JP2021027270A - センサ装置およびセンサ装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】湾曲に対して安定し、フレキシブル性に優れた薄膜トランジスタを用いたセンサ装置およびセンサ装置の製造方法を提供する。【解決手段】基板上にゲート電極と、ゲート絶縁膜層とソース電極およびドレイン電極と、有機半導体層からなる薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタと、有機圧電フィルムとの間に、前記有機半導体層を覆う層間絶縁膜および、上部電極を設け、前記有機圧電フィルム上に共通電極を設けたことを特徴とするセンサ装置。【選択図】図１

Description

本発明は、センサ装置およびセンサ装置の製造方法に関する。

現在半導体材料の主流はシリコン系（Ｓｉ系）である。シリコン系材料を用いて半導体層を形成する方法としては、シリコンをスパッタやＣＶＤ等のドライ法で成膜した後、フォトリソグラフィ法を用いてパターニングする方法が一般的である。

しかし、Ｓｉ系材料は特に製造時における製造設備も大掛かりとなり、製造コストが高くなってしまう。また、半導体材料として使用されるＳｉ系材料は単結晶のものなどが多く、柔軟性が要求されていない材料であるため、フレキシブル化には十分に対応していない。
そこで、低コスト化、フレキシブル化などの観点から、有機半導体を用いたトランジスタが注目されている。

有機半導体を用いる場合、ウェット法である印刷プロセスが可能となる。この印刷技術を用いることで、シリコン系材料を用いて半導体層を形成する方法として用いていたフォトリソグラフィ法よりも装置や製造上のコストを低減することができる。
また、真空や高温を必要としないことから、プラスチック基材等の柔軟性に優れた材料を利用できるなどのメリットが挙げられるため、フレキシブル化にも対応したものとなる。

この有機半導体の応用分野は広く、特に有機半導体を用いたセンサとしては、有機圧電層を用いたセンサなどが知られているが、これらは柔軟性に富み、フレキシブルな大面積圧力センサへの応用が期待される。
そして、そのような例としては、特許文献１のようなものが記載されている。
特許文献１は、トランジスタと有機圧電層が積層された構造を持つ圧力センサである。トランジスタと有機圧電層が密着していることで、圧力センサとして機能している。

特開２０１７−２１９３３６公報

しかし、特許文献１に示すように、トランジスタと有機圧電層を積層した構造を持つ圧力センサは、有機圧電層と有機半導体層の密着度を高めるための構造的な配慮はなされていない。

そこで、本発明はこのような問題に鑑みてなされたもので、湾曲に対しても、有機圧電層と前記有機圧電層を挟む上下の層とが密着することで、フレキシブル性に優れたセンサ装置およびセンサ装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、代表的な本発明のセンサ装置およびセンサ装置の製造方法の１つは、基板上にゲート電極と、ゲート絶縁膜層とソース電極およびドレイン電極と、有機半導体層からなる薄膜トランジスタと、前記薄膜トランジスタと、有機圧電フィルムとの間に、前記有機半導体層を覆う層間絶縁膜および、上部電極を設け、前記有機圧電フィルム上に共通電極を設けたことを特徴とするセンサ装置である。

本発明によれば、湾曲に対し密着性を高めた薄膜トランジスタの構成であるセンサ装置およびセンサ装置の製造方法を提供することができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施をするための形態における説明により明らかにされる。

本発明の第１実施形態に係る薄膜トランジスタの断面図。 本発明の第２実施形態に係る薄膜トランジスタの断面図。 本発明の第３実施形態に係る薄膜トランジスタアレイを示す図。 本発明の第２実施形態に係る薄膜トランジスタの形成方法を示す模式図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して示している。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態について、構成例を挙げて説明する。

図１に、本発明の第１実施形態の断面図を示す。薄膜トランジスタ１００は、基板１と、ゲート電極２と、ゲート絶縁膜３と、ソース電極４と、ドレイン電極５と、ソース電極４とドレイン電極５との間に積層された半導体層６からなる。薄膜トランジスタ１００の半導体層６上に形成された層間絶縁膜８と、層間絶縁膜８上に形成された上部電極９、その上層に圧力、変位に対して電圧が発生する有機圧電フィルム１０、共通電極１１を含む。

本発明の実施形態において、基材１に用いる材料は特に限定されるものではないが、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリイミド、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネートなどのフレキシブルなプラスチック材料などがある。

ゲート電極２に用いる材料は特に限定されるものではないが、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ等の金属や、ＩＴＯ等の透明導電膜を使用することができる。形成方法としては、蒸着やスパッタ成膜後にフォトリソグラフィ法で形成してもよいが、印刷法（スクリーン印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、オフセット印刷、反転オフセット印刷等）を用いることができる。印刷法を用いる場合、Ａｇインク、Ｎｉインク、Ｃｕインク等を用いることができる。特に、フレキソ印刷、反転オフセット印刷は、薄膜印刷が可能で平坦性に優れており、ゲート電極２として好適である。

ゲート絶縁膜３の材料は酸化珪素（ＳｉＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化イットリウム（ＹＯｘ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）などの酸化物系絶縁材料や窒化珪素（ＳｉＮｘ）、酸化窒化珪素（ＳｉＯＮ）や、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等のポリアクリレート、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）等の樹脂材料、ポリシルセスキオキサン（ＰＳＱ）のような有機／無機ハイブリッド樹脂を使用することができるが、これらに限定されるものではない。これらは単層または２層以上積層してもよいし、成長方向に向けて組成を傾斜したものでも構わない。

ゲート絶縁膜３の形成方法については、真空蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタ法、レーザーアブレーション法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、ホットワイヤーＣＶＤ法等の真空成膜法や、スピンコート法、ダイコート法、スクリーン印刷法等のウェット成膜法が適宜材料に応じて用いることが出来る。

次に、ゲート絶縁膜３の上にソース電極４およびドレイン電極５とドレイン電極５を形成する。ソース電極４およびドレイン電極５の材料には、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）やその他ＭｏＮｂのようなモリブデン合金などの金属材料や、酸化インジウム（ＩｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）などの導電性金属酸化物材料を用いることができる。銀、金、白金、パラジウムなどの貴金属系の金属は仕事関数が大きく、有機半導体への正孔注入障壁が小さくなり好ましい。

ソース電極４およびドレイン電極５の形成は、導電性材料の前駆体やナノ粒子などを使用するウェット成膜法が好適に用いられる。例えば、インクジェット法、凸版印刷法、平版印刷法、凹版印刷法、スクリーン印刷法などの方法を用いることができる。パターニングは、例えばフォトリソグラフィ法を用いてパターン形成部分をレジストなどにより保護し、エッチングによって不要部分を除去して行うこともでき、印刷法により直接パターニングすることもできるが、これらに限定されるものではない。

次に、ゲート絶縁膜３、ソース電極４およびドレイン電極５上に、ソース電極４とドレイン電極５とを接続するように半導体層６を形成する。半導体層６の材料としては、ペンタセン、テトラセン、フタロシアニン、ペリレン、チオフェン、ベンゾジチオフェン、アントラジチオフェン、およびそれらの誘導体のような低分子系有機半導体材料および、カーボンナノチューブのような炭素化合物、ポリチオフェン、ポリアリルアミン、フルオレンビチオフェン共重合体、およびそれらの誘導体のような高分子系有機半導体材料を用いることができるが、これらに限定されるものではない。

層間絶縁膜８として用いられる材料は特に限定されるものではないが、一般に用いられる材料にはポリビニルフェノール、ポリメタクリル酸メチル、ポリイミド、ポリビニルアルコール、エポキシ樹脂などの有機材料がある。層形成に際しては凸版印刷法、反転オフセット印刷法、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、スプレーコート法、スピンコート法等公知の方法を好適に用いることができるが、フレキシブル化、低コスト化などを考慮すると印刷法で形成することが好ましい。上部電極のプロセスによるトランジスタ特性の劣化を防ぐため、比較的厚膜にする方が望ましい。

上部電極９を形成するための材料は、金属コロイド粒子を分散させた溶液や金属粒子を導電材料として用いた樹脂成分を含むペーストなどがある。
溶液に分散させる金属コロイド粒子としては、白金酸化物、ニッケル酸化物、インジウム錫酸化物などの金属酸化物、あるいは、金コロイド粒子、銀コロイド粒子、ニッケルコロイド粒子を分散させたものがある。ペーストに用いる導電材料の金属粒子としては、金、銀などがある。
さらに、ペーストに含ませる樹脂成分としては、特に限定されないが、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂などの熱可塑性樹脂があり、これらは複数種同時に使用してもよい。

また、上部電極９と接する有機圧電フィルム１０の材料として、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ-ＴｒＦＥ））のような強誘電体材料が用いる場合、このような強誘電体材料は、キュリー温度以上の熱処理で誘電体としての重要な特性である分極という特性を失うことがある。
このため、上部電極９は強誘電体材料のキュリー温度以下で形成可能な材料であることが好ましい。そのような材料としては、低温焼成ができ、かつ低温で導電性の得やすい、材料である、銀粒子を導電材料として用いた樹脂成分を含むペーストである、いわゆる銀ペーストが好ましい。

さらに、上部電極９の材料として銀ペーストを用いれば、上部電極９を銀電極として形成することができ、銀電極は他の電極材料に比較して電気抵抗が極めて低いことから、薄膜トランジスタの特性を良好に保つことができ、優れた圧力センサを得ることができる。

金属コロイド粒子を分散させた溶液や金属粒子を導電材料として用いた樹脂成分を含むペーストを用いた上部電極９の形成方法としては、低コストで実現できる印刷法が適している。このような印刷法には、スクリーン印刷、フレキソ印刷、インクジェット法などがある。この中でも、特にスクリーン印刷は、ペーストの使用可能な粘度範囲が広く、樹脂成分の選択性が広いため好ましい。
なお、本開示（明細書）における「スクリーン印刷」とは、ポリエステルなどの合成繊維、またはステンレスや各種金属繊維で織ったフレームと呼ばれる細かい編み目のメッシュ越しにインキを通過させて対象物へ印刷させる、孔版印刷の一種の印刷方法を意味する。

スクリーン印刷法を用いて上部電極９を形成した場合は、例えば、スパッタ法で形成する場合と比較して、上部電極９と後述する有機圧電フィルム１０との面が上部電極９の材料として用いる樹脂成分によって密着性を向上させ、さらに柔軟性を向上させた構成にすることができる。
さらに、印刷法による場合は、スパッタ装置のような高価な装置を使用することがないため、コストを抑えることができる。
このため、上部電極９と層間絶縁膜８が接する面と、上部電極９と有機圧電フィルム１０が接する面とが、密着した状態で湾曲させても、剥離しにくい構造とすることができる。

図３では、上部電極９は、それぞれ素子ごとに絶縁された状態で独立して形成されている層間絶縁膜８上に形成している。このため、上部電極９は、隣接した素子からの影響を受けにくくなるため、有機圧電フィルムからの出力信号をそれぞれの素子ごとに判別しやすくなる。

上部電極９を形成後に、熱処理を用いて、有機圧電フィルム１０を上部電極９上に接着する。この熱処理による接着は、上部電極９と有機圧電フィルム１０が圧力センサとして十分に機能し、上部電極９と密着した有機圧電フィルム１０が湾曲させた状態においても剥離しないように行うものである。具体的には、熱処理において、有機圧電フィルム１０が上部電極９において焼成されるまで行うことが望ましい。このとき、有機圧電フィルムを構成する材料は分極を有しているが、キュリー温度以上の熱をかけるとその分極を焼失してしまう。そのため、７０度〜１００度程度の温度範囲で行うことが望ましいが、温度条件はこれらの温度範囲に限定されるものではなく、材料の選択等の条件によって適宜定めることができる。

有機圧電フィルム１０として用いられる材料は特に限定されるものではないが、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体（Ｐ（ＶＤＦ-ＴｒＦＥ））などが挙げられる。これらの材料は、圧電定数が大きく、軽量、柔軟であり、広帯域で利用可能といった利点があるため好ましい。また、あらかじめ分極処理を施したフィルムを用いることがより好ましい。
ここで、分極処理とは、材料内の電荷の偏りを一様な方向に揃えるため高電圧を印加する処理を意味する。

共通電極１１に用いる材料は特に限定されるものではないが、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｍｏ等の金属や、ＩＴＯ等の透明導電膜を使用することができる。形成方法としては、蒸着やスパッタ法が挙げられる。また、パターニングを行う場合には、フォトリソグラフィ法で形成してもよく、印刷法（スクリーン印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、オフセット印刷、反転オフセット印刷等）を用いることもできる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態について、構成例を挙げて説明する。

図２に、本発明の第２実施形態の断面図を示す。第２実施形態は、薄膜トランジスタ１００の半導体層６と、層間絶縁膜８との間に保護層７を設けた以外は第１実施形態と同じ形態である。ここでは、保護層７を中心に説明するが、その他の点については、第１の実施形態の場合と同様である。

薄膜トランジスタ１００の半導体層６上に保護層７を形成する。保護層７は半導体層６を保護するために形成される。保護層７は、少なくとも半導体層６のソース電極４とドレイン電極５の間のチャネル部分と重なる領域を覆うように形成される必要がある。

保護層７の材料としては、酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化タンタル、酸化イットリウム、酸化ハフニウム、ハフニウムアルミネート、酸化ジルコニウム、酸化チタン等の無機材料、または、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）等のポリアクリレート、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）、ＰＶＰ（ポリビニルフェノール）、フッ素系樹脂等の絶縁材料が挙げられるがこれらに限定されるものではない。

保護層７の形成方法は、凸版印刷法、反転オフセット印刷法、インクジェット印刷法、スクリーン印刷法、スプレーコート法、スピンコート法等公知の方法を好適に用いることができる。この中で、特にスクリーン印刷はインク粘度の適用範囲が広く、インク材料選択性が高く、インク使用効率が高く、また、大面積化が容易であり好ましい。また、フレキソ印刷も、大面積化が容易であるので好ましい。また、保護層７の形状は特に限定されるものではなく、ドットなどの島状形状であっても、ソース配線に平行な向きのストライプ形状であっても良い。

このように、半導体層６上に保護層７を形成することで、層間絶縁膜８として、ポリビニルフェノール、ポリメタクリル酸メチルなどの材料を用いた場合であっても、溶剤や水分などの影響から半導体層６を保護することができ、薄膜トランジスタの動作を安定化することができる。

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態について、構成例を挙げて説明する。

図３に、本発明の第３実施形態を示す。第３実施形態は、複数の薄膜トランジスタをマトリクス状に配置したものであり、薄膜トランジスタアレイを用いたセンサ装置である。薄膜トランジスタアレイとすることで、面状において、センサ装置として、圧力に対するデータ取得をすることが可能となる。

第３の実施形態で複数配置する薄膜トランジスタの形態は、第１実施形態でも、第２実施形態でもどちらでもよい。このとき、図３に示すように複数配置した薄膜トランジスタの間にゲート配線２１を横方向に、ソース配線２２を縦方向に配線することで、薄膜トランジスタアレイとして機能させることができる。

また、複数の薄膜トランジスタをマトリクス状に配置することで、図３に示すように、有機圧電フィルム１０と共通電極１１は、マトリクス状に配置された薄膜トランジスタ毎に設ける必要はない。有機圧電フィルム１０と共通電極１１によって、複数の薄膜トランジスタが覆われ、複数の薄膜トランジスタの上部電極９と密着するように形成できれば良いため、圧力センサ装置の面積を拡大することができる。
以下、実施例を元に説明する。

本発明の第２実施形態に係る図２の薄膜トランジスタをアレイ状に配置した図３に示す薄膜トランジスタアレイ基板を製造し、その評価を行った結果を示す。
なお、ここでは、第２実施形態に係る薄膜トランジスタを用いた薄膜トランジスタアレイの製造工程を図４を用いて説明する。
基材１の材料として、ポリイミド（宇部興産製）を用いた。基材１の上にアルミニウムをスパッタ法により１００ｎｍ成膜し、ポジレジストを用いたフォトリソグラフィ、エッチング、レジスト剥離によりゲート電極２を形成した。次にその上層にアクリル系樹脂をダイコーターにより塗布して、１８０℃で１時間乾燥させてゲート絶縁膜３を形成した。

ゲート絶縁膜３上に、Ａｇをスパッタ法により１００ｎｍ成膜し、ポジレジストを用いたフォトリソグラフィ、エッチング、レジスト剥離によりソース電極４、ドレイン電極５とした。

半導体材料として、６，１３−ビス（トリイソプロピルシリルエチニル）ペンタセン（ＴＩＰＳ−ペンタセン）（Ａｌｄｒｉｃｈ製）を用いた。テトラリン（関東化学製）に２重量％で溶解させたものをインキとして用い、フレキソ印刷法にて半導体層６を形成した。

半導体層６上にフッ素樹脂をインクジェット法によって塗布し、１００℃で乾燥して、保護層７を形成した。

保護層７上に形成する層間絶縁膜８の材料として、ネガ型の感光性アクリル樹脂材料を用いて、これをダイコート法により塗布した。乾燥を行った後、所望の形状のフォトマスクを用いて露光を行い、現像により不要な樹脂材料を除去して、所望のパターン形状を形成した。その後、１５０℃で焼成を行い、層間絶縁膜８を形成し、図４（ａ）の構成を形成した。

層間絶縁膜８上に、上部電極９として、スクリーン印刷法により銀ペーストを用いて印刷し、６０℃で予備乾燥させ、図４（ｂ）の構成を形成した。

その後、有機圧電フィルム１０のポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体上に共通電極１１として、スパッタ法によりＭｏ膜を１００ｎｍ形成し、共通電極１１及び有機圧電フィルム１０からなる構造体を作成する。そして、この構造体を上部電極９と貼り合わせた。貼り合わせた後、８０℃で焼成を行った。最終的に、上部電極９にポリフッ化ビニリデン三フッ化エチレン共重合体フィルムである有機圧電フィルム１０が接着された、図４（ｃ）の構成である薄膜トランジスタを用いたセンサ装置を得た。

＜センサ装置＞
実施例で作製したセンサ装置は、直径３ｍｍの支持棒に巻き付けた状態であってもデータを適正に取得することが可能であり、上部電極９と有機圧電フィルム１０に剥離は生じておらず、センサの検知精度に影響を及ぼすことはなかった。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１ 基板
２ ゲート電極
３ 絶縁膜層
４ ソース電極
５ ドレイン電極
６ 半導体層
７ 保護層
８ 層間絶縁膜
９ 上部電極
１０ 有機圧電フィルム
１１ 共通電極
２１ ゲート配線
２２ ソース配線
３１ 予備乾燥した上部電極
１００ 薄膜トランジスタ

Claims (6)

1. 基板上にゲート電極と、ゲート絶縁膜層とソース電極およびドレイン電極と、有機半導体層からなる薄膜トランジスタと、
   前記薄膜トランジスタと、有機圧電フィルムとの間に、前記有機半導体層を覆う層間絶縁膜および、上部電極を設け、
   前記有機圧電フィルム上に共通電極を設けたことを特徴とするセンサ装置。
2. 前記有機半導体層と前記層間絶縁膜層との間に、半導体保護層を設けたことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記上部電極が少なくとも導電性粒子、樹脂成分を含んでいることを特徴とする請求項１乃至２に記載のセンサ装置。
4. 前記導電性粒子が銀粒子であることを特徴とする請求項１乃至３に記載のセンサ装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のセンサ装置の製造方法であって、
   前記上部電極をスクリーン印刷法で形成することを特徴とするセンサ装置の製造方法。
6. 請求項５記載のセンサ装置の製造方法であって、
   前記上部電極と前記有機圧電フィルムを貼付したあとに熱処理により接着させることを特徴としたセンサ装置の製造方法。