(57)【要約】  【課題】本発明は、堆積材料により表面に形成されたパターンを有する電子デバイスを形成する方法を提供する。  【解決手段】本発明は、電界効果トランジスタ、特に高精細カラー（ＲＧＢ）ディスプレイの形成方法に関する。有機電子デバイスの形成方法は、溶融生成物を形成するために堆積材料を加熱、加圧する工程と、溶融した堆積材料を相変化印刷技術あるいはスプレイ技術を用いて表面に堆積する工程とを含む。溶融した堆積材料は表面上で凝固する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面（１０）上に堆積材料（２０）により形成されたパターンを有する電子デバイスの形成方法であって、
a)前記堆積材料（２０）を加熱および加圧して、溶融生成物を形成する工程と、
b)相変化印刷技術およびスプレイ技術のうちの１つを用いて、溶融した堆積材料（２１）を前記表面（１０）上に堆積する工程とを含み、
前記溶融した堆積材料（２１）は前記表面（１０）上で凝固する、
方法。
【請求項２】
前記工程a)の加熱および加圧は、クラウジウス・クラペイロンの式（Clausius-Clapeyron equation）に従って、圧力（Ｐ）／温度（Ｔ）相線図を利用しながら、圧力チャンバ内で実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記工程a)およびb)を繰り返して、前記堆積材料（２０）の複数層（１０２−１１２、４０２−４０８）を堆積することを含む、請求項１あるいは２に記載の方法。
【請求項４】
前記複数層（１０２−１１２、４０２−４０８）は異なる堆積材料（２０）を堆積することにより形成される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記堆積材料（２０）は、有機材料、ＯＬＥＤ材料、生体分子、ナノ粒子、およびそれらの組み合わせの１つを含むように選択される、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記堆積材料（２０）は粉末状の組成を含むように選択される、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記堆積材料（２０）はペレットとして準備される、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）、モノクロおよび／またはカラー・ディスプレイ、生物学的パターン、バイオチップ、センサ、半導体デバイス、および回路のうちの１つを形成するために用いられる、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
電界効果トランジスタの形成方法であって、
a)基板（４００）上にソースおよびドレイン・コンタクト（４０２）を形成する工程と、
b)堆積材料（２１）を加熱および加圧して溶融生成物を形成する工程であって、前記堆積材料（２０）は有機半導体材料を構成する工程と、
c)相変化印刷技術およびスプレイ技術のうちの１つを用いて、前記溶融した堆積材料（２１）をソースとドレイン・コンタクト（４０２）を有する前記基板の上に堆積する工程であって、前記溶融した堆積材料（２１）は前記基板上で凝固し、有機半導体層（４０４）を形成する工程と、
d)前記有機半導体層（４０４）の上に絶縁体層（４０６）を形成する工程と、
e)前記絶縁体層（４０６）の上にゲート・コンタクトを形成する工程と、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は堆積材料によって表面に形成されるパターンを有する電子デバイスの形成方法に関する。さらに本発明は、電界効果トランジスタの形成方法、特にカラー（ＲＧＢ）ディスプレイのための高精細パタニングに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機電子デバイス、特に有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）は、通常、支持基板の上に第１の電極、数層の有機もしくは無機層、及び第２の電極のように、それぞれの上に堆積される層を連続形成することによって製造される。これまでは、低分子材料のＯＬＥＤ技術には、カラー（ＲＧＢ）ディスプレイのための高精細パタニング方法がなかった。低分子材料のために開発された堆積（deposition）技術は、これまで大型ディスプレイの大量生産に制限を与えていた。
【０００３】
通常、有機層の形成においては、物理的気相成長法（physical vapor deposition  method）として、真空蒸着が用いられている。例えばフルカラー・ディスプレイにおける、赤、緑、青の発光サブピクセル用有機層のパタニングに共通の方法は、シャドウ・マスク技術である。しかし、この技術は、サイズ、パネルの解像度、および画素のフィルファクタ（fill-factor）において制約がある。たとえば、シャドウ・マスク技術は特に小さな構造体（feature）サイズでは極めて複雑になる。プロセス中の材料堆積は製造の遅れにつながる通常のマスク洗浄工程を要する。堆積中のマスクの熱膨張は、精度および開口率（aperture ratio）を制限する。さらに、繰り返し必要になるマスクの位置合わせは時間を浪費し歩留まりを低下させる。
【０００４】
高分子発光デバイス（polymer light-emitting devices）をパタニングするための方法には、米国特許第６０８７１９６号に記載されているように、溶解したポリマー（高分子）のインクジェット印刷がある。溶液をディスペンスするこの方法は、低分子をベースにした多層ＯＬＥＤには適さない。なぜなら、前に堆積した層が異なる溶媒からなる多層を連続堆積することによって、再び溶融し、混ざり合うためである。
【０００５】
低分子材料（small molecule）は加熱されると低分子材料のいくらかは直接昇華し、その一方残りの材料はまず溶融し、次に蒸発する。従って、当該低分子を堆積する新しい方法が必要となる。
【特許文献１】米国特許番号６０８７１９６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記より、有機および／または無機のアクティブ層あるいは生体（biological）層を用いる半導体デバイス、センサ、バイオチップ、ディスプレイの形成用の構造をパタニングするための改良された技術が、今もなお必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、有機および／または無機のアクティブ層または生体層を用いて、半導体デバイス、回路、センサ、生体（生物学的）パターン、バイオチップ、およびモノクロおよび／またはカラー・ディスプレイの形成を可能にする。相変化印刷（phase-change printing）もしくはスプレイ（spray）技術による、分子、オリゴマー（oligomer）、もしくはナノ粒子（nanoparticle）の堆積および有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）、カラー・ディスプレイ及びその他の半導体デバイスの形成を含む。
【０００８】
本発明によれば、堆積材料によって表面に形成されたパターンを有する電子デバイスを形成するための方法が提供される。この方法は、堆積材料を加熱および加圧して、溶融生成物を形成する工程と、相変化印刷技術もしくはスプレイ技術を用いて溶融した堆積材料を表面に堆積する工程とを含む。それにより、溶融した堆積材料は、表面に達したときにその表面上で凝固する。
【０００９】
一般に、本発明はワックス（wax）あるいは溶融印刷（fusion printing）技術とも呼ばれる相変化印刷技術による、例えば有機分子を用いた層の高精細パタニングの方法に関し、これは半導体デバイス、センサ、あるいはカラー・ディスプレインで用いられる。気体（gas）を用いるスプレイ技術もまた適用できる。堆積の前に、圧力体積（温度）線図（ｐ−Ｖ（Ｔ））を利用して、堆積材料あるいはその一部が圧力チャンバ内で融点まで加熱され、さらに例えば基板またはフルカラー・ディスプレイ用の薄膜トランジスタアレイのような表面上に堆積される。溶融した堆積材料の堆積は、熱的相変化印刷技術あるいはスプレイ技術によって実施できる。該材料は、いったん基板にあたるとすぐに凝固する。堆積は繰り返され，それぞれの上に複数層を形成することができる。プロセス工程を繰り返すことで複数層、すなわち３層以上の層を容易に形成できる。更なる例として、異なる堆積材料を堆積することによって複数層が形成できる。このプロセスは、材料の制御された堆積、および例えば基板の加熱／冷却、高温環境（気体）での堆積、圧力変化などによって特性の調整を可能とする。さらに、このプロセスは、理想的にはドープされた系（doped systems）（液体の混合物）に適する。
【００１０】
前述のように、加熱および加圧（圧力の印加）は、クラウジウス・クラペイロンの式（Clausius-Clapeyron equation）に従って、圧力（Ｐ）／温度（Ｔ）相線図を利用しながら、圧力チャンバ内で実施される。これは堆積材料の制御された溶融（melting）を可能にする。圧力チャンバを用いることによって、基本的にはあらゆる材料が相変化あるいは熱印刷（サーマル・プリンティング）、およびスプレイ技術に対して用いることができる。マスクの必要がなく、パターンが印刷プロセス、すなわち表面あるいは基板に向けてノズルからジェット状に出てくるドロップレット（液滴）によって、画定される。ノズルは、圧電（ピエゾ）制御され、基板上を移動することができる。ノズルを固定して、基板を移動することも可能である。さらに、パターンを画定するために用いることができる、例えばフォトレジストのような一体化したシャドウ・マスクを用いることでより高精度が達成できる。このようにして、超高精度が達成できる。
【００１１】
堆積材料は、有機材料、ＯＬＥＤ材料、生体分子、ナノ粒子、およびそれら組み合わせのうちの１つを含むように選択できる。さらに、堆積材料は粉末（powder）状の組成（composition）とすることもできる。これには、追加の構成要素（成分）とも容易に混合できるという利点がある。さらに、堆積材料はペレット（pellet）ととしても提供できる。これにより、パッケージ、貯蔵、取り扱い、処理が容易になる。
【００１２】
薄膜電界効果トランジスタとも呼ばれる、電界効果トランジスタは、基板上にソースとドレイン・コンタクトを形成する工程と、堆積材料を加熱および加圧して溶融生成物を形成する工程であって、堆積材料は有機半導体材料を構成する工程と、相変化印刷技術およびスプレイ技術のうちの１つを用いて、溶融した堆積材料をソースとドレイン・コンタクトを有する基板上に堆積する工程であって、前記溶融した堆積材料は基板上で凝固し、有機半導体層を形成する工程と、前記有機半導体層の上に絶縁体層を形成する工程と、前記絶縁体層の上にゲート・コンタクトを形成する工程と、を含む方法によって形成することができる。
【００１３】
ソース、ドレイン、およびゲート・コンタクトのほかに絶縁体層もまた、相変化印刷またはスプレイ技術によって形成することが可能である。これは、本発明による（開示した）方法によってデバイス全体が形成できるという利点となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の好適な実施形態を、例示の目的のみのために添付の図面を参照しながら以下に記載する。
【００１５】
図は例証の目的のみのために準備したものであり、本発明の実際の例を寸法どおりの比で必ずしも表したものではない。
【００１６】
本発明は、広範囲の用途に適用可能であるが、有機エレクトロルミネセント素子（organic electroluminescent  device）、すなわち有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）および電界効果トランジスタへの応用に焦点をあてて記述するが、初めに一般的な課題とそのプロセスについて取り上げる。記述の中で、同じ参照番号は、同じ部分またはそれと同等のものに用いる。
【００１７】
図１は、１成分系の相図（状態図）を示す。通常の物理的気相堆積プロセスにおいて、固体材料は一般に減圧状態でそれぞれの昇華（sublimation）温度を超える温度まで加熱され、材料を気化させる（「ａ」で示す矢印）。固体材料が三重点（triple point）を超える圧力で加熱されると、固体はそれぞれの融点（「ｂ」で示す矢印）で液相に変化する。図示した例では、アントラセン（Anthracene）に対して、三重点温度は４８９Ｋであり、常圧での融点温度は４９０Ｋである。２成分系以上の相図は、はるかに複雑である。固相から液相への変化の原理は、依然として適用可能である。
【００１８】
図２の（Ａ）乃至（Ｃ）は、堆積材料２０の堆積によって、表面１０の上にパターンを形成するための工程を示す。簡単のために、図はドロップレットのレベルまで簡略化している。２つ以上のドロップレットは、パターンを形成し、層を増やすものと意図する。図２の（Ａ）は、堆積材料２０を示す。矢印と文字Ｔ、Ｐで示すように、堆積材料２０は加熱され、圧力チャンバ（図示せず）内で加圧され、溶融生成物（melt）を形成する。溶融した材料２１を、図２の（Ｂ）に示す。次に、図２の（Ｃ）に示すように、溶融した堆積材料２１が相変化印刷あるいはスプレイ技術によって、表面１０の上に堆積される。その結果、溶融した堆積材料２１は、表面１０に到達するとすぐに凝固する。溶融した堆積材料２１は圧電素子（piezo element）（図示せず）を介して堆積できる。最後に、図２の（Ｃ）に示すように、凝固した堆積材料２０は、表面１０の上に残る。複堆積材料２０あるいは異なる堆積材料の数層あるいは各種の層を堆積するために、プロセス工程を繰り返す。堆積材料２０は、また他の材料と混合することができ、２つ以上の構成要素（component）を含むこともできる。図２の（Ａ）乃至（Ｃ）において、記号「ｏ」は固体での堆積材料２０の構成要素を示し、一方記号「−」は溶融状態での堆積材料２０の構成要素を示す。
【００１９】
図３乃至図５は、有機発光デバイス（ＯＬＥＤ）形成の概略図である。少なくともいくつかの例において、ＯＬＥＤはカソードとアノードの間に挟まれた適当な有機材料の１つの薄膜層あるいは複数の薄膜層を含む。ＯＬＥＤの１つの適切な例を図３に示す。基板１００の適当な表面上に、第１の電極（アノード）１０２（金属、ＩＴＯ、導電ポリマー）が、ＰＶＤ、ＣＶＤ、スピンコートあるいはスパッタのような通常の方法、または相変化印刷技術によって準備される。基板１００は、ガラス、シリコン、ポリマー、またはそれらの組み合わせが可能であり、パターン済みの薄膜トランジスタアレイとしてもよい。ＯＬＥＤは、さらにホール輸送層（hole transport layer）１０６と、電子輸送／発光層（electron transport/emitter layer）１１０'と、第２の電極（カソード）１１２（金属）を含む。
【００２０】
他のＯＬＥＤ多層デバイスは、図４に示すように更なる層を含み得る。ホール輸送層１０６に加えて、ホール注入層（hole injection layer）１０４を含み得る。結合した電子輸送／再結合層（electron transport/recombination layer）は、電子輸送層１１０と、発光層１０８に分離することも可能である。これら全ての層は、数種類の材料の混合物とすることが可能であり、特に発光層は、１つあるいは数種類のホストおよび色素の混合物にもでき得る。従って、該多層ＯＬＥＤは、図２乃至図７を参照して、説明した相変化印刷あるいはスプレイ技術により、個別の層を連続して形成することで、適当な表面上に形成できる。
【００２１】
ディスプレイが図５に示すように形成できる。赤３０２、緑３０４および青３０６のＯＬＥＤ画素がレセプタ基板３００の上に，相変化印刷あるいはスプレイ技術によって印刷できる。その代わりに、赤、緑、および青のＯＬＥＤは、マルチカラー積層（stacked）ＯＬＥＤデバイスを形成するために、互いの上に印刷することも可能である。
【００２２】
電界効果トランジスタ形成の一例を図６に示す。ソースおよびドレイン４０２と名づけた２つの電気的コンタクトが、ガラス、シリコン、ポリマー、あるいはそれらの組み合わせを含む絶縁基板４００の表面上に形成される。ソースおよびドレイン４０２は、たとえばＰＶＤ、ＣＶＤ、スパッタなどの通常の方法で形成できるが、相変化印刷またはスプレイ技術によっても形成できる。さらに、有機半導体層４０４がソースおよびドレイン・コンタクトの間に相変化印刷またはスプレイ技術によって塗布され、これらのコンタクト４０２と重なり合う。ペンタセン（pentacene）あるいはアルファ６価チオフェン（alpha-sexithiophene）がここで、堆積材料用の有機分子として用いることができる。絶縁層４０６が次に半導体層４０４の上に形成され、それによって絶縁層４０６は例えばテトラフルオロエチレン（tetrafluorethylen）もしくはビニリデンジフロライド（vinylidenedifluoride）誘導体のような高誘電率（highly insulating）の材料を含むことができる。そのポリマーはテフロン（Teflon）もしくはＰＶＤＦ（テフロンはデュポン社（E.I. du Pont de Nemours and Company）の商標）として知られる。最後に、第３の電極４０８であるゲート電極が絶縁層４０６の上に形成される。第３の電極４０８はソースおよびドレイン４０２のように形成でき、また金のナノ粒子を含み得る。相変化印刷もしくはスプレイ技術は電界効果トランジスタの全てあるいは数層に適用できる。
【００２３】
実際には、それぞれの塗布（application）あるいは堆積材料で充填された各種のコンテナ（container）を有する１つのプリンタを用いて、上述したＯＬＥＤあるいは薄膜トランジスタのような完成したデバイスを形成することができる。
【００２４】
図７は、相変化印刷の原理を装置ユニット（unit）とともに示す。簡略図には、堆積材料２０が充填された圧力チャンバ４２を含むプリントヘッド４０が示してある。さらに、プリントヘッド４０は、材料ジェット４６を有し、これは例えば圧電素子もしくはノズル（詳細は図示せず）を用いて、溶融した堆積材料２１を射出する。プリントヘッド４０は、デバイスあるいは基板１１の表面１０の近傍に動かすことができる。表面に堆積材料２０を塗布するために、プリントヘッド４０が表面１０の上に移動するかあるいはプリントヘッド４０を固定して、表面１０を有する基板１１が表面をパターン化する方法に応じて移動する。材料ジェット４６による操作において、溶融した堆積材料２１が表面１０に移動して、その表面で溶融生成物（melt）２１がすぐに凝固し、凝固した堆積材料２０が残る。別の実施形態において、堆積材料２０を含む材料ローダ（図示せず）がプリントヘッド４０に近接して配置されるか、あるいは一体となってシングルユニットを形成することもできる。さらに別の実施形態において、それぞれ異なる堆積材料２０で充填された、複数の材料ローダを圧力チャンバ４２およびプリントヘッド４０を支持するために用いることができる。
【００２５】
開示した任意の実施形態は、開示したおよび／または説明した、１つあるいは複数の他の実施形態と組み合わせることもできる。これは１つあるいは複数の実施形態の構造体にも当てはまる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】１成分系の相図（状態図）を示す。
【図２】圧力チャンバを用いた、堆積材料の堆積よる表面上のパターン形成工程を示す。
【図３】有機発光デバイスの形成を示す概略図である。
【図４】有機発光デバイスの形成を示す概略図である。
【図５】カラー（ＲＧＢ）ディスプレイの形成を示す概略図である。
【図６】電界効果トランジスタの形成を示す概略図である。
【図７】印刷原理を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  表面
１１  デバイス、基板
２０  堆積材料
２１  溶融生成物
４０  プリントヘッド
４２  圧力チャンバ
４６  材料ジェット
１００  基板
１０２  第１の電極（アノード）
１０４  ホール注入層
１０８  発光層
１１０  電子輸送層
１１０'  電子輸送／発光層
１１２  第２の電極（カソード）
３００  レセプタ基板
３０２  赤サブピクセル
３０４  緑サブピクセル
３０６  青サブピクセル
４００  絶縁基板
４０２  ソース／ドレイン・コンタクト
４０４  有機半導体層
４０６  絶縁層
４０８  ゲート電極
【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７】
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