JP2011129878A - 局在パターンの作成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易且つ実施が容易な高分解能パターンの作成方法を提供する。
【解決手段】第１熱伝導率を示す物質から作られる支持体１の上面上に少なくとも１つのパターンを作成する方法は、第２熱伝導率を示し、且つ、パターンの形状に対応する形状を有する少なくとも１つの孔部８を含む物質から作られるマスク７を配置する工程を含む。孔部８は、支持体１の底面に接触する。第２導電率に対する第１導電率の比率は、その方法の実施期間（duration）において、２以上又は１／２以下である。また、その方法は、パターンを形成するように作られた物質を含む溶液を上面上に堆積する工程と、溶液を蒸発させる工程と、を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、支持体の上面に少なくとも１つのパターンを作成する方法に関する。

現時点で利用されるレイヤパターニング技術は、例えばステンシル技術を用いたマスクを介するフォトリソグラフィと、エッチング又は堆積とである。これらのマイクロエレクトロニクス技術は、コストが高く、且つ、有機層の堆積には不向きである。この場合には、印刷技術が好ましい。なぜなら、印刷技術は、コストが安く、セットアップが容易であり、且つ、大サイズの支持体を利用可能にするからである。

オフセット、フレキソ印刷、スクリーン印刷、及びインクジェット印刷等の技術は、スクリーン印刷及びインクジェット印刷に好ましい印刷エレクトロニクスの製造に共通して用いられる。

インクジェット印刷は、有機デバイス、例えば有機電界効果トランジスタ又は有機発光ダイオードの製造に広く用いられる。インクジェット印刷技術は、有機デバイス内の有機半導体の堆積工程に特に用いられる。しかしながら、この技術は、分解能の面で限界がある。得られる最少寸法は、実際には約５０μｍである。他の印刷技術は、約２０μｍのより低い分解能を得ることができる。しかしながら、そのようなより低い分解能も、幾つかの用途には不十分なままである。

基板上に微小なパターンを作成するためには、親油性領域及び疎油性領域、又は親水性領域及び疎水性領域を基板の表面上に画定することができる。それ故に、親油性領域及び疎油性領域、又は親水性領域及び疎水性領域を基板の表面上に画定する工程は、基板の表面の油又は水に対する親和性を修正する工程を含む。この工程は、堆積対象の物質を含む溶液（solution）の堆積の前に行われる。その後、例えば溶解有機半導体を含むこの溶液が堆積され、親油性領域又は親水性領域に溶液自体を閉じ込める。

図１は、特許文献１で述べられる簡易なパターニング方法により得られる薄層内のトランジスタを示す。特許文献１の方法は、基板１上の低い表面エネルギーを有するポリマー層２の堆積工程を含む。トランジスタの誘電電極（ソース及びドレイン）３ａ及び３ｂは、例えばインクジェット印刷により、又は金属堆積及びフォトリソグラフィにより、ポリマー層２上に実現される。誘電電極は、高い表面エネルギーを有する物質から形成される。低表面エネルギーのポリマー層２は、電極３ａ及び３ｂの間のチャネル領域４と、電極３ａ及び３ｂの周辺に設けられる領域５とに任意に存在する。

溶液内の半導体物質は、好ましくはインクジェット印刷により、電極３ａ及び３ｂ上と、チャネル領域４上と、に堆積する。電極３ａ及び３ｂはポリマー層２より高い表面エネルギーを有するので、溶液は、電極３ａ及び３ｂとポリマー層２との間の表面エネルギーの差により引き付けられて、ソース電極３ａ及びドレイン電極３ｂの上面を覆う。溶液条件及び表面条件、例えば湿潤条件の性質は、溶液内の半導体が電極３ａ及び３ｂの表面により引き付けられ、且つ、領域５により跳ね返される。また、チャネル領域４内のポリマー層２の低い表面エネルギーにもかかわらず、溶液は、領域４内に閉じ込められたままである。

蒸発工程の後に、溶液は、電極３ａ及び３ｂと、チャネル領域４と、を覆う薄い半導体層６に変質される。チャネル領域４では、薄い半導体層は、連続的であり、且つ、電極３ａ及び３ｂの側壁に接触する。それにより、チャネルが形成される。

領域４に閉じ込められたままの溶液に関しては、溶液の表面エネルギーは増加可能であり、又は、蒸発時間は低減可能である。

基板１は、例えばガラスから作られる硬質性のものでもよいし、特にポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から作られる柔軟性のあるものでもよい。

それ故に、特許文献１の方法は、ソース電極とドレイン電極との間にチャネルを形成する半導体島の自己整合の閉じ込めを可能にする。しかしながら、特許文献１の方法により用いられる半導体は、結晶形ではなく、且つ、インクジェット堆積方法には多くの場合に不向きである。また、得られるパターンの空間分解能は、水滴の大きさと、液体の拡散と、により制限される。

米国特許ＵＳ２００７−０２３２０３５号公報

本発明の目的は、実装が簡易且つ容易な高分解能パターンの作成方法を提供することである。

とりわけ、本発明の目的は、大多数の物質と、通常の印刷技術、例えばインクジェット印刷と、に全体的に相性の良い微細パターンの作成方法を提供することである。

本発明によれば、この目的は、第１熱伝導率を示す物質から作られる支持体の上面上に少なくとも１つのパターンを作成する方法によって達成される。本方法は、第２熱伝導率を示し、且つ、パターンの形状に対応する形状を有する少なくとも１つの孔部（recess）を含む物質から作られるマスクを配置する工程を含む。孔部は、基板の底面に接触する。第２導電率に対する第１導電率の比率は、本方法の実施期間（duration）において、２以上又は１／２以下である。また、本方法は、パターンを形成するように作られた物質を含む溶液を基板の上面上に堆積する工程と、溶液を蒸発させる工程と、を含む。

その他の利点及び特徴は、非限定的な例示目的でのみ与えられ、添付の図面に示される以下の本発明の実施形態の記述からより明らかになるであろう。

先行技術に係るパターニング方法により得られるトランジスタを示す図。 本発明に係るパターンの作成方法の工程を示す図。 本発明に係るパターンの作成方法の工程を示す図。 本発明に係るパターンの作成方法の工程を示す図。 本発明に係るパターンの作成方法の代替例を示す図。 図２〜図４の方法により得られるトランジスタを示す図。

図２は、少なくとも１つの局在化され且つ構造化されたパターンの作成方法の工程を示す。極めて簡易な方法では、この方法は、小さい寸法、例えば１００ｎｍ以下の寸法のパターンを支持体１又は基板の上面上に形成可能にする。

マスク７は、支持体１の底面に接触するように配置される。マスクは、少なくとも１つの孔部８を含む。図２では、複数の孔部８が示される。各孔部８は、支持体１の上面上に形成されるパターンに対応する。それにより、各孔部８は、作成されるパターンに適した形状及び大きさを有する。図２に示すように、孔部は、好ましくは開口部である。

図３は、パターンを形成するように作られた物質を含む溶液９を支持体１の上面上に堆積する次の工程を示す。この溶液の堆積は、通常の印刷技術、特にインクジェット印刷により行うことができる。溶液は、支持体１の少なくとも１つの領域を覆う。支持体１の下には、マスク７の孔部８が設けられる。溶液は、好ましくは、支持体１の上面を完全に覆う。

特定の実施形態では、溶液９は、少なくとも１つの溶媒を含む。溶媒中には、堆積されるべき物質が溶解している。堆積されるべき物質は、好ましくは有機半導体、例えばペンタセン、又は有機絶縁体、特にポリスチレンである。

堆積されるべき物質は、液体中に分散したナノ粒子によって形成することもできる。この場合には、溶媒は、分散剤、例えば水、ＤｕＰｏｎｔ^TM社のＺｏｎｙｌ^(R)、又は石鹸に置き換えられる。ナノ粒子は、例えばシリコン、シリカ、金属、又はカーボンから作られるチューブ、ワイヤ、又は球体の形状をとることができる。

上述の方法により支持体の下にマスクを設け、堆積した溶液の一部を除去することにより、溶液の液体層が分離し、マスクの孔部上の自己整合島を形成することが分かった。島への分離は、自然な方法（natural manner）又は熱支援方法（heat-assisted manner）の何れかによる溶液の蒸発工程により実現することができる。

図４は、蒸発工程の間の島９´への溶液の分離を示す。各島９´は、マスク７の孔部８の上方に形成される。この分離現象は、支持体１とマスク７との間の熱伝導率の比率に起因し得る。支持体１は、第１熱伝導率λ_１を示す物質から作られる。マスク７は、第２熱伝導率λ_２を示す物質から作られる。上述の分離を得るためには、第２熱伝導率λ_２に対する第１熱伝導率λ_１の比率は、本方法の実施期間において、２以上（λ_１／λ_２≧２）又は１／２以下（λ_１／λ_２≦１／２）である。それにより、支持体の熱伝導率λ_１がマスクの熱伝導率λ_２の少なくとも２倍であるか、逆に、マスクの熱伝導率λ_２が支持体の熱伝導率λ_１の少なくとも２倍である。

通常の方法では、高い値を有する比率λ_１／λ_２又はその逆の比率λ_２／λ_１は、島９´の形成を促進し且つ加速させる。それ故に、第２熱伝導率λ_２に対する第１熱伝導率λ_１の比率は、好ましくは１０以上又は１／１０以下である。

支持体は１０μｍ〜１ｍｍの間に概して含まれる厚さを有するので、支持体１の上面は、蒸発工程の間に温度勾配を示すであろう。したがって、支持体の上面は、溶液がより速く又はより遅く蒸発する領域内で有機化される。

支持体１は、プラスチック又はシリカから作ることもできる。支持体は、好ましくは柔軟性のある物質である。柔軟性のある物質は、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、又はポリイミドから作られる。マスク７は、好ましくは良好な熱導体、例えばステンレス鋼等の物質から作られる。

熱伝導率は、選択された物質の性質に第１に依存するが、物質の温度及び印加される電界にも依存する。それ故に、マスクの温度及び電界は、蒸発工程の間に熱伝導率を修正するように調整することができる。このことは、例えば、マスク及び支持体の標準的な熱伝導率（２０℃の温度及びゼロ電界の熱伝導率）は互いに近似するときに利点がある。この場合には、熱伝導率の比率λ_１／λ_２（又はその逆）は、１に近似するので、島の形成条件を満たさない。したがって、マスクの温度及びマスクに印加される電界を調整することにより、所望の熱伝導率比率が得られる。

それ故に、本方法が蒸発工程の間のマスク上の電界の印加を含むことが有益である。電界は、好ましくは１Ｖ／ｍ〜１００ｋＶ／ｍに含まれる。

本方法は、蒸発工程の間にマスクの加熱又は冷却を含むこともできる。そのとき、マスクは、−１００℃〜＋１００℃に含まれる温度になる。

また、蒸発工程は、溶液の島９´を、選択された物質のパターンに変形可能にする。

代替例では、孔部８には、第３熱伝導率λ_３を示す充填材が充填される。また、充填剤とマスクを形成する物質との間の熱伝導率の比率は、ある条件下で島への分離を増進する。第３熱伝導率λ_３に対する第１熱伝導率λ_１の比率は、本方法の実施期間において、２以上又は１／２以下である。充填剤は、空気、水、油、又はその他の任意の液体から選択することができる。

分離現象のその他の説明としては、支持体１の上面の表面エネルギーを修正しても良い。特に、溶液及び支持体の表面エネルギーは、実際には、支持体上の溶液の湿潤条件に影響を与える。実際には、湿潤性は、液体が固体上に拡散する能力を画定する。それ故に、液体は、表面上に付着及び拡散するときに湿り、表面上に付着しないときに撥水する。

支持体の厚さが薄いために、支持体１の底面上にその後にマスク７を適用することで、表面エネルギーに変化を持たせる（textured)ことができる。それ故に、孔部８の上方に位置する支持体の上面の領域は、マスクを形成する物質の上方に位置する領域とは異なる表面エネルギーを有する。液体は、孔部の上方に位置する支持体の上面の領域により保持される。それ故に、支持体１の底面にマスクを適用することは、支持体の上面に溶液を堆積する前に表面エネルギーに変化を持たせる（texturing）簡単な方法になり得る。

このパターニング技術は、幾つかの表面パラメータを修正することにより改善することができる。例えば、粗さも、支持体上の液体の湿潤性を条件付ける。通常の方法では、大きな粗さは、表面の湿潤性を低下させる。いくつかの溶媒の利用は、液体の蒸発パラメータを修正可能にする。

溶液の体積は、蒸発工程の間に、吹き出し（blowing）、剥離（scraping）、又は支持体の一時的な傾斜（momentary inclination）により低減される。特に、この蒸発工程は、溶媒又は分散剤を蒸発させる間に、液体層を島に分離することを促進する。また、過度の液体、すなわち支持体に付着せずに島を形成しなかった液体を排出可能にする。幾つかの場合には、溶液の島への分離は、吹き出し、剥離、又は支持体の傾斜により完全に行うことができる。

図５は、利用される溶液が少なくとも２つの非混和性の溶媒を含む本方法の代替例を示す。溶媒は、図５の１０及び１０´で表される。溶媒１０は、図４に関して述べられたように、孔部８の垂直方向に閉じ込められる。堆積されるべき物質を含む溶媒１０´は、溶媒１０により閉じ込められる。このように、溶媒１０´は、孔部８より小さな寸法のパターンを画定する。このように、パターンの空間分解能は増加する。

パターンの作成方法は、多くの用途に利用することができる。プラスチックから作られる支持体の利用が好ましい。また、パターンの作成方法は、半導体有機層又は絶縁体有機層の堆積に完全に適している。それ故に、有機トランジスタ及び発光ダイオードは、特別な用途である。

図６は、例えば本発明に係る方法を用いた半導体有機物質内に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）チャネルを形成する目的を示す。

トランジスタのソース電極３ａ及びドレイン電極３ｂは、プラスチック、例えば訳０．１Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１の熱伝導率を有するＰＥＴから作られる支持体１上に形成される。ステンレス鋼のマスク７（１００Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１の熱伝導率）は、支持体１の下に設けられ、それぞれ異なる大きさでもよい複数の孔部８を含む。孔部８には、空気が充填される。各孔部８の大きさは、異なるチャネルに必要な寸法、例えば５０μｍに適合される。溶液内の有機半導体は、プラスチックの支持体の上面の全体にインクジェット印刷により堆積される。液体の体積は、表面の剥離により助長される蒸発により孔部８の上方に島９´が形成するまで減少する。マスク７は、周囲温度に維持される。電界は印加されない。このようにして、溶液の島は、ＴＦＴトランジスタの異なるチャネルを形成する有機半導体物質の層に変形される。

１ 基板
２ ポリマー層
３ａ ソース電極
３ｂ ドレイン電極
４，５ 領域
６ 半導体層
７ マスク
８ 孔部
９ 溶液
９´ 島
１０，１０´ 溶媒

Claims (12)

1. 第１熱伝導率（λ_１）を示す物質から作られる支持体（１）の上面上に少なくとも１つのパターンを作成する方法において、
   第２熱伝導率（λ_２）を示し、且つ、前記パターンの形状に対応する形状を有する少なくとも１つの孔部（８）を含む物質から作られるマスク（７）を配置する工程であって、前記マスク（７）は、前記支持体（１）の底面に接触し、前記第２熱伝導率に対する前記第１熱伝導率の比率は、前記方法の実施期間（duration）において、２以上又は１／２以下である工程と、
   前記パターンを形成するように作られた物質を含む溶液（９）を前記上面上に堆積する工程と、
   前記溶液を蒸発させる工程と、
   を備えることを特徴とする方法。
2. 少なくとも１つのパターンは、いくつかのパターンを含み、
   前記溶液は、前記支持体（１）の上面を完全に覆うように堆積される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第２熱伝導率に対する前記第１熱伝導率の比率は、前記方法の実施期間において、１０以上又は１／１０以下である、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記蒸発させる工程の間に、１Ｖ／ｍ〜１００ｋＶ／ｍに含まれる電界を前記マスク（７）上に印加する、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記蒸発させる工程の間に、前記マスク（７）を−１００℃〜＋１００℃の間に含まれる温度にすることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記孔部（８）には、第３熱伝導率λ_３を示す充填剤が充填され、
   前記第３熱伝導率（λ_３）に対する前記第１熱伝導率（λ_１）の比率は、前記方法の実施期間において、２以上又は１／２以下である、ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の方法。
7. 前記充填剤は、空気、水、又は油から選択される、ことを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記蒸発させる工程の間に、前記溶液（９）の体積は、剥離（scraping）、吹き出し（blowing）、又は支持体の一時的な傾斜（momentary inclination）により低減される、ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の方法。
9. 前記パターンを形成するように作られた前記物質は、有機半導体若しくは有機絶縁体であり、又は液体中に分散したナノ粒子により形成される、ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法。
10. 前記ナノ粒子は、シリコン、金属、又はカーボンから作られるチューブ、ワイヤ、又は球体の形状をとる、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記溶液（９）は、少なくとも１つの溶媒（１０，１０´）又は分散剤を含む、ことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の方法。
12. 前記マスク（７）は、ステンレス鋼から作られ、
    前記支持体（１）は、プラスチックから作られ、
    前記孔部（８）には、空気が充填される、ことを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の方法。

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