一種薄膜電晶體精細掩模板的製備方法及其應用與流程

2024-03-29 03:54:05 1

本發明屬於半導體與電噴印技術領域，具體涉及一種薄膜電晶體精細掩模板的製備方法及其應用，其能夠同時製備源極和漏極，並在源極和漏極之間製備出納米級的溝道，滿足薄膜電晶體製備的精度需求。

背景技術：

薄膜電晶體(Thin Film Transistor，TFT)作為微電子產品的基本元件，在柔性顯示、可穿戴電子、微傳感器等領域都有廣泛的應用前景。隨著微電子技術的發展，TFT的性能與集成度越來越高，特徵尺寸不斷縮小，對其設計與製造提出了諸多挑戰。

電晶體源極、漏極的製備方法主要是射頻濺射或者熱蒸鍍，源漏極之間溝道長度對電晶體性能有著決定性的影響，同時也影響著電晶體的集成度。高性能、高集成度電晶體的製備對小溝道的加工提出了要求，需要達到納米級別。小溝道的加工常規方法是光刻，光刻工藝能夠生產納米級的精細結構，但是需要掩模，所用設備昂貴，具有工藝複雜，生產成本高，難以大面積生產的缺點。此外，由於光刻工藝與有機工藝不相容等原因會導致OTFT製備電極複雜。納米壓印同樣可以生產100nm以下的微細結構。但納米壓印需要精度很高的模板，壓印介質與基板存在兼容性問題，且同樣存在工藝複雜，生產成本高等問題。

另一類製備小溝道的方法是通過製作金屬掩模控制金屬成膜區域來實現，該方法能夠與有機工藝兼容，可以實現大面積製備。該方法使用的金屬掩模一般用雷射加工或機械加工的方法來生產，但是雷射加工或機械加工無法做出兩側鏤空中間只留有納米級寬度金屬線的圖案，且特徵尺寸低於100μm時，隨著掩模精度的提高，製作成本急劇上升。因此需要尋找一種新的方法實現納米溝道精細掩膜板的製備。

電流體動力噴印(Electrohydrodynamics，EHD)技術是一種新興的微納米級製造工藝，具有低成本、高效列印有機物溶液或金屬熔融物的能力。靜電紡絲作為電流體動力噴印模式的一種，可以製備連續長納米纖維。在金屬薄板上做出陣列化鏤空圖案，列印橫跨鏤空部分的纖維，纖維將鏤空部分分為兩塊。以該沉積有纖維的金屬薄板作為掩模板進行濺射或蒸鍍時，鏤空部分金屬沉積為源、漏極，纖維部分阻擋了金屬薄膜的沉積，形成長度略小於纖維寬度的溝道。將電紡纖維用於精細掩膜板的製備可以極大地降低掩模成本以及降低溝道長度。同時利於實現小溝道電晶體大面積、陣列化的製備。

由於存在上述缺陷和不足，本領域亟需做出進一步的完善和改進，設計一種製備精細掩模板進而製備薄膜電晶體的方法，使其能夠克服了薄膜電晶體傳統小溝道製備工藝成本高、工藝複雜、環境要求苛刻等缺點，能夠同時製備出滿足精度要求的源極、漏極和溝道，簡化製備精細掩模板的流程，得到高集成度、高性能的薄膜電晶體器件。

技術實現要素：

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種薄膜電晶體精細掩模板的製備方法及採用該掩模板製備薄膜電晶體的方法，首先使用雷射切割技術得到陣列化、鏤空的金屬薄板，以該金屬薄板為基板，使用近場靜電紡絲技術列印橫跨鏤空部分的纖維，使得鏤空部分被分為間距為亞微米甚至納米級的兩塊區域。以列印有纖維的金屬薄板為掩模板，在有機半導體層上採用蒸鍍或濺射的方式同時構造源極和漏極，源漏極之間的溝道長度略小於纖維直徑，纖維直徑寬度可實現範圍為50nm～30μm，從而可以獲得性能優異的TFT器件。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種薄膜電晶體精細掩模板的製備方法，其特徵在於，具體包括以下步驟：

S1.準備一金屬薄板，在該金屬薄板上刻蝕多個鏤空圖案，上述鏤空圖案呈陣列化分布，從而製備出鏤空金屬薄板；

S2.製備靜電紡絲溶液，用於紡制亞微米級纖維；

S3.採用步驟S2中製備的靜電紡絲溶液在步驟S1中製得的金屬薄板上紡制亞微米級的纖維，紡出的單根纖維橫跨金屬薄板的鏤空部分，將金屬薄板的鏤空部分平均分割為相鄰兩塊區域；

S4.待纖維固化後，即得到由金屬薄板和纖維構成的用於製備薄膜電晶體的精細掩模板。

進一步優選地，所述金屬薄板上的鏤空圖案採用雷射切割工藝刻蝕而成。

優選地，所述纖維採用靜電紡絲方法製備，紡絲溶液為PVDF或PEO等有機聚合物溶液，製備的纖維直徑的大小範圍為50nm～30μm。較多的比較試驗表明，採用PVDF或PEO等有機聚合物溶液和靜電紡絲的方法能夠製備出更細的納米級纖維，且仿製的纖維均勻一致、性能更好。將製備的纖維直徑大小範圍控制在上述範圍內，能夠得到納米級的溝道，滿足薄膜電晶體的製備需求。

優選地，所述纖維與下方的半導體層不接觸。由於纖維與下方基板不接觸，不僅免去了祛除纖維的過程，而且未完全固化纖維不與半導體層直接接觸，避免了溶劑對半導體層的破壞效應，對各層溶劑的選擇要求降低，有利於提高器件性能。

按照本發明的另一方面，提供了一種薄膜電晶體的製備方法，其特徵在於，包括以下步驟：

S1.準備一個基底層，在該基底層的表面從下至上依次製備薄膜電晶體的金屬柵極、介電層和半導體層；

S2.在半導體層表面鋪設採用如上所述的製備方法製備的精細掩模板，該精細掩模板通過纖維將金屬薄板上的鏤空部分平均分割為相鄰兩塊區域；

S3.在精細掩模板表面進行鍍膜工藝，由於精細掩模板中金屬薄板的鏤空部分被纖維分割為兩塊區域，因此在半導體層表面同時製備出源極和漏極，所述源極和漏極之間由於纖維的遮擋形成溝道；

S4.將所述半導體層表面的精細掩模板去除，製得薄膜電晶體。

進一步優選地，所述半導體層為有機半導體層。採用有機半導體層能夠極大地簡化製造工藝和降低製造成本，且有機半導體層具有良好的柔曲性，能夠滿足柔性薄膜電晶體的性能要求。

優選地，所述基底層為非柔性基底或柔性基底。本發明的薄膜電晶體的製備方法能夠在各種基底上製備出薄膜電晶體，而根據實際使用需求使用不同的基底材料，製備出柔性或非柔性的薄膜電晶體，能夠滿足不同場合的使用需求。

優選地，所述纖維與下方的半導體層不接觸。由於纖維與下方基板不接觸，不僅免去了去除纖維的過程，而且未完全固化纖維不與半導體層直接接觸，避免了溶劑對半導體層的破壞效應，對各層溶劑的選擇要求降低，有利於提高器件性能。

優選地，所述鍍膜工藝為濺射或蒸鍍工藝。

優選地，所述源極與漏極之間溝道的寬度略小於纖維直徑。在半導體層上同時製備源極和漏極，且使源極與漏極之間溝道長度略小於纖維直徑，可以得到比較高的集成度。

總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下優點和有益效果：

(1)本發明克服了薄膜電晶體傳統小溝道製備工藝成本高、工藝複雜、環境要求苛刻等特點，提出了用靜電紡絲在鏤空金屬薄板上沉積纖維的方法製備精細掩膜板，由該方法製備出的掩模板具有納米級的纖維將金屬薄板分成兩部分，採用該精細掩模板製備薄膜電晶體時，能夠同時製備源極和漏極，並在源極和漏極之間形成納米級的溝道，以滿足薄膜電晶體製備的精度需求。

(2)本發明在製備精細掩模板時，採用PVDF或PEO等有機聚合物的紡絲溶液和靜電紡絲的方法，能夠製備出細度更細的納米級的纖維，且紡制的纖維均勻一致，性能更好。將製備的纖維直徑大小範圍控制在一定範圍內，能夠得到納米級的溝道，滿足薄膜電晶體的製備需求。

(3)本發明提出的精細掩模板製備方法和採用該精細掩模板製備薄膜電晶體的方法，能夠得到溝道尺寸在納米級別的薄膜電晶體，且該方法還具有工藝流程少，成本低的優點，可以實現大面積、陣列化製備，有利於得到高集成度、高性能的薄膜電晶體器件。

附圖說明

圖1為採用靜電紡絲方法製備掩膜板的示意圖。

圖2為本發明的薄膜電晶體中的微納米溝道製備工藝流程圖。

圖3為使用本發明在矽基板上製備電晶體工藝流程圖。

圖4為使用本發明在柔性基板上製備電晶體工藝流程圖。

其中，1為電紡絲運動平臺，2是陣列化鏤空金屬薄板，3是高壓電源，4是電噴印噴頭，5是電紡絲泰勒錐，6是電紡纖維，7、8為濺射金得到的薄膜電晶體源漏極，9為非柔性薄膜電晶體柵極，10為非柔性薄膜電晶體介電層，11為非柔性薄膜電晶體半導體層，12為柔性薄膜電晶體柔性襯底，13為柔性薄膜電晶體柵極，14為柔性薄膜電晶體介電層，15為柔性薄膜電晶體半導體層。在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。

圖1為採用靜電紡絲方法製備掩膜板的示意圖。本發明的一種薄膜電晶體精細掩模板的製備方法，具體包括以下步驟：

S1.準備一金屬薄板，在該金屬薄板上刻蝕多個鏤空圖案，上述鏤空圖案呈陣列化分布，從而製備出鏤空金屬薄板；

S2.製備靜電紡絲溶液，用於紡制亞微米級纖維；

S3.採用步驟S2中製備的靜電紡絲溶液在步驟S1中製得的金屬薄板上紡制亞微米級的纖維，紡出的單根纖維橫跨金屬薄板的鏤空部分，將金屬薄板的鏤空部分平均分割為相鄰兩塊區域；

S4.待纖維固化後，即得到由金屬薄板和纖維構成的用於製備薄膜晶體的管精細掩模板。

在本發明的一個優選實施例中，所述金屬薄板上的鏤空圖案採用雷射切割工藝刻蝕而成。

在本發明的一個優選實施例中，所述纖維採用靜電紡絲方法製備，紡絲溶液為PVDF或PEO等有機聚合物溶液，製備的纖維直徑的大小範圍為50nm～30μm。較多的比較試驗表明，採用PVDF或PEO等有機聚合物溶液和靜電紡絲的方法能夠製備出更細的納米級纖維，且纖維均勻一致，性能更好。將製備的纖維直徑大小控制在上述範圍內，能夠得到納米級的溝道，滿足薄膜電晶體的製備需求。

在本發明的一個優選實施例中，所述纖維與下方的半導體層不接觸。由於纖維與下方基板不接觸，不僅免去了祛除纖維的過程，而且未完全固化纖維不與半導體層直接接觸，避免了溶劑對半導體層的破壞效應，對各層溶劑的選擇要求降低，有利於提高器件性能。

圖2為本發明的薄膜電晶體中的微納米溝道製備工藝流程圖。按照本發明還提供了一種薄膜電晶體的製備方法，具體包括以下步驟：

S1.準備一個基底層，在該基底層的表面從下至上依次製備薄膜電晶體的金屬柵極、介電層和半導體層；

S2.在半導體層表面鋪設採用如上所述的製備方法製備的精細掩模板，該掩模板通過纖維將金屬薄板上的鏤空部分平均分割為相鄰兩塊區域；

S3.在精細掩模板表面進行鍍膜工藝，由於精細掩模板中金屬薄板的鏤空部分被纖維分割為兩塊區域，因此在半導體層表面同時製備出源極和漏極，所述源極和漏極之間由於纖維的遮擋形成微納米溝道；

S4.將所述半導體層表面的精細掩模板去除，製得薄膜電晶體。

進一步優選地，所述半導體層為有機半導體層。採用有機半導體層能夠極大地簡化製造工藝和降低製造成本，且有機半導體層具有良好的柔曲性，能夠滿足柔性薄膜電晶體的性能要求。

在本發明的一個優選實施例中，所述基底層為非柔性基底或柔性基底。

在本發明的另一個優選實施例中，所述纖維與下方的半導體層不接觸。

在本發明的另一個優選實施例中，所述鍍膜工藝為濺射或蒸鍍工藝。

在本發明的另一個優選實施例中，所述源極與漏極之間微納米溝道的寬度略小於纖維直徑。

為更好地解釋本發明，以下給出兩個具體實施例：

實施例1

利用本發明所述工藝方法在矽基板上製造薄膜電晶體過程如下：

(1)製備半導體層。將10mg的P3HT粉末添加在990mg的氯代苯中，加熱70℃、100W超聲溶解1-2h，待溶液無明顯顆粒後加熱60-70℃磁力攪拌2-3h後形成均勻的半導體溶液，並在靜置30min後用0.02um的篩網過濾得到製備好的有機半導體溶液。外購氧化矽片，其中N++Si為柵極，厚度約200μm，如圖3中9所示，SiO2為絕緣層，厚度約100nm，如圖3中10所示。將半導體溶液旋塗在SiO2絕緣層表面，轉速1500r/min，時間75s，得到的P3HT薄膜厚度一般控制在50-100nm之間，如圖3中11所示。然後將旋塗後的矽片放進烘箱，抽真空在100度的溫度下進行30min的退火處理。處理後的片子取出後置於手套箱中保存。

(2)製備掩膜板。使用金屬切割的方法在10cm×10cm的金屬方形薄板上切割出呈5×5排列的5mm×5mm的鏤空正方形，如圖1中2所示。將適量的PEO溶於去離子水，磁力攪拌6-8h後形成均勻的PEO溶液。將製備好的PEO溶液置於注射器中並固定在紡絲平臺上，以製備好的鏤空金屬薄板為基板，調整紡絲參數，噴嘴距離基板高度為2～5mm，流量設定為50～100nl/min，調節高壓放大器使得施加的外部電壓為0.8-1.5KV。此時噴嘴處產生泰勒錐，可以列印出直徑約為50nm～1μm的纖維，如圖1中6所示。設置運動平臺以設定軌跡運動，使得纖維橫跨金屬薄板鏤空正方形，可以得到所需掩膜板。

(3)製備源極和漏極。使用步驟2中製備的沉積有纖維的金屬薄板為掩膜板，通過熱蒸發鍍膜的方法在有機半導體上鍍金，電流設定為80～120A，時間300S，厚度100nm～300nm，如圖2中7、8所示。此種方法可同時得到電晶體的源極及漏極，溝道長度略小於纖維直徑，約為50nm～1μm。

實施例2

利用本發明所述工藝方法製造柔性薄膜電晶體過程如下：

(1)製備金屬柵極。將厚度為30-50μm的PI薄膜剪裁成10cm×10cm的方塊，先後用丙酮、無水乙醇、去離子水各超聲清洗10min，最後用氮氣吹乾。使用熱蒸發鍍膜的方法在清洗後的PI薄膜上鍍金，厚度為100～300nm，如圖4中13所示。

(2)製備絕緣層。將適量聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)溶於氯苯溶液中，配置成5-10mg/ml的溶液，將其旋塗於柵極表面，轉速1000r/min，時間60s，厚度控制在100～300nm，旋塗完成後在100℃-150℃將薄膜烘乾，如圖4中14所示。

(3)製備有機半導體層。將10mg的P3HT粉末添加在990mg的氯代苯中，加熱70度100W超聲溶解1-2h，待溶液無明顯顆粒後加熱60-70度磁力攪拌2-3h後形成均勻的半導體溶液，並在靜置30min後用0.02um的篩網過濾得到製備好的有機半導體溶液，將其旋塗在絕緣層表面轉速1500r/min，時間75s，得到的P3HT薄膜厚度一般控制在50-100nm之間，如圖4中15所示。然後將旋塗後的器件放進烘箱，抽真空在100℃的溫度下進行30min的退火處理。處理後的片子取出後置於手套箱中保存。

(4)製備掩膜板。將適量的PVDF溶於DMF與丙酮，比例6：4，濃度18％，加熱至35℃磁力攪拌6-7h後靜置2h形成均勻PVDF溶液備用。使用金屬切割的方法在10cm×10cm的金屬方形薄板上切割出呈5×5排列的5mm×5mm的鏤空正方形，如圖1中2所示。將製備好的PVDF溶液置於噴嘴之中固定在紡絲平臺之上，以製備好的金屬薄板為基板，調整好紡絲參數，噴嘴距離基板高度為2～10mm，流量設定為300～600nl/min，調節高壓放大器使得施加的外部電壓為1.4-1.8KV。此時噴嘴處產生泰勒錐，可以列印出約為0.5μm～5μm的纖維，如圖1中6所示。設置運動平臺以設定軌跡運動，使得纖維橫跨金屬薄板鏤空正方形，去除掉邊緣多餘纖維可以得到所需掩膜板。

(5)製備源極和漏極。使用步驟4中製備的沉積有纖維的金屬薄板為掩膜板，通過熱蒸發鍍膜的方法在有機半導體上鍍金，電流設定為80～120A，時間300S，厚度100nm～300nm，如圖2中7、8所示。此種方法可同時得到電晶體的源極及漏極，溝道長度略小於纖維直徑，約為0.5μm～5μm。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。