專利名稱：一種打印系統(tǒng)、打印方法以及打印薄膜晶體管和rlc電路的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及噴墨打印技術(shù)，尤其涉及一種打印系統(tǒng)、打印方法以及打印薄 膜晶體管和RLC電路的方法。
背景技術(shù)：
自從1867年打印技術(shù)首先作為商業(yè)用途申請專利保護之后，歷時百年之后， 世界上真正意義的商用噴墨打印機誕生。噴墨打印技術(shù)在現(xiàn)今的工業(yè)生產(chǎn)和日 常生活中已被廣泛的應(yīng)用包裝印刷制造技術(shù)就是典型的工業(yè)應(yīng)用范例；而家 庭和公司終端噴墨打印機則更已為大眾所熟悉。20世紀70年代導(dǎo)電聚合物第一 次被發(fā)現(xiàn)，2000年諾貝爾化學(xué)獎頒給了導(dǎo)電聚合物的三位發(fā)明者美國物理學(xué) 家黑格(A. J. Heeger)、美國化學(xué)家麥克迪爾米德(A. G. MacDiarmid)和日本化學(xué) 家白川英樹(H. Shirakawa)。這加速了有機高分子材料作為新型材料在微電子、 薄膜等科研領(lǐng)域的應(yīng)用。人們開始嘗試把高分子半導(dǎo)體材料作為溶質(zhì)溶解在相 應(yīng)的有機溶劑中，配制成溶液作為噴墨打印機里的打印液體，向特定的基體表 面上的既定的位置打出所需要的材料，用來制作成電子器件。這種借助打印技 術(shù)，利用高分子材料制造電子器件的新型電子制造技術(shù)相對于目前的電子制造 技術(shù)具有設(shè)備簡單、耗材和能耗低、形狀尺寸可控性高，適用基體范圍大以及 制造過程對環(huán)境零污染等優(yōu)勢。
但是，目前在實際操作中，利用高分子材料作為打印液體來打印高質(zhì)量的 電子器件還存在一些困難。這是由于，在眾多的有機高分子材料中，有機高分 子電子材料大多數(shù)是高分子量、長分子鏈結(jié)構(gòu)。其中相當一部分有機高分子材 料在溶于某種有機溶劑后，其溶液的行為只有在稀釋極限條件下才與常見的小 分子量、短分子鏈結(jié)構(gòu)聚合物溶液相似，可以當作常規(guī)液體對待。在實際研究 和制造過程中，為了實現(xiàn)有效的打印成型，溶液中的溶質(zhì)需要達到一定濃度，黏彈性液體，其表面能和表面張力都比較大。目前，打印 機多采用單一孔徑(口徑)的打印噴孔，針對不同的打印液體用不同的驅(qū)動模 式來形成液滴。這種方式有很大的局限性，只能用于特性在給定的極其有限的 范圍內(nèi)的某些液體，對于高分子量、長分子鏈顯示出高黏彈性液體特性的聚合 物溶液，必須用稀釋的辦法才能被打印出來，而稀釋以后，需要更多的液滴才 能打印出相同數(shù)量的材料，有效的打印成型實現(xiàn)起來就變得比較困難。發(fā)明內(nèi)容有鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種噴墨打 印系統(tǒng)，在一個或多個打印頭中合成了多孔徑的打印噴孔，以適應(yīng)不同的打印 材料。相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種利用上述噴墨打印系統(tǒng)進行打印的方法，適 合打印不同的溶液。本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用上述噴墨打印系統(tǒng)打印薄膜晶體管 的方法，以實現(xiàn)可靠的打印。本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用上述噴墨打印系統(tǒng)打印RLC電路的方法，以實現(xiàn)可靠的打印。本發(fā)明的另一目的在于掛共一種通過噴墨打印形成跨層連接(interconnection) 結(jié)構(gòu)的方法，以提高跨層連接的可靠性。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例提供一種噴墨打印系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 樣品臺； 一個或多個打印頭，每一打印頭上安裝有一個噴孔片，所述一個或多 個打印頭的噴孔片上設(shè)置有不同孔徑的噴孔；驅(qū)動所述打印頭的噴孔進行打印 操作的打印驅(qū)動裝置；以及驅(qū)動所述打印頭或樣品臺以進行打印定位的定位驅(qū) 動裝置。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明實施例還提供一種利用上述噴墨打印系統(tǒng)進行 打印的方法，該方法包括選擇打印溶液，并根據(jù)打印溶液選擇打印噴孔；驅(qū) 動所述打印頭進行定位，以使選擇的打印噴孔對準樣品臺的基體上待打印的位置；以及驅(qū)動打印溶液通過噴孔，進行打印操作。本發(fā)明實施例還提供一種利用上述噴墨打印系統(tǒng)打印薄膜晶體管的方法， 該方法包括選擇導(dǎo)電的打印溶液及打印噴孔，在基體上打印源極和漏極，源 極和漏極之間的長度為溝道長度；選擇包含半導(dǎo)體材料的打印溶液及打印噴孔， 在所述源極和漏極中間打印半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層覆蓋源極和漏極之間的溝道; 選擇電介質(zhì)材料的打印溶液及打印噴孔，在所述半導(dǎo)體層的上方打印介電層， 該介電層覆蓋半導(dǎo)體層以及覆蓋部分或全部的源極和漏極；在所述介電層的設(shè) 定位置打印導(dǎo)電的溶液，以分別在所述介電層中形成連接至源極和漏極的導(dǎo)電 結(jié)構(gòu)；以及采用導(dǎo)電的打印溶液在介電層上打印門電極。本發(fā)明實施例還提供一種利用上述噴墨打印系統(tǒng)打印RLC電路的方法，該方法包括選擇第一導(dǎo)電溶液為打印溶液，并選擇打印噴孔，在基體上第一位 置打印電阻元件；選擇第二導(dǎo)電溶液為打印溶液，并選擇打印噴孔，在基體上 第二位置打印電感元件；選擇打印溶液及打印噴孔，依序在基體上第三位置交 錯打印第一電極層、介電層及第二電極層，以形成電容元件；以及連接所述電 阻元件、電感元件以及電容元件，形成RLC電路。可將每一RLC電路對應(yīng)于二進制狀態(tài)0或1，基于二進制編碼格式在基體上對 應(yīng)于0或1的位置打印多個所述RLC電路并形成諧振回路?？蓪?yīng)于N位二進制編碼打印N個RLC諧振回路，并將對應(yīng)于二進制中0或1的 諧振回路中的節(jié)點短路。本發(fā)明實施例還提供一種通過噴墨打印形成跨層連接結(jié)構(gòu)的方法，該方法 包括利用噴墨打印方式打印至少兩層結(jié)構(gòu)，該至少兩層結(jié)構(gòu)包括一導(dǎo)電層以 及位于該導(dǎo)電層上的為絕緣層；以及在所述絕緣層的預(yù)定位置打印特定溶液， 以在該絕緣層中形成導(dǎo)電的并連接所述導(dǎo)電層的跨層連接結(jié)構(gòu)；所述形成跨層 連接結(jié)構(gòu)的方式包括所述特定溶液為導(dǎo)電溶液，與該絕緣層的材料進行物理 混合，在所述絕緣層中形成跨層連接結(jié)構(gòu)；或者所述特定溶液為導(dǎo)電溶液，溶 解所述絕緣層的材料并與溶解的絕緣材料進行化學(xué)分相，從而在所述絕緣層中形成跨層連接結(jié)構(gòu)；或者所述特定溶液對絕緣層的材料進行摻雜，在所述絕緣 層中形成跨層連接結(jié)構(gòu)；或者所述特定溶液與絕緣層的材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在 所述絕緣層中形成跨層連接結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以根據(jù)要打印的不同性質(zhì)的液體，選擇合適孔徑的 噴孔，.實現(xiàn)可靠的打印。


此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分， 并不構(gòu)成對本發(fā)明的限定。在附圖中圖la為現(xiàn)有的噴墨打印系統(tǒng)的示意圖； 圖lb為現(xiàn)有的打印頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例的集成式噴墨打印系統(tǒng)的打印頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實施例的分幵式噴墨打印系統(tǒng)的打印頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實施例的通過物理混合法形成跨層連接結(jié)構(gòu)的原理示意圖；圖5為本發(fā)明實施例的通過化學(xué)分相法形成跨層連接結(jié)構(gòu)的原理示意圖；圖6為本發(fā)明實施例的通過物理摻雜法形成跨層連接結(jié)構(gòu)的原理示意圖；圖7為本發(fā)明實施例的通過化學(xué)反應(yīng)法形成跨層連接結(jié)構(gòu)的原理示意圖；圖8a為本發(fā)明待打印的薄膜晶體管電路的示意圖；圖8b為根據(jù)圖8a所示的電路打印的薄膜晶體管的打印結(jié)構(gòu)示意圖；圖9為本發(fā)明一實施例中較小電感量的電感器的打印結(jié)構(gòu)示意圖；圖10為本發(fā)明另一實施例中較大電感量的電感器的打印結(jié)構(gòu)示意圖；圖ll為通過現(xiàn)有的跨層連接方式打印方式打印的電容器結(jié)構(gòu)示意圖；圖12為本發(fā)明實施例電容器的打印結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的 具體實施例進行詳細說明。在此，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本 發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。實施例l噴墨打印系統(tǒng)為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出多孔徑合成的新型打印系統(tǒng)。 為了便于對本發(fā)明的理解，在此先對現(xiàn)有的噴墨打印系統(tǒng)進行簡單說明。圖la所示為現(xiàn)有的噴墨打印系統(tǒng)的示意圖，圖la中該系統(tǒng)包括 樣品臺；一個打印頭，該打印頭包括儲墨槽及噴孔片，如圖lb所示。噴孔片中設(shè)置 有相同孔徑的噴孔，每一噴孔可以單獨被驅(qū)動進行打印操作。打印驅(qū)動裝置，用于驅(qū)動所述打印頭的噴孔進行打印操作，該打印驅(qū)動裝 置例如可為波形發(fā)生器；定位驅(qū)動裝置，用于驅(qū)動所述打印頭或樣品臺進行位置定位。所述系統(tǒng)還可以包括驅(qū)動控制器，用于控制所述打印驅(qū)動裝置及定位驅(qū)動 裝置的驅(qū)動操作。該驅(qū)動控制器的功能可通過執(zhí)行計算機程序來實現(xiàn)，該計算 機程序例如可通過打印波形輸入及位置編程來得到。所述系統(tǒng)還可以包括攝像頭，用于識別打印的位置，以協(xié)助進行打印定位。本發(fā)明的噴墨打印系統(tǒng)有別于現(xiàn)有的打印系統(tǒng)，現(xiàn)有的打印系統(tǒng)只采用單一孔 徑噴孔的供墨方式。而本發(fā)明的噴墨打印系統(tǒng)根據(jù)打印器件所用不同液體的要求， 在同一個打印頭的噴孔片上安排不同尺寸的噴孔，形成集成式打印系統(tǒng)；或者可按 照口徑的大小，分開安裝在不同的打印頭的噴孔片上，成為分體式打印系統(tǒng)。在噴墨打印中，液滴的形成是打印頭驅(qū)動液體產(chǎn)生的動能大于形成液滴所需勢能的結(jié)果。在一般情況下，液滴的動能為EA-，印rV2,而表面能為E,-4w,，其中r,p,v和cr分別為液滴的半徑，比重，速度和單位面積的表面能。由于液滴的半徑取決于打印頭噴孔的半徑，因此適當?shù)母淖兇蛴☆^噴孔的尺寸 可以有效的改善液滴形成的條件。本發(fā)明正是利用改變打印頭噴孔的尺寸來改 善液滴形成的條件。在集成式打印系統(tǒng)中，不同口徑的噴孔安排在同一個噴孔片上。圖2所示為集成式打印系統(tǒng)中打印頭的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2中的打印頭僅示出了三種孔徑 的噴孔大口徑噴孔、中口徑噴孔及小口徑噴孔。在實際操作中，打印頭可以 設(shè)置兩種或更多種孔徑的噴孔。在分體式打印系統(tǒng)中，不同口徑的噴孔分別安排在不同噴孔片上， 一個噴 孔片對應(yīng)一個打印頭，不同噴孔片分別安裝在不同的打印頭上。圖3所示為分 體式打印系統(tǒng)中打印頭的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3中示出了三個打印頭，每一打印頭 的噴孔片上設(shè)置有一種孔徑的噴孔。在實際操作中，可以根據(jù)需要設(shè)置兩種或 更多種孔徑的噴孔于不同的打印頭的噴孔片上。當然，本發(fā)明的打印系統(tǒng)還可以設(shè)置成混合式打印系統(tǒng)設(shè)置有多個打印 頭，其中至少一個打印頭上設(shè)置有不同孔徑的多個噴孔。對于集成式、分體式或混合式打印系統(tǒng)，打印頭內(nèi)設(shè)置有儲墨槽(墨盒)， 對于同一打印頭上不同孔徑的噴孔分別與不同的儲墨槽相通，對于同一打印頭 上相同孔徑的噴孔與至少一個儲墨槽相通。本發(fā)明實施例中，所述集成式打印系統(tǒng)可通過同一個機械運動控制裝置操 縱定位，各種打印液體之間的相對打印精度高；儲存各種打印液體的打印墨盒 在集成式打印系統(tǒng)里還可以通過引管與打印頭分開，盡量減輕對打印機械驅(qū)動 的負荷。不足之處在于，在打印頭里每種孔徑的噴孔數(shù)目相對較少，會影響打 印的速度。所述分體式打印系統(tǒng)可通過不同機械運動控制裝置操縱不同的打印 頭進行定位，分體式打印系統(tǒng)的優(yōu)勢是每種孔徑的噴孔數(shù)目較多，打印速度 快；每個打印頭只需連接一個可以隨打印頭一起運動的單一液體的打印墨盒，這樣的設(shè)計節(jié)省了過長的引管。不足之處在于各種液體之間的相對打印精度容 易受到不同打印頭之間的相對位置和各自運動狀態(tài)的影響。本實施例中，控制打印液滴的位置的機械控制裝置有有直接操作和反饋操 作兩種。直接操作可以通過螺桿旋轉(zhuǎn)周數(shù)相應(yīng)的機械位移來定位，單向運動定位精度例如可以達到5um;反饋操作利用在樣品臺上已知位置的光標作為反饋 信號，修正直接定位的誤差實現(xiàn)定位，定位精度例如可以提高到lPm。此外，我們還可以用一個攝像頭來觀察液滴打印到基體表面的位置，利用圖像識別軟件 定出打印的液滴中心位置作為反饋信號，從而進一步幫助定位和校正打印位置。 所述打印頭的驅(qū)動方式，從物理角度上有壓電式、熱電式和電場式等； 從驅(qū)動模式上有連續(xù)式、間隔式和即時需求式。壓電式打印頭的設(shè)計是通過施 加在儲墨槽周圍壓電晶體上的短時脈沖電壓產(chǎn)生壓力推動儲墨槽里的液體向噴 孔運動，直至形成液滴。熱電偶式打印頭則是通過電壓的控制，使加載在打印 頭上面的電阻塊加熱其周圍的打印液體形成氣泡，膨脹后推動液體朝噴孔處迸 射出液滴。電場式打印頭一般是由外加的定向電場，引領(lǐng)液滴脫離打印頭，進 行打印。本發(fā)明的打印頭可采用以上任何一種驅(qū)動和控制方式，但有別于目前的打 印系統(tǒng)只采用單一孔徑噴孔的供墨方式。利用本發(fā)明的噴墨打印系統(tǒng)就可以根 據(jù)所打印不同性質(zhì)的液體，選擇合適孔徑的噴孔，來實現(xiàn)可靠的打印。為了提高打印性能，本發(fā)明實施例優(yōu)選地對針對不同的打印液體選用不同 材料的噴孔或選擇經(jīng)過表面改性的噴孔。由于所用到有機溶液的多樣化，噴孔 是打印機設(shè)計的關(guān)鍵部分，本發(fā)明針對不同液體采用不同材質(zhì)，以避免在打印 結(jié)束后，部分溶液殘留在噴孔附近，干燥后影響下一次打印。例如，可以將打 印噴孔表面進行氟化處理使其變?yōu)槭杷院?，有助于避免水溶性打印液體殘余 干燥后產(chǎn)生的影響。還可以對噴孔表面進行其他處理，以使噴孔具有疏特定溶劑性(包括疏極性溶劑性或疏非極性溶劑性)，例如覆蓋上聚酰亞胺(Polyimi de)可以疏甲苯(Toluene)溶劑。這對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，利用現(xiàn)有技術(shù)很 容易地就可以實現(xiàn)，在此并不詳述。無論是集成式還是分體式打印系統(tǒng)，每個打印頭上都可以配有獨立的加熱 部件，對正在打印的溶液進行恒溫控制，這不但可以保證液體狀態(tài)的一致性， 也可以藉此來輔助調(diào)節(jié)液體的特性。另外，每個打印頭上還可以配有壓力平衡 控制裝置使液面保持在同一個固定的位置以保證打印的重復(fù)性。此外，如果采 用導(dǎo)體作為打印噴孔片或在噴孔片鍍上導(dǎo)電層，便可以在噴孔片和基體之間外打印液滴的行為。本發(fā)明的噴墨打印控制系統(tǒng)可以對打印的速度和位置以及形成液滴的各項 參數(shù)進行控制。這些參數(shù)的設(shè)定可依打印頭的具體情況而定，例如可設(shè)定驅(qū)動電壓在50 120V，工作頻率為400 1.5KHz，但并不限定于此。整個打印的過 程可以通過一個即時的設(shè)置或者輸入預(yù)先指定的程序，也可以利用實時調(diào)節(jié)系 統(tǒng)，利用同步閃光燈加上攝像頭來觀察不同參數(shù)下液滴形成狀態(tài)，從而優(yōu)化液 滴形成條件。另外，根據(jù)打印的圖案可以調(diào)整打印液滴在基體上的間距和數(shù)量； 亦可進一步設(shè)定陣列式打印方法，例如可設(shè)定矩陣的大小和數(shù)目。 一旦這些設(shè) 置成功地通過重復(fù)性測試，可以被儲存為針對某一個特定材料的固定打印方法 而被后續(xù)的工作直接調(diào)用。同樣，在多個這樣的打印方法被存儲后，如果想將 它們安排成一個完整的打印過程，我們可以用一個控制程序編輯軟件來整合所 有打印方法，形成一整套打印流程。對于打印樣品臺，除了常規(guī)的位置移動功能以便于大面積器件的打印，我 們還可以引入能夠進行自動控溫加熱、光學(xué)輻照、局部氣氛偏壓和激光固化等 的多種功能部件對打印的產(chǎn)品進行后期處理。多數(shù)被打印的器件需要經(jīng)過后期 烘干(Baking)和退火(Annealing)處理，來改善器件的電學(xué)性能。自動控溫加熱系統(tǒng)可以整合在樣品臺上，以便及時進行后處理，以免材料氧化，也可以節(jié)省 再定位的時間。針對那些對光輻照敏感的電學(xué)材料，可以通過減弱或增強打印 過程中的光輻照來提升器件的性能。局部氣氛偏壓的設(shè)計可以減弱"咖啡斑" 效應(yīng)對器件成型的不良影響。在基體表面外加有效的電磁場分布，也有助于打 印液滴在其上的成形。實施例2進行噴墨打印的方法傳統(tǒng)半導(dǎo)體是制造在硅片上的，所以又稱為硅基制造。半導(dǎo)體制造技術(shù)分 為前端和后端工藝部分。前端工藝流程有沉積、清除、電路布線和電學(xué)屬性調(diào) 整；后端工藝流程包括熱處理和封裝技術(shù)。目前大多數(shù)有機晶體管的制造都是以硅基半導(dǎo)體的制造工藝為基礎(chǔ)的。具體過程是設(shè)計半導(dǎo)體器件的漏極和源 極以及電路布線，制作成模具。在基體表面涂上光刻膠，配合模具的使用利用 光刻蝕技術(shù)，在光刻膠膜上成型。然后，放置在蒸發(fā)器中，通過高溫烙化導(dǎo)電 金屬形成氣態(tài)金屬，均勻鍍在光刻膠膜成型的基體表面。最后通過電化學(xué)的方 法腐蝕掉殘余的光刻膠， 一個具有漏極和源極以及電路布線的基體就被制造成 功了 。下一步將有機高分子材料溶于相應(yīng)的有機溶劑中形成溶液，通過高速旋 轉(zhuǎn)甩膠的方法分別把不同溶液涂布到基體上形成半導(dǎo)體和絕緣層，最后再次應(yīng) 用蒸發(fā)的辦法制成門電極。這樣的制造技術(shù)、制造設(shè)備和模具的花費通常占總 制造成本的85%以上。而且，器件的物理尺寸和電路的組合取決于光刻模具，難 于隨吋調(diào)整。在本發(fā)明實施例中，利用前述的能夠提供不同孔徑的打印噴頭的噴墨打印 系統(tǒng)制造有機薄膜晶體管，可以大大簡化制造過程。例如可以將有機高分子導(dǎo) 電材料溶解于相應(yīng)的有機溶劑中，通過合適的噴孔打印在上述涂有半導(dǎo)體和絕緣層材料的基體上，作為門電極，形成有機薄膜晶體管，從而降低成本。但此 時仍需要在至少一個環(huán)節(jié)上使用光刻蝕技術(shù)。進一步地，利用本發(fā)明的噴墨打印系統(tǒng)可以通過全部打印的技術(shù)實現(xiàn)有機 薄膜晶體管的制造。即可以分別配制導(dǎo)電有機溶液、半導(dǎo)體層和絕緣層有機溶 液，利用不同孔徑的打印噴口，逐層打印，各層溶液之間形成正交性結(jié)構(gòu)，分 別在相應(yīng)位置上打印各電極，半導(dǎo)體和絕緣體部分，以及連接線，從而制成全 打印有機薄膜晶體管及功能電路。利用本發(fā)明的噴墨打印系統(tǒng)還可以用來制造射頻識別系統(tǒng)(RFID)。此射頻識別系統(tǒng)具備可調(diào)節(jié)頻段寬，信號覆蓋范圍廣，周圍環(huán)境影響小以及無需接觸 使用等特點。最簡單的識別系統(tǒng)由一個被動式接收器和固定頻率發(fā)射裝置組成， 例如超市、圖書館的防盜系統(tǒng)標簽和交通卡系統(tǒng)。固定頻率發(fā)射裝置可以簡單理解為一個包含一定阻抗的LC并聯(lián)振蕩電路。目前市面上的固定頻率發(fā)射裝置 有獨立式和嵌入式兩種。獨立式即為單一的振蕩電路，而嵌入式是融入了集成芯片組，具有讀取和寫入功能。全打印技術(shù)制造射頻識別系統(tǒng)較傳統(tǒng)的器件制造工藝，體積可以縮小50倍以上，成本降低為原先的1/10。與此同時，本發(fā)明還可 以用柔性襯體，例如聚酰亞胺(Kapton)或聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Naphthalate,簡稱PEN)，來替代現(xiàn)有的剛性基體(如玻璃或PCB板料)作為電 路基體制造柔性識別系統(tǒng)。此外，在集成電路的制造上，可以直接打印有機高 分子材料在制成的芯片上形成新的電路，進一步提高集成化程度。本發(fā)明實施例利用噴墨打印系統(tǒng)，可以根據(jù)具體應(yīng)用需求，通過調(diào)節(jié)打印 器件的物理尺寸、打印液體的濃度等相關(guān)手段，調(diào)整所打印電路中各器件的電 學(xué)參數(shù)。例如，當需要應(yīng)用多個振蕩回路進行編碼要求時，本發(fā)明實施例可以 通過方便的改變打印器件的電容和電感值來實現(xiàn)。噴墨打印技術(shù)同高速甩膠、蒸發(fā)鍍膜等技術(shù)一樣，都是實現(xiàn)物質(zhì)在特定表面沉積的工作方法。雖然，相對于蒸發(fā)鍍膜技術(shù)，甩膠技術(shù)也是一種簡便、快捷和低廉的表面沉積方法適用于有機高分子薄膜器件的加工、制造。但是，它 也存在嚴重的不足。首先，甩膠方法無法避免所需材料的大量浪費，更重要的是它只能實現(xiàn)整體的均勻涂布甩膠，無法用來直接制造電子器件。換句話說， 如果想在某些特別的位置鍍膜或者不被鍍膜，光靠甩膠技術(shù)無法達到，需要借 助光刻蝕技術(shù)和腐蝕溶刻。這樣的結(jié)果必然增加成本，加工過程也變得復(fù)雜化。 對于多層結(jié)構(gòu)的器件由于表面不平整，無法形成均勻薄膜，制造結(jié)果更不能令 人滿意。噴墨打印技術(shù)憑借它自身的優(yōu)勢，可以克服這些困難。它可以指定位置打 印，將材料的浪費減小到最小化。例如全打印有機薄膜晶體管的制造成本就是 傳統(tǒng)制造成本的10%到1%。但是，目前的噴墨打印制造方式主要是利用平面選 擇性打印，自下而上，逐層疊加。所以，每一層所使用的打印溶液不能溶解前 一層材料或與其產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，必須是正交性關(guān)系。這對所用的打印溶液造成 一定的限制。在噴墨打印制造中，如何用液體的方法制成跨層連接來實現(xiàn)上下層電路之間的電學(xué)聯(lián)接是整個制造技術(shù)中的一個關(guān)鍵問題。現(xiàn)有的一種解決辦法為設(shè)置 外引連接線或者將下一層的導(dǎo)體多制作出一部分，裸露出來，并與后一層導(dǎo)體 相連接形成錯層結(jié)構(gòu)。但是，制造出來的器件既不美觀，制作工藝也變得復(fù)雜。目前專利號為6,905,906的美國專利公開了一種用液滴在確定的位置上溶解已 打印并成型的薄膜，利用干燥時的"咖啡斑"效應(yīng)，形成上下貫穿的轉(zhuǎn)接孔(v ia hole)，再填入導(dǎo)電材料來完成電學(xué)聯(lián)接。雖然這種方法避免了打印額外的 連接線和錯層結(jié)構(gòu)，但是工藝復(fù)雜，需要用大量液滴0〉1滴)來確保完全貫穿， 同時還需要再回填導(dǎo)電材料。同時，由于是利用"咖啡斑"效應(yīng)來形成貫穿的 轉(zhuǎn)接孔，所以材料堆積導(dǎo)致轉(zhuǎn)接孔邊緣變得非常不平整，回填時打印的導(dǎo)電材 料在此處容易斷裂，往往不能確保聯(lián)接性。為此，本發(fā)明還提出通過噴墨打印來實現(xiàn)跨層連接的方法。本發(fā)明實施例 中，跨層連接可通過如下的四種新方式實現(xiàn)(1) 物理混合法圖4為該方法的原理示意圖。在打印多層結(jié)構(gòu)時，假設(shè)第一層為導(dǎo)電材料 (材料a)，第二層為絕緣材料(材料B)，本發(fā)明實施例可以在第二層的絕緣 材料的設(shè)定位置打印一種導(dǎo)電材料，來與第二層的絕緣材料在當?shù)剡M行物理混 合。例如，選擇使用可以同時溶解第二層絕緣材料和某種導(dǎo)電材料的溶劑來制 作導(dǎo)電溶液，并通過不斷地打印這種導(dǎo)電材料，直至混合濃度在這個位置上達 到和超過臨界濃度開始導(dǎo)電，就形成一個在第二層縱向貫穿的導(dǎo)通帶(跨層連 接結(jié)構(gòu))，來完成與后續(xù)打印的第三層(導(dǎo)電層，例如為材料a或其他導(dǎo)電材 料)之間的跨層連接。物理混合方法中，導(dǎo)電溶液可為導(dǎo)電的有機溶液、金屬納 米顆粒懸浮液或納米管懸浮液。例如，絕緣材料為可溶于酒精溶劑的pvp (Poly(4-vinylphenol))，打印的導(dǎo)電材料為可溶于酒精的高分子導(dǎo)電材料或以 酒精為溶劑的金屬納米顆?；蛱技{米管的懸浮液，但并不限定于此。(2) 化學(xué)分相法圖5為該方法的原理示意圖。假設(shè)最底層是導(dǎo)電層(材料a層)，上面是絕緣層(材料B層)，這次在絕緣層上確定位置打印的導(dǎo)電液體不但可以溶解 已打印的絕緣材料，而且其中的導(dǎo)電材料與層中的絕緣材料在溶液中具備化學(xué) 分相的特性，從而在絕緣層中形成上下貫穿的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)跨層連接。(3) 物理摻雜(Doping)法圖6為該方法的原理示意圖。保持第一層導(dǎo)電層(材料A層)和第二層絕 緣層(材料B層)結(jié)構(gòu)不變，選用打印液體為一種可以對己打印的絕緣材料進 行物理摻雜的導(dǎo)電溶液，使其在被摻雜后顯示出導(dǎo)電性能，在所打印的位置形 成上下貫穿的導(dǎo)電區(qū)域。(4) 化學(xué)反應(yīng)法圖7為該方法的原理示意圖。與上述的層結(jié)構(gòu)相同，第一層和第三層是導(dǎo) 電層(材料B層)，第二層為絕緣層(材料A層)。在打印第三層之前，可以 在第二層的特定位置上打印一種溶液，使其與第二層的絕緣材料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)， 生成一種新的具有導(dǎo)電性能的材料，來實現(xiàn)跨層連接。上述四種全打印方法，可以解決打印過程中跨層連接的問題，不僅簡化了 打印工藝過程，而且使打印電路更美觀、更緊湊，避免由于利用"咖啡斑"效 應(yīng)造成的表面不平整所導(dǎo)致電學(xué)連接性能不穩(wěn)定。上述跨層連接的結(jié)構(gòu)不僅可 以采用本發(fā)明第一實施例中的噴墨打印系統(tǒng)來進行全打印，也可以用現(xiàn)有的噴 墨打印系統(tǒng)來進行全打印，只不過利用本發(fā)明的噴墨打印系統(tǒng)打印的跨層連接 結(jié)構(gòu)會更可靠，從而性能會更加穩(wěn)定。當然，上面的跨層連接結(jié)構(gòu)并不限定于 通過噴墨打印來形成，還可以通過移液管(pipette)或針管滴加特定溶液于圖 4-圖7的絕緣層上來實現(xiàn)，該方式對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是簡單易行的，故 在此并不詳述。下面分別通過具體實施例來說明利用本發(fā)明的系統(tǒng)打印薄膜晶體管及RLC 電路的打印過程。(一)參照圖8a和圖8b，打印薄膜晶體管的步驟如下 選擇導(dǎo)電的打印溶液及打印噴孔，在基體上打印源極和漏極，源極和漏極之間的長度為溝道長度；選擇包含半導(dǎo)體材料的打印溶液及打印噴孔，在所述源極和漏極中間打印 半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層覆蓋源極和漏極之間的溝道；選擇電介質(zhì)材料的打印溶液及打印噴孔，在所述半導(dǎo)體層的上方打印介電 層，該介電層覆蓋半導(dǎo)體層以及覆蓋部分或全部的源極和漏極；在所述介電層的設(shè)定位置打印導(dǎo)電的溶液，以分別在所述介電層中形成連 接至源極和漏極的跨層連接結(jié)構(gòu)；以及采用導(dǎo)電的打印溶液在介電層上打印門電極。更具體的，可采用如下步驟1. 1清洗基體表面。1.2制備導(dǎo)電高分子聚合物有機溶液。1.3放置清洗過的基體在打印臺上，通過垂直鏡頭調(diào)整好打印的位置。1.4裝入打印源極和漏極的導(dǎo)電有機溶液，調(diào)整好各項參數(shù)以得到完好的 液滴；并輸入打印程序，預(yù)備打印。1.5打印源極和漏極，其間距即為溝道長度。打印完畢，可用現(xiàn)有的摻雜 方法對所述源極和/或漏極進行摻雜處理(如離子注入摻雜等)。1.6裝入打印半導(dǎo)體層的有機溶液，調(diào)整好各項參數(shù)以得到完好的液滴； 并輸入打印程序，預(yù)備打印。1.7通過垂直鏡頭調(diào)整好打印位置，將半導(dǎo)體材料均勻打印到源極和漏極 中間，覆蓋整個溝道。1.8裝入打印介電層的有機絕緣溶液，調(diào)整好各項參數(shù)以得到完好的液滴； 并輸入打印程序，預(yù)備打印。1.9通過垂直鏡頭調(diào)整好打印位置，將絕緣材料均勻打印在源極和漏極中間形成介電層，覆蓋半導(dǎo)體層。1. 10利用上面描述的4種打印跨層連接的方法中的任意一種制成貫通導(dǎo)線。 1.11門極用導(dǎo)電有機溶液，均勻打印到源極和漏極中間，覆蓋整個溝道。整個薄膜晶體管的制備過程完成。1.12同樣的打印辦法制備下一個薄膜晶體管。或者，可以同時打印多個薄 膜晶體管，并在步驟1. 10中通過跨層連接結(jié)構(gòu)連接不同的薄膜晶體管。上述打印源極、漏極和門極的導(dǎo)電溶液可為導(dǎo)電的有機溶液、金屬納米顆粒 懸浮液或?qū)щ姷奶技{米管懸浮液。(二) RLC振蕩電路的打印過程如下選擇第一導(dǎo)電溶液為打印溶液，并選擇打印噴孔，在基體上第一位置打印電阻元件；選擇第二導(dǎo)電溶液為打印溶液，并選擇打印噴孔，在基體上第二位置打印 電感元件；選擇打印溶液及打印噴孔，依序在基體上第三位置交錯打印第一電極層、 介電層及第二電極層，以形成電容元件；以及連接所述電阻元件、電感元件以及電容元件，形成RLC電路。 更具體的，可采用如下步驟 2.1清洗基體表面。2.2制備導(dǎo)電高分子有機溶液?？梢酝ㄟ^稀釋來降低電導(dǎo)率，作為制備電 阻器的材料。2.3放置清洗過的基體在打印臺上，通過垂直鏡頭調(diào)整好打印的位置。2.4分別裝入打印電阻器和電極的有機溶液，調(diào)整好各項參數(shù)以得到完好 的液滴；并輸入打印程序，預(yù)備打印。2.5電阻器的制備根據(jù)需要的電阻值，打印一定長度的線段或者尺寸的 矩形，可以是單層，亦可是多層。2.6電感線圈的制備(1) 單層平面線圈應(yīng)用打印電極的有機材料進行打印。形狀為曲線形 (例如可以是蛇形或者螺旋形)，打印的單層平面線圈如圖9。(2) 多層平面線圈如打印單層線圈打印第一層，在其上打印一層連續(xù)的絕緣層(電感介質(zhì))覆蓋線圈的主體部分；第二層線圈打印在這個絕緣層上， 并通過跨層連接結(jié)構(gòu)使其與第一層線圈連接，形成完整的一個線圈；類似上述 的方法繼續(xù)打印多層連續(xù)線圈，以提高電感量，多層平面線圈如圖IO所示。(3) 大電感線圈按照前述的單層或多層平面線圈的打印方法將線圈打印在磁性材料(如鐵氧體(Ferrit)或鋇鐵氧體(Ba-Ferrit))層上。即，先 在基體上待打印電感的位置通過甩膠、打印等方法形成一磁性材料層，再在該 磁性材料層上打印電感元件，以增強電感量。 2.7電容器的制備(1) 單層電容器應(yīng)用導(dǎo)電溶液在基底打印下電極，在下電極上用打印 絕緣層的材料打印連續(xù)的膜形成介電層，再在介電層上打印上電極。(2) 多層電容器(大電容，見圖11和圖12):多個電容器并聯(lián)將提高 電容量；圖11是利用現(xiàn)有的打印錯層連接結(jié)構(gòu)的方法打印的多個電容器并聯(lián)的 多層電容器結(jié)構(gòu)。圖12中的多層電容器結(jié)構(gòu)，是在基底上打印第一個電容器后， 利用前述的4種跨層連接結(jié)構(gòu)的全打印方法中的任意一種，進行跨層連接，實 現(xiàn)多個電容的并聯(lián)。上述電阻、電感及電容器可以打印在剛性或柔性基底上，剛性基底例如可 以為玻璃或PCB板，柔性基底例如可以為聚酰亞胺或聚萘二甲酸乙二醇酯薄膜。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實現(xiàn)上述實施例方法中的全部或部分步驟可 以通過程序來指令相關(guān)的硬件來完成，該程序可以存儲于一計算機可讀取存儲 介質(zhì)中，比如R0M/RAM、磁碟、光盤等。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進 一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不 用于限定本發(fā)明的保護范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、 等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括樣品臺；一個或多個打印頭，每一打印頭上安裝有一個噴孔片，所述一個或多個打印頭的噴孔片上設(shè)置有不同孔徑的噴孔；驅(qū)動所述打印頭的噴孔進行打印操作的打印驅(qū)動裝置；以及驅(qū)動所述打印頭或樣品臺以進行打印定位的定位驅(qū)動裝置。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于，所述一個或多個打 印頭的噴孔片上設(shè)置有不同孔徑的噴孔是指-同一個打印頭的噴孔片上設(shè)置有不同孔徑的噴孔；或者 多個打印頭中，同一個打印頭的噴孔片上設(shè)置有相同孔徑的噴孔，不同的 打印頭的噴孔片上設(shè)置有不同孔徑的噴孔；或者多個打印頭中，至少一個打印頭的噴孔片上設(shè)置有不同孔徑的噴孔。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于所述打印頭內(nèi)設(shè)置有儲墨槽，對于同一打印頭上不同孔徑的噴孔分別與不 同的儲墨槽相通，對于同一打印頭上相同孔徑的噴孔與至少一個儲墨槽相通。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括 攝像頭，用于識別打印頭的位置，以協(xié)助進行打印定位。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于 所述噴孔表面為疏水性、疏極性溶劑性或疏非極性溶劑性。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于所述打印驅(qū)動裝置采用壓電方式、熱電方式或電場方式來驅(qū)動所述打印頭。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于 所述打印驅(qū)動裝置支持連續(xù)地、間隔地或即時地驅(qū)動所述打印頭。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于所述打印頭上設(shè)置有加熱溫控單元，用于控制待打印的液體的溫度。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于 所述打印頭上設(shè)置有壓力平衡控制單元，用于控制打印頭中待打印個液體的液面位置。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括電場生成裝置，用于在噴孔片和樣品臺上的基底之間施加電場。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括: 加熱溫控單元，用于對樣品臺上的樣品進行溫度控制處理。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括:光學(xué)輻照單元，用于增強或減弱樣品臺上樣品的光輻照。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括:激光產(chǎn)生單元，用于對樣品臺上的樣品進行激光照射處理。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的噴墨打印系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括:電磁場產(chǎn)生單元，用于在樣品上施加電場。
15. —種利用權(quán)利要求l所述的噴墨打印系統(tǒng)進行打印的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟選擇打印溶液，并根據(jù)打印溶液選擇打印噴孔；驅(qū)動所述打印頭進行定位，以使選擇的打印噴孔對準樣品臺的基體上待打印的位置；以及驅(qū)動打印溶液通過噴孔，進行打印操作。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于-所述溶液為有機溶液、納米顆粒懸浮液或納米管懸浮液。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于，該方法還包括利用攝像頭識別打印頭的位置，以協(xié)助進行打印定位。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于采用壓電方式、熱電偶方式或電場方式來驅(qū)動所述打印頭的噴孔進行打印 操作。
19. 一種利用權(quán)利要求l所述的噴墨打印系統(tǒng)打印有機薄膜晶體管的方法， 其特征在于，該方法包括如下步驟選擇導(dǎo)電的打印溶液及打印噴孔，在基體上打印源極和漏極，源極和漏極 之間的長度為溝道長度；選擇包含半導(dǎo)體材料的打印溶液及打印噴孔，在所述源極和漏極中間打印 半導(dǎo)體層，該半導(dǎo)體層覆蓋源極和漏極之間的溝道；選擇電介質(zhì)材料的打印溶液及打印噴孔，在所述半導(dǎo)體層的上方打印介電 層，該介電層覆蓋半導(dǎo)體層以及覆蓋部分或全部的源極和漏極；在所述介電層的設(shè)定位置打印特定溶液，以分別在所述介電層中形成連接 至源極和漏極的跨層連接的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；以及采用導(dǎo)電的打印溶液在介電層上打印門電極。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于打印源極、漏極和門極的導(dǎo)電溶液為導(dǎo)電的有機溶液、金屬納米顆粒懸浮液 或?qū)щ姷奶技{米管懸浮液。
21. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于 所述導(dǎo)電的有機溶液為導(dǎo)電高分子聚合物有機溶液。
22. —種利用權(quán)利要求1所述的噴墨打印系統(tǒng)打印RLC電路的方法，其特征在于，該方法包括選擇第一導(dǎo)電溶液為打印溶液，并選擇打印噴孔，在基體上第一位置打印電阻元件；選擇第二導(dǎo)電溶液為打印溶液，并選擇打印噴孔，在基體上第二位置打印 電感元件；選擇打印溶液及打印噴孔，依序在基體上第三位置交錯打印第一電極層、 介電層及第二電極層，以形成電容元件；以及連接所述電阻元件、電感元件以及電容元件，形成RLC電路。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該方法還包括在所述電感元件上再打印絕緣層，并在所述絕緣層上打印特定溶液，以在 絕緣層中形成連接所述電感層的跨層連接的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；在所述絕緣層上打印新的電感元件，該新的電感元件通過所述連接結(jié)構(gòu)連 接絕緣層下方的電感元件，形成一個多層電感元件。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，該方法還包括 在電容上方電極層上重復(fù)打印介電層和電極層，其中相鄰的電極層偏移交錯排列；在相間隔的兩電極層中間的介電層上打印特定溶液，以在該兩電極層 之間形成跨層連接的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。
25. 根據(jù)權(quán)利要求19或23或24所述的方法，其特征在于其中，形成所述跨層連接的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的方式包括在利用咖啡斑效應(yīng)形成的貫穿孔中打印導(dǎo)電材料，以形成跨層連接的導(dǎo)電 結(jié)構(gòu)；或者所述特定溶液與所述介電層材料進行物理混合，以形成跨層連接的導(dǎo)電結(jié) 構(gòu)；或者所述特定溶液溶解所述介電層材料并與溶解的絕緣材料進行化學(xué)分相，以 形成跨層連接的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；或者所述特定溶液對所述介電層材料進行摻雜，以形成跨層連接的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；或者所述特定溶液與所述介電層材料進行化學(xué)反應(yīng)，以形成跨層連接的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種打印系統(tǒng)、打印方法以及打印薄膜晶體管和RLC電路的方法，其中所述系統(tǒng)包括樣品臺；一個或多個打印頭，每一打印頭上安裝有一個噴孔片，所述一個或多個打印頭的噴孔片上設(shè)置有不同孔徑的噴孔；驅(qū)動所述打印頭的噴孔進行打印操作的打印驅(qū)動裝置；以及驅(qū)動所述打印頭或樣品臺以進行打印定位的定位驅(qū)動裝置。如上系統(tǒng)可以根據(jù)要打印的不同性質(zhì)的液體，選擇合適孔徑的噴孔，實現(xiàn)可靠的打印。
文檔編號B41J2/01GK101279533SQ20081009
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月9日
發(fā)明者初大平, 陳韋寧 申請人:初大平;陳韋寧