(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のガス源に気密的に密閉された複数の第一のノズルを備えたプリントヘッドを備えた、有機蒸気ジェット印刷（ＯＶＪＰ）用の第一のデバイスであって、
前記第一のノズルが、前記第一のノズルの流れ方向に垂直な方向において０．５から５００マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有し、
前記第一のノズルのアパーチャの最小寸法の５倍である該アパーチャから前記第一のノズル内への距離における流れ方向に垂直な最小寸法が、前記第一のノズルのアパーチャの最小寸法の少なくとも二倍であり、
前記プリントヘッドが第一の層及び前記第一の層と結合された第二の層からなり、前記第一の層が複数の前記アパーチャを備え、
前記複数の第一のノズルが前記プリントヘッドの中央に配置される、第一のデバイス。
【請求項２】
前記プリントヘッドが、前記第一のガス源とは異なる第二のガス源に気密的に密閉された第二のノズルを更に備え、
前記第二のノズルが、前記第二のノズルの流れ方向に垂直な方向において０．５から５００マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有し、
前記第二のノズルのアパーチャの最小寸法の５倍である該アパーチャから前記第二のノズル内への距離における流れ方向に垂直な最小寸法が、前記第二のノズルのアパーチャの最小寸法の少なくとも二倍である、請求項１に記載の第一のデバイス。
【請求項３】
前記プリントヘッドが、前記第一のガス源及び前記第二のガス源とは異なる第三のガス源に気密的に密閉された第三のノズルを更に備え、
前記第三のノズルが、前記第三のノズルの流れ方向に垂直な方向において０．５から５００マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有し、
前記第三のノズルのアパーチャの最小寸法の５倍である該アパーチャから前記第三のノズル内への距離における流れ方向に垂直な最小寸法が、前記第三のノズルのアパーチャの最小寸法の少なくとも二倍である、請求項２に記載の第一のデバイス。
【請求項４】
前記プリントヘッドが、前記第一のガス源に気密的に密閉された複数の第一のノズルと、前記第二のガス源に気密的に密閉された複数の第二のノズルと、前記第三のガス源に気密的に密閉された複数の第三のノズルとを備える、請求項３に記載の第一のデバイス。
【請求項５】
前記第一のノズルが、前記アパーチャから、前記第一のノズルのアパーチャの最小寸法の２倍である該アパーチャから前記第一のノズル内への距離まで一定の断面を有する、請求項１に記載の第一のデバイス。
【請求項６】
前記第一のノズルの流れ方向に垂直な方向における前記第一のノズルの最小寸法が、ゼロから前記第一のノズルのアパーチャの最小寸法の２倍までの範囲の距離に対して、前記第一のノズルのアパーチャからの距離と共に連続的に増大する、請求項１に記載の第一のデバイス。
【請求項７】
前記第一のノズルの流れ方向に垂直な方向における前記第一のノズルの最小寸法が、ゼロから前記第一のノズルのアパーチャの最小寸法の２倍までの範囲の距離に対して、前記第一のノズルのアパーチャからの距離と共に線形に増大する、請求項１に記載の第一のデバイス。
【請求項８】
前記第一の層が金属製又はセラミック製である、請求項１に記載の第一のデバイス。
【請求項９】
前記第一の層がシリコン製である、請求項１に記載の第一のデバイス。
【請求項１０】
前記第一のノズルが、前記第一のノズルの流れ方向に垂直な方向において１００から５００マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有する、請求項１に記載の第一のデバイス。
【請求項１１】
前記第一のノズルが、前記第一のノズルの流れ方向に垂直な方向において２０から１００マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有する、請求項１に記載の第一のデバイス。
【請求項１２】
前記第一のノズルが、前記第一のノズルの流れ方向に垂直な方向において０．５から２０マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有する、請求項１に記載の第一のデバイス。
【請求項１３】
前記第一のノズルの流れ方向に垂直な前記第一のノズルの断面が円形である、請求項１に記載の第一のデバイス。
【請求項１４】
前記第一のノズルの流れ方向に垂直な前記第一のノズルの断面が矩形である、請求項１に記載の第一のデバイス。
【請求項１５】
前記第一及び第二のガス源と、
前記プリントヘッドと前記第一及び第二のガス源との間に配置された熱障壁と、
前記プリントヘッド、前記第一のガス源及び前記第二のガス源の各々用の独立的に制御可能な熱源とを更に備えた請求項２に記載の第一のデバイス。
【請求項１６】
第一の昇華チャンバ及び第二の昇華チャンバを備えた前記第一のガス源と、
前記プリントヘッドと前記第一のガス源との間に配置された熱障壁と、
前記プリントヘッド、前記第一の昇華チャンバ及び前記第二の昇華チャンバの各々用の独立的に制御可能な熱源とを更に備えた請求項１に記載の第一のデバイス。
【請求項１７】
前記アパーチャが前記プリントヘッドからの突出部内に形成されている、請求項１に記載の第一のデバイス。
【請求項１８】
第一のガス源に気密的に密閉された複数の第一のノズルを備えたプリントヘッドを備え、前記複数の第一のノズルが前記プリントヘッドの中央に配置された、有機蒸気ジェット印刷（ＯＶＪＰ）用の第一のデバイスを提供するステップと、
前記第一のノズルからガスジェットを放出するステップとを備えた方法であって、
前記第一のノズルが、前記第一のノズルの流れ方向に垂直な方向において０．５から５００マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有し、
前記第一のノズルのアパーチャの最小寸法の５倍である該アパーチャから前記第一のノズル内への距離における流れ方向に垂直な最小寸法が、前記第一のノズルのアパーチャの最小寸法の少なくとも二倍であり、
前記プリントヘッドが第一の層及び前記第一の層と結合された第二の層からなり、前記第一の層が複数の前記アパーチャを備える、方法。
【請求項１９】
前記プリントヘッドが、前記第一のガス源とは異なる第二のガス源に気密的に密閉された第二のノズルを更に備え、
前記第二のノズルが、前記第二のノズルの流れ方向に垂直な方向において０．５から５００マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有し、
前記第二のノズルのアパーチャの最小寸法の５倍である該ノズルから前記第二のノズル内への距離における流れ方向に垂直な最小寸法が、前記第二のノズルのアパーチャの最小寸法の少なくとも二倍であり、
前記方法が、前記プリントヘッド、前記第一のガス源、及び前記第二のガス源において、独立的に制御可能な異なる温度を維持するステップを更に備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第一のガス源によって提供されるガスが、第一の昇華温度を有する第一の有機物質を含み、
前記第二のガス源によって提供されるガスが、前記第一の有機物質の昇華温度とは少なくとも１０℃異なる第二の昇華温度を有する第二の有機物質を含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００９年３月２５日出願のＣｏｍｐａｃｔ  ＯＶＪＰ  Ｐｒｉｎｔ  Ｈｅａｄとの名称の米国仮出願第６１／２１１００２号、及び２０１０年３月２３日出願のＮｏｚｚｌｅ  Ｇｅｏｍｅｔｒｙ  ｆｏｒ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｊｅｔ  Ｐｒｉｎｔｉｎｇとの名称の米国特許出願第１２／７２９４４８号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、米国エネルギー省によるＤＥ‐ＦＣ２６‐０４ＮＴ４２２７３の下での米国政府の補助によりなされたものである。米国政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
本願発明は、以下の者の一以上によって、その代理として、及び／又はその産学共同研究の同意によりなされたものである：リージェンツ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・ミシガン、プリンストン大学、南カリフォルニア大学、ユニバーサルディスプレー社。その同意は、本願発明がなされたとき及びそれ以前において有効であり、本願発明は、その同意の範囲内において行われた活動の結果としてなされたものである。
【０００４】
本発明は、プリントヘッドを介した有機物質の堆積に関する。
【背景技術】
【０００５】
有機物質を用いるオプトエレクトロニクスデバイスが、多くの理由により益々望まれている。このようなデバイスを製造するために使用される物質の多くは、比較的安価であるので、有機オプトエレクトロニクスデバイスは、無機デバイスに対してコストの利点を有する可能性がある。更に、有機物質の固有の性質（フレキシブル性等）によって、そのデバイスが、フレキシブル基板上での製造等の特定の応用に適したものになる。有機オプトエレクトロニクスデバイスの例として、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ，ｏｒｇａｎｉｃ  ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｅｖｉｃｅ）、有機フォトトランジスタ、有機光起電電池、有機光検出器が挙げられる。
【０００６】
ＯＬＥＤの更なる詳細については、参照としてその全体が本願に組み込まれる特許文献１に見出すことができる。
【０００７】
有機デバイスを製造するために使用される有機物質を堆積させる多様な方法が知られていて、真空熱蒸発、溶液処理、有機気相堆積、有機蒸気ジェット印刷等が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７２７９７０４号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｐ．Ｃｌａｕｓｉｎｇ、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ、第８巻、ｐ．６３６−６４６
【非特許文献２】Ｄ．Ｊ．Ｓｔａｎｔｅｌｅｒ、Ｄ．Ｂｏｅｃｋｍａｎ、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ａ、１９９１年７月／８月、第９巻、第４号、ｐ．８
【非特許文献３】Ｊ．Ｈ．Ｍｏｏｒｅ、Ｃ．Ｃ．Ｄａｖｉｓ、Ｍ．Ａ．Ｃｏｐｌａｎ著、“Ｂｕｉｌｄｉｎｇ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ”、Ｗｅｓｔｖｉｅｗ  Ｐｒｅｓｓ、２００２年、第３版
【非特許文献４】Ｃｉｐｒｉａｎ  Ｉｌｉｅｓｃｕ、Ｆ．Ｅ．Ｈ．Ｔａｙ、Ｊ．Ｍｉａｏ、Ｓｅｎｓ．Ａｃｔ．Ａ、２００７年、第２巻、第１３３号、ｐ．３９５−４００
【非特許文献５】Ｇ．Ｗａｌｌｉｓ、“Ｆｉｅｌｄ  Ａｓｓｓｉｔｅｄ  Ｇｌａｓｓ  Ｓｅａｌｉｎｇ”、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈ、１９７５年、第２巻、第１号
【非特許文献６】Ｋ．Ｍ．Ｋｎｏｗｌｅｓ  ｅｔ  ａｌ．、“Ａｎｏｄｉｃ  ｂｏｎｄｉｎｇ”、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｒｅｖ．、２００６年、第５１巻、第５号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一部側面は、有機蒸気ジェット印刷に有用なノズルの幾何学的形状に関する。
【００１１】
一実施形態では、第一のデバイスが提供される。そのデバイスはプリントヘッドを含む。プリントヘッドは、第一のガス源に気密的に密閉された第一のノズルを含む。第一のノズルは、その第一のノズルの流れ方向に垂直な方向において０．５から５００マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有する。第一のノズルのアパーチャの最小寸法の５倍であるアパーチャから第一のノズル内への距離において、流れ方向に垂直な最小寸法は、第一のノズルのアパーチャの最小寸法の少なくとも二倍である。
【００１２】
プリントヘッドは、第一のガス源に気密的に密閉された複数の第一のノズルを含み得る。
【００１３】
プリントヘッドは、第一のガス源とは異なる第二のガス源に気密的に密閉された第二のノズルを含み得る。第二のノズルは、その第二のノズルの流れ方向に垂直な方向において０．５から５００マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有する。第二のノズルのアパーチャの最小寸法の５倍であるアパーチャから第二のノズル内への距離において、流れ方向に垂直な最小寸法は、第二のノズルのアパーチャの最小寸法の少なくとも二倍である。
【００１４】
プリントヘッドは、第一及び第二のガス源とは異なる第三のガス源に気密的に密閉された第三のノズルを含み得る。第三のノズルは、その第三のノズルの流れ方向に垂直な方向において０．５から５００マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有する。第三のノズルのアパーチャの最小寸法の５倍であるアパーチャから第三のノズル内への距離において、流れ方向に垂直な最小寸法は、第三のノズルのアパーチャの最小寸法の少なくとも二倍である。
【００１５】
プリントヘッドは、第一のガス源に気密的に密閉された複数の第一のノズル、第二のガス源に気密的に密閉された複数の第二のノズル、及び／又は、第三のガス源に気密的に密閉された複数の第三のノズルを備え得る。
【００１６】
ノズルを上述の幾何学的条件に合致させ得る方法は多数存在する。第一のノズルは、アパーチャから、第一のノズルのアパーチャの最小寸法の２倍であるアパーチャから第一のノズル内への距離まで一定の断面を有し得る。第一のノズルの流れ方向に垂直な方向における第一のノズルの最小寸法は、ゼロから、第一のノズルのアパーチャの最小寸法の２倍までの範囲の距離に対して、第一のノズルのアパーチャからの距離と共に、連続的に増大し得る。第一のノズルの流れ方向に垂直な方向における第一のノズルの最小寸法は、ゼロから、第一のノズルのアパーチャの最小寸法の２倍までの範囲の距離に対して、第一のノズルのアパーチャからの距離と共に、線形に増大し得る。
【００１７】
ノズルは多様な物質製であり得る。シリコンが特に好ましい。金属及びセラミックも好ましい。
【００１８】
第一のノズルの流れ方向に垂直な方向における第一のノズルのアパーチャの最小寸法に対する好ましい範囲として、１００から５００マイクロメートル、２０から１００マイクロメートル、０．５から２０マイクロメートルが挙げられる。
【００１９】
第一のノズルの流れ方向に垂直な第一のノズルの断面に対する好ましい形状として、円形及び矩形が挙げられる。
【００２０】
第一のデバイスは、異なる有機物質を運び得る複数のガス流で使用可能である。第一のデバイスは、第一及び第二のガス源と、プリントヘッドと第一及び第二のガス源との間に配置された熱障壁とを含むことが好ましい。好ましくは、独立的に制御可能な熱源が、プリントヘッド、第一のガス源及び第二のガス源の各々に提供される。
【００２１】
第一のデバイスは、各ガス流において複数の有機物質を運び得る複数のガス流で使用可能であり、異なる複数の有機物質は、独立温度制御を有する異なる複数のチャンバ内で昇華され得る。好ましくは、第一のガス源は、第一の昇華チャンバ及び第二の昇華チャンバを含む。第一のガス源は、プリントヘッドと第一のガス源との間に配置された熱障壁によって、プリントヘッドから離隔され得る。独立的に制御可能な熱源が、プリントヘッド、第一の昇華チャンバ及び第二の昇華チャンバの各々に提供され得る。
【００２２】
第一のデバイスは、第一のノズル並びに他のノズルからガスジェットを放出するのに使用可能である。
【００２３】
第一のデバイスはノズルからガスジェットを放出するのに使用されるものではあるが、独立的に制御可能な異なる複数の温度を、プリントヘッドと、第一、第二及び／又は第三のガス源において維持し得る。一実施形態では、第一のガス源によって提供されるガスは、第一の昇華温度を有する第一の有機物質を含み、第二のガス源によって提供されるガスは、第一の有機物質の昇華温度とは少なくとも１０℃異なる第二の昇華温度を有する第二の有機物質を含む。
【００２４】
本発明の一部側面は、有機蒸気ジェット印刷に有用なマイクロ流体プリントヘッドに関する。
【００２５】
一実施形態では、第一のデバイスが提供される。第一のデバイスは、プリントヘッドと、プリントヘッドに気密的に密閉された第一のガス源とを含む。更に、プリントヘッドは、複数のアパーチャを備えた第一の層を含み、各アパーチャは、０．５から５００マイクロメートルの最小寸法を有する。第二の層が第一の層に結合される。第二の層は、第一のガス源及び少なくとも一つのアパーチャと流体連結した第一のビアを含む。第二の層は、絶縁体製である。
【００２６】
第一のデバイスの第一の層は、第二の層の第一のビアと第一の層のアパーチャとの間の第一の層内部における流体連結を提供するチャネルを含み得る。更に又は代わりに、第一のデバイスの第二の層は、第二の層の第一のビアと第一の層のアパーチャとの間の第二の層内部における流体連結を提供するチャネルを含み得る。更に、第一の層及び／又は第二の層は、熱源を含み得る。
【００２７】
第一のデバイスは、第一の層と第二の層との間に配置され且つ第一の層及び第二の層に結合された第三の層を含み得る。第三の層は、第二の層の第一のビアと第一の層のアパーチャとの間の流体連結を提供するチャネルを含み得る。更に、第三の層は熱源を含み得る。
【００２８】
複数のアパーチャが第一のガス源と流体連結し得る。
【００２９】
第一のデバイスは、プリントヘッドに気密的に密閉された第二のガス源を更に含み得る。第二の層の第一のビアは、第一の層の第一のグループのアパーチャと流体連結し得る。更に、第二の層は、第二のガス源と、第一の層の第二のグループのアパーチャと流体連結した第二のビアを含み得る。更に、第一のデバイスは、プリントヘッドに気密的に密閉された第三のガス源を含み得る。更に、第二の層は、第三のガス源と、第一の層の第三のグループのアパーチャと流体連結した第三のビアを含み得る。
【００３０】
ガス源（第一のガス源や他のガス源等）は、複数の有機源を含み得る。異なる複数のガス源に接続された複数のビアは、同一のアパーチャと流体連結し得て、結果として、アパーチャにおいてガスの混合物が得られる。例えば、第一のビアが第一の有機源と流体連結し得る一方で、第二のビアは第二の有機源と流体連結する。第一及び第二のビアは両方とも、第一の層の第一のグループのアパーチャと流体連結し得る。プリントヘッド、第一の有機源及び第二の有機源の各々は、独立的に制御可能な熱源を有する。
【００３１】
更に、第一のデバイスは、第一の有機源に対するガス流を制御するための第一のバルブと、第二の有機源に対するガス流を制御するための第二のバルブとを含み得る。第一及び第二のバルブは、熱源から断熱され得る。
【００３２】
第一の層はシリコン製であることが好ましい。
【００３３】
第一の層は、融着、冷間圧接、陽極接合、及び共晶接合から成る群から選択された結合を用いて、第二の層に結合されることが好ましい。追加的な層（第三の層や他の層等）がプリントヘッド内に存在している場合、追加的な層は、これらのタイプの結合を用いて結合されることが好ましい。一実施形態では、第一の及び第二の層が、陽極接合を用いて互いに結合されることが好ましい。他の実施形態では、第三の層が第一の層と第二の層との間に配置され、第一及び第三の層は共晶接合又は融着で結合されて、第三及び第二の層が陽極接合で結合されることが好ましい。
【００３４】
更に、プリントヘッドは、そのスイッチの状態に応じて、第一のビアと少なくとも一つのアパーチャとの間の流体連結を遮断又は許容する微小電気機械スイッチを含み得る。
【００３５】
少なくとも一つのアパーチャはプリントヘッドからの突出部内に形成され得る。
【００３６】
プリントヘッドの厚さは５０から５００マイクロメートルの間であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】四つの異なるノズルの幾何学的形状の断面を示す。
【図２】ガス流に垂直な方向に取った四つの異なるノズルの幾何学的形状の断面を示す。
【図３】ＯＶＪＰプリントヘッド及び取り付け部の斜視図を示す。
【図４】プリントヘッドの拡大図を示す。
【図５】プリントヘッドの一部の写真を示す。
【図６】チャネル及びビアを含むマスクのプルーフを示す。
【図７】実際に製造された矩形ノズルの断面、及びＳｉ内にエッチングされたノズルインレットの走査型電子顕微鏡写真を示す。
【図８】完成品のプリントヘッドのノズル側の写真、並びに、ノズルアレイ８０２の一部の走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ）及びノズルアパーチャのＳＥＭを示す。
【図９】モデル化堆積プロファイルを示す。
【図１０】モデル化圧力及び温度プロファイルを示す。
【図１１】ノズルアレイの回路分析において用いたモデルを示す。流体抵抗を見積もり、アレイの全てのノズルに対する蒸気の均等分布を検証した。
【図１２】幅２０ｍｍのノズルの近傍におけるモデル化熱伝達プロファイルを示す。
【図１３】外縁に対する相対的なウェーハの中心の高さのプロットを温度の関数として示し、また、データを得るために用いた設定の概略を示す。
【図１４】ＩＴＯターゲットに対するＰｈｉｌＴｅｃｈ  ＲＺ‐２５変位センサの較正についての変位対電圧のプロットを示す。
【図１５】微細加工用にシリコンウェーハ及びボロシリケートウェーハを準備するプロセスフローを示す。
【図１６】プリントヘッドを製造するのに用いたＳｉ及びボロシリケートの処理のステップを示す。
【図１７】ＯＶＪＰフィードスルーの拡大図を示す。
【図１８】位置合わせ光学系及び高さセンサの備わったＯＶＪＰシステムの構成を示す。
【図１９】ＯＶＪＰプリントヘッドを用いて描かれた厚さ３５ｎｍのＡｌＱ（アルミニウムトリス（キノリン‐８‐オレート））ラインの光学顕微鏡写真を示す。
【図２０】ＯＶＪＰプリントヘッドを用いて描かれた厚さ３５ｎｍのＡｌＱラインのＳＥＭ像を示す。
【図２１】ＯＶＪＰプリントヘッドを用いて描かれた厚さ３５ｎｍのＡｌＱラインの原子間力顕微鏡写真を示す。
【図２２】ＯＶＪＰプリントヘッドを用いて描かれた厚い物質ラインの光学顕微鏡写真及びプロフィロメータ像を示す。
【図２３】ＯＶＪＰプリントヘッドを用いて描かれたＡｌＱラインからのライン走査データを示す。
【図２４】ＯＶＪＰプリントヘッドを用いて描かれたラインの共焦点落射型蛍光顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
高解像度ディスプレイの画素は、略３０μｍの幅にパターン化された赤、緑、及び青のストライプで構成され得る。異なる色のストライプの縁は、１０μｍだけ離隔され得る。有機画素に対しては、オーバースプレーによる物質の意図しない重畳を避けるために、パターンが略５μｍのシャープネス（鋭さ）を有することが好ましい。これらの寸法は、有機トランジスタや他のデバイス等の他の有機デバイスに対しても有用であり得る。
【００３９】
高解像度ディスプレイ又は有機物質を使用する他のデバイス用の有機物質を堆積させる方法の一つは、有機蒸気ジェット堆積（ＯＶＪＰ，ｏｒｇａｎｉｃ  ｖａｐｏｒ  ｊｅｔ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）である。実行可能なディスプレイ製造技術となるためには、有機蒸気ジェット印刷が５μｍのシャープネスで有機膜をパターン化できることが好ましい。また、ＯＶＪＰプロセスが複数のラインを同時に堆積させることもできることも好ましい。複数のノズルが、複数のラインの同時堆積を達成する方法の一つである。
【００４０】
ダイレクトシミュレーションモンテカルロ（ＤＳＭＣ，Ｄｉｒｅｃｔ  Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ  Ｍｏｎｔｅ  Ｃａｒｌｏ）法を用いた３０μｍスケールフィーチャに対する有機蒸気ジェット印刷プロセスのモデル化によって、ノズルアパーチャの幅が２０μｍであるとして、ノズルアパーチャと基板との間隔が＜５μｍであることが、所望のフィーチャのシャープネスを達成するために必要であることが明らかになった。この見積もりは、以前のＯＶＪＰの研究において観測された経験則によってサポートされていて、印刷解像度は、ノズルと基板との間隔とスケーリングする。
【００４１】
しかしながら、以前の方法は、基板の５μｍ以内で動作するように設計された２０μｍのノズルのアレイを形成するのにうまく適応しないものであり得る。第一に、光学的にフラットな基板と一致する高さ公差を有するノズルプレートは、可能な最良の高さ公差を提供するために、妥当な数の同時に堆積させたラインにわたってこれらの寸法で動作することが望まれる。以前の方法は、このようなノズルプレートを提供するのにうまく適応しないものであり得る。複数のノズルのアレイに対して、平坦さは、比較的大きな領域にわたって維持されることが好ましい。第二に、ＯＶＪＰ中にノズルプレートを熱く保つことが望まれるので、最大３００℃までその強度を維持する物質が望まれる。更に、熱膨張が、厳しい公差を維持することに干渉し得るので、熱膨張に耐える又は熱膨張の結果としての変形を生じさせない物質が望まれる。最後に、ノズル‐基板システムの気体力学は、三次元構造が望ましい点を指摘している。
【００４２】
シリコンマイクロマシニング、又はより一般的に半導体マイクロマシニングは、これらの厳しい仕様に合致する方法を提供する。製造プロセスは、高度に研磨されたウェーハに対して実施可能であり、高さの変動を排除する。Ｓｉ／ＳｉＯ２システムは、有機蒸気堆積用の適用温度範囲にわたって安定である。また、シリコンは、大抵の金属よりもはるかに低い熱膨張率を有する。テーパ化ノズルは、異方性エッチング剤を用いて製造可能であり、多層構造は、シリコンオンインシュレータウェーハ及びウェーハボンディング法を用いて製造可能である。このような方法は、マイクロ流体工学の分野において開発されてきたものである。マイクロ流体工学は、液体及び蒸気の輸送システムに対する微細加工法の応用であり、インクジェット印刷の分野において用いられてきた。また、同様の方法は、金属及びセラミックにも適用可能である。
【００４３】
微細加工デバイスと外界との界面は追加的な問題を示す。ＯＶＪＰの場合、３００℃以上の温度で動作させたいとの要望が、他の多くの分野において存在しない更に多くの問題を課す。ＯＶＪＰシステムは、使用者が使い易い蒸気発生システムを有し得て、これは、有機物質が丈夫で巨視的な構造内に貯蔵されることを意味する。そして、これは、有機蒸気が比較的大きなボアの金属チューブを用いてプリントヘッドに輸送され得ることを意味する。本願で説明されるように、適切に選択された中間物質を用いて、焼成可能ガス気密性シールが、金属マニホールドとシリコンノズルプレートとの間に提供可能であることが実証されている。
【００４４】
本発明の一部側面は、有機蒸気ジェット印刷用に有用なノズルの幾何学的形状に関する。
【００４５】
一実施形態では、第一のデバイスが提供される。本デバイスはプリントヘッドを含む。プリントヘッドは、第一のガス源に気密的に密閉された第一のノズルを含む。第一のノズルは、その第一のノズルの流れ方向に垂直な方向において０．５から５００マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有する。第一のノズルのアパーチャの最小寸法の５倍であるアパーチャから第一のノズル内への距離において、流れ方向に垂直な最小寸法は、第一のノズルのアパーチャの最小寸法の少なくとも二倍である。
【００４６】
図１は、上述の寸法を示し、その基準に合致するいくつかの幾何学的形状も示す。本願全体にわたって図面は必ずしも縮尺通りに描かれたものではない。図１は、四つの異なるノズルの幾何学的形状の断面図を示し、その断面図は、ノズルのガス流に平行な方向に取られたものであり、また、ノズルアパーチャにおける最小寸法を示す方向に取られたものである。各幾何学的形状において、アパーチャは、ノズルの流れ方向に垂直な方向に最小寸法１０１を有する。“アパーチャ”は、最小寸法が最小値に達する点、つまりノズルを通るガス流が最も圧縮される点によって定義される。また、各ノズルは、アパーチャの最小寸法の５倍であるアパーチャからノズル内への距離１０２を有する。また、各ノズルは、アパーチャから第一のノズル内への距離１０２において流れ方向に垂直な最小寸法である寸法１０３を有する。図示されるように、寸法１０３は、寸法１０１の少なくとも二倍である。ノズル１１０は、アパーチャにおいて点に達する傾斜側面を有する。ノズル１２０は、ノズルの大部分に対して傾斜側面を有するが、その側面は、アパーチャにおける短い距離に対して垂直である。この場合、最小寸法が最小値に達するノズルの流れ方向において有限の距離が存在し、“アパーチャ”は、基板に最も近い点（最小寸法が最小値となる）である。ノズル１２０は、ノズル１１０よりも良い機械強度を有し得て、一致したアパーチャサイズで容易に製造可能である。ノズル１３０は、点に達する傾斜側面を有するが、ノズル１３０の底に達する前に僅かに広がる。ノズル１３０は、アパーチャが必ずしも基板に最も近いノズルの点にはない様子を示す。ノズル１４０は、垂直側面を有し、ガス流がノズルを出て行く直前に急激に細くなる。また、他のノズルの幾何学的形状も、上述の基準に合致し得る。
【００４７】
図２は、ガス流に垂直な方向においてアパーチャで取られた四つの異なるノズルの幾何学的形状の断面図を示す。図２において断面の取られたノズルは、図１のものに必ずしも対応してはいない。各アパーチャにおける矢印は、アパーチャの“最小寸法”を表す。数学的には、最小寸法において、矢印の長さは、その矢印に垂直な方向における矢印全体の並進移動に対して極大にあるか（円、楕円及び三角形に対して）、又は一定であり（矩形に対して）、その場合、“最小”寸法は、最小の極大値であるか、又は一定である。図２は、それぞれ円、楕円、矩形、三角形の断面を有するアパーチャ２１０、２２０、２３０、２４０の断面を示す。矩形のアパーチャは、ラインを堆積させるのに最も適した形状であり、また、シリコンにエッチングされたノズルにおいて比較的得易い形状である。しかしながら、他の形状も使用可能である。
【００４８】
プリントヘッドは、第一のガス源に気密的に密閉された複数の第一のノズルを含み得る。
【００４９】
プリントヘッドは、第一のガス源とは異なる第二のガス源に気密的に密閉された第二のノズルを含み得る。第二のノズルは、その第二のノズルの流れ方向に垂直な方向において０．５から５００マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有する。第二のノズルのアパーチャの最小寸法の５倍であるアパーチャから第二のノズル内への距離において、流れ方向に垂直な最小寸法は、第二のノズルのアパーチャの最小寸法の少なくとも二倍である。
【００５０】
プリントヘッドは、第一及び第二のガス源とは異なる第三のガス源に気密的に密閉された第三のノズルを含み得る。第三のノズルは、その第三のノズルの流れ方向に垂直な方向において０．５から５００マイクロメートルの最小寸法を有するアパーチャを有する。第三のノズルのアパーチャの最小寸法の５倍であるアパーチャから第三のノズル内への距離において、流れ方向に垂直な最小寸法は、第三のノズルのアパーチャの最小寸法の少なくとも二倍である。
【００５１】
プリントヘッドは、第一のガス源に気密的に密閉された複数の第一のノズル、第二のガス源に気密的に密閉された複数の第二のノズル、及び／又は第三のガス源に気密的に密閉された複数の第三のノズルを備え得る。
【００５２】
ノズルが上述の幾何学的形状の条件に合致する方法は多数存在する。第一のノズルは、アパーチャから、第一のノズルのアパーチャの最小寸法の２倍であるアパーチャから第一のノズル内への距離まで一定の断面を有し得る。第一のノズルの流れ方向に垂直な方向における第一のノズルの最小寸法は、ゼロから、第一のノズルのアパーチャの最小寸法の２倍までの範囲の距離に対して、第一のノズルのアパーチャからの距離と共に連続的に増大し得る。第一のノズルの流れ方向に垂直な方向における第一のノズルの最小寸法は、ゼロから、第一のノズルのアパーチャの最小寸法の２倍までの範囲の距離に対して、第一のノズルのアパーチャからの距離と共に線形に増大し得る。
【００５３】
ノズルは、多様な物質から形成可能であるが、シリコンが好ましい。
【００５４】
第一のノズルの流れ方向に垂直な方向における第一のノズルのアパーチャの最小寸法に対して好ましい範囲として、１００から５００マイクロメートル、２０から１００マイクロメートル、０．５から２０マイクロメートルが挙げられる。
【００５５】
第一のノズルの流れ方向に垂直な第一のノズルの断面に対する好ましい形状として、円形及び矩形が挙げられる。
【００５６】
第一のデバイスは、異なる有機物質を運び得る複数のガス流で使用可能である。第一のデバイスは、好ましくは、第一及び第二のガス源と、プリントヘッドと第一及び第二のガス源との間に配置された熱障壁とを含む。好ましくは、独立的に制御可能な熱源が、プリントヘッド、第一のガス源、第二のガス源の各々に対して提供される。
【００５７】
第一のデバイスは、各ガス流において複数の有機物質を運び得る複数のガス流で使用可能であり、異なる有機物質は、独立温度制御を有する異なる複数のチャンバ内で昇華され得る。好ましくは、第一のガス源は、第一の昇華チャンバ及び第二の昇華チャンバを含む。第一のガス源は、プリントヘッドと第一のガス源との間に配置された熱障壁によって、プリントヘッドから離隔され得る。独立的に制御可能な熱源を、プリントヘッド、第一の昇華チャンバ、第二の昇華チャンバの各々に対して提供し得る。多様な熱源が使用可能である。例えば、プリントヘッドの表面上の抵抗プレートが使用可能であり、又は、熱源が、例えば、プリントヘッドの一以上の層内に埋め込まれた抵抗素子として、プリントヘッドの層内に組み込まれ得る。
【００５８】
第一のデバイスを用いて、第一のノズル並びに他のノズルからガスジェットを放出することができる。
【００５９】
第一のデバイスは、ノズルからガスジェットを放出するのに使用されるが、プリントヘッドと、第一、第二及び／又は第三のガス源とにおいて、独立的に制御可能な温度を維持し得る。一実施形態では、第一のガス源によって提供されるガスは、第一の昇華温度を有する第一の有機物質を含み、第二のガス源によって提供されるガスは、第一の有機物質の昇華温度とは少なくとも１０℃異なる第二の昇華温度を有する第二の有機物質を含む。昇華温度の差は、本発明の実施形態が他の設計にはるかに容易に適応可能であるという特徴であるが、本発明の実施形態の他の側面を利用する必要はない。例えば、別々の源によって、物質の混合を連続的に変化させ得るが、昇華温度は同様のもの又は異なるものである。
【００６０】
本発明の一部側面は、有機蒸気ジェット印刷に有用なマイクロ流体プリントヘッドに関する。
【００６１】
第一のデバイスは、第一の有機源に対するガス流を制御するための第一のバルブと、第二の有機源に対するガス流を制御するための第二のバルブとを更に含み得る。第一及び第二のバルブは、熱源から断熱され得る。
【００６２】
第一の層はシリコンから形成されることが好ましい。
【００６３】
好ましくは、第一の層は、融着（融合接合）、冷間圧接、陽極接合、及び共晶接合から成る群から選択された結合を用いて、第二の層に結合される。追加的な層（第三の層や他の層等）がプリントヘッドに存在する場合、その層は、これらのタイプの結合を用いて結合されることが好ましい。一実施形態では、第一の層及び第二の層が、陽極接合を用いて互いに結合されることが好ましい。他の実施形態では、好ましくは、第三の層が、第一の層と第二の層との間に配置されて、第一の層及び第三の層が、共晶接合又は融着で結合されて、第三の層及び第二の層が、好ましくは陽極接合で結合される。
【００６４】
プリントヘッドは、微小電気機械スイッチを更に含み得て、その微小電気機械スイッチは、そのスイッチの状態に応じて、第一のビアと少なくとも一つのアパーチャとの間の流体連結を遮断又は許容するように構成される。
【００６５】
少なくとも一つのアパーチャは、プリントヘッドからの突出部内に形成され得る。
【００６６】
プリントヘッドの厚さは、好ましくは５０から５００マイクロメートルの間である。プリントヘッドの厚さは、そこを通るノズルを含む第一の層からビアを含む第二の層までの全ての層を含む。
【００６７】
一実施形態では、有機蒸気ジェット堆積システム３００が提供される。図３は、プリントヘッド３１０及び取り付け部を含むＯＶＪＰシステム３００の斜視図を示す。システム３００を実際に製造し作動させた。システム３００は、フローチャネル及びノズルアレイを含むプリントヘッド３１０を含み、図４から図６により詳細に示されている。六つの有機蒸気源３２０（“ガス源”とも称される）がマニホールド３３０に溶接されて、そのマニホールド３３０は、プリントヘッドに気密的に密閉される。蒸気源用の構造の一つが図１７に詳細に示されている。マニホールド３３０は、プリントヘッドの動作温度においてその形状を維持する物質（コバール（Ｋｏｖａｒ）制御膨張鋼等）から製造されることが好ましい。プリントヘッド３１０は、マニホールド３３０にクランピングされて、且つ高温ペルフルオロエラストマガスケットを用いて密封されて、有機蒸気源３２０とプリントヘッド３１０との間の気密シールを達成する。気密シールを達成する他の方法も使用可能であり、コバールバックプレートに対するプリントヘッドの陽極接合等が挙げられる。有機物質は、コバールマニホールドにレーザ溶接された加熱チューブ内に収容されるが、その様子は図１７により良く見て取れる。有機蒸気源３２０は、有機源セルを取り囲む加熱チューブで構成される。このアセンブリは、８インチのコンフラット（Ｃｏｎｆｌａｔ）フランジ（マニホールド３３０）に取り付けられ、そのコンフラットフランジは、構造部材及びガスフィードスルーの両方の役割を果たす。蒸気発生器は、溶接ステンレス鋼ベローズ３４０を介してマニホールド上のポートに接続される。ベローズ３４０は膨張ジョイントとして機能する。有機蒸気源３２０は、加熱時に膨張し得るので、プリントヘッド３１０に伝わりプリントヘッド３１０を変形させ得る熱応力を避けるために、マニホールド３３０と蒸気発生器３２０との間のフレキシブル結合が望ましい。
【００６８】
蒸気発生器３２０、ベローズ３４０、マニホールド３３０及び関係するフィッティングは、マニホールド３３０の頂部からプリントヘッド３１０まで延伸する内径０．３インチの中空の導管を形成する。有機物質は、ガラスロッドの端部においてベントされたカプセル内に配置されて、導管内に挿入される。ロッドが挿入されると、ロッドが含む有機物質は、加熱蒸気発生器の内側に配置される。その後、導管の頂部が、Ｓｗａｇｅｌｏｋ  Ｕｌｔｒａｔｏｒｒフィッティングを用いて、ガラスロッドの外径に対して密封される。ガラスロッドの内径を介して通されたサーモカップルは、蒸気発生器の内側の温度計測部を提供する。キャリアガスは、フィードスルーとＵｌｔｒａｔｏｒｒフィッティングとの間の貫通Ｔ字型アダプタ介して導管内に供給される。これらの特徴は、図１７により明確に見て取れる。
【００６９】
図４は、プリントヘッドの拡大図を示す。プリントヘッドの第一の層４１０は、複数のアパーチャを含み、それら複数のアパーチャは、図１及び図２に関して説明した寸法を有す得ることが好ましい。第一の層４１０は好ましくはシリコン製であり、例えば、半導体処理において開発されている既知の技術で所望のノズルの幾何学的形状を含むように容易にパターン化可能である。第一の層４１０は、その内にアパーチャを有するようにパターン化された複数のノズル４１５を含む。第一の層４１０は第二の層４２０に結合される。好ましい結合方法として、融着、陽極接合、冷間圧接、共晶接合が挙げられる。第二の層４２０は好ましくは絶縁体製であり、ガス源からの熱伝導を制限し、第一の層４１０の温度を、ガス源の温度とは独立して制御できるようにする。第二の層４２０は第一の層４１０に結合される。第二の層４２０は、ノズル４１５と流体連結したビア４２２を含む。図示されるように、第二の層４２０内にエッチングされたチャネル４２４は、ビア４２２とノズル４１５との間の流体連結を提供する。オームコンタクト４４０が、第一の層の前面上に蒸着されて、ノズルプレートが加熱電流によってアドレス可能になるようにする。
【００７０】
実際に製造されて堆積システムの一部として用いられたプリントヘッドにおいて、第一の層４１０はシリコンウェーハであり、第二の層４２０はボロシリケートウェーハであり、二つの層は陽極接合で結合された。図５は、実際に製造された第一の層５１０及び第二の層５２０の写真を示す。
【００７１】
第一の層４１０は、第二の層４２０内のチャネルの代わりに又はこれに加えて、ビア４２２とノズル４１５との間において第一の層内部の流体連結を提供するチャネルを含み得る。第一の層４１０は、加熱コンタクト４４０等の熱源を更に含み得る。
【００７２】
第三の層（図示せず）が、第一の層４１０と第二の層４２０との間に配置され得て、第一の層４１０及び第二の層４２０に結合され得る。好ましい結合方法は、上述の通りである。この場合、第一の層４１０は、第二の層４２０に“結合されている”とされる。第三の層は、層４１０及び／又は４２０のチャネルの代わりに又はこれに加えて、ビア４２２とノズル４１５との間の流体連結を提供するチャネルを含み得る。第三の層は熱源を更に含み得る。
【００７３】
図４に示されるように、複数のノズル４１５は、第一のガス源等の単一のガス源と流体連結し得る。これを達成する方法の一つは、チャネルがビアを複数のノズルに接続するようにすることである。
【００７４】
図６は、チャネル６１０及びビア６２０を含むマスク６００のプルーフを示す。図６の構造は、例えば、ボロシリケートウェーハに適用可能であり、図４の第二の層４２０として使用される。応力を低下させるために、鋭角は避ける。チャネル６１０は、放射状に配向されて、緩やかな曲率が与えられて、応力集中を更に低下させる。チャネル６１０は、三つの流体回路を形成する。回路６１２は、共通のホスト内の二つの異なるドーパントが、別々のノズルアレイ内に供給されるようにする。回路６１４は、ホスト及びドーパント物質が、ノズルアレイから放出される前に混合するようにする。回路６１６は、単一の源からノズルアレイに物質を供給する。
【００７５】
図４から分かるように、複数のガス源が、プリントヘッドに気密的に密閉され得る。図６から分かるように、チャネルを用いて、多様な方法で複数の源からガスをルーティングすることができる。例えば、プリントヘッドに気密的に密閉された第一及び第二の、又は第一、第二及び第三のガス源の各々が、各自の別々のノズルアレイと流体連結し得る。このようになるのは、例えば、図６の構造が、回路６１６と同様の三つの回路を含むように調節された場合である。この場合、第一のデバイスは、プリントヘッドに気密的に密閉された第二のガス源を更に含み得る。第二の層の第一のビアは、第一の層の第一のグループのアパーチャと流体連結し得る。第二の層は、第二のガス源及び第一の層の第二のグループのアパーチャと流体連結した第二のビアを更に含み得る。第一のデバイスは、プリントヘッドに気密的に密閉された第三のガス源を更に含み得る。第二の層は、第三のガス源及び第一の層の第三のグループのアパーチャと流体連結した第三のビアを更に含み得る。
【００７６】
異なる複数のガス源に接続された複数のビアは、同一のアパーチャと流体連結し得て、アパーチャにおいてガスの混合が得られる。回路６１２、６１４及び６１６によって示されるように、異なる複数の源からの一、二、三又はそれ以上のガスがこのようにして混合され得る。例えば、第一のビアが、第一の有機源と流体連結され得る一方で、第二のビアが、第二の有機源と流体連結される。第一及び第二のビアは両方とも第一の層の第一のグループのアパーチャと流体連結され得る。プリントヘッド、第一の有機源及び第二の有機源の各々は、独立的に制御可能な熱源を有し得る。
【００７７】
プリントヘッドの回路内において異なる複数の源からのガスを混合することに加えて、ガス源（第一のガス源や他のガス源等）は、同一の蒸発チャンバ又は異なる複数の蒸発チャンバからの複数の有機物質を含み得る。しかしながら、プリントヘッドにおける混合は、有機物質が昇華する各チャンバ内における温度及びガス流等のパラメータを別々に制御することに関する最大の柔軟性を可能にする。これは、例えば、二の有機物質が顕著に異なる昇華温度を有する場合に非常に望まれるものになり得る。昇華速度はより簡単に制御可能である。更に、昇華温度が劇的に異なる場合、一の物質を昇華させるのに望ましい温度は異なる物質に対しては弊害をもたらし得る。
【００７８】
図７は、実際に製造された矩形ノズル７４０の断面７００を示す。ノズル７４０は、シリコン製の第一の層７１０内に形成された。第一の層を形成するのに用いたシリコンウェーハは、突出部を可能にするために最初は５０マイクロメートルよりも厚いものであったが、最終的な厚さは５０マイクロメートルであった。ノズル７４０は、第一の層７１０からの突出部７２０内に位置するアパーチャ７３０を有する。アパーチャ７３０は２０マイクロメートルの最小寸法を有する。突出部７２０は第一の層７１０から５０マイクロメートル突出している。ノズル７４０は基板に近接して使用されることが意図されており、ノズル‐基板の離隔距離は略５マイクロメートルである。突出部７２０は、ノズルから放出されたガスが、第一の層７１０の縁までずっと５マイクロメートルの厚さの空間を通って伝わる必要無く逃げることができるようにする。ノズル壁と第一の層７１０の平面との間の角度は５４．７４度であり、ＫＯＨによるＳｉの＜１００＞平面の選択的エッチングを含む既知のシリコンエッチング技術を用いて容易に達成される。図７は、走査型電子顕微鏡で視たＳｉ内にエッチングされたノズルインレットを示す像７５０も示す。
【００７９】
図８は、完成品のプリントヘッドのノズル側の写真８００である。ノズルアレイ８０２は、写真中央の高アスペクト比の矩形のアレイである。バンパ８０４は暗い四角形として見える。より大きなバンパがノズルアレイから離れて配置される一方で、より小さなバンパがノズルアレイ８０２の近くに配置されて散在している。バンパ８０４は、堆積中に基板‐ノズルの所望の間隔を維持するのに役立つ。バンパ８０４は、研究室レベルでは有用であるが、商業的な実施においては存在しても存在しなくてもよい。変位センサ窓８０６も示されている。変位センサ窓８０６は、ノズルの使用時に基板を見る方法を提供し、また、例えば、基板／ノズルの間隔を測定する方法や、位置合わせマーク又は基板上の他のフィーチャに基づいてノズルを位置決めする方法を提供する。図８は、ノズルアレイ８０２の一部の走査型顕微鏡写真（ＳＥＭ，ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈ）も示す。図８は、ノズルアレイ８０２のノズルアパーチャのＳＥＭも示す。
【００８０】
図５から図８に示される構造を実際に製造した。プリントヘッドは二つの結合ウェーハ（第一及び第二の層）で構成される。最底のウェーハはノズルプレートであり、厚さ１００μｍのシリコンであり、図７及び図８に示されている。計１２８個のノズルがプレート内にエッチングされる。ノズルは、２０μｍ×２００μｍの寸法の底部アパーチャを有し、長軸は、細いラインを形成するように基板の進行方向に対応する。アパーチャの最小寸法は２０μｍである。ノズルは、四つのバンク内に３２個ずつ配置されて、一部のバンクは、互いにオフセットされて、複数の隣り合ったストライプの印刷を可能にする。各バンクは、異なる有機蒸気処方を同時に堆積させることができる。異方性エッチングは、アウトレットよりもはるかに幅広のノズルインレットを形成する。プリントヘッドの下側（基板に面する側）はエッチングバックされて、ノズル先端及び他のフィーチャがウェーハ表面を超えて隆起されるようにする。隆起したノズル先端は、ノズルが基板の近くにされる一方で、キャリアガスがプリントヘッドと基板との間のギャップにおいて容易に逃げることができるようにする。ノズル周辺の隆起バンパは、ノズル先端を、基板にぶつかることから保護する。ノズルプレートは、光学窓に移植されて、基板に対する相対的な位置を測定する光学変位センサの組み込みを可能にする。
【００８１】
図５及び図６に示されるチャネル及び絶縁体層（第二の層）は、厚さ５００μｍのボロシリケートガラス製である。ノズルは、ノズルプレートに面するガラスウェーハの側面内にエッチングされた深さ１００〜２００μｍの流体チャネルによって供給される。チャネルは、ウェーハの厚さ全体にわたって延伸するビアを介して供給される。チャネル層及び絶縁体層が結合される際、三つの流体的に独立した流体回路の組が形成される。蒸気は、六つのビアのいずれかを介して供給可能であり、回路レイアウトに従ってノズルから出て行く。
【００８２】
図５から図８に示されるプリントヘッドが、図３に示されるような有機蒸気ジェット印刷システム３００内に組み込まれた。図３に関して述べたように、プリントヘッドはコバールマニホールド上に存在する。プリントヘッドは、カスタムカットのゴムガスケットでマニホールドに対して密閉されて、ステンレス鋼及びインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）クランプで適切な位置に保持される。カルレッツ（Ｋａｌｒｅｚ）等の高温ゴムがガスケット用に使用可能である。コバールバックプレーンにプリントヘッドを陽極接合する等の他のパッケージング方法も使用可能である。金属バックプレーンは、プリントヘッドに対してよりロバストな密閉表面を提供すると考えられる。
【００８３】
基板ギャップに対するノズル及びプリントヘッドの影響は数学的にモデル化可能である。プリントヘッドを介して基板ギャップに向かうキャリアガスの流れは、非圧縮性の粘性流に対する潤滑近似を用いてモデル化可能である。流れの非半径方向の成分は全て無視される。流れを定める特徴長さは、プリントヘッドから基板までのギャップｈである。この長さに対する圧力変動は無視できて、半径方向の寸法に対するガス膨張は、理想気体の法則を用いて近似可能である。蒸気流の平均速度は、式ＩＩ．Ａ．１によって与えられる。μは粘度、Ｐは圧力、Ｔは温度、Ｒは理想気体定数、ｒは半径、Ｊはモル流量である。
【数１】
0006033679.tif 000002
これは、微分方程式の式ＩＩ．Ａ．２として表現可能であり、解くことができる。添え字ｉ及びｏは、入力条件及び出力条件を示す。
【数２】
0006033679.tif 000003
外側半径が５０ｍｍ、内側半径が１０ｍｍ、キャリアガス速度が２．５×１０−５ｋｇ／ｍ×ｓ、モル流量が２ｓｃｃｍに等しく、プリントヘッドの外縁における圧力が無視できるとすると、ディスクの内側に対する圧力は略３５００Ｐａである。
【００８４】
直感的に、最大の圧力降下は、ノズルの下方先端と基板との間のギャップ中において生じる。このギャップの下流端が３５００Ｐａにあるとすると、内部のガス分子は、３．５μｍの平均自由行程を有する。壁に対する粒子の衝突は、この方式に従う傾向にあり、クヌーセン流として取り扱うことができる。非特許文献１の遷移確率法を用いて、二つの領域間の分子流の流量が、式ＩＩ．Ａ．３によって与えられる。ここで、Ｊは分子流の流量であり、Ｔは温度であり、Ｐは圧力であり、ｍはキャリアガスの分子量であり、Ａはチューブの面積であり、ｗは遷移確率である。非特許文献２では、長さ対高さの比が４：１である幅広の矩形導管に対してｗ＝０．５３３と計算されている。
【数３】
0006033679.tif 000004
【００８５】
ダイレクトシミュレーションモンテカルロ法による可能なノズル設計の調査は、内側及び外側のテーパを備えたノズル設計が、高解像度堆積用に最適な流れパターンを生じさせることを示唆している。流体抵抗は、０．００２１ｓｃｃｍ／Ｐａのコンダクタンスを予測し、上記解析モデルと良く一致する。２０μｍ×２００μｍの断面の矩形のノズル先端が推奨される。推奨されるノズルから基板までの間隔は３から５μｍである。３２個以上のこのようなノズルがアレイ内に配置可能である。大型ノズルアレイは、蒸気発生器と基板との間の圧力差を低減するので、有用である。結果としての堆積プロファイルは、１８μｍの半値全幅を有すると予想される。堆積は、４０μｍ以内においてその中心線の値の１０％にまで低下すると予想され、隣接画素に顕著に入り込むことなく、３０μｍで縁取られた３０μｍの画素内に正確に堆積させることができる。予測堆積プロファイルが、２０μｍの幅のアパーチャ及び５μｍの先端から基板までのギャップの二重テーパ化ノズルに対して、実線として図９に示されている。高さは任意単位である。画素幅にわたってプロファイル平均に等しい高さの理想的な画素充填堆積プロファイルが破線で示されている。
【００８６】
図１０は、２０μｍの幅のアパーチャ及び５μｍの先端から基板までのギャップの二重テーパ化ノズルに対して、モデル化圧力プロファイル１０１０及びモデル化温度プロファイル１０２０を示す。ノズル本体によって生じる障壁は、断面図における暗い領域である。これらプロファイルは対称的であり、ノズルの半分のみを示せば関連する情報が捉えられる。
【００８７】
満足の行く堆積プロファイルは、ノズルの内側テーパに適合するようなノズルの外側テーパが無くても、達成可能であるが、これはあまり好ましくない。何故ならば、シミュレーションのノズル構造の伝導性が五倍低下するからである。その影響は、ノズルからプリントヘッドの縁までのガスの出口経路の減少を考慮すると、より強調される。所望の流量を生じさせるのに必要な圧力は、蒸気流中の有機物を希釈化して、プリントヘッドと基板との間の熱伝達を増強する。これは、理想的ではない動作方法である。しかしながら、下側テーパを有さないプリントヘッドも、有効的な堆積ツールであることが実証されていて、テーパ化された下側を有するプリントヘッドよりも製造が簡単であるので、使用可能である。
【００８８】
内側テーパが省かれると、酷くではないが、動作圧力が増大する。しかしながら、興味深いことに、堆積プロファイルは、図９に示される二重ピーク構造を取る。最適化されたメサ状の堆積プロファイルを生じさせるように内側テーパを最適化することができる。プラズマエッチングを用いて、多様な幾何学的形状を形成することができる。
【００８９】
蒸気発生器及びチャネルアレイを通る流れも、数学的にモデル化可能である。短い断面寸法ｈ及び大きな断面寸法ｗを有する矩形の導管に対する体積流量を、非圧縮性ナビエストークス方程式から導出された式ＩＩ．Ｂ．１を用いて計算する。そして、理想気体の法則を用いてモル流量に変換する。μは粘度であり、ｘはチャネルの軸方向寸法であり、下流方向において正である。Ｐ及びＴはチャネル内の圧力、温度である。Ｒは理想気体定数である。
【数４】
0006033679.tif 000005
ノズルアレイは、それをセグメントに分解して、キルヒホッフの電流法則と同様の推論を適用することによって、分析可能である。ノズルを介する圧縮性層流は一般的に、Ｑｍｏｌ〜Ｐ２とスケーリングする。しかしながら、非常に短い長さスケールに起因して、ノズル自体を介しては、Ｐと線形にスケーリングする。ダイレクトシミュレーションモンテカルロコードを用いて、Ｉ．Ｂ．２で排除された幾何学的形状のノズルに対してＣ＝５．４×１０−１１ｍｏｌ／（Ｐａ×ｓ）との損失率を見積もった。図１１は、ノズルアレイの回路分析において用いたモデルを示す。流体抵抗を見積もって、アレイ内の全てのノズルに対する蒸気の均等分布を検証した。
【数５】
0006033679.tif 000006
【００９０】
３２個のセグメント後において、０．２％以下の圧力変化が予想される。ノズルを介する圧力駆動流は、アレイに沿って一定であると予測される。
【００９１】
蒸気発生速度は、式ＩＩ．Ｂ．５によって近似可能であり、ここで、Ｐは、蒸気発生セルの圧力、Ｐ＊は、セル内の有機物質の平衡蒸気圧であり、ｑはキャリアガスの流量、セルを出て行く有機物質の量である。γは、発生器から流出する蒸気の飽和度を示す効率パラメータである。これは、よく設計されたシステムでは１（単位元）に近い。ＯＬＥＤ物質の蒸気圧は、以前のＯＶＪＰの研究から見積もることができる。以前のシステムでは、８Ｔｏｒｒで５ｓｃｃｍのキャリアガスを用いて、飽和ＣＢＰ蒸気をノズルに向けて源セルの外に掃き出した。その設備は、２０００Å／ｓの堆積速度を可能にし、これは、２×１０１４分子／ｓの蒸気発生速度、及び８００μＴｏｒｒのＣＢＰ蒸気圧を意味する。
【数６】
0006033679.tif 000007
【００９２】
４０Ｔｏｒｒの動作圧力におけるＣＢＰ蒸気発生器を介する４ｓｃｃｍのキャリアガスの流れを仮定すると、略３．３×１０１３分子／ｓが得られる。これは、ノズルアパーチャの下における９００Å／ｓの堆積速度を意味する。そして、これによって、０．６ｍｍ／ｓの書き込み速度が予測される。キャリアガスの流量は、これらの見積もられた条件から顕著に低下していて、典型的には、１ｓｃｃｍの流れ及び１０Ｔｏｒｒ以下の圧力である。この変化にもかかわらず、略１ｍｍ／ｓの互角な書き込みスピードが観測された。
【００９３】
蒸気発生器中の有機ボートのモデル化では、有機物がベントされたカプセル内に貯蔵されていて、ベント上を移動するキャリアガスによって対流させられると仮定する。この場合、有機蒸気及びキャリアガス混合物は、９５％の飽和条件で蒸気発生器を出て行く。キャリアガスの別々の希釈流は、有機物質を下流に進めるのに必要ではないと予想される。更に、有機蒸気は、モル分率に関して既に十分に希釈されている（〜０．００４％）。更なる希釈は、単に圧力降下を増大させるだけで性能を改善しない可能性がある。
【００９４】
有機蒸気源セルを介する流れが停滞すると、有機物質は、上流に移動して源セルを取り囲むチューブのより冷たい領域に向かうことによって、逆流し得る。有機蒸気源セルが４ｓｃｃｍ、４０Ｔｏｒｒ、３００℃に維持されるとすると、５ｃｍの加熱領域が、ＣＯＭＳＯＬでのモデル化に従って、有機物質の逆流を防止するのには十分である。動作条件は、これら初期予測条件とは顕著に異なり得るが、有機物質の顕著な逆流は観測されなかった。
【００９５】
また、有機蒸気ジェット堆積システム全体にわたる温度をモデル化するために、熱分析も実施し得る。
【００９６】
プリントヘッドの温度をモデル化し得る。大面積のコンタクトを用いて、プリントヘッドに対する直接的なオーム加熱電流を印加することによって、均一な加熱が達成可能である。必要であれば、プリントヘッドの伝導率を、その下に適用されたＴｉ又はＮｉの追加の薄層によって、補うことができる。Ｓｉは優れた熱伝導体であり、ボロシリケート層は、金属バックプレーンに対する熱伝達を低減するのに役立つ。実験によって、実際に形成された幾何学的形状に対して、プリントヘッドが、冷却基板に近接する際に３００℃の動作温度に達するまで加熱するのに略４０から６０Ｗを要することがわかった。多数の点におけるプリントヘッド温度の直接測定は未だ実現可能ではないが、空気中での低電力測定は、温度がプリントヘッドにわたって均一であることを示唆している。プリントヘッドに対する加熱電流は、連続可変な出力での孤立ＤＣ電源によって駆動される。オン／オフ制御によって生じる時間領域熱応力、及び非孤立電源からのアーク放電の危険性の両方を排除するためには、このようにすることが望ましいことが分かっている。
【００９７】
良い近似に対しては、ＣＯＭＳＯＬでのモデル化は、温度がチャネルに内在する領域における断面に沿っても均一であると予想されることを示す。
【００９８】
基板の温度もモデル化可能である。温度制御基板チャックに対するＯＬＥＤ成長についての本発明者の研究室における以前の非公表の研究では、結果物のデバイスに対する性能の重大な損失無く、フィルムが略３６０Ｋで成長可能であることが示されていた。これは、基板表面に対する略最大の望ましい温度仕様であるとみなすことができる。モデル化に基づく、幅２０ｍｍのノズルの近傍における基板に対する熱伝達プロファイルが図１２に示されている。計算に用いられたノズルは、幅２０μｍで、先端から基板までのギャップが５μｍの二重テーパ化ノズルである。距離はノズルの中心線からのものである。モデルの結果は、解析的な見積もりと良く一致している。
【００９９】
図１２に見て取れるように、ノズル自体は、４０Ｗ／ｃｍ２の熱流速のホットスポットを生じさせる。これは、１５Ｗ／ｃｍ２の平均熱流速に匹敵する。ホットスポットは比較的小さいので、周囲の基板（ヒートシンクとして機能する）と比較して穏やかな温度上昇しかない。ＣＯＭＳＯＬでのモデル化は、ホットスポットにおけるわずか略２０Ｋの安定状態温度上昇を予測する。こうした個々のホットスポットは管理が容易であるが、多数のこうしたホットスポットからの全体的な熱負荷は高い。基板表面を３６０Ｋ以下に保つのに十分なガラス基板を介する熱伝達を駆動させるためには、液体窒素冷却が好ましいものとなり得る。このため、ＯＶＪＰシステムには、基板ホルダを１５０Ｋ以下に冷却することができるＬＮ２供給システムが備わる。この構成によって達成される低い基板温度での有機物質の堆積は、物質移動を低減させて、フィーチャのシャープネスを改善するという更なる利点を有する。
【０１００】
蒸気発生器での熱伝達もモデル化可能である。蒸気発生器の熱伝達モデル化は、固体及び流体成分の両方を有する。キャリアガスは、発生器のベースの有機源ボートと接触する前に有機昇華温度に急速加熱されることが好ましい。ＣＯＭＳＯＬでのモデル化は、短い特徴長さ、及び低減された圧力でのガスの比較的高い熱伝導率の組み合わせに起因して、このことが極端に急速に生じることを示す。環境と源セルの加熱領域との間の壁温度の鋭い遷移を仮定すると、わずか４ｍｍの遷移長さが、ガスを加熱するのに必要である。
【０１０１】
熱伝達の固体成分の問題は、この遷移がどれ位鋭いものであるのかを定量化することを含む。源セルチューブは、一次元問題としてモデル化可能である。チューブは薄い壁のものであるので、半径方向の温度勾配は最小である。更に、チューブの成分は、最小の熱質量を有するものと仮定され、その仮定は、キャリアガスの短い熱遷移長さによってサポートされる。これらの仮定に対して黒体輻射を考慮した熱方程式は式ＩＩ．Ｃ．１によって与えられる。
【数７】
0006033679.tif 000008
ここで、ｋは金属チューブの熱伝導率であり、τはチューブの厚さであり、Ｔｃはチャンバ温度である。
【０１０２】
３０ｍＴｏｒｒのチャンババックグラウンド圧力を仮定すると、源セルは、ｈ＝５．４Ｗ／ｍ２Ｋの残留チャンバガスでの熱伝達率を有する。黒体放射項を線形化した後に、式ＩＩ．Ｃ．１を式ＩＩ．Ｃ．２に変換することができる。この式の特徴長さは２ｃｍであり、加熱領域と非加熱領域との間における蒸気発生器チューブの温度勾配の長さの概算を与える。従って、加熱チューブの最小長さは、有機蒸気源を通過して流れる前に、ガスを温めることが必要とされる。
【数８】
0006033679.tif 000009
【０１０３】
プリントヘッドの機械的変形もモデル化可能である。プリントヘッドの変形の考えられる二つの原因は識別されている。不均一な加熱及び熱膨張の違いによる熱誘起応力は、プリントヘッドを曲げ得る。比較的大きな圧力差が、チャネルのベースを形成するノズルプレートの部分にわたって存在し得る。こうした変形の長さの適切な見積もり及びこれを最小化する設計が、印刷中に平坦なままであるプリントヘッドを得るのに望まれて、また、正確な印刷に望まれる。
【０１０４】
圧倒的に顕著な変形がプリントヘッドウェーハスタック中の熱応力によって生じると考えられる。熱応力に起因する垂直偏向を、ＣＯＭＳＯＬのＭＥＭＳの熱構造相互作用パッケージを用いてモデル化した。ウェーハスタックを円柱座標系でモデル化した。室温における完璧な平坦性を仮定すると、薄膜ヒータが作動する際に、ウェーハスタックは、プレートの中心が外縁よりも２０μｍ下がるように下方に弓なりになると計算される。Ｆｌｅｘｕｓ薄膜応力測定装置に対するプリントヘッドプロトタイプの測定は、ウェーハの中央が外縁よりも１０μｍ高くなるような曲げを明らかにした。
【０１０５】
図１３は、温度の関数としての外縁に対する相対的なウェーハの中心の高さのプロット１３１０と、データを得るために用いた設定の概略１３２０を示す。単一ウェーハに対するデータは正方形で示され、プリントヘッドスタックに対するデータはダイヤモンドで示されている。概略１３２０は、ボロシリケート層１３２４及びＳｉ層１３２２を示す。１０μｍのオーダでの変位はノズル間隔に対して顕著なものであるが、ノズルアレイ自体にわたる平坦性は略２μｍであると予想される。数が少ないのは、ノズルが基板の中心付近において比較的近くで一緒にあり、ウェーハが変形する際にグループとして動くからである。ノズルアレイが下方に曲がるので、プレートはノズルの位置決めを妨害せず、ノズルを任意の近さに持っていくことができる。ノズル自体は、基板の曲率を最小化するためにど真ん中に配置され得る。非接触高さセンサが、適切に較正された際に、動作温度におけるノズル先端と基板との間の相対的な距離を測定することができる。熱による曲げは、誤差の最大の源であると予想されるが、管理可能なレベルで保持可能な誤差の源である。
【０１０６】
図３に示されるシステムに対して、蒸気発生器自体は、加熱に応じて最大２００μｍまで伸びると予想される。これがプリントヘッドを歪ませることを防止するために、蒸気発生器を、図３に示されるようなベローズによってフランジに接続し得る。これによって、フランジがプリントヘッドを押すことを防止する。
【０１０７】
ウェーハ変形に対する圧力差の影響も考慮した。均等に分布した負荷に応じての短軸断面における膜の最大の曲げは、非特許文献３に基づく式ＩＩ．Ｄ．２によって与えられる。これは、重調和応力方程式の結果でもある。上記同様に、ｗは垂直変位であり、Ｐは圧力負荷であり、Ｅはヤング率、ｔはプレート厚さである。Ｌはプレートの幅である。厚さ５０μｍ、幅１ｍｍのＳｉ膜は、１００００Ｐａの最悪のクロス膜圧力差に応じて４０ｍｍ弓なりになると予想される。しかしながら、これも顕著な変形ではなく、膜の厚さに対する変形の三乗の反比例の依存性は、より薄くてリジッドなノズルプレートに対して膜がはるかに変形可能になることを意味している。しかしながら、こうした変形も管理可能であると考えられる。
【数９】
0006033679.tif 000010
【０１０８】
上述のように、プリントヘッドの変形に対処する方法の一つは、ノズルの位置を測定することである。何故ならば、プリントヘッドの残りの部分に対する大きな変形が存在したとしても、比較的小さなノズルアレイに対する変形は小さなものであり得るからである。このため、Ｐｈｉｌｔｅｃｈ  ＲＺ‐２５デモンストレータモデルを入手して、ＩＴＯガラスターゲットに対してテストを行った。センサは光ファイバの束で構成される。一部ファイバが発光し、他のファイバが受光する。発光ファイバと受光ファイバとの間の結合の程度は、束と反射ターゲットとの間の距離によって決められる。ＲＺシリーズセンサは、ターゲットの反射率の差を補正するように並列で動作する二つの別々の束を特徴とする。
【０１０９】
信号は１ｍＶに安定していて、０．００８Ｖ／μｍの線形応答を仮定すると、２５０ｎｍの正確性を得ることができる。宣伝されている正確性は２００ｎｍである。センサの線形範囲は、ＩＴＯの透明度、及び遠方表面からの反射強度によって明らかに制限される。ＩＴＯターゲットが反射表面上に存在していると、センサは適切に動作しない。ＩＴＯターゲットがマットブラック表面上に取り付けられると、線形範囲が略３００μｍに広がる。これは、宣伝されている値の略半分である。不透明ターゲットから測定する際に、完全な線形範囲を得ることができる。こうした問題を他の測定方法を用いて補償し得る。センサの範囲が制限されているが、３００μｍは、ステージの上昇の精密な制御用には十分に適切なものである。非反射基板ホルダが好ましい。図１４は、ＩＴＯターゲット上のＰｈｉｌＴｅｃｈ  ＲＺ‐２５変位センサの較正に対する変位対電圧のプロットを示す。
【０１１０】
図１５は、微細加工用のシリコンウェーハ及びボロシリケートウェーハを準備するプロセスフローを示す。シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ，ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェーハ１５１０は、Ｕｌｔｒａｓｉｌ社（カリフォルニア州ヘイワード）から入手可能である。ＳＯＩウェーハ１５１０を用いて、ノズルプレートを作ることができる。受け取ったときにおいて、ウェーハは直径１００ｍｍであり、厚さ１００μｍのＳｉデバイス層１５１６が、１〜３μｍのＳｉＯ２酸化物層１５１４によって、厚さ３１５μｍのＳｉハンドル層１５１２から分離されている。両面研磨（ＤＳＰ，ｄｏｕｂｌｅ  ｓｉｄｅ  ｐｏｌｉｓｈｅｄ）の直径１００ｍｍで厚さ５００μｍのボロシリケートガラスウェーハ１５５０は、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｗａｆｅｒ（マサチューセッツ州ケンブリッジ）から入手可能である。
【０１１１】
四つのフォトリソグラフィで形成したパターン全てに対するマスクは、ＬＮＦマスクメーカ及び、クロムマスクを現像するためのＳＯＰを用いて形成する。フォトリソグラフィ処理を開始する前に、ＬＰＣＶＤ  Ｓｉ３Ｎ４ハードマスク層１５２２を、ウェーハ１５２０に示されるように、ＳＯＩウェーハの両面に成長させる。同様に、２０ｎｍＣｒ／５００Ａｕ／２０ｎｍＣｒ／５００ｎｍＡｕのハードマスク層１５６２を、ウェーハ１５６０に示されるように、エッチング準備に備えてボロシリケートガラスウェーハの両面に堆積させる。
【０１１２】
図１６は、プリントヘッドを製造するのに用いられるＳｉ及びボロシリケートの処理のステップを示す。
【０１１３】
Ｓｉの処理は以下の通りである。図１５のＳＯＩウェーハを覆うＳｉ３Ｎ４層を、ＳＰＲ２２０フォトレジストを用いてノズルインレットマスクでパターン化する。そして、ノズルインレット上のＳｉ３Ｎ４層を、１５０ｓ深堀り反応性イオンエッチングでエッチングする。そして、ウェーハを、８５℃の５０重量％のＫＯＨ溶液で１００分間エッチングして、ノズルの内側テーパ化表面を形成する。このステップの結果がウェーハ１６３０に示されている。変位感知及び光学位置合わせ用のノズルプレートの窓も、この時に切られる（図示せず）。ＳＯＩウェーハの絶縁体層は、各ノズルのアウトレットを形成するエッチングストップを形成する。そして、Ｓｉ３Ｎ４層を、反応性イオンエッチング又は熱いリン酸エッチングのいずれかで除去する。このステップの結果がウェーハ１６４０に示されている。
【０１１４】
ボロシリケートの処理は以下の通りであり、非特許文献４のものを採用した。図１５の金属化ボロシリケートガラスウェーハの両面を、１０μｍのＡＺ‐９２６０レジストでコーティングして、一方の面上のチャネルパターン及び他方の上のビアパターンでフォトリソグラフィでパターン化する。そして、金属ハードマスクを、４分間のＴｒａｎｓｅｎｅ  ＧＥ‐８１４８金エッチング剤及び、３０秒間のＣｙａｎｔｅｋ  ＣＲ‐１４クロムエッチング剤の交互のディップでエッチングする。これらのステップの結果がウェーハ１６１０に示されている。ウェーハのビア面は、エッチング剤から保護するために、パラフィンワックスで焼成ウェーハに取り付けられる。チャネル面は露出される。チャネルが１００μｍにエッチングされるまで、ウェーハを４９％のＨＦ溶液に浸漬させる。エッチング深さをスタイラスプロフィロメータを用いて検証する。所望の量のエッチングが略１５分間で達成された。ウェーハをその背面から除去して、熱いトリクロロエチレンで洗浄する。そして、チャネル面を、ワックスで焼成ウェーハに取り付けて、ビアを、ＨＦ溶液を用いてエッチングする。このエッチングはウェーハを貫通する。所望の量のエッチングが略一時間で達成された。そして、ウェーハを、熱いトリクロロエチレンで洗浄して、金属マスクを、金エッチング剤及びクロムエッチング剤で除去する。これらのステップの結果がウェーハ１６２０に示されている。図示される断面は、両端にビアを有するチャネル示すが、チャネル、ビア、又は両者が存在しないウェーハの他の領域が存在することは理解されたい。
【０１１５】
陽極接合を用いて、プリントヘッドの異種層を結合させる。説明される結合順序は、陽極接合プロセスの電気化学的性質に起因してこの特定の実施形態に対して好ましいものである。陽極接合を用いて、ナトリウム含有ガラスを金属又は半導体に接合させることができる。３００〜４００℃に加熱されると、ガラス中のＮａ＋が移動できるようになる。略１０００Ｖの電位が、金属層の下のアノードからガラスの上のカソードに印加される。ガラス中の移動性キャリアは、界面から離れて移動して、逆帯電した空乏領域を去る。カチオンの運動は、ガラス中のダングリング酸素原子が自由に金属界面を酸化させるようにして、二つの物質の間の化学結合を形成する。陽極接合については、非特許文献５、非特許文献６に説明されている。
【０１１６】
ウェーハ接合ステップは以下の通りである。ボロシリケートウェーハ及びＳｉウェーハを、ピラニア洗浄を用いて、結合用に準備する。その後、Ｓｉウェーハを希釈ＨＦに浸漬させて、表面酸化物を除去する。そして、ウェーハを目視で揃えて、Ｓｕｓｓ  ＳＢ‐６  Ｂｏｎｄｅｒに配置する。ウェーハを、１０００Ｖの電圧を２０分間印加することによって、４００℃の温度の真空中で結合される。このステップの結果はウェーハスタック１６５０に示されている。正電位がＳｉ側に印加される。一実施形態では、ボロシリケート層の背面が、陽極接合を用いて、コバールバックプレートに結合され得る。これは、よりロバストな密閉面を備えたプリントヘッドを提供し得る。
【０１１７】
結合されると、Ｓｉウェーハのハンドル層が除去される。ウェーハは、パラフィンワックスでアルミニウムチャックに取り付けられる。そして、ウェーハを、９０％ＨＮＯ３、９．５％ＨＦ及び０．５％ＣＨ３ＣＯＯＨ貯蔵溶液の三重エッチング剤に浸漬させる。ウェーハを連続的に回転させて、エッチングバスをＮ２に晒して、均等なエッチングを保証する。所望の量のエッチングが略５０分間で達成され、ＳｉＯ２エッチングストップが見えるまでエッチングで処理することができる。ＳｉＯ２に対するＳｉの三重エッチング剤の選択性の悪さのため、エッチングを即座に停止させることが好ましい。ウェーハは、チャックから取り外されて、残留ワックスを、熱いトリクロロエチレンで溶解させる。三重エッチング剤はＳｉＯ２に対してＳｉを強く選択するわけではないので、より選択的な最終ステップが好まれる。ＳｉＯ２エッチングストップ上の残留Ｓｉは、深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ，ｄｅｅｐ  ｒｅａｃｔｉｖｅ  ｉｏｎ  ｅｔｃｈｉｎｇ）で除去される。ＤＲＩＥは、三重エッチング剤よりもはるかに遅いので、全てのＳｉを除去するもの用いられるものではない。
【０１１８】
ハンドル層を除去した後に、ＳｉＯ２で覆われたウェーハの下面を、ＡＺ‐９２６０フォトレジストでコーティングして、プロセスの最後において隆起させる領域がレジストで覆われるようにパターン化する。露出されたＳｉＯ２を、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）で除去する。このステップの結果はウェーハ１６６０に示されている。非隆起部分を、ＤＲＩＥで４０から５０μｍエッチングする。このエッチングの完了は、プロフィロメータによってモニタリングされる。このステップの結果はウェーハスタック１６７０に示されている。
【０１１９】
その後、フォトレジストを剥がして、残留ＳｉＯ２ハードマスクを、ＲｉＥで除去する。このステップの結果はウェーハスタック１６８０に示されている。８００ｎｍのＡｌ、５０ｎｍのＰｔ及び５００ｎｍのＡｕで構成されたオームコンタクトを、ウェーハの両側に蒸着させて、加熱電流によってウェーハをアドレス可能にする。元々のＳｉが良好な加熱に十分な伝導性のものでないならば、追加の薄いＴｉブランケットコーティングをノズルプレート上に追加することができる。最後に、Ｃｕ箔リードを、高温伝導性エポキシで電極に取り付ける。
【０１２０】
製造した通りのＯＶＪＰプリントヘッド及び蒸気発生器の一般的な構造は以下の通りである。有機源は、真空チャンバ内に延伸しその遠方端において加熱されるチューブ内に挿入されるガラスストークの端部に貯蔵される。このシステムは、高温シールを断絶して、複雑なアセンブリを外して、物質を再充填しなければならないという問題を排除する。ＯＶＪＰは、ＯＶＰＤよりもはるかに高い圧力及び低い流量で動作して、これは、高い蒸気滞留期間につながり得る。有機蒸気源とノズルアレイとの間の体積は、不必要な体積を排除するために可能な限り短くされる。モデル化によって示されるのは、この長さスケールでは、別々の源流及び希釈流は有用ではないということである。結果として、こうした特徴を追加することは容易ではあるが、これらは明示的には提供しなくてよい。
【０１２１】
一実施形態では、ＯＶＪＰシステムのフォームファクタは、８インチのＣｏｎＦｌａｔポートに取り付け可能である。
【０１２２】
ヒートブートを、まずＣｏｎｔｏｎｉｃｓ  Ｒｅｓｂｏｎｄ９１９高温セラミック接着剤の薄いコーティングでステンレス鋼チューブをコーティングすることによって製造する。コーティングされた領域は幅２インチであり、チューブの先端から０．１２５において始まる。このコーティングは、抵抗表面を提供し、その上にニクロム線が巻かれる。直径０．００５インチの５０巻きのワイヤが、ヒータに２２０Ωの抵抗を与える。巻かれると、ヒータを、Ｒｅｓｂｏｎｄ９１９の他のコーティングで密閉して、一晩硬化させる。放射率を低減させることが望まれるのであれば、チューブをＡｇでメッキすることができる。この自家製ヒータは小型で強力であり、ファイバガラスで絶縁されたヒートテープのように微粒子を発生させない。市販のヒートテープとは異なり、セラミックは、硬化するとガスを放出しない。
【０１２３】
図１７は、ＯＶＪＰフィードスルーの拡大図を示す。二つの有機蒸気源が簡単のため図示されているが、より多数の源が使用可能であり、図３に示されるような六個、又はそれ以上が使用可能である。マニホールド１７１０は、フィードスルーとして機能して、そこを介して、ガスがプリントヘッドへと伝わり、また、そこを介して、堆積中にはプリントヘッドの直ぐ近くに配置される有機源ボートを、容易に取り外して、熱シールを壊さずに取り替えることができる。図３に示されるようなプリントヘッドに繋がるチューブ１７２０は、マニホールド１７１０から延伸している。ガスフィード１７３０がチューブ１７２０に取り付けられ得る。ガスフィード１７３０は、ガス用のポート、及び源ボートの通路用のポートを含み得る。Ｕｌｔｒａｔｏｒｒフィッティング１７４０は、ガスフィート１７３０に取り付けられて、容易に破壊及び置換可能な気密シールを提供し、そこを介して源ボートを通過させることができる。有機源ボート１７５０はストーク１７６０上に配置される。ストーク１７６０は、源ボート１７５０がプリントヘッドに近接するまで、Ｕｌｔｒａｔｏｒｒフィッティング１７４０、ガスフィード１７３０、チューブ１７２０及びマニホールド１７１０を介して挿入されて、更には、例えば図３のベローズ３４０及び関連するチューブまで延伸され得る。Ｕｌｔｒａｔｏｒｒフィッティング１７４０がシールを提供する。
【０１２４】
ＯＶＪＰシステムを製造するのに用いた具体的で非限定的な物質及び寸法は以下の通りである。マニホールド１７１０からの０．３７５インチ鋼チューブ１７２０が、ＳｗｅｇｅｌｏｋのＴ字型チューブフィッティング（ガスフィード１７３０）で終端する。Ｓｗｅｇｅｌｏｋ  Ｕｌｔｒａｔｏｒｒフィッティング１７４０をＴ字型フィッティングの遠い方の分岐に固定する。その先端に有機ボート１７５０を含む長いガラスストーク１７６０を、Ｕｌｔｒａｔｏｒｒフィッティング１７４０を介して挿入する。ストーク１７６０は、プリントヘッドまで延伸する。キャリアガスは、Ｔ字型チューブフィッティングの真ん中の接続部から蒸気発生器内に供給される。
【０１２５】
ＯＶＪＰを用いてパターン化有機膜を描くために、ノズルアレイに対して基板を移動させる電動ｘ‐ｙ移動ステージを提供することが好ましい。ノズルアレイの平面及び基板の平面は、システムが良好に動作するために、可能な限り平行で近くに保持されることが好ましい。最良の結果のために、基板ホルダは１ｃｍの線形移動毎に＞±１μｍの平坦性を有することが好ましい。ベアリングが基板ホルダの下に配置されて、その上を基板ホルダを移動することが好ましい。最も単純な構成は、チャンバ内部の二つの完全な積層リニアアクチュエータである。これらのアクチュエータは、レベル微調整用の二重チルトステージの上に配置可能である。チャンバの排気前に位置合わせを行うことができるので、この制御は手動のものとなり得る。しかしながら、ｚ方向の調整は、高い制御を提供するために電動とされることが好ましい。チャンバ内の空間は貴重なものなので、ｚ方向アクチュエータは、真空リニアポジショナーに組み込まれて、チャンバの外側に取り付けられることが好ましい。手動の回転調整部も同様にチャンバの外側に取り付けられ得る。
【０１２６】
ＯＶＪＰシステムには、電動ｘ‐ｙ移動ステージが備わっていることが好ましい。ラインの向きに平行な移動は、真空にひかれたＡｅｒｏｔｅｃｈ  ＡＴＳ‐５０ステージによって提供され得る。ラインの向きに垂直な移動は、カスタムアクチュエータで改良したＮｅｗｐｏｒｔ光学ステージによって提供可能である。
【０１２７】
基板ホルダは、アルミニウム製であり得て、非接触高さセンサとの相性のために頂部が陽極仕上げされ得る。基板ホルダは、フレキシブルチューブを介して液体窒素冷却剤が供給される銅冷却ブロックの上に位置する。ホルダは隣接するグローブボックスを介して取り外し可能であり、非酸化環境においてサンプルを出し入れできるようにする。基板、ホルダ及び冷却ブロックの熱接触は、ＳＰＩ  Ａｐｅｚｏｎ冷却グリースの薄いコーティングで増強可能である。
【０１２８】
ＰｈｉｌＴｅｃｈ  ＲＺ‐２５光学変位センサは、プリントヘッド内の窓を見て、基板までの距離を測定し得る。センサは、発光ファイバ及び受光ファイバを備えた光ファイバの束で構成される。二種類のファイバの間の結合は、束の先端と反射表面との間の距離に依存する。センサの先端は、光ファイバホルダによって保持されて、そのホルダは、プリントヘッドをフランジに接続する複数のポールのうちの一つに取り付けられる。センサ信号は、光ファイバ束によって、真空フィードスルーを介してチャンバの外側のセンサに伝えられる。
【０１２９】
基板上のランドマークでの位置合わせは、基板上のオーバーライトフィーチャに対する位置決めを達成する好ましい方法である。プリントヘッドは、光学位置合わせを可能にするために別々の複数の窓を有することが好ましい。チャンバは、位置合わせを可能にするＣＣＤカメラ、適切なレンズ、照明及びソフトウェアを用いてフィッティング可能である。これらの特徴は現状の設計では存在していないが、周知なものであり、ＯＶＪＰシステムに容易に組み込むことができる。
【０１３０】
図１８は、位置合わせ光学系及び高さセンサを備えたＯＶＪＰシステムの構成を示す。ＯＶＪＰシステムは、図１７に示されるのと同じ特徴を多く有する。更に、図１８のＯＶＪＰシステムは、光学位置合わせに有用なカメラシステムを含む。カメラシステムは、カメラ１８１０と、映写レンズ１８１２と、対物レンズ１８２０とを含む。適切な開口は、マニホールド及びプリントヘッド内に容易に設けることができる。図１８のＯＶＪＰシステムは高さセンサ１８２０も含む。図１８の構成は、実行に移されたものではないが、本願の開示に基づいて容易に実行可能である。
【０１３１】
ＯＶＪＰシステムは以下のように動作し得る。
【０１３２】
ノズルは、基板平面と、較正された高さセンサとに対して正方形であり得る。プリントヘッド及び基板の平面は、室温におけるプリントヘッドと、ベントされたチャンバと一致させられる。前後の位置合わせは、レーザレベルと、基板ステージの背面のミラーとを用いて行われる。左右の位置合わせは、プリントヘッドを基板の両側における基板ギャップに対して等しくする隙間ゲージを用いて行うことができる。
【０１３３】
有機物質は、ボロシリケートガラスストークの先端の源ボート内にさじで入れられる。サーモカップルが、ストークの内径を介して、ストーク及びボートを離隔して且つ適当な位置に締められた制限部まで通される。ストークは、堆積チャンバの頂部のＵｌｔｒａｔｏｒｒフィッティングを介して挿入される。ストークは、その先端がプリントヘッドの３ｍｍ以内に来るまで進められる。停止位置は、プリントヘッドに対する損傷を防止するために予め測定されていることが好ましい。
【０１３４】
基板はベントされたチャンバ内に配置される。ガスフィードラインは、バイパス“耳管”チューブに対して開かれて、そのチューブは、プリントヘッドビアとチャンバとの間の圧力を等しくする。チャンバは排気されて、ＯＶＪＰは動作温度へとゆっくりと加熱される。ＯＶＪＰが高真空になると、ＬＮ２の流れが、基板ステージに対して確立される。最後に、ガスフィードラインが、耳管チューブから密閉される。
【０１３５】
レベリング後に、ステージを降下させて、プリントヘッドが加熱するとノズルの空間が下方に移動するようにする。その後、プリントヘッド及び蒸気発生器が動作温度にされる。プリントヘッドと基板とのハードコンタクトは、プリントヘッドに熱負荷の急激な上昇によって、又は、プリントヘッドの使用時における有機源セルの圧力の急激な上昇によって、推測可能である。そして、高さセンサの測定値をゼロにすることができる。
【０１３６】
略１ｓｃｃｍのキャリアガスが各堆積源内に供給される。有機蒸気源は、内部の物質に応じて、２００℃から３００℃に加熱されることが望ましい。プリントヘッドは３００℃に加熱される。ノズル先端は基板に対して１０μｍにまで近づける。ｚ方向の微調整は、高さセンサ（未だ組み込まれていない）と共にフィードバックループ内に固定され得る。そうすると、システムは堆積の準備ができていて、そのパターンはｘ及びｙステージモータの動きによって制御される。パターンが印刷されると、堆積は、キャリアガスの流れを打ち切り、耳管チューブに対してガスフィードラインを再び開き得る。
【０１３７】
堆積の後に、基板をプリントヘッドから離れるように低下させる。プリントヘッド及び蒸気源セルは両方ともゆっくりと冷却される。チャンバがベントされる前に、これら全てが１００℃以下にされることが好ましい。冷却されたステージは０℃以上の温められる。
【０１３８】
好ましい動作条件は、１ｍＴｏｒｒ以下のチャンバ圧力、及び、−１００℃に冷却された基板ホルダを含む。有機蒸気は、ソースビア毎に１標準立方センチメートル毎秒の流量で１から５０Ｔｏｒｒの圧力の不活性ガスによってプリントヘッド内に押し込まれる。蒸気は、他の源との流れの組み合わせによって、混合又は希釈化可能である。プリントヘッドは、基板表面から略１０マイクロメートルに維持される。基板は、０．５から２ｍｍ／ｓの速度でプリントヘッドの下方に移動する。厚さ３５ｎｍのアルミニウムトリス（キノリン‐８‐オレート）  （Ａｌｕｍｉｎｕｍ  ｔｒｉｓ（ｑｕｉｎｏｌｉｎｅ‐８‐ｏｌａｔｅ））のラインの光学顕微鏡写真が図１９に示されている。好ましい動作条件下において、プリントヘッドは、略幅２０μｍの有機物質の連続的なラインを描くことができる。図１９は、ＯＶＪＰプリントヘッドを用いて描かれた厚さ３５ｎｍのＡｌＱ（アルミニウムトリス（キノリン‐８‐オレート））のラインの光学顕微鏡写真を、二つの異なる倍率（像１９１０、１９２０）で示す。これらのラインは、幅１０μ以下であると見積もられる外部堆積物の領域によって各辺が囲まれている。このことは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ，ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）及び原子間力顕微鏡（ＡＦＭ，ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の像によってサポートされる。図２０は、ＯＶＪＰプリントヘッドを用いて描かれた厚さ３５ｎｍのＡｌＱのラインのＳＥＭ像を、二つの異なる倍率（像２０１０、２０２０）で示す。図２１は、ＯＶＪＰで描いた厚さ３５ｎｍのＡｌＱラインの原子間力顕微鏡写真を示し、高さがグレースケールで示さる二次元図（像２１１０）、及びＡＦＭを用いたラインの主軸に垂直な厚さのトレース（像２１２０）が示されている。ラインの幅及び厚さはどちらも、断面ＡＦＭトレースから見積もることができる。
【０１３９】
多重カラーＯＬＥＤアレイの高解像度パターン化を提供するため、ＯＶＪＰは、ライン間の最小ブリーディング（にじみ）で密に画定されたラインで物質を堆積できることが好ましい。ライン間の領域内の有機物質のオーバースプレーの間接測定を行った。
【０１４０】
一テストでは、非常に厚いラインを、プリントヘッドの下方においてステージをゆっくりと動かすことによって成長させた。これらのフィーチャは、実際の電子デバイスにおいて用いられるものよりもはるかに厚いものであるが、こうしたラインを成長させることによって、オーバースプレーテイル等の僅かなフィーチャを、測定するのに十分に拡大することができた。これらのラインの厚さ断面を、プロフィロメータによって見積もった。堆積が望まれる領域において、ラインは、最大２００００オングストローム（２ｎｍ）の厚さを有して堆積されていた。測定幅が２０μｍを超えるラインでは、１００ｎｍ以下のオーバースプレーテイルが、ラインの縁を超えて１０μｍ延伸している様子が測定された。これらのフィーチャは、ＯＬＥＤ内に見受けられるものよりも略１００倍厚い。オーバースプレーの厚さが、フィーチャの厚さに比例するとすると、これは、１ｎｍ以下のオーバースプレーが描画ラインに近接すると予想されることを示唆している。図２２は、これらのラインの像を示し、光学顕微鏡写真２２１０と、プロフィロメータトレース２２２０を含む。
【０１４１】
空間解像フォトルミネッセンスを用いて、薄膜ラインの間の領域におけるオーバースプレーを調べた。厚さ較正測定を、特別に構築したライン走査顕微鏡で行った。このシステムは、ＡｌＱトレーサ物質に対して略５μｍの解像度及び略２ｎｍの検出閾値を有する。初期走査によって、略５ｎｍのバックグラウンドオーバースプレーが明らかになった。興味深いことに、オーバースプレーの高さは、ラインからの距離、又は最近接のラインの高さと相関しているようには見えない。このことは、オーバースプレーが、実際の印刷中ではなくて開始時に配置されて、開始手順を改善することによって最小化可能であることを示唆している。ラインの厚さは、有機物質源のはるか下流のノズルに対して顕著に減少する。これは、クラック耐性を改善するためにより浅い流体チャネルで特定のプリントヘッドを製造したことに起因すると考えられ、その影響は、より大きなチャネルを用いることによって容易に取り除くことができる。ライン走査データが図２３に示されている。図２３は、ＯＶＪＰで描かれたＡｌＱのサンプルからの厚さ補正ライン走査データを示す。
【０１４２】
ミシガン大学の顕微鏡及び画像分析研究所（Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ａｎｄ  Ｉｍａｇｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）のＺｅｉｓｓ共焦点落射型蛍光顕微鏡を用いて、より高い空間解像度でオーバースプレーを調べた。この顕微鏡は、ラインスキャナと同様の検出閾値を有するが、その他の点でははるかに有能である。図２４は、このシステムを用いて分析したＯＶＪＰ堆積ラインの領域を示す。ライン間ではほとんど又は全く信号が検出されず、３ｎｍ以下のオーバースプレー厚さを示唆している。このツールからの出力は、膜厚さのわかっているサンプルで較正されることが好ましいが、ライン間の領域から信号が無いことは、たとえあったとしても僅かな物質しかこの領域に存在しないことを示唆している。図２４は、ＯＶＪＰで描かれたＡｌＱラインの共焦点落射型蛍光顕微鏡写真を示す。像２４１０は、グレースケールで示される蛍光強度での二次元像である。垂直矢印は、像２４２０に示される強度プロファイル走査の方向を示し、像２４２０は、距離の関数としてラインに沿った蛍光強度を示す。
【０１４３】
本願で説明される多様な実施形態は単に例示目的であり、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。例えば、本願で説明される物質及び構造の多くは、本発明の精神から逸脱することなく、他の物質及び構造に置換可能である。本願で説明される進歩的なノズルの幾何学的形状は、本願で具体的に示される実施形態に加え、多様なＯＶＪＰシステムの構成及びプリントヘッドにおいて使用可能である。同様に、本願で説明される進歩的なプリントヘッドのコンセプトは、本願で具体的に示される実施形態に加え、多様なＯＶＪＰシステムの構成において使用可能である。従って、当業者には明らかなように、特許請求される本発明は、本願で説明される特定の例及び好ましい実施形態からの変形例を含み得る。本発明がどのように動作するのかについての多様な理論及び特定の構成のモデル化は限定的なものではないことを理解されたい。
【符号の説明】
【０１４４】
３００  ＯＶＪＰシステム
３１０  プリントヘッド
３２０  有機蒸気源
３３０  マニホールド
３４０  ベローズ
４１０  第一の層
４１５  ノズル
４２０  第二の層
４２２  ビア
４４０  オーム（加熱）コンタクト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図７】
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【図８】
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【図１５】
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【図１６】
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【図２１】
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