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Dokumentenidentifikation DE102004046428A1 08.06.2006
Titel Hochvolumenverfahren zur Prozessierung einer molekularen selbstorganisierten Monolage als Gate-Dielektrikum bei der Herstellung organischer Feldeffekt-Transistoren
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Braun, Stefan, 91052 Erlangen, DE;
Rohde, Dirk, Dr., 91058 Erlangen, DE;
Klauk, Hagen, Dr., 91058 Erlangen, DE;
Halik, Marcus, Dr., 91058 Erlangen, DE;
Zschieschang, Ute, 91058 Erlangen, DE;
Schmid, Günter, Dr., 91334 Hemhofen, DE
Vertreter Müller - Hoffmann & Partner Patentanwälte, 81667 München
DE-Anmeldedatum 24.09.2004
DE-Aktenzeichen 102004046428
Offenlegungstag 08.06.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.06.2006
IPC-Hauptklasse H01L 51/40(2006.01)A, F, I, 20060110, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements, das eine selbstorganisierte Monolage aus mindestens einer organischen Verbindung aufweist, das das Bereitstellen eines Substrats, auf dem eine strukturierte metallische Schicht ausgebildet ist, in Form einer Substratbahn, die auf eine erste Substratrolle aufgewickelt ist, das Abwickeln der Substratbahn von der ersten Substratrolle, das Inkontaktbringen der metallischen Schicht auf der Substratbahn mit einer Lösung, die mindestens eine organische Verbindung enthält, so dass eine selbstorganisierte Monolage der organischen Verbindung auf dem Metall der metallischen Schicht gebildet wird, das Aufrollen der mit der selbstorganisierten Monolage versehenen Substratbahn auf eine zweite Substratrolle, umfasst.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen einer aus einer organischen Verbindung bestehenden molekularen selbstorganisierten Monolage auf ein elektronisches Bauelement, die in dem elektronischen Bauelement die Funktion eines Dielektrikums hat. Sie betrifft genauer ein Verfahren zum Aufbringen dieser molekularen selbstorganisierten Monolage auf eine strukturierte metallische Schicht im Laufe der Herstellung von organischen Feldeffekt-Transistoren, in denen die strukturierte metallische Schicht die Funktion der Gate-Elektrode und die molekulare selbstorganisierte Monolage die Funktion des Gate-Dielektrikums hat.

Die Miniaturisierung elektronischer Bauelemente im Rahmen der anorganischen Halbleitertechnologie, wie der Siliciumtechnologie, stößt zunehmend an technische Grenzen, die mit den physikalischen Eigenschaften und den Techniken zur Verarbeitung dieser anorganischen Halbleiter-Materialien bei der Herstellung elektronischer Bauelemente zusammenhängen. Die Entdeckung, dass bestimmte niedermolekulare oder polymere organische Materialien den Strom leiten oder bei Raumtemperatur die Eigenschaften von Halbleitern haben, hat dazu geführt, dass nunmehr versucht wird, zur Überwindung der oben genannten technischen Grenzen der anorganischen Halbleitertechnologie zunehmend derartige organische Materialien zur Herstellung elektronischer Bauelemente einzusetzen.

Mit der Verwendung organischer Materialien sind viele Vorteile verbunden. Die von anorganischen Werkstoffen deutlich verschiedenen physikalischen und chemischen Eigenschaften sowohl von niedermolekularen als auch von polymeren organischen Materialien ermöglichen es, weniger komplizierte und weniger langwierige Herstellungsverfahren einzusetzen. Für die Realisierung besonders preiswerter Produkte auf der Basis organischer Werkstoffe wird in zunehmendem Maß der Einsatz verschiedener Drucktechniken diskutiert. Drucktechniken bieten die Möglichkeit, großflächige Substrate schnell und preiswert zu verarbeiten.

Drucktechniken können bei der Herstellung organischer elektronischer Bauelemente als additiver Prozessschritt für den direkten Druck der funktionellen Schichten verwendet werden. Gedruckte Schichten können aber auch substraktiven Nutzen haben, indem sie beispielsweise als Ätzmasken dienen und so die in der klassischen Halbleitertechnologie verwendeten, relativ teuren Fotolithographie-Verfahren ersetzen.

Die Anwendung von Drucktechniken eröffnet somit den Weg zur potentiell kostengünstigeren und großflächigen Massenfertigung von elektronischen Bauelementen. Besonders kostengünstig ist es, wenn es gelingt, die organischen elektronischen Bauelemente in hochvolumigen Rolle-zu-Rolle-Verfahren (reel-to-reel processes) herzustellen. Hierdurch werden völlig neue Anwendungsgebiete elektronischer Bauteile möglich, wie die Herstellung und Verwendung von RFID-Tags.

Von besonderem Interesse ist daher die Anwendung dieser Drucktechniken für die Herstellung organischer Feldeffekt-Transistoren (kurz: OFETs). OFETs bestehen wie herkömmliche anorganische Feldeffekt-Transistoren auf Si-Basis aus mehreren Schichten: Substrat, Gate-Elektrode, Gate-Dielektrikum, Source- und Drain-Anschluss, Halbleiterschichten und einer Passivierungs-Schutzschicht. Ein OFET liegt bereits dann vor, wenn zumindest die Halbleiterschicht aus einem organischen Material besteht, wie z.B. Pentacen oder einem substituierten Oligothiophen. Hierbei handelt es sich um so genannte Hybrid-Strukturen. Angestrebt werden aber vor allem elektronische Bauelemente, insbesondere OFETs, bei denen alle Komponenten aus organischen Materialien bestehen. In der vorliegenden Erfindung werden unter OFETS sowohl die hybriden Bauelemente als auch die Bauelemente verstanden, die vollständig aus organischen Materialien aufgebaut sind.

Die Funktionsweise von anorganischen Feldeffekt-Transistoren und von organischen Feldeffekt-Transistoren (OFETs) beruht auf der Modulation der Konzentration frei beweglicher Ladungsträger in der Halbleiterschicht. Die Modulation der Konzentration frei beweglicher Ladungsträger erfolgt, indem eine regelbare elektrische Spannung an die Gate-Elektrode angelegt wird. Hierfür muss die Gate-Elektrode von der darunter liegenden Halbleiterschicht elektrisch isoliert werden, was durch das Einfügen eine dünnen Schicht aus einem isolierenden Material, die als Gate-Dielektrikum bezeichnet wird, zwischen die Gate-Elektrode und die Halbleiterschicht gewährleistet wird.

Im Fall anorganischer Feldeffekt-Transistoren besteht das Gate-Dielektrikum beispielsweise aus Aluminiumoxid Al2O3 oder Siliciumdioxid SiO2, die bei relativ hohen Temperaturen aufgebracht werden müssen, die üblicherweise oberhalb von 250°C liegen.

Für die Herstellung organischer Transistoren sind Gate-Dielektrika auf der Basis molekularer selbstorganisierter Monolagen (kurz: SAM, von "self-assembled monolayer) von besonderem Interesse. SAMs weisen gegenüber den oben erwähnten anorganischen Gate-Dielektrika mehrere Vorteile auf. Ihre Verarbeitung bzw. Prozessierung ist in der Regel deutlich preiswerter, und die Prozessierung kann bei niedrigeren Temperaturen insbesondere unter 200°C durchgeführt werden, was die Verwendung preiswerter, flexibler und unzerbrechlicher Substrate, wie z.B. von Polymerfolien, erlaubt. Derartige Substrate bringen erhebliche Vorteile gegenüber Glas- oder Quarzsubstraten mit sich.

Ein weiterer Vorteil der SAMs besteht darin, dass ihre Verwendung zu einer besseren elektrischen Isolation führt und dass mit ihnen deutlich niedrigere Versorgungsspannungen beim Betrieb des OFETs angelegt werden können. Dies hängt mit der Molekülstruktur der SAMs und der Art und Weise ihrer Selbstorganisation zwischen der Gate-Elektrode und der Halbleiterschicht zusammen.

SAMs bestehen aus Molekülen, die in der Regel mindestens eine Kopfgruppe, eine Linkergruppe und eine Ankergruppe aufweisen, die in dieser Reihenfolge miteinander verknüpft sind. Die Ankergruppe ist die Gruppe, die mit der Gate-Elektrode in Wechselwirkung tritt und unmittelbar auf der Gate-Elektrode haftet. Ihre chemische Molekülstruktur wird daher so gewählt, dass es mit dem gewählten Gate-Elektrodenmaterial zu einer starken physikalischen und/oder chemischen Wechselwirkung kommt. Die Linkergruppe besteht vorzugsweise aus einer n-Alkankette. Als Kopfgruppe können alle Gruppen verwendet werden, die in der Lage sind, einerseits die Ausrichtung des Moleküls zu bestimmen und andererseits zu einer Stabilisierung durch Wechselwirkungen, wie z.B. Dipol-Dipol-, CT-, &pgr;,&pgr;-Wechselwirkungen oder durch die van der Waals-Kräfte zu einer Stabilisierung der selbstorganisierten Schicht beizutragen. Als Kopfgruppen kommen prinzipiell alle Aromaten bzw. Heteroaromaten in Betracht, die durch die Ausbildung von &pgr;,&pgr;-Wechselwirkungen mit benachbarten Molekülen der selbstorganisierten Monolage zu einer Stabilisierung der Schicht beitragen. SAMS können außerdem eine Orientierungsgruppe aufweisen, die als relativ kurze n-Alkanketten ausgestaltet werden kann. Aufgrund dieser Strukturelemente lagern sich die organischen Moleküle, vermittelt über die Ankergruppe, hoch orientiert auf der Gate-Elektrode an und bilden eine Monolage, die auf Grund der spontanen Selbstorganisation als selbstorganisierte Monolage SAM bezeichnet wird und die sowohl eine bessere elektrische Isolation als auch eine Versorgung mit einer niedrigeren Versorgungsspannung ermöglicht.

Die Herstellung organischer elektronischer Bauelemente, insbesondere von OFETs, unter Anwendung von Drucktechniken erfordert in der Regel eine für konventionelle Drucktechniken extrem hohe Registriergenauigkeit der einzelnen Lagen zueinander. Die Registriergenauigkeit muss hierfür üblicherweise im Bereich von wenigen Mikrometern liegen. Das Drucken organischer elektronischer Bauelemente in einem Hochvolumenprozess wird hierdurch zu einem äußerst anspruchsvollen und technisch schwer zu realisierenden Verfahren. Die Verwendung der oben beschriebenen organischen Moleküle, die sich auf der gewählten Unterlage, wie einer metallischen Gate-Elektrode, spontan selbst organisieren und eine selbstorganisierte Monolage SAM bilden, ist zur Vereinfachung und Erleichterung der Anforderungen an den Druckvorgang besonders vorteilhaft. Bei Verwendung einer Ankergruppe dieser Moleküle, die spezifisch und selektiv nur an ein bestimmtes Unterlagenmaterial bindet, kommt es nur im Bereich dieses Unterlagenmaterials zur Ausbildung der SAM.

Wenn die oben beschriebenen Moleküle aus aliphatischer Orientierungsgruppe, Kopfgruppe, Linkergruppe und Ankergruppe zum Aufbau der als Gate-Dielektrikum dienenden Schicht in einem OFET verwendet werden, ordnen sie sich – bei Auswahl einer entsprechenden Ankergruppe – nur an den Stellen des Bauelements selbstorganisierend an, an denen sich die aus einem Metall bestehende Gate-Elektrode befindet. Es kommt nur im Bereich der Gate-Elektrode zu einer starken Bindung, insbesondere chemischen Bindung, und zu keiner oder nur einen schwachen Bindung mit anderen, nichtmetallischen Bereichen des im Aufbau befindlichen Bauelements. Diese anderen Bereiche werden daher überhaupt nicht mit der SAM beschichtet. Sofern sich auf anderen Bereichen dennoch organische Moleküle ablagern, findet keine Verankerung und keine Ausbildung einer SAM statt, und die organischen Moleküle können in einem einfachen Waschschritt wieder entfernt werden. Sind die Gate-Elektroden der Transistoren bereits strukturiert, bilden dementsprechend die organischen Moleküle auch bei vollflächigem Auftrag einer die organischen Moleküle enthaltenden Lösung nur an den gewünschten Stellen eine chemische Bindung mit den metallischen Strukturen. Für das Aufdrucken des Gate-Dielektrikums auf die Gate-Elektroden sinken daher die Anforderungen an die Registriergenauigkeit erheblich. Genau genommen wird die Genauigkeit der Registrierung nicht mehr durch die Einstellung des Druckwerks, sondern durch die Spezifität der Wechselwirkung der organischen Moleküle mit dem Gate-Elektrodenmaterial festgelegt und liegt somit für diesen Druckschritt nicht mehr im Bereich von Mikrometern, sondern wesentlich genauer in der Größenordnung der verwendeten organischen Moleküle.

Die Abscheidung der Moleküle zur Erzeugung der SAM kann durch vollflächiges Eintauchen des Substrats in ein Lösungsbad, das die organischen Moleküle enthält, stattfinden. Dieses Verfahren ist jedoch äußerst unsauber. Außerdem läßt es nur die Prozessierung von Bogensubstraten zu, was zeitaufwändig ist, wodurch auch die Herstellungskosten steigen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Abscheidung einer molekularen selbstorganisierten Schicht auf ein Substrat, insbesondere ein organisches elektronisches Bauelement, wie einen organischen Feldeffekt-Transistor, anzugeben, das sauber und Substrat schonend ist und das die schnelle und preiswerte Herstellung derartiger Schichten auf einem Substrat ermöglicht.

Die Aufgabe wird gemäß dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren, bei dem eine Lösung, die mindestens eine organische Verbindung enthält, auf eine Substratbahn unter Erzeugung einer Schicht der Lösung auf der Substratbahn aufgetragen wird. Durch die selektive Wechselwirkung der mindestens einen organischen Verbindung mit dem Metall der strukturierten metallischen Schicht auf diesem Metall wird eine selbstorganisierten Monolage aus der organischen Verbindung gebildet.

Die Schicht der organischen Verbindung wird vorzugsweise vollflächig auf die Substratbahn aufgetragen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt. Weiterhin handelt es sich bei dem Substrat bevorzugt um ein flexibles Substrat, wie eine Polymerfolie.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher nach einer bevorzugten Ausführungsform ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements, das eine selbstorganisierte Monolage aus mindestens einer organischen Verbindung aufweist, das folgende Schritte umfasst:

  • a) Bereitstellen eines Substrats, auf dem eine strukturierte metallische Schicht ausgebildet ist, in Form einer Substratbahn, die auf eine erste Substratrolle (5) aufgewickelt ist,
  • b) Abwickeln der Substratbahn von der ersten Substratrolle (5),
  • c) Inkontaktbringen der metallischen Schicht auf der Substratbahn mit einer Lösung, die mindestens eine organische Verbindung enthält, so dass eine selbstorganisierte Monolage der organischen Verbindung auf dem Metall der metallischen Schicht gebildet wird,
  • d) Aufrollen der mit der selbstorganisierten Monolage versehenen Substratbahn auf eine zweite Substratrolle.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements ist besonders bevorzugt ein hochvolumiges Rolle-zu-Rolle-Verfahren, durch das molekulare organische selbstorganisierte Monolagen SAM auf des Substrats, auf die Substratbahn, abgeschieden werden können.

Bei dem Substrat oder der Substratbahn kann es sich insbesondere um ein vorstrukturiertes, beispielsweise mit einer strukturierten metallischen Schicht versehenes Substrat handeln. Für den Rolle-zu-Rolle-Prozess ist das Substrat oder die Substratbahn vorzugsweise als Endlossubstrat ausgebildet, das auf eine erste Substratrolle aufgewickelt ist. Um die Substratbahn mit der Lösung der organischen Verbindung in Kontakt zu bringen, wird sie von der ersten Rolle abgewickelt. Das Abwickeln erfolgt bevorzugt in einem Endlosprozess. Anschließend wird die Substratbahn mit einer beliebigen Einrichtung in Kontakt gebracht, die es ermöglicht, die Lösung der organischen Verbindung vorzugsweise einseitig mit der Seite der Substratbahn in Kontakt zu bringen und diese zu benetzen, auf der sich die strukturierte metallische Schicht befindet. Nach der Benetzung wird die Substratbahn auf eine zweite Substratrolle aufgerollt.

Durch die Rolle-zu-Rolle-Fertigung können extrem flache und flexible elektronische Bauelement, insbesondere als Verbund vieler solcher Bauelemente auf einer Endlosfolie, hergestellt werden. Durch das vereinfachte Rolle-zu-Rolle-Fertigungsverfahren und den erhöhten Durchsatz können die Herstellungskosten drastisch gesenkt werden, so dass elektronische Bauelemente für das alltägliche Leben, wie z.B. RFID-Tags, erhalten werden können.

Die organischen Verbindungen, die die selbstorganisierten Monolagen SAM bilden, bestehen vorzugsweise aus einer aliphatischen Orientierungsgruppe, einer Kopfgruppe, einer Linkergruppe und einer Ankergruppe, die in dieser Reihenfolge miteinander verknüpft sind.

Als aliphatische Orientierungsgruppen eigenen sich besonders relativ kurze n-Alkanketten der allgemeinen Formel -(CH2)n-, wobei n eine ganze Zahl von 2 bis 10 bedeutet. Besonders geeignet sind die Ketten, wenn n eine gerade Zahl ist. Die aliphatische Orientierungsgruppe kann mit divalenten Heteroatomen, wie z.B. Sauerstoff oder Schwefel, substituiert sein. Die aliphatische Orientierungsgruppe ist entweder direkt oder über ein Brückenatom an die Kopfgruppe gebunden.

Erfindungsgemäß besonders geeignete Kopfgruppen sind Aromaten oder Heteroaromaten mit Ein- und Zweiringsystemen, da deren räumliche Ausdehnung am besten den Platzbedarf an einer dicht gepackten Monolage erfüllt. Besonders geeignete Gruppen sind z.B. Phenyl, Thiophen, Furan, Pyrrol, Oxazol, Thiazol, Imidazol und Pyridin. Dabei sind auch Oligomere solcher Molekülbausteine möglich, sofern sie möglichst linear miteinander verbunden sind, um eine dichte Packung auf der Oberfläche zu gewährleisten. Die Anbindung an die entsprechende Linkergruppe kann über ein Brückenatom, wie z.B. Sauerstoff oder Schwefel, oder direkt erfolgen, wobei die synthetische Zugänglichkeit bestimmt, welche Variante bevorzugt ist.

Die Linkergruppen bestehen vorzugsweise aus n-Alkanketten der allgemeinen Formel -(CH2)m, wobei m vorzugsweise im Bereich von 2 bis 26 liegt. Eine gerade Zahl für m ist besonders bevorzugt. Die n-Alkylkette kann auch mit divalenten Heteroatomen, wie z.B. Sauerstoff oder Schwefel, substituiert sein. Lineare Ketten der allgemeinen Formel [(-CH2-CH2-X)z], worin X Sauerstoff oder Schwefel bedeutet und z eine Zahl im Bereich von 2 bis 10 ist, sind daher auch möglich. Die Alkan- bzw. Poly(thio)etherkette kann erfindungsgemäß auch ungesättigte Bindungen enthalten oder Substituenten aufweisen.

Die Ankergruppe kann in Abhängigkeit von dem Metall der strukturierten Metallschicht, insbesondere der Gate-Elektrode, variiert werden und soll so gewählt werden, dass eine Wechselwirkung zwischen der Ankergruppe und der Oberfläche des Metalls stattfindet. Beispielsweise kann die Ankergruppe einen Rest aufweisen, der aus der Gruppe bestehend aus R-SiCl3, R-SiCl2-Alkyl, R-SiCl(Alkyl)2, R-Si(OR1)3, R-Si(OR1)2Alkyl oder R-SiOR1(Alkyl)2 ausgewählt wird, wenn die Elektrode aus Al oder Ti oder einer Legierung davon besteht oder wenn dieses Metall bzw. diese Legierung eine Schicht aus einer nativen Oxidschicht oder einer gezielt erzeugten Oxidschicht aufweist, die mit der Ankergruppe in Kontakt steht.

Wenn die Elektrode eine Schicht aufweist, die Hydroxygruppen enthält, wie z.B. eine Struktur Al-OxOH oder TiOxOH, die im direkten Kontakt mit der Ankergruppe ist, kann die Ankergruppe auch Reste aufweisen, die aus der Gruppe bestehend aus R-SiCl3, R-SiCl2-Alkyl, R-SiCl(Alkyl)2, R-Si(OR1)3, R-Si(OR1)2Alkyl oder R-SiOR1(Alkyl)2 ausgewählt sind.

Wenn die Elektrode aus Gold oder Silber gebildet ist oder eine Schicht aus Gold oder Silber aufweist, die mit der Ankergruppe in Kontakt steht, kann die Ankergruppe R-SH, R-SAc, R-S-S-R1 oder R-SO2H sein.

In den oben angegebenen Resten bedeutet R eine oben beschriebene Linkergruppe und R1 eine Alkylgruppe, die beispielsweise mit Heteroatomen substituiert sein kann.

Die Stärke der Dielektrikumsschicht entspricht etwa der Länge der Moleküle, die die selbstorganisierte Monolage bilden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Dielektrikumsschicht eine Stärke von etwa 1 bis etwa 10 nm, vorzugsweise von etwa 2 bis etwa 5 nm auf.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die selbstorganisierte Monolage in Schritt c) auf das Metall der strukturierten metallischen Schicht gedruckt wird.

Das Drucken kann dann in einem Druckwerk durchgeführt werden, das sich zwischen der ersten und der zweiten Substratrolle befindet. Die Substratbahn wird hierfür in einem Endlosprozess durch das Druckwerk geführt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Druckvorgang, indem die Substratbahn mit einer rotierenden Walze in Kontakt gebracht wird, auf deren Oberfläche ein Schwamm vorhanden ist, der mit der Lösung versorgt wird, die die mindestens eine organische Verbindung enthält. Die rotierende Walze ist hierbei vollständig von einem Schwamm bedeckt, der beispielsweise aus Polyurethan besteht. Die Lösung befindet sich in einem Behälter unterhalb der rotierenden Walze, die mit der Schwammoberfläche in diesen Behälter eintaucht, so dass kontinuierlich Lösung aufgenommen wird.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Druckvorgang, indem die Substratbahn mit einer rotierenden Tiefdruck- oder Flexodruck-Rasterwalze in Kontakt gebracht wird, in deren Vertiefungen die Lösung enthalten ist, die die mindestens eine organische Verbindung enthält. Wie in der obigen Ausführungsform taucht die Rasterwalze in einen die Lösung enthaltenen Behälter ein, der sich unterhalb der Walze befindet, wodurch kontinuierlich Lösung aufgenommen wird. Bei der Rasterwalze kann es sich um eine gravierte und verchromte Walze handeln. Bevor die Rasterwalze, die vollflächig mit der Lösung benetzt ist, auf das Endlossubstrat trifft, wird überschüssige Lösung mit einem Rakel von der Oberfläche der Rasterwalze abgerakelt.

In beiden Ausführungsformen, d.h. bei Anwendung der oben beschriebenen Schwammtechnik oder eines Tiefdruckverfahrens, wird die molekulare Schicht vollflächig auf die Oberfläche der Substratbahn übertragen, die die strukturierte Gate-Lage aufweist. Die Gate-Lage kann beispielsweise aus einer etwa 20 nm dicken und strukturierten Aluminiumschicht bestehen.

Nach dem Bedrucken kann die in Schritt c) erhaltene benetzte Substratbahn durch Beblasen getrocknet werden. Durch das Beblasen kann die Lösung aus Bereichen entfernt werden, in denen sich keine selbstorganisierte Monolage bildet. Durch das Beblasen, das vorzugsweise in einem Heißlufttrockner durchgeführt wird, wird das Lösemittel verdampft. Wenn ein leichtflüchtiges Lösemittel verwendet wird, verdampft das Lösemittel gegebenenfalls auch ohne Beblasen und/oder ohne das Durchführen durch einen Heißlufttrockner.

Im Idealfall verbleiben die selbstorganisierten organischen Moleküle, die die dielektrische Schicht bilden, nur auf den metallischen Strukturen. Wenn aber auch auf den sonstigen Bereichen der mit der strukturierten metallischen Schicht versehenen Substratbahn unorganisiertes organisches Material zurückbleibt, was nicht erwünscht ist, kann dieses Material durch Waschen mit einem geeigneten anorganischen oder organischen Lösemittel oder Lösemittelgemisch von der Substratbahn entfernt werden.

Anschließend wird die im Metallbereich mit SAM beschichtete Substratbahn entweder weiteren Prozessschritten zugeführt oder direkt auf die zweite Substratrolle aufgerollt.

Die auf der Substratbahn abgeschiedene Auftragsmenge kann eingestellt werden, indem das Schöpfvolumen des Schwammes oder der Rasterwalze eingestellt wird oder indem der Anpressdruck, mit dem der auf der rotierenden Walze vorhandene Schwamm oder die Rasterwalze auf die Substratbahn gepresst wird, entsprechend variiert wird. Die Auftragsmenge wird üblicherweise auf die minimal erforderliche Menge eingestellt, um Verschmutzungen der Substratbahn so gering wie möglich zu halten und/oder um auf einen anschließenden Waschschritt zur Entfernung überschüssiger Mengen des organischen Materials verzichten zu können.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere für die Herstellung von organischen Feldeffekt-Transistoren OFET verwendet werden. In diesem Fall bildet die strukturierte metallischen Schicht die Gate-Elektrode, auf die die SAM als Gate-Dielektrikum aufgebracht ist.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht die strukturierte metallische Schicht aus Gold, Silber oder einer Au/Ag-Legierung oder auch aus Galliumarsenid. In diesem Fall weisen die organischen Moleküle, die die SAM bilden, zur Ausbildung einer festen Verbindung mit der metallischen Schicht eine Ankergruppe auf, die beispielsweise aus einer Thiolgruppe besteht.

Alternativ kann die strukturierte metallische Schicht aus Aluminium oder Titan bestehen. Die Aluminium- oder Titanschicht kann dabei eine native oder eine gezielt erzeugte Oxidschicht aufweisen. In diesem Fällen weist die mindestens eine organische Verbindung zur Ausbildung der selbstorganisierten Monolage beispielsweise eine Ankergruppe auf, die aus einer Phosphonsäuregruppe oder einer Silangruppe besteht.

Für die Ausbildung der selbstorganisierten organischen Monolage können eine, aber auch mehrere verschiedene organische Moleküle verwendet werden.

Die Erfindung betrifft demnach die hochvolumige Prozessierung von selbstorganisierten molekularen Dielektrika aus Lösungen auf strukturierten metallischen Schichten insbesondre in einem Endlosverfahren als Prozeßschritt zur Herstellung von elektronischen Bauteilen, wie z.B. von organischen Feldeffekt-Transistoren.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der 1 und 2 näher erläutert.

1 zeigt eine erste Vorrichtung und erstes Verfahren zum Auftragen einer organischen Verbindung auf eine strukturierte metallische Schicht auf einer endlosen Substratfolie und zur Erzeugung eines Zwischenprodukts eines organischen Feldeffekt-Transistors.

2 zeigt eine zweite Vorrichtung und ein zweites Verfahren zum Auftragen einer organischen Verbindung auf eine metallische Schicht auf einer endlosen Substratfolie und zur Erzeugung eines Zwischenprodukts eines organischen Feldeffekttransistors.

1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung eines Rolle-zu-Rolle-Verfahrens, in der ein Endlossubstrat aus einer Polymerfolie, auf dem Gate-Elektroden aus Gold abgeschieden sind, mit einer Lösung beschichtet wird, die eine organische Verbindung enthält, die zur Ausbildung einer molekularen selbstorganisierten Monoschicht imstande ist, deren Ankergruppe aus einer Thiolgruppe besteht. Die Vorrichtung umfasst eine erste Substratrolle, auf die die endlose Substratbahn aus einer Polymerfolie, die mit Gate-Elektroden aus Gold versehen ist, aufgewickelt ist, ein Druckwerk und eine zweite Substratrolle, auf die die mit der SAM beschichtete Substratbahn nach dem Durchlaufen des Druckwerks aufgerollt wird. Die Polymerfolie mit den darauf vorhandenen Au-Gate-Elektroden wird in Pfeilrichtung von der ersten Rolle abgewickelt und in das (vereinfacht dargestellte) Druckwerk geführt, in dem sie kontaktierend über eine rotierende Walze geführt wird. Die Oberfläche der rotierenden Walze ist vollständig von einem Schwamm aus einem Polyurethan bedeckt. Der Schwamm taucht an der Unterseite der rotierenden Walze in eine Wanne, die die Lösung der organischen Verbindung enthält. Er wird in dieser Wanne mit der Lösung getränkt, die er auf der Oberseite der Walze an die vorbeigeführte Substratbahn abgibt. Der Anpressdruck und das Schöpfvolumen des Schwamms sind so eingestellt, dass im wesentlichen der Bereich der Au-Gate-Elektroden mit der Lösung benetzt wird. Sobald die Elektroden mit der Lösung benetzt sind, reagieren die Thiolgruppen der organischen Moleküle mit der Goldoberfläche, wobei die molekulare selbstorganisierte Monolage ausgebildet wird. Die so benetzte Substratbahn verlässt das Druckwerk in Richtung der zweiten Substratrolle. Die Wegstrecke bis zur zweiten Substratrolle ist so gewählt, dass das Lösemittel der Lösung verdampfen kann. Um organisches Material, das trotz des fein eingestellten Anpressdrucks des Schwamms zwischen den Gate-Elektroden auf der Substratbahn unorientiert, aber nur schwach haftend abgelagert ist, wird eine Waschvorrichtung zwischen der rotierenden Walze und der die Substratbahn aufnehmenden zweiten Substratrolle angeordnet (nicht dargestellt), die mit dem Lösemittel, das auch für die Herstellung der organischen Lösung verwendet wird, gefüllt ist. Beim Waschen wird die unorientierte organische Verbindung aus den Bereichen zwischen den Gate-Elektroden entfernt, während die organische Verbindung, die sich auf den Gate-Elektroden abgelagert hat, wegen der starken Wechselwirkung zwischen den Thiolgruppen und der Goldoberfläche auf den Gate-Elektroden haftend zurück bleibt. Anschließend wird die trockene Substratbahn, die nun Au-Gate-Elektroden aufweist, die mit der SAM beschichtet sind, auf die zweite Substratrolle aufgewickelt.

2 zeigt eine zweite Vorrichtung zum Aufbringen einer SAM auf metallische Gate-Elektroden, die sich von der Vorrichtung gemäß 1 durch den Aufbau des Druckwerks unterscheidet. Das Druckwerk besteht hier aus einer rotierenden Tiefdruckwalze (Tiefdruckform), die aus einer gravierten und verchromten Rasterwalze besteht. Die rotierende Tiefdruckwalze taucht an ihrer Unterseite in eine Wanne ein, die in deren Vertiefungen die Lösung (6) enthalten ist, die die Lösung der organischen Verbindung enthält. Die Tiefdruckwalze nimmt die Lösung aus dieser Wanne auf. Ein Rakel dient dazu, überschüssige Lösung von der Walzenoberfläche zu entfernen, so dass sich die Lösung ausschließlich in den in der Walzenoberfläche enthaltenen Vertiefungen befindet. Die Walze wird gegen die vorbeilaufende Substratbahn gedrückt und gibt im Kontakt mit der Substratbahn die in den Vertiefungen enthaltene Lösung an die Substratbahn ab. Da sich die Lösung ausschließlich in den Vertiefungen befindet und die Lösung ausschließlich auf die vorbeigeführten Gate-Elektroden abgegeben wird, ist diese Tiefdrucktechnik besonders sauber und substratschonend. Alle anderen Verfahrensschritte entsprechen den in 1 beschriebenen Verfahrensschritten. Auf die rechte Substratrolle wird eine Substratbahn aufgerollt, die Gate-Elektroden aufweist, die mit dem Monolagen-Dielektrikum beschichtet sind.

1elektronisches Bauelement 2selbstorganisierte Monolage 3(flexibles) Substrats 4strukturierte metallische Schicht 5erste Substratrolle 6Lösung 7vollflächige Schicht 8zweite Substratrolle

Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Bauelements (1), das eine selbstorganisierte Monolage (2) aus mindestens einer organischen Verbindung aufweist, das folgende Schritte umfasst:

    a) Bereitstellen eines Substrats (3), auf dem eine strukturierte metallische Schicht (4) ausgebildet ist, in Form einer Substratbahn (3), die auf eine erste Substratrolle (5) aufgewickelt ist,

    b) Abwickeln der Substratbahn (3) von der ersten Substratrolle (5),

    c) Inkontaktbringen der metallischen Schicht (4) auf der Substratbahn (3) mit einer Lösung (6), die mindestens eine organische Verbindung enthält, so dass eine selbstorganisierte Monolage (2) der organischen Verbindung auf dem Metall der metallischen Schicht (4) gebildet wird,

    d) Aufrollen der mit der selbstorganisierten Monolage (2) versehenen Substratbahn (3) auf eine zweite Substratrolle (8).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstorganisierte Monolage (2) in Schritt c) auf das Metall der strukturierten metallischen Schicht (4) gedruckt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstorganisierte Monolage (2) auf das Metall der strukturierten metallischen Schicht (4) gedruckt wird, indem die Substratbahn (3) mit einer rotierenden Walze (9) in Kontakt gebracht wird, auf deren Oberfläche ein Schwamm (10) vorhanden ist, der mit der Lösung (6) versorgt wird, die die mindestens eine organische Verbindung enthält.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstorganisierte Monolage (2) auf das Metall der strukturierten metallischen Schicht (4) gedruckt wird, indem die Substratbahn (3) mit einer rotierenden Tiefdruck- oder Flexodruck-Rasterwalze (11) in Kontakt gebracht wird, in deren Vertiefungen die Lösung (6) enthalten ist, die die mindestens eine organische Verbindung enthält.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwamm (10) der Walze (9) oder die Tiefdruck- oder Flexodruck-Rasterwalze (11) kontinuierlich mit der Lösung (6) versorgt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt c) erhaltene benetzte Substratbahn (3) durch Beblasen getrocknet wird und/oder die Lösung (6) aus den nicht-metallischen Bereichen durch Beblasen entfernt wird).
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Beblasen in einem Heißlufttrockner durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile der mindestens einen organischen Verbindung, die nach Schritt c) auf der Substratbahn (3) in den Bereichen außerhalb der strukturierten metallischen Schicht (4) zurückbleiben, durch Waschen mit einem anorganischen oder organischen Lösemittel oder einem Lösemittelgemisch entfernt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die abgewickelte Substratbahn (3) durch ein Druckwerk läuft.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9,

    dadurch gekennzeichnet,

    dass die Auftragsmenge auf die abgewickelte Substratbahn (3) eingestellt wird durch

    – Einstellen des Schöpfvolumens des Schwammes (10) oder der Rasterwalze (11),

    – Einstellen des Anpressdrucks, mit dem der auf der rotierenden Walze (9) vorhandene Schwamm (10) oder die Rasterwalze (11) auf die Substratbahn (3) gepresst wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das elektronische Bauelement (1) ein organischer Feldeffekt-Transistor ist, der eine Gate-Elektrode (4), die aus der strukturierten metallischen Schicht (4) besteht, und ein Gate-Dielektrikum, das aus der selbstorganisierten Monolage (2) besteht, umfasst.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte metallische Schicht (4) aus Gold, Silber oder Galliumarsenid besteht und dass die mindestens eine organische Verbindung zur Ausbildung der selbstorganisierten Monolage (2) eine Ankergruppe aufweist, die aus einer Thiolgruppe besteht.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte metallische Schicht (4) aus Aluminium, Titan oder Aluminium oder Titan, auf dem eine native oder gezielt erzeugte Oxidschicht vorhanden ist, besteht und dass die mindestens eine organische Verbindung zur Ausbildung der selbstorganisierten Monolage (2) eine Ankergruppe aufweist, die aus einer Phosphonsäuregruppe oder einer Silangruppe besteht.
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