JP2014508401A - レーザ光線を利用して超小型電気膜をエッチングするための方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、所定の波長を有するレーザ光線を使用して、第1の材料の膜(14)の区域(16)をエッチングする方法に関する。前記区域(16)は、少なくとも2つの材料(10、12)の表面上に堆積されている。この方法は、第1の材料の膜(14)の上に第3の材料の膜(18)を堆積するステップであって、第1の材料および第3の材料が、レーザ光線の印加時の第1の材料と前記少なくとも2つの第2の材料のそれぞれとの間の化学親和力を上回る化学親和力を、印加時に有している、ステップと、第1の材料の膜(14)の区域(16)の垂直方向に上方の第3の材料の膜(18)の自由表面の区域に対してレーザ光線を印加するステップであって、レーザ光線のフルエンスが、前記区域(16)の分離を引き起こすものである、ステップとから、構成される。
Description
本発明は、超小型電子構成要素製造方法において実施されるようなレーザエッチングの分野に関する。
レーザエッチングは、ある材料の表面に堆積された別の材料の層を除去するための公知の方法である。除去すべき材料層を照射することにより、電磁エネルギーが、その材料層の表面を加熱し、その後、この熱は、これらの2つの材料間の界面まで完全に伝播し、気泡が形成されるまでこの界面に貯蔵される。したがって、除去すべき材料層は、その材料層を支持する材料から分離する。
レーザから受けるフルエンス、照射時間、およびレーザ波長により、換言すれば表面出力、照射時間、およびレーザ波長により特徴づけられる、この分離に必要なエネルギーは、除去すべき材料層の特徴によって、およびこの層が上に堆積される材料の特徴によって決定される。したがって、レーザの特性は、それぞれの具体的なケースに対して適合化しなければならない。
ところで、しばしば、除去すべき材料層が、2つの異なる材料の上に堆積される。例えば、有機トランジスタの製造時には、金から通常作製される金属ドレイン電極および金属ソース電極が、プラスチック基板上に堆積され、その後、数百ナノメートルの厚さを有する有機半導体層が、堆積され、そのアセンブリを覆う。次いで、製造のこの段階において、これらの電極は、露出させることが必要となる。しかし、プラスチック基板上に堆積された半導体層の部分を分離するために選択されるフルエンスおよび照射時間でこの半導体層を照射することにより、金属電極も劣化し、またはプラスチック基板から金属電極が分離されてしまう。
したがって、例えば、ポリエチレンナフタレート(PEN)基板上に堆積された100ナノメートルの半導体層を分離させるためには、70mJ/cm2の最小フルエンスが、245ナノメートルのレーザによる30ナノ秒の照射に必要となる。この場合、かかる照射は、基板上に堆積された金のドレイン電極およびソース電極には適合しない。なぜならば、これらの電極は、フルエンスが55mJ/cm2超になり次第、劣化するからである。したがって、プラスチック基板上に堆積された半導体層の部分と、金属電極上に堆積された半導体層の部分との両方を、有機半導体層全体に対して印加される同一の照射により分離することは、不可能となる。したがって、通常は、この層は、化学処理により除去されるが、この化学処理は、残渣を残すという欠点を有する。
本発明は、第2の材料の上に堆積された第1の材料を分離するために必要なレーザエネルギーを低減させ、とりわけ2つの異なる材料の上に堆積された材料の分離を可能にする、レーザエッチング方法を提供することを目的とする。
この目的のために、本発明は、所定の波長を有するレーザ光線で第1の材料の層の領域をエッチングするための方法であって、前記領域が、少なくとも2つの第2の材料の表面に堆積される、方法において、
− 第1の材料の層の上に第3の材料の層を堆積するステップであって、第1の材料および第3の材料が、レーザ光線の印加時の第1の材料と少なくとも2つの第2の材料のそれぞれとの間の化学親和力を上回る化学親和力を、前記印加時に有する、ステップと、
− 第1の材料の層の領域の垂直方向に上方の第3の材料の層の自由表面の領域に対してレーザ光線を印加するステップであって、前記レーザ光線のフルエンスが、前記領域の分離を引き起こすものである、ステップと
を含む、方法を対象とする。
− 第1の材料の層の上に第3の材料の層を堆積するステップであって、第1の材料および第3の材料が、レーザ光線の印加時の第1の材料と少なくとも2つの第2の材料のそれぞれとの間の化学親和力を上回る化学親和力を、前記印加時に有する、ステップと、
− 第1の材料の層の領域の垂直方向に上方の第3の材料の層の自由表面の領域に対してレーザ光線を印加するステップであって、前記レーザ光線のフルエンスが、前記領域の分離を引き起こすものである、ステップと
を含む、方法を対象とする。
換言すれば、第1の材料の層の第2の材料に対する結合よりもさらに強固に、第1の材料の層に対して結合する層を意図的に堆積することにより、第1の材料の層を分離するために必要な最小エネルギーが、より低くなることが確認された。
先述のように、PEN層上に堆積された100ナノメートルの半導体材料層を直接的に照射することによりこの半導体材料層を分離するためには、248ナノメートルレーザによる30ナノ秒の照射に関して、少なくとも70mJ/cm2のフルエンスを供給することが必要となる。
本発明の一例としては、有機半導体材料層の上に30ナノメートルのフッ化ポリマー層を堆積することにより、必要最小フルエンスは、50mJ/cm2にまで低下する。
一般的には、印加すべき最小エネルギーの低下は、第3の材料と第1の材料との間の結合が、第1の材料と第2の材料との間の結合よりも強固なものになり次第、認められる。
一実施形態によれば、レーザは、エキシマレーザである。
本発明の一実施形態によれば、第3の材料の層の厚さは、1ナノメートル〜1マイクロメートルの範囲である。
本発明の一実施形態によれば、第3の材料の層の性質および厚さは、レーザ光線のフルエンスに応じて、第1の材料の性質に応じて、および分離すべき第1の材料の領域の厚さに応じて、選択される。
本発明の一実施形態によれば、第1の材料は、有機半導体材料であり、第2の材料は、それぞれプラスチック材料および導電性材料である。
特に、有機半導体材料は、フッ化材料であり、導電性材料は、金属または導電性ポリマーであり、第3の材料は、フッ化ポリマーである。
より具体的には、第3の材料は、CYTOP(登録商標)であり、および/または、第1の材料は、TIPSであり、および/または、第3の材料は、第1の材料との間に15kJ.mol−1超の結合エンタルピーを有する。さらに、フッ化ポリマー層の厚さは、実質的に100ナノメートルに等しく、第1の材料の層の厚さは、実質的に100ナノメートルに等しく、導電性材料層の厚さは、実質的に30ナノメートルに等しく、レーザ光線のフルエンスは、50mJ/cm2未満であり、レーザ光線による照射時間は、実質的に30ナノ秒に等しい。
本発明の一実施形態によれば、第3の材料は、第1の材料よりも高い、レーザ光線波長の吸収度を有する。
本発明は、専ら例として提示され添付の図面に関連してなされる以下の説明を分析することにより、より良く理解されよう。
例えばトランジスタ形成の残りの部分についてドレイン電極およびソース電極を露出させることが必要となる有機トランジスタの製造時の場合のように、プラスチック基板上に堆積された金属電極の頂部上におよび周囲に存在する有機半導体材料層を除去するのに有用な、本発明による方法の適用例を説明する。
したがって、図1は、有機トランジスタを製造するための方法の際に得られるスタックを断面図で概略的に示す。このスタックは、例えば金などから作製されたドレイン電極またはソース電極12が上に堆積された、PEN(ポリエチレンナフタレート)から作製された基板10を備え、例えば、このアセンブリは、例えばTIPS(プロピルシリルエチニルペンタセン)などのペンタセン族または例えばTFB(ジオクチルフルオレン−ブチルフェニル−ジフェニルアミン)タイプなどのアモルファスポリマーなどの、有機半導体材料層14で覆われる。したがって、層14は、プラスチック基板10上および金属電極12上の両方に堆積される。製造のこの段階において、層14は、電極12の頂部上および周囲の領域16から除去されることが必要となる。
エキシマUVレーザ光線により半導体材料層14の部分16を除去するために、本発明による方法は、例えばフッ素化された、ポリマー層18を、特に1,000ナノメートル未満の厚さを有する旭硝子株式会社のCYTOP(登録商標)層を、層14の上に堆積することから開始される(図2)。
フッ化ポリマー層18は、UVを、したがってレーザから生じる放射を吸収し、このフッ化ポリマー層18の半導体材料層14に対する結合は、例えば水素結合の場合には15kJ.mol−1超のエネルギーの結合エンタルピーなどの、高い結合エンタルピーを有する化学結合が生じることにより、非常に強固なものとなる。有利には、半導体材料14および/または材料層18は、フッ化ポリマーである。
特に、かかる高い結合エンタルピーにより、電極12および基板10に対する層14の結合よりも、層14に対する層18の結合が、より強固なものとなる。
次いで、この方法は、以下で説明するように、続いて、金電極12およびPEN基板10の両方の上の層14の分離に適したフルエンスにしたがい、および照射時間にしたがい、レーザ光線20で半導体層14の部分16の照射を行う(図3)。マスク21が、例えば、除去すべき部分16に対応する層18の部分を覆わずに、層18の上に堆積され、レーザ光線20は、フルプレート照射を行う。
次いで、入射電磁エネルギーが、金属電極12と半導体材料層14との間の界面22に、および半導体材料層14とプラスチック基板10との間の界面24に貯蔵され、これにより、気泡26、28、30が、界面22および24に形成される(図4)。
気泡26、28、30が臨界サイズに達すると、これらの気泡の上方の半導体材料は分離し、これにより、半導体材料の残渣を残すことなく、金属電極12が露出される(図5)。次いで、マスク21および/または層18が、除去される。
100ナノメートルの厚さを有する半導体材料層14、30ナノメートルの厚さを有する金属電極22、および30ナノ秒のレーザパルスを発生させる245ナノメートルの波長を有するレーザについては、
− 層18の厚さが、1〜50ナノメートルの範囲である場合には、30〜40mJ.cm2の範囲の最小フルエンスが、金属電極12およびプラスチック基板10の両方から半導体層14を分離するために必要となる。金属電極12に対する損傷は、全く見られない。
− 層18の厚さが、50〜100ナノメートルの範囲である場合には、40〜50mJ.cm2の範囲の最小フルエンスが、金属電極12およびプラスチック基板10の両方から半導体層14を分離するために必要となる。この場合にもやはり、金属電極12に対する損傷は、全く見られない。
− 層18の厚さが、100ナノメートル超である場合には、50〜70mJ.cm2の範囲の最小フルエンスが、金属電極12およびプラスチック基板10の両方から半導体層14を分離するために必要となる。55mJ.cm2超のフルエンスの場合には、金属電極12に対する幾分かの損傷が、観測され得る。
− 層18の厚さが、1〜50ナノメートルの範囲である場合には、30〜40mJ.cm2の範囲の最小フルエンスが、金属電極12およびプラスチック基板10の両方から半導体層14を分離するために必要となる。金属電極12に対する損傷は、全く見られない。
− 層18の厚さが、50〜100ナノメートルの範囲である場合には、40〜50mJ.cm2の範囲の最小フルエンスが、金属電極12およびプラスチック基板10の両方から半導体層14を分離するために必要となる。この場合にもやはり、金属電極12に対する損傷は、全く見られない。
− 層18の厚さが、100ナノメートル超である場合には、50〜70mJ.cm2の範囲の最小フルエンスが、金属電極12およびプラスチック基板10の両方から半導体層14を分離するために必要となる。55mJ.cm2超のフルエンスの場合には、金属電極12に対する幾分かの損傷が、観測され得る。
したがって、層18の厚さは、100ナノメートル未満になるように選択され、レーザ光線は、50mJ.cm2未満のフルエンスへと設定される。
このフルエンスの値は、フッ化ポリマー層18が存在しないプラスチック基板10上に堆積された半導体材料層の一部分の除去に必要な最小フルエンスである、70mJ.cm2に相当するものとなるはずである。
したがって、設計者は、金属電極12に損傷を与えない値へとレーザフルエンスを調節するために、層18に関する少なくとも2つのパラメータを、すなわち、
− 層18と半導体層14との間の結合の「強度」を規定する、層18の材料の性質、および
− 層14の分離を補助する振動性の作用強度をやはり上述のようにほぼ確実に調節する、層18の厚さ
を有する点が、認められることになろう。
− 層18と半導体層14との間の結合の「強度」を規定する、層18の材料の性質、および
− 層14の分離を補助する振動性の作用強度をやはり上述のようにほぼ確実に調節する、層18の厚さ
を有する点が、認められることになろう。
同等の結合に対して、最小フルエンスは、層18によるレーザ放射の吸収が上昇するため、低下することが、既に認められている。
好ましくは、層18の材料は、層18の厚さによりフルエンスが調節されることにより、一方においては層18および半導体材料層14の結合と、他方においては層14および層14が上に堆積された他の材料の結合との間において、可能な限り最高の差異が得られるように、半導体材料層に対して可能な限り強固に結合するように選択される。実際に、層14に対する層18の結合がより強固になるほど、層14を分離するために必要な最小フルエンスは、より低下する。したがって、利用可能なフルエンス範囲が、より大きくなる。
一般的には、分離に必要なエネルギーの低下は、より強固に結合する材料層が、1つまたは複数の材料の上に堆積された除去すべき層の上に堆積され次第、観測され得る。
例えば、上述の例は、有機半導体層に関するが、本発明は、例えばSiO2層、TiO2層、またはAl2O3層などの有機絶縁体層に関しても機能する。同様に、本発明は、例えばNi、Cu、または導電性ポリマー(例えばPDOT)から作製された電極などのように、金とは異なる別の導電性材料から形成された電極に関しても機能する。同様に、本発明は、例えばPET(ポリエチレン−テレフタレート)またはKafton(登録商標)(ポリイミドをベースとする)から作製された基板などの、PEN以外の他のタイプのプラスチックから形成された基板に関しても機能する。
上述の実施形態は、2つの材料の上に堆積された層の除去に関するものである点に留意されたい。また、本発明は、例えば単一の材料の上に堆積された層を除去する場合にも適用され、およびプラスチック基板上に堆積された有機半導体材料層の場合に限定されない点を、理解されたい。実際に、適切な層18を形成するということのみによって、分離に必要な最小エネルギーは低下し、これは、例えばレーザ設備および光学素子などに関して有利となり得る。
また、もたらされる異なる結合同士の間の関係は、照射前に確立される必要はない点に留意されたい。かかる関係は、例えば異なる材料間における結合の変更などにより、まさに照射中にその影響下で実現されてもよい。実際に、これらの関係は、分離時に確認されるべきものであり、照射の印加前にこれらの関係が確認されないことは、殆ど重要ではない。
同様に、除去すべき層の上に堆積される層の材料の性質および/またはその厚さは、例えば製造コストおよび製造制約などにより、若干の差異が得られるように選択されてもよい。この場合には、分離に必要な最小エネルギーは、より高くなり、それらの材料の内の一方の劣化が、ほぼ確実にもたらされる。しかし、使用されるエネルギーが、ごく僅かであっても低下するだけでも、かかる劣化は、このように最新技術において見受けられる劣化に比べて最小限に抑えられる。
10 基板
12 電極
14 有機半導体材料層
16 領域、部分
18 材料層
20 レーザ光線
21 マスク
22 界面
24 界面
26 気泡
28 気泡
30 気泡
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Claims (11)
- 所定の波長を有するレーザ光線で第1の材料の層(14)の領域(16)をエッチングするための方法であって、前記領域(16)は、少なくとも2つの第2の材料(10、12)の表面に堆積されている、方法において、
前記第1の材料の前記層(14)の上に第3の材料の層(18)を堆積するステップであって、前記第1の材料および前記第3の材料は、前記レーザ光線の印加時の前記第1の材料と前記少なくとも2つの第2の材料のそれぞれとの間の化学親和力を上回る化学親和力を、前記印加時に有している、ステップと、
第1の材料の前記層(14)の前記領域(16)の垂直方向に上方の第3の材料の前記層(18)の自由表面の領域に対して前記レーザ光線を印加するステップであって、前記レーザ光線のフルエンスが、前記領域(16)の分離を引き起こすものである、ステップと
を含むことを特徴とする、方法。 - 前記レーザは、エキシマレーザであることを特徴とする、請求項1に記載のレーザ光線でエッチングするための方法。
- 第3の材料の前記層(18)の厚さが、1ナノメートル〜1マイクロメートルの範囲であることを特徴とする、請求項1または2に記載のレーザ光線でエッチングするための方法。
- 第3の材料の前記層(18)の性質および前記厚さが、前記レーザ光線の前記フルエンスに応じて、前記第1の材料の性質に応じて、および分離すべき前記第1の材料の前記領域(16)の厚さに応じて、選択されることを特徴とする、請求項1、2、または3に記載のレーザ光線でエッチングするための方法。
- 前記第1の材料は、有機半導体材料であり、前記第2の材料は、それぞれプラスチック材料および導電性材料であることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載のレーザ光線でエッチングするための方法。
- 前記有機半導体材料は、フッ化材料であり、前記導電性材料は、金属または導電性ポリマーであり、前記第3の材料は、フッ化ポリマーであることを特徴とする、請求項5に記載のレーザ光線でエッチングするための方法。
- 前記導電性材料は、金またはPDOTであることを特徴とする、請求項5または6に記載のレーザ光線でエッチングするための方法。
- 前記第3の材料は、CYTOP(登録商標)であり、および/または、前記第1の材料は、TIPSであることを特徴とする、請求項5、6、または7に記載のレーザ光線でエッチングするための方法。
- 前記第3の材料は、前記レーザ光線の印加時に前記第1の材料との間に15kJ.mol−1超の結合エンタルピーを有することを特徴とする、請求項5から8のいずれか一項に記載のレーザ光線でエッチングするための方法。
- 前記フッ化ポリマー層(18)の前記厚さは、実質的に100ナノメートルに等しく、
第1の材料の前記層(14)の厚さが、実質的に100ナノメートルに等しく、
前記導電性材料層の厚さが、実質的に30ナノメートルに等しく、
前記レーザ光線の前記フルエンスは、50mJ/cm2未満であり、
前記レーザ光線による照射時間が、実質的に30ナノ秒に等しい
ことを特徴とする、請求項8および9に記載のレーザ光線でエッチングするための方法。 - 前記第3の材料は、前記第1の材料よりも高い、前記レーザ光線の波長の吸収度を有することを特徴とする、請求項1から10のいずれか一項に記載のレーザ光線でエッチングするための方法。
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