KR101184366B1 - 절연체 및 반도체를 동시에 형성하기 위해 유기물을 패턴화하는 방법 및 이러한 방법으로 형성된 디바이스 - Google Patents
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Abstract
전자 디바이스의 제조 방법은 경화된 상태로 반도체 물질을 형성하는 전구체 물질의 층을 형성하는 단계 및 상기 전구체 물질을 광에 노출시키는 단계를 포함한다. 상기 전구체는 광에 노출된 영역에서는 전구체를 형성하고 광에 노출되지 않은 영역에서는 반도체를 형성하기 위해, 광의 존재 하에 가열된다. 상기 광은 바람직하게 가시광선 영역이다. 적합한 전구체는 6,13-디하이드로-6,13-(2,3,4,5-테트라클로로-2,4-시클로헥사디에노)-펜타센(202)을 포함하고, 예를 들어 반도체로서 펜타센(204)을 형성하고 절연체로서 6,13-펜타센퀴논(206)을 형성한다. 이와 같은 방법에 따라 제조된 디바이스 또한 포함된다.
Description
본 명세서는 반도체 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 절연체 및 반도체 모두를 동일한 전구체에서 동시에 형성하기 위해 유기물을 패턴화하는 방법, 및 이러한 방법을 사용하여 형성된 디바이스에 관한 것이다.
유기 전자공학은 디스플레이 용도로 플렉시블 능동 매트릭스 백 플레인을 만들기 위해 사용될 수 있다. 유기물을 사용하는 이러한 백 플레인은 시프트 레지스터와 같은 회로 및 전기 디바이스를 지탱할 수 있다{예를 들어 본 명세서에 참고문헌으로 병합된 Gelinek, G.H.등의 Nature Mat.(2004),3,106을 참조}. 이러한 능동 매트릭스는 플렉시블 디스플레이를 얻기 위해 전기 영동(electrophoretic) 디스플레이 효과와 결합될 수 있다{예를 들어 본 명세서에 참고문헌으로 병합된 Huitema, H.E.A.등의 Proc.IDW(2003),1663-4를 참조}. 유기 반-도체는 이러한 용도로 제공될 수 있지만, 유기 반-도체 물질은 트랜지스터의 원하는 성능을 얻기 위해 구조화되어야 한다.
반도체의 구조화는 복잡하고 종종 다수의 단계 공정을 수반한다. 일반적으로 상기 공정은 반도체의 전구체가 스핀 코팅에 의해 도포되는 것을 포함한다. 그런 다음, 이러한 전구체는 가열 단계 과정에서 반도체로 변환된다. 이러한 반도체는 결과적으로 레지스트(resist)를 도포함으로써, 레지스트를 조명함으로써, 레지스트를 현상시킴으로써 구조화된다. 그런 다음, 상기 반도체는 반응 이온 에칭(RIE) 단계에 의해 국부적으로 제거되고, 포토레지스트는 선택적으로 제거된다.
대안적인 방법은 본 명세서에 참고문헌으로 병합된 Afzali등의 Adv.Mater.(2003)15,2066에 기재되어 있다. Afzali는 광민감성 펜타센(pentacene) 전구체를 사용한다. 이러한 방법의 한 가지 단점은 음의 전기를 띠게 형성된 광생성물이 트랜지스터의 성능에 영향을 준다는 점이다.
전자 디바이스를 제조하는 방법은, 경화된 상태로 반도체 물질을 형성하는 전구체 물질의 층을 형성하는 단계 및 상기 전구체 물질을 광에 노출하는 단계를 포함한다. 상기 전구체는 광에 노출된 영역에서는 절연체를 형성하고 광에 노출되지 않은 영역에서는 반도체를 형성하기 위해 광의 존재하에 가열된다. 광은 바람직하게 가시 영역에 있다. 적합한 전구체는 6,13-디하이드로-6,13-(2,3,4,5-테트라클로로-2,4-시클로헥사디에노)-펜타센을 포함할 수 있는데, 이 전구체는 예를 들어 반도체로서 펜타센을 형성하고 절연체로서 6,13-펜타센퀴논을 형성한다. 전구체는 6,13-디하이드로-6,13-(2,3,4,5-테트라브로모-2,4-시클로헥사디에노)-펜타센, 큰 아센(acene) 전구체, 및/또는 논아센(nonacene) 전구체를 포함할 수 있다.
본 명세서의 여러 가지 목적, 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련지어 읽을 수 있는 다음의 예시적인 실시예의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
이 명세서는 다음의 도면을 참고하여 바람직한 실시예에 관한 다음의 설명을 상세하게 제시할 것이다.
도 1은 본 명세서의 일실시예에 따라 형성된 전구체 물질을 가진 기판의 단면도.
도 2는 본 명세서의 일실시예에 따른 전구체 물질의 선택적인 노출을 위해 마스크를 구비한 도 1의 기판의 단면도.
도 3은 본 명세서의 일실시예에 따른 전구체 물질의 광 노출 및 가열 공정을 도시한 도 2의 기판의 단면도.
도 4는 본 명세서의 일실시에에 따른 절연체 부분 및 반도체 부분의 형성 이후에 도 3의 기판의 단면도.
도 5는 본 명세서의 일실시예에 따른 절연체 부분 및 반도체 부분을 나타내는 전자 디바이스의 정면도.
도 6 및 도 7은 본 명세서에 따른 도 5의 구조에 대한 물질 특징을 증명하는 분광기를 도시한 도면.
도 8은 본 명세서에 따른 반도체 디바이스를 제조하는 방법 단계를 도시한 블록 도면.
도 9는 전구체 물질에 대한 예시적인 화학 구조식 및 본 명세서의 일 양상에 따른 절연체 및 반도체 물질을 형성하는 전구체를 도시한 도면.
도 10은 본 명세서의 일 양상에 따른 대안적인 전구체 물질에 대한 예시적인 화학 구조식을 도시한 도면.
본 명세서는 유기물을 패턴화하는 효과적인 방법을 기재한다. 바람직한 일실시예에서, 펜타센이 패턴화된다. 펜타센은 반도체 물질로서, 반도체 성능에 대해 많은 이점을 가진다. 예를 들어, 펜타센은 전구체 형태인 용액으로 적용될 수 있으며, 그런 다음 펜타센으로 전환되고 반응 이온 에칭(RIE)과 결합되어 표준 포토리소그래피 기법을 사용하여 구조화된다. 상기 RIE 에칭은 특히 불편하지만, 펜타센이 모든 실질적인 용매에서 불용성이기 때문에 아직 필요하다.
본 명세서는 광 노출(온도 상승)하에, 6,13-펜타센퀴논과 같은 산화물이 펜타센 대신에 전구체로부터 형성된다는 관찰을 이용한다. 6,13-펜타센퀴논은 반-전도성이 아니다. 따라서, 반전도성 펜타센 섬(islands)은 비결정의 투명한 절연체 매트릭스에 주입되어 형성되며, 상기 비결정의 투명한 절연체 매트릭스는 추가적인 포토레지스트의 증착 및 RIE 에칭 공정을 사용하지 않거나 불필요하게 한다.
반도체 구조를 제조하는 방법은 도 1-4를 참조하여 예시적으로 도시된다. 이제 유사한 참조 번호가 여러 도면을 통해 유사하거나 동일한 요소를 식별하는 도면 중 먼저 도 1을 상세하게 참조하면, 전구체 펜타센(10)의 층은 기판(12)까지 회전된다. 상기 전구체(10)는 네덜란드의 SYNCOMTM에 의해 상용화된 6,13-디하이드로-6,13-(2,3,4,5-테트라클로로-2,4-시클로헥사디에노)-펜타센, 및/또는 6,13-디하이 드로-6,13-(2,3,4,5-테트라브로모-2,4-시클로헥사디에노)-펜타센을 포함할 수 있다.
기판(12)은 반도체 물질, 투명한 도체 또는 완성된 디바이스에 대한 용도에 따라 다른 물질을 포함할 수 있다. 바람직하게 전구체 물질(10)은 액체 상태이기 때문에, 물질(10)은 스핀 코팅에 의해 기판(12)에 쉽게 도포되지만, 다른 응용 공정 또한 고려된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전구체(10)는 가시광선의 존재 하에 가열될 수 있다;그러나 UV광 또는 IR광 또한 사용될 수 있다. 가열 단계 과정에서 전구체(10)를 광에 노출함에 따라, 전구체 펜타센에서 펜타센으로 전환은 영향을 받는다. 반도체 공정 과정에서 전구체(10)를 패턴화하기 위해, 광(26)(도 3)은 마스크(28)에 의해 차단될 수 있다. 이것은 반도체 구조가 동일한 물질이 처리되는 절연 구조와 동시에 형성되는 것을 허용한다.
이러한 방법 동안에, 전구체 펜타센은 산화물 또는 퀴논, 및 특히 펜타센의 산화된 형태인 6,13-펜타센퀴논으로 전환된다. 6,13-펜타센퀴논은 절연체이지만 전도성 또는 반전도성 물질은 아니다. 그 자체로, 본 명세서에 대한 지식을 가진 이 분야의 당업자에게 명백한 바와 같이, 이러한 품질의 결과로서 여러 이점이 제공될 수 있다.
산소의 존재 하에 전구체(10)에서 펜타센으로의 전환을 초래하기에 충분한 가열은, 충분한 시간 동안, 예를 들어 적어도 5초 이상 약 150℃ 이상의 온도를 적용하는 것을 포함하며, 전환에 대한 다른 비책으로는 예를 들어 약 10초 동안 200 ℃를 적용할 수 있다. 온도를 높일수록 다른 전자 디바이스 또는 물질에 부작용을 줄 수 있다. 고온 또는 저온이 사용될 수 있으며, 온도에 따라 적용되는 적용 시간은 선택될 수 있다. 주변의 산소 또는 심지어 얼마간의 산소의 농도는 산화물을 형성하기에 충분하다. 게다가, 낮은 광 강도, 예를 들어 전구 광 강도(약 5-60와트를 말함)는 전구체(10)의 펜타센으로의 전환을 변경하기에 충분하다. 입사광 강도는 바람직하게 백색광에 대해 약 0.1mW/㎠과 약 1W/㎠ 사이의 범위이다. 가시광선을 통해 IR에서 UV까지의 광의 넓은 밴드는 상기 전환을 제공하기 위해 적용될 수 있다.
도 4를 참조하면, 펜타센(20)은 광이 흡수되는 영역에 형성되고, 6,13-펜타센퀴논(22)은 가열 단계 동안에 광이 존재하는 영역에 형성된다. 이렇게 하여, 반전도성 영역(20)(펜타센) 및 절연성 영역(22)(6,13-펜타센퀴논)은 동일한 층(11)에서 동시에 형성된다. 펜타센은 보라색을 가진 폴리크리스탈린(그러므로, 광 산란) 필름을 형성하는 반면에, 6,13-펜타센퀴논은 투명하고 비결정이어서 어떠한 콘트라스트를 주지 않는다. 패턴화된 영역(20 및 22)은 트랜지스터, 다이오드, 또는 심지어 수평 배열된 커패시터(capacitors)와 같은 전자 구성 요소를 형성하는데 사용될 수 있다. 다른 디바이스 및 구성 요소 또한 본 명세서에 따라 형성될 수 있다.
본 명세서에 따르면, 펜타센 전구체을 패턴화하는 것은 제조업자가 레지스트 구조화(및 제거) 및 에칭(예를 들어 RIE 에칭)을 제거하도록 허용하며, 전환 단계(예를 들어 전구체에서 펜타센으로) 동안에 이러한 것을 간단한 패턴-방식 조명으로 교체한다. 본 발명자는, 온도(가열) 단계 동안에 적당한 광 강도에서 조명{백색광, 또한 가시광선(예를 들어 황색광), UV 또는 IR을 가짐}은 전구체 펜타센에서 펜타센으로의 전환에 영향을 주어서, 광의 존재 하에 "정상"레트로 Diels-Alder(펜타센을 초래함)가 발생하지 않을뿐더러, (반-)도체 대신에 절연체인, 산화된 형태의 펜타센(6,13-펜타센퀴논)이 형성되는 것을 발견했다.
이것은 본 발명자에 의해 수행된 실험인 5 내지 도 7에 의해 증명된다. 도 5를 참조하면, 펜타센 전구체 물질(10)은 전자 디바이스(40) 상에서 회전되었다. 제공된 영역(42)은 핫 플레이트를 사용하여 온도를 높이는 동안 백색광에 노출되었다. 광의 부재시, 펜타센은 영역(44)에서 형성된다. 이러한 경우, 상기 영역(44)의 펜타센은 보라색을 가진 폴리크리스탈린(그러므로, 광 산란) 필름을 형성했다. 상기 영역(42)의 6,13-펜타센퀴논은 조명된 영역에서 형성되며, 투명하고 비결정이어서 어떠한 콘트라스트도 나타내지 않는다.
도 6을 참조하면, 도 5의 영역(42)("스팟 내부")에 있는 물질에 대한 반사율 대 파장 수가 도시된다. 화살표(50)는 6,13-펜타센퀴논(퀴논)에 대한 해당 점을 나타낸다. 이 스펙트럼은 상기 영역(42)의 스팟 내부에서 6,13-펜타센퀴논이 형성되는 것을 증명한다.
도 7을 참조하면, 도 5의 영역(44)("스팟 외부")에 있는 물질에 대한 반사율 대 파장 수가 도시된다. 화살표(54)는 6,13-펜타센퀴논에 대한 해당 점을 나타낸다. 이 스펙트럼은 상기 영역(44)의 스팟 외부에서 6,13-펜타센퀴논이 형성되는 것을 증명한다.
본 명세서는 여러 다른 디바이스 및 제조 단계에 있어 유용성을 발견할 수 있다. 중합체 트랜지스터를 제조하는 단계는 G.H. Gelinck등의, Nature Materials,3,106-110에서 알 수 있다. 이 단계는 상기 기재된 바와 같이, 전구체 펜타센 필름이 스핀 코팅되는 단계가 후속될 수 있다.
이제 펜타센 섬이 퀴논 비결정 매트릭스에 주입되는 트랜지스터를 만드는 대안적인 방법이 일반적으로 기재될 것이다. 도 8을 참조하면, 블락(100)에서, 표면 또는 기판은 펜타센 전구체의 용도로 제조된다. 이것은 상기 참조된 바와 같이 G.H, Gelinck등의 문헌에 기재되어 있는 단계를 포함할 수 있다. 블락(102)에서, 전구체는 표면 상에 형성된다. 이것은 표면을 스핀 코팅 함으로써 수행될 수 있지만, 용도에 따라 다른 방법이 적용될 수 있다.
블락(104)에서, 전구체의 층은 고온에서 마스크를 통해 광에 국부적으로 노출된다. 광은 바람직하게 백색광 또는 황색광이지만, UV 또는 IR도 마찬가지로 사용될 수 있다. 일실시예에서, 레이저 또는 다이오드로부터의 가간접성의(coherent) 광은 투사된 이미지의 해상도(resolution)를 증가시키는 것이 바람직하다. 다른 이미지 생성 기법 또한 사용될 수 있다.
대안적으로, 전구체 물질은 동시에 전구체의 일부를 노출하고 가열할 수 있도록, 블록(106)에서 광 소스{레이저, 적외선(IR)램프 등}에 의해 국부적으로 가열되어서, 6,13-펜타센퀴논을 형성한다. 이 단계는 조명되지 않은 영역에서 펜타센을 형성하기 위해 정상 가열 단계를 필요로 한다.
어느 경우에나, 전구체의 노출은, 산소가 존재하여 퀴논이 형성되는 조건에서 가장 잘 적용된다. 어느 경우에나, 전구체 층은 약 수 십 마이크로미터의 수치 또는 그보다 작게 패턴화될 수 있는데, 예를 들어 집적된 회로 및 능동 매트릭스 디스플레이, 및 특히 플렉시블 디스플레이 및 중합체 전자 디바이스에 사용하기에 충분하다.
본 명세서는 펜타센 및 이들의 산화물에 대해 기술해 왔으나, 여기서 기법은 예를 들어 광의 존재하에 산화물 7,16-헵타센 퀴논을 형성한 7,16-디하이드로-7,16-(2,3,4,5-테트라클로로-2,4-시클로헥사디에노)-헵타센과 같은 올리고센 그룹의 화학 물질 및 다른 화합물로 확장될 수 있다는 것이 이해된다. 게다가 큰 아센 전구체가 사용될 수 있다. 형성된 절연체는 6,13-펜타센과 같은 큰 시블링 분자를 포함할 수 있다(이것은 사용된 시작 전구체의 타입에 의존함).
이제 바람직한 실시예의 화학 물질 다이어그램이 예시적으로 기재될 것이다. 도 9를 참조하면, 전구체 분자(202)가 본 명세서에 따라 다른 상태를 형성함을 예시적으로 도시한다. 분자(202)는 할로겐 분자이고, 바람직한 할로겐은 염소 및 브롬(예를 들어 X=Cl 및/또는 Br)이다. 모든 기판이 동일한 할로겐일 필요는 없지만, 테트라 클로로가 바람직하다. 도 10에 도시된 또 다른 구조식 또한 사용될 수 있고, 본 명세서에 기재된 바와 같이 동일한 공정이 사용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 제 1 실시예에서, 분자(202)는 온도(ΔT)가 증가함에 따라 펜타센(204)으로 전환된다. 제 2의 실시예에서, 열(ΔT), 광(hv) 및 산소(O2)의 존재 하에, 전구체(202)는 6,13-펜타센퀴논(206)과 같은 퀴논을 형성한다.
예시적이고 한정적이지 않게 의도된 이렇게 형성된 유기물 및 디바이스를 패 턴화하는 방법에 대한 바람직한 실시예가 기재되었지만, 상기 가르침의 관점에서 그 분야의 당업자에 의해 수정 및 변형될 수 있음을 알아야 한다. 따라서 첨부된 청구항에 의해 간추려진 바와 같이, 본 명세서에 기재된 실시예의 범위 및 사상 내에 나타난 본 명세서의 특정 실시예로 변경될 수 있음을 알아야 한다. 따라서 특허법에 의해 요구된 상세함 및 특이성을 기재되도록, 특허증에 의해 보호받길 원하고 청구되는 것은 첨부된 청구항에서 설명된다.
상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 반도체 기술 및 보다 특히 절연체 및 반도체 모두를 동일한 전구체에서 동시에 형성하기 위해 유기물을 패턴화하는 방법, 및 이러한 방법을 사용하여 형성된 디바이스에 사용된다.
Claims (27)
- 전자 디바이스의 제조 방법에 있어서,경화된 상태로 반도체 물질을 형성하는 전구체 물질 층을 형성하는 단계; 및주위의 산소 및 광의 존재 하에, 광에 노출된 영역에는 절연체를 형성하고 광에 노출되지 않은 영역에는 반도체를 형성하기 위해, 전구체를 가열하는 단계를 포함하고,상기 전구체는 펜타센(pentacene) 전구체이고, 상기 펜타센 전구체는 주위의 산소 및 광의 존재 하에 패터닝되어, 포토레지스트를 증착하고 반응성 이온 에칭을 적용하는 추가적인 단계들을 수행할 필요 없이, 펜타센 산화물을 형성하는,전자 디바이스의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 가열 단계는 가시광, UV 광 및 IR 광의 그룹으로부터 선택된 광에 상기 전구체 물질을 노출시키는 단계를 포함하는, 전자 디바이스의 제조 방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 광은 0.1 mW/㎠와 1W/㎠ 사이의 세기를 가진 백색광을 포함하는, 전자 디바이스의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 가열 단계는 레이저를 사용하여 상기 전구체 물질을 광 및 열에 동시 노출시키는 단계를 포함하는, 전자 디바이스의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 가열 단계는 상기 전구체를 150℃보다 높은 온도로 가열하는 단계를 포함하는, 전자 디바이스의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 가열 단계는 광에 노출된 영역에서 산화물을 형성하기 위해 산소의 존재 하에 상기 전구체를 가열하는 단계를 포함하는, 전자 디바이스의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 절연체는 퀴논을 포함하는, 전자 디바이스의 제조 방법.
- 제 7항에 있어서, 상기 퀴논은 6,13-펜타센퀴논, 또는 보다 큰 시블링(sibling) 물질을 포함하는, 전자 디바이스의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 반도체 물질은 펜타센을 포함하는, 전자 디바이스의 제조 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 광의 존재 하에 전구체를 가열하는 단계는 선택된 영역에서 광 소스로 상기 전구체를 동시에 가열하고 조명하는 단계, 및 후속적으로 조명되지 않은 영역에서 반도체를 형성하기 위해 상기 전구체를 가열하는 단계를 포함하는, 전자 디바이스의 제조 방법.
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