CN1468145A - 涂布有机材料的组合系统与方法 - Google Patents

Abstract

用于高产制造并分析涂布材料阵列的系统和方法。制造涂布材料阵列的一个实施方案的系统(10)，包括多种有机材料(14)和一个将多种有机材料中的每一种输送到输送区(24)的输送机构(12)。该输送机构具有多个源(38)，每个源与多种有机材料中相应的一种连接。多个源中每个源为一种相应有机材料提供一个至少部分位于输送区内的厚度分布(48)，其中至少一个厚度分布沿输送区横向变化。用来制造涂布材料阵列的一个实施方案的一种方法，包括提供多种有机材料(14)并选择性地将有多种有机材料中的每一种输送至输送区(24)。输送的多种有机材料中的每一种有一个至少部分位于输送区内的厚度分布，其中至少一个厚度分布沿输送区横向变化。

Description

涂布有机材料的组合系统与方法

本发明以合同号70NANB9H3038受NIST授予的政府资助而完成。政府对本发明拥有一定的权利。

技术领域

本发明一般地涉及生产与筛选涂层集合的方法与设备，更具体地说，涉及在基体上平行沉积多层材料以形成涂层集合的方法与系统。

背景技术

工业上已广泛使用涂层来提高疏松材料的功能性与附加值。功能涂层一般有两类：无机涂层与有机涂层。无机涂层已用于半导体工业，如各种薄膜集成电路器件中，以及传统工业，如蒸汽涡轮和飞机发动机翼面的隔热涂层。有机涂层也广泛用于多个工业保护/装饰性应用中，例如汽车表面的透明涂层、油漆等。其它涂层类型包括，例如，保护和防腐涂层、粘结与隔离涂层，环境阻隔涂层、导电/透光涂层、耐刮硬涂层等。功能涂层配方的发现给制造者带来巨大效益。

但是，为加速各种涂布系统的发明过程，发展通用技术可能具有更高的价值，因为功能涂层的寻找和优化，与其说是一门科学，不如说是一门技术。在寻找和优化功能涂层中，理论指导的能力有限，很大程度上因为典型涂布系统的复杂性和所需达到的质量要求的多样性。一般而言，工业涂层配方必须满足多功能要求，而为了获得平衡配方，必须有多种相容的功能基团或共混物。此外，涂布系统的性能不仅依赖于配方/组成，而且依赖于加工条件与涂布方法。例如，取决于涂层涂布方法与加工条件的厚度均匀性与表面粗糙度在涂层质量与重现性上很重要。而且，不同的加工条件，包括暴露于紫外光(UV)/电子束固化、不同的温度/压力以及多层涂层中各层的涂布顺序，在决定最终涂层的结构/组成上是非常重要的因素。此外，最终涂层的结构/组成影响涂层的功能性。因此，因诸多变量，迄今发展的大多数可采用的工业涂布系统是在不断摸索实验过程中的偶然产物。

发明内容

因此，目前需要一种方法来为各种制造应用加速产生并研究功能涂层。因此，本发明提供高产制造并分析涂布材料阵列的系统与方法。

制造涂布材料阵列所用的一个实施方案的一个系统，包括多种有机材料和一个用来将多种有机材料中的每一种输送至输送区的机构。输送机构具有多个源，每个源与多种有机材料中相应的一种相连。多个源中的每个源为相应有机材料提供一个至少部分位于输送区内的厚度分布，其中，至少一个厚度分布沿输送区横向变化。

制造涂布材料阵列所用的一个实施方案的一种方法，包括提供多种有机材料并选择性地将多种有机材料中的每一种输送至输送区。输送的多种有机材料中的每一种具有一个至少部分位于输送区内的厚度分布，其中，至少一个厚度分布沿输送区横向变化。

附图简述

图1是一个用来制造涂布材料阵列的系统的示意图。

图2是由图1中的系统形成的涂层集合的示意图。

图3是正在从输送机构源输送至输送区内基体表面的蒸发材料的笼罩区。

图4是输自输送机构垂直聚焦设备的厚度沿输送区横向尺寸的分布图。

图5是输自输送机构源斜聚焦设备的厚度沿输送区横向尺寸的分布图。

图6是输自输送机构源垂直偏焦设备的厚度沿输送区横向尺寸的分布图。

图7是输自输送机构源斜偏焦设备的厚度沿输送区横向尺寸的分布图。

图8是具有两个相反输送源的组合涂布系统的一个实施方案的侧视图。

图9是由图8系统形成的涂层集合的顶视图。

图10是一个三元组合涂布系统的一个实施方案的投影图。

图11是由图10系统形成的涂层集合的顶视图。

图12是一个组合涂布系统的另一个实施方案的示意图。

图13是一个有多个花样的掩膜的顶视图，可应用于图12的系统中。

图14是用图12系统中图13的掩膜形成的涂层集合的顶视图。

图15是示意一个蒸汽沉积组合涂布系统之一个实施方案的横截面的侧视图。

具体实施方式

参考图1和2，一个用来制造形成涂层集合的涂布材料阵列的系统10，包括一个输送机构12，它将多种材料14中的一种材料或一种组合输送到基体18的一个表面16，以形成涂层20。基体表面16具有多个预定区域22，位于输送区24内，优选输送区在系统10内的一个固定位置上。定位输送机构12和/或多种材料14，以将多种材料中的每一种同时输送或平行输送至输送区24。一个控制器26控制多种材料14中每一种的选择、定量与输送顺序，从而使涂层20的组成能在基体表面16上的每个区域22之间变化，以形成一个涂层集合28。这样，多个预定区22中的每个区都涂有多个预定涂层30之一。该多个预定涂层30包括：多种材料14之一的单层涂层；多种材料组合物的单层涂层；一种多层涂层，其中每一层都是多种材料之一；以及一种多层涂层，其中每一层都是多种材料的一种组合物。此外，系统10可以包括一张掩膜32，与控制器26通信，以允许将多种材料14输送到不同组合的多个预定区域22，形成多个预定涂层30。系统10也可包括一个固化源34，用来固化多种材料14，或者在它们被输送到基体18的过程中，或者当它们一旦已沉积到基体上时。更进一步，系统10可包括一个试验装置36，以便在已涂布基体或涂层集合28上进行分析试验，以确定多个预定涂层30中每个涂层的性能。掩膜32也可以由一个固定装置35来固定，它任选地可以通过移动将掩膜定位于系统10内。同样，基体18可以由一个支承装置37固定，它任选地可以通过移动将基体定位于系统10内。因此，本发明提供一个制造并试验涂层集合的系统与方法，该涂层集合具有一个涂层阵列，由同时聚焦或平行聚焦在基体上的多种材料形成。

输送机构12要构造到使多种材料14中的每一种都可以从多个角度同时输送或平行输送到输送区24。因此，输送机构12要定位或聚焦到使至少一部分输送材料到达输送区24，如以下更详细的讨论。输送机构12可以是单个装置，或者，也可以是多个分立的装置，每一个对应于多种材料14之一。一个或多个输送机构12中每一个的位置优选相对于输送区24和相对于其它输送机构固定在系统10内。优选输送机构12将多种材料14中的每一种以蒸发或离子化形式喷射至输送区24。输送机构12的适用实例包括：任何类型的喷咀或喷枪，例如超声、空气、热、无空气枪，如用液压力的那些；微波或射频(“RF”)输送机构；喷墨打印头；蒸气沉积装置，包括溅射，热/电子/激光蒸发，化学蒸气沉积(CVD)，分子束外延，等离子喷镀；以及离子束沉积。

多种材料14包括多种状态的无机材料和有机材料，例如固态、液态、气态和蒸发或原子化材料。无机涂料的适用实例包括金属、合金、陶瓷、氧化物、氮化物和硫化物。有机涂料的适用实例包括聚合物、齐聚物和小分子，其中小分子是反应生成涂层的分立单体。聚合物材料包括，但不限于，聚碳酸酯、丙烯酸类、聚硅氧烷、纤维素酯、聚酯、醇酸树脂、聚氨酯和乙烯基聚合物等等。优选多种有机材料包括有机聚合物材料，如衍生自具有保护或装饰功能的有机材料的“结构”材料，尤其包括热塑性或热固性聚合物。多种无机材料优选包括氧化物。更进一步，多种材料14优选能被蒸发或原子化，并分别或组合地被喷涂或沉积在基体上，如果输送到基体上的料量足够多的话，蒸发或原子化的物质在此处熔并而形成连续涂层。此外，材料或材料的组合可形成具有多个层的涂层，这种涂层可以是一种具有由每一层预定功能所决定的综合功能的多功能涂层。材料可以组合起来，使多种有机材料或多种无机材料或有机与无机的组合物组合成一个涂层。此外，通过提供这类材料的组合，可以确定各种组合材料的相互作用和相容性。

涂层20是沉积在基体18上的一种材料或一种组合材料。这些材料可以保持为各自的均质材料，也可以彼此反应、相互作用、扩散、混合或组合，以形成一种新的均质材料、混合物、复合材料或共混物。如前所述，涂层20可包括单层或多层。一般地说，涂层20的横向尺寸，即沿基体表面横向测量的长度，远远大于厚度，即垂直于基体表面的涂层量度。优选每一层都是一个薄膜层。涂层20在组成上从一个预定区22到另一个区可变，任选地以连续方式，从而形成一个确定涂层集合28中多个预定涂层30的涂层阵列。涂层阵列中的每一个都随它们的位置而彼此区别。而且，涂层阵列中的每一个都可以在相同条件下加工和分析，以确定它们有关功能或使用性能，然后相互比较以确定它们的相对应用性。

多个预定区22中的每一个都是在基体18上的一个固定区，用来接受多种材料14中的一种材料或材料的组合，以形成单层或多层涂层。预定区22中的每个区具有足以接受并分析沉积在其上的涂层的任何形状，如矩形、线形、弧形、圆形、椭圆形、它们的组合等。每个预定区22一般都有一个约0.01mm²-约100cm²的面积，优选约1mm²-约1cm²，更优选10mm²-约50mm²。也可以有其它面积，且每个预定区22的面积可以用沉积和分析装置的能力及涂层集合的优选密度来确定。

基体18是一种适合于接受和支持多种材料14中至少一种的刚性或半刚性材料。基体18至少有一个基本平整的包括多个预定区22的表面16。但是，基本平整的表面可以具有凸起部分以将多个预定区域22中的各区一一隔开。基体18可具有任何尺寸与形状，但优选是圆盘状、板状或长条状，例如带或辊。基体18上基本平整的表面16与输送区24对应，一般具有约1mm²-约1m²的面积，优选约50mm²-约750cm²，更优选约1cm²-约500cm²。

基体18可以由支承装置37固定在系统10内并定位于输送区24内。支承装置37能通过移动来定位基体18。例如，对于一个长带状基体18，支承装置37可包括一个送带装置和一个收带装置，两者在输送区24内都可旋转并支持可能与辊组合在一起的带。在另一个实施例中，支承装置37可以是一块平板，基体放置并固定在其上，其中，该平板和一个控制平板与输送区24相对位置的马达或其它传动型装置相联。因此，控制器26可以控制支承装置37的位置，以控制材料14输送到其上的预定区22。例如，控制器26可移动支承装置37，使多个预定区22中预定的若干个在输送区24以外，从而不会接受材料14中的一种或多种。

输送区24是系统10内一个固定位置上的区域。输送区24可具有任何形状或大小，一般，但不一定，形状和尺寸基本对应于基体18之一个表面16上的多个预定区22。但是，该多个预定区22可以比输送区24大很多或小很多。输送区24的固定定位为系统10提供了一个将多种材料14输送至基体18之表面16的固定场所。

控制器26是一个有输入、输出、存储和处理器的计算机系统，用来接收、输送、存储和处理信号和数据，以操作、监控、记录或功能性地控制系统10的操作。控制器26包括一个具有用来集成系统所有部件的界面板和一个用来控制掩膜32和基体18移动的移动控制器。控制器26可包括一个用来输入数据和指令的键盘、一个用来显示信息的显示屏和一个打印信息的打印机。控制器26可包括软件、硬件、操作系统和其它类似的部件以及用来操作系统10的电路。控制器26可以是单个装置，也可以是联动的多个装置。控制器26优选与系统10中所有的其它部件通信，包括输送机构12、多种材料14、基体18、掩膜32、固化源34、试验装置36、固定装置35和支承装置37，以便使系统同步运作。例如，控制器控制材料向基体的输送，记录在每一预定区构成涂层的材料的精确组合。通过控制输送，控制器可控制一种或多种材料体积、材料的组合、喷涂能力、涂布速度、喷射角、输送机构与基体之间的间距、屏蔽等。更进一步，控制器26控制、协调、组合和记录输送材料的输送与固化、涂层集合的试验和试验结果的分析。

掩膜32是一种具有一种或多种由开口区和阻隔区组成的花样的材料，其中开口区允许多种材料14输送到基体18，而阻隔区阻隔输送。花样可以是任何形状。掩膜32用来限定材料在涂层集合28中的空间变化。例如，在一个二元屏蔽系统中，掩膜包括多个花样，它们顺序排列，以允许输送到基体18上交替的一半区域，这一点将在下面更详细说明。掩膜32可位于多种材料14与基体18之间的任何地方，包括沿材料输送线直接位于基体顶部并与基体接触。通过增加掩膜32与基体18之间的间距，会产生一种称做“阴影”的效果，这在某些情况下是不希望的。在阴影形成中，输送到基体上的材料的花样正比于掩膜的花样，但更大，因为掩膜与基体间的间距允许输送的花样在到达基体之前膨胀。掩膜32可以由一种刚性或半刚性材料制成，或者，掩膜也可以是一种在基体表面形成的化合物。优选掩膜材料要保证掩膜尽可能平整且耐弯和/或折。掩膜材料的适用实例包括：硅、氧化硅和玻璃作刚性或较难弯曲的材料；片、膜或箔状的塑料、金属和合金作半刚性或较易弯曲的材料；以及光刻聚丙烯酸酯(“PMMA”)和形成负性或正性化学掩膜的其它化学材料。

掩膜32可以用固定装置35固定在系统10内并相对于输送区24定位。固定装置35可通过移动定位掩膜32。例如，对于一种带有多个花样的长条状半刚性材料的掩膜32，固定装置35可包括一个送带装置和一个收带装置，两者都可相对于输送区24旋转并支持可能与辊组合的带。在另一个实施例中，对于一种刚性材料形式的掩膜32，固定装置35可以是一个与一台马达或其它传动型装置相联的平台或其它支持结构，控制平台和掩膜与输送区24的相对位置。这样就能通过移动掩膜32，利用多个花样中的一个花样来屏蔽基体18上的不同预定区22。这样，控制器26就可控制固定装置35的移动以控制在其上输送材料14的预定区22。

固化源34是一个与多种材料14中的每一种通信的装置，以造成与一种材料或材料的组合发生反应或溶剂的挥发。例如，反应可以是适合于输送材料的聚合反应、交联反应、小分子反应、无机相反应和其它类似的反应。固化源34的适用实例包括与基体18通信的加热装置、与输送材料或沉积材料通信的辐射装置、微波装置、等离子体装置和它们的组合。

试验装置36是一个用来分析基体18上多个预定涂层30中每一个性能的系统。试验装置36使整个涂层集合28经受相同的条件，以确定预定涂层30中每一个的相对性能。为编辑和分析试验数据，试验装置36与控制器26通信。试验装置36的适用实例包括一台厚度分布仪、一台表面分析仪、一台紫外(UV)吸收试验仪、一台渗透试验仪、一台耐刮擦试验机以及试验涂层结构、保护、装饰和其它功能特点的其它类似装置。

参考图3，来自输送机构12的材料的输送输送源38在笼罩区40内以蒸发或原子化状态输送多种材料中的一种材料，为使涂层复盖整个输送区，笼罩区40优选包围输送区24。源12是材料从输送机构的出料点。例如，源12可以是喷枪上的喷咀。但在有些情况下最好不要让涂料笼罩整个输送区24。例如，笼罩区40可以仅包围一部分输送区24，当基体18的一部分预定区22不需要被涂布且当时未用掩膜32来防止材料输送到这些区域时。笼罩区40可以具有任何常见形状，包括：截面形状不同的锥体，例如圆形、椭圆形和矩形；截面形状不同的的半锥体；以及细线形。笼罩区40的形状可取决于输送区24的形状、基体18之表面16的形状、输送机构12、多个预定涂层30中每一个所需的组成、预定区22的形状与个数、输送源38的个数、拟输送到基体18的材料14的种类数目和类似的因素。笼罩区40的形状可以由输送机构12上的喷咀形状、与输送机构相联的空气套或与输送机构相联的其它决定形状的结构或装置来控制。

参考图3和4，在一个垂直聚焦设备41中，输送源38有一个与输送区24中心点44重合的焦点42，用来输送材料14。输送源38的放置要使材料14沿一个其中心线46基本垂直于输送区24表面的输送角对准中心点44。参考图4，以一个基本垂直于输送区平面49的输送角α输自图3设备的涂层，沿输送区24的一个尺寸50(如图3的横向尺寸)的截面厚度分布48，一般有一个二维的拟高斯分布或正态分布。因此厚度分布48具有一个与中心点44之上的中心线46重合的顶点52，而在中心线的每一侧，有两个相等的镜影拖尾54。更进一步，输送源38在与输送区24的平面49垂直间距60的位置上(图3)。垂直间距60影响厚度分布48的总宽度51，从而影响涂层在沿厚度分布任何给定点的厚度。因此，在这种情况下，厚度分布48的中心位于输送区24的尺寸50内，厚度在顶点52处最大，从中心线46向所有方向逐渐减小。

参考图5，在一个斜聚焦设备55中，输送源38有一个与输送区24的中心点44重合的焦点42，用来输送材料14，但是源的定位要使材料的中心线46相对于输送区平面49有一个约0°-约90°的输送角α。进一步，由于该斜而聚焦的输送，输送源38位于离中心点44水平间距53处。水平间距53是在一个平行于输送区平面49的输送源38的平面内离垂直聚焦设备位置的距离。水平间距53、垂直间距60和输送角α，在数学上全都相关，且可以改变到使厚度分布48位于输送区24之内。在该实施方案中，厚度分布48有一个畸变的高斯分布，带有一个较靠近输送源38的斜拖尾56和一个远离源的长拖尾58。在长拖尾58中，一般是厚度分布48沿尺寸50基本随长度线性变化的一个区域。因此，在这种情况下，厚度分布48在输送区24的尺寸50内发生了畸变，厚度在靠近有斜拖尾56的尺寸一端最大，而从顶点52朝对应于长拖尾58的尺寸边缘逐渐减小。

参考图6，在一个垂直偏焦设备57中，输送源38有一个用来输送材料14的焦点42，它位于输送区24的平面内在尺寸50的方向上与中心点44的偏离距离59处。在这种情况下，中心线46位于一个基本垂直于输送区24平面49的输送角α上，偏离距离59基本上等于输送源38离垂直聚焦设备位置的水平距离(见图4)。还要指出，输送机构的焦点可以位于输送区内或输送区外。因此，在该情况下，厚度分布48在输送区24的尺寸50内偏移，厚度在偏置的顶点52处最大，而在离中心线46的所有方向上逐渐减小。

参考图7，在一个斜偏焦设备61内，输送源38有一个用来输送材料14的焦点42，它位于尺寸50方向上偏离中心点44距离59处，这时，中心线46处于一个与输送区24的平面49有一个约0°-约90°的输送角α。在这种情况下，由于输送角α和焦点42的偏离，输送源38离垂直聚焦输送点的水平间距53大于从焦点到中心点44的偏离距离59。因此，在该情况下，厚度分布48在输送区24的尺寸50内比图5设备中的畸变更严重。

在图4-7的每个设备中，输送区24内厚度分布48的平坦度将随离输送源38之间的垂直间距60而变化，其中平坦度将随间距的增加而提高。而且，厚度分布48的平坦度将在输送区24内变化，取决于输送角α、水平间距53和偏离距离59，其中，较小的角度和较大的水平间距与偏离距离将增加平坦度。例如，参考图4，适当组合输送角、水平间距和偏离距离，可使厚度分布48在输送区24的尺寸50内基本平坦。但是，随间距缩短，厚度分布48在输送区24的尺寸50内，会从顶点52的最大厚度逐渐变到输送区尺寸边缘处的最小厚度。优选涂层集合具有一个基本恒定的厚度，这样，在对与每个预定区22相关的多个预定涂层30的分析中，就可取消厚度变量，从而集中研究涂层组成的影响。在操作中，实现厚度基本不变的涂层集合的方法是校正每个输送机构，从而在输送区横向上形成一个线性厚度分布。当使用多个输送机构时，优选厚度分布的相同部分位于每个输送机构的输送区内。因此，本发明通过对多种材料14中每一种材料的各个输送源38，改变垂直间距60、输送角α和偏离距离59，能制成在基体18上的多个预定区22内，涂层在组成、层数和厚度上变化很小的涂层集合。

参考图8和9，在一个组合涂布系统62的一个实施方案中，通过同时沉积来自输送源38的多种材料14中的至少两种(A和B)，在基体18上形成了一个连续变化的涂层集合64。多个预定涂层30中每一个的相对厚度和组成都可以随材料A和B中的每一种在输送到基体18时的厚度分布48(见图4-7)而单独或同时连续变化。这种连续变化可以是线性或非线性的，取决于输送角α、与每个输送源38相连的输送机构12(未示出)的喷涂能力、涂布速度或单位时间沉积的材料量、输进输送机构材料的喂料速度和浓度、垂直间距60、输送源38相对于中心点44的偏离距离59、每个输送源38到中心点44的水平间距53、笼罩区40(未示出)的形状、蒸气沉积中的气氛和单位面积的功率和气体的压力与种类等变量及其它类似的因素。这些变量中的每个变量都可独立地或组合地改变，以在每个预定区22中产生一个预定涂层。进一步，虽然未示出，可以在每个输送源38与基体18之间放置一张掩膜32，优选靠近或接触基体，以有利于形成涂层集合。

此外，参考图8，输送角α值可以为约0°-约90°，更优选约15°-约75°，非常优选约30°-约60°。垂直间距60可以在约0cm-约90cm范围内变化，更优选约3cm-约30cm，非常优选约10cm-约20cm。水平间距53可以在约0cm-约60cm范围内变化，更优选约3cm-约30cm，非常优选约10cm-约20cm。涂层厚度可在约1nm-约1mm范围内变化，更优选约1μm(或数μm)-约500μm，非常优选5μm-约100μm。

参考图9，由组合涂布系统62(图8)产生涂层集合64的一个实施方案，包括材料A和B的反向梯度，从靠近材料A的输送源38的一侧沿涂层集合横向移动，材料A连续地从约100％-约0％，而材料B从约0％-约100％。取决于上述关于材料输送到基体的变量，涂层集合64在基体横向上可具有一个基本恒定或可变的厚度。优选材料A和B的输送源具有各自的焦点42，它们离输送区中心点44有一个预定的偏离距离53，使涂层集合的厚度在基体横向上基本恒定。进一步，通过控制蒸发速率，使材料A和B有足够长时间的扩散，那就可以通过原位扩散/混合法或通过A与B的反应而形成一种新材料。或者图8中的基体18可以移动，例如转动、纵向或横向移动，以获得各预定涂层30中组成的多种变化。更进一步，可向输送源38相继喂进新的和不同的材料，再结合横向移动的长条状基体，则会产生沿基体纵向长度连续变化的涂层。此外，每个输送源38优选位于基本平行于输送区平面49但与之的垂直距离60的输送平面65内。但是，在一个替代实施方案中，每个输送源38的垂直距离60可独立改变，以便在输送区24内提供一个不同的厚度分布48。因此，系统62保证将多种材料中至少两种同时输送到基体上，以获得具有至少两种材料梯度的连续变化涂层。

参考图10-11，在类似于图8-9的另一个实施方案中，一个三元组合涂布系统68提供一个连续的三元涂层集合70。多种材料14(图1)中至少3种材料(A，B和C)可以同时或相继地输自输送源38。每个输送源38分别位于一个基本相同的如前所述斜偏焦设备61中(图7)。输送源38优选等间距地分布在一个圆心76与中心点44在同一轴78的圆周74上。优选圆周74的直径大于输送区的直径。例如，圆周74优选直径为约30cm，而输送区的直径为约10cm-约15cm。由系统68形成的涂层集合70可以是3种材料A、B和C中的每一种连续变化的组合，模拟一个三元相图。影响形成涂层集合64(图8-9)的相同变量，如上所述，同样适用于系统68的涂层集合70。例如，涂层集合70在任何一点的相对组成是水平间距53、偏离距离59、输送角α、每种材料喷射笼罩区40的形状、每个源的焦点42等的函数。而且优选的间距与角度与前述相同，参考图8-9。在一个实施例中，用一台斜偏焦设备61(图7)同时聚焦三把空气刷枪，以将三种不同材料的细喷雾输送到基体上。所有枪都位于一个平行于输送区并离输送区的垂直间距约15cm的输送平面内。而且，每把枪都定位到有一个约45°的输送角和一个约18cm的水平间距53。基体18基本上是一个直径约8cm的圆盘状单晶硅片材料。多个预定区中每个区的尺寸都定制到形成一个具有66个预定涂层的涂层集合。涂层材料包括聚丙烯酸乙甲酯(PEMA)在异丙醇溶剂中的2％溶液并混有有机颜料。在通过一个三元或三角掩膜(未示出)的沉积并热固化后，在几分钟内就生成了具有66个不同组成的三元涂层集合。该涂层厚约2μm，涂层厚度随涂布时间线性增加。

参考图12-14，在另一个实施方案中，一个组合涂布系统72包括多个共聚焦或同时聚焦的输送机构12，每个定位到同时或相继将多种材料14之一通过掩膜32输送到达基体18。多个输送机构12中的每一个在笼罩区40内(图3)产生一种原子化材料的喷雾，笼罩区与基体18的表面16相切。每个输送源38优选位于一个斜偏焦设备61中(图7)。优选每个输送机构12等间距地位于一个圆心76与中心点44在同一轴78的圆周74上。而且，每个输送机构12优选具有一个自圆心76的径向水平间距53(图7)小于中心点44至输送区24边缘的距离。优选每个输送机构12的焦点42(未示出)聚焦在一个离中心点44基本相等的偏离距离59处(图7)，从而使每种材料厚度分布48(图7)的相同部分位于输送区24内。但是，每个输送机构12的焦点42无需偏离中心点44或具有相等的偏离距离53。事实上，每个输送机构12都可具有一个独自的焦点42，包括使中心线46相对于表面16为垂直或倾斜的焦点在内，而输送机构与中心点44在一直线上或径向离开中心点44，只要输送材料14的笼罩区40(图3)与输送区24，进而与基体18的表面16，至少部分重合即可。进一步，输送机构12不必位于圆周上，而可以位于能平行地或同时将多种材料14输送到至少部分输送区24的任何相关位置上。

掩膜32优选包含多个花样80(图13)，它可以移进或移出材料14的输送线，以便控制不同预定区22(图2)涂有不同材料的涂层，以形成一个涂层集合82(图13)。虽然在图12中画成掩膜离基体18有一个间距，但优选掩膜是一张接触或靠近基体的物理接触掩膜，为的是消除阴影。例如，参考图14，用多种材料14中的四种(A，B，C和D)组合掩膜32中的前四种花样80(图13)，系统72就可以产生一个具有16个预定涂层30的涂层集合82。

在系统72的一个实施例中，每个输送机构12是一个喷咀，它们把一种液态前体材料14原子化为细喷雾并分别或与其它喷咀/材料组合起来喷至基体18上，形成一层涂层。压缩空气、过热流或超声波都可用于液体材料，以产生液体材料的细喷雾。具有多个涂层的涂层集合82可以通过相继输自多个输送机构12的材料14的输送，结合一系列掩膜花样和固化步骤(如必要)而在基体的预定区22(图2)提供预定涂层30。这种做法可能是理想的，例如，当寻求一种其中每一个涂层或涂层的组合提供至少一种功能的多功能涂层时。在这个不应将之视为限制的特定实施例中，在8把独立控制的喷枪中喂入8种不同的液态涂料(A-H)。例如，适用的液态涂料包括聚丙烯酸酯、聚碳酸酯、乙烯基聚合物、聚硅氧烷和二氧化硅凝胶。进一步，例如，适用的喷枪包括由Sono Tech制造的那些。如果材料需要固化，则固化源34(图1)的适用实例包括能在约80-约200℃，更优选约100-约150℃于约10min-约10h，更优选约1h-约4h的固化周期内固化材料的一块加热板和一个UV灯。因此具有多个预定多层涂层的涂层集合要以平行方式制造，或者结合不同的掩膜花样与不同的液态前体材料，或者用这些材料的无掩膜连续相分散法，利用输自各个喷咀的液态前体材料的间距与体积变化等优点，形成涂层集合。

参考图15，在另一个实施方案中，一个蒸气沉积组合涂布系统90包括多个输送机构12，彼此共聚焦或同时聚焦，用来将多种固体材料14中的一种同时或相继输送到位于沉积室94内可移动台92的基体18上。为保持蒸气沉积的高温，该基体包含一种稳定的耐高温材料，如氧化镁或铝酸镧(LaAlO₃)。沉积室94可密封，以便在其内表面上形成一个真空室96。在该情况下，输送机构12是蒸气沉积设备，如由RF能量驱动的溅射枪，优选匹配到给出最佳输出。移动台92将基体18支持在已知位置内，在此处该台可垂直地、旋转或线性调节，以将基体定位于输送区内。掩膜32位于输送机构12与基体18之间，它具有一系列不同的花样80。在蒸气沉积期间，优选掩膜32基本上与基体18接触，以尽量减少“阴影效果”。掩膜32可通过移动位于掩膜室100内的真空室98中。掩膜室100与沉积室94以一定方式通信，以保持真空室96与98的气氛。进一步，掩膜室100包括一个齿轮箱120和微米计104，分别用来移动和测量掩膜花样80相对于基体18的位置。

进一步，系统90可任选地包括一个带一个或多个小眼108的挡板106，以选择一种或多种同时或先后输送的材料并防止材料互混。挡板106可通过移动与转子110联接，后者旋转挡板106和小眼108，以便选择要蒸发的固体材料14，而掩膜花样80在真空室内随线性运动真空引线而变。材料14的沉积量用厚度监控装置112，如石英晶体示波器进行监控。不同的固体前体通过不同掩膜花样的蒸气沉积，在一天以内可以制成具有超过100个不同涂层组成/层结构的基体，而无需为变更固体材料和/或掩膜花样而中断真空。

在真空室96与98内的真空气氛由与涡轮分子泵116连接的增压泵站114维持。例如，增压泵站114可提供约10^-3乇的真空，而涡轮分子泵116可提供10^-6乇的真空。泵114和116通过一个闸阀118与真空室96连接。

例如，系统90可产生任何陶瓷、金属和/或半导体材料的涂层集合，具有nm量级的表面粗糙度和厚度精度。除上述溅射装置外，其它适用的输送机构12包括激光烧蚀、电子束蒸发，CVD等，都可用于掩膜系统来产生无机涂层集合。为制造有机涂层集合，可以建立一个与掩膜系统偶联的共聚焦多源热蒸发设备。同样的系统可用来制造小分子涂层集合，例如用于有机发光二极管(“LED”)器件。

显然，按照本发明，已提供了一个组合涂布系统与方法。虽然本发明已特别结合优选实施方案给出并进行了描述，但应理解，本领域的一般技术人员都可对之作变动与修改而不会偏离本发明范围。此外，应该理解，为形成本文所述的涂层厚度分布而定位输送机构和输送材料的原理，在凡可应用的地方，都可以类似方式适用于所有实施方案。

Claims (50)

1.一种用来制造涂布材料阵列的系统(10)，它包含：

多种有机材料(14)；和

一个用来将多种有机材料中的每一种输送到输送区(24)的输送机构(12)，该输送机构有多个输送源(38)，每个输送源与多种有机材料中相应的一种相联，多个输送源中的每个源都为相应有机材料提供一个至少部分位于输送区内的厚度分布(48)，其中至少一个厚度分布沿输送区横向变化。

2.权利要求1的系统，其中多种有机材料包含功能涂料。

3.权利要求1的系统，其中多种有机材料包含保护涂料。

4.权利要求1的系统，其中多种有机材料包含装饰涂料。

5.权利要求1的系统，其中多种有机材料包含结构聚合物材料。

6.权利要求1的系统，其中多种有机材料是选自聚合物、齐聚物、单体和小分子的材料。

7.权利要求1的系统，其中多种有机材料是选自下列一组的材料：聚碳酸酯、聚丙烯酸类、聚硅氧烷、纤维素酯、聚酯、醇酸树脂、丙烯酸类、聚氨酯和乙烯基聚合物。

8.权利要求1的系统，其中至少一个厚度分布沿输送区横向线性地变化。

9.权利要求1的系统，其中每个厚度分布都沿输送区横向变化，从而在输送区内可形成多种有机材料中的每一种都有一个连续变化组成的涂层集合。

10.权利要求1的系统，其中输送区与具有多个预定区(22)的基体(18)之一个表面(16)相关，以及其中多个预定涂层(30)之一在每个预定区内形成以构成一个连续变化的涂层集合。

11.权利要求1的系统，它还包含一个用来控制输送机构多个输送源中每个源的控制器(26)，以便相继或同时输送多种有机材料中的每一种。

12.权利要求1的系统，其中多种有机材料中的每一种输自一个选自下列一组的设备：垂直聚焦设备、斜聚焦设备、垂直偏焦设备和斜偏焦设备。

13.权利要求1的系统，它还包含一个用来支持掩膜(32)的固定装置(35)，其中固定装置可相对于输送区移动。

14.权利要求1的系统，它还包含一个支承装置(37)，用来支持输送区内基体(18)之一个表面(16)，其中支承装置可相对于输送区移动。

15.权利要求1的系统，它还包含一个有一个表面(16)可位于输送区内的基体(18)，其中该表面有多个预定区(22)，用来接受形成具有多个连续变化预定涂层(30)的涂层集合(28)的多种有机材料。

16.一种用来制造涂布材料阵列的系统(10)，它包含：

多种有机结构涂布材料(14)；和

一个用来将多种有机材料中的每一种输送到输送区(24)的输送机构(12)，该输送机构有多个输送源(38)，每个输送源与多种有机材料中相应的一种相联，多个输送源中的每个源都为相应有机材料提供一个至少部分位于输送区内的厚度分布(48)，其中至少一个厚度分布沿输送区横向变化。

17.权利要求16的系统，其中多种有机材料是选自聚合物、齐聚物、单体和小分子的材料。

18.权利要求17的系统，其中多种有机材料是选自下列一组的材料：聚碳酸酯、聚丙烯酸类、聚硅氧烷、纤维素酯、聚酯、醇酸树脂、丙烯酸类、聚氨酯和乙烯基聚合物。

19.权利要求16的系统，其中至少一个厚度分布沿输送区横向线性地变化。

20.权利要求16的系统，其中每个厚度分布都沿输送区横向变化，从而在输送区内可形成多种有机材料中每一种都有一个连续变化组成的涂层集合。

21.权利要求20的系统，其中输送区与具有多个预定区的基体之一个表面相连，以及其中，多个预定涂层中之一在各预定区内形成，以构成一个连续变化的涂层集合。

22.权利要求21的系统，其中多种有机材料中的每一种输自一个选自下列一组的设备：垂直聚焦设备、斜聚焦设备、垂直偏焦设备和斜偏焦设备。

23.权利要求22的系统，它还包含一个用来支持掩膜(32)的固定装置(35)，其中固定装置可相对于输送区移动。

24.权利要求23的系统，它还包含一个支承装置(37)，用来支持输送区内基体(18)之一个表面(16)，其中支承装置可相对于输送区移动。

25.权利要求24的系统，它还包含一个控制器(26)，用来控制输送机构多个输送源中的每一个源，以便相继或同时输送有机结构涂料中的每一种。

26.权利要求16的系统，它还包含一个有一个表面(16)可位于输送区内的基体(18)，其中，该表面有多个预定区(22)，用来接受多种有机结构涂料，形成具有多个连续变化预定涂层(30)的涂层集合(28)。

27.一种制造涂布材料阵列的方法，它包含：

提供多种有机材料(14)；

选择性地将多种有机材料中的每一种输送到输送区(24)，其中，输送的多种有机材料中的每一种具有一个至少部分位于输送区内的厚度分布(48)，其中，至少一个厚度分布沿输送区横向变化。

28.权利要求27的方法，其中，多种有机材料包含功能涂料。

29.权利要求27的方法，其中，多种有机材料包含保护涂料。

30.权利要求27的方法，其中，多种有机材料包含装饰涂料。

31.权利要求27的方法，其中，多种有机材料包含结构聚合物材料。

32.权利要求27的方法，其中，多种有机材料选自聚合物、齐聚物、单体和小分子。

33.权利要求27的方法，其中，多种有机材料是选自下列一组的材料：聚碳酸酯、聚丙烯酸类、聚硅氧烷、纤维素酯、聚酯、醇酸树脂、丙烯酸类、聚氨酯和乙烯基聚合物。

34.权利要求27的方法，其中，至少一个厚度分布沿输送区横向线性地变化。

35.权利要求27的方法，其中，每个厚度分布都沿输送区横向变化，从而在输送区内可形成多种材料的每一种都有一个连续变化组成的涂层集合。

36.权利要求27的方法，其中，输送区与具有多个预定区(22)的基体(18)之一个表面(16)相连，还包含在每一预定区形成多个预定涂层(30)之一，以形成一个连续变化的涂层集合(28)。

37.权利要求27的方法，还包含控制输送机构多个输送源中的每个源的控制器，以相继或同时输送多种有机材料中的每一种。

38.权利要求27的方法，多种有机材料中每一种的输送还包含输自一个选自下列一组的设备：垂直聚焦设备、斜聚焦设备、垂直偏焦设备和斜偏焦设备。

39.权利要求27的方法，还包含通过移动将掩膜(32)定位于多种有机材料的每一种和输送区之间。

40.权利要求27的方法，还包含通过移动将基体(18)定位于输送区内，在此处，该基体有一个表面(16)带有多个预定区(22)，用来接受多种有机材料，形成具有多个连续变化预定涂层(30)的涂层集合(28)。

41.一种制造涂布材料阵列的方法，它包含：

提供多种有机结构涂布材料(14)；和

选择性地将多种有机材料中的每一种输送到输送区(24)，其中，输送的多种有机材料中的每一种具有一个至少部分位于输送区内的厚度分布(48)，其中，至少一种厚度分布沿输送区横向变化。

42.权利要求41的方法，其中多种有机材料是选自聚合物、齐聚物、单体和小分子的材料。

43.权利要求42的方法，其中多种有机材料是选自下列一组的材料：聚碳酸酯、聚丙烯酸类、聚硅氧烷、纤维素酯、聚酯、醇酸树脂、丙烯酸类、聚氨酯和乙烯基聚合物。

44.权利要求41的方法，其中至少一个厚度分布沿输送区横向线性变化。

45.权利要求41的方法，其中每个厚度分布沿输送区横向变化，从而在输送区内可形成多种材料中每一种组成连续变化的涂层集合。

46.权利要求45的方法，其中输送区与具有多个预定区(22)的基体(18)之一个表面(16)相连，还包含在每个预定区内形成多个预定涂层(30)之一，以形成连续变化的涂层集合(28)。

47.权利要求41的方法，多种有机材料中每一种的输送还包含输一个选自下列一组的设备：垂直聚焦装置、斜聚焦设备、垂直偏焦设备和斜偏焦设备。

48.权利要求47的方法，还包含通过移动将一张掩膜(32)定位于多种材料与输送区之间。

49.权利要求48的方法，还包含可通过移动定位一个用来支持输送区内基体(18)之一个表面(16)的支承装置(37)，其中，该表面具有多个预定区(22)，用来接受多种有机结构涂层，形成具有多个连续变化预定涂层(30)的涂层集合(28)。

50.权利要求49的方法，还包含控制多种有机结构涂料中每一种的输送，以相继或同时输送多种有机结构涂料中的每一种。

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