本發(fā)明屬于半導(dǎo)體與電噴印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種薄膜晶體管精細(xì)掩模板的制備方法及其應(yīng)用，其能夠同時(shí)制備源極和漏極，并在源極和漏極之間制備出納米級(jí)的溝道，滿足薄膜晶體管制備的精度需求。

背景技術(shù)：

薄膜晶體管(Thin Film Transistor，TFT)作為微電子產(chǎn)品的基本元件，在柔性顯示、可穿戴電子、微傳感器等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，TFT的性能與集成度越來越高，特征尺寸不斷縮小，對(duì)其設(shè)計(jì)與制造提出了諸多挑戰(zhàn)。

晶體管源極、漏極的制備方法主要是射頻濺射或者熱蒸鍍，源漏極之間溝道長(zhǎng)度對(duì)晶體管性能有著決定性的影響，同時(shí)也影響著晶體管的集成度。高性能、高集成度晶體管的制備對(duì)小溝道的加工提出了要求，需要達(dá)到納米級(jí)別。小溝道的加工常規(guī)方法是光刻，光刻工藝能夠生產(chǎn)納米級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，但是需要掩模，所用設(shè)備昂貴，具有工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高，難以大面積生產(chǎn)的缺點(diǎn)。此外，由于光刻工藝與有機(jī)工藝不相容等原因會(huì)導(dǎo)致OTFT制備電極復(fù)雜。納米壓印同樣可以生產(chǎn)100nm以下的微細(xì)結(jié)構(gòu)。但納米壓印需要精度很高的模板，壓印介質(zhì)與基板存在兼容性問題，且同樣存在工藝復(fù)雜，生產(chǎn)成本高等問題。

另一類制備小溝道的方法是通過制作金屬掩模控制金屬成膜區(qū)域來實(shí)現(xiàn)，該方法能夠與有機(jī)工藝兼容，可以實(shí)現(xiàn)大面積制備。該方法使用的金屬掩模一般用激光加工或機(jī)械加工的方法來生產(chǎn)，但是激光加工或機(jī)械加工無法做出兩側(cè)鏤空中間只留有納米級(jí)寬度金屬線的圖案，且特征尺寸低于100μm時(shí)，隨著掩模精度的提高，制作成本急劇上升。因此需要尋找一種新的方法實(shí)現(xiàn)納米溝道精細(xì)掩膜板的制備。

電流體動(dòng)力噴印(Electrohydrodynamics，EHD)技術(shù)是一種新興的微納米級(jí)制造工藝，具有低成本、高效打印有機(jī)物溶液或金屬熔融物的能力。靜電紡絲作為電流體動(dòng)力噴印模式的一種，可以制備連續(xù)長(zhǎng)納米纖維。在金屬薄板上做出陣列化鏤空?qǐng)D案，打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(jìn)行濺射或蒸鍍時(shí)，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(zhǎng)度略小于纖維寬度的溝道。將電紡纖維用于精細(xì)掩膜板的制備可以極大地降低掩模成本以及降低溝道長(zhǎng)度。同時(shí)利于實(shí)現(xiàn)小溝道晶體管大面積、陣列化的制備。

由于存在上述缺陷和不足，本領(lǐng)域亟需做出進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種制備精細(xì)掩模板進(jìn)而制備薄膜晶體管的方法，使其能夠克服了薄膜晶體管傳統(tǒng)小溝道制備工藝成本高、工藝復(fù)雜、環(huán)境要求苛刻等缺點(diǎn)，能夠同時(shí)制備出滿足精度要求的源極、漏極和溝道，簡(jiǎn)化制備精細(xì)掩模板的流程，得到高集成度、高性能的薄膜晶體管器件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種薄膜晶體管精細(xì)掩模板的制備方法及采用該掩模板制備薄膜晶體管的方法，首先使用激光切割技術(shù)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(chǎng)靜電紡絲技術(shù)打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(jí)的兩塊區(qū)域。以打印有纖維的金屬薄板為掩模板，在有機(jī)半導(dǎo)體層上采用蒸鍍或?yàn)R射的方式同時(shí)構(gòu)造源極和漏極，源漏極之間的溝道長(zhǎng)度略小于纖維直徑，纖維直徑寬度可實(shí)現(xiàn)范圍為50nm～30μm，從而可以獲得性能優(yōu)異的TFT器件。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種薄膜晶體管精細(xì)掩模板的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

S1.準(zhǔn)備一金屬薄板，在該金屬薄板上刻蝕多個(gè)鏤空?qǐng)D案，上述鏤空?qǐng)D案呈陣列化分布，從而制備出鏤空金屬薄板；

S2.制備靜電紡絲溶液，用于紡制亞微米級(jí)纖維；

S3.采用步驟S2中制備的靜電紡絲溶液在步驟S1中制得的金屬薄板上紡制亞微米級(jí)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(qū)域；

S4.待纖維固化后，即得到由金屬薄板和纖維構(gòu)成的用于制備薄膜晶體管的精細(xì)掩模板。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述金屬薄板上的鏤空?qǐng)D案采用激光切割工藝刻蝕而成。

優(yōu)選地，所述纖維采用靜電紡絲方法制備，紡絲溶液為PVDF或PEO等有機(jī)聚合物溶液，制備的纖維直徑的大小范圍為50nm～30μm。較多的比較試驗(yàn)表明，采用PVDF或PEO等有機(jī)聚合物溶液和靜電紡絲的方法能夠制備出更細(xì)的納米級(jí)纖維，且仿制的纖維均勻一致、性能更好。將制備的纖維直徑大小范圍控制在上述范圍內(nèi)，能夠得到納米級(jí)的溝道，滿足薄膜晶體管的制備需求。

優(yōu)選地，所述纖維與下方的半導(dǎo)體層不接觸。由于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(dǎo)體層直接接觸，避免了溶劑對(duì)半導(dǎo)體層的破壞效應(yīng)，對(duì)各層溶劑的選擇要求降低，有利于提高器件性能。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種薄膜晶體管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1.準(zhǔn)備一個(gè)基底層，在該基底層的表面從下至上依次制備薄膜晶體管的金屬柵極、介電層和半導(dǎo)體層；

S2.在半導(dǎo)體層表面鋪設(shè)采用如上所述的制備方法制備的精細(xì)掩模板，該精細(xì)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(qū)域；

S3.在精細(xì)掩模板表面進(jìn)行鍍膜工藝，由于精細(xì)掩模板中金屬薄板的鏤空部分被纖維分割為兩塊區(qū)域，因此在半導(dǎo)體層表面同時(shí)制備出源極和漏極，所述源極和漏極之間由于纖維的遮擋形成溝道；

S4.將所述半導(dǎo)體層表面的精細(xì)掩模板去除，制得薄膜晶體管。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體層為有機(jī)半導(dǎo)體層。采用有機(jī)半導(dǎo)體層能夠極大地簡(jiǎn)化制造工藝和降低制造成本，且有機(jī)半導(dǎo)體層具有良好的柔曲性，能夠滿足柔性薄膜晶體管的性能要求。

優(yōu)選地，所述基底層為非柔性基底或柔性基底。本發(fā)明的薄膜晶體管的制備方法能夠在各種基底上制備出薄膜晶體管，而根據(jù)實(shí)際使用需求使用不同的基底材料，制備出柔性或非柔性的薄膜晶體管，能夠滿足不同場(chǎng)合的使用需求。

優(yōu)選地，所述纖維與下方的半導(dǎo)體層不接觸。由于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(dǎo)體層直接接觸，避免了溶劑對(duì)半導(dǎo)體層的破壞效應(yīng)，對(duì)各層溶劑的選擇要求降低，有利于提高器件性能。

優(yōu)選地，所述鍍膜工藝為濺射或蒸鍍工藝。

優(yōu)選地，所述源極與漏極之間溝道的寬度略小于纖維直徑。在半導(dǎo)體層上同時(shí)制備源極和漏極，且使源極與漏極之間溝道長(zhǎng)度略小于纖維直徑，可以得到比較高的集成度。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本發(fā)明克服了薄膜晶體管傳統(tǒng)小溝道制備工藝成本高、工藝復(fù)雜、環(huán)境要求苛刻等特點(diǎn)，提出了用靜電紡絲在鏤空金屬薄板上沉積纖維的方法制備精細(xì)掩膜板，由該方法制備出的掩模板具有納米級(jí)的纖維將金屬薄板分成兩部分，采用該精細(xì)掩模板制備薄膜晶體管時(shí)，能夠同時(shí)制備源極和漏極，并在源極和漏極之間形成納米級(jí)的溝道，以滿足薄膜晶體管制備的精度需求。

(2)本發(fā)明在制備精細(xì)掩模板時(shí)，采用PVDF或PEO等有機(jī)聚合物的紡絲溶液和靜電紡絲的方法，能夠制備出細(xì)度更細(xì)的納米級(jí)的纖維，且紡制的纖維均勻一致，性能更好。將制備的纖維直徑大小范圍控制在一定范圍內(nèi)，能夠得到納米級(jí)的溝道，滿足薄膜晶體管的制備需求。

(3)本發(fā)明提出的精細(xì)掩模板制備方法和采用該精細(xì)掩模板制備薄膜晶體管的方法，能夠得到溝道尺寸在納米級(jí)別的薄膜晶體管，且該方法還具有工藝流程少，成本低的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)大面積、陣列化制備，有利于得到高集成度、高性能的薄膜晶體管器件。

附圖說明

圖1為采用靜電紡絲方法制備掩膜板的示意圖。

圖2為本發(fā)明的薄膜晶體管中的微納米溝道制備工藝流程圖。

圖3為使用本發(fā)明在硅基板上制備晶體管工藝流程圖。

圖4為使用本發(fā)明在柔性基板上制備晶體管工藝流程圖。

其中，1為電紡絲運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，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晶體管源漏極，9為非柔性薄膜晶體管柵極，10為非柔性薄膜晶體管介電層，11為非柔性薄膜晶體管半導(dǎo)體層，12為柔性薄膜晶體管柔性襯底，13為柔性薄膜晶體管柵極，14為柔性薄膜晶體管介電層，15為柔性薄膜晶體管半導(dǎo)體層。在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1為采用靜電紡絲方法制備掩膜板的示意圖。本發(fā)明的一種薄膜晶體管精細(xì)掩模板的制備方法，具體包括以下步驟：

S1.準(zhǔn)備一金屬薄板，在該金屬薄板上刻蝕多個(gè)鏤空?qǐng)D案，上述鏤空?qǐng)D案呈陣列化分布，從而制備出鏤空金屬薄板；

S2.制備靜電紡絲溶液，用于紡制亞微米級(jí)纖維；

S3.采用步驟S2中制備的靜電紡絲溶液在步驟S1中制得的金屬薄板上紡制亞微米級(jí)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(qū)域；

S4.待纖維固化后，即得到由金屬薄板和纖維構(gòu)成的用于制備薄膜晶體的管精細(xì)掩模板。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述金屬薄板上的鏤空?qǐng)D案采用激光切割工藝刻蝕而成。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述纖維采用靜電紡絲方法制備，紡絲溶液為PVDF或PEO等有機(jī)聚合物溶液，制備的纖維直徑的大小范圍為50nm～30μm。較多的比較試驗(yàn)表明，采用PVDF或PEO等有機(jī)聚合物溶液和靜電紡絲的方法能夠制備出更細(xì)的納米級(jí)纖維，且纖維均勻一致，性能更好。將制備的纖維直徑大小控制在上述范圍內(nèi)，能夠得到納米級(jí)的溝道，滿足薄膜晶體管的制備需求。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述纖維與下方的半導(dǎo)體層不接觸。由于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(dǎo)體層直接接觸，避免了溶劑對(duì)半導(dǎo)體層的破壞效應(yīng)，對(duì)各層溶劑的選擇要求降低，有利于提高器件性能。

圖2為本發(fā)明的薄膜晶體管中的微納米溝道制備工藝流程圖。按照本發(fā)明還提供了一種薄膜晶體管的制備方法，具體包括以下步驟：

S1.準(zhǔn)備一個(gè)基底層，在該基底層的表面從下至上依次制備薄膜晶體管的金屬柵極、介電層和半導(dǎo)體層；

S2.在半導(dǎo)體層表面鋪設(shè)采用如上所述的制備方法制備的精細(xì)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(qū)域；

S3.在精細(xì)掩模板表面進(jìn)行鍍膜工藝，由于精細(xì)掩模板中金屬薄板的鏤空部分被纖維分割為兩塊區(qū)域，因此在半導(dǎo)體層表面同時(shí)制備出源極和漏極，所述源極和漏極之間由于纖維的遮擋形成微納米溝道；

S4.將所述半導(dǎo)體層表面的精細(xì)掩模板去除，制得薄膜晶體管。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體層為有機(jī)半導(dǎo)體層。采用有機(jī)半導(dǎo)體層能夠極大地簡(jiǎn)化制造工藝和降低制造成本，且有機(jī)半導(dǎo)體層具有良好的柔曲性，能夠滿足柔性薄膜晶體管的性能要求。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述基底層為非柔性基底或柔性基底。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述纖維與下方的半導(dǎo)體層不接觸。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述鍍膜工藝為濺射或蒸鍍工藝。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述源極與漏極之間微納米溝道的寬度略小于纖維直徑。

為更好地解釋本發(fā)明，以下給出兩個(gè)具體實(shí)施例：

實(shí)施例1

利用本發(fā)明所述工藝方法在硅基板上制造薄膜晶體管過程如下：

(1)制備半導(dǎo)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，待溶液無明顯顆粒后加熱60-70℃磁力攪拌2-3h后形成均勻的半導(dǎo)體溶液，并在靜置30min后用0.02um的篩網(wǎng)過濾得到制備好的有機(jī)半導(dǎo)體溶液。外購氧化硅片，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(dǎo)體溶液旋涂在SiO2絕緣層表面，轉(zhuǎn)速1500r/min，時(shí)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。然后將旋涂后的硅片放進(jìn)烘箱，抽真空在100度的溫度下進(jìn)行30min的退火處理。處理后的片子取出后置于手套箱中保存。

(2)制備掩膜板。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溶于去離子水，磁力攪拌6-8h后形成均勻的PEO溶液。將制備好的PEO溶液置于注射器中并固定在紡絲平臺(tái)上，以制備好的鏤空金屬薄板為基板，調(diào)整紡絲參數(shù)，噴嘴距離基板高度為2～5mm，流量設(shè)定為50～100nl/min，調(diào)節(jié)高壓放大器使得施加的外部電壓為0.8-1.5KV。此時(shí)噴嘴處產(chǎn)生泰勒錐，可以打印出直徑約為50nm～1μm的纖維，如圖1中6所示。設(shè)置運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)，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)制備源極和漏極。使用步驟2中制備的沉積有纖維的金屬薄板為掩膜板，通過熱蒸發(fā)鍍膜的方法在有機(jī)半導(dǎo)體上鍍金，電流設(shè)定為80～120A，時(shí)間300S，厚度100nm～300nm，如圖2中7、8所示。此種方法可同時(shí)得到晶體管的源極及漏極，溝道長(zhǎng)度略小于纖維直徑，約為50nm～1μm。

實(shí)施例2

利用本發(fā)明所述工藝方法制造柔性薄膜晶體管過程如下：

(1)制備金屬柵極。將厚度為30-50μm的PI薄膜剪裁成10cm×10cm的方塊，先后用丙酮、無水乙醇、去離子水各超聲清洗10min，最后用氮?dú)獯蹈?。使用熱蒸發(fā)鍍膜的方法在清洗后的PI薄膜上鍍金，厚度為100～300nm，如圖4中13所示。

(2)制備絕緣層。將適量聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)溶于氯苯溶液中，配置成5-10mg/ml的溶液，將其旋涂于柵極表面，轉(zhuǎn)速1000r/min，時(shí)間60s，厚度控制在100～300nm，旋涂完成后在100℃-150℃將薄膜烘干，如圖4中14所示。

(3)制備有機(jī)半導(dǎo)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，待溶液無明顯顆粒后加熱60-70度磁力攪拌2-3h后形成均勻的半導(dǎo)體溶液，并在靜置30min后用0.02um的篩網(wǎng)過濾得到制備好的有機(jī)半導(dǎo)體溶液，將其旋涂在絕緣層表面轉(zhuǎn)速1500r/min，時(shí)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。然后將旋涂后的器件放進(jìn)烘箱，抽真空在100℃的溫度下進(jìn)行30min的退火處理。處理后的片子取出后置于手套箱中保存。

(4)制備掩膜板。將適量的PVDF溶于DMF與丙酮，比例6：4，濃度18％，加熱至35℃磁力攪拌6-7h后靜置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。將制備好的PVDF溶液置于噴嘴之中固定在紡絲平臺(tái)之上，以制備好的金屬薄板為基板，調(diào)整好紡絲參數(shù)，噴嘴距離基板高度為2～10mm，流量設(shè)定為300～600nl/min，調(diào)節(jié)高壓放大器使得施加的外部電壓為1.4-1.8KV。此時(shí)噴嘴處產(chǎn)生泰勒錐，可以打印出約為0.5μm～5μm的纖維，如圖1中6所示。設(shè)置運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以設(shè)定軌跡運(yùn)動(dòng)，使得纖維橫跨金屬薄板鏤空正方形，去除掉邊緣多余纖維可以得到所需掩膜板。

(5)制備源極和漏極。使用步驟4中制備的沉積有纖維的金屬薄板為掩膜板，通過熱蒸發(fā)鍍膜的方法在有機(jī)半導(dǎo)體上鍍金，電流設(shè)定為80～120A，時(shí)間300S，厚度100nm～300nm，如圖2中7、8所示。此種方法可同時(shí)得到晶體管的源極及漏極，溝道長(zhǎng)度略小于纖維直徑，約為0.5μm～5μm。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。