(57)【要約】本発明の開示内容は、ＯＬＥＤその他のディスプレイ装置の一部を形成する基板の上に薄膜を積層する方法に関する。また、１つの実施の形態では、本発明の開示内容は基板上にインクを積層する装置に関する。本装置は、インクを受け取るためのチャンバと、入口ポートと出口ポートとを有し、入口ポートにおいてインクをチャンバから受け取り、出口ポートからインクを吐出する放出ノズルと、チャンバから放出ノズルの入口ポートに送られるインクを量り取る吐出装置と、を備え、前記チャンバは、複数の懸濁した粒子を有する液体状態のインクを受け取り、当該インクは脈動的に量り取られてチャンバから放出ノズルに送られ、放出ノズルはキャリア液を蒸発させて、実質的に固体の粒子を基板上に積層させる。【選択図】図１Ａ
2010533057.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にインクを積層する積層装置であって、
インクを受け取るためのチャンバと、
入口ポートと出口ポートとを有し、入口ポートにおいてインクをチャンバから受け取り、出口ポートからインクを吐出する放出ノズルと、
チャンバから放出ノズルの入口ポートに送られるインクを量り取る吐出装置と、を備え、
前記チャンバは、複数の懸濁した粒子を有する液体状態のインクを受け取り、当該インクは脈動的に量り取られてチャンバから放出ノズルに送られ、
放出ノズルはキャリア液を蒸発させて、実質的に固体の粒子を基板上に積層させること、
を特徴とする積層装置。
【請求項２】
チャンバと放出ノズルとを収容するハウジングを更に有すること、
を特徴とする請求項１に記載の積層装置。
【請求項３】
ハウジングには、チャンバと放出ノズルとの間をつなぐ通路が形成されていること、
を特徴とする請求項１に記載の積層装置。
【請求項４】
気体をハウジング内に導入するための通気管を更に有すること、
を特徴とする請求項１に記載の積層装置。
【請求項５】
チャンバに連通しているインク貯蔵器を更に有すること、
を特徴とする請求項１に記載の積層装置。
【請求項６】
吐出装置は、インクを量り取るためにヒータを更に有すること、
を特徴とする請求項１に記載の積層装置。
【請求項７】
吐出装置は、インクを量り取るために圧電素子を更に有すること、
を特徴とする請求項１に記載の積層装置。
【請求項８】
吐出装置は、第１の周波数でエネルギパルスを送ることにより、液体のインクを量り取ること、
を特徴とする請求項１に記載の積層装置。
【請求項９】
放出ノズルは、入口ポートから出口ポートまで延びた複数の管を更に有し、当該複数の管は、入口ポートにおいて液体状態のインクを受け取り、出口ポートから実質的に固体の状態の複数の粒子を吐出すること、
を特徴とする請求項１に記載の積層装置。
【請求項１０】
放出ノズルは、複数の仕切りに隔てられた複数の管を更に有し、各管の開口部の面積Ｗには下記の式で示す関係が当てはまり、
１／２０,０００ ＜ Ｗ／Ｄ ＜ １／４
上記式において、Ｄは放出ノズルの入口ポートの面積であること、
を特徴とする請求項１に記載の積層装置。
【請求項１１】
基板上にインクを積層する積層方法であって、
第１の周波数を有する脈動エネルギを用いて、キャリア液中に複数の固体粒子を有してなるインクを量り取って放出ノズルに送る処理と、
量り取られたインクを放出ノズルで受け取り、量り取られたインクからキャリア液を蒸発させて、実質的に固体のインク粒子を得る処理と、
実質的に固体のインク粒子を放出ノズルから吐出して、基板上に実質的に固体のインク粒子を積層する処理と、を有し、
実質的に固体のインク粒子の少なくとも一部は、放出ノズルからの吐出の間に気相に変化し、蒸気として基板に送られて、基板の表面で凝縮して実質的に固体の状態となること、
を特徴とする積層方法。
【請求項１２】
脈動エネルギを用いてインクを量り取る処理には、複数の熱パルスでインクを加熱する処理が含まれること、
を特徴とする請求項１１に記載の積層方法。
【請求項１３】
脈動エネルギを用いてインクを量り取る処理には、圧電素子を起動してインクを量り取る処理が含まれること、
を特徴とする請求項１１に記載の積層方法。
【請求項１４】
圧電素子は、第１の周波数のエネルギパルスの供給により起動されること、
を特徴とする請求項１３に記載の積層方法。
【請求項１５】
実質的に固体のインク粒子を放出ノズルから吐出する処理では、放出ノズルの入口ポートから放出ノズルの出口ポートまで延びた複数の管が用いられ、  複数の管は入口ポートでは複数の固体粒子とキャリア液とを受け取り、実質的に固体の状態で出力ポートから吐出されることになるインクを加熱すること、
を特徴とする請求項１１に記載の積層方法。
【請求項１６】
実質的に固体の状態のインク粒子を放出ノズルから吐出する処理では、複数の仕切りに隔てられた複数の管を有する放出ノズルが用いられ、各管の開口部の面積Ｗには下記の式の関係が当てはまり、
１／２０,０００ ＜ Ｗ／Ｄ ＜ １／４
上記式において、Ｄは放出ノズルの入口ポートの面積であること、
を特徴とする請求項１１に記載の積層方法。
【請求項１７】
固体の状態のインク粒子は実質的に溶媒を伴っていないこと、
を特徴とする請求項１１に記載の積層方法。
【請求項１８】
基板上にインクを積層する積層方法であって、
キャリア液中に複数の懸濁粒子を有してなる液体インクをチャンバに供給する処理と、
吐出装置に脈動的にエネルギを与えることで、パルス振幅、パルス幅、パルス周波数のうち少なくとも１つに基づいて決められる量の液体インクを、チャンバから放出ノズルに送るために量り取る処理と、
量り取られたインクを、量り取られたインクを送るために複数の管を有した放出ノズルで受け取る処理と、
量り取られたインクを複数の管において加熱してキャリア液を蒸発させる処理と、
懸濁していた複数の粒子を放出ノズルから基板上に放出する処理と、を有し、
懸濁していた複数の粒子は実質的に固体の状態で基板上に積層されること、
を特徴とする積層方法。
【請求項１９】
吐出装置に脈動的にエネルギを与える処理の結果、複数のエネルギバーストでチャンバが加熱されること、
を特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
吐出装置に脈動的にエネルギを与える処理には、圧電素子にエネルギを与える処理が含まれること、
を特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
チャンバに液体インクを供給する処理には、貯蔵器からチャンバにインクを供給する処理が含まれること、
を特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
量り取られたインクを放出ノズルで受け取る処理には、量り取られたインクを管に通じる入口ポートで受け取る処理と、量り取られたインクを管を通して搬送する処理と、量り取られたインクが管によって搬送される間にキャリア液を実質的に蒸発させる処理とが含まれること、
を特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
懸濁していた複数の粒子を放出ノズルから放出する処理には、放出ノズルを選択的に加熱して懸濁していた粒子を放出させる処理が含まれること、
を特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２４】
放出ノズルを加熱する処理には、放出ノズルを脈動的に加熱する処理が含まれること、
を特徴とする請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
懸濁していた複数の粒子を放出する処理には、放出ノズルに対して圧電効果を用いることで、懸濁していた粒子を基板上に積層する処理が含まれること、
を特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２６】
圧電効果を用いる処理には、放出ノズルに機械的に圧力を加える処理が含まれること、
を特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
吐出装置に脈動的にエネルギを与える処理には、パルスエネルギの幅、強度、周波数の少なくとも１つを制御することにより、吐出されるインクの量を制御する処理が含まれること、
を特徴とする請求項１８に記載の方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００７年６月１４日付けでなされた「薄膜積層の方法および装置」という名称の仮出願６０／９４４,０００号に関する優先権を主張し、当該仮出願は、その全体が参照により本明細書に援用される。
本出願の開示内容は、基板上に薄膜パターンを効率よく積層する方法および装置に関する。より具体的に言えば、本出願の開示内容は、ＬＥＤや他の種類のディスプレイの部品を形成する基板の上に薄膜を積層する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機発光装置（ＯＬＥＤ：Organic Light Emitting Device）の製造には、基板上に１以上の有機薄膜を積層した上で、薄膜積層体の一番上と一番下とを電極に接続する処理が必要である。そして、薄膜の厚みは考慮すべき主要な点となる。積層体全体の厚みは約１００ｎｍであり、各層を±１ｎｍの精度で均一に積層するのが最適である。また薄膜の純度も重要である。従来の装置は、以下の２つの方法のうち１つを用いて薄膜積層体を形成する：
（１）相対的（relative）な真空環境において有機材料を熱蒸発させた後、基板上でこの有機材料の蒸気を凝縮させる。
（２）溶媒に有機材料を溶解させ、そうして得られた溶液で基板をコーティングした後、溶媒を除去する。
【０００３】
ＯＬＥＤの有機薄膜を積層する処理において、もう１つ考慮すべき点は、所望の位置に正確に薄膜を配置することである。この作業を実行する従来の技法には、薄膜積層の方法に応じて２つの種類がある。熱蒸発の場合は、シャドウマスク方式を用いて、所望の形状のＯＬＥＤ薄膜を形成する。シャドウマスク技法では、正確に形作られたマスクを、一部領域を覆う形で基板に載せた後、基板全領域に薄膜を積層する。そして、積層が完了した後、シャドウマスクを取り外す。マスクに覆われず露出した領域が、基板上に積層される材料のパターンを決める。この手法は、薄膜を積層する必要があるのはシャドウマスクに覆われず露出した領域だけであるにもかかわらず、基板全体をコーティングしなければならないため、効率が悪い。
【０００４】
さらに、シャドウマスクには使用のたびにコーティングが積み重なっていくので、やがては廃棄するか、クリーニングせざるを得なくなる。そして最後に、広い範囲を覆うシャドウマスクの使用には困難が伴う。使用するマスクは（加工規模（feature size）を小さくする目的で）非常に薄くする必要があるが、薄くすることによってマスクは構造的に不安定になるからである。しかし、蒸着積層技術で生産されるＯＬＥＤ薄膜は、高い均一性および純度を有し、優れた厚み制御を実現する。
【０００５】
溶媒を用いた積層法の場合は、インクジェットプリント法を用いて、ＯＬＥＤ薄膜のパターンを積層することができる。インクジェットプリント法では、有機材料を溶媒に溶かして、プリントが可能なインクを作る必要がある。さらに、従来のインクジェットプリント法は、単層のＯＬＥＤ薄膜積層体に使用が限られており、これは、多層の積層体に比べて一般に性能が低い。単層に制限せざるをえないのは、通常、プリントを重ねると下位の有機層で破壊的な溶解が引き起こされるからである。そして、インクを積層しようとする領域を最初に決めて基板を準備しておかない限り（すなわち、処理のコストと複雑さとを増すことになる処理ステップを１つ追加しない限り）、インクジェットプリント法は円形の積層領域に限定され、厚みの均一性も蒸着積層による薄膜に比べて劣ったものになる。材料品質も通常劣っているが、その原因は、第１に乾燥処理の間に生じる材料の構造上の変化であり、第２にインク内に存在する材料不純物である。ただし、インクジェットプリントの技術を用いれば、非常に広い領域にわたってＯＬＥＤ薄膜のパターンを設けることができるので、材料効率は優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，０８６，１９６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の技術では、インクジェットプリント法で可能な広い範囲のパターン形成と、有機薄膜用蒸着積層によって実現される高い均一性、純度、そして厚み制御とを両立することができない。インクジェット法を用いて処理された単層ＯＬＥＤ装置の品質は、広く商業利用するには相変わらず不充分であり、また、広い面積を対象に熱蒸着法を用いることは現実的でない。そのため、ＯＬＥＤ業界によっては、高い薄膜品質を実現すると共に、広い範囲を対象にして高い費用効率も実現できる、という技術を開発することが、重要な技術目標となっている。
【０００８】
そして最後に、ＯＬＥＤディスプレイの製造では、金属、無機半導体および／または無機絶縁体の薄膜を、パターンを決めて積層することが必要になる場合もある。従来の技術では、こうした層の積層には、蒸着法および／またはスパッタ法を用いる。パターン形成は、基板の下準備（例えば、絶縁体を伴うパターン化コーティング）をしておくやり方や、上述したシャドウマスク法、そして、従来のフォトリソグラフィ法（新しい基板または保護層が用いられる場合）を使って達成される。これらの手法はいずれも、材料を浪費したり、追加の処理ステップが必要になったりするため、所望のパターンを直接積層するやり方に比べると効率が悪い。そのため、こうした材料ならびに、高品質で、費用効率がよく、広い面積を対象にできる薄膜積層の方法および装置が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そこで、本発明は、１つの実施の形態において、基板上にインクを積層する積層装置であって、インクを受け取るためのチャンバと、入口ポートと出口ポートとを有し、入口ポートにおいてインクをチャンバから受け取り、出口ポートからインクを吐出する放出ノズルと、チャンバから放出ノズルの入口ポートに送られるインクを量り取る吐出装置と、を備え、前記チャンバは、複数の懸濁した粒子を有する液体状態のインクを受け取り、当該インクは脈動的に量り取られてチャンバから放出ノズルに送られ、放出ノズルはキャリア液を蒸発させて、実質的に固体の粒子を基板上に積層させる、という積層装置を開示する。
【発明の効果】
【００１０】
また、別の実施の形態においては、基板上にインクを積層する積層方法であって、第１の周波数を有する脈動エネルギを用いて、キャリア液中に複数の固体粒子を有してなるインクを量り取って放出ノズルに送る処理と、量り取られたインクを放出ノズルで受け取り、量り取られたインクからキャリア液を蒸発させて、実質的に固体のインク粒子を得る処理と、実質的に固体のインク粒子を放出ノズルから吐出して、基板上に実質的に固体のインク粒子を積層する処理と、を有し、実質的に固体のインク粒子の少なくとも一部は、放出ノズルからの吐出の間に気相に変化し、蒸気として基板に送られて、基板の表面で凝縮して実質的に固体の状態となる、という積層方法を開示する。
【００１１】
また、さらに別の実施の形態においては、基板上にインクを積層する積層方法であって、キャリア液中に複数の懸濁粒子を有してなる液体インクをチャンバに供給する処理と、吐出装置に脈動的にエネルギを与えることで、パルス振幅、パルス幅、パルス周波数のうち少なくとも１つに基づいて決められる量の液体インクを、チャンバから放出ノズルに送るために量り取る処理と、量り取られたインクを、量り取られたインクを送るために複数の管を有した放出ノズルで受け取る処理と、量り取られたインクを複数の管において加熱してキャリア液を蒸発させる処理と、懸濁していた複数の粒子を放出ノズルから基板上に放出する処理と、を有し、懸濁していた複数の粒子は実質的に固体の状態で基板上に積層される、という積層方法を開示する。
【００１２】
さらに別の実施の形態では、本発明の開示は、基板上にインクを積層するシステムに関する。当該システムは、キャリア液中に複数のインク粒子を懸濁させたものとして作られたインクが入っているチャンバと、チャンバの近くに位置し、吐出装置によってチャンバから量り取られて脈動的に送り出されるインクを受け取ると共に、キャリア液を蒸発させて実質的に固体の粒子を形成する放出ノズルと、そして、放出ノズルに接続されており、放出ノズルにエネルギを与えることで、実質的に固体のインク粒子を放出ノズルから基板上へ移動させるコントローラと、を有する。
【００１３】
さらに別の実施の形態における本発明の開示は、やはり、基板上にインクを積層するシステムに関する。当該システムは、キャリア液中に複数のインク粒子を懸濁させたものとして作られたインクを受け取るチャンバと、チャンバから送られてくるインクを脈動的に量り取るインク吐出装置と、チャンバから量り取られて送られてくるインクを受け取り、受け取ったインクからキャリア液を蒸発させて実質的に固体の粒子を形成する放出ノズルと、インク吐出装置に接続されており、インク吐出装置に脈動的にエネルギを与えることで、チャンバから送られてくるインクを量り取らせる第１のコントローラと、そして、放出ノズルに接続されており、放出ノズルにエネルギを与えることで量り取られたインクの粒子を放出ノズルから基板上に送らせる第２のコントローラと、を有する。
【００１４】
さらに別の実施の形態では、本発明の開示は、基板上でのインクの正確な積層を実現する方法に関する。当該方法は、キャリア液の中に複数の粒子を懸濁した状態で含むインクをチャンバに供給する処理と、チャンバから放出ノズルの入口ポートまで送られたインクの少なくとも一部を吐出装置の駆動によって量り取る処理と、入口ポートと出口ポートとを有する放出ノズルが量り取られたインクを受け取る処理と、放出ノズルの入口ポートから出口ポートへ量り取られたインクを搬送して実質的に固体の粒子を形成する処理と、放出ノズルにエネルギを与えて実質的に固体の粒子の少なくとも一部を脈動的に基板上へ噴射させるやり方で、放出ノズルの出口ポートからの実質的に固体の粒子を基板上に積層する処理と、を含む。
【００１５】
更に別の実施の形態では、本発明の開示は、基板上にインクを正確に積層するシステムに関する。当該システムは、キャリア液にインク粒子が含まれた混合物を格納する格納手段と、格納手段に接続されて混合物の少なとも一部を脈動的に量り取る計量手段と、チャンバから放出ノズルまで量り取られたインクを搬送する搬送手段と、キャリア液を蒸発させて放出ノズルで実質的に固体のインク粒子を形成する蒸発手段と、実質的に固体のインク粒子を放出ノズルから基板上に放出する放出手段と、を有する。
【００１６】
更に別の実施の形態では、本発明の開示は、基板上に粒子を積層する装置に関する。当該装置は、キャリア液の中に複数の粒子を有する液体状態のインクを受け取るチャンバと、チャンバに連結され、チャンバから送られるインクを量って放出ノズルに送る吐出装置と、を有し、放出ノズルはキャリア液を蒸発させて実質的に固体のインク粒子を形成するものであり、放出ノズルはチャンバに対して軸回転することで実質的に固体のインク粒子を放出し、そして、放出ノズルは基板上に実質的に固体の粒子を積層する。
【００１７】
さらに別の実施の形態では、本発明の開示は、プリント装置の制御システムに関する。当該システムは、第１のコントローラと第２のコントローラとを有し、第１のコントローラは、第１のメモリ回路と接続された第１のプロセッサ回路を有し、第１のメモリ回路には第１のプロセッサ回路を動作させるための命令が格納されており、第１のプロセッサ回路は前記命令に応じて、各々がキャリア液の中に複数の粒子を溶解または懸濁した状態で含む液体インクを受け取る、というチャンバを複数特定し、当該複数のチャンバの各々に吐出すべき液体インクを量り取らせる、というものであり、第２のコントローラは、第２のメモリ回路と接続された第２のプロセッサ回路を有し、第２のメモリ回路には第２のプロセッサ回路を動作させるための命令が格納されており、第２のプロセッサ回路は前記命令に応じて、複数のチャンバのうち対応する１つから液体を受け取る放出ノズルを複数特定し、特定した複数の放出ノズルを起動させてキャリア液の少なくとも一部を蒸発させ、そして、特定した複数の放出ノズルの各々に指示して基板上に実質的に固体のインク粒子を積層させる、というものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】本発明が開示する１つの実施の形態による熱式のインク吐出機構を有するプリントヘッドの一例を示す概略図である。
【図１Ｂ】本発明が開示する１つの実施の形態による圧電インク吐出機構を有するプリントヘッドの一例を示す概略図である。
【図１Ｃ】本発明が開示する１つの実施の形態による、チャンバハウジング部分と放出ノズルハウジング部分とを物理的に隔てられた形で有するプリントヘッドの一例を示す概略図である。
【図１Ｄ】本発明が開示する１つの実施の形態によるプリントヘッドの一例を示す概略図であり、チャンバハウジング部分と放出ノズルハウジング部分とを物理的に隔てられた形で有すると共に放出ノズルと関連するハウジングとの間に隔離スペースが設けられたプリントヘッドを示す図である。
【図１Ｅ】放出ノズルの実装形の一例を示す上面図である。
【図２Ａ】本発明が開示する実施の形態によるプリントヘッド装置を用いて行う、溶媒を伴わない状態の材料を積層する処理の第１の工程を示す図である。
【図２Ｂ】本発明が開示する実施の形態によるプリントヘッド装置を用いて行う、溶媒を伴わない状態の材料を積層する処理の第２の工程を示す図である。
【図２Ｃ】本発明が開示する実施の形態によるプリントヘッド装置を用いて行う、溶媒を伴わない状態の材料を積層する処理の第３の工程を示す図である。
【図２Ｄ】本発明が開示する実施の形態によるプリントヘッド装置を用いて行う、溶媒を伴わない状態の材料を積層する処理の第４の工程を示す図である。
【図３Ａ】複数の放出ノズルを有し、熱式のインク吐出要素を使用するプリントヘッド装置を示す図である。
【図３Ｂ】複数の放出ノズルを有し、圧電インク吐出要素を使用するプリントヘッド装置を示す図である。
【図４】複数の貯蔵器を備えたプリントヘッド装置を示す概略図である。
【図５】１以上のプリントヘッドを用い、これらプリントヘッドの少なくとも１つが１以上の放出ノズルと位置決めシステムとを有する、という材料薄膜積層装置を示す概略図である。
【図６】テーパー状の側壁を備えたマイクロ孔を有するマイクロ孔放出ノズルを示す概略図である。
【図７】マイクロ孔放出ノズルに用いられるマイクロ孔のパターンの例を示す図である。
【図８Ａ】本発明が開示する１つの実施の形態による染料昇華型プリンタを示す概略図である。
【図８Ｂ】本発明が開示する１つの実施の形態による染料昇華型プリンタを示す概略図である。
【図９Ａ】空間的に局所化した化学合成に用いる放出装置の使用状態を示す図である。
【図９Ｂ】空間的に局所化した化学合成に用いる放出装置の使用状態を示す図である。
【図９Ｃ】マイクロリアクタとしての放出装置の使用状態を示す図である。
【図９Ｄ】マイクロリアクタとしての放出装置の使用状態を示す図である。
【図１０Ａ】本発明が開示する実施の形態によるプリントヘッドの一例を示す概略図である。
【図１０Ｂ】図１０Ａに示したプリントヘッド装置を用いた薄膜積層方法を示す図である。
【図１０Ｃ】図１０Ａに示したプリントヘッド装置を用いた薄膜積層方法を示す図である。
【図１０Ｄ】図１０Ａに示したプリントヘッド装置を用いた薄膜積層方法を示す図である。
【図１０Ｅ】図１０Ａに示したプリントヘッド装置を用いた薄膜積層方法を示す図である。
【図１１Ａ】本発明が開示する１つの実施の形態による熱起動プリントヘッドを示す概略図である。
【図１１Ｂ】図１１Ａに示したプリントヘッド装置を用いた薄膜積層方法を示す図である。
【図１１Ｃ】図１１Ａに示したプリントヘッド装置を用いた薄膜積層方法を示す図である。
【図１１Ｄ】図１１Ａに示したプリントヘッド装置を用いた薄膜積層方法を示す図である。
【図１１Ｅ】図１１Ａに示したプリントヘッド装置を用いた薄膜積層方法を示す図である。
【図１２】本発明が開示する１つの実施の形態による、基板上に粒子を積層する方法を示す図である。
【図１３】本発明が開示する１つの実施の形態による放出ノズルを有した、プリントヘッド制御用の制御システムを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本明細書の開示する、これらおよび他の実施の形態について、以下、非限定的な例を示す図面を参照しながら説明するが、これら図面において、類似の構成要素には類似の番号を付けてある。
先ず、１つの実施の形態において、実質的に固体の状態で薄膜を基板上に積層する方法および装置を開示する。こうした薄膜は、例えば、ＯＬＥＤや面積の大きいトランジスタ回路の設計および製造に用いられる。また、別の実施の形態では、実質的に固体の状態の材料の薄膜を基板上に積層する方法および装置を開示する。また、別の実施の形態では、実質的に溶媒を伴わない材料から成る薄膜を基板上に積層する方法および装置を開示する。こうした薄膜は、例えば、ＯＬＥＤや面積の大きいトランジスタ回路の設計および製造に用いられる。ここで説明する装置および方法によって積層される材料には、有機材料、金属材料、無機半導体および絶縁体が含まれる（例：無機酸化物、カルコゲニド、ＩＶ族半導体、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、ＩＩ−ＶＩ族半導体）。
【００２０】
図１Ａは、本発明が開示する１つの実施の形態による材料積層装置の概略を示す図である。すなわち、図１Ａは本発明が開示する１つの実施の形態による熱ジェットプリントヘッドを示す概略図である。
図１Ａが示すのは、基板上に材料を積層する装置の一例であり、当該装置は、チャンバ１３０、開口部１７０、放出ノズル１８０、マイクロ孔管（micro-porous conduit）１６０を有する。チャンバ１３０は、液体状態でインクを受け取り、開口部１７０から放出ノズル１８０までインクを移動させる。インクは、キャリア液の中に粒子を懸濁または溶解させたものとすることができる。これら粒子は、単一の分子または原子から成るものでもよいし、複数の分子および／または原子の集合から成るものでもよい。開口部１７０と放出ノズル１８０との間の通路が送出路となっている。図１Ａの実施の形態では、放出ノズル１８０は、仕切り１６５で隔てられた複数の管１６０を有する。管１６０の内部にはマイクロ孔を有する素材を入れてもよい。放出ノズル１８０の面のうち開口部１７０に近い側の面には、放出ノズル１８０への入口ポートが形作られており、放出ノズル１８０のうち開口部１７０から遠い側の面には出口ポートが形作られている。基板（図示せず）は、放出ノズル１８０の出口ポートの近くに置かれて、積層されるインクをノズルから受け止める。
【００２１】
図１の熱ジェットプリントヘッドは、更に下部構造体１４０を有し、放出ノズル１８０は当該下部構造体１４０に収容されている。放出ノズル１８０は下部構造体１４０の一部として作ることができる。ただし、別の構成として、放出ノズル１８０を別個に製造したうえで下部構造体１４０と組み合わせて、一体化した構造体にすることもできる。チャンバ１３０は上部構造体１４２の中に収容されている。上部構造体１４２に適当な空洞と管とを設けることで、チャンバ１３０を形成することができる。そして、上部構造体１４２と下部構造体１４０とを接着部１２０で結合することで、ハウジングが形成される。ハウジングにより、熱ジェットプリントヘッドを加圧状態または真空状態で動作させることができる。ハウジングは更に、放出ノズルから基板（図示せず）まで材料を運ぶキャリアガスの受け入れのための入口ポート（図示せず）を有する場合がある。また、別の構成として、キャリアガス受け入れのための入口ポート（図示せず）を上部構造体１４２に組み込むことも可能である。ポートには、キャリアガスを受け入れるように作られたフランジを持たせることができる。実施の形態では、キャリアガスは１以上のガスの実質的に不活性な混合物から成る。混合物に含まれるのは、装置が積層しようとする材料に対して実質的に非反応性のガスとする。典型的な有機材料と共に用いるのであれば、こうしたガスとして窒素やアルゴンなどが挙げられる。キャリアガスがマイクロ孔１６０を通って流れることで、放出ノズル１８０から粒子を移動させることができる。
【００２２】
また、ヒータ１１０を、インクの加熱および／または吐出を目的としてチャンバ１３０に追加することが考えられる（必須ではない）。図１Ａでは、ヒータ１１０はチャンバ１３０の内部に配置されている。ヒータ１１０は、チャンバ１３０に連結された何らかの熱エネルギ源であり、液体インクに脈動（pulsating）エネルギを供給し、それによって、液体インクの液滴が開口部１７０から放出される。実施の形態では、ヒータ１１０は、幅が１分以下のパルスで熱を送る。例えば、本ヒータには、可変デューティサイクルと１ｋＨｚのサイクル周波数とを有する方形パルスでエネルギを与えることができる。従って、ヒータのエネルギを利用して、チャンバ１３０から放出ノズル１８０に送出するインクを量り取ることができる。また、チャンバ１３０には、インク以外にも、ＯＬＥＤやトランジスタの製造に用いられる薄膜の形成に必要な材料が格納される場合がある。開口部１７０については、インク吐出のために機構が起動される前に液体が放出される事態が、チャンバ１３０内の液体の表面張力によって防止されるように構成することができる。
【００２３】
図１Ａの実施の形態では、放出ノズル１８０は、管１６０同士の間を隔てる仕切り部（または堅い部分）１６５を有する。管１６０と堅い部分１６５とが集合してマイクロ孔環境を形作る。マイクロ孔環境は様々な材料で構成することができ、そうした材料としては、マイクロ孔アルミナ、そしてマイクロ加工された孔を有するシリコンまたはシリコンカーバイド製の固い膜などがある。マイクロ孔１６０は、装置が適切に起動されるまで、液体中に溶解または懸濁した材料を留めて、放出ノズル１８０から出て行くのを防ぐ。液体の形で放出された液滴が放出ノズル１８０に達すると、この液体は毛管作用に助けられてマイクロ孔１６０内に引き込まれる。インク中の液体については、放出ノズル１８０の起動前に蒸発させることも可能であり、その場合は、懸濁または溶解していた粒子がマイクロ孔の壁をコーティングする形で残される。インク中の液体については、相対的に蒸気圧の低い１種類以上の溶媒から構成すればよい。逆にインク中の液体を相対的に蒸気圧の高い１種類以上の溶媒から構成することもできる。
【００２４】
インク中の液体の蒸発は、放出ノズルを加熱することで加速される。蒸発した液体については、チャンバから除去した上で収集することが可能であり（図示せず）、収集のやり方としては、例えば、１以上の放出ノズルの上を通す形にガスを流すというものがある。所望の用途に応じて、マイクロ孔１６０によって作られる管（または流路）の最大直線断面距離（maximum linear cross-sectional distance）Ｗは、数ナノメートルから数百ミクロンの範囲とすることができる。放出ノズル１８０を含むマイクロ孔領域の形状や当該領域の占める面積は、所望の用途に応じて変えられるが、通常は、最大直線断面寸法（maximum linear cross-sectional dimension）Ｄが数百ナノメートルから何十ミリメートルの範囲となる。実施の形態では、Ｗ／Ｄの比率は、約１／１０から約１／１０００の範囲となる。
【００２５】
図１Ａに一例として示す装置では、放出ノズル１８０はノズルヒータ１５０によって駆動される。ノズルヒータ１５０は放出ノズル１８０の近くに配置されている。ノズルヒータ１５０は薄い金属膜で構成することができる。この薄い金属膜については、例えばプラチナ製とすることができる。ノズルヒータ１５０は、起動されると、放出ノズル１８０に脈動的な熱エネルギを供給し、これは、マイクロ孔または管１６０の内部に入っている材料を移動させる形に作用する。移動させられた材料は、放出ノズルから流出させることができる。１つの実施の形態では、脈動は１分以下の時間尺度で変化させることができる。
【００２６】
インク粒子の移動の形として、蒸発によるもの、昇華または融解の上での沸騰によるものがある。繰り返すが、留意すべき点として、用語「粒子」は広い意味で使われ、単一の分子または原子から一群の分子または原子までが含まれる。一般に、放出ノズルに連結するエネルギ源については、放出ノズル１８０にエネルギを供給し、それによってマイクロ孔１６０から材料を放出させることができるものであれば、どのようなものを使用してもよい（例えば、機械的なもの（例：振動型のもの））。ここに開示する実施の形態では、ノズルヒータ１５０の代わりに（または、これに追加して）、圧電材料を使用する。
【００２７】
図１Ｂは、本発明の開示する１つの実施の形態による薄膜積層装置の概略図である。基板上に材料を積層する装置の一例として図１Ｂに示す装置は、図１Ａの実施の形態に類似しているが、チャンバ１３０が異なる形状を有する点、インクが圧電素子１１５の脈動的な駆動によって吐出される点で異なっている。圧電素子１１５は、起動されると脈動して、チャンバ１３０の中に入っていた液体の液滴を、開口部１７０から放出ノズル１８０に向けて放出する。このように、チャンバヒータ１１０を圧電素子１１５に置き換えることができる。図１Ｂには示していないが、チャンバヒータに加えて、またはこれと組み合わせて、圧電素子を使用することもできる。
【００２８】
図１Ｃは、本発明の開示の別の実施の形態による薄膜積層装置の概略図である。基板上に材料を積層する装置の一例として図１Ｃに示す装置は、図１Ｂの場合と類似の構成要素から成るが、接着部１２０が除かれており、上部構造体１４２と下部構造体１４０とは、構造的に別個の構成要素に分かれたものとして示されている。図１Ｃの構造では、上部構造体１４２と下部構造体１４０とを別々に、手に取ったり置いたりすることができ、それは、装置の保守管理作業を実施する際には好ましいであろう。
【００２９】
図１Ｄは、本発明が開示する更に別の実施の形態による薄膜積層装置の概略図である。一例として図１Ｄに示す装置は、図１Ｃの装置と類似の構成要素から成るが、囲い込み壁１４５が追加されている点が異なる。この構造では、チャンバの開口部１７０を通してインクチャンバ１３０から放出ノズル１８０に供給されるインクまたは他の材料は、物理的に閉じ込められる。この構造により、複数のマイクロ孔１６０に充填されるインクの均一性を高めることができ、さらには、インクチャンバ１３０から放出ノズル１８０に供給されるインク材料の配置における位置決め誤差の補正が可能となる。
【００３０】
図１Ｄの実施の形態におけるもう１つの特徴は、接続領域１５５の存在である。図１Ａ〜１Ｃの各々において、放出ノズル１８０は下部構造体１４０に組み入れられた形で図示されている。それに対して図１Ｄの放出ノズル１８０は、別個の構成部である下部構造体１４０と放出ノズル１８０との間に、物理的に異なる素材から成る接続領域１５５が介在している、という作りになっている。領域１５５は、放出ノズル１８０を下部構造体１４０に接続するために用いられる。接続領域１５５は、下部構造体１４０を越えて広がり、隙間１５６があいている。隙間１５６は調整が可能であり、調整は、ハウジングの大きさに応じて、そしてノズル１８０を構造体１４０から物理的に隔てる目的のために行われる。この構成によれば、例えば、放出ノズル１８０を周囲の構造物から熱的に遮断する効果を高めることができる。また、図１Ｄでは、張り出し部（接続領域）１５５の下にヒータ１５０が延びて、放出ノズル１８０にまで達している。留意すべき点として、ヒータ１５０については、脈動エネルギ提供用の圧電素子または他の電子機械手段を加えること、または、これらと置き換えることができる。
【００３１】
図１Ｅは、基板上に薄膜を積層する装置の一部分として、放出ノズル１８０を示す図である。図１Ｅでは、放出ノズルヒータ１５０は、シリコン製のハウジング１４０に配置されたプラチナ薄膜によって成る。放出ノズル１８０の中央には、これまでの図に示したマイクロ孔１６０に対応する放出ノズルのマイクロ孔も図示してある。
図２Ａ〜２Ｄは、本発明が開示する実施の形態によって基板上にインクを積層する処理を概略的に示している。本発明が開示する実施の形態を用いれば、様々に異なる材料や薄膜を積層することができるが、図２の実施の形態では、インクは実質的に固体の状態で積層される。図２Ａでは、インク１０１がチャンバ１３０に供給される。インク１０１の成分については従来通りとすることができる。本実施の形態において、インク１０１は、キャリア液の中に多数の粒子を含ませて作られた液体インクである。キャリア液は１以上の溶媒で構成することができるが、その溶媒の蒸気圧は、搬送・積層処理の間に溶媒がほぼ蒸発してキャリア液中の多数の粒子が固体粒子の状態で積層されることになる、というものになっている。これにより、積層された多数の固体粒子が基板上に薄膜を成す。
【００３２】
再び図２Ａを参照する。チャンバヒータ１１０がインク吐出機構を成し、インク１０１に対して脈動的に熱エネルギを与える。熱エネルギにより、インク１０１の液の少なくとも一部は、開口部１７０から飛び出し、インク液滴１０２が形成される。インク液滴１０２は、液体インク１０１の全てまたは一部から成る。エネルギ源（例：ヒータ１１０）から脈動的に与えられるエネルギにより、チャンバ１３０から量り取られるインクの量が決定される。チャンバ１３０から量り取られた液滴１０２は、放出ノズル１８０に送られる。
【００３３】
別の例の実施の形態では、圧電素子（図示せず）をチャンバ１３０に（または、その近くに）配置し、それによって所望量のインク１０１を、開口部１７０から量り取って液滴１０１を形成する、という構成が可能である。更に別の実施の形態では、液体を（例えば、インク圧を正圧に維持することにより）チャンバ１３０から開口部１７０を通して流出させて、この液流を機械的または静電的な力によって脈動的に中断することで、液流から定量の液滴を作り出して放出ノズル１８０に送ることができる。機械的な力を利用する場合は、脈動的に液流と交差するパドル（図示せず）を導入することで、こうした力を提供することができる。静電的な力を利用する場合は、液流を囲む形にコンデンサ（図示せず）を導入し、当該コンデンサが液流を横切る電磁界を脈動的に生じさせることで、こうした力を提供することができる。この構成では、脈動エネルギ源については、吐出機構を起動し、それによって液体１０２が量り取られてチャンバ１３０から開口部１７０を通して放出ノズル１８０まで送出されるようにするものであれば、どのようなエネルギ源でも利用することができる。各エネルギパルスの強度および幅については、後述するコントローラ（図示せず）によって定めることができる。さらに、上述した通り、こうした量り取りは、主にインクがチャンバ１３０から開口部１７０を通って噴出される時に実施される。ただし、別の形として、この量り取りを、主にインクが開口部１７０から放出ノズル１８０まで移動する間に実施されるようにすることもできる。
【００３４】
図１Ａ〜１Ｅに関連して述べたように、放出ノズル１８０は、量り取られた液滴１０２を受け取り、搬送するための管を有する。また、放出ノズルを加熱するために、放出ノズルヒータ１５０が放出ノズル１８０の近くに配置されるが、実施の形態の一例（図示せず）では、ヒータは放出ノズルと一体化されて仕切り１６５が発熱体を形作る。
放出ノズル１８０は、基端面１８１（あるいは入口ポート）と先端面１８２（あるいは出口ポート）とを有する。基端面１８１と先端面１８２との間には、複数の仕切り１６０と管１６５とが介在する。基端面１８１はチャンバ１３０に面しており、先端面１８２は基板１９０に面している。ノズルヒータ１５０を起動すると、放出ノズル１８０の温度が周囲温度を上回り、それによって、管１６０にその時点で残っている液滴１０２からキャリア液を急速に蒸発させることができる。ノズルヒータ１５０の起動は、インク吐出装置にエネルギを与える前（チャンバ１３０から開口部１７０を通って放出ノズル１８０に進むインク液滴１０２が量り取られる前）であってもよいし、液滴１０２が放出ノズル１８０に達した後でもよい。言い換えると、チャンバヒータ１１０および放出ノズルヒータ１５０は、編成によって、同時に脈動させることも順番に脈動させることもできる。
【００３５】
処理の次のステップでは、液体インク１０３（液滴１０２であったもの）が、囲い込み壁１４５の中にある放出ノズル１８０の入口ポート１８１に送られる。その後、液体インク１０３は、管１６０を通って出口１８２に向かう。すでに述べたとおり、管１６０は複数のマイクロ孔で構成することができる。インク１０３の中の液体は、管１６０を満たし、周囲を囲む面に達し、その広がりの範囲は、部分的には囲い込み壁１４５によって規制される。そして、インク１０３に含まれる液体は、放出ノズル１８０の起動前に蒸発し、マイクロ孔の壁には粒子１０４（図２Ｃ参照）が残される。この粒子１０４は実質的に固体であり、基板１９０の上に積層することが可能である。ただし、別の構成として、インク１０３（図２Ｂ参照）のキャリア液を、ノズルヒータ１５０の起動中に蒸発させることもできる。
【００３６】
図２Ｃではノズルヒータ１５０が起動され、その結果、放出ノズル１８０に脈動エネルギが提供され、材料１０４が管１６０から移動させられる。その結果を図２Ｄに示す。各エネルギパルスの強度および幅は、コントローラ（図示せず）によって定めることができる。起動エネルギは、熱エネルギとすることができる。放出ノズル１８０用のエネルギ源としては、放出ノズル１８０にエネルギを与えることによって管１６０から材料１０４を放出させることが可能であれば、どのようなものでも用いることができる（例：機械的なもの、振動を用いるもの、超音波を用いるもの、その他）。この構成では、積層薄膜１０５は、インク１０１（図２Ａ）には存在していたキャリア液が実質的に残っておらず、固体の状態で積層されている。すなわち、キャリア液は、放出ノズル１８０を通る間に、実質的に全てがインク１０３から蒸発する。蒸発したキャリア液（通常は１以上の溶媒の混合物から成る）は、１以上のガス管（図示せず）によってハウジングから運び去ることができる。
【００３７】
基板１９０は放出ノズル１８０の近くに配置されており、移動させられた材料を受け止めて薄膜１０５が形成される。図２Ｂ〜２Ｄに示した処理ステップと平行して、チャンバ１３０には、次の積層サイクルの分の液体インク１０１が新たに供給される。
図３Ａは、材料を積層するために発熱体を用いる放出用配列を図示している。図３Ａの装置は、液体３０１の収容のためのチャンバ３３０を有する。液体３０１には、基板上に積層する粒子を溶解または懸濁した状態で含ませることができる。チャンバ３３０は更に、複数のチャンバ開口部３７０を有する。図３Ａの実施の形態はインク吐出ヒータ３１０を有し、これによって、各チャンバ開口部３７０から液体インクを脈動的に量り取り、放出ノズル３８０に向けて送り出す。放出ノズル３８０は配列の形で配置されており、各放出ノズル３８０は対応するチャンバ開口部３７０とつながっている。ノズルヒータ３５０は放出ノズル３８０の近くに配置されており、実質的に全てのキャリア液を蒸発させる。その結果、放出ノズル配列は固体粒子を積層することができる。
【００３８】
図３Ｂは、圧電素子を用いた放出配列を示す。具体的には、図３Ｂは圧電インク吐出部材３１５を示し、これは、チャンバ開口部３７０から脈動的に液体インク３０１を量り取り、放出ノズル３８０へ送る。一般論として、エネルギ源については、インクの量り取りが可能になるのであれば、どのようなものを使用してもよい。また、放出ノズル３８０はノズルヒータ３５０を備えている。図３Ａ、３Ｂには示していないが、液体インクは、インク貯蔵器と連通している１以上の管によってチャンバ３３０に送られる。加えて、１以上のガス管（図示せず）を設けることで、蒸発したキャリア液をハウジングから除去することもできる。動作中、圧電素子３１５にはバースト状（in burst）またはパルス状（in pulse）にエネルギが供給される。エネルギパルスが供給されるたびに、圧電素子は振動し、分子力と表面張力とによって所定位置に保持されている液体インク３０１を吐出する。圧電素子３１５にエネルギを供給するパルスの幅によって、各チャンバ開口部３７０から量り取られる液体インク３７０の量を決定することができる。例えば方形パルスの振幅または幅を大きくすることで、吐出される液体インクの量を増やすことができる。また、選択したインクの粘性または揺変特性も、パルス波形、振幅、幅に影響を与え、量り取られてチャンバ３３０から放出ノズル３８０に送られるインクの量にかかわってくるであろう。
【００３９】
図３Ａ、３Ｂでは、放出ノズル３８０は、マイクロ孔開口部、硬い仕切り領域、ヒータ３５０を有する。また、ここに例として示す装置には、真空環境または加圧環境において動作するように作られたハウジングを持たせてもよい。その場合、ハウジングには更に、放出ノズル３８０から基板（図示せず）に材料を運ぶキャリアガスを受け入れるための入口ポートを持たせることができる。入口ポートは、キャリアガスを受け入れるのに適したフランジによって作ることができ、キャリアガスは、本実施の形態では、１種類以上のガスの実質的に不活性な混合物から成る（例：窒素またはアルゴン）。従来の有機材料を積層する場合、窒素やアルゴンは特に適している。キャリアガスについては、インクを放出ノズル３８０から移動させるのに用いてもよく、その場合は、管またはマイクロ孔を通して流す。留意すべき点として、図３Ａ、３Ｂに示す実施の形態では、複数の装置またはノズル（図１Ａ、１Ｂに示したもの）を統合し、それによって複数ノズル型の積層システムまたはプリントヘッドを形成している。そして、ノズルの各々に、図１Ａ〜１Ｅの装置を参照しながら記述した特徴および要素の全てを持たせることができる。
【００４０】
また、図３Ａ、３Ｂの実施の形態では、脈動的に起動させられるチャンバ用エネルギ源および放出ノズル用エネルギ源については、別々に起動させても、同時に起動させてもよく、その際の各パルスの強度および幅はコントローラ（図示せず）によって定められる。図３Ａ、３Ｂの積層装置を用いるにあたっては、複数の放出ノズルを同時に起動する場合と分けて起動する場合とを考慮するのが重要であろう。
【００４１】
図４は、複数の貯蔵器を備えたプリントヘッド装置の概略図である。図４の装置は、貯蔵器４３０、４３１、４２３を有する。各貯蔵器には、異なる積層液体が入っている。すなわち、貯蔵器４３０には液体インク４０１が入っており、貯蔵器４３１にはインク４０２が入っており、貯蔵器４３２にはインク４０３が入っている。更に、貯蔵器４３０はチャンバ４１０、４１２と通じており、貯蔵器４３１はチャンバ４１３、４１４に、貯蔵器４３２はチャンバ４１５、４１６、４１７に通じている。この方式では、１つのプリントヘッドで、異なる材料を同時にプリントすることができる。例えば、液体インク４０１、４０２、４０３に、発光色を決定するＯＬＥＤ材料を含ませる。具体的には、液体４０１には赤色ＯＬＥＤ製造のための材料、液体４０２には緑色ＯＬＥＤ製造のための材料、そして、液体４０３には青色ＯＬＥＤ製造のための材料を含ませる。チャンバ４１０、４１２、４１３、４１４、４１５、４１６、４１７の各々は、それぞれが、放出ノズル４４０、４４２、４４３、４４４、４４５、４４６、４４７に通じている。
【００４２】
図５は、１以上のマイクロ孔プリントヘッドと位置決めシステムとを用いて材料の薄膜を積層する装置を示す。プリントヘッドユニット５３０は、図１Ａ〜１Ｄに関連して述べた装置、または、それら装置の組み合わせ（図３〜４に示したもの）を１以上用いて構成したものである。図５では、プリントヘッドユニット５３０は位置決めシステム５２０に接続されており、システム５２０をガイド５２２に沿って移動させることで、プリントヘッドユニット５３０と基板５４０との間の距離を調節することができる。本実施の形態では、プリントヘッドユニット５３０は、位置決めシステム５２０に固定した形で接続されている。プリントヘッドユニット５３０、位置決めシステム５２０、ガイド５２２は、まとめて（そして、必須ではないが、固定した形で）位置決めシステム５１０に接続することができる。位置決めシステム５１０は、基板５４０の面で、プリントヘッドユニット５３０の基板５４０に対する相対位置を調節することができる。位置決めシステム５１０によって実行される位置調整は、ガイド５２３、５２１に沿った移動によって達成される。図５に一例として示す装置は、複数の独立したプリントヘッドユニットと位置決めシステムとの組合せを更に含む（図示せず）。図５の装置では、基板の位置を固定することができる。ただし、反対にプリントヘッドユニットの位置が固定されており、基板がプリントヘッドに対して相対移動する、という装置を作ることもできる。更に別の形の装置として、プリントヘッドユニットと基板とが互いに対して同時に相対移動する、というものを作ることもできる。
【００４３】
複数ノズル型のマイクロ孔プリントヘッドを有する移動システムを取り入れれば、任意のパターンの高速プリントを実現できる、という実際的な効果が得られる。図５の装置で利用される位置決めシステムは、プリントヘッドユニット５３０と基板５４０との間の距離を、１ミクロン〜１ｃｍの範囲となるように制御する。ただし、本明細書で開示する原理から逸脱しない形で、許容距離をこれ以外の値に設計することも可能である。コントロールシステムは、能動的に離間距離を一定に維持することにしてもよい。また、光学的または電気容量的（capacitive）なフィードバック機構（図示せず）を利用してもよい。制御については、先行して行った校正に基づいて実行される受動的なものとしてもよい。また、位置決めシステムには、基板５４０の平面における特定位置に対するプリントヘッドユニット５３０の位置合わせを、光学フィードバック機構を利用して行う機能を持たせてもよい。光学フィードバック機構は、デジタル画像を位置決め指示に変換するためにデジタルカメラと処理システムとを有する。位置決めシステムについては、各方向に１０ｎｍ〜１０ｃｍの範囲の絶対位置分解能を持たせるのが、用途に適している。例えば、いくつかのＯＬＥＤの用途では、各方向に１ミクロンという位置決め解像度が採用される。
【００４４】
図６は、側壁がテーパー状のマイクロ孔を有するマイクロ孔放出ノズルを示す。放出ノズル６８０、堅い仕切り部６６５、マイクロ孔開口部６６０、発熱体６５０は、それぞれ、図１Ａの構成要素１８０、１６５、１６０、１５０に対応するが、マイクロ孔６６０の側壁がテーパー状になっている点が異なる。テーパー状とする設計は、マイクロ孔のうち断面が広い方の部分が狭い方の部分よりも基板６９０に近い、というものになっている。テーパー状とする設計が効果的なのは、この形状では、放出ノズルの起動に続いて材料が移動させられると直ちに、マイクロ孔６６０のうち断面が広い方の部分に向かって放出させることができるからである。図６の例示的な実施の形態では、テーパー状とすることにより、発熱体６５０を備えた放出ノズル６８０の起動によって基板６９０へと流れる材料の割合を、側壁がまっすぐなマイクロ孔の場合よりも大きくすることができる。図６の側壁のテーパー状の形状は実質的に直線であるが、側壁の形状については、一方の端の開口部が反対側の端の開口部よりも大きくなる形に設計され、それによって、一方の方向または反対方向でノズルから流れ出る材料の割合が変えられる、というものであれば、どんな形状を採用してもよい。こうした側壁のテーパー状の形状については、別の例として、弧を描く形で一方の端から反対側の端まで単調に広がっていく、というものがある。また、堅い部分６６５についても台形とすることができる。
【００４５】
図７は、マイクロ孔放出ノズルに用いられるマイクロ孔のパターンの一例を示す。７０１、７０２、７０３で示す形状はパターンの例を表す。ピクセルの集合が成す形状は、７０１では長方形となっており、７０２ではＬ字形となっているが、７０３では三角形である。ピクセル集合の形状については、本明細書に開示する原理から逸脱しない形で、他のものを考えることもできる（例：卵形、八角形、非対称パターンなど）。各ピクセルパターンは、１以上のマイクロ孔７０４で構成される。こうしたピクセルパターンは、マイクロ孔放出ノズルを用い、単純な正方形や円形ではない領域を対象に均一な材料薄膜を積層するのに効果的である。複雑なマイクロ孔パターンを用いた薄膜積層は、同じ領域に積層するにしても、円形または正方形のマイクロ孔パターンを用いて複数回に分けて積層を行う場合よりも優れたものとなり得る。なぜなら、後者の方法による積層では、分けて行う積層処理で一部領域において積層処理が重複し、出来上がった薄膜の厚みが不均一になってしまうからである。加えて、特定の形状の細かい特徴部分（例：三角形の頂点）を再現するには、非現実的なまでに細かい正方形または円形のマイクロ孔パターンを用いるしかなく、これを実現できる可能性は低い。
【００４６】
図７を参照する。各マイクロ孔７０４の幅はｗ１とする。実施の形態の一例では、ｗ１は０.１μｍから１００μｍの範囲の値となる。各マイクロ孔パターンの幅はｗ２であり、その値は、マイクロ孔の数、サイズ、間隔に応じて０.５μｍから１ｃｍの範囲となる。マイクロ孔の集合のパターンを、放出装置が基板に積層する材料のパターンに転換する場合は、放出装置におけるマイクロ孔の数、各マイクロ孔の直径、マイクロ孔同士の間隔、マイクロ孔側壁の形状、そして放出装置と基板との間の距離が影響を与えるであろう。例えば、放出装置に、７０１で示した集合パターンのマイクロ孔を持たせるのであれば、各マイクロ孔の径（ｗ１）は１.０μｍ、孔同士の中心間隔は２.０ミクロン、側壁は直線的な形状とし、マイクロ孔の位置は基板から約１００μｍとすることができる。こうした手法を用いれば、ほぼ矩形の積層材料パターン（マイクロ孔の集合パターン７０１に対応するもの）を再現できることが、すでに知られている。
【００４７】
１つの実施の形態では、本発明が開示する放出装置を用いて、基板上にインクを実質的に固体の状態で積層することができる。インクは粒子の形で基板上に積層される材料を含んでおり、その粒子は当初はキャリア液の中に懸濁または溶解している。キャリア液は有機物（例：アセトン、クロロホルム、イソプロパノール、クロロベンゼン、トルエン）でもよいし、水でもよい。また、キャリア液は、上述した材料の混合物とすることもできる。基板上に積層される成分のうち１以上を、有機分子化合物とすることができる（例：ペンタセン、 aluminum tris-(8-hydroxyquinoline) (AlQ3), N,N'-diphenyl-N,N'-bis (3-methylphenyl)-(1,1'-biphenyl)-4,4'-diamine (TPD), bathocuproine (BCP)、 または、fac tris (2-phenylpyridine) iridium (Irppy)）。また、基板上に積層する成分のうち１以上を重合体とすることもできる。また、基板上に積層する成分のうち１以上を無機物とすることもできる（例：半導体、絶縁体、導体）。積層する材料のうち１以上は、電子注入材料とすることができる。積層する材料のうち１以上は、電子伝達材料とすることができる。積層する材料のうち１以上は、発光材料とすることができる。積層する材料のうち１以上は、正孔輸送材料とすることができる。積層する材料のうち１以上は、正孔注入材料とすることができる。積層する材料のうち１以上は、励起子阻止材料とすることができる。積層する材料のうち１以上は、光吸収材料とすることができる。積層する材料のうち１以上は、化学センシング（sensing）材料とすることができる。積層する材料は、例えば、ＯＬＥＤ、トランジスタ、光センサ、太陽光電池、化学センサなどにおいて、導体、発光体、光吸収体、電荷阻止体、励起子阻止体、そして絶縁体などの形で使用できるものである。
【００４８】
インクの特性は、薄膜積層における重要な要素となっている。インクの重要な性能基準の１つは、インク材料をチャンバから放出ノズル内へ、効果的かつ信頼できる形で均一に充填できることである。また、関連する性能基準として、以下のことが可能なインクか否かが問題となる。すなわち、（１）放出ノズル面のうち１以上を浸す（wet）こと；（２）放出ノズル孔に速やかに引き込まれること；（３）放出ノズルのうち放出ノズル孔を含む領域に速やかに広がること。インクに関するもう１つの重要な性能基準は、所望量の材料を放出ノズルへ送る際の一定性であり、送る量が一定であれば、放出ノズルが材料を放出するたびに、所望量の材料が一定した形で積層される。インクを適切に構成することによって、チャンバ開口部から放出ノズルまで、一定量のインクを確実に送ることができる。そうした構成は、対象のインクに関して発明者が今までも実現してきたものであり、そのためには、インクに溶解または懸濁させる材料そしてインク液について物理的および化学的な特性を設計する。こうした特性には、粘性、揺変性、沸点、材料の可溶性、表面エネルギ、そして蒸気圧が含まれる。ただし、これらに限定されるわけではない。
【００４９】
また、１つの実施の形態では、本発明の開示する実施の形態による放出装置を用いて、基板上に金属材料を積層することができる。積層する金属材料については、実質的に固体の状態での積層が可能である。積層する材料としては、溶媒中に溶解または懸濁した状態の有機金属前駆体を利用した金属合成物（metal synthesis）、または、溶媒中に溶解または懸濁した状態の金属が挙げられる。溶媒中に溶解または懸濁した金属は、少なくとも部分的にナノ粒子で構成された形とすることもでき、その場合、ナノ粒子は有機化合物でコーティングすることができる。また、金属としては、例えば、金、銀、アルミニウム、マグネシウム、銅が挙げられる。金属については、合金または複数の金属の混合物とすることもできる。こうした金属材料が有用となる用途は多くあり、例えば、薄膜電極、電子回路素子間の電気相互接続、受動的な吸収（absorptive）／反射（reflective）パターンが挙げられる。本放出装置による金属薄膜の積層は、有機電子装置（例：ＯＬＥＤ、トランジスタ、光センサ、太陽電池、化学センサ）を有する回路において利用される電極や電気相互接続の積層に用いることができる。有機金属材料または金属材料は、まず放出ノズルに送られ、そして放出ノズルが起動されると基板に送られる。有機金属材料を金属材料に変える反応を生じさせることが可能であるが、こうした反応を生じさせるタイミングは、チャンバから放出ノズルへ液体が送られる前または送られている間、放出ノズルから基板へ送られる間、または、基板上に積層された後、とすることができる。放出ノズルから基板まで金属材料を送る時には、ナノ粒子を利用するのが効果的である。それは、金属をマイクロ孔から移動させるのに必要なエネルギを小さくできるからである。本放出装置を利用して基板上に金属を積層する場合、材料を効率よく利用できる、金属薄膜の積層において下層に位置する材料（これは、基板と積層済みの他の層との両方を含む）に損傷を与えない積層技術が使える、という効果がある。
【００５０】
別の実施の形態では、放出装置を用いて、基板上に無機半導体材料または絶縁体材料を、実質的に固体の状態で積層する。積層材料としては、キャリア液に溶解または懸濁した有機前駆体材料や無機前駆体材料を利用した合成物、または、キャリア液に溶解または懸濁した無機半導体または絶縁体、が挙げられる。液体に溶解または懸濁した無機半導体または絶縁体は、全体または一部をナノ粒子で構成することもでき、ナノ粒子は有機化合物でコーティングすることもできる。無機半導体または無機絶縁体は、例えば、４族半導体（例：カーボン、シリコン、ゲルマニウム）、３−５族化合物半導体（例：ガリウム窒化物、インジウムリン化物、ヒ化ガリウム）、２−６族化合物半導体（例：カドミウムセレン化物、亜鉛セレン化物、硫化カドミウム、テルル化水銀）、無機酸化物（例：インジウムスズ酸化物、酸化アルミニウム、チタン酸化物、シリコン酸化物）、そして、その他のカルコゲニドとすることができる。無機半導体または無機絶縁体は、複数の無機化合物の混合物または合金とすることができる。半導体材料または絶縁体材料は、多く用途で有用であり、そうした用途の例としては、電子回路素子間の電気相互接続や電極のための透明導体、電子装置や光電子工学装置の活性層そして絶縁・不活性化層がある。これらの層は、一体化すると、有機電子装置（例：ＯＬＥＤ、トランジスタ、光センサ、太陽光電池、化学センサ）を含む回路で利用できる。
【００５１】
別の実施の形態では、前駆体または無機半導体／絶縁体の材料を放出ノズルに送り、放出ノズルが起動された時点で、これを基板に送る。前駆体材料を所望の無機半導体／絶縁体の材料に変える反応を実現するタイミングは、液体がチャンバから放出ノズルに送られる前または送られる間、あるいは、放出ノズルから基板に送られる間、あるいは、基板に積層された後、とすることができる。無機半導体／絶縁体の材料を放出ノズルから基板に送る時には、ナノ粒子を利用して、材料をマイクロ孔から移動させるのに必要なエネルギを減らすのが効果的である。本放出装置を利用して無機半導体／絶縁体の材料を基板上に積層すれば、材料を効率的に使用でき、薄膜の積層において下層に位置する材料（これは、基板と積層済みの他の層との両方を含む）に損傷を与えない積層技術が使える、という効果が得られる。
【００５２】
図８Ａ、８Ｂ（あわせて図８）は、本発明が開示する１つの実施の形態による染料昇華型プリンタを示す概略図である。図８Ａでは、インク液滴８０９は、キャリア液にインク顔料が溶解または懸濁したものである。キャリア液は１以上の成分から成り、その成分には有機溶媒と水とが含まれる。インク液滴８０９は、放出装置８５０の背面側に送られる。液滴８０９はマイクロ孔８４０に引き込まれ、そこで液体インクのうち溶媒部分が蒸発して、マイクロ孔８４０の壁には顔料粒子８１０が層を成して残る。
【００５３】
次に図８Ｂを参照する。ヒータ８３０を起動することで、マイクロ孔８４０から顔料粒子８１０を気化させ、その後、放出ノズル８２５から顔料粒子を放出することができる。放出された顔料粒子は基板表面８６０で凝縮し、顔料がプリントされたピクセルパターン８７０を形成する。また、ヒータ８３０を用いて、ピクセルパターン８７０に残っている溶媒を蒸発させることができる。
【００５４】
図９Ａ、９Ｂは、空間的に局所化された化学合成を行うための放出装置の用法を示す。図９Ａの実施の形態では、反応ガス９１０が放出ノズル８２５の上から流れる。反応ガス９１０は更に、蒸発する溶媒を気化させ除去するのに役立つ。ガス流は、積層インク８０９と共に、放出ノズルのマイクロ孔８４０に引き込むことができる。
図９Ｂでは、気化性の反応物質９２０が放出ノズル８２５に送られ、さらに圧力を受けてマイクロ孔８４０を通過する。気化性の反応物質９２０に粒子を懸濁した形で含ませ、それによって合成材料９３０を形成することにしてもよい（必須ではない）。ヒータ８３０を起動すれば、積層しようとする固体インク粒子を含んだ反応物質ガス流９０９を加熱することができる。マイクロ孔８４０から出る気化性の反応物質（図示せず）は、排出ガス（図示せず）を使ってシステムの外に運び出すことができる。そして、ヒータ８３０からの熱によって所望の化学反応が開始され、基板８６０の上に所望の材料９３０が作られる。また、別の実施の形態では、本放出装置８５０は、効率的かつ対象を空間的に局所化した発熱体として、気体環境または液体環境のいずれかに入れて用いることができ、当該環境ではヒータ８３０からの熱を用いて化学合成プロセスを開始させる。
【００５５】
さらに別の実施の形態では、キャリア液（図示せず）の中に粒子が溶解または懸濁したインクが、放出ノズル８２５に送られる。放出ノズル８２５は、インクを受け取るためのマイクロ孔８４０を有する。キャリア液が蒸発した後、ヒータ８３０は、マイクロ孔８４０の孔壁に層を成している粒子を加熱する。すると、粒子は気化して、周囲の気体環境または液体環境に混ざる。また、別の実施の形態では、本放出装置を、効率的かつ対象を空間的に局所化した発熱体として用いることができ、その場合は、ヒータ８３０からの熱によって基板の特定の領域で化学合成プロセスが開始される。
【００５６】
図９Ｃ、９Ｄは、マイクロリアクタとしての放出装置の用法を示す。図９Ｃに示すように、反応ガス流またはインク積層物９０９（必須ではない）あるいは気化性の反応物質９１１を、放出装置８５０の背面側で積層することができる。放出装置８５０は、微小寸法のチャンバに組み入れることができる。当該チャンバは、微小寸法のチャンバ弁９２２、９２４を備え、気体物および液体物、反応物質、分解物質（analytic product）または合成物質９７０の入出流量を制御する。図９Ｃでは、反応ガス流またはインク積層物９０９（必須ではない）あるいは気化性の反応物質９１１が、マイクロ孔８４０に引き込まれる。ヒータ８３０は、起動されると、マイクロ孔８４０から反応ガス流９０９またはインク積層物（必須ではない）あるいは気化性の反応物質９１１を加熱し、放出ノズル８２５から放出させる。その後、ヒータ８３０からの熱は、基板８６０の上で所望の化学合成プロセスを開始させ、分解物質または合成物質９７０を作り出す。
【００５７】
また、別の実施の形態では、放出装置をディスプレイ用のサブピクセルの生成に用いる。サブピクセルは、赤、緑、青とする。各サブピクセルの横寸法は、２０μｍから５ｍｍまでの幅とすることができる。本明細書に開示した原理から逸脱しない範囲であれば、寸法は他の値としてもよい。サブピクセルは、１以上の薄膜を有し、当該薄膜の積層には、図１Ａ〜１Ｄに関連して説明した装置、または、その変形例（例：図３、４に示したもの、または、後で説明する図１０、１１に示すもの）の装置の１つまたは複数を用いる。こうした装置は、本明細書では「熱噴流（thermal jet）式」と呼び、これに対応する積層方法は「熱噴流積層方法」と呼ぶ。これらのサブピクセルを多数、基板の上に積層することで、１以上のディスプレイを形成することができる。基板に複数のディスプレイを積層する時は、基板を分割して複数のディスプレイを作る。熱噴流積層方法を用いて行う積層は、シャドウマスキングよりも効果的である。なぜなら、シャドウマスキングでは、孔を備えた細長く薄い金属片が複数必要となるが、それは、広い範囲にわたって曲がったり折れたりする、および／または、汚れがつかないようにするのが難しい、および／または、塵粒子を発生させるからである。
【００５８】
図１０Ａは、プリントヘッドの一例を示す概略図である。基板上に材料を積層する装置の一例として図１０Ａに示す装置は、インクを格納するためのチャンバ１０３０を有し、当該インクには、基板上に積層されることになる材料の粒子がキャリア液に溶解または懸濁した形で含まれている。チャンバ１０３０は、開口部１０７０と、当該開口部１０７０から放出ノズル１０８０に通じる送出路とを有する。放出ノズル１０８０は、複数のマイクロ孔管１０６０を有する面に形作られており、これらのマイクロ孔管は、チャンバ１０３０から開口部１０７０を通して渡される材料を受け取る。これらの管は、放出ノズル１０８０を物理的に支持する支持体１０４０内部まで延びているが、これを貫通することはない。支持体１０４０は、ブラケットまたは接続部材１０２０を用いて、チャンバ１０３０用ハウジングに連結することもできる。
【００５９】
また、チャンバ起動手段１０１５は圧電駆動装置１０１５で成り、当該駆動装置１０１５は、チャンバ１０３０に結合されており、脈動エネルギを提供することでインク吐出機構を作動させ、それによって、チャンバ１０３０から開口部１０７０を通して放出ノズル１０８０に送られる液滴が量り取られる。脈動エネルギは、１分以下の時間的尺度で変化させることが可能である。例えば、圧電駆動装置１０１５には、１ｋＨｚのサイクル周波数と可変のデューティサイクルとを有する方形パルスでエネルギを与えることができる。また、チャンバ１０３０には、ＯＬＥＤやトランジスタの製造に用いられる薄膜の形成に必要な材料が入れられる場合もある。開口部１０７０については、インク吐出機構の起動前に液体が放出される事態がチャンバ１０３０内の液体の表面張力によって防止されるように構成することができる。
【００６０】
放出ノズル１０８０は、マイクロ孔１０６０によって隔てられた堅い部分１０６５を有する（「仕切り」と呼ぶこともできる）。マイクロ孔領域は、様々な材料から作ることができ、そうした材料の例として、マイクロ孔アルミナ、そして、シリコンまたはシリコンカーバイド製のマイクロ加工された孔を有する、固さのあるマイクロ孔膜がある。本実施の形態では、マイクロ孔１０６０は、液体に溶解または懸濁した材料を受け取り、装置が正しく起動されるまでの間、材料が放出ノズル１０８０から再び外に出ないよう保持しておく。また、放出ノズル１０８０に起伏の多い面（図示せず）を持たせて、キャリア液に溶解または懸濁した状態でチャンバ開口部１０７０から送られてくる材料をこの面で受け取ることにしてもよい。こうした面でも同様に、放出ノズルが正しく駆動されるまでの間、材料を保持しておくことができる。あるいは、放出ノズル１０８０になめらかな面（図示せず）を持たせ、液体に溶解または懸濁した状態でチャンバ開口部１０７０から送られてくる材料を、この面で受け取ってもよい。なめらかな面でも、放出ノズルが正しく駆動されるまでの間、材料を保持するように調整することは可能である。そうした調整の方法としては、表面化学に関する変更を加えることや、選択された液体に応じた適正な放出ノズル材料を選択することが考えられる。
【００６１】
図１０Ａに一例として示す装置では、放出された液体の滴が放出ノズル１０８０に達すると、液体は毛管作用に助けられてマイクロ孔１０６０に引き込まれる。インク中の液体は、放出ノズル１０８０の起動前に蒸発し、マイクロ孔の壁には、懸濁または溶解していた材料がコーティングの形で残る。インク中の液体の蒸発は、放出ノズル１０８０を加熱することで加速される。蒸発した液体は、１以上の放出ノズルの面の上を通す形でガスを流すことにより、チャンバから除去し、さらに収集することができる（図示せず）。
【００６２】
求められる用途に応じて、数ナノメートルから数百ミクロンの最大断面距離Ｗを有した容器を、マイクロ孔１０６０によって提供することができる。また、放出ノズル１０８０が含まれるマイクロ孔領域については、求められる用途に応じて、形状や、それが占める面積を変化させる（通常の寸法Ｄは、数百ナノメートルから何十ミリメートルの範囲にある）。マイクロ孔領域の代わりに起伏を付けた面領域または滑らかな面領域（図示せず）を有する形に放出ノズル１０８０を構成した場合も、放出ノズル１０８０は実質的に同じ形で動作する。すなわち、チャンバ１０３０から放出ノズル１０８０まで液体に入った形で送られた材料は、放出ノズル１０８０の起動まで表面張力によって面に保持される。この表面張力は、面および材料の特性の適当な制御によって得られる。インク中の液体の蒸発は、放出ノズルの加熱によって加速される。ここでも、蒸発した液体は、１以上の放出ノズルの面の上を通る形でガスを流すことにより、チャンバから除去し、さらに収集することができる（図示せず）。
【００６３】
図１０Ａに一例として示す機構では、放出ノズル１０８０の面とチャンバノズル開口部１０７０との相対的な向きは、チャンバ１０３０の液体をチャンバ開口部１０７０から放出ノズル面上に直接送ることができるように定められている（液体を送るやり方としては、例えば、速度と軌道とを制御しながらチャンバ開口部１０７０から液滴を発射する、というものがある）。さらに、放出ノズル面の配置についても、放出ノズル起動時点で、放出ノズル面に届いていた材料がほぼ基板に向かって流れるように決められている。図１０Ａに一例として示す実施の形態では、こうした流れは、チャンバ開口部１０７０を介して供給される液体の入軌跡と基板の角度との両方に対して、中間角度（intermediate angle）を成すように放出ノズル面を配置することで実現される。ちなみに、基板はプリントヘッドの下に置かれる（図１０Ｂ参照）。
【００６４】
また、図１０Ａに一例として示す実施の形態における放出ノズルは、放出ノズル１０８０自体の近くに配置されたヒータ１０５０によって起動される。ノズルヒータ１０５０は、金属（例えばプラチナ）の薄膜で構成することができる。起動されると、ノズルヒータ１０５０は脈動熱エネルギを放出ノズル１０８０に提供し、放出ノズル１０８０は、マイクロ孔１０６０の内部に入っている材料を移動させ、材料は放出ノズルから流れ出る。材料を移動させる様態には、実質的に固体であるインク粒子を昇華または融解後の沸騰という形で気化させる、というものがある。一般に、放出ノズルに連結されるエネルギ源については、放出ノズル１０８０にエネルギを与え、それによってマイクロ孔１０６０から材料を放出させることが可能であれば、どのようなものを採用してもよい。例えば、機械的エネルギ（例：振動エネルギ）を用いることができる。
【００６５】
図１０Ｂ〜１０Ｅが示すのは、図１０Ａのプリントヘッドを用いた薄膜積層方法である。図１０Ｂの方法は、本明細書では、面的熱噴流（thermal surface jet）積層方法と呼ぶ。先ず図１０Ｂを参照する。ここでは、基板上に積層しようとする材料の粒子をキャリア液に溶解または懸濁して状態で含むインク１００２が、チャンバ１０３０に送られる。圧電素子１０１５は、チャンバ１０３０から来た液体１００２が開口部１０７０を通過する際に、脈動的に液体を量り取り、自由（free）液滴１００１を形成する。別の実施の形態（図示せず）では、圧電素子１０１５の代わりにヒータが配置されており、これが熱式のインク吐出機構を脈動的に動作させることで、チャンバ１０３０内の液体１００２の少なくとも一部が開口部１０７０を通って飛び出し、自由液滴１００１を形成する。一般論として、脈動エネルギ源については、インク吐出機構を起動して、開口部１０７０から放出ノズル１０８０に向かって進む液体１００２を量り取る、というものであれば、どのようなものを用いてもよい。個々のエネルギパルスの強度と幅とは、コントローラ（図示せず）によって定めることができる。
【００６６】
図１０Ｂを参照する。放出ノズルヒータ１０５０を起動すると、放出ノズルの温度は周囲の温度よりも高くなる。加熱サイクルは、放出ノズル上に積層されたインク中に含まれる液体の蒸発を加速するのに役立つ。また、放出ノズルヒータ１０５０の起動は、インク吐出機構にエネルギが与えられる（そして、インク液滴１００１がチャンバ１０３０から開口部１０７０を通って放出される）前でもよいし、液滴１００１が放出ノズル１０８０に達した後でもよい。
【００６７】
図１０Ｃでは、液滴１００１はチャンバ開口部１０７０から放出ノズル１０８０まで進み、そこでインクはマイクロ孔１０６０に引き込まれる。マイクロ孔を満たしたインク１００３中の溶媒またはキャリア液は、放出ノズル１０８０の起動前に蒸発し、マイクロ孔の壁には、材料１００４が溶媒を実質的に伴わない状態で、しかも実質的に固体の状態で残される（そして、残された材料が後に基板上に積層されることになる）。この様子を図１０Ｄに示す。別の構成として、溶媒または液体１００３を、放出ノズル１０８０の起動の間に蒸発させることにしてもよい。
【００６８】
図１０Ｅに示すのは、ノズルヒータ１０５０を起動するステップであり、このステップにおいて、脈動エネルギが放出ノズル１０８０に供給され、マイクロ孔１０６０内にある材料が移動させられる。各パルスの強度と幅とは、コントローラ（図示せず）によって定めることができる。起動エネルギは熱エネルギとすることができるが、それ以外のエネルギを与えるエネルギ源を放出ノズル１０８０に結合し、それによって材料をマイクロ孔１０６０から移動させることもできる。例えば、このステップでは、機械的エネルギ（例：振動エネルギ）を使用することもできる。基板１０９０は放出ノズル１０８０に近くに配置されており、移動させられた材料を受け止めて薄膜１００５を形成する。
【００６９】
図１１Ａは、本発明が開示する実施の形態による熱起動プリントヘッドを示す概略図である。図１１Ａに示す装置は、インクを格納するチャンバ１１３０、チャンバ開口部１１７０、そして、開口部１１７０から放出ノズル１１８０に通じる搬送路を有する。放出ノズル１１８０が有する面には、複数のマイクロ孔管１１６０が設けられ、これらマイクロ孔管は、チャンバ１１３０から開口部１１７０を通して送られてくる液体インクを受け入れ、基板上に積層されることになる材料の粒子をキャリア液に溶解または懸濁した状態で保持する。管１１６０は支持体１１４２内部に達しているが、貫通はしていない。支持体１１４２は放出ノズル１１８０を支持する構成となっている。支持体１１４２は、回転連結部１１４１によって支持用側壁１１４０に連結されている。そうして、側壁１１４０は、より大きなフレームに接続されており、チャンバ１１３０用のハウジング（図示せず）を形成している。
【００７０】
チャンバ起動装置１１１０には、必須ではないが、チャンバ１１３０に結合されて脈動エネルギを供給するヒータが設けられている。本チャンバ起動装置は、インク吐出機構を起動し、チャンバ１１３０内から開口部１１７０を通して放出ノズル１１８０に向けて送られる液滴を液体から量り取らせる。すでに述べた通り、脈動エネルギは１分以下の時間的尺度で変化させることができる。例えば、作動装置１１１０には、可変のデューティサイクルと１ｋＨｚのサイクル周波数とを有した方形パルスでエネルギを供給することができる。チャンバ１１３０には、ＯＬＥＤやトランジスタの製作に用いられる薄膜の形成に必要な材料が格納されることもある。開口部１１７０については、インク吐出機構の起動より前に液体が放出される事態がチャンバ１１３０の液体の表面張力によって防止される、という構成にすることができる。
【００７１】
放出ノズル１１８０は、複数の堅い部分（「仕切り」と呼ぶこともできる）１１６５を、マイクロ孔（または管）１１６０によって隔てられた形で有する。マイクロ孔領域は、様々な材料で構成することができ、そうした材料としては、マイクロ孔アルミナ、そして、マイクロ加工された孔を有するシリコンまたはシリコンカーバイド製の固い膜などがある。マイクロ孔１１６０はインクを受け取ると、装置が正しく起動されるまでの間、材料を保持して再び放出ノズル１１８０から外に出ることを防ぐ。放出ノズル１１８０はまた、液体に溶解または懸濁した状態でチャンバ開口部１１７０から送られる材料を受け取るために起伏の多い面を有する。こうした面は、放出ノズルが正しく駆動されるまで材料を保持することができる。しかし、別の構成として、放出ノズル１１８０には、液体に溶解または懸濁した状態でチャンバ開口部１１７０から送られてくる材料を受け取るために、なめらかな面を持たせることもできる。こうした面でも、放出ノズルが正しく駆動されるまで材料を保持することはできる。ただし、そのための調整として、表面化学に係る変更を加えることや、選択された液体に応じた適正な放出ノズル材料を選択する必要があることに留意しなければならない。
【００７２】
図１１Ａでは、放出された液体の液滴が放出ノズル１１８０に達すると、液体は毛管作用と分子の表面張力とに補助されて、マイクロ孔１１６０に引き込まれる。液体は、放出ノズル１１８０の起動前に蒸発し、マイクロ孔の壁１１６０には、懸濁または溶解していた粒子が実質的に固体のコーティングとなって残る。インク中の液体の蒸発は、放出ノズル１１８０の加熱によって加速することができる。蒸発した液体は、１以上の放出ノズルの面の上にガスを流すことにより、チャンバから除去した上で収集することができる（図示せず）。
【００７３】
求められる用途に応じて、マイクロ孔１１６０は、数ナノメートルから数百ミクロンの最大断面距離Ｗを有した容器を実現することができる。放出ノズル１１８０を含むマイクロ孔領域は、求められる用途に応じて、形状や占有する面積を変えることができるが、通常の寸法Ｄは、数百ナノメートルから何十ミリメートルの範囲である。放出ノズル１１８０が、マイクロ孔領域の代わりに起伏を付けた面領域またはなめらかな面領域（図示せず）を有する形に作られている場合も、放出ノズル１１８０は実質的に同じ形で動作し、チャンバ１１３０から放出ノズル１１８０に液体の状態で送られた材料は、放出ノズル１１８０の起動まで、表面張力によって面に保持される。表面張力は、面および材料の特性の適正な制御によって得られる。液体は、放出ノズル１１８０の起動前に蒸発し、放出ノズル面には懸濁または溶解していた材料が実質的に固体のコーティングの形で残る。蒸発プロセスは、放出ノズルを加熱することで加速される。ここでも、蒸発した液体は、１以上の放出ノズルの面の上を通す形にガスを流すことで、チャンバから除去した上で収集することができる（図示せず）。
【００７４】
放出ノズル１１８０の面とチャンバノズル開口部１１７０との相対的な向きは、チャンバ１１３０の液体をチャンバ開口部１１７０から放出ノズル面に直接送ることができるように定められている（液体を送るやり方としては、例えば、速度と軌道とを制御しながらチャンバ開口部１１７０から液滴を発射する、というものがある）。放出ノズル１１８０は、支持体１１４２に組み入れられており、側壁１１４０に対して回転させることができる。回転を利用して放出ノズル１１８０の面の方向を変えるため、放出ノズルを起動して放出ノズル面に届いていた材料を基板に向けて流す際には、まっすぐに流すことも角度をつけて流すこともできる。
【００７５】
図１１Ａでは、放出ノズルはヒータで起動することができる。放出ノズルヒータ１１５０は、放出ノズル１１８０に近くに配置する。ノズルヒータ１１５０は金属（例：プラチナ）の薄膜で構成すればよい。ノズルヒータ１１５０は、起動されると、放出ノズル１１８０に脈動熱エネルギを供給する。これを受けてノズル１１８０が動作して、マイクロ孔１１６０の内部に入っている材料を移動させ、その後、この材料は放出ノズルから流れ出る。前記材料を移動させる様態としては気化があり、気化は、昇華または融解した後の沸騰のいずれかの形で実現される。放出ノズルに連結するエネルギ源については、放出ノズル１１８０にエネルギを与えて材料をマイクロ孔１１６０から放出させることが可能であれば、どのようなものを用いてもよい。囲い込み壁１１４５は、図１Ｄに関連して開示したのと同じ形で働く。
【００７６】
図１１Ｂ〜１１Ｅは、図１１Ａのプリントヘッド装置の使用例を示す。先ず、図１１Ｂを参照する。最初のステップとしてチャンバ１１３０にインク１１０２が満たされる。液体インクは、薄膜の形で積層する材料を液体中に溶解または懸濁した状態で含む。チャンバヒータ１１１０は、チャンバ１１３０内のインク１１０２に脈動的に熱エネルギを導入する。それにより、液体１１０２の少なくとも一部が量り取られて開口部１１７０から外に出て、自由液滴１１０１が形成される。なお、別の実施の形態の例（図示せず）では、チャンバ圧電素子１１１５からチャンバ１１３０内のインク１１０２に対し、脈動的な機械的エネルギが導入される。それにより、液体１１０２の少なくとも一部が量り取られて開口部１１７０から外に出て、自由液滴１１０１が形成される。放出ノズルヒータ１１５０を起動させれば、放出ノズルの温度は周囲の温度よりも高くなる。これは、放出ノズル内にあるインク中の液体を速やかに蒸発させるのに役立つ。また、放出ノズルヒータ１１５０の起動のタイミングは、インクチャンバにエネルギを与える（そしてインク液滴１１０１をチャンバ１１３０から開口部１１７０を介して放出する）より前としてもよいし、液滴１１０１が放出ノズル１１８０に達した後としてもよい。
【００７７】
図１１Ｃでは、液滴１１０１がチャンバ開口部１１７０から放出ノズル１１８０まで進み、そこでインクはマイクロ孔１１６０に引き込まれる。インク１１０３はマイクロ孔を満たし、周囲の面にまで広がる場合もあるが、この広がりの範囲は、部分的には周囲の面の加工によって制御される。インク１１０３の中の液体は、放出ノズル１１８０が起動される前に蒸発し、材料１１０４は実質的に溶媒を伴わない状態でマイクロ孔の壁に残される。この処理のステップは図１１Ｄに示してある。また、液体１１０３中の溶媒は、放出ノズル１１８０の起動中に蒸発させてもよい。
【００７８】
放出ノズル１１８０は、起動に先立ち、側壁１１４０に対して１８０度回転させられる。図１１Ａに関連して述べたように、ブラケット１１４２は、連結部１１４１を軸にして側壁１１４０に対して回転する。この回転によって、放出ノズル面は基板１１９０に接近させられ、ほぼ基板に平行となる。そして、放出ノズル面から基板までまっすぐな経路ができる。この処理のステップは図１１Ｅに示してある。その後、ノズルヒータ１１５０が起動して放出ノズル１１８０に脈動エネルギを提供することで、マイクロ孔１１６０内の材料が移動させられる。個々のパルスの強度と幅とは、コントローラ（図示せず）によって定めることができる。ここに示す例では、起動エネルギは熱エネルギである。ただし、放出ノズル１１８０に連結するエネルギ源については、別のものも可能で、放出ノズル１１８０にエネルギを与えて材料をマイクロ孔１１６０から放出させることが可能であれば、どのようなものを用いてもよい。基板１１９０は放出ノズル１１８０に近くに配置されて、移動させられた材料を受け止め、薄膜１１０５が形成される。
【００７９】
図１２は、本発明が開示する１つの実施の形態による、基板上への粒子積層方法を示す。図１２を参照すると、先ずステップ１２００では、液体インクが貯蔵器から熱ジェットプリント装置のチャンバに供給される。液体インクは、液体キャリアと複数のインク粒子との組合せとすることができる。ステップ１２１０では、所望の量の液体インクがチャンバから量り取られる。所望の量の液体インクを測るには吐出装置が用いられる。吐出装置は、電気機械装置または振動装置から成り、チャンバにエネルギを与えるように構成されている。ただし、別の実施の形態では、吐出装置はヒータから成る。また、さらに別の実施の形態では、吐出装置は圧電素子から成る。脈動エネルギを吐出装置に供給することで、所望の量のインクを量り取ることができる。ステップ１２２０では、量り取られたインクが、チャンバから放出ノズルに送られる。インクを放出ノズルに送る方法としては、重力送りや強制空気誘導（forced air conduction）があるが、従来通りの手段を用いることも可能である。ステップ１２３０では、液体キャリアは蒸発し、実質的に固体のインク粒子が残される。
【００８０】
本実施の形態では、蒸発ステップは、量り取られたインクがチャンバを出た直後に実行される。別の実施の形態では、液体インクが放出ノズルに達した後に蒸発が始まる。さらに別の実施の形態では、蒸発ステップは、実質的にキャリア液の全てが蒸発するまで続けられる。ステップ１２４０では、実質的に固体の状態のインク粒子が放出ノズルから吐出され、ステップ１２５０で基板上に積層する。
【００８１】
図１３は、吐出装置を制御する制御システムの概略図である。図１３において、チャンバ１３３０は貯蔵器１３９９と連通状態にある。貯蔵器１３９９はチャンバ１３３０に液体インクを供給する。液体インクは、キャリア液１３９１と溶解または懸濁した粒子１３９６とから成る。吐出装置１３１０はチャンバ１３３０の近くに配置されており、チャンバを揺動させることで、チャンバから所望量の液体インクを量り取る。吐出装置１３１０は、ヒータその他から構成することもできる。吐出装置１３１０は、配線１３５３、１３５２によってコントローラ１３９５に電気的に接続されている。
【００８２】
コントローラ１３９５は、プロセッサ１３９７とメモリ１３９８とから成る。メモリ１３９８には、吐出装置１３１０を起動してチャンバ１３３０から正確な量の液体インクを量り取らせるようプロセッサに指示するための命令が格納されている。例えば、メモリ１３９８には、脈動的に吐出装置１３１０を起動して放出ノズル１３８０に所望量のインクを吐出させるためのプログラムを格納することができる。また、コントローラ１３９５がチャンバ１３３０を起動して、放出ノズル１３８０に所望量のインクを吐出させることにしてもよい。
【００８３】
放出ノズル１３８０は、量り取られた液体インクをチャンバ１３３０から受け取る。ヒータ１３４８、１３４９は、放出ノズル１３８０に近くに配置されており、量り取られたインクを加熱するよう構成されている。加熱によって、キャリア液１３９１の実質的に全てが蒸発し、実質的に固体のインク粒子が残される。ヒータ１３４８、１３４９はさらに、実質的に固体の状態のインク粒子を加熱することで、材料を沸騰または昇華させることができ、その後、放出ノズル１３８０から基板１３９０に向けてインク粒子１３９６が吐出される。粒子１３９６が基板１３９０に到達して凝縮すると、実質的に固体の薄膜が形成される。ヒータ１３４８、１３４９は、放出ノズル１３８０の周辺に配置されており、液体キャリア１３９１の蒸発と固体の粒子１３９６の吐出とを補助する。
【００８４】
図１３の実施の形態では、コントローラ１３９５は更に、ヒータ１３４８、１３４９の起動と動作とを、それぞれ電線１３５０、１３５１を介して制御する。メモリ１３９８は、プロセッサ１３９７に指示する命令を格納するよう構成されており、その命令に応じてプロセッサは、ヒータ１３４８、１３４９を駆動、停止しながら液体キャリア１３９１を蒸発させ、基板１３９０上に粒子１３９６を積層させる。
【００８５】
図１３の概略図に見られるコントローラは１つだけ、すなわちコントローラ１３９５だけであるが、本発明の開示内容の原理はこれに限定されない。実際、コントローラを複数用いて、各コントローラが１以上の独立したプロセッサとメモリ回路とを備える形とすれば、熱吐出システムの精密な制御が可能となる。例えば、第１のコントローラ（図示せず）は、吐出装置１３１０に供給されるパルスパラメータを制御してチャンバ１３３０から送り出される液体インクを量り取る処理を制御する目的に使用する。そして、第２のコントローラ（図示せず）は、ヒータ１３４８、１３４９の制御に用いる。また、第２のコントローラは、放出ノズル１３８０にエネルギを与えてキャリア液を蒸発させるために用いることができる。第２のコントローラは、インクの属性を特定する入力を受信する。インクの属性としては、例えば、インクの粘性、揺変特性、分子量などがある。
【００８６】
以上、本発明の開示の原理について、本明細書に例として示した実施の形態に関連付けて説明したが、本発明の開示の原理はそれら実施の形態に限定されるものではなく、その変形例、変更例、組み替え例も対象となる。
【図１Ａ】
2010533057.tif 000003
【図１Ｂ】
2010533057.tif 000004
【図１Ｃ】
2010533057.tif 000005
【図１Ｄ】
2010533057.tif 000006
【図１Ｅ】
2010533057.tif 000007
【図２Ａ】
2010533057.tif 000008
【図２Ｂ】
2010533057.tif 000009
【図２Ｃ】
2010533057.tif 000010
【図２Ｄ】
2010533057.tif 000011
【図３Ａ】
2010533057.tif 000012
【図３Ｂ】
2010533057.tif 000013
【図４】
2010533057.tif 000014
【図５】
2010533057.tif 000015
【図６】
2010533057.tif 000016
【図７】
2010533057.tif 000017
【図８Ａ】
2010533057.tif 000018
【図８Ｂ】
2010533057.tif 000019
【図９Ａ】
2010533057.tif 000020
【図９Ｂ】
2010533057.tif 000021
【図９Ｃ】
2010533057.tif 000022
【図９Ｄ】
2010533057.tif 000023
【図１０Ａ】
2010533057.tif 000024
【図１０Ｂ】
2010533057.tif 000025
【図１０Ｃ】
2010533057.tif 000026
【図１０Ｄ】
2010533057.tif 000027
【図１０Ｅ】
2010533057.tif 000028
【図１１Ａ】
2010533057.tif 000029
【図１１Ｂ】
2010533057.tif 000030
【図１１Ｃ】
2010533057.tif 000031
【図１１Ｄ】
2010533057.tif 000032
【図１１Ｅ】
2010533057.tif 000033
【図１２】
2010533057.tif 000034
【図１３】
2010533057.tif 000035
【国際調査報告】
2010533057.tif 000036
2010533057.tif 000037