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METHOD OF MANUFACTURING FUNCTIONAL DEVICE, THIN-FILM TRANSISTOR, AND PIEZOELECTRIC INKJET HEAD

Patent code P110006012
File No. E086P18
Posted date Nov 28, 2011
Application number P2010-107764
Publication number P2011-238714A
Patent number P5198506
Date of filing May 7, 2010
Date of publication of application Nov 24, 2011
Date of registration Feb 15, 2013
Inventor
  • (In Japanese)下田 達也
  • (In Japanese)宮迫 毅明
  • (In Japanese)金田 敏彦
Applicant
  • (In Japanese)国立研究開発法人科学技術振興機構
  • (In Japanese)セイコーエプソン株式会社
Title METHOD OF MANUFACTURING FUNCTIONAL DEVICE, THIN-FILM TRANSISTOR, AND PIEZOELECTRIC INKJET HEAD
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a functional device which allows manufacture using raw materials and manufacturing energy far less than ever before and having steps less than even before.
SOLUTION: A method of manufacturing a functional device includes, in the following order: a first step of preparing a functional liquid material, which is to be heated to be a functional solid material; a second step of applying the functional liquid material on a base material to form a precursor composition layer of the functional solid material; a third step of heating the precursor composition layer at a first temperature falling within a range of 80°C to 200°C to reduce fluidity of the precursor composition layer in advance; a fourth step of embossing the precursor composition layer while heating the precursor composition layer at a second temperature falling within a range of 80°C to 300°C to form an embossed structure on the precursor composition layer; and a fifth step of heating the precursor composition layer at a third temperature which is higher than the second temperature to form a functional solid material layer from the precursor composition layer.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)

図25は、従来の薄膜トランジスタ900を説明するために示す図である。
従来の薄膜トランジスタ900は、図25に示すように、ソース電極950及びドレイン電極960と、ソース電極950とドレイン電極960との間に位置するチャネル層940と、チャネル層940の導通状態を制御するゲート電極920と、ゲート電極920とチャネル層940との間に形成され、強誘電体材料からなるゲート絶縁層930とを備える。なお、図25において、符号910は絶縁性基板を示す。

従来の薄膜トランジスタ900においては、ゲート絶縁層930を構成する材料として、強誘電体材料(例えば、BLT(Bi4-xLaxTi3O12)、PZT(Pb(Zrx,Ti1-x)O3))が使用され、チャネル層940を構成する材料として、酸化物導電性材料(例えば、インジウム錫酸化物(ITO))が使用されている。

従来の薄膜トランジスタ900によれば、チャネル層を構成する材料として酸化物導電性材料を用いているためキャリア濃度を高くすることができ、また、ゲート絶縁層を構成する材料として強誘電体材料を用いているため低い駆動電圧で高速にスイッチングすることができ、その結果、大きな電流を低い駆動電圧で高速に制御することが可能となる。

従来の薄膜トランジスタは、図26に示す従来の薄膜トランジスタの製造方法により製造することができる。図26は、従来の薄膜トランジスタの製造方法を説明するために示す図である。図26(a)~図26(e)は各工程図であり、図26(f)は薄膜トランジスタ900の平面図である。

まず、図26(a)に示すように、表面にSiO2層が形成されたSi基板からなる絶縁性基板910上に、電子ビーム蒸着法により、Ti(10nm)及びPt(40nm)の積層膜からなるゲート電極920 を形成する。
次に、図26(b)に示すように、ゲート電極920の上方から、ゾルゲル法により、BLT(Bi3.25La0.75Ti3O12)又はPZT(Pb(Zr0.4Ti0.6)O3)からなるゲート絶縁層930(200nm)を形成する。
次に、図26(c)に示すように、ゲート絶縁層930上に、RFスパッタ法により、ITOからなるチャネル層940(5nm~15nm)を形成する。
次に、図26(d)に示すように、チャネル層940上に、電子ビーム蒸着法により、Ti(30nm)及びPt(30nm)を真空蒸着してソース電極950及びドレイン電極960を形成する。
次に、RIE法及びウェットエッチング法(HF:HCl混合液)により、素子領域を他の素子領域から分離する。
これにより、図26(e)及び図26(f)に示すような、薄膜トランジスタ900を製造することができる。

図27は、従来の薄膜トランジスタ900の電気特性を説明するために示す図である。なお、図27中、符号940aはチャネルを示し、符号940bは空乏層を示す。
従来の薄膜トランジスタ900においては、図27に示すように、ゲート電圧が3V(VG=3V)のときのオン電流として約10-4A、オン/オフ比として1×104、電界効果移動度μFEとして10cm2/Vs、メモリウインドウとして約2Vの値が得られている。

Field of industrial application (In Japanese)

本発明は、機能性デバイスの製造方法並びに薄膜トランジスタ及び圧電式インクジェットヘッドに関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
熱処理することにより金属酸化物セラミックス又は金属からなる機能性固体材料となる機能性液体材料を準備する第1工程と、
基材上に前記機能性液体材料を塗布することにより、前記機能性固体材料の前駆体組成物層を形成する第2工程と、
前記前駆体組成物層を80℃~200℃の範囲内にある第1温度に加熱することにより、前記前駆体組成物層の流動性を予め低くしておく第3工程と、
前記前駆体組成物層を80℃~300℃の範囲内にある第2温度で、前記第3工程において残存した主溶媒が除去されるように加熱した状態で前記前駆体組成物層に対して、80℃~300℃の範囲内にある第4温度に加熱した型を用いて型押し加工を施すことにより、前記前駆体組成物層に型押し構造を形成する第4工程と、
前記前駆体組成物層を前記第2温度よりも高い第3温度で熱処理することにより、前記前駆体組成物層から前記機能性固体材料層を形成する第5工程とをこの順序で含む、
機能性デバイスの製造方法。

【請求項2】
 
前記第4工程においては、1MPa~20MPaの範囲内にある圧力で型押し加工を施す、
請求項1に記載の機能性デバイスの製造方法。

【請求項3】
 
前記第4工程においては、少なくとも前記前駆体組成物層の表面に対する離型処理又は前記型の型押し面に対する離型処理を施した後、前記前駆体組成物層に対して型押し加工を施す、
請求項1又は請求項2に記載の機能性デバイスの製造方法。

【請求項4】
 
前記機能性液体材料は、
金属アルコキシドを含有する溶液、
金属有機酸塩を含有する溶液、
金属無機酸塩を含有する溶液、
金属ハロゲン化物を含有する溶液、
金属、窒素及び水素を含有する無機化合物を含有する溶液、
金属水素化物を含有する溶液、
金属ナノ粒子を含有する溶液又は
セラミックス微粒子を含有する溶液である、
請求項1~請求項3のいずれか1項に記載の機能性デバイスの製造方法。

【請求項5】
 
前記機能性液体材料は、金属アルコキシドを含有する溶液、金属有機酸塩を含有する溶液又は金属無機酸塩を含有する溶液であり、
前記第4工程における前記前駆体組成物層から前記機能性固体材料層への体積収縮率は、30%~90%の範囲内にある、
請求項4に記載の機能性デバイスの製造方法。

【請求項6】
 
前記機能性液体材料は、金属ハロゲン化物を含有する溶液、金属、窒素及び水素を含有する無機化合物を含有する溶液、金属水素化物を含有する溶液、金属ナノ粒子を含有する溶液又はセラミックス微粒子を含有する溶液であり、
前記第5工程における前記前駆体組成物層から前記機能性固体材料層への体積収縮率は、1%~30%の範囲内にある、
請求項4に記載の機能性デバイスの製造方法。

【請求項7】
 
前記第5工程においては、酸素含有雰囲気で熱処理することにより、金属酸化物セラミックスからなる機能性固体材料層を形成する、
請求項4~請求項6のいずれか1項に記載の機能性デバイスの製造方法。

【請求項8】
 
前記第5工程においては、還元雰囲気で熱処理することにより、金属からなる機能性固体材料層を形成する、
請求項4~請求項6のいずれか1項に記載の機能性デバイスの製造方法。

【請求項9】
 
前記第4工程においては、前記第5工程における熱処理により、最も層厚が薄い領域でクラックが発生するような型押し構造を形成する、
請求項1~請求項8のいずれか1項に記載の機能性デバイスの製造方法。

【請求項10】
 
前記第4工程と前記第5工程との間に、型押し加工が施された前記前駆体組成物層のうち最も層厚が薄い領域において前記前駆体組成物層が完全に除去されるような条件で、前記前駆体組成物層を全体的にエッチングする工程をさらに含む、
請求項1~請求項8のいずれか1項に記載の機能性デバイスの製造方法。

【請求項11】
 
前記第2工程においては、前記基材として、表面に前記前駆体組成物層に対する親和性の異なる2つの領域を有する基材を用い、
前記第4工程においては、前記2つの領域のうち前記前駆体組成物層に対する親和性が相対的に高い第1領域においては、前記2つの領域のうち前記前駆体組成物層に対する親和性が相対的に低い第2領域においてよりも層厚が厚くなるように、前記前駆体組成物層に型押し構造を形成する、
請求項9又は請求項10に記載の機能性デバイスの製造方法。

【請求項12】
 
前記機能性デバイスは、薄膜トランジスタであり、
前記機能性固体材料層は、前記薄膜トランジスタにおけるゲート電極層、ゲート絶縁層、ソース層、ドレイン層、チャネル層及び配線層のうち少なくとも1つの層である、
請求項1~請求項11のいずれか1項に記載の機能性デバイスの製造方法。

【請求項13】
 
前記機能性デバイスは、圧電体層を備えるアクチュエーターであり、
前記機能性固体材料層は、前記圧電体層である、
請求項1~請求項11のいずれか1項に記載の機能性デバイスの製造方法。

【請求項14】
 
前記機能性デバイスは、基材上に複数の格子層を備える光学デバイスであり、
前記機能性固体材料層は、前記格子層である、
請求項1~請求項11のいずれか1項に記載の機能性デバイスの製造方法。

【請求項15】
 
ソース領域及びドレイン領域並びにチャネル領域を含む酸化物導電体層と、
前記チャネル領域の導通状態を制御するゲート電極と、
前記ゲート電極と前記チャネル領域との間に形成され強誘電体材料又は常誘電体材料からなるゲート絶縁層とを備え、
前記チャネル領域の層厚は、前記ソース領域の層厚及び前記ドレイン領域の層厚よりも薄いことを特徴とする薄膜トランジスタであって、
前記チャネル領域の層厚が前記ソース領域の層厚及び前記ドレイン領域の層厚よりも薄い前記酸化物導電体層は、請求項1~請求項12のいずれか1項に記載の機能性デバイスの製造方法を用いて形成されたものである、
薄膜トランジスタ。

【請求項16】
 
前記チャネル領域のキャリア濃度及び層厚は、前記薄膜トランジスタがオフ状態のときに、前記チャネル領域全体が空乏化するような値に設定され、かつ
前記チャネル領域のキャリア濃度は、1×1015cm-3~1×1021cm-3の範囲内にあり、
前記チャネル領域の層厚は、5nm~100nmの範囲内にある、
請求項15に記載の薄膜トランジスタ。

【請求項17】
 
キャビティ部材と、
前記キャビティ部材の一方側に取り付けられ、圧電体層が形成された振動板と、
前記キャビティ部材の他方側に取り付けられ、ノズル孔が形成されたノズルプレートと、
前記キャビティ部材、前記振動板及び前記ノズルプレートによって画成されるインク室と
を備える圧電式インクジェットヘッドであって、
前記圧電体層及び/又は前記キャビティ部材は、請求項1~請求項11のいずれか1項に記載の機能性デバイスの製造方法を用いて形成されたものである、
圧電式インクジェットヘッド。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2010107764thum.jpg
State of application right Registered
Reference ( R and D project ) ERATO SHIMODA Nano-Liquid Process AREA
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