JP2022095997A - 有機半導体素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】酸洗浄を行わず、かつ電極と半導体層との間の導電性を十分に確保することのできる、有機半導体素子の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る有機半導体素子の製造方法は、基材の表面に、電極材料を含むインクを用いて電極を形成する工程（ステップＳ１０４）と、基材の表面に形成されかつ酸性液による洗浄が施されていない電極に、自己組織化材料を含む処理液を触れさせて、電極の表面に自己組織化材料による自己組織化単分子膜を形成する工程（ステップＳ１０６）と、単分子膜を形成された電極に、単分子膜を介して電極と導通する有機半導体層を積層する工程（ステップＳ１０７）とを備える。
【選択図】図１
【解決手段】本発明に係る有機半導体素子の製造方法は、基材の表面に、電極材料を含むインクを用いて電極を形成する工程（ステップＳ１０４）と、基材の表面に形成されかつ酸性液による洗浄が施されていない電極に、自己組織化材料を含む処理液を触れさせて、電極の表面に自己組織化材料による自己組織化単分子膜を形成する工程（ステップＳ１０６）と、単分子膜を形成された電極に、単分子膜を介して電極と導通する有機半導体層を積層する工程（ステップＳ１０７）とを備える。
【選択図】図１
Description
この発明は、ガラス板、樹脂板、樹脂シート等の基材上に有機半導体素子、例えば有機薄膜トランジスタを製造する技術に関するものである。
例えば表示装置やタッチパネル装置、ウェアラブル電子装置等を製造する目的で、ガラス基板や樹脂基板等の基板の表面に薄膜トランジスタなどの薄膜半導体素子を形成するための技術が研究されている。特に近年では、その性能や生産技術の向上が著しく、また材料によっては印刷技術を利用したデバイス作成が可能であるとの観点から、このような薄膜半導体素子の材料として有機半導体が注目されている。
例えば特許文献１には、金属ナノ粒子を主成分とする導電性インクを基材に塗布することで、薄膜トランジスタ用の電極を製造する技術が記載されている。この技術では、基材の表面に導電性インクを塗布または印刷した後に焼成することで電極を形成し、さらに電極を酸性溶液で洗浄した上で半導体層を積層している。このような工程を含む方法で製造される薄膜トランジスタは、いわゆるトップゲート・ボトムコンタクト型と呼ばれるタイプのものである。
この技術において、酸性溶液による洗浄は、インクに由来する有機物残渣が電極表面に付着して電極と半導体層との間の導電性を阻害することに鑑み、このような残渣を除去する目的で行われている。また特許文献１には、電極表面の改質のために、洗浄後に電極表面を自己組織化膜で修飾する工程を設けてもよい旨が記載されている。
上記従来技術のような酸性溶液を使用する工程を含む製造プロセスにおいては、酸に対する耐蝕性を有する設備や廃液処理等のコストがデバイスの製造コストを増大させる要因となる。この問題を解消するため、また環境負荷の低減という観点からも、酸性溶液を使用しない製造プロセスの確立が望まれる。しかしながら、酸性溶液による洗浄（以下、「酸洗浄」と略称する）を行わず、かつ電極と半導体層との間の導電性を十分に確保することのできる製造技術は、これまで確立されるに至っていない。
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、酸洗浄を行わず、かつ電極と半導体層との間の導電性を十分に確保することのできる、有機半導体素子の製造方法を提案することを目的とするものである。
この発明に係る有機半導体素子の製造方法の一の態様は、上記目的を達成するため、基材の表面に、電極材料を含むインクを用いて電極を形成する工程と、前記基材の表面に形成されかつ酸性液による洗浄が施されていない前記電極に、自己組織化材料を含む処理液を触れさせて、前記電極の表面に前記自己組織化材料による自己組織化単分子膜を形成する工程と、前記自己組織化単分子膜を形成された前記電極に、前記自己組織化単分子膜を介して前記電極と導通する有機半導体層を積層する工程とを備えている。
本願発明者は、酸性溶液による洗浄工程を含まない製造プロセスを種々検討した結果、上記のように、電極形成後、酸を用いた洗浄を行うことなく、自己組織化単分子膜を形成するための処理液に電極を直接触れさせることが有効であるとの知見を得た。後述するように、このような製造方法によって製造された有機半導体素子は、インクに由来する有機物残渣の影響も見られず、酸洗浄を伴う製造プロセスにより製造された有機半導体素子と同等の電気的性能を有することが確認されている。
上記のように、本発明によれば、インクにより基材上に形成された電極に対し、自己組織化材料を含む処理液を直接触れさせることで電極表面に自己組織化単分子膜を形成し、さらに有機半導体層を積層する。これにより、酸洗浄を行うことなく、しかも電極と半導体層との間の導電性を十分に確保することのできる有機半導体素子を製造することが可能である。
図１は本発明に係る有機半導体素子の製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。また、図２はこの製造方法により製造される半導体素子の各工程における構造を示す図である。この製造方法は、例えば半導体基板、ガラス基板、樹脂基板等の種々の平板状の基板に半導体素子を形成するために用いることができる。以下、基板Ｓとしての例えばガラス板またはポリイミド製シートの表面に半導体素子の一例としての有機薄膜トランジスタを形成する場合の処理について詳しく説明するが、これ以外にも種々の半導体素子の形成のために下記の方法および装置を用いることができる。
以下の説明では、基板Ｓに対し各種の機能層が積層されてなる構造体を、各工程における処理対象物たる「ワーク」と称し、符号Ｗｋを付す。このような構造体の構造は製造工程の進行に伴って順次変化するが、それらのいずれについてもワークＷｋと称するものとする。また、以下のワーク断面図においては構造上の特徴を明示するため、各層の相対的な厚さは実際のものと必ずしも一致しない。
最初に、処理対象となる基板が適宜の洗浄剤により洗浄され（ステップＳ１０１）、基板表面が清浄化される。そして、図２（ａ）に示すように、基板Ｓの一方表面Ｓａにベース層Ｂとなる樹脂層が形成される（ステップＳ１０２）。ベース層Ｂについては、例えば硬化状態で電気絶縁性を示す樹脂（例えば各種のポリマー樹脂）の材料を含む溶液を、例えばスピンコート法によって基板表面Ｓａに一様に塗布することにより形成することができる。なお、これに限定されず、一様な層を形成することのできる任意の形成方法を用いてベース層Ｂを形成することが可能である。
ベース層Ｂの材料を含む溶液を基板Ｓに塗布する方法が用いられる場合、形成された塗膜を乾燥硬化させるため、塗布後に焼成処理が行われる（ステップＳ１０３）。これにより塗膜が硬化して、基板表面Ｓａに密着したベース層Ｂが形成される。また、硬化したベース層Ｂの表面に、新たな層を形成することが可能となる。ベース層Ｂは、基板Ｓ表面を均一かつ安定した絶縁層で被覆するとともに、後工程で形成される各層の形状を安定的に維持する機能を有する。特に、ベース層Ｂがプライマー層として機能することで基板Ｓに対する電極の密着性を向上させ、後述するウェット処理において電極の崩れや剥落を効果的に防止することが可能である。一方、基板Ｓの表面Ｓａに電極を直接形成することで十分な密着性を確保できる場合には、ベース層Ｂの形成を省略することも可能である。
ベース層Ｂを構成するポリマー樹脂材料としては、例えば、ポリウレタン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリエステル、ポリエチレン等を用いることができる。この場合、ポリマーを硬化させるための焼成処理は、例えば１２０℃、３０分程度の条件で行うことができる。例えば、焼成温度に温度調整されたオーブン等の加熱炉内でワークＷｋを所定時間保持することにより、焼成処理を実行可能である。このような低い焼成温度で硬化するポリマー材料を採用することで、耐熱性の低い樹脂材料も基板として用いることが可能となる。ワークＷｋは加熱炉内に静置されてもよく、また加熱炉内で搬送されつつ加熱される構成でもよい。
こうして基板Ｓにベース層Ｂが積層されたワークＷｋを基材として、図２（ｂ）に示すように、ベース層Ｂの表面に、有機半導体薄膜トランジスタを構成するソース電極Ｅｓおよびドレイン電極Ｅｄが形成される（ステップＳ１０４）。これらの電極の形成方法については種々の方法を採用可能である。ここではその一例として、予め形成された電極パターンをベース層Ｂに転写することで電極を形成する、印刷技術を応用した方法について説明する。
図３は印刷により電極を製造する方法の例を模式的に示す図である。図３（ａ）に示すように、金属粒子（例えば銀）等の導電性材料および溶剤を含む導電性インクにより形成された電極パターンＰＴが、ガラス板、樹脂板等で形成された転写媒体であるブランケットＢＬの表面に予め形成される。この例では、ブランケットＢＬのパターン担持面（図における下面）に、互いに離隔した２つの電極パターンＰＴが担持されている。これら２つの電極パターンＰＴは、最終的にそれぞれソース電極およびドレイン電極となって機能する。
ブランケットＢＬは、パターン担持面をベース層Ｂの表面に向けた状態でワークＷｋに近接対向配置される。この状態から、図３（ｂ）に示すように、パターン担持面とは反対側のブランケットＢＬ表面にローラ部材ＲＬが当接される。ローラ部材ＲＬは、ブランケットＢＬをワークＷｋ側へ押しやりながらブランケットＢＬ表面に沿って転動する。こうすることにより、ブランケットＢＬに担持された電極パターンＰＴが、ベース層Ｂに押し付けられて最終的にベース層Ｂの表面に転写される。転写時の転写後のブランケットＢＬは、ワークＷｋ近傍から搬出される。
より具体的には、このような電極形成処理は、ブランケットＢＬ上に導電性インクによる電極パターンＰＴを形成するパターニング工程と、形成された電極パターンＰＴをワークＷｋに転写する転写工程とに細分化することができる。以下に説明するように、パターニング工程と転写工程とは同一の処理装置を用いて実行することが可能である。なお、ここに説明する処理については、例えば本願出願人が先に開示した特開２０１４－１４４６２８号公報に記載された転写装置により実行することが可能である。
図４は電極形成処理の過程を示す図である。また、図５はパターニング工程および転写工程を示す模式図である。図４に示す直交座標系において、ＸＹ平面が水平面を表す。また、Ｚ方向が鉛直方向を表し、より具体的には、（＋Ｚ）方向が鉛直上向き方向を表す。図４（ａ）ないし図４（ｄ）を参照しながら、まずパターニング工程について説明する。
電極形成処理を実行する転写装置１では、下面が真空吸着面となった上ステージ１１と、中央部が大きく開口する額縁形状を有する下ステージ１２とが、それぞれ水平姿勢で互いに近接対向配置されている。下ステージ１２の開口１２１の開口サイズは、上ステージ１１の平面サイズよりも大きい。開口１２１の内部には、図示しない昇降機構により個別に昇降可能に支持された複数の昇降ハンド１３が配置されている。
また、開口１２１の（－Ｘ）側端部付近には、Ｙ方向に延びる円柱状または円筒状の押圧ローラ１４が配置されている。押圧ローラ１４は、支持部材１５によりＹ方向の中心軸回りに回転自在に支持されている。支持部材１５は図示しない駆動機構によりＺ方向への昇降およびＸ方向への走行が可能となっている。押圧ローラ１４は、図３（ｂ）に示すローラ部材ＲＬに相当する機能を有するものである。
パターニング工程では、図４（ａ）に示すように、最初に、所望の電極パターンを反転させた凸パターンを有する版ＰＰが転写装置１に搬入され、上ステージ１１にセットされる。上ステージ１１は、凸パターンが形成されたパターン形成面を下向きにして版ＰＰを吸着保持する。また、予め導電性インクＩｋが一様に塗布されたブランケットＢＬが転写装置１に搬入され、下ステージ１２にセットされる。下ステージ１２は、導電性インクＩｋが塗布された面を上向きにして版ＰＰに対向させた状態で、ブランケットＢＬの周縁部を吸着保持する。
初期状態では、各昇降ハンド１３が、その上面が下ステージ１２の上面と同じ高さとなるような高さに位置決めされることで、開放された状態のブランケットＢＬ中央部が水平姿勢に維持される。また、押圧ローラ１４は、水平方向においては版ＰＰの（－Ｘ）側端部の下方、鉛直方向においては上端がブランケットＢＬ下面から離間した状態となる位置に位置決めされる。
この状態から、支持部材１５が押圧ローラ１４を上昇させることで、押圧ローラ１４がブランケットＢＬの下面に当接する。押圧ローラ１４がブランケットＢＬ下面に当接した後も上昇を続けることにより、図４（ｂ）に示すように、ブランケットＢＬが押圧ローラ１４により押し上げられ、最終的にはブランケットＢＬ上面が版ＰＰの下面に当接する。これにより、ブランケットＢＬ上面に担持されたインクＩｋが版ＰＰに密着する。さらに押圧ローラ１４がブランケットＢＬを押し上げることで、インクＩｋが所定の押圧力で版ＰＰに押し付けられる。
この状態で支持部材１５が押圧ローラ１４を（＋Ｘ）方向に移動させることで、押圧ローラ１４がブランケットＢＬの下面に当接して従動回転しながら（＋Ｘ）方向へ走行する。これにより、インクＩｋを介してブランケットＢＬと版ＰＰとが密着する領域がＸ方向に広がってゆく。このとき、複数の昇降ハンド１３のそれぞれは、図４（ｃ）に示すように、走行する押圧ローラ１４との干渉を避けるために、支持部材１５の移動に伴って順次下降する。
図４（ｄ）に示すように、押圧ローラ１４が版ＰＰの（＋Ｘ）側端部直下の終了位置に到達すると、版ＰＰ全体がブランケットＢＬに当接した状態となる。この状態で版ＰＰとブランケットＢＬとが剥離されると、ブランケットＢＬに一様塗布されたインクＩｋのうち凸パターンに対応する部分が版ＰＰに移行し、他の部分がブランケットＢＬ上に残留する。こうすることで、インクＩｋが凸パターンによりパターニングされ、当該凸パターンの反転パターンが電極パターンＰＴとしてブランケットＢＬに転写される。図５（ａ）はブランケットＢＬに塗布されたインクＩｋが版ＰＰによりパターニングされ電極パターンＰＴが形成される過程を模式的に示した図である。
一方、こうしてブランケットＢＬに形成された電極パターンＰＴをワークＷｋに転写する転写工程は、上記処理における版ＰＰをワークＷｋに、インクＩｋを電極パターンＰＴに読み替えることで説明可能である。すなわち、電極パターンＰＴが担持されたブランケットＢＬが下ステージ１２により、該パターンを転写されるワークＷｋが上ステージ１１により、それぞれ保持される（図４（ａ））。
そして、押圧ローラ１４がブランケットＢＬを所定の押圧力でワークＷｋに押し付けながらＸ方向に走行することで（図４（ｂ）ないし図４（ｄ））、ブランケットＢＬとワークＷｋとが電極パターンＰＴを介して密着する。ワークＷｋとブランケットＢＬとを剥離させると、ブランケットＢＬ上の電極パターンＰＴがワークＷｋに転写される。図５（ｂ）は、基板Ｓにベース層Ｂが形成されてなるワークＷｋに電極パターンＰＴが転写される過程（図１のステップＳ１０４）を模式的に示した図である。
なお、上記の電極形成処理は、いずれも平板形状を有するブランケットＢＬとワークＷｋとを密着させた後剥離することで電極パターンＰＴをブランケットＢＬからワークＷｋに転写させる、平行平板印刷技術を応用したものである。しかしながら、ワークＷｋに電極パターンＰＴを形成する方法はこれに限定されず、例えば以下に例示するように種々の方法を適用することが可能である。
図６は電極形成処理の他の態様を示す図である。この処理には転写装置２が用いられる。転写装置２では、円筒状のブランケット胴２１の表面にブランケット２２が巻回されている。また、電極パターンＰＴは凹版２３上でパターニングされている。ブランケット胴２１を所定速度で回転させつつ、凹版２３がブランケット２２と当接しながら移動する。これにより、凹版２３でパターニングされた電極パターンＰＴがブランケット２２に転写される。続いて、ステージ２４に載置されたワークＷｋをブランケットＢＬに当接させながらステージ２４が移動する。これにより、ブランケットＢＬ上の電極パターンＰＴがワークＷｋに転写される。この方法はオフセット凹版印刷技術に相当するものである。このような方法によっても、ワークＷｋに電極を形成することが可能である。
また、平板または円筒状のブランケット上でのパターン形成が他の方法により実行されてもよい。例えば、スクリーン印刷法、インクジェット法等の印刷技術を用いて導電性インクをブランケット表面に部分的に着液させることによって、電極パターンが形成されてもよい。ワークＷｋに電極パターンＰＴを形成するという目的においては、これらの印刷技術によりワークＷｋ表面に直接インクを着液させることも考えられる。
図１に戻って、転写された電極パターンＰＴの導電性を得るために、転写後のワークＷｋに対し焼成処理が行われる（ステップＳ１０５）。このときの焼成条件としては、例えば１２０℃、３０分とすることができるが、ステップＳ１０３における焼成処理と同一条件とすることは必須ではない。この時点でのワークＷｋは、図２（ｂ）および図３（ｃ）に示すように、電極パターンが硬化することにより、ソース電極Ｅｓおよびドレイン電極Ｅｄがベース層Ｂの上面に形成された状態となっている。
次に、形成された電極の表面を改質する、具体的には電極とそれに積層される半導体層との間における導電性を良好なものとするための処理として、電極表面に自己組織化単分子膜（Self-Assembled Monolayer；ＳＡＭ）を形成するＳＡＭ処理が実行される（ステップＳ１０６）。ＳＡＭ処理の原理および方法は公知であるので、ここではウェット処理によりＳＡＭ膜を形成する方法の一例を簡単に説明する。
溶媒としてのイソプロピルアルコール（Isopropyl alcohol；ＩＰＡ）に、自己組織化材料として濃度０．０１Ｍ程度のペンタフルオロベンゼンチオール（Pentafluorobenzenethiol；ＰＦＢＴ）を溶解させた溶液（以下、「ＳＡＭ処理液」ということがある）に、ワークＷｋを少なくとも２分、好ましくは２分以上３０分以下の浸漬時間で浸漬し、その後ＩＰＡでリンスし乾燥させることにより、ＰＦＢＴによるＳＡＭ膜を形成することが可能である。このようなＳＡＭ膜を電極表面に形成することで、この後に積層される有機半導体層と電極との間の電気的接触を低抵抗かつ安定したものとすることができる。ＳＡＭ処理後のワークＷｋでは、図２（ｃ）に示すように、ワークＷｋのうち電極Ｅｓ，Ｅｄの露出した表面がＰＦＢＴによる単分子膜Ｍで覆われた状態となっている。
次に、こうして電極Ｅｓ，Ｅｄが形成されたワークＷｋの表面を覆うように、有機半導体層が積層される（ステップＳ１０７）。有機半導体層は、例えば公知の真空蒸着法を用いて成膜することができる。この時点でのワークＷｋは、図２（ｄ）に示すように、電極Ｅｓ，Ｅｄを覆う単分子膜Ｍと露出したベース層Ｂの表面とが、有機半導体層Ｓｃにより連続的に覆われた状態となっている。
次に、有機半導体膜Ｓｃの表面を覆うゲート絶縁層が形成される（ステップＳ１０８）。ゲート絶縁層は、例えば、電気絶縁性を有する材料（例えばパリレン）を、公知の化学的気相成長法（Chemical Vapor Deposition；ＣＶＤ）を用いて有機半導体膜Ｓｃの表面に堆積させて成膜することにより、形成することができる。この時点でのワークＷｋは、図２（ｅ）に示すように、有機半導体層Ｓｃの表面全体が連続的なゲート絶縁層Ｉｇにより覆われた状態となっている。
次に、ゲート絶縁層Ｉｇの表面にゲート電極が形成される（ステップＳ１０９）。例えば、ソース電極Ｅｓ、ドレイン電極Ｅｄの形成と同様の技術でゲート電極を形成することが可能である。すなわち、図３（ｄ）に示すように、ゲート電極となる電極パターンＰＴを担持するブランケットＢＬをワークＷｋに近接配置し、ローラ部材ＲＬによりブランケットＢＬを押圧することで、電極パターンＰＴをゲート絶縁層Ｉｇの表面に転写する。これを焼成処理することで（ステップＳ１１０）、図２（ｆ）に示すように、ゲート絶縁層Ｉｇの表面にゲート電極Ｅｇが形成される。また、真空蒸着により金属薄膜を成膜することによっても電極形成が可能である。電極材料としては金、銀等の金属材料を用いることができる。
以上の一連の処理により、基板Ｓ、ベース層Ｂ、ソースおよびドレイン電極Ｅｓ，Ｅｄ、有機半導体層Ｓｃ、単分子膜Ｍ、ゲート絶縁層Ｉｇ、ゲート電極Ｅｇがこの順番で積層された構造体を形成することができる。このうち、ソースおよびドレイン電極Ｅｓ，Ｅｄ、有機半導体層Ｓｃ、ゲート絶縁層Ｉｇ、ゲート電極Ｅｇが一体として有機薄膜トランジスタＴｒとして機能する。基板Ｓおよびベース層Ｂは、有機薄膜トランジスタＴｒを支持する基材として機能する。なお、実際の製造工程においては、上記した構造の有機薄膜トランジスタＴｒが、１つの基板Ｓに多数並んだ状態で同時に形成される。
図示を省略しているが、この他に、各電極を配線による接続する工程や、形成された素子の表面を覆う保護層を形成する工程等の追加工程が適宜付加されることにより、有機薄膜トランジスタＴｒを含む電子デバイスが完成する。
各層の厚さの一例を示すが、これらの数値に限定されるものではない。ベース層Ｂの厚さは、例えば１００ｎｍである。また、ソースおよびドレイン電極Ｅｓ，Ｅｄの厚さは例えば７０ｎｍである。また、有機半導体層Ｓｃの厚さは３０ｎｍである。また、ソース電極Ｅｓとドレイン電極Ｅｄとの距離、つまりチャネル長は例えば５０μｍである。また、ゲート絶縁層Ｉｇおよびゲート電極Ｅｇの厚さは、それぞれ例えば１００ｎｍ、２００ｎｍである。
上記した製造方法においては、ステップＳ１０５の焼成処理と、ステップＳ１０６のＳＡＭ処理との間に洗浄工程が設けられない。特許文献１に記載された従来技術の有機薄膜トランジスタ製造方法では、導電性インクの塗布および焼成により導電性被膜を形成した後、被膜を酸性溶液で洗浄する。こうしてインクの残留成分等の不要物を除去した上で、必要に応じＳＡＭ処理が実行される。一方、本実施形態の製造方法では、酸性溶液による洗浄処理は省略されている。
本願発明者は、種々の製造手順で有機薄膜トランジスタを製造しその特性を比較検討した結果、電極形成後、酸洗浄を行ってからＳＡＭ処理を行うケースと、酸洗浄を行わずにＳＡＭ処理を行うケースとの間で、得られるトランジスタの電気的特性に大きな差異がないことを見出した。つまり、電極形成後のワークＷｋを直接ＳＡＭ処理液に浸漬することによっても、洗浄後にＳＡＭ処理液に浸漬する場合と同等の特性を有するトランジスタを製造することが可能である。
図７は洗浄の有無とトランジスタ特性との関係の一例を示す図である。ここではトランジスタの電気的特性を表す指標の例として、特に電極層と半導体層との間における電位障壁の高さに関係する光電子収量を光電子分光法により計測したときの結果を示す。図７において、横軸はサンプルに照射される入射光のエネルギーを、縦軸は照射を受けてサンプルから放出される光電子の収量を表す。比較するサンプルとしては、酸洗浄およびＳＡＭ処理を行わない「未処理」サンプル、従来技術と同様に酸洗浄を行ってからＳＡＭ処理を行う「洗浄」サンプル、および酸洗浄を行わずにＳＡＭ処理を行った「未洗浄」サンプルを用いた。洗浄サンプルおよび未洗浄サンプルにおけるＳＡＭ処理液への浸漬時間はいずれも３０分である。
図７に示すように、酸洗浄およびＳＡＭ処理を行わない未処理サンプルに比べて、洗浄サンプルおよび未洗浄サンプルでは光電子の最大収量が大幅に増大している。また、洗浄サンプルと未洗浄サンプルとの間では収量に有意な差が見られない。もし未洗浄サンプルにおいて電極表面にインク残留成分等の不要物が付着し電荷移動を妨げている場合、洗浄サンプルよりも光電子収量は低下するはずである。しかしながら、計測結果にはそのような傾向は見られず、未洗浄サンプルでも洗浄サンプルと同等の収量が得られている。
このことから、電極形成後のワークＷｋを洗浄なしで直接ＳＡＭ処理液に浸漬することによっても、酸洗浄と同等の洗浄効果が得られることがわかる。酸洗浄の工程を省くことができれば、酸性の液体を使用した洗浄を可能とするための設備や、洗浄液の準備および後処理等にかかるコストが不要となり、デバイスの製造コストを低減することができる。また、洗浄工程を省くことでスループットの向上も期待できる。
ＳＡＭ処理液への浸漬による洗浄効果を確かめるため、浸漬処理（３０分）の前後における電極表面の構成物質を、飛行時間型二次イオン質量分析法（Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy；ＴＯＦ－ＳＩＭＳ）を用いて分析した。ＴＯＦ－ＳＩＭＳ法では、試料表面に一次イオンビームを比較的低照射量で入射させることで試料表面から放出される二次イオンを、その質量の違いによる飛行時間差を利用して分離し検出する。この方法では、試料表面に大きなダメージを与えることなく、表面からごく浅い領域にある物質の分析を行うことが可能である。
分析の結果、浸漬前の電極表面には、シロキサン（より詳しくはジメチルポリシロキサン）、アクリル系樹脂、フッ素系樹脂等の有機物が検出された。これらは浸漬後の電極表面においては減少し、代わって純銀、フッ化銀、酸化銀、硫化銀およびＰＦＢＴの顕著な増加が見られた。
アクリル系樹脂およびフッ素系樹脂は電極形成に使用された導電性インクに含まれているバインダーや界面活性剤に由来するものと考えられる。また、シロキサンは電極パターンの転写に用いられたシリコン樹脂製のブランケットＢＬに由来するものと考えられる。これらはＳＡＭ処理液への浸漬により有意な減少が見られた。
一方、銀およびその化合物は導電性インクに含まれる銀ナノ粒子に起因するものであり、ＰＦＢＴはＳＡＭ処理液に含まれるＳＡＭ材料である。上記の有機物成分の減少とともに銀系化合物の増加が見られることから、浸漬処理によって、自己組織化単分子膜の形成と併せてインクの残留樹脂成分が除去されている、すなわち電極表面が洗浄されていると考えることができる。
なお、比較実験として、ＳＡＭ材料を含まない有機溶媒、例えばＩＰＡやアセトン等にワークＷｋを浸漬し電極表面を洗浄することを試みた。しかしながら、これらによっては上記のような洗浄効果は得られなかった。電極表面に対し反応性を有するＳＡＭ材料を液中に含むことが、洗浄作用に寄与しているものと考えられる。このような効果を有するＳＡＭ材料としては、電極を構成する金属材料（この実施形態では銀）と結び付きやすい特性基、例えばチオール基（－ＳＨ）を構造に含むベンゼンチオール類のような有機化合物が使用可能であると考えられる。本例で使用したＰＦＢＴは、チオール基を構造に含むベンゼンチオール類の一例である。
図８はＳＡＭ処理条件と半導体の電気的特性との関係を示す図である。具体的には、図８（ａ）はＳＡＭ処理時間とそれにより得られたトランジスタにおける半導体層（チャネル長５μｍ）の飽和移動度の計測結果との関係を示す図である。また、図８（ｂ）はＳＡＭ処理温度とそれにより得られたトランジスタにおける半導体層の飽和移動度の計測結果との関係を示す図である。
ＳＡＭ処理液の温度を室温（２５℃）に固定し、浸漬時間を種々に変化させて半導体層の飽和移動度μsatを測定すると、図８（ａ）に示すように、２分程度の浸漬時間で飽和移動度μsatは０．１［ｃｍ2／Ｖ・ｓｅｃ］となり、実用レベルと言える。さらに浸漬時間を長くすると飽和移動度μsatは次第に大きくなるが、３０分程度で概ね飽和した。このことから、液温が室温程度であるときの浸漬時間としては２分以上３０分以下が適当であると言える。形成されるトランジスタの電気的特性の観点からは、ＳＡＭ処理における浸漬時間は上記範囲内でできるだけ高いことが望ましい。
また、浸漬時間を３０分に固定し、ＳＡＭ処理液の温度を種々に変化させて飽和移動度μsatを測定すると、図８（ｂ）に示すように、処理温度が高いほど飽和移動度μsatは大きくなる。ＳＡＭ処理液の溶媒成分であるＩＰＡの大気圧における沸点が約８２℃であることから、液温としては室温以上で上記沸点以下、より好ましくは２５℃以上６０℃以下の範囲が適当であると言える。形成されるトランジスタの電気的特性の観点からは、ＳＡＭ処理における液温は上記範囲内でできるだけ高いことが望ましい。
例えば、ＳＡＭ処理液の温度を室温（２５℃）とし２６時間浸漬した場合と、４０℃の処理液に３０分浸漬した場合とで、ほぼ同程度の移動度（０．２５［ｃｍ2／Ｖ・ｓｅｃ］）が得られた。デバイスの製造タクトを短くしつつその電気的特性を向上させるためには、ＳＡＭ処理液の液温を高くすることが効果的である。
このように、導電性インクを用いた電極形成の後、酸洗浄を行わずにＳＡＭ処理を行うことによっても、電極と半導体層との間の導電性という点において、酸洗浄を行った場合と同等の電気的特性を有する半導体素子を形成することが可能であった。ただし、電極表面が多量の有機物に覆われている場合にもそれらを効果的に除去することができるほどの洗浄能力を有するわけではない。このことから、ＳＡＭ処理前の電極表面に残留するインク成分は少ない方がよい。
したがって、電極の形成に用いられるインクの量は、有機物残渣の発生源ともなるためできるだけ少ない方が好ましい。そのためには、例えば電極を薄くしてインク使用量を少なくすることが考えられる。前述した電極形成処理、すなわち平板ブランケットＢＬに電極パターンＰＴを担持させこれをワークＷｋに転写する方法は、微細かつ薄いパターンを形成するのに適しており、上記目的に好適なものである。また例えば、印刷品質に影響のない範囲で、焼成後に残留し得る高沸点溶媒や樹脂成分の含有量を予め抑えたインクを使用することも有効である。
以上のように、この実施形態では、半導体素子（有機薄膜トランジスタ）の製造プロセスにおいて、電極形成後、有機半導体層を形成する前に、酸性溶液を用いた洗浄を行うことなくワークＷｋを直接ＳＡＭ処理液に浸漬することでＳＡＭ処理を行う。このように酸洗浄の工程を経ず電極のＳＡＭ処理を行う方法であっても、酸洗浄後にＳＡＭ処理を行う場合と同等の電気的特性を有する半導体素子を製造することが可能である。また、酸洗浄の工程を設けないことで、洗浄液としての酸性溶液が不要となるだけでなく、酸性溶液に耐えるための設備が不要となるため、デバイスの製造コストを大きく低減することが可能である。また、洗浄後の廃液処理も不要となることから、環境負荷も小さくすることができる。
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記した実施形態は、本発明の有機半導体素子の製造方法を有機薄膜トランジスタの製造に適用したものである。しかしながら、本発明の製造方法は、有機薄膜トランジスタに限定されず各種の半導体素子の製造プロセスにも適用することが可能である。
また、上記実施形態では、基板Ｓの表面にベース層Ｂが形成されたワークＷｋに対し電極パターンＰＴが転写される。しかしながら、基板Ｓ自体が電気絶縁性を有し、かつ導電性インクにより形成される電極との密着性が良好なものであれば、改めてベース層を形成する必要はない。すなわちこの場合、基板Ｓ自体が本発明の「基材」としての機能を有することとなる。
また、上記実施形態では、ブランケットＢＬ表面への電極パターンＰＴの形成を凹版または凸版を用いたパターニングにより実現している。しかしながら、電極パターンの形成方法はこれに限定されるものではなく、種々の方法を適用可能である。
また、上記実施形態におけるＳＡＭ処理液は、ＳＡＭ材料としてのＰＦＢＴを有機溶媒としてのＩＰＡに溶解させた溶液である。しかしながら、ＳＡＭ処理液の組成はこれに限定されず、電極の表面にＳＡＭ膜を形成することのできるものであれば適宜のものを使用可能である。例えば、ＳＡＭ材料としての各種のベンゼンチオール類と溶媒としての各種のアルコール類とを含むものを用いることができる。
以上、具体的な実施形態を例示して説明してきたように、本発明に係る有機半導体素子の製造方法において、電極は、インクにより転写媒体の表面に形成した電極パターンを基材に転写することにより形成されてよい。より具体的には、転写媒体の表面にインクを塗布して版でパターニングすることにより電極パターンが形成され、電極パターンが形成された転写媒体と基材とを当接させることで電極パターンが転写媒体から基材に転写される構成とすることができる。このような構成によれば、例えば平板状の転写媒体にリニアコータなどで全面にインクを塗布する方法を利用可能であるため、非常に薄いインクの膜を均一に形成することができる。また、高精細な版の寸法どおり微細に電極パターンを形成することができる。そのため、インクの使用量を抑えることで、電極への有機物の残留量を低減することができる。
また、処理液は、自己組織化材料としてのチオール基を含む有機化合物と、溶媒としてのアルコールとを含むものとすることができる。このような構成によれば、自己組織化材料がチオール結合により電極材料と結び付きやすいため、電極表面のインク残留成分を除去しつつ単分子膜を形成することができる。より具体的には、電極材料が銀粒子を含み、自己組織化材料がベンゼンチオール類であり、溶媒がイソプロピルアルコールである構成とすることができる。これらの組み合わせにより、電気的特性の良好な半導体素子を形成することが可能である。
また、本発明の有機半導体素子の製造方法では、電極が形成された基材を処理液に浸漬することで電極に処理液を触れさせる構成であってよい。このような構成によれば、形成された電極を大量の処理液に触れさせることで、電極に付着するインク残留成分を電極から処理液に効果的に移行させ除去することができる。
ここで、基材の処理液への浸漬時間は、２分以上３０分以下としてよい。また、処理液の温度は、２５℃以上６０℃以下としてよい。本願発明者の知見によれば、このような処理条件でのＳＡＭ処理により、酸洗浄を行う場合と同等の電気的特性を有する半導体素子を製造することが可能である。
また、本発明の有機半導体素子の製造方法は、インクが付着した基材を焼成して電極を形成し、焼成後の基材を処理液に浸漬する構成としてよい。このような構成によれば、焼成によって電極を強固なものとすることができる。焼成後にも残留するインク中の有機物成分については、処理液への浸漬によって除去することができる。
この発明は、例えば表示装置やタッチパネル装置、ウェアラブル電子装置等、ガラス基板や樹脂基板等の基板の表面への薄膜トランジスタなど有機半導体素子の製造において特に有効なものである。
１，２ 転写装置
１４ 押圧ローラ
２１ ブランケット胴
２２ ブランケット（転写媒体）
２３ 凹版
２４ ステージ
Ｂ ベース層（基材）
ＢＬ ブランケット（転写媒体）
Ｅｄ ドレイン電極
Ｅｇ ゲート電極
Ｅｓ ソース電極
Ｉｇ ゲート絶縁層
Ｉｋ インク
ＰＰ 凸版
ＰＴ 電極パターン
ＲＬ ローラ部材
Ｓ 基板（基材）
Ｓｃ 有機半導体層
Ｔｒ 有機半導体薄膜トランジスタ
Ｗｋ ワーク
１４ 押圧ローラ
２１ ブランケット胴
２２ ブランケット（転写媒体）
２３ 凹版
２４ ステージ
Ｂ ベース層（基材）
ＢＬ ブランケット（転写媒体）
Ｅｄ ドレイン電極
Ｅｇ ゲート電極
Ｅｓ ソース電極
Ｉｇ ゲート絶縁層
Ｉｋ インク
ＰＰ 凸版
ＰＴ 電極パターン
ＲＬ ローラ部材
Ｓ 基板（基材）
Ｓｃ 有機半導体層
Ｔｒ 有機半導体薄膜トランジスタ
Ｗｋ ワーク
Claims (9)
- 基材の表面に、電極材料を含むインクを用いて電極を形成する工程と、
前記基材の表面に形成されかつ酸性液による洗浄が施されていない前記電極に、自己組織化材料を含む処理液を触れさせて、前記電極の表面に前記自己組織化材料による自己組織化単分子膜を形成する工程と、
前記自己組織化単分子膜を形成された前記電極に、前記自己組織化単分子膜を介して前記電極と導通する有機半導体層を積層する工程と
を備える有機半導体素子の製造方法。 - 前記電極は、前記インクにより転写媒体の表面に形成した電極パターンを前記基材に転写することにより形成される請求項１に記載の有機半導体素子の製造方法。
- 前記転写媒体の表面に前記インクを塗布して版でパターニングすることにより前記電極パターンが形成され、
前記電極パターンが形成された前記転写媒体と前記基材とを当接させることで前記電極パターンが前記転写媒体から前記基材に転写される請求項２に記載の有機半導体素子の製造方法。 - 前記処理液は、前記自己組織化材料としてのチオール基を含む有機化合物と、溶媒としてのアルコールとを含む請求項１ないし３のいずれかに記載の有機半導体素子の製造方法。
- 前記電極材料が銀粒子を含み、
前記自己組織化材料がベンゼンチオール類であり、
前記溶媒がイソプロピルアルコールである請求項４に記載の有機半導体素子の製造方法。 - 前記電極が形成された前記基材を前記処理液に浸漬することで、前記電極に前記処理液を触れさせる請求項１ないし５のいずれかに記載の有機半導体素子の製造方法。
- 前記基材の前記処理液への浸漬時間が２分以上３０分以下である請求項６に記載の有機半導体素子の製造方法。
- 前記処理液の温度が２５℃以上６０℃以下である請求項６または７に記載の有機半導体素子の製造方法。
- 前記インクが付着した前記基材を焼成して前記電極を形成し、焼成後の前記基材を前記処理液に浸漬する請求項１ないし８のいずれかに記載の有機半導体素子の製造方法。
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