JP4729843B2

JP4729843B2 - 薄膜トランジスタの製造方法

Info

Publication number: JP4729843B2
Application number: JP2003354666A
Authority: JP
Inventors: 隆一中村; 亮平松原
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2023-10-15
Also published as: JP2005123290A

Description

本発明は薄膜トランジスタおよびその製造方法に関するものである。

近年、電子ペーパーやＲＦＩＤタグ等が注目されている。これらにはトランジスタが必要である。しかし、現在のトランジスタ製造プロセスでは真空プロセスとフォトプロセスが必要であり、その製造コストは高い。このため、これらを現実のものとするには、従来のトランジスタよりも安価かつ大量に生産する必要がある。またフレキシブル基材上にトランジスタを形成することも求められている。

このため印刷法を用いたトランジスタ、特には有機トランジスタが注目されている（例えば特許文献１参照）。この方法が注目されているのは、以下の理由による。

低温での加工が可能であるので基材に樹脂フィルムを用いることが可能である。また、半導体が有機物であるので、これを溶媒に溶解した溶液を印刷インキと同様に用いた印刷法での加工が可能である。このため基材として樹脂フィルムを用い、これをロール状で製造装置に供給する、いわゆるロール・トゥ・ロールプロセスでの印刷法による製造が可能である。したがって、トランジスタを安価かつ大量に製造できる。

半導体として有機物を用いた薄膜トランジスタの製法として、ゲート絶縁膜については、基板としてシリコンを用い、その熱酸化膜をゲート絶縁膜として用いた報告が多く、少数の溶液プロセスによりゲート絶縁膜を用いた例でもその方法はスピンコートについてのものが多い。その理由は、スピンコートでは、ゲート絶縁膜として必要な１マイクロメートル程度あるいはそれ以下の厚さの薄膜を容易に得ることが可能だからである。

しかし、スピンコートではロール・トゥ・ロールプロセスへの適用は困難であり、それ以外の方法でゲート絶縁膜を形成することが必要となる。ただしこの場合、以下のような制約事項がある。

すなわち、電極形成を印刷法で行おうとすると、現状ではスクリーン印刷法が最適であるが、その場合、電極材料の導電性および断線を回避するといった実用上の観点から、その厚さは１０から２０ミクロンとすることが通常求められる。

したがってこのような場合、すなわちゲート電極を所定の基材にスクリーン印刷で形成した場合、その表面にゲート絶縁膜をピンホールなく均一な膜厚で形成する必要があるが、ゲート電極の膜厚が厚いことによる基板表面の凹凸に追従するためには、ゲート絶縁膜の厚さをゲート電極と同程度にする必要がある。

しかし、この場合ゲート絶縁膜が厚くなりすぎるため、実際に薄膜トランジスタを構成できたとしても、それを動作させるためのゲート電圧が非常に高くなるため、現実的には利用が困難である。

これを回避する手段のひとつとして、ゲート絶縁膜としてあらかじめ製膜された樹脂フィルムを用いることが考えられる。

そして実際にその手段で有機トランジスタを作製した研究報告として、非特許文献１、２などがあげられる。

しかし、これらの研究においても半導体や電極については真空プロセスやフォトプロセスを用いており、結果的には高コストのトランジスタ作製プロセスとなっている。また、具体的なロール・トゥ・ロールプロセスについての言及はされていない。
特開２００３−２４９６５６号公報Ｇａｒｎｉｅｒ他Ｓｃｉｅｎｃｅ第２６５巻１８８４ページから１８８６ページ（１９９４年）Ｂｏｎｆｉｇｌｉｏ他ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ第８２巻２０号３５５０ページから３５５２ページ（２００３年）

本発明はそのような課題の解決のためになされたものであり、生産効率が高く、簡便な工程で、かつ安定したゲート絶縁膜を有する薄膜トランジスタ及びその製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、少なくとも、樹脂フィルム基材からなるゲート絶縁膜の一方の面にゲート電極を形成し、前記ゲート絶縁膜の他方の面にソース・ドレイン電極及び半導体層を形成する薄膜トランジスタの製造法において、前記樹脂フィルム基材からなるゲート絶縁膜の前記他方の面と、剥離可能な弱粘着性の粘着層を有する第一の支持基材の該粘着層面と、を貼り合わせる工程と、前記樹脂フィルム基材からなるゲート絶縁膜の前記第一の支持基材が貼り合わされていない面にゲート電極を形成する工程と、前記樹脂フィルム基材からなるゲート絶縁膜から前記第一の支持基材を剥離する工程と、前記樹脂フィルム基材からなるゲート絶縁膜の前記ゲート電極が形成された面と、剥離可能な弱粘着性の粘着層を有する第二の支持基材の該粘着層面と、を貼り合わせる工程と、前記樹脂フィルム基材からなるゲート絶縁膜の前記第二の支持基材が貼り合わされていない面にソース・ドレイン電極および半導体層を形成する工程と、をこの順に有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法である。

請求項２の発明は、前記樹脂フィルム基材がウェブ状の樹脂フィルム基材であって、前記第一の支持基材と貼り合わせる工程を、前記樹脂フィルム基材を巻き出して前記第一の支持基材とラミネートにより貼り合わせることにより行うことを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタの製造方法である。

請求項３の発明は、前記ゲート電極、ソース・ドレイン電極、半導体層のうち少なくとも１つを印刷法により設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタの製造法である。

請求項４の発明は、前記ゲート電極、ソース・ドレイン電極、半導体層の全てを印刷法により設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法である。

請求項５の発明は、前記ゲート絶縁膜として用いる樹脂フィルム基材が、有機物もしくは無機物からなる薄膜層を形成した樹脂フィルムであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法である。

請求項６の発明は、前記樹脂フィルム基材のソース・ドレイン電極および半導体層形成が形成される側の面に、配向膜を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法である。

本発明によれば、樹脂フィルム基材をゲート絶縁膜として用いることで、安価で簡便な方法で充分な絶縁性を示し、高性能の薄膜トランジスタとすることができる。また、ロール・トゥ・ロールプロセスでトランジスタを作製できるため、低コストで大量にトランジスタを作製することができる。

本発明では、従来の、基材上にゲート電極、絶縁膜、ソース・ドレイン電極、半導体層を設けるのではなく、絶縁膜に絶縁フィルム基材を用い、これを基材としてゲート電極、ソース・ドレイン電極、半導体層を設けていくことを特徴とする。このようにすることで、安価に製造できる印刷法などを用いて薄膜トランジスタを製造するときでも、絶縁膜が安定した絶縁性を示し、安定した薄膜トランジスタとすることができる。また、従来の、ゲート絶縁膜を成膜する工程を省略することができるので工程を簡略化することができ、効率の良いものとなる。さらに、ロールトゥロール法等を用いてさらに安価に効率よく製造することができる。

ゲート絶縁膜に用いる樹脂フィルム基材としては、ポリエステル、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネート等の樹脂フィルムを用いることができるが、コスト及び熱安定性を勘案するとポリエステルフィルムが最良である。

また、前記樹脂フィルム基材の膜厚は０．１〜２μｍの範囲内であることが好ましい。２μｍを越えると薄膜トランジスタとして用いるときにゲート電圧を高電圧にしなければ動作しなくなり、事実上使用が困難になる。０．１μｍより薄いと基材としての強度を保てなくなる。

本発明に用いるゲート電極、ソース・ドレイン電極に使用する電極材料としては、公知の材料を用いることができる。例えば、金、銀、カーボン等を導電性材料として用いた厚膜ペースト、有機金属化合物をペースト化したもの（有機レジネート）、金や銀などのナノ金属粒子をインキ化したもの、あるいはポリアニリン、ポリエチレンジオキシチオフェンのような有機導電材料を用いることができるが、コストと導電性等を考慮すると厚膜ペーストが最適である。

本発明に用いる半導体層の材料としては、公知の材料を用いることができる。例えば、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有機半導体材料が利用できる。

また、半導体特性を有するカーボンナノチューブあるいはフラーレンのような炭素化合物や半導体ナノ粒子分散液なども半導体材料として活用されることが期待される。

また、本発明では、トランジスタ特性向上のため、樹脂フィルム基材上に、有機物または無機物からなる薄膜層を設けることができる。たとえば半導体材料を配向させるための薄膜を形成する場合にはポリイミド薄膜を形成するのが好適である。

それ以外にも、配向のためにはオクチルトリクロロシラン（ＯＴＳ−８）のような単分子膜を形成することができる。また、誘電率を変えるための薄膜材料として、ベンゾシクロブテン、ポリビニルフェノール、二酸化珪素などを用いることができる。

また本発明の薄膜トランジスタにはさらに支持基材を張合わせ（ラミネート）することができる。

このような支持基材としては、ポリエステル、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルサルフォン、ポリカーボネート等の樹脂フィルムを用いることができるが、コスト及び熱安定性を勘案するとポリエステルフィルムが最良である。

ゲート電極、ソース・ドレイン電極、半導体層、有機物または無機物からなる薄膜層を設ける方法として公知の気相法、湿式法を用いることができる。中でも印刷方法を好適に用いることができ、印刷法としては公知の印刷方法、すなわち凸版印刷、凹版（グラビア）印刷、平版そしてスクリーン印刷のような有版印刷、またはインクジェット印刷、静電印刷のような無版印刷を用いることができる。電極形成についてはスクリーン印刷が、半導体層形成にはインクジェット印刷が最良である。また有機物または無機物からなる薄膜層については、フレキソ印刷やグラビア印刷が最良である。

本発明の薄膜トランジスタはゲート絶縁膜としての樹脂フィルム基材を基材として、ゲート電極、ソース・ドレイン電極、半導体層、さらには有機物または無機物からなる薄膜層を上述したような方法で形成するものである。また、本発明では図１に示すように、ウェブ状の樹脂フィルム基材を巻き出し、一方の面にゲート電極、他方の面にソース・ドレイン電極、半導体層を設ける、いわゆるロールトゥロール法を用いて製造することができる。

さらに、図４に示すように、ロールトゥロール法により樹脂フィルム基材上にゲート電極、ソース・ドレイン電極、半導体層を形成する際、形成する前に樹脂フィルム基材の形成する側とは反対側に剥離可能な弱粘着性の粘着層を有する支持体を貼り合わせ、形成後剥離することもできる。

また、図５に示すように、ウェブ状の樹脂フィルム基材を巻き出し、一方の面にソース・ドレイン電極、半導体層を設け、もう一方の面に、ゲート電極を有しゲート電極側に支持基材を対向させ、支持基材ごと貼り合わせることによりゲート電極を形成することもできる。

図１に示すように、樹脂フィルム基材（ゲート絶縁膜１０）として厚さ１．２μｍのポリエステルフィルム１０（東レルミラーＣ１２）をロール状で印刷装置に供給し、これに銀及びカーボンを導電材料とするポリマー厚膜ペースト２０（アサヒ化学研究所）をスクリーン印刷機３０を用いて印刷した。これを乾燥炉４０を用い、１５０℃で３０分間加熱硬化させてゲート電極５１を形成した。

しかるのちその裏面に同様にポリマー厚膜ペースト２０をスクリーン印刷機３０で印刷、硬化させてソース・ドレイン電極５２を形成した。

しかるのちソース・ドレイン電極５２上に半導体溶液６０としてポリチオフェン誘導体のアニソール溶液をインクジェット装置７０により滴下して大気中１００℃で乾燥させ、半導体層５３を得た。

この結果、図２に示すようになポリエステルフィルム１０をゲート絶縁膜とした薄膜トランジスタ５０を作製できた。その電気特性を測定したところ、図３に示す結果を得た。

図４に示すように樹脂フィルム基材（ゲート絶縁膜１０）として、厚さ１．２μｍのポリエステルフィルム（東レルミラーＣ１２）を用い、これに厚さ１００ミクロンの弱粘着フィルム（日立化成ヒタレックス粘着フィルム）をラミネートして支持体８０とした。しかるのち銀及びカーボンを導電材料とするポリマー厚膜ペースト２０（アサヒ化学研究所）をスクリーン印刷機３０を用いて印刷した。印刷後１５０℃で３０分間加熱して硬化させてゲート電極５１を形成し、しかるのち、支持体８０を引き剥がした。

続いてゲート絶縁膜１０のゲート電極形成面に支持体８０をラミネートしたのちに、ポリマー厚膜ペースト２０をスクリーン印刷機３０で印刷、加熱硬化させてソース・ドレイン電極５２を形成した。

しかるのちソース・ドレイン電極５２上に半導体溶液６０としてポリチオフェン誘導体のアニソール溶液をインクジェット装置７０により滴下して大気中１００℃で乾燥させて半導体層５３を形成し、しかるのち支持体８０を引き剥がして図２に示すような薄膜トランジスタ５０を得た。

図５に示すように樹脂フィルム機材（ゲート絶縁膜１０）を構成する樹脂フィルムとして厚さ１．２ミクロンのポリエステルフィルム（東レルミラーＣ１２）を用いた
このフィルム上にフレキソ印刷機９０を用いて半導体の配向膜１００を形成するためのポリイミド樹脂を塗布、乾燥して、厚さ０．５マイクロメートルの薄膜を形成し、これにバフ１１０を用いてラビング処理を行い配向膜１００を形成した。

しかるのち、半導体溶液６０としてポリチオフェン誘導体のアニソール溶液をインクジェット装置７０を用いて印刷し、１００℃に加熱した。この結果、配向膜の作用により配向した半導体層５３を形成した。

しかるのち銀及びカーボンを導電材料とするポリマー厚膜ペースト２０（アサヒ化学研究所）をスクリーン印刷機３０を用いて印刷した。印刷後１５０℃で３０分間加熱して硬化させてソース・ドレイン電極５２を形成した。

これとは別に他の支持基材（支持体８０厚さ１００μｍのポリエステルフィルム１２０（東レルミラー））上に銀及びカーボンを導電材料とするポリマー厚膜ペースト２０（アサヒ化学研究所）をスクリーン印刷機３０を用いて印刷した。印刷後１５０℃で３０分間加熱して硬化させてゲート電極５１を形成した。

しかるのち、これに接着剤１３０をグラビア印刷機１４０で塗布し、前記半導体層５３及びソース・ドレイン電極５２が印刷されたフィルムとゲート電極を印刷したフィルムを位置あわせしたのち貼り合わせて図６に示すような薄膜トランジスタ１５０を得た。

本発明の一実施例にかかる工程の概略図である本発明の一実施例にかかる薄膜トランジスタの構成を示した断面図である本発明により作製されたトランジスタの特性評価結果の一例である本発明の一実施例にかかる工程の概略図である本発明の一実施例にかかる工程の概略図である本発明の一実施例にかかる薄膜トランジスタの構成を示した断面図である

符号の説明

１０・・・ゲート絶縁膜
２０・・・ポリマー厚膜ペースト
３０・・・スクリーン印刷機
４０・・・乾燥炉
５０・・・薄膜トランジスタ
５１・・・ゲート電極
５２・・・ソース・ドレイン電極
５３・・・半導体層
６０・・・半導体溶液
７０・・・インクジェット装置
８０・・・支持体
９０・・・フレキソ印刷機
１００・・・配向膜
１１０・・・バフ
１２０・・・ポリエステルフィルム
１３０・・・粘着剤
１４０・・・グラビア印刷機
１５０・・・薄膜トランジスタ

Claims

少なくとも、樹脂フィルム基材からなるゲート絶縁膜の一方の面にゲート電極を形成し、前記ゲート絶縁膜の他方の面にソース・ドレイン電極及び半導体層を形成する薄膜トランジスタの製造方法において、
前記樹脂フィルム基材からなるゲート絶縁膜の前記他方の面と、剥離可能な弱粘着性の粘着層を有する第一の支持基材の該粘着層面と、を貼り合わせる工程と、
前記樹脂フィルム基材からなるゲート絶縁膜の前記第一の支持基材が貼り合わされていない面にゲート電極を形成する工程と、
前記樹脂フィルム基材からなるゲート絶縁膜から前記第一の支持基材を剥離する工程と、
前記樹脂フィルム基材からなるゲート絶縁膜の前記ゲート電極が形成された面と、剥離可能な弱粘着性の粘着層を有する第二の支持基材の該粘着層面と、を貼り合わせる工程と、
前記樹脂フィルム基材からなるゲート絶縁膜の前記第二の支持基材が貼り合わされていない面にソース・ドレイン電極および半導体層を形成する工程と、
をこの順に有することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
前記樹脂フィルム基材がウェブ状の樹脂フィルム基材であって、前記第一の支持基材と貼り合わせる工程を、前記樹脂フィルム基材を巻き出して前記第一の支持基材とラミネートにより貼り合わせることにより行うことを特徴とする請求項１記載の薄膜トランジスタの製造方法。
前記ゲート電極、ソース・ドレイン電極、半導体層のうち少なくとも１つを印刷法により設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
前記ゲート電極、ソース・ドレイン電極、半導体層の全てを印刷法により設けることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
前記ゲート絶縁膜として用いる樹脂フィルム基材が、有機物もしくは無機物からなる薄膜層を形成した樹脂フィルムであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
前記樹脂フィルム基材のソース・ドレイン電極および半導体層形成が形成される側の面に、配向膜を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。