JP2013539216A5 - - Google Patents

Description

基板シート

本発明は、半導体素子の製造のための基板シートの製造方法に関し、及び当該方法で使用されあるいは当該方法から得られる層構造に関する。

薄膜電子素子の製造は、費用効率的大規模製造に向けてこの数年にわたり発展してきた。有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、エレクトロクロミック素子及び光電池素子などの半導体素子の大規模製造のために、非常に興味のある技術はロール・ツー・ロールプロセスであり、そのプロセスでは上記半導体素子が、プラスチックなどの柔軟性の可能ならば透明の基板材料上に形成される。

例えばＯＬＥＤなどの大規模製造で使用される基板シートは、犠牲金属基板上に形成され、そこで金属シャント構造とバリア層が適用され、有機物コーティングで選択的に積層あるいは被覆されてシートを形成する。次に、上記犠牲金属基板がエッチング除去されて、バリア性とシャント構造を持つ自己支持性の柔軟基板シートが残る。次に、除去される前に上記犠牲金属基板に面していた上記シートの表面上に半導体素子を形成することができる。

しかし、上述の方法はいくつかの不利点を持つ。第１に、犠牲金属層として通常使用されるアルミニウムシートが表面粗さを持っており、その上に半導体素子が製造されると結果としての基板シートが貧弱なバリア品質になってしまい、従って、高品質のバリア性を必要としない素子の製造のための使用に限定されてしまう。さらに、金属基板をエッチングすることが時間を消費するものであり、従って、より時間的効率及び費用的効率の優れた製造プロセスを達成するための障害となっている。

従って、薄膜半導体素子を低コストで大量生産するための改善された方法に対する要求が当技術において存在する。

本発明の課題はこの問題を解消することであり、ロール・ツー・ロール製法のための基板シートを製造するためのより効率的方法を提供することである。本発明の課題はまた、バリア特性の改善された、ロール・ツー・ロール製法のための基板シートを提供することである。

本発明の第１の側面によると、この課題及び他の課題は、柔軟性シートを製造する本発明により達成でき、前記シートはバリア層と金属要素を含み、これは薄膜半導体素子の製造のための基板シートしての使用が意図されており、前記方法は：
（ａ）ポリマー支持層上に金属層を適用し、前記金属層は前記ポリマー支持層に面する第１の表面と、前記ポリマー支持層から離れて面する第２の表面を含み；
（ｂ）前記金属層の第２の表面上に金属要素を設け；
（ｃ）前記金属層の前記第２の表面及び前記金属要素を被覆するバリア層を設け、前記バリア層が前記金属層と面する第１の表面と、前記金属層から離れて面する第２の表面を持ち；
（ｄ）前記ポリマー支持層を前記金属層から離し；及び
（ｅ）前記金属層を、前記親族要素及び前記バリア層から除去する、ことを含む。

本発明者は、比較的薄い金属層でコーティングされた自己支持性ポリマー層を、上記柔軟性シートを形成するための支持体として用いることで、改善されたバリア性品質を持つ柔軟性シートが得られる、ことを見出した。上記ポリマー支持層は非常に滑らかであることから、上記金属層もまた、従来のロール金属箔の表面と比較して非常に滑らかとなり得る。滑らかな金属表面の結果として、上記バリア層の第１の表面も非常に滑らかとなり（従来のロール金属箔上に適用されるバリア層よりも滑らか）、より優れたバリア性を与えることとなる。

さらには、上記ポリマー支持層が第１ステップで除去され、及び上記金属層が従来のロール金属箔に比べて非常に薄いことから、ほんのわずかなエッチングのみ、上記金属層を除去するために必要となる。従って、上記エッチングステップは、従来の方法に比べてより時間が節約でき、またエッチング試薬も節約でき、このことは経済性の観点のみではなく環境の点からも有利となる。

本発明の実施態様では、ポリマー支持層を上記金属層から離すことは、上記金属層を加熱することで達成される。従って、熱が上記ポリマー支持層に伝達され、剥離を起こす可能性がある。通常は上記金属層は、上記ポリマー支持層の蒸発温度よりも高い融点を持ち、上記金属層は、上記ポリマー支持層の蒸発温度以上、ただし上記金属層の融点よりも低い温度に加熱される。好ましくは、上記ポリマー支持層を上記金属層から離すことはレーザーを用いて行われる。上記レーザーは通常は金属層を加熱する。

本発明の実施態様では、上記金属層はエッチングで除去され得る。

本発明の実施態様によれば、上記本発明方法はさらに次の：（ｆ）上記バリア層及び上記金属要素の上記第１の表面上に半導体素子又は半導体材料を設ける、ステップを含む。

このステップは一般に、ロール・ツー・ロールプロセスで実行され、これは薄膜素子の大量生産製造のための非常に簡便かつコスト効率がよい方法である。

他の側面では、本発明は層構造を提供するものであり、上記層構造は：
ポリマー支持層と金属要素を含む基板シートとの間にサンドイッチされた金属層を含み、そこで、上記金属層の第１の表面が上記ポリマー支持層に面し、及び上記金属層の第２の表面が上記基板シートの第１の表面に面し、上記基板の金属要素が上記金属層の上記第２の本発明夢ンと接触する、層構造である。通常は、上記基板シートはバリア層を含む。上記金属要素及び上記バリア層を形成するための支持体として従来のロール金属箔の代わりにポリマー層とその上にコーティングされた金属層を用いることで（柔軟性バリアシートの形成を意図する）、
上記バリア層のバリア性品質は改善され、従って高品質バリアシートを要求する薄膜素子、例えばＯＬＥＤのロール・ツー・ロール製造を可能にする。

本発明の実施態様では、上記ポリマー支持層はポリイミドを含む。また、通常上記金属層はアルミニウムを含む。上記金属層は、上記ポリマー支持層と比較して薄く、０．０２から１００μｍの範囲に厚さを持つ。対照的に、上記ポリマー支持層は５から５００μｍの厚さを持つ。

通常、上記基板シートの金属要素は、最終薄膜素子（例えばＯＬＥＤ）のシャント構造を与えることを意図されている。

さらなる側面で、本発明は、薄膜素子の製造方法を提供することであり、上記方法は：本発明の第１の側面による上記方法により得られる柔軟性基板シートを用意し、及び上記柔軟性基板シートをロール・ツー・ロールプロセスで使用することを含む。従って、本発明のさらなる側面によれば、本発明の第１の側面による方法でえられ得る柔軟性基板シートが、薄膜素子製造のためのプロセスで使用され得る。

留意すべきことは、本発明は特許請求の範囲に記載された構成にあらゆる可能な組合せに関する、ということである。

以下、本発明のこれらの及びその他の側面を、本発明の実施態様を示す添付図面を参照しつつより詳細に説明する。

図１ａ〜ｅは、本発明の実施態様による方法を模式的に示す。 図２ａ、ｂは、ポリマー支持層が金属相から離されるところを模式的に示す。

本発明者は、ロール・ツー・ロールプロセスのためにバリア層の従来製造方法で使用される厚い金属シートを、薄金属層でコーティングされたポリマー支持層を含む犠牲層スタックに交換することが、最終的薄膜素子のバリア性品質の改善、及びより効率的な製造プロセスを含む、いくつかの利点を与える結果となる、ということを見出した。

本発明による方法は、模式的に図１に示される。第１に、ポリマー支持層１０１及び金属層１０２を含む層構造又はスタック１００が用意される（図１ａ；ステップａ）。次に、最終素子でシャント構造を形成することが意図される金属要素１０４が、上記金属層上に形成される（図１ｂ；ステップｂ）。バリア層１０３、通常はポリマーバリア層が、知られた技術が次に適用されて、上記金属要素１０４及び上記金属要素間の上記金属層の表面１０６に接触しそれらを被覆する（図１ｃ；ステップｃ）。次に、自己支持性、柔軟性バリアシートを製造するために、レーザー補助デラミネーションを用いて、上記ポリマー支持層１０１を金属層１０２から離し（図１ｄ；ステップｄ）、そして続いて上記金属層１０２が、上記バリア層１０３及び金属要素１０４から従来のエッチングにより除去される（図１ｅ；ステップｅ）。得られるバリアシート２００は、上記バリア層と上記金属要素を含むが、上記ポリマー支持層１０１及び上記金属層１０２を含まず、これはＯＬＥＤなどの薄膜半導体素子の製造のロール・ツー・ロールプロセスで使用され得るものである。本発明のそれぞれのステップａ〜ｅを、以下に、より詳細に説明する。

上記ポリマー支持層及び金属層は、よく知られた技術で形成され得る。上記金属層は、例えばスパッタリングで、上記ポリマー支持層上のコーティングとして堆積させ得る。選択的に、堆積後、上記金属層は、例えばアルミニウム層の場合ではイオン性液体電気メッキなどの電気メッキによって、より厚くし得る。より厚い金属層は、上記金属層の（犠牲ポリマー層から離れて面する）下層を熱から保護するために望ましい。

従来の厚いアルミニウムシートの交換部分として本発明により使用されるポリマー支持層１０１は、金属層からレーザー補助デラミネートされやすいあらゆる好適なポリマー、例えばポリイミド、温度安定化ポリ（エチレンテレフタレート）（ＰＥＴ）、ポリ（エチレンナフタレート）（ＰＥＮ）及びポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を含む例から形成され得る。好ましくは、上記ポリマー支持層は、ポリイミドを含み、かつ、より好ましくはポリイミド層を含む。ポリイミドは、その高温度安定性により好ましい。

上記金属層１０２は、金属又は合金であってよく、好ましくは軟金属又は合金で低融点を持ち、例えばアルミニウムである。

上記金属層１０２は、上記ポリマー支持層に比較して薄い。例えば、上記金属層の厚さは、０．０２から１００μｍの範囲、例えば約１μｍであり得る。他方で、上記ポリマー支持層は、代表的には、厚さが５から５００μｍの範囲、例えば１００μｍである。

図に示されるように、上記金属層１０２は、第１の表面１０５を持ち、これは上記ポリマー支持層１０１に面して、直接接触している。上記金属層はまた、上記ポリマー支持層と直接熱接触し、熱が上記金属層から上記ポリマー層へ上記金属層の表面１０５を介して伝達することができる。

さらに、上記金属層１０２はまた、第２の表面１０６を持ち、これは上記ポリマー支持層から離れるように面し、上記金属要素１０４が適用される側に面する。上記金属要素１０４は、従来の技術（例えば硬化性の導電性インクの付着）を用いて上記金属層上に形成され得る。得られるシート２００内での上記金属要素１０４の機能は、最終素子に、導電及びシャント構造を設けるためであり、これは上記シート２００上に設けられることになる透明電極にわたり電流及び好ましい電圧分布を与えるためである。上記金属要素１０４は、約０．５μｍから１００μｍの範囲の幅及び高さ寸法を持つ金属の薄シャントライン及び選択的により大きいバスバーを含んでよい。上記シャントライン及び選択的なバスバーは、上記金属層上に、例えば格子パターンなどのあらゆるパターンを形成してもよい。

上記金属要素を形成した後、上記金属層及び金属要素は、代表的にはポリマーバリア層である、バリア層１０３で被覆される。上記バリア層１０３は、第１の表面１０７を持ち、これは上記金属要素１０４及び上記金属層１０３の上記第２の表面１０６に面して直接接触する。こうして、図１ｃで示される層構造が得られる。上記犠牲層及び上記金属要素から離れるように面するバリア層の表面は１０８とされている。

上記ポリマー支持層１０１及び上記金属層１０２は犠牲層であり、この意味は、これらは他の層又は構造形成を補助するためだけに設けられ、この目的を満たした後は廃棄される、ということである。上記ポリマー支持層及び金属層の目的は、上記金属要素１０４を含む滑らかな表面を持つバリア層１０３を形成するための支持表面を与えることである。上記ポリマー支持層及び金属層は、ロール・ツー・ロールプロセスで使用される柔軟性シートを製造するプロセスの一部分としてその後除去される。

上記ポリマー支持層１０１は、上記金属層に強く接着しているだろう。しかし、本発明者らは、レーザー補助デラミネーションにより、上記層アッセンブリの他の層や構造を破壊することなく、レーザービームを用いて上記金属層を加熱し、それにより間接的に上記ポリマー支持層を、上記ポリマー層の蒸発温度を超えたデラミネーション温度まで加熱して、上記ポリマー支持層を上記金属層から除去できることを見出した。上記ポリマー支持層の材料の一部が、上記金属層に面する表面１０９で蒸発すると、上記ポリマー支持層は上記金属層からデラミネートする。レーザービームを上記層アッセンブリに沿って連続的に移動することで、デラミネーションラインが形成される（図２ａの矢印で示される）。複数の本質的に平行なデラミネーションラインが作られ、これは上記全部のポリマー層の完全なデラミネーションを達成し得る。図２ｂは、上記ポリマー支持層の連続部分の完全なデラミネーションを示す。

好ましくは、使用されるデラミネーション温度は上記金属層を形成する金属又は合金の融点よりも低い。上記デラミネーション温度は、１００から１０００℃の範囲であり得るが、しかし上記ポリマー支持層の材料の蒸発温度及び上記金属層に融点、それぞれに依存する。例えば、アルミニウム層からポリイミドを離す場合には、上記アルミニウムは好ましくは、３００から７００℃の範囲、例えば５００℃の温度に加熱される。しかし、上記ポリマー支持層は、１００℃未満のデラミネーションが可能な低温度蒸発するポリマーを含んでもよい。例えば、デラミネーションを達成するために、１０５０から１１００ｎｍの範囲の発光波長を持つ赤外線ファイバレーザーが使用され得る。

上記ポリマー支持層の除去に続いて、暴露された金属層が従来の化学的エッチングで除去され得る。上記金属層は、従来使用されている支持金属シートに比較して薄いことから、上記金属層を除去するために必要なエッチング時間は短くなり、エッチング剤も少なくなる。エッチング時間は約１分間であり得る。短いエッチング時間は、製造プロセスの時間を節約するだけではなく、また上記バリア層のエッチング剤への暴露も短くなり、上記バリア層への悪影響を低減するということからも、有利である。アルミニウム層のエッチングのために、水酸化カリウム（ＫＯＨ）が使用され得る。しかし、水酸化カリウムはまた、バリア層の窒化物バリアも低速度でエッチングし得るものであり、上記バリアの機能は長時間エッチングで弱められてしまう。さらに、短時間エッチングを用いることで、上記金属層とエッチング剤との望ましくない反応を低減又は避けることが可能となる。

基板シート２００は続いて、薄膜素子のロール・ツー・ロール製造に使用され得る。半導体素子が、上記バリア層の表面１０７上に、従って上記金属要素１０４と接触して、あるいは上記バリア層の表面１０８上に構築され得る。

当業者は、本発明は上記説明した好ましい実施態様に限定されるものではないことを理解する。逆に、多くの変更及び変形例が請求項に係る本発明の範囲内で可能である。例えば、薄金属層、ＩＴＯ、ＡｌＺｎＯ、ＴｉＦなどの透明導電体が、上記金属要素１０４を形成する前に上記金属層１０２の表面１０６上に適用可能であり、例えば、バリア層１０３が上記金属要素及び上記金属要素間に暴露された導電体の一部分に接触しかつ被覆するために適用され得る。かかる実施態様では、上記エッチングステップは、上記導電体が、上記金属層１０２が除去される際に実質的にエッチングされないように調節される。他の実施態様では、微小電気機械素子などの構造又は素子が、上記犠牲層の上記レーザー補助及び続くエッチングの前に、上記犠牲層から離れて面するバリア層の表面１０８上に構築され得る。

留意されるべきことは、上記実施態様は、本発明を限定するというよりはむしろ説明するものであり、当業者は、添付の特許請求の範囲の範囲から離れることなく多くの他の実施態様を設計することができる、ということである。特許請求の範囲では、括弧内の参照符号は特許請求の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。用語「含む」及びその活用表現は、特許請求の範囲に記載された要素又はステップ以外の要素又はステップを除外するものではない。「１つの」は要素が複数である場合を除外するものではない。いくつかの手段を列挙する物の発明の請求項において、これらの手段のいくつかは、１つの及び同じハードウェアにより具現化され得る。ある手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用され得ない、ということを意味するものではない。

Claims (11)

1. バリア層及び金属要素を含み、薄膜半導体素子の製造のための基板シートとしての使用が意図される柔軟性シートを製造するための方法であって：
   （ａ）ポリマー支持層の上に金属層を設けるステップであり、前記金属層が前記ポリマー支持層に面する第１の表面と前記ポリマー支持層から離れるように面する第２の表面とを含む、ステップ；
   （ｂ）前記金属層の第２の表面上に金属要素を設けるステップ；
   （ｃ）前記金属層の第２の表面及び前記金属要素を被覆するバリア層を設けるステップであり、前記バリア層が前記金属層に面する第１の表面と前記金属層から離れるように面する第２の表面とを含むステップ；
   （ｄ）前記ポリマー支持層を前記金属層から離すステップ；及び
   （ｅ）前記金属層を前記金属要素及び前記バリア層から除去するステップ；
   を含み、
   前記金属層が前記ポリマー支持層の蒸発温度よりも高い融点を有し、前記金属層が、前記ポリマー支持層の蒸発温度以上であるが前記金属層の融点よりも低い温度に加熱される、方法。
2. 請求項１に記載の方法であり、前記ポリマー支持層を前記金属層から離すステップがレーザーを用いて実施される方法。
3. 請求項１に記載の方法であり、前記金属層がエッチングにより除去される方法。
4. 請求項１に記載の方法であり、さらに、
   （ｆ）前記バリア層の第１の表面及び前記金属要素の上に半導体素子又は半導体材料を設けるステップ、
   を含む方法。
5. 請求項１に記載の方法であり、前記ポリマー支持層がポリイミドを含む方法。
6. 請求項１に記載の方法であり、前記金属層がアルミニウムを含む方法。
7. 請求項１に記載の方法であり、前記金属要素がシャント構造を与えることが意図される方法。
8. 請求項１に記載の方法であり、前記金属層が０．０２から１００μｍの範囲の厚さを持つ方法。
9. 薄膜素子を製造するための方法であり：
   （ａ）請求項１に記載の方法で得られる柔軟性基板シートを用意するステップ；及び
   （ｂ）前記柔軟性基板シートをロール・ツー・ロール製造プロセスで使用するステップ；
   を含む方法。
10. 請求項１に記載の方法で得られる柔軟性基板シートを、薄膜素子の製造のためのプロセスで使用する方法。
11. 請求項９又は請求項１０に記載の方法であり、前記薄膜素子が有機発光ダイオードである方法。