CN101743125B - 用于在衬底上沉积墨的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种在可以形成LED或其他类型显示器的衬底上沉积膜的方法。在一个实施例中，本公开涉及在衬底上沉积墨的设备。该设备包括：腔室，该腔室用于容纳墨；排放喷嘴，该排放喷嘴具有入口端口和出口端口，排放喷嘴在入口端口处接收来自腔室的一定数量的墨，并且分配来自出口端口的一定数量的墨；以及分配器，该分配器用于计量从腔室到排放喷嘴的入口端口的一定数量的墨；其中，该腔室接收具有多个悬浮颗粒的处于液体形式的墨，并且脉动地计量从腔室到排放喷嘴的所述数量的墨；以及排放喷嘴蒸发载液并且将固体颗粒沉积在衬底上。

Description

用于在衬底上沉积墨的系统和方法
本申请要求于2007年6月14日提交的、标题为“METHOD ANDAPPARATUS FOR DEPOSITING FILMS”的临时申请No.60/944,000的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本公开涉及一种用于在衬底上有效率地沉积膜图案的方法和设备。更具体而言，本公开涉及在可以形成LED或者其他类型显示器的一部分的衬底上沉积膜的方法和设备。
背景技术
制造有机发光器件(OLED)需要在衬底上沉积一个或多个有机膜，并且将膜叠堆的顶部和底部耦合到电极。膜厚度是主要的考虑因素。总的层叠堆厚度为约100nm，并且每层以优于+/-1nm的精确度来进行最佳地均匀沉积。膜纯度同样重要。传统设备使用以下两种方法中的一种来形成膜叠堆：(1)在相对真空的环境下进行有机材料的热蒸发，并且有机蒸气随后冷凝在衬底上；或者(2)将有机材料溶解在溶剂中，用得到的溶液涂覆衬底，并且随后去除溶剂。
沉积OLED的有机薄膜的另一个考虑因素是将膜精确放置在所需的位置。根据膜沉积的方法，存在两种用于执行这项任务的传统技术。对于热蒸发而言，使用荫罩屏蔽(shadow masking)来形成所需构造的OLED膜。荫罩屏蔽技术需要将限定分明的掩模放置在衬底区域上方，随后在整个衬底区域上方沉积膜。一旦完成沉积，就去除荫罩掩模。通过掩模暴露的区域限定了衬底上沉积的材料图案。这种工艺的效率低，这是因为即使只有通过荫罩掩模暴露的区域需要膜，也必须涂覆整个衬底。另外，随着每次使用，对荫罩掩模进行越来越多地涂覆，所以最终必须被丢弃或者被清洁。最后，在大区域上方使用荫罩掩模很困难，这是因为需要使用非常薄的掩模(用于实现小的特征尺寸)，而这使得所述掩模的结构不稳定。然而，蒸气沉积技术以高均匀性、高纯度和优良的厚度控制来生产OLED膜。
对于溶剂沉积而言，喷墨印刷可以用于沉积OLED膜的图案。喷墨印刷需要将有机材料溶解在溶剂中，生产出可印刷的墨。另外，喷墨印刷传统上限于使用单层OLED膜叠堆，这通常具有比多层叠堆更差的性能。造成这种单层限制的原因在于，印刷通常造成任何下面有机层的破坏性溶解。最终，除非首先将衬底制备成限定要沉积墨的区域，否则这个步骤增加该工艺的成本和复杂性，喷墨印刷也被限于厚度均匀性比蒸气沉积膜差的圆形沉积区域。材料质量通常也较差，这是由于在干燥工艺中出现材料结构上的变化并且在墨中存在材料杂质。然而，喷墨印刷技术能够以良好的材料效率在非常大的区域上提供OLED膜图案。
对于有机薄膜而言，没有传统技术将喷墨印刷的大面积构图能力与使用蒸气沉积实现的高均匀性、纯度和厚度控制结合起来。因为经过喷墨处理的单层OLED器件对于普遍的商业化而言质量不足，而热蒸发对于按比例缩小大面积而言是不现实的，所以在OLED工业方面存在的主要技术挑战是开发出一种技术能够提供高的膜质量和有成本效益的大面积可伸缩性。
最后，制造OLED显示器还会需要构图沉积的金属、有机半导体和/或无机绝缘体的薄膜。传统上，使用蒸气沉积和/或溅射来沉积这些层。使用先前的衬底制备(例如，用绝缘体进行构图涂覆)、如上所述的荫罩屏蔽、当采用未经处理的衬底或保护层时的传统光刻，来完成构图过程。与所需图案的直接沉积相比，这些方法中的每个方法的效率都低，这是因为其浪费材料或者需要附加的加工步骤。因此，用于沉积高质量、有成本效益、大面积可伸缩膜的方法和设置也需要这些材料。
发明内容
在一个实施例中，本公开涉及在衬底上沉积墨的设备，该设备包括：腔室，该腔室用于容纳墨；排放喷嘴，该排放喷嘴具有入口端口和出口端口，排放喷嘴在入口处接收来自腔室的一定数量的墨，并且分配来自出口的一定数量的墨；以及分配器，该分配器用于计量从腔室到排放喷嘴的入口的一定数量的墨，其中，该腔室容纳具有多个悬浮颗粒的处于液体形式的墨，并且以脉动方式计量从腔室到排放喷嘴的一定数量的墨，并且排放喷嘴蒸发载液并且将基本固体的颗粒沉积在衬底上。
在另一个实施例中，本公开涉及一种在衬底上沉积墨的方法，该方法包括：使用具有第一频率的脉动能量，以计量到达排放喷嘴的墨的数量，该墨由载液中的多个固体颗粒来限定；接收排放喷嘴处计量的墨的数量并且从计量的墨的数量中蒸发载液，以提供一定数量的基本上为固体的墨颗粒；分配来自排放喷嘴的基本上为固体的墨颗粒，并且将基本上为固体的墨颗粒沉积在衬底上；以及其中，在从排放喷嘴排放期间，基本上为固体的墨颗粒的至少一部分被转换成气相，作为蒸气被导向衬底，并且在衬底表面上冷凝成为基本上固体的形式。
在又一个实施例中，本公开涉及一种在衬底上沉积墨的方法，该方法包括：向腔室提供液体墨，该液体墨由载液中的多个悬浮颗粒来限定；脉动地激励分配器，以根据脉冲幅度、脉冲持续时间和脉冲频率中的至少一个来计量从腔室到排放喷嘴的液体墨的数量；接收在排放喷嘴处经过计量的墨，排放喷嘴具有引导所述经过计量的墨的多个导管；加热多个导管处的计量的墨，以蒸发载液；以及将来自排放喷嘴的多个悬浮颗粒排放到衬底上；其中，多个悬浮颗粒以基本上固体的形式沉积在衬底上。
在又一个实施例中，本公开涉及一种用于在衬底上沉积墨的系统，该系统包括：腔室，所述腔室具有一定数量的墨，所述墨由载液中的多个悬浮墨颗粒来限定；排放喷嘴，所述排放喷嘴毗邻所述腔室设置，用于接收通过分配器以脉动方式从所述腔室输送的计量的墨，所述排放喷嘴蒸发所述载液，以形成基本上固体的一定数量的墨颗粒；以及控制器，所述控制器与所述排放喷嘴连通，所述控制器激励排放喷嘴，以将来自排放喷嘴的基本上固体墨颗粒的数量连通到所述衬底上。
在又一个实施例中，本公开涉及一种用于在衬底上沉积墨的系统，该系统包括：腔室，所述腔室用于接收一定数量的墨，所述墨具有载液中的多个悬浮颗粒；墨分配器，所述墨分配器用于以脉动方式对从所述腔室输送的墨进行计量；排放喷嘴，所述排放喷嘴用于接收从所述腔室输送的计量的墨，并且蒸发来自所接收到的一定数量的墨中的所述载液，以形成基本为固体的一定数量的颗粒；第一控制器，所述第一控制器与所述墨分配器连通，所述第一控制器以脉动方式激励分配器，以对从所述腔室输送的墨进行计量；以及第二控制器，所述第二控制器与所述排放喷嘴连通，所述第二控制器激励排放喷嘴，以将来自排放喷嘴的经过计量的颗粒连通到衬底上。
在又一个实施例中，本公开涉及一种用于提供墨在衬底上的精确沉积的方法，所述方法包括：向腔室提供一定数量的墨，所述墨具有在载液中的多个悬浮颗粒；通过激活分配器，对从腔室输送到排放喷嘴入口的墨的至少一部分进行计量；在排放喷嘴处接收所述经过计量的墨，排放喷嘴具有入口端口和出口端口；将来自所述入口端口的所述经过计量的墨传输到所述排放喷嘴的出口端口，形成基本上为固体的颗粒；以及通过激励排放喷嘴，将来至少一部分基本上为固体的颗粒脉动地喷射到衬底上，来将来自排放喷嘴的出口端口的基本上为固体的颗粒沉积在衬底上。
在又一个实施例中，本公开涉及一种用于在衬底上精确沉积墨的系统，该系统包括：存储装置，该存储装置用于存储载液中的墨颗粒的成分；计量装置，该计量装置与存储装置连通，以脉动地计量所述成分的至少一部分；传输装置，该传输装置用于将墨从腔室传输到排放喷嘴；蒸发装置，该蒸发装置用于蒸发载液，以在排放喷嘴处形成基本上为固体的一定数量的墨颗粒；以及排放装置，该排放装置用于将基本上为固体的墨颗粒从排放喷嘴排放到衬底上。
在又一个实施例中，本公开涉及一种用于在衬底上沉积颗粒的设备，该设备包括：腔室，该腔室用于容纳墨，该腔室容纳在载液中具有多个颗粒的液体形式的墨；分配器，该分配器与腔室相关联，分配器计量从腔室输送到排放喷嘴的墨的数量，排放喷嘴蒸发载液，以形成基本上为固体的一定数量的墨颗粒；其中，排放喷嘴相对于腔室轴向地旋转，以排放基本上为固体的一定数量的墨颗粒；以及其中，排放喷嘴将基本上为固体的颗粒沉积在衬底上。
在又一个实施例中，本公开涉及一种用于控制印刷装置的系统，该系统包括：第一控制器，该第一控制器具有与第一存储器电路连通的第一处理器电路，第一存储器电路包含用于引导第一处理器进行如下操作的指令：识别多个腔室，每个腔室接收在载液中具有多个溶解或悬浮颗粒的液体墨，接合多个腔室中的每个，以计量用于分配的液体墨的数量；第二控制器，该第二控制器具有与第二存储器电路连通的第二处理器电路，第二存储器电路包含用于引导第二处理器进行如下操作的指令：识别多个排放喷嘴，多个排放喷嘴中的每个从多个腔室中的对应的一个腔室接收一定数量的液体)，激活多个排放喷嘴中的每个以蒸发载液的至少一部分，引导多个排放喷嘴中的每个，以将基本上为固体的墨颗粒沉积在衬底上。
附图说明
将参照下面的非限制性示例性示意图来讨论本公开的这些和其他实施例，在这些示意图中，相同的元件被类似地编号，并且其中：
图1A是示出根据本公开的一个实施例的具有热墨分配机构的示例性印刷头的示意图；
图1B是示出根据本公开的一个实施例的具有压电墨分配机构的示例性印刷头的示意图；
图1C是根据本公开的一个实施例的示例性印刷头的示意图，该示例性印刷头具有物理分隔开的腔室壳体和排放喷嘴壳体；
图1D是根据本公开的一个实施例的示例性印刷头的示意图，该示例性印刷头具有物理分隔开的腔室壳体和排放喷嘴壳体以及在排放喷嘴与相关联的壳体之间的隔离空间；
图1E示出排放喷嘴的示例性实施的顶视图；
图2A至图2D示意性示出根据本公开实施例的使用印刷头设备来沉积无溶剂材料的工艺；
图3A示意性示出具有多个排放喷嘴并使用热墨分配元件的印刷头设备；
图3B示意性示出具有多个排放喷嘴并使用压电墨分配元件的印刷头设备；
图4是具有多个贮存器的印刷头设置的示意图；
图5示意性示出使用一个或多个印刷头和定位系统来沉积材料薄膜的设备，所述多个印刷头中的至少一个具有一个或多个排放喷嘴；
图6示意性示出具有包含锥形侧壁的微孔的多孔排放喷嘴；
图7示出用于微孔排放喷嘴的示例性多孔图案；
图8A和图8B(统称图8)示意性示出根据本公开的一个实施例的染料升华印刷机；
图9A和图9B示出使用用于空间局部化化学合成的排放设备；
图9C和图9D示出使用排放设备作为微反应器；
图10A是根据本公开实施例的示例性印刷头的示意图；
图10B至图10E示出使用图10A所示的印刷头来沉积膜的方法；
图11A示意性示出根据本公开的一个实施例的热激活印刷头；
图11B至图11E示出使用图11A所示的印刷头设备来沉积膜的方法；
图12示出根据本公开的一个实施例在衬底上沉积颗粒的方法；以及
图13是根据本公开的一个实施例的用于控制具有排放喷嘴的印刷头的控制系统的示意图。
具体实施方式
在一个实施例中，本公开涉及用于在衬底上沉积基本上为固体形式的膜的方法和设备。例如，在OLED和大面积晶体管电路的设计和构造中可以使用这种膜。在一个实施例中，本公开涉及用于在衬底上沉积基本上为固体形式的材料膜的方法和设备。在另一个实施例中，本公开涉及用于在衬底上沉积基本上没有溶剂的材料膜的方法和设备。例如，在OLED和大面积晶体管电路的设计和构造中可以使用这种膜。可以由本文描述的设备和方法沉积的这些材料包括有机材料、金属材料以及无机半导体和绝缘体，诸如无机氧化物、硫族化物、IV族半导体、III-V族化合物半导体和II-VI族半导体。
图1A是根据本公开的一个实施例的用于沉积材料的设备的示意图。即，图1A提供了根据本公开的一个实施例的热喷射印刷头的示意图。
参照图1A，用于在衬底上沉积材料的示例性设备包括：腔室130、开口170、喷嘴180和微孔导管160。腔室130容纳液体形式的墨，并且使墨从开口170连通到排放喷嘴180。墨可以包括载液中的悬浮或溶解的颗粒。这些颗粒可以包括单个分子或原子、分子和/或原子的集合体。开口170与排放喷嘴180之间的路径限定输送路径。在图1A的实施例中，排放喷嘴180包括通过分隔物165分隔开的导管160。导管160在其内可以包括微孔材料。毗邻开口170的排放喷嘴180的表面限定了到排放喷嘴180的入口端口，而排放喷嘴180的远端表面限定了出口端口。衬底(未示出)可以设置成毗邻排放喷嘴180的出口端口，用于接收来自排放喷嘴的沉积的墨。
图1中的热喷射印刷头还包括底部结构140，该底部结构140容纳了排放喷嘴180。排放喷嘴180可以被构造为底部结构140的一部分。可替选地，排放喷嘴180可以单独地制造，并且随后与底部结构140组合在一起形成一体的结构。顶部结构142容纳腔室130。顶部结构142可以由用于形成腔室的合适的腔和导管形成。顶部结构142和底部结构140通过粘合剂120耦合，以形成壳体。该壳体使得热喷射印刷头在压力下或在真空下进行操作。该壳体还可以包括入口端口(未示出)，所述入口端口用于接受将材料从排放喷嘴运送到衬底(未示出)的输送气体。可替选地，端口(未示出)可以集成到顶部结构142中，以接收输送气体。该端口可以包括适于接收输送气体的法兰，根据一个实施例的输送气体包括基本上惰性的一种或多种气体的混合物。当与典型的有机材料一起使用时，该混合物可以包括与设备沉积的材料基本上不反应的气体，诸如氮气或氩气。输送气体可以通过流过微孔160来输送来自排放喷嘴180的颗粒。
可以可选地向腔室130添加加热器110，用于加热和/或分配墨。在图1A中，加热器110设置在腔室130内部。加热器110可以是耦合到腔室130的任何热能量源，用于向液体墨提供脉动能量，并由此通过开口170排放液体墨的液滴。在一个实施例中，加热器110以持续时间为1分钟或更短时间的脉动来传递热。例如，可以用具有可变占空比和1kHz的周期频率的方波，来激励加热器。因此，加热器能量可以用于对从腔室130传递到排放喷嘴180的墨进行计量。除了墨之外，腔室130还可以包含形成在制造OLED或晶体管的过程中使用的膜所需的材料。开口170可以被构造成使得腔室130中液体的表面张力防止在激活用于分配墨的机构之前排放液体。
在图1A的实施例中，排放喷嘴180包括由导管160分隔开的分隔物(或刚性部分)165。导管160和刚性部分165可以一起限定微多孔环境。该微多孔环境可以由多种材料组成，所述多种材料包括微多孔氧化铝或者硅或碳化硅的固体膜并且具有微加工孔。微孔160防止在液体中溶解或悬浮的材料在没有合适激活介质之前就通过排放喷嘴180流出。当液体的排放液滴遭遇排放喷嘴180时，液体由于毛细管作用而被吸入微孔160中。墨中的液体在排放喷嘴180被激活之前会蒸发，在微孔壁上留下悬浮或溶解颗粒的涂层。墨中的液体可以包括蒸气压相对较低的一个或多个溶剂。墨中的液体还可以包括蒸气压相对较高的一个或多个溶剂。
可以通过加热排放喷嘴来加速墨中液体的蒸发。例如，通过使气体流过一个或多个排放喷嘴面，被蒸发的液体可以从腔室中被去除，并且随后被收集(未示出)。根据所需的应用，多孔160可以提供最大线性横截面距离W为几纳米至数百微米的导管(或通道)。根据所需的应用，包括排放喷嘴180的微多孔区将呈现不同的形状并且覆盖不同的区域，并且通常的最大线性横截面尺寸D的范围从几百纳米至数十毫米。在一个实施例中，W/D之比的范围为约1/10至约1/1000。
在图1A的示例性设备中，排放喷嘴180由排放喷嘴加热器150来制动。排放喷嘴加热器150毗邻排放喷嘴180来设置。喷嘴加热器150可以包括薄金属膜。薄金属膜可以包含例如铂。当被激活时，喷嘴加热器150向排放喷嘴180提供脉动热能，这起到的作用是：驱逐包含在微孔或导管160内可以随后流出排放喷嘴的材料。在一个实施例中，脉动可以以1分钟或更短时间的时间标度来变化。
驱逐墨颗粒可以包括蒸发，无论是通过升华或熔化还是随后的沸腾。应该再次注意的是，术语“颗粒”被一般地使用，并且包括从单个分子或原子到分子或原子的团簇的任意物质。通常，可以采用与排放喷嘴耦合的任意能量源，只要该能量源能够激励排放喷嘴180并且由此由微孔160例如机械地(振动地)排放材料。在本公开的一个实施例中，使用压电材料来替代排放喷嘴加热器150，或者除了排放喷嘴加热器150之外，使用压电材料。
图1B是根据本公开的一个实施例的用于沉积膜的设备的示意图。参照图1B，用于在衬底上沉积材料的示例性设备与图1A中的实施例类似，不同之处在于，腔室130的形状不同，并且通过脉动激活压电元件115来分配墨。当被激活时，压电元件115脉动，以通过开口170将腔室130内包含的液体液滴向着排放喷嘴180排放。因此，用压电元件115替代腔室加热器110。虽然没有在图1B中示出，但是除了腔室加热器之外还可以使用压电元件，或者可以将压电元件与腔室加热器耦合起来使用。
图1C是根据本公开的另一个实施例的用于沉积膜的设备的示意图。参照图1C，用于在衬底上沉积材料的示例性设备包括与图1B类似的元件，不同之处在于，去除了粘合剂120，以示出顶部结构142和底部结构140可以是结构上不同的组件。在图1C的构造中，可以单独触及和定位顶部结构142和底部结构140，如当对设备进行维修时所需要的。
图1D是根据本公开的又一个实施例的用于沉积膜的设备的示意图。图1D中的示例性设备包括与图1C中的设备类似的元件，不同之处在于，引入了限制壁145。该结构机械地限制了从墨腔室130通过腔室开口170提供到排放喷嘴180的墨或任意其他材料。该结构可以增强墨加载到微孔160中的均匀性，并且可以校正从墨腔室130提供到排放喷嘴180的墨材料位置的定位错误。
图1D中实施例的另一个区别在于存在连接区域155。在图1A至图1C的每个中，排放喷嘴180被示出为与底部结构140是一体的。相比之下，图1D中的排放喷嘴180被制造成用包含不同材料的连接区域155实现物理上区别的底部结构140和的排放喷嘴180。区域155用于将排放喷嘴180连接到底部结构140。连接区域155延伸超过底部结构140，以留下开口156。可以根据将180与140物理分隔开的壳体和目标物的尺寸，来调节开口156。例如，该构造可以提供改进的排放喷嘴180与环绕结构的热隔离。图1D还示出加热器150，加热器150在托架155下面延伸以达到排放喷嘴180。应该注意的是，可以利用用于输送脉动能量的压电元件或者其他机电装置来增大地替代或者替代加热器150。
图1E是排放喷嘴180的图像，排放喷嘴180作为在衬底上沉积膜的设备的一部分。在图1E中，排放喷嘴加热器150由硅壳体140上的薄铂膜组成。在排放喷嘴180的中心还示出了与先前附图中表示的微孔160相对应的排放喷嘴微孔。
图2A至图2D示意性示出根据本公开的一个实施例的在衬底上沉积墨的过程。虽然可以使用在此公开的实施例沉积不同的膜和材料，但是在一个实施例中，以基本上固体的形式沉积墨。在图2A中，墨101被分配到腔室130。墨101可以具有传统的成分。在一个实施例中，墨101是由载液中的多个颗粒限定的液体墨。载液可以包含一种或多种溶剂，所述一种或多种溶剂具有的蒸发压使得在传输或沉积工艺的过程中溶剂基本上蒸发并且载液中的多个颗粒被沉积为固体颗粒。因此，所沉积的多个固体颗粒被沉积，构成在衬底上的膜。
再次参照图2A，腔室加热器110包括墨分配机构并且将热能脉动地赋予墨101。热能驱动至少一部分墨液体101通过开口170，以形成墨液滴102。墨液滴102可以限定液体墨101的全部或一部分。来自能量源(例如，加热器110)的能量的脉动赋予确定了从腔室130流出要被计量的墨数量。当液滴102从腔室130流出被计量时，液滴102被导向排放喷嘴180。
在另一个示例性实施例中，压电元件(未示出)可以设置在腔室130中或者在腔室130附近，以对出通过开口170的所需要的墨101进行计量，由此形成液滴101。在又一个示例性实施例中，液体(通过例如保持正的墨压力)可以通过开口170流出腔室130，并且该流体可以由机械或静电力来脉动地中断，使得计量的液滴由该流体产生并且进一步导向排放喷嘴180。如果利用了机械力，则通过引入以脉动方式贯穿该流体的短桨，可以提供该机械力。如果利用了静电力，则可以通过引入流体周围的电容器(未示出)以脉动方式对整个流体施加电磁场，来提供该静电力。因此，可以利用任何脉动的能量源，所述能量源激活分配机构，并由此计量从腔室130通过开口170输送到排放喷嘴180的液体102。每个能量脉动的强度和持续时间可以由以下讨论的控制器(未示出)来限定。另外，如上所述，主要当墨从腔室130通过开口170喷射出时会发生这种测定；可替选地，主要当墨从开口170进入到排放喷嘴180时会发生这种测定。
如关于图1A至图1E讨论的，排放喷嘴180包括用于接收和输送所计量的液滴102的导管。排放喷嘴加热器150毗邻排放喷嘴180设置，以加热排放喷嘴。在示例性实施例(未示出)中，加热器与排放喷嘴一体化，使得分隔物165限定加热元件。
排放喷嘴180具有毗邻表面(可替选地，入口端口)181和远端表面(可替选地，出口端口)182。毗邻表面181和远端表面182是由多个分隔物160和导管165分隔。毗邻表面181面对腔室130，并且远端表面182面对衬底190。排放喷嘴加热器150可以被激活，使得排放喷嘴180的温度超过使得能够从现在容纳在导管160中的液滴102迅速蒸发出载液的环境温度。在激励墨分配器(并且当墨液滴102从腔室130通过开口170进入排放喷嘴180时测定墨液滴102)之前或者在液滴102落在排放喷嘴180上之后，还可以激活喷嘴加热器150。换言之，腔室加热器110和排放加热器150可以被组合起来，以同时或顺序地脉动。
在该工艺的下一步骤中，液体墨103(之前的液滴102)被导向限制壁145之间的排放喷嘴180的入口端口181。液体墨103然后通过导管160流向出口端口182。如所讨论的，导管160可以包括多个微孔。可以填充导管160的墨103中的液体延伸到环绕表面上，该延伸的程度部分地由限制壁145的设计来控制，并且在排放喷嘴180被激活之前墨103中的液体会蒸发，在微孔壁上留下基本上为固体并且可以沉积在衬底190上的颗粒104(图2C)。可替选地，在激活排放喷嘴加热器150期间，墨103中的载液(图2B)可以蒸发。
激活图2C中的喷嘴加热器150，向排放喷嘴180提供了脉动能量，并且从导管160驱逐材料104。在图2D中示出了该结果。每个能量脉动的强度和持续时间可以由控制器(未示出)来限定。激活能可以是热能。可替选地，可以使用任何能量源，这些能量源被导向排放喷嘴180，能够激励排放喷嘴180以由此(例如，机械、振动、超声地)从导管160排放材料104。所沉积的膜105因此沉积成基本上在墨101中没有存在载液的固体形式(图2A)。即，当墨103经过排放喷嘴180时，从墨103中蒸发出基本上全部载液。可以通过一个或多个导管(未示出)从壳体输送通常包括一种或多种溶剂混合物的被蒸发的载液。
衬底190毗邻排放喷嘴180设置，用于接收被驱逐的材料以形成薄膜105。与图2B至图2D所示的步骤同时地，腔室130提供有用于下一沉积周期的新数量的液体墨101。
图3A示出使用用于沉积材料的加热元件的排放阵列。图3A中的设备包括用于容纳液体301的腔室330。液体301可以包括用于在衬底上沉积的溶解的或悬浮的颗粒。腔室330还包括多个腔室开口370。图3A中的实施例包括墨分配加热器310，所述加热器310用于以脉动方式计量通过每个腔室开口370并且到排放喷嘴380的液体墨。排放喷嘴380以阵列的方式布置，使得每个排放喷嘴380与对应的腔室开口370连通。喷嘴加热器350设置在排放喷嘴380附近，以蒸发基本上全部载液并且使得固体颗粒通过排放喷嘴阵列来沉积。
图3B示出使用压电元件的排放阵列。具体来讲，图3B示出压电墨分配元件315，该分配元件315以脉动方式计量通过腔室开口370并且到排放喷嘴380的液体墨301。通常，可以使用能够计量墨的任何能量源。排放喷嘴380还提供有喷嘴加热器350。虽然没有在图3A和图3B示出，但是液体墨通过与墨贮存器连通的一个或多个导管输送腔室330。另外地，一个或多个气体导管(未示出)可以被构造成从壳体去除任何被蒸发的气体。在操作中，压电元件315以猝发或脉冲方式来激励。采用能量的每个脉冲，压电元件振动和分散液体墨301，液体墨通过其分子力和表面张力保持就位。脉冲激励压电元件370的持续时间可以确定由每个腔室开口370计量出的液体墨370的数量。因此，增加例如方形脉冲的幅度或持续时间可以增加被分配的液体墨的数量。所选择墨的粘度或触变性性能将影响将从腔室330输送到排放喷嘴380的所计量的墨的脉冲形状、幅度和持续时间。
在图3A和图3B中，排放喷嘴380包括微多孔开口、居间刚性区和加热器350。示例性设备还可以包括构造成用于在真空或受压环境下进行操作的壳体。该壳体还可以包括用于接收输送气体的入口端口，该输送气体将材料从排放喷嘴380运送到衬底(未示出)。该入口端口可以由适于接收输送气体的法兰来限定，根据一个实施例的输送气体包括基本上惰性的一种或多种气体(例如，氮气或氩气)混合物。当沉积传统有机材料时，氮气和氩气是特别合适的。输送气体还可以通过流过导管或微孔来输送来自排放喷嘴380的墨。应该注意的是，图3A和图3B所示的实施例限定了多个设备、或用于形成多排放喷嘴沉积系统的排放喷嘴(图1A和图1B所示)或者印刷头的集成，并且限定了每个单独的喷嘴可以包括参照图1A至图1E中设备描述的所有特征和元件。
另外，在图3A和图3B中的实施例中，腔室能量源和排放喷嘴能量源可以单独地和/或同时地以脉动方式激活，并且由控制器(未示出)来限定每个脉冲的强度和持续时间。可以重点考虑的是，使用图3A和图3B中的沉积设备以利用多个同时或单独激活的排放喷嘴的情况。
图4是具有多个贮存器的印刷头设备的示意图。图4包括贮存器430、431和423。每个贮存器包含不同的沉积液体。因此，贮存器430包含液体墨401、贮存器431包含墨402，并且贮存器432包含墨403。另外，贮存器401与腔室410和412连通，贮存器402与腔室413和414连通，而贮存器403与腔室415、416和417连通。以此方式，同时使用单个印刷头来印刷不同的材料。例如，液体401、402和403可以包含确定发光颜色的OLED材料，使得液体401可以包含用于构造红色OLED的材料，液体402可以包含用于构造绿色OLED的材料，并且液体403可以包含用于构造蓝色OLED的材料。腔室410、412、413、414、415、416和417中的每个与各个排放喷嘴440、442、443、444、445、446和447连通。
图5示出使用一个或多个多孔印刷头和定位系统来沉积材料薄膜的设备。印刷头单元530可以包括相对于图1A至图1D讨论的一个或多个设备或者如图3至图4所示的其排列。图5中的印刷头单元530可以连接到定位系统520，定位系统520可以通过沿着导向装置522行进来调节印刷头单元530与衬底540之间的距离。在一个实施例中，印刷头单元530刚性连接到定位系统520。印刷头单元530、定位系统520和导向装置522可以一起(并且可选地刚性)连接到定位系统510，定位系统510可以在衬底540的平面中调节相对于衬底540的印刷头单元530的位置。可以通过沿着导向装置523和521行进，来完成由定位系统510执行的位置调节。图5中的示例性设备还可以包括多个独立的印刷头单元和定位系统(未示出)的组合。在图5中的设备中，可以固定衬底的位置。可以构造相关设备，其中将固定印刷头单元的位置，并且衬底将相对于印刷头移动。可以构造又一个相关的设备，其中印刷头单元和衬底同时并且相对于彼此移动。
当提供任意图案的高速印刷时，包括具有多喷嘴微多孔印刷头的运动系统具有实际的优点。图5的设备中利用的定位系统可以控制印刷头单元530和衬底540之间的距离，使得该距离在1微米和1cm之间。在不脱离在此所公开的原理的情况下，可以设计其他容限。控制系统可以主动保持恒定的分隔距离，并且可以利用光学或电容性反馈(未示出)。该控制基于之前的校正还可以是被动的。定位系统还可以具有通过利用光学反馈在衬底540的平面中相对于特定位置来对准印刷头单元530的能力。光学反馈可以包括数码相机和用于将数字图像转换成定位指令的处理系统。根据适于应用的要求，定位系统可以在每个方向具有在10nm与10cm之间的绝对定位分辨率。例如，对于一些OLED应用，可以采用对于每个方向的1微米的定位分辨率。
图6示出具有锥形侧壁的具有微孔的微多孔排放喷嘴。排放喷嘴680、居间刚性部分665、微多孔开口660和加热元件650对应于图1A中的元件180、165、160和150，不同之处在于，微孔660的侧壁是锥形的。该锥形的设计可以满足：微孔的较宽部分与较窄部分相比更靠近衬底690。锥形的设计可以是有利的，这是因为在激活了排放喷嘴和随后的驱逐材料的情况下，该锥形使得能够沿着微孔660中较宽部分的方向进行排放。在图6的示例性实施例中，与具有直型侧壁的微孔相比，该锥形被示出使得用加热元件650激活排放喷嘴680可以增大流向衬底690的材料比率。虽然图6中的侧壁具有基本上直型锥形，但是可以利用任意的侧壁外形，所述侧壁外形被设计成在一端比另一端具有更大的开口，使得沿着一个方向或者另一个方向从喷嘴流出的一部分材料发生变化。这种锥形侧壁的另一个示例包括具有弯曲外形从一端到另一端单调变宽的侧面。用于刚性部分665的又一个外形可以是梯形形状。
图7示出用于微多孔排放喷嘴的示例性微孔图案。形状701、702和703表现出了示例性的图案。复杂的像素形状701限定出矩形，复杂的像素形状702被限定为L形图案，而复杂的像素形状703限定出三角形。在不脱离在此所公开原理的情况下，还可以设计其他复杂的像素形状，诸如椭圆、八角形、不对称图案等。每个像素图案可以包括一个或多个微孔704。这样的像素图案的优点在于，用微多孔排放喷嘴沉积材料的均匀薄膜，使薄膜覆盖不是简单的方形或圆形的区域。使用复杂的微孔图案沉积膜可以优于使用圆形或方形微孔图案沉积用多个沉积来沉积等价的区域，这是因为在单独的沉积重叠的情况下，通过后一方法进行的沉积产生了厚度不均匀的膜。另外，除了通过使用不现实的小方形或圆形微孔图案之外，再现某些形状(例如三角形的点)的小特征是不可能的。
参照图7，每个微孔704的宽度可以为w1。在示例性实施例中，w1在0.1μm至100μm之间。根据微孔的数量、尺寸和间隔，每个微孔图案的宽度w2可以在0.5μm与1cm之间。通过排放设备将复杂的微孔图案转换成衬底上所沉积材料的对应图案，可以取决于排放设备中的微孔数目、每个微孔的直径、微孔的间隔、微孔侧壁的形状以及排放设备与衬底之间的距离。例如，排放设备可以具有复杂的微孔图案701，每个微孔可以具有1.0μm的直径(w1)，具有2.0微米的中心与中心的间隔并且具有直型侧壁。微孔可以被定位成距离衬底约100μm。已经发现的是，该方法可以用于再现与复杂的微孔图案701相对应的所沉积材料的大致矩形图案。
在一个实施例中，根据本公开的排放设备可以用于在衬底上沉积基本上固体形式的墨。墨可以由在衬底上沉积的材料组成，该材料的形式初始为在载液中悬浮或溶解的颗粒。载液可以是有机的，例如丙酮、氯仿、异丙醇、氯苯和甲苯，或者可以是水。载液还可以是以上指出的材料的混合物。将在衬底上沉积的一个或多个成分可以是有机分子化合物，例如，并五苯、三-(8-羟基喹啉)合铝(AlQ3)，N，N′-二苯基-N，N′-双(3-甲基苯基)-(1，1′-二苯基)-4，4′-二元胺(TPD)、浴铜灵(bathocuproine，BCP)或者面式-三(2-苯基吡啶)合铱(Irppy)。将在衬底上沉积的一个或多个成分还可以是聚合物。将在衬底上沉积的一个或多个成分可以是无机的，例如半导体或绝缘体或导体。一个或多个沉积材料可以是电子注入材料。一个或多个沉积材料可以是电子传输材料。一个或多个沉积材料可以是发光材料。一个或多个沉积材料可以是空穴传输材料。一个或多个沉积材料可以是空穴注入材料。一个或多个沉积材料可以是激子阻挡材料。一个或多个沉积材料可以是吸光材料。一个或多个沉积材料可以是化学感测材料。沉积材料可以用作例如OLED、晶体管、光电探测器、太阳能电池和化学传感器中的例如导体、发光体、吸光体、电荷阻挡体、激子阻挡体和绝缘体。
墨的特性可以限定沉积膜的过程中的重要因素。对于墨的一个重要性能标准可以是将墨材料从腔室有效、可靠并均匀地加载到排放喷嘴中。相关性能标准包括墨的能力：(1)弄湿一个或多个排放喷嘴表面；(2)快速流入排放喷嘴孔中；以及(3)在包含排放喷嘴孔的排放喷嘴区域上方快速扩散。对于墨的另一个重要性能标准是将所需质量的材料一直输送到排放喷嘴中，所以所需数量的材料在每次排放喷嘴排放其材料时一致地沉积。墨可以被修改成使得墨可靠地从腔室开口可靠输送到具有一致的墨容积的排放喷嘴。通过设计墨液体和在墨中溶解或悬浮的材料的物理和化学特性，由发明者对目标墨执行这些修改。这些特性包括但不限于粘度、触变性、沸点、材料溶解性、表面能量和蒸气压。
在一个实施例中，根据所公开实施例的排放设备可以用于在衬底上沉积金属材料。沉积金属材料可以沉积成基本上固体形式。沉积材料可以包括利用溶剂中溶解或悬浮的有机-金属前驱体材料或者在溶剂中溶解或悬浮的金属的金属合成。在溶剂中溶解或悬浮的金属可以包括，至少部分包括可以用有机化合物涂覆的纳米颗粒。金属可以是例如金、银、铝、镁或铜。金属可以是多个金属的合金或混合物。这种金属材料在许多应用中是有用的，例如可以用作薄膜电极、电子电路元件之间的电互连和被动吸收性或反射性的图案。排放设备所沉积的金属膜可以用于沉积在包括诸如OLED、晶体管、光电探测器、太阳能电池和化学传感器的有机电子器件的电路中利用的电极和电子互连。有机-金属或金属材料可以输送到排放喷嘴，并且激活排放喷嘴时可以被输送到衬底。在将液体从腔室输送到排放喷嘴之前或者在此期间、在从排放喷嘴输送到衬底期间或随后在衬底上沉积期间，可以执行将有机-金属材料转换成金属材料的反应。当将金属材料从排放喷嘴输送到衬底时，有利的是利用纳米颗粒，这是因为这样降低了从微孔驱逐金属所需的能量。利用排放设备在衬底上沉积的金属的优点在于有效利用了材料并且采用了沉积技术，而所述材料和沉积技术不会对在其上沉积有金属膜的、包括下面的衬底和任何其他的沉积层的材料造成损害。
在另一个实施例中，排放设备用于在衬底上沉积基本上为固体形式的无机半导体或绝缘体材料。沉积材料可以包括利用在载液中溶解或悬浮的有机和无机前驱体材料或者在载液中溶解或悬浮的无机半导体或绝缘体的合成。在液体中溶解或悬浮的无机半导体或绝缘体可以由可以被有机化合物覆盖的所有或者部分纳米颗粒组成。无机半导体或绝缘体可以是例如IV族半导体(例如，碳、硅、锗)、III-V族化合物半导体(例如，氮化镓、磷化铟、砷化镓)、II-VI化合物半导体(例如，硒化镉、硒化锌、硫化镉、碲化汞)、无机氧化物(例如，铟锡氧化物、氧化铝、氧化钛、氧化硅)和其他硫族化物。无机半导体或绝缘体可以是多个无机化合物的合金或化合物。半导体或绝缘体材料可以用于许多应用中，例如，用作电极的透明导体和电子电路元件之间的电互连、绝缘层和钝化层，以及用作电子器件和光电子器件中的有源层。当耦合在一起时，这些层可以用于包含诸如OLED、晶体管、光电探测器、太阳能电池和化学传感器的有机电子器件的电路中。
在另一个实施例中，前驱体或无机半导体或绝缘体材料可以输送到排放喷嘴，并且在激活排放喷嘴时可以被输送到衬底。在将液体从腔室输送到排放喷嘴之前或者在此期间、在从排放喷嘴输送到衬底期间或者随后在衬底上沉积期间，可以执行将前驱体材料转换成所需的无机半导体或绝缘体材料的反应。当将无机半导体或绝缘体材料从排放喷嘴输送到衬底时，可以有利的是利用纳米颗粒，用于降低从微孔驱逐材料所需的能量。利用排放设备在衬底上沉积的无机半导体或绝缘体材料的优点在于有效利用了材料并且采用了沉积技术，而所述材料和沉积技术不会对在其上沉积有膜的、包括下面的衬底和任何其他的沉积层的材料造成损害。
图8A和图8B(合称为图8)示意性示出根据本公开的一个实施例的染料升华印刷机。在图8A中，墨液滴809包括在载液中溶解或悬浮的墨颜料。载液可以包括一个或多个成分，包括有机溶剂和水。墨液滴809被导向排放设备850的背面。液滴809流入其中液体墨的溶剂部分蒸发的微孔840中，留下在微孔840壁上沉积的颜料颗粒810。
接着，参照图8B，可以激活加热器830，以从微孔840蒸发出颜料颗粒810并且从排放喷嘴825排放出颜料颗粒。排放出的颜料颗粒浓缩在衬底表面860上，形成印刷颜料的像素图案870。加热器830也可以用于蒸发像素图案870中任何剩余的溶剂。
图9A和图9B示出用于空间局部化学合成的排放设备的使用。在图9A的实施例中，反应气体910在整个排放喷嘴825上流动。反应气体910可以附加地帮助蒸发和去除所蒸发的溶剂。气体与沉积墨809一起可以流入排放喷嘴微孔840中。
在图9B中，可蒸发反应物920导向排放喷嘴825并且受压通过微孔840。可蒸发反应物920可以可选地包含形成合成材料930的悬浮颗粒。可以激活加热器830，以加热包含待沉积的固体墨颗粒的反应气体流909。可以使用流出的气体(未示出)使来自微孔840的可蒸发反应物(未示出)输送到系统外部。然后，来自830的热量可以激活所需的化学反应，以在衬底860上生成所需的材料930。在另一个实施例中，排放设备850可以用作在气体环境或液体环境中浸没的有效的空间局部加热元件，其中，来自加热器830的热用于激活化学合成工艺。
在又一个实施例中，具有在载液(未示出)中溶解或悬浮的颗粒的墨被输送到排放喷嘴825。排放喷嘴825包括用于容纳墨的微孔840。在蒸发了载液之后，加热器830加热多孔840的孔壁上所沉积的颗粒，其中，在环境气体和/或液体环境下蒸发并混合颗粒。在另一个实施例中，排放设备可以用作有效的空间局部加热元件，其中，来自加热器830的热用于激活衬底中所限定区域上的化学合成工艺。
图9C和图9D示出使用排放设备作为微反应器。如图9C所示，可以在排放设备850的背面上沉积可选的反应气体流或者墨沉积物909或者可蒸发反应物911。排放设备850可以集成到具有微尺寸腔室阀922和924的微尺寸腔，所述微尺寸腔室阀922和924用于控制气体和液体产品、反应物和解析或合成产物970的流入和流出。在图9C中，可选的反应气体流或墨沉积物909或者可蒸发反应物911流入微孔840中。激活加热器830，以加热来自微孔840的可选的反应气体流或墨沉积物909或可蒸发反应物911，并且将其从排放喷嘴825排放出来。然后，来自加热器830的热可以激活所需的化学合成工艺，以在衬底860上生成解析或合成产物970。
在另一个实施例中，排放设备可以用于产生用于显示的子像素，诸如红色子像素、绿色子像素和蓝色子像素。每个子像素具有的横向尺寸宽度可以从20μm至5mm。在不脱离在此所公开原理的情况下，其他尺寸是可利用的。子像素可以包括使用相对于图1A至图1D讨论的一个或多个设备沉积或者其变形的一个或多个膜(例如，如图3至图4所示，或者在图10至图11中，如以下进一步讨论的)，这里被称作“热喷射”和作为“热喷射沉积方法”的对应的沉积方法。多个这些子像素可以沉积在衬底上方，以形成一个或多个显示器。当在衬底上沉积多个显示器，衬底可以被细分为各个显示器。使用热喷射沉积方法的沉积可以优于荫罩屏蔽，这是因为荫罩屏蔽会需要具有孔的长薄金属片，其可以在大面积上发生扭曲和弯曲和/或会难以保持干净和/或产生灰尘颗粒。
图10A是示例性印刷头的示意图。参照图10A，将材料沉积在衬底上的示例性设备包括腔室1030，用于容纳具有在载液中悬浮或溶解的、在衬底上沉积的材料颗粒的墨。腔室1030包括开口1070和从开口1070至排放喷嘴1080的输送路径。排放喷嘴1080由可以包含多个微多孔导管1060的表面限定，所述多个微多孔导管1060用于接收来自腔室1030通过开口1070连通的材料。这些导管延伸到支撑材料1040中，但不通过支撑材料1040，所述支撑材料1040提供用于排放喷嘴1080的机械支撑。使用托架或连接材料1020，壳体1040可以接合到腔室1030的壳体。
腔室激活器1015还包括与腔室1030耦合的压电制动器1015，用于提供脉动能量，以激活墨分配机构，并由此计量从腔室1030通过开口1070到排放喷嘴1080的液体液滴。脉动能量可以以1分钟或更少时间的时间标度来变化。例如，可以用具有可变占空比和1kHz的周期频率的方形脉冲来激励压电制动器1015。腔室1030可以包含用于形成在制造OLED或晶体管的过程中使用的膜所需的材料。开口1070被构造成使得腔室1030中液体的表面张力防止在压电墨分配机构被激活之前排放出液体。
排放喷嘴1080可以包括由多孔1060分隔的刚性部分(可互换地，分隔物)1065。微孔区域可以由多种材料组成，所述多种材料例如是微多孔氧化铝或者硅或碳化硅的固体膜并且具有微加工孔。在一个实施例中，微孔1060容纳在液体中溶解或悬浮的材料，并且防止在介质被适当激活之前材料再次从排放喷嘴1080释放出。排放喷嘴1080还可以包括粗糙表面(未示出)，用于接收在载液中溶解或悬浮的并且从腔室开口1070输送的材料。表面可以类似地包含该材料，直到排放喷嘴被正确制动为止。可替选地，排放喷嘴1080可以包括光滑表面(未示出)，用于接收在液体中溶解或悬浮的并且从腔室开口1070输送的材料。光滑表面可以适于包含该材料，直到排放喷嘴被正确制动为止。这类修改可以包括表面化学性质或者相对于液体的选择的排放喷嘴材料的适当选择的修改。
在图10A的示例性器件中，当排放出的液体液滴遭遇排放喷嘴1080时，液体由于毛细管作用而流入微孔1060中。墨中的液体可以在排放喷嘴1080被激活之前会蒸发，在微孔壁上留下悬浮或溶解材料的涂层。通过加热排放喷嘴1080，会加速墨中液体的蒸发。通过使气体在一个或多个排放喷嘴面上流动，被蒸发的液体可以从腔室中被去除并且随后被收集(未示出)。
根据所需的应用，微孔1060可以提供具有最大的横截面距离W为几纳米至几百微米的容器。根据所需的应用，包括排放喷嘴1080的微孔区域将呈现不同形状并且覆盖不同区域，并且通常的尺寸D的范围从几百纳米到数十毫米。如果排放喷嘴1080被修改成使得用粗糙化的表面区域或光滑表面区域(未示出)替代微多孔区域，排放喷嘴1080以基本上的相同方式来操作，由此(通过对表面和材料特性的正确控制得到的表面张力)，以液体形式从腔室1030输送到排放喷嘴1080的材料保持在表面上，直到排放喷嘴1080被激活为止。通过加热排放喷嘴，会加速墨中液体的蒸发。再次，通过使气体在一个或多个排放喷嘴面上流动，被蒸发的液体可以从腔室中被去除并且随后被收集(未示出)。
在图10A的示例性设备中，腔室开口1070和排放喷嘴1080表面的相对取向被设置成使得：腔室1030中的液体可以从腔室开口1070(例如，通过以受控速度和室开口1070外的轨迹来喷射液滴)直接输送到排放喷嘴表面上。另外，排放喷嘴表面还被定位成使得：当被激活时，输送到排放喷嘴表面的材料可以基本上向着衬底流动。在图10A的示例性实施例中，这是通过以下步骤来完成的：相对于通过腔室开口170所提供液体的输入轨迹以及衬底的角度来将排放喷嘴表面与居间角度对准，所述衬底将会放置在印刷头下面(图10B所示)。
另外，在图10A的示例性实施例中，通过与排放喷嘴1080毗邻设置的加热器1050激活排放喷嘴。排放喷嘴加热器1050可以包括由例如铂组成的薄金属膜。当被激活时，排放喷嘴加热器1050向排放喷嘴1080提供脉动热能，所述热能驱逐在微孔1060中包含的材料，使得材料能够从排放喷嘴流出。驱逐材料可以包括：无论是通过升华或熔化还是随后的沸腾，使基本上固体的墨颗粒蒸发。通常，可以采用耦合到排放喷嘴的、能够激励排放喷嘴1080并且由此将材料从微孔1060中排出的任何能量源。例如，可以使用机械(例如，振动)能量。
图10B至图10E示出使用图10A所示的印刷头沉积膜的方法。图10B中的方法在此被称作热表面喷射沉积法。参照图10B，腔室1030用于墨1002，墨1002包括将在衬底上沉积的、在载液中溶解或悬浮的材料颗粒。在液体1002从腔室1030通过开口1070行进时，压电元件1015脉动地计量液体1002，以形成自由的液滴1001。在替选的实施例(未示出)中，设置加热器来取代压电元件1015，用于脉动地激活热墨分配机构，并由此驱动腔室1030中的至少一部分液体1002通过开口1070，以形成自由的液滴1001。通常，可以利用任何脉动能量源，所述能量源激活墨分配机构，以由此在液体1002通过开口1070向着排放喷嘴1080行进时计量液体1002。每个能量脉冲的强度和持续时间可以由控制器(未示出)来限定。
参照图10B，可以激活排放喷嘴加热器1050，使得排放喷嘴温度被升高至环境温度之上。加热循环有助于在墨中的液体沉积在排放喷嘴之后将其快速蒸发。还可以在激励墨分配机构(并且将来自腔室1030的墨液滴1001通过开口1070排放)之前或者在液滴1001落到排放喷嘴1080上之后，激活排放喷嘴加热器1050。
在图10C中，液滴1001从腔室开口1070行进至排放喷嘴1080，其中，墨流入到微孔1060中。在排放喷嘴1080被激活之前，可以填充微孔的墨1003中的溶剂或载液会蒸发，在微孔壁上留下材料1004，所述材料1004基本上是没有溶剂的并且基本上为固体形式并且将沉积在衬底上。这在图10D中示出。可替选地，在排放喷嘴1080被激活期间，溶剂或液体1003会蒸发。
图10E示出激活排放喷嘴加热器1030以提供脉动能量以使排放喷嘴1080驱逐微孔1060中材料的步骤。每个脉冲的强度和持续时间可以由控制器(未示出)来限定。激活能量可以是热能，但是可替选地，能量源可以耦合到排放喷嘴1080，以激励排放喷嘴1080并且将材料从微孔1060中排放出来。例如，对于该步骤而言，还可以使用机械(例如，振动)能量。衬底1090可以毗邻排放喷嘴1080设置，以接收被驱逐的材料，以由此形成薄膜1005。
图11A示意性示出根据本公开的一个实施例的热激活印刷头。图11A所示的设备包括用于容纳墨的腔室1130、腔室开口1170以及从开口1170到排放喷嘴1180的输送路径。排放喷嘴1180包括含有多个微多孔导管1160的表面，所述多个微多孔导管1160用于接收液体墨、包含将在衬底上沉积的、在载液中溶解或悬浮的材料颗粒、通过开口1170与腔室1130连通。导管1160延伸到托架1142中但是不穿过托架1142，所述托架1142在结构上支撑排放喷嘴1180。托架1142通过旋转接头1141接合到支撑侧壁1140。然后，侧壁1140可以连接到较大的框架，以形成腔室1130的壳体(未示出)。
腔室激活器1110可选地限定与腔室1130耦合的加热器，其用于提供脉动能量，所述脉动能量激活墨分配机构，以计量从腔室1130内通过开口1170到排放喷嘴1180的液体液滴。如所示出的，可以以1分钟或更短时间的时间标度来变化脉动能量。例如，可以用具有可变占空比和1kHz的周期频率的方形脉冲来激励制动器1110。腔室1030可以包含用于形成在制造OLED或晶体管的过程中使用的膜所需的材料。开口1070可以被构造成使得：腔室1030中液体的表面张力将会防止在墨分配机构被激活之前排放液体。
排放喷嘴1180可以包括由微孔(或导管)1160分隔开的刚性部分(可互换地，分隔物)1065。微多孔区域可以由多种材料组成，所述多种材料例如是微多孔氧化铝或者硅或碳化硅的固体膜并且具有微加工孔。微孔1160容纳墨，并且防止在介质被适当激活之前材料再次从排放喷嘴1180排放出。排放喷嘴1180还可以包括粗糙表面(未示出)，用于接收液体中溶解或悬浮并且从腔室开口1170输送的材料。这种表面可以一直保持材料，直到排放喷嘴被正确制动为止。可替选地，排放喷嘴1180还可以包含光滑表面，用于接收液体中溶解或悬浮的并且从腔室开口1170输送的材料。这种表面可以一直保持材料，直到排放喷嘴被正确制动为止。应该注意的是，这种修改会需要更改表面化学性质或者根据给定的液体表面化学性质来适当选择排放喷嘴构造。
在图11A中，当排放出的液体液滴遭遇排放喷嘴1180时，液体由于毛细管作用和分子表面张力而流入微孔1160中。可以在排放喷嘴1180被激活时，液体会蒸发，在微孔壁1160上留下悬浮或溶解颗粒的基本上固体的涂层。通过加热排放喷嘴1180，会加速墨中液体的蒸发。通过使气体在一个或多个排放喷嘴表面上流动，蒸发的液体可以从腔室中被去除并且随后被收集(未示出)。
根据所需的应用，多孔1160可以提供具有最大横截面距离W为几纳米至数百微米的容器。根据所需的应用，包括排放喷嘴180的微多孔区将呈现不同形状并且覆盖不同区域，并且通常尺寸D的范围从几百纳米至数十毫米。如果排放喷嘴1180被修改成使得用粗糙化的表面区域或光滑表面区域(未示出)替代微多孔区域，排放喷嘴1180以基本上的相同方式操作，由此以液体形式从腔室1130输送到排放喷嘴1180的材料保持在表面上(通过对表面和材料特性的正确控制得到的表面张力)，直到排放喷嘴1180被激活为止。液体会在排放喷嘴1180被激活之前蒸发，在排放喷嘴表面上留下悬浮或溶解颗粒的基本上固体的涂层。通过加热排放喷嘴，会加速蒸发过程。此外，通过使气体在一个或多个排放喷嘴表面上流动，蒸发的液体可以从腔室中被去除并且随后被收集(未示出)。
腔室开口1170和排放喷嘴1080表面的相对取向被设置成使得：腔室1130中的液体可以从腔室开口1170(例如，通过以受控速度和穿过腔室开口1170的轨迹来喷射液滴)直接输送到排放喷嘴表面上。排放喷嘴1180可以集成到1142中，使得其可以相对于侧壁1140通过1141旋转。使用旋转来重新定向排放喷嘴1180的表面，使得当被激活时，输送到排放喷嘴表面的材料可以直接流向衬底，或者以某一角度流向衬底。
在图11A中，排放喷嘴可以被加热器激活。排放喷嘴加热器1150可以毗邻排放喷嘴1180设置。排放喷嘴加热器1150可以包括薄金属膜，该薄金属膜可以由例如铂组成。当被激活时，排放喷嘴加热器1150向排放喷嘴1180提供脉动热能，这起到的作用是：驱逐在多孔1160内包含的可以随后从排放喷嘴流出的材料。无论是通过升华或熔化还是随后的沸腾，驱逐所述材料可以包括蒸发。可以使用耦合到排放喷嘴的、能够激励排放喷嘴1180以从微孔1160中排放出材料的任何能量源。采用与相对于图1D公开的相同方式来操作限制壁1145。
图11B至图11E示出图11A中的印刷头设备的示例性实施。参照图11B，第一步骤是用墨1102填充腔室1130。液体墨可以包含在液体中溶解或悬浮的材料，并且可以被沉积为薄膜。腔室加热器1110将热能脉动地引入到腔室1130中的墨1102，并由此计量通过开口1170的至少一部分液体1102，以形成自由的液滴1101。在另一个示例性实施例(未示出)中，腔室压电元件1115将机械能量脉动地引入腔室1130中的墨1102中，并由此计量通过开口1170的至少一部分液体1102，以形成自由的液滴1101。可以激活排放喷嘴加热器1150，使得排放喷嘴温度升高至环境温度之上。这样可以有助于当墨中的液体沉积在排放喷嘴上时使其迅速蒸发。还可以在激励墨腔室(并且将来自腔室1130的墨液滴1101通过开口1170排放)之前或者在液滴1101落到排放喷嘴1180上之后，激活排放喷嘴加热器1150。
在图11C中，液滴1101从腔室开口1170行进到排放喷嘴1180，其中，墨流入到微孔1160中。在延伸的程度部分地由环绕表面的设计构造控制的情况下，可以填充微孔并延伸到环绕表面上的墨1103中的液体在排放喷嘴1180被激活之前会蒸发，在微孔壁上留下基本上没有溶剂的材料1104。在图11D中示出了该工艺步骤。在排放喷嘴1180被激活期间，溶液1103中的溶剂也会蒸发。
在激活排放喷嘴1180之前，排放喷嘴相对于侧壁1140旋转180度。如相对于图11A所讨论的，托架1142沿着接头1141相对于侧壁1140旋转。该旋转使排放喷嘴表面更靠近并且基本上平行于衬底1190，使得从排放喷嘴表面到衬底存在直接路径。在图11E中示出了该工艺步骤。此后，激活喷嘴加热器1130以向排放喷嘴1180提供脉动能量，驱逐微孔1160中的材料。每个脉冲的强度和持续时间可以由控制器(未示出)来限定。在该示例性实施例中，激活能量是热能；可以可替选地采用耦合到排放喷嘴1180的、能够激励排放喷嘴1180并由此从微孔1160中排放出材料的任何能量源。衬底1190可以毗邻排放喷嘴1180设置以接收被驱逐的材料，并且可以形成薄膜1105。
图12示出根据本公开的一个实施例在衬底上沉积颗粒的方法。参照图12，在步骤1200中，液体墨从贮存器提供到热喷射印刷装置的腔室。液体墨可以是液体载体和多个墨颗粒的组合。在步骤1210中，计量出来自腔室的液体墨的所需数量。可以使用分配器来计量液体墨的所需数量。分配器可以包括被构造成将能量导向腔室的机电或振动装置。在可替选的实施例中，分配器包括加热器。在另一个实施例中，分配器包括压电元件。脉动能量可以提供到分配器，以计量墨的所需数量。在步骤1220中，计量数量的墨从腔室被导向排放喷嘴。使用重力馈送、强制空气传导或者通过任何传统的装置，可以将墨导向排放喷嘴。在步骤1230中，液体载体被蒸发，以留下基本上固体的墨颗粒。
在一个实施例中，当计量数量的墨离开腔室时，就执行蒸发步骤。在另一个实施例中，当液体墨已到达排放喷嘴时，蒸发就开始了。在又一个实施例中，蒸发步骤继续，直到基本上所有的载液都已蒸发为止。在步骤1240中，基本上为固体的墨颗粒从排放喷嘴中分配并且在步骤1250中沉积到衬底上。
图13是用于控制分配装置的控制系统的示意图。在图13中，腔室1330与贮存器1399流体地连通。贮存器1399向腔室1330提供液体墨。液体墨包括载液1391和溶解或悬浮的颗粒1396。分配器1310毗邻腔室1330设置以搅动腔室，并由此计量来自腔室的所需的液体墨的数量。其中，分配器1310可以包括加热器。分配器1310通过布线1353和1352与控制器1395电连通。
控制器1395包括处理器1397和存储器1398。存储器1398可以包含用于引导处理器来激活分配器1310以便计量来自腔室1330的液体墨精确数量的指令。例如，存储器1398可以包括用以脉动地激活分配器1310以便将所需数量的墨分配到排放喷嘴1380上的程序。控制器1395还可以激活腔室1330，以便将所需数量的墨分配到排放喷嘴1380上。
排放喷嘴1380从腔室1330接收计量数量的液体墨。加热器1348和1349毗邻排放喷嘴1380设置，并且被构造成加热计量数量的墨，以由此蒸发了基本上全部的载液1391，留下基本上为固体的墨颗粒。加热器1348和1349还可以进一步加热基本上为固体的墨颗粒，并由此使材料沸腾或升华，使得排放喷嘴1380可以向着衬底1390分配墨颗粒1396。当颗粒1396落到衬底1390上并且冷凝时，它们形成基本上固体的膜。加热器1348、1349设置在排放喷嘴1380附近，以有助于蒸发液体载体1391并且分配固体颗粒1396。
在图13的实施例中，控制器1395还分别通过电线1350和1351来控制对加热器1348和1349的激活和操作。存储器1398可以配置有指令以引导处理器1397来接合和脱离加热器1348和1349，以由此蒸发液体载体1391并且将颗粒1396沉积在衬底1390上。
虽然图13的示意图提供了单个控制器(即，控制器1395)，但是所公开的原理不限于此。事实上，可以使用多个控制器来精确控制热分配系统，每个控制器具有一个或多个独立的处理器和存储器电路。例如，第一控制器(未示出)可以用于通过控制提供到分配器1310的脉动参数来控制从腔室1330输送的液体墨的计量。第二控制器(未示出)可以用于控制加热器1348和1349。第二控制器可以用于激励排放喷嘴1380，以蒸发载液。第二控制器可以接收识别墨的属性的输入。墨的示例性属性包括墨的粘度、触变性特性和分子量。
虽然已经相对于在此所示的示例性实施例示出了本公开的原理，但是本公开的原理不限于此，并且包括其任何的修改形式、变化形式或置换形式。

Claims (31)

1.一种用于在衬底上沉积墨的系统，所述系统包括：
腔室，其具有一定量的墨，所述墨由载液中的多个悬浮墨颗粒来限定；
排放喷嘴，其毗邻所述腔室，用于接收由墨分配器从所述腔室以脉动方式输送出的经过计量的墨，所述排放喷嘴蒸发所述载液，以形成基本上为固体的一定量的墨颗粒；以及
控制器，其与所述排放喷嘴相连通，所述控制器向所述排放喷嘴提供能量，以将来自所述排放喷嘴的基本上为固体的一定量的墨颗粒传递到所述衬底上。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器向与所述排放喷嘴相关联的加热器提供多个能量脉冲，所述多个脉冲中的每个脉冲具有幅度和频率。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器还包括利用以下指令编程的处理器电路：
(a)确定将所述一定量的墨颗粒排放到所述衬底所需的激活量或持续时间之一；
(b)与步骤(a)中所确定的所述量或所述持续时间相一致地向所述排放喷嘴提供能量；以及
(c)重复步骤(a)和(b)，以将附加量的墨颗粒排放到所述衬底上。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器进一步包括至少一个处理器电路，所述至少一个处理器电路与用于存储指令的存储器相连通。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制器给所述墨分配器分派任务，以通过向所述墨分配器提供脉动能量来提供所述经过计量的墨，所述脉动能量适于将计量的墨提取到所述排放喷嘴。
6.一种用于将墨沉积在衬底上的系统，所述系统包括：
腔室，其用于接收一定量的墨，所述墨具有位于载液中的多个悬浮颗粒；
墨分配器，其用于以脉动方式对从所述腔室输送出的墨进行计量；
排放喷嘴，其用于接收从所述腔室输送出的经过计量的墨，并且蒸发来自所接收量的墨中的所述载液，以形成基本为固体的一定量的颗粒；
第一控制器，其与所述墨分配器相连通，所述第一控制器以脉动方式向所述墨分配器提供能量，以对从所述腔室输送出的墨进行计量；以及
第二控制器，其与所述排放喷嘴相连通，所述第二控制器向所述排放喷嘴提供能量，以将来自所述排放喷嘴的经过计量的颗粒传递到所述衬底上。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述经过计量的墨由所述第一控制器根据提供到所述墨的热能量和加热所述墨的持续时间来确定。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，根据提供到所述墨的热能的脉冲来确定所述经过计量的墨。
9.根据权利要求6所述的系统，其中，以脉动方式向所述墨分配器提供能量进一步包括：以离散的猝发方式来加热所述量的墨，每个猝发由能量的脉冲来限定。
10.根据权利要求6所述的系统，其中，所述经过计量的墨由所述第一控制器根据提供到与所述腔室相连通的压电元件的能量的量和持续时间来确定。
11.根据权利要求6所述的系统，其中，根据向所述压电元件提供能量的脉冲形状来确定所述经过计量的墨。
12.根据权利要求6所述的系统，其中，所述经过计量的墨由所述第一控制器根据提供到用于加热所述墨的加热器和与所述腔室相连通的压电元件的能量的量来确定。
13.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一控制器进一步包括利用以下指令编程的处理器电路：
(a)接收对所需量的被计量墨进行识别的输入；
(b)确定分配所需量的墨所需要的能量的量或持续时间中的至少一个；
(c)以与步骤(b)中确定的所述量或所述持续时间相一致地向所述墨分配器提供能量；以及
(d)重复步骤(a)至(c)，以将附加经过计量的墨提供到所述排放喷嘴。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述步骤(c)进一步包括向与所述腔室相连通的加热器和压电元件中的至少一个提供能量。
15.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二控制器通过加热所述排放喷嘴中所述经过计量的墨来向所述排放喷嘴提供能量，以基本上蒸发所述载液。
16.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二控制器向与所述排放喷嘴相关联的压电元件提供能量，以从所述喷嘴排放出基本上为固体的一定量的颗粒。
17.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二控制器通过加热所述基本上为固体的一定量的颗粒来向所述排放喷嘴提供能量，以从所述喷嘴排放出所述颗粒。
18.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二控制器进一步包括利用以下指令编程的处理器电路：
(a)接收对所述墨的属性进行识别的输入；
(b)确定基本上蒸发所述载液所需要的能量的量和持续时间中的至少一个；
(c)以与步骤(b)中确定的所述量或所述持续时间相一致地向所述排放喷嘴提供能量；以及
(d)重复步骤(a)至(c)，以提供附加的经过计量的墨。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，步骤(b)进一步包括确定蒸发所述载液并且将所述基本上为固体的墨排放到所述衬底上所需要的能量的量和持续时间中的至少一个。
20.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第二控制器进一步包括利用以下指令编程的处理器电路：
(a)接收对所述墨的属性进行识别的输入；
(b)确定基本上蒸发所述载液所需要的能量的量和持续时间中的至少一个；
(c)确定将所述经过计量的墨基本上沉积到所述衬底上所需要的能量的量和持续时间中的至少一个；
(d)以与步骤(b)中确定的所述量或所述持续时间相一致地向所述排放喷嘴提供能量，以蒸发所述载液并且提供基本上为固体的一定量的墨颗粒；以及
(e)以与步骤(c)中确定的所述量或所述持续时间相一致地向所述排放喷嘴提供能量，以将基本上为固体的一定量的墨从所述排放喷嘴排放到所述衬底上。
21.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一控制器与所述第二控制器相连通。
22.根据权利要求6所述的系统，进一步包括能量源。
23.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一控制器和所述第二控制器限定集成的控制系统。
24.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一控制器和所述第二控制器限定一个微处理电路。
25.一种用于提供在衬底上精确沉积墨的方法，所述方法包括：
向腔室提供一定量的墨，所述墨具有位于载液中的多个悬浮颗粒；
对通过激活墨分配器而从所述腔室输送到排放喷嘴的入口的所述墨的至少一部分进行计量；
在排放喷嘴处接收所述经过计量的墨，所述排放喷嘴具有入口端口和出口端口；
将来自所述入口端口的所述经过计量的墨传输到所述排放喷嘴的所述出口端口，形成基本上为固体的颗粒；以及
通过向所述排放喷嘴提供能量来将基本上为固体的颗粒的至少一部分喷射到衬底上，从而将来自所述排放喷嘴的出口端口的所述基本上为固体的颗粒沉积在所述衬底上。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，对所述墨的至少一部分进行计量的步骤进一步包括：向所述墨分配器提供多个能量脉冲，每个能量脉冲由所述脉冲的幅度、所述脉冲的持续时间或者所述脉冲的频率中的至少一个来限定。
27.根据权利要求25所述的方法，其中，对所述墨的至少一部分进行计量的步骤进一步包括：向与所述腔室相关联的压电元件提供多个能量脉冲，每个能量脉冲由量和持续时间中的至少一个来限定。
28.根据权利要求25所述的方法，其中，所述入口端口和所述出口端口由多个导管分隔开。
29.根据权利要求25所述的方法，其中，所述入口端口和所述出口端口由多孔材料分隔开。
30.根据权利要求25所述的方法，其中，所述入口端口和所述出口端口由具有曲折路径的多个导管分隔开。
31.根据权利要求25所述的方法，还进一步包括：同时进行蒸发所述载液以及将所述经过计量的墨从所述排放喷嘴的所述入口端口传输到所述出口端口的步骤。
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