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奈米刻印的新應用

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:Dec 19, 2002

編輯 Agape 報導

普林斯頓大學電機系的Michael Austin與所屬的Stephen Chou研究小組﹐首度嘗試以奈米刻印蝕刻(Nanoimprint Lithography, NIL)的方式製成了高分子有機物薄膜電晶體。

在現今一片奈米科技熱潮中﹐各學術領域的科學家們無不絞盡腦汁地研究奈米技術在其相關領域的應用。在公元2000年由當年美國總統柯林頓所簽署的“奈米科技推動方案白皮書”中﹐因著其深遠的發展潛力及影響力﹐更將奈米科技視為是新一代的工業革命。本文將以半導體元件為例﹐介紹利用奈米尺度的刻印技術所製成的高分子(polymer)有機物薄膜電晶體(organic thin-film transistor, OTFT) (有關OTFT的詳細資料見參考來源) 。

奈米刻印蝕刻技術(NIL)是由Stephen Chou(當時任職於University of Minnesota)於1996年率先將壓印模製(compression molding) 的技術﹐應用在半導體蝕刻的圖案轉印中而逐漸受到重視。這種技術與刻印章十分類似﹕先以傳統微蝕刻(光罩﹐電子束﹐聚焦離子束等)技術將所要轉印的圖案(負片)製版於某種模版材料(通常為矽晶圓) 上﹐然後以PMMA(Polymethyl methacrylate, 一種高分子壓克力液體材料) 當作” 印泥” 鍍在元件基板材料上。再利用特殊的儀器﹐施以精確控制的壓力及溫度﹐將模版壓印在鍍於元件基板上的PMMA﹐如此模版上的圖案(正片) 就轉印到PMMA上了(細節請參考註一。)

採用NIL的半導體蝕刻製程﹐因為用以壓製圖案的模版一旦完成﹐可重複使用(至少達數十次)﹐無須再經額外的光罩製程。所以具有省時﹐降低製造成本﹐高產量及良率等較傳統半導體蝕刻技術優越之處。

在本文所介紹的文章中﹐Michael Austin與所屬的Stephen Chou研究小組採用P3HT(poly(3-hexylthiophene), 一種導電有機高分子材料) 為” 印泥”﹐利用NIL技術作出最小線寬達70nm的薄膜電晶體。在該論文中﹐Austin等人量測並比較了導電通路(channel) 分別為70nm, 200nm﹐以及1000nm的薄膜電晶體元件。他們發現1000nm的元件具有與採用傳統半導體技術所製成的場效電晶體相近的品質與特性。而雖然在閘極所量測到的電流密度﹐隨著導電通路的縮短而增加﹐電晶體的切換電流比率仍維持在10000﹐代表元件的開關(on/off)控制不受影響。

與其它極小尺寸的電子元件一樣﹐Austin等人所製成的電晶體亦存在著因穿隧效應導致的漏電(leakage),使得元件在關閉狀態下仍有約10pA的電流通過。在導電通路為70nm的元件中﹐閘極電流並沒有如傳統電晶體般在高電壓時達到飽和﹐反而隨著電壓增加而持續上昇﹐如此的元件即不適合作為開關來使用。據Austin等人表示﹐這是由於導電通路太短﹐加上因受限於材料的導電性(因作為導電體的P3HT導電性不如單晶半導體良好)﹐在高電流時電荷開始堆積在通路中而造成。所以﹐在導電有機物上必須有其它選擇。

NIL應用在OTFT的製造不僅為半導體元件製程提供了一個新的途徑﹐更是尖端奈米技術與研究者創意結合的一個最佳說明。

註一﹕ Stephen Y. Chou, et al., Imprint lithography with 25-nanometer resolution, Science 272, 85 (1996).

原始論文﹕Michael D. Austin and Stephen Y. Chou, Fabrication of 70 nm channel length polymer organic thin-film transistors using nanoimprint lithography, Applied Physics Letters 81, 4431 (2002).

參考來源:

  • 原始論文:M. D. Austin et al. Appl. Phys. Lett. 81, 4431 (2002).

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