KR101887840B1 - 유기 증기 제트 프린팅을 위한 노즐의 기하학적 형상 - Google Patents

유기 증기 제트 프린팅을 위한 노즐의 기하학적 형상 Download PDF

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Abstract

제1 장치가 마련된다. 상기 제1 장치는 프린트 헤드를 포함한다. 이 프린트 헤드는 가스의 제1 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제1 노즐을 포함한다. 상기 제1 노즐은 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수가 0.5 내지 500 미크론인 개구를 갖는다. 개구로부터 제1 노즐 내측으로 소정 거리에서, 즉 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 5배 되는 거리에서, 유동 방향에 수직한 최소 치수는 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 적어도 2배이다.

Description

유기 증기 제트 프린팅을 위한 노즐의 기하학적 형상{NOZZLE GEOMETRY FOR ORGANIC VAPOR JET PRINTING}
본 출원은, 발명의 명칭이 컴팩트한 OVJP 프린트 헤드이며 2009년 3월 25일자로 출원된 미국 가특허 출원 제61/211,002호 및 발명의 명칭이 유기 증기 제트 프린팅을 위한 노즐의 기하학적 형상이며 2010년 3월 23일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/729,448호의 우선권과 이익을 주장한다.
본 발명은 미국 에너지국이 부여하는 DE-FC26-04NT42273 하에서 정부 지원을 통해 이루어진 것이다. 미국 정부는 본 발명에 있어서 특정한 권리를 갖는다.
청구된 발명은 연합 대학 협력 연구 동의서에 따라 다음 단체, 즉 미시건 대학, 프린스턴 대학, 사우스 캘리포니아 대학 및 유니버셜 디스플레이 코오포레이션의 운영위원회들 중 하나 이상에 의해, 하나 이상을 대표하여 및/또는 하나 이상과 함께 행해진 것이다. 상기 동의서는 청구된 발명이 이루어진 일자 및 이 일자 이전에 유효한 것이었으며, 청구된 발명은 동의서의 범위에서 약속된 활동의 결과로서 이루어진 것이다.
본 발명은 프린트 헤드를 통한 유기 재료의 증착에 관한 것이다.
유기 재료를 이용하는 옵토일렉트로닉 장치는 여러 이유로 점점 바람직한 것이 되고 있다. 이러한 장치를 이용하기 위해 사용되는 재료 중 다수는 비교적 저렴하며, 이에 따라 유기 옵토일렉트로닉 장치는 무기 장치에 대해 비용 면에서 잠재적인 장점을 갖는다. 추가적으로, 유기 재료의 고유의 특성, 즉 유기 재료의 융통성(flexibility) 등의 특성으로 인해 유기 재료는 가요성 기판에서의 구성과 같은 구체적인 용례에서 매우 적합할 수 있다. 유기 옵토일렉트로닉 장치의 예는, 유기 발광 장치(OLED), 유기 광트랜지스터, 유기 광전지 셀, 및 유기 광검출기를 포함한다.
OLED에 대한 더욱 상세한 내용은, 인용함으로써 그 전체 내용이 본 명세서에 포함되는 미국 특허 제7,279,704호에서 확인할 수 있다.
진공 열 기화, 용액 처리, 유기 증기상 증착, 및 유기 증기 제트 프린팅과 같이, 유기 장치를 제작하기 위해 사용되는 유기 재료를 증착하는 다양한 방식이 알려져 있다.
본 발명은 유기 증기 제트 프린팅을 위한 노즐의 기하학적 형상을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일부 양태는 유기 증기 제트 프린팅에 유용한 노즐의 기하학적 형상에 관한 것이다.
일 실시예에 있어서, 제1 장치가 마련된다. 상기 제1 장치는 프린트 헤드를 포함한다. 상기 프린트 헤드는 또한 가스의 제1 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제1 노즐을 포함한다. 상기 제1 노즐은 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수가 0.5 내지 500 미크론인 개구를 갖는다. 개구로부터 제1 노즐 내로의 소정 거리에서, 즉 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 5배의 거리에서, 유동 방향에 수직한 최소 치수는 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 적어도 2배이다.
상기 프린트 헤드는 가스의 제1 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 복수 개의 제1 노즐을 포함할 수 있다.
상기 프린트 헤드는 가스의 제1 소스와는 상이한 가스의 제2 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제2 노즐을 포함할 수 있다. 상기 제2 노즐은 제2 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수가 0.5 내지 500 미크론인 개구를 갖는다. 개구로부터 제2 노즐 내로의 소정 거리에서, 즉 제2 노즐의 개구의 최소 치수의 5배의 거리에서, 유동 방향에 수직한 최소 치수는 제2 노즐의 개구의 최소 치수의 적어도 2배이다.
상기 프린트 헤드는 가스의 제1 소스 및 가스의 제2 소스와는 상이한 가스의 제3 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제3 노즐을 포함할 수 있다. 상기 제3 노즐은 제3 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수가 0.5 내지 500 미크론인 개구를 갖는다. 개구로부터 제3 노즐 내로의 소정 거리에서, 즉 제3 노즐의 개구의 최소 치수의 5배의 거리에서, 유동 방향에 수직한 최소 치수는 제3 노즐의 개구의 최소 치수의 적어도 2배이다.
프린트 헤드는 가스의 제1 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 복수 개의 제1 노즐, 가스의 제2 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 복수 개의 제2 노즐, 및/또는 가스의 제3 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 복수 개의 제3 노즐을 포함할 수 있다.
노즐이 앞서 설명한 기하학적 고려사항을 충족할 수 있도록 하는 다수의 다양한 방법이 존재한다. 제1 노즐은 개구로부터, 개구에서 제1 노즐까지의 소정 거리까지, 즉 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 2배의 거리까지 단면이 일정할 수 있다. 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 제1 노즐의 최소 치수는, 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 0 내지 2배의 범위에 있는 거리에 있어서 제1 노즐의 개구로부터의 거리에 따라 연속적으로 증가할 수 있다. 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 제1 노즐의 최소 치수는, 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 0 내지 2배의 범위에 있는 거리에 있어서 제1 노즐의 개구로부터의 거리에 따라 선형적으로 증가할 수 있다.
노즐은 다양한 재료로 형성될 수 있다. 실리콘이 특히 바람직하다. 금속 및 세라믹도 또한 바람직하다.
제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 제1 노즐의 개구의 최소 치수에 관한 바람직한 범위는, 100 내지 500 미크론, 20 내지 100 미크론, 및 0.5 내지 20 미크론을 포함한다.
제1 노즐의 유동 방향에 수직한 제1 노즐의 단면에 관한 바람직한 형상은 원형 및 직사각형을 포함한다.
제1 장치는 다수의 가스 스트림과 함께 사용될 수 있는데, 이들 가스 스트림은 다양한 유기 재료를 운반할 수 있다. 제1 장치는 바람직하게는 가스의 제1 소스 및 가스의 제2 소스, 그리고 상기 가스의 제1 소스 및 가스의 제2 소스와 프린트 헤드 사이에 배치되는 열 차폐부를 포함한다. 바람직하게는, 프린트 헤드, 가스의 제1 소스 및 가스의 제2 소스 각각을 위해 독립적으로 제어 가능한 열원이 마련된다.
제1 장치는 각각의 가스 스트림에서 다수의 유기 재료를 운반할 수 있는 가스 스트림들과 함께 사용될 수 있는데, 이때 상이한 유기 재료는 독립적인 온도 제어부를 갖는 상이한 챔버에서 승화될 수 있다. 바람직하게는, 가스의 제1 소스는 제1 승화 챔버 및 제2 승화 챔버를 포함한다. 제1 가스 소스는, 가스의 제1 소스와 프린트 헤드 사이에 배치되는 열 차폐부에 의해 프린트 헤드로부터 떨어져 있을 수 있다. 프린트 헤드, 제1 승화 챔버 및 제2 승화 챔버 각각을 위해 독립적으로 제어 가능한 열원이 마련될 수 있다.
제1 장치는 제1 노즐로부터뿐만 아니라 다른 노즐로부터 가스의 제트를 분사하기 위해 사용될 수 있다.
제1 장치가 노즐로부터 가스의 제트를 분사하기 위해 사용되는 동안, 프린트 헤드 및 가스의 제1 소스, 제2 소스 및/또는 제3 소스에서는 상이하고 독립적으로 제어 가능한 온도가 유지될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 가스의 제1 소스에 의해 제공되는 가스는 제1 승화 온도를 갖는 제1 유기 재료를 포함하며, 가스의 제2 소스에 의해 제공되는 가스는 제1 유기 재료의 승화 온도와 적어도 섭씨 10도만큼 상이한 제2 승화 온도를 갖는 제2 유기 재료를 포함한다.
본 발명의 일부 양태는 유기 증기 제트 프린팅에 유용한 미세유체 프린트 헤드(microfluidic print head)에 관한 것이다.
일 실시예에 있어서, 제1 장치가 마련된다. 상기 제1 장치는 프린트 헤드, 이 프린트 헤드에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제1 가스 소스를 포함한다. 상기 프린트 헤드는 또한 복수 개의 개구를 더 포함하는 제1 층을 포함하는데, 각각의 개구는 0.5 내지 500 미크론의 최소 치수를 갖는다. 제2 층은 제1 층에 접합된다. 상기 제2 층은 개구들 중 적어도 하나 그리고 제1 가스 소스와 유체 연통되는 제1 비아를 포함한다. 상기 제2 층은 절연 재료로 제조된다.
제1 장치의 제1 층은, 제1 층의 개구와 제2 층의 제1 비아 사이에서 제1 층 내에서의 유체 연통을 제공하는 채널을 포함할 수 있다. 제1 장치의 제2 층은, 또한 혹은 대신, 제1 층의 개구와 제2 층의 제1 비아 사이에서 제2 층 내에서의 유체 연통을 제공하는 채널을 포함할 수도 있다. 제1 층 및/또는 제2 층은 열원을 더 포함할 수 있다.
제1 장치는, 제1 층과 제2 층 사이에 배치되며 제1 층 및 제2 층에 접합되는 제3 층을 포함할 수 있다. 제3 장치는, 제1 층의 개구와 제2 층의 제1 비아 사이에서 유체 연통을 제공하는 채널을 포함할 수 있다. 제3 층은 열원을 더 포함할 수 있다.
복수 개의 개구는 제1 가스 소스와 유체 연통될 수 있다.
상기 제1 장치는 프린트 헤드에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제2 가스 소스를 더 포함할 수 있다. 제2 층의 제1 비아는 제1 층의 제1 그룹의 개구와 유체 연통될 수 있다. 상기 제2 층은, 제1 층의 제2 그룹의 개구 및 제2 가스 소스와 유체 연통되는 제2 비아를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 장치는 프린트 헤드에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제3 가스 소스를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 층은, 제1 층의 제3 그룹의 개구 및 제3 가스 소스와 유체 연통되는 제3 비아를 더 포함할 수 있다.
제1 가스 소스 또는 임의의 다른 가스 소스와 같은 가스 소스는 다수의 유기 소스를 포함할 수 있다. 다양한 가스 소스에 연결되는 다수의 비아는 동일한 개구와 유체 연통될 수 있으며, 그 결과로서 개구에서 가스의 혼합이 이루어진다. 예를 들면, 제1 비아는 제1 유기 소스와 유체 연통될 수 있는 반면, 제2 비아는 제2 유기 소스와 유체 연통될 수 있다. 제1 비아 및 제2 비아 양자 모두는 제1 층의 제1 그룹의 개구와 유체 연통될 수 있다. 프린트 헤드, 제1 유기 소스 및 제2 유기 소스 각각은 독립적으로 제어 가능한 열원을 갖는다.
제1 장치는 제1 유기 소스에 대한 가스 유동을 제어하기 위한 제1 밸브 및 제2 유기 소스에 대한 가스 유동을 제어하기 위한 제2 밸브를 더 포함할 수 있다. 제1 밸브 및 제2 밸브는 열원으로부터 단열될 수 있다.
제1 층은 바람직하게는 실리콘으로 형성된다.
제1 층은 융해 접합, 냉간 용접, 애노드 접합 및 공융 접합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 접합을 이용하여 제2 층에 접합되는 것이 바람직하다. 프린터 헤드에 제3 층 또는 다른 층과 같이 추가적인 층들이 존재하는 경우, 이들 층은 바람직하게는 전술한 유형의 접합을 이용하여 접합된다. 일 실시예에 있어서, 제1 층 및 제2 층은 애노드 접합을 이용하여 서로에 대해 접합되는 것이 바람직하다. 다른 실시예에 있어서, 제1 층과 제2 층 사이에 제3 층이 배치되는 것이 바람직한데, 제1 층과 제3 층은 공융 접합 또는 융해 접합을 이용하여 접합되며, 제3 층과 제2 층은 바람직하게는 애노드 접합을 이용하여 접합된다.
프린트 헤드는 스위치의 상태에 따라 개구들 중 적어도 하나와 제1 비아 사이에서 유체 연통을 차단 또는 허용하도록 되어 있는 미세 전자 기계식 스위치를 더 포함할 수 있다.
적어도 하나의 개구가 프린트 헤드로부터의 돌출부에 형성될 수 있다.
프린트 헤드의 두께는 바람직하게는 50 내지 500 미트론 사이이다.
본 발명에 따르면, 유기 증기 제트 프린팅을 위한 노즐의 기하학적 형상을 얻을 수 있다.
도 1은 노즐의 4가지 상이한 기하학적 형상의 단면을 도시한 것이다.
도 2는 가스 유동에 수직한 방향으로 취한, 노즐의 4가지 상이한 기하학적 형상의 단면을 도시한 것이다.
도 3은 OVJP 프린트 헤드 및 장착부의 사시도를 도시한 것이다.
도 4는 프린트 헤드의 분해도를 도시한 것이다.
도 5는 프린트 헤드의 부품 사진을 도시한 것이다.
도 6은 채널 및 비아를 포함하는 마스크의 푸르프(proof)를 도시한 것이다.
도 7은 실제로 제조된 직사각형 노즐의 단면뿐만 아니라 Si 내로 에칭된 노즐 유입구의 주사 전자 현미경 사진을 도시한 것이다.
도 8은 완성된 프린트 헤드의 노즐측 사진뿐만 아니라 노즐 어레이(802)의 일부의 주사 전자 현미경 사진(SEM) 및 노즐 개구의 SEM을 도시한 것이다.
도 9는 모델링된 증착 프로파일을 도시한 것이다.
도 10은 모델링된 압력 프로파일 및 온도 프로파일을 도시한 것이다.
도 11은 노즐 어레이의 회로 분석에 사용되는 모델을 도시한 것이다. 유체 저항이 평가되었으며 어레이에 있는 모든 노즐에 대해 증기의 균일한 분포가 입증되었다.
도 12는 20 mm 폭의 노즐 부근에서 모델링된 열 전달 프로파일을 도시한 것이다.
도 13은 온도에 따른 외측 림에 대한 웨이퍼 중앙 높이에 관한 그래프뿐만 아니라 데이터를 획득하기 위해 사용되는 설비(setup)의 개략도를 도시한 것이다.
도 14는 ITO 타겟 상에서 PhilTech RZ-25 변위 센서의 보정(Calibration)을 위한 변위 대 전압의 그래프를 도시한 것이다.
도 15는 마이크로제조를 위해 실리콘 및 보로실리케이트 웨이퍼를 준비하기 위한 처리 흐름을 도시한 것이다.
도 16은 프린트 헤드를 제조하기 위해 사용되는 Si 및 보로실리케이트 처리 단계를 도시한 것이다.
도 17은 OVJP 피드스루(feedthrough)의 분해도를 도시한 것이다.
도 18은 정렬 광학계 및 높이 센서가 설치된 상태의 OVJP 시스템의 구성을 도시한 것이다.
도 19는 OVJP 프린트 헤드를 이용하여 그려진, AlQ, 즉 알루미늄 트리스(퀴놀린-8-올레이트)[Aluminum tris(quinoline-8-olate)]의 두께가 35 nm인 라인의 광학 현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 20은 OVJP 프린트 헤드를 이용하여 그려진 AlQ의 두께가 35 nm인 라인의 SEM 이미지를 도시한 것이다.
도 21은 OVJP 프린트 헤드를 이용하여 그려진 35 nm 두께의 AlQ 라인의 원자력 현미경 이미지를 도시한 것이다.
도 22는 OVJP 프린트 헤드를 이용하여 그려진, 재료의 두꺼운 라인의 광학 현미경 이미지 및 프로필로미터 이미지를 도시한 것이다.
도 23은 OVJP 프린트 헤드를 이용하여 그려진 AlQ 라인의 라인스캔 데이터를 나타낸 것이다.
도 24는 OVJP 프린트 헤드를 이용하여 그려진 라인의 공초점 에피플로우레슨스 현미경 사진(confocal epifluorescence micrograph)을 나타낸 것이다.
고해상도 디스플레이의 픽셀은 폭이 약 30 미크론인 패턴화된 적색, 녹색 및 청색 스트라이프(stripes)로 이루어질 수 있다. 다양한 색상 스트라이프의 에지는 겨우 10 미크론만큼 떨어져 있을 수 있다. 유기 픽셀에 있어서, 상기 패턴은 오버스프레이(overspray)로 인한 재료의 의도치 않은 중첩을 방지하기 위해 약 5 미크론의 샤프니스(sharpness)를 갖는 것이 바람직하다. 이들 치수는 유기 트랜지스터 또는 다른 장치와 같은 다른 유기 장치에도 역시 유용할 수 있다.
고해상도 디스플레이 또는 유기 재료를 이용하는 다른 장치에서 사용하기 위해 유기 재료를 증착하는 한 가지 방법은, 유기 증기 제트 증착(OVJP;Organic Vapor Jet Deposition)이다. 실용적인 디스플레이 제작 기술이 되도록 하기 위해서, 바람직하게는 유기 증기 제트 프린팅에 의해 유기 박막이 5 미크론의 샤프니스로 패턴화될 수 있다. OVJP 과정이 다수의 라인을 동시에 증착할 수 있다는 것은 또한 바람직하다. 다수의 노즐은 다수의 라인을 동시에 증착하는 것을 달성하는 한 가지 방법이다.
DSMC(Direct Simulation Monte Carlo) 기법을 이용하여 30 미크론인 스케일 피쳐(feature)에 대한 유기 증기 제트 프린팅 과정을 모델링함으로써, 노즐 개구 폭이 20 미크론이라고 가정할 때, 원하는 피쳐 샤프니스를 달성하기 위해 5 미크론 미만의 노즐 개구 대 기판 분리가 요구된다는 것이 밝혀졌다. 이러한 평가는 이전의 OVJP 연구에서 관찰된 경험칙(a rule of thumb)에 의해, 즉 프린팅 해상도가 노즐 대 기판 분리에 따라 비례(scaling)한다는 경험칙에 의해 뒷받침된다.
그러나, 이전의 기법은 당연히 5 미크론의 기판 내에서 작동하도록 설계된 20 미크론 노즐의 어레이를 생산하도록 되어 있지 않다. 첫째로, 광학적으로 평평한 기판과 조화를 이루는 높이 공차를 갖는 노즐 플레이트는, 가능한 최대로 양호한 높이 공차을 제공하기 위해, 이러한 치수에서 타당한 개수의 동시 증착 라인들을 가로질러 작동하기에 바람직하다. 이전의 기법은 당연히 이러한 노즐 플레이트를 제공하도록 되어 있지 않을 수 있다. 다수의 노즐의 어레이에 대해서, 바람직하게는 비교적 넓은 영역에 걸쳐 편평도가 유지된다. 둘째로, OVJP 동안 노즐 플레이트를 고온으로 유지하는 것이 바람직하며, 이에 따라 최대 섭씨 300도까지 그 강성을 유지하는 재료가 바람직하다. 추가적으로, 열 팽창은 이러한 타이트한 공차를 유지하는 것에 방해가 될 수 있으며, 이에 따라 열 팽창에 견디는 재료 또는 열 팽창의 결과로서 변형을 초래하지 않는 재료가 바람직하다. 마지막으로, 노즐-기판 시스템의 가스 동특성은 3차원 구조가 바람직하다는 것을 의미한다.
실리콘 미세기계가공 또는 보다 일반적으로는 반도체 미세기계가공은, 이러한 요구의 세부사항을 충족시킬 방법을 제공한다. 제작 단계들은 고도로 연마된 웨이퍼에서 행해질 수 있고, 이에 따라 높이 변동을 없앤다. Si/SiO2 시스템은 유기 증기 증착을 위해 적용 가능한 온도 범위에 걸쳐 안정하다. 실리콘은 또한 대부분의 금속보다 열 팽창 계수가 훨씬 낮다. 테이퍼진 노즐은 이방성 에천트(etchants)를 이용하여 제작될 수 있고, 다층 구조는 웨이퍼 접합 기법 및 SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼를 이용하여 제작될 수 있다. 이러한 기법은 미세유체 분야에서 잘 발달되어 왔다. 미세유체공학은, 액체 및 증기 전달 시스템에 미세제작 기법을 적용하는 것이며 잉크젯 프린팅의 분야에서 사용되어 왔다. 유사한 기법이 또한 금속 및 세라믹에 적용될 수 있다.
외부 계와 미세제작된 장치의 경계면 형성은 추가적인 문제를 발생시킨다. OVJP의 경우에 있어서, 섭씨 300 도를 넘는 온도에서 작동시키고자 하면, 다수의 다른 분야에서 나타나지 않았던 훨씬 더 많은 문제를 발생시킨다. OVJP 시스템은 사용자 편의적인 증기 발생 시스템을 구비할 수 있으며, 이는 내구성이 있고 거시적인 구조에 유기 재료가 보관된다는 것을 의미한다. 이는, 또한, 비교적 대형인 보어 금속 튜브를 이용하여 유기 증기가 프린트 헤드에 전달될 수 있다는 것을 의미한다. 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 적절히 선택된 중간 재료를 이용하면, 금속 매니폴드와 실리콘 노즐 플레이트 사이에 베이킹(baking) 가능한 기밀 시일이 마련될 수 있다는 것을 입증할 수 있었다.
본 발명의 일부 양태는 유기 증기 제트 프린팅에 유용한 노즐 기하학적 형상에 관한 것이다.
일 실시예에서는, 제1 장치가 마련된다. 상기 제1 장치는 프린트 헤드를 포함한다. 상기 프린트 헤드는 또한 가스의 제1 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제1 노즐을 포함한다. 상기 제1 노즐은 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수가 0.5 내지 500 미크론인 개구를 갖는다. 개구로부터 제1 노즐 내로의 소정 거리에서, 즉 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 5배의 거리에서, 유동 방향에 수직한 최소 치수는 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 적어도 2배이다.
도 1은 이전 단락에서 참고한 치수뿐만 아니라, 기준을 충족하는 일부 기하학적 형상을 제시한 것이다. 본 출원 전체에 걸쳐 도면은 반드시 축적에 맞춰 도시되어 있는 것은 아니다. 도 1은 4개의 상이한 노즐 기하학적 형상의 단면으로서, 노즐에서의 가스 유동에 평행한 방향으로 그리고 또한 노즐 개구에서 최소 치수를 나타내는 방향으로 취한 단면을 도시한 것이다. 각각의 기하학적 형상에 있어서, 개구는 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수(101)를 갖는다. "개구"는 상기 최소 치수가 최소가 되는 지점에 의해, 즉 노즐을 통한 가스 유동이 가장 억제되는 지점에 의해 정의된다. 각각의 노즐은 또한 개구로부터 노즐 내로의 소정 거리(102), 즉 개구의 최소 치수의 5배인 거리를 갖는다. 각각의 노즐은 또한 개구로부터 제1 노즐 내로 소정 거리(102)에서 유동 방향에 수직인 최소 치수인 치수(103)를 갖는다. 도시된 바와 같이, 치수(103)는 치수(101)의 적어도 2배이다. 노즐(110)은 개구에서의 소정 지점에 도달하는 경사진 면을 갖는다. 노즐(120)은 노즐의 넓은 부분에 대해 경사진 면을 갖지만, 이 면은 개구에서의 작은 거리에 대해서는 수직이다. 노즐의 유동 방향으로 유한한 거리가 주어지고 이에 걸쳐 최소 치수가 최소가 되는 경우에 있어서, "개구"는 최소 치수가 최소일 때 기판에 가장 근접한 지점이 된다. 노즐(120)은 노즐(110)보다 일관된 개구 크기로 제작하기에 더욱 용이할 수 있는 더 양호한 기계적 강도를 가질 수 있다. 노즐(130)은 소정 지점에 도달하는 경사진 면을 갖지만, 노즐(130)의 하부에 도달하기 이전에 약간 넓게 벌어진다. 개구가 반드시 기판에 가장 근접한 노즐의 지점에 있지 않은 것인 노즐(130)이 도시되어 있다. 노즐(140)은 수직 면을 갖는데, 이는 노즐을 빠져나가는 가스 유동과 똑같이 즉시 급격하게 좁아진다. 다른 노즐 기하학적 형상도 또한 앞선 단락의 기준을 충족시킬 수 있다.
도 2는 가스 유동에 수직한 방향으로 개구에서 취한 4가지 상이한 노즐 기하학적 형상의 단면을 도시한 것이다. 도 2에서 노즐 단면을 취한 노즐은 반드시 도 1의 노즐에 대응되어야 하는 것은 아니다. 각각의 개구에서의 화살표는 개구의 "최소 치수"를 나타낸다. 수학적으로 표현하면, 최소 치수에서, 화살표 길이는 국지적인 최대값(원, 타원 및 삼각형의 경우)이거나 또는 화살표에 수직한 방향으로 전체 화살표가 평행이동하는 것에 대해 일정하며(직사각형의 경우), 상기 "최소" 치수는 최소 치수의 국지적인 최대값이거나 "최소 치수"인 지점에서 일정하다. 도 2는 각각 원형, 타원형, 직사각형 및 삼각형 단면을 갖는 개구(210, 220, 230 및 240)의 단면을 도시한 것이다. 직사각형 개구는 라인을 증착하기 위한 가장 바람직한 형상이며, 또한 실리콘에 에칭된 노즐에서 획득하기에 비교적 용이한 형상이다. 그러나, 다른 형상이 사용될 수도 있다.
상기 프린트 헤드는 가스의 제1 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 복수 개의 제1 노즐을 포함할 수 있다.
상기 프린트 헤드는 가스의 제1 소스와는 상이한 가스의 제2 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제2 노즐을 포함할 수 있다. 상기 제2 노즐은 제2 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수가 0.5 내지 500 미크론인 개구를 갖는다. 개구로부터 제2 노즐 내로의 소정 거리에서, 즉 제2 노즐의 개구의 최소 치수의 5배의 거리에서, 유동 방향에 수직한 최소 치수는 제2 노즐의 개구의 최소 치수의 적어도 2배이다.
상기 프린트 헤드는 가스의 제1 소스 및 가스의 제2 소스와는 상이한 가스의 제3 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제3 노즐을 포함할 수 있다. 상기 제3 노즐은 제3 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수가 0.5 내지 500 미크론인 개구를 갖는다. 개구로부터 제3 노즐 내로의 소정 거리에서, 즉 제3 노즐의 개구의 최소 치수의 5배의 거리에서, 유동 방향에 수직한 최소 치수는 제3 노즐의 개구의 최소 치수의 적어도 2배이다.
프린트 헤드는 가스의 제1 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 복수 개의 제1 노즐, 가스의 제2 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 복수 개의 제2 노즐, 및/또는 가스의 제3 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 복수 개의 제3 노즐을 포함할 수 있다.
노즐이 전술한 기하학적 고려사항을 충족할 수 있도록 하는 다양한 다수의 방식이 존재한다. 제1 노즐은 개구로부터 제1 노즐 내로 소정 거리까지, 즉 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 2배만큼의 거리까지 개구로부터 일정한 단면을 가질 수 있다. 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 제1 노즐의 최소 치수는, 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 0 내지 2배의 범위에 있는 거리에 있어서, 제1 노즐의 개구로부터 거리에 따라 연속적으로 증가할 수 있다. 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 제1 노즐의 최소 치수는, 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 0 내지 2배의 범위에 있는 거리에 있어서, 제1 노즐의 개구로부터 거리에 따라 선형적으로 증가할 수 있다.
노즐은 다양한 재료로 형성될 수 있다. 실리콘이 바람직하다.
제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 제1 노즐의 개구의 최소 치수에 대한 바람직한 범위는, 100 내지 500 미크론, 20 내지 100 미크론, 및 0.5 내지 20 미크론을 포함한다.
제1 노즐의 유동 방향에 수직한 제1 노즐의 단면에 대한 바람직한 형상은, 원형 및 직사각형을 포함한다.
제1 장치는 다수의 가스 스트림과 함께 사용될 수 있는데, 상기 가스 스트림은 다양한 유기 재료를 운반할 수 있다. 제1 장치는 바람직하게는 가스의 제1 소스 및 가스의 제2 소스, 그리고 상기 가스의 제1 소스 및 가스의 제2 소스와 프린트 헤드 사이에 배치되는 열 차폐부를 포함한다. 바람직하게는, 프린트 헤드, 가스의 제1 소스 및 가스의 제2 소스 각각을 위해 독립적으로 제어 가능한 열원이 마련된다.
제1 장치는 각각의 가스 스트림에서 다수의 유기 재료를 운반할 수 있는 것인 가스 스트림과 함께 사용될 수 있고, 이때 다양한 유기 재료는 독립적으로 온도가 제어되는 다양한 챔버에서 승화될 수 있다. 바람직하게는, 가스의 제1 소스는 제1 승화 챔버 및 제2 승화 챔버를 포함한다. 제1 가스 소스는, 가스의 제1 소스와 프린트 헤드 사이에 배치되는 열 차폐부에 의해 프린트 헤드로부터 떨어져 있을 수 있다. 프린트 헤드, 제1 승화 챔버 및 제2 승화 챔버 각각을 위해 독립적으로 제어 가능한 열원이 마련될 수 있다. 다양한 열원이 사용될 수 있다. 예를 들면, 프린트 헤드의 표면에서 저항판(resistive plate)이 사용될 수도 있고, 예컨대 프린트 헤드의 하나 이상의 층에 매립되는 저항 요소로서 프린트 헤드의 층에 열원이 통합될 수도 있다.
제1 장치는 제1 노즐뿐만 아니라 다른 노즐로부터 가스의 제트를 분사키기 위해 사용될 수 있다.
제1 장치가 노즐로부터 가스의 제트를 분사하기 위해 사용되는 동안, 상이하고 독립적으로 제어 가능한 온도가 프린트 헤드, 가스의 제1 소스, 가스의 제2 소스 및/또는 가스의 제3 소스에서 유지될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 가스의 제1 소스에 의해 제공되는 가스는 제1 승화 온도를 갖는 제1 유기 재료를 포함하며, 가스의 제2 소스에 의헤 제공되는 가스는 제1 유기 재료의 승화 온도와 적어도 섭씨 10도만큼 상이한 제2 승화 온도를 갖는 제2 유기 재료를 포함한다. 이러한 승화 온도의 차이는, 본 발명의 실시예가 다른 구조를 훨씬 더 용이하게 수용할 수 있으면서도 본 발명의 실시예의 다른 양태를 이용할 필요가 없도록 하는 특징이다. 예를 들면, 개별 소스는, 승화 온도가 유사하거나 상이할 때 재료의 혼합이 연속적으로 변경되도록 해준다.
본 발명의 일부 양태는 유기 증기 제트 프린팅에 유용한 미세유체 프린트 헤드에 관한 것이다.
제1 장치는 제1 유기 소스에 대한 가스 유동을 제어하는 제1 밸브 및 제2 유기 소스에 대한 가스 유동을 제어하는 제2 밸브를 더 포함할 수 있다. 제1 밸브 및 제2 밸브는 열원으로부터 단열될 수 있다.
제1 층은 바람직하게는 실리콘으로 형성될 수 있다.
제1 층은 바람직하게는 융해 접합, 냉간 용접, 애노드 접합 및 공융 접합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 접합을 이용하여 제2 층에 접합될 수 있다. 프린터 헤드에 제3 층 또는 다른 층과 같은 추가적인 층들이 존재하는 경우, 이들 층은 바람직하게는 전술한 유형의 접합을 이용하여 접합된다. 일 실시예에 있어서, 제1 층 및 제2 층은 애노드 접합을 이용하여 서로에 대해 접합되는 것이 바람직하다. 다른 실시예에 있어서, 제1 층과 제2 층 사이에 제3 층이 배치되는 것이 바람직한데, 제1 층과 제3 층은 공융 접합 또는 융해 접합을 이용하여 접합되며, 제3 층과 제2 층은 바람직하게는 애노드 접합을 이용하여 접합된다.
프린트 헤드는, 스위치의 상태에 따라 개구들 중 적어도 하나와 제1 비아 사이의 유체 연통을 차단 또는 허용하도록 되어 있는 미세전자기계 스위치를 더 포함할 수 있다.
적어도 하나의 개구는 프린트 헤드로부터의 돌출부에 형성될 수 있다.
프린트 헤드의 두께는 바람직하게는 50 내지 500 미크론 사이이다. 프린트 헤드의 두께는 노즐을 포함하는 제1 층으로부터 비아를 포함하는 제2 층을 통해 이 층을 비롯하여 모든 층을 포함한다.
일 실시예에서는, 유기 증기 제트 증착 시스템(300)이 마련된다. 도 3은 프린트 헤드(310) 및 장착부를 포함하는 OVJP 시스템(300)의 개략적인 도면을 도시한 것이다. 시스템(300)을 실제로 제조하고 작동하였다. 시스템(300)은 유동 채널 및 노즐 어레이를 포함하는 프린트 헤드(310)를 포함하는데, 이는 도 4 내지 도 6에 더욱 상세하게 도시되어 있다. 6개의 유기 증기 소스(320)(또한 "가스 소스"라고 함)는, 이때 프린트 헤드에 밀폐 가능하게 밀봉되는 매니폴드(330)에 용접된다. 증기 소스를 위한 하나의 구조가 도 17에 더욱 상세하게 도시되어 있다. 매니폴드(330)는 바람직하게는 프린트 헤드 작동 온도에서 그 형상을 유지하는 코바아 제어 팽창 강(Kovar controlled expansion steel)과 같은 재료로부터 제작된다. 프린트 헤드(310)는 매니폴드(330)에 클램핑될 수 있고, 고온 과불화 탄성체 개스킷을 이용하여 밀봉되어, 프린트 헤드(310)와 유기 증기 소스(320) 사이에 밀폐식 밀봉을 달성한다. 코바아 백플레이트(Kovar backplate)에 대한 프린트 헤드의 애노드 접합과 같이 밀폐식 밀봉을 달성하는 다른 방법이 또한 사용될 수 있다. 유기 재료는 코바아 매니폴드에 레이저 용접되는 가열 튜브 내에 수용되는데, 이는 도 17에서 더 잘 볼 수 있다. 유기 증기 소스(320)는 유기 소스 셀을 둘러싸는 가열 튜브를 포함한다. 이러한 조립체는, 구조 부재 및 가스 피드스루 양자 모두로서 기능하는 8인치 초고진공용 플랜지(Conflat flange)[매니폴드(330)]에 고정된다. 용접된 스테인레스 강 벨로우즈(340)를 통해 매니폴드(330) 상의 포트에 증기 생성기가 연결된다. 벨로우즈(340)는 팽창 조인트로서 작용한다. 유기 증기 소스(320)는 가열될 때 팽창하기 때문에, 프린트 헤드(310)에 전달될 수 있고 프린트 헤드를 변형시킬 수 있는 열 응력을 방지하기 위해 매니폴드(330)과 증기 생성기(320) 사이에 있는 가요성 커플링이 바람직하다.
증기 생성기(320), 벨로우즈(340), 매니폴드(330) 및 관련된 피팅은 매니폴드(330)의 상부로부터 프린트 헤드(310)까지 연장되는 투명한 0.3 인치 내경의 도관을 형성한다. 유기 재료는 유리 로드의 단부에서 배기되는 캡슐에 배치되고 도관 내로 삽입된다. 로드가 삽입될 때, 로드가 수용하는 유기 재료는 가열된 증기 생성기 내부에 위치하게 된다. 도관의 상부는 이때 스웨이지락 울트라 토르 피팅(Swagelok Ultra Torr Fitting)을 이용하여 유리 로드의 외경에 대해 밀봉된다. 유리 로드의 내경을 통해 장착되는 열전쌍은 증기 생성기 내부의 온도 판독값을 제공한다. 캐리어 가스는, 피드스루와 스웨이지락 울트라 토르 피팅 사이에서 보어가 형성된 스루 티 어댑터(through tee adaptor)를 통해 도관 내로 공급된다. 이들 특징은 도 17에서 더욱 명확하게 볼 수 있다.
도 4는 프린트 헤드의 분해도를 도시한 것이다. 프린트 헤드의 제1 층(410)은 복수 개의 개구를 포함하는데, 상기 개구는 도 1 및 도 2에 대해 설명한 치수를 갖는다. 제1 층(410)은 바람직하게는 실리콘으로 제조되며, 이는 용이하게 패턴화될 수 있어서, 예컨대 반도체 처리와 관련하여 개발된 공지 기술을 이용하는 바람직한 노즐 기하학적 형상을 포함한다. 제1 층(410)은, 개구를 가지며 패턴화된 복수 개의 노즐(415)을 포함한다. 제1 층(410)은 제2 층(420)에 접합된다. 바람직한 접합 방법은 융해 접합, 애노드 접합, 냉간 접합 및 공융 접합을 포함한다. 제2 층(420)은 바람직하게는 단열 재료로 제조되어 가스 소스로부터의 열 전도를 제한하며 제1 층(410)의 온도가 가스 소스의 온도와는 독립적으로 제어될 수 있도록 한다. 제2 층(420)은 제1 층(410)에 접합된다. 제2 층(420)은 노즐(415)과 유체 연통되는 비아(422)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 제2 층(420) 내로 에칭된 채널(424)은 비아(422)와 노즐(415) 사이에 유체 연통을 제공한다. 옴 접촉부(Ohmic contacts; 440)는 제1 층(410)의 전방에 걸쳐 증착되어 노즐 플레이트가 가열 전류에 의해 어드레드(address)되도록 해준다.
증착 시스템의 일부로서 실제로 제작되고 사용되는 프린트 헤드에 있어서, 제1 층(410)은 실리콘 웨이퍼이었으며, 제2 층(420)은 보로실리케이트 웨이퍼이었고, 2개의 층은 애노드 접합을 통해 접합되었다. 도 5는 실제 제작되었던 제1 층(510) 및 제2 층(520)의 사진을 도시한 것이다.
제1 층(410)은, 제2 층(420)에서의 채널 대신 또는 이 채널에 추가하여 노즐(415)과 비아(422) 사이에서 제1 층 내에 유체 연통을 제공하는 채널을 포함할 수 있다. 제1 층(410)은 가열 접촉부(440)와 같은 열원을 더 포함할 수 있다.
제3 층(도시되어 있지 않음)은 제1 층(410)과 제2 층(420) 사이에 배치될 수 있으며 제1 층(410) 및 제2 층(420)에 접합될 수 있다. 바람직한 접합 방법은 앞선 단락에서 설명된 바와 같다. 이러한 상황에 있어서, 제1 층(410)은 제2 층(420)에 "접합된" 것으로 간주된다. 제3 층은, 제1 층(410) 및/또는 제2 층(420)에서의 채널 대신 또는 이 채널에 추가하여 노즐(415)과 비아(422) 사이에 유체 연통을 제공하는 채널을 포함할 수 있다. 제3 층은 열원을 더 포함할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 복수 개의 노즐(415)이 제1 가스 소스와 같은 단일 가스 소스와 유체 연통될 수 있다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 복수 개의 노즐에 비아를 연결하는 채널을 구비하는 것이다.
도 6은 비아(620) 및 채널(610)을 포함하는 마스크(600)의 프루프를 도시한 것이다. 도 6의 구조는, 예컨대 보로실리케이트 웨이퍼에 적용될 수 있고 도 4의 제2 층(420)으로서 사용될 수 있다. 응력을 감소시키기 위해 예리한 각도를 피한다. 채널(610)은 응력 집중을 더욱 감소시키기 위해 반경방향으로 배향되고 주어진 완만한 곡률를 갖는다. 채널(610)은 3개의 유체 회로를 형성한다. 회로(612)는 공통 호스트에서의 2가지 상이한 도펀트가 개별 노즐 어레이에 공급되도록 해준다. 회로(614)는 호스트 및 도펀트 재료가 노즐 어레이로부터 분사되기 이전에 혼합되도록 해준다. 회로(616)는 단일 소스로부터 노즐 어레이에 재료를 공급한다.
도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 다수의 가스 소스가 프린트 헤드에 밀폐 가능하게 밀봉될 수 있다. 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 채널은 다수의 소스로부터 다양하고 광범위한 방식으로 가스를 라우팅(routing)하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 프린트 헤드에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제1 가스 소스 및 제2 가스 소스, 또는 제1 가스 소스, 제2 가스 소스 및 제3 가스 소스는, 각각 그 해당 개별 노즐 어레이에 유체 연통될 수 있다. 이는, 예컨대 도 6의 구조가 회로(616)와 유사한 3개의 회로를 포함하도록 조정되는 경우에 구현된다. 이러한 상황에 있어서, 상기 제1 장치는 프린트 헤드에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제2 가스 소스를 더 포함할 수 있다. 제2 층의 제1 비아는 제1 층의 제1 그룹의 개구와 유체 연통될 수 있다. 상기 제2 층은, 제1 층의 제2 그룹의 개구 및 제2 가스 소스와 유체 연통되는 제2 비아를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 장치는 프린트 헤드에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제3 가스 소스를 더 포함할 수 있다. 상기 제2 층은, 제1 층의 제3 그룹의 개구 및 제3 가스 소스와 유체 연통되는 제3 비아를 더 포함할 수 있다.
상이한 가스 소스에 연결되는 다수의 비아는 동일한 개구와 유체 연통될 수 있고, 그 결과로서 개구에서 가스의 혼합이 이루어진다. 상이한 소스로부터의 한 가지, 두 가지, 세 가지 또는 그 이상의 가스는, 회로(612, 614, 및 616)에 의해 도시된 바와 같이 이러한 방식으로 혼합될 수 있다. 예를 들면, 제1 비아는 제1 유기 소스와 유체 연통될 수 있는 반면, 제2 비아는 제2 유기 소스와 유체 연통될 수 있다. 제1 비아 및 제2 비아 양자 모두는 제1 층의 제1 그룹의 개구와 유체 연통될 수 있다. 프린트 헤드, 제1 유기 소스 및 제2 유기 소스 각각은 독립적으로 제어 가능한 열원을 갖는다.
프린트 헤드에 있는 회로에서 상이한 소스로부터의 가스를 혼합하는 것 이외에도, 제1 가스 소스 또는 임의의 다른 가스 소스와 같은 가스 소스는, 동일한 기화 챔버 또는 상이한 기화 챔버로부터의 다수의 유기 재료를 포함할 수 있다. 그러나, 프린트 헤드에서의 혼합은, 유기 재료가 승화되는 각각의 챔버에서의 온도 및 가스 유동과 같이 개별적으로 제어되는 파라메터의 관점에서 최대의 융통성을 허용한다. 이는, 예컨대 두 가지 유기 재료가 현저하게 상이한 승화 온도를 갖는 경우에 매우 바람직할 수 있다. 승화의 속도는 더욱 용이하게 제어될 수 있다. 추가적으로, 승화 온도가 크게 상이한 경우, 하나의 재료를 승화시키기에 바람직한 온도는 다른 재료에는 적절하지 않을 수 있다.
도 7은 실제로 제작되었던 직사각형 노즐(740)의 단면(700)을 도시한 것이다. 노즐(740)은 실리콘으로 제조된 제1 층(710)에 제작되었다. 제1 층(710)을 생성하기 위해 사용되는 실리콘 웨이퍼는 50 미크론보다 두껍게 시작되어 돌출부를 허용하지만 최종 두께는 50 미크론이다. 노즐(740)은 제1 층(710)으로부터의 돌출부(720)에 위치하는 개구(730)를 갖는다. 개구(730)는 20 미크론의 최소 치수를 갖는다. 돌출부(720)는 제1 층(710)으로부터 50 미크론만큼 돌출된다. 노즐(740)은, 노즐-기판 분리 거리가 약 5 미크론이 되도록 하기 위해 기판에 근접하게 사용되도록 의도된다. 돌출부(720)는 노즐로부터 방출되는 가스가 제1 층(710)의 에지까지 항상 5 미크론 두께의 공간을 통과하여 이동할 필요 없이 빠져나가도록 해준다. 제1 층(710)과 노즐 벽 사이의 각도는 54.74도이며, 이는, KOH에 의한 Si의 <100> 평면의 선택적 에칭을 수반하는 공지된 실리콘 에칭 기술을 이용하여 용이하게 달성된다. 도 7은 또한 주사 전자 현미경 아래에서 본, Si 내로 에칭된 노즐 유입구를 나타내는 이미지(750)를 도시한 것이다.
도 8은 완성된 프린트 헤드의 노즐 측의 사진(800)을 도시한 것이다. 노즐 어레이(802)는 사진의 중앙에 높은 종횡비의 직사각형으로 된 어레이이다. 범퍼(804)가 어두운 정사각형으로 표시되어 있다. 범퍼가 클수록 노즐 어레이로부터 멀리 위치하게 되는 반면, 범퍼가 작을수록 노즐 어레이(802) 부근에 위치하고 노즐 어레이와 함께 산재되어 있게 된다. 범퍼(804)는 증착 동안 원하는 기판-노즐 분리를 유지하는 데 도움이 된다. 범퍼(804)는 실험실 차원에서는 유용하지만, 상업적인 실시예에서는 존재할 수도 있고 존재하지 않을 수도 있다. 변위 센서 윈도우(806)가 또한 도시되어 있다. 변위 센서 윈도우(806)는, 노즐이 사용 중일 때 기판을 볼 수 있는 방법 그리고 예컨대 기판/노즐 분리를 측정하는 방법 또는 정렬 마크 혹은 기판 상의 다른 피쳐에 기초하여 노즐을 위치설정하는 방법을 제공한다. 도 8은 또한 노즐 어레이(802)의 일부의 주사 전자 현미경 사진(SEM; Scanning Electron Microscoph)(820)을 도시한 것이다. 도 8은 또한 노즐 어레이(802)의 노즐 개구의 SEM을 도시한 것이다.
도 5 내지 도 8에 제시되고 사진으로 나타낸 구조를 실제로 제작하였다. 프린트 헤드는 2개의 접합된 웨이퍼(제1 층 및 제2 층)으로 이루어진다. 하부 대부분의 웨이퍼는 노즐 플레이트이며, 이는 100 미크론 두께의 실리콘이었고, 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 총 128개의 노즐이 노즐 플레이트에 에칭되어 있다. 노즐은, 좁은 라인을 생성하도록 기판의 이동 방향에 대응하는 종축을 갖고 치수가 20 미크론 × 200 미크론인 하부 개구를 갖는다. 이들 개구의 최소 치수는 20 미크론이다. 노즐은 32씩 4개의 뱅크에 배치되며, 일부 뱅크는 각각 나란히 여러 개의 줄을 프린트할 수 있도록 서로에 대해 오프셋되어 있다. 각각의 뱅크는 동시에 상이한 유기 증기 조제물을 증착시킬 수 있다. 이방성 에칭은 유출구보다 훨씬 넓은 노즐 유입구를 생성한다. 프린트 헤드의 하면, 즉 기판을 향하는 면은, 노즐 선단부 및 다른 특징부가 웨이퍼 표면 너머로 상승되도록 다시 에칭된다. 상승된 노즐 선단부는, 노즐이 기판에 가까이 다가가도록 하는 반면 여전히 캐리어 가스가 프린트 헤드와 기판 사이의 간격에서 용이하게 방출되도록 해준다. 노즐 주위의 융기된 범퍼의 네트워크는 기판에 대한 충돌로부터 노즐 선단부를 보호한다. 노즐 플레이트는 광학 윈도우와 함께 포트를 형성하여 광학 변위 센서의 병합을 통해 기판에 대한 위치를 측정하도록 해준다.
도 5 및 도 6에 도시된 채널 및 절연 층(제2 층)은 500 미크론 두께의 보로실리케이트 유리로 제조된다. 노즐에는, 노즐 플레이트를 향하는 유리 웨이퍼의 측부 내로 에칭되는 100 내지 200 미크론 깊이의 유체 채널이 마련된다. 이들 채널은 웨이퍼의 두께부를 통해 연장되는 비아를 통해 마련된다. 채널 층 및 절연 층이 접합되어 있을 때, 3개 유체의 독립적인 유체 회로의 세트가 형성된다. 증기는 6개 비아 중 임의의 비아를 통해 공급될 수 있으며, 회로 레이아웃에 의해 지시된 바와 같이 노즐로부터 나올 수 있다.
도 5 내지 도 8에 도시된 프린트 헤드는 도 3에 도시된 바와 같이 유기 증기 제트 프린팅 시스템(300)에 통합되었다. 도 3과 관련하여 설명한 바와 같이, 프린트 헤드는 코바아 매니폴드 상에 안착한다. 이는 통상의 컷 러버 개스킷(cut rubber gasket)을 이용하여 매니폴드에 밀봉되며 스테인레스 강 및 인코넬 클램프(Inconel clamp)를 이용하여 적소에 유지된다. Kalrez와 같은 고온 고무가 개스킷을 위해 사용될 수 있다. 프린트 헤드를 코바아 백플레인(Kovar backplane)에 대해 애노드 접합하는 것과 같은 다른 패키징 전략이 사용될 수 있다. 금속 백플레인은 프린트 헤드에 대해 더욱 강건한 밀봉 표면을 제공할 것으로 판단된다.
기판 간격에 대한 노즐 및 프린트 헤드의 효과는 수학적으로 모델링될 수 있다. 프린트 헤드를 통한 기판 간격으로의 캐리어 가스의 유동은, 비압축성 점성 유동에 대한 주유 근사(lubrication approximation)를 이용하여 모델링될 수 있다. 반경방향이 아닌 모든 유동의 성분은 무시된다. 유동을 정의하는 특성 길이는 기판 간격에 대한 프린트 헤드의 거리, 즉 h이다. 이러한 길이에 걸친 압력 변동은 무시 가능하며, 반경방향 치수에 걸친 가스 팽창은 이상 기체 법칙을 이용하여 근사될 수 있다. 증기 유동의 평균 속도는 수학식 Ⅱ.A.1에 의해 제시된다. μ는 점도, P는 압력, T는 온도, R은 이상 기체 상수, r은 반경, 그리고 J는 몰 유량이다.
[수학식 Ⅱ.A.1]
Figure 112017062898432-pat00001
이는 미분 방정식인 수학식 Ⅱ.A.2로 표현될 수 있고 해를 구할 수 있으며, 하첨자 i 및 o는 입력 조건 및 출력 조건을 지시한다.
[수학식 Ⅱ.A.2]
Figure 112017062898432-pat00002
외측 반경이 50 mm이고 내측 반경이 10 mm이며 캐리어 가스 점도가 2.5×lO-5 kg/m*s이고, 몰 유량이 2 sccm과 등가이며 프린트 헤드의 외측 에지에서의 압력이 무시할만하다고 가정하면, 디스크의 내측에서의 압력은 대략 3500 Pa이다.
직관적으로, 최대 압력 강하는 기판과 노즐의 하위 선단부 사이의 간격에서 발생할 것이다. 이 간격의 하류 단부가 3500 Pa라고 가정하면, 내측의 가스 분자는 3.5 미크론의 평균 자유 행정(mean free path)을 갖게 된다. 입자 대 벽 충돌은 이러한 체제에서 지배적인 가능성이 있으며, 이에 따라 이는 크루센 유동(Knudsen flow)으로 취급될 수 있다. P. J. Vac Sci. Tech 8 636-46에서의 클라우징(Clausing)의 천이 확률 방법을 이용하면, 2개 영역 사이에서의 분자 유동의 속도는 수학식 Ⅱ.A.3에 의해 주어지며, 이때 J는 분자 유동의 속도이고, T 및 P는 온도 및 압력이며, m은 캐리어 가스의 분자 질량이고, A는 튜브의 면적이며, w는 전달 확률이다. Stanteler D. J. 및 D. Boeckman, J.는 1991년 7월/8월자 Vac Sci Tech A 9 (8)에서 길이 대 높이 비가 4 : 1인 넓은 직사각형 도관에 대해 w=0.533임을 계산하였다.
[수학식 Ⅱ.A.3]
Figure 112017062898432-pat00003
(평행한 간격의 경우)
DSMC(Direct Simulation Monte Carlo) 기법에 의한 가능한 노즐 구조 연구는, 내측 및 외측 테이퍼를 갖춘 노즐 구조가 고해상도 증착을 위한 최적의 유동 패턴을 생성한다고 제시하고 있다. 유체 저항은 앞서의 해석 모델과 양호하게 일치하며, 0.0021 sccm/Pa의 컨덕턴스를 예측한다. 20 미크론 × 200 미크론인 단면을 갖는 직사각형 노즐 선단부가 권장된다. 권장되는 노즐 대 기판 분리는 3 내지 5 미크론이다. 32개의 이러한 노즐 또는 그 이상의 노즐이 어레이에 위치하게 될 수 있다. 노즐의 큰 어레이가 유리한데, 이는 증기 발생기와 기판 사이의 차압을 감소시키기 때문이다. 결과적인 증착 프로파일은 18 미크론의 반값(half maximum)에서 완전한 폭을 가질 것으로 예상된다. 증착은, 40 미크론에서 그 중심값의 10%로 감소될 것으로 예상되며, 이에 따라 이웃하는 픽셀을 현저하게 방해하지 않으면서 30 미크론으로 경계면이 형성되는 30 미크론의 픽셀 내에 정확하게 증착할 수 있게 된다. 폭이 20 미크론인 개구 및 기판 간격까지 5 미크론의 선단부를 갖는 이중 테이퍼 노즐에 대해, 예상되는 증착 프로파일은 실선으로서 도 9에 도시되어 있다. 높이는 임의의 단위이다. 픽셀 폭에 걸친 프로파일 평균과 동일한 높이를 갖는 이상적인 픽셀 충전 증착 프로파일이 대시(dash; -)로 도시되어 있다.
도 10은, 폭이 20 미크론인 개구 및 기판 간격까지 5 미크론의 선단부를 갖는 이중 테이퍼 노즐에 대해, 모델링된 압력 프로파일(1010) 및 모델링된 온도 프로파일(1020)을 도시한 것이다. 노즐 본체에 의해 생성되는 차폐부는 단면에서 어두운 영역이다. 프로파일은 대칭이며, 이에 따라 관련 정보를 얻기 위해 단지 노즐의 절반만이 도시되어 있다.
노즐의 내측 테이퍼와 일치시키기 위한 노즐 상의 외측 테이퍼 없이 만족스러운 증착 프로파일이 달성될 수 있지만, 시뮬레이션된 노즐 구조의 전도도는 5의 비율로 낮아지기 때문에 이는 덜 바람직하다. 일단 노즐로부터 프린트 헤드 에지로의 가스의 배출 경로를 감소시키는 것을 고려하면 효과는 더욱 뚜렷해진다. 원하는 유량을 얻기 위해 요구되는 압력은 증기 스트림에서 유기물을 희석시키며 프린트 헤드와 기판 사이의 열 전달을 향상시킨다. 이는 비이상적인 작동 체제를 초래하게 된다. 그러나, 하면 테이퍼 없는 프린트 헤드는 효과적인 증착 툴이라는 것이 입증되었으며, 이들 프린트 헤드는 테이퍼진 하면을 갖는 프린트 헤드보다 제작이 용이하기 때문에 하면 테이퍼가 없는 프린트 헤드가 사용될 수 있다.
내측 테이퍼가 제거된다면 반드시 그러한 것은 아니지만 작동 압력이 상승한다. 그러나, 흥미롭게도, 증착 프로파일은 도 9에 도시된 바와 같은 이중 정점 구조를 취한다. 최적화된 메사(mesa)형 증착 프로파일을 형성하기 위해 내측 테이퍼를 최적화하는 것은 가능하다. 광범위한 기하학적 형상을 제작하기 위해 플라즈마 에칭을 사용할 수 있다.
채널 어레이 및 증기 발생기를 통한 유동도 또한 수학적으로 모델링된다. 짧은 단면 치수 h 및 긴 단면 치수 w를 갖는 직사각형 도관에 대한 체적 유량은 수학식 Ⅱ.B.1을 이용하여 계산되는데, 이는 비압축성 나비어 스톡스 방정식(incompressible Navier-Stokes equations)으로부터 유도된다. 체적 유량은 이제 이상 기체 법칙을 이용하여 몰 유량으로 변환된다. μ는 점도이며, x는 채널의 축방향 치수이고 하류 방향으로 양의 값을 갖는다. P, T는 채널에서의 압력 및 온도이다. R은 이상 기체 상수이다.
[수학식 Ⅱ.B.1]
Figure 112017062898432-pat00004
노즐 어레이는, 이를 세그먼트로 쪼개고 키르히호프 전류 법칙과 유사한 논리를 적용함으로써 해석될 수 있다. 노즐을 통한 층류 압축성 유동은 일반적으로 Qmol ~ P2으로서 비례한다. 그러나, 매우 작은 길이 스케일로 인해, 노즐을 통해 유량은 P에 선형으로 비례한다. 섹션 I.B.2에서 배제한 기하학적 형상의 노즐에 대해 C=5.4×10-11 몰/(Pa*s)인 손실 인자는 DSMC 코드를 이용하여 평가되었다. 도 11은 노즐 어레이의 회로 분석에 사용된 모델을 도시한 것이다. 유체 저항이 평가되었으며 어레이에 있는 모든 노즐에 대해 증기의 균일한 분포가 입증되었다.
[수학식 Ⅱ.B.2]
Figure 112017062898432-pat00005
[수학식 Ⅱ.B.3]
Figure 112017062898432-pat00006
[수학식 Ⅱ.B.4]
Figure 112017062898432-pat00007
32개의 세그먼트 이후에, 0.2 % 미만의 압력 변화가 예상된다. 노즐을 통해 압력으로 구동되는 유동은 어레이를 따라 일정할 것으로 예상된다.
증기 발생 속도는 수학식 Ⅱ.B.5에 의해 근사화될 수 있는데, P는 증기 발생 셀의 압력이며, P*는 셀에서의 유기 재료의 평형 증기 압력이고, q는 캐리어 가스의 유량이며, 셀을 빠져나오는 유기 재료의 양이다. γ는 발생기로부터의 증기 유출물의 포화도를 나타내는 효율 파라메타이다. 이는 양호하게 구성된 시스템에 대해 1에 근접한다. OLED 재료의 증기 압력은 이전의 OVJP 작업으로부터 평가될 수 있다. 이전의 시스템은 노즐을 향해 소스 셀로부터 포화된 CBP 증기를 일소하기 위해 8 Torr에서 5 sccm의 캐리어 가스를 사용하였다. 이러한 장비는 2000 Å/s의 증착 속도를 달성할 수 있었으며, 이는 대략 2×1014 분자/s의 증기 발생 속도를 의미하고, 800 μTorr의 CBP 증기 압력을 의미한다.
[수학식 Ⅱ.B.5]
Figure 112017062898432-pat00008
40 Torr의 작동 압력에서 CBP 증기 발생기를 통해 4sccm의 캐리어 가스 유동을 가정하면, 대략 3.3×1013 분자/s가 생성될 것이다. 이는 노즐 개구 아래에서 900 Å/s의 증착 속도로 환산된다. 이에 따라, 다음으로 0.6 mm/s의 기록 속도가 예상된다. 캐리어 가스 유량은 이러한 평가 조건으로부터 현저하게 감소되었으며, 1 sccm의 유동 및 10 Torr 미만의 압력이 보통이다. 이러한 변화에도 불구하고, 대략 1 mm/s인 비교 가능한 기록 속도가 관측되었다.
증기 발생기에서의 유기 보트(organic boat)의 모델링은, 배기된 캡슐에 유기물이 보관되며 배기구에 걸쳐 이동하는 캐리어 가스에 의해 유기물이 멀리 대류된다고 가정한다. 이러한 상황에서, 유기 증기 및 캐리어 가스 혼합물은 95 %의 포화 상태로 증기 발생기를 빠져나간다. 캐리어 가스의 별도의 희석 유동은 유기 재료를 하류로 전진시키기 위해 필요하지 않을 것으로 예상된다. 더욱이, 유기 증기는 몰분율(~0.004%)의 관점에서 이미 매우 희석되어 있다. 추가적인 희석은 단지 압력 강하를 증가시킬 수 있으며 성능을 향상시키지 못한다.
유기 증기 소스 셀을 통한 유동이 정체되도록 허용된다면, 소스 셀을 둘러싸는 튜브의 보다 저온인 영역으로 상류를 이동시킴으로써 유기 재료는 역류할 수 있다. 유기 증기 소스 셀이 4 sccm, 40 Torr 및 섭씨 300도에서 유지된다고 가정하면, 5 cm의 가열된 영역은 COMSOL에서의 모델링에 따른 유기 재료의 역류를 방지하기에 충분하다. 작동 조건은 그 초기 예상 조건과 현저하게 변경될 수 있지만, 유기 재료의 심각한 역류는 전혀 관측되지 않았다.
유기 증기 제트 증착 시스템 전체에 걸쳐 온도를 모델링하기 위해 열 해석이 또한 행해질 수 있다.
프린트 헤드의 온도는 모델링될 수 있다. 넓은 면적의 접촉부를 이용하여 프린트 헤드를 통해 옴 가열 전류를 직접 인가함으로써 균일한 가열을 달성할 수 있다. 필요하다면, 프린트 헤드의 전도도는 그 하면에 부착되는 Ti 또는 Ni의 추가적인 얇은 층에 의해 보충될 수 있다. Si는 양호한 열 전도체이며, 보로실리케이트 층은 금속 백플레인에 대한 열 전달을 감소시키는 데 도움이 된다. 경험에 따르면, 실제로 제작된 기하학적 형상에 대해, 프린트 헤드는 냉각된 기판에 가까이 근접할 때 섭씨 300 도의 작동 온도에 도달하기 위해 대략 40 내지 60 W의 가열을 필요로 할 것으로 보인다. 다수의 지점에서의 프린트 헤드 온도의 직접적인 측정은 가능하지 않지만, 공기에서의 더 낮은 파워 측정값은 프린트 헤드를 가로질러 온도가 균일하다는 것을 암시한다. 프린트 헤드에 대한 가열 전류는 연속적인 가변 출력을 갖는 격리된 DC 전력 공급부에 의해 구동된다. 이는, 온/오프 제어에 의해 유발되는 시간 영역 열 응력 및 비격리 전력 공급부로부터의 아크 발생 위험 양자 모두를 없애는 데 있어서 바람직한 것으로 입증되었다.
양호한 근사화를 위해, COMSOL을 이용한 모델링은, 또한 채널에 의해 서브텐드(subtend)되는 영역에서 단면을 따라 온도가 균일할 것으로 예상된다는 것을 나타낸다.
기판의 온도도 또한 모델링될 수 있다. 온도 제어식 기판 척에서의 OLED 성장에 관한 본 발명자의 연구실에서의 이전 미공개 연구는, 결과적인 장치에서 성능의 심각한 손실 없이 대략 360 K의 온도에서 막이 성장될 수 있다는 것을 보여주었다. 이는 기판 표면에 대해 최대로 바람직한 온도 명세를 근사화한 것으로 간주될 수 있다. 폭이 20 mm인 노즐 부근에서 기판 상의 열 전달 프로파일은 모델링에 기초하여 도 12에 도시되어 있다. 계산을 위해 사용된 노즐은, 폭이 20 미크론인 개구 및 기판 간격까지 5 미크론의 선단부를 갖는 이중 테이퍼 노즐이었다. 거리는 노즐 중심선으로부터 거리이다. 모델링 결과는 해석 예측과 양호하게 일치한다.
도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 노즐 자체는 40 W/cm2의 열 유속을 갖는 핫 스팟을 형성한다. 이는 15 W/cm2인 평균 열 유속과 비교된다. 이들 핫 스팟은 비교적 작기 때문에, 주위 기판에 비해 온도가 단지 약간 상승할 뿐이며, 주위 기판은 히트 싱크로서 작용한다. COMSOL에서의 모델링에 따르면 핫 스팟에서 단지 약 20 K의 정상 상태 온도 상승이 예상된다. 이러한 개별적인 핫 스팟은 관리가 용이한 반면, 다수의 이러한 핫 스팟으로부터의 전체 열 부하는 높다. 액체 질소 냉각은 기판의 표면을 360 K 미만으로 유지하기 위해 유리 기판을 통한 충분한 열 전달을 구동하기에 바람직할 수 있다. 이를 위해, OVJP 시스템에는 LN2 공급 시스템이 마련되며, LN2 공급 시스템은 기판 홀더를 150 K 이하로 냉각시킬 수 있다. 이러한 장치를 이용하여 달성되는 낮은 기판 온도에서 유기 재료를 증착하는 것은, 재료 이동(migration)을 감소시키고 피쳐의 샤프니스를 개선하는 추가적인 장점이 있다.
증기 발생기에서의 열 전달도 또한 모델링될 수 있다. 증기 발생기의 열 전달 모델링은 고체 및 유체 성분 양자 모두를 구비한다. 캐리어 가스는, 발생기의 베이스에서 유기 소스 보트와 접촉하게 되기 이전에 유기물 승화 온도까지 급속하게 가열되는 것이 바람직하다. COMSOL을 이용한 모델링은, 짧은 특성 길이와 저하된 압력에서의 가스의 비교적 높은 열 전도도의 조합으로 인해 전술한 바가 극히 신속하게 발생한다는 것을 나타낸다. 소스 셀의 가열된 영역 및 주위 영역 사이의 벽 온도에 있어서의 급격한 천이를 가정하면, 가스를 가열하기 위해서는 단지 4 mm의 천이 길이만이 요구된다.
열 전달 문제의 고체 성분은 이러한 천이가 얼마나 급격한가를 정량화하는 것을 포함한다. 소스 셀 튜브는 일 차원 문제로 모델링될 수 있다. 튜브는 얇은 벽으로 되어 있기 때문에, 반경방향 온도 구배는 최소가 된다. 튜브의 내용물은 또한 최소의 열 질량을 갖는 것으로 가정되며, 이러한 가정은 캐리어 가스의 짧은 열 전치 길이에 의해 지지된다. 이러한 가정 및 흑체 복사를 고려한 열 방정식은 수학식 Ⅱ.C.1에 의해 주어진다.
[수학식 Ⅱ.C.1]
Figure 112017062898432-pat00009
k는 금속 튜브의 열 전도도이고, τ는 튜브 두께이며, Tc는 챔버 온도이다.
30 mTorr의 챔버 배경 압력을 가정하면, 소스 셀은 h가 5.4 W/m2K인 체류 챔버 가스의 열 전달 계수를 갖는다. 흑체 복사 항을 선형화한 이후에 수학식 Ⅱ.C.1은 수학식 Ⅱ.C.2로 변환될 수 있다. 이 방정식의 특성 길이는 2 cm이며, 가열된 영역과 가열되지 않은 영역 사이의 증기 발생기 튜브에서 온도 구배의 길이를 대략적으로 평가하도록 해준다. 따라서, 유기 증기 소스를 지나 유동하기 이전에 가스를 가온하기 위해 최소 길이의 가열된 배관이 요구된다.
[수학식 Ⅱ.C.2]
Figure 112017062898432-pat00010
프린트 헤드의 기계적 변형도 또한 모델링될 수 있다. 프린트 헤드 변형의 2가지 가능한 원인은 확인된 바 있다. 균일하지 않은 가열로 인한 열 유도 응력 및 열 팽창에 있어서의 차이에 의해 프린트 헤드는 구부러지게 될 수 있다. 채널의 베이스를 형성하는 노즐 플레이트의 부분을 가로질러 비교적 큰 차압이 존재할 수 있다. 이들 변형의 길이를 적절하게 평가하고 이러한 변형이 최소가 되도록 적절하게 설계하는 것은, 프린팅 동안 평평하게 유지되는 프린트 헤드를 획득하기 위해 바람직하며, 이는 또한 정확한 프린팅을 위해 바람직하다.
단연 가장 현저한 변형은 프린트 헤드 웨이퍼 스택에서의 열 응력에 의해 발생된다고 판단된다. 열 응력으로 인한 수직 편향은 COMSOL에서의 MEMS 열-구조 상호작용 패키지를 이용하여 모델링되었다. 웨이퍼 스택은 원통 좌표계로 모델링되었다. 실온에서 완벽하게 평평하다고 가정하고, 일단 박막 히터가 활성화되면, 웨이퍼 스택은 플레이트의 중앙이 외측 림보다 20 미크론 더 낮아지도록 하방을 향해 구부러지는 것으로 계산된다. Flexus 박막 응력 측정 장치에서의 프린트 헤드 프로토타입의 측정값은 웨이퍼의 중앙이 외측 림보다 10 미크론 더 높게 되도록 구부러진다는 것을 나타낸다.
도 13은 온도에 따른 외측 림에 대한 웨이퍼의 중앙의 높이의 그래프(1310)뿐만 아니라 데이터를 획득하기 위해 사용된 장치의 개략도(1320)를 도시한 것이다. 단일 웨이퍼에 대한 데이터는 정사각형으로 도시되어 있고, 프린트 헤드 스택에 대한 데이터는 다이아몬드형으로 도시되어 있다. 개략도(1320)는 보로실리케이트 층(1324) 및 Si 층(1322)을 도시하고 있다. 10 미크론 정도의 변위는 노즐 간격에 비해 현저하지만, 노즐 어레이 자체에 대한 편평도는 약 2 미크론 정도일 것으로 예상된다. 숫자가 작아지는 것은, 노즐들이 기판의 중앙에 비교적 함께 근접해 있으며 웨이퍼가 변형될 때 그룹으로서 움직이기 때문이다. 노즐 어레이가 하방을 향해 구부러지기 때문에, 플레이트는 노즐 위치설정을 방해하지 못하며, 노즐은 임의로 근접하게 될 수 있다. 노즐 자체는 기판 곡률을 최소화하기 위해 사점(dead center)에 배치될 수 있다. 비접촉 높이 센서는, 일단 적절하게 보정되면 작동 온도에서 기판과 노즐 선단부 사이의 상대 거리를 측정할 수 있다. 열로 인한 구부러짐은 오차의 가장 큰 원인일 것으로 예상되지만, 오차의 원인은 통제 가능한 수준으로 유지될 수 있다.
도 3에 도시된 시스템에 있어서, 증기 발생기 자체는 가열에 응답하여 최대 200 미크론 정도 길어질 것으로 예상된다. 이로 인해 프린트 헤드가 뒤틀리는 것을 방지하기 위해, 증기 발생기는 도 3에 도시된 바와 같은 벨로우즈에 의해 플랜지에 연결될 수 있다. 이는 플랜지가 프린트 헤드를 밀어내지 못하도록 한다.
웨이퍼 변형에 대한 차압의 효과도 또한 고려되었다. 균일하게 분배되는 부하에 응답하는 단축 단면에서의 멤브레인의 최대 휨은 수학식 Ⅱ.D.2에 의해 주어지는데, 이 수학식은 2002년 웨스트 뷰 프레스가 출간한 Moore, J.H., Davis, C.C., 및 M.A. Coplan의 빌딩 사이언티픽 어패러투스(Building Scientific Apparatus)(3판)에 기초한다. 이는 또한 바이하모닉(biharmonic) 응력 방정식의 결과이다. 앞서와 같이, w는 수직 변위이며, P는 압력 부하이고, E는 영 계수이며, t는 플레이트 두께이다. L은 플레이트의 폭이다. 두께가 50 미크론이고 폭이 1 mm인 Si 멤브레인은, 최악의 경우 멤브레인을 가로지르는 10,000 Pa의 차압에 응답하여 40 나노미터만큼 외측으로 구부러질 것으로 예상된다. 이는 또한 현저한 변형은 아니지만, 멤브레인 두께에 대한 변형의 (1/3) 제곱 의존성(inverse cube dependence)은, 멤브레인이 더 얇은 강성 노즐 플레이트에 대해 훨씬 더 변형 가능하게 된다는 것을 의미한다. 그러나, 이러한 변형은 또한 통제 가능할 것으로 예상된다.
[수학식 Ⅱ.D.2]
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앞서 언급한 바와 같이, 프린트 헤드 변형을 해소하는 한 가지 방법은 노즐의 위치를 측정하는 것인데, 왜냐하면 비교적 작은 노즐 어레이를 가로지는 변형은 작을 수 있고, 심지어 프린트 헤드의 나머지를 가로질러 더 큰 변형이 있는 경우에도 작을 수 있기 때문이다. 이를 위해, Philtech RZ-25 실 선전용 제품 모델을 획득하고 ITO 유리 타겟에 대해 시험하였다. 센서는 광섬유 다발로 이루어진다. 일부 섬유는 광을 방출하고 다른 섬유는 광을 수용한다. 광 방출 섬유와 광 수용 섬유 사이의 결합도는 다발과 반사 타겟 사이의 거리에 의해 결정된다. RZ 시리즈 센서는 타겟 반사도의 차이를 수정하기 위해 병렬로 작동하는 2개의 별개의 다발을 특징으로 한다.
신호는 1 mV까지 안정적이었으며, 0.008 V/㎛의 선형 응답을 제공하였고, 250 나노미터의 정확도를 얻을 수 있다. 광고된 정확도는 200 나노미터이다. 센서의 선형 범위는 분명히 ITO의 투명도 및 먼 표면으로부터의 반사 강도에 의해 제한된다. ITO 타겟이 반사면에 위치하면, 센서는 적절하게 작동하지 않는다. ITO 타겟이 매트 흑색 표면(matte black surface)에 장착되면 선형 범위는 대략 300 미크론만큼 연장된다. 이는 광고된 값의 대략 절반이다. 완전한 선형 범위는 불투명 타겟으로부터 측정할 때 획득될 수 있다. 이러한 문제를 보상하기 위해 다른 측정 기법이 사용될 수 있다. 센서의 범위는 제한되어 있지만, 300 미크론은 스테이지 상승의 정밀한 제어를 위해 적합한 것보다 더 크다. 반사 방지 기판 홀더가 바람직하다. 도 14는 ITO 타겟에서의 PhilTech RZ-25 변위 센서의 보정을 위한 변위 대 전압의 그래프를 도시한 것이다.
도 15는 미세제작을 위해 실리콘 및 보로실리케이트 웨이퍼를 준비하기 위한 처리 흐름을 도시한 것이다. SOI(Silicon On Insulator) 웨이퍼(1510)는 울트라실 인크(Ultrasil Inc.)(미국 캘리포니아주 헤이워드 소재)로부터 입수될 수 있다. SOI 웨이퍼(1510)는 노즐 플레이트를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 수령한 바에 따르면, 상기 웨이퍼는 직경이 100 mm이고, 100 미크론 두께의 Si 장치 층(1516)은 1 내지 3 미크론 SiO2 산화물 층(1514)에 의해 315 미크론 두께의 Si 핸들 층(1512; Si handle layer)로부터 분리되어 있다. 양측 연마된(DSP; Double Side Polished) 직경이 100 이고 두께가 500 미크론인 보로실리케이트 유리 웨이퍼(1550)는 유니버시티 웨이퍼(University Wafer)(미국 매사추세츠주 캠브리지 소재)로부터 입수된다.
포토리소그래피로 형성된 총 4개의 패턴에 대한 마스크는 LNF 마스크 메이커, 및 크롬 마스크를 발전시키기 위한 SOP를 이용하여 형성된다. 포토리소그래피 처리를 개시하기 이전에, LPCVD Si3N4 경질 마스크 층(1522)이 웨이퍼(152)에 의해 제시된 바와 같이 양면에서 SOI 웨이퍼에 걸쳐 성장된다. 마찬가지로, 20 나노미터 Cr/500 나노미터 Au/20 나노미터 Cr/500 나노미터 Au로 된 경질 마스크 층(1562)은 웨이퍼(1560)에 의해 제시된 바와 같이 에칭을 위해 준비함에 있어서 보로실리케이트 유리 웨이퍼의 각 면에 증착된다.
도 16은 프린트 헤드를 제작하기 위해 사용되는 Si 및 보로실리케이트 처리 단계를 도시한 것이다.
Si 처리는 다음과 같이 행하였다. SOI 웨이퍼에 오버레이되는 도 15로부터의 Si3N4는, SPR 220 포토레지스트를 이용하여 노즐 유입구 마스크와 함께 패턴화된다. 노즐 유입구 위에 있는 Si3N4 층은 이제 150s DRIE(Deep Reactive Ion Etch)를 이용하여 에칭된다. 웨이퍼는 다음으로 섭씨 85도에서 50 중량%의 KOH 용액으로 100 분 동안 에칭되어 노즐의 테이퍼진 내측 표면을 형성한다. 이러한 단계의 결과가 웨이퍼(1630)에 대해 도시되어 있다. 변위 감지 및 광학 정렬을 위한 노즐 플레이트의 윈도우도 또한 이때 절단된다(도시되어 있지 않음). SOI 웨이퍼의 절연체 층은 각각의 노즐의 유출구를 형성하는 에칭 정지부를 형성한다. Si3N4 층은 이제 RIE 또는 고온 인산 에칭을 이용하여 제거된다. 이러한 단계의 결과가 웨이퍼(1640)에 대해 도시되어 있다.
보로실리케이트 처리는 다음과 같이 행해졌으며, Ciprian Iliescu, F. E. H. Tay 및 J. Miao의 Sens. Act A. 2 (133), 395-400 (2007)에 따라 적용되었다. 도 15로부터의 금속화된 보로실리케이트 유리 웨이퍼는 양면에서 10 미크론 AZ-9260 레지스트로 코팅되며, 하나의 면에서 채널 패턴으로 그리고 다른 면에서 비아 패턴으로 포토리소그래피 방식으로 패턴화된다. 금속 경질 마스크는 이제 트랜진(Transene) GE-8148 금 에천트에 4 분 동안 그리고 시안텍(Cyantek) CR-14 크롬 에천트에 30초 동안 교대로 담금으로써 에칭된다. 이러한 단계의 결과가 웨이퍼(1610)에 대해 도시되어 있다. 웨이퍼의 비아 면은 비아 면을 에천트로부터 보호하기 위해 파라핀 왁스를 이용하여 백킹 웨이퍼(backing wafer)에 고정된다. 채널 면은 노출된다. 웨이퍼는 채널이 100 미크론으로 에칭될 때까지 49% HF 용액에 침지된다. 에칭 깊이는 스타일러스 프로필로미터를 이용하여 검증된다. 원하는 양의 에칭은 대략 15 분 이내에 달성되었다. 웨이퍼는 그 후방으로부터 제거되며 고온 트리클로로에틸렌으로 세척되었다. 채널 면은 이제 왁스를 이용하여 백킹 웨이퍼에 고정되며 비아는 HF 용액을 이용하여 에칭된다. 이러한 에칭은 웨이퍼에 퍼지게 된다. 원하는 양의 에칭은 대략 1시간 이내에 달성되었다. 웨이퍼는 다음으로 고온 트리클로로에틸렌을 이용하여 세척되며 금속 마스크는 금 에천트 및 크롬 에천트를 이용하여 제거된다. 이러한 단계의 결과가 웨이퍼(1620)에 대해 도시되어 있다. 제시된 단면은 각 단부에서 비아를 갖는 채널을 도시한 것이며 체널, 비아 또는 양자 모두가 없는 웨이퍼의 다른 영역도 있다는 것은 명확할 것이다.
프린트 헤드의 이종 층(dissimilar layer)을 결합시키기 위해 애노드 접합이 이용된다. 설명된 접합 순서는 애노드 접합 과정의 전기화학적 특성으로 인해 이러한 특정한 실시예에 대해 바람직하다. 애노드 접합은 나트륨 함유 유리를 금속 또는 반도체에 결합시키기 위해 사용될 수 있다. 일단 섭씨 300 내지 400도로 가열되면 유리에 있는 Na+는 이동 가능하게 된다. 약 1000 V의 전압이 금속 층 아래에서 애노드로부터 유리 위의 캐소드에 인가된다. 유리에서 이동 가능한 캐리어는 경계면으로부터 멀리 이동하여 반대로 대전된 고갈 영역(depletion region)을 남기게 된다. 양이온의 이동은 유리에 있는 댕글링 산소 원자(dangling oxygen atoms)를 자유롭게 하여 금속 경계면을 산화시키고, 이에 따라 2가지 재료 사이에 화학 결합을 형성한다. 애노드 접합은, 1975년 일렉트로콤포넌트 사이언스 앤드 테크 제2호 제1권에 개재된 G. Wallis의 "장 보조 유리 밀봉(Field Assisted Glass Sealing)" 및 2006년 인터내셔널 머티리얼즈 개정판 제51호 제5권에 개재된 K. M. Knowles 등의 "애노드 접합(Anodic bonding)"에 설명되어 있다.
웨이퍼 접합 단계는 다음과 같이 행하였다. 피라나 세척(piranha clean)을 이용하여 접합하기 위해 보로실리케이트 및 Si 웨이퍼가 준비된다. 이후에, Si 웨이퍼는 희석된 HF에 잠겨서 표면 산화물이 제거된다. 웨이퍼는 다음으로 시각적으로 정렬되며 이후 Suss SB-6 접합기에 배치된다. 웨이퍼들은 20 분 동안 1000 V의 전압을 인가함으로써 섭씨 400 도의 온도로 진공에서 접합된다. 이러한 단계의 결과는 웨이퍼 스택(1650)에 제시되어 있다. 양의 전압이 Si 면에 인가된다. 일 실시예에 있어서, 보로실리케이트 층의 후면은 애노드 접합을 이용하여 코바아 백플레인에 접합될 수 있다. 이는 프린트 헤드에 더 강건한 밀봉 표면을 제공할 수 있다.
일단 접합되면, Si 웨이퍼의 핸들 층이 제거될 것이다. 웨이퍼들은 파라핀 왁스를 이용하여 알루미늄 척에 장착된다. 웨이퍼들은 다음으로 90% HNO3, 9.5% HF, 및 0.5% CH3COOH 함유 용액들의 3중 에칭액에 침지된다. 웨이퍼는 지속적으로 회전되며, 에칭 배스는 N2와 함께 공기가 공급되어 균일한 에칭을 보장한다. 원하는 양의 에칭은 대략 50 분 이내에 달성되었고, SiO2 에칭 정지부가 보일 때까지 에칭이 진행되도록 허용되었다. SiO2에 대한 Si의 3중 에천트의 불량한 선택성으로 인해, 에칭은 바람직하게는 즉시 중단된다. 웨이퍼는 척으로부터 제거되며 남아있는 왁스는 고온 트리클로로에틸렌으로 분해된다. 3중 에천트는 SiO2에 대해 Si를 강력하게 선택하지 못하므로, 더욱 선택적인 마무리 단계가 바람직하다. SiO2 에칭 정지부에 대해 남아있는 Si는 DRIE(Deep Reactive Ion Etching)을 이용하여 제거된다. DRIE는 Si 모두를 제거하기 위해 사용되지 않는데, 왜냐하면 DRIE는 3중 에천트보다 현저하게 느리기 때문이다.
핸들 층 제거 이후에, SiO2로 덮인 웨이퍼의 하면은 AZ-9260 포로레지스트로 코팅되며 패턴화되어 처리의 종료시점에 상승한 영역은 레지스트로 덮이게 된다. 노출된 SiO2는 RIE를 이용하여 제거된다. 이러한 단계의 결과는 웨이퍼 스택(1660)에 도시되어 있다. 상승되지 않은 영역은 이제 DRIE에 의해 40 내지 50 미크론으로 에칭된다. 이러한 에칭의 완료는 프로필로미터에 의해 모니터링된다. 이러한 단계의 결과는 웨이퍼 스택(1670)에 도시되어 있다.
이후에, 포토레지스트는 벗겨지고 남아있는 SiO2 경질 마스크는 RIE를 이용하여 제거된다. - 이러한 단계의 결과는 웨이퍼 스택(1680)에 도시되어 있다. 800 나노미터 Al, 50 나노미터 Pt 및 500 나노미터 Au로 이루어지는 옴 접촉부는 웨이퍼의 반대측에서 기화되어 웨이퍼가 가열 전류에 의해 어드레스(address)되도록 해준다. 천연 Si가 양호한 가열을 위해 충분히 전도성이 아닌 경우, Ti로 된 추가적인 얇은 블랭킷 코팅(blanket coating)이 노즐 플레이트에 걸쳐 추가될 수 있다. 마지막으로, Cu 포일 리드(foil leads)가 고온 전도성 에폭시를 이용하여 전극에 고정된다.
제작된 바와 같은 증기 발생기 및 OVJP 프린트 헤드의 일반적인 구조는 다음과 같다. 유기 소스는 유리 자루의 단부에 보관되며 유리 자루의 먼 단부에서 가열되는데, 이 자루는 진공 챔버 내로 연장되는 튜브에 삽입된다. 이 시스템은, 재료를 재충전하기 위해 고온 시일을 연결 해제해야만 하거나 또는 복잡한 조립체를 풀어야 하는 문제를 없앤다. OVJP는 OVPD보다 훨씬 높은 압력 및 훨씬 작은 유량에서 작동하며, 이는 더 긴 증기 체류 시간을 초래할 수 있다. 노즐 어레이와 유기 증기 소스 사이의 체적은 불필요한 체적을 없애기 위해 가능한 짧게 유지된다. 모델링에 따르면, 별개의 소스 및 희석 유동은 이러한 길이 스케일에서는 도움이 되지 않는다. 결과적으로, 이들 특징은 용이하게 추가될 수 있지만, 이에 대해 명시적으로 제시되지 않는다.
일 실시예에 있어서, OVJP 시스템의 형상 인자는 이 시스템이 8인치 콘플랫 포트(ConFlat port)에 부착되도록 해준다.
히트 부트(heat boots)는, 코트로닉스 레스본드 919 고온 세라믹 접착제의 얇은 코팅과 함께 제1 코팅 스테인레스 강 튜브에 의해 제작된다. 코팅된 영역은 폭이 2 인치이며 튜브의 선단부로부터 0.125 인치에서 시작한다. 이러한 코팅은 니크롬선을 감싸기 위해 그 표면에 저항면을 제공한다. 50번 감긴 0.005 인치 직경의 와이어는 220 Ω의 저항을 히터에 제공한다. 일단 감기게 되면, 히터는 레스본드 919의 또 다른 코팅으로 밀봉되며 밤새도록 경화된다. 튜브는 방사율을 감소시키기 위해 필요하다면 Ag로 도금될 수 있다. 이러한 자가제(homemade) 히터는 콤팩트하고 강력하며, 유리섬유로 단열된 히트 테이프와 같이 입자를 발생시키기 않는다. 상업적인 히트 테이프와는 달리, 세라믹은 일단 경화되면 아웃가스(outgas)하지 않는다.
도 17은 OVJP 피드스루의 분해도를 도시한 것이다. 2개의 유기 증기 소스가 예시의 편의를 위해 제시되어 있지만, 더 많은 개수의 소스가 사용될 수 있으며, 도 3에 나타낸 바와 같이 6개 또는 훨씬 더 많은 개수의 소스가 사용될 수 있다. 매니폴드(1710)는 피드스루로서 작용하며, 매니폴드를 통해 가스는 그 경로를 따라 프린트 헤드로 진행하고, 증착 동안 프린트 헤드에 매우 근접하게 위치하는 유기 소스 보트는 매니폴드를 통해 용이하고 편리하게 제거될 수 있으며 열적 시일의 파손 없이 교체될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 프린트 헤드로 안내되는 튜브(1720)는 매니폴드(1710)로부터 연장된다. 가스 공급부(1730)는 튜브(1720)에 부착될 수 있다. 가스 공급부(1730)는 가스를 위한 포트뿐만 아니라 소스 보트의 통과를 가능하게 하는 포트를 포함할 수 있다. 울트라 토르 피팅(1740)은 가스 공급부(1730)에 부착되며, 용이하게 파괴되고 대체되는 밀폐식 시일을 제공하고, 이를 통해 소스 보트가 통과될 수 있다. 유기 소스 보트(1750)는 자루(1760)에 배치된다. 자루(1760)는 울트라 토르 피팅(1740), 가스 공급부(1730), 튜브(1720) 및 매니폴드(1710)를 통해 삽입될 수 있으며, 소스 보트(1750)가 프린트 헤드에 근접하게 될 때까지 예컨대 도 3의 벨로우즈(340) 및 관련 튜브를 통해 더욱 연장될 수 있다. 울트라 토르 피팅(1740)은 밀봉을 제공한다.
OVJP 시스템을 제작하기 위해 사용되었던 구체적인 비한정적 재료 및 치수는 다음과 같다. 매니폴드(1710)로부터 0.375 인치의 튜브(1720)는 스웨이지록 T 튜브 피팅[가스 공급부(1730)]이 말단부에 형성된다. 스웨이지록 울트라 토르 피팅(1740)이 T 피팅의 먼 접합부에 클램핑된다. 그 선단부에 유기 보트(1750)를 수용하는 긴 유리 자루(1760)가 울트라 토르 피팅(1740)을 통해 삽입된다. 자루(1760)는 항상 프린트 헤드까지 연장된다. 캐리어 가스는 T 튜브 피팅의 중간 연결부로부터 증기 발생기 내로 공급된다.
모니터링되는 x-y 이동 스테이지는 OVJP를 이용하여 패턴화된 유기 막을 드로잉(drawing)하기 위해 노즐 어레이에 대해 기판을 이동시키도록 마련된다. 기판 및 노즐 어레이의 평면은 가능한 평행하게 근접하여 시스템이 역시 작동하도록 유지되는 것이 바람직하다. 최선의 결과로서, 기판 홀더는 cm 단위의 선형 이동 당 ±1 미크론을 초과하는 편평도를 갖는 것이 바람직하다. 기판 홀더가 이동하는 베어링은 바람직하게는 홀더 아래에 배치된다. 가장 간단한 배치는, 챔버 내부에 2개의 완전한 적층식 선형 액추에이터를 넣는 것이다. 이들 액추에이터는 미세 레벨링 조정을 위해 이중 틸트 스테이지(dual tilt stage)의 상부에 위치할 수 있다. 이러한 제어는 수동일 수 있는데, 이는 정렬이 챔버 배기 이전에 행해질 수 있기 때문이다. 그러나, 바람직하게는 높이 제어를 제공하도록 z 조정이 모니터링된다. 챔버 내의 공간이 우수한 상태이기 때문에, z 액추에이터는 바람직하게는 진공 선형 위치결정기에 통합되며 챔버의 외측에 장착된다. 수동 회전 조정부는 마찬가지로 챔버의 외측에 장착될 수 있다.
OVJP 시스템에는 바람직하게는 모니터링되는 x-y 이동 스테이지가 마련된다. 라인 방향과 평행한 이동은, 진공이 준비되는 에어로텍 ATS-50 스테이지(Aerotech ATS-50 stage)에 의해 마련될 수 있다. 라인 방향에 수직인 이동은 통상의 액추에이터를 이용하여 변형되는 뉴포트 광학 스테이지(Newport optical stage)에 의해 마련될 수 있다.
기판 홀더는 비접촉식 높이 센서와의 호환성을 위해 상부에서 애노드화 마무리(anodized finish)되는 알루미늄으로 제조될 수 있다. 이는 가요성 튜브를 통해 액체 질소 냉매가 공급되는 구리 냉각 블록의 상부에 위치한다. 홀더는 이웃한 글로브박스(glovebox)를 통해 제거될 수 있어서 비산화 환경에서 샘플이 로딩 및 언로딩되도록 해준다. 기판, 홀더 및 냉각 블록의 열 접촉은 SPI 아페존 크라이오우 그리스(Apezon cryo grease)의 얇은 코팅을 이용하여 향상될 수 있다.
PhilTech RZ-25 광학 변위 센서는, 기판에 대한 거리를 측정하 기 위해 프린트 헤드에 있는 윈도우를 통해 관측할 수 있다. 센서는 방사체 섬유 및 수신기 섬유를 갖춘 광섬유 다발로 이루어진다. 2가지 섬유 유형의 결합은 다발 선단부와 반사 표면 사이의 거리에 따라 좌우된다. 센서 선단부는 광섬유 홀더에 의해 유지되며, 이는 다시 플랜지에 프린트 헤드를 연결하는 지주들 중 하나에 부착된다. 센서 신호는 광섬유 다발에 의해 진공 피드스루를 통해 챔버의 외측에 있는 센서로 전달된다.
기판 상의 경계표를 이용한 정렬은, 기판에 피쳐를 겹쳐쓰기 위해 위치설정을 달성하는 바람직한 방법이다. 프린트 헤드는 바람직하게는 광학 정렬이 가능하도록 하기 위해 별도의 윈도우를 구비한다. 정렬이 가능하도록 하기 위해 챔버에는 CCD 카메라, 적절한 렌즈, 조명 및 소프트웨어가 결합될 수 있다. 이들 특징부는 현재의 구조에서 존재하지 않지만, 널리 공지되어 있으며, OVJP 시스템에 용이하게 통합될 수 있다.
도 18은 정렬 광학계 및 높이 센서가 설치되어 있는 OVJP 시스템의 구조를 도시한 것이다. OVJP 시스템은 도 17에 제시된 동일한 특징부들 중 다수를 구비한다. 추가적으로, 도 18의 OVJP 시스템은 광학 정렬에 유용한 카메라 시스템을 포함한다. 카메라 시스템은 카메라(1810), 투사 렌즈(1812) 및 대물렌즈(1814)를 포함한다. 적절한 개구는 매니폴드 및 프린트 헤드에 용이하게 마련될 수 있다. 도 18의 OVJP 시스템은 또한 높이 센서(1820)를 포함한다. 도 18의 구성은 실시를 위해 실제로 축소되지 않았지만, 본 명세서에서의 개시내용에 기초하여 용이하게 실시될 수 있다.
OVJP 시스템은 다음과 같이 작동될 수 있다.
노즐은 기판 평면에 대해 평평하게 될 수 있으며, 높이 센서는 보정될 수 있다. 기판 및 프린트 헤드의 평면은 실온에서의 프린트 헤드 및 배기된 챔버와 일치하도록 형성된다. 전후 정렬은 기판 스테이지의 후방에 있는 거울 및 레이저 수준기를 이용하여 행해진다. 좌우 정렬은 기판의 각 측부에서 기판 간격에 대해 프린트 헤드를 균등화하도록 필러 게이지(feeler gauge)를 이용하여 행해질 수 있다.
유기 재료는 보로실리케이트 유리 자루의 선단부에서 소스 보트에 떠넣어진다. 열전쌍은 자루의 내경을 통해 자루와 보트를 분리하는 구속물까지 나사 결합되며 적소에 팽팽하게 유지된다. 자루는 증착 챔버의 상부에서 울트라 토르 피팅(Ultra Torr fitting)을 통해 삽입된다. 자루는 그 선단부가 프린트 헤드의 3 mm 이내에 있을 때까지 전진하게 된다. 정지 위치는 프린트 헤드에 대한 손상을 방지하기 위해 우선적으로 측정되는 것이 바람직하다.
기판은 배기된 챔버에 배치된다. 가스 주입 라인은, 프린트 헤드 비아와 챔버 사이의 압력이 평형을 이루도록 하는 바이패스 "유스타키오" 관에 대해 개방된다. 챔버는 비워지며, OVJP는 작동 온도까지 서서히 가열된다. 일단 OVJP가 높은 진공도를 유지하면, LN2유동이 기판 스테이지에 대해 형성된다. 마지막으로 가스 주입 라인은 유스타키오 관으로부터 밀봉된다.
레벨링(leveling) 이후에, 스테이지는 낮아져서 프린트 헤드가 가열됨에 따라 노즐이 하방을 향해 이동할 수 있는 공간을 제공한다. 프린트 헤드 및 증기 발생기는 이제 작동 온도가 된다. 프린트 헤드와 기판의 견고한 접촉은, 프린트 헤드의 열 부하의 급격한 증가 또는 프린트 헤드가 사용 중일 때 유기 소스 셀 압력의 급격한 증가에 기초하여 추정될 수 있다. 높이 센서의 판독값은 이제 0에 맞춰질 수 있다.
대략 1 sccm의 캐리어 가스가 각각의 증착 소스에 공급된다. 유기 증기 소스는 내측의 재료에 따라 섭씨 200 도 내지 섭씨 300 도로 가열되어야 한다. 프린트 헤드는 섭씨 300 도로 가열된다. 노즐 선단부는 기판에 대해 10 미크론까지 근접하게 된다. 미세한 z 조정이 높이 센서를 이용한 피드백 루프에 포함될 수 있다(아직 통합되지 않음). 시스템은 이제 증착을 행하며, 패턴은 x 및 y 스테이지 모터의 운동에 의해 지배된다. 일단 패턴이 프린팅되면, 증착은 캐리어 가스 유동을 중단시킬 수 있으며 유스타키오관에 대해 가스 공급 라인을 재개방할 수 있다.
증착에 후속하여, 기판을 프린트 헤드로부터 멀리 낮게 위치하게 된다. 프린트 헤드 및 유기 소스 셀은 양자 모두 느리게 냉각된다. 챔버를 배기하기 이전에 이들 모두는 바람직하게는 섭씨 100도 미만이다. 냉각된 스테이지는 또한 섭씨 0 도를 초과하도록 가온된다.
바람직한 작동 조건은 1m Torr 미만의 챔버 압력 및 섭씨 영하 100 도로 냉각되는 기판 홀더를 포함한다. 유기 증기는 소스 비아마다 분당 1 표준 입방 센티미터(1 sccm)의 유동 속도로 1 내지 50 Torr의 불활성 가스 압력에 의해 프린트 헤드 내로 강제된다. 증기는 다른 소스와의 유동 조합에 의해 혼합 또는 희석될 수 있다. 프린트 헤드는 기판 표면으로부터 대략 10 미크론에 유지된다. 기판은 0.5 내지 2 mm/s의 속도로 프린트 헤드 아래에서 이동한다. 35 나노미터 두께의 알루미늄 트리스(퀴놀린-8-올레이트)의 라인에 대한 광학 현미경 사진이 도 19에 도시되어 있다. 바람직한 작동 조건 하에서, 프린트 헤드는, 폭이 대략 20 미크론인 연속적인 라인의 유기 재료를 드로잉할 수 있다. 도 19는 AlQ, 즉 알루미늄 트리스(퀴놀린-8-올레이트)의 35 나노미터 두께의 라인에 대한 광학 현미경 사진을 도시한 것이며, 2가지 상이한 크기로[이미지(1910) 및 이미지(1920)] OVJP 프린트 헤드를 이용하여 드로딩된 것이다. 이들 라인은, 폭이 10 미크론을 초과하지 않는 것으로 평가되는 외래 증착(extraneous deposition)의 영역에 의해 각 측부에서 둘러싸여 있다. 이는 주사 전자 현미경(SEM) 및 원자력 현미경(AFM) 이미지에 의해 지지된다. 도 20은 AlQ의 35 나노미터 두께의 라인에 대한 SEM 이미지를 도시한 것이며, 2가지 상이한 크기로[이미지(2010) 및 이미지(2020)] OVJP 프린트 헤드를 이용하여 드로딩된 것이다. 도 21은 OVJP를 이용하여 드로잉된 35 나노미터 두께의 AlQ 라인의 원자력 현미경 사진을 도시한 것으로서, 높이를 회색톤으로 나타낸 것[이미지(2110)] 및 AFM을 이용하여 라인의 주축에 수직으로 소정 두께의 트레이스를 나타낸 것[이미지(2120)]인 2차원 도면을 포함한다. 라인의 폭 및 두께 양자 모두는 단면 AFM 트레이스로부터 평가될 수 있다.
다색상 OLED 어레이의 고해상도 패턴화를 제공하기 위해, OVJP는 바람직하게는 라인들 사이의 출액(bleeding)을 최소로 하면서 빽빽하게 형성되는 라인에 재료를 증착시킬 수 있다. 라인들 사이의 영역에서 유기 재료의 오버스프레이의 간접적인 측정이 행해졌다.
한 가지 시험에서는, 프린트 헤드 아래에서 느리게 스테이지를 이동시킴으로써 매우 두꺼운 라인이 성장되었다. 이들 피쳐는 실제 전자 장치에서 사용되는 것보다 훨씬 두껍지만, 오버스프레이와 같이 미묘한 피쳐가 허용되는 이러한 라인을 발생시키는 것은 측정 가능한 정도로 충분히 크게 라인을 형성할 수 있다. 이들 라인의 두께 단면을 이제 프로필로미터법(profilometry)에 의해 평가하였다. 증착이 요구되는 영역에서 최대 20,000 옹스트롬(2 나노미터)의 두께를 갖는 라인이 증착되었다. 측정된 20 미크론의 라인 폭을 너머, 라인 에지 너머로 10 미크론만큼 연장된다는 것을 나타내는 100 나노미터 이하의 오버스프레이 테일(overspray tail)이 측정되었다. 이들 특징부는 OLED에서 확인되는 것보다 대략 100 배 더 두껍다. 오버스프레이 두께가 피쳐 두께에 비례한다고 가정하면, 이는 드로잉 라인 부근에서 1 나노미터 이하의 오버스프레이가 예상될 수 있다는 것을 의미한다. 도 22는 이들 라인의 이미지를 도시한 것으로서, 광학 현미경 사진(2210) 및 프로필로미터 트레이스(2220)를 포함한다.
박막 라인들 사이의 영역에서 오버스프레이틀 탐지하기 위해 공간적으로 분석된 광루미네슨스(photoluminescence)가 사용되었다. 두께 교정된 측정값은 특수하게 구성되는 라인 스캐닝 현미경 상에서 획득되었다. 이러한 시스템은 대략 5 미크론의 해상도를 가지며, AlQ 트레이서 재료에 대해 대략 2 나노미터의 탐지 문턱값을 갖는다. 초기 스캔은 대략 5 나노미터의 백그라운드 오버스프레이를 나타낸다. 흥미롭게도, 오버스프레이의 높이는 가장 근접한 라인의 높이 또는 라인으로부터의 거리와 상관되는 것으로 나타나지 않았다. 이는, 오버스프레이가 실제 프린팅 동안보다는 기동시에 형성되었으며 기동 과정을 개선함으로써 최소화될 수 있다는 것을 암시한다. 라인의 두께는 유기 재료 소스의 보다 하류에 있는 노즐에 대해 현저하게 감소한다. 이는 크랙 저항을 개선하기 위해 보다 얕은 유체 채널을 갖는 특정 프린트 헤드를 제작한 것에 기인하는 것으로 판단되며, 그 효과는 더 큰 채널을 사용함으로써 용이하게 제거될 수 있다. 라인스캔 데이터는 도 23에 제시되어 있다. 도 23은 AlQ의 OVJP 드로잉 샘플의 두께와 상관된 라인스캔 데이터를 나타낸 것이다.
미시건 대학의 현미경 및 이미지 분석 연구실에 있는 짜이스 공초점 형광 현미경(Zeiss confocal epifluorescence microscope)은 보다 높은 공간 해상도로 오버스프레이를 탐지하기 위해 사용되었다. 이러한 현미경은 라인스캐너와 유사한 탐지 문턱값을 갖지만 라인스캐너와는 달리 훨씬 더 성능이 뛰어나다. 도 24는 이러한 시스템을 이용하여 분석된 OVJP 증착 라인의 영역을 도시한 것이다. 라인들 사이에서 신호가 전혀 또는 거의 탐지되지 않았으며, 이는 오버스프레이 두께가 3 나노미터 미만이라는 것을 암시한다. 이러한 툴로부터의 출력은 바람직하게는 공지된 막 두께의 샘플을 이용하여 교정되며, 라인들 사이의 영역으로부터 신호가 없다는 것은, 존재하더라도 적은 재료가 이러한 영역에 위치한다는 것을 암시한다. 도 24는 AlQ의 OVJP 드로잉 라인의 공초점 형광 현미경 사진을 도시한 것이다. 이미지(2410)는, 형광 강도가 회색톤으로 표시되는 2차원 이미지이다. 수직방향 화살표는 이미지(2410)에서 제시되는 강도 프로파일 스캔의 방향을 나타내며, 이는 거리에 따라 라인을 따른 형상 강도를 나타낸다.
본 명세서에서 설명되는 다양한 실시예는 단지 예로서 제시된 것이며 본 발명의 범위를 한정하려는 의도가 아니라는 것을 이해할 것이다. 예를 들면, 본 명세서에서 설명된 다수의 재료 및 구조는 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않고 다른 재료 및 구조로 대체될 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 본 발명의 노즐의 기하학적 형상은, 본 명세서에 제시되는 특정 실시예에 추가하여 광범위하고 다양한 OVJP 시스템 구조 및 프린트 헤드에서 사용될 수 있다. 마찬가지로, 본 명세서에서 설명되는 본 발명의 프린트 헤드 개념은 본 명세서에서 설명되는 특정 실시예에 추가하여 광범위하고 다양한 OVJP 시스템 구조에서 사용될 수 있다. 청구된 바와 같은 본 발명은 이에 따라 당업자에게 명확한 바와 같이 본 명세서에서 설명되는 구체적인 예 및 바람직한 실시예로부터의 변형을 포함할 수 있다. 본 발명이 구현되는 이유에 대한 다양한 이론 및 특정 구조의 모델링은 한정하려는 의도가 아니라는 것을 이해할 것이다.
110, 120, 130, 140 : 노즐
210, 220, 230, 240 : 개구
300 : 유기 증기 제트 증착 시스템
310 : 프린트 헤드 320 : 유기 증기 소스
330 : 매니폴드 340 : 벨로우즈
410 : 제1 층 415 : 노즐
420 : 노즐 422 : 비아
424 : 채널 440 : 옴 접촉부
510 : 제1 층 520 : 제2 층
600 : 마스크 610 : 채널
612, 614, 616 : 회로 620 : 비아
710 : 제1 층 720 : 돌출부
740 : 노즐 802 : 노즐 어레이
804 : 범퍼 806 : 변위 센서 윈도우
1322 : Si 층 1324 : 보로실리케이트 층
1510 : SOI 웨이퍼 1512 : Si 핸들 층
1514 : SiO2 산화물 층 1516 : Si 장치 층
1522 : 경질 마스크 층 1550 : 보로실리케이트 유리 웨이퍼
1560 : 웨이퍼 1710 : 매니폴드
1720 : 튜브 1730 : 가스 공급부
1740 : 울트라 토르 피팅 1750 : 유기 소스 보트
1760 : 자루 1810 : 카메라
1812 : 투사 렌즈 1814 : 대물렌즈
1820 : 높이 센서

Claims (18)

  1. 제1 장치를 제공하는 단계로서, 상기 제1 장치는 프린트 헤드를 포함하고, 상기 프린트 헤드는 가스의 제1 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제1 노즐 및 가스의 제1 소스와 상이한 가스의 제2 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제2 노즐을 더 포함하는 것인, 제1 장치를 제공하는 단계;
    프린트 헤드, 가스의 제1 소스 및 가스의 제2 소스에서 상이하고 독립적으로 제어 가능한 온도를 유지하는 단계; 및
    제1 노즐로부터 가스의 제트를 분사하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 노즐은 상기 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수가 0.5 내지 500 미크론인 개구를 가지고,
    상기 제2 노즐은 상기 제2 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수가 0.5 내지 500 미크론인 개구를 가지며,
    제1 노즐의 개구의 최소 치수의 5배만큼 개구로부터 제1 노즐 안으로 들어간 거리에서, 유동 방향에 수직한 최소 치수는 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 적어도 2배이고,
    제2 노즐 안의 개구의 최소 치수의 5배만큼 개구로부터 제2 노즐 안으로 들어간 거리에서, 유동 방향에 수직한 최소 치수는 제2 노즐의 개구의 최소 치수의 적어도 2배이며,
    가스의 제1 소스에 의해 제공되는 가스는 제1 승화 온도를 갖는 제1 유기 재료를 포함하고,
    가스의 제2 소스에 의해 제공되는 가스는 제1 유기 재료의 승화 온도와 적어도 섭씨 10도만큼 상이한 제2 승화 온도를 갖는 제2 유기 재료를 포함하는 것인 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 노즐로부터 가스의 제트를 분사하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 장치는 상기 가스의 제1 및 제2 소스와 상이한 가스의 제3 소스에 밀폐 가능하게 밀봉되는 제3 노즐을 더 포함하고,
    상기 제3 노즐은 상기 제3 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수가 0.5 내지 500 미크론인 개구를 가지며,
    제3 노즐 안의 개구의 최소 치수의 5배만큼 개구로부터 제3 노즐 안으로 들어간 거리에서, 유동 방향에 수직한 최소 치수는 제3 노즐의 개구의 최소 치수의 적어도 2배인 것인 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제3 노즐로부터 가스의 제트를 분사하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 복수의 유기 소스들을 혼합하여 상기 가스의 제1 소스를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 가스들의 혼합을 연속적으로 변경하여 상기 가스의 제1 소스를 형성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐은 상기 개구로부터, 상기 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 2배만큼 상기 개구로부터 상기 제1 노즐 안으로 들어간 거리까지 일정한 단면을 갖는 것인 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향에서의 상기 제1 노즐의 최소 치수는, 상기 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 0 내지 2배의 범위에 있는 거리에 있어서, 상기 제1 노즐의 개구로부터 거리에 따라 연속적으로 증가하는 것인 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향에서의 상기 제1 노즐의 최소 치수는, 상기 제1 노즐의 개구의 최소 치수의 0 내지 2배의 범위에 있는 거리에 있어서, 상기 제1 노즐의 개구로부터 거리에 따라 선형적으로 증가하는 것인 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐은 금속 또는 세라믹으로 형성되는 것인 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐은 실리콘으로 형성되는 것인 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐은 상기 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수가 100 내지 500 미크론인 개구를 갖는 것인 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐은 상기 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수가 20 내지 100 미크론인 개구를 갖는 것인 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐은 상기 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 방향으로 최소 치수가 0.5 내지 20 미크론인 개구를 갖는 것인 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 제1 노즐의 단면은 원형인 것인 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 제1 노즐의 유동 방향에 수직한 제1 노즐의 단면은 직사각형인 것인 방법.
  17. 제1항에 있어서, 상기 개구는 프린트 헤드로부터의 돌출부에 형성되는 것인 방법.
  18. 제1항에 따른 방법에 따라 제조된 디스플레이.
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