專利名稱：緊湊有機(jī)蒸汽噴射印刷打印頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有機(jī)材料通過打印頭的沉積。
背景技術(shù)：
利用有機(jī)材料的光電器件由于多個原因正在日益成為所希望的。為制成這樣的器件使用的多種材料比較便宜，所以有機(jī)光電器件因為優(yōu)于無機(jī)器件的成本優(yōu)點而具有潛力。另外，有機(jī)材料的固有性質(zhì)，如它們的柔軟性，可以使它們良好地適于一些具體用途，如在柔性基片上的構(gòu)造。有機(jī)光電器件的例子包括有機(jī)發(fā)光器件(OLED)、有機(jī)光電晶體管、有機(jī)光生伏打電池、及有機(jī)光電探測器。關(guān)于OLED的更多細(xì)節(jié)可在美國專利No. 7，279，704中找到，該美國專利通過參考全部包括在這里。為構(gòu)造有機(jī)器件使用的沉積有機(jī)材料的各種方式是已知的，如真空熱蒸發(fā)、溶液處理、有機(jī)蒸汽相沉積、及有機(jī)蒸汽噴射印刷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的某些方面涉及對于有機(jī)蒸汽噴射印刷有用的噴嘴幾何形狀。在一個實施例中，提供第一器件。該器件包括打印頭。該打印頭還包括第一噴嘴， 該第一噴嘴氣密地密封到第一氣體源上。第一噴嘴具有孔眼，該孔眼在與第一噴嘴的流動方向相垂直的方向上，具有0. 5至500微米的最小尺寸。在從孔眼到第一噴嘴中的一定距離處——該一定距離是第一噴嘴的孔眼的最小尺寸的5倍，與流動方向相垂直的最小尺寸是第一噴嘴的孔眼的最小尺寸的至少兩倍。打印頭可以包括多個第一噴嘴，這些第一噴嘴氣密地密封到第一氣體源上。打印頭可以包括第二噴嘴，該第二噴嘴氣密地密封到第二氣體源上，該第二氣體源與第一氣體源不同。第二噴嘴具有孔眼，該孔眼在與第二噴嘴的流動方向相垂直的方向上，具有0. 5至500微米的最小尺寸。在從孔眼到第二噴嘴中的一定距離處——該一定距離是第二噴嘴的孔眼的最小尺寸的5倍，與流動方向相垂直的最小尺寸是第二噴嘴的孔眼的最小尺寸的至少兩倍。打印頭可以包括第三噴嘴，該第三噴嘴氣密地密封到第三氣體源上，該第三氣體源與第一和第二氣體源不同。第三噴嘴具有孔眼，該孔眼在與第三噴嘴的流動方向相垂直的方向上，具有0. 5至500微米的最小尺寸。在從孔眼到第三噴嘴中的一定距離處——該一定距離是第三噴嘴的孔眼的最小尺寸的5倍，與流動方向相垂直的最小尺寸是第三噴嘴的孔眼的最小尺寸的至少兩倍。打印頭可以包括多個第一噴嘴，所述多個第一噴嘴氣密地密封到第一氣體源上； 多個第二噴嘴，所述多個第二噴嘴氣密地密封到第二氣體源上；及/或多個第三噴嘴，所述多個第三噴嘴氣密地密封到第三氣體源上。有多種不同方式使得噴嘴可以符合上文中論述的幾何考慮。第一噴嘴從孔眼到自該孔眼到第一噴嘴中延伸一段距離處可以具有恒定橫截面，該一段距離是第一噴嘴的孔眼的最小尺寸的2倍。對于在第一噴嘴的孔眼的最小尺寸的零至2倍的范圍中的各個距離， 在與第一噴嘴的流動方向相垂直的方向上的第一噴嘴最小尺寸可以隨著離第一噴嘴的孔眼的距離增大而連續(xù)地增大。對于在第一噴嘴的孔眼的最小尺寸的零至2倍的范圍中的各個距離，在與第一噴嘴的流動方向相垂直的方向上的第一噴嘴最小尺寸可以隨著離第一噴嘴的孔眼的距離增大而線性地增大。噴嘴可以由各種材料形成。硅是特別優(yōu)選的。金屬和陶瓷也是優(yōu)選的。對于第一噴嘴的孔眼在與第一噴嘴的流動方向相垂直的方向上的最小尺寸的優(yōu)選范圍，包括100至500微米、20至100微米，以及0.5至20微米。用于與第一噴嘴的流動方向相垂直的第一噴嘴橫截面的優(yōu)選形狀包括圓形和矩形。第一器件可以與多個氣體流一起使用，這些氣體流可以攜帶不同的有機(jī)材料。第一器件優(yōu)選地包括第一和第二氣體源、和隔熱板，該隔熱板布置在打印頭與第一和第二氣體源之間。優(yōu)選地，為打印頭、第一氣體源以及第二氣體源中的每一個提供能夠獨立地控制的熱源。第一器件可以與一些氣體流一起使用，這些氣體流可以在每個氣體流中攜帶多種有機(jī)材料，其中，不同有機(jī)材料可以在不同腔室中升華，這些不同腔室具有獨立的溫度控制。優(yōu)選地，第一氣體源包括第一升華腔室和第二升華腔室。第一氣體源可以借助于隔熱板而與打印頭隔開，該隔熱板布置在打印頭與第一氣體源之間。可以為打印頭、第一升華腔室及第二升華腔室中的每一個提供能夠獨立地控制的熱源。第一器件可以用來從第一噴嘴以及其它噴嘴噴出氣體射流。在第一器件正在用來從噴嘴噴出氣體射流的同時，在打印頭和第一、第二和/或第三氣體源處，可以保持不同的并且能夠獨立地控制的溫度。在一個實施例中，由第一氣體源提供的氣體包括第一有機(jī)材料，該第一有機(jī)材料具有第一升華溫度，由第二氣體源提供的氣體包括第二有機(jī)材料，該第二有機(jī)材料具有第二升華溫度，該第二升華溫度與第一有機(jī)材料的升華溫度相差至少10攝氏度。本發(fā)明的某些方面涉及可以用于有機(jī)蒸汽噴射印刷的顯微流體打印頭。
在一個實施例中，提供第一器件。第一器件包括打印頭以及第一氣體源，該第一氣體源氣密地密封到打印頭上。打印頭還包括第一層，該第一層還包括多個孔眼，每個孔眼具有0.5至500微米的最小尺寸。第二層接合到第一層上。第二層包括第一通路，該第一通路與第一氣體源和多個孔眼中的至少一個孔眼流體連通。第二層由隔離材料制成。第一器件的第一層可以包括通道，該通道在第一層內(nèi)在第二層的第一通路與第一層的孔眼之間提供流體連通。第一器件的第二層也可以、或代之以包括通道，該通道在第二層內(nèi)在第二層的第一通路與第一層的孔眼之間提供流體連通。第一層和/或第二層還可以包括熱源。第一器件可以包括第三層，該第三層布置在第一層和第二層之間，并且接合到第一層和第二層上。第三層可以包括通道，該通道在第二層的第一通路與第一層的孔眼之間提供流體連通。第三層還可以包括熱源。多個孔眼可以與第一氣體源流體連通。第一器件還可以包括第二氣體源，該第二氣體源氣密地密封到打印頭上。第二層的第一通路可以與第一層的第一組孔眼流體連通。第二層還可以包括第二通路，該第二通路與第二氣體源以及第一層的第二組孔眼流體連通。第一器件還可以包括第三氣體源，該第三氣體源氣密地密封到打印頭上。第二層還可以包括第三通路，該第三通路與第三氣體源以及第一層的第三組孔眼流體連通。氣體源，如第一氣體源或任何其它氣體源，可以包括多個有機(jī)源。連接到不同氣體源上的多個通路可以與同一孔眼流體連通，導(dǎo)致各氣體在孔眼處混合。例如，第一通路可以與第一有機(jī)源流體連通，而第二通路可以與第二有機(jī)源流體連通。第一和第二通路都可以與第一層的第一組孔眼流體連通。打印頭、第一有機(jī)源以及第二有機(jī)源各具有能夠獨立地控制的熱源。第一器件還可以包括第一閥，用來控制到第一有機(jī)源的氣體流動；以及第二閥， 用來控制到第二有機(jī)源的氣體流動。第一閥和第二閥可以與熱源熱隔離。第一層優(yōu)選地由硅形成。第一層優(yōu)選地使用從包括如下選項的組中選擇的接合而被接合到第二層上熔融接合、冷焊、陽極接合以及共晶接合。如果在打印頭中存在另外的層，如第三層或其它層，則它們優(yōu)選地使用這些類型的接合而被接合。在一個實施例中，優(yōu)選的是，第一層和第二層使用陽極接合而彼此接合。在另一個實施例中，優(yōu)選的是，第三層放置在第一層和第二層之間，第一層和第三層使用共晶接合或熔融接合而被接合，而第三層和第二層優(yōu)選地用陽極接合而被接合。打印頭還可以包括微型機(jī)電開關(guān)，該微型機(jī)電開關(guān)適于依據(jù)開關(guān)的狀態(tài)，堵塞或允許在第一通路與多個孔眼中的至少一個孔眼之間的流體連通。至少一個孔眼可以形成在來自打印頭的突起中。打印頭的厚度優(yōu)選地在50與500微米之間。


圖1表示四種不同噴嘴幾何形狀的橫截面。圖2表示在與氣體流動相垂直的方向上得到的四種不同噴嘴幾何形狀的橫截面。
圖3表示OVJP打印頭和支架的立體圖。圖4表示打印頭的分解視圖。圖5表示打印頭的部分的照片。圖6表示掩模的校樣，該掩模包括通道和通路。圖7表示矩形噴嘴的橫截面、以及噴嘴進(jìn)口的掃描電子顯微鏡照片，該矩形噴嘴實際上被構(gòu)造，該噴嘴進(jìn)口蝕刻到Si中。圖8表示已完成的打印頭的噴嘴側(cè)的照片、以及噴嘴陣列802的一部分的掃描電子顯微照片(SEM)和噴嘴孔眼的SEM。圖9表示模型化沉積分布。圖10表示模型化壓力和溫度分布。圖11表示在噴嘴陣列的回路分析中使用的模型。流體阻力被估計，并且蒸汽對于在陣列中的全部噴嘴的均勻分配被確認(rèn)。圖12表示在20mm寬噴嘴附近的模型化熱傳遞分布。圖13表示作為溫度函數(shù)的晶片中心相對于外邊沿的高度的曲線、以及為得到數(shù)據(jù)所使用的設(shè)備的示意圖。圖14表示位移相對于電壓的曲線，用于WiilTech RZ-25位移傳感器在ITO目標(biāo)上的校準(zhǔn)。圖15表示用來制備用于顯微構(gòu)造的硅和硼硅酸鹽晶片的生產(chǎn)流程。圖16表示用來構(gòu)造打印頭的Si和硼硅酸鹽處理的步驟。圖17表示OVJP饋通件的分解圖。圖18表示OVJP系統(tǒng)的構(gòu)造，該OVJP系統(tǒng)安裝有對準(zhǔn)光學(xué)器件和高度傳感器。圖19表示使用OVJP打印頭畫出的35nm厚的AIQ，鋁三(喹啉-8-olate)線的光學(xué)顯微照片。圖20表示使用OVJP打印頭畫出的35nm厚AIQ線的SEM圖像。圖21表示使用OVJP打印頭畫出的35nm厚AIQ線的原子力顯微照片圖像。圖22表示使用OVJP打印頭畫出的厚材料線畫出的光學(xué)顯微照片和輪廓儀 (profilometer)圖像。圖23表示來自AIQ線的線掃描數(shù)據(jù)，這些AIQ線使用OVJP打印頭畫出。圖M表示使用OVJP打印頭畫出的線的共焦外熒光(印ifluorescence)顯微照片。
具體實施例方式高清晰度顯示器的象素可以包括形成圖案的紅色、綠色以及藍(lán)色帶條，這些帶條大約30μπι寬。不同顏色帶條的邊緣可以僅分開10 μ m。對于有機(jī)象素，優(yōu)選的是，圖案具有約5μπι的銳度，以避免由于過噴涂(overspray)造成的材料的無意重疊。這些尺寸對于其它有機(jī)器件也是有用的，如對于有機(jī)晶體管或其它器件。沉積用在高清晰度顯示器、或使用有機(jī)材料的其它器件中的有機(jī)材料的一種方式，是有機(jī)蒸汽噴射沉積(OVJP)。為了成為可行的顯示器制造技術(shù)，優(yōu)選的是，有機(jī)蒸汽噴射印刷能夠噴繪具有5 μ m銳度的有機(jī)膜。也優(yōu)選的是，OVJP過程能夠同時沉積多條線。多
7噴嘴是同時實現(xiàn)多條線的沉積的一種方式。使用Direct Simulation Monte Carlo (DSMC)技術(shù)用于 30 μ m 刻度特征的有機(jī)蒸汽噴射印刷過程的模型化已經(jīng)揭示假定20 μ m的噴嘴孔眼，要求噴嘴孔眼到基片間隔 (nozzle aperture to substrate separation) < 5 μ m 以實的·征 1 ] % S；禾中估計由在以前OVJP研究中觀察到的經(jīng)驗法則支持，亦即，印刷分辨率與噴嘴到基片間隔 (nozzle to substrate separation)成比{列。然而，現(xiàn)有技術(shù)不能良好地適于生產(chǎn)為在基片的5 μ m內(nèi)操作而設(shè)計的20 μ m噴嘴陣列。首先，具有高度公差(這些高度公差與光學(xué)平基片相一致)的噴嘴板符合希望地用于操作在這些尺寸下跨過合理數(shù)量的同時沉積的線，以提供最佳的可用高度公差?，F(xiàn)有技術(shù)還不能良好地適于提供這樣一種噴嘴板。對于多噴嘴陣列，平面度優(yōu)選地保持在比較大區(qū)域上。第二，優(yōu)選的是，在OVJP期間使噴嘴板保持熱度，所以在高達(dá)300°C時保持其強(qiáng)度的材料是符合希望的。另外，熱膨脹可能干擾對這些緊密公差的保持，所以抗熱膨脹的、或者不因為熱膨脹而變形的材料是符合希望的。最后，噴嘴-基片系統(tǒng)的氣體動態(tài)特性表明， 三維結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的。硅顯微加工、或更廣義地說半導(dǎo)體顯微加工，提供了符合這些要求技術(shù)規(guī)格的方式。構(gòu)造步驟可在高度拋光的晶片上進(jìn)行，以消除高度變化。SVSiO2系統(tǒng)在用于有機(jī)蒸汽沉積的適用溫度范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。硅也具有比大多數(shù)金屬低得多的熱膨脹系數(shù)。錐形噴嘴可使用各向異性蝕刻劑構(gòu)造，并且多層結(jié)構(gòu)可使用在絕熱體晶片上的硅和晶片接合技術(shù)而構(gòu)造。這樣的技術(shù)在顯微流體力學(xué)領(lǐng)域中已經(jīng)良好地進(jìn)展。顯微流體力學(xué)是顯微構(gòu)造技術(shù)對于液體和蒸汽運輸系統(tǒng)的應(yīng)用，并且已經(jīng)用在噴墨印刷的領(lǐng)域中。類似技術(shù)也可以應(yīng)用于金屬和陶瓷。將以顯微方式構(gòu)造的器件與外界對接存在著另外的問題。在OVJP的情況下，在高于300°C的溫度下操作的希望，造成了呈現(xiàn)出甚至更多的在多個其它領(lǐng)域中不存在的問題。OVJP系統(tǒng)可以具有用戶可長期使用的(user serviceable)蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)，這意味著， 有機(jī)材料被存儲在既持久又宏觀的結(jié)構(gòu)中。這又意味著，有機(jī)蒸汽可以使用比較大孔的金屬管輸送到打印頭。如這里描述的那樣，使用良好挑選的中間材料；已經(jīng)證明，可耐烘烤的 (bakeable)氣體緊密密封可以被設(shè)置在金屬歧管與硅噴嘴板之間。本發(fā)明的某些方面涉及對有機(jī)蒸汽噴射印刷有用的噴嘴幾何形狀。在一個實施例中，提供第一器件。該器件包括打印頭。該打印頭還包括第一噴嘴， 該第一噴嘴氣密地密封到第一氣體源上。第一噴嘴具有孔眼，該孔眼在與第一噴嘴的流動方向相垂直的方向上，具有0. 5至500微米的最小尺寸。在從孔眼到第一噴嘴中的一定距離處——該一定距離是第一噴嘴的孔眼的最小尺寸的5倍，與流動方向相垂直的最小尺寸是第一噴嘴的孔眼的最小尺寸的至少兩倍。圖1示出在以上段落中提到的尺寸、以及符合標(biāo)準(zhǔn)的某些幾何形狀。本申請的各個附圖并非必須按比例畫出。圖1表示四種不同噴嘴幾何形狀的橫截面，其中，橫截面在與噴嘴中的氣體流動相平行的方向上、并且也在表示在噴嘴孔眼處的最小尺寸的方向上取得。在每種幾何形狀中，孔眼在與噴嘴的流動方向相垂直的方向上具有最小尺寸101?！翱籽邸庇蛇@樣的點限定，在該點處，這個最小尺寸達(dá)到最小值，即，在該處，穿過噴嘴的氣體流動受到最大限制。每個噴嘴也具有從孔眼到噴嘴中的一定距離102，該一定距離是孔眼的最小尺寸的5倍。每個噴嘴在從孔眼到第一噴嘴中的距離102處也具有尺寸103，該尺寸103 是與流動方向相垂直的最小尺寸。如所示的那樣，尺寸103是尺寸101的至少兩倍。噴嘴 110具有傾斜側(cè)，這些傾斜側(cè)在孔眼處到達(dá)一點。噴嘴120具有用于噴嘴的大部分的傾斜側(cè)，但側(cè)面在孔眼處在一小段距離內(nèi)是豎直的。在這種情況下，在噴嘴的流動方向上有有限距離的場合-在該距離上最小尺寸達(dá)到最小值，“孔眼”是最靠近基片的點，在該點處最小尺寸處于最小值。噴嘴120可以具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，可能比噴嘴110容易構(gòu)造成具有一致的孔眼尺寸。噴嘴130具有到達(dá)一點的傾斜側(cè)，但在到達(dá)噴嘴130的底部之前稍微加寬。 噴嘴130表明，孔眼不必在噴嘴最靠近基片的點處。噴嘴140具有豎直側(cè)，就在氣體流離開噴嘴處具有急劇的變窄。其它噴嘴幾何形狀也可以符合以上段落的標(biāo)準(zhǔn)。圖2表示在與氣體流動相垂直的方向上得到的四種不同噴嘴幾何形狀的橫截面。 在圖2中示出的橫截面的噴嘴，并非必須與圖1的那些相對應(yīng)。在每個孔眼中的箭頭代表孔眼的“最小尺寸”。按數(shù)學(xué)術(shù)語，在最小尺寸處，箭頭長度或者處于局部最大值(對于圓、 橢圓及三角形)，或者相對于整個箭頭在與箭頭相垂直的方向上的平移是恒定的(對于矩形)，并且“最小尺寸”是最小局部最大值，或者對于這個出現(xiàn)是恒定的。圖2分別表示孔眼 210,220,230及240的橫截面，這些孔眼210、220、230及240具有圓形、橢圓形、矩形及三角形橫截面。矩形孔眼是用來沉積線的最優(yōu)選形狀，并且也是在噴嘴中比較容易得到的形狀， 該噴嘴蝕刻在硅中。然而，可以使用其它形狀。打印頭可以包括多個第一噴嘴，這些第一噴嘴氣密地密封到第一氣體源上。打印頭可以包括第二噴嘴，該第二噴嘴氣密地密封到第二氣體源上，該第二氣體源與第一氣體源不同。第二噴嘴具有孔眼，該孔眼在與第二噴嘴的流動方向相垂直的方向上，具有0. 5至500微米的最小尺寸。在從孔眼到第二噴嘴中的一定距離處——該一定距離是第二噴嘴的孔眼的最小尺寸的5倍，與流動方向相垂直的最小尺寸是第二噴嘴的孔眼的最小尺寸的至少兩倍。打印頭可以包括第三噴嘴，該第三噴嘴氣密地密封到第三氣體源上，該第三氣體源與第一和第二氣體源不同。第三噴嘴具有孔眼，該孔眼在與第三噴嘴的流動方向相垂直的方向上，具有0. 5至500微米的最小尺寸。在從孔眼到第三噴嘴中的一定距離處——該一定距離是第三噴嘴的孔眼的最小尺寸的5倍，與流動方向相垂直的最小尺寸是第三噴嘴的孔眼的最小尺寸的至少兩倍。打印頭可以包括多個第一噴嘴，氣密地密封到第一氣體源上；多個第二噴嘴，氣密地密封到第二氣體源上；及/或多個第三噴嘴，氣密地密封到第三氣體源上。有多種不同方式使得噴嘴可以符合上文中論述的幾何考慮。第一噴嘴從孔眼到自該孔眼向第一噴嘴中延伸一段距離處可以具有恒定橫截面，該一段距離是第一噴嘴的孔眼的最小尺寸的2倍。對于在第一噴嘴的孔眼的最小尺寸的零至2倍的范圍中的各個距離， 在與第一噴嘴的流動方向相垂直的方向上的第一噴嘴最小尺寸可以隨著離第一噴嘴的孔眼的距離增大而連續(xù)地增大。對于在第一噴嘴的孔眼的最小尺寸的零至2倍的范圍中的各個距離，在與第一噴嘴的流動方向相垂直的方向上的第一噴嘴最小尺寸可以隨著離第一噴嘴的孔眼的距離增大而線性地增大。噴嘴可以由各種材料形成。硅是優(yōu)選的。對于第一噴嘴的孔眼在與第一噴嘴的流動方向相垂直的方向上的最小尺寸的優(yōu)
9選范圍，包括100至500微米、20至100微米以及0. 5至20微米。用于與第一噴嘴的流動方向相垂直的第一噴嘴橫截面的優(yōu)選形狀包括圓形和矩形。第一器件可以與多個氣體流一起使用，這些氣體流可以攜帶不同的有機(jī)材料。第一器件優(yōu)選地包括第一和第二氣體源、和隔熱板(thermal barrier)，該隔熱板布置在打印頭與第一和第二氣體源之間。優(yōu)選地，為打印頭、第一氣體源以及第二氣體源中的每一個提供能夠獨立地控制的熱源。第一器件可以與一些氣體流一起使用，這些氣體流可以在每個氣體流中攜帶多種有機(jī)材料，其中，不同有機(jī)材料可以在不同腔室中升華，這些不同腔室具有獨立的溫度控制。優(yōu)選地，第一氣體源包括第一升華腔室和第二升華腔室。第一氣體源可以借助于隔熱板而與打印頭隔開，該隔熱板布置在打印頭與第一氣體源之間。可以為打印頭、第一升華腔室及第二升華腔室中的每一個提供能夠獨立地控制的熱源?？梢允褂酶鞣N熱源。例如，可以使用在打印頭的表面上的電阻式板，或者可以將熱源結(jié)合到打印頭的層中，例如作為嵌在打印頭的一個或多個層中的電阻式元件。第一器件可以用來從第一噴嘴以及其它噴嘴噴出氣體射流。在第一器件正在用來從噴嘴噴出氣體射流的同時，在打印頭和第一、第二和/或第三氣體源處，可以保持不同的并且能夠獨立地控制的溫度。在一個實施例中，由第一氣體源提供的氣體包括第一有機(jī)材料，該第一有機(jī)材料具有第一升華溫度，并且由第二氣體源提供的氣體包括第二有機(jī)材料，該第二有機(jī)材料具有第二升華溫度，該第二升華溫度與第一有機(jī)材料的升華溫度相差至少10攝氏度。升華溫度的差別是如下特征本發(fā)明的實施例可以容易得多地容納其它設(shè)計，而無需利用本發(fā)明的實施例的其它方面。例如，相分離的源允許材料的混合連續(xù)地變化，無論升華溫度是相似的還是不同的。本發(fā)明的某些方面涉及可以用于有機(jī)蒸汽噴射印刷的顯微流體打印頭。第一器件還可以包括第一閥，用來控制到第一有機(jī)源的氣體流動；以及第二閥，用來控制到第二有機(jī)源的氣體流動。第一閥和第二閥可以與熱源熱隔離(thermally insulated)0第一層優(yōu)選地由硅形成。第一層優(yōu)選地使用從包括如下選項的組中選擇的接合而被接合到第二層上熔融接合、冷焊、陽極接合、及共晶接合。如果另外的層在打印頭中存在，如第三層或其它層，則它們優(yōu)選地使用這些類型的接合而被接合。在一個實施例中，優(yōu)選的是，第一層和第二層使用陽極接合而彼此接合。在另一個實施例中，優(yōu)選的是，第三層放置在第一層和第二層之間，第一層和第三層用共晶接合或熔融接合而被接合，而第三層和第二層優(yōu)選地用陽極接合而被接合。打印頭還可以包括微型機(jī)電開關(guān)，該微型機(jī)電開關(guān)適于依據(jù)開關(guān)的狀態(tài)，堵塞或允許在第一通路與孔眼的至少一個之間的流體連通。至少一個孔眼可以形成在來自打印頭的突起中。打印頭的厚度優(yōu)選地在50與500微米之間。打印頭的厚度包括從第一層起的全部層，并且包括第二層，該第一層包括貫通的噴嘴，該第二層包括通路。在一個實施例中，提供有機(jī)蒸汽噴射沉積系統(tǒng)300。圖3表示OVJP系統(tǒng)300的立體圖，該OVJP系統(tǒng)300包括打印頭310和支架。系統(tǒng)300實際上業(yè)已被制成和操作。系統(tǒng) 300包括打印頭310，該打印頭310包含流動通道和噴嘴陣列，這些流動通道和噴嘴陣列更詳細(xì)地在圖4至6中示出。六個有機(jī)蒸汽源320(也稱作“氣體源”)焊接到歧管330上，其然后氣密地密封到打印頭上。用于蒸汽源的一種結(jié)構(gòu)在圖17中更詳細(xì)地示出。歧管330優(yōu)選地由一種材料構(gòu)造，如Kovar受控膨脹鋼，該材料在打印頭工作溫度下保持其形狀。打印頭310可以夾持到歧管330上，并且使用高溫全氟彈性體墊片密封，以在有機(jī)蒸汽源320與打印頭310之間實現(xiàn)氣密密封。也可以使用實現(xiàn)氣密密封的其它方法，如打印頭對于Kovar 支承板的陽極接合。有機(jī)材料容納在加熱管中，這些加熱管激光焊接到Kovar歧管上，這可在圖17中更清楚地看到。有機(jī)蒸汽源320包括加熱管，這些加熱管包圍有機(jī)源單元。這個組件附加到8〃英寸Conflat法蘭(歧管330)上，該Conflat法蘭既用作結(jié)構(gòu)部件，又用作氣體饋通件。蒸汽發(fā)生器通過焊接的不銹鋼波紋管340連接到在歧管330上的端口上。 波紋管340起到伸縮接頭的作用。由于有機(jī)蒸汽源320當(dāng)被加熱時可能膨脹，所以在歧管 330與蒸汽發(fā)生器320之間的柔性連接是希望的，以避免熱應(yīng)力，該熱應(yīng)力可能傳遞到打印頭310上，并且使打印頭310變形。蒸汽發(fā)生器320、波紋管340、歧管330、及相關(guān)接頭形成通暢的0.3英寸內(nèi)徑導(dǎo)管， 該導(dǎo)管從歧管330的頂部伸展到打印頭310。有機(jī)材料放置在玻璃桿端部處的通風(fēng)艙中，并且插入到導(dǎo)管中。當(dāng)將桿插入時，它包含的有機(jī)材料位于加熱蒸汽發(fā)生器內(nèi)。導(dǎo)管的頂部然后使用Swagelok Ultratorr接頭密封到玻璃桿的外徑上。穿過玻璃桿內(nèi)徑的熱電偶提供蒸汽發(fā)生器內(nèi)的溫度讀數(shù)。載運氣體通過在饋通件與Ultratorr接頭之間的鉆孔貫通T 形適配器進(jìn)給到導(dǎo)管中。這些特征可以在圖17中更清楚地看到。圖4表示打印頭的分解視圖。打印頭的第一層410包括多個孔眼，這些孔眼優(yōu)選地具有關(guān)于圖1和2描述的尺寸。第一層410優(yōu)選地由硅制成，硅可借助于在例如半導(dǎo)體處理的環(huán)境中開發(fā)的已知技術(shù)容易地形成圖案，以包括希望的噴嘴幾何形狀。第一層410 在其中包括形成圖案的多個噴嘴415，這些噴嘴415具有孔眼。第一層410接合到第二層 420上。優(yōu)選的接合方法包括熔融接合、陽極接合、冷焊、及共晶接合。第二層420優(yōu)選地由隔離材料(insulating material)制成，以限制來自氣體源的熱傳導(dǎo)，并且使第一層410的溫度能夠獨立于氣體源的溫度被控制。第二層420接合到第一層410上。第二層420包括通路422，這些通路422與噴嘴415流體連通。如所示的那樣，蝕刻到第二層420中的通道 424提供在通路422與噴嘴415之間的流體連通。歐姆觸點440在第一層410的前部上蒸發(fā)，以允許噴嘴板由加熱電流尋址。在已實際構(gòu)造的并且用作沉積系統(tǒng)一部分的打印頭中，第一層410是硅晶片，第二層420是硼硅酸鹽晶片，兩個層都通過陽極接合而被接合。圖5表示業(yè)已被實際構(gòu)造的第一層510和第二層520的照片。代替或除在第二層420中的通道之外，第一層410可以包括通道，這些通道在第一層內(nèi)在通路422與噴嘴415之間提供流體連通。第一層410還可以包括熱源，如加熱觸點 440。第三層(未示出)可以布置在第一層410與第二層420之間，并且接合到第一層 410和第二層420上。優(yōu)選的接合方法如在以上段落中描述的那樣。在這種情況下，第一層 410認(rèn)為“接合”到第二層420上。代替或除在層410和/或420中的通道之外，第三層可以包括通道，該通道提供在通路422與噴嘴415之間的流體連通。第三層還可以包括熱源。如在圖4中所示的那樣，多個噴嘴415可以與單個氣體源流體連通，如與第一氣體源流體連通。實現(xiàn)這個的一種方式是使通道將通路連接到多個噴嘴上。圖6表示掩模600的校樣，該掩模600包括通道610和通路620。圖6的結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于例如硼硅酸鹽晶片，并且用作圖4的第二層420。避免銳角以減小應(yīng)力。通道610沿徑向定向，并且給出柔合彎曲，以進(jìn)一步減小應(yīng)力集中。通道610形成三個流體回路?；芈?612允許在共用基體中的兩種不同摻雜物進(jìn)給到分立的噴嘴陣列中。回路614允許基體和摻雜材料在從噴嘴陣列噴出之前混合。回路616將材料從單個源進(jìn)給到噴嘴陣列。如可從圖4看到的那樣，多個氣體源可以氣密地密封到打印頭上。如可從圖6看到的那樣，通道可按各種各樣的方式將氣體從多個源發(fā)送。例如，氣密地密封到打印頭上的第一和第二、或第一、第二及第三氣體源，可以每個與它們自己的分立噴嘴陣列流體連通。例如，如果圖6的結(jié)構(gòu)調(diào)整成包括與回路616相似的三個回路，則會發(fā)生這種情況。在這種情況下，第一器件還可以包括第二氣體源，該第二氣體源氣密地密封到打印頭上。第二層的第一通路可以與第一層的第一組孔眼流體連通。第二層還可以包括第二通路，該第二通路與第二氣體源和第一層的第二組孔眼流體連通。第一器件還可以包括第三氣體源，該第三氣體源氣密地密封到打印頭上。第二層還可以包括第三通路，該第三通路與第三氣體源和第一層的第三組孔眼流體連通。連接到不同氣體源上的多個通路可以與同一孔眼流體連通，導(dǎo)致在該孔眼處使各氣體相混合。來自不同源的一種、兩種、三種、或更多種氣體可以按這種方式混合，如由回路 612、614及616所示的那樣。例如，第一通路可以與第一有機(jī)源流體連通，而第二通路與第二有機(jī)源流體連通。第一和第二通路可以都與第一層的第一組孔眼流體連通。打印頭、第一有機(jī)源及第二有機(jī)源各具有能夠獨立地控制的熱源。除在打印頭中的回路中將來自不同源的氣體混合之外，氣體源，如第一氣體源或任何其它氣體源，可以包括來自同一蒸發(fā)腔室或不同蒸發(fā)腔室的多種有機(jī)材料。然而，在打印頭中的混合，就分離地控制參數(shù)(如在其中升華有機(jī)材料的每個腔室中的溫度和氣體流量)而論，允許最大靈活性。這可能是高度希望的，例如，在兩種有機(jī)材料具有顯著不同的升華溫度的場合。升華的速率可更容易地控制。另外，在各升華溫度顯著不同的場合，升華一種材料希望的溫度對于不同的材料可能是有害的。圖7表示業(yè)已被實際構(gòu)造的矩形噴嘴740的橫截面700。噴嘴740構(gòu)造在第一層 710中，該第一層710由硅制成。創(chuàng)建第一層710使用的硅晶片開始比50微米厚，以允許突起，但具有50微米的最終厚度。噴嘴740具有孔眼730，該孔眼730位于來自第一層710 的突起720中。孔眼730具有20微米的最小尺寸。突起720從第一層710突出50微米。 打算的是，噴嘴740用在極接近基片之處，從而噴嘴-基片分開距離是約5微米。突起720 允許從噴嘴排出的氣體逸出，而不需要行進(jìn)過5微米厚空隙一直到第一層710的邊緣。在噴嘴壁與第一層710的平面之間的角度是74度，這使用已知硅蝕刻技術(shù)容易地實現(xiàn)，該硅蝕刻技術(shù)涉及由KOH選擇性地蝕刻Si的<100>平面。圖7也表示圖像750，其示出在掃描電子顯微鏡下觀看到的蝕刻到Si中的噴嘴進(jìn)口。圖8表示業(yè)已完成的打印頭的噴嘴側(cè)的照片800。噴嘴陣列802是在照片的中央中的高縱橫比矩形的陣列。緩沖墊804顯得像黑色正方形。較大緩沖墊布置得離噴嘴陣列
12較遠(yuǎn)，而較小緩沖墊布置在噴嘴陣列802附近，并且散布在噴嘴陣列802之間。緩沖墊804 幫助在沉積期間保持希望的基片-噴嘴間隔。緩沖墊804在實驗室范圍中是有用的，但在工業(yè)實施例中可能存在或可能不存在。也示出了位移傳感器窗口 806。位移傳感器窗口 806 提供如下方式當(dāng)噴嘴在使用中時看到基片，并且例如，用以測量基片/噴嘴間隔，或者基于在基片上的對準(zhǔn)標(biāo)記或其它特征來定位噴嘴。圖8也示出噴嘴陣列802的一部分的掃描電子顯微照片(SEM)820。圖8也示出噴嘴陣列802的噴嘴孔眼的SEM。在圖5至8中所示出和拍攝的結(jié)構(gòu)是業(yè)已實際構(gòu)造的。打印頭包括兩個相接合的晶片(第一層和第二層)。最底部晶片是噴嘴板，該噴嘴板是100 μ m厚的硅，該100 μ m厚的硅在圖7和8中示出。將總共1 個噴嘴蝕刻到板中。噴嘴具有尺寸20 μ m乘200 μ m的底部孔眼，使長軸與基片行進(jìn)的方向相對應(yīng)，以便產(chǎn)生細(xì)線。這些孔眼的最小尺寸是20 μ m。 噴嘴按四排每排32個排列，并且某些排相對于彼此偏移，以允許多個并排帶條的印刷。各排中的每一個排可以同時沉積不同的有機(jī)蒸汽成分。各向異性蝕刻產(chǎn)生比出口寬得多的噴嘴進(jìn)口。打印頭的下側(cè)(面對基片的一側(cè))被反向蝕刻，從而噴嘴末端和其它特征超越晶片表面升起。升起的噴嘴末端允許將噴嘴帶到基片附近，而仍然允許載運氣體容易地在打印頭與基片之間的間隙中逸出。在噴嘴周圍的升高緩沖墊網(wǎng)格保護(hù)噴嘴末端，免于碰撞基片。噴嘴板開有光學(xué)窗口，以允許結(jié)合光學(xué)位移傳感器，該光學(xué)位移傳感器用以測量相對于基片的位置。通道和隔離層(第二層)由500 μ m厚的硼硅酸鹽玻璃制成，該通道和隔離層在圖 5和6中示出。噴嘴由100-200 μ m深的流體通道進(jìn)給，這些流體通道蝕刻到玻璃晶片面對噴嘴板的側(cè)中。這些通道通過通路進(jìn)給，這些通路穿過晶片的厚度延伸。當(dāng)通道層和隔離層接合時，形成一組三個流體獨立流體回路。蒸汽可穿過六個通路中的任一個通路而被進(jìn)給，并且將從噴嘴涌出，如由回路布局規(guī)定的那樣。在圖5至8中所示的打印頭結(jié)合到在圖3中所示的有機(jī)蒸汽噴射印刷系統(tǒng)300中。 如關(guān)于圖3描述的那樣，打印頭安置在Kovar歧管上。它用定制切割橡膠墊片密封到歧管上，并且用不銹鋼和Inconel夾具保持到位。諸如Kalrez之類的高溫橡膠可用于墊片?？梢允褂闷渌M裝策略，如將打印頭陽極接合到Kovar支承板上。據(jù)信，金屬支承板將為打印頭提供更為牢固的密封表面。噴嘴和打印頭到基片間隙的影響可采用數(shù)學(xué)方式模型化。載運氣體穿過打印頭到基片間隙的流動，可使用用于不可壓縮粘性流動的潤滑近似而模型化。忽略流動的全部非徑向分量。限定流動的特征長度是打印頭到基片間隙h。在這個長度上的壓力變化是可忽略的，并且在徑向尺寸上的氣體膨脹可使用理想氣體定律近似。蒸汽流動的平均速度由eq II.A. 1給出。μ是粘度，P是壓力，T是溫度，R是理想氣體常數(shù)，r是半徑，J是摩爾流量。
TT α 1 / \ ~h2 dP J RTEq II.A.1 (ν) =--=--
χ ‘ \2μ dr 2τ τ P這可表達(dá)為微分方程Eq II. Α. 2，并且求解。i和ο下標(biāo)表示輸入和輸出狀態(tài)。Eq ΙΙ.Α.2=-if =I^hfC
dr Tirhm \ri J假定50mm的外部半徑、和IOmm的內(nèi)部半徑、2. 5X 10_5kg/m*S的載運氣體粘度、等效于kccm的摩爾流量、及在打印頭的外邊緣處的可忽略壓力，在盤內(nèi)側(cè)上的壓力大致是
13大約!3500Pa。在直觀上，最大壓力降將發(fā)生在噴嘴的下部末端與基片之間的間隙中。假定這個間隙的下游端部處于3，500Pa,內(nèi)側(cè)的氣體分子將具有3. 5 μ m的平均自由程。粒子對壁碰撞在這種狀況下將可能占優(yōu)勢，所以它可被處理成Knudsen流動。使用ClauSing，P J. Vac Sci. Tech 8 636-46的轉(zhuǎn)移概率方法，在兩個區(qū)域之間的分子流動速率由eq II. Α. 3給出， 其中，j是分子流動速率，T和P是溫度和壓力，m是載運氣體的分子質(zhì)量，A是管的面積，w 是傳輸概率。Manteler D. J.和 D. Boeckman J. Vac Sci Tech. A 9(4)8 Jul/Aug 1991 對于寬矩形導(dǎo)管計算了 w = 0.533，該矩形導(dǎo)管具有4 1的長度對高度之比。Eq II.A.3 J = ^--P2) = 0.0023ΔΡ對于平行的間隙由Direct Simulation Monte Carlo技術(shù)對可能噴嘴設(shè)計的觀測意味著，具有內(nèi)部和外部圓錐的噴嘴設(shè)計產(chǎn)生用于高分辨率沉積的最佳流動圖案。流體阻力與以上分析模型良好地相符，預(yù)計0. 0021sccm/Pa的傳導(dǎo)率。推薦橫截面20 μ m乘200 μ m m的矩形噴嘴末端。推薦的噴嘴到基片間隔是3至5μπι。32個這樣的噴嘴或更多可位于陣列中。噴嘴的巨大陣列是有益的，因為它減小在蒸汽發(fā)生器與基片之間的壓力差。生成的沉積分布被預(yù)期，在18 μ m的半個最大值處具有全寬度。沉積被預(yù)期脫離其40 μ m的中心線值的10%， 使得它能夠準(zhǔn)確地沉積在按30 μ m定界的30 μ m象素內(nèi)，而不會顯著地侵入相鄰象素。對于具有20 μ m寬孔眼和5 μ m末端到基片間隙的雙圓錐形噴嘴，預(yù)期的沉積分布在圖9中表示為實線。高度是任意單位。使高度與在象素寬度上的分布平均值相等的理想象素填充沉積分布，用虛線表示。圖10表示對于雙圓錐形噴嘴的模型化壓力分布1010和模型化溫度分布1020，該雙圓錐形噴嘴具有20 μ m寬孔眼和5 μ m末端到基片間隙。由噴嘴本體創(chuàng)建的擋板在橫截面中是黑色區(qū)域。分布是對稱的，所以僅表示噴嘴的半部捕獲相關(guān)信息。在沒有在噴嘴上的外部圓錐與噴嘴的內(nèi)部圓錐相匹配的情況下，可實現(xiàn)滿意的沉積分布，然而，這是較不優(yōu)選的，因為模擬噴嘴結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)率下降五的因數(shù)。一旦考慮到氣體從噴嘴到打印頭邊緣的減小離開路徑，影響就變得更明顯。產(chǎn)生希望流量要求的壓力稀釋在蒸汽流中的有機(jī)物，并且增強(qiáng)在打印頭與基片之間的熱傳遞。這導(dǎo)致非理想操作狀況。 然而，沒有下側(cè)圓錐的打印頭已經(jīng)證明是有效的沉積工具，并且因為它們比具有圓錐形下側(cè)的打印頭容易構(gòu)造，所以可以使用。如果刪除內(nèi)部圓錐，則操作壓力增大，盡管不嚴(yán)重。然而，有趣的是，沉積分布呈現(xiàn)在圖9中表示的雙波峰結(jié)構(gòu)?？赡艿氖牵瑑?nèi)部圓錐可被優(yōu)化，以產(chǎn)生優(yōu)化的、高臺狀沉積分布。等離子蝕刻可用來構(gòu)造寬范圍的幾何形狀。通過蒸汽發(fā)生器和通道陣列的流動也可以采用數(shù)學(xué)方式模型化。使用從不可壓縮 Navier-Stokes方程導(dǎo)出的eq II. B. I，計算用于矩形導(dǎo)管的體積流量，該矩形導(dǎo)管具有短橫截面尺寸h和較大橫截面尺寸W。該體積流量然后使用理想氣體定律轉(zhuǎn)換成摩爾流量。 μ是粘度，并且χ是通道的軸向尺寸，且在下游方向上為正。P、T是在通道中的壓力和溫度。R是理想氣體常數(shù)。e IIBI Q -dP h^w Q - P dp h^w - dp2 h^w
vo1 chc \2μ —mo1 RT chc Ylμ chc 24μ
噴嘴陣列通過將它分解成段并且應(yīng)用與Kirchoff電流定律相似的推理可被分析。通過噴嘴的層流可壓縮流動一般定比例為Qnwl P2。然而，由于非常小的長度刻度， 通過噴嘴本身與P線性地成比例。使用Direct Simulation Carlo Code估計用于在sec I. B. 2中禁止的幾何形狀的噴嘴的C = 5. AXKT11moV(Pa^s)的損失因數(shù)。圖11表示在噴嘴陣列的回路分析中使用的模型。流體阻力被估計，并且確認(rèn)蒸汽對于在陣列中的全部噴嘴的均勻分配。
權(quán)利要求
1.一種第一器件，包括 打印頭，第一氣體源，其氣密地密封到所述打印頭上； 所述打印頭還包括第一層，該第一層還包括多個孔眼，每個孔眼具有0. 5至500微米的最小尺寸； 第二層，其接合到所述第一層上，所述第二層還包括第一通路，該第一通路與所述第一氣體源以及所述多個孔眼中的至少一個孔眼流體連通，其中，所述第二層由隔離材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一器件，其中，所述第一層還包括通道，該通道在所述第一層內(nèi)在所述第二層的所述第一通路與所述第一層的孔眼之間提供流體連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的第一器件，其中，所述第一層還包括熱源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一器件，還包括第三層，該第三層布置在所述第一層和第二層之間，并且接合到所述第一層和所述第二層上，其中，所述第三層還包括通道，該通道在所述第二層的所述第一通路與所述第一層的孔眼之間提供流體連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的第一器件，其中，所述第三層還包括熱源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一器件，其中，多個孔眼與所述第一氣體源流體連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一器件，其中所述第一器件還包括第二氣體源，該第二氣體源氣密地密封到所述打印頭上，并且 所述第二層的所述第一通路與所述第一層的第一組孔眼流體連通； 所述第二層還包括第二通路，該第二通路與所述第二氣體源和所述第一層的第二組孔眼流體連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的第一器件，其中所述第一器件還包括第三氣體源，該第三氣體源氣密地密封到所述打印頭上，并且所述第二層還包括第三通路，該第三通路與所述第三氣體源和所述第一層的第三組孔眼流體連通。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一器件，其中 所述第一通路與第一有機(jī)源流體連通； 第二通路與第二有機(jī)源流體連通；所述第一通路和第二通路都與所述第一層的第一組孔眼流體連通。所述打印頭、所述第一有機(jī)源及所述第二有機(jī)源各具有能夠獨立地控制的熱源。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的第一器件，還包括第一閥，其用來控制到所述第一有機(jī)源的氣體流動；和第二閥，其用來控制到所述第二有機(jī)源的氣體流動，其中，所述第一閥和第二閥與所述熱源熱隔離。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一器件，其中，所述第一層由半導(dǎo)體形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一器件，其中，所述第一層由硅形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一器件，其中，所述第一層使用從包括如下選項的組中選擇的接合而被接合到所述第二層上冷焊、陽極接合、及共晶接合。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中，所述打印頭還包括微型機(jī)電開關(guān)，該微型機(jī)電開關(guān)適于依據(jù)所述開關(guān)的狀態(tài)，堵塞或允許在所述第一通路與所述多個孔眼中的所述至少一個孔眼之間的流體連通。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一器件，其中，至少一個孔眼形成在來自所述打印頭的突起中。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一器件，其中，所述打印頭的厚度在50與500微米之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的第一器件，其中，所述第二層還包括通道，該通道在所述第二層內(nèi)在所述第二層的所述第一通路與所述第一層的孔眼之間提供流體連通。
全文摘要
本發(fā)明提供第一器件。第一器件包括打印頭、和第一氣體源，該第一氣體源氣密地密封到打印頭上。打印頭還包括第一層，該第一層還包括多個孔眼，每個孔眼具有0.5至500微米的最小尺寸。第二層接合到第一層上。第二層包括第一通路，該第一通路與第一氣體源和孔眼的至少一個流體連通。第二層由隔熱材料制成。
文檔編號C23C14/04GK102428204SQ201080021156
公開日2012年4月25日 申請日期2010年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月25日
發(fā)明者G·麥格勞, S·R·弗里斯特 申請人:密執(zhí)安州立大學(xué)董事會