としては、例えば焼成処理室の照射窓から周波数2450MHzのマイクロ波エネルギーを供給し、該処理室内に、電子温度が約1eV以下、電子密度が約1×1011〜1×1013cm-3のマイクロ波表面波プラズマを発生させることができる。
なお、マイクロ波エネルギーは2450MHzの高周波エネルギーを言うが、マイクロ波発振装置であるマグネトロンの精度誤差などのために2450MHz/±50MHzの周波数範囲が許されている。
また、照射時間は、10秒〜10分程度が好ましい。
As the plasma generating means, for example, microwave energy having a frequency of 2450 MHz is supplied from an irradiation window of a baking processing chamber, and an electron temperature is about 1 eV or less and an electron density is about 1 × 10 11 to 1 × 10 13 in the processing chamber. A cm -3 microwave surface wave plasma can be generated.
Microwave energy refers to high-frequency energy of 2450 MHz, but a frequency range of 2450 MHz / ± 50 MHz is allowed due to an accuracy error of a magnetron that is a microwave oscillation device.
The irradiation time is preferably about 10 seconds to 10 minutes.

このようなマイクロ波表面波プラズマは、プラズマ密度が高く、電子温度が低い特性を有し、前記パターン状の印刷層を低温かつ短時間で焼成処理することが可能であり、ち密かつ平滑で性能に優れる半導体層を形成することができる。表面波プラズマは、処理面に対して、面内で均一の密度のプラズマが照射される。その結果、他の焼成方式や他のプラズマ方式と比べて、面内で部分的に粒子の焼結が進行するなど、不均一な膜が形成されることが少なく、また粒成長を防ぐことができるため、非常にち密で、平滑な膜が得られる。また、面内処理室内に電極を設ける必要がないので、電極由来の不純物のコンタミネーションを防ぐことができ、また処理材料に対して異常な放電によるダメージを防ぐことができる。さらに、プラスチック基材を用いる場合には、該基材のダメージが少なく、また電極やその他の層へのダメージも少ない。   Such microwave surface wave plasma has the characteristics of high plasma density and low electron temperature, and can sinter the patterned printed layer at low temperature in a short time, and is dense, smooth and has performance It is possible to form an excellent semiconductor layer. The surface wave plasma is irradiated with plasma having a uniform density within the surface with respect to the processing surface. As a result, compared to other firing methods and other plasma methods, non-uniform film formation is less likely to occur, such as partial sintering of particles in the plane, and grain growth is prevented. As a result, a very dense and smooth film can be obtained. In addition, since it is not necessary to provide an electrode in the in-plane processing chamber, contamination of impurities derived from the electrode can be prevented, and damage to the processing material due to abnormal discharge can be prevented. Further, when a plastic substrate is used, the substrate is less damaged, and the electrode and other layers are less damaged.

本発明においては、前述したように、マイクロ波表面波プラズマを、還元性気体の雰囲気、好ましくは水素ガス雰囲気下で発生させることができる。これにより、半導体ナノ粒子表面に存在する絶縁性の酸化物が還元除去され、半導体特性の良好な半導体層が形成される。   In the present invention, as described above, the microwave surface wave plasma can be generated in a reducing gas atmosphere, preferably in a hydrogen gas atmosphere. As a result, the insulating oxide present on the surface of the semiconductor nanoparticles is reduced and removed, and a semiconductor layer having good semiconductor characteristics is formed.

このように、マイクロ波表面波プラズマ、好ましくはマイクロ波表面波水素プラズマに印刷層を晒すことにより、半導体粒子の粒成長が抑制され、ち密で平滑な膜を得ることができる。ち密性は、半導体層表面において、粒子が占有しない空隙部分の面積(以下「空隙率」と称する。)が15%以下、好ましくは10%以下の、ち密な膜が得られる。
なお、上記空隙率は、5万倍の倍率で得た走査型電子顕微鏡像を画像解析し、粒子が存在する部分と、粒子が存在しない気孔部分の比率により算出する。10箇所の写真で算出した値を平均して求める。
Thus, by exposing the printing layer to microwave surface wave plasma, preferably microwave surface wave hydrogen plasma, the growth of semiconductor particles can be suppressed, and a dense and smooth film can be obtained. As for the compactness, a dense film is obtained in which the area of voids (hereinafter referred to as “porosity”) not occupied by particles on the surface of the semiconductor layer is 15% or less, preferably 10% or less.
The porosity is calculated by analyzing the image of a scanning electron microscope image obtained at a magnification of 50,000 times and calculating the ratio of the portion where particles are present to the pore portion where particles are not present. The values calculated from 10 photographs are averaged.

[半導体基板、電子部材]
本発明はまた、前述した本発明の製造方法により得られた半導体基板、及び該半導体基板を備えてなる電子部材をも提供する。
本発明の半導体基板は、前述した本発明の方法により製造されてなる、基材上にパターン状の半導体層を有するものであって、該半導体層は、半導体粒子の成長が抑制され、ち密かつ平滑で、良好なキャリア移動度を有するなど、半導体性能に優れている。本発明の方法により製造された半導体基板は、半導体層の厚さを200nm以下と極めて薄い膜とすることができ、半導体ナノ粒子を含む塗布液の粘度や塗布量などの調製により、例えば120nm以下、100nm以下、さらには10〜50nm程度の薄い半導体層を製造することも可能である。すなわち、本発明の半導体基板は、上記したような半導体特性に優れているだけでなく、その半導体層の厚さが非常に薄いものである。
[Semiconductor substrates, electronic components]
The present invention also provides a semiconductor substrate obtained by the above-described manufacturing method of the present invention, and an electronic member comprising the semiconductor substrate.
The semiconductor substrate of the present invention has a patterned semiconductor layer on a base material produced by the above-described method of the present invention, and the semiconductor layer is compact and has a suppressed growth of semiconductor particles. It has excellent semiconductor performance such as smoothness and good carrier mobility. The semiconductor substrate manufactured by the method of the present invention can be a very thin film having a semiconductor layer thickness of 200 nm or less, and for example, 120 nm or less by adjusting the viscosity and coating amount of a coating solution containing semiconductor nanoparticles. It is also possible to manufacture a thin semiconductor layer of 100 nm or less, and further about 10 to 50 nm. That is, the semiconductor substrate of the present invention not only has excellent semiconductor characteristics as described above, but also has a very thin semiconductor layer.

また、製造方法として、半導体ナノ粒子を含む塗布液を基材上にパターン状に印刷して印刷層を形成し、この印刷層を、マイクロ波表面波プラズマに晒して焼成処理する方法を採用しているため、比較的低温かつ短時間での焼成処理が可能で、基材に与えるダメージが少ない上、半導体性能に優れる半導体基板を、生産性よく与えることができる。
半導体基板の半導体層には、用途に応じて、該半導体層の上に、更に、電極、絶縁層、酸化防止層、ガスバリア層、拡散防止層などの機能層を形成することができる。
In addition, as a manufacturing method, a coating layer containing semiconductor nanoparticles is printed in a pattern on a substrate to form a printed layer, and this printed layer is exposed to microwave surface wave plasma and subjected to a firing treatment. Therefore, a baking process can be performed at a relatively low temperature and in a short time, and the damage to the base material is small, and a semiconductor substrate having excellent semiconductor performance can be given with high productivity.
In the semiconductor layer of the semiconductor substrate, functional layers such as an electrode, an insulating layer, an antioxidant layer, a gas barrier layer, and a diffusion preventing layer can be further formed on the semiconductor layer depending on the application.

本発明の電子部材は、前述した本発明の半導体基板を備えた電子部材であり、例えば液晶表示装置などのディスプレイ用TFTや、太陽電池、センサー、オプトデバイスなどに有効に利用することができる。   The electronic member of the present invention is an electronic member including the above-described semiconductor substrate of the present invention, and can be effectively used for, for example, a display TFT such as a liquid crystal display device, a solar cell, a sensor, and an opto device.

次に、本発明を実施例により、さらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。
なお、各例で得られた半導体基板について、移動度及びキャリア密度によって評価した。評価方法は以下のとおりである。
(キャリア密度の測定方法及び半導体移動度の測定方法)
成書「半導体評価技術」(河東田隆編著 産業図書株式会社発行)p222〜225に記載のvan der Pauw法に準拠し、全面にGe膜が塗布された1cm四方の試料の4隅に、銀ペーストを用いて電極を形成した試料片を作製し、測定に用いた。
EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these examples.
Note that the semiconductor substrate obtained in each example was evaluated by mobility and carrier density. The evaluation method is as follows.
(Measurement method of carrier density and measurement method of semiconductor mobility)
In accordance with the van der Pauw method described in the book “Semiconductor Evaluation Technology” (published by Takashi Katoda, Sangyo Tosho Co., Ltd.), p. A sample piece having an electrode formed thereon was prepared and used for measurement.

(ゲルマニウムナノ粒子Aの調製)
実施例に使用したゲルマニウムナノ粒子Aは、下記のとおり調製した。
分散媒として、(A)ライオン拡散ポンプ油(ライオン社製)380gを用い、これにポリイソブテニルコハク酸四アミンイミド(三洋化成工業社製)を20g添加し撹拌した。なお、ライオン拡散ポンプ油は、炭素数12〜16個のアルキル基を有するアルキルナフタレンである。
続いて、回転ドラム式の蒸着チャンバーに上記分散媒(A)を入れ、蒸着源にゲルマニウムの粒を入れ、次いで真空ポンプで減圧し、チャンバー内の圧力を10-3Paとした。チャンバーを水流で冷却させながら回転させ、ゲルマニウム(Ge)が溶解・蒸発するまで加熱した。ゲルマニウム(Ge)粒が蒸発し、界面活性剤が溶解している分散媒中に蒸着され、界面活性剤に取り込まれることにより、ゲルマニウムナノ粒子Aが分散した分散液が形成された。
上記のようにして調製したGeナノ粒子A分散液50gに、メチルエチルケトン(以下、「MEK」と記載する。)を加え、全体で500mLになるように調整し、撹拌後、25℃で1日間、静置してGeナノ粒子Aを沈降させた。上澄みを捨て、再びMEKを加える操作を行い、分散媒を除去した。
次いで、MEKを、減圧留去により減量し、トルエンを加え再分散させ、固形分を22質量%に調整し、Geナノ粒子A分散液を得た。透過型電子顕微鏡観察により、平均1次粒子径6nm程度のGeナノ粒子Aが凝集することなく分散されていることが確認できた。
(Preparation of germanium nanoparticles A)
The germanium nanoparticles A used in the examples were prepared as follows.
As a dispersion medium, 380 g of (A) Lion diffusion pump oil (manufactured by Lion) was used, and 20 g of polyisobutenyl succinic acid tetraamine imide (manufactured by Sanyo Chemical Industries) was added and stirred. Lion diffusion pump oil is alkyl naphthalene having an alkyl group having 12 to 16 carbon atoms.
Subsequently, the dispersion medium (A) was placed in a rotary drum type deposition chamber, germanium particles were placed in a deposition source, and then the pressure was reduced by a vacuum pump, so that the pressure in the chamber was 10 −3 Pa. The chamber was rotated while being cooled with a water flow, and heated until germanium (Ge) was dissolved and evaporated. The germanium (Ge) particles are evaporated, deposited in a dispersion medium in which the surfactant is dissolved, and taken into the surfactant, whereby a dispersion liquid in which germanium nanoparticles A are dispersed is formed.
To 50 g of the Ge nanoparticle A dispersion prepared as described above, methyl ethyl ketone (hereinafter referred to as “MEK”) is added, adjusted to a total of 500 mL, and after stirring, at 25 ° C. for 1 day. The Ge nanoparticles A were allowed to settle to settle. The supernatant was discarded and MEK was added again to remove the dispersion medium.
Next, the amount of MEK was reduced by distilling off under reduced pressure, toluene was added and redispersed, the solid content was adjusted to 22% by mass, and a Ge nanoparticle A dispersion was obtained. By observation with a transmission electron microscope, it was confirmed that Ge nanoparticles A having an average primary particle diameter of about 6 nm were dispersed without aggregation.

実施例1
上記の方法にて調製した、平均1次粒子径が6nmのゲルマニウムナノ粒子Aのトルエン分散液を、厚み0.7mmの無アルカリガラス基材(コーニング社製、1737)上に、インクジェット印刷法(FUJIFILM Dimatix社製 DMP−2831)によりパターン状に印刷した後、オーブンで400℃、60分間熱処理を行った。
続いて、マイクロ波表面波プラズマ処理装置(MSP−1500、ミクロ電子社製)により処理を行った。プラズマ処理は、水素ガスを用い、水素導入圧力10Pa、水素流量100mL/分、マイクロ波出力1000Wで、3分間処理を実施した。
得られた半導体膜について、膜厚を触針式表面形状測定器(アルバック社製 Dektak6M)により測定したところ、0.5μmであった。また、低抵抗率計(ダイアインスツルメンツ社製ロレスタGP)によりJIS K 7194に準拠して表面抵抗率を測定したところ、1.0×105Ω/□であった。また、van der Pauw法により移動度を測定したところ、15cm2/Vsであった。また、キャリア密度は約1016/cm3であった。
得られた半導体膜表面を走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製、S−4800)で、倍率5万倍で観察した。該電子顕微鏡で撮影した5万倍の写真を図1に示す。
また、5箇所の観察像を得て、得られた観察像を画像解析し、粒子が存在する部分と、粒子が存在しない空隙部分の比率により算出して平均して得られた表面の空隙率は、7.5%であった。
Example 1
A toluene dispersion of germanium nanoparticles A having an average primary particle diameter of 6 nm prepared by the above method is applied to an alkali-free glass substrate (Corning Corp., 1737) having a thickness of 0.7 mm by an inkjet printing method ( FUJIFILM Dimatix DMP-2831) was printed in a pattern and then heat-treated in an oven at 400 ° C. for 60 minutes.
Then, it processed with the microwave surface wave plasma processing apparatus (MSP-1500, the product made by a microelectronics company). The plasma treatment was performed using hydrogen gas for 3 minutes at a hydrogen introduction pressure of 10 Pa, a hydrogen flow rate of 100 mL / min, and a microwave output of 1000 W.
About the obtained semiconductor film, when the film thickness was measured with the stylus type surface shape measuring device (Dektak6M by ULVAC, Inc.), it was 0.5 micrometer. Further, the surface resistivity was measured with a low resistivity meter (Loresta GP, manufactured by Dia Instruments Co., Ltd.) in accordance with JIS K 7194. As a result, it was 1.0 × 10 5 Ω / □. In addition, when the mobility was measured by the van der Pauw method, it was 15 cm 2 / Vs. Further, the carrier density was about 10 16 / cm 3.
The obtained semiconductor film surface was observed with a scanning electron microscope (S-4800, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) at a magnification of 50,000 times. A 50,000 times photograph taken with the electron microscope is shown in FIG.
Further, the surface porosity obtained by obtaining five observation images, image-analyzing the obtained observation images, and calculating and averaging by the ratio of the portion where the particles are present and the void portion where the particles are not present Was 7.5%.

実施例2
上記の方法にて調製した、平均1次粒子径が6nmのゲルマニウムナノ粒子のトルエン分散液を、厚み75μmのポリイミド基材(東レ・デュポンフィルム製、カプトン300H)上に、インクジェット印刷法(FUJIFILM Dimatix社製 DMP−2831)によりパターン状に印刷した後、オーブンで300℃、60分間熱処理を行った。
続いて、マイクロ波表面波プラズマ処理装置(MSP−1500、ミクロ電子社製)により処理を行った。プラズマ処理は、水素ガスを用い、水素導入圧力10Pa、水素流量100mL/分、マイクロ波出力1000Wで、2分間処理を実施した。
得られた半導体膜について、膜厚を触針式表面形状測定器(アルバック社製 Dektak6M)により測定したところ、0.7μmであった。また、低抵抗率計(ダイアインスツルメンツ社製ロレスタGP)によりJIS K 7194に準拠して表面抵抗率を測定したところ、1.2×105Ω/□であった。また、van der Pauw法により移動度を測定したところ、8cm2/Vsであった。また、キャリア密度は約1017/cm3であった。
得られた半導体膜表面について、実施例1に記載するのと同様の方法で測定した空隙率は8.6%であった。
Example 2
The toluene dispersion of germanium nanoparticles having an average primary particle diameter of 6 nm prepared by the above method is applied to a 75 μm-thick polyimide substrate (manufactured by Toray DuPont Films, Kapton 300H) by inkjet printing (FUJIFILM Dimatix). After printing in a pattern using DMP-2831), heat treatment was performed in an oven at 300 ° C. for 60 minutes.
Then, it processed with the microwave surface wave plasma processing apparatus (MSP-1500, the product made by a microelectronics company). The plasma treatment was performed using hydrogen gas for 2 minutes at a hydrogen introduction pressure of 10 Pa, a hydrogen flow rate of 100 mL / min, and a microwave output of 1000 W.
About the obtained semiconductor film, it was 0.7 micrometer when the film thickness was measured with the stylus type surface shape measuring device (Dektak6M by ULVAC). Further, when the surface resistivity was measured with a low resistivity meter (Loresta GP, manufactured by Dia Instruments Co., Ltd.) in accordance with JIS K 7194, it was 1.2 × 10 5 Ω / □. In addition, when the mobility was measured by the van der Pauw method, it was 8 cm 2 / Vs. The carrier density was about 10 17 / cm 3 .
With respect to the surface of the obtained semiconductor film, the porosity measured by the same method as described in Example 1 was 8.6%.

(ゲルマニウムナノ粒子Bの調製)
ゲルマニウムナノ粒子Bは、下記のとおり調製した。
分散媒として、(A)アルキルナフタレン(アルキル基:炭素数16〜20)280gを用い、これにテトラプロペニル無水コハク酸120gを添加し攪拌した。
続いて、回転ドラム式の蒸着チャンバーに上記分散媒(A)を入れ、蒸着源にゲルマニウムの粒を入れ、次いで真空ポンプで減圧し、チャンバー内の圧力を10-3Paとした。チャンバーを水流で冷却させながら回転させ、ゲルマニウム(Ge)が溶解・蒸発するまで加熱した。ゲルマニウム(Ge)粒が蒸発し、界面活性剤が溶解している分散媒中に蒸着され、界面活性剤に取り込まれることにより、ゲルマニウムナノ粒子Bが分散した分散液が形成された。
上記のようにして調製したGeナノ粒子B分散液100gに、メタノール500gを加えて攪拌した。Geナノ粒子Bを含む液体が分離・沈降することから、遠心分離機を用いて(10000×g,5分間)、当該液体を完全に分離し、上澄みを除去した。残った沈殿物に酢酸エチルを500g加えて攪拌し、Geナノ粒子Bを含む液体を、再度遠心分離機を用いて(10000×g,5分間)完全に分離し、上澄みを除去し、この作業を3回繰り返した。
残った沈殿物をナスフラスコに回収し、ロータリーエバポレーターを用いて、溶媒を除去し、得られた固形物10gにトルエン10gを加え、さらにオレイルアミン2.5gを加えて攪拌した。得られた液体は黒褐色を呈し、目視で凝集を確認できないGeナノ粒子B分散液を得た。透過型電子顕微鏡の観察により、平均一次粒子径10nm程度のゲルマニウム(Ge)ナノ粒子Bが凝集することなく、分散されていることが確認された。また当該分散液の固形分は14.7%であり、粘度は0.9mPa・sであった。
(Preparation of germanium nanoparticles B)
Germanium nanoparticles B were prepared as follows.
As a dispersion medium, 280 g of (A) alkylnaphthalene (alkyl group: 16 to 20 carbon atoms) was used, and 120 g of tetrapropenyl succinic anhydride was added thereto and stirred.
Subsequently, the dispersion medium (A) was placed in a rotary drum type deposition chamber, germanium particles were placed in a deposition source, and then the pressure was reduced by a vacuum pump, so that the pressure in the chamber was 10 −3 Pa. The chamber was rotated while being cooled with a water flow, and heated until germanium (Ge) was dissolved and evaporated. The germanium (Ge) particles are evaporated, deposited in a dispersion medium in which the surfactant is dissolved, and taken into the surfactant to form a dispersion in which germanium nanoparticles B are dispersed.
To 100 g of the Ge nanoparticle B dispersion prepared as described above, 500 g of methanol was added and stirred. Since the liquid containing Ge nanoparticles B was separated and settled, the liquid was completely separated using a centrifuge (10000 × g, 5 minutes), and the supernatant was removed. 500 g of ethyl acetate was added to the remaining precipitate and stirred, and the liquid containing Ge nanoparticles B was completely separated again using a centrifuge (10000 × g, 5 minutes), and the supernatant was removed. Was repeated three times.
The remaining precipitate was collected in an eggplant flask, the solvent was removed using a rotary evaporator, 10 g of toluene was added to 10 g of the obtained solid, and 2.5 g of oleylamine was further added and stirred. The obtained liquid had a blackish brown color, and a Ge nanoparticle B dispersion liquid in which aggregation was not visually confirmed was obtained. By observation with a transmission electron microscope, it was confirmed that germanium (Ge) nanoparticles B having an average primary particle diameter of about 10 nm were dispersed without being aggregated. The dispersion had a solid content of 14.7% and a viscosity of 0.9 mPa · s.

実施例3
基材洗浄のため、高周波プラズマ処理装置(キャノンアネルバエンジニアリング株式会社製,PED−350)により、石英ガラス基材(旭硝子社製)の表面処理を酸素ガスで10分間実施した。また、Geナノ粒子B分散液を、石英ガラス上にスピンコートした後、オーブンで500℃、30分間大気下にて熱処理を行った。
次いで、Geナノ粒子Bがスピンコートされた石英ガラス(以下、単に試料という。)を、マイクロ波表面波プラズマ処理装置(MSP−1500、ミクロ電子社製)のプラズマチャンバー内の試料台にセットし、試料を350℃まで加熱した後、プラズマ処理を行った。プラズマ処理は、水素ガスを用い、水素導入圧力10Pa、水素流量10mL/分、マイクロ波出力1000Wで、2分間処理を実施して、石英ガラス上にゲルマニウム膜を有する半導体基板を得た。該半導体基板のプラズマ処理終了直後の温度は450℃であった。
Example 3
In order to clean the substrate, surface treatment of the quartz glass substrate (Asahi Glass Co., Ltd.) was carried out with oxygen gas for 10 minutes using a high-frequency plasma processing apparatus (PED-350, manufactured by Canon Anelva Engineering Co., Ltd.). Moreover, after spin-coating Ge nanoparticle B dispersion liquid on quartz glass, it heat-processed in air | atmosphere at 500 degreeC for 30 minutes.
Next, quartz glass (hereinafter, simply referred to as a sample) coated with Ge nanoparticles B is set on a sample stage in a plasma chamber of a microwave surface wave plasma processing apparatus (MSP-1500, manufactured by Microelectronics). The sample was heated to 350 ° C. and then subjected to plasma treatment. The plasma treatment was performed using hydrogen gas at a hydrogen introduction pressure of 10 Pa, a hydrogen flow rate of 10 mL / min, and a microwave output of 1000 W for 2 minutes to obtain a semiconductor substrate having a germanium film on quartz glass. The temperature immediately after the plasma treatment of the semiconductor substrate was 450 ° C.

得られた半導体基板について、その断面を走査型電子顕微鏡で、倍率5万倍で観察した。当該電子顕微鏡で撮影した5万倍の写真を図3に示す。図3の写真より、ゲルマニウム膜の厚みは100nmであり、当該膜中に未反応部は確認されなかった。
また、得られた半導体膜表面について、実施例1に記載するのと同様の方法で測定した空隙率は10.3%であった。
About the obtained semiconductor substrate, the cross section was observed with a scanning electron microscope at a magnification of 50,000 times. FIG. 3 shows a 50,000 times photograph taken with the electron microscope. From the photograph of FIG. 3, the germanium film had a thickness of 100 nm, and no unreacted portion was confirmed in the film.
Further, the porosity of the obtained semiconductor film surface measured by the same method as described in Example 1 was 10.3%.

参考例1
実施例1で用いたのと同様の、平均1次粒子径が6nmのゲルマニウムナノ粒子のトルエン分散液を0.75mm厚の石英基材(旭硝子社製、合成石英AQ)上に、インクジェット印刷(FUJIFILM Dimatix社製 DMP−2831)により塗布膜をパターン状に形成した後、オーブンにて400℃、60分間熱処理した。その後、水素ガスを用いた還元性雰囲気下650℃で、還元し半導体基板を得た。
なお、還元は、10℃/分で昇温し、650℃30分保持し、その後空冷した。還元ガスとして、アルゴン/水素=96/4(体積比)の混合ガスを使用した。
上記半導体基板について、半導体膜厚を触針式表面形状測定器(アルバック社製Dektak6M)により測定したところ、0.5μmであった。また、低抵抗率計(ダイアインスツルメンツ社製ロレスタGP)によりJIS K 7194に準拠して表面抵抗を測定したところ、1.7×105Ω/□であった。また、van der Pauw法により移動度を測定したところ、約9cm2/Vsであり、キャリア密度は、約1016/cm3であった。
得られた半導体膜表面を走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製、S−4800)で、倍率5万倍で観察した。該電子顕微鏡で撮影した5万倍の写真を図2に示す。
また、5箇所の観察像を得て、得られた観察像を画像解析し、粒子が存在する部分と、粒子が存在しない空隙部分の比率により算出して平均して得られた表面の空隙率は、18.8%であった。
Reference example 1
Similar to that used in Example 1, a toluene dispersion of germanium nanoparticles having an average primary particle size of 6 nm was inkjet-printed on a quartz substrate (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., synthetic quartz AQ) having a thickness of 0.75 mm. The coating film was formed into a pattern by FUJIFILM Dimatrix DMP-2831), and then heat-treated in an oven at 400 ° C. for 60 minutes. Thereafter, reduction was performed at 650 ° C. in a reducing atmosphere using hydrogen gas to obtain a semiconductor substrate.
In the reduction, the temperature was raised at 10 ° C./min, held at 650 ° C. for 30 minutes, and then air-cooled. As a reducing gas, a mixed gas of argon / hydrogen = 96/4 (volume ratio) was used.
About the said semiconductor substrate, when the semiconductor film thickness was measured with the stylus type surface shape measuring device (Dektak6M by ULVAC, Inc.), it was 0.5 micrometer. Further, when the surface resistance was measured with a low resistivity meter (Loresta GP manufactured by Dia Instruments Co.) in accordance with JIS K 7194, it was 1.7 × 10 5 Ω / □. Further, when the mobility was measured by the van der Pauw method, it was about 9 cm 2 / Vs, and the carrier density was about 10 16 / cm 3 .
The obtained semiconductor film surface was observed with a scanning electron microscope (S-4800, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) at a magnification of 50,000 times. FIG. 2 shows a 50,000 times photograph taken with the electron microscope.
Further, the surface porosity obtained by obtaining five observation images, image-analyzing the obtained observation images, and calculating and averaging by the ratio of the portion where the particles are present and the void portion where the particles are not present Was 18.8%.

参考例2
実施例1で用いたのと同様の、平均1次粒子径が6nmのゲルマニウムナノ粒子のトルエン分散液を0.75mm厚の石英基材(旭硝子社製、合成石英AQ)上に、インクジェット印刷(FUJIFILM Dimatix社製 DMP−2831)により塗布膜をパターン状に形成した後、オーブンにて350℃、60分間熱処理した。その後、高周波水素プラズマ処理により還元し、半導体基板を得た。
なお、高周波水素プラズマ処理は、装置としてキャノンアネルバエンジニアリング社製の「PED−350特型」を用い、水素導入圧力10Pa、水素流量100mL/分とし、高周波電力500W、プラズマ処理時間を20分とした。
上記半導体基板について、半導体膜厚を触針式表面形状測定器(アルバック社製Dektak6M)により測定したところ、0.5μmであった。また、低抵抗率計(ダイアインスツルメンツ社製ロレスタGP)によりJIS K 7194に準拠して表面抵抗を測定したところ、表面抵抗は、6.9×105Ω/□であった。また、van der Pauw法により移動度を測定したところ、約5cm2/Vsであり、キャリア密度は、約1017/cm3であった。
得られた半導体膜表面を走査型電子顕微鏡(日立ハイテクノロジーズ社製、S−4800)で、倍率5万倍で観察した。5箇所の観察像を得て、得られた観察像を画像解析し、粒子が存在する部分と、粒子が存在しない空隙部分の比率により算出して平均して得られた表面の空隙率は、16.0%であった。
Reference example 2
Similar to that used in Example 1, a toluene dispersion of germanium nanoparticles having an average primary particle size of 6 nm was inkjet-printed on a quartz substrate (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd., synthetic quartz AQ) having a thickness of 0.75 mm. A coating film was formed in a pattern by FUJIFILM Dimatrix DMP-2831), and then heat-treated in an oven at 350 ° C. for 60 minutes. Then, it reduced by the high frequency hydrogen plasma process, and the semiconductor substrate was obtained.
The high-frequency hydrogen plasma treatment uses “PED-350 special type” manufactured by Canon Anelva Engineering as an apparatus, the hydrogen introduction pressure is 10 Pa, the hydrogen flow rate is 100 mL / min, the high-frequency power is 500 W, and the plasma treatment time is 20 minutes. .
About the said semiconductor substrate, when the semiconductor film thickness was measured with the stylus type surface shape measuring device (Dektak6M by ULVAC, Inc.), it was 0.5 micrometer. Further, when the surface resistance was measured with a low resistivity meter (Loresta GP, manufactured by Dia Instruments Co.) in accordance with JIS K 7194, the surface resistance was 6.9 × 10 5 Ω / □. Further, when the mobility was measured by the van der Pauw method, it was about 5 cm 2 / Vs, and the carrier density was about 10 17 / cm 3 .
The obtained semiconductor film surface was observed with a scanning electron microscope (S-4800, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation) at a magnification of 50,000 times. Obtaining five observation images, image analysis of the obtained observation image, the porosity of the surface obtained by averaging by calculating the ratio of the portion where the particles are present and the void portion where the particles are not present, It was 16.0%.

本発明の半導体基板の製造方法は、基材上に設けられた半導体ナノ粒子を含む印刷層を、マイクロ波表面波プラズマに晒すことにより、低温かつ短時間で焼成処理して、ち密かつ平滑で性能に優れる半導体層を形成してなる半導体基板の製造方法であり、液晶等ディスプレイ用TFT半導体や、太陽電池、センサー、オプトデバイス等に有効に利用できる。   The method for producing a semiconductor substrate of the present invention comprises a printed layer containing semiconductor nanoparticles provided on a base material, exposed to microwave surface wave plasma, and subjected to a baking process at a low temperature and in a short time, thereby being dense and smooth. This is a method for producing a semiconductor substrate formed with a semiconductor layer having excellent performance, and can be effectively used for TFT semiconductors for displays such as liquid crystal, solar cells, sensors, and opto devices.

Claims (10)

基材上に、半導体ナノ粒子を含む塗布液をパターン状に印刷して印刷層を形成した後、この印刷層を焼成処理してパターン状の半導体層を形成する半導体基板の製造方法であって、マイクロ波エネルギーの印加により発生する表面波プラズマに前記印刷層を晒すことにより、該印刷層の焼成処理を行うことを特徴とする半導体基板の製造方法。   A method for producing a semiconductor substrate, comprising: forming a printed layer by printing a coating solution containing semiconductor nanoparticles on a substrate in a pattern; and firing the printed layer to form a patterned semiconductor layer. A method for producing a semiconductor substrate, comprising subjecting the printed layer to baking treatment by exposing the printed layer to surface wave plasma generated by application of microwave energy. 表面波プラズマを還元性気体の雰囲気下で発生させる請求項1に記載の半導体基板の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the surface wave plasma is generated in an atmosphere of a reducing gas. 還元性気体の雰囲気が水素を含む気相雰囲気である請求項2に記載の半導体基板の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 2, wherein the reducing gas atmosphere is a gas phase atmosphere containing hydrogen. 半導体ナノ粒子の平均1次粒子径が1〜100nmである請求項1〜3のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。   The method for producing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the average primary particle diameter of the semiconductor nanoparticles is 1 to 100 nm. 半導体ナノ粒子がゲルマニウムナノ粒子である請求項1〜4のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。   The method for producing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the semiconductor nanoparticles are germanium nanoparticles. 基材がシリコンウェハ、ガラス基板及びセラミック基板の中から選択される請求項1〜5のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the base material is selected from a silicon wafer, a glass substrate, and a ceramic substrate. 基材が融点200℃以上のプラスチックフィルムからなる請求項1〜5のいずれかに記載の半導体基板の製造方法。   The method for producing a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the substrate is made of a plastic film having a melting point of 200 ° C. or higher. 請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法により得られたことを特徴とする半導体基板。   A semiconductor substrate obtained by the manufacturing method according to claim 1. 走査型電子顕微鏡で観察した観察像において、半導体層表面における空隙率が15%以下であることを特徴とする請求項8に記載の半導体基板。   9. The semiconductor substrate according to claim 8, wherein the porosity on the surface of the semiconductor layer is 15% or less in an observation image observed with a scanning electron microscope. 請求項8又は9に記載の半導体基板を備えていることを特徴とする電子部材。   An electronic member comprising the semiconductor substrate according to claim 8.
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