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DE10229118A1 - Verfahren zur kostengünstigen Strukturierung von leitfähigen Polymeren mittels Definition von hydrophilen und hydrophoben Bereichen - Google Patents

Verfahren zur kostengünstigen Strukturierung von leitfähigen Polymeren mittels Definition von hydrophilen und hydrophoben Bereichen Download PDF

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DE10229118A1
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DE
Germany
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substrate surface
sections
electrically conductive
organic polymer
matrix connection
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE10229118A
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English (en)
Inventor
Ute Zschieschang
Marcus Dr. Halik
Hagen Dr. Klauk
Günter Dr. Schmid
Tarik Kriem
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Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
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Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
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Priority to PCT/DE2003/001888 priority patent/WO2004004025A2/de
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Leiterstrecken aus einem elektrisch leitfähigen organischen Material. Dazu werden auf einer Substratoberfläche durch Aufdrucken einer Matrizenverbindung Abschnitte definiert, so dass eine Substratoberfläche mit hydrophilen und hydrophoben Abschnitten erhalten wird. Auf die strukturierte Substratoberfläche wird eine Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers gegeben, wobei entweder nur die hydrophilen Abschnitte oder nur die hydrophoben Abschnitte von der Lösung des organischen Polymers benetzt werden. Das Verfahren ermöglicht die Darstellung von Linien mit einer Linienbreite von weniger als 10 µm und erfordert keine fotolithografischen Prozessschritte.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung strukturierter Halbleiterstrecken aus einem elektrisch leitfähigen organischen Polymer.
  • Halbleiterchips haben eine breite Verwendung in vielfältigen technischen Anwendungen gefunden. Sie beruhen meist auf Silizium als Halbleitersubstrat, in welches in zahlreichen Arbeitsschritten Halbleiterbauelemente integriert werden. Die Herstellung von Halbleiterchips ist daher aufwändig und teuer. Durch die Verwendung von Silizium sind die Chips unflexibel und lassen sich nur unter großem Aufwand auf sehr geringe Schichtdicken abtragen, so dass flexible Substrate erhalten werden. Mikrochips sind daher nur für anspruchsvolle Anwendungen geeignet, bei denen erhöhte Kosten in Kauf genommen werden können. Gelingt es, die Kosten für die Herstellung von Mikrochips erheblich zu reduzieren, öffnet dies die Tür zu einer großen Anzahl von Anwendungen, welche unter einem hohen Kostendruck stehen. Beispiele für solche Anwendungen sind Etiketten zum Auszeichnen von Waren, wobei auf den Etiketten Daten über die Waren gespeichert werden können. Diese Informationen können zum Beispiel an einer Kasse berührungslos ausgelesen werden. Weitere Beispiele sind elektronische Briefmarken oder allgemein Anwendungen der Transpondertechnologie. Eine weitere Anwendung ist eine dünne Folie mit integrierten Steuerelementen für Flüssigkristallbildschirme.
  • Eine Möglichkeit zur Kostenreduktion bietet die Verwendung organischer Halbleiter. Diese Materialien sind leicht zugänglich und werden teilweise bereits kommerziell angeboten. Die Materialien können schichtweise auf einem Substrat abgeschie den werden, so dass komplexe elektronische Bauelemente wie Transistoren, Dioden oder Kondensatoren hergestellt werden können. Um die Kostenvorteile der elektrisch leitfähigen organischen Polymere ausspielen zu können, ist es dazu allerdings erforderlich, dass kostengünstige Verfahren zum Auftragen und Strukturieren derartiger Polymerverbindungen zur Verfügung stehen. Diese Verfahren sollten mit einem hohen Durchsatz durchgeführt werden können, so dass hohe Stückzahlen und damit Kostenvorteile erzielt werden können. Ferner wird eine Auflösung bis hinab zu einer Linienbreite von 10 μm gefordert, um eine ausreichend hohe Dichte der elektronischen Bauelemente auf der zur Verfügung stehenden Fläche erreichen zu können sowie eine hohe Performance der Bauteile zu erzielen.
  • Die Strukturierung erfolgt bisher mit Verfahren, wie sie auch aus der Strukturierung von Halbleitersubstraten auf Siliziumbasis verwendet werden. So kann beispielsweise dem elektrisch leitfähigen Polymer eine fotoaktive Komponente beigegeben werden, welche nach einer abschnittsweisen Belichtung der Polymerschicht ermöglicht, dass selektiv nur die belichteten bzw. nur die unbelichteten Bereiche abgelöst werden können. Ferner kann auch auf die Schicht des elektrisch leitfähigen Polymers zunächst eine Schicht eines fotoempfindlichen Lacks aufgetragen werden, aus der durch abschnittsweise Belichtung und Ablösen der belichteten bzw. unbelichteten Bereiche eine Maske hergestellt wird. Die von der Maske vorgegebene Struktur kann dann in einem Ätzschritt in die Schicht des elektrisch leitfähigen Polymers übertragen werden. Durch ein geringfügiges Überätzen kann die Maske zum Ende des Ätzschrittes ebenfalls abgetragen werden, so dass nur eine strukturierte Schicht des elektrisch leitfähigen organischen Polymers zurückbleibt. Diese Verfahren erfordern jedoch einen Schritt, in welchem die fotoempfindliche Schicht zunächst belichtet und anschließend entwickelt wird. Dazu muss das Substrat in entsprechenden Vorrichtungen bearbeitet werden, was zu einer Verlängerung der Produktionszeiten und zu einer Erhöhung der Kosten führt.
  • Um die Belichtung und die Entwicklung der fotoempfindlichen Schicht zu vermeiden, sind Verfahren entwickelt worden, in welchen die für das Ätzen der elektrisch leitfähigen organischen Polymerschicht erforderliche Maske durch ein Siebdruckverfahren direkt hergestellt wird. Dabei ist jedoch weiterhin erforderlich, dass die durch die Maske vorgegebene Struktur durch Ätzen in die Schicht des elektrisch leitfähigen organischen Polymers übertragen wird. Ferner ist beim Siebdruck die Auflösung auf eine Linienbreite von ca. 200 μm beschränkt. Dies reicht nur für grobe Strukturen aus, wie zum Beispiel für Leiterbahnen oder große Elektroden. Feinere Strukturen, wie sie beispielsweise für die Definition der Kanallänge von Transistoren erforderlich sind, sind durch Siebdruckverfahren nicht zugänglich.
  • Man hat auch versucht, die Strukturen aus dem elektrisch leitfähigen organischen Polymer direkt zu erzeugen. So wird in der WO 99/39373 ein Verfahren zur Herstellung organischer Halbleitervorrichtungen beschrieben, wobei das organische Halbleitermaterial in einem Tintenstrahlverfahren auf einem Substrat aufgetragen wird. Auf diese Weise konnten Leuchtdioden mit Polyvinylcarbazol als Halbleitermaterial hergestellt werden, wobei die Farbe des emittierten Lichts durch eine Dotierung des Halbleitermaterials mit Farbstoffen, wie Cumarinen, beeinflusst werden konnte.
  • In der WO 99/19900 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem durch tropfenweisen Auftrag einer Lösung des organischen Halbleiters mikroelektronische Anordnungen hergestellt werden können.
  • Auch bei einem Auftrag des elektrisch leitfähigen organischen Polymers durch ein Tintenstrahldruckverfahren ist die Linien breite der darstellbaren Strukturen beschränkt. Insbesondere bei sehr feinen Strukturen besteht die Gefahr, dass benachbarte Linien zusammenlaufen, ehe das Lösungsmittel vollständig verdampft ist.
  • Um die Auflösung beim Tintenstrahldruck zu verbessern, haben Sirringhaus, H.; Kawese T.; Friend, R. H.; "High-Resolution Ink-Jet Printing of All-Polymer Transistor Circuits" in: MRS Bulletin/Juli 2001 vorgeschlagen, die zu bedruckenden Bereiche auf der Substratoberfläche mittels feiner Polyimidstrukturen zu definieren. Beim nachfolgenden Tintenstrahldruck werden die von der Polyimidstruktur benetzten Bereiche von der Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymeren nicht benetzt, weshalb eine geringere Linienbreite dargestellt werden kann. Die Polyimidstrukturen werden jedoch fotolithografisch erzeugt, so dass bei diesen Verfahren keine großen Kostenvorteile zu erreichen sind. Weiterhin hat das Tintenstrahldrucken den allgemeinen Nachteil, dass jeweils Zeile für Zeile nacheinander gedruckt werden muss, so dass. nur geringe Durchsätze erreicht werden können, was ebenfalls zu hohen Kosten führt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Erzeugung strukturierter Halbleiterstrecken aus einem elektrisch leitfähigen organischen Polymer zur Verfügung zu stellen, das kostengünstig und mit hohen Durchsätzen durchgeführt werden kann und das eine Auflösung von Linienbreiten von weniger als 10 μm ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Erzeugung strukturierter Halbleiterstrecken aus einem elektrisch leitfähigen organischen Polymer, welches zumindest die folgenden Schritte umfasst:
    Bereitstellen eines Substrats mit einer Substratoberfläche;
    abschnittsweises Aufbringen einer Matrizenverbindung auf die Substratoberfläche, so dass eine strukturierte Substratoberfläche mit hydrophilen und hydrophoben Abschnitten erhalten wird, wobei die hydrophilen und hydrophoben Abschnitte von Abschnitten der Matrizenverbindung einerseits und freiliegenden Abschnitten der Substratoberfläche andererseits gebildet werden;
    Aufbringen eines in flüssiger Phase vorzugsweise in einer wässriger Lösung oder in einer Suspension vorliegenden elektrisch leitfähigen Polymers auf die strukturierte Substratoberfläche, wobei die flüssige Phase des elektrisch leitfähigen Polymers nur die hydrophilen Abschnitte oder nur die hydrophoben Abschnitte der strukturierten Substratoberfläche benetzt und eine benetzte Substratoberfläche erhalten wird, in der strukturierte Halbleiterstrecken aus dem elektrisch leitfähigen organischen Polymer definiert sind.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die unterschiedliche Benetzbarkeit von Substratoberfläche und Matrizenverbindung. Bei einem vollflächigen Auftrag der elektrisch leitfähigen organischen Polymerverbindung werden daher in Abhängigkeit von der Polarität des elektrisch leitfähigen organischen Polymers selektiv nur die hydrophilen oder nur die hydrophoben Bereiche der strukturierten Substratoberfläche benetzt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher wesentlich rascher durchgeführt werden als ein Tintenstrahldruckverfahren, weshalb höhere Durchsätze und damit Kostenvorteile erzielt werden können. Durch die aus der Matrizenverbindung gebildeten Abschnitte werden die aus dem elektrisch leitfähigen organischen Polymer gebildeten Linien genau begrenzt, wobei an der Grenzlinie ein Übergang von hydrophob zu hydrophil erfolgt. Dadurch können die aus dem elektrisch leitfähigen organischen Polymer dargestellten Linien scharf begrenzt werden, was wiederum eine Erhöhung der Auflösung, d.h. die Darstellung feinerer Linien ermöglicht.
  • Unter einer Matrizenverbindung wird eine Verbindung verstanden, die durch geeignete Verfahren, z.B. Druckverfahren, auf die Substratoberfläche aufgebracht werden kann und eine ausreichende Haftung auf der Substratoberfläche aufweist, um stabile Strukturen in Form von abgedeckten Abschnitten der Substratoberfläche ausbilden zu können. Die Matrizenverbindung kann eine einzelne Verbindung sein, z.B. ein Silan, oder auch ein Gemisch mehrerer Verbindungen, z.B. ein Gemisch eines unpolaren Polymers und eines Haftvermittlers.
  • Das Verfahren wird in der Weise durchgeführt, dass zunächst ein Substrat bereitgestellt wird. Das Substrat kann dabei eine hydrophile oder eine hydrophobe Oberfläche aufweisen. Um eine Struktur zu erhalten, werden auf der Substratoberfläche nun Abschnitte aus der Matrizenverbindung definiert. Die Matrizenverbindung wird dabei so ausgewählt, dass ihre Polarität mit der Substratoberfläche ein Gegensatzpaar bildet. Weist die Substratoberfläche hydrophile. Eigenschaften auf, wird als Matrizenverbindung ein Material gewählt, das hydrophobe Eigenschaften aufweist. Weist das Substratmaterial eine hydrophobe Oberfläche auf, wird als Matrizenverbindung entsprechend ein hydrophiles Material ausgewählt. Nach dem Aufbringen der Matrizenverbindung sind auf der Substratoberfläche also hydrophile und hydrophobe Abschnitte definiert, wobei zwischen den hydrophilen und hydrophoben Abschnitten jeweils ein scharfer Übergang der Polarität erfolgt. Auf die so vorbereitete strukturierte Substratoberfläche wird nun das elektrisch leitfähige organische Polymer in flüssiger Phase aufgebracht. Das elektrisch leitfähige organische Polymer kann dazu als Lösung oder Suspension vorliegen. Je nach Eigenschaften des elektrisch leitfähigen organischen Polymers kann dieses jedoch auch beispielsweise in pastöser Form vorliegen. Ferner können dem elektrisch leitfähigen organischen Polymer weitere Substanzen beigegeben werden, mit welchen beispielsweise die Polarität der aufgebrachten flüssigen Pha se, d.h. letztlich die Benetzungseigenschaften angepasst werden können. Ferner kann das elektrisch leitfähige organische Polymer auch mit Dotierungen versehen sein, um beispielsweise dessen elektrische Leitfähigkeit beeinflussen zu können. Das elektrisch leitfähige Polymer kann auch als Vorstufe aufgebracht werden, die noch nicht elektrisch leitfähig ist und anschließend durch eine entsprechende Behandlung, z.B. Oxidation, Reduktion oder Belichtung, in seine elektrisch leitfähige Form überführt werden. Die Matrizenverbindung kann auch ein Lösungsmittel umfassen, das nach dem Auftrag der Matrizenverbindung auf die Substratoberfläche verdampft wird. Je nach den hydrophilen oder hydrophoben Eigenschaften der das elektrisch leitfähige organische Polymer umfassenden flüssigen Phase benetzt diese die aus der Matrizenverbindung gebildeten Abschnitte oder die freiliegenden Abschnitte der Substratoberfläche. Entsprechend bleiben im ersten Fall die freiliegenden Abschnitte der Substratoberfläche und im zweiten Fall die aus der Matrizenverbindung gebildeten Abschnitte von der flüssigen Phase des elektrisch leitfähigen Polymers unbenetzt. Bei einer gegebenen Anordnung von hydrophilen und hydrophoben Abschnitten auf der Substratoberfläche kann das erfindungsgemäße Verfahren daher als Positivverfahren oder als Negativverfahren ausgestaltet werden. Das elektrisch leitfähige Polymer kann beispielsweise aufgebracht werden, indem die strukturierte Substratoberfläche durch eine Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers gezogen wird. Es ist jedoch auch möglich, die Lösung bzw. allgemein die flüssige Phase des elektrisch leitfähigen organischen Polymers auf die strukturierte Substratoberfläche aufzusprühen. Bei diesem Verfahren muss gewährleistet sein, dass überschüssiges Lösungsmittel sowie nicht gebundenes elektrisch leitfähiges organisches Polymer anschließend entfernt wird, indem das Lösungsmittel beispielsweise abfließen kann oder die Substratoberfläche nach dem Auftrag des elektrisch leitfähigen organischen Polymers mit einem geeigneten Lösungsmittel gespült wird. Es ist jedoch auch möglich, das elektrisch leit fähige organische Polymer über ein Kontaktverfahren auf die strukturierte Substratoberfläche zu übertragen. Dazu wird das elektrisch leitfähige organische Polymer zunächst auf einer Hilfsfläche aufgetragen und anschließend die Hilfsfläche mit der strukturierten Substratoberfläche in Kontakt gebracht. Dabei wird die Schicht des elektrisch leitfähigen organischen Polymers selektiv in den hydrophilen oder in den hydrophoben Abschnitten von der Hilfsfläche auf die strukturierte Substratoberfläche übertragen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf verschiedene Weise ausgestaltet werden. Gemäß einer ersten Ausführungsform verbleibt sowohl die Matrizenverbindung wie auch das elektrisch leitfähige organische Polymer auf der Substratoberfläche. Um zum gewünschten Produkt zu gelangen, muss daher nur noch das im elektrisch leitfähigen organischen Polymer enthaltene Lösungsmittel verdampft werden, um die strukturierten Halbleiterstrecken zu erhalten. Bei dieser Verfahrensvariante ist es vorteilhaft, wenn die aus der Matrizenverbindung gebildeten Abschnitte der strukturierten Substratoberfläche durch ein Druckverfahren erzeugt werden. Auf diese Weise kann sowohl die Matrizenverbindung als auch das elektrisch leitfähige organische Polymer mit einem hohen Durchsatz auf der Substratoberfläche aufgetragen werden. Die Matrizenverbindung kann dazu beispielsweise mit Hilfe eines Stempels oder einer Druckwalze auf ein Substrat übertragen werden. Dazu wird die Matrizenverbindung aus einem Reservoir zunächst auf den Stempel bzw. die Druckwalze aufgetragen und anschließend vom Stempel bzw. der Druckwalze auf die Substratoberfläche übertragen.
  • Zum Auftrag der Matrizenverbindung können verschiedene Druckverfahren verwendet werden. Besonders bevorzugt erfolgt der Auftrag der Matrizenverbindung auf die Substratoberfläche durch ein Hochdruckverfahren. Beim Hochdruckverfahren sind die druckenden Flächen erhaben. Besonders geeignet sind Fle xodruckverfahren, bei welchen durch Verwendung einer flexiblen Druckform auch raue Oberflächen mit der Matrizenverbindung beschichtet werden können. Insbesondere bevorzugt wird die Matrizenverbindung mit einem Mikrokontaktdruckverfahren auf der Substratoberfläche aufgetragen. Bei den genannten Hochdruckverfahren wird vorzugsweise die Druckform als Walze ausgebildet, deren Oberfläche entsprechend der darzustellenden Struktur strukturiert wird. Die Herstellung der Walze bzw. eines Stempels erfolgt nach bekannten Verfahren, beispielsweise mit fotolithografischen Verfahren. Durch die hohe Anzahl der strukturierten Substratoberflächen, die mit dem Stempel bzw. der Walze hergestellt werden können, sind die Kosten der Stempel- bzw. Walzenherstellung pro übertragene Struktur nur gering.
  • Die aus der Matrizenverbindung gebildete Struktur kann nach dem Auftrag des elektrisch leitfähigen organischen Polymers auf der Substratoberfläche verbleiben. Um eine Differenzierung der Substratoberfläche in hydrophobe und hydrophile Abschnitte zu erreichen, ist es ausreichend, wenn die Matrizenverbindung als monomolekulare Schicht auf die Substratoberfläche aufgebracht wird. Die Schichtdicke einer solchen monomolekularen Schicht beträgt etwa 1 nm, während die Schicht des elektrisch leitfähigen organischen Polymers eine Dicke im Bereich von 10 nm bis 1 μm aufweist. Die Matrizenverbindung beeinflusst daher die elektrischen Eigenschaften des hergestellten mikroelektronischen Bauelements nur in geringem Ausmaß.
  • Um eine ausreichende mechanische Stabilität der aus der Matrizenverbindung gebildeten Abschnitte zu erreichen, wird die Matrizenverbindung bevorzugt über eine kovalente Bindung an die Substratoberfläche gebunden. Dazu muss die Matrizenverbindung eine entsprechende reaktive Gruppe aufweisen. Auf der Substratoberfläche muss dann eine entsprechende Gruppe als Reaktionspartner vorgesehen sein. Sofern keine derartigen Gruppen auf der Substratoberfläche vorhanden sind, kann die Substratoberfläche entsprechend aktiviert werden. Dazu kann die Oberfläche des Substrats beispielsweise nass- oder trockenchemisch geätzt werden, um beispielsweise Hydroxygruppen auf der Substratoberfläche zu erzeugen.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die intermolekulare Wechselwirkung zwischen den Molekülen der Matrizenverbindung so attraktiv ist, dass eine selbstorganisierende monomolekulare Schicht gebildet wird.
  • Eine selbstorganisierende Struktur ist eine Struktur, bei der durch die mikroskopischen Wechselwirkungen zwischen den Molekülen spontan eine stabile makroskopische äußere Form, wie beispielsweise eine Membran oder eine Doppelschicht, gebildet wird.
  • Die Matrizenverbindung kann durch rein elektrostatische Wechselwirkung an die Substratoberfläche gebunden werden. Eine stabilere Struktur wird jedoch erhalten, wenn die Matrizenverbindung über eine kovalente Bindung an die Substratoberfläche angebunden ist.
  • Um eine Anknüpfung der Matrizenverbindung an die Substratoberfläche über eine kovalente Bindung zu erreichen, müssen auf der Substratoberfläche entsprechende Anknüpfungsgruppen bereitgestellt werden. Diese können entweder bereits auf der Substratoberfläche bereitgestellt sein oder sie können durch einen Aktivierungsschritt erzeugt werden. Dazu können beispielsweise entsprechende Abgangsgruppen, wie Halogenide, auf der Substratoberfläche erzeugt werden.
  • Besteht die Substratoberfläche beispielsweise aus Siliziumdioxid, so können auf der Substratoberfläche durch einen Ätzschritt Silanolgruppen erzeugt werden, welche mit Halogensi- lanen reagieren können, die in diesem Fall die Matrizenverbindung bilden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt in der Weise durchgeführt, dass die hydrophoben Abschnitte aus der Matrizenverbindung gebildet werden. Das elektrisch leitfähige organische Polymer liegt dann bevorzugt in einer hydropholen Form vor. Beim Auftragen der elektrisch leitfähigen organischen Polymerlösung auf die strukturierte Substratoberfläche wird dann das elektrisch leitfähige organische Polymer selektiv nur an die freiliegenden Abschnitte der Substratoberfläche gebunden.
  • Um eine hydrophobe Oberfläche erzeugen zu können, umfasst die Matrizenverbindung bevorzugt Alkylketten mit 5 bis 20 Kohlenstoffatomen. Die Alkylketten sind dabei bevorzugt linear dichtest gepackt, so dass an der Substratoberfläche die Matrizenverbindung die hydrophoben Abschnitte ausbilden kann.
  • Die hydrophoben Eigenschaften der Matrizenverbindung lassen sich verstärken, wenn die Matrizenverbindung zumindest teilweise fluoriert ist. Bevorzugt sind die Alkylketten der Matrizenverbindung perfluoriert.
  • Um eine Anbindung der Matrizenverbindung an die Substratoberfläche über eine kovalente Bindung erreichen zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Matrizenverbindung ein Silan ist. Bevorzugt ist die Matrizenverbindung ein Halogensilan, welches mit einer auf der Substratoberfläche angeordneten Hydroxygruppe reagiert, so dass die Matrizenverbindung als Siloxan an die Substratoberfläche gebunden wird.
  • Bei der bisher beschriebenen Ausführungsform verbleibt die aus der Matrizenverbindung gebildete Struktur auf der Substratoberfläche und die Halbleiterstrecke wird fertig gestellt, indem beispielsweise das Lösungsmittel verdampft wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann jedoch auch in der Weise durchgeführt werden, dass nach dem Auftrag der Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymeren die benetzte Substratoberfläche als Druckmedium wirkt und das elektrisch leitfähige Polymer von der benetzten Substratoberfläche auf einen Träger übertragen wird. Dazu kann der Träger mit der benetzten Substratoberfläche in Kontakt gebracht werden, wobei das elektrisch leitfähige organische Polymer auf dem Träger besser haftet als auf der Substratoberfläche bzw. den von der Matrizenverbindung gebildeten Flächen. Ein derartiger Transfer des elektrisch leitfähigen organischen Polymers von der Substratoberfläche auf die Oberfläche des Trägers erfolgt in vergleichbarer Weise wie bei einem Druckverfahren.
  • Das elektrisch leitfähige organische Polymer kann dabei entweder direkt von der Substratoberfläche auf den gewünschten Träger übertragen werden. Es ist aber auch möglich, das elektrisch leitfähige organische Polymer von der benetzten Substratoberfläche zunächst auf einen Zwischenträger zu übertragen und anschließend das elektrisch leitfähige organische Polymer vom Zwischenträger auf den Träger zu übertragen. Diese Verfahrensführung entspricht im Wesentlichen einem Offset-Druckverfahren. Als Zwischenträger wird beispielsweise ein flexibler Zwischenträger, wie eine Gummibahn gewählt, durch welche Rauhigkeiten auf der Oberfläche des Trägers ausgeglichen werden, so dass ein vollständiger Transfer des elektrisch leitfähigen organischen Polymers vom Zwischenträger auf den Träger erfolgt.
  • Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren sowie anhand von Beispielen näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen:
  • 1 Arbeitsschritte, welche beim erfindungsgemäßen Verfahren durchlaufen werden;
  • 2 eine erste Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 3 eine zweite Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 4 eine fotografische Aufnahme von Strukturen, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt wurden;
  • 5 einen Schnitt durch einen organischen Transistor, welcher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt worden ist;
  • 6 eine Kennlinie eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten organischen Transistors;
  • 7 Kennlinien von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Transistoren.
  • In 1A sind Arbeitsschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei diese als Negativdruck durchgeführt wird. 1A(a) zeigt ein Substrat 1, auf dessen Substratoberfläche Abschnitte 2 aus der Matrizenverbindung abgeschieden sind. Als Substrat 1 können an sich alle bedruckbaren Materialien, wie Papier, Polymerfolien, Glas, Silizium, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid usw. verwendet werden. Geeignete Polymere sind zum Beispiel Polystyrol, Polyethylen, Polyester, Polyurethan, Polycarbonat, Polyacrylat, Polyimid, Polyetter, Polybenzoxazol oder Gemische dieser Verbindungen. Als Matrizenverbindungen können Verbindungen verwendet werden, die einerseits eine Gruppe aufweisen, welche an die Oberfläche des Substrats 1 binden kann, wobei die Bindung über eine kovalente Bindung oder über eine nicht kovalente Bindung erfolgen kann, beispielsweise eine Dipol-Dipol-Wechselwirkung, eine ionische Wechselwirkung oder eine koordinative Bindung. Die Matrizenverbindung muss andererseits einen Rest aufweisen, welcher den Abschnitten 2 eine zur Oberfläche des Substrats 1 gegensätzliche Polarität verleiht. Ist die Oberfläche des Substrats 1 beispielsweise hydrophil, muss die Matrizenverbindung so ausgestaltet werden, dass die Abschnitte 2 hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Ist andererseits die Oberfläche des Substrats 1 hydrophob, muss die Matrizenverbindung so ausgestaltet sein, dass die Abschnitte 2 hydrophile Eigenschaften aufweisen. Als Matrizenverbindungen geeignete Verbindungen sind beispielsweise Halogensilane, Halogenalkane, Aminoalkane, Thioalkane, Alkohole, Sulfonalkane und Carbonsäuren bzw. Carboxylate. Die Matrizenverbindung wird z.B. durch Drucken auf die Oberfläche des Substrats 1 aufgebracht, so dass Abschnitte 2 mit einer definierten Struktur erhalten werden. Die Dicke der Abschnitte 2 wird dabei gering gewählt. Vorzugsweise wird nur eine Monolage der Matrizenverbindung auf die Oberfläche des Substrats 1 aufgebracht. Man erhält so ein Substrat 1 mit einer strukturierten Oberfläche, wobei die Struktur die Abschnitte 2 der Matrizenverbindung sowie die Abschnitte 3 umfasst, in welchen die Oberfläche des Substrats 1 freilegt.
  • Auf die strukturierte Substratoberfläche wird nun eine Lösung eines elektrisch leitfähigen organischen Polymers aufgebracht. Dazu kann beispielsweise zunächst die gesamte strukturierte Substratoberfläche, welche die Abschnitte 2 und 3 umfasst, mit der Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers bedeckt werden. Das Substrat 1 kann dann gekippt werden, so dass überschüssige Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers ablaufen kann. Als elektrisch leitfähiges organisches Polymer kann an sich jedes Polymer verwendet werden, das die erforderliche elektrische Leitfähigkeit aufweist und das sich als Lösung oder Suspension verarbeiten lässt. Beispiele für geeignete elektrisch leitfähige organische Polymer sind mit Camphersulfonsäure dotiertes Polyanilin oder mit Polystyrolsulfonsäure dotiertes Poly(dioxyethylen)thiophen (PEDOT:PSS). Diese elektrisch leitfähigen organischen Polymere weisen beispielsweise einen hydrophilen Charakter auf. Als Lösungsmittel eignen sich beispielsweise Wasser, Alkohole, Ketone, Ether. Nach dem Entfernen überschüssiger Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers bleibt die Polymerlösung 4 nur auf den Abschnitten 3 zurück, in denen die Oberfläche des Substrats 1 freiliegt. Die Abschnitte 2 aus der Matrizenverbindung bleiben von der Polymerlösung 4 unbenetzt. Dies wird erreicht, da beispielsweise das Substrat 1 und damit die Abschnitte 3 hydrophile Eigenschaften aufweisen, während die Abschnitte 2 der Matrizenverbindung hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Wird nun die hydrophile Lösung 4 des elektrisch leitfähigen Polymers auf die strukturierte Substratoberfläche gegeben, werden selektiv nur die Abschnitte 3 benetzt. Anschließend wird überschüssiges Lösungsmittel aus der Polymerlösung 4 verdampft, so dass das elektrisch leitfähige Polymer 5 auf den Abschnitten 3 der Oberfläche des Substrats 1 zurückbleibt. Die Dicke der Abschnitte des elektrisch leitfähigen Polymers 5 ist dabei wesentlich größer als die monomolekulare Schicht der Matrizenverbindung, welche die Abschnitte 2 bildet. Das Verfahren wurde anhand einer Ausführungsform erläutert, in welcher das elektrisch leitfähige Polymer direkt als Lösung auf die strukturierte Substratoberfläche aufgebracht wurde. Es ist aber auch möglich, eine Lösung einer elektrisch nicht leitfähigen Vorstufe auf die strukturierte Substratoberfläche aufzubringen und diese, ggf, nach Verdampfen des Lösungsmittels, in das elektrisch leitfähige Polymer zu überführen, indem die Vorstufe z.B. oxidiert oder reduziert wird.
  • In 1B sind die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, wobei das Verfahren als Positivdruck ausgestaltet wird. Wie bei 1A erläutert, wird zunächst auf einem Substrat 1 eine strukturierte Substratoberfläche erzeugt, indem Abschnitte 2 aus einer Matrizenverbindung z.B. durch Drucken auf die Oberfläche des Substrats 1 aufgebracht werden, so dass zwischen den Abschnitten 2 angeordnete Abschnitte 3 erhalten werden, in welchen die Oberfläche des Substrats 1 freiliegt. Die weiteren Verfahrensschritte werden anhand eines Aufbaus erklärt, bei welchem das Substrat 1 hydrophobe Eigenschaften aufweist, während die Abschnitte 2 der Matrizenverbindung hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Auf die durch die Abschnitte 2 und 3 strukturierte Oberfläche des Substrats 1 wird nun eine Lösung 6 aufgebracht, welche hydrophobe Eigenschaften aufweist, also unpolar ist. Dazu wird das elektrisch leitfähige organische Polymer in einem unpolaren Lösungsmittel gelöst bzw. suspendiert. Wird nun, wie bei 1A beschrieben, die Polymerlösung auf die strukturierte Substratoberfläche gegeben und anschließend überschüssige Polymerlösung entfernt, bleibt die Polymerlösung 6 nur auf dem unpolaren hydrophoben Abschnitten 2 aus der Matrizenverbindung zurück, während die polaren Abschnitte 3 der Substratoberfläche nicht benetzt werden. Anschließend wird das Lösungsmittel der Polymerlösung verdampft, indem beispielsweise das Substrat 1 auf einer Heizplatte erwärmt wird. Man erhält dabei wiederum Abschnitte des elektrisch leitfähigen Polymers 5, das bei dieser Ausführungsform des Verfahrens jedoch auf den Abschnitten 2 der Matrizenverbindung angeordnet ist, während in den Abschnitten 3 die Oberfläche des Substrats 1 freiliegt. Auch bei dieser Ausführungsform des Verfahrens kann das elektrisch leitfähige Polymer zunächst in Form einer elektrisch nicht leitfähigen Vorstufe aufgebracht werden, die anschließend durch eine geeignete Behandlung ihre gewünschten elektrischen Eigenschaften erhält.
  • Verwendet man ein hydrophobes Substrat 1, müssen bei dieser Ausführungsform des Verfahrens entsprechend die Abschnitte 2 der Matrizenverbindung polar sein und die Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers 6 entsprechend ebenfalls polar sein.
  • Die Herstellung der strukturierten Substratoberfläche, wie sie in 1A(a) und 1B(a) dargestellt ist, wird im Weiteren unter Bezugnahme auf die 2 erläutert. Auf einer Hochdruckwalze 7 sind erhabene Bereiche 8 angeordnet, durch welche die auf einem Substrat 1 abzubildende Struktur definiert wird. In einem Reservoir 9 befindet sich ein Vorrat einer Lösung der Matrizenverbindung. Über eine Transportwalze 10 wird die Lösung der Matrizenverbindung aus dem Reservoir 9 entnommen, wobei über einen Abstreifer 11 überschüssige Lösung der Matrizenverbindung von der Oberfläche der Transportwalze 10 entfernt wird, so dass nur noch ein dünner Film der Matrizenverbindung auf der Transportwalze 11 verbleibt. Von der Transportwalze 11 wird die Matrizenverbindung auf die erhabenen Bereiche 8 auf der Oberfläche der Hochdruckwalze 7 übertragen, indem die erhabenen Bereiche 8 in Kontakt mit der Oberfläche der Transportwalze 10 gebracht werden. Auf den erhabenen Bereichen 8 der Hochdruckwalze 7 ist nun eine dünne Schicht der Lösung der Matrizenverbindung aufgebracht. Die Transportwalze 7 bewegt sich weiter, so dass die erhabenen Bereiche 8 mit der Oberfläche eines Substrats 1 in Kontakt gelangen. Das Substrat 1 wird dazu kontinuierlich über eine Substratwalze 12 an der Oberfläche der Hochdruckwalze 7 vorbeigeführt. Dabei wird die Lösung der Matrizenverbindung von den erhabenen Bereichen 8 der Hochdruckwalze 7 auf die Oberfläche des Substrats 1 übertragen. Als Substrat 1 kann beispielsweise eine Polymerfolie verwendet werden. Nach dem Vorbeilaufen an der Oberfläche der Hochdruckwalze 7 weist daher die Oberfläche des Substrats 1 Abschnitte 2 auf, welche von der Matrizenverbindung gebildet sind. Das Substrat 1 mit den auf seiner Oberfläche angeordneten Abschnitten 2 der Matrizenverbindung kann anschließend weiter verarbeitet werden, indem eine Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers auf die strukturierte Substratoberfläche aufgebracht wird (nicht dargestellt).
  • 3 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei für das Endprodukt nur das elektrisch leitfähige organische Polymer auf einen Träger übertragen wird, während die Abschnitte der Matrizenverbindung eine Druckform bilden, die zum Bedrucken des Trägers mit der Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers verwendet wird. Die in 3 dargestellte Vorrichtung entspricht im Wesentlichen einer Vorrichtung, wie sie beispielsweise für den Offsetdruck verwendet wird. Auf einem Plattenzylinder 13 ist ein bogenförmiges Substrat 1 aufgespannt, auf welchem Abschnitte 2 aus einer Matrizenverbindung angeordnet sind. Das Substrat 1 kann dabei zum Beispiel hydrophile Eigenschaften aufweisen, während die Abschnitte 2 der Matrizenverbindung hydrophobe Abschnitte bilden. Die Abschnitte 2 der Matrizenverbindung können beispielsweise aus einem Silikon gebildet sein. Zwischen den Abschnitten 2 der Matrizenverbindung sind Abschnitte 3 angeordnet, in welchen die Oberfläche des Substrats 1 freiliegt. Man erhält also eine strukturierte Substratoberfläche, welche beispielsweise hydrophobe Abschnitte 2 und hydrophile Abschnitte 3 umfasst. Auf die strukturierte Substratoberfläche wird mit Hilfe eines Farbwerks 14 eine Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers aufgetragen. Die Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers soll für die folgende Erläuterung hydrophile Eigenschaften aufweisen. Die strukturierte Substratoberfläche wird an den Walzen des Farbwerks 14 vorbeigeführt, so dass die hydrophilen Abschnitte 3 von der Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers bedeckt werden, während die Abschnitte 2 der Matrizenverbindung unbenetzt bleiben. Nachdem auf die strukturierte Substratoberfläche die Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers aufgetragen wurde, rotiert diese weiter und gelangt mit der Oberfläche eines Gummituchzylinders 15 in Kontakt. Die Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers wird nun auf die Oberfläche des Gummituchzylinders 15 übertragen, während die strukturierte Substratoberfläche auf dem Platten zylinder 13 wieder zum Farbwerk 14 weiterbewegt wird, um erneut Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers aufzunehmen. Die Oberfläche des Gummituchzylinders 15 wird weiter rotiert, so dass sie schließlich mit der Oberfläche eines Trägers 16 in Kontakt gelangt. Dazu wird der Träger 16 aus einem Vorratsbehälter 17 entnommen und zwischen dem Gummituchzylinder 15 und dem Druckzylinder 18 hindurchgeführt. Dabei wird die auf der Oberfläche des Gummituchzylinders 15 vorgegebene Struktur, welche aus dem elektrisch leitfähigen organischen Polymer gebildet wird, auf die Oberfläche des Trägers 16 übertragen. Der bedruckte Träger 16 wird anschließend über ein Transportband 19 einem Auffangbehälter 20 zugeführt.
  • Die Herstellung von Halbleiterstrecken aus einem elektrisch leitfähigen organischen Polymer wurde in 3 anhand eines hydrophilen Substrates 1 beschrieben, auf welchem hydrophobe Abschnitte 2 aus der Matrizenverbindung angeordnet sind und wobei eine hydrophile Lösung eines elektrisch leitfähigen organischen Polymers selektiv nur die hydrophilen Abschnitte 3 der Substratoberfläche bedeckt. Es ist jedoch auch möglich, ein hydrophobes Substrat 1 zu verwenden, auf welchem hydrophile Abschnitte 2 der Matrizenverbindung angeordnet sind. In diesem Fall wird eine hydrophobe Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers verwendet. Dazu kann beispielsweise eine Lösung in einem organischen unpolaren Lösungsmittel verwendet werden. In diesem Fall werden dann die hydrophoben Abschnitte 3, in welchen die hydrophobe Substratoberfläche freiliegt, von der hydrophoben Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers benetzt.
  • Das anhand von 3 beschriebene Verfahren wurde als Negativverfahren erläutert. Es ist aber auch möglich, das Verfahren als Positivverfahren auszugestalten. Dazu wird die Polarität der Lösung des elektrisch leitfähigen Polymers gleich oder zumindest weitgehend ähnlich zur Polarität der aus der Matrizenverbindung gebildeten Abschnitte gewählt, sodass die Lösung des elektrisch leitfähigen Polymers selektiv nur die Abschnitte 2 benetzt.
  • 4 zeigt elektronenmikroskopische Aufnahmen von Leiterbahnen aus PEDOT/PSS, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt wurden. Die Leiterbahnen weisen eine Linienbreite von 10 μm bei einem Abstand von 100 μm zwischen benachbarten Leiterbahnen auf. Die 4A bis C zeigen verschiedene Vergrößerungen der Anordnung. 4A zeigt die Anordnung in Übersicht, wobei eine relativ geringe Vergrößerung gewählt wurde. Ruf der Oberfläche eines Substrats 1 sind helle Linien 21 angeordnet, welche aus dem elektrisch leitfähigen organischen Polymer gebildet sind. Die dunklen Bereiche 22, welche zwischen den hellen Linien 21 angeordnet sind, entsprechen Abschnitten der Substratoberfläche, denen durch Behandlung mit Octadecyltrichlorosilan als Matrizenverbindung hydrophobe Eigenschaften verliehen wurden. In der vergrößerten Darstellung 4B erkennt man die dunklen Bereiche 22, welche frei von elektrisch leitfähigem organischem Polymer sind. Die hellen Bereiche 21, welche dem elektrisch leitfähigen organischen Polymer entsprechen, sind klar begrenzt und zeigen einen scharfen Übergang zu den hydrophoben Abschnitten 22. Auch bei der in 4C dargestellten höchsten Auflösung zeigt die Grenze zwischen den Halbleiterstrecken 21 aus dem elektrisch leitfähigen organischen Polymer und den hydrophoben Bereichen 22 keine Unregelmäßigkeiten. Das elektrisch leitfähige organische Polymer füllt die durch die Matrizenverbindung definierten hydrophilen Bereiche auf der Substratoberfläche vollständig aus, so dass nach Verdampfen des Lösungsmittels eine gleichmäßige Struktur erhalten wird. Die Herstellung der in 4 dargestellten strukturierten Halbleiterstrecken wird weiter unten anhand von Beispielen näher erläutert.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch für die Herstellung mehrlagiger mikroelektronischer Bauteile verwendet werden, wie zum Beispiel für die Herstellung von organischen Feldeffekttransistoren oder organischen Dioden. Dazu muss eine Zwischenschicht zur Verfügung stehen, auf der sich hydrophile und hydrophobe Abschnitte erzeugen lassen, um eine strukturierte Substratoberfläche zu erhalten, auf welcher selektiv in den hydrophilen oder hydrophoben Abschnitten die Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers aufgetragen werden kann. Als Zwischenschichten eignen sich zum Beispiel Dielektrika, wie SiO2 oder organische Polymere in organischen Feldeffekttransistoren oder ITO (Indium-Zinn-Oxid) in organischen Leuchtdioden. Die Justierung verschiedener Drucklagen ist im Offsetdruck im Größenordnungsbereich von 20 μm möglich. Dies ist für Anwendungen, in denen organische Feldeffekttransistoren bzw. organische Leuchtdioden verwendet werden, ausreichend. Der Aufbau eines organischen Feldeffekttransistors, wie er weiter unten in Beispiel 12 hergestellt wird, ist in 5 dargestellt. Auf einen Untergrund 23, der beispielsweise eine Polymerfolie oder ein Siliziumwafer sein kann, ist eine Gateelektrode 24 aus einem elektrisch leitfähigen organischen Polymer angeordnet. Die Gateelektrode 24 wird durch ein Gatedielektrikum 25 isoliert, das beispielsweise aus einem Polymermaterial oder einem isolierenden Oxid, wie Siliziumdioxid bestehen kann. Auf dem Gatedielektrikum 25 sind Sourceelektrode 26 und Drainelektrode 27 angeordnet, welche ebenfalls aus einem elektrisch leitfähigen organischen Polymer aufgebaut sind. Zwischen Sourceelektrode 26 und Drainelektrode 27 ist eine Leiterstrecke 28 angeordnet, die beispielsweise aus Polythiophen aufgebaut ist und deren Leitungseigenschaften über die Gateelektrode gesteuert werden können.
  • Die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in den folgenden Beispielen demonstriert.
  • Beispiel 1
  • Kontaktwinkelmessungen
  • Die hydrophilen und hydrophoben Eigenschaften der Substratoberfläche, der mit der Matrizenverbindung bedeckten Abschnitte sowie der elektrisch leitfähigen organischen Polymere wurde durch Messung des Kontaktwinkels gegenüber Wasser festgestellt. Monolagen der als Matrizenverbindung verwendeten Silane wurden erzeugt, indem ein thermisch oxidierter Siliziumwafer für 1 h bei 100°C unter Stickstofffluss und einem Druck von 200 mbar in einer Atmosphäre des Silans gelagert wurde. Bei den Kontaktwinkelmessungen wurden die in Tabelle 1 angegebenen Werte ermittelt.
  • Tabelle 1
    Figure 00220001
  • Beispiel 2
  • Kontaktwinkelmessungen für organisches Substrate
  • Ähnliche Werte für die Kontaktwinkel wie bei Beispiel 1 werden erhalten, wenn eine Polyesterfolie (Polyethylennaphthalat) für 10 s in einem Sauerstoffplasma bei 400 W und 0,1 mbar behandelt wird und anschließend analog Beispiel 1 eine selbstorganisierte Monolage eines Alkylsilans aufgebracht wird.
  • Beispiel 3
  • Stempelherstellung
  • Auf einem Siliziumwafer wird eine 25 %-ige Lösung eines Po-ly(o-hydroxy)amids in N-Methylpyrrolidon bei 2500 Umdrehungen während 10 s aufgeschleudert. Die Schicht wird bei 100°C für 60 s auf einer Heizplatte unter einem Stickstoffstrom vorgetrocknet. Die Umwandlung zum Polybenzoxazol wird durch eine Temperaturbehandlung bei 400°C während 30 min in einem Inertgasofen durchgeführt. Die Dicke der erhaltenen Polybenzoxazolschicht beträgt 1,3 μm.
  • Zur Strukturierung der Polybenzoxazolschicht wird zunächst ein siliziumhaltiger i-line Fotoresist bei 5000 U/min während 20 s aufgeschleudert und anschließend für 60 s bei 100°C getrocknet. Die Schichtdicke des Fotoresists beträgt 1,3 μm. Der Fotoresistfilm wird anschließend durch eine Maske mit 60 mJ/cm2 bei 365 nm belichtet und mit einer 2,38 %-igen wässrigen Lösung von Tetramethylammoniumhydroxid während 60 s bei Raumtemperatur entwickelt. Die Resiststruktur wird mit einem Sauerstoffplasma (O2, 400 W, 0,1 mbar) in das Polybenzoxazol übertragen. Durch geringes Überätzen wird der Resist vollständig von der Polybenzoxazolschicht entfernt. Aus der in der Polybenzoxazolschicht erzeugten Struktur wird nun ein Stempel hergestellt, indem eine Schicht aus Polydimethyldisi-loxan mit einer Dicke von 1–3 mm auf der strukturierten Polybenzoxazolschicht aufgetragen wird. Die Herstellung der Polydimethyldisiloxanschicht wird nach den Vorgaben des Herstellers durchgeführt. Nach dem Aushärten der Polydimethyldisiloxanschicht wird der Stempel abgezogen und mit Ethanol sowie n-Hexan im Wechsel für 10 min bzw. 2 min im Ultraschallbad gewaschen und unter einem Stickstoffstrom getrocknet.
  • Beispiel 4
  • Strukturierung
  • Der in Beispiel 3 hergestellte Stempel wird bei 100°C bei einem Druck von 200 mbar im Stickstoffstrom mit Octadecyltrich lorosilan bedampft. Der Stempel wird anschließend für 10 s auf die Oberfläche eines Substrats gedrückt. Als Substrat wird ein Siliziumwafer verwendet, welcher durch Oxidation auf seiner Oberfläche mit einer Schicht aus Siliziumdioxid versehen ist. Die auf dem Stempel abgeschiedene Schicht aus Octadecyltrichlorosilan wird von den erhabenen Bereichen des Stempels auf das Substrat übertragen, so dass eine monomolekulare Schicht aus Octadecylresten auf der Oberfläche des SiO2 erzeugt wird.
  • Beispiel 5
  • Strukturierung
  • Beispiel 4 wird wiederholt, wobei jedoch anstelle von Octadecyltrichlorosilan Tridecafluoro-1,1,2,3-tetrahydrooctyltrichlorosilan verwendet wird.
  • Beispiel 6
  • Der in Beispiel 3 erhaltene Stempel wird für 10 min in eine 3 %-ige Lösung von Octadecyltrichlorosilan in trockenen Hexan gegeben. Der Stempel wird aus der Lösung entnommen und überschüssiges Lösungsmittel im Trockenschrank bei 60°C unter vermindertem Druck verdampft. Der mit Octadecyltrichlorosilan belegte Stempel wird für 10 s auf eine Substratoberfläche aus Siliziumdioxid gepresst, so dass das Octadecyltrichlorosilan von den erhabenen Bereichen des Stempels auf die Substratoberfläche übertragen wird und eine monomolekulare Schicht auf der Substratoberfläche ausgebildet wird.
  • Beispiel 7
  • Beispiel 6 wird wiederholt, wobei jedoch anstelle von Octadecyltrichlorosilan Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyltrichlorosilan verwendet wird.
  • Beispiel 8
  • Auftrag des elektrisch leitfähigen organischen Polymers
  • Die in den Beispielen 4 bis 7 erhaltenen Substrate, auf deren Oberfläche hydrophobe Bereiche definiert sind, werden in eine Lösung aus PEDOT/PSS getaucht. Die nicht mit Octadecyltrichlorosilan beschichteten hydrophilen Bereiche der Substratoberfläche werden dabei gleichmäßig mit PEDOT/PSS benetzt, während die mit Octadecyltrichlorosilan beschichteten hydrophoben Bereiche nicht benetzt werden. Das Substrat wird unter einem Winkel von 45° aus der Lösung des organischen Polymers herausgezogen, wobei das PEDOT/PSS auf der Substratoberfläche nur in den hydrophilen Abschnitten verbleibt. Anschließend wird das benetzte Substrat für 3 min bei 100°C getrocknet.
  • Beispiel 9
  • Abscheidung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers durch Aufsprühen
  • Die in den Beispielen 4 bis 7 erhaltenen Substrate werden mit einer Lösung von PEDOT/PSS besprüht, wobei das Substrat jeweils schräg gehalten wird, so dass überschüssige Polymersuspension ablaufen kann. Die benetzten Substrate werden anschließend während 3 min während 100°C getrocknet, um das Lösungsmittel zu entfernen.
  • Beispiel 10
  • Abscheidung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers durch Aufschleudern
  • Auf die in den Beispielen 4 bis 7 erhaltenen Substrate wird jeweils eine Lösung von PEDOT/PSS bei einer Drehzahl von 2000 Upm aufgeschleudert. Anschließend wird das Substrat während 3 min bei 100°C getrocknet, um das Lösungsmittel zu verdampfen.
  • In 4 sind Ausschnitte der in den Beispielen 8 bis 10 hergestellten Leiterbahnen in unterschiedlicher Vergrößerung dargestellt.
  • Beispiel 11
  • Elektrische Charakterisierung
  • Auf die in Beispiel 8 dargestellten Leiterstrecken wird bei 60°C Pentazen aufgedampft. Dabei werden Transistoren mit einer Ladungsträgerbeweglichkeit von 0,03 cm2/Vs, einer Einsatzspannung von 16 V, einer Subeinsatzspannungssteigerung von 3,4 V/Dekade und einem On/Off-Stromverhältnis von 103 erhalten. Die gemessenen Kennlinien der in Beispiel 11 erhaltenen organischen Transistoren sind für verschiedene Gate-Sourcespannungen in 6 dargestellt.
  • Beispiel 12
  • Herstellung eines organischen Transistors
  • Auf einem Siliziumwafer, der an seiner Oberfläche durch Oxidation mit einer Schicht aus Siliziumdioxid versehen war, wird zunächst wie bei Beispiel 8 beschrieben, ein hydrophiler Abschnitt definiert, auf welchem die Gateelektrode abgeschieden werden soll. Auf die strukturierte Substratoberfläche wird wie bei Beispiel 10 beschrieben, eine Lösung von PEDOT/PSS aufgeschleudert und anschließend durch Erwärmen überschüssiges Lösungsmittel entfernt. Zur Herstellung des Gatedielektrikums wird eine Lösung von 10 % Poly-4-hydroxystyrol, 1 % Vernetzer, 89 % n-Butanol bei 2500 Upm/30 s aufgeschleudert. Um das Lösungsmittel zu verdampfen, wird das Substrat zunächst für 1 min auf einer Heizplatte auf 100°C erwärmt und anschließend für die Vernetzung für 1 min auf 200°C erhitzt. Ruf der Schicht des Gatedielektrikums werden nun wie bei Beispiel 8 beschrieben, hydrophile Abschnitte durch Drucken erzeugt, um die Abschnitte für die Sourceelektrode und die Drainelektrode zu definieren. Die Justierung des Stempels relativ zur Gateelektrode erfolgt unter einem Mikroskop, wobei eine Genauigkeit von ca. 100 μm erreicht wird. Für die Herstellung der Source- und Drainelektroden wird nun wieder wie in Beispiel 10 beschrieben eine Lösung des elektrisch leitfähigen organischen Polymers aufgeschleudert und das Substrat anschließend zur Entfernung von Lösungsmittel kurzfristig auf einer Heizplatte erwärmt. Auf diese Struktur wird eine 2 %-ige Lösung von Poly-3-hexylthiophen in Chloroform bei 1500 Upm während 20 s aufgeschleudert. Das Lösungsmittel wird entfernt, indem das Substrat anschließend für 1 min auf einer Heizplatte auf 70° erhitzt wird. Die Transistoren weisen eine Ladungsträgerbeweglichkeit von 0,001 cm2/Vs bei einer Einsatzspannung von 4 V auf. Die Kennlinien der Transistoren bei verschiedenen Gatespannungen sind in 7 dargestellt.
    • 1
    Substrat
    2
    Abschnitte der Matrizenverbindung
    3
    freiliegende Abschnitte der Substratoberfläche.
    4
    Polymerlösung (polar)
    5
    elektrisch leitfähiges Polymer
    6
    Polymerlösung (unpolar)
    7
    Hochdruckwalze
    8
    erhabene Bereiche
    9
    Reservoir
    10
    Transportwalze
    11
    Abstreifer
    12
    Substratwalze
    13
    Plattenzylinder
    14
    Farbwerk
    15
    Gummituchzylinder
    16
    Träger
    17
    Vorratsbehälter
    18
    Druckzylinder
    19
    Transportband
    20
    Auffangbehälter
    21
    Linien aus elektrisch leitfähigem organischem Polymer
    22
    hydrophobe Bereiche
    23
    Untergrund
    24
    Gateelektrode
    25
    Gatedielektrikum
    26
    Sourceelektrode
    27
    Drainelektrode
    28
    aktive Halbleiterschicht

Claims (12)

  1. Verfahren zur Erzeugung strukturierter Halbleiterstrecken aus einem elektrisch leitfähigen organischen Polymer, umfassend zumindest die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Substrats mit einer Substratoberfläche; abschnittsweises Aufbringen einer Matrizenverbindung auf die Substratoberfläche, so dass eine strukturierte Substratoberfläche mit hydrophilen und hydrophoben Abschnitten erhalten wird, wobei die hydrophilen und hydrophoben Abschnitte von Abschnitten der Matrizenverbindung einerseits und freiliegenden Abschnitten der Substratoberfläche andererseits gebildet werden; Aufbringen eines in flüssiger Phase vorliegenden elektrisch leitfähigen Polymers auf die strukturierte Substratoberfläche, wobei die flüssige Phase des elektrisch leitfähigen Polymers nur die hydrophilen Abschnitte oder nur die hydrophoben Abschnitte der strukturierten Substratoberfläche benetzt und eine benetzte Substratoberfläche erhalten wird, in der strukturierte Halbleiterstrecken aus dem elektrisch leitfähigen organischen Polymer definiert sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die aus der Matrizenverbindung gebildeten Abschnitte der strukturierten Substratoberfläche durch ein Druckverfahren erzeugt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Druckverfahren ein Hochdruckverfahren ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Hochdruckverfahren ein Mikrokontaktdruck ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Matrizenverbindung als monomolekulare Schicht auf die Substratoberfläche aufgebracht wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Matrizenverbindung über eine kovalente Bindung an die Substratoberfläche gebunden wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf der Substratoberfläche Anknüpfungsgruppen zur kovalenten Anknüpfung der Matrizenverbindung bereitgestellt werden.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die hydrophoben Abschnitte aus der Matrizenverbindung gebildet werden.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrizenverbindung Alkylketten mit 5 bis 20 Kohlenstoffatomen umfasst.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrizenverbindung zumindest teilweise fluoriert ist. 11: Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Matrizenverbindung ein Silan ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektrisch leitfähige organische Polymer von der benetzten Substratoberfläche auf einen Träger übertragen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das elektrisch leitfähige Polymer von der benetzten Substratoberfläche zunächst auf einen Zwischenträger und vom Zwischenträger auf den Träger übertragen wird.
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