(57)【要約】【課題】本発明は、従来の印刷法より微細かつ平滑な電極パターンを形成可能な、薄膜トランジスタの製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】ゲート電極、絶縁層、ソース・ドレイン電極、半導体層を有する薄膜トランジスタの製造方法であって、該ゲート電極、ソース・ドレイン電極のうち、いずれかひとつ以上を、少なくとも平均粒子径が５０ｎｍ以下の金属粒子と、水性溶媒と、水溶性樹脂を含む導電性インク組成物を反転オフセット印刷法により転写した後、熱処理を行うことにより薄膜トランジスタの電極を形成することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法とするものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲート電極、絶縁層、ソース・ドレイン電極、半導体層を有する薄膜トランジスタの製造方法であって、該ゲート電極、ソース・ドレイン電極のうち、いずれかひとつ以上を、平均粒子径が５０ｎｍ以下の金属粒子と、水性溶媒と、水溶性樹脂を含む導電性インク組成物を反転オフセット印刷法により転写した後、熱処理を行うことにより形成することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項２】
前記水溶性樹脂と前記金属粒子の配合比が、重量比（水溶性樹脂／金属粒子）＝（１／２０）〜（１／４）であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項３】
前記水溶性樹脂がポリエチレンオキサイドであることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項４】
前記金属粒子が銀を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【請求項５】
前記熱処理における熱処理温度が１２０℃以上２５０℃以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜トランジスタの印刷法による製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、フレキシブル化、軽量化、低コスト化などの観点から、印刷法による薄膜トランジスタ（印刷ＴＦＴ）の研究が盛んであり、有機ELや電子ペーパーなどの駆動回路や電子タグなどへの応用が期待されている。しかしながら、一般に印刷法はフォトリソ法よりパターン解像度が劣り、また、塗布型の有機半導体は一般にキャリア移動度が小さい。したがって、印刷ＴＦＴの実用化には、各種電極（ゲート電極およびソース・ドレイン電極）の微細形成が特に重要であり技術的課題の一つである。
【０００３】
前記各種電極の印刷形成方法として、これまで、スクリーン印刷やインクジェットを用いた例が数多く報告されているが、これらの印刷法はパターン解像度が十分とはいえない。
例えば、スクリーン印刷は、スクリーンメッシュの精細度の制約から、パターンの微細度が例えばラインスペースで２０μｍ以下となると、パターンの安定形成は困難である。また、パターンが微細となると、粘度が高く流動性の低い印刷ペーストを用いる必要があるため、印刷後のレべリング不足によりパターンにカスレや表面凹凸が残るという表面平滑性の問題も生じてくる。
【０００４】
一方、インクジェットは印刷版に関わる問題はなく表面平滑性の問題も小さいが、インクの着弾精度は微細パターン形成には十分とはいえず、さらにインクジェット用のインクは低粘度で流動性が大きいため、パターン解像度はスクリーン印刷より悪い。これに対し、あらかじめ基材表面にインクの流動を制限するための各種パターニング処理を施すことで、微細パターンを形成した例もあるが、工程が複雑となるため、低コスト化や大面積化に対する有効性は限られたものとなる。
【０００５】
これに対し、微細なパターンが形成可能な方法として反転オフセット印刷法が知られている。反転オフセット印刷は、剥離性表面を有する印刷ブランケットの全面に転写物を塗布形成し、この印刷ブランケットを凸版に密着させ離すことで、転写物のうち凸版凸部に接触した部分を印刷ブランケットから除去し、続いてこの印刷ブランケットを被転写物に密着させ離すことで転写物を転写する印刷パターニング方法である。
反転オフセット印刷による印刷ＴＦＴの各種電極の形成例はこれまで報告されていないが、オフセット印刷による導電性パターンの形成例はいくつか報告されている。それらの形成例における導電性インク組成物は、分散媒として有機溶剤系のものが用いられ、導電材として粒径が数μｍ程度の金属粒子が用いられている（特許文献１〜３参照）。
【０００６】
この従来の導電性インク組成物を反転オフセット印刷に用いた場合、いくつかの問題が生じる。すなわち、該導電性インク組成物は分散媒が有機溶剤であるため、前記印刷ブランケットが溶剤を吸収し膨潤し印刷物の寸法精度や位置精度が損なわれるため、薄膜トランジスタにおいてはゲート電極とソースドレイン電極のアラインメント精度が低下してしまう。また、該導電性インク組成物は導電材の粒子サイズが大きいため、微細なパターンの輪郭を鮮明に形成することができず、また、十分な平滑性を得ることもできない。薄膜トランジスタは絶縁層の下に電極が形成されているが、該電極の表面平滑性が悪いとゲート絶縁膜の絶縁性が低下する問題が生じる。
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−３０５６４５号公報
【特許文献２】特開２００１−０９３３２６号公報
【特許文献３】特開２００１−５１５６４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこの問題点を鑑みてなされたものであり、各種電極をより微細かつ平滑に印刷形成することが可能な、薄膜トランジスタの形成方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１記載の発明は、ゲート電極、絶縁層、ソース・ドレイン電極、半導体層を有する薄膜トランジスタの製造方法であって、該ゲート電極、ソース・ドレイン電極のうち、いずれかひとつ以上を、平均粒子径が５０ｎｍ以下の金属粒子と、水性溶媒と、水溶性樹脂を含む導電性インク組成物を反転オフセット印刷法により転写した後、熱処理を行うことにより形成することを特徴とする薄膜トランジスタの製造方法である。
【００１０】
請求項２記載の発明は、前記水溶性樹脂と前記金属粒子の配合比が、重量比（水溶性樹脂／金属粒子）＝（１／２０）〜（１／４）であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。
【００１１】
請求項３記載の発明は、前記水溶性樹脂がポリエチレンオキサイドであることを特徴とする請求項１又は２に記載の薄膜トランジスタの製造方法である。
【００１２】
請求項４記載の発明は、前記金属粒子が銀を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法である。
【００１３】
請求項５記載の発明は、前記熱処理における熱処理温度が１２０℃以上２５０℃以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜トランジスタの製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、薄膜トランジスタにおいて、従来の方法に比べ、より微細な電極パターンを簡便な方法で形成することができる。具体的には、充分な導電性能を有する、線幅１０μｍ以下、線間隔が５μｍ以下の電極パターンを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、ゲート電極、絶縁層、ソース・ドレイン電極、半導体層を有する薄膜トランジスタにおいて、少なくともゲート電極、ソース・ドレイン電極のいずれかひとつ以上を反転オフセット印刷法を用いて形成することを特徴とする。
【００１６】
具体的な構成としては、基材上にゲート電極、絶縁層、ソース・ドレイン電極および半導体層を設ける構成や、絶縁性基材の片面にゲート電極、もう一方の面にソース・ドレイン電極および半導体層を設ける構成などを挙げることができる。
【００１７】
基材としては、各電極の形成時に転写、熱処理に耐えるものであれば何れも用いることが可能であるが、特に本発明の方法を用いれば、２５０℃以下の温度でも高い導電率が発現するため、プラスチック基材のいくつかも用いることも可能である。
このようなものとして例えば、ソーダライムガラス、石英、シリコンウエハーや、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、シクロオレフィンポリマー、ポリイミド、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート、ポリアリルレートなどを使用することができる。
【００１８】
次に各電極を形成する際に用いる導電性インク組成物について説明する。
本発明で用いる導電性インク組成物は導電成分として平均粒子径が５０ｎｍ以下の金属粒子と、分散媒として水性溶媒と、水溶性樹脂を少なくとも含む。
金属粒子としては平均粒子径が５０ｎｍ以下の粒子が用いられるが、好ましくは平均粒子径が２０ｎｍ以下の粒子である。５０ｎｍより粒子径が大きいと、粒子の形状や表面処理を工夫することにより導電性が確保できることもあるが、パターニング解像度や表面平滑性が低下するので好ましくない。また、粒子は１ｎｍ以上であることが好ましい。これより小さいと現実的に製造するのが非常に困難だからである。一般にナノサイズの金属粒子においては、粒径を小さくすると粒子同士が融着する温度が低下することが知られている。そして、粒子同士が融着するとバルク導電性が発現する。そのため、特に低温熱処理時における導電性の確保において粒子径がこの範囲であることが好ましい。また、粒子径がこの範囲であれば、ゲート絶縁層の下の電極として用いても、表面平滑性がゲート絶縁膜の絶縁性に与える影響は問題ないレベルである。
【００１９】
本発明の水性溶媒は分散媒として用いられる。
分散媒は、水性溶媒であれば、印刷用ブランケットを膨潤させない、あるいは膨潤させても極めて軽微であるので好ましい。水性溶媒としては、水、各種極性有機溶媒のうち１種類以上を含む溶媒を挙げることができる。極性有機溶媒としては、メタノール、エタノール、イソプロパノールなどのアルコール類、アセトンなどのケトン類が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２０】
金属粒子は、金属成分として金、銀、銅、ニッケル、白金、パラジウム、ロジウムなどが挙げられるが、導電性の観点から銀を主体とすることが好ましい。粒子の形態は、前記金属の単一成分粒子のほか、前記金属の合金粒子やコアシェル粒子としてもよい。
【００２１】
金属粒子はコロイド分散液として市販されているものを用いることができる。導電性インク組成物における粒子濃度は、特に限定されるものではないが、通常５０ｗｔ％以下である。
【００２２】
本発明では、導電性インク組成物の含有成分として、金属粒子と水性溶媒に加え、水溶性樹脂を含むことを特徴としている。
水溶性樹脂は、印刷用ブランケットから被印刷物への導電材の転写性を付与するためのものであり、水溶性樹脂を含むことで、微細で十分な導電性を有するパターンを形成することができる。
水溶性樹脂としては、前記金属粒子分散液に可溶なものが用いられ、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリアクリレート、ポリビニルピロリドン、カルボキシビニルポリマー、セルロース、天然多糖類、ポリビニルアルコール、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース等が挙げられるが、特に、ポリエチレンオキサイドを用いた場合にパターン転写性と導電性が良好である。
【００２３】
水溶性樹脂と金属粒子の配合比は、重量比で（水溶性樹脂／金属粒子）＝（１／２０）〜（１／４）、好ましくは、（水溶性樹脂／金属粒子）＝（１／１０）〜（１／８）である。添加量が多いと導電性パターンに十分な導電性が発現せず、添加量が少ないと、前述の転写性が不十分となり、安定にパターン形成することができない。水溶性樹脂の分子量は、特に限定されるものではないが、前記コロイド分散液への溶解性、前記転写性および熱処理後の導電性を考慮し適当なものが選択される。
また、本発明で用いる導電性インク組成物は、印刷用ブランケットへ均一に塗布するために、必要に応じ界面活性剤やレベリング剤を添加しても良い。
【００２４】
次に反転オフセット印刷による電極パターンの形成例として、プレーナー型薄膜トランジスタの形成において基材上にゲート電極を形成する工程を図１を用い説明する。
まず、剥離性表面を有する印刷用ブランケット１１の全面に導電性インク組成物２を均一に塗布した後、後述の凸版による転写物の除去に必要な程度まで乾燥させ、転写物３１が全面に形成されたブランケット１２を得る（図１ａ）。
塗布方法としては、例えば、バーコート、ダイコート、スピンコートなどが挙げられるが、これに限定されるものではない。前記転写物３１の厚さは、パターンの精細度にもよるが、通常１０μｍ以下である。膜厚が大きいと転写時に転写物３１の凝集破壊が生じやすくなり好ましくない。
【００２５】
次に、転写物３１が全面に形成された印刷用ブランケット１２を、凸版４の版面に密着させたのち剥離させる（図１ｂ）。密着方法としては、例えば、凸版４の上に印刷用ブランケット１２を若干傾斜させて一端側を接触させるように位置させ、この状態で、必要に応じ圧力を加えながら、接触側から非接触側へ連続的に密着させる方法がある。この工程により、転写体３１のうち凸版４の凸部に接触した部分が印刷用ブランケット１２から除去される。凸版４の凸部は、所望パターンに対する非画像部のパターンであり、従って、所望パターンの転写物３２が形成された印刷用ブランケット１３が得られる。
【００２６】
印刷用ブランケット１１の材料は、転写物３１が形成可能かつ凸版４による除去および後述の基材５への転写が可能なものが用いられるが、ある程度の柔軟性を有する材料が好ましい。このようなものとして、例えば、シリコーン系エラストマー、フッ素系エラストマー、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴムなどが用いられる。また、この印刷用ブランケット１１の表面に、フッ素樹脂処理、シリコーン処理等を施してもよい。
【００２７】
凸版４は、転写物３１を除去可能であれば特に限定されるものではなく、材料としては例えば、ガラス、ステンレス等の金属、各種レジスト材料が用いられ、サンドブラスト、フォトリソエッチング、ＦＩＢ（収束イオンビーム）などの方法で加工される。
【００２８】
次に、所望のパターンを有する転写物３２が形成された印刷用ブランケット１３を基材５に密着させたのち剥離させる（図１ｃ）。密着方法としては、例えば、前述の印刷用ブランケット１２を凸版４に密着させる方法と同様の操作が挙げられる。これにより、被基材５の表面に接触した転写物３２は、印刷用ブランケット１３から除去されるとともに、基材５に転写され、転写物３２が形成された被印刷物５２を得る。転写物３２の転写および前述の転写物３１の除去は、印刷用ブランケット１１の剥離作用により生じるものである。
【００２９】
次に、転写物３２が転写された被印刷物５２を熱処理することにより、導電性を発現させ、所望のパターンのゲート電極６を得る（図１ｃ）。熱処理温度は高いほど導電性も高くなる傾向があるが、耐熱性の観点から被印刷物の限定も大きくなり、例えば、被印刷物としてプラスチックを用いる場合は、２５０℃以下であることが必要である。
【００３０】
なお、本発明の反転オフセット印刷は、一般的な印刷装置を用いて実施することも可能である。例えば、円筒状のロールに巻きつけた印刷用ブランケット１１に導電性インク組成物２を塗布乾燥し、転写物３１が形成された印刷用ブランケット１２とした後、印刷用ブランケットロール１２が凸版４に接触するよう配置させた状態で円筒状ロールを凸版４上で転がすことで転写物３２が形成された印刷用ブランケット１３とし、続いて印刷用ブランケット１３を基材５に接触するよう配置させた状態で円筒状ロールを基材５上で転がすことで転写物３２する。
【００３１】
図２に、前述のゲート電極が形成された基材を用いたプレーナ型薄膜トランジスタを示す。前述のゲート電極が形成された基材に、ゲート絶縁膜７、ソース・ドレイン電極８、半導体層９が順次形成されたものである。ゲート絶縁膜、半導体層は公知の印刷法、コーティング法などにより形成することができる。また、ソース・ドレイン電極は前述のゲート電極の形成方法と同様の方法で形成することができる。
なお、ゲート電極、ソース・ドレイン電極は全て反転オフセット印刷法で形成することが好ましいが、このうち片方を反転オフセット印刷法で形成し、もう一方を別のパターニング方法で形成することも可能である。
【００３２】
ゲート絶縁膜７は公知の材料を用いて形成することができる。具体的には、ＳｉＯ２、ＢａｘＳｒ（１−ｘ）ＴｉＯ３、ＢａＴｉｘＺｒ（１−ｘ）Ｏ３等の無機系材料や、ポリエステル／メラミン樹脂ペースト、ポリメチルメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアルコール、ポリビニルフェノール、ポリスチレン、シアノエチルプルランなどの有機系材料を用いることができる。ゲート絶縁膜の形成には、例えば、スピンコート、ディップコート、スクリーン印刷、凸版印刷、凹版印刷、平版印刷、インクジェット、真空蒸着、ＣＶＤ等の公知の方法が用いられる。なお、前述のように基材をゲート絶縁膜と兼ねることもできる。
【００３３】
半導体層９は、各種公知の材料で形成可能である。例えは、ペンタセン、ポリチオフェン、ポリアリルアミン、フルオレンビオチオフェン共重合体などの有機系材料、カーボンナノチューブやフラーレンなどの炭素化合物材料、セレン化カドミウム粒子などの無機系の材料が挙げられる。半導体層９は、各種公知の方法で形成可能である。例えば、スピンコート、ディップコート、スクリーン印刷、凸版印刷、凹版印刷、平版印刷、インクジェット、真空蒸着などから半導体材料に応じ適宜選択して用いられる。
本発明は、スタガー型ＴＦＴにも同様に適用可能である。本発明のスタガー型ＴＦＴは、基材上にソース・ドレイン電極および半導体層およびゲート絶縁膜が順次形成され、さらに該ゲート絶縁膜上にゲート電極が形成された構造となる。
【実施例１】
【００３４】
図２に示したプレーナ型薄膜トランジスタを、以下１）〜５）の手順で作製した。
（ゲート電極の形成）
銀粒子水分散液（平均粒径２０ｎｍ、住友電工製）にポリエチレンオキサイド（平均分子量１０，０００、アルドリッチ製）を、（ポリエチレンオキサイド／銀粒子／水）＝（１／８／３１）の重量比となるように溶解させ、ゲート電極形成用の導電性インク組成物を調製した。
また、東芝ＧＥ社製の２液型シリコーンゴムを、厚さ２ｍｍ、大きさが１００ｍｍ×１００ｍｍに成形したものを印刷用ブランケットとした。
また、フォトリソエッチング加工により、辺長１ｍｍの正方形パターンの凹部（深さ４０μｍ）をソーダライムガラス板に設け、ゲート電極形成用の凸版とした。
【００３５】
前記印刷用ブランケットに前記導電性インク組成物をバーコータ（＃６）で全面に塗布した後、室温で数分間乾燥させ、転写物が全面に形成されたブランケットを得た。続いて、このブランケットを前記ゲート電極形成用の凸版に密着させたのち剥離し、転写物のうち凸部に接触した部分をブランケットから除去し、転写物がゲート電極のパターンで形成されたブランケットを得た。続いて、このブランケットをガラス基材に密着させたのち剥離することで、ガラス基材にゲート電極パターンの転写物を転写した。続いて、これを２００℃で３０分間熱処理することでガラス基材上にゲート電極を形成した。
【００３６】
（ゲート絶縁膜の形成）
ポリビニルフェノール（平均分子量２０，０００、アルドリッチ製）および架橋剤をシクロヘキサノンに溶解し絶縁膜形成溶液を調製した。前記ゲート電極形成基材に該絶縁膜形成溶液をスピンコートした後熱硬化させ（２００℃−１時間）、膜厚１μｍのゲート絶縁膜を形成した。
【００３７】
（ソース・ドレイン電極の形成）
導電性インク組成物および印刷ブランケットは、前記のゲート電極の形成工程で用いたものと同じものを用いた。また、ソース・ドレイン電極形成用の凸版は、２個の同一形状の矩形（１０μｍ×５００μｍ）を長辺の間隔が２μｍとなるように配置させたパターンを有する凹部（深さ０．７μｍ）をソーダライムガラス板に設けたものとした。
前記において形成したゲート電極とゲート絶縁膜が形成されたガラス板におけるゲート電極の上部のゲート絶縁膜上に、前記ゲート電極の形成工程と同様の方法でソース・ドレイン電極を形成した（チャネル長２μｍ、チャネル幅５００μｍ）。
【００３８】
（半導体層の形成）
ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（シグマアルドリッチジャパン製）溶液を、前記ソース・ドレイン電極間にインクジェットで塗布した後乾燥させ半導体層を形成した。
最後に、ソース・ドレイン電極上にボンディングパッドを設け、ボンディングパッドを除く基板表面の前面を保護膜で覆ってＴＦＴを完成させた。このＴＦＴのドレイン電圧Ｖとドレイン電流Ｉの相関（Ｖ−Ｉ特性）のゲート電圧依存性を評価した結果、ＦＥＴ特性が確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の薄膜トランジスタの製造法の一例の一部を工程順に示す断面図である。
【図２】本発明の薄膜トランジスタの断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１１      印刷用ブランケット
１２      転写物３１が形成された印刷用ブランケット
１３      転写物３２が形成された印刷用ブランケット
２        導電性インク組成物
３１      印刷用ブランケットの全面に形成された転写物
３２      印刷用ブランケットにパターン形成された転写物
４        凸版
５        基材
６        ゲート電極
７        ゲート絶縁膜
８        ソース・ドレイン電極
９        半導体層
【図１】
2006332165.tif 000002
【図２】
2006332165.tif 000003