一次掩膜光刻同时定义有机薄膜晶体管源漏栅电极的方法

摘要

本发明公开了一种有机薄膜晶体管的制备方法，利用一次掩膜光刻同时定义出有机薄膜晶体管的源漏栅电极，包括：在衬底正面形成具有透光性的有机绝缘栅介质层；用保护卡具保护有机绝缘栅介质层，腐蚀衬底的背面至介质层镂空；在有机绝缘层正面和背面涂光刻胶，从正面对光刻胶进行曝光，同时曝光背面光刻胶，在显影液中显影，形成源漏电极的正性光刻胶掩模版和栅电极的负性光刻胶掩模版；在有机绝缘介质层正面、正性光刻胶掩模版、有机绝缘介质层背面和负性光刻胶掩模版上形成金属层，剥离形成源、漏、栅电极；在有机绝缘介质层正面，源漏电极上形成有机半导体层。本发明能够与传统的硅平面工艺兼容，制备的有机薄膜晶体管器件寄生电容小高频特性好。

说明书

技术领域

本发明涉及有机半导体器件和微细加工技术领域，尤其涉及一种利用一次掩膜光刻同时定义出有机薄膜晶体管源漏栅电极的方法。

背景技术

有机场效应晶体管(OFET)由于可在柔性、大面积衬底上构筑电子系统模块而备受关注，有巨大的潜在应用市场。目前无论全有机还是有机/无机混合器件基本上都是用薄膜晶体管结构来实现的，因此OFET又称有机薄膜晶体管(OTFT)。

要在绝缘介质两边制作栅电极和源、漏电极，都需要两块掩模版进行两次光刻，存在工艺复杂和对准精度问题。用简单的工艺实现高性能OTFT的制造一直是人们的研究热点。

Hagen Klauk等人早期利用整个导电衬底作为背栅电极，然后再在栅介质层上制作独立源、漏电极。这样工艺固然简单，仅需要一块掩模版进行一次光刻，但栅电极层和源、漏电极层交叠区域大，使得寄生电容效应明显，严重影响OTFT的高频特性，而且也不利用器件的集成。

申请号为200580004885.1的发明专利公开了一种包括自对准栅电极的有机晶体管及其制造方法，避免了源、漏电极层与栅电极层之间的交叠，减小了寄生电容效应，但在他的顶栅结构OTFT中，源、漏接触是依靠化学掺杂的方法来实现的。

人们一直在寻找一种工艺复杂度低，与硅工艺兼容性高，而且能够满足OTFT性能要求的新工艺。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种只用一块掩膜版，只需进行一次光刻，就可以同时定义源、漏、栅电极图形，而且源、漏、栅电极间具有自对准精度的有机薄膜晶体管的制备方法。本发明方法减少了掩模版数量和光刻次数，降低了制备成本，与传统的硅平面工艺完全兼容，有利于器件制备的应用。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种有机薄膜晶体管的制备方法，该方法利用一次掩膜光刻同时定义出有机薄膜晶体管的源、漏、栅电极，具体包括以下步骤：

在衬底(1)正面形成具有透光性的有机绝缘栅介质层(2)；

用保护卡具(7)保护有机绝缘栅介质层(2)，腐蚀衬底(1)的背面至介质层镂空；

在有机绝缘层(2)正面和背面涂光刻胶，从正面对光刻胶进行曝光，同时曝光背面光刻胶，在显影液中显影，形成源、漏电极的正性光刻胶掩模版(8)和栅电极的负性光刻胶掩模版(9)；

分别在有机绝缘介质层(2)正面、正性光刻胶掩模版(8)、有机绝缘介质层(2)背面和负性光刻胶掩模版(9)上形成金属层，然后剥离形成源(6)、漏(4)、栅(5)电极；

在有机绝缘介质层(2)正面，源(6)、漏(4)电极上形成有机半导体层(3)。

上述方案中，所述形成有机绝缘栅介质层(2)的步骤采用旋涂的方法在衬底(1)正面实现，所述有机绝缘栅介质层(2)为有机材料，该有机材料的厚度通过控制旋涂液浓度和旋转速度进行调节。

上述方案中，所述有机绝缘栅介质层(2)要求具有透光性、具有较大介电常数、较大击穿电压和足够机械强度，且不会与用于衬底腐蚀的腐蚀液、光刻胶显影的显影液发生化学反应。

上述方案中，所述腐蚀衬底(1)的背面至介质层镂空的步骤具体包括：用保护卡具(7)保护有机绝缘栅介质层(2)，从衬底(1)的背面进行腐蚀，腐蚀终止到有机绝缘栅介质层(2)的背面，使介质层镂空。

上述方案中，所述在有机绝缘层(2)正面和背面涂光刻胶、曝光、显影，形成源、漏电极的正性光刻胶掩模版(8)和栅电极的负性光刻胶掩模版(9)的步骤具体包括：在有机绝缘层(2)正面上涂正性光刻胶(8)，背面上涂负性光刻胶(9)，利用掩模版(10)从正面对正性光刻胶(8)进行曝光，由于绝缘介质层(2)有透光性，背面负性光刻胶(9)同时被曝光，分别在正性光刻胶显影液和负性光刻胶显影液中显影，形成源、漏电极的正性光刻胶掩模版(8)和栅电极的负性光刻胶掩模版(9)。

上述方案中，所述正性光刻胶显影液和负性光刻胶显影液彼此间不相互影响。

上述方案中，所述形成金属层，剥离形成源(6)、漏(4)、栅(5)电极的步骤中，源、漏、栅金属电极采用方向性好的金属蒸发方法形成。

上述方案中，对于小分子有机半导体材料(酞菁铜、并五苯等)，所述有机半导体层(3)采用真空热蒸镀技术获得；对于聚合物有机半导体材料(PH3T、PCBM等)，所述有机半导体层(3)采用旋涂或浸没的方法获得。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明提供的有机薄膜晶体管的制备方法，仅需一块掩膜版，进行一次光刻就可同时定义源、漏、栅电极，不需要特殊工艺，能够与传统的硅平面工艺兼容，适合于制备高性能柔性有机薄膜晶体管器件。

2、利用本发明制备的有机薄膜晶体管源、漏、栅电极之间具有自对准精度，减小了寄生电容效应，提高了有机薄膜晶体管的高频特性，非常有利于本发明的广泛推广和应用。

附图说明

为了更进一步说明本发明的内容，以下结合附图及实施例子，对本发明做详细描述，其中，

图1是本发明提供的利用一次掩膜光刻同时定义出有机薄膜晶体管源漏栅电极的方法流程图；

图2是图2-1至图2-5中各层的简要说明；

图2-1至图2-5是图1所示方法的工艺流程图；

图3是图3-1至图3-5中各层的简要说明，其中右侧的图形是图3-3中使用的掩膜版的示意图；

图3-1至图3-5是依照本发明实施例利用一次掩膜光刻同时定义出有机薄膜晶体管源漏栅电极的工艺流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1是本发明提供的利用一次掩膜光刻同时定义出有机薄膜晶体管源漏栅电极的方法流程图，该方法利用一次掩膜光刻同时定义出有机薄膜晶体管的源、漏、栅电极，具体包括以下步骤：

步骤101：在衬底(1)正面形成具有透光性的有机绝缘栅介质层(2)；

步骤102：用保护卡具(7)保护有机绝缘栅介质层(2)，腐蚀衬底(1)的背面至介质层镂空；

步骤103：在有机绝缘层(2)正面和背面涂光刻胶，从正面对光刻胶进行曝光，同时曝光背面光刻胶，在显影液中显影，形成源、漏电极的正性光刻胶掩模版(8)和栅电极的负性光刻胶掩模版(9)；

步骤104：分别在有机绝缘介质层(2)正面、正性光刻胶掩模版(8)、有机绝缘介质层(2)背面和负性光刻胶掩模版(9)上形成金属层，然后剥离形成源(6)、漏(4)、栅(5)电极；

步骤105：在有机绝缘介质层(2)正面，源(6)、漏(4)电极上形成有机半导体层(3)，完成有机薄膜晶体管的制备。

上述步骤101中所述形成有机绝缘栅介质层(2)，采用旋涂的方法在衬底(1)正面实现，所述有机绝缘栅介质层(2)为有机材料，该有机材料的厚度通过控制旋涂液浓度和旋转速度进行调节。所述有机绝缘栅介质层(2)采用具有较大介电常数、较大击穿电压和足够机械强度的聚酰亚胺介质ZK-PI，该聚酰亚胺介质的厚度为500纳米。

上述步骤102中所述腐蚀衬底(1)的背面至介质层镂空的步骤具体包括：用保护卡具(7)保护有机绝缘栅介质层(2)，从衬底(1)的背面进行腐蚀，腐蚀终止到有机绝缘栅介质层(2)的背面，使介质层镂空。

上述步骤103中所述在有机绝缘层(2)正面和背面涂光刻胶、曝光、显影，形成源、漏电极的正性光刻胶掩模版(8)和栅电极的负性光刻胶掩模版(9)的步骤具体包括：在有机绝缘层(2)正面上涂正性光刻胶(8)，背面上涂负性光刻胶(9)，利用掩模版(10)从正面对正性光刻胶(8)进行曝光，由于绝缘介质层(2)有透光性，背面负性光刻胶(9)同时被曝光，分别在正性光刻胶显影液和负性光刻胶显影液中显影，形成源、漏电极的正性光刻胶掩模版(8)和栅电极的负性光刻胶掩模版(9)。所述正性光刻胶显影液和负性光刻胶显影液彼此间不相互影响。

上述步骤104中所述形成金属层，剥离形成源(6)、漏(4)、栅(5)电极的步骤中，源、漏、栅金属电极采用方向性好的金属蒸发方法形成。

对于小分子有机半导体材料，步骤105中所述有机半导体层(3)采用真空热蒸镀技术获得，该有机半导体层(3)一般采用酞菁铜，厚度为50纳米；对于聚合物有机半导体材料，所述有机半导体层(3)采用旋涂或浸没的方法获得。

上述一次曝光同时定义源、漏、栅电极图形，用该方法获得的源、漏、栅电极具有自对准精度。栅电极层和源、漏电极层间几乎没有重叠区域，从而减小了晶体管的寄生交叠电容，提高了有机薄膜晶体管的高频特性。

基于图1所示的利用一次掩膜光刻同时定义出有机薄膜晶体管源漏栅电极的方法流程图，图2-1至图2-5示出了图1所示方法的工艺流程图，具体包括以下工艺步骤：

如图2-1所示，在衬底上形成一层有机绝缘栅介质层。

如图2-2所示，用保护卡具将有机绝缘栅介质层保护，从衬底的背面进行腐蚀，腐蚀终止到有机绝缘栅介质层的背面，形成镂空的介质膜。

如图2-3所示，在有机绝缘层正面上涂正性光刻胶，背面上涂负性光刻胶。利用掩模版从正面对正性光刻胶进行曝光，由于绝缘介质层的透光性，背面负性光刻胶同时被曝光。分别在正性光刻胶显影液和负性光刻胶显影液中显影，形成源、漏、栅电极光刻胶图形掩模版。

如图2-4所示，分别在有机绝缘介质层正面和正性光刻胶掩模版上，有机绝缘介质层背面和负性光刻胶上形成金属层，然后剥离形成源、漏、栅电极。

如图2-5所示，在有机绝缘介质层正面，源、漏电极上形成有机半导体层。

图3-1至图3-5示出了依照本发明的具体实施例利用一次掩膜光刻同时定义出有机薄膜晶体管源漏栅电极的工艺流程图，具体包括以下工艺步骤：

如图3-1所示，在清洁的硅衬底上，旋涂形成500nm厚的聚酰亚胺(ZK-PI)介质膜层。

如图3-2所示，用保护卡具将PI层保护，从硅衬底的背面用KOH腐蚀液进行腐蚀，终止到PI层的背面，形成镂空的PI膜。

如图3-3所示，在PI层正面上涂正性光刻胶AZ-9918，背面上涂负性光刻胶BN-302。利用图3中的掩模版从正面对AZ-9918性光刻胶进行曝光，由于PI层的透光性，背面BN-302负性光刻胶同时被曝光。先在AZ-9918专用显影液中对AZ-9918进行显影，形成源漏电极胶图形，再在BN-302专用显影液中显影，形成栅电极光刻胶图形。

如图3-4所示，利用电子束热蒸发技术，在PI层正面和AZ-9918正性光刻胶上，PI层背面和BN-302负性光刻胶上蒸镀Cr/Au(10/50nm)。在丙酮中浸泡进行剥离，形成源、漏、栅金属电极。

如图3-5所示，利用热蒸发技术，在PI层正面和源、漏电极上蒸发形成50nm酞菁铜的有机半导体层，完成器件制备。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。