DE102006026576A1

DE102006026576A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Aufdampfen eines pulverförmigen organischen Ausgangsstoffs

Info

Publication number: DE102006026576A1
Application number: DE200610026576
Authority: DE
Inventors: Gerhard Karl Strauch
Original assignee: Aixtron SE
Current assignee: Aixtron SE
Priority date: 2006-06-06
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2008-01-10
Also published as: WO2007141235A1; WO2007141235B1; TW200811302A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates (17) mit einem organischen Material, wobei das organische Material als pulverförmiger Ausgangsstoff (10) vorliegt, der bei einer Temperatur, die unterhalb der Zerlegungstemperatur der das organische Material bildenden Moleküle liegt, in einem Vorratsbehälter (1) bevorratet wird, von wo aus er dosiert in eine Verdampfungseinrichtung (2) gebracht wird, wo er zufolge Wärmezufuhr verdampft. Um das eingangs genannte Verfahren bzw. die eingangs genannte Vorrichtung zum Aufdampfen eines pulverförmigen Materials zu verbessern, insbesondere die Dampferzeugungsrate zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass der pulverförmige Ausgangsstoff (10) von einem Trägergas in die Verdampfungseinrichtung (2) gebracht wird und die Wärmezufuhr durch Aufheizen des Trägergases erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates mit einem organischen Material, wobei das organische Material als pulverförmiger Ausgangsstoff vorliegt, der bei einer Temperatur, die unterhalb der Zerlegungstemperatur der das organische Material bildenden Moleküle liegt, in einem Vorratsbehälter bevorratet wird, von wo aus er dosiert in eine Verdampfungseinrichtung gebracht wird, wo er zufolge Wärmezufuhr verdampft.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates mit einem organischen Material, mit einem Vorratsbehälter, in welchem das aus einem Pulver bestehende organische Material bei einer Temperatur unter der Zerlegungstemperatur der das organische Material bildenden Moleküle bevorratet ist, mit einer Einrichtung zum Einbringen des Pulvers in eine Verdampfungseinrichtung, wo das Pulver durch Wärmezufuhr verdampft.
Ein gattungsgemäßes Verfahren bzw. eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der US 2005/0208220 A1 vorbekannt. Diese Schrift beschreibt eine Vakuumbeschichtungseinrichtung mit einem Vorratsbehälter für einen pulverförmigen organischen Ausgangsstoff. Bei dem Ausgangsstoff handelt es sich um sog. "Small Molecules", die zur Herstellung von organischen lichtemittierenden Dioden (OLED) verwendet werden. Das Ausgangsmaterial liegt dort in Pulverform vor. Die Moleküle besitzen eine geringe Temperaturstabilität. Sie werden im Vorratsbehälter bei einer Temperatur gelagert, die deutlich unterhalb der Zerlegungstemperatur dieser Moleküle liegt. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, mit der die Pulverteilchen in einen fließfähigen Zustand gebracht werden. Der Stand der Technik nennt hierzu Vibrationsmittel oder überkritische Koh lensäure. Mit dieser Einrichtung wird das Pulver durch eine Leitung in einen Verdampfer gebracht, in dem sich eine Fritte befindet, die beheizt ist. Die Pulverteilchen treten in Kontakt mit den Wänden dieses porösen Materials, um dort zu verdampfen. Der verdampfte Ausgangsstoff wird dann in eine Prozesskammer eines Reaktors geleitet, wo die kleinen Moleküle auf einer Substratoberfläche kondensieren. Bei allen anderen bekannten Vorrichtungen ist die Rate zur Dampferzeugung durch die Kontaktoberfläche begrenzt. Der Dampf wird nur dort erzeugt, wo die erforderliche Wärme auf das Pulverteilchen übertragen wird. Bei einer Vakuumvorrichtung ist dies die Oberfläche eines geheizten Körpers. Es handelt sich hier um eine die Verdampfungsrate begrenzende Fläche.
Aus der DE 100 57 491 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt, bei dem mittels einer pulsierend arbeitenden Einspritzdüse ein flüssiger Ausgangsstoff in ein Gasvolumen eingebracht wird. Die Tröpfchen des dabei entstandenen Aerosols sollen verdampfen, wobei die Verdampfungswärme der Wärme des Trägergases entzogen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannten Verfahren bzw. die eingangs genannte Vorrichtung zum Aufdampfen eines pulverförmigen Materials zu verbessern. Insbesondere ist vorgesehen, die Dampferzeugungsrate zu erhöhen.
Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei jeder Anspruch eine eigenständige Lösung der Aufgabe darstellt und mit jedem anderen Anspruch kombinierbar ist.
Es ist zunächst und im Wesentlichen vorgesehen, dass der pulverförmige Ausgangsstoff von einem Trägergas in die Verdampfungseinrichtung gebracht wird und die Wärmezufuhr durch Aufheizen des Trägergases erfolgt. Hierzu besitzt der Vorratsbehälter eine Gaszuleitung zum dosierten Einbringen eines Trägergases. Innerhalb des Vorratsbehälters befindet sich eine Einmischeinrichtung zum Einbringen des Pulvers in den Trägergasstrom. Das Pulvergasgemisch wird über eine Verbindungsleitung in die Verdampfungskammer geleitet. Diese besitzt Heizflächen zum Aufheizen des in die Verdampfungseinrichtung gebrachten, das Pulver tragenden Gases. Es ist ferner vorgesehen, dass mittelst einer weiteren Zuleitung ein zweites Trägergas in die Verdampfungskammer eingeleitet wird. Dieses Trägergas kann vorgeheizt sein, um so die erforderliche Wärme zur Verfügung zu stellen, mit der die das Pulver bildenden Festkörper verdampft werden. Die zur Verdampfung erforderliche Energie kann aber auch über die Wände der Verdampfungseinrichtung dem sich in der Verdampfungseinrichtung befindenden Gas zugeführt werden. Die Verdampfung der Partikel erfolgt im Wesentlichen kontaktfrei zu den Wänden. Der Wärmetransport von den Wänden der Verdampfungseinrichtung zu den Pulverteilchen erfolgt im Wesentlichen über Molekularbewegung. Die Pulverteilchen können einen Durchmesser von weniger als 10 μm besitzen. Bevorzugt beträgt der Durchmesser der Pulverteilchen etwa 5 μm. Um ein frei im Raum schwebendes Pulver von Molekülen zu erzeugen, muss in der Verdampfungskammer ein gasartiger Zustand bestehen. Dies bedeutet, dass die freie Weglänge der darin sich befindenden Moleküle deutlich geringer ist als der Wandabstand, damit durch eine ausreichend hohe Molekülkollisionszahl der erforderliche Wärmetransport stattfinden kann. Der Druck sollte deshalb größer als 0,1 mbar betragen. Es reicht aus, wenn der Druck 10 mbar beträgt. Der Prozess wird bevorzugt bei einem Druck von 1 bzw. 0,9 mbar durchgeführt. Die Dosierung des Trägergases erfolgt bevorzugt mittels eines Massenflussreglers. Innerhalb der Verbindungsleitung kann sich ein Dosierventil befinden. Es kann sich um ein Auf-/Zu-Ventil handeln. Die Verdampfungseinrichtung ist ein Volumen mit geheizten Wänden. Es kann sich um eine Stahlkammer handeln, die ein Volumen von um die 500 ml besitzt. Die Form ist bevorzugt die eines Zy linders. An seiner einen Stirnseite ist der Zylinder mit der Verbindungsleitung zum Vorratsbehälter verbunden. Dort mündet auch eine Zuleitung für ein weiteres Trägergas. Die dieser Stirnseite gegenüberliegende Stirnseite ist mit einer Ableitung verbunden, durch die das Trägergas und der darin gelöste Dampf des Ausgangsstoffes in ein Gaseinlassorgan transportiert werden. Das Gaseinlassorgan befindet sich in einem Beschichtungsreaktor. Bevorzugt ist das Gaseinlassorgan als "Showerhead" ausgebildet. Dieser besitzt einer Vielzahl von Gasaustrittsöffnungen, die einem Substrat gegenüberliegen, das beschichtet werden soll. Auf der Oberfläche des Substrates kondensieren die Moleküle des organischen Ausgangsstoffes zu einer Schicht, um so organische Halbleiterbauelemente und insbesondere Leuchtdioden herzustellen. Es können unterschiedlich dotierte Schichten aufeinander abgeschieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Lage, einen vergrößerten Mengendurchsatz zu verwirklichen. Hierdurch kann die Depositionsrate gesteigert werden. Die Depositionsrate hängt im Wesentlichen von dem Verhältnis aus verdampfender Oberfläche zur zu beschichtenden Oberfläche ab. Diese geometrische Limitierung liegt auch beim erfindungsgemäßen Verfahren vor. Die Oberfläche des zu verdampfenden Ausgangsstoffes wird allerdings dadurch drastisch erhöht, dass diese von den Oberflächen der frei im Gas schwebenden Pulverpartikel gebildet ist, welche deutlich größer ist als vorbekannte Vorrichtungen ergeben. Der "quasi kalte" Stoff, der sich im Vorratsbehälter befindet, wird bevorzugt mittelst einer Ultraschalleinrichtung "aufgewirbelt". Diese "Aufwirbelung" des Pulvers kann aber auch durch eine turbulente, mitreißende Strömung des Trägergases erfolgen. Dieses derart aufgestäubte Pulver wird zusammen mit dem Trägergas in die Verdampfungseinrichtung eingeleitet. Dies erfolgt dosiert, damit die Verweildauer des Ausgangsstoffes in der beheizten Verdampfungseinrichtung so gering wie möglich ist, um eine Zerlegung des Ausgangsstoffes zu vermeiden. Das Gas-Pulver-Gemisch wird durch ein Dosierventil in das heiße Gasvolumen der Verdampfungseinrichtung injiziert. Es kann sich dabei um eine gepulste Injektion handeln. In die Verdampfungseinrichtung wird bevorzugt ein weiteres Trägergas eingeleitet, welches geheizt ist oder zumindest für den Energietransport sorgt. Die Energie zur Verdampfung des Ausgangsstoffes wird bevorzugt von den geheizten Wänden des Vorratsbehälters über Wärmeleitung zum Pulver gebracht. Hierzu kann die Wand des Vorratsbehälters beheizt sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Diese zeigt schematisch die einzelnen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Vorrichtung besitzt einen Vorratsbehälter 1, in den ein das organische Ausgangsmaterial bildendes Pulver 10 bevorratet wird. Dort befindet sich eine Aufwirbelungseinrichtung in Form eines Ultraschallerregers 9.
Ein Trägergas, bei dem es sich um Stickstoff, ein Edelgas oder um Wasserstoff handeln kann, wird über eine Zuleitung 7 in den Vorratsbehälter 1 geleitet. Die Dosierung des Trägergases erfolgt mittelst eines Massenflussreglers 8, der sich in der Zuleitung 7 befindet. Das Trägergas durchströmt den Vorratsbehälter 1 und fließt aus einer Verbindungsleitung 6 aus dem Vorratsbehälter 1 in eine Verdampfungskammer 2 und von dort durch eine Ableitung 12 in ein Gaseinlassorgan 15 eines Reaktors 13.
Mittelst des Ultraschallerregers 9 wird ein Teil 11 des Pulvers 10 aufgewirbelt. Der aufgewirbelte Teil 11 des Pulvers 10 wird vom Trägergas durch die Verbindungsleitung 6 in die Verdampfungskammer 2 geleitet. Die Dosierung dieses Gas-Pulver-Gemisches erfolgt über ein Auf-/Zu-Ventil 5, welches sich in der Verbindungsleitung 6 befindet. Hierdurch ist sogar eine pulsierende Injektion des Gas-Pulver-Gemisches in die Verdampfungskammer 2 möglich.
Die Verdampfungskammer 2 besteht aus einem zylindrischen Körper. Dessen Achslänge kann etwa 10 cm und dessen Durchmesser kann etwa 8 cm betragen. Die Wände 3 der Verdampfungskammer 2 werden von einer Heizung 4 beheizt. In die eine Stirnseite der Verdampfungskammer 2 mündet die besagte Verbindungsleitung 6 und zusätzlich eine Zuleitung 18 für ein weiteres Trägergas, bei dem es sich ebenfalls um Stickstoff, Wasserstoff oder ein Edelgas handeln kann. Zufolge der Heizung 4 wird das sich in der Verdampfungskammer 2 befindende Gas auf eine Temperatur gebracht, die höher ist als die Verdampfungstemperatur des Ausgangsstoffes. Diese Temperatur ist auch deutlich höher als die Temperatur innerhalb des Vorratsbehälters 1, welche deutlich niedriger liegt als die Verdampfungstemperatur bzw. die Zerlegungstemperatur des organischen Ausgangsmaterials.
An der gegenüberliegenden Stirnseite der Verdampfungskammer 2 befindet sich die bereits erwähnte Ableitung 12, durch die das Trägergas und der verdampfte Ausgangsstoff in ein Gaseinlassorgan 15 geleitet werden. Das Gaseinlassorgan 15 besitzt eine siebartige Gasaustrittsfläche. Dieser Gasaustrittsfläche liegt ein Substrathalter 16 gegenüber. Der Substrathalter 16 kann gekühlt sein. Auf dem Substrathalter 16 befindet sich das Substrat 17, auf dem der verdampfte Ausgangsstoff schichtbildend kondensiert. Um das Substrat 17 in die Prozesskammer des Reaktors 13 einzubringen, besitzt dieser ein Beladetor 14.
In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt das Einmischen des Pulvers in den Trägergasstrom über eine Ultraschalleinrichtung 9. Es ist aber auch möglich, einen turbulenten Gasstrom zu erzeugen, der das Pulver aufwirbelt. Es sind auch andere Methoden denkbar, mit denen der Gasstrom mit Pulver angereichert werden kann. Die Verwendung eines Ultraschallerregers 9 ist deshalb vorteilhaft, da über die Frequenz bzw. die Stärke des Ultraschalls eine Dosierung erfolgen kann. Wesentlich ist, dass als Oberfläche für die Wärmezuleitung innerhalb der Verdampfungskammer 2 die gesamte Oberflä che eines jeden Pulverteilchens zur Verfügung steht, die dann über den direkten Kontakt mit dem die Pulverteilchen umgebenden geheizten Gas der Wärmeenergieaufnahme zur Verfügung steht. Hierdurch wird eine deutlich vergrößerte Verdampfungsrate und damit ein vergrößerter Massendurchsatz erreicht. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich somit die Wachstumsrate der auf dem Substrat 17 abzuscheidenden Schichten deutlich erhöhen, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich die Moleküle des Ausgangsstoffes thermisch zerlegen, da die Expositionszeit der erhöhten Verdampfungstemperatur sehr kurz gehalten werden kann.
Anders als beim eingangs genannten Stand der Technik erfolgt die Wärmezufuhr zum Verdampfen des Pulvers ohne Kontakt mit den Heizflächen 3 der Verdampfungskammer 2. Die Wärmeübertragung erfolgt im Wesentlichen ausschließlich durch Molekülbewegung. Die Verdampfungswärme wird der Wärme der Gasumgebung entzogen, in welcher sich die freischwebenden Pulverpartikel befinden.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims

Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates (17) mit einem organischen Material, wobei das organische Material als pulverförmiger Ausgangsstoff (10) vorliegt, der bei einer Temperatur, die unterhalb der Zerlegungstemperatur der das organische Material bildenden Moleküle liegt, in einem Vorratsbehälter (1) bevorratet wird, von wo aus er dosiert in eine Verdampfungseinrichtung (2) gebracht wird, wo er zufolge Wärmezufuhr verdampft, dadurch gekennzeichnet, dass der pulverförmige Ausgangsstoff (10) von einem Trägergas in die Verdampfungseinrichtung (2) gebracht wird und die Wärmezufuhr durch Aufheizen des Trägergases erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch ein zweites in die Verdampfungseinrichtung (2) eingeleitetes Trägergas.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der das Pulver bildenden Teilchen < 10 μm, bevorzugt etwa 5 μm beträgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess bei einem Totaldruck von weniger als 10 mbar und/oder mehr als 0,1 mbar, insbesondere etwa 0,9 mbar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandabstand der Wände (3) der Verdampfungseinrichtung (2) größer ist als das Zehnfache der freien Weglänge des Trägergases.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Totaldruck innerhalb des Vorratsbehälters (1) im Wesentlichen dem Totaldruck innerhalb der Verdampfungseinrichtung (2) entspricht.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfung des ins Trägergas eingemischten Pulvers (10) im Wesentlichen ohne Kontakt der Pulverteilchen mit einer der Wände (3) der Verdampfungseinrichtung (2) erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der verdampfte Ausgangsstoff über eine Ableitung (12) einem Gaseinlassorgan (15) eines Beschichtungsreaktors (13) zugeleitet wird.
Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrates (17) mit einem organischen Material, mit einem Vorratsbehälter (1), in welchem das aus einem Pulver bestehende organische Material (10) bei einer Temperatur unter der Zerlegungstemperatur der das organische Material bildenden Moleküle bevorratet ist, mit einer Einrichtung (8, 5) zum Einbringen des Pulvers (10) in eine Verdampfungseinrichtung (2), wo das Pulver (10) durch Wärmezufuhr verdampft, gekennzeichnet durch eine Gaszuleitung (7) in den Vorratsbehälter (1) zum dosierten Einbringen eines Trägergases, mit einer Einmischeinrichtung (9) zum Einbringen des Pulvers (10) in den Trägergasstrom und mit der Verdampfungseinrichtung (2) zu geordneten Heizflächen (3) zum Aufheizen des in die Verdampfungseinrichtung (2) gebrachten, das Pulver (10) tragenden Gases.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom des Trägergases mittelst eines Massenflussreglers (8) dosiert wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 oder 10 oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch ein einer Verbindungsleitung (6) zwischen Vorratsbehälter (1) und Verdampfungskammer (2) zugeordnetes Dosierventil (5).
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungseinrichtung (2) von einem Zylinder ausgebildet wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 12 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder ein Volumen zwischen 100 ml und 1000 ml besitzt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 13 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandabstand der Wände (3) der Verdampfungseinrichtung (2) zwischen 50 und 150 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 14 oder insbesondere danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Einmischeinrichtung zum Einbringen des Pulvers in den Trägergasstrom ein Ultraschallerreger (9) ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 15 oder insbesondere danach, gekennzeichnet durch eine auf der gegenüberliegenden Seite der Verbindungsleitung (6) der Verdampfungskammer (2) zugeordnete Ableitung (12) zur Ableitung des Trägergases und des darin gelösten verdampften Ausgangsstoffes in ein Gaseinlassorgan (15) eines Beschichtungsreaktors (13).