TWI473213B - 柔性半導體器件之製造方法 - Google Patents

Description

柔性半導體器件之製造方法

本發明涉及一種半導體器件之製造方法，尤其涉及一種柔性半導體器件之製造方法。

傳統之半導體器件如薄膜電晶體或發光二極體，通常以玻璃等硬質材料作為基底。最近，替代半導體器件玻璃基底之柔性基底如塑膠基底之研究業已進行。柔性半導體器件用之柔性基底具有耐用、重量輕、柔韌性較好等優點，因此，柔性半導體器件具有廣闊之應用前景。

然，柔性基底自身有易捲曲、表面起伏等特點，不利於採用傳統半導體加工工藝於該柔性基底上形成一半導體器件。為此，日本之Tsunenori Suzuki等人於2007年3月1日於美國公開的、公開號為US 2007/0045621A1，標題為“SEMICONDUCTOR DEVICE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF”之專利申請中揭示一種柔性半導體器件及其製造方法。

請參閱圖1，所述柔性半導體器件之製造方法包括：於硬基底101形成分離層102；於分離層102形成絕緣層103；於絕緣層103形成半導體元件1111和需要連接到該半導體元件1111上之第一電極層104；於該部分第一電極層104上形成一無機絕緣層1115；於該第一電極層104及無機絕緣層1115上形成含有有機化合物之層105，並形成與含有有機化合物之層105和無機絕緣層1115接觸之第二電極層106；以及將柔性基底108固定到第二電極層106，然後 於分離層102處將硬基底101和形成半導體元件1111之絕緣層103彼此分離，以形成具有柔性基底108之半導體器件。

上述製造方法雖然提供了一種柔性半導體器件之製造方法，然，該製造方法係先於硬基底101形成一柔性半導體器件，並將柔性基底108固定到該柔性半導體器件，然後再將於硬基底101形成之半導體器件與該硬基底101分離，從而得到一柔性半導體器件。惟，上述製造方法較複雜。

有鑒於此，確有必要提供一種簡單之能於柔性基底直接製造柔性半導體器件之方法。

一種柔性半導體器件之製造方法，其包括以下步驟：提供一硬基底，該硬基底具有一表面；提供一柔性基底，該柔性基底具有一第一表面及與該第一表面相對設置之一第二表面，將該柔性基底之第一表面固定於所述硬基底之表面；採用半導體加工工藝直接於所述柔性基底之第二表面形成半導體器件；以及去除所述硬基底，形成一柔性半導體器件。

與先前技術相比較，本發明提供之柔性半導體器件之製造方法係先將柔性基底固定於硬基底之表面，然後於所述柔性基底之第二表面直接進行半導體加工以形成柔性半導體器件，該種方法可以避免於所述柔性基底直接進行半導體加工以形成柔性半導體器件時，所述柔性基底自身發生捲曲及表面起伏之現象，便於進行加工且可以 提高該柔性半導體器件之精度。本發明提供之柔性半導體器件之製造方法具有方法簡單、易於操作之特點。

下面將結合附圖對本發明提供之柔性半導體器件之製造方法作進一步之詳細說明。

請參閱圖2，本發明第一實施例提供一種柔性半導體器件，即底柵型薄膜電晶體之製造方法，該製造方法包括以下步驟：(s110)提供一硬基底，該硬基底具有一表面；(s120)提供一柔性基底，該柔性基底具有一第一表面及與該第一表面相對設置之第二表面，將該柔性基底之第一表面固定於所述硬基底之表面；(s130)採用半導體加工工藝直接於所述柔性基底之第二表面形成半導體器件；(s140)去除所述硬基底，形成一柔性半導體器件。

請參閱圖3，於所述步驟s110中，提供一硬基底12，該硬基底具有一表面122。所述硬基底12之表面122比較平整。該硬基底12之表面122可預先經過丙酮、異丙醇或乙醇進行清洗；再用去離子水清洗，並用氧氣電漿處理，以保證該硬基底12之表面122比較乾淨，從而有利於後續工藝的進行。所述硬基底12之材料為玻璃、石英、氮氧化矽、氮化矽、金屬或硬質塑膠等材料。所述硬基底12之形狀不限，根據實際需要確定。本實施例中，所述硬基底12為方形之玻璃。

所述步驟s120具體地包括以下步驟：(s121)於所述硬基底12上形成一粘結層14；(s122)提供一柔性基底16 ，該柔性基底16具有一第一表面162及與該第一表面162相對設置之第二表面164；(s123)當所述粘結層14未固化或未凝固時，將所述柔性基底16之第一表面162之一側邊緣18接觸該粘結層14，並將該柔性基底16從該邊緣18置於該粘結層14上；(s124)固化所述粘結層14。

於上述步驟s121中：首先，提供一粘結材料。該粘結材料具有流動性、可以凝固或固化以及不溶於丙酮、異丙醇與乙醇等特點。該粘結材料可以為聚醯亞胺、環氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚酯、聚醯胺、矽樹脂、三聚氰胺樹脂、苯酚樹脂或聚二甲基矽氧烷等材料。本實施例中，所述粘結材料為聚二甲基矽氧烷。其次，將所述粘結材料旋塗於所述硬基底12上，以形成粘結層14。由於所述硬基底12經過清洗，其表面比較乾淨，有利於增加該硬基底12與所述粘結材料之結合力。該步驟還可以用甩膠之方式將所述粘結材料塗於所述硬基底12上。

於上述步驟s122中：所述柔性基底16需要進行清洗。具體地，該柔性基底16可預先經過丙酮、異丙醇或乙醇進行清洗；再用去離子水清洗，並用氧氣電漿處理，以保證該柔性基底16之表面乾淨。其中，所述柔性基底16具有柔軟、薄而且品質輕之特點。該柔性基底16之材料為聚對苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚醚碸、聚丙烯、聚丙硫醚、聚碳酸酯、聚醚醯亞胺、聚苯硫醚、聚苯醚、聚碸或聚鄰苯二甲酸胺等聚合物材料。所述柔性基底16之厚度及形狀不限，可以根據實際需要確定。所述柔性基底16之厚度可以大於等於10微米。本實施例 中，所述柔性基底16之材料為透明之聚對苯二甲酸乙二酯，該柔性基底16之厚度為30微米，該柔性基底16之形狀為方形。

所述步驟s123中，當所述粘結層14未固化或未凝固時，將所述柔性基底16之第一表面162一側邊緣18接觸該粘結層14，並使該柔性基底16之第一表面162逐漸與所述粘結層14接觸。這樣，有利於去除該柔性基底16與該粘結層14接觸時產生之氣泡，使兩者較好之結合，從而該柔性基底16比較平坦，不易捲曲。

於上述步驟s124中：首先，將所述粘結有柔性基底16之硬基底12放入一真空機中進行真空處理，以去除所述柔性基底16之第一表面162與所述粘結層14介面之間可能存於之氣泡，使得該柔性基底16更加平坦。其次，固化或凝固所述粘結層14。所述固化或凝固之方式包括自然乾燥、高溫乾燥或冷卻乾燥。本實施例中，採用自然乾燥之方法固化聚二甲基矽氧烷。

所述柔性基底16由於設置於未固化或未凝固之粘結層14上，可以避免該柔性基底16由於其自身引起之捲曲及表面起伏，使得該柔性基底16能夠與該粘結層14較好之結合，從而柔性基底16之表面比較平坦，以便利用半導體加工工藝直接於其表面進行加工，形成柔性半導體器件。

所述步驟s130中，採用蒸鍍、濺射、化學沈積、掩模或蝕刻等半導體加工工藝直接於所述柔性基底16之第二表 面164形成半導體器件。所述半導體器件包括薄膜電晶體、場效應電晶體、發光二極體或光敏電阻等。

本實施例中，採用半導體加工工藝直接於柔性基底16之第二表面164進行加工，以形成一底柵型薄膜電晶體20。具體地包括以下步驟：(s131)形成一柵極220於該清洗後之柔性基底16之第二表面164；(s132)形成一絕緣層230覆蓋所述柵極220；(s133)形成一半導體層240於所述絕緣層230表面；(s134)於半導體層240上形成一源極251及一漏極252，並使該源極251及漏極252間隔設置且與上述半導體層240電連接。

於步驟s131中，該柵極220之材料應具有較好之導電性。具體地，該柵極220之材料可以為金屬、合金、氧化銦錫(ITO)、銻錫氧化物(ATO)、導電銀膠、導電聚合物或奈米碳管膜等導電材料。該金屬可以為鋁、銅、鎢、鉬或金。該合金為鋁、銅、鎢、鉬和金中兩種以上金屬之合金。具體地，當該柵極220之材料為金屬、合金、ITO或ATO時，可以通過蒸鍍、濺射、化學沈積、掩模或蝕刻等方法形成柵極220。當該柵極220之材料為導電銀膠、導電聚合物或奈米碳管膜時，可以通過直接黏附或印刷塗覆之方法形成柵極220。一般地，該柵極220之厚度為0.5奈米~100微米。

本實施例中，該柵極220之材料為ITO，形成柵極220之方法具體可通過下述兩種方式進行。

第一種方式具體包括以下步驟：首先，於所述柔性基底 16之第二表面164均勻塗覆一層光刻膠；其次，通過曝光及顯影等光刻方法於光刻膠上形成柵極區域；再次，通過真空蒸鍍、磁控濺射或電子束蒸發等沈積方法於上述柵極區域表面沈積一ITO層；最後，通過丙酮等有機溶劑去除光刻膠及其上之ITO層，即得到形成於柔性基底16之第二表面164上之柵極220。

第二種方式具體包括以下步驟：首先，於柔性基底16之第二表面164沈積一ITO層；其次，於該ITO層表面塗覆一層光刻膠；再次，通過曝光及顯影等光刻方法去除柵極區域外之光刻膠；最後，通過電漿體蝕刻等方法去除柵極區域外之金屬層，並以丙酮等有機溶劑去除柵極區域上之光刻膠，即得到形成於柔性基底16之第二表面164上之柵極220。本實施例中，該柵極220之厚度約為1微米。

於步驟(s132)中形成一絕緣層230覆蓋所述柵極220。所述絕緣層230之材料可以為氮化矽、氧化矽等硬性材料或苯並環丁烯、聚酯、丙烯酸樹脂等柔性材料。根據絕緣層230之材料種類之不同，可以採用不同方法形成該絕緣層230。具體地，當該絕緣層230之材料為氮化矽或氧化矽時，可以通過沈積之方法形成絕緣層230。當該絕緣層230之材料為苯並環丁烯、聚酯或丙烯酸樹脂時，可以通過印刷塗覆之方法形成絕緣層。一般地，該絕緣層230之厚度為0.5奈米~100微米。本實施例中採用印刷塗覆苯並環丁烯之方法形成所述絕緣層230，使之覆蓋於所述柵極220之表面。所述絕緣層230之厚度約為1微米。

於步驟(s133)中形成一半導體層240於所述絕緣層230表面。該半導體層240之材料為非晶矽、多晶矽、有機半導體聚合物、奈米膜、奈米線狀結構或奈米管等。根據形成半導體層240之材料種類之不同，可以採用不同方法形成該半導體層240。具體地，當半導體層240之材料為非晶矽或多晶矽時，可以通過化學氣相沈積法形成半導體層240。當半導體層240之材料為有機半導體聚合物或奈米膜時，可以通過直接黏附或印刷塗覆有機半導體聚合物或奈米碳管膜之方法將該有機半導體聚合物或奈米碳管膜塗覆或黏附於絕緣層表面，形成半導體層240。當半導體層240之材料為奈米管或奈米線狀結構時，可以通過轉印之方法將奈米管或奈米線狀結構轉移到絕緣層230表面。一般地，所述半導體層240之厚度為0.5奈米~100微米。本實施例中，所述半導體層240之材料為奈米碳管膜，其厚度為1微米。

於步驟(s134)中，該源極251及漏極252之材料應具有較好之導電性。具體地，該源極251及漏極252之材料可以為金屬、合金、ITO、ATO、導電銀膠、導電聚合物或奈米碳管薄膜等導電材料。根據形成源極251及漏極252之材料種類之不同，可以採用不同方法形成該源極251及漏極252。具體地，當該源極251及漏極252之材料為金屬、合金、ITO或ATO時，可以通過蒸鍍、濺射、沈積、掩模或蝕刻等方法形成源極251及漏極252。當該源極251及漏極252之材料為導電銀膠、導電聚合物或奈米碳管膜時，可以將該導電銀膠、導電聚合物或奈米碳管膜 直接黏附或印刷塗覆於半導體層240之表面，形成源極251及漏極252。一般地，該源極251及漏極252之厚度為0.5奈米~100微米，源極251至漏極252之間之距離為1微米~100微米。

本實施例中通過採用與形成柵極220相似之蝕刻方法於半導體層240上形成一源極251及漏極252，進而形成所述薄膜電晶體20。該源極251及漏極252與所述半導體層240電連接，且該源極251與漏極252間隔設置。該源極251及漏極252之厚度為1微米，源極251至漏極252之間之距離為50微米。該源極251及漏極252之材料為鋁金屬。

所述步驟s140去除所述硬基底12，以形成一柔性半導體器件之方法為：採用外力直接將所述硬基底12及粘結層14與所述柔性基底16剝離。本實施例中，當玻璃硬基底12及粘結層14與聚對苯二甲酸乙二酯柔性基底16分離後，聚對苯二甲酸乙二酯柔性基底16之透明度幾乎沒有改變，而且仍具有柔軟性。當然，該步驟也可以採用其他方法使硬基底12與柔性基底16分離，如，加熱法、蝕刻法。從而得到本實施例所述之底柵型柔性基底薄膜電晶體20。

可以理解，採用與本實施例類似之方法也可以製備薄膜電晶體陣列，如頂柵型薄膜電晶體陣列。形成頂柵型薄膜電晶體陣列具體包括以下步驟：提供一硬基底，該硬基底具有一表面；提供一柔性基底，該柔性基底具有一第一表面及與該第一表面相對設置之一第二表面，將該 柔性基底之第一表面固定於所述硬基底之表面；採用半導體加工工藝直接於所述柔性基底之第二表面形成頂柵型薄膜電晶體陣列；以及去除所述硬基底，形成一柔性頂柵型薄膜電晶體陣列。

請參閱圖4及圖5，本發明第二實施例提供一種柔性基底發光二極體之製造方法，該製造方法包括與第一實施例基本相似，不同之處於於：本實施例中於一柔性基底上直接進行發光二極體加工工藝，以形成發光二極體。本實施例具體包括以下步驟：(s210)提供一硬基底12，該硬基底12具有一表面122；(s220)提供一柔性基底16，該柔性基底16具有一第一表面162及與該第一表面162相對設置之第二表面164，將該柔性基底16之第一表面162固定於所述硬基底12之表面122；(s230)採用半導體加工工藝直接於所述柔性基底16之第二表面164形成一發光二極體；(s240)去除所述硬基底12，形成一柔性發光二極體30。

所述步驟s210中之硬基底之材料及性質與第一實施例中之步驟s110中之硬基底之材料及性質相同。

所述步驟s220中之具體步驟與第一實施例中之步驟s120中之具體步驟相同。

所述步驟s230中，採用半導體加工工藝直接於所述柔性基底16之第二表面164形成發光二極體之方法包括以下步驟：(s231)於柔性基底16之第二表面164依次形成一第一半導體層310、一活性層320及一第二半導體層330 ；(s232)對第二半導體層330、活性層320進行蝕刻，直至暴露出第一半導體層310之表面；以及(s233)於第二半導體層330之表面形成一第二電極332，使得該第二電極332與該第二半導體330電連接，及於第一半導體層310之表面形成一第一電極312，使得該第一電極312與該第一半導體310電連接，且第一電極312與第二電極332電絕緣。

所述步驟s231中，採用金屬有機化學氣相沈積(MOCVD)技術於所述柔性基底16之第二表面164上依次外延生長所述第一半導體層310、活性層320及第二半導體層330。

其中，所述第一半導體層310、第二半導體層330可以為N型半導體層或P型半導體層兩種類型，且該第一半導體層310與第二半導體層330之類型不同。所述N型半導體層具有提供電子移動場所之作用。所述P型半導體層具有提供空穴移動之場所之作用。N型半導體層之材料包括N型氮化鎵、N型砷化鎵及N型磷化銅等材料中之一種。P型半導體層之材料包括P型氮化鎵、P型砷化鎵及P型磷化銅等材料中之一種。本實施例中第一半導體層之材料為N型氮化鎵，其厚度為2微米，第二半導體層之材料為P型氮化鎵，其厚度為0.3微米。所述活性層320為包含一層或多層量子阱層之量子阱結構(Quantum Well)。量子阱層之材料為氮化銦鎵、氮化銦鎵鋁、砷化鎵、砷化鋁鎵、磷化銦鎵、磷化銦砷或砷化銦鎵中之一種。本實施例中，活性層為兩層結構，其厚度為0.3微米，一層之材料為氮化 銦鎵，另一層之材料為氮化鎵。

所述步驟s232採用蝕刻技術蝕刻第二半導體層330、活性層320直至暴露出第一半導體層310。所述蝕刻技術包括濕法蝕刻技術及幹法蝕刻技術。本實施例中，採用之蝕刻技術為幹法蝕刻技術中之電感耦合電漿蝕刻技術。

所述步驟s233可以採用物理氣相沈積法，如，電子束蒸發法、真空蒸鍍法及離子濺射法等於所述第二半導體層330之表面形成第二電極332，於第一半導體層310之表面形成第一電極312。所述第一電極312、第二電極332之材料包括鈦、鋁、鎳及金中之一種或其任意組合。所述第一電極312、第二電極332至少為一層結構。本實施例中，採用電子束蒸發法製備所述鈦/金(一層鈦層及一層金層)第二電極332、第一電極312。

於所述步驟s240中，去除所述硬基底12，形成柔性發光二極體30。其中，所述去除所述硬基底12及粘結層14之方法與第一實施例中之步驟s140去除所述硬基底12及粘結層14之方法相同。

本發明實施例提供之柔性半導體器件製造方法具有以下優點：其一，由於在未固化或未凝固之粘結層上設置所述柔性基底，避免了所述柔性基底自身產生之捲曲及表面起伏之現象，使得柔性基底能夠與所述粘結層較好之結合，從而該柔性基底之表面比較平坦，進而，可以採用半導體加工工藝直接於所述柔性基底之第二表面形成柔性半導體器件，不需要預先形成柔性半導體器件，然 後再將一柔性基底粘合到所述柔性半導體器件上，以形成柔性半導體器件。因此，本發明實施例提供之柔性半導體器件之製造方法具有方法簡單、易於操作之特點。其二，本發明實施例中，採用直接剝離柔性基底與硬基底之方法，不會影響柔性基底之透明性，而且方法簡單。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

12‧‧‧硬基底

240‧‧‧半導体層

122‧‧‧硬基底之表面

251‧‧‧源極

14‧‧‧粘結層

252‧‧‧漏極

16‧‧‧軟基底

30‧‧‧發光二極體

162‧‧‧軟基底之第一表面

310‧‧‧第一半導體

164‧‧‧軟基底之第二表面

312‧‧‧第一電極

18‧‧‧軟基底之第一表面之一側邊緣

320‧‧‧活性層

20‧‧‧薄膜電晶體

330‧‧‧第二半導體

220‧‧‧柵極

332‧‧‧第二電極

230‧‧‧絕緣層

圖1係先前技術製造柔性半導體器件之工藝流程圖。

圖2係本發明第一實施例提供之柔性半導體器件製造方法之流程圖。

圖3係本發明第一實施例提供之柔性半導體器件之製造工藝流程圖。

圖4係本發明第二實施例提供之柔性半導體器件製造方法之流程圖。

圖5係本發明第二實施例提供之柔性半導體器件之製造工藝流程圖。

12‧‧‧硬基底

20‧‧‧薄膜電晶體

122‧‧‧硬基底之表面

220‧‧‧柵極

14‧‧‧粘結層

230‧‧‧絕緣層

16‧‧‧軟基底

240‧‧‧半導体層

162‧‧‧軟基底之第一表面

251‧‧‧源極

164‧‧‧軟基底之第二表面

252‧‧‧漏極

18‧‧‧軟基底之第一表面之一側邊緣

Claims (13)

1. 一種柔性半導體器件之製造方法，其包括以下步驟：提供一硬基底，該硬基底具有一表面；提供一柔性基底，該柔性基底具有一第一表面及與該第一表面相對設置之一第二表面，將該柔性基底之第一表面固定於所述硬基底之表面；採用半導體加工工藝直接於所述柔性基底之第二表面形成半導體器件；以及分離所述硬基底與所述柔性基底，形成一柔性半導體器件。
2. 如申請專利範圍第1項所述之柔性半導體器件之製造方法，其中，所述柔性基底之材料為聚對苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二酯、聚醚碸、聚丙烯、聚丙硫醚、聚碳酸酯、聚醚醯亞胺、聚苯硫醚、聚苯醚、聚碸或聚鄰苯二甲酸胺。
3. 如申請專利範圍第1項所述之柔性半導體器件之製造方法，其中，將所述柔性基底之第一表面固定於所述硬基底之表面之方法包括以下步驟：於所述硬基底之表面形成一粘結層；當所述粘結層未固化或未凝固時，將所述柔性基底之第一表面之一側邊緣接觸所述粘結層，並將該柔性基底從該邊緣置於該粘結層；以及固化所述粘結層。
4. 如申請專利範圍第3項所述之柔性半導體器件之製造方法，其中，於所述硬基底之表面形成一粘結層之方法包括：提供一粘結層之材料；清洗所述硬基底之表面；以及將所述粘結層之材料塗於該清洗後之硬基底之表面。
5. 如申請專利範圍第4項所述之柔性半導體器件之製造方法，其中，所述清洗所述硬基底之方法為：預先採用丙酮、異丙醇或乙醇清洗所述硬基底；去離子水清洗該硬基底；以及對該硬基底進行電漿處理。
6. 如申請專利範圍第3項所述之柔性半導體器件之製造方法，其中，當所述粘結層未固化或未凝固時，將所述柔性基底之第一表面之一側邊緣接觸所述粘結層，並將該柔性基底之第一表面逐漸與所述粘結層接觸，使得該柔性基底置於該粘結層。
7. 如申請專利範圍第3項所述之柔性半導體器件之製造方法，其中，所述固化所述粘結層之步驟之前進一步包括真空處理所述柔性基底與所述粘結層，去除該柔性基底與該粘結層之介面之間之氣泡。
8. 如申請專利範圍第3項所述之柔性半導體器件之製造方法，其中，所述粘結層之材料為聚醯亞胺、環氧樹脂、丙烯酸樹脂、聚酯、聚醯胺、矽樹脂、三聚氰胺樹脂、苯酚樹脂或聚二甲基矽氧烷。
9. 如申請專利範圍第1項所述之柔性半導體器件之製造方法，其中，所述半導體加工工藝包括濺射、蒸鍍、化學沈積、掩模或蝕刻。
10. 如申請專利範圍第1項所述之柔性半導體器件之製造方法，其中，所述半導體器件包括薄膜電晶體、場效應電晶體、發光二極體或光敏電阻。
11. 如申請專利範圍第10項所述之柔性半導體器件之製造方法，其中，所述半導體器件為薄膜電晶體，所述於柔性基底之第二表面形成薄膜電晶體之方法包括以下步驟：形成一 柵極於該柔性基底之第二表面；形成一絕緣層覆蓋所述柵極；形成一半導體層於所述絕緣層表面；以及於所述半導體層之表面形成一源極及一漏極，並使該源極及漏極間隔設置且與該半導體層電連接，形成一薄膜電晶體。
12. 如申請專利範圍第11項所述之柔性半導體器件之製造方法，其中，所述半導體器件為發光二極體，所述於柔性基底之第二表面形成發光二極體之方法包括以下步驟：於所述柔性基底之第二表面依次形成一第一半導體層、一活性層及一第二半導體層；對該第二半導體層以及活性層進行蝕刻，直至暴露出第一半導體層之表面；以及於所述第二半導體層之表面形成一第二電極，及於所述第一半導體層之表面形成一第一電極。
13. 如申請專利範圍第1項所述之柔性半導體器件之製造方法，其中，所述分離所述硬基底與所述柔性基底之方法包括外力剝離法、加熱法或蝕刻法。