有機蒸気噴流沈着用の方法
【課題】有機フィルムの作成方法を提供する。
【解決手段】有機蒸気を運ぶために非反応性同伴ガスを使用する。該有機蒸気をノズルブロック９３０を通して冷却された基体９５０上に噴出してパターン化有機フィルム９６０を形成する。該方法を遂行するための装置も提供されている。該装置は、有機蒸気源、同伴ガス源、及び真空室を含む。該有機蒸気源と該同伴ガス源に取り付けられた加熱ノズルブロック９３０は、該真空室内に配置された冷却基体９５０上に同伴ガスと有機蒸気を噴出するように適応させた少なくとも１個のノズルを有する。
【解決手段】有機蒸気を運ぶために非反応性同伴ガスを使用する。該有機蒸気をノズルブロック９３０を通して冷却された基体９５０上に噴出してパターン化有機フィルム９６０を形成する。該方法を遂行するための装置も提供されている。該装置は、有機蒸気源、同伴ガス源、及び真空室を含む。該有機蒸気源と該同伴ガス源に取り付けられた加熱ノズルブロック９３０は、該真空室内に配置された冷却基体９５０上に同伴ガスと有機蒸気を噴出するように適応させた少なくとも１個のノズルを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の説明）
本特許出願は、以下の米国特許出願、即ち、６０／３１７２１５（２００１年９月４日出願）、６０／３１６２６４（２００１年９月４日出願）、６０／３１６９６８（２００１年９月５日出願）、及び６０／３３２０９０（２００１年１１月２１日出願）に対する優先権の利益を主張するものである。これらの特許出願は参考のため全体を加入する。本特許出願は、同時出願特許出願ｎｏ． ，代理人事件整理ｎｏ．１００２０／２１９０４と関連があり、この特許出願全体を参考のため加入する。
【０００２】
（政府の権利に関する記載）
本発明は、米国空軍科学研究事務所により裁定された契約Ｎｏ．Ｆ４９６２０−９２−Ｊ−０５ ２４（プリンストン大学）の下、政府の支持でなされた。政府は本発明において或る権利を有する。
【０００３】
本発明は、有機蒸気相沈着の蒸気移送機構を利用した、有機物質の基体上へのパターン化沈着方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
分子状有機化合物は、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、光電池、および薄膜などの種々の応用において活性物質として使用されている。典型的に、これらの薄膜（〜１００ｎｍ）装置は、信頼性のある効率的な操作に必要な高度の純度および構造調整を可能にしながら、高真空で熱蒸着させることにより成長する（Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．９７，１７９３（１９９７）参照）。しかしながら、製品の製造に必要な大面積にわたる膜厚均一性と添加物濃度の調整は、真空蒸着を使用する際には難しいことがあり得る（Ｓ．ＷｏｌｆおよびＲ．Ｎ．Ｔａｕｂｅｒ，Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ＶＬＳＩ Ｅｒａ（Ｌａｔｔｉｃｅ，１９８６）参照）。更に、蒸発物のかなりの部分が蒸着室の冷たい壁を覆う。長期にわたると、非効率的な材料の使用は、薄片になってはげる可能性のある厚い塗膜を生じ、該系及び基体の粒子状汚染につながる。真空蒸着有機薄膜装置の潜在的処理能力は低く、高い製造費用を生ずる。低圧有機蒸気相沈着（ＬＰ−ＯＶＰＤ）は、沈着フィルムの添加物濃度に対する調整を改良し、大面積基体上への有機物の急速で粒子のない均一な沈着に適応できるという点で、真空熱蒸着（ＶＴＥ）よりも優る代わりの技術として最近示されている（Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏ，Ｍ．Ｄｅｕｔｓｃｈ，Ｐ．Ｅ．Ｂｕｒｒｏｗｓ，Ｈ．Ｇｏｓｓｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｍ．Ｇｅｒｓｔｅｎｂｅｒｇ，Ｖ．Ｓ．Ｂａｎ，およびＳ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．１０，１５０５（１９９８）参照）。
【０００５】
有機蒸気相沈着は、該分子が境界層を横切って拡散し基体上に物理収着される沈着室の中に有機蒸気を運ぶための同伴ガスを使用するという点で、広く使用されている真空熱蒸着とは本来相違している。このフィルム沈着法は、ＩＩＩ−Ｖ半導体の成長で用いられている水素化物蒸気相成長法に最も類似している（Ｇ．Ｂ．Ｓｔｒｉｎｇｆｅｌｌｏｗ，Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ（Ａｃａｄｅｍｉｃ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９８９）；Ｔ．Ｐ．Ｐｅａｒｓａｌｌ編集Ｇ．Ｈ．Ｏｌｓｅｎ，ｉｎ ＧａＩｎＡｓＰ（Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８２）参照）。低圧有機蒸気相沈着においては、有機化合物は熱的に蒸発してから不活性同伴ガスにより熱壁反応器の中に運ばれ冷却基体に向かいそこで凝縮が生ずる。流れ方式は、非常に均一な塗膜厚と材料の最小浪費を生ずるような、基体を選択できる有機蒸気の均一な分配を達成するように設計することが出来る。
【０００６】
大気圧有機蒸気相沈着を用いて、Ｂｕｒｒｏｗｓ等（Ｐ．Ｅ．Ｂｕｒｒｏｗｓ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｌ．Ｓ．Ｓａｐｏｃｈａｋ，Ｊ．Ｓｃｈｗａｒｔｚ，Ｐ．Ｆｅｎｔｅｒ，Ｔ．Ｂｕｍａ，Ｖ．Ｓ．Ｂａｎ，およびＪ．Ｌ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ １５６，９１（１９９５）参照）は、非線形光学有機塩、４＆ａｐｏｓ；−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレイトを最初に合成した。この方法の変形法において、ＶａｅｔｈおよびＪｅｎｓｅｎ（Ｋ．Ｍ．ＶａｅｔｈおよびＫ．Ｊｅｎｓｅｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１，２０９１（１９９７）参照）は、窒素を用いて芳香族前駆体の蒸気を運び、該芳香族前駆体を基体上で重合させて発光ポリマー、ポリ（ｓ−フェニレンビニレン）のフィルムを生成した。最近、Ｂａｌｄｏと共働者（Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏ，Ｖ．Ｇ．Ｋｏｚｌｏｖ，Ｐ．Ｅ．Ｂｕｒｒｏｗｓ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｖ．Ｓ．Ｂａｎ，Ｂ．ＫｏｅｎｅおよびＭ．Ｅ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１，３０３３（１９９７）参照）は、Ｎ，Ｎ−ジ−（３−メチルフェニル）−Ｎ，Ｎジフェニル−４，４−ジアミノビフェニルおよびアルミニウムトリス（８−ヒドロキシキノリン）（Ａｌｑ３）から成るヘテロ構造有機発光ダイオードの明らかに最初の低圧有機蒸気相沈着成長、並びにＡｌｑ３中にドープされたローダミン６Ｇから成る光学的に汲み上げられた有機レーザーを示している。更に最近、Ｓｈｔｅｉｎ等は、低圧有機蒸気相沈着法による無定形有機薄膜の成長を支配する物理的機構を判断している（Ｍ．Ｓｈｔｅｉｎ，Ｈ．Ｆ．Ｇｏｓｓｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｊ．Ｂ．Ｂｅｎｚｉｇｅｒ，およびＳ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８９：２，１４７０（２００１）参照）。
【０００７】
薄膜装置に用いられている有機材料のほとんどすべては、充分に高い蒸気圧を有しており、４００℃よりも低い温度で蒸発してからアルゴンや窒素のような同伴ガスにより蒸気相に運ばれる。これは、有機金属化学気相蒸着の場合のような、反応管の外側にある蒸発源の位置決めを可能にしており（Ｓ．ＷｏｌｆおよびＲ．Ｎ．Ｔａｕｂｅｒ，Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ＶＬＳＩ Ｅｒａ（Ｌａｔｔｉｃｅ，１９８６）；Ｇ．Ｂ．Ｓｔｒｉｎｇｆｅｌｌｏｗ，Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ Ｖａｐｏｒ−Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ（Ａｃａｄｅｍｉｃ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９８９）、蒸発と移送の機能を空間的に区別し、かくして蒸着法に対する正確な調整を達成している。
【０００８】
これらの例は有機蒸気相沈着が特に大基体面積に亘る有機フィルムの沈着において真空熱蒸着に優る或る利点を有することを示しているけれども、該先行技術は配列状の有機物質を沈着する際に生ずる特殊な問題に対処していない。有機発光ダイオードの作成における最近の成功は、有機発光ダイオードディスプレイの発展を促進している（Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．９７，１７９３（１９９７）参照）。有機発光ダイオードは、該装置に電圧をかけると光を発する有機薄膜を利用している。有機発光ダイオードは、フラットパネルディスプレイ、照明および背面照明のような用途に対して次第に人気の高くなる技術になりつつある。有機発光ダイオードの構造には二重ヘテロ構造、単一ヘテロ構造、および単一層が含まれ、有機発光ダイオードを作成するために多種多様の有機材料を使用することが出来る。有機発光ダイオードのいくつかの材料および構造は米国特許第５７０７７４５号明細書（特許文献１）に説明されているが、該特許の全体を参考のために本明細書に加入する。
【０００９】
真空熱蒸着を用いて配列を作成する場合のように、有機発光ダイオード技術に有機蒸気相沈着を適応させるために、所望の画素格子の形状を描写するシャドウマスクを基体に近づけて置き基体上への沈着のパターンを画定する。シャドーマスクデザインの調整は、例えば、フルカラー有機発光ダイオード系ディスプレイの作成において重要な工程である（Ｂｕｒｒｏｗｓ等の米国特許第６０４８６３０号明細書（特許文献２）参照）。理想的には、基体上に得られるパターンはシャドウマスクに刻み込まれたパターンと同一であり、沈着物質の横分散は最小で厚さ均一性は最善である。しかしながら、有機層を沈着させる際の有機蒸気相沈着の相対的利点にも拘わらず、有機蒸気相沈着におけるシャドウマスクの使用には、真空熱蒸着と比べて顕著な横分散、材料の浪費、マスクからフィルム上への塵汚染の可能性、および大面積処理のためマスクと基体との分離を調整する際の困難性などの或る不利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５７０７７４５号明細書
【特許文献２】米国特許第６０４８６３０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、有機蒸気相沈着の蒸気移送機構を利用した、有機物質の基体上へのパターン化沈着方法を提供することである。本発明の目的は、又、有機物質を基体上へパターン化沈着するこの方法を、シャドウマスクの必要なしに行うための装置を提供することでもある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
有機フィルムの作成方法を提供する。有機蒸気を運ぶために非反応性同伴ガスを使用する。該有機蒸気をノズルブロックを通して冷却された基体上に噴出してパターン化有機フィルムを形成する。該方法を遂行するための装置も提供する。該装置は、有機蒸気源、同伴ガス源、及び真空室を含む。該有機蒸気源と該同伴ガス源に取り付けられた加熱ノズルブロックは、該真空室内に配置された冷却基体上に同伴ガスと有機蒸気を噴出するように適応させた少なくとも１個のノズルを有する。
【００１３】
有機蒸気噴流沈着（ＯＶＪＤ）による本発明の一態様においては、有機蒸気は、不活性ガスにより該源セルから時限弁を通してノズルブロック中に運ばれ、そこから基体上に噴出される。好ましくは、基体は冷却され、ノズルブロックは加熱される。好ましくは、所望の沈着パターンを達成するために弁のタイミングと同調して速度νで基体を平行移動させる。ガス流速Ｖ、ノズル幅ｚ、基体までの距離ｄ、基体の平行移動速度ν、源の温度Ｔ、および弁のタイミングτを調整することにより、所望幅の複数画素に対して均一厚さの側面、ｔを達成することが出来る。該方法は、横分散を最小にするために、好ましくは減圧で行われる。ｓの減少およびＶの増加は、又、大気圧でも該分散を最小にすることが出来る。
【００１４】
有機蒸気噴流沈着用の典型的な沈着圧力は、０．０１〜１０Ｔｏｒｒの範囲である。無定形フィルムも結晶性フィルムも有機蒸気噴流沈着により成長させることが出来る。
【００１５】
本発明の一態様において、同伴ガス流速Ｖは、見掛け流速（ｂｕｌｋ ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）が少なくとも該分子の熱運動速度、略１００〜１０００ｍ／ｓのオーダーに乗るように増加させ、一方向性の「噴流」物質を造り出す。数学的用語を使えば、この条件は、ノズルの軸方向の平均流速（見掛け流速）が少なくともノズル軸に直角方向の平均絶対流速（熱運動速度）のオーダーに乗る場合に、満たされる。好ましくは、ノズルの軸方向の平均流速はノズル軸に直角方向の平均絶対流速と少なくとも同じ大きさである。用語、「絶対」流速はノズル軸に直角方向の平均流速に関して使用しているが、その理由は、或る特定の流速で左に移動する各分子に対して同じ速度で右に移動する他の分子があるかもしれず、この様な方向の平均流速が略零になるかも知れないからである。
【００１６】
更に、本発明の一実施態様によれば、基体温度、反応器圧力、およびノズル構成の適当な条件下で、もしもノズルと基体の離隔距離ｓが同伴ガスの分子平均自由行路λ内にあれば、解像度が略１μｍの縁の鋭い画素の配列を噴流沈着で達成出来る。更に、一方向性流の故に、より重い同伴ガスを使用すると、より良い沈着方向性が得られ、その後より鋭い画素が得られる。
【００１７】
本発明の或る態様の一利点は、ノズルと方向流の加熱により材料の浪費が最小となっていることである。例えば、ノズル表面上への有機物質の物理収着（凝縮）を避けるのに充分な温度までノズルを加熱することが出来、それにより浪費を減少させ、又ノズルを掃除する必要をも減少させるのである。基体を冷却して、沈着特性を促進し、有機物質が沈着しなくなる点まで同伴ガスが基体を加熱するような事態を避けることが出来る。他の利点はマスキング工程がないことであり、その結果、製造速度が増加し、沈着装置のデザインがより小型となり、シャドウマスクからの汚れがなくなるのである。典型的に１ｍｍ未満の離隔距離ｓを必要とする高解像度沈着において、有機蒸気相沈着を用いたシャドウマスクからの汚れは特に問題である。その小さなマスクと基体との離隔距離を大きな基体面積に亘って維持する際には、特に該マスクが通常は薄く可撓性であろうから、更に問題が生ずる。
【００１８】
本発明の或る態様の他の利点は、別個のシャドウマスクを使う必要なしに同じ基体上に複数のカラー画素をパターン化することにより、フルカラー有機発光ダイオードディスプレイの製造に本方法を使用することが出来るということである。該装置は、インク噴射式印字装置の印刷ヘッドに酷似して配置され同調して操作される或る配列のノズルを組み込んでいる。各ノズルは赤、緑および青発色団用の３個の源セルを組み入れ、シャドウマスクを移動させる必要なく、それらの物質を順次に層状にするための弁調整を行うことが出来る。例えば、各ノズルを異なる弁を通して複数の源セルに連結させ、各ノズルからの沈着を基体上の異なる場所で異なる色に変えることが出来る。あるいは、各ノズルを複数の源セルの一つだけに連結させ、各ノズルにそれ自体の弁を持たせるか、又は、異なるグループのノズルを異なる源に連結させ、各グループにそれ自体の弁を持たせて、ノズルブロックが予め定めたパターンの異なる有機物質を沈着するようにすることが出来る。
【００１９】
本発明の態様によれば、源セルから流速Ｖで移動する不活性同伴ガスを介して、有機蒸気を時限弁を通してノズルブロック中に移送し、その際該移送を圧力Ｐで行い、不活性同伴ガスの流速Ｖを見掛け流速が少なくとも該分子の熱運動速度のオーダーに乗るように増加させ、次に流速Ｖで移動する不活性同伴ガスを介して該有機蒸気をノズルブロックから冷却基体上に噴出し、その際冷却基体を温度Ｔとノズルブロックからの距離ｓに維持することを含む、有機物質の基体上へのパターン化沈着方法が提供される。
【００２０】
更に、本発明の態様によれば、冷却基体またはノズルブロックの一方を速度νで横に平行移動させながら冷却基体をノズルブロックからの距離ｓに維持し、その際速度νを時限弁と同調させて有機物質のパターン化沈着を作り出すことを含む方法も提供される。
【００２１】
更に、本発明の態様によれば、０．０１〜１０Ｔｏｒｒの圧力Ｐにおけるこのパターン化沈着方法も提供される。
【００２２】
更に、本発明の態様によれば、基体とノズルブロックとの間の距離ｓが同伴ガスの分子平均自由行路内であるこのパターン化沈着方法も提供される。
【００２３】
更に、本発明の態様によれば、ノズル噴流の各々が１個以上の源セルを含む少なくとも１個のノズル噴流、１個以上の源セルの各々に連結された１個の時限弁、および１個の時限弁に連結された加熱ノズルブロックを含む、有機物質の基体上へのパターン化沈着用の装置も提供される。
【００２４】
更に、本発明の態様によれば、パターン化沈着がフルカラー有機発光ダイオードディスプレイであり、少なくとも１個のノズル噴流が長方形の配列をしたｎ×ｍ個のノズル噴流であり、１個以上の源セルが赤、緑、および青発色団用の３個の源セルである、有機物質の基体上へのパターン化沈着用の装置も提供される。
【００２５】
更に、本発明の態様によれば、加熱ノズルブロックの出力で変化し得る口径を含む、有機物質の基体上へのパターン化沈着用の装置も提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】真空熱蒸着システムを示した図である。
【図２】真空熱蒸着システムを示した図である。
【図３】有機蒸気相沈着システムを示した図である。
【図４】有機蒸気相沈着システムを示した図である。
【図５】シャドウマスクを通しての沈着に対する模擬実験結果を示した図であり、変化する沈着圧力の影響を示している。
【図６】シャドウマスクを通しての沈着に対する模擬実験結果を示した図であり、マスクと基体との離隔距離を変化させた場合の影響を示している。
【図７】シャドウマスクを通しての沈着に対する模擬実験結果を示した図であり、変化するマスク厚みの影響を示している。
【図８】シャドウマスクを通しての沈着に対する模擬実験結果を示した図であり、変化する有効境界層厚みの影響を示している。
【図９】有機蒸気噴流沈着装置の一態様を示した図である。
【図１０】シャドウマスクを通しての沈着後に銀被覆ガラス基体上に形成されたいくつかの代表的Ａｌｑ３パターンの走査電子顕微鏡写真を示した図である。
【図１１】無次元分散変数Ｒ＝ｄ／ｓ対沈着圧力Ｐｄｅｐのプロットを示した図である。
【図１２】物質の濃度図を示した図である。
【図１３】有機蒸気噴流沈着により沈着した物質の模擬輪郭を示した図である。
【図１４】同伴ガスが見掛け流速を有する有機蒸気相沈着の模擬実験結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の態様は、有機蒸気相沈着の蒸気移送機構を利用した、有機物質の基体上へのパターン化沈着方法、およびこのパターン化沈着方法を行うための装置に関する。本方法の一態様には、源セルから流速Ｖで移動する不活性同伴ガスを介して、有機蒸気を時限弁を通してノズルブロック中に移送し、その際該移送を低い圧力Ｐで行い、流速Ｖで移動する不活性同伴ガスを介して該有機蒸気をノズルブロックから冷却基体上に噴出し、そしてノズルブロックの噴出端からの距離ｓに維持されている冷却基体を速度νで横に平行移動させることが含まれる。該平行移動速度は時限弁と同調させて有機物質の望ましいパターン化沈着を作り出す。
【００２８】
図１は真空熱蒸着システム１００を示す。源１１０は物質が真空室１２０の中に蒸発するように加熱される。該物質は真空を通して基体１３０に拡散し、そこで沈着することが出来る。
【００２９】
図２はマスク２２０を有する真空熱蒸着システム２００のより詳細な図を示す。源２１０は、１０−６〜１０−７Ｔｏｒｒの程度の真空中に拡散する有機物質を提供する。該有機物質は該真空を通して且つシャドウマスク２２０を通して拡散する。開口２２２を有するシャドウマスク２２０は基体２３０から距離ｓ離れて配置されている。有機物質はシャドウマスクを通過してから基体２３０上に沈着してパターン化有機層２４０を形成する。
【００３０】
真空熱蒸着に典型的に使用されている圧力は低いので、分子平均自由行路λ（ｍｆｐとも云われる）は全く大きいであろう。例えば、１０−７Ｔｏｒｒでλは略１ｍである。結果として、例えば、該室内の源と基体との距離が１０〜１００ｃｍの程度である場合、５０μｍ未満のマスクと基体との離隔距離は、縁が良く画定された１００μｍまでの画素を生ずることが出来る。好ましくは、基体２３０と源２１０との距離は、真空中の分子同士の衝突が最小となるように分子平均自由行路λよりも小さく、マスク２２０により遮られない基体２３０から源２１０への明瞭な線の視界が存在する所にパターン化層２４０が沈着する。真空熱蒸着を用いて、良く画定された限定ベースと台形をなす画素側面が得られる。１０−３〜１０−１３Ｐａが真空熱蒸着には好ましい圧力範囲である。
【００３１】
源２１０は単一の点ではないので、パターン化層２４０は開口２２２よりわずかに大きくなるであろう。図２に関して、パターン化層２４０のベースの長さｌ３は次の式によって表される：
【数１】
（式中、ｓ＝マスクと基体との離隔距離、ｔ＝マスクの厚み、ｌ１＝源の幅、ｌ２＝開口の幅、そしてｈ＝源とマスクとの距離）。この式により、実験的に観察される値に非常に近いｄ値が得られる。
【００３２】
図３は有機蒸気相沈着システム３００を示す。同伴ガスは源セル３１０の上を通過し、該源セルから有機物質が同伴ガス中に蒸発する。複数の源セル（示されていない）を用いて、有機物質の混合物を提供し、そして（または）異なる時刻に異なる有機物質を提供することが出来る。それから同伴ガスは基体３３０からδの距離に位置するマスク３２０を通過する。それから同伴ガスは基体３３０上に衝突し、そこで有機物質が基体表面上に物理収着される。基体３３０は冷却することが出来る。システム３００の壁３４０を加熱して、有機物質が壁３４０上に沈着するのを減少させるか防止することが出来る。有機物質は小分子物質であっても良いし、又は重合体物質であっても良い。
【００３３】
図４は、有機蒸気相沈着システム４００を示す。源（図４には示されていない、例えば、図３参照）から有機分子を運ぶために同伴ガスを使用する。該分子は平均自由行路λを有する。マスク４１０は基体４２０の上ｓの距離に配置されている。有機層４３０はマスク４１０中の開口４１２を通して基体４２０上に沈着する。同伴ガス中の分子同士の衝突の故に、直接開口４１２の上ではない領域で、マスクの下ｄの距離まで有機物質の沈着が著しく生ずるであろう。該沈着は好ましくは圧力範囲の下限で行われるので、平均自由行路はより高い圧力におけるよりも大きくなり、それに対応してｄは小さくなり、従ってフルカラーディスプレイ用途に好ましいミクロン尺度の解像度が達成出来る。
【００３４】
図５はシャドウマスクを通しての拡散方式沈着に対する模擬実験結果を示す。公称ｓ＝１０μｍおよび１８μｍのマスク厚さに対して、λ＝８．２５、８２．５および８２５μｍ
【数２】
に対する沈着パターンが図５に示されている。分子を、平均分子熱運動速度を有する任意の角度でマスクから２０００μｍ離れた点から発射し、模擬空間体積にわたり拡散させた。基体の付近の濃度分布は線状であることが分ったが、それは移送が純粋に拡散性であることを示している。これが、図５において異なる値のλに対してｄの相違が観察されない理由である。又連続体モデルと一致して、基体とマスクに沈着する分子の割合、即ち、沈着効率は、小さなＤｏｒｇに対応する小さなλの方が、より低い。この模擬実験は、３０μｍのマスク開口幅、１８μｍのマスク厚み、およびマスク離隔距離、ｓ＝１０μｍで、行った。プロット５１０，５２０および５３０は、Ｐｄｅｐ ＝ １．０， ０．１， ０．０１ Ｔｏｒｒでλ＝ ８．２５， ８２．５， ８２５に対して、マスク（高部）および基体（底部）上への沈着厚さ分布を示している。プロット５１０，５２０および５３０の間で画素形状に顕著な相違は無く、これは純粋に拡散性の方式では圧力が縁の分散に殆ど影響を有さないことを示すものであり、沈着効率は予想通りλの値が低くなると低下する。
【００３５】
図６はシャドウマスクを通しての拡散方式沈着に対する模擬実験結果を示す。ｔ＝１８μｍかつλ＝８２．５μｍで、マスクの開口幅は３０μｍのままであるが、プロット６１０，６２０および６３０に対して夫々 ｓ＝３，１０，２０μｍである。ｓの値が小さくなると、画素は鋭くなる。ｓ〜λである限り、真空沈着と同様に、台形状の画素形状が得られる。ｓ〜ｔであると、画素の重複が生じ始める。この模擬実験に対して純粋に拡散性の構成を維持すれば、図６はｓの変化が画素の縁分散に如何に影響するかを示す。この方式でλはｄに影響しないので、我々はλ＝８２．５μｍを使用する。ｔ＝１８μｍに対しｓ＝２０μｍの場合に、画素のぶつかり合いが生じ始める、即ち、ｓがｔに近づくと、隣接する画素同士の重複が生ずる。
【００３６】
図７はシャドウマスクを通しての拡散方式沈着に対する模擬実験結果を示す。λ＝８２．５μｍかつｓ＝１０μｍで、マスクの開口幅は３０μｍのままである。ここで、プロット７１０，７２０および７３０に対して夫々マスク厚さ、ｔは１８， ３６， および５４μｍに変えられている。マスクが厚くなると、低いマスク対基体沈着比に見られるように、基体への物質流動を切除し沈着効率を減少させるという犠牲にもかかわらず、画素は鋭くなる。ｔがλに近づくに従って、真空蒸着と同様に、平行分子流束は台形状の画素群を生ずる。ｔがλに近づくに従って、ドーム形状の輪郭は次第に真空熱蒸着台形のようになる。
【００３７】
図８はシャドウマスクを通しての拡散方式沈着に対する模擬実験結果を示す。λ＝８２．５μｍかつｓ＝１０μｍで、マスクの開口幅は３０μｍである。プロット８１０および８２０は、夫々δ＝４１０μｍおよびδ＝２０６０μｍに対する結果を示す。ここでは、噴射点を基体に近づけるように調節することにより、有効境界層厚さを２０６０μｍから４１０μｍに減少させる。基体への拡散限定移送用の連続体モデルと一致して、δがλに近づくに従って、沈着効率は増加する。ここでは、分子を基体に近づけて噴射することにより有効δを変えた。
【００３８】
純粋に拡散性の沈着方式における同伴ガスの質量の変化は、前の節の議論から予想されるように、沈着分布に一次の効果を有さないことが分った。
【００３９】
図９は有機蒸気噴流沈着装置の一態様を示す。本発明の態様に従う基体上への有機物質のパターン化沈着方法を、図９を参照しながらこれから説明する。
【００４０】
一態様において、有機蒸気は不活性同伴ガスにより源セル９１０から時限弁９２０の中へと運ばれる。源セル９１０は好ましくは温度Ｔに維持され、不活性同伴ガスは流速Ｖで移動している。時限弁９２０の開閉（即ち、該弁の時間的調節、τ）は、好ましくはパターン化沈着方法を通して調節される。時限弁９２０が開いている時、有機蒸気を運ぶ不活性ガスは時限弁９２０を通してノズルブロック９３０の中へ移動する。ノズルブロック９３０は、有機蒸気をノズルブロック９３０を通して運ぶ不活性ガスの温度を調整するのに用いられる加熱（冷却）装置９４０を含むのが好ましい。有機蒸気噴流沈着と有機蒸気相沈着との一相違は、加熱壁３４０のような加熱壁の利点が有機蒸気相沈着では顕著であるかもしれないが、有機蒸気噴流沈着ではそれ程顕著ではないということである。特に、ノズルブロック９３０が加熱装置９４０を含む場合、真空室（図９には示されていない）の壁を加熱する別個の追加加熱装置の利点は必要ないかもしれない。しかしながら、それにもかかわらず、有機蒸気噴流沈着用真空室の壁を加熱する加熱装置は使用することが出来る。ノズルブロック９３０は好ましくは幅ｚのノズルを有する。ノズルブロック９３０から、不活性同伴ガス中の有機蒸気はノズルを通して基体９５０、好ましくは冷却基体上に噴出され、そこで有機蒸気が凝縮してパターン化層９６０を形成する。好ましくは、有機蒸気はノズルブロック９３０から基体９５０までの距離ｓを移動しなければならない。基体９５０は、物質の沈着と沈着の間、物質の沈着中、または両者において、平行移動速度νで移動させることが出来る。基体は好ましくはモーター駆動ステージを用いて平行移動させ、該ステージと弁の時間的調節はコンピューターの調節により操作し同調させる。多層沈着及び多色ディスプレイ沈着のためには該装置を直列で繰り返すことが出来る。
【００４１】
前述の工程変数を調整することにより、所望のパターン化沈着を達成することが出来る。具体的には、所望の幅ｌのパターン化層９６０に対して均一な厚さ分布、ｔを達成することが出来る。該方法を減圧で行うことにより、幅ｌにおける分散を最小にすることが出来る。更に、大気圧でも、ノズルブロック９３０から基体９５０までの距離ｓを減少させること、及び（又は）同伴ガス流速Ｖを増加させることにより、幅ｌにおける分散は最小となるであろう。
【００４２】
もし図９におけるノズルブロック９３０から基体９５０までの距離ｓが基体をシャドウマスクから分離する数ミクロンに匹敵する大きさであり、ガス流速Ｖが充分に高ければ、その時はｌにおける分散は最小となり、解像度は１ミクロンの程度で予想されるであろう。
【００４３】
１０−６より低い圧力で真空熱蒸着を用いて鋭く画定された画素を達成することは、分子平均自由行路λが典型的に３０ ｃｍより大きいので、比較的容易であるが（図１および２参照）、有機蒸気相沈着では状況はもっと複雑である。有機蒸気相沈着は０．１μｍ＜λ＜１ｃｍで且つ０．０１Ｔｏｒｒより高い圧力で典型的に進行するので、マスク面の付近における分子間衝突の頻度が増加し、縁が比較的より拡散した画素が生ずる（図４参照）。それにも拘わらず、我々はミクロンの程度でパターンを画定させたシャドウマスクを通しての有機フィルム沈着を示した（図１０参照）。
【００４４】
図１０は、２×１０−６〜２Ｔｏｒｒの範囲のＰｄｅｐにおけるシャドウマスクを通しての有機蒸気相沈着から得られるパターンの走査電子顕微鏡写真を示す。沈着圧力が増加するに従って、模擬データも実験データも縁の鋭さが失われることを示している。イメージ１０１０，１０２０および１０３０は、夫々、Ｐｄｅｐ＝２×１０−６， Ｐｄｅｐ＝０．２ＴｏｒｒおよびＰｄｅｐ＝２Ｔｏｒｒに対する結果を示す。左カラムおよび右カラムに対して、夫々、離隔距離ｓは５μｍおよび２．５μｍである。モデルにより予測されるように、圧力およびマスクと基体との離隔距離が増加するに従って、画素はより拡散する。０．２Ｔｏｒｒの圧力および１５μｍまでの離隔距離で、フルカラーディスプレイ用途に充分な数ミクロンの程度の画素解像度を達成することが可能であることが判明した。
【００４５】
同時係属特許出願代理人事件整理番号１００１０／３７は、有機蒸気相沈着の基礎を説明しており、参考の為本明細書に加入する。同時係属仮出願代理人事件整理番号１００２０／２１９０１（本明細書では「＆ａｐｏｓ；９０１出願」という）も参考の為本明細書に加入する。＆ａｐｏｓ；９０１出願は、有機蒸気相沈着を用いて有機物質をシャドウマスクを通して沈着させ、連続して金属を真空蒸着により同じシャドウマスクを通して沈着させる、有機装置作成用の複合技術に関する。＆ａｐｏｓ；９０１出願では、有機蒸気相沈着の背後にある理論が充分に発展されており、模擬実験に使用されるモデルが説明されている。蒸気相移送用に開発されたこれらの同じモデルを用いて、我々は、もし見掛け流速を増加させてガス噴流を作り出し、基体からノズルまでの距離が分子平均自由行路内であるならば、１ミクロンの解像度が達成出来ることを、更に判断した。該モデルを以下に説明する。
【００４６】
有機蒸気相沈着の概念は図３及び４に例示されている。該方法は以下に概説する三工程から成る。スピシーズＡの蒸気は、該源物質を不活性同伴ガス流中で加熱することにより発生する。その後、気体状のＡは同伴ガスにより沈着室の中に運ばれ、そこで該流れは基体の付近で流体力学的境界層を形成する。最終工程で、有機分子（０．０１％未満の典型的濃度で存在する）は境界層を横切って拡散し基体上に物理収着または吸着される。これらの三段階の移送は、以下の一連の反応として表すことが出来る：
【数３】
式中、Ａｓは固体状または液体状の有機分子のスピシーズを表す。スピシーズＡｓおよびＡｇは、源セルの内側で、特性速度ｋｅｖａｐおよびｋｃｏｎｄで夫々蒸発し再び凝結する。蒸発は、所謂「動的」状態（ｋｅｖａｐ ＞ ｋｃｏｎｄ）にあるか、又は平衡状態（ｋｅｖａｐ ＝ ｋｃｏｎｄ）にある場合に起こる。同伴ガスによる同伴の結果、Ａｃｇは特性見掛け移送速度ｋｔで基体の付近まで移送され、そこで１００％の全効率でＡｃｇｓとなり、残りは沈着室から排出される。境界層を横切るＡの拡散および特性速度ｋａｄｓでの吸着により、沈着が起こる。全沈着速度は、ｒｄｅｐ ＝ ｋｄｅｐ − ｋｄｅｓ（ｋｄｅｓは基体からの脱着速度である）である。
【００４７】
以下で議論する有機蒸気相沈着の高度の分子特性に関する資質を以って、我々は、典型的には、同伴ガス速度対平均分子速度の比、νｃ／ｕは略０．０１〜１である、即ち、低圧有機蒸気相沈着における流れは音波状態よりも低いか又はそれに接する。使用される低圧のために、レイノルズ数、Ｒｅは充分層流状態内にある（Ｒｅ≪２０００）。基体の付近におけるグラスホフ数、Ｇｒはやはり１よりも小さく、これは基体の近くのガス混合において自然対流が顕著でないことを暗示するものである。当面の沈着力学の議論に対しては、工程２，３ａおよび３ｂのみが関連している。無定形薄膜の効率的な沈着は最小の表面拡散と脱着を要するので、我々は最も低い実用的な基体温度を使用する。この場合、結晶化速度、ｋｃは非常に高いが、二つの事が起こる、即ちｋａｄｓ≫ｋｄｅｓとなり、これは表面を拡散する有機分子が基体に拡散するよりもずっと速く固定されることを意味する。従って、「反応」３ｂは非常に速く、無定形フィルムの沈着に対しては考慮する必要がない。かくして、速度を限定する工程は２と３ａである。
【００４８】
以前の著書に示されているように（Ｍ．Ｓｈｔｅｉｎ，ｅｔ ａｌ．，Ｊ．ｏｆ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，８９：１４７０（２００１）参照）、工程２と３ａの組合せに対する全沈着速度、ｒｄｅｐは以下のように表すことが出来る：
【数４】
式中、Ｐｏｒｇ／ＲＴは有機スピシーズの濃度であり、
【数５】
は同伴ガス流速であり、本明細書を通じて同伴ガス流速を示すために同様に使用されている変数Ｖと等しく、δは境界層の厚みであり、Ｄｏｒｇは同伴ガス中における有機分子の拡散係数である。運動学的粘性自体はν＝μ／ρ（式中、ρ＝Ｐ／ＲＴ）によって圧力に依存している。背景ガス圧力、Ｐｄｅｐを増加させると、二つの反する因子、即ち、ｒｄｅｐを低下させる拡散係数Ｄｏｒｇの減少および移送速度を改良するδの減少のため、沈着速度、ｒｄｅｐはほとんど直線的減少を示すであろう。この式は、与えられたプロセス条件に対して全沈着速度を予想し、又、表面分子拡散モデルを加味して、多結晶性薄膜の結晶化速度と粒径を予測するのに使用することが出来る。
【００４９】
基体の付近においては、このシステムは、平板に垂直にぶつかるガス噴流、平板の近くで停滞する均一な流れ、又は（塗布均一性を改良する）回転円板上にぶつかる流れとして設計することが出来、すべての場合、δは以下の式で表される：
【数６】
式中、νはガスの運動学的粘性であり、ａは
【数７】
および（又は）回転速度と共に直線的に減少する量であり、この式は、νがｃｍ２／ｓで表されａに対してｃｍ／ｓで表した見掛け軸速度を使用する場合、δをｃｍの単位で直接予測するのに使用することが出来る。有機蒸気相沈着およびこの研究で使用されている典型的な条件、例えば、窒素のＴ＝２７５℃， Ｐｄｅｐ＝０．２Ｔｏｒｒおよび
【数８】
に対して、δは略１〜１０ｃｍである。しかしながら、は典型的な沈着室の軸の寸法の程度であるから、境界層の数式項は注意して有機蒸気相沈着に適用しなければならない。
【００５０】
（有機蒸気相沈着を用いたパターン化フィルム沈着）
先の議論は、均一な見掛け拡散係数Ｄｏｒｇと境界層厚みδの使用のため、連続体仮定の妥当性に依存している。この部分は、有機蒸気相沈着におけるシャドウマスキングに適用した場合の連続体仮定の妥当性を検討する。
【００５１】
シャドウマスクを通しての有機蒸気相沈着を分析する際の主要な疑問は、有機分子がマスク面に到達する時最初の見掛け流速をどの程度維持するかである。最初に、我々は境界層、「ＢＬ」の存在を仮定するが、そこではその名のとおり分子が見掛け移送の記憶を失い、速度分布が充分に熱運動化される。この場合、より高いＰｄｅｐによるＤｏｒｇの減少はパターンの鋭さを少なくしないことが定性的に見られる。Ｄｏｒｇは等方性であるから、分子が基体に直角に拡散するのが長くかかればかかる程、分子が横に拡散するのが（同じ量だけ）ますます長くかかるであろう。これらの速度の相互取消は異なる圧力における同一のパターンを生ずると思われるが、これは観察される実験傾向ではない。Ｄｏｒｇに対するわずかにより現実的なモデル（例えば、下の式（８）参照）は、減少する温度勾配に沿ってそれが基体の方向に減少する所にある。しかしながらもう一度、減少が等方性であるから、パターンは影響されないままであるべきである。
【００５２】
境界層内の等方性速度分布に対する要件を緩め、分子にそれらの初期速度のｚ成分を維持させると、ｄｍａｘが大体次式により表されることを示すことが出来る：
【数９】
式中、ｄｍａｘは図４に示されるような画素縁分散であり、ｕは沈着室における同伴ガス速度である。ここで我々は、λはマスク開口に沿って位置する一連の源点からの拡散として該プロセスをモデル化するのに充分小さいと仮定した。画素縁分散は、Ｄｏｒｇを介した圧力並びにマスクと基体との離隔距離ｓの平方根と共に増加する。見掛け流速を増加させると、当然このモデルの場合、鋭さが改善される。しかしながら、この式は穏やかな圧力（例えば０．１Ｔｏｒｒ）に対して画素縁分散を少なくとも一桁の大きさだけ過大評価しているが、それはこの議論に関する寸法と圧力には拡散移送仮定が厳格には適用できないからである。実験的に得られた沈着パターンは、該機構が二つの拡散様式間のどこかにあることを暗示している。
【００５３】
ここで、連続体、それ故に拡散仮定が有機蒸気相沈着条件の大部分に対して正しくないことに注意すべきである。シャドウマスクの寸法に基づくクヌーセン数（λ／Ｌ， Ｌは特性長）は大きく、質量およびエネルギーの保存方程式はもはや閉集合を形成しない。真空熱蒸着と有機蒸気相沈着の機構はそれぞれ図２と４に概略的に示されている。基体の近くで有機分子が直面する乱雑な衝突は、画素が横に拡がる原因になる。その名のとおり分子速度の完全な乱雑化は境界層の内部で起こるので、δの大きさはパターンの鋭さに影響すると予想される。更に、後者は以下の因子、即ち、分子平均自由行路λ、マスクと基体との離隔距離ｓ、およびマスク開口形状により限定されるであろう。プロセス要因の観点から、これらの因子は沈着圧力、同伴ガス流速、使用する同伴ガスの種類、およびシャドウマスクの設計により調整される。Ｄｏｒｇとλとは緊密に関連しているので、我々は次にλがどのようにＰｄｅｐと共に変化するかを、そしてそのパターン鋭さへの影響を検討する。
【００５４】
モンテ−カルロ式模擬実験は、シャドウマスクを通しての沈着をモデル化するのに使用することができる。我々は今や、更なる分析を遂行するのに必要な方程式を提示する。図４における論理から、明らかに、λが大きくなると、境界層内の分子間衝突が少なくなり、シャドウマスク上の横に均一な濃度分布と相まって基体上のパターンの横分散が少なくなる。単一成分低圧非極性ガスに対して、λは次の式を有する。
【数１０】
従って、ガスの圧力を減少させることによって、平均自由行路は増加し、より鋭い画素が得られるであろう。しかしながら、圧力を無制限に減少させることは出来ない、というのは有機蒸気を運ぶために使用する同伴ガスの流入が必然的に背景ガス圧力を生ずるからである。非常に低い沈着圧力Ｐｄｅｐの限界は、λが大きく同伴ガス流速
【数１１】
が物質移送を制限する自由分子移送方式を表す。
【数１２】
が増加するとＰｄｅｐが大きくなり、λが減少するに従って移送は拡散が制限されてくる。充分な同伴ガス流速の使用と有機物質のガス相拡散の最大化との妥協が、有機蒸気相沈着で好ましく使用される最適圧力範囲、０．０１〜１０Ｔｏｒｒを生ずる。
【００５５】
方程式（６）はヘリウム及びアルゴンのような希薄非極性ガスに関して正確に使用することが出来るが、有機蒸気相沈着はＡｌｑ３のような錯体分子と窒素またはアルゴンのような同伴ガスとの混合物を扱っている。有効な名目上の平均自由行路および衝突断面、即ち、λおよびσは、方程式６および下記の関係式により拡散係数に対する変形表現を通して決めることが出来る。
【数１３】
ここで、双極子または誘導双極子を有する分子の拡散係数に対する下記のチャップマン−エンスコグ式を用いることが出来る：
【数１４】
式中、Ｍｉは拡散スピシーズｉの質量であり、Ｔはガス温度であり、σＡＢは平均衝突断面であって、σＡＢ ＝ ［１／２（σＡ＋σＢ）２］１／２。量ΩＤ，ＡＢはレナード−ジョーンズ分子間電位および温度の無次元関数である。残念なことに、有機発光ダイオードで普通に使用されている物質に対しては、信頼できるレナード−ジョーンズ変数が利用できず、下記のフラーの相関関係を置換えることが出来る：
【数１５】
式中、Σνは拡散分子の個々の構造成分の有効体積寄与率の合計である。種々の分子特定定数が他の場所に記載された標準基寄与方法を用いて計算されている（Ｒ．Ｂ．Ｂｉｒｄ， Ｗ．Ｅ．Ｓ．，及びＥ．Ｎ．Ｌｉｇｈｔｆｏｏｔ著Ｍｏｍｅｎｔｕｍ，Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，１９９６年，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ社発行）。表１から明らかなように、ＤＡＢの値は異なる理論間で１／２桁の大きさだけ異なり、２成分の拡散係数をより正確に決めるためには、より詳細な実験および（又は）分子動力学模擬実験を行うことが必要であろう。しかしながら、λおよびσの近似値は圧力に対する傾向を決めるには充分であるはずである。
【表１】
【００５６】
上記分析を加入したモンテ−カルロ模擬実験が以下の通り進行する。計算空間をセルの大きさが可変の３次元格子に分割する。有機分子を表す粒子は、境界層の内側でマスクの上に無作為な最初の位置を割り当てられ、マックスウェル−ボルツマン分布を満たす速度を与えられる。或る時間間隔経過後で平均自由行路の１／１０以下の短い移動距離の後に、該分子はマックスウェル−ボルツマン分布からの任意の速度を有する局所的に発生した同伴分子と衝突させられる。衝突の受入れは次の関数を用いて計算される：
【数１６】
式中、ＦＮは１個の模擬分子により代表される現実の分子数であり、σＴは衝突分子の全断面であり、ｕｒはそれらの相対速度であり、Δｔは衝突を生じさせる時間間隔であり、一方Ｖｃは衝突が起るセルの容積である。σＴの値は、粒子相対速度νｒに次の式で対応する有効衝突直径ｄｅｆｆから計算することが出来る。
【数１７】
空間で巨大分子を追跡している間に、全プロセスを繰返す。基体平面またはマスク側面に衝突すると、有機粒子はそこに固定される。境界の条件を周期的に横に与え、一方有機物質と同伴ガスの一定濃度を境界層の縁で固定する。所望の膜厚が基体上に形成されるまで模擬実験が行われる。いくつかの個々の分子から成る巨大分子の追跡は計算費用を節約するために行われる。模擬実験を適用して図５乃至８に示される結果を生じた。
【００５７】
図１１は、実験結果および模擬実験結果の両方に対して、無次元分散変数、Ｒ＝ｄ／ｓ対沈着圧力、Ｐｄｅｐ（底部軸）および平均自由行路、λ（頂部軸）のプロットを示している。星印１１１０、正方形印１１２０、三角印１１３０および円形印１１４０は、夫々２，５，１５および１１５ミクロンのマスクと基体との離隔距離に関する実験結果を示している。プロット１１５０，１１６０，１１７０および１１８０は、夫々２，５，１５および１１５ミクロンのマスクと基体との離隔距離に対する模擬実験結果を示している。圧力が減少するに従って、Ｒはゼロまで減少せず、むしろ真空熱蒸着における源の限定された大きさ、および源−マスクとマスク−基体の間隔に特有の一定値で飽和する。１０−６Ｔｏｒｒと０．２Ｔｏｒｒとの間の点は、現行の実験準備では容易に入手できず、モンテ−カルロ模擬実験を用いて充填した。
【００５８】
分子が境界層に入りそこを通って拡がる時最初の見掛け流速を維持させれば、沈着輪郭はより鋭くなる。見掛け流速Ｕｂｕｌｋが
【数１８】
に近づく時、沈着輪郭は真空蒸着に特有の台形に近づく。これは、インク噴流印刷のような同伴ガスの超速噴流を用いて有機物質が基体上に「噴射」される沈着方式を示唆する。
【００５９】
蒸気噴流沈着方式の例が図１２に示され、該模擬実験結果が図１３に示されている。図１２は、１００ｍ／ｓの垂直初速度で１００ｍｍ厚のマスクを通り過ぎて流れる模擬のＡｌｑ３用の超速同伴流を用いた沈着の噴流状特性を示す物質濃度図である。垂直寸法は２００μｍであり、水平寸法は６０μｍである。画素は方向を持ったガス噴流によりパターン化され物質はシャドウマスクを塗布するのに全く浪費されないので、この方法の全沈着効率は１００％に近づくことがで出来る。各色画素用の個々のノズルを有する沈着システムは、効率的で、正確で、より運搬可能な沈着システムを提供することが出来る。
【００６０】
図１３は、有機蒸気噴流沈着により沈着した（模擬の）物質の厚みのプロットを示す。垂直寸法は９μｍであり、水平寸法は６０μｍである。
【００６１】
ガス噴流が平板に直角に衝突する本発明を表す方式では、上記で発展させたモデル（本明細書における方程式５）を適用して有機蒸気噴流沈着装置に対するプロセス変数を確定している。マスクと基体との離隔距離を分子平均自由行路λの程度まで減少させればシャドウマスクを用いた有機蒸気相沈着により鋭い画素が得られるであろうという、本明細書で提供された模擬実験および実験的根拠の両方による観察によって、この方式における操作が最初に示唆された。更に、マスク厚みを増加させることにより、基体に到達する分子は効率的に平行となり、沈着効率を犠牲にするにもかかわらず、より鋭いパターンを生ずる。しかしながら、厚いマスクも加熱すれば、物質の損失は最小となる。マスク開口の縦横比を１０より上に増加させ、基体と直角の同伴ガス速度を増加させると、ガス噴流はマスクの出口で形成されるようになる。従って、噴流沈着方式では、厚いマスクの設計は本発明の加熱されたノズルに収束する。有機蒸気噴流沈着に対するプロセス変数を今度は以下に議論する。
【００６２】
一態様において、噴流沈着のための同伴ガス流速Ｖは、該名により示唆されるように、物質の「噴流」を造り出すのに充分でなければならない。ガス流を一方向噴流に見えるようにするためには、見掛け速度は分子の熱運動速度（〜（８ｋＴ／πｍ）１／２）以上の程度でなければならない。例えば、室温で窒素Ｎ２の熱運動速度は略４５０ｍ／ｓである。従って、全ガス体積流量の概略の大きさは４５０ｍ／ｓ×Ａｃｓ，ｔｏｔ（Ａｃｓ，ｔｏｔはノズルの全断面積である）である。ノズルの構成は特定の応用により選択される。
【００６３】
源の温度およびガス流速は一緒にガス相における有機蒸気の濃度を支配する（Ｍ．Ｓｈｔｅｉｎ，Ｈ．Ｆ．Ｇｏｓｓｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｊ．Ｂ．ＢｅｎｚｉｇｅｒおよびＳ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８９：２，１４７０（２００１）参照）。従って、Ｔは必要な濃度により確定され、濃度は今度、どれ程多くの物質を供給する必要があるか、ＭＡにより確定される。
【００６４】
適当な時間区分Ｄｔ内に特定装置の特定層に対して沈着すべき物質Ａの量、ＭＡが与えられると、物質Ａの濃度、ＣＡは下記の式により確定される：
【数１９】
式中、Ｖは同伴ガス（プラス物質、これは通常は重要でないが必ずしもそうではない）の体積流量である。一画素に対して供給すべき物質の全量ＭＡは（画素面積）×（層厚）により与えられる。典型的な有機発光ダイオードディスプレイの画素の大きさは数ミクロン乃至数十ミクロンの程度であり、個々の層の厚みは典型的に０．１ミクロンの程度である。好ましくは、プロセス圧力は、操作圧力および温度で使用されるガス中における有機（または他の）化合物の溶解度、即ち、壁上またはガス相中に凝縮することなく同伴ガス中に存在し得るＡの最大モル分率、χＡにより究極的に決定される。特定の同伴ガスに溶質蒸気分子のすべてを同伴するのに充分な該流れに存在する同伴ガス分子数を次に計算することが出来る。これ及び、全ガス流速および、全ポンプ能力および、有機蒸気噴流沈着システムの速度が操作圧力を決定する。すべての変数が相互依存しているので、特定の沈着および応用に対して妥当な操作変数を開発するためには、反復プロセスを使用する。
【００６５】
好ましくは、有機蒸気噴流沈着装置における離隔距離または作業距離ｓは、噴流および操作圧力の流体力学により支配される。典型的に、しかし厳密に必ずそうではないが、画素の最小縁分散のためには、ｓは目前のガスシステムの分子平均自由行路λの程度またはそれより短いであろう。ここで（本明細書における方程式６も参照）、
【数２０】
式中、Ｔｇａｓ＝ガス温度、σ＝平均分子直径、Ｐｄｅｐ＝沈着圧力。例えば、Ａｌｑ３／Ｎ２システムに対しては、Ｔ＝２７５℃において、Ｐｄｅｐ＝０．０１， ０．１， １， および１０Ｔｏｒｒに対して、夫々、λ≫１５００， １５０， １５， １．５μｍである。これらの条件下で、蒸気分子をノズルから基体までの距離移送する時、該噴流が横分散する時間は最小となる。しかしながら、作業距離が短くなればなるほど、装置の構築はますます難しくなるであろうし、又凝縮を防ぐためにノズルを熱く保ちながら基体を冷たく保つことはますます難しくなるであろう。従って、必要な画素解像度を達成するのに必要な限界よりずっと下まで作業距離を減少させることは望ましくない。
【００６６】
好ましくは、個々のノズルの断面積Ａｃｓおよびその形状は、得る予定のパターンの形状により決定される。操作圧力は多分分子の平均自由行路が短くなるようにすべきであるから、作業距離もミクロンの程度で短い。流速、作業距離、およびノズルを横切る圧力降下が与えられると、その形状は望ましい横分散に適するように設計され、理想的にはノズル幅は沈着画素の幅に対応する。
【００６７】
シャドウマスキングを用いた有機蒸気相沈着において、拡散の前に来る工程は同伴ガスによる基体の付近への蒸気の運搬である。ここにおける見掛け流速は略１〜１０ｍ／ｓである。沈着における最終工程は境界層を横切る分子の拡散であり、そこにおける分子速度は等方性なので画素縁分散を生ずる。好ましくは、或る一定のマスク−基体構成と物質のシステムに対して、この分散はλのみにより決定される。同伴ガスをＮ２から例えばＡｒに変えると、小さな影響が現れるかもしれないが、これはσＡＶＥ ＝σＮ２ ＋ σＡｌｑ３であり、σＡｌｑ３ ＞σＮ２，Ａｒであるからである。同伴ガス分子の質量の差は何ら相違を生じず、より重い分子はより遅く移動するだけであり、従って、熱運動化された等方性速度分布でのＡｌｑ３−Ｎ２又はＡｒの衝突で移動する運動量は同じである。
【００６８】
しかしながら、有機蒸気噴流沈着において、我々は画素形状に対して他の調整ノブを得ている。同伴分子は熱運動速度、〜１００−１０００ｍ／ｓの程度の速度で大きな圧力降下により導管を通して押されるので、衝突における運動量移動はもはや等方性でなく、又熱運動速度分布により支配されない。むしろ、それは一方向性で基体の方に向いており、同伴ガス分子の質量に比例している（その速度はガス温度よりもむしろ、今度は圧力低下により支配される。従って、より重い同伴ガスを使用することにより、我々はより良い沈着方向性、それ故により鋭い縁輪郭そして蒸着された有機発光ダイオードディスプレイの場合にはより鋭い画素を達成することが出来る。
【００６９】
有機蒸気噴流沈着は多くの点でシャドウ−マスキングとは異なりそれを改良するものであるが、それらの点には、薄く脆いシャドウマスクの除去、マスク上に凝縮した有機物からの粉塵汚染物の除去、大面積用途用にマスクと基体との離隔距離を調整するという問題の除去、物質沈着効率の改良、画素形状を調整するという利点の提供、空間的に特定の沈着の提供が含まれ（しかしそれらに限定されない）、最後に有機蒸気噴流沈着装置は携帯性と私的用途の可能性を有している。
【００７０】
アルミニウム（Ａｌｑ３）の有機薄膜の沈着は、その場で温度と厚みを測定出来る複数バレルガラス反応器システムを用いて行われたが、それは他のどこかに詳細に記載されている（Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏ等、Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７１：３０３３（１９９７）の全体を参考として加入する）。Ａｌｑ３は多数の有機発光ダイオードに好ましい小分子有機物質の一例である。簡単に言えば、該反応容器は１１ｃｍ直径×１５０ｃｍ長さのＰｙｒｅｘ（登録商標）円筒である。管内の温度勾配に沿った各セルの配置を通して源温度の調整が出来る三帯域炉により該容器を加熱する。各源を２．５ｃｍ直径×７５ｃｍ長さのガラスバレルに別々に入れる。同伴ガス流は質量流量調整器により調節し、一方沈着圧力はポンプ絞り弁を調節し全同伴流速を１０〜５０ｓｃｃｍに調節することにより０．１〜１０Ｔｏｒｒに維持する。液体窒素冷却トラップを有する４０ｌｐｍ真空ポンプを用いて未凝縮の同伴ガスおよび有機物を排出する。有機蒸気は、機械的に操作されるシャッターの後に位置する回転水で冷却された基体上に凝縮する。膜の厚みと成長速度は、偏光的に測定された有機膜厚を用いて目盛りをつけた水晶振動子微量天秤により監視する。
【００７１】
有機蒸気相沈着を用いた有機薄膜の沈着に加えて、従来の真空熱蒸着器を用いた。源と基体との距離は略３０ｃｍであり、沈着圧力は１０−６Ｔｏｒｒに維持した。
【００７２】
シャドウマスクに関して我々は、絡み合って１５μｍ平方の開口を形成している１０μｍの線から成る５μｍ厚のニッケルメッシュを用いた。このメッシュを、１ｍｍ厚の銀で被覆したスライドガラスの頂上に直接に置き、直径が１ｍｍと０．３ｍｍの丸い穴を含む５０μｍ厚のニッケルマスクで覆った。この配置は二つのｓ値に対する沈着の同時測定を可能にする。ニッケルメッシュの輪郭のため、ｓの最小値は〜２μｍである。ここで、ｓ＝２μｍに対する分散値ｄは一辺が７〜１０μｍの正方形状の画素の不明瞭さを云う。ｓ＝５μｍに対応するｄの値は、メッシュの頂上にある５０μｍ厚のマスクの１ｍｍと０．３ｍｍの穴で形成された円形沈着縁の不明瞭さを云う。
【００７３】
最も正確なマスクと基体との離隔距離を提供するために、フォトレジスト／クロム／フォトレジスト（ＰＲ１／Ｃｒ／ＰＲ２）サンドウィッチ構造と写真平板を用いて、基体に不可欠な更なるシャドウマスクを作成した。Ａｌｑ３の沈着に続いて、走査電子顕微鏡検査を用いて、得られた画素パターンを調べた。
【００７４】
一態様として有機発光ダイオードディスプレイ「蒸気噴流印刷装置」がある。この例では、我々は高解像度カラーディスプレイ用に１０００×２０００の画素配列を沈着する（〜３０×５０ｃｍの外側寸法）。「印字ヘッド」は赤発光団用の１０００ノズル、緑発光団用の１０００ノズル、および青発光団用の１０００ノズルから成る。基体および（又は）ノズルの平行移動速度は、沈着速度および沈着すべき物質量により決められる。
【００７５】
各画素は１００×１００μｍであり、５００オングストロームの染料塗布層を必要とする。現在の有機蒸気相沈着システムにおける典型的な沈着速度は１０Å／ｓであり、一方該システムは５〜１０％の効率を有する。蒸気噴流沈着を用いると、物質使用効率は１００％であると思われるが、５０％効率（１００Å／ｓ）を以って、画素セット当り５秒で全スクリーンを沈着するには〜３時間プラス平行移動時間を要するであろう。しかしながら、２つの線状配列のノズルを使用すれば、この時間は半分が削減される。従来のシャドウマスキング技術を用いて各発色団を順に沈着させると、３乃至１０分かかり得るし、シャドウマスクをきれいにするのに更に費用と時間が必要となるが、これらはかなりのものである。しかしながら、源を飽和状態に保ちながら、有機蒸気濃度および（または）同伴ガス流速の増加を暗示する適当な大きさのノズル配列と沈着速度の組合せを用いると、特に頻繁な清掃が必要でなく物質損失が減少するであろうから、有機発光ダイオードディスプレイ「蒸気噴流印刷装置」は製造時間および費用においてシャドウマスクを用いた有機蒸気相沈着に少なくとも匹敵し得る。
【００７６】
（更なる模擬実験）
冷却された基体上に小直径毛細管を通して移送される同伴ガスの噴流を考えて頂きたい。モンテ−カルロ模擬実験において、同伴ガスのｚ方向の速度Ｕｚは、この流場の上に重ねられた等方性のでたらめな分子速度によってのみ拡がる噴流をまねるために、増加され得る。図１４は、ｍｆｐ＝１０μｍ， ｔ＝５０μｍ， Ｕｚ＝１００ｍ／ｓ，および、
【数２１】
で、Ａｌｑ３を運ぶＮ２の模擬噴流に対する空間濃度分布を示す。該流場はこの流動方式では知られていなかったので、該模擬試験は簡単のためｄＵｚ／ｄｚ＝０を維持した。この数字は、平行噴射がｓ≫ｍｆｐに対しても縁の良く確定した沈着を生じ得ることを示している。かくして、Ｕ， Ｐｄｅｐ， αおよびｓを注意深く選択することにより、液体溶媒を非常に揮発性の不活性同伴ガスで置換える以外はポリマーに対するインク噴射式印刷に類似する分子状有機薄膜に対する印刷方法が可能となり得る。図１４において、有機分子を有する同伴ガスは、マスク１４１０中の開口１４１５から噴出され、基体１４２０上にぶつかる。プロット１４３０，１４４０および１４５０は、噴流ノズルが基体から異なる距離に位置している相違する模擬沈着結果を図解しており、基体がノズルから更に移動するに従って蒸気噴流が広くなることを示している。
【００７７】
本発明は特定の例および好ましい態様に関して説明されているけれども、本発明はこれらの例および態様に限定されないものと理解される。従って、当業者に明らかなように、特許を請求した本発明は本明細書に説明された特定の例および好ましい態様からの変形物を含むものである。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の説明）
本特許出願は、以下の米国特許出願、即ち、６０／３１７２１５（２００１年９月４日出願）、６０／３１６２６４（２００１年９月４日出願）、６０／３１６９６８（２００１年９月５日出願）、及び６０／３３２０９０（２００１年１１月２１日出願）に対する優先権の利益を主張するものである。これらの特許出願は参考のため全体を加入する。本特許出願は、同時出願特許出願ｎｏ． ，代理人事件整理ｎｏ．１００２０／２１９０４と関連があり、この特許出願全体を参考のため加入する。
【０００２】
（政府の権利に関する記載）
本発明は、米国空軍科学研究事務所により裁定された契約Ｎｏ．Ｆ４９６２０−９２−Ｊ−０５ ２４（プリンストン大学）の下、政府の支持でなされた。政府は本発明において或る権利を有する。
【０００３】
本発明は、有機蒸気相沈着の蒸気移送機構を利用した、有機物質の基体上へのパターン化沈着方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
分子状有機化合物は、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、光電池、および薄膜などの種々の応用において活性物質として使用されている。典型的に、これらの薄膜（〜１００ｎｍ）装置は、信頼性のある効率的な操作に必要な高度の純度および構造調整を可能にしながら、高真空で熱蒸着させることにより成長する（Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．９７，１７９３（１９９７）参照）。しかしながら、製品の製造に必要な大面積にわたる膜厚均一性と添加物濃度の調整は、真空蒸着を使用する際には難しいことがあり得る（Ｓ．ＷｏｌｆおよびＲ．Ｎ．Ｔａｕｂｅｒ，Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ＶＬＳＩ Ｅｒａ（Ｌａｔｔｉｃｅ，１９８６）参照）。更に、蒸発物のかなりの部分が蒸着室の冷たい壁を覆う。長期にわたると、非効率的な材料の使用は、薄片になってはげる可能性のある厚い塗膜を生じ、該系及び基体の粒子状汚染につながる。真空蒸着有機薄膜装置の潜在的処理能力は低く、高い製造費用を生ずる。低圧有機蒸気相沈着（ＬＰ−ＯＶＰＤ）は、沈着フィルムの添加物濃度に対する調整を改良し、大面積基体上への有機物の急速で粒子のない均一な沈着に適応できるという点で、真空熱蒸着（ＶＴＥ）よりも優る代わりの技術として最近示されている（Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏ，Ｍ．Ｄｅｕｔｓｃｈ，Ｐ．Ｅ．Ｂｕｒｒｏｗｓ，Ｈ．Ｇｏｓｓｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｍ．Ｇｅｒｓｔｅｎｂｅｒｇ，Ｖ．Ｓ．Ｂａｎ，およびＳ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ａｄｖ．Ｍａｔｅｒ．１０，１５０５（１９９８）参照）。
【０００５】
有機蒸気相沈着は、該分子が境界層を横切って拡散し基体上に物理収着される沈着室の中に有機蒸気を運ぶための同伴ガスを使用するという点で、広く使用されている真空熱蒸着とは本来相違している。このフィルム沈着法は、ＩＩＩ−Ｖ半導体の成長で用いられている水素化物蒸気相成長法に最も類似している（Ｇ．Ｂ．Ｓｔｒｉｎｇｆｅｌｌｏｗ，Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ（Ａｃａｄｅｍｉｃ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９８９）；Ｔ．Ｐ．Ｐｅａｒｓａｌｌ編集Ｇ．Ｈ．Ｏｌｓｅｎ，ｉｎ ＧａＩｎＡｓＰ（Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９８２）参照）。低圧有機蒸気相沈着においては、有機化合物は熱的に蒸発してから不活性同伴ガスにより熱壁反応器の中に運ばれ冷却基体に向かいそこで凝縮が生ずる。流れ方式は、非常に均一な塗膜厚と材料の最小浪費を生ずるような、基体を選択できる有機蒸気の均一な分配を達成するように設計することが出来る。
【０００６】
大気圧有機蒸気相沈着を用いて、Ｂｕｒｒｏｗｓ等（Ｐ．Ｅ．Ｂｕｒｒｏｗｓ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｌ．Ｓ．Ｓａｐｏｃｈａｋ，Ｊ．Ｓｃｈｗａｒｔｚ，Ｐ．Ｆｅｎｔｅｒ，Ｔ．Ｂｕｍａ，Ｖ．Ｓ．Ｂａｎ，およびＪ．Ｌ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｊ．Ｃｒｙｓｔ．Ｇｒｏｗｔｈ １５６，９１（１９９５）参照）は、非線形光学有機塩、４＆ａｐｏｓ；−ジメチルアミノ−Ｎ−メチル−４−スチルバゾリウムトシレイトを最初に合成した。この方法の変形法において、ＶａｅｔｈおよびＪｅｎｓｅｎ（Ｋ．Ｍ．ＶａｅｔｈおよびＫ．Ｊｅｎｓｅｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１，２０９１（１９９７）参照）は、窒素を用いて芳香族前駆体の蒸気を運び、該芳香族前駆体を基体上で重合させて発光ポリマー、ポリ（ｓ−フェニレンビニレン）のフィルムを生成した。最近、Ｂａｌｄｏと共働者（Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏ，Ｖ．Ｇ．Ｋｏｚｌｏｖ，Ｐ．Ｅ．Ｂｕｒｒｏｗｓ，Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｖ．Ｓ．Ｂａｎ，Ｂ．ＫｏｅｎｅおよびＭ．Ｅ．Ｔｈｏｍｐｓｏｎ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７１，３０３３（１９９７）参照）は、Ｎ，Ｎ−ジ−（３−メチルフェニル）−Ｎ，Ｎジフェニル−４，４−ジアミノビフェニルおよびアルミニウムトリス（８−ヒドロキシキノリン）（Ａｌｑ３）から成るヘテロ構造有機発光ダイオードの明らかに最初の低圧有機蒸気相沈着成長、並びにＡｌｑ３中にドープされたローダミン６Ｇから成る光学的に汲み上げられた有機レーザーを示している。更に最近、Ｓｈｔｅｉｎ等は、低圧有機蒸気相沈着法による無定形有機薄膜の成長を支配する物理的機構を判断している（Ｍ．Ｓｈｔｅｉｎ，Ｈ．Ｆ．Ｇｏｓｓｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｊ．Ｂ．Ｂｅｎｚｉｇｅｒ，およびＳ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８９：２，１４７０（２００１）参照）。
【０００７】
薄膜装置に用いられている有機材料のほとんどすべては、充分に高い蒸気圧を有しており、４００℃よりも低い温度で蒸発してからアルゴンや窒素のような同伴ガスにより蒸気相に運ばれる。これは、有機金属化学気相蒸着の場合のような、反応管の外側にある蒸発源の位置決めを可能にしており（Ｓ．ＷｏｌｆおよびＲ．Ｎ．Ｔａｕｂｅｒ，Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ｔｈｅ ＶＬＳＩ Ｅｒａ（Ｌａｔｔｉｃｅ，１９８６）；Ｇ．Ｂ．Ｓｔｒｉｎｇｆｅｌｌｏｗ，Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ Ｖａｐｏｒ−Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ（Ａｃａｄｅｍｉｃ，Ｌｏｎｄｏｎ，１９８９）、蒸発と移送の機能を空間的に区別し、かくして蒸着法に対する正確な調整を達成している。
【０００８】
これらの例は有機蒸気相沈着が特に大基体面積に亘る有機フィルムの沈着において真空熱蒸着に優る或る利点を有することを示しているけれども、該先行技術は配列状の有機物質を沈着する際に生ずる特殊な問題に対処していない。有機発光ダイオードの作成における最近の成功は、有機発光ダイオードディスプレイの発展を促進している（Ｓ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．９７，１７９３（１９９７）参照）。有機発光ダイオードは、該装置に電圧をかけると光を発する有機薄膜を利用している。有機発光ダイオードは、フラットパネルディスプレイ、照明および背面照明のような用途に対して次第に人気の高くなる技術になりつつある。有機発光ダイオードの構造には二重ヘテロ構造、単一ヘテロ構造、および単一層が含まれ、有機発光ダイオードを作成するために多種多様の有機材料を使用することが出来る。有機発光ダイオードのいくつかの材料および構造は米国特許第５７０７７４５号明細書（特許文献１）に説明されているが、該特許の全体を参考のために本明細書に加入する。
【０００９】
真空熱蒸着を用いて配列を作成する場合のように、有機発光ダイオード技術に有機蒸気相沈着を適応させるために、所望の画素格子の形状を描写するシャドウマスクを基体に近づけて置き基体上への沈着のパターンを画定する。シャドーマスクデザインの調整は、例えば、フルカラー有機発光ダイオード系ディスプレイの作成において重要な工程である（Ｂｕｒｒｏｗｓ等の米国特許第６０４８６３０号明細書（特許文献２）参照）。理想的には、基体上に得られるパターンはシャドウマスクに刻み込まれたパターンと同一であり、沈着物質の横分散は最小で厚さ均一性は最善である。しかしながら、有機層を沈着させる際の有機蒸気相沈着の相対的利点にも拘わらず、有機蒸気相沈着におけるシャドウマスクの使用には、真空熱蒸着と比べて顕著な横分散、材料の浪費、マスクからフィルム上への塵汚染の可能性、および大面積処理のためマスクと基体との分離を調整する際の困難性などの或る不利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第５７０７７４５号明細書
【特許文献２】米国特許第６０４８６３０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、有機蒸気相沈着の蒸気移送機構を利用した、有機物質の基体上へのパターン化沈着方法を提供することである。本発明の目的は、又、有機物質を基体上へパターン化沈着するこの方法を、シャドウマスクの必要なしに行うための装置を提供することでもある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
有機フィルムの作成方法を提供する。有機蒸気を運ぶために非反応性同伴ガスを使用する。該有機蒸気をノズルブロックを通して冷却された基体上に噴出してパターン化有機フィルムを形成する。該方法を遂行するための装置も提供する。該装置は、有機蒸気源、同伴ガス源、及び真空室を含む。該有機蒸気源と該同伴ガス源に取り付けられた加熱ノズルブロックは、該真空室内に配置された冷却基体上に同伴ガスと有機蒸気を噴出するように適応させた少なくとも１個のノズルを有する。
【００１３】
有機蒸気噴流沈着（ＯＶＪＤ）による本発明の一態様においては、有機蒸気は、不活性ガスにより該源セルから時限弁を通してノズルブロック中に運ばれ、そこから基体上に噴出される。好ましくは、基体は冷却され、ノズルブロックは加熱される。好ましくは、所望の沈着パターンを達成するために弁のタイミングと同調して速度νで基体を平行移動させる。ガス流速Ｖ、ノズル幅ｚ、基体までの距離ｄ、基体の平行移動速度ν、源の温度Ｔ、および弁のタイミングτを調整することにより、所望幅の複数画素に対して均一厚さの側面、ｔを達成することが出来る。該方法は、横分散を最小にするために、好ましくは減圧で行われる。ｓの減少およびＶの増加は、又、大気圧でも該分散を最小にすることが出来る。
【００１４】
有機蒸気噴流沈着用の典型的な沈着圧力は、０．０１〜１０Ｔｏｒｒの範囲である。無定形フィルムも結晶性フィルムも有機蒸気噴流沈着により成長させることが出来る。
【００１５】
本発明の一態様において、同伴ガス流速Ｖは、見掛け流速（ｂｕｌｋ ｆｌｏｗ ｖｅｌｏｃｉｔｙ）が少なくとも該分子の熱運動速度、略１００〜１０００ｍ／ｓのオーダーに乗るように増加させ、一方向性の「噴流」物質を造り出す。数学的用語を使えば、この条件は、ノズルの軸方向の平均流速（見掛け流速）が少なくともノズル軸に直角方向の平均絶対流速（熱運動速度）のオーダーに乗る場合に、満たされる。好ましくは、ノズルの軸方向の平均流速はノズル軸に直角方向の平均絶対流速と少なくとも同じ大きさである。用語、「絶対」流速はノズル軸に直角方向の平均流速に関して使用しているが、その理由は、或る特定の流速で左に移動する各分子に対して同じ速度で右に移動する他の分子があるかもしれず、この様な方向の平均流速が略零になるかも知れないからである。
【００１６】
更に、本発明の一実施態様によれば、基体温度、反応器圧力、およびノズル構成の適当な条件下で、もしもノズルと基体の離隔距離ｓが同伴ガスの分子平均自由行路λ内にあれば、解像度が略１μｍの縁の鋭い画素の配列を噴流沈着で達成出来る。更に、一方向性流の故に、より重い同伴ガスを使用すると、より良い沈着方向性が得られ、その後より鋭い画素が得られる。
【００１７】
本発明の或る態様の一利点は、ノズルと方向流の加熱により材料の浪費が最小となっていることである。例えば、ノズル表面上への有機物質の物理収着（凝縮）を避けるのに充分な温度までノズルを加熱することが出来、それにより浪費を減少させ、又ノズルを掃除する必要をも減少させるのである。基体を冷却して、沈着特性を促進し、有機物質が沈着しなくなる点まで同伴ガスが基体を加熱するような事態を避けることが出来る。他の利点はマスキング工程がないことであり、その結果、製造速度が増加し、沈着装置のデザインがより小型となり、シャドウマスクからの汚れがなくなるのである。典型的に１ｍｍ未満の離隔距離ｓを必要とする高解像度沈着において、有機蒸気相沈着を用いたシャドウマスクからの汚れは特に問題である。その小さなマスクと基体との離隔距離を大きな基体面積に亘って維持する際には、特に該マスクが通常は薄く可撓性であろうから、更に問題が生ずる。
【００１８】
本発明の或る態様の他の利点は、別個のシャドウマスクを使う必要なしに同じ基体上に複数のカラー画素をパターン化することにより、フルカラー有機発光ダイオードディスプレイの製造に本方法を使用することが出来るということである。該装置は、インク噴射式印字装置の印刷ヘッドに酷似して配置され同調して操作される或る配列のノズルを組み込んでいる。各ノズルは赤、緑および青発色団用の３個の源セルを組み入れ、シャドウマスクを移動させる必要なく、それらの物質を順次に層状にするための弁調整を行うことが出来る。例えば、各ノズルを異なる弁を通して複数の源セルに連結させ、各ノズルからの沈着を基体上の異なる場所で異なる色に変えることが出来る。あるいは、各ノズルを複数の源セルの一つだけに連結させ、各ノズルにそれ自体の弁を持たせるか、又は、異なるグループのノズルを異なる源に連結させ、各グループにそれ自体の弁を持たせて、ノズルブロックが予め定めたパターンの異なる有機物質を沈着するようにすることが出来る。
【００１９】
本発明の態様によれば、源セルから流速Ｖで移動する不活性同伴ガスを介して、有機蒸気を時限弁を通してノズルブロック中に移送し、その際該移送を圧力Ｐで行い、不活性同伴ガスの流速Ｖを見掛け流速が少なくとも該分子の熱運動速度のオーダーに乗るように増加させ、次に流速Ｖで移動する不活性同伴ガスを介して該有機蒸気をノズルブロックから冷却基体上に噴出し、その際冷却基体を温度Ｔとノズルブロックからの距離ｓに維持することを含む、有機物質の基体上へのパターン化沈着方法が提供される。
【００２０】
更に、本発明の態様によれば、冷却基体またはノズルブロックの一方を速度νで横に平行移動させながら冷却基体をノズルブロックからの距離ｓに維持し、その際速度νを時限弁と同調させて有機物質のパターン化沈着を作り出すことを含む方法も提供される。
【００２１】
更に、本発明の態様によれば、０．０１〜１０Ｔｏｒｒの圧力Ｐにおけるこのパターン化沈着方法も提供される。
【００２２】
更に、本発明の態様によれば、基体とノズルブロックとの間の距離ｓが同伴ガスの分子平均自由行路内であるこのパターン化沈着方法も提供される。
【００２３】
更に、本発明の態様によれば、ノズル噴流の各々が１個以上の源セルを含む少なくとも１個のノズル噴流、１個以上の源セルの各々に連結された１個の時限弁、および１個の時限弁に連結された加熱ノズルブロックを含む、有機物質の基体上へのパターン化沈着用の装置も提供される。
【００２４】
更に、本発明の態様によれば、パターン化沈着がフルカラー有機発光ダイオードディスプレイであり、少なくとも１個のノズル噴流が長方形の配列をしたｎ×ｍ個のノズル噴流であり、１個以上の源セルが赤、緑、および青発色団用の３個の源セルである、有機物質の基体上へのパターン化沈着用の装置も提供される。
【００２５】
更に、本発明の態様によれば、加熱ノズルブロックの出力で変化し得る口径を含む、有機物質の基体上へのパターン化沈着用の装置も提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】真空熱蒸着システムを示した図である。
【図２】真空熱蒸着システムを示した図である。
【図３】有機蒸気相沈着システムを示した図である。
【図４】有機蒸気相沈着システムを示した図である。
【図５】シャドウマスクを通しての沈着に対する模擬実験結果を示した図であり、変化する沈着圧力の影響を示している。
【図６】シャドウマスクを通しての沈着に対する模擬実験結果を示した図であり、マスクと基体との離隔距離を変化させた場合の影響を示している。
【図７】シャドウマスクを通しての沈着に対する模擬実験結果を示した図であり、変化するマスク厚みの影響を示している。
【図８】シャドウマスクを通しての沈着に対する模擬実験結果を示した図であり、変化する有効境界層厚みの影響を示している。
【図９】有機蒸気噴流沈着装置の一態様を示した図である。
【図１０】シャドウマスクを通しての沈着後に銀被覆ガラス基体上に形成されたいくつかの代表的Ａｌｑ３パターンの走査電子顕微鏡写真を示した図である。
【図１１】無次元分散変数Ｒ＝ｄ／ｓ対沈着圧力Ｐｄｅｐのプロットを示した図である。
【図１２】物質の濃度図を示した図である。
【図１３】有機蒸気噴流沈着により沈着した物質の模擬輪郭を示した図である。
【図１４】同伴ガスが見掛け流速を有する有機蒸気相沈着の模擬実験結果を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の態様は、有機蒸気相沈着の蒸気移送機構を利用した、有機物質の基体上へのパターン化沈着方法、およびこのパターン化沈着方法を行うための装置に関する。本方法の一態様には、源セルから流速Ｖで移動する不活性同伴ガスを介して、有機蒸気を時限弁を通してノズルブロック中に移送し、その際該移送を低い圧力Ｐで行い、流速Ｖで移動する不活性同伴ガスを介して該有機蒸気をノズルブロックから冷却基体上に噴出し、そしてノズルブロックの噴出端からの距離ｓに維持されている冷却基体を速度νで横に平行移動させることが含まれる。該平行移動速度は時限弁と同調させて有機物質の望ましいパターン化沈着を作り出す。
【００２８】
図１は真空熱蒸着システム１００を示す。源１１０は物質が真空室１２０の中に蒸発するように加熱される。該物質は真空を通して基体１３０に拡散し、そこで沈着することが出来る。
【００２９】
図２はマスク２２０を有する真空熱蒸着システム２００のより詳細な図を示す。源２１０は、１０−６〜１０−７Ｔｏｒｒの程度の真空中に拡散する有機物質を提供する。該有機物質は該真空を通して且つシャドウマスク２２０を通して拡散する。開口２２２を有するシャドウマスク２２０は基体２３０から距離ｓ離れて配置されている。有機物質はシャドウマスクを通過してから基体２３０上に沈着してパターン化有機層２４０を形成する。
【００３０】
真空熱蒸着に典型的に使用されている圧力は低いので、分子平均自由行路λ（ｍｆｐとも云われる）は全く大きいであろう。例えば、１０−７Ｔｏｒｒでλは略１ｍである。結果として、例えば、該室内の源と基体との距離が１０〜１００ｃｍの程度である場合、５０μｍ未満のマスクと基体との離隔距離は、縁が良く画定された１００μｍまでの画素を生ずることが出来る。好ましくは、基体２３０と源２１０との距離は、真空中の分子同士の衝突が最小となるように分子平均自由行路λよりも小さく、マスク２２０により遮られない基体２３０から源２１０への明瞭な線の視界が存在する所にパターン化層２４０が沈着する。真空熱蒸着を用いて、良く画定された限定ベースと台形をなす画素側面が得られる。１０−３〜１０−１３Ｐａが真空熱蒸着には好ましい圧力範囲である。
【００３１】
源２１０は単一の点ではないので、パターン化層２４０は開口２２２よりわずかに大きくなるであろう。図２に関して、パターン化層２４０のベースの長さｌ３は次の式によって表される：
【数１】
（式中、ｓ＝マスクと基体との離隔距離、ｔ＝マスクの厚み、ｌ１＝源の幅、ｌ２＝開口の幅、そしてｈ＝源とマスクとの距離）。この式により、実験的に観察される値に非常に近いｄ値が得られる。
【００３２】
図３は有機蒸気相沈着システム３００を示す。同伴ガスは源セル３１０の上を通過し、該源セルから有機物質が同伴ガス中に蒸発する。複数の源セル（示されていない）を用いて、有機物質の混合物を提供し、そして（または）異なる時刻に異なる有機物質を提供することが出来る。それから同伴ガスは基体３３０からδの距離に位置するマスク３２０を通過する。それから同伴ガスは基体３３０上に衝突し、そこで有機物質が基体表面上に物理収着される。基体３３０は冷却することが出来る。システム３００の壁３４０を加熱して、有機物質が壁３４０上に沈着するのを減少させるか防止することが出来る。有機物質は小分子物質であっても良いし、又は重合体物質であっても良い。
【００３３】
図４は、有機蒸気相沈着システム４００を示す。源（図４には示されていない、例えば、図３参照）から有機分子を運ぶために同伴ガスを使用する。該分子は平均自由行路λを有する。マスク４１０は基体４２０の上ｓの距離に配置されている。有機層４３０はマスク４１０中の開口４１２を通して基体４２０上に沈着する。同伴ガス中の分子同士の衝突の故に、直接開口４１２の上ではない領域で、マスクの下ｄの距離まで有機物質の沈着が著しく生ずるであろう。該沈着は好ましくは圧力範囲の下限で行われるので、平均自由行路はより高い圧力におけるよりも大きくなり、それに対応してｄは小さくなり、従ってフルカラーディスプレイ用途に好ましいミクロン尺度の解像度が達成出来る。
【００３４】
図５はシャドウマスクを通しての拡散方式沈着に対する模擬実験結果を示す。公称ｓ＝１０μｍおよび１８μｍのマスク厚さに対して、λ＝８．２５、８２．５および８２５μｍ
【数２】
に対する沈着パターンが図５に示されている。分子を、平均分子熱運動速度を有する任意の角度でマスクから２０００μｍ離れた点から発射し、模擬空間体積にわたり拡散させた。基体の付近の濃度分布は線状であることが分ったが、それは移送が純粋に拡散性であることを示している。これが、図５において異なる値のλに対してｄの相違が観察されない理由である。又連続体モデルと一致して、基体とマスクに沈着する分子の割合、即ち、沈着効率は、小さなＤｏｒｇに対応する小さなλの方が、より低い。この模擬実験は、３０μｍのマスク開口幅、１８μｍのマスク厚み、およびマスク離隔距離、ｓ＝１０μｍで、行った。プロット５１０，５２０および５３０は、Ｐｄｅｐ ＝ １．０， ０．１， ０．０１ Ｔｏｒｒでλ＝ ８．２５， ８２．５， ８２５に対して、マスク（高部）および基体（底部）上への沈着厚さ分布を示している。プロット５１０，５２０および５３０の間で画素形状に顕著な相違は無く、これは純粋に拡散性の方式では圧力が縁の分散に殆ど影響を有さないことを示すものであり、沈着効率は予想通りλの値が低くなると低下する。
【００３５】
図６はシャドウマスクを通しての拡散方式沈着に対する模擬実験結果を示す。ｔ＝１８μｍかつλ＝８２．５μｍで、マスクの開口幅は３０μｍのままであるが、プロット６１０，６２０および６３０に対して夫々 ｓ＝３，１０，２０μｍである。ｓの値が小さくなると、画素は鋭くなる。ｓ〜λである限り、真空沈着と同様に、台形状の画素形状が得られる。ｓ〜ｔであると、画素の重複が生じ始める。この模擬実験に対して純粋に拡散性の構成を維持すれば、図６はｓの変化が画素の縁分散に如何に影響するかを示す。この方式でλはｄに影響しないので、我々はλ＝８２．５μｍを使用する。ｔ＝１８μｍに対しｓ＝２０μｍの場合に、画素のぶつかり合いが生じ始める、即ち、ｓがｔに近づくと、隣接する画素同士の重複が生ずる。
【００３６】
図７はシャドウマスクを通しての拡散方式沈着に対する模擬実験結果を示す。λ＝８２．５μｍかつｓ＝１０μｍで、マスクの開口幅は３０μｍのままである。ここで、プロット７１０，７２０および７３０に対して夫々マスク厚さ、ｔは１８， ３６， および５４μｍに変えられている。マスクが厚くなると、低いマスク対基体沈着比に見られるように、基体への物質流動を切除し沈着効率を減少させるという犠牲にもかかわらず、画素は鋭くなる。ｔがλに近づくに従って、真空蒸着と同様に、平行分子流束は台形状の画素群を生ずる。ｔがλに近づくに従って、ドーム形状の輪郭は次第に真空熱蒸着台形のようになる。
【００３７】
図８はシャドウマスクを通しての拡散方式沈着に対する模擬実験結果を示す。λ＝８２．５μｍかつｓ＝１０μｍで、マスクの開口幅は３０μｍである。プロット８１０および８２０は、夫々δ＝４１０μｍおよびδ＝２０６０μｍに対する結果を示す。ここでは、噴射点を基体に近づけるように調節することにより、有効境界層厚さを２０６０μｍから４１０μｍに減少させる。基体への拡散限定移送用の連続体モデルと一致して、δがλに近づくに従って、沈着効率は増加する。ここでは、分子を基体に近づけて噴射することにより有効δを変えた。
【００３８】
純粋に拡散性の沈着方式における同伴ガスの質量の変化は、前の節の議論から予想されるように、沈着分布に一次の効果を有さないことが分った。
【００３９】
図９は有機蒸気噴流沈着装置の一態様を示す。本発明の態様に従う基体上への有機物質のパターン化沈着方法を、図９を参照しながらこれから説明する。
【００４０】
一態様において、有機蒸気は不活性同伴ガスにより源セル９１０から時限弁９２０の中へと運ばれる。源セル９１０は好ましくは温度Ｔに維持され、不活性同伴ガスは流速Ｖで移動している。時限弁９２０の開閉（即ち、該弁の時間的調節、τ）は、好ましくはパターン化沈着方法を通して調節される。時限弁９２０が開いている時、有機蒸気を運ぶ不活性ガスは時限弁９２０を通してノズルブロック９３０の中へ移動する。ノズルブロック９３０は、有機蒸気をノズルブロック９３０を通して運ぶ不活性ガスの温度を調整するのに用いられる加熱（冷却）装置９４０を含むのが好ましい。有機蒸気噴流沈着と有機蒸気相沈着との一相違は、加熱壁３４０のような加熱壁の利点が有機蒸気相沈着では顕著であるかもしれないが、有機蒸気噴流沈着ではそれ程顕著ではないということである。特に、ノズルブロック９３０が加熱装置９４０を含む場合、真空室（図９には示されていない）の壁を加熱する別個の追加加熱装置の利点は必要ないかもしれない。しかしながら、それにもかかわらず、有機蒸気噴流沈着用真空室の壁を加熱する加熱装置は使用することが出来る。ノズルブロック９３０は好ましくは幅ｚのノズルを有する。ノズルブロック９３０から、不活性同伴ガス中の有機蒸気はノズルを通して基体９５０、好ましくは冷却基体上に噴出され、そこで有機蒸気が凝縮してパターン化層９６０を形成する。好ましくは、有機蒸気はノズルブロック９３０から基体９５０までの距離ｓを移動しなければならない。基体９５０は、物質の沈着と沈着の間、物質の沈着中、または両者において、平行移動速度νで移動させることが出来る。基体は好ましくはモーター駆動ステージを用いて平行移動させ、該ステージと弁の時間的調節はコンピューターの調節により操作し同調させる。多層沈着及び多色ディスプレイ沈着のためには該装置を直列で繰り返すことが出来る。
【００４１】
前述の工程変数を調整することにより、所望のパターン化沈着を達成することが出来る。具体的には、所望の幅ｌのパターン化層９６０に対して均一な厚さ分布、ｔを達成することが出来る。該方法を減圧で行うことにより、幅ｌにおける分散を最小にすることが出来る。更に、大気圧でも、ノズルブロック９３０から基体９５０までの距離ｓを減少させること、及び（又は）同伴ガス流速Ｖを増加させることにより、幅ｌにおける分散は最小となるであろう。
【００４２】
もし図９におけるノズルブロック９３０から基体９５０までの距離ｓが基体をシャドウマスクから分離する数ミクロンに匹敵する大きさであり、ガス流速Ｖが充分に高ければ、その時はｌにおける分散は最小となり、解像度は１ミクロンの程度で予想されるであろう。
【００４３】
１０−６より低い圧力で真空熱蒸着を用いて鋭く画定された画素を達成することは、分子平均自由行路λが典型的に３０ ｃｍより大きいので、比較的容易であるが（図１および２参照）、有機蒸気相沈着では状況はもっと複雑である。有機蒸気相沈着は０．１μｍ＜λ＜１ｃｍで且つ０．０１Ｔｏｒｒより高い圧力で典型的に進行するので、マスク面の付近における分子間衝突の頻度が増加し、縁が比較的より拡散した画素が生ずる（図４参照）。それにも拘わらず、我々はミクロンの程度でパターンを画定させたシャドウマスクを通しての有機フィルム沈着を示した（図１０参照）。
【００４４】
図１０は、２×１０−６〜２Ｔｏｒｒの範囲のＰｄｅｐにおけるシャドウマスクを通しての有機蒸気相沈着から得られるパターンの走査電子顕微鏡写真を示す。沈着圧力が増加するに従って、模擬データも実験データも縁の鋭さが失われることを示している。イメージ１０１０，１０２０および１０３０は、夫々、Ｐｄｅｐ＝２×１０−６， Ｐｄｅｐ＝０．２ＴｏｒｒおよびＰｄｅｐ＝２Ｔｏｒｒに対する結果を示す。左カラムおよび右カラムに対して、夫々、離隔距離ｓは５μｍおよび２．５μｍである。モデルにより予測されるように、圧力およびマスクと基体との離隔距離が増加するに従って、画素はより拡散する。０．２Ｔｏｒｒの圧力および１５μｍまでの離隔距離で、フルカラーディスプレイ用途に充分な数ミクロンの程度の画素解像度を達成することが可能であることが判明した。
【００４５】
同時係属特許出願代理人事件整理番号１００１０／３７は、有機蒸気相沈着の基礎を説明しており、参考の為本明細書に加入する。同時係属仮出願代理人事件整理番号１００２０／２１９０１（本明細書では「＆ａｐｏｓ；９０１出願」という）も参考の為本明細書に加入する。＆ａｐｏｓ；９０１出願は、有機蒸気相沈着を用いて有機物質をシャドウマスクを通して沈着させ、連続して金属を真空蒸着により同じシャドウマスクを通して沈着させる、有機装置作成用の複合技術に関する。＆ａｐｏｓ；９０１出願では、有機蒸気相沈着の背後にある理論が充分に発展されており、模擬実験に使用されるモデルが説明されている。蒸気相移送用に開発されたこれらの同じモデルを用いて、我々は、もし見掛け流速を増加させてガス噴流を作り出し、基体からノズルまでの距離が分子平均自由行路内であるならば、１ミクロンの解像度が達成出来ることを、更に判断した。該モデルを以下に説明する。
【００４６】
有機蒸気相沈着の概念は図３及び４に例示されている。該方法は以下に概説する三工程から成る。スピシーズＡの蒸気は、該源物質を不活性同伴ガス流中で加熱することにより発生する。その後、気体状のＡは同伴ガスにより沈着室の中に運ばれ、そこで該流れは基体の付近で流体力学的境界層を形成する。最終工程で、有機分子（０．０１％未満の典型的濃度で存在する）は境界層を横切って拡散し基体上に物理収着または吸着される。これらの三段階の移送は、以下の一連の反応として表すことが出来る：
【数３】
式中、Ａｓは固体状または液体状の有機分子のスピシーズを表す。スピシーズＡｓおよびＡｇは、源セルの内側で、特性速度ｋｅｖａｐおよびｋｃｏｎｄで夫々蒸発し再び凝結する。蒸発は、所謂「動的」状態（ｋｅｖａｐ ＞ ｋｃｏｎｄ）にあるか、又は平衡状態（ｋｅｖａｐ ＝ ｋｃｏｎｄ）にある場合に起こる。同伴ガスによる同伴の結果、Ａｃｇは特性見掛け移送速度ｋｔで基体の付近まで移送され、そこで１００％の全効率でＡｃｇｓとなり、残りは沈着室から排出される。境界層を横切るＡの拡散および特性速度ｋａｄｓでの吸着により、沈着が起こる。全沈着速度は、ｒｄｅｐ ＝ ｋｄｅｐ − ｋｄｅｓ（ｋｄｅｓは基体からの脱着速度である）である。
【００４７】
以下で議論する有機蒸気相沈着の高度の分子特性に関する資質を以って、我々は、典型的には、同伴ガス速度対平均分子速度の比、νｃ／ｕは略０．０１〜１である、即ち、低圧有機蒸気相沈着における流れは音波状態よりも低いか又はそれに接する。使用される低圧のために、レイノルズ数、Ｒｅは充分層流状態内にある（Ｒｅ≪２０００）。基体の付近におけるグラスホフ数、Ｇｒはやはり１よりも小さく、これは基体の近くのガス混合において自然対流が顕著でないことを暗示するものである。当面の沈着力学の議論に対しては、工程２，３ａおよび３ｂのみが関連している。無定形薄膜の効率的な沈着は最小の表面拡散と脱着を要するので、我々は最も低い実用的な基体温度を使用する。この場合、結晶化速度、ｋｃは非常に高いが、二つの事が起こる、即ちｋａｄｓ≫ｋｄｅｓとなり、これは表面を拡散する有機分子が基体に拡散するよりもずっと速く固定されることを意味する。従って、「反応」３ｂは非常に速く、無定形フィルムの沈着に対しては考慮する必要がない。かくして、速度を限定する工程は２と３ａである。
【００４８】
以前の著書に示されているように（Ｍ．Ｓｈｔｅｉｎ，ｅｔ ａｌ．，Ｊ．ｏｆ Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，８９：１４７０（２００１）参照）、工程２と３ａの組合せに対する全沈着速度、ｒｄｅｐは以下のように表すことが出来る：
【数４】
式中、Ｐｏｒｇ／ＲＴは有機スピシーズの濃度であり、
【数５】
は同伴ガス流速であり、本明細書を通じて同伴ガス流速を示すために同様に使用されている変数Ｖと等しく、δは境界層の厚みであり、Ｄｏｒｇは同伴ガス中における有機分子の拡散係数である。運動学的粘性自体はν＝μ／ρ（式中、ρ＝Ｐ／ＲＴ）によって圧力に依存している。背景ガス圧力、Ｐｄｅｐを増加させると、二つの反する因子、即ち、ｒｄｅｐを低下させる拡散係数Ｄｏｒｇの減少および移送速度を改良するδの減少のため、沈着速度、ｒｄｅｐはほとんど直線的減少を示すであろう。この式は、与えられたプロセス条件に対して全沈着速度を予想し、又、表面分子拡散モデルを加味して、多結晶性薄膜の結晶化速度と粒径を予測するのに使用することが出来る。
【００４９】
基体の付近においては、このシステムは、平板に垂直にぶつかるガス噴流、平板の近くで停滞する均一な流れ、又は（塗布均一性を改良する）回転円板上にぶつかる流れとして設計することが出来、すべての場合、δは以下の式で表される：
【数６】
式中、νはガスの運動学的粘性であり、ａは
【数７】
および（又は）回転速度と共に直線的に減少する量であり、この式は、νがｃｍ２／ｓで表されａに対してｃｍ／ｓで表した見掛け軸速度を使用する場合、δをｃｍの単位で直接予測するのに使用することが出来る。有機蒸気相沈着およびこの研究で使用されている典型的な条件、例えば、窒素のＴ＝２７５℃， Ｐｄｅｐ＝０．２Ｔｏｒｒおよび
【数８】
に対して、δは略１〜１０ｃｍである。しかしながら、は典型的な沈着室の軸の寸法の程度であるから、境界層の数式項は注意して有機蒸気相沈着に適用しなければならない。
【００５０】
（有機蒸気相沈着を用いたパターン化フィルム沈着）
先の議論は、均一な見掛け拡散係数Ｄｏｒｇと境界層厚みδの使用のため、連続体仮定の妥当性に依存している。この部分は、有機蒸気相沈着におけるシャドウマスキングに適用した場合の連続体仮定の妥当性を検討する。
【００５１】
シャドウマスクを通しての有機蒸気相沈着を分析する際の主要な疑問は、有機分子がマスク面に到達する時最初の見掛け流速をどの程度維持するかである。最初に、我々は境界層、「ＢＬ」の存在を仮定するが、そこではその名のとおり分子が見掛け移送の記憶を失い、速度分布が充分に熱運動化される。この場合、より高いＰｄｅｐによるＤｏｒｇの減少はパターンの鋭さを少なくしないことが定性的に見られる。Ｄｏｒｇは等方性であるから、分子が基体に直角に拡散するのが長くかかればかかる程、分子が横に拡散するのが（同じ量だけ）ますます長くかかるであろう。これらの速度の相互取消は異なる圧力における同一のパターンを生ずると思われるが、これは観察される実験傾向ではない。Ｄｏｒｇに対するわずかにより現実的なモデル（例えば、下の式（８）参照）は、減少する温度勾配に沿ってそれが基体の方向に減少する所にある。しかしながらもう一度、減少が等方性であるから、パターンは影響されないままであるべきである。
【００５２】
境界層内の等方性速度分布に対する要件を緩め、分子にそれらの初期速度のｚ成分を維持させると、ｄｍａｘが大体次式により表されることを示すことが出来る：
【数９】
式中、ｄｍａｘは図４に示されるような画素縁分散であり、ｕは沈着室における同伴ガス速度である。ここで我々は、λはマスク開口に沿って位置する一連の源点からの拡散として該プロセスをモデル化するのに充分小さいと仮定した。画素縁分散は、Ｄｏｒｇを介した圧力並びにマスクと基体との離隔距離ｓの平方根と共に増加する。見掛け流速を増加させると、当然このモデルの場合、鋭さが改善される。しかしながら、この式は穏やかな圧力（例えば０．１Ｔｏｒｒ）に対して画素縁分散を少なくとも一桁の大きさだけ過大評価しているが、それはこの議論に関する寸法と圧力には拡散移送仮定が厳格には適用できないからである。実験的に得られた沈着パターンは、該機構が二つの拡散様式間のどこかにあることを暗示している。
【００５３】
ここで、連続体、それ故に拡散仮定が有機蒸気相沈着条件の大部分に対して正しくないことに注意すべきである。シャドウマスクの寸法に基づくクヌーセン数（λ／Ｌ， Ｌは特性長）は大きく、質量およびエネルギーの保存方程式はもはや閉集合を形成しない。真空熱蒸着と有機蒸気相沈着の機構はそれぞれ図２と４に概略的に示されている。基体の近くで有機分子が直面する乱雑な衝突は、画素が横に拡がる原因になる。その名のとおり分子速度の完全な乱雑化は境界層の内部で起こるので、δの大きさはパターンの鋭さに影響すると予想される。更に、後者は以下の因子、即ち、分子平均自由行路λ、マスクと基体との離隔距離ｓ、およびマスク開口形状により限定されるであろう。プロセス要因の観点から、これらの因子は沈着圧力、同伴ガス流速、使用する同伴ガスの種類、およびシャドウマスクの設計により調整される。Ｄｏｒｇとλとは緊密に関連しているので、我々は次にλがどのようにＰｄｅｐと共に変化するかを、そしてそのパターン鋭さへの影響を検討する。
【００５４】
モンテ−カルロ式模擬実験は、シャドウマスクを通しての沈着をモデル化するのに使用することができる。我々は今や、更なる分析を遂行するのに必要な方程式を提示する。図４における論理から、明らかに、λが大きくなると、境界層内の分子間衝突が少なくなり、シャドウマスク上の横に均一な濃度分布と相まって基体上のパターンの横分散が少なくなる。単一成分低圧非極性ガスに対して、λは次の式を有する。
【数１０】
従って、ガスの圧力を減少させることによって、平均自由行路は増加し、より鋭い画素が得られるであろう。しかしながら、圧力を無制限に減少させることは出来ない、というのは有機蒸気を運ぶために使用する同伴ガスの流入が必然的に背景ガス圧力を生ずるからである。非常に低い沈着圧力Ｐｄｅｐの限界は、λが大きく同伴ガス流速
【数１１】
が物質移送を制限する自由分子移送方式を表す。
【数１２】
が増加するとＰｄｅｐが大きくなり、λが減少するに従って移送は拡散が制限されてくる。充分な同伴ガス流速の使用と有機物質のガス相拡散の最大化との妥協が、有機蒸気相沈着で好ましく使用される最適圧力範囲、０．０１〜１０Ｔｏｒｒを生ずる。
【００５５】
方程式（６）はヘリウム及びアルゴンのような希薄非極性ガスに関して正確に使用することが出来るが、有機蒸気相沈着はＡｌｑ３のような錯体分子と窒素またはアルゴンのような同伴ガスとの混合物を扱っている。有効な名目上の平均自由行路および衝突断面、即ち、λおよびσは、方程式６および下記の関係式により拡散係数に対する変形表現を通して決めることが出来る。
【数１３】
ここで、双極子または誘導双極子を有する分子の拡散係数に対する下記のチャップマン−エンスコグ式を用いることが出来る：
【数１４】
式中、Ｍｉは拡散スピシーズｉの質量であり、Ｔはガス温度であり、σＡＢは平均衝突断面であって、σＡＢ ＝ ［１／２（σＡ＋σＢ）２］１／２。量ΩＤ，ＡＢはレナード−ジョーンズ分子間電位および温度の無次元関数である。残念なことに、有機発光ダイオードで普通に使用されている物質に対しては、信頼できるレナード−ジョーンズ変数が利用できず、下記のフラーの相関関係を置換えることが出来る：
【数１５】
式中、Σνは拡散分子の個々の構造成分の有効体積寄与率の合計である。種々の分子特定定数が他の場所に記載された標準基寄与方法を用いて計算されている（Ｒ．Ｂ．Ｂｉｒｄ， Ｗ．Ｅ．Ｓ．，及びＥ．Ｎ．Ｌｉｇｈｔｆｏｏｔ著Ｍｏｍｅｎｔｕｍ，Ｈｅａｔ ａｎｄ Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，１９９６年，Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ社発行）。表１から明らかなように、ＤＡＢの値は異なる理論間で１／２桁の大きさだけ異なり、２成分の拡散係数をより正確に決めるためには、より詳細な実験および（又は）分子動力学模擬実験を行うことが必要であろう。しかしながら、λおよびσの近似値は圧力に対する傾向を決めるには充分であるはずである。
【表１】
【００５６】
上記分析を加入したモンテ−カルロ模擬実験が以下の通り進行する。計算空間をセルの大きさが可変の３次元格子に分割する。有機分子を表す粒子は、境界層の内側でマスクの上に無作為な最初の位置を割り当てられ、マックスウェル−ボルツマン分布を満たす速度を与えられる。或る時間間隔経過後で平均自由行路の１／１０以下の短い移動距離の後に、該分子はマックスウェル−ボルツマン分布からの任意の速度を有する局所的に発生した同伴分子と衝突させられる。衝突の受入れは次の関数を用いて計算される：
【数１６】
式中、ＦＮは１個の模擬分子により代表される現実の分子数であり、σＴは衝突分子の全断面であり、ｕｒはそれらの相対速度であり、Δｔは衝突を生じさせる時間間隔であり、一方Ｖｃは衝突が起るセルの容積である。σＴの値は、粒子相対速度νｒに次の式で対応する有効衝突直径ｄｅｆｆから計算することが出来る。
【数１７】
空間で巨大分子を追跡している間に、全プロセスを繰返す。基体平面またはマスク側面に衝突すると、有機粒子はそこに固定される。境界の条件を周期的に横に与え、一方有機物質と同伴ガスの一定濃度を境界層の縁で固定する。所望の膜厚が基体上に形成されるまで模擬実験が行われる。いくつかの個々の分子から成る巨大分子の追跡は計算費用を節約するために行われる。模擬実験を適用して図５乃至８に示される結果を生じた。
【００５７】
図１１は、実験結果および模擬実験結果の両方に対して、無次元分散変数、Ｒ＝ｄ／ｓ対沈着圧力、Ｐｄｅｐ（底部軸）および平均自由行路、λ（頂部軸）のプロットを示している。星印１１１０、正方形印１１２０、三角印１１３０および円形印１１４０は、夫々２，５，１５および１１５ミクロンのマスクと基体との離隔距離に関する実験結果を示している。プロット１１５０，１１６０，１１７０および１１８０は、夫々２，５，１５および１１５ミクロンのマスクと基体との離隔距離に対する模擬実験結果を示している。圧力が減少するに従って、Ｒはゼロまで減少せず、むしろ真空熱蒸着における源の限定された大きさ、および源−マスクとマスク−基体の間隔に特有の一定値で飽和する。１０−６Ｔｏｒｒと０．２Ｔｏｒｒとの間の点は、現行の実験準備では容易に入手できず、モンテ−カルロ模擬実験を用いて充填した。
【００５８】
分子が境界層に入りそこを通って拡がる時最初の見掛け流速を維持させれば、沈着輪郭はより鋭くなる。見掛け流速Ｕｂｕｌｋが
【数１８】
に近づく時、沈着輪郭は真空蒸着に特有の台形に近づく。これは、インク噴流印刷のような同伴ガスの超速噴流を用いて有機物質が基体上に「噴射」される沈着方式を示唆する。
【００５９】
蒸気噴流沈着方式の例が図１２に示され、該模擬実験結果が図１３に示されている。図１２は、１００ｍ／ｓの垂直初速度で１００ｍｍ厚のマスクを通り過ぎて流れる模擬のＡｌｑ３用の超速同伴流を用いた沈着の噴流状特性を示す物質濃度図である。垂直寸法は２００μｍであり、水平寸法は６０μｍである。画素は方向を持ったガス噴流によりパターン化され物質はシャドウマスクを塗布するのに全く浪費されないので、この方法の全沈着効率は１００％に近づくことがで出来る。各色画素用の個々のノズルを有する沈着システムは、効率的で、正確で、より運搬可能な沈着システムを提供することが出来る。
【００６０】
図１３は、有機蒸気噴流沈着により沈着した（模擬の）物質の厚みのプロットを示す。垂直寸法は９μｍであり、水平寸法は６０μｍである。
【００６１】
ガス噴流が平板に直角に衝突する本発明を表す方式では、上記で発展させたモデル（本明細書における方程式５）を適用して有機蒸気噴流沈着装置に対するプロセス変数を確定している。マスクと基体との離隔距離を分子平均自由行路λの程度まで減少させればシャドウマスクを用いた有機蒸気相沈着により鋭い画素が得られるであろうという、本明細書で提供された模擬実験および実験的根拠の両方による観察によって、この方式における操作が最初に示唆された。更に、マスク厚みを増加させることにより、基体に到達する分子は効率的に平行となり、沈着効率を犠牲にするにもかかわらず、より鋭いパターンを生ずる。しかしながら、厚いマスクも加熱すれば、物質の損失は最小となる。マスク開口の縦横比を１０より上に増加させ、基体と直角の同伴ガス速度を増加させると、ガス噴流はマスクの出口で形成されるようになる。従って、噴流沈着方式では、厚いマスクの設計は本発明の加熱されたノズルに収束する。有機蒸気噴流沈着に対するプロセス変数を今度は以下に議論する。
【００６２】
一態様において、噴流沈着のための同伴ガス流速Ｖは、該名により示唆されるように、物質の「噴流」を造り出すのに充分でなければならない。ガス流を一方向噴流に見えるようにするためには、見掛け速度は分子の熱運動速度（〜（８ｋＴ／πｍ）１／２）以上の程度でなければならない。例えば、室温で窒素Ｎ２の熱運動速度は略４５０ｍ／ｓである。従って、全ガス体積流量の概略の大きさは４５０ｍ／ｓ×Ａｃｓ，ｔｏｔ（Ａｃｓ，ｔｏｔはノズルの全断面積である）である。ノズルの構成は特定の応用により選択される。
【００６３】
源の温度およびガス流速は一緒にガス相における有機蒸気の濃度を支配する（Ｍ．Ｓｈｔｅｉｎ，Ｈ．Ｆ．Ｇｏｓｓｅｎｂｅｒｇｅｒ，Ｊ．Ｂ．ＢｅｎｚｉｇｅｒおよびＳ．Ｒ．Ｆｏｒｒｅｓｔ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８９：２，１４７０（２００１）参照）。従って、Ｔは必要な濃度により確定され、濃度は今度、どれ程多くの物質を供給する必要があるか、ＭＡにより確定される。
【００６４】
適当な時間区分Ｄｔ内に特定装置の特定層に対して沈着すべき物質Ａの量、ＭＡが与えられると、物質Ａの濃度、ＣＡは下記の式により確定される：
【数１９】
式中、Ｖは同伴ガス（プラス物質、これは通常は重要でないが必ずしもそうではない）の体積流量である。一画素に対して供給すべき物質の全量ＭＡは（画素面積）×（層厚）により与えられる。典型的な有機発光ダイオードディスプレイの画素の大きさは数ミクロン乃至数十ミクロンの程度であり、個々の層の厚みは典型的に０．１ミクロンの程度である。好ましくは、プロセス圧力は、操作圧力および温度で使用されるガス中における有機（または他の）化合物の溶解度、即ち、壁上またはガス相中に凝縮することなく同伴ガス中に存在し得るＡの最大モル分率、χＡにより究極的に決定される。特定の同伴ガスに溶質蒸気分子のすべてを同伴するのに充分な該流れに存在する同伴ガス分子数を次に計算することが出来る。これ及び、全ガス流速および、全ポンプ能力および、有機蒸気噴流沈着システムの速度が操作圧力を決定する。すべての変数が相互依存しているので、特定の沈着および応用に対して妥当な操作変数を開発するためには、反復プロセスを使用する。
【００６５】
好ましくは、有機蒸気噴流沈着装置における離隔距離または作業距離ｓは、噴流および操作圧力の流体力学により支配される。典型的に、しかし厳密に必ずそうではないが、画素の最小縁分散のためには、ｓは目前のガスシステムの分子平均自由行路λの程度またはそれより短いであろう。ここで（本明細書における方程式６も参照）、
【数２０】
式中、Ｔｇａｓ＝ガス温度、σ＝平均分子直径、Ｐｄｅｐ＝沈着圧力。例えば、Ａｌｑ３／Ｎ２システムに対しては、Ｔ＝２７５℃において、Ｐｄｅｐ＝０．０１， ０．１， １， および１０Ｔｏｒｒに対して、夫々、λ≫１５００， １５０， １５， １．５μｍである。これらの条件下で、蒸気分子をノズルから基体までの距離移送する時、該噴流が横分散する時間は最小となる。しかしながら、作業距離が短くなればなるほど、装置の構築はますます難しくなるであろうし、又凝縮を防ぐためにノズルを熱く保ちながら基体を冷たく保つことはますます難しくなるであろう。従って、必要な画素解像度を達成するのに必要な限界よりずっと下まで作業距離を減少させることは望ましくない。
【００６６】
好ましくは、個々のノズルの断面積Ａｃｓおよびその形状は、得る予定のパターンの形状により決定される。操作圧力は多分分子の平均自由行路が短くなるようにすべきであるから、作業距離もミクロンの程度で短い。流速、作業距離、およびノズルを横切る圧力降下が与えられると、その形状は望ましい横分散に適するように設計され、理想的にはノズル幅は沈着画素の幅に対応する。
【００６７】
シャドウマスキングを用いた有機蒸気相沈着において、拡散の前に来る工程は同伴ガスによる基体の付近への蒸気の運搬である。ここにおける見掛け流速は略１〜１０ｍ／ｓである。沈着における最終工程は境界層を横切る分子の拡散であり、そこにおける分子速度は等方性なので画素縁分散を生ずる。好ましくは、或る一定のマスク−基体構成と物質のシステムに対して、この分散はλのみにより決定される。同伴ガスをＮ２から例えばＡｒに変えると、小さな影響が現れるかもしれないが、これはσＡＶＥ ＝σＮ２ ＋ σＡｌｑ３であり、σＡｌｑ３ ＞σＮ２，Ａｒであるからである。同伴ガス分子の質量の差は何ら相違を生じず、より重い分子はより遅く移動するだけであり、従って、熱運動化された等方性速度分布でのＡｌｑ３−Ｎ２又はＡｒの衝突で移動する運動量は同じである。
【００６８】
しかしながら、有機蒸気噴流沈着において、我々は画素形状に対して他の調整ノブを得ている。同伴分子は熱運動速度、〜１００−１０００ｍ／ｓの程度の速度で大きな圧力降下により導管を通して押されるので、衝突における運動量移動はもはや等方性でなく、又熱運動速度分布により支配されない。むしろ、それは一方向性で基体の方に向いており、同伴ガス分子の質量に比例している（その速度はガス温度よりもむしろ、今度は圧力低下により支配される。従って、より重い同伴ガスを使用することにより、我々はより良い沈着方向性、それ故により鋭い縁輪郭そして蒸着された有機発光ダイオードディスプレイの場合にはより鋭い画素を達成することが出来る。
【００６９】
有機蒸気噴流沈着は多くの点でシャドウ−マスキングとは異なりそれを改良するものであるが、それらの点には、薄く脆いシャドウマスクの除去、マスク上に凝縮した有機物からの粉塵汚染物の除去、大面積用途用にマスクと基体との離隔距離を調整するという問題の除去、物質沈着効率の改良、画素形状を調整するという利点の提供、空間的に特定の沈着の提供が含まれ（しかしそれらに限定されない）、最後に有機蒸気噴流沈着装置は携帯性と私的用途の可能性を有している。
【００７０】
アルミニウム（Ａｌｑ３）の有機薄膜の沈着は、その場で温度と厚みを測定出来る複数バレルガラス反応器システムを用いて行われたが、それは他のどこかに詳細に記載されている（Ｍ．Ａ．Ｂａｌｄｏ等、Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７１：３０３３（１９９７）の全体を参考として加入する）。Ａｌｑ３は多数の有機発光ダイオードに好ましい小分子有機物質の一例である。簡単に言えば、該反応容器は１１ｃｍ直径×１５０ｃｍ長さのＰｙｒｅｘ（登録商標）円筒である。管内の温度勾配に沿った各セルの配置を通して源温度の調整が出来る三帯域炉により該容器を加熱する。各源を２．５ｃｍ直径×７５ｃｍ長さのガラスバレルに別々に入れる。同伴ガス流は質量流量調整器により調節し、一方沈着圧力はポンプ絞り弁を調節し全同伴流速を１０〜５０ｓｃｃｍに調節することにより０．１〜１０Ｔｏｒｒに維持する。液体窒素冷却トラップを有する４０ｌｐｍ真空ポンプを用いて未凝縮の同伴ガスおよび有機物を排出する。有機蒸気は、機械的に操作されるシャッターの後に位置する回転水で冷却された基体上に凝縮する。膜の厚みと成長速度は、偏光的に測定された有機膜厚を用いて目盛りをつけた水晶振動子微量天秤により監視する。
【００７１】
有機蒸気相沈着を用いた有機薄膜の沈着に加えて、従来の真空熱蒸着器を用いた。源と基体との距離は略３０ｃｍであり、沈着圧力は１０−６Ｔｏｒｒに維持した。
【００７２】
シャドウマスクに関して我々は、絡み合って１５μｍ平方の開口を形成している１０μｍの線から成る５μｍ厚のニッケルメッシュを用いた。このメッシュを、１ｍｍ厚の銀で被覆したスライドガラスの頂上に直接に置き、直径が１ｍｍと０．３ｍｍの丸い穴を含む５０μｍ厚のニッケルマスクで覆った。この配置は二つのｓ値に対する沈着の同時測定を可能にする。ニッケルメッシュの輪郭のため、ｓの最小値は〜２μｍである。ここで、ｓ＝２μｍに対する分散値ｄは一辺が７〜１０μｍの正方形状の画素の不明瞭さを云う。ｓ＝５μｍに対応するｄの値は、メッシュの頂上にある５０μｍ厚のマスクの１ｍｍと０．３ｍｍの穴で形成された円形沈着縁の不明瞭さを云う。
【００７３】
最も正確なマスクと基体との離隔距離を提供するために、フォトレジスト／クロム／フォトレジスト（ＰＲ１／Ｃｒ／ＰＲ２）サンドウィッチ構造と写真平板を用いて、基体に不可欠な更なるシャドウマスクを作成した。Ａｌｑ３の沈着に続いて、走査電子顕微鏡検査を用いて、得られた画素パターンを調べた。
【００７４】
一態様として有機発光ダイオードディスプレイ「蒸気噴流印刷装置」がある。この例では、我々は高解像度カラーディスプレイ用に１０００×２０００の画素配列を沈着する（〜３０×５０ｃｍの外側寸法）。「印字ヘッド」は赤発光団用の１０００ノズル、緑発光団用の１０００ノズル、および青発光団用の１０００ノズルから成る。基体および（又は）ノズルの平行移動速度は、沈着速度および沈着すべき物質量により決められる。
【００７５】
各画素は１００×１００μｍであり、５００オングストロームの染料塗布層を必要とする。現在の有機蒸気相沈着システムにおける典型的な沈着速度は１０Å／ｓであり、一方該システムは５〜１０％の効率を有する。蒸気噴流沈着を用いると、物質使用効率は１００％であると思われるが、５０％効率（１００Å／ｓ）を以って、画素セット当り５秒で全スクリーンを沈着するには〜３時間プラス平行移動時間を要するであろう。しかしながら、２つの線状配列のノズルを使用すれば、この時間は半分が削減される。従来のシャドウマスキング技術を用いて各発色団を順に沈着させると、３乃至１０分かかり得るし、シャドウマスクをきれいにするのに更に費用と時間が必要となるが、これらはかなりのものである。しかしながら、源を飽和状態に保ちながら、有機蒸気濃度および（または）同伴ガス流速の増加を暗示する適当な大きさのノズル配列と沈着速度の組合せを用いると、特に頻繁な清掃が必要でなく物質損失が減少するであろうから、有機発光ダイオードディスプレイ「蒸気噴流印刷装置」は製造時間および費用においてシャドウマスクを用いた有機蒸気相沈着に少なくとも匹敵し得る。
【００７６】
（更なる模擬実験）
冷却された基体上に小直径毛細管を通して移送される同伴ガスの噴流を考えて頂きたい。モンテ−カルロ模擬実験において、同伴ガスのｚ方向の速度Ｕｚは、この流場の上に重ねられた等方性のでたらめな分子速度によってのみ拡がる噴流をまねるために、増加され得る。図１４は、ｍｆｐ＝１０μｍ， ｔ＝５０μｍ， Ｕｚ＝１００ｍ／ｓ，および、
【数２１】
で、Ａｌｑ３を運ぶＮ２の模擬噴流に対する空間濃度分布を示す。該流場はこの流動方式では知られていなかったので、該模擬試験は簡単のためｄＵｚ／ｄｚ＝０を維持した。この数字は、平行噴射がｓ≫ｍｆｐに対しても縁の良く確定した沈着を生じ得ることを示している。かくして、Ｕ， Ｐｄｅｐ， αおよびｓを注意深く選択することにより、液体溶媒を非常に揮発性の不活性同伴ガスで置換える以外はポリマーに対するインク噴射式印刷に類似する分子状有機薄膜に対する印刷方法が可能となり得る。図１４において、有機分子を有する同伴ガスは、マスク１４１０中の開口１４１５から噴出され、基体１４２０上にぶつかる。プロット１４３０，１４４０および１４５０は、噴流ノズルが基体から異なる距離に位置している相違する模擬沈着結果を図解しており、基体がノズルから更に移動するに従って蒸気噴流が広くなることを示している。
【００７７】
本発明は特定の例および好ましい態様に関して説明されているけれども、本発明はこれらの例および態様に限定されないものと理解される。従って、当業者に明らかなように、特許を請求した本発明は本明細書に説明された特定の例および好ましい態様からの変形物を含むものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）有機蒸気を運ぶ加熱された非反応性同伴ガスを用意するステップと、
ｂ）前記有機蒸気を運ぶ加熱された非反応性同伴ガスを、ノズルブロックを通して、冷却された基体上に噴出してパターン化有機フィルムを形成するステップとを備えた有機フィルムを作成する方法であって、
前記基体と前記ノズルブロックとの間の距離が、前記非反応性同伴ガスの平均自由行路内である、方法。
【請求項２】
前記有機蒸気を運ぶ加熱された非反応性同伴ガスが、分子の熱運動速度と少なくとも同じ大きさの見掛け流速で、前記ノズルブロックを通して噴出される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パターン化有機フィルムが複数の画素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
パターンを形成する前記ノズルブロックのノズルの幅が、前記画素の幅に対応する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記加熱された非反応性同伴ガスが、ノズル軸と直角の方向の平均絶対流速と少なくとも同じ大きさの該ノズル軸の方向の平均流速を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
全同伴ガス流速が略１０〜５０ｓｃｃｍである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ノズルブロックが、前記有機蒸気の物理収着がノズル表面上に生ずる温度よりも高い温度まで加熱される、請求項１の方法。
【請求項８】
前記基体が、前記ノズルブロックよりも低い温度まで冷却される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記有機フィルムが無定形である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記有機フィルムが結晶質である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記有機蒸気が小分子有機物質を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記見掛け流速が、前記ノズルブロックにおいて略１０００ｍ／秒よりも遅い、請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
前記見掛け流速が、実質的に一方向性の噴流物質を与えるのに充分速い、請求項２に記載の方法。
【請求項１４】
前記パターン化有機フィルムが、略１μｍ以下の解像度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
パターンが、前記ノズルブロックと前記基体との間隔、前記ノズルブロックのノズルの大きさ、及びガス流速により調整される、請求項２の方法。
【請求項１６】
前記基体と前記ノズルブロックとの間の距離が略２．５μｍ以下である、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記ノズルブロックが複数のノズルを含み、第一ノズルが第一有機蒸気を噴出し、第二ノズルが、前記第一有機蒸気とは異なる第二有機蒸気を噴出する、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記ノズルブロック及び前記基体が、噴出中に互いに横方向に移動する、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記基体が、略１０−４〜１３３３．２２Ｐａ（１０−６〜１０Ｔｏｒｒ）の真空下にある、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記非反応性同伴ガスが窒素である、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
マスクを用いずにパターン化有機フィルムを作成するために使用される請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
ディスプレイ装置を作成するために使用される請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
有機発光装置を作成するために使用される請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記ノズルブロックが単一ノズルから成る、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記ノズルブロックが線形配列のノズルを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記ノズルブロックが二次元配列のノズルを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
前記ノズルブロックが口径の変化するノズルを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１】
ａ）有機蒸気を運ぶ加熱された非反応性同伴ガスを用意するステップと、
ｂ）前記有機蒸気を運ぶ加熱された非反応性同伴ガスを、ノズルブロックを通して、冷却された基体上に噴出してパターン化有機フィルムを形成するステップとを備えた有機フィルムを作成する方法であって、
前記基体と前記ノズルブロックとの間の距離が、前記非反応性同伴ガスの平均自由行路内である、方法。
【請求項２】
前記有機蒸気を運ぶ加熱された非反応性同伴ガスが、分子の熱運動速度と少なくとも同じ大きさの見掛け流速で、前記ノズルブロックを通して噴出される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パターン化有機フィルムが複数の画素を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
パターンを形成する前記ノズルブロックのノズルの幅が、前記画素の幅に対応する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記加熱された非反応性同伴ガスが、ノズル軸と直角の方向の平均絶対流速と少なくとも同じ大きさの該ノズル軸の方向の平均流速を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
全同伴ガス流速が略１０〜５０ｓｃｃｍである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記ノズルブロックが、前記有機蒸気の物理収着がノズル表面上に生ずる温度よりも高い温度まで加熱される、請求項１の方法。
【請求項８】
前記基体が、前記ノズルブロックよりも低い温度まで冷却される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記有機フィルムが無定形である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記有機フィルムが結晶質である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記有機蒸気が小分子有機物質を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記見掛け流速が、前記ノズルブロックにおいて略１０００ｍ／秒よりも遅い、請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
前記見掛け流速が、実質的に一方向性の噴流物質を与えるのに充分速い、請求項２に記載の方法。
【請求項１４】
前記パターン化有機フィルムが、略１μｍ以下の解像度を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
パターンが、前記ノズルブロックと前記基体との間隔、前記ノズルブロックのノズルの大きさ、及びガス流速により調整される、請求項２の方法。
【請求項１６】
前記基体と前記ノズルブロックとの間の距離が略２．５μｍ以下である、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記ノズルブロックが複数のノズルを含み、第一ノズルが第一有機蒸気を噴出し、第二ノズルが、前記第一有機蒸気とは異なる第二有機蒸気を噴出する、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記ノズルブロック及び前記基体が、噴出中に互いに横方向に移動する、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記基体が、略１０−４〜１３３３．２２Ｐａ（１０−６〜１０Ｔｏｒｒ）の真空下にある、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記非反応性同伴ガスが窒素である、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
マスクを用いずにパターン化有機フィルムを作成するために使用される請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
ディスプレイ装置を作成するために使用される請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
有機発光装置を作成するために使用される請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記ノズルブロックが単一ノズルから成る、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記ノズルブロックが線形配列のノズルを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記ノズルブロックが二次元配列のノズルを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
前記ノズルブロックが口径の変化するノズルを含む、請求項１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１０】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１０】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−４３７９９（Ｐ２０１２−４３７９９Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−１８５７８４（Ｐ２０１１−１８５７８４）
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【分割の表示】特願２００３−５２５６９６（Ｐ２００３−５２５６９６）の分割
【原出願日】平成１４年９月４日（２００２．９．４）
【出願人】（５９１００３５５２）ザ、トラスティーズ オブ プリンストン ユニバーシティ (68)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８５７８４（Ｐ２０１１−１８５７８４）
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【分割の表示】特願２００３−５２５６９６（Ｐ２００３−５２５６９６）の分割
【原出願日】平成１４年９月４日（２００２．９．４）
【出願人】（５９１００３５５２）ザ、トラスティーズ オブ プリンストン ユニバーシティ (68)
【Ｆターム（参考）】
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