JP2014175502A - Manufacturing method of thin film transistor element and patterning method of printable semiconductor layer - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method of a microfabricated thin film transistor element having high mobility by patterning a semiconductor film by a simple method in a thin film transistor element manufactured by using a painting process; and provide a patterning method of a printable semiconductor layer.SOLUTION: A manufacturing method of a thin film transistor element comprises processes in the following order: a process of forming a hydrophobic region 16 having a water contact angle of 80°-110° by performing a fluorination treatment on an insulation film 13 having a water contact angle of 60°-80° when forming on the insulation film 13, a printable semiconductor layer 17 which becomes an active region; and a process of coating on the insulation film 13a, a semiconductor solution 17a in which a semiconductor material is soluble in an organic solvent and subsequently patterning an active region and a non-active region in a self-organization manner by performing burning, in which a difference between water contact angles of the insulation film 13 and the hydrophobic region 16 is within a range of 20°-30°.

Description

本発明は、薄膜トランジスタ素子の製造方法及び塗布型半導体層のパターニング方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a thin film transistor element and a method for patterning a coated semiconductor layer.

近年、薄膜トランジスタ(Thin Film Transistor:TFT)のうち、塗布や印刷プロセスを用いて製造することが可能な有機薄膜トランジスタ(有機TFT)や酸化物薄膜トランジスタ(酸化物TFT)が大きく注目されている。
有機デバイスは有機材料を用いているため、無機デバイスに比べ柔軟な構造を備え、比較的低温プロセスで作製することが可能である。特に、半導体材料をはじめ、絶縁材料、配線などを有機溶媒に溶かし溶液状にすることで、様々な塗布プロセス(スピンコート、ディップコート、印刷法やインクジェット法など)を利用することが可能となり、低コストで様々な応用デバイスを作製でき、また大面積化への展開も容易となる可能性がある。さらに有機デバイスは軽量でフレキシブルなため、様々な携帯端末やディスプレイ、ICタグなど幅広い装置に適用が可能である。
In recent years, among thin film transistors (TFTs), organic thin film transistors (organic TFTs) and oxide thin film transistors (oxide TFTs) that can be manufactured using a coating or printing process have attracted much attention.
Since an organic device uses an organic material, the organic device has a flexible structure as compared with an inorganic device and can be manufactured by a relatively low temperature process. In particular, it is possible to use various coating processes (spin coating, dip coating, printing method, ink jet method, etc.) by dissolving semiconductor materials, insulating materials, wirings, etc. in organic solvents to form a solution. Various application devices can be manufactured at low cost, and there is a possibility that expansion to a large area may be facilitated. Furthermore, since organic devices are lightweight and flexible, they can be applied to a wide range of devices such as various portable terminals, displays, and IC tags.

これまで、従来のシリコンTFTと比較して有機TFTの移動度が低いことが、ディスプレイやセンサなど応用への大きな弊害となっていた。しかし、近年、研究の急速な進歩により有機TFTの移動度が飛躍的に向上するようになってきた。
例えば非特許文献1〜3に記載のトランジスタでは、塗布型の低分子系半導体を可溶化した材料をsolution searing、ディップコーティング或いはインクジェット印刷法を用いて成膜し、その結晶成長や方位を制御することで移動度が飛躍的に向上する例を報告している。
Until now, the mobility of organic TFTs is lower than that of conventional silicon TFTs, which has been a serious adverse effect on applications such as displays and sensors. In recent years, however, the mobility of organic TFTs has been dramatically improved due to rapid progress in research.
For example, in the transistors described in Non-Patent Documents 1 to 3, a material in which a coating type low molecular weight semiconductor is solubilized is formed using solution searing, dip coating, or inkjet printing, and the crystal growth and orientation are controlled. As a result, we have reported an example of a dramatic improvement in mobility.

ここで、従来の低分子系有機半導体材料は、移動度の値が最大でも1cm/Vs程度であった。しかし、上記した塗布型の低分子系半導体材料を用いた例では、グレインサイズが数十〜数百μmにおよぶ非常に大きな結晶膜を形成することが報告され、10cm/Vsを超える高い移動度が確保可能であることが報告されている。このような高い移動度の値は従来のフラットパネルで実用化されているアモルファスシリコントランジスタの特性を大幅に超えるものであり、有機トランジスタの実用可能性を大きく示した結果と言える。 Here, the conventional low molecular weight organic semiconductor material has a mobility value of about 1 cm 2 / Vs at the maximum. However, in the example using the coating type low molecular weight semiconductor material described above, it has been reported that a very large crystal film having a grain size of several tens to several hundreds of μm is formed, and a high movement exceeding 10 cm 2 / Vs is reported. It is reported that the degree can be secured. Such a high mobility value greatly exceeds the characteristics of the amorphous silicon transistor put into practical use in the conventional flat panel, and can be said to be a result of greatly showing the practicality of the organic transistor.

Hector A. Becerri他、 Advanced Materials, vol.20,pp.2588-2594(2008)Hector A. Becerri et al., Advanced Materials, vol.20, pp.2588-2594 (2008) Junshi Soeda 他、 Advanced Materials、vol.23、pp.3309 (2012)Junshi Soeda et al., Advanced Materials, vol.23, pp.3309 (2012) Hiromi Minemawari他、 Nature、vol. 475、pp. 364 (2012)Hiromi Minemawari et al., Nature, vol. 475, pp. 364 (2012)

しかしながら上記した非特許文献1〜3の例は、デバイスサイズ(チャネル長)の大きい単素子での評価結果がほとんどで、微細化又はアレイ化した素子での高移動度は未だ実現されていないのが現状である。この大きな原因として塗布製法で形成する半導体膜(半導体層)のパターニング手法が未だ確立されていないことが挙げられる。
薄膜トランジスタをディスプレイやセンサなどのアクティブ駆動に応用する場合では、チャネル長を10μm以下に微細化した素子を製造することが求められる。そして、素子間の不要な漏れ電流を抑制し、素子のオフ電流を低下させるには100μm以下の微細なエリアに半導体膜をパターニング形成する必要がある。
However, in the examples of Non-Patent Documents 1 to 3 described above, most of the evaluation results are for single elements having a large device size (channel length), and high mobility has not yet been realized with miniaturized or arrayed elements. Is the current situation. A major cause of this is that a patterning method for a semiconductor film (semiconductor layer) formed by a coating method has not yet been established.
In the case of applying a thin film transistor to active drive such as a display or a sensor, it is required to manufacture an element with a channel length reduced to 10 μm or less. In order to suppress unnecessary leakage current between elements and reduce the off-state current of the element, it is necessary to pattern a semiconductor film in a fine area of 100 μm or less.

また、従来では、微細なエリアに半導体膜をパターニング形成する方法として、予め半導体層の下地である絶縁膜を、TFTの形成領域と非形成領域とにパターニングする方法が知られている。具体的には、絶縁膜として疎水性の大きな材料を用い、この絶縁膜に対し、TFTの形成領域の箇所にのみ紫外光の照射等の親水化処理を行い濡れ性(親水性)を良くした上で、塗布型の半導体材料を塗布し半導体層を形成する方法である。しかしながら、この方法では、TFTとして作用させる領域に直接紫外光等の親水化処理を施すため、半導体層の形成領域のダメージが大きく、安定したTFT特性を得ることができないおそれがあった。   Conventionally, as a method of patterning and forming a semiconductor film in a fine area, a method of previously patterning an insulating film, which is a base of a semiconductor layer, into a TFT formation region and a non-formation region is known. Specifically, a highly hydrophobic material is used for the insulating film, and the wettability (hydrophilicity) is improved by subjecting this insulating film to hydrophilic treatment such as irradiation with ultraviolet light only at the location of the TFT formation region. In the above, a semiconductor layer is formed by applying a coating-type semiconductor material. However, in this method, since the hydrophilic region such as ultraviolet light is directly applied to the region to act as the TFT, there is a possibility that the region where the semiconductor layer is formed is greatly damaged and stable TFT characteristics cannot be obtained.

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、塗布製法を用いて作製する薄膜トランジスタ素子(TFT素子)において、簡易な方法で半導体膜をパターニングすることにより、移動度の高い微細な薄膜トランジスタ素子の製造方法及び塗布型半導体層のパターニング方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and in a thin film transistor element (TFT element) manufactured using a coating manufacturing method, a semiconductor film is patterned by a simple method, whereby a high mobility and fineness are achieved. It is an object to provide a method for manufacturing a thin film transistor element and a patterning method for a coating type semiconductor layer.

上記課題を解決する手段として、本発明者らは絶縁膜上に形成する活性領域となる半導体層のパターニング方法について検討した。その結果、絶縁膜としてTFT素子を形成するに好適な(濡れ性が良好な)絶縁材料を用いるとともに、当該絶縁膜にフッ素化処理を施すことで、当該絶縁膜にダメージを与えることなく、TFT素子の形成領域(親水領域)と非形成領域(疎水性領域)とを微細にパターニングすることができることを見出した。つまり、本発明は、基板上に作製されるTFT素子において、塗布型の半導体材料を溶媒に溶解させた半導体溶液を、予め親水・疎水性領域にパターニングされた絶縁膜上に滴下し、親水性領域にのみに半導体溶液を集め結晶を析出させることで、結晶サイズの大きい半導体層を自発的(自己組織的)にパターニング形成する。
なお、本発明の薄膜トランジスタは、低分子または低分子系材料にアルキル鎖などを付与して可溶化した半導体材料、並びに高分子型の有機半導体材料を用いた有機薄膜トランジスタ素子により適しているが、これに限定されるものではなく、塗布型の酸化物半導体、金属酸化物材料、カーボンナノチューブ、及びグラフェンなどを用いた薄膜トランジスタ素子にも適用可能な技術である。
以上のような本発明者らの検討結果及び知見に基づきなされた本発明の要旨は以下の通りである。
As means for solving the above-mentioned problems, the present inventors have studied a patterning method for a semiconductor layer to be an active region formed on an insulating film. As a result, an insulating material suitable for forming a TFT element (good wettability) is used as the insulating film, and the insulating film is subjected to a fluorination treatment so that the insulating film is not damaged. It has been found that the element formation region (hydrophilic region) and the non-formation region (hydrophobic region) can be finely patterned. That is, according to the present invention, in a TFT element manufactured on a substrate, a semiconductor solution in which a coating-type semiconductor material is dissolved in a solvent is dropped onto an insulating film that has been previously patterned in a hydrophilic / hydrophobic region. By collecting the semiconductor solution only in the region and precipitating the crystals, a semiconductor layer having a large crystal size is spontaneously patterned (self-organized).
Note that the thin film transistor of the present invention is more suitable for a semiconductor material solubilized by adding an alkyl chain or the like to a low-molecular or low-molecular material, and an organic thin-film transistor element using a polymer organic semiconductor material. However, the present invention is not limited to the above, and is a technique applicable to a thin film transistor element using a coating type oxide semiconductor, a metal oxide material, a carbon nanotube, graphene, or the like.
The gist of the present invention made based on the results and findings of the inventors as described above is as follows.

[1]上記課題を解決するため、本発明による薄膜トランジスタ素子の製造方法は、基板上に作製される薄膜トランジスタの製造方法であって、絶縁膜上に活性領域となる塗布型半導体層を形成する際において、水接触角が60°〜80°である前記絶縁膜にフッ素化処理を施すことにより水接触角が80°〜110°である疎水性領域を形成する工程と、前記絶縁膜上に、半導体材料を有機溶媒に溶解させた半導体溶液を塗布し、その後焼成することで、自己組織的に活性領域と非活性領域とをパターニングする工程と、をこの順に備え、前記絶縁膜及び前記疎水性領域それぞれの水接触角の差を20°〜30°の範囲内とすることを特徴とする。
[2]上記[1]に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法において、前記絶縁膜が、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィン誘導体であることを特徴とする。
[3]上記[1]または[2]に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法において、前記半導体材料が、有機半導体または無機酸化物半導体であることを特徴とする。
[4]上記[1]〜[3]の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法において、前記半導体溶液に対する前記半導体材料の濃度が、2重量%以下であることを特徴とする。
[5]上記[1]〜[4]の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法において、前記フッ素化処理が、含フッ素ガスを用いたプラズマ処理であることを特徴とする。
[6]上記[1]〜[5]の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法において、前記フッ素化処理によるエッチング深さを2nm以下に制限することを特徴とする。
[7]上記[1]〜[6]の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法において、前記焼成の温度が、前記半導体材料の沸点の1/2以下であることを特徴とする。
[1] In order to solve the above-described problem, a method of manufacturing a thin film transistor element according to the present invention is a method of manufacturing a thin film transistor on a substrate, in which a coated semiconductor layer serving as an active region is formed on an insulating film. A step of forming a hydrophobic region having a water contact angle of 80 ° to 110 ° by subjecting the insulating film having a water contact angle of 60 ° to 80 ° to fluorination treatment, Applying a semiconductor solution in which a semiconductor material is dissolved in an organic solvent, followed by baking to pattern the active region and the non-active region in a self-organized manner in this order, the insulating film and the hydrophobic The difference between the water contact angles of the respective regions is in the range of 20 ° to 30 °.
[2] In the method of manufacturing a thin film transistor element according to [1], the insulating film is a cycloolefin polymer or a cycloolefin derivative.
[3] In the method for manufacturing a thin film transistor element according to [1] or [2], the semiconductor material is an organic semiconductor or an inorganic oxide semiconductor.
[4] In the method of manufacturing a thin film transistor element according to any one of [1] to [3], the concentration of the semiconductor material with respect to the semiconductor solution is 2% by weight or less.
[5] The method for manufacturing a thin film transistor element according to any one of [1] to [4], wherein the fluorination treatment is a plasma treatment using a fluorine-containing gas.
[6] In the method of manufacturing a thin film transistor element according to any one of [1] to [5], an etching depth by the fluorination treatment is limited to 2 nm or less.
[7] In the method of manufacturing a thin film transistor element according to any one of [1] to [6], the firing temperature is ½ or less of a boiling point of the semiconductor material.

[8]上記[1]〜[7]の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法において、前記絶縁膜上に塗布した前記半導体溶液を焼成する前に、前記疎水性領域が有する疎水性以上の疎水性を備えたパターニング用基板を、前記半導体溶液上に配置することにより、前記半導体溶液を前記基板の表面全体に均一な厚みに引き延ばし薄膜化させることを特徴とする。
[9]上記[8]に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法において、前記パターニング用基板の表面がフッ素樹脂によりコーティングされ、かつ前記パターニング用基板の水接触角が105°以上であることを特徴とする。
[10]上記[8]または[9]の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法において、前記パターニング基板を前記半導体溶液上に配置した後、前記半導体溶液を塗布した前記基板を前記焼成を行う装置に設置するとともに、前記パターニング基板を水平方向にスライドさせることを特徴とする。
[11]上記[8]〜[10]の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法において、前記パターニング基板をスライドさせる速度を100mm/秒以下とすることを特徴とする。
[8] In the method of manufacturing a thin film transistor element according to any one of [1] to [7], the hydrophobic region has a hydrophobic property before firing the semiconductor solution applied on the insulating film. By disposing the patterning substrate having the above hydrophobicity on the semiconductor solution, the semiconductor solution is stretched to a uniform thickness over the entire surface of the substrate, and is thinned.
[9] In the method for manufacturing a thin film transistor element according to [8] above, the surface of the patterning substrate is coated with a fluororesin, and a water contact angle of the patterning substrate is 105 ° or more. .
[10] In the method of manufacturing a thin film transistor element according to any one of [8] and [9], after the patterning substrate is disposed on the semiconductor solution, the substrate coated with the semiconductor solution is baked. The patterning substrate is slid in a horizontal direction while being installed in an apparatus for performing the above.
[11] In the method for manufacturing a thin film transistor element according to any one of [8] to [10], a speed at which the patterning substrate is slid is set to 100 mm / second or less.

[12]上記[1]〜[7]の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法において、前記絶縁膜上に塗布した前記半導体溶液を焼成する前に、前記基板を水平方向に対して傾斜させて前記半導体溶液を前記疎水性領域以外の領域に凝集させ、凝集させた前記半導体溶液に傾斜を持たせることを特徴とする。 [12] In the method of manufacturing a thin film transistor element according to any one of [1] to [7] above, before firing the semiconductor solution coated on the insulating film, the substrate is placed in a horizontal direction. The semiconductor solution is tilted to aggregate in a region other than the hydrophobic region, and the aggregated semiconductor solution is tilted.

[13]上記[1]〜[7]の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法において、前記絶縁膜上に塗布した前記半導体溶液を焼成する前に、前記基板の側面から気体を吹き付けて前記半導体溶液を前記疎水性領域以外の領域に凝集させ、凝集させた前記半導体溶液に傾斜を持たせることを特徴とする。 [13] In the method of manufacturing a thin film transistor element according to any one of [1] to [7], a gas is blown from a side surface of the substrate before firing the semiconductor solution applied onto the insulating film. The semiconductor solution is aggregated in a region other than the hydrophobic region, and the aggregated semiconductor solution is inclined.

[14] 上記課題を解決するため、本発明による塗布型半導体層のパターニング方法は、絶縁膜上に塗布型半導体層をパターニングする方法であって、水接触角が60°〜80°である前記絶縁膜にフッ素化処理を施すことにより水接触角が80°〜110°である疎水性領域を形成する工程と、前記絶縁膜上に、半導体材料を有機溶媒に溶解させた半導体溶液を塗布し、その後焼成することで、自己組織的に前記塗布型半導体層をパターニングする工程と、をこの順に備え、前記絶縁膜と前記疎水性領域との水接触角の差を20°〜30°の範囲内とすることを特徴とする。 [14] In order to solve the above-described problem, a coating type semiconductor layer patterning method according to the present invention is a method for patterning a coating type semiconductor layer on an insulating film, wherein the water contact angle is 60 ° to 80 °. A step of forming a hydrophobic region having a water contact angle of 80 ° to 110 ° by performing a fluorination treatment on the insulating film, and a semiconductor solution in which a semiconductor material is dissolved in an organic solvent is applied on the insulating film. And then, by baking, the step of patterning the coated semiconductor layer in a self-organized manner in this order, and the difference in water contact angle between the insulating film and the hydrophobic region is in the range of 20 ° to 30 ° It is characterized by being inside.

本発明によれば、塗布製法を用いて作製する薄膜トランジスタ素子において、簡易な方法で半導体膜をパターニングすることにより、移動度の高い微細な薄膜トランジスタ素子の製造方法及び塗布型半導体層のパターニング方法を提供することが可能となる。   According to the present invention, in a thin film transistor element manufactured using a coating method, a method for manufacturing a thin film transistor element having high mobility and a patterning method for a coating type semiconductor layer are provided by patterning a semiconductor film by a simple method. It becomes possible to do.

図1は、第1実施形態に係る製造方法により得られる薄膜トランジスタ10を示した断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a thin film transistor 10 obtained by the manufacturing method according to the first embodiment. 図2Aは、第1実施形態に係る薄膜トランジスタ素子10の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 2A is a schematic cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the thin film transistor element 10 according to the first embodiment. 図2Bは、第1実施形態に係る薄膜トランジスタ素子10の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 2B is a schematic cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the thin film transistor element 10 according to the first embodiment. 図2Cは、第1実施形態に係る薄膜トランジスタ素子10の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 2C is a schematic cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the thin film transistor element 10 according to the first embodiment. 図2Dは、第1実施形態に係る薄膜トランジスタ素子10の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 2D is a schematic cross-sectional view for describing the method for manufacturing the thin film transistor element 10 according to the first embodiment. 図3Aは、第2実施形態に係る薄膜トランジスタ素子20の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 3A is a schematic cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the thin film transistor element 20 according to the second embodiment. 図3Bは、第2実施形態に係る薄膜トランジスタ素子20の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 3B is a schematic cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the thin film transistor element 20 according to the second embodiment. 図3Cは、第2実施形態に係る薄膜トランジスタ素子20´の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 3C is a schematic cross-sectional view for explaining the method of manufacturing the thin film transistor element 20 ′ according to the second embodiment. 図3Dは、第2実施形態に係る薄膜トランジスタ素子20´の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 3D is a schematic cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the thin film transistor element 20 ′ according to the second embodiment. 図4Aは、第3実施形態に係る薄膜トランジスタ素子30の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 4A is a schematic cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the thin film transistor element 30 according to the third embodiment. 図4Bは、第3実施形態に係る薄膜トランジスタ素子30の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 4B is a schematic cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the thin film transistor element 30 according to the third embodiment. 図4Cは、第3実施形態に係る薄膜トランジスタ素子30の製造方法を説明するための断面模式図である。FIG. 4C is a schematic cross-sectional view for explaining the method for manufacturing the thin film transistor element 30 according to the third embodiment. 図5は、本実施例に係るパターニング方法によって作製した塗布型半導体層57を備えた薄膜トランジスタの光学顕微鏡写真である。FIG. 5 is an optical micrograph of a thin film transistor provided with a coating type semiconductor layer 57 produced by the patterning method according to this example. 図6は、本実施例に係る薄膜トランジスタ素子のドレイン電流―ゲート電圧(Id−Vg)特性を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the drain current-gate voltage (Id-Vg) characteristics of the thin film transistor device according to this example.

以下、本発明の薄膜トランジスタ素子の製造方法及び塗布型半導体層のパターニング方法の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
また、以下の各実施形態において説明する薄膜トランジスタ素子はいずれもボトムゲート・ボトムコンタクト型構造のものであるが、本発明の薄膜トランジスタの製造方法は、ボトムゲート・ボトムコンタクト型構造に限らず、ボトムゲート・トップコンタクト型構造やトップゲート型構造の薄膜トランジスタの製造方法としても適用可能である。
Hereinafter, embodiments of a method for manufacturing a thin film transistor element and a method for patterning a coated semiconductor layer according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In addition, in the drawings used in the following description, in order to make the characteristics easy to understand, there are cases where the characteristic portions are enlarged for convenience, and the dimensional ratios of the respective components are not always the same as the actual ones. Absent. In addition, the materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not necessarily limited thereto, and can be appropriately modified and implemented without departing from the scope of the invention. .
The thin film transistor elements described in the following embodiments all have a bottom gate / bottom contact type structure. However, the method of manufacturing the thin film transistor of the present invention is not limited to the bottom gate / bottom contact type structure. -It is applicable also as a manufacturing method of the thin film transistor of a top contact type structure or a top gate type structure.

<薄膜トランジスタ素子の製造方法>
「第1実施形態」
まず、第1実施形態に係る薄膜トランジスタ素子の製造方法について図1〜図2Dを参照しながら説明する。図1〜図2Dは、本実施形態である薄膜トランジスタ素子の断面模式図であるが、薄膜トランジスタ素子10の特徴部分を見易くするために、一部の構成を省略して示している。また、図2A〜図2Dのそれぞれは、本実施形態に係る薄膜トランジスタ素子10の製造方法を説明するための概略図であり、各工程における断面模式図を示す。
本実施形態に係る薄膜トランジスタ素子10の製造方法は、基板11上に作製される薄膜トランジスタの製造方法であって、絶縁膜13上に活性領域となる塗布型半導体層17(単に、半導体層17ともいう)を形成する際において、水接触角が60°〜80°である絶縁膜13にフッ素化処理を施すことにより水接触角が80°〜110°である疎水性領域16を形成する工程と、絶縁膜13上に、半導体材料を有機溶媒に溶解させた半導体溶液17aを塗布し、その後焼成することで、自己組織的に活性領域と非活性領域とをパターニングする工程と、をこの順に備え、絶縁膜13及び疎水性領域16それぞれの水接触角の差を20°〜30°の範囲内とすることを特徴とする。
<Method for Manufacturing Thin Film Transistor Element>
“First Embodiment”
First, a method for manufacturing a thin film transistor element according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 2D are cross-sectional schematic views of the thin film transistor element according to the present embodiment, but a part of the configuration is omitted in order to make the characteristic part of the thin film transistor element 10 easier to see. Moreover, each of FIG. 2A-FIG. 2D is the schematic for demonstrating the manufacturing method of the thin-film transistor element 10 which concerns on this embodiment, and shows the cross-sectional schematic diagram in each process.
The method of manufacturing the thin film transistor element 10 according to this embodiment is a method of manufacturing a thin film transistor manufactured on the substrate 11, and is a coated semiconductor layer 17 (also simply referred to as a semiconductor layer 17) that becomes an active region on the insulating film 13. ) To form a hydrophobic region 16 having a water contact angle of 80 ° to 110 ° by subjecting the insulating film 13 having a water contact angle of 60 ° to 80 ° to fluorination treatment; A process of patterning active regions and inactive regions in this order by applying a semiconductor solution 17a in which a semiconductor material is dissolved in an organic solvent on the insulating film 13, followed by baking, The difference in water contact angle between the insulating film 13 and the hydrophobic region 16 is set in a range of 20 ° to 30 °.

ここで、上述したように、図1に示した薄膜トランジスタ素子10の構造はボトムゲート・ボトムコンタクト型構造であり、基板11の表面に形成されたゲート電極12、絶縁膜13、ソース電極およびドレイン電極(14および15)、および塗布型半導体層17を備えている。なお、図1に示すボトムゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタ素子10の場合、絶縁膜13はゲート絶縁膜として機能する。
以下、本実施形態に係る薄膜トランジスタ素子10の製造方法について詳細に説明する。
Here, as described above, the structure of the thin film transistor element 10 shown in FIG. 1 is a bottom gate / bottom contact structure, and the gate electrode 12, the insulating film 13, the source electrode and the drain electrode formed on the surface of the substrate 11. (14 and 15) and a coating type semiconductor layer 17 are provided. In the case of the bottom gate / bottom contact type thin film transistor element 10 shown in FIG. 1, the insulating film 13 functions as a gate insulating film.
Hereinafter, a method for manufacturing the thin film transistor element 10 according to the present embodiment will be described in detail.

まず、図2Aに示すように、基板11上にゲート電極12を形成する。ゲート電極12は、例えばスパッタリング法(単に、スパッタともいう)などにより基板11上に形成し、次いで、ゲート電極の所望のパターンとなるようエッチングを施すことで形成することができる。   First, as shown in FIG. 2A, the gate electrode 12 is formed on the substrate 11. The gate electrode 12 can be formed by forming the gate electrode 12 on the substrate 11 by, for example, a sputtering method (also simply referred to as sputtering) and then performing etching so as to form a desired pattern of the gate electrode.

基板11の材料は、特に限定されず、絶縁材料からなる種々の基板で構成されてよいが、例えば、シリコンウェハなどのシリコン基板、石英、ソーダガラス、無機アルカリガラスなどのガラス基板、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルスルホン(PES)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリスチレン(PS)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ナイロン、ポリカーボネートなどのプラスチックフィルム等を用いることが出来る。また、表面が絶縁性処理されていれば、金属フォイル等も基板11として用いることができる。   The material of the substrate 11 is not particularly limited and may be composed of various substrates made of an insulating material. For example, a silicon substrate such as a silicon wafer, a glass substrate such as quartz, soda glass, and inorganic alkali glass, polyethylene terephthalate ( PET), polyethersulfone (PES), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide (PI), polyetherimide (PEI), polystyrene (PS), polyvinyl chloride (PVC), polyethylene (PE), polypropylene (PP) Plastic films such as nylon and polycarbonate can be used. Further, a metal foil or the like can also be used as the substrate 11 if the surface is treated with an insulating treatment.

ゲート電極12の材料は導電性材料の材料であれば特に限定されず、アルミ、モリブデン、クロム、銅などの金属材料に加え、これらのインク材料あるいは導電性高分子材料、また酸化スズ・アンチモン、酸化インジウム・スズ(ITO)などを用いることが可能である。   The material of the gate electrode 12 is not particularly limited as long as it is a conductive material. In addition to metal materials such as aluminum, molybdenum, chromium, and copper, these ink materials or conductive polymer materials, tin oxide / antimony, Indium tin oxide (ITO) or the like can be used.

次に、図2Aに示すように、ゲート電極12を覆うように基板11上に絶縁膜13を成膜する。本実施形態に係る絶縁膜13は、ゲート電極12を覆ってゲート電極12を絶縁するゲート絶縁膜である。
絶縁膜13の材料は塗布形成が可能で、かつ濡れ性が良好な絶縁膜材料を用い、ポリマー絶縁膜材料を用いることが好ましい。例えば、シクロオレフィンポリマーまたはその誘導体、シクロオレフィン類をモノマーとして合成される主鎖に脂環構造を有するポリマー、メタクリル樹脂(PMMA)またはその誘導体、ポリカーボネート樹脂(PC)またはその誘導体、ポリビニルフェノール樹脂(PVP)またはその誘導体、またこれらポリマー樹脂と無機材料のハイブリッド絶縁材料などを用いることができる。
ここで、本実施系形態では、絶縁膜13上に塗布型半導体層17を形成(パターニング)する前にあらかじめ、塗布型半導体層17の形成領域以外の領域(非形成領域)に対してフッ素化処理施して非形成領域の疎水化を行うことで疎水性領域16を形成する。そうした上で塗布型半導体層17の材料である半導体溶液17aを塗布する。そのため、塗布型半導体層17の形成領域は絶縁膜13の本来の特性を持った領域となるため、絶縁膜13は濡れ性に良好な材料を用いることが好ましい。また、塗布型半導体層17の非形成領域はフッ素化処理を施すため、非形成領域の表面が粗くなるおそれがある。そのため、絶縁膜13はフッ素化処理に対して耐性を備えたものを用いることが好ましい。これらの観点より、絶縁膜13として、特に、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィン誘導体を用いることがより好ましい。
Next, as shown in FIG. 2A, an insulating film 13 is formed on the substrate 11 so as to cover the gate electrode 12. The insulating film 13 according to this embodiment is a gate insulating film that covers the gate electrode 12 and insulates the gate electrode 12.
The material of the insulating film 13 is preferably an insulating film material that can be applied and formed and has good wettability, and is preferably a polymer insulating film material. For example, a cycloolefin polymer or a derivative thereof, a polymer having an alicyclic structure in a main chain synthesized using cycloolefins as a monomer, a methacrylic resin (PMMA) or a derivative thereof, a polycarbonate resin (PC) or a derivative thereof, a polyvinylphenol resin ( PVP) or a derivative thereof, or a hybrid insulating material of these polymer resin and inorganic material can be used.
Here, in the present embodiment, before forming (patterning) the coating type semiconductor layer 17 on the insulating film 13, fluorination is performed on a region (non-formation region) other than the formation region of the coating type semiconductor layer 17 in advance. The hydrophobic region 16 is formed by performing the treatment to make the non-formed region hydrophobic. After that, a semiconductor solution 17a which is a material of the coating type semiconductor layer 17 is applied. Therefore, since the formation region of the coating type semiconductor layer 17 is a region having the original characteristics of the insulating film 13, it is preferable to use a material with good wettability for the insulating film 13. Moreover, since the non-formation area | region of the coating type semiconductor layer 17 performs a fluorination process, there exists a possibility that the surface of a non-formation area | region may become rough. Therefore, it is preferable to use the insulating film 13 having resistance to the fluorination treatment. From these viewpoints, it is particularly preferable to use a cycloolefin polymer or a cycloolefin derivative as the insulating film 13.

絶縁膜13の成膜方法としては、ゲート電極12を形成した基板11上に、上述したような絶縁膜13の材料を塗布することにより形成される。塗布する方法としては、例えば、ドロップキャスト法、ディップコーティング法、インクジェット法、スプレー法、スピンコート法、ロールコート法、ダイコート法、ドクターブレード法、回転塗布法、バー塗布法、スクリーン印刷法等の各種の方法を採用することができる。
絶縁膜13の成膜厚さは、特に限定されないが、好ましくは50〜500nm、より好ましくは50〜200nmである。
The insulating film 13 is formed by applying the material of the insulating film 13 as described above on the substrate 11 on which the gate electrode 12 is formed. Examples of the application method include a drop casting method, a dip coating method, an ink jet method, a spray method, a spin coating method, a roll coating method, a die coating method, a doctor blade method, a spin coating method, a bar coating method, and a screen printing method. Various methods can be employed.
The thickness of the insulating film 13 is not particularly limited, but is preferably 50 to 500 nm, and more preferably 50 to 200 nm.

また、本実施形態において、絶縁膜13の表面の水接触角は60°〜80°の範囲である。水接触角を当該範囲に調整する方法としては、例えば、絶縁膜13を形成するための塗膜形成時の乾燥過程の温度、時間等を調整して、塗膜表面からの溶剤の蒸発を均一化することで、表面張力変化を小さくして、得られる絶縁膜13の表面を平滑化する方法、または、絶縁材料の分子構造において、膜表面の親水基、疎水基のバランスを調整する方法等がある。このような方法により、絶縁膜13表面の水接触角を所望の範囲に調整することができる。
なお、絶縁膜13上に形成する塗布型半導体層16の積層性を向上させる観点から、絶縁膜13の水接触角を75°以下とすることが好ましい。一方、絶縁膜13の水接触角が過度に小さいと塗布型半導体層17の分子配向および結晶性が悪くなるおそれがあるため、絶縁膜13の水接触角を50°以上とすることが好ましい。
In this embodiment, the water contact angle on the surface of the insulating film 13 is in the range of 60 ° to 80 °. As a method for adjusting the water contact angle within the range, for example, the temperature and time of the drying process when forming the coating film for forming the insulating film 13 are adjusted to uniformly evaporate the solvent from the coating film surface. To reduce the surface tension change and smooth the surface of the insulating film 13 obtained, or to adjust the balance of hydrophilic groups and hydrophobic groups on the film surface in the molecular structure of the insulating material, etc. There is. By such a method, the water contact angle on the surface of the insulating film 13 can be adjusted to a desired range.
In addition, it is preferable that the water contact angle of the insulating film 13 is 75 ° or less from the viewpoint of improving the stackability of the coating type semiconductor layer 16 formed on the insulating film 13. On the other hand, if the water contact angle of the insulating film 13 is excessively small, the molecular orientation and crystallinity of the coated semiconductor layer 17 may be deteriorated. Therefore, the water contact angle of the insulating film 13 is preferably set to 50 ° or more.

次に、図2Aに示すように、絶縁膜13上に、ソース電極14及びドレイン電極15を形成する。
ソース電極14及びドレイン電極15は、薄膜トランジスタの出力電極であり、導電性材料から構成することができる。ソース電極14及びドレイン電極15の材料としては、例えば、金、銀、ニッケルなどの金属コロイド粒子を分散させた溶液若しくは銀などの金属粒子を導電材料として用いたペーストが挙げられる。また、例えば、金属や合金、透明導電膜材料を、全面にスパッタ法や蒸着法等によって成膜後、レジスト材料を用い、フォトリソグラフィー法やスクリーン印刷法で所望のレジストパターンを形成した後、酸等のエッチング液でエッチングすることにより所望のパターンを形成することができる。また、金属や合金、透明導電膜材料を、マスクを用いてスパッタ法や蒸着法で直接所望のパターンを形成することもできる。これらスパッタ法や蒸着法に使用できる金属材料としては、アルミニウム、モリブデン、クロム、チタン、タンタル、ニッケル、銅、銀、金、白金、パラジウム等が、透明導電膜材料としてはITO等が挙げられる。
Next, as illustrated in FIG. 2A, the source electrode 14 and the drain electrode 15 are formed on the insulating film 13.
The source electrode 14 and the drain electrode 15 are output electrodes of the thin film transistor and can be made of a conductive material. Examples of the material for the source electrode 14 and the drain electrode 15 include a solution in which metal colloidal particles such as gold, silver, and nickel are dispersed, or a paste using metal particles such as silver as a conductive material. Also, for example, a metal, an alloy, or a transparent conductive film material is formed on the entire surface by sputtering or vapor deposition, and a resist pattern is used to form a desired resist pattern by photolithography or screen printing. A desired pattern can be formed by etching with an etching solution such as the above. In addition, a desired pattern can be directly formed from a metal, an alloy, or a transparent conductive film material by a sputtering method or a vapor deposition method using a mask. Examples of metal materials that can be used for these sputtering and vapor deposition methods include aluminum, molybdenum, chromium, titanium, tantalum, nickel, copper, silver, gold, platinum, and palladium, and examples of the transparent conductive film material include ITO.

次に、絶縁膜13上に、薄膜トランジスタ素子10の活性領域となる塗布型半導体層17を形成(パターニング)する。本実施形態に係る塗布型半導体層16のパターニング工程は、絶縁膜13にフッ素化処理を施し、水接触角が80°〜110°である疎水性領域16を形成する工程と、絶縁膜13上に、半導体材料を有機溶媒に溶解させた半導体溶液17aを塗布し、その後焼成することで、自己組織的に活性領域と非活性領域とをパターニングする工程と、に概略構成される。   Next, a coating type semiconductor layer 17 to be an active region of the thin film transistor element 10 is formed (patterned) on the insulating film 13. In the patterning process of the coating type semiconductor layer 16 according to the present embodiment, the insulating film 13 is subjected to fluorination treatment to form the hydrophobic region 16 having a water contact angle of 80 ° to 110 °, In addition, a semiconductor solution 17a in which a semiconductor material is dissolved in an organic solvent is applied and then baked to pattern the active region and the inactive region in a self-organized manner.

疎水性領域16を形成する工程について説明する。
まず、ソース電極14及びドレイン電極15を作製した絶縁膜13上に、薄膜トランジスタのチャネル領域となる領域(塗布型半導体層17の形成領域)のみをカバーする形でポジレジスト膜(不図示)をパターン形成する。
次に、フッ素化処理を施し、絶縁膜13の表面のうち、ポジレジスト膜によりカバーされていない露出された領域(非形成領域)の表面をフッ素化し、図2Bに示すように疎水性領域16を形成する。疎水性領域16を形成した後は、ポジレジスト膜を有機溶剤を用いて剥離、除去する。
フッ素化処理としては例えば、含フッ素ガスを用いたプラズマ処理を採用することができ、この場合に用いるガスとしてCFガスを例示できる。
A process of forming the hydrophobic region 16 will be described.
First, a positive resist film (not shown) is patterned on the insulating film 13 on which the source electrode 14 and the drain electrode 15 are formed so as to cover only a region that is a channel region of the thin film transistor (a region where the coating type semiconductor layer 17 is formed). Form.
Next, fluorination treatment is performed, and the surface of the exposed region (non-formed region) that is not covered by the positive resist film among the surface of the insulating film 13 is fluorinated, and as shown in FIG. Form. After forming the hydrophobic region 16, the positive resist film is peeled off and removed using an organic solvent.
As the fluorination treatment, for example, a plasma treatment using a fluorine-containing gas can be employed, and CF 4 gas can be exemplified as a gas used in this case.

疎水性領域16を形成する際にプラズマ処理を採用した場合、プラズマの照射により非形成領域の絶縁膜13がエッチングされ、絶縁膜13の表面が荒れてしまうことがある。しかし、本実施形態では、塗布型半導体層17を形成する領域以外の領域にフッ素化処理を施すため、塗布型半導体層17の形成領域についてはプラズマ照射の影響を受けない。つまり、塗布型半導体層17の形成するための半導体溶液17aの塗布する際には、プラズマ照射によって生じた絶縁膜13の表面荒れの影響を受けることなく、本来の絶縁膜13が有する濡れ性を維持した状態の絶縁膜13表面に半導体溶液17aを塗布することができる。   When plasma treatment is employed when forming the hydrophobic region 16, the insulating film 13 in the non-formed region may be etched by the plasma irradiation, and the surface of the insulating film 13 may be roughened. However, in this embodiment, since the region other than the region where the coating type semiconductor layer 17 is formed is subjected to fluorination treatment, the region where the coating type semiconductor layer 17 is formed is not affected by plasma irradiation. That is, when the semiconductor solution 17a for forming the coating type semiconductor layer 17 is applied, the wettability of the original insulating film 13 is not affected by the surface roughness of the insulating film 13 caused by plasma irradiation. The semiconductor solution 17a can be applied to the surface of the insulating film 13 in the maintained state.

また、本実施形態においては、疎水性領域16へのプラズマ照射によるエッチングによって生じたエッチング溝の深さについても抑制した方が好ましい。これは、エッチング溝の深さが大きいと、後工程において絶縁膜13上に半導体溶液17aを塗布する際に、半導体層17の形成領域への半導体溶液17aの凝集が不十分となるおそれがあるためである。
具体的に説明すると、まず、本実施形態では、チャネル領域となる領域にのみ半導体層17を形成することから、半導体層17の非形成領域へはフッ素化処理を施し疎水性領域16とし、チャネル領域の形成領域と非形成領域である疎水性領域16とにパターニングする。このように、非形成領域を疎水化することにより、半導体溶液17aを塗布した際に、半導体層17の形成領域は絶縁膜13が備えている濡れ性が良好であることと、非形成領域には疎水性を付与したことから、半導体溶液17aは半導体層17の形成領域へ自発的に凝集する。しかしながら、疎水性領域16へのプラズマ照射によるエッチング量が多いと、絶縁膜13表面上に生じるエッチング溝による段差が大きくなり、この大きな段差が半導体溶液17aの自発的な凝集を阻害し、その結果、半導体層17のパターニング性が劣化してしまうおそれがある。
このようなことから、本実施形態では、プラズマ照射によって生じるエッチング溝の深さを小さく抑制することが好ましい。より具体的には、エッチング深さを2nm以下に制限することがより好ましい。さらに具体的には半導体層17として用いる半導体材料の分子長に匹敵する、或いはこれ以下のエッチング深さとすることが望ましい。
また、このようにエッチング溝の深さを小さくするためには、プラズマを照射する際の出力(パワー)を小さくし、またプラズマの照射時間を短くすることで達成できる。なお、プラズマ照射の好ましい条件は用いる照射機器によって若干変動するが、パワーを25〜100Wの範囲、またプラズマの照射時間を10〜30秒の範囲とすることが好ましい。
Further, in the present embodiment, it is preferable to suppress the depth of the etching groove generated by etching the hydrophobic region 16 by plasma irradiation. This is because if the depth of the etching groove is large, the semiconductor solution 17a may be insufficiently aggregated in the formation region of the semiconductor layer 17 when the semiconductor solution 17a is applied on the insulating film 13 in a later step. Because.
Specifically, in the present embodiment, since the semiconductor layer 17 is formed only in the region to be the channel region, the non-formation region of the semiconductor layer 17 is subjected to fluorination treatment to form the hydrophobic region 16, and the channel Patterning is performed into a region where the region is formed and a hydrophobic region 16 which is a non-formed region. Thus, by hydrophobicizing the non-formation region, when the semiconductor solution 17a is applied, the formation region of the semiconductor layer 17 has good wettability that the insulating film 13 has, and the non-formation region Since the hydrophobicity is imparted, the semiconductor solution 17 a spontaneously aggregates in the formation region of the semiconductor layer 17. However, if the etching amount by plasma irradiation to the hydrophobic region 16 is large, a step due to the etching groove formed on the surface of the insulating film 13 becomes large, and this large step inhibits spontaneous aggregation of the semiconductor solution 17a. The patterning property of the semiconductor layer 17 may be deteriorated.
For this reason, in the present embodiment, it is preferable to suppress the depth of the etching groove generated by the plasma irradiation. More specifically, it is more preferable to limit the etching depth to 2 nm or less. More specifically, it is desirable that the etching depth is comparable to or less than the molecular length of the semiconductor material used as the semiconductor layer 17.
Further, in order to reduce the depth of the etching groove in this way, it can be achieved by reducing the output (power) at the time of plasma irradiation and shortening the plasma irradiation time. In addition, although the preferable conditions of plasma irradiation change a little with irradiation apparatuses to be used, it is preferable to set the power in the range of 25 to 100 W and the plasma irradiation time in the range of 10 to 30 seconds.

また、本実施形態においては、上記フッ素化処理によって形成する疎水性領域16の水接触角を80°〜110°の範囲とし、また、絶縁膜13及び疎水性領域16それぞれの水接触角の差を20°〜30°の範囲内とする。
このように、活性領域となる半導体層17の形成領域である絶縁膜13と非活性領域となる疎水性領域16それぞれの水接触角の差を20°〜30°とすることにより、効率的に半導体溶液17aの自発的な凝集を促すことができるとともに、微細な領域への半導体層16のパターニング精度を高めることができる。その結果、薄膜トランジスタ素子の特性を向上させることができる。
Further, in the present embodiment, the water contact angle of the hydrophobic region 16 formed by the fluorination treatment is in the range of 80 ° to 110 °, and the difference in water contact angle between the insulating film 13 and the hydrophobic region 16 is different. Is in the range of 20 ° to 30 °.
As described above, the difference in water contact angle between the insulating film 13 that is the formation region of the semiconductor layer 17 that is the active region and the hydrophobic region 16 that is the non-active region is set to 20 ° to 30 ° efficiently. Spontaneous aggregation of the semiconductor solution 17a can be promoted, and the patterning accuracy of the semiconductor layer 16 into a fine region can be increased. As a result, the characteristics of the thin film transistor element can be improved.

次に、塗布型半導体層17を形成し、活性領域と非活性領域とをパターニングする工程について説明する。
まず、図2Cに示すように、上記フッ素化処理により表面の塗れ性・疎水性が制御された絶縁膜13上に、半導体溶液17aを塗布する。
半導体溶液17aとしては半導体材料を有機溶媒に溶解させたものを用いる。なお、塗布法によって半導体層17を成膜するため、用いる半導体材料は有機溶媒に溶解可能で塗布型のものであれば特に限定しないが、有機半導体や無機酸化物半導体を用いることができる。具体的には、低分子系の有機半導体材料にアルキル鎖などを付与して可溶化した半導体材料、高分子型の有機半導体材料、塗布型の酸化物半導体、金属酸化物材料、その他カーボンナノチューブやグラフェンなどを分散させた溶液を用いることができる。なお、半導体層17の結晶方位の制御ならびに半導体材料の可溶性の観点から、低分子系の有機半導体材料或いは結晶性の高い半導体溶液を用いることが好ましい。
半導体溶液17aは、上記したような半導体材料を有機溶媒に溶解させることで得ることができる。なお、半導体溶液17に対する半導体材料の濃度が高すぎると、半導体溶液17aを焼成し結晶化させる際に、疎水性領域16でも結晶が析出するおそれがあるため、半導体溶液17aに対する半導体材料の濃度を2重量%以下とすることが好ましい。
また、半導体層17の膜厚については特に限定しないが、半導体溶液17aの塗布量によって制御することができる。なお、半導体層17の膜厚を制御する方法としては、予め半導体溶液17a中にスペーサーを混合して上で絶縁膜13上に塗布する方法も挙げられる。
Next, a process of forming the coating type semiconductor layer 17 and patterning the active region and the inactive region will be described.
First, as shown in FIG. 2C, a semiconductor solution 17a is applied onto the insulating film 13 whose surface wettability and hydrophobicity are controlled by the fluorination treatment.
As the semiconductor solution 17a, a solution obtained by dissolving a semiconductor material in an organic solvent is used. Note that since the semiconductor layer 17 is formed by a coating method, the semiconductor material to be used is not particularly limited as long as it is soluble in an organic solvent and is a coating type, but an organic semiconductor or an inorganic oxide semiconductor can be used. Specifically, semiconductor materials that have been solubilized by adding alkyl chains to low molecular organic semiconductor materials, polymer organic semiconductor materials, coated oxide semiconductors, metal oxide materials, carbon nanotubes, A solution in which graphene or the like is dispersed can be used. From the viewpoint of controlling the crystal orientation of the semiconductor layer 17 and the solubility of the semiconductor material, it is preferable to use a low molecular organic semiconductor material or a semiconductor solution with high crystallinity.
The semiconductor solution 17a can be obtained by dissolving the semiconductor material as described above in an organic solvent. Note that if the concentration of the semiconductor material with respect to the semiconductor solution 17 is too high, crystals may be deposited in the hydrophobic region 16 when the semiconductor solution 17a is baked and crystallized. It is preferable to be 2% by weight or less.
The film thickness of the semiconductor layer 17 is not particularly limited, but can be controlled by the coating amount of the semiconductor solution 17a. A method for controlling the film thickness of the semiconductor layer 17 includes a method in which a spacer is mixed in advance in the semiconductor solution 17 a and then applied onto the insulating film 13.

次に、絶縁膜13上に、半導体溶液17aを塗布した後に焼成工程を行う。具体的には、絶縁膜13上に塗布した半導体溶液17aを、例えばホットプレート、オーブン等を用いて加熱、焼成し、有機溶媒を蒸発させることで、活性領域となる領域に、上述したような半導体材料からなる塗布型半導体層17を形成することができ、図2Dに示すように、活性領域と非活性領域とにパターニングすることができる。なお、焼成する手段としては、上記ホットプレート、オーブンの他に、熱気流を用いた乾燥方法、真空加熱等を採用することができる。
焼成する温度が高すぎると、半導体溶液17aを焼成し結晶化させる際に、疎水性領域16でも結晶が析出し、活性領域と非活性領域とのパターニング精度が劣化するおそれがあるため、焼成温度は、用いる半導体材料の沸点の1/2以下とすることが好ましい。
Next, after applying the semiconductor solution 17a on the insulating film 13, a baking process is performed. Specifically, the semiconductor solution 17a applied on the insulating film 13 is heated and baked using, for example, a hot plate, an oven, or the like, and the organic solvent is evaporated, so that the region as an active region is formed as described above. A coated semiconductor layer 17 made of a semiconductor material can be formed, and can be patterned into an active region and an inactive region, as shown in FIG. 2D. As a means for baking, in addition to the hot plate and oven, a drying method using a hot air flow, vacuum heating, or the like can be employed.
If the firing temperature is too high, when the semiconductor solution 17a is fired and crystallized, crystals may be deposited in the hydrophobic region 16 and the patterning accuracy between the active region and the inactive region may be deteriorated. Is preferably ½ or less of the boiling point of the semiconductor material used.

以上説明した製造方法によって、本実施形態に係る薄膜トランジスタ素子10を製造することができる。
なお、上記で説明した塗布型半導体層のパターニング方法は、ボトムゲート・ボトムコンタクト構造を有する薄膜トランジス素子における塗布型半導体層17のパターニング方法であるが、上記のパターニング方法を、例えばトップゲート型構造の薄膜トランジス素子において適用する場合は、塗布型半導体層17を形成する前に、別途ゲート絶縁膜13とは異なる絶縁膜を基板11上に形成することにより、薄膜トランジスタ素子を製造することが可能となる。
The thin film transistor element 10 according to this embodiment can be manufactured by the manufacturing method described above.
The patterning method of the coating type semiconductor layer described above is a patterning method of the coating type semiconductor layer 17 in a thin film transistor having a bottom gate / bottom contact structure. When the thin film transistor is applied, a thin film transistor element can be manufactured by separately forming an insulating film different from the gate insulating film 13 on the substrate 11 before forming the coating type semiconductor layer 17. Become.

以上説明した本実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法によれば、簡易で低コストである塗布方法を用い、結晶性及び微細領域のパターニング性に優れた半導体層をパターニングすることができる。その結果、移動度の高い微細な薄膜トランジスタ素子の製造が可能となり、トランジスタの素子特性を向上させることができる。   According to the method for manufacturing a thin film transistor according to the present embodiment described above, a semiconductor layer excellent in crystallinity and patternability of a fine region can be patterned using a simple and low-cost coating method. As a result, a thin film transistor element with high mobility can be manufactured, and the element characteristics of the transistor can be improved.

「第2実施形態」
次に、第2実施形態に係る薄膜トランジスタ素子20の製造方法について図3A〜図3Dを参照しながら説明する。図3A〜図3Dは、本実施形態である薄膜トランジスタ素子20、20´の断面模式図であるが、この薄膜トランジスタ素子20、20´の特徴部分を見易くするために、一部の構成を省略して示している。なお、図3A〜図3Dは第1実施形態と同様のボトムゲート・ボトムコンタクト型のトランジスタ素子であり、第1実施形態で示した部材と同一の部材については同一の符号を付して示している。
本実施形態に係る薄膜トランジスタ素子20、20´の製造方法は、上記第1実施形態における半導体溶液17aの塗布する工程までは同様であるため、それ以降の工程について詳細に説明することとする。
“Second Embodiment”
Next, a method for manufacturing the thin film transistor element 20 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 3A to 3D. 3A to 3D are schematic cross-sectional views of the thin film transistor elements 20 and 20 'according to the present embodiment. In order to make the characteristic portions of the thin film transistor elements 20 and 20' easier to see, a part of the configuration is omitted. Show. 3A to 3D are bottom gate / bottom contact type transistor elements similar to those of the first embodiment, and the same members as those shown in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. Yes.
Since the manufacturing method of the thin film transistor elements 20 and 20 ′ according to the present embodiment is the same up to the step of applying the semiconductor solution 17a in the first embodiment, the subsequent steps will be described in detail.

まず、図3Aに示すように、第1実施形態と同様の半導体溶液17aを塗布した後であって、第1実施形態における焼成工程の前に、フッ素化処理によって形成した疎水性領域16が有する疎水性以上の疎水性を備えたパターニング用基板18を、前工程で塗布した半導体溶液17a上に配置する。なお、このとき、塗布した半導体溶液17aを基板11上からこぼさない程度に配置したパターニング基板18を基板11方向に押し当てながら配置することが好ましい。そうすることで、半導体溶液17aの自発的な凝集をより促すことができる。
その後、第1実施形態と同様の焼成工程を行い有機溶媒を蒸発させることで、図3Bに示すように、活性領域となる領域に塗布型半導体層27を形成することができ、活性領域と非活性領域とにパターニングすることができる。また、本実施形態のように、半導体溶液17a上に大きな疎水性を有するパターニング用基板18を配置することにより、より効率的に半導体溶液17aを自発的に凝集させることができるとともに、半導体溶液17aを基板11の表面全体に均一な厚みに引き延ばし薄膜化させることができる。
First, as shown in FIG. 3A, the hydrophobic region 16 formed by fluorination treatment has a semiconductor solution 17a similar to that in the first embodiment and before the firing step in the first embodiment. A patterning substrate 18 having hydrophobicity equal to or higher than hydrophobicity is disposed on the semiconductor solution 17a applied in the previous step. At this time, it is preferable that the patterning substrate 18 disposed so as not to spill the applied semiconductor solution 17a from above the substrate 11 is disposed while being pressed toward the substrate 11. By doing so, spontaneous aggregation of the semiconductor solution 17a can be further promoted.
After that, by performing the same baking process as in the first embodiment and evaporating the organic solvent, the coated semiconductor layer 27 can be formed in the region that becomes the active region, as shown in FIG. It can be patterned into the active region. Further, by disposing the patterning substrate 18 having a large hydrophobicity on the semiconductor solution 17a as in the present embodiment, the semiconductor solution 17a can be spontaneously aggregated more efficiently and the semiconductor solution 17a. Can be stretched to a uniform thickness over the entire surface of the substrate 11 to form a thin film.

パターニング用基板18としては、疎水性領域が有する疎水性以上の疎水性を備えた材料であれば特に限定することなく用いることができるが、半導体溶液17aを半導体層の形成領域へより効率的に自発的に凝集させる観点から、平坦性の高いプラスチック基板、ガラス基板、シリコン基板を用いることが好ましい。   The patterning substrate 18 can be used without particular limitation as long as it is a material having a hydrophobicity equal to or higher than that of the hydrophobic region, but the semiconductor solution 17a is more efficiently applied to the formation region of the semiconductor layer. From the viewpoint of spontaneous aggregation, it is preferable to use a plastic substrate, a glass substrate, or a silicon substrate with high flatness.

パターニング用基板18の表面は、フッ素樹脂によりコーティングされていることが好ましい。半導体溶液17aの自発的な凝集を促すには、半導体溶液17a上に配置するパターニング基板18の表面の疎水性を大きくすることが効果的である。そのため、パターニング基板11の半導体溶液17a側の表面をフッ素樹脂によってコーティングすることが好ましい。コーティング材料としてはフッ素ポリマー樹脂(例えばCytop、テフロン(登録商標)など)やポリスチレンなどの撥水性の高い高分子材料を用いたフィルム或いはこれらをコーティングした基板、または、疎水基を有する自己組織化単分子が好ましい。
また、パターニング基板18の疎水性を大きくして半導体溶液17aの自発的な凝集を促すという観点から、パターニング用基板18の水接触角が105°以上であることが好ましい。
The surface of the patterning substrate 18 is preferably coated with a fluororesin. In order to promote spontaneous aggregation of the semiconductor solution 17a, it is effective to increase the hydrophobicity of the surface of the patterning substrate 18 disposed on the semiconductor solution 17a. Therefore, it is preferable to coat the surface of the patterning substrate 11 on the semiconductor solution 17a side with a fluororesin. Coating materials include fluoropolymer resins (for example, Cytop, Teflon (registered trademark), etc.), films using a polymer material with high water repellency such as polystyrene, a substrate coated with these, or a self-assembled single layer having a hydrophobic group. Molecules are preferred.
Further, from the viewpoint of increasing the hydrophobicity of the patterning substrate 18 to promote spontaneous aggregation of the semiconductor solution 17a, the water contact angle of the patterning substrate 18 is preferably 105 ° or more.

また、図3C、Dに示すように、上記パターニング基板18を半導体溶液17a上に配置した後、半導体溶液17aを塗布した基板11を、例えば、焼成手段であり加熱されたホットプレート上に設置するとともに、パターニング基板18を水平方向(図中の矢印方向)に一定の速度でスライドさせることが好ましい。
このように、パターニング基板18を水平方向にスライドさせながら焼成工程を行うことにより、パターニング基板18のスライド移動によって半導体溶液17aの表面が徐々に露出するため、露出された半導体溶液17a表面から順に焼成されて結晶化するとともに、結晶化した半導体溶液17aを半導体層27´の形成領域へ凝集させて塗布型半導体層27´を形成することができる。
3C and 3D, after the patterning substrate 18 is placed on the semiconductor solution 17a, the substrate 11 on which the semiconductor solution 17a is applied is placed on, for example, a baking hot plate that is a baking means. At the same time, it is preferable to slide the patterning substrate 18 in the horizontal direction (in the direction of the arrow in the figure) at a constant speed.
In this way, by performing the baking process while sliding the patterning substrate 18 in the horizontal direction, the surface of the semiconductor solution 17a is gradually exposed by the sliding movement of the patterning substrate 18, and thus the baking is performed sequentially from the exposed surface of the semiconductor solution 17a. In addition, the coated semiconductor layer 27 ′ can be formed by crystallization and agglomerating the crystallized semiconductor solution 17 a into the formation region of the semiconductor layer 27 ′.

また、パターニング基板18をスライドさせる速度を100mm/秒以下とすることが好ましい。パターニング基板18をスライドさせる速度(移動速度)を遅くすることにより、半導体溶液17aの表面をゆっくりと徐々に露出させることができるため、焼成による結晶化をはかりながら半導体層27´の形成領域へ凝集させることができる。そのため、パターニング基板18の移動速度を100mm/秒以下とすることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the speed | rate which slides the patterning board | substrate 18 shall be 100 mm / sec or less. Since the surface of the semiconductor solution 17a can be slowly and gradually exposed by slowing down the speed (moving speed) at which the patterning substrate 18 is slid, it is agglomerated in the formation region of the semiconductor layer 27 'while measuring the crystallization by firing. Can be made. Therefore, the moving speed of the patterning substrate 18 is preferably set to 100 mm / second or less.

以上説明した本実施形態に係る薄膜トランジスタ20、20´の製造方法によれば、半導体溶液17aを塗布した後に、半導体溶液17a上に、大きな疎水性を備えたパターニング用基板18を配置し、より自発的に半導体溶液17aを半導体層27、27´の形成領域へ凝集させることができる。また、当該パターニング用基板18をスライドさせながら焼結工程を行うことにより、露出された半導体溶液17aの表面から徐々に結晶化させつつ、半導体層27´の形成領域へ凝集させることができ、結晶性及び微細領域のパターニング性に優れた半導体層27´をパターニングすることができる。その結果、移動度の高い微細な薄膜トランジスタ素子20、20´の製造が可能となり、トランジスタの素子特性を向上させることができる。   According to the manufacturing method of the thin film transistors 20 and 20 ′ according to the present embodiment described above, after applying the semiconductor solution 17 a, the patterning substrate 18 having a large hydrophobicity is disposed on the semiconductor solution 17 a, and more spontaneously. In particular, the semiconductor solution 17a can be aggregated into the formation region of the semiconductor layers 27 and 27 ′. Further, by performing the sintering process while sliding the patterning substrate 18, the patterning substrate 18 can be agglomerated to the formation region of the semiconductor layer 27 ′ while gradually crystallizing from the exposed surface of the semiconductor solution 17 a. The semiconductor layer 27 ′ having excellent properties and patterning properties for fine regions can be patterned. As a result, fine thin film transistor elements 20 and 20 'having high mobility can be manufactured, and the element characteristics of the transistor can be improved.

「第3実施形態」
次に、第3実施形態に係る薄膜トランジスタ素子の製造方法について図4A〜図4Cを参照しながら説明する。図4A〜図4Cは、本実施形態である薄膜トランジスタ素子30の断面模式図であるが、この薄膜トランジスタ素子30の特徴部分を見易くするために、一部の構成を省略して示している。なお、図4A〜図4Cは第1実施形態と同様のボトムゲート・ボトムコンタクト型のトランジスタ素子であり、第1実施形態で示した部材と同一の部材については同一の符号を付して示している。
本実施形態に係る薄膜トランジスタ素子30の製造方法は、上記第1実施形態における半導体溶液の塗布する工程までは同様であるため、それ以降の工程について詳細に説明することとする。
“Third Embodiment”
Next, a method for manufacturing a thin film transistor element according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 4A to 4C. 4A to 4C are schematic cross-sectional views of the thin film transistor element 30 according to the present embodiment. In order to make the characteristic portions of the thin film transistor element 30 easier to see, a part of the configuration is omitted. 4A to 4C are bottom gate / bottom contact type transistor elements similar to those in the first embodiment. The same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. Yes.
Since the manufacturing method of the thin film transistor element 30 according to the present embodiment is the same up to the step of applying the semiconductor solution in the first embodiment, the subsequent steps will be described in detail.

まず、図4Aに示すように、第1実施形態と同様に、絶縁膜13上に疎水性領域16を形成した後、図4Bに示すように、半導体溶液17aを塗布する。
次に、図4Cに示すように、半導体溶液17aを加熱・焼成する前に、基板11を水平方向に対して傾斜させることにより、半導体溶液17aを半導体層37の形成領域(疎水性領域16以外の領域)に凝集させるとともに半導体溶液17aに傾斜を持たせる。
次に、基板11を傾斜された状態で基板11を加熱、焼成する。これにより、空気に触れた半導体溶液17aの表面から有機溶剤が蒸発し始め、半導体溶液17aの傾斜方向に沿った方位に結晶が析出する。
つまり、図4Cに示すように、基板11を接地面Gに対し、傾斜角度がθとなるよう傾斜させ、半導体溶液17aを半導体層37の形成領域に凝集させるとともに半導体溶液17aに角度θの傾斜を持たせる。そしてこの状態で、凝集させた半導体溶液17aを焼成することにより、傾斜角度θを備えた結晶化した半導体層37を得ることができる。
First, as shown in FIG. 4A, after forming the hydrophobic region 16 on the insulating film 13 as in the first embodiment, the semiconductor solution 17a is applied as shown in FIG. 4B.
Next, as shown in FIG. 4C, before the semiconductor solution 17a is heated and baked, the substrate 11 is tilted with respect to the horizontal direction so that the semiconductor solution 17a is formed in the region where the semiconductor layer 37 is formed (other than the hydrophobic region 16). The semiconductor solution 17a is inclined.
Next, the substrate 11 is heated and baked with the substrate 11 tilted. As a result, the organic solvent begins to evaporate from the surface of the semiconductor solution 17a exposed to air, and crystals are deposited in an orientation along the tilt direction of the semiconductor solution 17a.
That is, as shown in FIG. 4C, the substrate 11 is inclined with respect to the ground plane G so that the inclination angle is θ, the semiconductor solution 17a is aggregated in the formation region of the semiconductor layer 37, and the semiconductor solution 17a is inclined at an angle θ. To have. In this state, the agglomerated semiconductor solution 17a is baked to obtain a crystallized semiconductor layer 37 having an inclination angle θ.

傾斜角度θは半導体溶液17aが基板11から零れ落ちない程度に調整するのがよい。また、半導体溶液17aの傾斜角度θを調整することで結晶化後の半導体層37の結晶方位を制御できるため、基板11を傾斜させる際には、所望の結晶方位となるよう傾斜角度θを調整することが望ましい。
また、基板11を傾斜させる工程と焼成工程を同時に行うこともできる。傾斜させる工程と焼成工程を同時に行うことにより、半導体溶液17aが基板11の傾斜方向に沿って流動していくと同時に、この流動方向と同一方向に半導体溶液17aの結晶化が進むこととなる。なお、基板11を傾斜させる工程と焼成工程を同時に行う際は、半導体溶液17aが非形成領域16で焼成されないよう、焼成温度を、用いる半導体材料の沸点の1/2以下とすることが好ましい。
The inclination angle θ is preferably adjusted so that the semiconductor solution 17a does not fall from the substrate 11. In addition, since the crystal orientation of the semiconductor layer 37 after crystallization can be controlled by adjusting the tilt angle θ of the semiconductor solution 17a, the tilt angle θ is adjusted so that the desired crystal orientation is obtained when the substrate 11 is tilted. It is desirable to do.
Further, the step of tilting the substrate 11 and the baking step can be performed simultaneously. By simultaneously performing the tilting step and the baking step, the semiconductor solution 17a flows along the tilt direction of the substrate 11, and at the same time, the crystallization of the semiconductor solution 17a proceeds in the same direction as the flow direction. When performing the step of inclining the substrate 11 and the baking step at the same time, it is preferable that the baking temperature is ½ or less of the boiling point of the semiconductor material used so that the semiconductor solution 17a is not baked in the non-forming region 16.

以上説明した本実施形態に係る薄膜トランジスタの製造方法によれば、半導体溶液17aを塗布した後に、基板11を傾斜させ半導体溶液17aを半導体層37の形成領域に凝集させた上で焼成するため、半導体溶液17aに傾斜を持たせるとともに、焼成により結晶化させた半導体層37の結晶方位を基板11の傾斜角度θによって制御することができる。   According to the method of manufacturing a thin film transistor according to the present embodiment described above, the semiconductor solution 17a is applied, and then the substrate 11 is tilted so that the semiconductor solution 17a is aggregated in the formation region of the semiconductor layer 37 and fired. The solution 17 a can be inclined, and the crystal orientation of the semiconductor layer 37 crystallized by firing can be controlled by the inclination angle θ of the substrate 11.

「第4実施形態」
次に、第4実施形態に係る薄膜トランジスタ素子40の製造方法について説明する。なお、本実施形態についても、第1実施形態と同様のボトムゲート・ボトムコンタクト型の薄膜トランジスタ素子について説明することとし、第1実施形態で示した部材と同一の部材については同一の符号を付して説明する。
ここで、半導体層の結晶方位を制御する方法として上記第3実施形態では基板11を傾斜させる手法について説明したが、本実施形態では、半導体溶液17aを塗布した後に、基板11の側面方向から気体を吹き付ける方法を採用する。
“Fourth Embodiment”
Next, a method for manufacturing the thin film transistor element 40 according to the fourth embodiment will be described. In this embodiment, the same bottom gate / bottom contact type thin film transistor element as in the first embodiment will be described, and the same members as those shown in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. I will explain.
Here, as a method for controlling the crystal orientation of the semiconductor layer, the method of inclining the substrate 11 has been described in the third embodiment. However, in this embodiment, after applying the semiconductor solution 17a, the gas is introduced from the side surface direction of the substrate 11. Adopt the method of spraying.

まず、第1実施形態と同様の半導体溶液17aを塗布した後、半導体溶液17aを焼成する前に基板11の側面方向から気体を吹き付けて、半導体溶液17aを半導体層47の形成領域(疎水性領域16以外の領域)に凝集させ、凝集させた半導体溶液17aに傾斜を持たせる。
つまり、半導体溶液17aを塗布した後に基板11の側面方向から気体を吹き付けることにより、基板11上の半導体溶液を半導体層の形成領域に凝集させるとともに、気体の風圧によって半導体溶液に傾斜した分布を持たせる。この状態で基板11を加熱、焼成すると、半導体溶液17aの傾斜方向に沿った方位に結晶が析出し、基板11に対して傾斜した半導体層37を得ることができる。
なお、吹き付ける気体は特に限定せず、空気や不活性ガス等を例示できる。また、吹き付ける際の流量等の条件は半導体溶液17aが基板11から零れ落ちない程度に適宜調整してよい。
First, after applying the same semiconductor solution 17a as in the first embodiment, before firing the semiconductor solution 17a, a gas is blown from the side surface direction of the substrate 11, so that the semiconductor solution 17a is formed in the formation region (hydrophobic region) of the semiconductor layer 47. In other words, the semiconductor solution 17a is made to have an inclination.
That is, by applying a gas from the side surface direction of the substrate 11 after applying the semiconductor solution 17a, the semiconductor solution on the substrate 11 is aggregated in the formation region of the semiconductor layer and has a distribution inclined to the semiconductor solution by the gas wind pressure. Make it. When the substrate 11 is heated and baked in this state, crystals are deposited in an orientation along the tilt direction of the semiconductor solution 17a, and the semiconductor layer 37 tilted with respect to the substrate 11 can be obtained.
In addition, the gas to spray is not specifically limited, Air, an inert gas, etc. can be illustrated. In addition, conditions such as a flow rate when spraying may be adjusted as appropriate so that the semiconductor solution 17a does not fall down from the substrate 11.

以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。   Hereinafter, the effects of the present invention will be made clearer by examples. In addition, this invention is not limited to a following example, In the range which does not change the summary, it can change suitably and can implement.

(実施例)
まず、プラスチック基板上にモリブデンからなるゲート電極52をスパッタ法により成膜した。ゲート電極52の膜厚は50nmとした。
次に、シクロオレフィンポリマー(COP;日本ゼオン社製)からなる絶縁膜をスピンコート法により200nmの厚みとなるよう成膜した。当該絶縁膜の表面の水接触角を測定したところ70°であった。
次に、絶縁膜上に、金からなるソース電極54と、金からなるドレイン電極55を蒸着・フォトリソグラフィーを用いて形成した。
(Example)
First, a gate electrode 52 made of molybdenum was formed on a plastic substrate by sputtering. The film thickness of the gate electrode 52 was 50 nm.
Next, an insulating film made of cycloolefin polymer (COP; manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) was formed to a thickness of 200 nm by spin coating. The water contact angle on the surface of the insulating film was measured and found to be 70 °.
Next, a source electrode 54 made of gold and a drain electrode 55 made of gold were formed on the insulating film by vapor deposition / photolithography.

次に、ソース電極54及びドレイン電極55を作製した基板上に、薄膜トランジスタのチャネル領域(活性領域)となる塗布型半導体層の形成領域のみをカバーする形でポジレジスト膜をパターン形成した。
次に、フッ素化処理として含フッ素ガスを用いたプラズマ処理を施し、ポジレジスト膜により覆われていない露出された絶縁膜の表面をフッ素化し疎水性領域を形成した。本実施例ではCFガスを用い、出力を25W〜100Wの低出力範囲、処理時間を10秒〜30秒の範囲でプラズマ処理した。得られた疎水性領域の表面の水接触角を測定したところ98°〜100°であった。また、フッ素化処理によって形成された疎水性領域のエッチング溝の深さを測定したところ2nm以下であった。
その後、ポジレジスト膜を有機溶剤を用いて剥離した。
Next, a positive resist film was patterned on the substrate on which the source electrode 54 and the drain electrode 55 were formed so as to cover only the formation region of the coating-type semiconductor layer to be the channel region (active region) of the thin film transistor.
Next, plasma treatment using a fluorine-containing gas was performed as a fluorination treatment, and the exposed insulating film surface not covered with the positive resist film was fluorinated to form a hydrophobic region. In this example, CF 4 gas was used, and plasma treatment was performed in a low output range of 25 W to 100 W and a processing time in the range of 10 seconds to 30 seconds. The water contact angle on the surface of the obtained hydrophobic region was measured and found to be 98 ° to 100 °. Moreover, when the depth of the etching groove | channel of the hydrophobic area | region formed by the fluorination process was measured, it was 2 nm or less.
Thereafter, the positive resist film was peeled off using an organic solvent.

次に、以下に説明するパターニング方法によって塗布型半導体層57を形成した。
まず、上記フッ素化処理により表面の塗れ性・疎水性が制御された絶縁膜上に、半導体溶液を塗布する。半導体溶液としては、(低分子有機半導体層)を、濃度が2重量%となるよう有機溶媒に溶解させたものを用いた。半導体溶液の塗布量は20〜30μlとした。
次に、絶縁膜上に塗布した半導体溶液上に、フッ素ポリマー(Cytоp)を表面コーティングした超疎水性(水接触角110°)のプラスチック基板(パターニング用基板)を基板方向に押し当てるように配置し、半導体溶液を基板表面全体に行き渡るよう引き延ばした。さらに、この状態で、基板を加熱されたホットプレート上に設置するとともに、半導体溶液上に配置したパターニング用基板を10mm/秒の等速度でスライドさせた。これにより、半導体溶液の表面が徐々に露出し、露出された表面から順に焼成されて結晶化するとともに、結晶化した半導体溶液を半導体層の形成領域へ凝集させ、塗布型半導体層57を形成することができた。
Next, the coating type semiconductor layer 57 was formed by the patterning method described below.
First, a semiconductor solution is applied on the insulating film whose surface wettability and hydrophobicity are controlled by the fluorination treatment. As the semiconductor solution, a solution obtained by dissolving (low molecular organic semiconductor layer) in an organic solvent so as to have a concentration of 2% by weight was used. The coating amount of the semiconductor solution was 20-30 μl.
Next, a superhydrophobic (water contact angle 110 °) plastic substrate (patterning substrate) coated with a fluoropolymer (Cytop) on the surface of the semiconductor solution applied on the insulating film is pressed against the substrate. Then, the semiconductor solution was stretched over the entire substrate surface. Further, in this state, the substrate was placed on a heated hot plate, and the patterning substrate placed on the semiconductor solution was slid at a constant speed of 10 mm / second. As a result, the surface of the semiconductor solution is gradually exposed and fired and crystallized in order from the exposed surface, and the crystallized semiconductor solution is aggregated into the formation region of the semiconductor layer to form the coating type semiconductor layer 57. I was able to.

以上説明したパターニング方法を用いて作製した塗布型半導体層57を備えた薄膜トランジスタ素子の光学顕微鏡写真を図5に示す。図5に示す通り、所定の微細な領域に半導体層をパターニングおよび結晶化させることができた。
また、本実施例に係る薄膜トランジスタ素子の電気特性(ドレイン電流(Id)―ゲート電圧(Vg)特性)のグラフを図6に示す。なお、図6中の「1.E−x」は、1.0×10−xを意味する。また、図6中の横軸はゲート電圧Vg(V)、縦軸はドレイン電流Id(A)である。
本実施例では、半導体層を微細にパターニングできるため、1.0pA(1.0×10−12A)以下の低いオフ電流と高いオン・オフ比を実現することができた。
An optical micrograph of a thin film transistor element provided with the coating type semiconductor layer 57 manufactured using the patterning method described above is shown in FIG. As shown in FIG. 5, the semiconductor layer could be patterned and crystallized in a predetermined fine region.
FIG. 6 shows a graph of electrical characteristics (drain current (Id) -gate voltage (Vg) characteristics) of the thin film transistor element according to this example. Note that “1.E-x” in FIG. 6 means 1.0 × 10 −x . Further, the horizontal axis in FIG. 6 is the gate voltage Vg (V), and the vertical axis is the drain current Id (A).
In this example, since the semiconductor layer can be finely patterned, a low off current of 1.0 pA (1.0 × 10 −12 A) or less and a high on / off ratio can be realized.

10,20,20´,30,40・・・薄膜トランジスタ素子
11・・・基板
12,52・・・ゲート電極
13・・・絶縁膜
14,54・・ソース電極
15,55・・・ドレイン電極
16・・・疎水性領域
17,27,27´,37,47,57・・・塗布型半導体層(半導体層)
17a・・・半導体溶液
18・・・パターニング用基板
θ・・・傾斜角度
G・・・接地面
10, 20, 20 ', 30, 40 ... Thin film transistor element 11 ... Substrate 12, 52 ... Gate electrode 13 ... Insulating film 14, 54 ... Source electrode 15, 55 ... Drain electrode 16 ... Hydrophobic region 17, 27, 27 ', 37, 47, 57 ... Coating type semiconductor layer (semiconductor layer)
17a: Semiconductor solution 18: Patterning substrate θ: Inclination angle G: Ground plane

Claims (14)

基板上に作製される薄膜トランジスタの製造方法であって、
絶縁膜上に活性領域となる塗布型半導体層を形成する際において、
水接触角が60°〜80°である前記絶縁膜にフッ素化処理を施すことにより水接触角が80°〜110°である疎水性領域を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、半導体材料を有機溶媒に溶解させた半導体溶液を塗布し、その後焼成することで、自己組織的に活性領域と非活性領域とをパターニングする工程と、
をこの順に備え、
前記絶縁膜及び前記疎水性領域それぞれの水接触角の差を20°〜30°の範囲内とすることを特徴とする薄膜トランジスタ素子の製造方法。
A method of manufacturing a thin film transistor manufactured on a substrate,
When forming a coating type semiconductor layer to be an active region on an insulating film,
Forming a hydrophobic region having a water contact angle of 80 ° to 110 ° by subjecting the insulating film having a water contact angle of 60 ° to 80 ° to fluorination treatment;
Applying a semiconductor solution in which a semiconductor material is dissolved in an organic solvent on the insulating film, followed by baking to pattern the active region and the inactive region in a self-organized manner;
In this order,
A method of manufacturing a thin film transistor element, characterized in that a difference in water contact angle between the insulating film and the hydrophobic region is in a range of 20 ° to 30 °.
前記絶縁膜が、シクロオレフィンポリマーまたはシクロオレフィン誘導体であ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素子の製造方法。   2. The method of manufacturing a thin film transistor element according to claim 1, wherein the insulating film is a cycloolefin polymer or a cycloolefin derivative. 前記半導体材料が、有機半導体または無機酸化物半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素子の製造方法。   The method of manufacturing a thin film transistor element according to claim 1, wherein the semiconductor material is an organic semiconductor or an inorganic oxide semiconductor. 前記半導体溶液に対する前記半導体材料の濃度が、2重量%以下であることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法。   4. The method of manufacturing a thin film transistor element according to claim 1, wherein a concentration of the semiconductor material with respect to the semiconductor solution is 2% by weight or less. 前記フッ素化処理が、含フッ素ガスを用いたプラズマ処理であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法。   The method for producing a thin film transistor element according to any one of claims 1 to 4, wherein the fluorination treatment is a plasma treatment using a fluorine-containing gas. 前記フッ素化処理によるエッチング深さを2nm以下に制限することを特徴とする請求項1〜5の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法。   6. The method for manufacturing a thin film transistor element according to claim 1, wherein an etching depth by the fluorination treatment is limited to 2 nm or less. 前記焼成の温度が、前記半導体材料の沸点の1/2以下であることを特徴とする請求項1〜6の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法。   The method for producing a thin film transistor element according to any one of claims 1 to 6, wherein a temperature of the baking is ½ or less of a boiling point of the semiconductor material. 前記絶縁膜上に塗布した前記半導体溶液を焼成する前に、前記疎水性領域が有する疎水性以上の疎水性を備えたパターニング用基板を、前記半導体溶液上に配置することにより、前記半導体溶液を前記基板の表面全体に均一な厚みに引き延ばし薄膜化させることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法。   Before baking the semiconductor solution applied on the insulating film, a patterning substrate having a hydrophobicity equal to or higher than the hydrophobic property of the hydrophobic region is disposed on the semiconductor solution. The method of manufacturing a thin film transistor element according to claim 1, wherein the thin film is stretched to a uniform thickness over the entire surface of the substrate. 前記パターニング用基板の表面がフッ素樹脂によりコーティングされ、かつ前記パターニング用基板の水接触角が105°以上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素子の製造方法。   9. The method of manufacturing a thin film transistor element according to claim 8, wherein a surface of the patterning substrate is coated with a fluororesin, and a water contact angle of the patterning substrate is 105 ° or more. 前記パターニング基板を前記半導体溶液上に配置した後、前記半導体溶液を塗布した前記基板を前記焼成を行う装置に設置するとともに、前記パターニング基板を水平方向にスライドさせることを特徴とする請求項8または9に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法。   9. The method according to claim 8, wherein after the patterning substrate is disposed on the semiconductor solution, the substrate coated with the semiconductor solution is placed in the baking apparatus and the patterning substrate is slid in the horizontal direction. A method for producing the thin film transistor element according to claim 9. 前記パターニング基板をスライドさせる速度を100mm/秒以下とすることを特徴とする請求項8〜10の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法。   The method for manufacturing a thin film transistor element according to any one of claims 8 to 10, wherein a speed at which the patterning substrate is slid is set to 100 mm / second or less. 前記絶縁膜上に塗布した前記半導体溶液を焼成する前に、前記基板を水平方向に対して傾斜させて前記半導体溶液を前記疎水性領域以外の領域に凝集させ、凝集させた前記半導体溶液に傾斜を持たせることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法。   Before firing the semiconductor solution coated on the insulating film, the substrate is tilted with respect to the horizontal direction so that the semiconductor solution is aggregated in a region other than the hydrophobic region, and the aggregated semiconductor solution is tilted. The method for producing a thin film transistor element according to claim 1, wherein: 前記絶縁膜上に塗布した前記半導体溶液を焼成する前に、前記基板の側面から気体を吹き付けて前記半導体溶液を前記疎水性領域以外の領域に凝集させ、凝集させた前記半導体溶液に傾斜を持たせることを特徴とする請求項1〜7の何れか一項に記載の薄膜トランジスタ素子の製造方法。   Before firing the semiconductor solution applied on the insulating film, gas is blown from the side surface of the substrate to aggregate the semiconductor solution in a region other than the hydrophobic region, and the aggregated semiconductor solution has an inclination. The method for manufacturing a thin film transistor element according to claim 1, wherein: 絶縁膜上に塗布型半導体層をパターニングする方法であって、
水接触角が60°〜80°である前記絶縁膜にフッ素化処理を施すことにより水接触角が80°〜110°である疎水性領域を形成する工程と、
前記絶縁膜上に、半導体材料を有機溶媒に溶解させた半導体溶液を塗布し、その後焼成することで、自己組織的に前記塗布型半導体層をパターニングする工程と、
をこの順に備え、
前記絶縁膜と前記疎水性領域との水接触角の差を20°〜30°の範囲内とすることを特徴とする塗布型半導体層のパターニング方法。
A method of patterning a coated semiconductor layer on an insulating film,
Forming a hydrophobic region having a water contact angle of 80 ° to 110 ° by subjecting the insulating film having a water contact angle of 60 ° to 80 ° to fluorination treatment;
A process of patterning the coating-type semiconductor layer in a self-organized manner by applying a semiconductor solution obtained by dissolving a semiconductor material in an organic solvent on the insulating film and then baking the semiconductor solution;
In this order,
The method of patterning a coated semiconductor layer, wherein a difference in water contact angle between the insulating film and the hydrophobic region is in a range of 20 ° to 30 °.
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