JP2012064662A - 薄膜トランジスタの製造方法および薄膜トランジスタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】基板7上にゲート電極42およびゲート絶縁層2が順次形成され、該ゲート絶縁層が形成されたゲート電極上に適宜の間隔でソース電極5aおよびドレイン電極5bが対向配置され、該間隔を含む領域に半導体層6が形成された薄膜トランジスタを、活性水素基と反応可能なメラミン誘導体および活性水素基を有する樹脂を含有する溶液を塗布・焼成し、紫外線照射で表面濡れ性が可変のゲート絶縁層を形成し、紫外線照射で該ゲート絶縁層の露光部位を親水性域に変え、親水性域に電極材料含有溶液を印刷法で塗布・乾燥し、ソース電極及びドレイン電極を形成して薄膜トランジスタを形成する。
【選択図】図3
Description
絶縁材料として種々の有機材料が検討されているが、上記抵抗値及び絶縁耐圧を両立する材料として特にポリイミド材料が注目されている。ポリイミド材料には、熱によりポリアミド酸(ポリアミック酸)を脱水重合させてイミド化する熱重合型ポリイミド(イミド化が確立した後は、溶剤に難溶)と、イミド化しても溶剤に可溶な溶剤可溶型ポリイミドがある。溶剤可溶型ポリイミドは、分子設計が限られてしまうことから、一般には熱重合型ポリイミドが多く用いられる。
チャネル部を規定するソース・ドレイン電極の作製方法の一つとして、インクジェット描画プロセス(インクジェット法)を利用したソース・ドレイン電極パターン作製方法がある。インクジェット法により電極パターンを作製する方法は種々挙げられるが、そのうちの一つに、表面自由エネルギーの差を利用する方法がある。
また、特許文献2では、ポリイミドを含む高分子材料からなる濡れ性変化層上にエネルギーを付与(紫外線照射)し、高表面エネルギー部に導電性材料を含有する液体を付与(インクジェット法)して電極を形成し電子素子を製造する手法が提案されている。
また、特許文献3では、エネルギー付与(紫外線照射)により臨界表面張力が変化する材料(臨界表面張力が変化する材料が主鎖と多分岐構造を含む側鎖とを有する高分子:可溶性ポリイミド)を含有する濡れ性変化層によってパターン化された電極層を形成して電子素子を製造する手法が提案されている。
また、特許文献4では、絶縁材料(イミド化率80%以上のポリイミド材料)の表面にエネルギー付与(紫外線照射)により形成された高表面エネルギー部位に導電層を形成して電子素子を製造する手法が提案されている。
ポリイミドを絶縁層(絶縁膜)に用いる場合、イミド化率の低いポリイミド絶縁層にUV光を照射して露光部分の表面自由エネルギーを変化させ、非露光部分とのエネルギー差によって電極を形成する技術では、特に波長の短いUV光によって絶縁膜がダメージを受けて最も重要な電気絶縁性の機能が損なわれてしまう可能性がある。しかしながら、従来はこの点に関して、十分な対策が施されていないのが現状である。
なお、式(2)中、Xは4価の有機基からなる任意の連結基であり、nは所望の分子量に応じた繰り返し単位数である。
一方、下記反応式(3)に示すように、前記反応式(2)に示す脱水反応によって生じた水、およびポリアミック酸溶液中に溶存している水によって、ポリアミド酸のアミド結合が加水分解されてジカルボン酸が生成し、さらに加熱により酸無水物が生成する副反応が生じる。
また、印刷法によるパターン形成により、ポリイミド材料層上に電子素子構成材料を塗布する場合、前記反応式(3)に示される様な副反応が生じると、塗工液の溶媒にポリアミック酸、酸無水物等が溶出し、素子特性信頼性の劣化といった問題が生じていた。
以上のように、イミド化率の低いポリイミドからなるゲート絶縁膜上にUV光を照射して露光された部分の表面自由エネルギーを変化させ(高表面自由エネルギー部の形成)、露光されていない部分(低表面自由エネルギー部)とのエネルギー差によって電極を形成する技術では、波長の短いUV光によってゲート絶縁膜が損傷を受け、重要な電気絶縁性が損なわれてしまう。背景技術でも述べたように、従来はこの点に関して十分な対策が施されていない。
以降、「ゲート絶縁層」を、「ゲート絶縁膜」、「絶縁膜」または「絶縁層」と呼称することがある。また、「ソース電極およびドレイン電極」を、「ソース・ドレイン電極」と呼称することがある。
少なくとも活性水素基と反応可能なメラミン誘導体および活性水素基を有する樹脂を含有する溶液を塗布・焼成して、撥水性を有すると共に紫外線照射により表面濡れ性が可変であるゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層に紫外線を照射して該紫外線露光部位を撥水性域から親水性域に変化させる工程と、
前記親水性域に電極材料を含有する溶液を印刷法で塗布・乾燥してソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法により解決される。
少なくとも活性水素基と反応可能なメラミン誘導体および活性水素基を有する樹脂を含有する溶液を塗布・焼成して、撥水性を有すると共に紫外線照射により表面濡れ性が可変であるゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層に紫外線を照射して該紫外線露光部位を撥水性域から親水性域に変化させる工程と、
前記親水性域に電極材料を含有する溶液を印刷法で塗布・乾燥してソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とするものである。
本発明の薄膜トランジスタの製造方法におけるゲート絶縁層を形成する工程では、少なくとも活性水素基と反応可能なメラミン誘導体および活性水素基を有する樹脂を含有する溶液を塗布・焼成して、撥液性を有すると共に紫外線照射により表面濡れ性が可変である絶縁層を形成する。即ち、「ゲート絶縁層」は、紫外線照射により表面濡れ性が変化する機能を有するものであることから、以下「濡れ性変化層」と呼称して説明する。
[濡れ性変化層]
まず、一つの実施態様を例に本発明における濡れ性変化層について説明する。
図1は、本発明の薄膜トランジスタにおけるゲート絶縁層の原理的構成例を示す断面模式図である。
本実施の形態のゲート絶縁層は、例えば、基板(図示せず)上に形成された濡れ性変化層2により構成されている。
ここで、濡れ性変化層2は200〜300nmの紫外線(UV光1)の照射によって表面自由エネルギー(臨界表面張力ともいう)が変化する材料を含む層であって、本実施の形態では、少なくとも表面自由エネルギーの異なる2つの部位として、より表面自由エネルギーの大きな高表面エネルギー部3と、より表面自由エネルギーの小さな低表面エネルギー部4とを有している。
図1において、2つの高表面エネルギー部3の間隔は、例えば、1〜5μm程度の微小ギャップに設定されている。そして、濡れ性変化層2に対して高表面エネルギー部3の部位には、それぞれソース電極およびドレイン電極(ソース・ドレイン電極5)が形成され、かつ、濡れ性変化層2に対して少なくとも低表面エネルギー部4に接するようにして半導体層6が設けられている。つまり、ゲート絶縁層をなす濡れ性変化層2にUV光1を照射して、UV露光部位を撥水液性域から親水性域に変化させ、親水性域に、例えば、電極材料を含有する溶液を印刷法で塗布・乾燥してソース電極およびドレイン電極(ソース・ドレイン電極5)が形成される。尚、図1において、符号5の一方がソース電極であり、他方がドレイン電極である。
また、図1を参照して、濡れ性変化層2の構成材料について以下に詳述する。
濡れ性変化層2は、撥液性を有すると共に紫外線照射により表面濡れ性の制御が可能に構成される。本発明においては、少なくとも良好な電気絶縁性と濡れ性変化の機能を満たすため、活性水素基と反応可能なメラミン誘導体および活性水素基を有する樹脂を含有する溶液を塗布・焼成して濡れ性変化層2を形成する。
ここで、前記活性水素基を有する樹脂が、疎水性樹脂であるか、または疎水性樹脂を含有することが好ましい。即ち、濡れ性変化層として良好な電気絶縁性と濡れ性変化の機能を満たすものであれば、メラミン誘導体と反応可能な活性水素基を有する樹脂1種類の構成でもよいが、メラミン誘導体と反応可能な活性水素基を有する樹脂と疎水性樹脂(活性水素基を有していてもよい)を含む2種類以上の構成が望ましい。つまり、活性水素基を有する樹脂1種類の構成の場合は、良好な電気絶縁性を有し、且つ紫外線照射によって表面自由エネルギーが低い状態から高い状態に変化可能な樹脂であることが必要である。
前記疎水性樹脂としては、例えば、炭化水素[−(CH2)nCH3(nは自然数)などのアルキル基]や、フッ化炭素[−(CF2)nCF3(nは自然数)などのフロロアルキル基]が側鎖に付いた、所謂、活性水素基を有していてもよい疎水性基(撥水性基)を有する樹脂が挙げられる。
具体的には、電気絶縁性のより大きな材料、例えば、ポリイミド、ポリアミドイミド、エポキシ、シルセスキオキサン、ポリビニルフェノール、ポリカーボネート、フッ素系樹脂、ポリパラキシリレン、あるいはポリビニルフェノールやポリビニルアルコールに架橋剤を添加したもの等、に前記の疎水性基(撥水性基)が側鎖に付いた樹脂などが挙げられる。
また、前記活性水素基を有する樹脂としては、ヒドロキシル基(−OH)、カルボキシル基(−COOH)、アミド基(−CONH−)から選ばれる少なくとも一つの官能基を有する化合物(樹脂)が好ましく、ポリイミド前駆体および/またはフェノール誘導体であることが望ましい。
また、疎水性樹脂(活性水素基を有していてもよい)として、疎水性基を有するポリイミド前駆体(ポリアミド酸)、特に側鎖に疎水性基(撥水性基)を有するポリアミド酸が好ましく用いられる。
前記2種類以上の構成場合、少なくとも一方が撥水性を発現する材料(疎水性樹脂(活性水素基を有していてもよい))であり、他方(活性水素基を有する樹脂)が良好な絶縁性を発揮しつつ撥水性を発現する材料を一体に保持する支持材料としての役割を担う。即ち、少なくとも、活性水素基と反応可能なメラミン誘導体、撥水性を発現する材料(疎水性樹脂(活性水素基を有していてもよい))と、これを一体に保持する支持材料(活性水素基を有する樹脂)を溶媒中に混合した溶液を基板上に塗布し、溶媒を除去して焼成することにより、電気絶縁性に優れ、且つ濡れ性変化にも優れた濡れ性変化層2を形成することが可能となる。
前記2種類以上の構成とすることにより、濡れ性変化は大きいが成膜性等に問題がある材料を用いることが可能となるため、選択できる材料が多くなる。具体的には、一方の材料の濡れ性変化はより大きいが凝集力が強いために成膜することが困難な材料である場合、この材料を成膜性の良いもう一方の材料と組み合せて混合することで、目的とする前記特性を満たす濡れ性変化層を容易に作製することが可能となる。
[撥水性材料]
撥水性を発現する材料は、紫外線(例えば、200〜300nmのUV光)を付与することにより表面自由エネルギーが大きく変化する(低表面エネルギー状態から高表面エネルギー状態に変化する)材料である。このような材料の場合、図1で示した濡れ性変化層2の所定部分に紫外線を照射して高表面エネルギー部3とし、紫外線非照射部の低表面エネルギー部4と表面自由エネルギーの異なるパターンを形成することにより、次工程の電極形成(ソース電極およびドレイン電極を形成する工程)を確実、且つ容易に行うことができる。
つまり、電極形成工程で用いる導電性材料を含有する溶液が、高表面エネルギー部3(親水性域)には付着しやすく、低表面エネルギー部4(撥水性域あるいは疎水性域)には付着しにくくなる。このため、導電性材料を含有する液体が、紫外線照射により形成された親液性域のパターン形状に従って選択的に付着するので、付着した導電性材料を乾燥・固化することにより電極(ソース電極およびドレイン電極)が形成される。
撥水性を発現する材料としては、側鎖に撥水性基を有する材料(疎水性基を有する樹脂(疎水性樹脂))が用いられる。ここで疎水性基(撥水性基)とは、前述のように、炭化水素(アルキル基、アルケニル基等:例えば、−CH2−、−CH2CH3等)フッ化炭素(フロロアルキル基、フロロアルケニル基等:例えば、−CF2−、−CF2CF3、−CF(CF3)2、−CFH2等)などの基を指す。
また、疎水性樹脂としては、活性水素基を有する樹脂と反応性の高い官能基を有さない(反応しない)ものが好ましく、特にヒドロキシル基(−OH)、カルボキシル基(−COOH)、アミド基(−CONH−)と反応する部位を有していない材料が特に望ましい。
これらシランカップリング剤の撥水能は非常に高いが、一方で前記活性水素基を有する樹脂(支持材)との反応性も高く、後述の実施例で記載するように、紫外線を照射しても撥水性がほとんど変化しない絶縁層(ゲート絶縁膜)を形成してしまう。このような絶縁層では表面自由エネルギーを利用した電極形成が困難である。
[支持材料]
撥水性を発現する材料(疎水性樹脂)を一体に保持する支持材料(バルク材料)として、ヒドロキシル基(−OH)、カルボキシル基(−COOH)、アミド基(−CONH−)などの活性水素基から選ばれる少なくとも一つの官能基を有する活性水素基を有する樹脂が好ましく、このような樹脂としては、一般的には、印刷法に好適な有機材料、例えば、フェノール樹脂、ポリビニルフェノール、ポリビニルブチラール、ポリイミド前駆体などが用いられるが、有機−無機からなるハイブリッド材料を用いることも可能である。
ポリイミド前駆体(ポリアミド酸)を用いる場合には、例えば、ガンマブチルラクトンやn−メチルピロリドンなどの溶媒に溶解した溶液で用いることもできる。
絶縁層(濡れ性変化層)を形成するために用いられる溶液には活性水素基と反応可能なメラミン誘導体が含有され、焼成により少なくとも活性水素基を有する樹脂と反応して絶縁層が形成される。この際用いる疎水性樹脂に活性水素基が存在すれば同様にメラミン誘導体と反応する。
即ち、焼成により、メラミン誘導体が、前記支持材料(活性水素基を有する樹脂)あるいは撥水性を発現する材料(疎水性基を有する樹脂が活性水素基を有する場合)の活性水素基(−OH、−COOH、−CONH−等)と反応し、それによって2次元乃至は3次元架橋構造を形成する。この結果、網目構造が発達して強固な分子構造となるために電気絶縁性が向上する。
前述のように、活性水素基と反応可能なメラミン誘導体としては、メラミンとアルデヒド化合物から誘導されるメラミン単分子骨格もしくはポリメラミン骨格からなる誘導体であることが好ましい。
例えば、ポリメラミン骨格からなるメラミン誘導体としては、メチル化ポリメラミンの他に、ブチル化ポリメラミンやイソブチル化ポリメラミン(シグマアルドリッチ社などから購入可能)などのメラミン樹脂が挙げられる。また、メラミン単分子骨格からなるメラミン誘導体としては、メラミン単分子誘導体(三井化学などから購入可能)が挙げられる。
メラミン単分子骨格もしくはポリメラミン骨格からなるメラミン誘導体の含有量は、前記活性水素基を含有する樹脂成分[活性水素基を有する樹脂(疎水性基を有する樹脂が活性水素基を有する場合には含む)]100%重量に対して0.1〜10重量%(固形分濃度比)であることが好ましく、より好ましくは0.3から5重量%である。
本発明における濡れ性変化層である絶縁層(ゲート絶縁膜)は、少なくとも、活性水素基と反応可能なメラミン誘導体、および活性水素基を有する樹脂および/または活性水素基を有していてもよい疎水性樹脂を含有する溶液(コーティング剤)を用い、スピンコート、ダイコート、インクジェット、凸版、凹版、平版、オフセット印刷法、スクリーン印刷法など種々印刷方法により塗布して塗膜を形成し、これを、乾燥および/または焼成することにより形成することができる。
目的とするゲート絶縁膜の膜厚に応じてコーティング剤の溶媒の粘度は調整される。ただし、ゲート絶縁膜の厚みがデバイスの電気特性に直接関わるため、3μm以下の薄膜を形成することに好適な手法が望ましい。コーティング剤を塗布した状態では溶媒が膜中に残っているため、乾燥ならびに焼成を行う必要がある。例えば、熱エネルギーの付与、紫外線の照射、真空乾燥などの処理を行うことが必要である。
なお、電子デバイスへの用途においてコーティング剤を用いる場合には、形成される膜中に残存する溶媒の影響を考慮して沸点の低い溶媒を選ぶのが望ましい。なお、溶媒は1種類に限らず、混合溶媒を用いることも可能である。
濡れ性変化層からなるゲート絶縁膜の構造は、一層構造でもよいし、二層以上の積層構造からなっていてもよい。
一層構造のゲート絶縁膜の場合には、電気絶縁性を兼ね備えた濡れ性変化層から構成される。これが2種類以上の材料から形成されているものも好ましく用いられ、例えば、少なくとも1種類は電気絶縁性に優れた材料であって、他の材料の少なくとも1種類は濡れ性変化の大きい材料からなる構成でもよい。さらに、デバイス特性を向上させる目的で、誘電率が6を超えるような材料や3よりも小さい材料を混合してもよい。このような層は、例えば、全ての材料を1種類ないしは複数の溶媒に溶解させ、この溶液を基板上に塗布し、溶媒を除去した後に形成することが可能である。
この場合は電気絶縁性に優れた層と、濡れ性変化層が積層された構造からなる。但し、濡れ性変化層の絶縁性が良好な場合には、絶縁膜層を兼ねることができる。
電気絶縁性に優れた層と濡れ性変化層が積層構造となっている場合は、濡れ性変化層は、紫外線照射により影響を受けることを防ぐため、高絶縁層を形成する材料よりも吸収係数が大きい材料からなることが望ましい。また、デバイスの特性向上のために、濡れ性変化層の誘電率が6を超える材料や3よりも小さい材料から形成されていても構わない。また当然のことながら電気絶縁性に優れた層は、濡れ性変化層よりも絶縁性の高い材料からなる層である。ここで絶縁性とは、体積抵抗がより大きいことを示しているのであって、誘電率の値は6を超えていても構わないし、一方で3よりも小さくてもよい。
これらが2種類以上の材料から形成されるのが望ましいので、例えば、1種類あるいは複数の電気絶縁性に優れた材料からなる電気絶縁層と、1種類ないしは複数の濡れ性変化の大きな材料から構成される濡れ性変化層とが積層された構成でもよい。
本実施の形態における濡れ性変化層からなるゲート絶縁膜(例えば、図1の濡れ性変化層2、図3のゲート絶縁層2)の厚さは30nm〜3μmが好ましく、50nm〜1μmがさらに好ましい。30nmより薄い場合にはバルク体としての特性(絶縁性、ガスバリア性、防湿性等)が損なわれ、3μmより厚い場合には表面形状が悪化するため好ましくない。
本発明の薄膜トランジスタに用いられる基板は、ガラスでも市販のフィルムでも構わないが、電子デバイス用途としてコーティング剤を用いる場合には、無アルカリガラス基板が望ましい。フィルムも、表面粗さの低いものが望ましい。フィルムとしては、ポリイミド基板、ポリエチレンテレフタレート(PET)基板、ポリエーテルサルフォン(PES)基板、ポリカーボネート(PC)基板、ポリエチレンナフトレート(PEN)基板などを用いることができる。なお、最近開発の進んだ、ステンレス基板なども場合によっては用いることが可能である。
本発明の薄膜トランジスタに用いられるソース電極およびドレイン電極(ソース・ドレイン電極)、ゲート電極ならびにこれらの配線は、導電性材料を含有する溶液を用いて塗布(例えば、印刷法)し、乾燥(加熱、紫外線照射等によって固化する)ことによって形成される。
なお、導電性材料を含有する溶液には下記のものが含まれる。
(1)導電性材料を溶媒に溶解したもの
(2)導電性材料の前駆体若しくは前駆体を溶媒に溶解したもの
(3)導電性材料粒子を溶媒に分散したもの
(4)導電性材料の前駆体粒子を溶媒に分散したもの
電極材料を含有する溶液を、紫外線の照射により変化した親液性域(例えば、図1の濡れ性変化層2の表面自由エネルギーの高い部位3)に付与する方法として、スピンコート法、ディップコート法、スクリーン印刷法、オフセット印刷法、インクジェット法等の各種塗布法を用いることができるが、濡れ性変化層の表面エネルギーの影響を受けやすくするためには、より小さな液滴を供給できるインクジェット法が特に好ましい。
プリンタ等に使用されるレベルの通常のヘッドを用いた場合、インクジェット法の解像度は30μm、位置合わせ精度は±15μm程度であるが、濡れ性変化層における表面自由エネルギーの高い部位と表面自由エネルギーの低い部位との表面エネルギーの差を利用することにより、それよりも微細なパターンを形成することが可能となる。
なお、ゲート電極を形成する場合にも同様の手法が適用でき、その場合には、ゲート電極を設ける下部に濡れ性変化層を形成し、紫外線の照射によって変化させた所定の親液性域に表面自由エネルギー差を利用して電極材料を含有する溶液を塗布し、ゲート電極を形成することが可能である。
本発明の薄膜トランジスタの半導体層(例えば、図1、図3の半導体層6)に用いられる半導体材料としては、CdSe、CdTe、Si等の無機半導体や、ペンタセン、アントラセン、テトラセン、フタロシアニン等の有機低分子、ポリアセチレン系導電性高分子、ポリパラフェニレンおよびその誘導体、ポリフェニレンビニレンおよびその誘導体等のポリフェニレン系導電性高分子、ポリピロールおよびその誘導体、ポリチオフェンおよびその誘導体、ポリフランおよびその誘導体等の複素環系導電性高分子、ポリアニリンおよびその誘導体等のイオン性導電性高分子、等の有機半導体を用いることができる。
特に、上記の群から選ばれる少なくとも1種の有機半導体材料を溶媒に分散または溶解した塗工液を用いた場合に、濡れ性変化層(例えば、図1の濡れ性変化層2)を有する本発明の構成において特性向上の効果がより顕著に現れる。
活性水素基と反応可能なメラミン誘導体(メチル化ポリメラミン樹脂)、および活性水素基を有する樹脂(ポリアミド酸)を含有する下記溶液を調製し、これを用いて形成した薄膜性状と、イミド化率およびメラミン添加有無の効果の関係について調べた。
続いて、ナノメートルサイズの銀微粒子を溶媒中に分散させたインク(ナノ銀インク)を、シリンジを用いてそれぞれのポリイミド膜面に吐出し、80℃にてプレ乾燥させた。
下記表1にナノ銀インクを吐出・乾燥したポリイミド膜と銀インクについて目視観察にて評価した結果を示す。
表1における評価基準は下記による。
○:ポリイミド膜ならびに銀に、問題は見られない。
△:ポリイミド膜の一部に問題が見られる。あるいは、銀の形状不良や、銀表面に異常が見られる。
×:ポリイミド膜が溶解している。
実験例1においてメチル化ポリメラミン樹脂を添加しなかった以外は実験例1と同様にして薄膜(ポリイミド膜)を得た。この薄膜にナノ銀インクを吐出し、80℃にてプレ乾燥させた後、実験例1と同様にポリイミド膜と銀インクについて目視観察にて評価した。結果を下記表1に示す。
活性水素基と反応可能なメラミン誘導体(メチル化ポリメラミン樹脂)、および活性水素基を有する樹脂(ポリアミド酸)を含有する下記溶液を調製し、これを用いて150℃で形成した薄膜性状と、UV露光量およびメラミン誘導体添加有無の効果の関係について調べた。
なお、メチル化ポリメラミン樹脂は、CT4112のn−メチルピロリドン溶液を100重量部に対して0.1重量部、0.5重量部、1重量部、5重量部、10重量部となるように変えて添加した。
続いて、ナノメートルサイズの銀微粒子を溶媒中に分散させたインク(ナノ銀インク)を、シリンジを用いてそれぞれのポリイミド膜面に吐出し、80℃にてプレ乾燥させた。
下記表2にナノ銀インクを吐出・乾燥したポリイミド膜と銀インクについて目視観察にて評価した結果を示す。
表2における評価基準は下記による。
○:ポリイミド膜ならびに銀に、問題は見られない。
△:ポリイミド膜の一部に問題が見られる。あるいは、銀の形状不良や、銀表面に異常が見られる。
×:ポリイミド膜が溶解している。
実験例3においてメチル化ポリメラミン樹脂を添加しなかった以外は実験例3と同様にして薄膜(ポリイミド膜)を得た。この薄膜にナノ銀インクを吐出し、80℃にてプレ乾燥させた後、実験例3と同様に目視観察にて評価した。結果を下記表2に示す。
活性水素基と反応可能なメラミン誘導体(メチル化ポリメラミン樹脂)、および活性水素基を有する樹脂(ポリアミド酸)および活性水素基を有していてもよい疎水性樹脂(疎水性基を有するポリイミド酸)を含有する下記溶液を調製し、これを用いて150℃で焼成した薄膜に対する電極インクの接触角とUV露光量の関係(パラメータ:メラミン添加量)について調べた。
実験例5においてメチル化ポリメラミン樹脂を添加しなかった以外は実験例5と同様にして薄膜を得、この薄膜上にUV光を照射し、ナノ銀インクの接触角を、接触角計(協和界面科学)により液滴法にて測定した。結果を図2に示す。
なお、メチル化ポリメラミン樹脂のほかに、シグマアルドリッチ社から購入可能な他のメラミン樹脂(例えば、ブチル化ポリメラミンやイソブチル化ポリメラミン)を用いても同様の効果が得られることが判明した。また、三井化学から購入可能なメラミン単分子(例えば、ヘキサメトキシメチルメラミンなど)を用いても、同様の効果が得られる。
また、CT4112(ポリアミド酸)のような熱重合型(熱硬化型)ポリイミドに替えて、OH基を有し、熱による脱水重合型の反応を生じることができるポリビニルフェノール(丸善石油化学社製)や、フェノール樹脂(群栄化学社製)を用いても、同様の効果が見られた。これらは電気絶縁性材料として有用な樹脂である。
活性水素基と反応可能なメラミン誘導体(メチル化ポリメラミン樹脂)、および活性水素基を有する樹脂(フェノール樹脂)および活性水素基を有していてもよい疎水性樹脂(疎水性基を有するポリイミド酸)を含有する下記溶液を調製し、これを用いて220℃で焼成した薄膜に対する接触角(電極インク)と、UV露光量の関係について調べた。
続いて、この膜に対するナノ銀インクの接触角を、接触角計(協和界面科学)により液滴法にて測定した。結果を下記表3に示す。ここでは、未露光時の接触角を100%としたときの、各露光量での接触角が何%となっているかを示した。
実験例7において前記構造式(2)で示される側鎖付きポリイミドの前駆体材料(ポリアミド酸)が溶解しているn−メチルピロリドン溶液をオクタデシルトリクロロシラン(信越化学社製)のエタノール溶液(0.5重量%)に変えて添加した。結果を表3に示す。ここでは、未露光時の接触角を100%としたときの、各露光量での接触角が何%となっているかを示した。
活性水素基と反応可能なメラミン誘導体(メチル化ポリメラミン樹脂)、および活性水素基を有する樹脂(ポリアミド酸)と疎水性樹脂(疎水性基を有するポリイミド酸)を含有する下記溶液を調製し、これを用いて150℃で焼成した薄膜の紫外線照射による電極の形成性(電極パターニング)と、UV露光量およびメラミン添加量の有無による効果について調べた。
このポリイミド膜上に、ライン形状のフォトマスク越しに高圧水銀ランプを用いて紫外線(UV光)をUV露光量が、1J/cm2、3J/cm2、5J/cm2、7J/cm2、9J/cm2、となるように制御して照射し、各膜上に表面エネルギーの大きい部位を形成した。なお、紫外線(UV光)を照射しないポリイミド膜を参照に用いた。
各ポリイミド膜上に形成した表面エネルギーの大きい部位に、インクジェット法を用いてナノ銀インクを吐出した。なお、ここではナノ銀インクを用いたが、ニッケルインクやナノ金インクを用いることができる。
吐出されたインクを200℃のオーブンで焼成した後、5μm間隔のラインが形成できているか金属顕微鏡観察により確認した。結果を下記表4に示す。
表4における評価基準は下記による。
○:問題なく形成できている
△:形成できていないところがある
×:形成できていないか、あるいは10%以下の形成率
実験例9においてメチル化ポリメラミン樹脂を添加しなかった以外は実験例9と同様にしてポリイミド膜を得た。この薄膜上に実験例9と同様にUV露光量が、1J/cm2、3J/cm2、5J/cm2、7J/cm2、9J/cm2、となるように制御して照射した。紫外線(UV光)照射領域にナノ銀インクを吐出し、200℃のオーブンで焼成した後、5μm間隔のラインが形成できているか金属顕微鏡観察により確認した。結果を下記表4に示す。
熱重合型ポリイミド材料(ポリアミド酸)CT4112(京セラ化学社製)をn−メチルピロリドンに溶解した溶液(濃度10重量%)に、前記構造式(A)で示される側鎖付きポリイミド前駆体(ポリアミド酸)が溶解しているn−メチルピロリドン溶液(濃度5重量%)を加え(固形分として0.5重量部)を加え、スターラーにより良く攪拌させた。続いて、メチル化ポリメラミン樹脂(シグマ−アルドリッチ社製)(濃度100重量%の液体状樹脂)を加え、スターラーにより良く攪拌させゲート絶縁層形成用の溶液とした。なお、メチル化ポリメラミン樹脂は、CT4112樹脂のn−メチルピロリドン溶液100重量部に対して1重量部となるように添加した。
ゲート電極が設けられたガラス基板に上記ゲート絶縁層形成用の溶液をスピンコート塗布し、150℃にて不活性ガス雰囲気下で焼成して膜厚700nmのゲート絶縁膜(ポリイミド膜:本実施例では1層からなる絶縁膜構成)を形成した。
次に、ゲート絶縁膜表面にフォトマスクを介して紫外線(高圧水銀ランプ)を照度4J/cm2
となるように照射し、低表面エネルギー状態にあるゲート絶縁膜上に表面エネルギーの大きい部位(高表面エネルギー部)を形成した。
形成された高表面エネルギー部にインクジェット法を用いて、ナノメートルサイズの銀微粒子を溶媒中に分散させたインク(ナノ銀インク)を吐出した後200℃で焼成し、電極間距離が5μm(即ち、チャネル長が5μm)のソース電極およびドレイン電極を形成した。
次に、有機半導体材料として下記構造式(B)で示されるトリアリールアミンを用い、インクジェット法により成膜し、膜厚30nmの有機半導体層を形成した。
なお、図3の各符号において、2はゲート絶縁層、5aはソース電極、5bはドレイン電極、6は半導体層、7はフィルム基板、41は電子素子、42はゲート電極層を示す。
実施例1においてメチル化ポリメラミン樹脂を添加しないでゲート絶縁層形成用の溶液とし、これを用いた以外は実験例3と同様にして、基板/ゲート電極(Al)/絶縁膜(ゲート絶縁膜)/ソース電極・ドレイン電極/有機半導体層、からなる構造を有する薄膜トランジスタ(有機トランジスタ)を作製した。
実施例1および比較例1で作製した薄膜トランジスタ(有機トランジスタ)の特性(オンオフ比、電界効果移動度)を評価した。なお、評価方法は、米国電気・電子技術学会(IEEE)の定める試験方法(IEEE standard test methods for the characterization of organic transistors and materials)に準拠して行った。
評価結果を下記表5に示す。
一方、ポリアミド酸にメラミンを添加しない溶液を用いて形成したゲート絶縁膜から構成された薄膜トランジスタでは、オフ電流が大きくオンオフ比は3桁であった。電界効果移動度も10-4(cm2 /V秒)のオーダーであり、メラミンを添加した系よりも約2桁小さかった。
評価結果から、ポリアミド酸(CT4112)を用いた場合に、150℃でのイミド化率は50%程度であり、絶縁膜中にフリーのCOOH基が多数含まれている。これがトラップサイトとなり移動度が低下するものと推定される。また、オンオフ比が低いのは、主にオフ電流が大きいためであることが判明した。これは、イミド化率が低いため電気絶縁性の低い膜となっているためと考えられる。
即ち、メチル化ポリメラミン樹脂(略、メラミン)を添加しない場合には、絶縁膜のイミド化率が十分でないことの影響が薄膜トランジスタ(有機トランジスタ)の特性に直接反映し、オンオフ比や、電界効果移動度が悪化する。一方、メラミンを添加した場合にはメラミン(活性水素基と反応可能)と活性水素基を有するアミド酸が反応して架橋構造を形成することができ、且つ絶縁特性が維持されることからイミド化率が十分でない低温にてゲート絶縁膜を形成しても、優れたオンオフ比や電界効果移動度を示す薄膜トランジスタを得ることができる。
以上、本発明におけるゲート絶縁層形成用の溶液にメラミン誘導体を添加剤することの効果についてまとめると、
(1)ゲート絶縁層形成用の溶液成分の添加材料が、支持基材材料の活性水素基[−OH、−COOH、−CONH−等]と反応するタイプの材料(例えば、オクダデシルトリクロロシラン)である場合、活性水素基と反応可能なメラミン誘導体を添加した効果が見られない。
(2)ゲート絶縁層形成用の溶液成分の添加材料が、支持基材材料の活性水素基(−OH、−COOH、−CONH−等)と反応しないタイプの材料である場合、活性水素基と反応可能なメラミン誘導体を添加した効果が発揮され、紫外線露光部位が撥水性域から親水性域に変化し、それに必要な紫外線照射量が減少する。
なお、(1)、(2)において、支持基材材料とは、活性水素基を有する樹脂(例えば、フェノール樹脂やポリアミド酸など加熱処理等により電気絶縁性を発揮する材料を指す。
活性水素基と反応しないタイプの材料とは、活性水素基(−OH、−COOH、−CONH−等)を有していてもよい疎水性樹脂、例えば、疎水性基を有するポリアミド酸やフェノール樹脂を指す。
本発明の製造方法により作製された薄膜トランジスタは、例えば、液晶、エレクトロルミネッセンス、エレクトロクロミック、電気泳動等の各種表示画像素子を駆動するための素子として利用でき、これらの集積化によって電子ペーパー等のディスプレイへの応用も可能である。
1 UV光
2 濡れ性変化層
3 高表面エネルギー部
4 低表面エネルギー部
5 ソース・ドレイン電極
6 半導体層
(図3)
2 ゲート絶縁層
5a ソース電極
5b ドレイン電極
6 半導体層
7 フィルム基板
41 電子素子
42 ゲート電極層
Claims (13)
- 基板上にゲート電極およびゲート絶縁層が順次形成され、該ゲート絶縁層が形成されたゲート電極上に適宜の間隔でソース電極およびドレイン電極が対向配置され、該間隔を含む領域に半導体層が形成された薄膜トランジスタの製造方法において、
少なくとも活性水素基と反応可能なメラミン誘導体および活性水素基を有する樹脂を含有する溶液を塗布・焼成して、撥水性を有すると共に紫外線照射により表面濡れ性が可変であるゲート絶縁層を形成する工程と、
前記ゲート絶縁層に紫外線を照射して該紫外線露光部位を撥水性域から親水性域に変化させる工程と、
前記親水性域に電極材料を含有する溶液を印刷法で塗布・乾燥してソース電極およびドレイン電極を形成する工程と、
を有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。 - 前記活性水素基を有する樹脂が、ヒドロキシル基(−OH)、カルボキシル基(−COOH)、アミド基(−CONH−)から選ばれる少なくとも一つの官能基を有することを特徴とする請求項1に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記活性水素基を有する樹脂が、ポリイミド前駆体および/またはフェノール誘導体であることを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記活性水素基を有する樹脂が、疎水性樹脂であるか、または疎水性樹脂を含有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記疎水性樹脂が、疎水性基を有するポリイミド前駆体であることを特徴とする請求項4に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記含有される疎水性樹脂が、前記活性水素基を有する樹脂と反応性の高い官能基を有さないことを特徴とする請求項4または5に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記ポリイミド前駆体および疎水性基を有するポリイミド前駆体が、ポリアミド酸であることを特徴とする請求項3または5に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記活性水素基と反応可能なメラミン誘導体が、メラミンとアルデヒド化合物から誘導されるメラミン単分子骨格もしくはポリメラミン骨格からなる誘導体であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記ポリメラミン骨格からなるメラミン化合物が、メチル化ポリメラミンであることを特徴とする請求項8に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記メラミン誘導体の含有量が、前記活性水素基を含有する樹脂成分100重量%に対して0.1〜10重量%であることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記紫外線が、200nm以上300nm以下の波長帯であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 前記印刷法が、インクジェット法であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
- 請求項1乃至12のいずれかに記載の方法により製造されたことを特徴とする薄膜トランジスタ。
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