TW200824051A - Printable thin-film transistor for flexible electronics - Google Patents

Description

200824051 九、發明說明 本申請案主張美國臨時專利申請案序號第60/ 8 1 9,5 74號之優先權。 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種於低溫下且與聚合物基板材料完全 相容的在聚合物基板膜上構製薄膜電晶體裝置之方法，且 特別者，一種製造能用噴墨及其他標準印刷技術構製的微 米級閘段結構之方法。 【先前技術】 大多數市售的平面顯示器目前都是用玻璃基板製造。 由於玻璃基板適合許多種加工技術，故於製造顯示器時可 提供許多優點。由用戶觀點而言，玻璃基板有許多缺點： 彼等爲重、硬，易於受機械震動而損壞且難以順合不平的 外形。經由使用撓性基板來代替玻璃板，可將此等問題明 顯地減少或完全消除。因此之故，撓性顯示器及撓性電子 裝置（RFID標籤等）特別適合用在惡劣的使用者環境， 且減低的功率和重量及改進的強度都是所欲的特性之軍事 應用。 以液晶顯示器（LCD )技術爲基礎的大型商業已經建 立。此顯示器之體系結構對於可攜式軍事應用係不合宜者 ;LCD通常需要背光，且使用濾色片來產生顏色會明顯地 減低功率效率。雖然新的LED邊緣照明可改善該種情況 200824051 ，但標準冷陰極螢光燈（CCFL )邊光背光技術係與撓性 顯示器槪念相反者。撓性反射顯示器或撓性發射顯示器， 諸如有機LED ( OLED )技術係較佳者。不幸者，即使此 寺顯不器技術也需要有主動電路背板以達到所需的一'致性 、使用期限、亮度及效率。 將主動電路放置於撓性基板上的首次嘗試係修改業經 開發用於玻璃基板的現有方法。非晶矽（a-Si )薄膜電晶 φ 體（TFT )係廣泛地用於主動矩陣液晶顯示器（AM-LCD )工業者。a· Si TFT LCD的製造早已超過第七代（Gen 7 )玻璃基板尺寸（1870x2200毫米）。遺憾的是，對可用 於LCD技術的電壓驅動技術不能良好地用於電流驅動技 術的OLED技術。雖然a-Si TFT可完美地運作於LCD， 但對於OLED而言，其移動性太低且穩定性太差。表1顯 示出對AM-LCD和AM-OLED兩種應用所用的主動電路元 件之典型要求。 表1 : LCD及OLED應用的主動電路元件要求之比較 AM-LCD AM - OLED I〇FF (A) <2xl0'13 <10'12 I〇N (A) >2xl0·7 >10'6 I〇n/ I〇ff >106 >106 Vth (V) <2 <2 S (V/dec) <0.5 <1.0 r (切換） N/A >200ns 爲改善a-Si TFT的移動性，乃用雷射光束對彼等施以 200824051 熱處理，其將Si層退火形成多晶矽。此方法所得材料通 常稱爲低溫多晶矽或LTPS。LTPS TFT具有較高的移動性 ，但也於閾電壓（threshold voltage )( Vth )具有較大的 變異傾向，導致顯示器的不均勻性（通常稱之爲水波紋（ mura ))。當此程式轉移到撓性基板之時，此種現象尤爲 真切。雖然a-Si電晶體業經成功地於塑膠基板上直接處理 (N. D. Yong，et al·， “Thin-Film-Transistor and Diode-Addressed AMLCD son Polymer Substrate，’’ J. SID, Vol. 5-3，pp. 275-28 1, 1 997 )，但該技術仍處於硏究階段。a-Si技術與LTPS技術之問題包括在足以防止塑膠基板降解 其導致電晶體性能降低之低溫度下形成高品質層的困難性 (G. H. Gelinek et al.9 tcRollaable QVGA AM Display

Based on Organic Electronics,95 SID 05 Digest, P. 6? 2005 )。由於加工溫度擺動大所致高分子膜的撓性及膨脹/收 縮也會在照相平版印刷程式及高分子膜的處置中導入遮罩 對準問題。高溫方法會使高分子膜收縮，通常係不均勻地 ，而導致膜的翹曲且助成後續諸層的偏差。高溫下處理的 沉積層之應力會導致膜的捲縮。 已有數種途徑來應對此等問題。第一種途徑係嘗試基 板轉換技術，其中係先在剛性基板上製造矽基電晶體，其 後轉到塑膠基板上。此途徑可得高品質電晶體裝置但具有 不可靠的接觸之缺點（S. Inoue et al·，IEEE Trans· Electron Devices, Vol 49，pp. 1353-60，2002 )。於下一途 徑中，有數個團隊使用奈米碳管（CNT )及其他半導體奈 200824051 米線和奈米粒子企圖製造以奈米粒子爲基之TFT技術。於 Naval Research Lab (NRL)」的早期硏究（E. S. Snow et al.， “Random Networks of Carbon Nanotubes as an Electronic Material· ”APL，82. p· 2145，2003 )及接著在 Applied Nanotech，Inc. ( ANI)的後續硏究（J. P. Novak et al.， Flexible Carbon Nanotube Thin-film Transistors ” IDW / AD 05，p· 257，2005 )都證實可使用印刷技術來 沉積以CNT爲基的TFT。ANI也證實在開狀態（on-state )中材料的移動性及通過裝置的電流足以驅動大型LCD 之分段顯示像素與LCD裝置，但是開/關電流比僅爲104 。爲了改善此比例需要只包含半導性單壁奈米管的油墨。 許多硏究團隊都在處理此項且若成功時可導致對此及其他 可印刷微電子應用之明顯突破。Rice大學業已經由使用電 泳技術(Haiqing Peng et al.， “Dieletrophoresis Field Flow Fractionation of SWNT，”JACS Comm. Web 06 / 09 1 2006 )造出富含半導體的奈米碳管之油墨而展示出明 顯進展。此種增濃的解決之道係本發明所用途徑的一部份 另一途徑將爲Si、Ge或其他半導性化合物之奈米線 。Charles Lieber及 Nanosys公司已展示出在砍基板及 PEEK聚合物片上用 Si奈米線和 CdS奈米帶（Cds nanoribbons )做成的 TFT ( X, Duan et al·，“High-performance TFTs using Semiconductor Nanowires，”

Nature，425，274,（ 2003 ))。此等裝置證實出在Si和聚 200824051 合物基板兩者之上的優良TFT性能（Vth〜3 ·0 V ;於聚合 物基板上開/關比大於1〇5 ;亞閾値擺幅（subthreshold swing )爲 500-800 mV / decade ;電洞遷移率（hole mobilities)估計爲123 cm2 / Vsec)。此寺裝置的通道長 度（channel length)係5微米。因爲相當大的通道長度’ 所以只有當S i奈米線對齊時，此等優良性質才可達到。 當聚合物基板彎曲至55毫米的半徑時，可觀察到此等特 性之很小變化；因此，證明奈米線有足夠的黏著力和撓性 以容許基板屈曲。S i和GaN奈米線的用途也可用於本發 明中配合噴墨印刷一起沉積隨機定向奈米線及配合ac-偏 壓電泳來沉積出對齊的奈米線。 最重要地，除了 CNT或半導性奈米線的製造之外’ 其他方法步驟皆爲真正低溫且完全與聚合物基板相容。 聚合物半導體作法正由數家公司（Poiymer vision， Plastic Logic，等）和硏究中心（Kyung Hee University， University of Michigan，等）在探究中。目前有許多種此 等材料。表2示出一些受到較廣泛使用的材料之性質。五 审（pentacene )係此等材料中最普遍者。其可通過蔭罩（ s h a d 〇 w m a s k )的真空蒸鍍或經由溶液印刷來沉積。若通 過真空蒸鍍來沉積，材料性質會遠更爲好。聚合物半導體 具有高閾値場（3〇V )和低移動率（1 cm2 / Vsec相似於 a-Si )，但展示出優良的均勻性。加工溫度小於130°C， 可與聚合物相容的。表3總結使用有機TFT的顯示器原型 (J. Jang and S. H. Han, u High-Performance OTFTs on -8- 200824051

Flexible Substrates，”SID 06 Digest，ρ·1 0. 2005 )。電子紙 張（E-paper )和LCD係用有機TFT矩陣陣列（matrix arrays)製造而 AM-OLED係用點圖案（dot patterns)製 造。AM-OLED患有明顯亮度不均性的缺點，主要由多晶 型有機半導體之晶粒尺寸分佈所致。另一方面，LCD及電 子紙張顯示器只需要高開/關電流比且通常可免除開態中 之TFT電流差異之影響。

有機半導體 典型TFT性能 五审 /z = 1 cm2 / Vs I〇n/I〇ff>l〇6 聚（3-己基噻吩） //= 0.1 cm2 / Vs I〇n/I〇ff>104 聚莽系聚合物 // = 0.1 cm2/Vs I〇n/I〇ff=l〇6 立體規則型聚噻吩（XPS) // = 0.1 cm2/Vs WloflO6 200824051 表3 硏究機構 應用 半導體 規格 Plastic Logic (US) &E-Ink (USA) 電子紙張 聚莽系聚合物 (噴墨印刷） PET上60x80像素 Philips (Netherlands) 電子紙張 五审 (溶液法） PEN 上 QVGA Hitachi (Japan ) LCD 五审 玻璃上 1.4” 80x80RGB ERSO / ITRI (Taiwan ) LCD 五荦 塑膠上64x128 Samsung Elec (Korea) LCD 五苹 玻璃上1.5全彩XGA NHK (Japan ) OLED 五审 PC上4x4像素 Pioneer (Japan ) OLED 五审 玻璃上8x8像素 總而言之，對於可在塑膠上製造，具有高開態電流量 ，及各像素皆爲均勻的發射性顯示器，諸如OLED、TFT 裝置，係有需要者。雖然a-Si和LTPS TFT作法對於玻璃 基板的運作良好，但彼等需要對標準聚合物基板材料而言 爲太高的加工溫度。此可導致不良的TFT性能、基板材料 的翹曲和捲縮，以及層間的圖案偏差。 對聚合物基板而言，若主動矩陣陣列（active matrix array )可採用印刷術來製造，且儘最大可能地規避照相平 板印刷法處理，則其也可爲一項大優點。印刷可爲輥對輥 (roll-to-roll )及對大似公告板一樣的表面實施。由於印 刷爲一添加性（additive )方法，因此可因較低的材料成 本及較少的加工步驟之結果而減低製造成本。 -10- 200824051 【發明內容】 詳細說明： 本發明使用於低溫下且與聚合物基板完全相容的在聚 合物基膜上構製TFT裝置的作法來解決前述需要。本方法 也促成可使用噴墨及其他標準印刷技術構製出的微米尺寸 閘極段（gate length )結構。該作法係建基於由Canon在 其製造表面傳導發射器（SCE )顯示器的努力中開發出的 微裂紋技術（K· Yamamoto et al·，“Fabrication and Characterization of SCE Emitters，’’SID 05 Digest, p· 1933 ;和 T.Oguchi e t al·， “A 36-inch Surface-Conduction Electron-Emitter Display ( SED)，” SID 05 Digest，p. 1929 )。於此方法中，C anon證實可以在使用印刷技術製造的 結構中做出大陣列的微米級裂紋。該微裂紋係由將Pd〇層 還原成Pd金屬所形成。於此方法中，層中的局部應力強 迫裂紋跨越該層。本發明採用此等微裂紋作爲源極（ source)與汲極（drain electrodes)之間的間隙。本方法 經修改以在此結構中導入閘極電極。任一種先前所述低溫 半導體作法（奈米碳管、半導性奈米線或有機半導體）’ 由於彼等可於低溫下使用印刷或以溶液爲基的技術沉積， 因此都可在此種自形成微裂紋TFT作法中用爲主動半導性 層。下面爲此作法的說明。

Canon的SCE微裂紋法與本發明TFT法的比較說明 -11 - 200824051

Canon爲場發射顯示器應用開發出表面傳導發射器（ SCE)技術。大多數場發射結構係垂直者，以其陰極、閘 極電極、聚焦電極及陽極處於線型堆疊中。Canon SCE作 法係將陰極和閘極結構由垂直改變成在玻璃基板上形成的 水平結構。圖1示出場發射應用的組態。微裂紋係位於兩 電極之間，於圖1中顯示爲在字母SCE之上。於微裂紋中 產生的自由電子被加速至陽極。 於此場發射法中，微裂紋係形成於兩電極之間。當足 夠的電壓施加於裂紋任一側邊上的兩電極之間時，電子係 從一側提取且被另一側吸引。躍過裂紋的大多數電子係由 另一電極所吸收，但某些（約3 0 % )則逸失掉且被加速到 有施加1 〇 KV電位於其上的陽極。該陽極係經塗覆著燐光 體材料，使得當電子撞撃該燐光體時，可發出光。 本發明於聚合物基板上使用微裂紋結構作爲SCE中的 場發射裝置，以作爲發射型OLED或其他顯示器技術所用 的TFT結構之一部份。所形成（如下述）的微裂紋係小於 一微米寬。其形成在TFT的源極與汲極之間的通道。圖 2A及2B示出在場發射所用結構與TFT應用所用類似結構 之間的差異。 圖2A係用於電子場發射應用的微裂紋結構之圖示。 圖2B示出帶有頂閘極組態的TFT應用所用之微裂紋結構 〇

Canon用以形成微裂紋的程序步驟係如下所述。圖4 係Canon SCE陰極的SEM影像，其將用來說明如何裝配 -12- 200824051 各層。 參照圖3A，首先，Pt電極301經使用薄膜 相平版印刷法於玻璃基板3 02上圖案化。Pt電極 配對地圖案化。對於TFT結構，配對的一半成爲 一半爲汲極。可用Ag電極置換Pt電極。再者， 3 0 1可印刷而成而不用到薄膜蒸鍍及照相平版印厢 對於此顯示器，下一步爲使用網印技術或噴 術將Pt電極3 01連接到列和行線。也沉積出絕 止線彼此之間的短路。於TFT情況中，係將諸線 至源極且將其他線連接至閘極，取決於所需驅動 態。汲極係連接至共同接地線。圖4識別出， Canon SED的元件：彼等也類似於TFT組態。矩 構對於證明該作法對TFT之可行性上不具關鍵性 者。 其次，參照圖3 B，——層PdO經沉積於源極· 301上且介於該配對之間的間隙中。Canon SED PdO膜係顯示於圖4的插圖中且以更高放大倍率 5中。圖5 ( a)爲於裸基板上的PdO層之影像 爲一在Pt電極上及在電極間的間隙上的PdO層 TFT中的PdO層可‘爲約〇.1微米厚或更少者。 接著，參照圖3C。Pd〇層303係經將基板 環境（諸如氫氣分壓和惰性氣體，諸如氮氣或氬 以還原。於此環境中之同時，在Pt電極301之 衝電壓，強制電流跨越該間隙。開始之時，此電 蒸鍍及照 3 〇 1係經 源極而另 此等電極 !1法。 墨印刷技 緣層以防 之一連接 電壓和組 比等用於 陣饋線結 且爲隨意 汲極配對 裝置中的 顯示於圖 。圖（b ) 之影像。 置於還原 氣）中予 間施以脈 流係小者 -13- 200824051 ’但當PdO開始還原成Pd金屬時，電流隨即增加。最終 ’當PdO持續還原時，形成跨越間隙到PdO膜303整個 寬度的微裂紋3 05。

Canon已開發出一種將微裂紋進一步降低到奈米尺寸 的方法，包括於裂紋3 0 5中澱積一碳層並因此減低SCE場 發射顯示器所用的驅動電壓。於本發明一具體實例中，微 裂紋形成程序不擴大至超過微裂紋3 05。經由使用Canon 所述碳沉積程序（例如美國專利第6,992,434號）使微裂 紋變得更小可能對TFT不是有利的，且可能與聚合物基板 不相容。

SED不需要再加工處理，但對於TFT應用，此程序係 接續以施加主動半導體（圖3D )並完成閘極結構（圖3E )° 參照圖3D，早先提及的三種低溫半導體解決之道3 06 (半導性奈米碳管、半導性奈米線或有機半導體諸如五荦 )可施用於微裂紋3 05上形成TFT。半導性奈米線或富含 半導體的奈米碳管都是可能的具體實例。半導性奈米線業 經證明採用不同作法在聚合物基板上的TFT中顯示出優良 的性能；使用此作法預期有相似的結果。其爲低溫程序且 可使用印刷方法分配。Si、GaN及其他半導性奈米線材料 正由數個硏究團隊開發中，其中包括Louisville大學（M. K. Sunkara et al” “Bulk Synthesis of Si Nanowires Using Low-Temperature VLS Method,55 APL. 79，p. 1546，2 0 01 ; H. Li et al. 5 “Direction-Dependent Homoepitaxial Growth -14- 200824051 of GaN Nanowires，，，Adv. Mater.，18，p.216，20 06)。也可 以使用來自 Rice大學的富含半導體的 CNT。（ Haiqing

Peng 等人，“Dielectrophorsis Field Flow Fractionation of SWNT，，，JACS Comm，Web 06/09/2006 )。奈米碳管（CNT )爲撓性、對表面附著良好並可產生良好的歐姆接觸。 也可使用五审，但此物質具有大切換電壓（3 0V)， 且只有在使用CVD或蒸鍍法於基板上成長該物質時，才 能達到該物質的最優移動率。經證實可印刷此物質，但是 產生較低的移動率，最多達低十多倍。五审及其他有機半 導體也易於受到濕氣和氧氣的侵鈾且因此遠更爲難以處理 〇 參照圖3E，沉積閘極介電質307及閘極電極3 08。本 發明具體實例製造適於發射性OLED技術用之薄膜電晶體 ，其爲可印刷、需要低於200°C的加工溫度且與塑膠基板 諸如聚萘二甲酸乙二酯（PEN )、聚對苯二甲酸乙二酯（ PET)、或等效物，完全相容。 使用原本爲Canon開發出作爲表面傳導發射器所用的 場發射裝置之微裂紋結構作爲聚合物基板上的發射型 OLED所用TFT結構或其他主動電路要求的部份。此作法 的一項優點在於該技術目標可經由使用數種主動半導體材 料之一（CNT、半導性奈米線或有機半導體膜）或彼等之 組合採用低溫印刷造出該等裝置來完成。 本發明係採用由Canon開發用於SED的方法，其採 用噴墨印刷的PdO油墨形成電晶體的源極與汲極。於此方 -15- 200824051 法中，係使用噴墨印刷來沉積含有皂化聚乙烯醇（皂化度 :88%)、異丙醇、乙二醇及鈀-脯胺酸錯合物（〇.1〇 Pd 重量 ％ )的溶液（1^35&1^1*〇丁6以(1&6131·， “Electron-Emitting Device Having a Fissure，”美國專利第 6,992,434 號及 Taiko Motoi et al·，“Electron-Emitting Device …，”， 美國專利公開2002/0096986 )，藉此跨接源極和汲極之饋 線電極。固化該油墨以移除溶劑物質且將Pd元素氧化。 此形成一 PdO膜，其具有0.1微米級次或更小的厚度。於 含有氫氣的還原性氣體環境中，將脈衝電流通過PdO膜可 還原該PdO膜。隨著氧成分的減少，此可逐漸減低PdOx 膜的電阻，但這也會誘導出膜上的內部應力。於某一點上 ，膜實際上會破裂且跨膜電阻顯著地增加。此裂紋係用於 PdOx膜中，其預計爲0.1微米寬或更小，作爲TFT的通 道寬度。該通道的長度爲PdO列印點的寬度，爲50-100 微米級次者。圖6繪示出取自Canon專利的微裂紋（裂痕 )(參見，美國專利第6,992,434號之圖13A)。

Si奈米線、GaN奈米線及富含半導體的SWNT都可用 爲TFT的傳導性元件。此等材料係使用噴墨印刷及ac-偏 壓電泳來沉積（I.A. Negahara et al·，“Direct Placement of Suspended CNTs，，，Appl. Phys· Lett. Vol. 80，p. 3 826，20 0 2 )。噴墨印刷給出奈米線的隨機定向。由於通道長度係次 微米且長度爲50- 1 00微米，可不需將奈米線跨通道對齊 。另一方面，電泳方法可沉積對齊的奈米線和奈米碳管， 促成改進的裝置效能。 -16- 200824051 頂部閘極作法係較佳者，此係與底部閘電極相反。於 此方式中，閘極結構不會被微裂紋形成技術所損壞。 表4比較4種不同的常用於撓性電子裝置的聚合物材 料之性質。PEN係被選出者，以其具有比PET材料較高的 玻璃轉變溫度，且更堅固並具有比PEC或PAR等材料較 低的TCE。

表 4 項目 單位 PET PEN PES PAR 轉變溫度 0 73-78 120 220-230 375 密度 g/cc 1.3-1.33 1.36 1.36-1.58 1.21 CTE (-55 至 85°C) ppm/°C 15 13 54 53 水滲透率 g/cm2 天 4x10-4 7x10_4 lxlO·3 氧氣滲透率 cc/ cm2 天 3x1 O'3 4x10·6 楊氏模量 GPa 5.3 6.1 2.2 2.9 抗拉強度 MPa 225 275 83 100 折射率 1.65 1.52 透射比（400-700nm) % >85 85 90 90 混濁度 % 25 PET :聚酯 PEN :聚萘二甲酸乙二酯 PES:聚醚颯 Par:聚丙烯酸酯 此作法的優點爲： 1 ·低成本··可用全印刷技術來形成饋線及TFT組件。 噴墨印刷和其他印刷方法都可以使用。印刷係添加性作法 而非削減性，因此一般而言，材料成本會較低。此外，印 刷设備的資本投資係遠低於a-Si TFT技術或高性能五审電 晶體所需的CVD或蒸氣沉積設備。 -17- 200824051 2·低溫：此構製程序係低於20(TC。 3 ·與撓性基板相容：此構製程序與PEN基板完全相容 〇 4 ·可規模放大到大面積：噴墨印刷機現在可用來印刷 廣告招牌。100”對角線不成問題。Canon使用此微裂紋方 法於彼等的SED 36”對角線（及更大者）顯示器之事實也 證實可在大面積上可靠地構製次微米通道TFT。 5 ·用於發射性技術的性能規格：出自此結構的驅動電 流足以驅動OLED。 【實施方式】 製造程序可分割爲多項作業： 1)遮罩及電路布局設計： 饋線圖案可使用噴墨印刷來印製。 層1 :此層包括源極與汲極3 0 1、饋線和接觸點及用 於後續層的定位標。此層可使用市售及購自 Cima NanoTech或其他來源的銀傳導性油墨噴墨印製。線寬度 不小於100微米寬。 層2 ··此爲PdO層3 03。此層也可噴墨印製。 層3 ··此層係半導性奈米線層3 06。可以使用兩種方 法來分配此層。一種方法爲噴墨印刷。另一方法係使用電 泳沉積奈米線。Si和GaN半導性奈米線可從Louisville大 學購買。S i和GaN奈米線係經提供於有機溶劑中成爲油 墨。其濃度可按需要來稀釋。GaN於常溫下對空氣呈惰性 •18- 200824051 ·· Si奈米線可具有氫終端並因此爲相當惰性者（Μ· Κ· Sunkara e t al·，“Bulk Synthesis of Si Nanowires Using Low-Temperature VLS Method,” APL. 79 p. 1 546，2001 ： H. Li et al·，“Direction-Dependent Homoepitaxial Growth of GaN Nanowires，” Adv. Mater. 18· p. 216，2006 )。電泳 法可能需要光罩。 層4 :此層爲閘極介電層3 07。可以使用PMMA (噴 墨印刷）及PP S Q (網版印刷）。兩種材料皆爲市售者（ 詳見以下更多的討論）。 層5 ··此層包括閘極電極3 08及電極接觸墊。 材料：Si奈米線材料可從Louisville大學訂購。富含 半導體的SWNT可得自 Rice大學。Ag油墨可從Cima NanoTech訂購。光阻劑、PMMA、PPSQ和其他加工化學 品可從Spectrum或其他標準化學品供應商處訂購。PEN 聚合物片材可購自Sigma Aldridge及Sheldahl。 2 )印刷饋線、源極和汲極301及PdO層3 03 :此係 使用噴墨印刷來完成。 此作業具有數個子作業。首3個子作業係TFT構製的 一部份： 子作業2a·使用得自Cima Nanotech之Ag奈米材料 油墨印製用於1 〇 X 1 〇 TF T裝置陣列之源極與汲極3 0 1。將 該油墨固化。最高加工溫度可爲200°C。可經由購買 Nanotechnologies 之 Photonic Curing System Model p〇s -19 - 200824051 1100來使用Nanotechnologies，Inc所開發的獨特光子閃蒸 法，其可促成聚合物基板上的奈米材料油墨之固化（K. A · Schroderet al.，u Broadcast Photonic Curing of Metallic Nanoparticle Films，”NS丁I Nanotech 2006，Boston)。此 可避免高溫處理。 子作業2b.使用Canon於其專利中描述的方法來製 備用於沉積的 PdO油墨（如日本專利摘要公報第 09-0 3 5 620 號中記載的來自 Okuno Pharmaceuticals 之 Par CCp4230 )。此係皂化聚乙烯醇（皂化度：88% )、異丙 醇、乙二醇及鈀-脯胺酸錯合物（0.10 Pd重量％ )的直接 溶液（如日本專利摘要公報第09-03 5620號中記載的來自 Okuno Pharmaceuticals 之 Par ccp4230 ) ° 子作業2c·於上面所製的源極與汲極上噴墨印刷PdO 圓點。印刷及乾燥後，將該部份固化，再度地係使用光閃 蒸程序。 其後的4項子作業證明饋線可在低於2 0 0 °C下印製和 固化而不會使PEN基板變形。 子作業2d·在五塊PEN片材上以一方向按2.5毫米 的間距印刷32條平行線。該等線可爲1 〇〇微米寬且可爲 100毫米長並可使用奈米-Ag油墨予以噴墨印製。該油墨 可固化。最高加工溫度可爲2 0 0 °C。再度地，可以經由採 用P C S 11 0 0來使用光子固化法以保持低加工溫度。除了線 條之外’可在角落上放置十字標記作爲對準標記及作爲測 量收縮率的對準標記。 -20- 200824051 子作業2e.噴墨印刷PMMA以覆蓋Ag饋線。使用低 於200°C的標準固化法。 子作業2f.在PMMA上且以反方向重複子作業2d。 再次地，可以使用低溫來固化銀墨且使用光子閃蒸以保持 該製程低於200 °C。該光子閃蒸法不會損壞先前的層。 子作業2g.可經由檢查聚合物板的翹曲或捲縮來檢驗 PEN基板的應力和收縮。可經由測量在置於基板上的對準 標記之間的距離且將此與在玻璃上的對準標記的距離及設 定距離相比較以檢驗聚合物板的收縮率。 3 )於PdO膜中形成微裂紋： 使用自形成技術造出窄通道。如先前所述，可以使用 最先由Canon開發出的用於SCE場發射應用的技術。此 可經由將PdO層303還原成Pd金屬來完成。於還原程序 中，氧原子離開晶格結構，引致材料收縮。隨著材料收縮 ，其可局部地推動膜內壓力，最終強制形成跨膜的裂紋 305。此裂紋305可用爲TFT結構的通道。

PdO的還原可經使用跨PdO膜303的電脈衝來驅動， 同時該膜係在由氫氣分壓組成的還原氣體環境中。Canon 已有文獻証明（M. Yasuko and Y Masto. Inventors; Japan Patent Abstrat Publication 09-035620，發表方令 07/02/1 997 )ο. 1毫秒長，相隔100毫秒，遞增電壓到1 〇 v級次的 峰値之三角或方形波脈衝足以將PdO 3 03還原並形成裂紋 3 05。以形成法結果而言，不僅在源極與汲極之間形成裂 -21- 200824051 紋3 05 ’而且至此PdOx層也被充分地還原且具傳導性使得 其成爲源極與汲極301的電性零件。Canon已在實驗製造 線中對於具有像素計數爲 1280x768x3 (約 2.95M像素） 的HDTV螢幕成功地實施此種方法，且證明此係一種可以 可靠地進行製造的方法。再者，作爲其氫感測器開發的一 部份者，ANI已達成在Pd暴露於氫氣後使Pd膨脹的實際 用途。在釋放氫後，Pd收縮，形成微裂紋而導致具有數 種尺寸級次的Pd膜之電阻變化。 可以使用現有的電檢驗和測量設備來施用於電脈衝。 現存設備已可施用短至20微秒（psce)及高達20 KV的 脈衝（經設計和構建用於場發射應用），遠超過執行此作 業所需者。在形成脈衝之間，可施加檢驗脈衝以測量在源 極和汲極之間的電阻來實時地監測程序。 4)沉積主動半導體奈米線 形成微裂紋通道結構之後，下一步驟係沉積主動半導 體層。微裂紋作法可用數種半導體材料運作，包括有機半 導體諸如五审、單壁奈米碳管（S WNT )，及半導性奈米 線，諸如Si、GaN、GaAs等。有機半導體材料也可運作 ，但切換電壓要遠更爲高（Si奈米線爲3V、五审爲〜3 0V )，導體移動率較低（小於1 cm2/V-SeC)，且裝置可能 更易於因濕氣或其他環境毒物而降解。

Si和GaN奈米線油墨可從Louisville大學獲得（M· K. Sunkara et al·，“Bulk Synthesis of Si Nano wires Using -22- 200824051

Low-Temperature VLS Method,,5APL, 79. p. 1 546,2001 ： H L i e t al·，“Direction-Dependent Homo epitaxial Growth of Nanowires，”Adv. Mater·，18· ρ·216，2006)。彼等可使用 兩種方法來沉積。一種方法係使用噴墨印刷來印刷奈米線 油墨；此方法可沉積奈米線隨機線列。另一方法則使用電 泳來沉積對齊的奈米線。 子作業4a. Si和GaN奈米線油墨可由Louisville大學 獲得。由於在TFT通道只需要油墨材料點，因此ANI可 使用手持分配技術。此油墨係由奈米線及可蒸發掉的溶劑 組成。諸如辛醇之長鏈醇可添加於油墨以使其於室溫下不 會太快蒸發。爲了防止固化期間奈米線的降解，ANI可於 真空爐或氮氣沖滌過的爐內蒸發溶劑。 子作業4b.使用噴墨印刷將多種半導體油墨分別印刷 到數種裝置上。可使用具有壓電列印頭的現有設備。 子作業4c.可以使用ac-偏壓電泳來沉積半導體奈米 管及奈米線。對齊的奈米碳管之沉積已經由在Motor ala的 硏究證實（L. A. Nagahara et al·，“Direct Placement of Suspended CNTs，”Appl. P ly s Lett.，V o 1. 80. p . 3 8 2 6 . 2 0 0 2 )。圖7顯示AFM影像，其顯示使用ac-偏壓電泳沉積於 兩電極之間的SWNT之高直接配置度。Nagahara等人經由 施加5 MHz信號，0.5-2.5 V，1-30秒單純地將50微升溶 液滴放置在電極對上來證實此方法。不需要光阻劑圖案。 也可光圖案化一阻劑層以更佳地界定沉積區。可沿用 Motorola程序並將一滴奈米線油墨置於先前從較大的晶圓 -23- 200824051 切裁口下之單一 T F T結構上，使其與電極接觸且開始鍍著 一層奈米線。其中可使用不同的ac信號級次和頻率來硏 究。其中可監測跨微裂紋通道的電阻作爲Si奈米線沉積 速率的實時測量。 對兩種作法，可在沉積完成之後，可採得所選TFT裝 置的SEM影像記載有多少材料已沉積。 子作業4 d·可對某些沒有閘極及有閘極且隨後加上閘 極介電層以及物理地施加上的閘電極之裝置經由接上有塗 覆介電質的金屬針或金屬線進行電檢驗。此可作爲前進到 (5 )之前，對此裝置的中間檢驗。由於閘極係非直接沉 積在裝置上，因此閘極電壓可能很高，但也要測量其他性 能層次，諸如開-態電流級次，其可能接近於最終裝置中 預期者。於此點，也可改選要用來持續最終閘極製造的半 導體材料。 5 )形成閘極結構： 取用於（4 )中改選出的裝置並用彼等來完成閘極結 構。閘極介電質的選擇係與主動半導體所用材料的選擇一 樣重要者。許多材料業經使用，包括無機物（Si〇2、SiNx 、Ah〇3等）和有機物（聚乙烯基苯酚、聚醯亞胺、 PMMA等）。Jang和Han的評論提出此等材料之總結且包 含先前硏究之許多參考資料。彼等的結論爲··縱使無機材 料業經使用，但對於塑膠顯示器適於使用有機閘極絕緣體 以使基板及其上的TFT層之間的熱膨脹係數相配。另一方 -24- 200824051 面’熟知的是聚合物材料也會截留電荷而導致許多關於滯 後（h i s t 〇 r e s i s )的問題。 有兩種材料可使用。PMMA，其業經證實可作爲聚合 物基板上的閘極介電質（γ· Jin et al·，Appl. Phys. Lett.， ν〇1·85，ρ·4406，2003)，及PPSQ (聚苯基倍半矽氧烷） ，一種熱穩定性、真空相容材料，其特徵在於在主鏈中有 接著苯基的矽氧烷鍵聯。PP s q係一種獨特的作法，在於 其爲一種具有SiO主鏈的聚合物（見圖8)。其作爲閘極 介電質可提供許多優點：其可在低於200 °C下印刷及固化 ，在退火時具有低收縮率且具有高介電崩潰電壓，及其 SiO主鏈有助於預防電荷截留。閘極介電質可經旋轉塗覆 。於閘極介電質上可使用光阻劑層。此可經圖案化形成通 孔以與源極和汲極接觸。 子作業5a·採用作業2中的同程序使用PMMA噴墨 印刷閘極介電質結構。隨即固化PMMA。 子作業5b·可使用PPSQ來網版印製PPSQ閘極介電 質結構。 子作業5c·然後可使用Ag金屬的電子束（e-beam) 蒸發透過蔭罩蒸鍍出閘極電極。也可以經由噴墨印刷來沉 積此層，如同於作業2中對源極/汲極層所做者。可以使 用蔭罩蒸鍍作法以快速地轉換到起始檢驗裝置。 【圖式簡單說明】 圖1示出於場發射模式的表面傳導發射器的組態； -25- 200824051 圖2A示出用於電子場發射應用的微裂紋結構； 圖2B示出用於具有頂閘極組態的TFT應用之微裂紋 結構； 圖3A-3E示出用於製造本發明一具體實例的逐步程式 > 圖4示出一 SCE場發射陰極結構的SEM影像； 圖5示出一於裸基板上的PdO層之影像； 圖6示出於經還原的PdO膜中的微裂紋結構之耗乏； 圖7示出一 AFM影像，顯示出使用ac-偏壓電泳在兩 電極之間沉積的SWNT之高直接配置程度；及 圖8示出PPSQ之化學結構。 【主要元件符號說明】 3 0 1 : P t電極 3 02 :玻璃基板 303 ： PdO 層 305 :微裂紋 3 06 :半導性奈米線層 307:閘極介電層 3 08 :閘極電極 -26-

Claims (1)

1. 200824051 十、申請專利範圍 1·一種薄膜電晶體（TFT)，其包括： 一基板； 一在該基板上之源極電極； 一在該基板上之汲極電極，其經配置在距該源極電極 一距離處； 一金屬氧化物層，其經沉積於該基板上於該源極與汲 極電極之間，其中該金屬氧化物層係經還原成爲金屬以在 該源極與汲極電極之間的層中形成微裂紋，其中該微裂紋 將接觸該源極電極的金屬層之第一部份與接觸該汲極電極 的金屬層之第二部份分隔開； 一主動半導體材料，其經沉積成使其橋接該微裂紋， 同時接觸該金屬層之第一部份與第二部份兩者； 一閘極介電質材料，其經沉積在該主動半導體材料之 上；及 一閘極電極，其經沉積在該閘極介電質材料之上且不 接觸該金屬層或該主動半導體材料。 2. 如申請專利範圍第1項所述TFT，其進一步於該微 裂紋中包括一碳層。 3. 如申請專利範圍第1項所述TFT，其中該主動半導 體材料包含奈米碳管。 4. 如申請專利範圍第1項所述TFT ’其中該主動半導 體材料包含半導性奈米線。 5. 如申請專利範圍第1項所述TFT ’其中該主動半導 -27- 200824051 體材料包含有機半導體。 6. 如申請專利範圍第1項所述TFT，其中該基板包含 塑膠。 7. 如申請專利範圍第1項所述TFT，其中該金屬氧化 物係PdO。 8. 如申請專利範圍第7項所述TFT，其中該金屬層爲 Pd。 9. 一種製造TFT的方法，其包括： 於一基板上噴墨印刷傳導性油墨以形成彼此隔開的源 極與汲極電極； 於該基板上於該源極與該'汲極電極之間噴墨印刷一 PdO 層； 將該Pd〇層還原成爲Pd金屬導致於該Pd金屬層中形 成微裂紋； 於該經還原的Pd〇層上噴墨印刷跨該微裂紋之主動半 導體； 於該主動半導體上噴墨印刷一閘極介電質；及 於該閘極介電質上噴墨印刷一闊極電極。 -28 -