KR100927890B1 - Solution processing devices - Google Patents
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Abstract
트랜지스터의 제 1 층을 형성하기 위하여 제 1 용제를 이용하는 용액으로부터 제 1 물질을 증착하는 단계와, 이어서 상기 제 1 물질을 상기 제 1 용제에서 여전히 용해가능하도록 하면서, 상기 제 1 물질 상에 상기 제 1 물질이 실질적으로 용해되지 않는 제 2 용제 내의 용액으로부터 제 2 물질을 증착함으로써 상기 트랜지스터의 제 2 층을 형성하는 단계를 포함하는 트랜지스터 형성 방법이 개시된다.
잉크젯, 트랜지스터, 용제, 증착, 플라스틱기판
Depositing a first material from a solution using the first solvent to form a first layer of the transistor, and subsequently making the first material still soluble in the first solvent, A method of forming a transistor is disclosed that includes forming a second layer of the transistor by depositing a second material from a solution in a second solvent in which the first material is substantially insoluble.
Inkjet, Transistor, Solvent, Deposition, Plastic Substrate
Description
본 발명은 용액 처리 디바이스들 및 상기 디바이스들을 형성하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to solution processing devices and a method of forming the devices.
최근, 반도체 공액(semiconducting conjugated) 폴리머 박막 트랜지스터들(TFTs)은 플라스틱 기판 상에 집적되는 값싼 논리 회로들(씨 드러리 등이 APL 73, 108(1998)에 발표), 고해상도의 활성-매트릭스 디스플레이들에서의 픽셀 트랜지스터 스위치들 및 광전자 집적 디바이스들(에이치 시링하우스 등이 Science 280, 1741(1998)에 및 에이 도다바라푸르 등이 Appl. Phys. Lett. 73, 142(1998)에 발표)에서의 응용들에 관하여 관심을 끌게 되었다. 시험에서, 폴리머 반도체 및 무기 금속 전극들 및 게이트 절연층들을 갖는 디바이스 구성들은 고성능 TFTs임이 증명되었다. 0.1cm2/Vs까지의 전하 캐리어 이동도 및 106-108의 ON-OFF 전류비가 달성되었는데, 이는 비정질 실리콘 TFTs의 성능(에이치 실링하우스 등이 Advances in Solid State Physics 39, 101(1999)에 발표)과 거의 동등하다. Recently, semiconducting conjugated polymer thin film transistors (TFTs) are inexpensive logic circuits integrated on a plastic substrate (see Dr. Drury et al. In APL 73, 108 (1998)), high-resolution active-matrix displays. Applications in pixel transistor switches and optoelectronic integrated devices (H. Shiringhouse et al. In Science 280, 1741 (1998) and A. Dodabarapur et al. In Appl. Phys. Lett. 73, 142 (1998)). I became interested in these fields. In testing, device configurations with polymer semiconductor and inorganic metal electrodes and gate insulating layers proved to be high performance TFTs. The charge carrier mobility up to 0.1 cm 2 / Vs and the ON-OFF current ratio of 10 6 -10 8 were achieved, which is the result of the performance of amorphous silicon TFTs (H.S.H. et al. In Advances in Solid State Physics 39, 101 (1999)). Almost equal to).
공액 폴리머 반도체들의 얇은 디바이스-품질 막들은 유기 용제의 폴리머 용액을 기판에 코팅함으로써 형성될 수 있다. 따라서, 이러한 기술은 이상적으로, 유연한 플라스틱 기판에도 호환될 수 있는 값싸고도 넓은 영역에 걸친 용액 처리에 적합하다. 잠재적인 비용 및 용이성 면에서의 처리의 장점을 최대한 이용하기 위해서는 반도체 층들, 절연체층들, 전도성 전극들 및 상호연결부들을 포함하는 디바이스의 모든 구성요소들이 용액에 의해 증착되게 하는 것이 바람직하다. Thin device-quality films of conjugated polymer semiconductors can be formed by coating a polymer solution of an organic solvent on a substrate. Thus, this technique is ideally suited for inexpensive and wide area solution processing that is compatible with flexible plastic substrates. In order to take full advantage of the potential cost and ease of processing, it is desirable to allow all components of the device to be deposited by solution, including semiconductor layers, insulator layers, conductive electrodes and interconnects.
완전 폴리머(all-polymer) TFT 디바이스들 및 회로들을 제조하기 위해서는, 하기의 주요 문제들이 해결되어야 한다: In order to fabricate all-polymer TFT devices and circuits, the following main problems must be solved:
-다중층 구조의 완전성: 후속되는 반도체, 절연 및/또는 전도성층들을 용액 증착하는 동안, 하부 층들이 용해되지 않아야 하거나, 또는 후속층들의 증착에 이용되는 용제에 의해 팽창되지 않아야 한다. 이러한 팽창은 용제가 하부층 내에 혼합되는 경우에 일어나며, 이는 일반적으로 층의 특성들을 저하시킨다. Integrity of the multi-layer structure: During solution deposition of subsequent semiconductor, insulating and / or conductive layers, the underlying layers must not dissolve or be expanded by the solvent used for the deposition of subsequent layers. This expansion occurs when the solvent is mixed in the lower layer, which generally degrades the properties of the layer.
- 전극들에 대한 고해상도 패터닝: 전도성층들은 양호하게 정의된 상호연결부들 및 L≤10㎛의 채널 길이를 갖는 TFT 채널들을 형성하도록 패터닝될 필요가 있다. High resolution patterning for the electrodes: The conductive layers need to be patterned to form TFT channels with well defined interconnects and a channel length of L ≦ 10 μm.
- TFT 회로들을 제조하기 위하여, 디바이스의 서로 다른 층들의 전극들을 전기적으로 연결하도록 수직 상호연결 영역들(비아홀들)이 형성될 필요가 있다. To manufacture TFT circuits, vertical interconnect areas (via holes) need to be formed to electrically connect the electrodes of different layers of the device.
WO 99/10939 A2에는, 모든 폴리머 TFT를 제조하는 방법이 개시되어 있는데, 이 방법은 디바이스의 후속층들을 증착하기 전에 디바이스의 용액 처리층들의 불용해성 형태로의 변환에 의존한다. 이는 하부층들의 용해 및 팽창의 문제들을 극복한다. 그러나, 이는 이용될 수 있는 반도체 물질들의 선택 가능성을 낮게, 그리고 몇몇 관점들에서는 바람직하지 않는 부류의 전구체(precursor) 폴리머들로 극히 제한시킨다. 또한, 유전체의 게이트 절연층의 교차 결합은 유전체층들을 통한 비아홀들의 제조를 어렵게 하며, 이에 따라 금속 펀칭과 같은 기술들을 이용해야만 한다(WO 99/10939 A1). In WO 99/10939 A2 a method for manufacturing all polymer TFTs is disclosed, which method relies on the conversion of the solution processing layers of the device to insoluble form before depositing subsequent layers of the device. This overcomes the problems of dissolution and expansion of the underlying layers. However, this lowers the selectability of semiconductor materials that can be used and extremely limited to a class of precursor polymers that are undesirable in some aspects. In addition, cross-coupling of the gate insulating layer of the dielectric makes it difficult to manufacture via holes through the dielectric layers and therefore must use techniques such as metal punching (WO 99/10939 A1).
본 발명의 양상들에 따르면, 첨부된 특허 청구범위의 독립항들에 제시된 디바이스(들) 및 방법(들)이 제공된다. 바람직한 특징들은 종속항들에서 설명된다. According to aspects of the present invention, there is provided the device (s) and method (s) set forth in the independent claims of the appended claims. Preferred features are described in the dependent claims.
본 발명의 제 1 양상에 따르면, 트랜지스터의 제 1 층을 형성하기 위하여 제 1 용제를 이용하는 용액으로부터 제 1 물질을 증착하는 단계와; 그리고 상기 제 1 물질을 상기 제 1 용제 내에서 여전히 용해가능하도록 하면서, 상기 제 1 물질 상에 상기 제 1 물질이 실질적으로 용해되지 않는 제 2 용제 내의 용액으로부터 제 2 물질을 증착함으로써 상기 트랜지스터의 제 2 층을 형성하는 단계를 포함하는 트랜지스터 형성 방법이 제공된다. According to a first aspect of the invention, there is provided a method, comprising depositing a first material from a solution using a first solvent to form a first layer of a transistor; And depositing a second material from a solution in a second solvent in which the first material is substantially insoluble on the first material, while still allowing the first material to dissolve in the first solvent. A method of forming a transistor is provided that includes forming two layers.
바람직하게는, 상기 방법은, 상기 제 2 물질이 여전히 상기 제 2 용제 내에서 용해가능하도록 하면서, 상기 제 2 물질 상에 상기 제 2 물질이 실질적으로 용해되지 않는 제 3 용제 내의 용액으로부터 제 3 물질을 증착함으로써 상기 트랜지스터의 제 3 층을 형성하는 단계를 더 포함한다. Preferably, the method comprises a third material from a solution in a third solvent in which the second material is substantially insoluble on the second material, while still allowing the second material to be soluble in the second solvent. And forming a third layer of the transistor by depositing.
적절하게는, 상기 트랜지스터의 적어도 하나의 층은 잉크젯 프린팅(IJP)에 의해 형성된다. 이 층은, 예를 들어 게이트, 소스 또는 드레인 전극과 같은 트랜지스터의 전극을 제공하는 층이 될 수 있다. Suitably, at least one layer of the transistor is formed by ink jet printing (IJP). This layer can be, for example, a layer providing an electrode of a transistor such as a gate, source or drain electrode.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 트랜지스터의 기능층을 형성하는 단계와; 상기 기능층 상에 격리층을 형성하는 단계와; 그리고 상기 절연층 상에 상기 트랜지스터의 게이트를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 격리층은 개별적이거나 동일한 층들인 확산 장벽 및/또는 표면 변형층을 제공할 수 있다. Advantageously, the method comprises forming a functional layer of said transistor; Forming an isolation layer on the functional layer; And forming a gate of the transistor on the insulating layer. The isolation layer may provide a diffusion barrier and / or a surface modification layer that are separate or identical layers.
본 발명의 제 2 양상에 따르면, 물질의 용액 증착을 기판 상의 정의된 영역들로 한정하는 방법들을 제공한다. 이 방법은 하부 기판의 표면을 서로 다른 표면 자유 에너지를 갖는 영역들로 패터닝하는 단계를 포함한다. 기판은 소수성인 표면 영역들, 및 친수성인 나머지 표면 영역들을 갖는다. 이러한 용액 증착은 잉크젯 프린팅, 및 소수성 또는 친수성 표면 영역들로의 잉크의 제한을 포함한다. According to a second aspect of the present invention, there are provided methods of limiting solution deposition of a material to defined regions on a substrate. The method includes patterning the surface of the underlying substrate into regions with different surface free energy. The substrate has surface areas that are hydrophobic, and remaining surface areas that are hydrophilic. Such solution deposition includes inkjet printing and the limitation of the ink to hydrophobic or hydrophilic surface regions.
바람직하게는, 기판 상의 패턴은 바람직하게는 L<20㎛의 작은 채널 길이를 갖는 트랜지스터의 소스 및 드레인 전극들, 이 소스 및 드레인 전극들과 양호하게 정의된 오버랩을 갖는 게이트 전극들, 및 상호연결부들을 정의한다. Preferably, the pattern on the substrate is preferably source and drain electrodes of a transistor having a small channel length of L <20 μm, gate electrodes having a well defined overlap with the source and drain electrodes, and interconnects. Define them.
본 발명의 제 3 양상에 따르면, 서로 다른 층들 내의 상호연결들 및 전극들 간에 전기적인 연결들을 정의하는 비아홀들을 형성하는 방법이 제공된다. 이 방법은, 바람직하게는 잉크젯 프린팅에 의한 용제들 또는 도펀트 용액들의 국부적인 증착에 의한 층들의 용해 또는 도핑을 포함한다. According to a third aspect of the invention, a method of forming via holes defining electrical connections between interconnects and electrodes in different layers is provided. This method preferably involves dissolution or doping of the layers by local deposition of solvents or dopant solutions by inkjet printing.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 트랜지스터 디바이스들의 일부 및/또는 다른 회로 소자들이 잉크젯 프린팅에 의해 형성되는 트랜지스터 디바이스들의 집적 회로 제조 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an integrated circuit of transistor devices in which some and / or other circuit elements of the transistor devices are formed by inkjet printing.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 적어도 하나의 노출된 전극을 갖는 전자 디바이스들의 어레이를 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 사용자가 정의하는 기 능을 갖는 전자 회로가 얻어지는 방법으로 전도성 물질을 잉크젯 프린팅함으로써 전자 디바이스들을 상호연결하는 단계를 포함한다. According to another aspect of the invention, a method of manufacturing an array of electronic devices having at least one exposed electrode is provided. The method includes interconnecting electronic devices by inkjet printing a conductive material in such a way that an electronic circuit having a user-defined function is obtained.
바람직하게는, 상기 제 1, 2 용제들중 하나는 극성 용제이며, 상기 제 1, 2 용제들중 다른 하나는 비극성 용제이다. Preferably, one of the first and second solvents is a polar solvent, and the other of the first and second solvents is a nonpolar solvent.
바람직하게는, 상기 제 1 또는 2 물질들중 하나는 반도체 물질이며, 상기 제 1 또는 2 물질들중 다른 하나는 유전체 물질이다. Preferably, one of the first or second materials is a semiconductor material and the other of the first or second materials is a dielectric material.
바람직하게는, 상기 제 2 물질은 유전체 물질이며, 상기 제 1 및 3 물질들중 하나는 반도체 물질이고, 상기 제 1 또는 제 3 물질들중 다른 하나는 전도성 물질이다. Preferably, the second material is a dielectric material, one of the first and third materials is a semiconductor material, and the other of the first or third materials is a conductive material.
상기 제 1 및 2 층들중 하나는 비극성 용제 내에서 용해가능한 비극성 폴리머층이 될 수 있다. 상기 제 1 및 2 층들중 다른 하나는 극성 용제에서 용해가능한 극성 폴리머층이 될 수 있다. 비극성 폴리머와 극성 용제에 대한 상호작용 파라미터(D)는 적절하게는 5 보다 크고, 바람직하게는 10 보다 크며, 가장 바람직하게는 15 보다 크다. 극성 폴리머와 비극성 용제에 대한 상호작용 파라미터(D)는 적절하게는 5보다 크고, 바람직하게는 10 보다 크며, 가장 바람직하게는 15 보다 크다. One of the first and second layers may be a nonpolar polymer layer that is soluble in the nonpolar solvent. The other of the first and second layers may be a polar polymer layer soluble in a polar solvent. The interaction parameter (D) for the nonpolar polymer and the polar solvent is suitably greater than 5, preferably greater than 10 and most preferably greater than 15. The interaction parameter (D) for the polar polymer and the nonpolar solvent is suitably greater than 5, preferably greater than 10 and most preferably greater than 15.
적절하게는, 상기 제 2 및 3 용제들중 하나는 극성 용제(polar solvent)이며, 상기 제 2 및 3 용제들중 다른 하나는 비극성(non-polar solvent) 용제이다. Suitably, one of the second and third solvents is a polar solvent and the other of the second and third solvents is a non-polar solvent.
적절하게는, 상기 제 2 용제는 극성 및 비극성 군을 포함하는 보통 극성(moderately polar)의 용제이며, 상기 제 1 및 3 용제들중 하나는 극성 군들 만을 포함하는 매우 높은 극성(highly polar)의 용제이다. Suitably, the second solvent is a moderately polar solvent comprising polar and nonpolar groups, and one of the first and third solvents is a highly polar solvent containing only polar groups to be.
상기 제 2 폴리머층은 보통 극성의 용제 내에서 용해가능한 보통 극성의 폴리머층이 될 수 있다. 이렇게 되면, 제 1 또는 3 폴리머층들중 하나는 보통의 비극성 폴리머층이며, 제 1 또는 3 폴리머층들중 다른 하나는 극성 폴리머층이 된다. 비극성 폴리머와 보통 극성의 용제에 대한 상호작용 파라미터(D)는 5 보다 크고, 바람직하게는 10 보다 크며, 가장 바람직하게는 15 보다 크다. 극성 폴리머와 보통극성의 용제에 대한 상호작용 파라미터(D)는 5 보다 크고, 바람직하게는 10 보다 크며, 가장 바람직하게는 15 보다 크다. 보통 극성의 용제는, 예를 들어 알콜 또는 아세테이트가 될 수 있다. The second polymer layer may be a normal polar polymer layer that is soluble in a polar solvent. In this case, one of the first or third polymer layers is a normal nonpolar polymer layer and the other of the first or third polymer layers is a polar polymer layer. The interaction parameter (D) for the nonpolar polymer and the solvent of normal polarity is greater than 5, preferably greater than 10 and most preferably greater than 15. The interaction parameter (D) for the polar polymer and the common polar solvent is greater than 5, preferably greater than 10 and most preferably greater than 15. Usually polar solvents can be, for example, alcohols or acetates.
상기 제 1 층은 비극성 용제 내에서 용해가능하며, 상기 제 2 층은 친수성 및 소수성 군을 포함하는 보통 극성의 용제 내에서 용해가능하다. 상기 제 3 층은 극성 용제에서 용해가능하다. 대안적으로, 상기 제 3 층은 비극성 용제에서 용해가능할 수도 있다. The first layer is soluble in nonpolar solvents, and the second layer is soluble in common polar solvents including hydrophilic and hydrophobic groups. The third layer is soluble in polar solvents. Alternatively, the third layer may be soluble in nonpolar solvents.
상기 제 2 층은 트랜지스터의 활성층이 될 수 있다. The second layer may be an active layer of a transistor.
적절하게는, 상기 제 1 및 2 층들중 하나는 트랜지스터의 소스 및/또는 드레인 전극층이며, 상기 제 1 및 2 층들중 다른 하나는 트랜지스터의 반도체층이다. Suitably, one of the first and second layers is a source and / or drain electrode layer of the transistor and the other of the first and second layers is a semiconductor layer of the transistor.
적절하게는, 상기 제 1 및 2 층들중 하나는 트랜지스터의 반도체층이며, 상기 제 1 및 2 층들중 다른 하나는 트랜지스터의 절연층이다. Suitably, one of the first and second layers is a semiconductor layer of a transistor and the other of the first and second layers is an insulating layer of a transistor.
상기 반도체층은 공액 폴리머, 바람직하게는 공액 블럭 코폴리머가 될 수 있다. The semiconductor layer can be a conjugated polymer, preferably a conjugated block copolymer.
상기 반도체 층은 3.0eV 또는 3.5eV 이상의 전자 친화도를 갖는 블럭 코폴리머를 가지며, 상기 블럭 코폴리머는 적어도 두 개의 공유 결합들에 의해 각각 연결되는 공액 모노머 유닛들의 제 1 블럭과, 모노머 유닛들의 제 2 블럭을 포함한다. The semiconductor layer has a block copolymer having an electron affinity of at least 3.0 eV or 3.5 eV, the block copolymer having a first block of conjugated monomer units each connected by at least two covalent bonds, and a first copolymer of monomer units. Contains 2 blocks.
상기 반도체층은 5.5eV 내지 4.9eV 범위의 이온화 전위를 갖는 블럭 코폴리머를 가지며, 상기 블럭 코폴리머는 적어도 두 개의 공유 결합들에 의해 각각 연결되는 공액 모노머 유닛들의 제 1 블럭과, 모노머 유닛들의 제 2 블럭을 포함한다. The semiconductor layer has a block copolymer having an ionization potential in the range of 5.5 eV to 4.9 eV, the block copolymer having a first block of conjugated monomer units each connected by at least two covalent bonds, and a first block of monomer units. Contains 2 blocks.
상기 공액 모노머 유닛들의 제 1 블럭은 플루오렌 유도체, 페닐린 유도체 및 인데노플루오렌 유도체를 포함하는 하나 또는 그 이상의 군을 포함하고, 상기 모노머 유닛들의 제 2 블럭은 티오펜(thiophene) 유도체, 트리아릴아민(triarylamine) 유도체 및 벤조티오아디아졸 유도체를 포함하는 하나 또는 그 이상의 군을 포함한다. The first block of conjugated monomer units comprises one or more groups comprising fluorene derivatives, phenyline derivatives and indenofluorene derivatives, and the second block of monomer units is a thiophene derivative, a tree One or more groups including triarylamine derivatives and benzothioadiazole derivatives.
상기 반도체 폴리머는 F8T2 또는 TFB가 될 수 있다. The semiconductor polymer may be F8T2 or TFB.
바람직하게는, 상기 반도체층은 액정 공액 폴리머를 포함한다. 상기 방법은 액정 폴리머를 그의 액정 상태로 가열하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 바람직하게는, 액정 폴리머를 단축으로 정렬하는 단계를 포함한다. 상기 액정 폴리머를 정렬하는 단계는 정렬된 분자 구조를 갖는 층 상에 상기 액정 폴리머를 증착하는 단계를 포함한다. 상기 층의 분자 구조를 정렬하는 단계는 상기 층을 기계적으로 러빙함으로써 수행된다. 상기 방법은 바람직하게는 상기 층을 광학적으로 처리함으로써 상기 층의 분자 구조를 정렬하는 단계를 포함한다. Preferably, the semiconductor layer comprises a liquid crystal conjugated polymer. The method includes heating the liquid crystal polymer to its liquid crystal state. The method preferably comprises the step of aligning the liquid crystal polymer uniaxially. Aligning the liquid crystal polymer includes depositing the liquid crystal polymer on a layer having an aligned molecular structure. Aligning the molecular structure of the layer is performed by mechanically rubbing the layer. The method preferably includes aligning the molecular structure of the layer by optically treating the layer.
상기 반도체 층은 적절하게는 2.3eV 이상, 바람직하게는 2.5eV 이상의 밴드갭을 가지며 광학적으로 투명하다. 상기 반도체층은 적절하게는 4.9eV 또는 5.1eV 이상의 이온화 전위를 갖는다. 상기 반도체층은 적절하게는 3.0eV 또는 3.5eV 이상 의 전자 친화도를 갖는다. The semiconductor layer suitably has a bandgap of at least 2.3 eV, preferably at least 2.5 eV and is optically transparent. The semiconductor layer suitably has an ionization potential of 4.9 eV or 5.1 eV or more. The semiconductor layer suitably has an electron affinity of 3.0 eV or 3.5 eV or more.
상기 제 1 및 2 층들중 하나는 상기 트랜지터의 절연체층이고, 상기 제 1 및 2 층들중 다른 하나는 상기 트랜지스터의 게이트 전극층이다. One of the first and second layers is an insulator layer of the transistor, and the other of the first and second layers is a gate electrode layer of the transistor.
상기 제 1 및 3 층들중 하나는 상기 트랜지스터의 절연체층이고, 상기 제 1 및 3 층들중 다른 하는 상기 트랜지스터의 제 2 층은 트랜지스터의 격리층이다. 이 격리층은 확산 장벽층이 될 수 있다. 이 확산 장벽층은 비극성 폴리머를 포함할 수 있다. 상기 확산 장벽층은 폴리플루오렌 유도체를 포함할 수 있다. 상기 폴리플루오렌 유도체는 F8, F8T2 또는 TFB가 될 수 있다. 상기 격리층은 표면 변형층, 바람직하게는 상기 설명된 것이 될 수 있다. One of the first and third layers is an insulator layer of the transistor, and the second of the first and third layers is an isolation layer of the transistor. This isolation layer can be a diffusion barrier layer. This diffusion barrier layer may comprise a nonpolar polymer. The diffusion barrier layer may comprise a polyfluorene derivative. The polyfluorene derivative may be F8, F8T2 or TFB. The isolation layer may be a surface modification layer, preferably as described above.
상기 방법은 상기 제 2 층을 증착하기 전에 상기 제 1 층의 표면을 변형시키는 단계를 포함한다. 상기 제 1 층의 표면 변형은 제 1 층 상에 제 2 층을 증착하기 위하여 100o, 80o 또는 60o 이하의 접촉 각도를 제공하기 위한 것이다. 이때, 상기 접촉 각도가 작을수록 상기 제 1 층의 상부에 증착되는 층의 습윤성이 좋아진다.The method includes modifying the surface of the first layer before depositing the second layer. The surface modification of the first layer is to provide a contact angle of 100 o , 80 o or 60 o or less for depositing the second layer on the first layer. In this case, the smaller the contact angle is, the better the wettability of the layer deposited on top of the first layer is.
상기 제 1 층의 표면을 변형시키는 단계는 적절하게는, 상기 제 1 층의 표면을 처리하는 단계를 포함한다. Deforming the surface of the first layer suitably includes treating the surface of the first layer.
상기 제 1 층의 표면을 변형시키는 단계는 적절하게는 상기 제 1 층의 표면 상에 표면 변형 물질을 증착하는 단계를 포함한다. 이 표면 변형 물질은 적절하게 극성인 용제 내의 용액으로부터 증착될 수 있다. Deforming the surface of the first layer suitably includes depositing a surface modification material on the surface of the first layer. This surface modification material may be deposited from a solution in a suitably polar solvent.
적절하게는, 상기 제 1 층은 표면 상에 증착되며, 그리고 상기 방법은 상기 제 2 또는 제 3 층을 증착하기 전에 상기 기판을 가열하는 단계를 포함한다. Suitably, the first layer is deposited on a surface, and the method includes heating the substrate before depositing the second or third layer.
상기 제 1, 2 및 3 층들중 적어도 하나는 잉크젯 프린팅에 의해 형성된다. At least one of the first, second and third layers is formed by ink jet printing.
적절하게는, 상기 트랜지스터의 소스, 드레인 또는 게이트 전극중 적어도 하나는 잉크젯 프린팅에 의해 형성된다. Suitably, at least one of the source, drain or gate electrode of the transistor is formed by ink jet printing.
적절하게는, 상기 트랜지스터는 전도성 폴리머로 형성된 소스, 드레인 또는 게이트 전극을 갖는다. 적절하게는, 상기 전극은 광학적으로 투명한 전도성 폴리머로 형성된다. 적절하게는, 상기 전도성 폴리머는 폴리머 카운터이온 도펀트(polymeric counterion dopant)를 포함한다. Suitably, the transistor has a source, drain or gate electrode formed of a conductive polymer. Suitably, the electrode is formed of an optically transparent conductive polymer. Suitably, the conductive polymer comprises a polymeric counterion dopant.
적절하게는, 상기 제 1 및 2 층들중 하나의 물질은 PEDOT/PSS이다. Suitably, the material of one of the first and second layers is PEDOT / PSS.
적절하게는, 상기 트랜지스터는 비공액 또는 부분적으로 공액 폴리머로 형성된 절연체층을 갖는다. 적절하게는, 상기 절연층은 친수성 및 소수성 군들을 포함하며, 보통 극성의 용제 내에서 용해가능하다. Suitably, the transistor has an insulator layer formed of nonconjugated or partially conjugated polymer. Suitably, the insulating layer comprises hydrophilic and hydrophobic groups, and is usually soluble in polar solvents.
적절하게는, 상기 제 1 및 2 층들중 하나의 물질은 PVP이다. Suitably, the material of one of the first and second layers is PVP.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 제 1 용제에서 용해가능한 제 1 활성층과; 그리고 상기 제 1 활성층에 인접하며, 제 1 물질이 실질적으로 용해불가능한 제 2 용제에서 용해가능한 제 2 활성층을 포함하는 트랜지스터가 제공된다. According to another aspect of the invention, the first active layer soluble in the first solvent; And a second active layer adjacent to the first active layer, the second active layer being soluble in a second solvent in which the first material is substantially insoluble.
상기 트랜지스터는 바람직하게는, 상기 제 2 활성층에 인접하며, 제 2 물질이 실질적으로 용해불가능한 제 3 용제에서 용해가능한 제 3 활성층을 포함한다. 바람직하게는, 상기 제 1 및 2 층들중 하나는 극성 용제에서 용해가능한 극성 폴리머를 포함하고, 상기 제 1 및 2 층들중 다른 하나는 비극성 용제에서 용해가능한 비극성 폴리머이다. 적절하게는, 상기 제 2 및 3 층들중 하나는 극성 용제에서 용 해가능한 극성 폴리머를 포함하고, 상기 제 2 및 3 층들중 다른 하나는 비극성 용제에서 용해가능한 비극성 폴리머이다. 적절하게는, 용제들중 하나는 알콜이다. The transistor preferably comprises a third active layer adjacent to the second active layer and soluble in a third solvent in which the second material is substantially insoluble. Preferably, one of the first and second layers comprises a polar polymer soluble in a polar solvent, and the other of the first and second layers is a nonpolar polymer soluble in a nonpolar solvent. Suitably, one of the second and third layers comprises a polar polymer soluble in a polar solvent, and the other of the second and third layers is a nonpolar polymer soluble in a nonpolar solvent. Suitably, one of the solvents is alcohol.
적절하게는, 상기 제 1 및 2 층들중 하나는 트랜지스터의 소스 및/또는 드레인 전극층이며, 상기 제 1 및 2 층들중 다른 하나는 트랜지스터의 반도체층이다. Suitably, one of the first and second layers is a source and / or drain electrode layer of the transistor and the other of the first and second layers is a semiconductor layer of the transistor.
적절하게는, 상기 제 1 및 2 층들중 하나는 트랜지스터의 반도체층이며, 상기 제 1 및 2 층들중 다른 하나는 트랜지스터의 절연체층이다. Suitably, one of the first and second layers is a semiconductor layer of the transistor and the other of the first and second layers is an insulator layer of the transistor.
적절하게는, 상기 반도체층을 형성하는 물질은 폴리플루오렌 유도체이다. Suitably, the material forming the semiconductor layer is a polyfluorene derivative.
적절하게는, 상기 반도체층은 2.3eV 이상, 바람직하게는 2.5eV 이상의 밴드갭을 가지며 광학적으로 투명하다. 반도체층은 적절하게는 4.9eV 이상, 바람직하게는 5.1eV 이상의 이온화 전위를 갖는다. Suitably, the semiconductor layer has a bandgap of at least 2.3 eV, preferably at least 2.5 eV and is optically transparent. The semiconductor layer suitably has an ionization potential of 4.9 eV or more, preferably 5.1 eV or more.
상기 반도체층은 3.0eV 또는 3.5eV 이상의 전자 친화도를 갖는 블럭 코폴리머를 포함하며, 상기 블럭 코폴리머는 적어도 두 개의 공유 결합들에 의해 각각 연결되는 공액 모노폴리머 유닛들의 제 1 블럭과, 모노폴리머 유닛들의 제 2 블럭을 포함한다. The semiconductor layer comprises a block copolymer having an electron affinity of at least 3.0 eV or 3.5 eV, the block copolymer comprising a first block of conjugated monopolymer units each connected by at least two covalent bonds, and a monopolymer A second block of units.
상기 반도체층은 5.5eV 내지 4.9eV 범위의 이온화 전위를 갖는 블럭 코폴리머를 포함하며, 상기 블럭 코폴리머는 적어도 두 개의 공유 결합들에 의해 각각 연결되는 공액 모노폴리머 유닛들의 제 1 블럭과, 모노폴리머 유닛들의 제 2 블럭을 포함한다. The semiconductor layer comprises a block copolymer having an ionization potential in the range of 5.5 eV to 4.9 eV, the block copolymer comprising a first block of conjugated monopolymer units each connected by at least two covalent bonds, and a monopolymer A second block of units.
상기 모노머 유닛들의 제 1 블럭은 플루오렌 유도체, 페닐린 유도체 및 인데노플루오렌 유도체를 포함하는 하나 또는 그 이상의 군을 포함하고, 상기 모노머 유닛들의 제 2 블럭은 티오펜 유도체, 트리아릴아민 유도체 및 벤조티오아디아졸 유도체를 포함하는 하나 또는 그 이상의 군을 포함한다. The first block of monomer units comprises one or more groups comprising fluorene derivatives, phenyline derivatives and indenofluorene derivatives, and the second block of monomer units comprises thiophene derivatives, triarylamine derivatives and One or more groups comprising benzothioadiazole derivatives.
상기 폴리플루오렌 유도체는 적절하게는 F8T2 또는 TFB이다. The polyfluorene derivative is suitably F8T2 or TFB.
반도체 층은 4.9eV 또는 5.1eV를 초과하는 이온화 전위를 가지는 것이 바람직하다.The semiconductor layer preferably has an ionization potential of greater than 4.9 eV or 5.1 eV.
상기 제 1 및 제 2층들 중 하나는 트랜지스터의 절연층이고, 상기 제 1 및 제 2층들 중 다른 하나는 상기 트랜지스터의 게이트 전극층인 것이 바람직하다.Preferably, one of the first and second layers is an insulating layer of a transistor, and the other of the first and second layers is a gate electrode layer of the transistor.
상기 제 1 및 제 3층들 중 하나는 트랜지스터의 절연층이고, 상기 제 1 및 제 3층들 중 다른 하나는 상기 트랜지스터의 게이트 전극층이며, 그리고 제 2층은 상기 트랜지스터의 격리층인 것이 바람직하다. 상기 격리층은 표면 변형(surface modification)층일 수 있다.Preferably, one of the first and third layers is an insulating layer of a transistor, the other of the first and third layers is a gate electrode layer of the transistor, and the second layer is an isolation layer of the transistor. The isolation layer may be a surface modification layer.
상기 격리층은 확산 장벽층인 것이 바람직하다. 상기 확산 장벽층은 폴리플루오렌 유도체(polyfluorene derivative)를 포함할 수 있다. 상기 폴리플루오렌 유도체는 F8T2 또는 TFB일 수 있다.Preferably, the isolation layer is a diffusion barrier layer. The diffusion barrier layer may include a polyfluorene derivative. The polyfluorene derivative may be F8T2 or TFB.
제 1 또는 제 2층은 잉크젯(ink-jet) 프린팅에 의해 형성될 수 있다. 제 3층은 잉크젯 프린팅에 의해 형성될 수 있다.The first or second layer can be formed by ink-jet printing. The third layer can be formed by ink jet printing.
상기 제 1, 제 2 그리고 제 3층들 중 하나는 트랜지스터의 소스층이고, 상기 제 1, 제 2 그리고 제 3층들 중 또다른 하나는 상기 트랜지스터의 드레인층이고, 그리고 상기 제 1, 제 2 그리고 제 3층들 중 다른 하나는 상기 트랜지스터의 게이트층인 것이 바람직하다. One of the first, second and third layers is a source layer of a transistor, another one of the first, second and third layers is a drain layer of the transistor, and the first, second and third layers The other of the three layers is preferably the gate layer of the transistor.
상기 제 1 및 제 2층들 중 하나의 물질은 PEDOT/PSS일 수 있다.The material of one of the first and second layers may be PEDOT / PSS.
상기 제 1 및 제 2층들 중 하나의 물질은 PVP일 수 있다.The material of one of the first and second layers may be PVP.
상기 트랜지스터는 광학적으로 투명할 수 있다.The transistor can be optically transparent.
상기 트랜지스터는 박막 트랜지스터일 수 있다.The transistor may be a thin film transistor.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 상기 제시된 트랜지스터를 포함하는 논리 회로, 디스플레이부 또는 메모리 디바이스가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a logic circuit, a display portion or a memory device comprising the above-described transistor.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 다수의 상기 제시된 트랜지스터들의 활성 매트릭스 어레이(active matrix array)를 포함하는 논리 회로, 디스플레이부 또는 메모리 디바이스가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a logic circuit, a display or a memory device comprising an active matrix array of a plurality of the above presented transistors.
본 발명의 다른 양상에 따르면, 다수의 디스플레이 구성요소(element)들을 포함하는 디스플레이부가 제공되며, 상기 디스플레이 구성요소들의 적어도 하나는 광학적으로 투명한 박막 트랜지스터에의해 스위치된다.According to another aspect of the invention, there is provided a display comprising a plurality of display elements, at least one of which is switched by an optically transparent thin film transistor.
상기 제시된 트랜지스터는 상기 디스플레이 구성원의 후면에 위치되는 것이 바람직하다.The presented transistor is preferably located at the rear of the display member.
이러한 디스플레이부는 상기 트랜지스터에의해 스위치될 수 있는 광학적으로 활성인 영역을 포함할 수 있으며, 상기 트랜지스터는 상기 트랜지스터의 적어도 한 층을 통과하여 형성된 비아홀에 위치되는 전도성 물체의 수단에 의해서 상기 광학적으로 활성인 영역과 전기적으로 결합된다.Such display portion may comprise an optically active area that may be switched by the transistor, the transistor being optically active by means of a conductive object located in a via hole formed through at least one layer of the transistor. Electrically coupled with the area.
본 발명은 첨부되는 도면들을 참조하여 예제를 통해 설명될 것이다. The invention will be explained by way of example with reference to the accompanying drawings.
도 1은 용액 처리 완전 폴리머(all-polymer) TFT들의 상이한 디바이스 구성들을 도시한다.1 shows different device configurations of solution treated all-polymer TFTs.
도 2는 F8T2 활성층, PVP 게이트 절연층, 그리고 PEDOT/PSS 게이트 전극을 가지는 도 1c에 따르는 폴리머 TFT들의 전달 특성들을 도시한다.FIG. 2 shows the transfer characteristics of the polymer TFTs according to FIG. 1C with an F8T2 active layer, a PVP gate insulating layer, and a PEDOT / PSS gate electrode.
도 3은 샘플을 상온(a) 및 약 50℃(b)에 유지한 상태에서 증착된 F8T2 활성층, PVP 게이트 절연층 및 PEDOT/PSS 게이트 전극을 가지는 도 1c에 따르는 폴리머 TFT들의 전달 특성들을 도시한다.FIG. 3 shows the transfer characteristics of the polymer TFTs according to FIG. 1C with the F8T2 active layer, PVP gate insulating layer and PEDOT / PSS gate electrode deposited with the sample maintained at room temperature (a) and about 50 ° C. (b). .
도 4는 도 1(a)와 같이 F8 확산 장벽층과 PVP 표면 변형층을 포함하는 F8T2 완전-폴리머 TFT의 출력(a)과 전달 특성들(b)을 도시한다.4 shows the output (a) and transfer characteristics (b) of an F8T2 full-polymer TFT comprising an F8 diffusion barrier layer and a PVP surface modification layer as in FIG. 1 (a).
도 5는 TFB(a) 및 폴리스틸렌(polystylene)(b) 확산 장벽과 PVP 표면 변형층을 가지는 도 1(a)와 같은 F8T2 완전-폴리머 TFT들의 전달 특성들을 도시한다.FIG. 5 shows the transfer characteristics of F8T2 all-polymer TFTs as in FIG. 1 (a) with TFB (a) and polystylene (b) diffusion barriers and PVP surface modification layers.
도 6은 베어(bare)유리 기판 상에 직접 프린팅된 F8T2 활성층과 소스-드레인 전극들을 가지는 도 1(a)에 따르는 완전-폴리머 TFT의 광학 현미경 사진을 도시한다.FIG. 6 shows an optical micrograph of the full-polymer TFT according to FIG. 1 (a) with F8T2 active layer and source-drain electrodes printed directly on a bare glass substrate.
도 7은 작은 채널 길이와 소수성 및 친수성 영역들까지 기판 표면의 패터닝을 통과하는 작은 오버랩 커패시턴스를 가지는 TFT들의 형성을 도시한다.FIG. 7 shows the formation of TFTs with small channel length and small overlap capacitance passing through the patterning of the substrate surface up to hydrophobic and hydrophilic regions.
도 8은 소수성 폴리이미드 뱅크(polyimid bank)의 부근에 PEDOT/PSS 소스/드레인 전극들을 IJP 증착 후 L=20㎛(a) 그리고 L=5㎛(b)를 가지는 트랜지스터 채널 영역의 광학 현미경 사진을 도시한다.FIG. 8 is an optical micrograph of a transistor channel region having L = 20 μm (a) and L = 5 μm (b) after IJP deposition of PEDOT / PSS source / drain electrodes in the vicinity of a hydrophobic polyimide bank. Illustrated.
도 9는 폴리이미드 뱅크의 부근에 잉크 방울들을 증착하는 중에 찍은 광학 현미경 사진을 도시한다.9 shows an optical micrograph taken during the deposition of ink drops in the vicinity of the polyimide bank.
도 10과 11은 각각 채널 길이들 L=20㎛ 그리고 L=7㎛를 가지는 도 7(c)와 같이 형성된 트랜지스터들의 출력 및 전달 특성들을 도시한다.10 and 11 show the output and transfer characteristics of transistors formed as in FIG. 7 (c) with channel lengths L = 20 μm and L = 7 μm, respectively.
도 12는 간략한 다이어그램(a), 1.3㎛ 두께의 PVP 게이트 유전층 상에 메탄올 방울들을 연속 증착함으로써 비아홀들을 형성하는 공정의 덱텍 프로파일로메트리((Dektak profilometry) 및 광학 현미경 사진들(b), 그리고 잉크젯 방울들의 지름과 PVP층의 두께들에 대한 비아홀 외경 및 내경의 종속성(c)을 도시한다.FIG. 12 is a simplified diagram (a), Dektak profilometry and optical micrographs (b) of the process of forming via holes by successive deposition of methanol droplets on a 1.3 μm thick PVP gate dielectric layer, and inkjet The dependence (c) of the via hole outer diameter and inner diameter on the diameter of the drops and the thicknesses of the PVP layer is shown.
도 13은 기저부의 PEDOT 전극과 상부 전극을 가지는 비아홀을 통한 전류-전압 특성들을 도시한다.13 shows current-voltage characteristics through a via hole having a bottom PEDOT electrode and a top electrode.
도 14는 비아홀들을 형성하기위한 서로 상이한 공정들을 예시한다.14 illustrates different processes for forming via holes.
도 15는 논리 인버터들(공핍 부하(depletion-load)(a), 개선-부하(enhancement -load)(b) 그리고 저항-부하(resistance-load)(c)), 그리고 다중 레벨 상호연결 구성들(d)과 같은 비아홀들의 어플리케이션들을 도시한다.Figure 15 shows logic inverters (depletion-load (a), enhancement-load (b) and resistance-load (c)), and multilevel interconnect configurations. Application of via holes such as (d) is shown.
도 16은 W/L 크기 비율이 상이한 두개 레지스터들을 가지는 프린팅된 완전-폴리머 TFT들로 형성된 도 1(a)와 같은 개선-부하 인버터 회로들의 특성들이 도시된다.FIG. 16 shows the characteristics of the improved-load inverter circuits as in FIG. 1 (a) formed of printed full-polymer TFTs having two resistors having different W / L size ratios.
도 17은 대안적 기저부-게이트 디바이스 구성을 도시한다.17 illustrates an alternative base-gate device configuration.
도 18은 활성 메트릭스 픽셀의 간략한 도면을 도시하며, 여기서 상기 디스플레이부 또는 메모리 구성요소는 전압(a) 또는 전류(b)에의해 제어된다.18 shows a simplified diagram of an active matrix pixel, wherein the display or memory component is controlled by voltage (a) or current (b).
도 19는 활성 메트릭스의 픽셀의 가능한 구성을 도시한다. 19 shows a possible configuration of pixels of an active matrix.
도 20은 정렬된 F8T2 TFT의 편광된 광학적 흡수를 도시한다.20 shows polarized optical absorption of an aligned F8T2 TFT.
도 21은 (a)반도체 및 유전체층들의 프린팅에 의해 형성되는 패턴된 활성층 섬(island)를 가지는 폴리머 TFT들과 (b)프린팅된 절연층 섬에의해 분리되는 전도체 상호연결부들 사이의 오버랩 영역을 도시한다.FIG. 21 shows an overlap region between (a) polymer TFTs having patterned active layer islands formed by printing of semiconductor and dielectric layers and (b) conductor interconnects separated by printed insulating layer islands. do.
도 22는 사용자 정의 전자 회로들을 형성하기위한 IJP 상호연결부들의 네트워크에의해 연결되는 트랜지스터 디바이스들의 메트릭스를 도시한다.FIG. 22 shows a matrix of transistor devices connected by a network of IJP interconnects for forming user defined electronic circuits. FIG.
여기 설명되는 바람직한 형성 방법은 완전 유기물의 용액 처리 박막 트랜지스터의 형성을 허용하며, 여기서 불용성 형태로 변환 또는 교차 결합되는 층은 없다. 이러한 디바이스의 각 층은 증착된 곳으로부터 용제에서 용해될 수 있는 형태를 유지할 수 있다. 이는 용제의 국부 증착을 기반으로 유전체 절연층들을 통과하는 비아홀들을 형성하는 단순 방법을 가능하게 하며, 이는 이하 자세히 설명된다. 이러한 디바이스는 예를 들어, 다음 구성요소들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.The preferred formation methods described herein allow for the formation of solution-processed thin film transistors of fully organic matter, where no layer is converted or crosslinked into an insoluble form. Each layer of such a device can maintain a form that can be dissolved in the solvent from where it is deposited. This enables a simple method of forming via holes through the dielectric insulating layers based on local deposition of a solvent, which is described in detail below. Such a device may include, for example, one or more of the following components.
- 패턴된 전도성 소스-드레인, 게이트 전극들 그리고 상호연결부들.Patterned conductive source-drain, gate electrodes and interconnects.
- 0.01㎠/Vs를 초과하는 전하 캐리어 이동성과 104를 초과하는 고속 온-오프 전류 스위칭 속도를가지는 반도체층.A semiconductor layer having charge carrier mobility in excess of 0.01
- 얇은 게이트 절연층Thin gate insulation layer
- 상기 반도체층과 상기 절연층이 불순물과 이온 확산에 의해 의도적이지 않게 도핑되지 않도록 보호하는 확산 장벽층.A diffusion barrier layer that protects the semiconductor layer and the insulating layer from being inadvertently doped by impurities and ion diffusion.
- 프린팅 기법들에 의해 상기 게이트 전극의 고해상도 패터닝을 가능하게 하는 표면 변경층.A surface modification layer which enables high resolution patterning of the gate electrode by printing techniques.
- 유전체층들을 통과하는 상호연결부들을 위한 비아홀들.Via holes for interconnects through the dielectric layers.
그러나, 여기 설명된 상기 방법은 전술된 모든 특징들을 가지는 디바이스들의 형성으로만 제한되지 않는다.However, the method described herein is not limited to the formation of devices having all the features described above.
제 1의 예시적 디바이스의 형성은 이제 도 1을 참고하여 설명될 것이다. 도 1의 디바이스는 상부-게이트 구조를 가지도록 구성된 박막 전계 효과 트랜지스터(TFT)이다.Formation of the first exemplary device will now be described with reference to FIG. 1. The device of FIG. 1 is a thin film field effect transistor (TFT) configured to have a top-gate structure.
세정된 7059 유리 기판(1)의 상부에 전도성 폴리머 폴리에틸렌디옥시티오펜(polyethylenedioxythiophene)/폴리스티롤설포네이트(polystyrolsulfonate)(PEDOT(무게대비 0.5%)/PSS(무게대비 0.8%))를 함유하는 수용액을 잉크젯 프린팅함으로써 소스-드레인 전극들(2, 3)과 상기 전극들 사이의 상호연결 라인들 그리고 접촉 패드들(미도시)이 증착된다. 메탄올, 에탄올, 이소프로페놀 또는 아세톤과 같은 다른 용제들이 잉크의 표면 장력, 점도 그리고 습윤 속성들에 영향을 주도록 첨가될 수 있다. PEDOT/PSS는 베이어(Bayer)사에서 구입할 수 있다("베이트론 피"라는 제품명으로 구입할 수 있음). 상기 IJP 프린터는 압전형의 것이다. 이는 정밀한 2차원 해석 스테이지와 각각에 대해 순차적으로 프린팅되는 패턴들의 정렬을 가능하게하는 현미경 스테이지를 탑재하고 있다. 상기 IJP 헤드는 전압 펄스로 구동된다. 방울당 0.4ng의 전형적인 고체 내용물의 방울들을 분사하기위한 적절한 구동 조건들은 20V의 펄스 높이, 10㎲의 상승 시간, 그리고 10㎲의 하강 시간으로 달성될 수 있다. 유리 기판 상부를 건조한 다음, 이들은 50㎛의 전형적인 지름을 가지는 PEDOT 점을 500Å의 전형적인 두께로 생성한다.An aqueous solution containing conductive polymer polyethylenedioxythiophene / polystyrolsulfonate (PEDOT (0.5% by weight) / PSS (0.8% by weight)) was placed on top of the cleaned 7059
소스-드레인 전극들의 IJP는 공기중에서 수행된다. 이후, 상기 샘플들은 불활성 분위기 글러브 박스 시스템(inert atmosphere glove box system)으로 전달된다. 그 다음, 상기 기판들은 이후 활성 반도체층의 증착에 사용될, 폴리플루오렌 폴리머들의 경우 혼합된 크실렌(xylene)들과 같은 유기 용제에서 스펀-건조(spun-dry)된다. 그 다음, 이들은 PEDOT/PSS 전극들에서 잔류 용제와 다른 비휘발성 종들(volatile species)을 제거하기 위해 불활성 니트로겐 분위기에서 200℃로 20분간 열처리된다. 그 다음, 스핀-코팅에 의해서 활성 반도체 폴리머(4)가 200-1000Å인 두꺼운 막으로 증착된다. 리지오레귤라(regioregular) 폴리-3-헥실티오펜(P3HT), 그리고 폴리-9,9'-디옥틸플루오렌-코-디티오펜(F8T2)과 같은 폴리플루오렌 코-폴리머들과 같은 다양한 반도체 폴리머들이 이용되어왔다. F8T2는 게이트 전극의 증착 중 공기 중에서 좋은 안정성을 보이기 때문에 바람직한 선택이다. 무수의(anhydrous), 혼합 크실렌들에서 F8T2의 5-10 mg/ml 용액(로밀(Romil)사에서 구입)은 1500-2000rpm 에서 스핀-코팅된다. P3HT의 경우, 혼합 크실렌에 무게당 1% 용액이 사용된다. 하부 PEDOT 전극들은 크실렌과 같은 비극성 유기 용제서 불용성이다. 그 다음, 상기 막들은 게이트 절연체층(5)의 증착에 이후 사용될 수 있는 이소프로페놀 또는 메탄올과 같은 용제에서 스펀-건조된다.IJP of the source-drain electrodes is performed in air. The samples are then transferred to an inert atmosphere glove box system. The substrates are then spun-dryed in an organic solvent such as mixed xylenes in the case of polyfluorene polymers, which will then be used for deposition of the active semiconductor layer. They are then heat treated at 200 ° C. for 20 minutes in an inert nitrogen atmosphere to remove residual solvents and other nonvolatile species in the PEDOT / PSS electrodes. Then, by spin-coating, the
그 다음, 상기 반도체 폴리머의 전하 전달 속성들을 개선하기위해 후속 열처리 단계가 수행될 수 있다. 상기 온도에서의 높은 온도 열처리에서 액정 상태(liquid crystalline phase)를 보이는 폴리머들에 있어서, 상기 액정 변이의 결과 폴리머 사슬의 방향은 서로 평행이 된다. F8T2의 경우에서, 열처리는 불활성 N2분위기 하에서 275-285℃로 5-20분 동안 수행된다. 그 다음, 상기 샘플들은 상기 사슬들의 상기 방향을 고정시키고 비정질 유리를 만들기 위해 상온으로 빠르게 식혀진다. 만일 샘플들이 정렬층 없이 평탄한 유리 기판 상에 마련되면, 상기 폴리머는 다중도메인(multidomain) 구성을 채용하며, 여기서 랜덤 방향성을 가지는 액정 도메인들은 상기 TFT 채널 내부에 위치된다. 5-10-3㎠/Vs정도의 이동성을 보이는 액정 상태로부터 급속냉각함으로써 F8T2가 유리질 상태로 제공되는 트랜지스터 디바이스들은 상기 스펀 F8T2 막들을 가지는 디바이스들에서 측정된 이동성보다 한 차수 이상 크기가 크다. 또한, 상기 증착된 디바이스들은 높은 턴-온 전압(Vo)을 보인다. 이는 부분적으로 결정인 상기 증착된 상태와 비교하여 상기 유리질 상태의 국부적 전자 트랩 상태의 밀도가 더 낮기 때문이다. Subsequent heat treatment steps may then be performed to improve the charge transfer properties of the semiconductor polymer. In polymers exhibiting a liquid crystalline phase at a high temperature heat treatment at the temperature, the direction of the polymer chains is parallel to each other as a result of the liquid crystal transition. In the case of F8T2, the heat treatment is carried out at 275-285 ° C. for 5-20 minutes under an inert N 2 atmosphere. The samples are then quickly cooled to room temperature to fix the orientation of the chains and to make amorphous glass. If the samples are provided on a flat glass substrate without an alignment layer, the polymer adopts a multidomain configuration, wherein liquid crystal domains with random orientation are located inside the TFT channel. Transistor devices in which F8T2 is provided in the glassy state by rapid cooling from a liquid crystal state exhibiting mobility on the order of 5-10 -3
만일 상기 폴리머가, 상기 트랜지스터 채널에 평행한 폴리머 사슬들의 단축(uniaxial)과 함께 단일 도메인(monodomain) 상태로 제공된다면 전형적으로 3-5의 인자에의한 이동성은 더욱 개선될 수 있다. 이는 기계적으로 연마된 폴리이미드층(도 1(b)의 9)과 같은 적절한 정렬층으로 상기 유리층을 코팅함으로써 달성된다. 단일 도메인 상태에서, 상기 폴리머 사슬들은 하부 폴리이미드층의 연마 방향에 단축으로 평행하도록 정렬된다. 이 결과 디바이스들의 전하 캐리어 이동성이 더욱 개선되며, 여기서 상기 TFT 채널은 상기 사슬들의 정렬 방향과 평행이다. 이러한 공정은 본원과 동시 계류중인 영국 특허 출원 번호 제 9914489.1호에 좀더 자세히 설명되어 있다.If the polymer is provided in a monodomain state with the uniaxial of the polymer chains parallel to the transistor channel, the mobility by a factor of 3-5 can be further improved. This is accomplished by coating the glass layer with a suitable alignment layer, such as a mechanically polished polyimide layer (9 in FIG. 1 (b)). In the single domain state, the polymer chains are aligned to be uniaxially parallel to the polishing direction of the underlying polyimide layer. This further improves the charge carrier mobility of the devices, where the TFT channel is parallel to the alignment direction of the chains. This process is described in more detail in British Patent Application No. 9914489.1, which is co-pending with the present application.
반도체층의 증착 후, 상기 게이트 절연층(5)은 극성 용제로부터 폴리하이드록시스틸렌(polyhydroxystyrene)(또한 폴리비닐페놀(polyvinylphenol:PVP)이라 불림)의 용액을 스핀 코팅함으로써 증착되며, 여기서 상기 하부 반도체 폴리머는 불용성이다. 바람직한 용제의 선택은 메탄올, 2-프로페놀 또는 부탄올과 같은 알콜이며, 여기서 특별히 낮은 용해성을 가지는 F8T2와 같은 비극성 폴리머들은 부풀어오르지 않는다. 상기 게이트 절연층의 두께는 300nm(용액 농도는 30mg/ml)와 1.3㎛(용액 농도는 100mg/ml) 사이이다. 물에 대한 폴리-비닐알콜(pholy-vinylalcohol:PVA), 또는 부틸 아세테이트(butyl acetate) 혹은 프로필렌 클리콜 메틸 에테르 아세테이트(propylene glycol methyl ether acetate)에 대한 폴리-메틸-메타크릴레이트(poly-methyl-methacrylate:PMMA)와 같은 용해성 요구사항들을 만족하는 다른 절연 폴리머들과 용제들 역시 사용될 수 있다.After deposition of the semiconductor layer, the
그 다음, 게이트 전극(6)이 상기 게이트 절연층 상에 증착된다. 상기 게이트 전극층은 상기 게이트 절연층(도 1(c) 참고) 상에 직접 증착되거나, 예를 들어, 표면 변경, 확산 장벽 또는 용제 호환성과 같은 공정 이유 때문에 하나 이상의 중간층들(도 1(a)와 (b))이 존재할 수 있다.Then, a
도 1(c)의 단순한 디바이스를 형성하기위해서, PEDOT/PSS 게이트(6)는 PVP 절연층(5)의 상부에 직접 프린팅될 수 있다. 기판은 다시 공기중에서 IJP 스테이션 으로 전달되고 여기서 PEDOT/PSS 게이트 전극 패턴이 수용액으로 프린팅된다. 상기 하부 PVP게이트 절연층은 물에 대해서 낮은 용해성을 가지며, 그로인해 상기 게이트 전극의 완전함은 PEDOT/PSS 게이트 전극의 프린팅 중에 보존된다. 비록 PVP가 고밀도 극성 하이드록실(polar hydroxyl) 군들을 포함하지만, 바로 비극성 폴리스틸렌과 유사한 백본(backbone) 때문에 물에 대한 용해성은 낮다. 유사하게, PMMA는 물에 대해 불용성이다. 도 2는 F8T2 반도체층, PVP 게이트 절연층, 그리고 IJP PEDOT/PSS 소스-드레인 및 게이트 전극들을 가지는 IJP TFT의 전달 특성들을 도시한다. 상기 디바이스 특성들은 니트로겐 분위기에서 측정된다. 연속적인 측정들은 각각 게이트 전압의 상승(상향 삼각형)과 하강(하향 삼각형)을 도시한다. PEDOT/PSS(베이트론 피)의 새롭게 준비된 군(a)과 일년이 경과된 군(b)에의해 디바이스들에 속한 특성들이 얻어졌다. 트랜지스터 동작은 명백히 도시될 수 있다. 그러나, 이 디바이스들은 양의 문턱전압(Vo)>10V 에서 이상한 정상적 온(normally-on) 동작을 보이는 반면에, 금 소스-드레인 그리고 게이트 전극들을 증착하여 형성된 기준 디바이스들은 정상적 오프(normally-off) 동작(Vo<0)을보인다는 것이 밝혀졌다. PEDOT의 "오래된(old)" 군으로부터 형성된 디바이스들에서(도 2(b)), 이동성 이온 불순물들(이하 참조)의 높은 농도 때문에 높은 히스테리스스 효과들이 관찰된다. 만일 깊은 공핍(Vg=+40V)에서 만곡(sweep)이 시작되면, 상기 트랜지스터는 Vf
o
+20V(상향 삼각형)에서 턴온된다. 그러나, 역방향 스캔(scan)에서(하향 삼각 형) 상기 트랜지스터는 Vf
o>+35V에서만 턴오프된다.To form the simple device of FIG. 1C, the PEDOT /
상기 정상적-온 동작과 히스테리시스 효과들은 상기 디바이스의 층들 중 하나의 이온 종들의 확산에 의해 유발될 수도 있다. 이상하게 큰 Vo의 양의 값은 상기 이온이 음이라는 것을 암시한다. 양의 종들이 누적층의 이동 전하의 일부를 보상하고 Vo를 좀더 음의 값으로 이동시킬 것을 기대할 수 있다. 이러한 이온 종류들의 근원을 식별하기위해서, 다른 층들과 PEDOT 소스/드레인 전극들은 전술한 바와 같이 형성하면서 상부-게이트 IJP PEDOT 전극은 증착된 금 전극으로 대체하여 디바이스들을 형성하였다. 이러한 구조에서 상기 디바이스들은 일반-오프되고 안정적인 문턱전압을 보인다는 것이 밝혀졌다. 이는 완전-폴리머 디바이스의 도핑 및 히스테리시스 효과들이 전도성 폴리머 상부 게이트 전극의 용액 증착, 그리고 상기 PEDOT 용액/막으로부터 상기 디바이스의 하부층들로의 이동, 이온 불순물들의 가능한 확산에 관련된다는 것을 의미한다.The normal-on operation and hysteresis effects may be caused by diffusion of ionic species of one of the layers of the device. The unusually large positive value of Vo suggests that the ion is negative. Positive species can be expected to compensate for some of the mobile charge in the cumulative layer and shift Vo to a more negative value. To identify the source of these ion species, the other layers and PEDOT source / drain electrodes were formed as described above, while the top-gate IJP PEDOT electrode was replaced with a deposited gold electrode to form devices. It has been found that in this structure the devices are normally off and exhibit a stable threshold voltage. This means that the doping and hysteresis effects of the full-polymer device are related to the solution deposition of the conductive polymer upper gate electrode and the migration from the PEDOT solution / film to the lower layers of the device, the possible diffusion of ionic impurities.
가열된 기판 상에 게이트 전극을 증착함으로써 문턱전압의 값을 제어할 수 있고 그리고 히스테리시스의 양을 줄일 수 있는 가능성이 밝혀졌다. 이는 기판 상의 물방울의 건조 시간을 줄인다. 도 3(b)은 TFT 디바이스의 전달 특성들을 도시하는데, 이를 위해 기판은 게이트 전극의 증착 동안 50℃의 온도로 가열되었다. 히스테리시스 효과가 상온에서 게이트를 증착한것 보다 대단히 작아졌다는 것(도 3b)과 Vo가 6V의 상대적으로 작은 양의 값을 가진다는 것을 볼 수 있다. 증착 온도를 제어함으로써, 문턱전압은 Vo = 1-20V의 영역으로 조절될 수 있다. It has been found that by depositing a gate electrode on a heated substrate it is possible to control the value of the threshold voltage and to reduce the amount of hysteresis. This reduces the drying time of the droplets on the substrate. 3 (b) shows the transfer characteristics of the TFT device, for which the substrate was heated to a temperature of 50 ° C. during the deposition of the gate electrode. It can be seen that the hysteresis effect is significantly smaller than the deposition of the gate at room temperature (FIG. 3b) and that Vo has a relatively small positive value of 6V. By controlling the deposition temperature, the threshold voltage can be adjusted in the region of Vo = 1-20V.
도 1(c)와 같이 PVP층 상에 직접 증착된 게이트 전극들을 가지는 디바이스는 공핍 타입의 디바이스이다. 이의 정상적-온 동작은 단순 공핍-부하 논리 인버터(도 14(a))와 같은 공핍 타입의 논리 회로들에 유용하다. As shown in FIG. 1C, a device having gate electrodes deposited directly on a PVP layer is a depletion type device. Its normal-on operation is useful for depletion type logic circuits such as a simple depletion-load logic inverter (FIG. 14 (a)).
개선된 타입의 정상적-오프 TFT들을 형성하기위해서, 상기 게이트의 증착 중에 상기 반도체의 도핑은 확산 장벽층의 결합에 의해 방지될 수 있다. 도 1(a)와 (b)의 디바이스에서, 전도체 폴리머 게이트 전극의 증착 이전에 비극성 폴리머의 얇은 층(7)이 상기 PVP 게이트 절연층 상부에 증착된다. 이 층은 약한 극성의 PVP 절연체를 통한 이온 종들의 확산을 차단하는 확산 장벽으로 동작할 것이다. PVP는 상기 막을 통한 이온의 전도율과 확산률을 개선하는 경향이 있는 고밀도 극성 하이도록실 군들을 포함한다. 폴리-9,9'-디옥틸플루오랜(F8), 폴리스틸렌(PS), 폴리(9,'9-디옥틸-플루오렌-N-(4-부틸페닐)디페닐라민)(TFB) 또는 F8T2와 같은 몇몇 비극성 폴리머들이 사용되었다. 약 50-100nm의 이러한 폴리머들의 박막들은 크실렌과 같은 비극성 유기 용제의 용액으로부터 PVP 게이트 절연층의 표면 상에 증착될 수 있고, 여기서 PVP는 불용성이다.In order to form an improved type of normal-off TFTs, doping of the semiconductor during deposition of the gate can be prevented by bonding of a diffusion barrier layer. In the device of FIGS. 1 (a) and (b), a
비극성 확산 장벽층의 상부 또는 PMMA와 같은 약한 극성 폴리머의 상부에 대한 극성 수용액으로부터의 PEDOT/PSS 직접 프린팅은 나쁜 습윤성과 넓은 접촉 각도들 때문에 문제점이 있다는 것이 밝혀졌다. 이를 처리하기위해서, 표면 변형층(8)이 비극성 폴리머의 상부에 증착된다. 상기 층은 소수성 표면보다는 친수성 표면을 제공하며, 여기서 상기 PEDOT/PSS는 좀더 용이하게 형성될 수 있다. 이는 게이트 전극 패턴의 고해상도 프린팅을 가능하게 한다. 상기 표면 변형층을 형성하기 위해서, PVP의 얇은 층은 이소프로페놀 용액으로부터 증착될 수 있으며, 여기서 상기 하부 확산 장벽층은 불용성이다. 상기 PVP층의 두께는 50nm이하인 것이 바람직하다. PVP의 표면 상에서 PEDOT/PSS의 고해상도 프린팅이 가능하다. 대안적인 표면 변경층들이 사용될 수 있다. 이들은 친수성 및 소수성 기능 군을 포함하는 비누와 같은 계면활성제들 또는 폴리머들의 얇은 층들을 포함한다. 이러한 분자들은 하부 비극성 폴리머 그리고 자유 표면과의 계면에 각각 유인되는 소수성 그리고 친수성 군들로 상태 분리되는 경향이 있다. 다른 가능성은 상기 비극성 확산 장벽의 표면을, 상기 표면을 친수성으로 만드는 약한 O2 플라즈마에 짧게 노출하는 것이다. 상기 TFT 디바이스 성능을 감소시키지 않는 적절한 플라즈마 처리는 12초 동안 50W의 전력으로 13.5Mhz O2 플라즈마에 노출하는 것이다.It has been found that PEDOT / PSS direct printing from a polar aqueous solution on top of a nonpolar diffusion barrier layer or on top of a weakly polar polymer such as PMMA has been problematic due to poor wettability and wide contact angles. To treat this, a
게이트 전극이 알코올(이소프로판올, 메탄올 등)을 포함하는 물보다 극성이 덜한 용매로부터 프린팅된다면, 비극성 확산 장벽의 상부에 있는 표면 변경층이 필요할 수 있다.If the gate electrode is printed from a solvent that is less polar than water, including alcohol (isopropanol, methanol, etc.), a surface modification layer on top of the nonpolar diffusion barrier may be needed.
층 시퀀스의 무결성은 극성과 비극성 용매로부터 추출된 고분자 물질을 교대로 증착시키는데 달려 있다. 제2층을 증착하는데 사용되는 상기 용매 내 제1층은 단위부피당 0.1w%보다 적고, 바람직하게는 0.01w%보다 적다.The integrity of the layer sequence depends on the alternate deposition of polymeric materials extracted from polar and nonpolar solvents. The first layer in the solvent used to deposit the second layer is less than 0.1 w% per unit volume, preferably less than 0.01 w%.
용매 적합성의 기준은 극성의 정량화에 관한 힐데브란트 용해도 파라미터를 사용하여 정량화될 수 있다(D.W. van Krevelen, Properties of polyners, Elsevier, Amsterdam(1990)). 각 고분자(용매)의 용해도는 상호작용, 극성, 및 액체상태의 고분자(용매) 분자 상호간의 수소 결합 상호작용을 나타내는 파리미터 δd, δp, δh로 기술될 수 있다. 다른 작용 군의 고분자의 기증물을 첨가함으로써 분자구조를 알게된다면, 3가지 파라미터에 대한 값이 계산되어질 수 있다. 이들 고분자들은 대부분 흔한 폴리머들이다. 종종 δp와 δd는 결합되어 δv 2=δd 2+δp 2가 된다.Criteria for solvent suitability can be quantified using Hildebrand solubility parameters for quantification of polarity (DW van Krevelen, Properties of polyners, Elsevier, Amsterdam (1990)). The solubility of each polymer (solvent) can be described by parameters δ d , δ p , δ h indicating the interaction, polarity, and hydrogen bond interaction between liquid polymer (solvent) molecules. If the molecular structure is known by adding donations of polymers of different functional groups, the values for the three parameters can be calculated. These polymers are mostly common polymers. Often δ p and δ d are combined such that δ v 2 = δ d 2 + δ p 2 .
혼합 자유에너지는 ΔGm=ΔHm-TΔSm으로 주어지고, 이 경우 혼합 엔트로피는 ΔSm>0이고, 혼합 엔탈피는 ΔHm=V*φp*φs*(( δv p-δv s)2+(δh p-δh s)2)이다. 이것으로부터 고분자(P)는 용매(S)보다 더 잘 녹는데, 즉, ΔHm이 적을수록 D=(( δv p-δv s)2+(δh p-δh s)1/2)도 적어진다. 대략적인 기준으로, 상호작용 파라미터(D)가 대략적으로 5보다 작으면, 상기 고분자는 용매에 녹을 수 있다. D가 5-10이라면, 부풀림(swelling)이 종종 관찰된다. D가 10보다 크면, 상기 고분자는 대체적으로 상기 용매에 녹지 않고, 아무런 부풀림도 없다.The mixing free energy is given by ΔG m = ΔH m -TΔS m , where the mixing entropy is ΔSm> 0 and the mixing enthalpy is ΔH m = V * φ p * φ s * ((δ v p -δ v s ) 2 + (δ h p −δ h s ) 2 ). From this the polymer (P) dissolves better than the solvent (S), i.e., the less ΔH m , the more D = ((δ v p -δ v s ) 2 + (δ h p -δ h s ) 1/2 Also decreases. As an approximate criterion, if the interaction parameter (D) is less than approximately 5, the polymer may be dissolved in the solvent. If D is 5-10, swelling is often observed. If D is greater than 10, the polymer is generally insoluble in the solvent and there is no swelling.
용해 처리된 TFT 장치에서 단열의 인터페이스를 얻기 위해서는 각 고분자 층과 다음 층의 용매에 대한 D값이 대략적으로 10보다 커야 한다. 이것은 반도체 고분자층 및 게이트 유전체의 용매에 있어 특히 중요하다. F8T2와 이소프로판올(부틸 아세테이트)의 경우, D값은 대략적으로 16(12)이다.In order to obtain a thermal insulation interface in the melt-treated TFT device, the D value for the solvent of each polymer layer and the next layer must be approximately greater than 10. This is particularly important for solvents in semiconductor polymer layers and gate dielectrics. For F8T2 and isopropanol (butyl acetate), the D value is approximately 16 (12).
몇몇 디바이스 구성들의 경우, 전면적인 다중층 구조는 물과 같은 극성 용매에 잘 녹는 극성 물질군을 포함한 고분자와 극성 물질군을 거의 포함하지 않거나 약간 포함하여 크실렌과 같은 비극성 용매에 잘 녹는 고분자가 교대로 쌓아진 형식일 수 있다. 이러한 경우 상호 작용 파라미터 D는 고분자 층과 다음의 용매와의 δp의 차이때문에 더 크다. PEDOT/PSS의 고극성 전극, F8T2와 같은 비극성 반도체 층, 수용해 물질로부터 증착된 폴리비닐알코올과 같은 고극성 유전체 층, 일련의 적층을 가능하게 하는 버퍼층으로 작용하는 TFB의 비극성 확산 장벽층, PEDO/PSS 게이트 전극이 그 예이다.For some device configurations, the overall multilayer structure alternates between polymers, including polar groups that are well soluble in polar solvents such as water, and polymers that are soluble in nonpolar solvents such as xylene, with little or no polar groups of materials. It may be in stacked form. In this case the interaction parameter D is larger because of the difference in δp between the polymer layer and the next solvent. PEDO's high polarity electrode, nonpolar semiconductor layer like F8T2, high polar dielectric layer like polyvinyl alcohol deposited from water soluble material, TFB's nonpolar diffusion barrier layer serving as buffer layer to enable a series of stacking, PEDO The / PSS gate electrode is an example.
그러나, 단일 유전체 층에 의하여 비극성 반도체 층과 극성 게이트 전극 층을 분리하는 것이 종종 편리하다. 이러한 층 시퀀스는 약간의 극성을 갖는 용매로 부터 증착된 약간의 극성을 갖는 고분자 물질이 고극성 또는 비극성 고분자 사이에 위치하게 함으로써 가능하다. 약간의 극성을 갖는 고분자는 극성과 비극성 군을 포함하는 고분자이고, 극성 용매에서 잘 녹지 않는다. 용해도 파라미터와 관련하여, 약간의 극성을 갖는 용매의 용해도 파라미터 δH가 기저 고분자와 현저히 차이를 갖는 것으로 정의될 수 있다. 이 경우, 비록 용매의 상기 극성 용해도 파라미터δP(δV)가 기저 고분자층과 비슷하다 하더라도, 부풀림(큰D)은 방지될 수 있다. 약간의 극성을 갖는 고분자 층은 히드록시기와 같은 특정의 작용기를 포함할 수 있고, 상기 히드록시기는 상기 고분자의 작용기를 잘 끌어 당기는 작용기를 포함하는 용매에 상기 고분자가 잘 녹도록 하는 기능을 한다. 이러한 인력은 수소 결합 상호 작용일 수 있다. 고분자의 작용성으로 인해, 상기 고분자는 적당한 극성을 갖는 물질에 잘 용해되고, 극성 용매에 잘 용해되지 않게 된다. 적당한 극성을 갖는 고분자의 예로는 비극성 반도체 층과 PEDOT/PSS 게이트 전극 층 사이에 놓여 있는 PVP게이트 유전체 층(도 1)이 있다. 적당한 극성을 갖는 용매의 예로는 IPA(δh;F8T2:δh≒0)가 있다.However, it is often convenient to separate the nonpolar semiconductor layer and the polar gate electrode layer by a single dielectric layer. This layer sequence is possible by allowing a slightly polar polymer material deposited from a slightly polar solvent to be placed between the highly polar or nonpolar polymer. Polymers with some polarity are polymers comprising polar and nonpolar groups and do not melt well in polar solvents. With regard to the solubility parameter, it can be defined that the solubility parameter δ H of the solvent having a slight polarity is significantly different from the base polymer. In this case, although the polar solubility parameter δ P (δ V ) of the solvent is similar to the base polymer layer, bulging (large D) can be prevented. The slightly polar polymer layer may include specific functional groups such as hydroxy groups, and the hydroxy groups function to dissolve the polymer well in a solvent containing a functional group that attracts the functional groups of the polymer well. This attraction can be hydrogen bond interactions. Due to the functionality of the polymers, the polymers are well soluble in materials with moderate polarity and are poorly soluble in polar solvents. An example of a polymer with suitable polarity is a PVP gate dielectric layer (FIG. 1) lying between a nonpolar semiconductor layer and a PEDOT / PSS gate electrode layer. An example of a solvent having a suitable polarity is IPA (δ h ; F 8 T 2: δ h ≒ 0).
도 4는, 도 1에 개시된 바와 같이 PVP 게이트 절연층, F8 장벽층, PVP 표면 변경층을 갖는 모든 F8T2 IJT TFT 고분자층의 출력(a)과 전달(b) 성질을 나타낸다. 상기 디바이스는 V0≤0V에서 순수하고 준이상적으로 정상적-오프 트랜지스터 작용을 갖는다. 상부(위쪽 삼각형)과 하부(아래쪽 삼각형) 전압 사이의 한계 전압 편이는 ≤1v이다. 상기 디바이스의 성질은 Au 드레인과 게이트 전극을 사용하여 비활성 대기압하에서 가공된 표준 디바이스와 극히 유사하다. 필드 효과 유동성은 0.005-0.01cm2/Vs이고, Vg=0과 -60V 사이에서 측정된 온/오프(on/off) 전류비는 104-105이다.FIG. 4 shows the output (a) and transfer (b) properties of all F8T2 IJT TFT polymer layers having a PVP gate insulating layer, an F8 barrier layer, and a PVP surface modification layer as disclosed in FIG. The device has a pure, quasi-ideally normal-off transistor action at V 0 ≦ 0V. The threshold voltage shift between the upper (top triangle) and lower (bottom triangle) voltages is ≤ 1v. The properties of the device are very similar to standard devices fabricated under inert atmospheric pressure using Au drain and gate electrodes. The field effect fluidity is 0.005-0.01 cm 2 / Vs, and the on / off current ratio measured between V g = 0 and -60 V is 10 4 -10 5 .
디바이스는 F8, TFB(도 5(a)는 전달 성질을 나타낸다), PS(도 5(b)는 전달 성질을 나타낸다)와 같은 광범위한 비극성 확산 장벽층을 이용하여 가공된다. 각각의 경우에, 순수한 정상적-오프(clean normally-off) 행동과 히스테리시스 효과와 한계 전압 편이가 관찰될 수 있고, 이러한 현상은 Au 드레인 전극을 갖는 기준 디바이스와 양적으로 동일하다. 이것은 게이트 전극 밑에 비극성 고분자를 삽입하면 게이트 절연층을 용융 증착하는 동안 및 증착 후에 이온 불순물의 확산이 방지된다는 해석을 뒷받침한다. 이것이 TFT 한계 전압을 재생하고 우수한 작동 안정성을 가져온다는 사실은 알려져 있다. 확산 장벽을 갖는 정상적-오프 디바이스는 보다 나은 장시간 한계 전압 안정성과 이온의 확산이 방지됨에 따른 오랜 수명을 갖기 때문에, 상술한 공핍형의 디바이스보다는 확산 장벽을 갖는 노말리-오프 디바이스가 선호된다. 용융처리가 가능한 복합 고분자 또는 올리고머 물질은 반도체 층으로 사용될 수 있고, 이 경우 상기 고분자 또는 올리고머 물질은 10-3cm/Vs, 바람직하게는 10-2cm/Vs을 초과하는 적당한 필드 효과 유동성을 갖는다. 적당한 물질이 H.E. Katz, J. Mater의 이름으로 Chem. 7,369(1997) 또는 Z. bao의 이름으로 Advanced Materials 12, 227(2000)에 예시되어 있다.The device is fabricated using a wide range of nonpolar diffusion barrier layers such as F8, TFB (FIG. 5 (a) shows the transfer properties) and PS (FIG. 5 (b) shows the transfer properties). In each case, pure clean-off behavior and hysteresis effects and limit voltage shifts can be observed, which is quantitatively the same as the reference device with Au drain electrodes. This supports the interpretation that the insertion of a nonpolar polymer under the gate electrode prevents the diffusion of ionic impurities during and after the melt deposition of the gate insulating layer. It is known that this regenerates the TFT limit voltage and results in good operating stability. Normally-off devices with diffusion barriers are preferred over depletion-type devices described above, since normally-off devices with diffusion barriers have better long-term limit voltage stability and longer lifetimes as ions are prevented from diffusing. A meltable composite polymer or oligomeric material can be used as the semiconductor layer, in which case the polymer or oligomeric material has a suitable field effect fluidity of greater than 10 −3 cm / Vs, preferably 10 −2 cm / Vs. . Suitable materials are found in Chem. Che. 7,369 (1997) or in the name Z. bao is illustrated in
프린팅 TFTs가 우수한 안정성과 높은 온-오프 전류비를 갖도록 가공하는 데 있어 중요 요구사항 중의 하나는 공정처리와 프린팅 단계에서 대기 산소와 물로 인한 우발적인 도핑에 대한 반도체 물질의 우수한 안정성이다. 프린팅 TFTs는 활성 반도체 층으로 F8T2(전술한 내용 참조) 또는 혼합 크실렌 용액으로 부터 용착된 레글로레귤러(regloregular) P3HT 반도체 고분자를 사용하여 가공되어 왔다. 불활성 대기압하의 시험 디바이스에 마련되는 P3HT TFTs의 경우에는, 0.05-0,1 cm2/Vs 범위의 필드 효과 유동성은 F8T2의 경우보다 약간 높다. 그러나, 레글로레귤러(regloregular) P3HT는 산소 및/또는 물에 의한 도핑에 대하여 불안정하고, 이에 따라 공기와 낮은 온-오프 전류비에서 행해지는 프리팅 단계동안 필름 전도성이 증가하게 된다. 이것은 P3HT의 IP≒4.9 eV 범위의 낮은 이온화 포텐셜과 관련이 있다. 106보다 큰 높은 온-오프 전류비를 갖는 P3HT가 시험되었지만, 이 경우 증착후에 히드라진 증기에 노출 시키는 것과 같은 환원 도핑 단계가 필요하였다(H. Sirringhaus 등이 Advances in Solid State Physics 39, 101 (1999)에 발표). 그러나, 상술한 IJP TFTs의 경우에는, PEDOT 전극이 도핑 이탈(dedoping)되고 전도성이 현저히 감소하기 때문에, 이러한 후처리 환원 단계가 수행될 수 없다. 따라서, 높은 전류 변환비를 얻기 위해서는, 고분자 반도체가 산소 또는 물에 의한 우발적인 도핑에 대한 우수한 안정성을 가지고 사용되는 것이 중요하다.One of the key requirements for processing printed TFTs with good stability and high on-off current ratios is the excellent stability of the semiconductor material against accidental doping due to atmospheric oxygen and water in the processing and printing steps. Printing TFTs have been processed using regologular P3HT semiconductor polymers deposited from F8T2 (see above) or mixed xylene solutions as active semiconductor layers. In the case of P3HT TFTs provided in the test device under inert atmospheric pressure, the field effect fluidity in the range of 0.05-0,1 cm 2 / Vs is slightly higher than in the case of F8T2. However, regloregular P3HT is unstable to doping with oxygen and / or water, thereby increasing film conductivity during the fritting step performed at low on-off current ratios with air. This is related to the low ionization potential of P3HT in the I P ≒ 4.9 eV range. P3HT with higher on-off current ratios greater than 10 6 has been tested, but in this case a reduction doping step such as exposing to hydrazine vapor after deposition was required (H. Sirringhaus et al., Advances in Solid State Physics 39, 101 (1999). Announced)). However, in the case of the above-mentioned IJP TFTs, this post-treatment reduction step cannot be performed because the PEDOT electrode is doped and the conductivity is significantly reduced. Therefore, in order to obtain a high current conversion ratio, it is important that the polymer semiconductor is used with excellent stability against accidental doping with oxygen or water.
우수한 주변 안정성 및 높은 유동성을 갖는 물질군은 규칙 배열된 일련의 A와 B블록을 포함하는 A-B 경질 막대 블록 코폴리머가 바람직하다. 적당한 A 블록은 구조적으로 잘 정의되고, 큰 밴드 간격을 갖는 사다리형 고분자이고, 단일 폴리머로서 5.5eV 보다 큰 이온화 포텐셜을 가지며, 우수한 주변 안정성이 있다. 적당한 A 블럭으로는 플루오렌 유도체(US 5,777,070), 인딘플루오렌 유도체(S. Setayesh, Macromolecules 33, 2016(2000)), 페닐 또는 사다리형 페닐 유도체(J, Grimme et al., Adv. Mat. 7, 292(1995)) 등이 있다. 적당한 B 블럭으로는 황 또는 질소 같은 헤테로 원자를 포함하면서 작은 밴드 간격을 갖는 정공 운반 모이어티(moieties)가 있고, 단일 폴리머로서 5.5eV 보다 작은 이온화 포텐셜을 갖는다. B 블럭의 역할은 상기 블럭 코폴리머의 이온화 포텐셜을 낮추는 것이다. 상기 블럭 코폴리머의 이온화 포텐셜은 4.9eV≤Ip≤5.5eV이 바람직하다. 그러한 코폴리머의 예로는 F8T2(이온화 포텐셜 5.5eV) 또는 TFB(US 5,777,070)가 있다.Groups of materials having good ambient stability and high flowability are preferably AB hard rod block copolymers comprising a regularly arranged series of A and B blocks. Suitable A blocks are structurally well defined, ladder-like polymers with large band spacing, ionization potentials greater than 5.5 eV as a single polymer, and have good ambient stability. Suitable A blocks include fluorene derivatives (US 5,777,070), indine fluorene derivatives (S. Setayesh, Macromolecules 33, 2016 (2000)), phenyl or ladder phenyl derivatives (J, Grimme et al., Adv. Mat. 7 , 292 (1995)). Suitable B blocks include hole transport moieties with small band spacings containing heteroatoms such as sulfur or nitrogen, and ionization potentials less than 5.5 eV as a single polymer. The role of the B block is to lower the ionization potential of the block copolymer. The ionization potential of the block copolymer is preferably 4.9 eV ≦ I p ≦ 5.5 eV. Examples of such copolymers are F8T2 (ionization potential 5.5eV) or TFB (US 5,777,070).
다른 적당한 정공 운반 고분자는 알콕시 또는 플루오르와 곁사슬을 갖는 폴리씨오핀(polythiophene)과 같은, 5eV 보다 큰 이온화 포텐셜을 갖는 폴리씨오핀 유도체의 단일 폴리머이다(R.D. McCullough가 AdvancedMaterials 10, 93(1998)에 발표). Other suitable hole transporting polymers are homopolymers of polythiophene derivatives with ionization potentials greater than 5 eV, such as alkoxy or polythiophene with fluorine and side chains (RD McCullough published in
정공 운반 반도체 폴리머 대신에, 용융성 전자 운반 물질이 사용될 수 있다. 이들은 캐리어 트랩으로 작용하는 산소와 같은 대기 불순물이 잔류하는 것을 방지하기 위해 3eV보다 큰 전자 친화도를 요한다. 적당한 물질로 용해 가능한 전자 운반용 소분자 반도체(H.E. Katz등이 Nature 404, 478(2000)에 발표) 또는 결전자 플루오렌화 곁사슬을 갖는 폴리씨오핀 유도체가 포함될 수 있다. 또한, 구조적으로 잘 정의된 AB타입 블럭 코폴리머, 5.5eV 보다 큰 이온화 에너지를 갖는 사다리형 A 블럭, 및 코폴리머의 전자 친화도를 3eV 바람직하게는 3.5eV 보다 크게 증가시키는 전자 운반용 B 블럭도 적당하다. A 블럭의 예로는 플루오렌 유도체(US 5,777,070), 이데노플루오렌 유도체(S. Setayesh가 Macromolecules 33, 2016(2000)에 발표), 페닐린 또는 사다리형 페닐린 유도체(J. Frimme등이 Adv. Mat. 7,292(1995)에 발표)가 있다. 전자 운반용 B 블럭은 벤조씨아디아졸 유도체(US 5,777,00), 페닐 유도체, 나프탈렌테트라카르복실릭 다이미드 유도체(H.E. Katz등이 Nature 404, 478(2000)에 발표) 또는 플루오렌화 씨오핀 유도체가 있다.Instead of the hole transport semiconductor polymer, a molten electron transport material can be used. They require an electron affinity greater than 3 eV to prevent the retention of atmospheric impurities such as oxygen, which acts as a carrier trap. Small molecule semiconductors for electron transport (H.E. Katz et al., Published in Nature 404, 478 (2000)) soluble in suitable materials or polythiophene derivatives having a fluorinated side chain can be included. Also suitable are structurally well-defined AB type block copolymers, ladder type A blocks with ionization energy greater than 5.5 eV, and electron transport B blocks that increase the electron affinity of the copolymer to 3 eV, preferably greater than 3.5 eV. Do. Examples of A blocks include fluorene derivatives (US 5,777,070), idenofluorene derivatives (S. Setayesh published in Macromolecules 33, 2016 (2000)), phenyline or ladder phenyline derivatives (J. Frimme et al. Mat. 7,292 (1995). B-blocks for electron transport include benzothiadiazole derivatives (US 5,777,00), phenyl derivatives, naphthalenetetracarboxylic dimid derivatives (HE Katz et al., Published in Nature 404, 478 (2000)) or fluorinated thiopine derivatives. have.
논리 회로의 빠른 동작을 위해서, 상기 트랜지스터의 채널 길이(L)와 소스/드렌인과 게이트 사이의 중첩(d)은 가능한 한 작아야 한다. 임계 치수는 L이다. 왜냐하면, 트랜지스터 회로의 작동 속도는 대략 L-2에 대략적으로 비례하기 때문이다. 이것은 상대적으로 낮은 유동성을 갖는 반도체 층에 있어 중요하다. For fast operation of the logic circuit, the channel length L of the transistor and the overlap d between the source / drain-in and the gate should be as small as possible. Critical dimension is L. This is because the operating speed of the transistor circuit is approximately proportional to L −2 . This is important for semiconductor layers with relatively low fluidity.
이러한 고해상도 패턴은 현재의 잉크젯 프린팅 기술로는 달성할 수 없고, 심지어는 최신의 IJP 기술(도 6)로도 피처 사이즈 10-20㎛로 제한된다. 피쳐(feature)의 빠른 동작과 고밀도 팩킹이 필요하다면, 더 세밀한 피쳐 해상도를 가능하게 하는 기술이 채택되어야 한다. 아래에 서술되는 기술은 기판 표면의 잉크젯 방울을 한정하기 위해 잉크 표면 상호작용을 이용한다. 채널 길이를 더 작게 하는 것은 종래 기술보다는 상기 기술에 의해 달성될 수 있다.Such high resolution patterns are not achievable with current inkjet printing techniques, and are limited to feature sizes 10-20 μm even with the latest IJP techniques (FIG. 6). If fast action and high density packing are required, then a technique must be employed that allows for finer feature resolution. The technique described below uses ink surface interactions to define inkjet droplets on the substrate surface. Smaller channel lengths can be achieved by the technique than by the prior art.
상기 한정 기술은 기판에 증착물질을 고해상도를 가지고 용착되게 할 수 있다. 먼저, 상기 기판의 표면은 선택된 일부 표면이 용착되는 물질에 대하여 상대적으로 인력을 가지면서 덜 반발하도록 처리된다. 예를 들면, 일부 표면이 소수성을 가지면서 다른 일부 표면은 친수성을 가지도록 예비 패턴 처리된다. 상기 예비 패턴처리 단계가 고해상력 및/또는 정확한 레지스트레이션으로 행해짐으로써, 후속되는 증착이 정확하게 이루어질 수 있다. The confinement technique can deposit the deposition material on the substrate with high resolution. First, the surface of the substrate is treated such that the selected surface is less repulsive with relatively attractive force to the material to which it is deposited. For example, some surfaces are hydrophobic while others are prepatterned. The preliminary patterning step is performed with high resolution and / or accurate registration so that subsequent deposition can be made accurately.
도 7은 예비 패턴 처리의 일 실시예를 나타낸다. 도 7은 특히 세밀한 채널 길이(L)를 갖는 도 1(c)의 디바이스를 형성하는 것을 나타낸다. 도 1(c)와 마찬가지로 동일 도면 부호가 사용된다. 도 7(b)는 예비 처리된 기판상에 프린팅 및 잉크 제한을 나타낸다.7 shows one embodiment of preliminary pattern processing. FIG. 7 shows forming the device of FIG. 1 (c) with a particularly fine channel length L. FIG. The same reference numerals are used as in Fig. 1 (c). 7 (b) shows printing and ink limitations on the pretreated substrate.
소스-드레인 전극(2, 3)의 증착 전에, 얇은 폴리이미드 층(10)이 유리 시트(1) 위에 형성된다. 상기 폴리 이미드 층(10)은 상기 소스-드레인 전극이 형성되는 위치에서 제거되도록 세밀하게 패턴 처리된다. 상기 제거 단계는 고 해상력 및/또는 정확한 레지스트레이션이 가능한 사진 석판술에 의해 수행될 수 있다. 이러한 처리의 일 예에서, 상기 폴리이미드는 포토레지스트(11) 층으로 덮힐 수 있다. 상기 포토레지스트는 상기 폴리이미드가 제거되는 곳에서 제거될 수 있도록 사진 석판술로 패턴 처리된다. 다음, 상기 폴리이미드는 상기 포토레지스트가 저항력을 갖는 공정에 의하여 제거된다. 상기 폴리이미드는 상기 유리 기판이 상대적으로 친수성인 것과는 대조적으로 소수성을 갖기 때문에 선택된다. 다음, 소스-드레인 전극을 형성하는 PEDOT 물질이 잉크젯 프린팅에 의해 상기 친수성 기판 영역(12) 위로 증착된다. 상기 유리 기판 영역에 퍼져 있는 잉크 방울이 소수성 폴리이미드 영역(10)의 경계에 닿을 때, 상기 잉크는 반발되어 상기 소수성 표면 영역으로 흘러 들어가지 않는다. 이러한 한정 효과에 의해, 상기 잉크는 친수성 표면에만 증착되고, 작은 간격을 갖는 고해상도 패턴과 10㎛ 보다 작은 트랜지스터 채널 길이가 형성될 수 있다(도 7(b)). Before deposition of the source-
도 7(a)는 상기 폴리이미드가 제거되거나 폴리 이미드의 제거후 상대적인 표면 효과가 증대되는 공정의 일 실시예를 나타낸다. 상기 폴리이미드 층(10)과 상기 포토레지스트(11)은 산소 플라즈마에 노출된다. 상기 산소 플라즈마는 얇은(500Å) 상기 폴리이미드 층을 상기 두꺼운(1.5㎛) 포토 레지스트 층보다 빠르게 에칭한다. 상기 소스-드레인 전극 영역에 있는 상기 노출된 유리 표면(12)은, 상기 포토레지스트의 제거 전에 산소 플라즈마에 노출되므로써, 친수성으로 된다. 상기 폴리이미드를 제거하는 동안, 폴리이미드의 표면은 포토레지스트에 의해 보호되고 소수성을 유지하는 사실을 주목할 필요가 있다.Figure 7 (a) shows an embodiment of a process in which the relative surface effect is increased after the polyimide is removed or the polyimide is removed. The
필요하다면, 상기 폴리이미드의 표면은 CF4 플라즈마에 추가적으로 노출 시킴으로써 더욱 소수성화될 수 있다. CF4 플라즈마는 상기 폴리이미드 표면을 플루오렌화 할 뿐이며, 상기 친수성 유리 기판과는 상호 작용하지 않는다. 이 추가적인 플라즈마 처리는 상기 포토레지스트를 제거하기 전에 수행함으로써 상기 폴리이미드 패턴(10)의 측면만을 플루오렌화하거나, 상기 포토레지스트를 제거한 후에 할 수 있다.If desired, the surface of the polyimide can be made more hydrophobic by further exposure to CF 4 plasma. CF 4 plasma only fluorinates the polyimide surface and does not interact with the hydrophilic glass substrate. This additional plasma treatment may be performed before removing the photoresist to fluorenize only the side surface of the
산소 플라즈마 처리된 7059 유리에서 물 안 PEDOT/PSS의 접촉각은, 폴리이미드 표면에서의 접촉각 θPI≒70-80°와 대조적으로, θglass≒20°이다. 플루오렌화된 폴리이미드에서 물 안 PEDOT/PSS의 접촉각은 120°이다.The contact angle of PEDOT / PSS in water in oxygen plasma treated 7059 glass is θ glass ≒ 20 °, in contrast to the contact angle θ PI ≒ 70-80 ° on the polyimide surface. The contact angle of PEDOT / PSS in water in fluorinated polyimide is 120 °.
상술한 바와 같이 PEDOT/PSS층이 수용액으로부터 예비 패턴 처리된 폴리이미드 층으로 증착될 때, 비록 채널 길이(L)가 수 마이크론에 불과할 지라도(도 7(b)) PEDOT/PSS 잉크는 소스-드레인 전극 영역에 한정된다.As described above, when a PEDOT / PSS layer is deposited from an aqueous solution into a pre-patterned polyimide layer, the PEDOT / PSS ink is source-drain, even though the channel length L is only a few microns (Fig. 7 (b)). It is limited to the electrode region.
잉크 방울의 한정을 용이하게 하기 위해, 상기 잉크 방울의 운동 에너지는 가능한 작게 유지된다. 방울의 크기가 커질수록, 상기 퍼지는 방울이 친수성 한정 구조를 무시하거나 이웃한 친수성 영역으로 엎질러질 가능성이 커진다.In order to facilitate the definition of ink droplets, the kinetic energy of the ink droplets is kept as small as possible. The larger the droplet size, the greater the likelihood that the spreading droplet will ignore the hydrophilic confinement structure or spill into neighboring hydrophilic regions.
상기 잉크 방울(13)의 증착은 상기 잉크 방울의 중심과 폴리이미드 경계간의 거리 d에서 상기 기판(12)으로 행해지는 것이 바람직하다. 한편으로, d는 충분히 작아서 상기 퍼지는 잉크가 상기 경계에 닿고, 상기 PEDOT 필름이 상기 폴리이미드 경계 끝가지 뻗어갈 수 있게 할 필요가 있다. 다른 한편으로, d는 충분히 커서 빠르게 퍼지는 잉크가 상기 소수성 영역으로 엎질러지지 않도록 할 필요가 있다. 이것은 상기 폴리이미드(10) 상부의 PEDOT 증착이 TFT 길이를 한정할 위험을 증가시키고, 소스와 드레인 전극간에 짧은 회로를 형성할 수 있다. 0.4ng의 고체 성분을 함유한 PEDOT 방울이 인접하는 방울간 수평거리가 12.5㎛인 상태로 산소 플라즈마 처리된 7059 유리로 증착되기 위해서는, d≒30-40㎛이 적당한 것으로 발견되었다. 최적의 d 값은 연속적으로 증착된 방울 간의 수평거리를 의미하는 상기 증착 피치, 방울이 증착되는 주기 및 용액의 건조 시간뿐만 아니라 표면의 습식성에도 좌우된다.Deposition of the
트랜지스터의 채널 길이를 한정하는 소수성 한정층은 두번째 기능을 제공할 수 있다. 반도체 폴리머를 상기 트랜지스터의 채널 안에 증착시키는 후속적인 증착단계에서, 이것은 얼라이닝 공구로 사용될 수 있다. 폴리이미드층(10)은 기계적으로 연마되거나 사진정렬되고, 액정 반도체 폴리머(4)의 단일 영역 얼라인먼트를 제공하기 위하여 얼라인먼트 층(9, 도1(b))으로 사용될 수 있다. The hydrophobic confinement layer that defines the channel length of the transistor can provide a second function. In a subsequent deposition step of depositing a semiconductor polymer into the channel of the transistor, it can be used as an aligning tool. The
유사하게, 게이트 전극(6)은 게이트 절연층(5)의 상부에 형성된 패턴 처리된 층(14)에 의하여 한정될 수 있다. 상기 게이트 절연층(5)은 상기 게이트 전극이 증착되는 용액에 대하여 끌어 당기거나 반발하는 표면 영역을 갖는다. 상기 패턴 처리된 층(14)은 소스-드레인 패턴을 따라 정렬하여 소스/드레인과 게이트 전극 사이의 중첩영역을 최소화할 수 있다(도 7(c)).Similarly,
폴리이미드 이외의 물질이 상기 예비 패턴 처리된 층으로 사용될 수 있다. 사진 석판술 이외의 다른 정교한 예비 패턴 처리 기술이 사용될 수 있다.Materials other than polyimide can be used as the prepatterned layer. Sophisticated preliminary pattern processing techniques other than photolithography may be used.
도 8은 상대적으로 소수성이고 친수성 층 구조가 잉크젯 프린팅에 의해 증착된 액체 "잉크"를 한정하는 능력을 설명한다. 도 8은 상술한 바와 같이 상대적으로 소수성을 갖도록 처리된 얇은 폴리이미드 스트립(10)과, 상술한 바와 같이 상대적으로 친수성을 갖도록 처리된 넓은 유리 기판 영역(12)을 포함하는 기판의 광학 미세조직을 나타낸다. 소스-드레인 전극으로 사용되는 PEDOT 물질은 상기 스트립(10)에 근접한 라인(2, 3)에서 흐르는 일련의 방울을 잉크젯 프린팅함으로써 증착된다. 비록 잉크젯된 물질이 낮은 대조를 나타내지만, 상기 증착된 물질의 단부 표면(2,3)에서 상기 증착된 물질이 스트립(10)에 한정되어 스트립 두께(L=5㎛)에 이르고 있음을 알 수 있다.Figure 8 illustrates the ability of a relatively hydrophobic and hydrophilic layer structure to define a liquid "ink" deposited by inkjet printing. FIG. 8 shows an optical microstructure of a substrate comprising a
도 9는 폴리이미드 스트립(10) 부근에서 잉크젯 증착 과정을 보여주는 그림이다. 상기 이미지는 투명한 기판 아래에 장착된 스트로보스코프 카메라로 찍은 것이다. 상기 폴리이미드 패턴(10)의 단부는 흰 선으로 나타난다. 상기 잉크 방울(21)은 잉크젯 헤드(20)의 노즐로부터 분사되고, 그 방울 중심이 상기 폴리이미드 스트립(10)으로부터 거리 d만큼 떨어진 상태로 착지된다. 이러한 이미지는 상기 스트립 패턴(10)을 따라 상기 잉크젯 증착을 정교하게 국부적으로 얼라인먼트하고, 패턴 인식을 이용하는 국부적 얼라인먼트 과정을 자동화하는데 사용될 수 있다 (하기 설명 참조). 9 shows an inkjet deposition process in the vicinity of the
도 10과 도 11은 도 7(c)의 방법으로 형성되며, 상술한 차동 습윤 프로세스로 정의되는 각각의 채널 길이(L)가 20㎛, 7㎛인 트랜지스터의 출력 및 전달 특성을 나타낸다. 각각의 경우에 있어, 상기 채널 너비는 3mm이다. 도 10(a)는 20㎛ 디바이스의 출력 특성을 나타낸다. 도 10(b)는 7㎛ 디바이스의 출력 특성을 나타낸다. 10 and 11 show the output and transfer characteristics of transistors formed by the method of FIG. 7 (c), each channel length L of which is defined by the aforementioned differential wetting process, 20 μm, 7 μm. In each case, the channel width is 3 mm. 10 (a) shows the output characteristics of a 20 μm device. 10 (b) shows the output characteristics of a 7 μm device.
도 11(a)는 20㎛ 디바이스의 전달 특성을 나타낸다. 도 11b는 7 μm 디바이스의 전달 특성을 보여주고 있다. 7 μm 디바이스는 작은 소오스-드레인 전압에서는 전류가 감소되고 포화 상황에서는 출력 컨덕턴스가 한정되는 특징적인 짧은 채널 동작을 보여준다. 쇼트 채널의 이동성 및 온-오프 전류비는 위에서 논의한 긴 채널 디바이스의 그것과 유사하다. 즉 μ = 0.005 - 0.01 cm2/Vs, ION/IOFF = 104 - 105 이다.11 (a) shows the transfer characteristics of a 20 μm device. 11B shows the transfer characteristics of a 7 μm device. The 7 μm devices show characteristic short channel operation with reduced current at small source-drain voltages and limited output conductance at saturation. The mobility of the short channel and the on-off current ratio are similar to that of the long channel device discussed above. That is μ = 0.005 - 0.01 cm 2 / Vs, I ON / I OFF = 10 4 - 10 5 to be.
잉크 제한은 소수성 및 친수성 표면의 축축한 성질의 차이의 결과이며, 지형상의 프로파일(topographic profile)의 존재를 필요로 하지 않는다. 상기한 실시예에서, 폴리이미드 필름은 매우 얇게 만들어질 수 있다 (500Å). 이것은 액체 상태에서의 잉크 방울의 크기(수 마이크로미터)보다 훨씬 작다. 따라서, 기판 예비-패턴을 형성하기 위한 다른 방법들, 예컨대 패턴화된 자기 결합 모노층(SAM), 예를 들어 소수성 알킬 또는 트리플루오로프로필-트리메톡시실리안 등의 플루오르 군 또는 알콕시군 등의 극성군을 함유하는 SAM으로 유리 기판의 표면을 기능화하는 방법을 사용할 수 있다. SAM은 새도우 마스크를 통한 UV 광선 노출(H. Sugimura 등이 Langmuir 2000, 885 (2000)에 발표) 또는 미소접촉 프린팅( Brittain 등이 Physics World May 1998, p.31에 발표)과 같은 적절한 방법에 의해 패턴화될 수 있다. Ink restriction is the result of the difference in the moist properties of the hydrophobic and hydrophilic surfaces and does not require the presence of a topographic profile. In the above embodiment, the polyimide film can be made very thin (500 mm 3). This is much smaller than the size of the ink droplets in the liquid state (several micrometers). Thus, other methods for forming substrate pre-patterns, such as polarized groups such as fluorine groups or alkoxy groups, such as patterned magnetically bonded monolayers (SAMs) such as hydrophobic alkyl or trifluoropropyl-trimethoxysilane, etc. The method of functionalizing the surface of a glass substrate with SAM containing a group can be used. SAM can be applied by appropriate methods such as UV light exposure through shadow masks (H. Sugimura et al., Published in Langmuir 2000, 885 (2000)) or microcontact printing (Britain et al. Published in Physics World May 1998, p.31). Can be patterned.
예비-패턴화는 TFT의 층의 증착에 앞서 수행되기 때문에, 기판의 예비-패턴화는 위에서 설명한 처리 흐름과 손쉽게 양립한다. 따라서, 넓은 범위의 패턴화 및 프린팅 방법은 폴리머 층을 열화시킬 위험없이 고해상도의 예비-패턴을 발생시키는데 사용될 수 있다. Since the pre-patterning is performed prior to the deposition of the layer of the TFT, the pre-patterning of the substrate is easily compatible with the processing flow described above. Thus, a wide range of patterning and printing methods can be used to generate high resolution pre-patterns without the risk of degrading the polymer layer.
유사한 방법들이 작은 중첩 성능을 달성할 수 있도록 게이트 전극의 증착에 앞서 게이트 절연 층 또는 표면 변형 층의 표면을 예비-패턴화하는데 응용될 수 있다. 도 7c에 도시한 바와 같이, 게이트 전극(6)은 패턴화된 층(14)에 의해 한정될 수도 있다. 그러한 예비-패턴화의 한가지 실시예는 클로로실란 또는 옥타데실트리클로로실란 등의 메톡시 실란 군을 함유하는 자기 결합 모노층(SAM)의 미소 접촉 프린팅 또는 UV 포토패턴화이다. 이들 분자는 SiO2 또는 유리 기판의 표면 상에서 안정된 모노층을 형성하며, 이 기판에서 상기 분자는 극성 표면 상의 하이드록시 군에 화학적으로 결합하여 표면을 소수 상태로 만든다. PVP 또는 PMMA 등의 게이트 유전체 폴리머의 표면 상에 유사한 모노층을 형성하는 것이 가능하다는 사실을 본 발명자들은 발견하였다. 이것은 PVP 표면 상의 하이드록시 군에 분자들이 결합하는 것에 기인하는 것으로 믿어진다. SAM 피복된 소수성 영역에 의해 둘러싸인 소오스-드레인 전극과 잘 한정된 작은 중첩 부분을 갖는 미세한 소수성 라인으로 이루어진 표면 자유 에너지 패턴은 부드러운 석판 스탬핑에 의해 쉽게 한정될 수 있다. 아래에 있는 소오스-드레인 전극에 대하여 스탬프 패턴을 정렬하기 위하여, 스탬핑은 광학 현미경 또는 마스크 정렬 디바이스 아래에서 수행될 수 있다. 유도가 이루어질 때, 물에 기반을 둔 폴리머 잉크는 자기 정합 모노층(SAM)에 의해 한정되는 미세한 친수성 라인에 한정된다. 이렇게 하여, 패턴이 형성되지 않은 게이트 유전체 층 위의 통상적인 라인 폭보다 더 작은 라인 폭을 얻을 수 있다. 이 결과, 소오스-드레인 대 게이트 중첩 용량은 감소한다. Similar methods can be applied to pre-pattern the surface of the gate insulating layer or surface modification layer prior to the deposition of the gate electrode so that small overlapping performance can be achieved. As shown in FIG. 7C, the
예비 패턴화된 기판의 도움으로, 본 명세서에 설명되는 TFT 및 비아홀을 통한 조립 공정에 기초하는 고속 논리 회로를 조립할 수 있다. With the help of a pre-patterned substrate, it is possible to assemble a high speed logic circuit based on the assembly process through the TFTs and via holes described herein.
큰 면적상에서의 트랜지스터 회로의 조립을 위한 중요한 요건 중의 하나는 기판 상의 패턴에 대한 증착의 정합 및 정렬이다. 큰 면적 위에서 왜곡을 나타내는 유연한 기판 상에서 적절한 정합을 얻는 것은 특히 어렵다. 후속하는 패턴화 단계 사이에서 기판이 뒤틀리면, 석판 프린팅 공정에서의 다음 마스크 레벨은 더 이상 아래의 패턴과 중첩되지 않게 된다. 잉크젯 헤드의 위치는 기판 상의 패턴에 대해 국부적으로 조정될 수 있기 때문에, 여기서 개발된 고해상도 잉크젯 프린팅 공정은 플라스틱 기판 상의 큰 면적에 걸친 정확한 정합을 달성하기에 적합하다 (도 9). 이 국부적인 정렬 공정은 잉크젯 헤드의 위치를 교정하기 위하여 피드백 기구와 조합되는 도 9의 경우와 같은 이미지를 사용하는 패턴 인식 기술을 이용하여 자동화될 수 있다. One of the important requirements for the assembly of transistor circuits over large areas is the matching and alignment of the deposition on the pattern on the substrate. It is particularly difficult to achieve proper registration on a flexible substrate that exhibits distortion over a large area. If the substrate is warped between subsequent patterning steps, the next mask level in the lithographic printing process no longer overlaps with the pattern below. Since the position of the inkjet head can be locally adjusted relative to the pattern on the substrate, the high resolution inkjet printing process developed here is suitable for achieving accurate registration over a large area on a plastic substrate (FIG. 9). This local alignment process can be automated using a pattern recognition technique using an image as in the case of FIG. 9 combined with a feedback mechanism to correct the position of the inkjet head.
위에서 설명한 유형의 디바이스를 사용하여 다중 트랜지스터 집적회로를 형성하기 위하여, 비아홀이 디바이스의 두께를 통해 직접 상호 연결되도록 하는 것이 바람직하다. 이에 의해 이러한 회로는 특히 작게 형성될 수 있다. 그러한 상호 연결을 이루는 한가지 방법은 용제로 형성된 비아홀을 사용하는 것이다. 이에 대해서 는 이하에서 상세히 설명하기로 한다. 이 방법은 위에서 설명한 TFT의 용액 처리 층의 어느 것도 녹지 않는 형태로 변환되지 않는다는 장점을 갖는다. 이에 의해 용제의 국부적인 증착에 의해 비아홀이 개방된다. In order to form a multi-transistor integrated circuit using a device of the type described above, it is desirable for the via holes to be directly interconnected through the thickness of the device. Thereby, such a circuit can be formed particularly small. One way to achieve such interconnection is to use a via hole formed of a solvent. This will be described in detail later. This method has the advantage that none of the solution treatment layers of the TFTs described above are converted to an insoluble form. This opens the via holes by local deposition of the solvent.
용제에 의해 형성되는 비아홀(도 12a)을 만들기 위하여, 적절한 양의 용제(29)는 비아홀이 형성되어야 하는 층의 상부에 국부적으로 증착된다. 용제는 비아홀이 형성되는 하부 층을 녹일 수 있도록 선택된다. 용제는 비아홀이 형성될 때까지 점진적인 용해에 의해 층 속으로 스며든다. 용해된 물질은 비아홀의 측벽 W 상에 증착된다. 용제의 유형 및 그 증착 방법은 개개의 적용분야에 따라 선택이 가능하다. 그러나, 다음의 네 가지 경우가 바람직하다. In order to make the via holes (FIG. 12A) formed by the solvent, an appropriate amount of solvent 29 is deposited locally on top of the layer where the via holes are to be formed. The solvent is selected to melt the lower layer where the via holes are formed. The solvent seeps into the layer by gradual dissolution until the via hole is formed. The dissolved material is deposited on the sidewalls W of the via holes. The type of solvent and its deposition method can be selected according to the individual application. However, the following four cases are preferable.
1. 용제가 증발되거나 그렇지 않으면 후속하는 공정을 방해하지 않고 디바이스의 과도한 또는 부정확한 용해를 야기하지 않도록 쉽게 제거될 수 있도록 용제 및 공정 조건이 이루어져야 한다. 1. Solvent and process conditions should be such that the solvent can be easily removed so that it does not evaporate or otherwise interfere with subsequent processes and cause excessive or incorrect dissolution of the device.
2. 용제는 IJP 등의 선택적인 공정에 의해 증착되어야 하며, 이에 의해 정확히 제어된 양의 용제가 정확히 기판 상의 원하는 지점에 인가될 수 있다. 2. The solvent must be deposited by an optional process such as IJP, whereby a precisely controlled amount of solvent can be applied exactly to the desired point on the substrate.
3. 비아홀의 직경은 용제 방울의 표면 장력 및 용제의 기판을 적시는 능력에 의해 영향을 받는다. 3. The diameter of the via hole is affected by the surface tension of the solvent droplet and the ability to wet the substrate of the solvent.
4. 용제는 전기 연결이 이루어져야 하는 하부 층을 용해하지 않는다. 4. The solvent does not dissolve the lower layer to which the electrical connection should be made.
도 12a는 도 1c에 예시한 일반적인 유형의 부분 형성 트랜지스터 디바이스 상에 메탄올 용제 방울(29)(방울 당 20ng 함유)을 증착하는 것을 보여주고 있다. 도 12a의 부분적인 디바이스는 1.3 μm 두께의 PVP 절연층(28)과, F8T2 반도체 층(27)과, PEDOT 전극 층(26)과, 유리 기판(25)을 포함하고 있다. 이 예에서는, 절연 PVP 층을 통해 비아홀을 형성하는 것이 바람직하다. 메탄올은 쉽게 PVP를 녹이는 능력 때문에 용제로서 선택된다. 그 이유는 후속하는 공정을 방해하지 않도록 쉽게 증발할 수 있고, PVP의 만족할만한 습한 성질을 가지고 있기 때문이다. 이 예에서 비아홀을 형성하기 위하여, IJP 프린팅 헤드는 비아홀이 형성되어야 하는 기판 상의 지점으로 이동한다. 그런 다음 비아홀이 형성될 때까지 필요한 수의 적절한 크기의 메탄올 방울이 IJP로부터 떨어진다. 연속적으로 방울이 떨어지는 간격은 메탄올이 디바이스의 층을 용해하는 비율과 일치하도록 선택된다. 각각의 방울은 다음 방울이 증착되기 전에 완전히 또는 거의 완전히 증발되는 것이 바람직하다. 비아홀이 바닥의 비극성 반도체 층에 도달할 때, 하부 층이 제거되지 않도록 에칭 공정은 중단되는 점에 주목할 필요가 있다. 이소프로판올, 에탄올, 부탄올 또는 아세톤 등의 다른 용제를 또한 사용할 수 있다. 처리량을 높이기 위해서, 단일 용제 방울의 증착에 의해 비아홀을 형성하는 것이 바람직하다. 300 nm 두께의 필름과 30pl의 체적 및 50μm의 직경을 갖는 방울의 경우, 용제 내의 층의 용해 능력은 체적당 1 - 2 중량% 보다 높아야 한다. 단일 방울로 비아홀을 형성할 필요가 있는 경우에는 더 높은 비등점이 필요하다. PVP의 경우, 225℃의 비등점을 갖는 1,2-디메틸-2-이미다졸리디논(DMI)이 사용될 수 있다. FIG. 12A shows depositing a methanol solvent droplet 29 (containing 20 ng per droplet) on the partially formed transistor device of the general type illustrated in FIG. 1C. The partial device of FIG. 12A includes a 1.3 μm thick
도 12b는 비아홀이 형성된 지점 상에 순차적으로 메탄올을 여러 방울 떨어뜨리는 것을 보여주고 있다. 오른쪽 패널은 1, 3 및 10 방울을 떨어뜨린 후의 디바이스의 현미경 사진을 보인 것이다. 왼쪽 패널은 비아홀이 형성될 때 비아홀에 걸친 동일한 디바이스의 덱탁(Dektak) 표면 프로파일 측정을 보인 것이다. (비아홀의 지점은 각각의 패널에서 위치 "V"로 표시되어 있다.) 동일한 지점에 순차적으로 여러 방울이 증착되면, PVP필름 내에 패인 홀이 형성된다. 패인 홀의 깊이는 방울이 연속해서 떨어짐에 따라 증가하며, 대략 6 방울이 떨어진 후에는 하부의 F8T2 층의 표면이 노출된다. 이 용해된 PVP 물질은 비아홀의 측면의 벽 W 내에 증착된다. 비아홀의 직경은 대략 50 μm 이며, 이는 방울의 크기에 의해 제한된다. 이 크기는 논리 회로, 대형 디스플레이 디바이스 등의 많은 응용 분야에서 적절하다. FIG. 12B shows several drops of methanol sequentially over the point where the via holes were formed. The right panel shows micrographs of the device after dropping 1, 3 and 10 drops. The left panel shows the Dektak surface profile measurement of the same device across the via holes when via holes were formed. (The point of the via hole is indicated by the position "V" in each panel.) When several drops are sequentially deposited at the same point, a hollow hole is formed in the PVP film. The depth of the indentation increases as the drops drop continuously, and after approximately six drops fall the surface of the underlying F8T2 layer is exposed. This dissolved PVP material is deposited in the wall W of the side of the via hole. The diameter of the via hole is approximately 50 μm, which is limited by the size of the droplets. This size is suitable for many applications such as logic circuits and large display devices.
비아홀의 직경은 잉크젯 용제 방울의 크기에 의해 결정된다. 홀의 깊이는 방울의 직경에 비례하는 것으로 관측되었다 (도 12c 참조). 측벽의 외경은 첫 번째 방울의 크기 및 살포에 의해 결정되며, 이는 용해되는 폴리머 층의 두께와는 무관하다. 폴리머의 두께가 증가하면, 측벽의 내경은 감소한다. 고해상도 디스플레이디바이스와 같이 더 작은 홀이 요구되는 분야에서는, 더 작은 방울 크기가 사용될 수도 있고, 기판 표면이 위에서 설명한 바와 같이 표면 상의 방울을 한정하는 적절한 방법에 의해 예비 패턴화될 수도 있다. 다른 용제를 또한 사용할 수도 있다. The diameter of the via hole is determined by the size of the ink jet solvent droplet. The depth of the hole was observed to be proportional to the diameter of the drop (see FIG. 12C). The outer diameter of the sidewalls is determined by the size and sparging of the first drop, which is independent of the thickness of the polymer layer being dissolved. As the thickness of the polymer increases, the inner diameter of the sidewalls decreases. In applications where smaller holes are required, such as high resolution display devices, smaller droplet sizes may be used and the substrate surface may be prepatterned by a suitable method of confining droplets on the surface as described above. Other solvents may also be used.
표면 프로파일의 측정을 통해 비아홀의 형성에 의해 물질이 용해되어 비아홀의 가장자리로 변위할 수 있고, (도 12b에서 W로 도시한 바와 같이) 용제가 증발된 후에는 그 상태로 유지된다. 변위된 물질은 도 12b에 예시된 것보다 더욱 매끄러운 형태로 이루어짐에 주목할 필요가 있다. 도면 12b의 표면 프로파일 그래프의 x 및 y 축의 축척은 다르다 (x는 μm, y는 Å).The measurement of the surface profile allows the material to dissolve and displace to the edge of the via hole by the formation of the via hole and remain intact after the solvent has evaporated (as indicated by W in FIG. 12B). It should be noted that the displaced material is of a smoother shape than illustrated in FIG. 12B. The scales of the x and y axes of the surface profile graph of FIG. 12b are different (x is μm, y is Å).
비아홀 형성을 위한 메커니즘, 즉 측벽에 대한 물질의 이동은 잘 알려진 커 피-스테인(coffee-stain) 효과의 그것과 유사한 것으로 믿어진다. 이 효과는 용질을 함유하고 있는 건조되고 있는 방울의 접촉 라인이 고착되면 발생한다. 고착은 예를 들어 표면 거칠기 또는 화학적 이종으로 인하여 발생할 수도 있다. 양호한 용제의 증착은 용해 중에 언제나 표면 거칠기를 발생시킨다는 점에 주목할 필요가 있다. 용제가 증발할 때, 접촉 라인 부근에서 증발하는 용제를 교체하기 위하여 모세관 흐름이 발생한다. 접촉 라인 부근에서의 표면 대 벌크 비율은 크기 때문에 더 많은 용제가 접촉 라인 부근에서 증발한다. 모세관 흐름 속도는 통상적인 확산 속도와 비교하여 크다. 따라서, 용질은 방울의 가장자리로 전달되고, 용질 증착은 림 근처에서만 발생하며, 건조되고 있는 방울의 중앙에서는 발생하지 않는다 (R.D. Deegan 외, Nature 389, 827 (1997)). 용질의 확산은 측벽을 형성하기보다는 용제가 건조되면 전체 영역에 걸쳐서 폴리머의 균질한 재증착을 장려하는 경향이 있다. 모세관 흐름 속도 v(r)(여기서, r: 중심으로부터의 거리, R: 방울의 반경)이 (R-r)-λ (여기서, λ = (π-2θc)/(2π-2θc))에 비례하는 것은 이론에 의해 예측된다. 따라서, λ가 증가하면 v가 증가한다. 즉 접촉 각 θc가 감소한다. 따라서, 접촉 각이 작으면 작을수록 가장자리에서의 증착은 더욱 빨리 일어난다. The mechanism for the formation of via holes, ie the movement of material about the sidewalls, is believed to be similar to that of the well-known coffee-stain effect. This effect occurs when the contact lines of the dried droplets containing the solute are stuck. Sticking may also occur due to, for example, surface roughness or chemical heterogeneity. It should be noted that deposition of good solvents always results in surface roughness during dissolution. As the solvent evaporates, a capillary flow occurs to replace the solvent that evaporates near the contact line. Because of the large surface-to-bulk ratio near the contact line, more solvent evaporates near the contact line. Capillary flow rates are large compared to conventional diffusion rates. Thus, solutes are transferred to the edges of the droplets, solute deposition occurs only near the rim and not at the center of the droplets being dried (RD Deegan et al., Nature 389, 827 (1997)). Diffusion of solutes tends to encourage homogeneous redeposition of the polymer over the entire area as the solvent dries, rather than forming sidewalls. Capillary flow velocity v (r) is proportional to (where, r:: distance from the center, the radius R of the drops) is (Rr), -λ (where, λ = (π-2θ c ) / (2π-2θ c)) Is predicted by theory. Therefore, v increases as lambda increases. In other words, the contact angle θ c decreases. Thus, the smaller the contact angle, the faster deposition at the edges occurs.
따라서, 비아홀을 형성하는 경우, (가) 초기 방울의 접촉 라인을 고정시키고, (나) 용해되는 폴리머 상부에서의 방울의 접촉 각이 충분히 작고, (다) 폴리머 용질 확산이 무시될 수 있도록 용제의 증발이 충분히 빠른 것이 중요하다. PVP 상 의 IPA의 경우, 접촉 각은 약 12°이고, 방울은 1 초 미만의 시간 이내에 건조된다.Thus, when forming via holes, (a) the contact lines of the initial droplets are fixed, (b) the contact angles of the droplets on top of the polymer being dissolved are sufficiently small, and (c) the solute diffusion of the polymer is negligible. It is important that the evaporation be fast enough. For IPA on PVP, the contact angle is about 12 ° and the droplets are dried within less than 1 second.
접촉 각이 작으면 작을수록, 방울 내에서의 모세관 흐름 속도는 더욱 빨라진다. 다시 말해서, 측벽의 형성이 더욱 확실해진다. 그러나, 다른 한편으로, 접촉 각이 작으면 작을수록 방울의 직경은 더욱 커진다. 따라서, 최적의 접촉 각은 잘 한정된 측벽을 갖는 직경이 작은 비아홀을 얻을 수 있는 각이다. 양호한 용제에 있어서 더 큰 접촉 각을 얻기 위하여, 기판의 표면은 예를 들어 용제의 침투 방지성이 큰 자기 결합 모노층으로 처리될 수도 있다. 자기 결합 모노층은 용제의 증착을 작은 영역으로 한정하기 위하여 소수성 및 친수성 표면 영역을 제공하기 위해 패턴화될 수도 있다. The smaller the contact angle, the faster the rate of capillary flow in the droplet. In other words, the formation of the side walls becomes more certain. On the other hand, however, the smaller the contact angle, the larger the diameter of the droplet. Thus, the optimum contact angle is the angle at which a small diameter via hole with well defined sidewalls can be obtained. In order to obtain a larger contact angle in a good solvent, the surface of the substrate may be treated with, for example, a magnetically bonded monolayer which is highly resistant to penetration of the solvent. The magnetically bonded monolayer may be patterned to provide hydrophobic and hydrophilic surface regions to limit deposition of the solvent to small regions.
비아홀의 깊이 및 에칭 비율은 떨어지는 용제의 방울 수, 증착 빈도 및 기판 용해 비율과 비교되는 용제의 증발 비율의 조합에 의해 제어될 수 있다. 증착이 이루어지는 환경 및 기판의 온도는 증발 비율에 영향을 미칠 수도 있다. 용제에 용해되지 않거나 매우 서서히 용해되는 물질로 된 층은 용해의 깊이를 제한하는데 사용될 수도 있다. The depth and etch rate of the via hole can be controlled by the combination of the number of drops of solvent falling, the deposition frequency and the evaporation rate of the solvent compared to the substrate dissolution rate. The environment in which the deposition takes place and the temperature of the substrate may affect the evaporation rate. Layers of materials that do not dissolve in the solvent or dissolve very slowly may be used to limit the depth of dissolution.
TFT의 층은 극성 층 및 비극성 층이 교대로 배치되어 구성되기 때문에, 에칭이 잘 한정된 깊이에서 중단되도록 용제 및 용제 조합을 선택할 수 있다. Since the layer of the TFT is configured by alternately arranging the polar layer and the nonpolar layer, the solvent and the solvent combination can be selected so that the etching is stopped at a well defined depth.
비아홀을 통해 접촉할 수 있도록 하기 위하여 비아홀 내로 연장되고 비아홀의 바닥에서 물질과 전기적으로 연결될 수 있도록 도체 층이 그 위에 증착될 수 있다. 도 13a는 도 12a에 도시한 유형의 디바이스를 보여주고 있지만, 위에서 설명한 바와 같은 비아홀을 형성한 후에 형성되는 금으로 된 전극(25)을 포함하고 있다. A conductor layer may be deposited thereon to extend into the via hole and to be electrically connected to the material at the bottom of the via hole to allow contact through the via hole. FIG. 13A shows a device of the type shown in FIG. 12A but includes a
도 13은 바닥 PEDOT 전극(26)과 PVP 게이트 절연 층(28)의 상부에 증착된 도체 전극(29) 사이에서 측정되는 전류 전압 특성을 곡선(30)으로 보여주고 있다. 비아홀의 직경은 50 μm 이었다. 비교를 위하여, 곡선(31)은 기준 샘플을 보여주고 있다. 이 곡선에서는 상부 및 바닥 전극 사이의 중첩 영역에는 비아홀이 위치하고 있지 않다. 특성은 비아홀을 통한 전류는 그 크기가 비아홀이 없는 게이트 절연 디바이스를 통과하는 누설 전류의 수배인 것을 명확히 보여주고 있다. 측정된 비아홀을 통과하는 전류는 개개의 PEDOT 전극의 전도성 측정을 수행함으로써 알 수 있는 바와 같이, PEDOT 전극의 전도성에 의해 제한된다. 이것은 비아홀의 저항에 의해서는 제한되지 않기 때문에, 비아홀 저항 RV의 하한치만이 이들 측정으로부터 얻어질 수 있다: RV < 500 kΩ.FIG. 13 shows a
도 12와 관련하여 위에서 설명한 비아홀 형성 방법은 (도 1c에 도시한 바와 같은) 확산 장벽를 갖지 않는 소모형 디바이스 및 비아홀이 형성된 후에 확산 장벽가 증착되는 디바이스에 직접 적용될 수 있다. 도 14a는 비아홀이 형성되고, 그 후에 확산 장벽 층이 개재됨이 없이 게이트 전극이 증착된 디바이스를 보여주고 있다. 도 14b는 비아홀의 형성 후에, 게이트 전극(6)이 증착되기 전에 확산 장벽 폴리머(7)가 형성된 디바이스를 보여주고 있다. 이 경우, 확산 장벽 층은 비아홀 저항 RV를 최소화하기 위하여 양호한 전하 운반 특성을 나타낼 필요가 있다. 적절한 확산 장벽는 도 5a에 도시한 바와 같은 얇은 TFB 층이다.
The via hole forming method described above with respect to FIG. 12 can be applied directly to consumable devices that do not have a diffusion barrier (as shown in FIG. 1C) and to devices in which the diffusion barrier is deposited after via holes are formed. FIG. 14A shows a device in which via holes are formed, and then gate electrodes are deposited without interposing a diffusion barrier layer. FIG. 14B shows the device in which the
낮은 접촉 저항이 요구되는 경우, 비아홀 위치에서 반도체 층이 또한 제거될 수 있다. 이것은 확산 장벽이 형성된 후에 이루어지는 바람직하다. 확산 장벽(7) 및 반도체 폴리머(4)는 양호한 용제 - 이 예에서는 크실렌 - 의 IJP 증착에 의해 국부적으로 용해될 수 있다. 반도체 물질 및 절연 물질 모두에 대해 양호한 용제를 혼합함으로써, 이들 층 모두는 동시에 용해될 수 있다. 이에 후속하여 게이트 전극의 증착이 이루어진 디바이스가 도 14c에 도시되어 있다. If low contact resistance is required, the semiconductor layer can also be removed at the via hole location. This is preferably done after the diffusion barrier is formed. The
용제의 혼합물은 용해될 층 위의 용제 혼합물의 접촉 각을 증가시킴으로써 비아홀의 직경을 감소시키는데 또한 사용될 수 있다. 비아홀의 상호 연결을 형성한 후에 그것을 연결하기 위하여 도체 물질을 증착하는 또 다른 방법은 도체가 될 수 있도록 하부 층의 기판을 국부적으로 변형할 수 있는 재료를 국부적으로 증착하는 것이다. 일례로 하나 또는 다수의 층 안으로 확산될 수 있는 이동 가능한 불순물을 함유하는 용액의 국부적인 IJP 증착이 있다. 이것은 도 14d에 예시되어 있다. 영역(32)은 불순물을 가지고 처리하여 도체가 된 물질을 가리킨다. 불순물은 N,N'-디페닐-N,N'-비스(3-메틸페닐)-(1.1'-비페닐)-4,4'-디아민(TPD) 따위의 트리아릴라민 등의 작은 공액 분자일 수 있다. 불순물은 용제의 경우처럼 전달되는 것이 바람직하다. The mixture of solvents can also be used to reduce the diameter of the via holes by increasing the contact angle of the solvent mixture on the layer to be dissolved. Another method of depositing a conductor material to form interconnects after via holes is to deposit locally a material that can locally deform the substrate of the underlying layer to become a conductor. One example is local IJP deposition of a solution containing movable impurities that can diffuse into one or multiple layers. This is illustrated in Figure 14d.
PVP 유전체 층을 통한 비아홀 형성 방법은, 예를 들어 도 15에 도시한 바와 같은 논리 인버터 디바이스에서 요구되는 하부 층 내에서의 소오스 또는 드레인 전극에 TFT의 게이트 전극을 연결하는데 사용될 수 있다. 유사한 비아홀 연결이 대부분의 논리 트랜지스터 회로에서 요구된다. 도 16은 도 15b에서와 같이 두 개의 정 상적 오프 트랜지스터 디바이스와 함께 형성된 향상-부하 인버터 디바이스의 특성을 그래프로 보여주고 있다. 채널 길이 비율(W/L)에 대한 채널 폭의 비율이 다른 두 개의 인버터가 도시되어 있다 (그래프 35 비율 3:1, 그래프 36 비율 5:1). 입력 전압이 논리 낮음에서 논리 높음으로 변할 때 논리 높음(-20V)에서 논리 낮음(≒0V)으로 변하는 것을 알 수 있다. 인버터의 이득, 다시 말해서 특성의 최대 경사는 1보다 크다. 이것은 링 발진기 따위의 더욱 복잡한 회로의 조립을 허용하는데 필요한 조건이다. A method of forming a via hole through a PVP dielectric layer can be used to connect the gate electrode of a TFT to a source or drain electrode in a lower layer required in a logic inverter device as shown, for example, in FIG. Similar via hole connections are required in most logic transistor circuits. FIG. 16 graphically illustrates the characteristics of an enhancement-load inverter device formed with two normal off transistor devices as in FIG. 15B. Two inverters with different ratios of channel width to channel length ratio (W / L) are shown (
위에서 설명한 바와 같은 비아홀은 다른 층에서의 상호 연결 라인 사이의 전기적인 연결을 제공하는데 또한 사용될 수 있다. 복잡한 전자 회로의 경우, 다중 레벨의 상호 연결 구조가 요구된다. 이것은 양립될 수 있는 용제로부터 증착된 일련의 상호 연결부(72)와 각기 다른 유전체 층(70)(71)을 증착함으로써 형성된다 (도 15d). 그런 다음, 비아홀(73)은 위에서 설명한 방식으로 형성된다. 상호 연결 라인은 자동 에칭 중단 기능을 제공한다. Via holes as described above may also be used to provide electrical connections between interconnect lines in other layers. For complex electronic circuits, multiple levels of interconnect structure are required. This is formed by depositing a series of
적절한 유전체 물질의 예로서, PVP 따위의 극성 폴리머(70)와 폴리스티렌 따위의 비극성 유전체 폴리머(71)가 있다. 이들은 극성 및 비극성 용제로부터 교대로 증착될 수 있다. 하부 유전체 층이 에칭 중단 층을 제공하는 한, 비아홀은 각각의 유전체 층의 양호한 용제의 국부적인 증착에 의해 형성될 수 있다. Examples of suitable dielectric materials include
위에서 설명한 유형의 디바이스의 재료 및 증착 공정을 선택함에 있어서, 각각의 층이 바로 아래의 층을 사실상 용해하지 않는 용제로부터 증착되는 경우 큰 장점을 얻을 수 있음에 주목할 필요가 있다. 이렇게 하여, 용액의 처리에 의해 연속적으로 층이 형성될 수 있다. 그러한 재료 및 공정 단계의 선택을 단순화하는 한가지 방법은 위에서 설명한 연속되는 층으로서 예시된 바와 같이, 극성 및 비극성 용제로부터 교대로 둘 이상의 층을 증착하는 것이다. 이렇게 하여 용해가능한 도체, 반도체 및 절연체 층을 포함하는 다층 디바이스를 쉽게 형성할 수 있다. 이에의해 하부 층의 용해 및 팽창의 문제를 피할 수 있다. In selecting the material and deposition process of the device of the type described above, it should be noted that a great advantage can be obtained if each layer is deposited from a solvent that virtually does not dissolve the layer immediately below. In this way, layers can be formed continuously by treatment of the solution. One way to simplify the selection of such materials and process steps is to deposit two or more layers alternately from polar and nonpolar solvents, as illustrated by the continuous layers described above. This makes it easy to form a multilayer device comprising soluble conductor, semiconductor and insulator layers. This avoids the problem of dissolution and expansion of the underlying layer.
위에서 설명한 디바이스의 구조, 물질 및 공정은 단지 본 발명을 설명하기 위한 예에 지나지 않으며, 따라서 여러 가지로 변경이 가능하다. The structure, materials, and processes of the devices described above are merely examples for describing the present invention, and thus various modifications are possible.
도 1에 도시한 상부-게이트 구성과는 다른 디바이스 구성을 사용할 수 있다. 또 다른 구성은 도 17에 도시된 더욱 표준적인 바닥-게이트 구성이다. 필요하다면, 확산 장벽(7) 및 표면 변형층(8)을 포함시킬 수도 있다. 도 17에서, 유사한 부분에 대해서는 도 1에서 사용한 도면 부호를 부여하였다. 층 순서가 다른 기타 디바이스 구성을 또한 사용할 수 있다. 트랜지스터와는 다른 디바이스가 아날로그 방식으로 형성될 수도 있다. Device configurations other than the top-gate configuration shown in FIG. 1 may be used. Another configuration is the more standard bottom-gate configuration shown in FIG. 17. If necessary, a
PEDO/PSS는 용액으로부터 부착될 수 있는 임의의 전도성 폴리머로 교체될 수 있다. 그러한 것의 예에는 폴리아닐린 또는 폴리피롤이 포함된다. 그러나, PEDO/PSS의 흥미로운 특징들 중 일부 특징으로는, (a) 본래부터 확산성이 낮은 폴리머 도펀트(polymeric dopant)(PSS)라는 것, (b) 양호한 열 안정성 및 공기 중의 안정성이 있다는 것, 그리고 (c) 효율적인 홀 전하 캐리어 주입을 허용하는 공통 홀 전달 반도체 폴리머의 전리 포텐셜에 잘 맞는 약 5.1 eV의 작동 기능 등이다.PEDO / PSS can be replaced with any conductive polymer that can be attached from solution. Examples of such include polyaniline or polypyrrole. However, some of the interesting features of PEDO / PSS include: (a) inherently low diffusible polymeric dopant (PSS), (b) good thermal stability and stability in air, And (c) an operating function of about 5.1 eV well suited to the ionization potential of a common hole transfer semiconductor polymer allowing efficient hole charge carrier injection.
효율적인 전하 캐리어 주입은 채널 길이 L이 10㎛ 미만인 짧은 채널 트랜지 스터 디바이스에 있어서 특히 중요하다. 그와 같은 디바이스에 있어서 소스 드레인접촉 저항 효과는 작은 소스 드레인 전압용의 TFT 전류를 제한할 수 있다(도 10b 참조). 채널 길이가 상당한 디바이스에 있어서는, PEDOT 소스/드레인 전극으로부터의 주입이 무기 금 전극으로부터의 주입에 비해 더 효율적이라는 점이 밝혀졌다. 이것이 나타내는 바는, 무기 전극 재료로는 반도체의 전리 포텐셜에 잘 맞는 전리 포텐셜을 갖는 폴리머 소스-드레인 전극이 바람직하다는 것이다.Efficient charge carrier injection is particularly important for short channel transistor devices where the channel length L is less than 10 μm. In such devices, the source drain contact resistance effect can limit the TFT current for small source drain voltages (see FIG. 10B). For devices with significant channel lengths, it has been found that implantation from PEDOT source / drain electrodes is more efficient than implantation from inorganic gold electrodes. This indicates that as the inorganic electrode material, a polymer source-drain electrode having an ionization potential well suited to the ionization potential of a semiconductor is preferable.
수용액[베이트론 피(Baytron P)]으로부터 부착된 PEDOT/PSS의 전도도는 0.1 내지 1 S/cm의 수준이다. 상한을 100 S/cm로 하는 보다 높은 전도도는 혼합 용제[이소프로파놀과 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)을 함유하는 바이엘(Bayer) CCP 105T]를 함유하는 배합물(formulation)에 의해 얻어질 수 있다. 후자의 경우에 있어서는 배합물의 용제 조합이 층 배열의 용해성 요건과 양립할 수 있다는 점에 주의를 기울여야 한다. 보다 더 높은 전도도가 요구되는 응용 예에서는 또 다른 전도성 폴리머, 또는 금속 무기 입자가 액체 상태로 유지된 아교질 현탁액과 같은 용액 처리성 무기 전도체를 사용할 수도 있다.The conductivity of PEDOT / PSS attached from aqueous solution [Baytron P] is at a level of 0.1 to 1 S / cm. Higher conductivity with an upper limit of 100 S / cm is achieved by formulations containing mixed solvents (Bayer CCP 105T containing isopropanol and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)). Can be obtained. In the latter case, care should be taken that the solvent combination of the formulation is compatible with the solubility requirements of the layer arrangement. In applications where higher conductivity is required, other conductive polymers, or solution treatable inorganic conductors such as gelatinous suspensions in which the metal inorganic particles remain in a liquid state, may be used.
여기서 설명하는 공정 및 디바이스들은 용액 처리 폴리머로 제조된 디바이스로 제한되지 않는다. 회로 또는 디스플레이 디바이스(하기의 내용 참조)에 있어서의 TFT의 전도성 전극들 및/또는 상호 접속부들의 일부는, 일례로 아교질 현탁액을 사전에 패턴화 된 기판 상에 프린팅하거나 전기 도금함으로써 부착될 수 있는 무기 전도체로 형성될 수 있다. 모든 층들이 용액으로부터 부착되는 것이 아닌 디바이스에 있어서는, 그 디바이스의 하나 이상의 PEDOT/PSS 부분들을 진공 증착 전도체와 같은 난용성 전도성 재료로 교체할 수 있다.The processes and devices described herein are not limited to devices made of solution processing polymers. Some of the conductive electrodes and / or interconnections of the TFT in a circuit or display device (see below) may be attached, for example, by printing or electroplating a gelatinous suspension onto a pre-patterned substrate. It can be formed of a conductor. For devices where not all layers are attached from solution, one or more PEDOT / PSS portions of the device may be replaced with poorly soluble conductive material, such as a vacuum deposition conductor.
반도체 층은 또한 다른 용액 처리성 반도체 재료로 대체될 수 있다. 가용화 측 사슬을 갖는 작은 공액 분자[미국 화학 학회(American Chemistry Society)의 Journal 120, 664 (1998년), 저자: 제이. 지. 라퀸다넘(J. G. Laquindanum) 등], 용액으로부터 자체 결합된 반도체 유기-무기 하이브리드 재료[사이언스(Science) 286, 946 (1999년), 저자: 시. 알. 카간(C. R. Kagan) 등], 또는 CdSe 나노 입자와 같은 용액 부착 무기 반도체[사이언스(Science) 286, 746 (1999년), 저자: 비.에이. 리들리(B. A. Ridley) 등]을 포함시킬 수 있는 가능성도 있다.The semiconductor layer may also be replaced with other solution treatable semiconductor materials. Small conjugated molecules with solubilizing side chains [
전극은 잉크 젯 프린팅이 아닌 다른 기술로 패턴화시킬 수 있다. 그 적절한 기술에는, 소프트 리소그래픽 프린팅(soft lithographic printing)[물리학 논문(Physics Letter) 75, 1010 (1999년), 저자: 제이. 에이. 로저스(J. A. Rogers) 등; 피직스 월드(Physics World) 1998년 5월호, 31페이지, 저자: 에스. 브릿테인(S. Brittain) 등]나, 또는 스크린 프린팅[화학 재료(Chemical Material) 9, 12999 (1997년), 저자: 쥐. 바오(Z. Bao) 등]나, 또는 포토리소그래픽 패터닝(국제 공개 WO 99/10939 참조) 혹은 도금이나, 또는 소수성 및 친수성 표면 영역이 있는 패턴화 기판의 단순 침지 피복 등이 포함된다. 잉크 젯 프린팅은 양호한 프린팅 정합성을 유지하면서 넓은 구역, 특히 강성 플라스틱 기판을 패턴화하기에 특히 적절하다.The electrodes can be patterned by techniques other than ink jet printing. Suitable techniques include soft lithographic printing [Physics Letter 75, 1010 (1999), author: Jay. a. J. A. Rogers et al .; Physics World May 1998, p. 31, author. S. Brittain et al.] Or screen printing (
그러한 디바이스는 유리판 대신에 폴리에테르술폰과 같은 유연성 플라스틱 기판이나 퍼스펙스(Perspex: 상표명임)와 같은 기타 다른 기판 재료 상에 부착될 수 있다. 이와 같은 재료는 판의 형태인 것이 바람직하고, 폴리머 재료인 것이 바람직하며, 또한 투명 및/또는 유연성일 수 있다.Such devices may be attached to flexible plastic substrates such as polyethersulfone or other substrate materials such as Perspex (trade name) instead of glass plates. Such a material is preferably in the form of a plate, preferably a polymeric material, and may also be transparent and / or flexible.
디바이스 및 회로의 모든 층들과 구성 요소들이 용액 처리 및 프린팅 기술에 의해 부착 및 패턴화되는 것이 바람직하지만, 반도체 층과 같은 하나 이상의 구성 요소들은 진공 증착 기술에 의해 부착되거나 그리고/또는 포토리소그래픽 공정에 의해 패턴화될 수도 있다.While all layers and components of the device and circuit are preferably attached and patterned by solution processing and printing techniques, one or more components, such as semiconductor layers, may be attached by vacuum deposition techniques and / or subjected to photolithographic processes. By patterning.
이상에서 설명한 바와 같이 제조된 TFT와 같은 디바이스는, 이러한 디바이스 하나 이상이 서로 간에 그리고/또는 다른 디바이스와 일체화된 보다 복잡한 회로 또는 디바이스의 부품일 수가 있다. 그 응용 디바이스의 예에는, 디스플레이나 메모리 디바이스용의 논리 회로 및 활성 매트릭스 회로나, 혹은 사용자 정의 게이트 어레이 회로가 포함된다.A device such as a TFT manufactured as described above may be part of a more complex circuit or device in which one or more of these devices are integrated with each other and / or with other devices. Examples of the application device include logic circuits and active matrix circuits for display and memory devices, or user-defined gate array circuits.
논리 회로의 기본 구성 요소는 도 15에 도시된 인버터이다. 기판 상의 모든 트랜지스터가 공핍 타입이나 혹은 누적(accumulation) 타입으로 이루어지는 경우, 가능한 구성은 3가지이다. 공핍 부하 인버터(depletion-load inverter)(도 15a 참조)는 정상적으로 켜지는 디바이스용으로 적합하고(도 1c 및 도3 참조), 개선 부하 구성(도 15b 참조)은 정상적 오프 트랜지스터용으로 사용된다(도 1a, 도 1b, 도 4 참조). 이와 같은 두 가지 구성은 부하 트랜지스터의 게이트 전극과 그 전원과 드레인 전극 각각 사이에 비아홀을 필요로 한다. 또 다른 구성은 저항 부하 인버터이다(도 15c 참조). 후자의 디바이스는 부하 저항기로서의 적당한 길이와 전도도를 갖는 얇고 넓은 PEDOT 라인을 프린팅함으로써 제조될 수 있다. 일례로 PEDOT에 대한 PSS의 비를 증가시킴으로써 PSSPEDOT의 전도도를 감소시키게 되면 저항기 라인의 길이를 최소화 할 수 있다. PEDOT/(PEDOT+PSS) 중량비가 0.4인 베이트론 피(Baytron P) PEDOT/PSS의 전도도는 기존의 증착 필름에 대해서는 0.2 S/cm의 수준으로 측정되었다. N2 분위기 하에서 20분 동안 280℃까지 어닐링함으로써 전도도가 2 S/cm까지 증가하게 되었다. 용액을 PSS로 희석시킴으로써 전도도가 그 규모의 수준으로 감소될 수 있었다. PEDOT/(PEDOT+PSS) 중량비가 0.04인 경우, 280℃에서 어닐링 한후의 전도도는 10-3 S/cm로 측정되었다. 폭이 60㎛이고 길이가 500㎛ 수준인 PEDOT의 라인을 잉크젯 프린팅함으로써 저항치 50㏁의 저항기가 제조되었다.The basic component of the logic circuit is the inverter shown in FIG. When all the transistors on the substrate are of the depletion type or the accumulation type, there are three possible configurations. A depletion-load inverter (see FIG. 15A) is suitable for devices that normally turn on (see FIGS. 1C and 3) and an improved load configuration (see FIG. 15B) is used for a normal off transistor (FIG. 15B). 1a, FIG. 1b, FIG. 4). These two configurations require via holes between the gate electrode of the load transistor and each of its power supply and drain electrodes. Another configuration is a resistive load inverter (see FIG. 15C). The latter device can be manufactured by printing a thin and wide PEDOT line with suitable length and conductivity as a load resistor. For example, reducing the conductivity of the PSSPEDOT by increasing the ratio of PSS to PEDOT can minimize the length of the resistor line. The conductivity of the Baytron P PEDOT / PSS with a PEDOT / (PEDOT + PSS) weight ratio of 0.4 was measured at a level of 0.2 S / cm for conventional deposited films. Annealing to 280 ° C. for 20 minutes under N 2 atmosphere led to an increase in conductivity to 2 S / cm. The conductivity could be reduced to that level by diluting the solution with PSS. When the PEDOT / (PEDOT + PSS) weight ratio was 0.04, the conductivity after annealing at 280 ° C. was measured to be 10 −3 S / cm. A resistor having a resistance of 50 mA was produced by inkjet printing a line of PEDOT having a width of 60 µm and a length of 500 µm.
이미 현상되어 있는 다른 잉크젯 프린팅 구성 요소들, 즉 트랜지스터, 비아홀 상호 접속부, 저항기, 커패시터, 및 다층 상호 접속 체계(multilayer interconnect scheme) 등은 직접 프린팅과 용액 처리의 조합에 의하여 집적 전자 회로를 제조하기 위해 일체화될 수 있다. 잉크젯 프린팅은 측면 패턴닝이 필요한 모든 처리 단계용으로 사용될 수 있다. 이미 설명한 바 있는 단순한 인버터 회로는 보다 복잡한 논리 회로용 빌딩 블록이다.Other inkjet printing components that have already been developed, such as transistors, via hole interconnects, resistors, capacitors, and multilayer interconnect schemes, may be used to fabricate integrated electronic circuits by a combination of direct printing and solution processing. Can be integrated. Inkjet printing can be used for all processing steps that require side patterning. The simple inverter circuit already described is the building block for more complex logic circuits.
전술한 바와 같은 용액 처리 TFT는, 적절한 회로가 도 18a에 도시되어 있는 액정(LCD) 또는 전기이동(electrophoretic) 디스플레이 [네이쳐(Nature) 394, 253 (1998년), 저자: 비. 코미스키(B. Comiskey) 등]와 같은 활성 매트릭스 디스플레이와 적절한 회로가 도 18b에 도시되어 있는 발광 다이오드 디스플레이 [사이언스(Science) 280, 1741 (1998년), 저자: 에이치. 서링하우스(H. Sirrinhaus) 등]의 픽셀 스위칭 트랜지스터로서 사용되거나, 혹은 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같은 메모리 디바이스의 활성 매트릭스 어드레싱 소자로서 사용될 수 있다. 도 18a 및 도 18b에서, 트랜지스터(T1, T2)는 전술한 바와 같은 트랜지스터를 가지고 형성될 수 있다. 도면 부호 40은 전류 및 전압 공급 패드를 구비한 디스플레이 또는 메모리 소자를 나타낸다.The solution treatment TFT as described above is a liquid crystal (LCD) or electrophoretic display (Nature 394, 253 (1998), author: B., in which a suitable circuit is shown in Fig. 18A). An active matrix display such as B. Comiskey et al. And a suitable circuit are shown in FIG. 18B (Science 280, 1741 (1998), author: H. C.). H. Sirrinhaus et al.] Or as an active matrix addressing element of a memory device such as random access memory (RAM). 18A and 18B, transistors T1 and T2 may be formed with transistors as described above.
LCD 또는 전기 이동 디스플레이의 전극 상의 전압을 제어하기 위한 가능한 디바이스 구성의 예는 도 19에 도시되었는데, 이 도면에서 도 1과 동일한 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 도 19 관련 도면들(일례로, 도 7, 도 14, 도 17)에서, 게이트 절연 층은 도 1a에서처럼 확산 차단벽 및/또는 표면 변형층을 포함하는 다층 구조를 포함할 수 있다.An example of a possible device configuration for controlling the voltage on an electrode of an LCD or electrophoretic display is shown in FIG. 19, in which the same elements as in FIG. 1 are given the same reference numerals. In the relevant drawings of FIG. 19 (eg, FIGS. 7, 14, 17), the gate insulating layer may include a multilayer structure including a diffusion barrier and / or a surface modification layer as in FIG. 1A.
도 18을 참고하면, TFT의 전원 및 게이트 전극(2, 3)은, 보다 긴 길이에 걸쳐서 적절한 전도도를 얻기 위하여 다른 전도성 재료로 제조될 수 있는, 활성 매트릭스의 데이터 라인(43)과 어드레싱 라인(44)에 접속된다. TFT의 드레인 전극(3)은 픽셀 전극(41)이 될 수도 있다. 픽셀 전극은 도 19에서와 마찬가지로 다른 전도성 재료로 형성될 수 있다. 전하 캐리어 주입보다는 전계의 적용에 의존하게 되는 디바이스에 있어서는, 전극(41)이 액정 또는 전기이동 잉크 등과 같은 디스플레이 소자(40)와 직접 접촉되어 있지 않아도 된다. 이와 같은 구성에 있어서, TFT 및 상호 접속 라인에 의해 점유된 총 픽셀 영역이 작게 유지되어야만, 적절한 개구 비(aperture ratio)를 얻을 수 있으며 데이터 라인(43) 및 어드레싱 라인(44) 상의 신호들과 디스플레이 소자(40) 간의 잠재적 누화를 줄일 수 있다.Referring to Fig. 18, the power supply and
도 19b의 구성은 보다 복잡하다. 그러나 픽셀 영역의 전체 픽셀 또는 그 대부분은 TFT 및 상호 접속 라인용으로 사용될 수 있고, 디스플레이 소자는 픽셀 전극(41)에 의해 데이터 라인(43) 및 어드레싱 라인(44) 상의 신호로부터 차폐된다. 이러한 구성을 제조함에 있어서는 픽셀 전극(41)을 TFT 드레인 전극(3)으로 접속시키기 위해서 추가의 유전층(42)과 전도성 재료(45)로 충전된 비아홀이 필요하다. 비아홀은 앞에서 설명한 바와 같은 절차에 의해 제조될 수 있다.The configuration of Fig. 19B is more complicated. However, the entire pixel or most of the pixel area can be used for the TFT and the interconnect line, and the display element is shielded from the signal on the
이와 같은 구성에 있어서 개구비는 최소화될 수도 있고 거의 100%가 될 수도 있다. 이러한 구성은 전달성 LCD 디스플레이와 같은 백라이트를 구비한 디스플레이 응용 디바이스용으로도 사용될 수 있는데, 그 이유는 여기서 제조된 바와 같은 모든 폴리머 TFT는 가시 스펙트럼 영역에서의 투명도가 높기 때문이다. 도 20은 F8T2 폴리머 TFT 상에서 측정된 광학 흡수 스펙트럼을 나타내는 것인데, 여기서 폴리머 사슬은 고해상도 프린팅용 사전 패턴화 층으로서의 역할도 하는 마찰 폴리이미드 정렬 층 상에 액정 반도체 폴리머를 부착시킴으로써 단축으로 정렬되어 있다. 디바이스는, F8T2의 비교적 높은 밴드 갭 때문에 대부분의 가시 스펙트럼 영역에서 아주 투명하다는 것을 알 수 있다. 만일 F8 또는 TFB나 혹은 기타 다른 폴리플루오렌 유도체(미국 특허 제5,777,070호 참조)와 같이 밴드 갭이 보다 큰 반도체 층이 사용되면, 더욱 더 양호한 투명도가 달성될 수 있다. 폴리머 사슬의 정렬은, 정렬 방향에 대해 평행하게 편광된 광("∥" 표시로 도시)이 정렬 방향에 대해 수직하게 편광된 광("⊥" 표시로 도시)보다 더 강하게 흡수되도록 하는 광학 이방성을 초래한다. 폴리머 사슬의 정렬 방향을 유리 배면과 백라이트 사이의 편광 프리즘에 수직하게 배향시킴으로써 TFT의 광학 투명도를 더 증가시키기 위해 LCD 디스플레이에 광학 이방성이 사용될 수 있다. 광이 편광된 상태 하에서, F8T2 층의 두께가 500Å이하이면, 트랜지스터 디바이스는 가시광에서 대부분 무색으로 나타난다. PEDOT를 포함하는 TFT의 다른 모든 층들은 가시 스펙트럼 영역에서 낮은 광학 흡수성을 갖는다.In such a configuration, the aperture ratio may be minimized or may be nearly 100%. This configuration can also be used for display application devices with a backlight, such as a transmissive LCD display, since all polymer TFTs as manufactured herein have high transparency in the visible spectral region. FIG. 20 shows the optical absorption spectrum measured on the F8T2 polymer TFT, wherein the polymer chains are uniaxially aligned by attaching the liquid crystal semiconductor polymer on a friction polyimide alignment layer which also serves as a pre-patterned layer for high resolution printing. It can be seen that the device is very transparent in most visible spectral regions because of the relatively high band gap of F8T2. If a semiconductor layer with a larger band gap is used, such as F8 or TFB or other polyfluorene derivatives (see US Pat. No. 5,777,070), even better transparency can be achieved. The alignment of the polymer chains provides optical anisotropy, such that light polarized parallel to the alignment direction (shown by the "" mark) is absorbed more strongly than light polarized perpendicularly to the alignment direction (shown by the "⊥" mark). Cause. Optical anisotropy can be used in LCD displays to further increase the optical transparency of the TFT by orienting the alignment direction of the polymer chain perpendicular to the polarizing prism between the glass backside and the backlight. Under the polarized state, when the thickness of the F8T2 layer is 500 mW or less, the transistor device appears mostly colorless in visible light. All other layers of the TFT including PEDOT have low optical absorption in the visible spectral region.
광학 흡수성이 낮은 반도체 디바이스의 다른 이점은 TFT의 감광성 특성이 가시광까지로 감소되는 점이다. 비결정 실리콘 TFT의 경우에 있어서, 광 조명 하에서의 큰 오프(OFF) 전류를 방지하기 위해서는 블랙 매트릭스를 사용해야 한다. 밴드 갭이 넓은 폴리머 TFT 반도체의 경우에 있어서는 TFT를 주위의 빛과 디스플레이의 백라이트로부터 보호할 필요가 없다.Another advantage of low optical absorbance semiconductor devices is that the photosensitive characteristics of the TFTs are reduced to visible light. In the case of amorphous silicon TFTs, a black matrix must be used to prevent large OFF currents under light illumination. In the case of a polymer TFT semiconductor with a wide band gap, it is not necessary to protect the TFT from ambient light and the backlight of the display.
도 19b의 구성도 LED 디스플레이의 구동 트랜지스터(T1)(도 18b 참조)용으로 적합한데, 그 이유는 픽셀 전극(41) 아래의 전 영역을 사용하는 큰 채널 폭(W)을 갖는 소스 드레인 전극을 서로 맞물린 배열로 제조함으로써 TFT의 구동 전류가 증가될 수 있도록 하기 때문이다.The configuration of Fig. 19B is suitable for the driving transistor T1 (see Fig. 18B) of the LED display because the source drain electrode having the large channel width W using the entire area under the
선택적으로, 도 17의 바닥 게이트 TFT 구성은 상기한 모든 응용례에서 사용될 수 있다(도 19c 참조).Alternatively, the bottom gate TFT configuration of FIG. 17 can be used in all of the above applications (see FIG. 19C).
활성 매트릭스 회로의 제조에 있어서의 중요한 기술적 사항들 중 하나는 PEDOT/PSS TFT 및 픽셀 전극(2, 3, 6)과 금속 상호 접속 라인(43, 44, 41) 사이의 접촉이다. 강산성 성질로 인해, PEDOT/PSS는 알루미늄과 같은 많은 통상적인 무기 금속과는 양립될 수 없다. 알루미늄은 PEDOT/PSS와 접촉하면 쉽게 산화된다. 한가지 가능한 해결책은, 상호 접속 라인과 픽셀 전극(43, 44, 41)을 산화 인듐-주석(ITO) 또는 탄탈륨, 텅스텐, 그리고 내화 금속 또는 이러한 환경에서 보다 안정성을 갖는 기타 다른 재료를 가지고 제조하는 것이나, 혹은 적절한 차단벽 층을 사용하는 것이다.One of the important technical issues in the fabrication of an active matrix circuit is the contact between the PEDOT / PSS TFT and
디스플레이에 응용하는 경우, 도 19에서 도면 부호 10으로 나타낸 사전 패턴화 기판 상에 앞에서 설명한 바와 같이 프린팅함으로써 채널 길이가 짧은 TFT를 제조하는 것도 바람직하다.When applied to a display, it is also preferable to manufacture a TFT having a short channel length by printing on the prepatterned substrate indicated by
제어되어야 할 픽셀 소자가 디스플레이 소자뿐만 아니라 일례로 다이나믹 랜덤 액세스 메모리에서와 같이 커패시터 또는 다이오드와 같은 메모리 소자라면, 활성 매트릭스 트랜지스터 스위치용의 유사한 디바이스 구성도 사용될 수 있다.If the pixel elements to be controlled are not only display elements but also memory elements such as capacitors or diodes, for example in dynamic random access memories, similar device configurations for active matrix transistor switches can also be used.
전도성 전극 이외에, TFT의 일부 다른 층도 스크린 프린팅 또는 IJP와 같은 직접 프린팅 기법으로 패턴화시킬 수 있다. 도 21a(이 도면에서 도 1과 동일한 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였음)는 반도체 층(4)의 활성층 섬과 게이트 절연 층(5)이 직접적으로 프린팅된 디바이스를 도시하고 있다. 이 경우에는, 비아홀은 필요하지 않지만, 접속부가 적절한 게이트 전극 패턴(6)의 직접 프린팅에 의해 형성될 수 있다. 어드레싱 또는 상호 접속 라인(43, 44)이 중첩되는 경우 전기 절연을 제공하기 위해 두꺼운 섬의 유전성 폴리머(46)를 프린팅할 수 있다(도 21(b) 참조).In addition to the conductive electrodes, some other layers of TFTs can also be patterned by screen printing or direct printing techniques such as IJP. FIG. 21A (in this figure with the same reference numerals as for FIG. 1) shows a device in which the active layer islands of the
전술한 바와 같이 형성된 디바이스 다수가 하나의 기판 상에 형성되어 전도성 층에 의해 상호 접속될 수 있다. 디바이스들은 하나의 레벨이나 혹은 하나 이 상의 레벨 위로 형성될 수 있는데, 일부 디바이스들은 다른 레벨들의 상부에 형성될 수 있다. 전술한 바와 같은 상호 접속 스트립 및 비아홀을 사용하게 되면 특히 소형의 회로 구조가 형성된다.Multiple devices formed as described above may be formed on one substrate and interconnected by conductive layers. The devices may be formed on one level or above one or more levels, while some devices may be formed on top of other levels. The use of interconnect strips and via holes as described above results in a particularly compact circuit structure.
잉크젯 프린팅 트랜지스터, 비아홀, 및 상호 접속 라인의 제조를 위해 본 발명에서 개발한 기술은 잉크젯 프린팅에 의해서 집적 전자 회로를 제조하는 데 사용될 수 있다. 친수성 및 소수성 표면 영역의 열을 포함하는 사전에 제조된 기판이 트랜지스터의 채널 길이 및/또는 상호 접속 라인의 폭을 한정하는 데 사용될 수 있다. 기판은 또한 전도성이 높은 금속제 상호 접속 라인의 열을 포함할 수도 있다. 잉크 젯 프린팅과 용액으로부터의 연속 층의 부착을 조합하여 이용하게 되면 트랜지스터 디바이스의 열은 주문 위치에서 주문 채널 폭으로 구획된다. 이어서 비아홀과 전도성 라인의 잉크젯 프린팅를 이용하여 트랜지스터의 쌍과 적절한 상호 접속부 사이에 전기 접속부를 형성함으로써 집적 회로가 제조된다.The technology developed in the present invention for the manufacture of inkjet printing transistors, via holes, and interconnect lines can be used to fabricate integrated electronic circuits by inkjet printing. Prefabricated substrates comprising rows of hydrophilic and hydrophobic surface regions can be used to define the channel length of the transistor and / or the width of the interconnect line. The substrate may also include a row of highly conductive metal interconnect lines. Using a combination of ink jet printing and the attachment of a continuous layer from solution, the rows of transistor devices are partitioned by order channel width at order locations. Integrated circuits are then fabricated by forming electrical connections between pairs of transistors and appropriate interconnects using inkjet printing of via holes and conductive lines.
사전 제조 기판이 트랜지스터 디바이스의 하나 이상의 구성 요소를 이미 포함하도록 하는 것도 가능하다. 기판은 일례로 각각이 적어도 하나의 노출 전극을 구비하는 완성된 무기 트랜지스터 디바이스들의 열을 포함할 수 있다. 이 경우, 집적 회로의 잉크젯 방식 제조는, 잉크젯 프린팅 비아홀, 상호 접속 라인, 및 차단 패드를 이용하여 트랜지스터 쌍과 하나 또는 다수 레벨의 상호 접속 체계 간의 전기 접속부를 형성하는 것을 포함한다(도 15d 참조).It is also possible for the prefabricated substrate to already include one or more components of the transistor device. The substrate may include, for example, a row of completed inorganic transistor devices each having at least one exposed electrode. In this case, inkjet manufacturing of the integrated circuit includes forming an electrical connection between the pair of transistors and one or multiple levels of interconnection scheme using inkjet printing via holes, interconnect lines, and blocking pads (see FIG. 15D). .
전자 디바이스는, 트랜지스터 디바이스 이외에, 디스플레이 또는 메모리 소자나 용량성 또는 저항성 소자와 같은 기타 다른 능동 및 수동 회로 소자도 포함한다.In addition to transistor devices, electronic devices include other active and passive circuit elements such as display or memory elements or capacitive or resistive elements.
앞에서 설명한 바와 같은 기술을 이용하여 다수의 트랜지스터를 구비하는 유닛을 형성하고 이어서 용액 기초 처리를 통하여 특정의 후속 용도로 형성될 수 있다. 일례로, 도 1a, 도 1b, 또는 도 1c에 도시된 형태의 다수의 트랜지스터(50)를 일례로 게이트 어레이 형태로 구비하는 기판이 플라스틱 판 위에 형성될 수 있다.(도 22 참조). 다이오드 또는 커패시터와 같은 기타 다른 디바이스도 그 플라스틱 판 위에 형성될 수 있다. 이어서 그 판은 비아홀(52)을 형성하기 위한 적절한 용제(일례로, 메탄올)와 전도성 트랙(53)을 형성하고 비아홀을 충전하기 위한 적절한 재료(일례로, PEDOT)용의 프린팅 헤드를 구비하는 잉크 젯 프린터 내에 배치한다. 잉크 젯 프린터는 판 상의 트랜지스터의 위치와 구성에 대한 지식을 갖추고 있으며 적절히 프로그램된 컴퓨터의 제어 하에서 작동 가능하다. 이어서, 비아홀 형성 단계 및 상호 접속 단계의 조합에 의해서 잉크젯 프린터는, 트랜지스터를 소정의 방식으로 상호 접속시킴으로써, 소정의 전자 또는 논리 기능을 수행하는 회로를 형성한다. 따라서 이러한 기술은 소형의 저렴한 디바이스를 이용하여서도 기판 상에 논리 특정 회로가 형성될 수 있게 한다.The technique as described above can be used to form a unit with a plurality of transistors, which can then be formed for a particular subsequent use through solution based processing. For example, a substrate including a plurality of
그와 같은 회로의 응용례는 활성 전자 티켓, 수화물, 및 식별 꼬리표의 프린팅이 있다. 티켓 또는 꼬리표 프린팅 디바이스에는 다수의 트랜지스터를 지지하는 기판을 각각 포함하고 있는 다수의 비형성성 유닛(non-configured unit)이 장착된다. 티켓 프린팅 디바이스는 전술한 바와 같이 잉크젯 프린터를 제어할 수 있으며 티켓의 유효 기능을 디스플레이하는 컴퓨터를 포함한다. 티켓의 프린팅이 필요한 경우, 프린팅 디바이스는 비아홀 및/또는 전도성 재료를 프린팅함으로써 적절한 전 자 회로용 기판을 형성하고, 이에 따라 기판 상의 트랜지스터가 적절하게 형성된다. 이어서 기판은 일례로 접착성 플라스틱 쉬트로 밀봉하여 덮어씌울 수 있는데, 전기 접속 단자(54, 55)는 노출된 채로 남겨 둔다. 이어서 티켓이 분배된다. 티켓을 유효화시키려는 경우, 그 기능을 유효화하기 위해 하나 이상의 입력 단자에 입력치가 가해지고 하나 이상의 출력 단자에서의 출력치가 모니터된다. 티켓은 편리하게 사용할 수 있도록 하기 위해서는 유연한 플라스틱 기판 상에 프린팅되는 것이 바람직하다.Applications of such circuits include the printing of active electronic tickets, luggage, and identification tags. The ticket or tag printing device is equipped with a plurality of non-configured units, each containing a substrate supporting a plurality of transistors. The ticket printing device includes a computer capable of controlling the inkjet printer as described above and displaying the valid function of the ticket. If printing of the ticket is necessary, the printing device forms a substrate for a suitable electronic circuit by printing via holes and / or conductive materials, whereby a transistor on the substrate is appropriately formed. The substrate can then be sealed and covered with an adhesive plastic sheet, for example, leaving the
가격 부착 및 꼬리표 부착용이 아닌 사용자 정의 회로도 유사한 방식으로 제조될 수 있다. 회로의 유효화 및 판독도 또한 일례로 무선 주파수 방사(피직스 월드(Physics World) 1999년 3월호, 31페이지)를 이용하여 원격 검침함으로써 이루어질 수 있다.User-defined circuits that are not for price and tagging can also be manufactured in a similar manner. Validation and reading of the circuit can also be accomplished by remote metering using, for example, radio frequency radiation (Physics World, March 1999, page 31).
적절한 접속부를 표준 배열 상에 단순히 잉크 젯 프린팅하기만 해도 최종 사용자가 회로를 정의할 수 있는 능력은 공장 설계 회로에 비해 상당히 증가된 융통성을 제공한다.Simply ink jet printing of the appropriate connections onto a standard array gives the end user the ability to define the circuit, providing significantly increased flexibility over factory design circuits.
본 발명은 이상의 실시예에 제한되지 않는다. 본 발명의 특징은, 본 명세서에서 설명한 개념의 새롭고 진보된 모든 특징을 포함하며 본 명세서에서 설명된 그 특징들의 새롭고 진보된 모든 조합을 포함한다.The present invention is not limited to the above embodiments. Features of the invention include all new and advanced features of the concepts described herein and all new and advanced combinations of those features described herein.
본 출원인은, 본 발명이 이상에서 설명한 어떠한 한정 사항의 범위로 제한됨이 없이 본 명세서에 개시된 특징들 중 임의의 특징이나 그 조합을 함축적으로나 혹은 명시적으로, 또는 일반적으로 포함한다는 점에 주목시키고자 한다. 이상의 설명에 비추어 볼 때, 당업자라면 본 발명의 범위 내에서 여러 가지의 수정을 할 수 있음은 분명하다.The Applicant intends to note that the present invention implicitly, explicitly, or generally includes any or any combination of the features disclosed herein without being limited to the scope of any limitations set forth above. do. In view of the above description, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications can be made within the scope of the present invention.
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