DE102011107894A1

DE102011107894A1 - Beschichtungseinrichtung, insbesondere für die Innenbeschichtung von Hohlkörpern, und Beschichtungsverfahren

Info

Publication number: DE102011107894A1
Application number: DE102011107894A
Authority: DE
Inventors: Thomas Asperger; Maik Langner; Jens Drechsel; Karl Leo
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Creaphys GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; Creaphys GmbH
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2011-07-18
Publication date: 2013-01-24
Also published as: WO2013010670A1

Abstract

Eine Beschichtungseinrichtung (100), die für die Beschichtung eines Substrats (1) konfiguriert ist, umfasst eine Injektionskammer (10), die zur Aufnahme von Beschichtungsmaterial (2) eingerichtet ist, und eine Diffusoreinrichtung (20), die die Injektionskammer (10) mehrseitig umgibt und zur Übertragung des Beschichtungsmaterials (2) von der Injektionskammer (10) in mehrere Raumrichtungen in eine Umgebung der Beschichtungseinrichtung (100) eingerichtet ist, um das Beschichtungsmaterial (2) in der Umgebung der Beschichtungseinrichtung (100) in einem gasförmigen Zustand bereitzustellen, wobei die Diffusoreinrichtung (20) eine äußere Oberfläche (21) mit einer Raumform aufweist und heizbar ist. Es wird auch ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats (1) beschrieben, wobei die Beschichtungseinrichtung (100) verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beschichtungseinrichtung, die für die Beschichtung eines Substrats mittels Abscheidung eines Beschichtungsmaterials aus der Dampfphase, insbesondere mittels physikalischer Dampfabscheidung (PVD), konfiguriert ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren, insbesondere ein PVD-Verfahren, zur Beschichtung eines Substrats mit einer ebenen oder gekrümmten Oberfläche, wie zum Beispiel zur Innenbeschichtung von Hohlkörpern. Anwendungen der Erfindung sind bei der Herstellung von Kondensatschichten, insbesondere bei der Herstellung von Schichten aus organischen Materialien, zum Beispiel zur Herstellung von organischen, insbesondere optoelektronischen Halbleiterbauelementen, gegeben.
Organische optoelektronische Halbleiterbauelemente, wie zum Beispiel organische Leuchtdioden (OLEDs) oder organische Solarzellen, enthalten einen Schichtaufbau mit mindestens einer Schicht aus einem organischen Material. Typischerweise haben organische Halbleiterbauelemente eine flächige Struktur, zum Beispiel um eine Leuchtfläche oder eine Licht absorbierende Fläche bereitzustellen, wobei die Bildung einer gleichmäßigen Schichtdicke von wesentlicher Bedeutung ist.
In der frühen Entwicklung wurden organische Halbleiterbauelemente zunächst mit ebenen, zweidimensionalen Substraten hergestellt. Dabei wurden nasschemische Verfahren unter Verwendung von Polymeren oder PVD-Verfahren zur Bildung von organischen Schichten mit gleichmäßiger Schichtdicke angewendet. Mit der Entwicklung neuer Anwendungen organischer Halbleiterbauelemente hat es sich als wünschenswert erwiesen, nicht nur ebene Substrate, sondern auch dreidimensional angeordnete, ebene oder gekrümmte (gewölbte) Substrate zu beschichten. Beispielsweise wird in WO 2009/074322 A1 vorgeschlagen, einen Glaskolben innen durch Besprühen oder Bedampfen zu beschichten, um eine OLED-Lampe herzustellen. Bisher sind jedoch nur wenige Vorschläge bekannt, welche die Schichtbildung auf dreidimensionalen Substraten mit ausreichender Gleichmäßigkeit der Schichtdicke erlauben.
Eine Variante des PVD-Verfahren ist die thermische Vakuum-Verdampfung (VTE-Verfahren), bei der eine heizbare Materialquelle (Verdampfungsquelle) und das Substrat in einer gemeinsemen Vakuum-Kammer angeordnet werden. Durch Aufheizen der Verdampfungsquelle wird Dampf des Beschichtungsmaterials erzeugt, der auf dem Substrat kondensiert, so dass eine Schicht des Beschichtungsmaterials aufwächst. Die Innenbeschichtung von Hohlkörpern mit dem VTE-Verfahren wird z. B. in DE 819 892 B (Metallbeschichtung der Innenseite von Glaskolben), DE 10 2005 057 359 A1 (Pigment-Innenbeschichtung von Weihnachtsbaumkugeln) und DE 10 2005 013 875 A1 (Innenbeschichtung von Hohlkörpern mit organischen Materialien) beschrieben. Gemäß DE 10 2005 013 875 A1 wird vorgeschlagen, als Verdampfungsquelle einen offenporigen, metallischen oder keramischen Schaum zu verwenden, dessen äußere Form an die Gestalt der inneren Oberfläche des Hohlkörpers angepasst ist. Die Beschickung der Verdampfungsquelle erfolgt durch ein Beträufeln mit dem Beschichtungsmaterial in gelöster oder suspendierter Form. Wenn das Beschichtungsmaterial vollständig aus der Verdampfungsquelle ausgedampft wird, kann die Schichtdicke über die Quantität des in die Verdampfungsquelle eingebrachten Beschichtungsmaterials eingestellt werden.
Obwohl die Verwendung des offenporigen Schaums Vorteile für die Einstellung der Verdampfercharakteristik des Beschichtungsmaterials hat, kann die in DE 10 2005 013 875 A1 beschriebene Technik die folgenden Nachteile haben. Erstens kann eine gleichmäßige Verteilung des Beschichtungsmaterials in der Verdampfungsquelle nicht kontrolliert werden. Des Weiteren können bei der Zuführung einer Suspension kolloidale Partikel Poren oder andere innere Strukturen der Verdampfungsquelle verstopfen. Durch das Beträufeln der Verdampfungsquelle können Verunreinigungen in die Verdampfungsquelle eingetragen werden. Schließlich wäre für die Herstellung von Mehrschichtstrukturen oder Misch- oder Dotierungsschichten, wie sie für organische Halbleiterbauelemente oft gewünscht werden, eine komplexe Prozessführung erforderlich, da die herkömmliche Verdampfungsquelle lediglich für die Herstellung einzelner Schichten geeignet ist.
Ein weiteres PVD-Verfahren, speziell für die Erzeugung organischer Schichten, ist die organische Dampfphasenabscheidung (OVPD-Verfahren, EP 828 867 B1 ). Im Unterschied zum VTE-Verfahren wird das Beschichtungsmaterial außerhalb der Vakuum-Kammer verdampft und mit einem geheizten Inertgas in die Vakuum-Kammer transportiert, wo es auf dem Substrat kondensiert. Obwohl das OVPD-Verfahren Vorteile in Bezug auf die Wachstumsrate, die Einstellbarkeit von Verfahrensparametern und eine Schichtdotierung hat, bestehen Nachteile aufgrund der Komplexität der OVPD-Anlage, der Gefahr von Verunreinigungen der Kondensatschicht, der eingeschränkten Strukturierbarkeit von Schichten durch Maskenbildung und der beschränkten Fähigkeit, gleichmäßige Schichtdicken insbesondere auf dreidimensionalen Substraten zu erzeugen. Ein weiterer Nachteil des OVPD-Verfahrens besteht in der hohen thermischen Belastung des Beschichtungsmaterials aufgrund seiner dauerhaften Erwärmung während des Transports in die Vakuum-Kammer. Dies ist besonders kritisch bei der gleichzeitigen Abscheidung von zwei Substanzen mit verschiedenen Verdampfungstemperaturen, z. B. für Dotierungszwecke, da die Substanz mit der geringeren Verdampfungstemperatur stärker belastet wird als die andere Substanz.
Es ist auch bekannt, eine Schicht im Ergebnis einer chemischen Reaktion zwischen gasförmigen Reaktionspartnern auf dem Substrat zu bilden (chemische Dampfabscheidung, CVD-Verfahren). In DE 102 11 442 A1 wird ein Reaktor für das CVD-Verfahren beschrieben, bei dem die gasförmigen Reaktionspartner von einem Gaseinlassorgan in einen Prozessraum strömen, in dem das Substrat angeordnet ist, wobei die Reaktionspartner mit einer Diffusorplatte im Prozessraum verteilt werden. Die Anwendung dieser Technik ist auf das CVD-Verfahren beschränkt und für die thermische Verdampfung von organischen Materialien ungeeignet.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Beschichtungseinrichtung bereitzustellen, mit der Nachteile herkömmlicher Techniken vermieden werden. Die Beschichtungseinrichtung soll insbesondere die Herstellung von Schichten auf dreidimensional angeordneten, ebenen oder gekrümmten Substraten, insbesondere auf der inneren Oberfläche von Hohlkörpern, mit einer gleichmäßigen Schichtdickenverteilung ermöglichen. Die Aufgabe der Erfindung ist es des Weiteren, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Beschichtungseinrichtung bereitzustellen, mit dem Nachteile herkömmlicher Beschichtungsverfahren vermieden werden. Das Verfahren soll insbesondere die Herstellung von Schichten zum Beispiel aus organischen Materialien mit einer hohen Gleichmäßigkeit der Schichtdicke und einer vereinfachten Prozessführung sowie einer geringen thermischen Belastung des Beschichtungsmaterials ermöglichen.
Diese Aufgaben werden mit einer Beschichtungseinrichtung und einem Beschichtungsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Beschichtungseinrichtung bereitgestellt, die für die Beschichtung eines Substrats mittels Abscheidung eines Beschichtungsmaterials aus der Dampfphase, insbesondere mittels physikalischer Dampfabscheidung (PVD), konfiguriert ist. Die Beschichtungseinrichtung umfasst eine Injektionskammer, die zur Aufnahme des Beschichtungsmaterials eingerichtet ist. Die Injektionskammer ist ein Hohlraum, in den das Beschichtungsmaterial zuführbar ist.
Vorteilhafterweise ist die Injektionskammer zur Aufnahme des Beschichtungsmaterials in verschiedenen Zuständen geeignet. Beispielsweise kann das Beschichtungsmaterial in die Injektionskammer im gasförmigen Zustand, gegebenenfalls gemischt mit einem erhitzten Inertgas, im flüssigen Zustand, zum Beispiel als Lösung, Suspension, Schmelze oder Aerosol, oder im festen Zustand, zum Beispiel als Pulver (oder: feste Partikel) zugeführt werden. Die Beschränkung herkömmlicher Techniken auf Material in flüssiger Form wird überwunden.
Des Weiteren umfasst die Beschichtungseinrichtung eine Diffusoreinrichtung, die zur Übertragung des Beschichtungsmaterials von der Injektionskammer in mehrere Raumrichtungen in eine Umgebung der Beschichtungseinrichtung angeordnet ist. Die Diffusoreinrichtung umgibt die Injektionskammer mehrseitig. Mit der Diffusoreinrichtung wird ein Hohlkörper oder Mantel bereitgestellt, dessen Inneres die Injektionskammer bildet und in den das Beschichtungsmaterial von innen zuführbar ist. Die Diffusoreinrichtung hat eine Wandstruktur, die für das Beschichtungsmaterial durchlässig, oder aufnahmefähig und durchlässig ist. Das Beschichtungsmaterial wird vom inneren Hohlraum der Diffusoreinrichtung, das heißt von der Injektionskammer, durch die Diffusoreinrichtung in die Umgebung der Beschichtungseinrichtung transportiert. Von der äußeren Oberfläche der Diffusoreinrichtung kann das Beschichtungsmaterial im gasförmigen Zustand zu einem Substrat strömen, wo es kondensiert und eine Schicht bildet. Mit der geometrischen Form der äußeren Oberfläche der Diffusoreinrichtung und/oder deren inneren Wandstruktur kann die Verdampfercharakteristik der Beschichtungseinrichtung eingestellt und insbesondere an die Form des Substrats angepasst werden.
Die äußere Oberfläche der Diffusoreinrichtung weist eine Raumform auf, d. h. die äußere Oberfläche ist in ihrer Gesamtheit nicht-eben, sondern sie erstreckt sich dreidimensional im Raum. Die Raumform bezeichnet eine nach außen, entgegengesetzt zur inneren Injektionskammer vorstehende Gestalt, die zum Beispiel durch eine gekrümmte Oberfläche und/oder durch abschnittsweise ebene Oberflächenbereiche gebildet wird.
Gemäß der Erfindung ist die Diffusoreinrichtung heizbar. Die Diffusoreinrichtung ist für eine aktive und/oder eine passive Heizung konfiguriert. In anderen Worten, die Diffusoreinrichtung kann selbst eine Heizung, zum Beispiel eine elektrische Widerstandsheizung oder eine Induktionsheizung, bilden oder mit dieser ausgestattet sein. Alternativ kann die Diffusoreinrichtung mit einer externen Heizung, wie zum Beispiel einer elektrischen Widerstandsheizung oder einer Induktionsheizung oder einer Strahlungsheizung, insbesondere auf der Grundlage von Wärmestrahlung und/oder Licht, verbunden sein, mit der die Diffusoreinrichtung erwärmt werden kann.
Vorteilhafterweise erfüllt die Diffusoreinrichtung mehrere Funktionen. Erstens wird das Beschichtungsmaterial mit der Diffusoreinrichtung in den gasförmigen Zustand überführt und/oder in diesem erhalten (Heizfunktion). Zweitens bremst die Diffusoreinrichtung die Ausdehnung des Beschichtungsmaterials ab und eliminiert dadurch Dichtefluktuationen in einer vom Beschichtungsmaterial gebildeten Teilchenwolke (Drosselfunktion). Die Diffusoreinrichtung ist so gebildet, dass in der Injektionskammer ein Innendruck herrschen kann, der gegenüber einem Vakuum in der Umgebung der Beschichtungseinrichtung mindestens 10-fach, vorzugsweise 100-fach oder sogar mindestens 1000-fach erhöht ist. Vorteilhafterweise wird damit die Verteilung des Beschichtungsmaterials in der Umgebung durch den Druckunterschied und die geometrischen Eigenschaften der Diffusoreinrichtung bestimmt. Schließlich wird das Beschichtungsmaterial im gasförmigen Zustand mit einer bestimmten Richtung und Verdampfungsrate in die Umgebung überführt (Verteilungsfunktion). Der Austritt aus der Diffusoreinrichtung entsteht an jedem Oberflächenelement der Diffusoreinrichtung gleichzeitig.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats unter Verwendung der erfindungsgemäßen Beschichtungseinrichtung bereitgestellt. In einem ersten Schritt wird das Beschichtungsmaterial in die Injektionskammer der Beschichtungseinrichtung zugeführt. Nach der Zuführung in die Injektionskammer, zum Beispiel durch ein Einströmen, verteilt sich das Beschichtungsmaterial gleichmäßig in der Injektionskammer. Es wird eine expandierende Teilchenwolke gebildet, die des Beschichtungsmaterial in Tröpfchenform (Aerosol), in Pulverform oder in molekularer Form (Dampf) umfasst. Alternativ kann die Injektionskammer durch das Beschichtungsmaterial in flüssiger Form zumindest teilweise gefüllt sein. Von der Injektionskammer dringt das Beschichtungsmaterial in die Diffusoreinrichtung ein. Die Diffusoreinrichtung ist auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Beschichtungsmaterials geheizt. Die Verdampfungstemperatur hängt vom lokalen Druck ab, so dass vorzugsweise eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Beschichtungsmaterials bei dem in der Injektionskammer gegebenen Druck eingestellt wird.
In der geheizten Diffusoreinrichtung wird das Beschichtungsmaterial in den gasförmigen Zustand überführt und/oder im gasförmigen Zustand gehalten. Im ersten Fall wird das Beschichtungsmaterial in der Diffusoreinrichtung verdampft. Im zweiten Fall wird Beschichtungsmaterial im gasförmigen Zustand durch die Diffusoreinrichtung geleitet.
Insbesondere bei der Verdampfung flüssigen Beschichtungsmaterials kann eine stufen- oder rampenförmige Einstellung der Temperatur der Diffusoreinrichtung vorgesehen sein. Zuerst wird die Diffusoreinrichtung auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur eines Lösungs- oder Suspensionsmittel des Beschichtungsmaterials, z. B. im Bereich von 50°C bis 80°C, geheizt. In dieser Phase können Lösungs- oder Suspensionsmittel abgepumpt werden. Anschließend wird die Diffusoreinrichtung auf eine Temperatur oberhalb der Verdampfungstemperatur des Beschichtungsmaterials, z. B. im Bereich von 150°C bis 400°C, insbesondere 200°C bis 300°C, geheizt. Vorteilhafterweise kann dadurch eine Einbettung des Lösungs- oder Suspensionsmittels in die Schicht auf dem Substrat vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich kann dies durch eine kurzzeitige Verringerung des Drucks in der Vakuum-Kammer erzielt werden.
Anschließend tritt das Beschichtungsmaterial im gasförmigen (dampfförmigen) Zustand über die äußere Oberfläche der Diffusoreinrichtung in deren Umgebung aus. Typischerweise wird die Beschichtungseinrichtung in einer Umgebung mit einem Druck, der geringer als der atmosphärische Druck ist, insbesondere in einer Vakuum-Kammer betrieben. Der Druck in der Vakuum-Kammer ist vorzugsweise geringer als 10^–1 mbar, bevorzugt geringer als 10^–3 mbar, besonders bevorzugt geringer als 10^–4 mbar. Das gasförmige Beschichtungsmaterial trifft auf die Oberfläche eines Substrats, dessen Temperatur unterhalb der Verdampfungstemperatur des Beschichtungsmaterials beim gegebenen Druck liegt. Entsprechend erfolgt eine Abscheidung des Beschichtungsmaterials (Kondensation) auf der Oberfläche des Substrats.
Im Vergleich zur herkömmlichen Verwendung von offenporigem Schaum als Verdampfungsquelle bietet die erfindungsgemäße Beschichtungseinrichtung eine vereinfachte und gleichmäßige Materialzufuhr von der inneren Injektionskammer in die Diffusoreinrichtung und eine gleichmäßige Überführung des Beschichtungsmaterials von der Diffusoreinrichtung in die Umgebung. Vorteilhafterweise wird eine gleichmäßige Verteilung des Beschichtungsmaterials in der als Verdampfungsquelle dienenden Diffusoreinrichtung erzielt. Das Beschichtungsmaterial wird von innen nach außen durch die Diffusoreinrichtung transportiert, so dass Probleme durch eine Blockierung (Verstopfung) der inneren Wandstruktur oder durch Verunreinigungen vermieden werden. Es wird eine serielle Prozessführung ermöglicht, was insbesondere für die Herstellung von Mehrschichtstrukturen oder Misch- oder Dotierungsschichten von Vorteil ist. Im Unterschied zum herkömmlichen CVD-Reaktor mit einer Diffusorplatte ist die erfindungsgemäße Beschichtungseinrichtung für eine physikalische Dampfabscheidung geeignet.
Die Verdampfung in der Diffusoreinrichtung erfolgt vorteilhafterweise schonend mit einer wesentlich größeren charakteristischen Zeitkonstante als der Injektionsvorgang. Die Tröpfchen oder Pulverpartikel bleiben an der inneren Wandstruktur der Diffusoreinrichtung, beispielsweise Lamellenflächen oder Porenwände haften und verdampfen anschließend gleichmäßig. Die Temperatur der Diffusoreinrichtung ist dabei auf den materialspezifischen Verdampfungspunkt angepasst. Im Falle einer Synchronverdampfung zweier Materialien wird die Temperatur so gewählt, dass das Material mit höherem Sublimationspunkt gerade noch verdampft. Im Falls einer Materialzufuhr in gasförmiger Form wird die Temperatur der geheizten Diffusoreinrichtung so gewählt, dass Beschichtungsmaterial gerade nicht kondensiert. Der Diffusoreinrichtung fällt in diesem Fall nur die Aufgabe des verlangsamten Gastransportes und der Strömungsvergleichmäßigung zu (Drosselfunktion).
Vorteilhafterweise bestehen keine Beschränkungen in Bezug auf die Gestalt des mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichteten Substrats. Alternativ kann sich das Substrat dreidimensional im Raum erstrecken. In diesem Fall kann das Substrat eine gewölbte (gekrümmte) Oberfläche aufweisen und/oder aus mehreren Teilsubstraten zusammengesetzt sein, die jeweils eine ebene oder gekrümmte Oberfläche aufweisen und dreidimensional im Raum angeordnet sind. Besonders bevorzugt umfasst das Substrat einen Hohlkörper, dessen innere Oberfläche mit einer oder mehreren Schichten beschichtet wird. Wenn der Hohlkörper eine Rotationssymmetrie aufweist, kann gemäß einer Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass der Hohlkörper und die Beschichtungseinrichtung, insbesondere die Diffusoreinrichtung während der Schichtbildung relativ zueinander um mindestens eine Achse gedreht werden. Vorteilhafterweise kann damit die Gleichmäßigkeit der Schichtbildung verbessert werden oder eine bessere Vermengung bei Mischschichten erreicht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Beschichtungseinrichtung mit einer Zufuhreinrichtung ausgestattet, die für eine Zuführung des Beschichtungsmaterials in die Injektionskammer eingerichtet ist. Die Zufuhreinrichtung ist mit der Injektionskammer fest verbunden. Vorteilhafterweise kann das Beschichtungsmaterial mit der Zufuhreinrichtung zuverlässig und reproduzierbar zeitlich und/oder quantitativ dosiert werden.
Die Zufuhr des Beschichtungsmaterials erfolgt vorzugsweise in einer für die gewünschte Schichtdicke berechneten Dosis, die typischerweise im mg-Bereich liegt, um Schichtdicken von mindestens 0,5 nm, insbesondere mindestens 1 nm, vorzugsweise mindestens 20 nm und/oder höchstens 1 μm, vorzugsweise bis zu 200 nm, z. B. auf einer Substratfläche von 100 cm² bis 200 cm² herzustellen.
Vorzugsweise ist die Zufuhreinrichtung eingerichtet, das Beschichtungsmaterial in die Injektionskammer zu injizieren (einzupressen). Auf das Beschichtungsmaterial oder ein Inertgas, welches das Beschichtungsmaterial fördert, wird eine Antriebskraft angewendet, die z. B. durch einen Injektionsdruck, insbesondere zur Zufuhr von Gas oder Flüssigkeit, oder durch ein mechanisch wirkendes Antriebselement, insbesondere zur Zufuhr von festen Partikeln, gebildet wird.
Der Injektionsdruck ist gegenüber dem Druck in der Injektionskammer und in der Umgebung der Beschichtungseinrichtung erhöht. Der Injektionsdruck kann zum Beispiel gleich dem atmosphärischen Druck oder höher als dieser sein. Vorzugsweise wird der Injektionsdruck mit mindestens einer Druckeinrichtung erzeugt. Die Druckeinrichtung umfasst zum Beispiel eine Förderpumpe, insbesondere für Beschichtungsmaterial im flüssigen Zustand, und/oder ein Druckregelventil einer Inertgasquelle, insbesondere für Beschichtungsmaterial im gasförmigen oder festen (pulverförmigen) Zustand. Das mechanisch wirkende, beispielsweise piezoelektrisch betriebene Antriebselement ist für ein Einwerfen des Beschichtungsmaterials in die Injektionskammer eingerichtet. Dabei wird vorteilhafterweise eine Druckerhöhung in der Injektionskammer und eine Belastung des Vakuums in der Umgebung der Beschichtungseinrichtung vermieden.
Unter der Wirkung des Injektionsdruckes oder des Antriebselements wird das Beschichtungsmaterial in die Injektionskammer gepresst, wo es sich als Teilchenwolke, zum Beispiel als Dampfwolke, Tröpfchenwolke (Aerosolwolke) oder Partikelwolke verteilen kann. Die Erfinder haben festgestellt, dass mit der Zuführung des Beschichtungsmaterials in die Injektionskammer unter Beaufschlagung mit der Antriebkraft ein Unterdruck in der Umgebung der Beschichtungseinrichtung, insbesondere in einer Vakuum-Kammer einer PVD-Anlage, nicht oder nur vernachlässigbar gestört wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Zufuhreinrichtung mindestens eine Zufuhrleitung (Injektorkanal), die in die Injektionskammer ragt. Die mindestens eine Zufuhrleitung ermöglicht vorteilhafterweise eine Zufuhr des Beschichtungsmaterials während des Betriebs der Beschichtungseinrichtung und/oder ohne Unterbrechung des Vakuums in deren Umgebung. Optional können mehrere Zufuhrleitungen vorgesehen sein, so dass die Beschichtungseinrichtung für die sequentielle oder gleichzeitige Verdampfung von mehreren Beschichtungsmaterialien geeignet ist. Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann eine separate Heizung der mindestens einen Zufuhrleitung vorgesehen sein.
Die Zufuhrleitung kann zum Beispiel in Gestalt eines Schlauches oder einer Rohrleitung gebildet sein, deren freies Ende in der Injektionskammer, vorzugsweise in deren Mitte, angeordnet ist. Das Ende kann eine offene Mündung umfassen, an der optional ein Düsenabschnitt mit einem gegenüber der übrigen Zufuhrleitung verringerten Durchmesser gebildet sein kann (Injektordüse). Bevorzugt ist die Zufuhreinrichtung mit mindestens einem Aktuator ausgestattet, der z. B. an der Zufuhrleitung, insbesondere an ihrem freien Ende, vorgesehen ist. Als Aktuator ist z. B. ein Injektorventil oder das oben genannte Antriebselement zur Erzeugung der Antriebkraft vorgesehen. Der Aktuator kann als Düsenabschnitt gebildet sein. Besonders bevorzugt ist mindestens ein elektrisch steuerbarer Aktuator vorgesehen. Damit wird vorteilhafterweise die Dosierung des Beschichtungsmaterials vereinfacht. Für die Bildung eines komplexen Schichtaufbaus, z. B. mit Misch- oder Dotierungsschichten, umfasst die Zufuhreinrichtung zum Beispiel mindestens zwei Aktuatoren, die unabhängig voneinander betätigbar sind.
Zur Betätigung der Zufuhreinrichtung, insbesondere zur Zuführung des Beschichtungsmaterials durch die mindestens eine Zufuhrleitung, werden vorzugsweise piezoelektrische Betätigungselemente (insbesondere Piezokristalle) verwendet. Beispielsweise kann der mindestens eine Aktuator mit dem piezoelektrischen Betätigungselement ausgestattet sein. Alternativ kann der Aktuator ein Heizelement für einen thermischen Antrieb des Beschichtungsmaterials durch Erzeugung von Dampfblasen umfassen.
Bei der Zufuhr des Beschichtungsmaterials in Pulverform wird das Pulver von einer Fördereinrichtung aus einem Gebinde gefördert, wenigstens lokal fluidisiert und zum Aktuator gefördert. Die Dosierung der Pulvermenge, die typischerweise im mg-Bereich liegt, kann über eine separate Leitung mit unter Druck stehendem Inertgas erfolgen, wobei der Aktuator zwischen der Gasleitung und dem Pulver beispielsweise über einen Piezokristall gesteuert wird. Die Zufuhr des Beschichtungsmaterials in flüssiger Form (Lösung oder Suspension) ist ebenfalls möglich. In dieser Variante kann die Lösung oder Suspension ebenfalls über einen Piezokristall-gesteuerten Aktuator von der Zufuhreinrichtung in die Injektorkammer eingebracht werden.
Vorteilhafterweise kann sich das Beschichtungsmaterial in jedem der drei Aggregatzustände unter der Wirkung des Injektionsdruckes unmittelbar (instantan) bis zur inneren Wand der hohlen Diffusoreinrichtung ausbreiten. In dieser wird die expandierende Materialwolke durch den plötzlichen massiv erhöhten Strömungswiderstand stark abgebremst und durch mehrfache Reflexion, Absorption und Desorption weiter zur äußeren Oberfläche geleitet, wo das Beschichtungsmaterial die Diffusoreinrichtung verlässt und gleichmäßig zum Substrat, z. B. zur inneren Oberfläche eines umschließenden, zu beschichtenden Hohlkörpers austritt.
Vorteilhafterweise kann der mindestens eine Aktuator verwendet werden, um das Beschichtungsmaterial pulsartig in die Injektionskammer zuzuführen. Mit jedem Zufuhrpuls wird eine vorbestimmte Menge des Beschichtungsmaterials zugeführt. Die Menge ist z. B. so dosiert, dass beim vollständigen Ausdampfen der Beschichtungseinrichtung auf dem Substrat eine gewünschte Schichtdicke erzielt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Zufuhreinrichtung mindestens eine Ladeeinrichtung, mit der das Beschichtungsmaterial mit elektrischer Ladung beaufschlagt werden kann. Zum Beispiel kann der Aktuator mit einer Ladeelektrode zur elektrostatischen Aufladung von pulverförmigem Beschichtungsmaterial versehen sein. Die mantelförmige, beheizte Diffusoreinrichtung kann in diesem Fall eine Gegenelektrode bilden, die in Bezug auf die Ladeelektrode entgegengesetzt gepolt oder auf freiem Potential ist. Durch die Wirkung eines elektrostatischen Feldes auf das geladene Beschichtungsmaterial wird die Diffusoreinrichtung effektiv und gleichmäßig mit dem Beschichtungsmaterial, z. B. dem Pulver, beladen, da die Beladung der Diffusoreinrichtung dem Verlauf des elektrischen Feldes zwischen der Zufuhrseitigen Ladeelektrode und der Diffusoreinrichtung folgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung ist die Zufuhreinrichtung in Bezug auf die Diffusoreinrichtung elektrisch und thermisch isoliert angeordnet. Vorteilhafterweise bleibt dadurch die Funktion der Zufuhreinrichtung von der Heizung der Diffusoreinrichtung unbeeinflusst. Die Wand der Diffusoreinrichtung enthält zum Beispiel eine Aussparung, in der ein Sockel (Brücke) aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material, wie z. B. Keramik oder Glas, wie z. B. Quarz, SiC, nitridische oder oxidische Keramik (TiB₂/BN, BN) oxynidtridische Keramik, wie SiO₂:Si₃N₄, oder keramischer Kleber angeordnet ist, wobei die Zufuhrleitungen durch den Sockel geführt werden. Alternativ können die Zufuhrleitungen auch durch die Aussparung der Diffusoreinrichtung geführt werden, ohne diese zu berühren. In diesem Fall kann die Halterung der Diffusoreinrichtung durch mindestens eine elektrische Leitung für die Heizung der Diffusoreinrichtung erfolgen. Dadurch ergibt sich eine besonders wirksame thermische Entkopplung zwischen den Zufuhrleitungen und dem Diffusorelement.
Gemäß einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung hat die Beschichtungseinrichtung eine langgestreckte Gestalt. Mit der mindestens einen Zufuhrleitung der Zufuhreinrichtung und der Diffusoreinrichtung wird eine Stab- oder Säulenform gebildet, die sich in einer Axialrichtung der Beschichtungseinrichtung erstreckt. Vorteilhafterweise wird damit die Positionierung der Beschichtungseinrichtung relativ zu einem dreidimensional angeordneten Substrat vereinfacht. Die langgestreckte Gestalt ermöglicht insbesondere die Einführung der Beschichtungseinrichtung durch eine Öffnung in das Innere eines von innen zu beschichtenden Hohlkörpers.
Des Weiteren ist von Vorteil, wenn die mindestens eine Zufuhrleitung der Zufuhreinrichtung einen Träger der Diffusoreinrichtung mit der inneren Injektionskammer bildet. Vorteilhafterweise wird damit eine Ausrichtung der Diffusoreinrichtung relativ zum Substrat vereinfacht.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der Erfindung ist es, dass die Kombination der Injektionskammer mit der Diffusoreinrichtung ermöglicht, dass die Zufuhr von Beschichtungsmaterial und die Überführung des Beschichtungsmaterials im gasförmigen Zustand hin zum Substrat unabhängig voneinander erfolgen können. Beispielsweise kann laufend Beschichtungsmaterial in die Injektionskammer zugeführt werden, so dass sich die Prozessführung insbesondere bei der Herstellung von Mehrfachschichten oder Misch- oder Dotierungsschichten vereinfacht. Für die Materialzufuhr ist die Injektionskammer vorzugsweise mit einer Vorratskammer verbunden. Die Vorratskammer enthält mindestens ein Reservoir, zum Beispiel ein einziges Reservoir für ein Beschichtungsmaterial oder mehrere Reservoire für verschiedene Beschichtungsmaterialien. Der Transport des Beschichtungsmaterials von der Vorratskammer in die Injektionskammer kann mit der Druckeinrichtung erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorratskammer heizbar sein.
Des Weiteren kann gemäß einer vorteilhaften Variante der Erfindung eine Inertgasquelle mit der Injektionskammer verbunden sein, um Beschichtungsmaterial in die Injektionskammer zu transportieren. Vorteilhafterweise kann die Inertgasquelle mit der Vorratskammer verbunden sein, um mit dem Inertgas Beschichtungsmaterial von der Vorratskammer in die Injektionskammer zu transportieren. Das Inertgas kann zum Beispiel pulverförmiges Beschichtungsmaterial fördern. Gemäß einer weiteren Variante kann die Inertgasquelle zur Bereitstellung von geheiztem Inertgas eingerichtet sein, mit dem das Beschichtungsmaterial verdampft und im gasförmigen Zustand in die Injektionskammer transportiert wird. Das Beschichtungsmaterial im gasförmigen Zustand kann ferner in einer überkritischen Flüssigkeit, insbesondere in überkritischem Kohlendioxid gelöst sein. Die überkritische Flüssigkeit wird durch die Expansion nach Austritt in die Injektionskammer unterkritisch, wobei es das Beschichtungsmaterial freigibt. Beide Varianten haben Vorteile in Bezug auf eine hohe Zufuhrrate in die Injektionskammer. Alternativ kann die Zufuhreinrichtung eingerichtet sein, dass das Beschichtungsmaterial ausschließlich unter der Wirkung des Dampfdrucks des Beschichtungsmaterials in einer geheizten Vorratskammer und/oder durch Diffusion in die Injektionskammer bewegt wird.
Vorteilhafterweise bestehen verschiedene Varianten der inneren Wandstruktur der Diffusoreinrichtung. Beispielsweise kann die Diffusoreinrichtung einen offenporigen, metallischen oder keramischen Schaum oder eine Kombination davon, zum Beispiel aus Glas, SiC, TiB₂/BN, BN, Ta, Mo, C (ggf. glasartig oder als mikroporöser Graphit), Niob poröse Keramik, poröses Metall (nicht dicht gesintert), oder einen mikrostrukturierte Träger (z. B. Glasträger mit gebohrten Öffnungen) umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Diffusoreinrichtung eine Lamellenstruktur mit einer Vielzahl innerer Kammern aufweisen. Gemäß einer weiteren Variante kann die Diffusoreinrichtung durch einen kompakten, insbesondere gekrümmten Plattenkörper gebildet werden, der von einer Vielzahl von Kanälen, Bohrungen und/oder Spalten durchsetzt ist. Die Lammellenstruktur oder die Platte kann ebenfalls zum Beispiel aus den obengenannten Materialien hergestellt sein.
Vorteilhafterweise kann die Materialtransportcharakteristik, mit der das gasförmige Beschichtungsmaterial hin zum Substrat austritt, durch die geometrische Form der äußeren Oberfläche und/oder die Gestaltung der inneren Wandstruktur der Diffusoreinrichtung eingestellt werden. Die geometrische Form der äußeren Oberfläche wird durch deren Orientierung im Raum und durch die Größe und/oder Form von Austrittsöffnungen auf der Diffusoreinrichtung bestimmt. Beispielsweise können gezielt zusätzliche Austrittsöffnungen aus der Diffusoreinrichtung ortsabhängig so hergestellt werden, dass dadurch eventuelle Inhomogenitäten des Beschichtungsergebnisses für weitere Beschichtungsvorgänge kompensiert werden. Vorzugsweise sind die äußere Oberfläche und die innere Wandstruktur so gebildet, dass das Beschichtungsmaterial mit einer gleichförmigen Materialtransportcharakteristik auf alle Teile der Oberfläche des Substrats trifft.
Die Anpassung an die Substratgeometrie mit dem Zweck einer möglichst homogenen Beschichtung muss nicht unbedingt durch die äußere Formung der Diffusoreinrichtung erfolgen. Die Gestaltung der inneren Wandstruktur kann zur Beschichtungshomogenität ebenfalls beitragen. Beispielhaft werden hier der Lamellenabstand im Falle einer lamellenartigen Diffusoreinrichtung oder die Bereitstellung von Löchern mit angepasstem Durchmesser, angepasster Dichte oder Tiefe oder die Verwendung verschiedener Poren oder Porenstrukturen im Falle einer Diffusoreinrichtung aus einem Schaum erwähnt.
Besonders bevorzugt ist die Diffusoreinrichtung für die Innenbeschichtung eines Hohlkörpers konfiguriert. Für diesen Fall ist die mehrseitige Verdampfung des Beschichtungsmaterials von besonderem Vorteil. Vorzugsweise ist die äußere Oberfläche der Diffusoreinrichtung geometrisch ähnlich zur inneren Oberfläche des Hohlkörpers. Die äußere Oberfläche ist hierzu nach außen gewölbt (konvex), gekrümmt und/oder mit ebenen Oberflächenbereichen gebildet. Beispielsweise wird zur Innenbeschichtung einer Hohlkugel oder eines Rotationsellipsoiden oder eines Ausschnitts dieser Formen eine Diffusoreinrichtung bereitgestellt, deren äußere Oberfläche die Gestalt einer Kugel oder eines Rotationsellipsoiden oder eines entsprechenden Ausschnitts hat. Bei zu beschichtenden Hohlkörpern mit einer komplizierteren Gestalt, kann die äußere Oberfläche der Diffusoreinrichtung entsprechend angepasst sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Beschichtungsmaterial mindestens eine organische Substanz, insbesondere eine organische Substanz mit optoelektronischen Eigenschaften und/oder ein organisches Pigment. Bei der Herstellung von OLEDs können z. B. Emissionsschichten, Blockschichten, HIL-Schichten (hole injection-Schichten) hergestellt werden. Des Weiteren kann das Beschichtungsmaterial Metall, wie z. B. Metallnanopartikel umfassen. Gemäß einer Variante der Erfindung kann das Beschichtungsmaterial mehrere Substanzen umfassen, die gleichzeitig auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden werden. Beispielsweise können erfindungsgemäß eine organische Matrix-Substanz und eine organische Dotier-Substanz gleichzeitig verdampft werden, um eine dotierte, opto-elektronische Schicht zu bilden. Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann das Beschichtungsmaterial mindestens zwei Vorläufersubstanzen umfassen, die miteinander chemisch reagieren, um die Schicht auf der Oberfläche des Substrats zu bilden. Die Reaktion kann in jeder Phase des Beschichtungsvorgangs, insbesondere in der Injektionskammer, in der Diffusoreinrichtung, im Raum zwischen der Diffusoreinrichtung und dem Substrat und/oder auf der Oberfläche des Substrats erfolgen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können aufeinander folgend ohne Unterbrechung des Vakuums mehrere Schichten auf dem Substrat abgeschieden werden. Es wird eine Mehrschicht-Struktur zur Bildung eines optoelektronischen Halbleiterbauelements, wie zum Beispiel einer OLED oder einer organischen Solarzelle hergestellt. Vorteilhafterweise können mehrere Schichten mit einer einzigen Beschichtungseinrichtung ohne eine Unterbrechung des Vakuums in der Vakuum-Kammer übereinander abgeschieden werden. Vorzugsweise werden über verschiedene Zufuhrleitungen der Zufuhreinrichtung aufeinander folgend verschiedene Beschichtungsmaterialien in die Injektionskammer zugeführt und über die Diffusoreinrichtung verdampft. Eine unerwünschte Verunreinigung einer Schicht mit der Substanz eines vorhergehend verdampften Beschichtungsmaterials kann durch eine dosierte Zufuhr des Beschichtungsmaterials in die Injektionskammer und ein vollständiges Ausdampfen und/oder ein kurzzeitiges Ausheizen der Diffusoreinrichtung bei einer erhöhten Temperatur vermieden werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann eine Kühlung des Substrats vorgesehen sein. Diese Variante ist insbesondere von Vorteil, wenn das Substrat einen Hohlkörper umfasst, der die Vakuum-Kammer bildet. In diesem Fall wird mit der Kühlung die im Inneren des Hohlkörpers erzeugte Wärme effektiv abgeführt. Die Kühlung umfasst zum Beispiel eine Flüssigkeitskühlung oder eine Ventilationskühlung.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
1: eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungseinrichtung, die zur Innenbeschichtung eines Rotationsellipsoiden eingerichtet ist,
2: eine schematische Illustration verschiedener Betriebsphasen der erfindungsgemäßen Beschichtungseinrichtung,
3: eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungseinrichtung,
4: eine schematische Illustration der Verdampfung von mehreren Substanzen,
5 und 6: weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Beschichtungseinrichtung, die zur Innenbeschichtung eines Rotationsparaboloiden oder eines Hohlkörpers mit einer unregelmäßigen Form eingerichtet sind, und
7 und 8: schematische Illustrationen der Zufuhr des Beschichtungsmaterials in die Injektionskammer einer erfindungsgemäßen Beschichtungseinrichtung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter beispielhaftem Bezug auf eine Beschichtungseinrichtung beschrieben, deren Diffusoreinrichtung eine äußere Oberfläche in Gestalt eines Rotationsellipsoiden aufweist. Die Umsetzung der Erfindung ist nicht auf diese Form der Diffusoreinrichtung beschränkt, sondern entsprechend mit anderen Formen, zum Beispiel einer abschnittsweise ebenen, kugelförmigen oder unregelmäßig geformten Oberfläche möglich. Die Ausführungsformen der Erfindung werden insbesondere in Bezug auf die Gestaltung der Beschichtungseinrichtung und deren Betrieb beschrieben. Einzelheiten der physikalischen Dampfabscheidung, insbesondere von organischen Substanzen, und des Betriebs von Vakuumeinrichtungen werden hier nicht beschrieben, soweit diese aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Die 1 und 2 zeigen in schematischer Schnittansicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beschichtungseinrichtung 100, die zur Innenbeschichtung eines Substrats 1 in Form eines Hohlkörpers eingerichtet ist. Die Beschichtungseinrichtung 100 ist in einer Vakuumeinrichtung 200 angeordnet, die im dargestellten Beispiel durch die Kombination des Substrats 1 mit einer rohrförmigen Saugverbindung 210 gebildet wird. Am freien Ende der Saugverbindung 210 befindet sich eine Dichtung 211 aus einem elastischen Material, zum Beispiel aus Gummi, auf der das Substrat 1 aufsitzt. Die Saugverbindung 210 ist über eine Pumpverbindung 220 mit einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) verbunden. Bei Betrieb der Vakuumpumpe wird das Substrat 1 über die Saug- und Pumpverbindungen 210, 220 evakuiert. Im evakuierten Zustand wird das Substrat 1 gegen die Dichtung 211 gepresst, so dass eine vakuumdichte Verbindung gebildet wird. Der Unterdruck im Inneren des Substrats 1 wird zum Beispiel im Bereich von 10^–2 mbar bis 10^–7 gewählt. Das Innere des Substrats 1 wird somit als Vakuum-Kammer verwendet. Alternativ kann eine Vakuum-Kammer vorgesehen sein, in der das Substrat und die Beschichtungseinrichtung 100 angeordnet sind (siehe 5).
Die Beschichtungseinrichtung 100 umfasst die Injektionskammer 10, die von der Diffusoreinrichtung 20 mantelartig umgeben wird. Die Diffusoreinrichtung 20 ist mit der Zufuhreinrichtung 30 verbunden, die im dargestellten Beispiel drei Zufuhrleitungen 31 jeweils mit einem Injektorventil 32 umfasst. Die Zufuhrleitungen 31 sind an ihrem zur Injektionskammer 10 weisenden Ende in einem Sockel 33 gehaltert, der einen Träger für die Diffusoreinrichtung 20 bildet. Neben der mechanischen Trägerfunktion dient der Sockel 33 gleichzeitig der elektrisch und thermischen Isolation der Zufuhrleitungen 31 von der Diffusoreinrichtung 20, damit das Beschichtungsmaterial nicht bereits in den Zufuhrleitungen 31 verdampft oder der Druck in den Zufuhrleitungen 31 nicht unerwünscht steigt. Die Zufuhrleitungen 31 sind mit einer Vorratskammer 40 verbunden, die mit weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die 7 und 8 beschrieben wird.
Die Beschichtungseinrichtung 100 weist eine langgestreckte Gestalt auf, die sich in einer Axialrichtung (z-Richtung) erstreckt und entlang der Axialrichtung beweglich ist. Die Beschichtungseinrichtung 100 kann durch die Saugverbindung 210 in z-Richtung in das Substrat 1 hinein- oder herausbewegt werden. Hierzu ist eine Antriebseinrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen, mit der die Komponenten 10 bis 40 der Beschichtungseinrichtung 100 beweglich sind. Alternativ kann bei Verwendung biegsamer Zufuhrleitungen 31 oder bei der Ersetzung der Vorratskammer 40 durch Vorratsbehälter (siehe 3) vorgesehen sein, dass lediglich die Komponenten 10 bis 30 beweglich sind und ggf. die Vorratskammer 40 ortsfest angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Substrat bewegt und beispielsweise über der Beschichtungseinrichtung 100 positioniert wird.
Die Diffusoreinrichtung 20 bildet einen dampfdurchlässigen Mantel um die Injektionskammer 10. Die äußere Oberfläche 21 der Diffusoreinrichtung weist eine nach außen gekrümmte Raumform in Gestalt eines Rotationsellipsoiden auf. Sie ist aus einem Material mit einer durchlässigen inneren Wandstruktur, insbesondere einem metallischen oder keramischen, offenporigen Schaum (siehe 1) oder einer Lammellenstruktur (siehe 2) hergestellt. Wenn die Diffusoreinrichtung 20 für eine direkte elektrische Widerstandsheizung eingerichtet ist, sind am Sockel 33 Kontaktelemente 34 vorgesehen, die mit einer Stromversorgung 60 verbunden sind. Die Stromversorgung 60 ist mit Beschichtungseinrichtung 100 beweglich oder ortsfest mit der Vakuumeinrichtung 200 verbunden. Wenn die Diffusoreinrichtung 20 für eine indirekte Widerstandsheizung eingerichtet ist, befinden sich anstelle der Kontaktelemente 34 auf dem Sockel 33 Heizelemente, mit denen die Diffusoreinrichtung 20 geheizt wird. Wenn eine Induktionsheizung der Diffusoreinrichtung 20 vorgesehen ist, befindet sich in der Umgebung des Substrats 1 eine Spuleneinrichtung (nicht dargestellt) zur Einkopplung elektrischer Energie in die Diffusoreinrichtung 20.
Bei Betrieb der Beschichtungseinrichtung 100 wird das Beschichtungsmaterial 2 über eine oder mehrere der Zufuhrleitungen 31 jeweils einem Injektorventil 32 zugeführt, aus dem das Beschichtungsmaterial 2 mit definiertem Injektionsdruck und definierter Dosis austritt und in der Injektionskammer 10 bis zur inneren Grenze der Diffusoreinrichtung 20 expandiert. Nach der Expansion in der Injektionskammer 10 wird das Beschichtungsmaterial in der Diffusoreinrichtung 20 abgebremst. Durch die stark unterschiedliche Geschwindigkeit der Expansion des Beschichtungsmaterials 2 in der Injektionskammer 10 und in der Diffusoreinrichtung 20 gleichen sich eventuell in der Injektionskammer 10 gebildete Dichtefluktuationen in der Diffusoreinrichtung 20 schnell aus.
Die Diffusoreinrichtung 20 wird beispielsweise durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom, der über die Kontaktelemente 34 zugeführt wird, geheizt. Dadurch kann die Teilchenwolke 4, welche die Diffusoreinrichtung 20 durchdringt, vollständig in den gasförmigen Zustand übergeführt werden. Durch die Expansion des injizierten Beschichtungsmaterials 2 und die gleichzeitige Verdampfung in der Diffusoreinrichtung 20 gelangt das Beschichtungsmaterial bis zur inneren Oberfläche des ggf. aktiv gekühlten Substrats 1 und wächst dort als definierte Schicht 4 auf.
Die Diffusoreinrichtung 20 kann mit einer Temperatursensoreinrichtung ausgestattet sein, die z. B. das in 2A schematisch gezeigte, in die Diffusoreinrichtung 20 eingebettete Thermoelement 22 oder eine Widerstandssonde oder ein Pyrometer umfasst.
In den 2A bis 2C ist der zeitliche Ablauf eines Beschichtungsdurchgangs mit weiteren Einzelheiten gezeigt. Vor der Beschichtung wird zunächst der Hohlkörper des Substrats 1 evakuiert (in 2 nicht gezeigt). Dabei wird der Hohlkörper auf der Dichtung 211 der Saugverbindung 210 platziert und evakuiert, bis im Inneren des Hohlkörper eine definiertes Vakuum erreich ist. Die Beschichtung beginnt nach Erreichen eines Zieldrucks, indem die Diffusoreinrichtung 20 geheizt wird und das Injektorventil 32 eine definierte Materialdosis in die Injektionskammer 10 freigibt (2A). Dies kann in pulverförmiger, flüssiger (Schmelze, Lösung oder Suspension, z. B. in Aceton) oder gasförmiger Form (insbesondere in Verbindung mit einem inerten Trägergas) sein. Die zugeführte Teilchenwolke 3 breitet sich gemäß 2B bis zur inneren Oberfläche der Diffusoreinrichtung 20 aus. Anschließend durchdringt das Beschichtungsmaterial die geheizte Diffusoreinrichtung 20. Dabei wird das Beschichtungsmaterial 2 vollständig in die Gasphase überführt bzw. gehalten und die Expansionsströmung vergleichmäßigt. In 2C ist gezeigt, wie das Beschichtungsmaterial 2 schließlich die Diffusoreinrichtung 20 als definiertes Strömungsfeld verlässt, dessen Feldparameter (Verdampfercharakteristik) auf die Hohlkörper-Geometrie des Substrats abgestimmt sind. Das Strömungsfeld, das in der Realität die Diffusoreinrichtung 20 kontinuierlich umgibt, ist in 2C mit Pfeilen lediglich schematisch illustriert. Im Fall eines kugelförmigen Hohlkörpers wäre das Strömungsfeld beispielsweise radialsymmetrisch. Während der Beschichtung des Substrats kann eine Messung der Schichtdicke, z. B. mit einer optischen Dickenmesseinrichtung, vorgesehen sein.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 ist das Beschichtungsmaterial 2 in dem ungeheizten oder nur indirekt schwach geheizten Sockel 33 in erweiterten Abschnitten der Zufuhrleitungen 31 angeordnet. Die Abschnitte bilden Vorratsbehälter 35, die z. B. in den Sockel 33 gebohrt oder gefräst sind. Die Verdampfung des Beschichtungsmaterials erfolgt durch einen heißen Inertgasstrom, beispielsweise trockenen Stickstoff, der über die Zufuhrleitungen 31 zugeführt wird. Die Temperatur des Inertgases kann dabei vorteilhafterweise individuell auf das zu verdampfende Material eingestellt werden. Die Verdampfung erfolgt dabei extrem gleichmäßig, ohne belastende Temperaturspitzen, die bei herkömmlichen Verdampfern gelegentlich auftreten. Alternativ kann über die Zufuhrleitungen 31 ein ungeheiztes Inertgas zugeführt werden, mit dem das z. B. pulverförmige Beschichtungsmaterial in den Vorratsbehältern 35 in die Injektionskammer 10 ausgetrieben wird.
3 zeigt auch, dass die Vorratsbehälter 35 mit gleichen oder verschiedenen Substanzen gefüllt sein können. Zur Bildung von Misch- oder Dotierungsschichten werden diese gleichzeitig in die Injektionskammer 10 zugeführt, während für die Bildung eines Schichtstapels eine sequentielle Verdampfung vorgesehen ist.
In den 4A und 4B ist die Mischverdampfung von zwei Substanzen an einem weiteren Beispiel illustriert. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen dem Vorgang gemäß 2, wobei in diesem Fall jedoch zwei Substanzen synchron verdampft werden. Die Durchmischung der beiden Substanzen in eine gemeinsame Teilchenwolke 3 findet bereits in der Injektionskammer 10 statt. Die erste Substanz kann beispielsweise ein organisches Matrixmaterial, wie z. B. m-MTDATA (4,4',4''-Tris[N-3-methylphenyl-N-phenylamino]triphenylamine) oder Alq3 (Aluminium-tris[8-hydroxychinolin]) sein, während die zweite Komponente einen Dotierstoff als Donator, Akzeptor oder Emissionszentrum, wie z. B. F4-TCNQ ([2,3,5,6-Tetrafluoro-2,5-cyclohexadiene-1,4-diylidene]dimalononitrile, 7,7,8,8-Tetracyano-2,3,5,6-tetrafluoroquinodimethane oder DCM (4-[Dicyanomethylene]-2-methyl-6-[4-dimethylaminostyryl]-4H-pyran) umfasst. Die beiden Substanzen können aber auch unterschiedliche Vorläufermoleküle einer dritten Substanz sein, die sich durch eine chemische Reaktion der beiden Vorläufermoleküle in der Injektionskammer 10 und in der Diffusoreinrichtung 20 bildet und die sich als dünner Film an der Innenwand des ggf. gekühlten Hohlkörpers niederschlägt. Nach der Expansion in der Injektionskammer 10 treten die Substanzen durch die Diffusoreinrichtung 20 in die Umgebung der Beschichtungseinrichtung 100 aus (siehe 2C).
Die 5 und 6 illustrieren weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Beschichtungseinrichtung 100, bei der die Diffusoreinrichtung 20 für die Innenbeschichtung eines Substrats 1 in Gestalt einer halbkugelförmigen Schale oder eines hohlen Rotationskörpers angepasst ist. Gemäß 5 hat die äußere Oberfläche 21 der Diffusoreinrichtung 20 die Raumform einer Halbkugelschale mit einer lamellenartigen Wandstruktur. Der Sockel 33 bildet eine undurchlässige Begrenzung der Injektionskammer 10 in Raumrichtungen, die nicht zum Substrat 1 weisen. In diesem Fall sind das Substrat 1 und die Beschichtungseinrichtung 100 in einer Vakuum-Kammer 230 angeordnet. Gemäß 6 ist die Raumform der äußeren Oberfläche 21 der Diffusoreinrichtung 20 an die Form der inneren Oberfläche des Rotationskörpers angepasst.
7 illustriert schematisch eine weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Beschichtungseinrichtung 100 mit der Injektionskammer 10, der Diffusoreinrichtung 20, der Zufuhreinrichtung 30 und der Vorratskammer 40. Die Injektionskammer 10 und die Diffusoreinrichtung 20 sind beispielsweise aufgebaut, wie oben unter Bezug auf 1 beschrieben wurde. Die Zufuhreinrichtung 30 umfasst eine einzige Zufuhrleitung 31, die an ihrem freien Ende verengt ist, so dass eine Injektordüse 36 gebildet wird. Die Zufuhrleitung 31 enthält eine Druckeinrichtung 50, wie z. B. eine Förderpumpe, die mit Abstand von der Injektordüse 36, z. B. an einem Ausgang der Vorratskammer 40 angeordnet ist.
Die Vorratskammer 40 enthält zum Beispiel flüssiges oder pulverförmig festes Beschichtungsmaterial 2, das bei Betrieb der Beschichtungseinrichtung über die Zufuhrleitung 31 in die Injektionskammer 10 zugeführt wird. Mit der Druckeinrichtung 50 erfolgen der Transport des Beschichtungsmaterials und die Erzeugung des Injektionsdruckes. Durch die Dauer des Betriebs der Druckeinrichtung 50 wird die Menge des für einen Beschichtungsvorgang zugeführten Beschichtungsmaterials 2 bestimmt.
Der Transport des Beschichtungsmaterials 2 kann des Weiteren unter Verwendung eines Inertgases erfolgen, indem die Vorratskammer 40 mit einer Inertgasquelle verbunden wird. Mit dem Inertgas kann ein Aerosol eines flüssigen Beschichtungsmaterials erzeugt oder pulverförmig festes Beschichtungsmaterial fluidisiert und in die Injektionskammer 10 transportiert werden.
Alternativ kann festes Beschichtungsmaterial 2 mit geheiztem Inertgas verdampft und anschließend in die Injektionskammer 10 transportiert werden, wie schematisch in 8 illustriert ist. Die Vorratskammer 40 ist über eine Druckleitung 73 mit einer Inertgasquelle 70 verbunden, die ein Inertgasreservoir 71 und eine Heizung 72 umfasst. Die Druckleitung 73 enthält eine Druckeinrichtung 50, wie z. B. ein Druckregelventil. Des Weiteren ist die Vorratskammer 40 über die Zufuhrleitung 31 und die Injektordüse 36 mit der Injektionskammer 10 verbunden. Bei Betätigung der Heizung 72 und Öffnung der Druckeinrichtung 50 strömt erhitztes Inertgas, wie z. B. Stickstoff in die Vorratskammer 40, wo das Beschichtungsmaterial verdampft und im gasförmigen Zustand durch die Zufuhrleitung 31 in die Injektionskammer 10 injiziert wird. Die Dosierung des Beschichtungsmaterials kann mit der Druckeinrichtung 50 erfolgen. Alternativ kann zur Dosierung in der Zufuhrleitung 31 zusätzlich ein Injektorventil vorgesehen sein.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/074322 A1 [0003]
DE 819892 B [0004]
DE 102005057359 A1 [0004]
DE 102005013875 A1 [0004, 0004, 0005]
EP 828867 B1 [0006]
DE 10211442 A1 [0007]

Claims

Beschichtungseinrichtung (100), die für die Beschichtung eines Substrats (1) konfiguriert ist, umfassend: – eine Injektionskammer (10), die zur Aufnahme von Beschichtungsmaterial (2) eingerichtet ist, und – eine Diffusoreinrichtung (20), die die Injektionskammer (10) mehrseitig umgibt und zur Übertragung des Beschichtungsmaterials (2) von der Injektionskammer (10) in mehrere Raumrichtungen in eine Umgebung der Beschichtungseinrichtung (100) eingerichtet ist, um das Beschichtungsmaterial (2) in der Umgebung der Beschichtungseinrichtung (100) in einem gasförmigen Zustand bereitzustellen, wobei – die Diffusoreinrichtung (20) eine äußere Oberfläche (21) mit einer Raumform aufweist und heizbar ist.
Beschichtungseinrichtung gemäß Anspruch 1, ferner umfassend – eine Zufuhreinrichtung (30), mit der das Beschichtungsmaterial (2) in die Injektionskammer (10) zuführbar ist.
Beschichtungseinrichtung gemäß Anspruch 2, bei der – die Zufuhreinrichtung (30) mindestens eine Druckeinrichtung umfasst, mit der das Beschichtungsmaterial (2) unter erhöhtem Druck in die Injektionskammer (10) injiziert werden kann, – die Zufuhreinrichtung (30) mindestens eine Zufuhrleitung (31) umfasst, die in die Injektionskammer (10) ragt, – die Zufuhreinrichtung (30) mindestens ein Injektorventil (32) umfasst, – die Zufuhreinrichtung (30) mindestens eine Injektordüse (36) umfasst, – die Zufuhreinrichtung (30) mit mindestens einem thermisch oder elektrisch, insbesondere piezoelektrisch, wirkenden Betätigungselement steuerbar ist, – die Zufuhreinrichtung (30) mindestens eine Ladeeinrichtung umfasst, mit der das Beschichtungsmaterial (2) mit elektrischer Ladung beaufschlagt werden kann, und/oder – die Zufuhreinrichtung (30) in Bezug auf die Diffusoreinrichtung (20) elektrisch und thermisch isoliert angeordnet ist.
Beschichtungseinrichtung gemäß Anspruch 3, bei der – die mindestens eine Zufuhrleitung (31) und die Diffusoreinrichtung (20) sich in einer Axialrichtung der Beschichtungseinrichtung (100) erstrecken, und/oder – die mindestens eine Zufuhrleitung (31) der Zufuhreinrichtung (30) einen mechanisch stabilen Träger der Diffusoreinrichtung (20) bildet.
Beschichtungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend – eine Vorratskammer (40), die mit der Zufuhreinrichtung (30) verbunden und die mindestens ein Reservoir für das Beschichtungsmaterial (2) enthält.
Beschichtungseinrichtung gemäß Anspruch 5, bei der – die Vorratskammer heizbar ist, und/oder – die Zufuhreinrichtung (30) eingerichtet ist, dass das Beschichtungsmaterial ausschließlich unter der Wirkung des Dampfdrucks des Beschichtungsmaterials in der Vorratskammer und/oder durch Diffusion in die Injektionskammer (10) bewegt wird.
Beschichtungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend – eine Inertgasquelle (50), die mit der Zufuhreinrichtung (30) verbunden und zur Bereitstellung von Inertgas eingerichtet ist, mit dem Beschichtungsmaterial (2) in die Injektionskammer (10) transportierbar ist.
Beschichtungseinrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, bei der – die Inertgasquelle (50) mit der Vorratskammer (40) verbunden ist, und/oder – die Inertgasquelle (50) zur Bereitstellung von geheiztem Inertgas eingerichtet ist, mit dem Beschichtungsmaterial (2) im gasförmigen Zustand in die Injektionskammer (10) transportierbar ist.
Beschichtungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der – die Diffusoreinrichtung (20) mindestens eines von einem offenporigen, metallischen oder keramischen Schaum, einem nicht dichtgesinterten Keramik- oder Metallelement mit offener Porosität, einem Faserverbund, einer Lamellenstruktur mit einer Vielzahl innerer Kammern und einem Körper mit einer durch Bohrungen gebildeten inneren Oberfläche umfasst, und/oder – die Diffusoreinrichtung (20) für mindestens eines von einer elektrischen Widerstandsheizung, einer Induktionsheizung, und einer externen Heizung, insbesondere mit Licht- und/oder Wärmestrahlung, eingerichtet ist.
Beschichtungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der – die äußere Oberfläche (21) und/oder eine innere Wandstruktur der Diffusoreinrichtung (20) in Abhängigkeit von der Form und Position des zu beschichtenden Substrats (1) so gebildet sind, dass das Beschichtungsmaterial (2) im dampfförmigen Zustand mit einer gleichförmigen Materialtransportcharakteristik auf alle Teile der Oberfläche des Substrats (1) trifft.
Beschichtungseinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der – die Diffusoreinrichtung (20) für eine Innenbeschichtung eines Hohlkörpers konfiguriert ist.
Verfahren zur Beschichtung eines Substrats (1), wobei eine Beschichtungseinrichtung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, mit den Schritten: – Zuführen des Beschichtungsmaterials (2) in die Injektionskammer (10), – Eindringen des Beschichtungsmaterials (2) in die Diffusoreinrichtung (20), – Austreten des Beschichtungsmaterials (2) im gasförmigen Zustand aus der Diffusoreinrichtung (20) in die Umgebung der Beschichtungseinrichtung (100), und – Deposition einer aus dem Beschichtungsmaterial (2) gebildeten Schicht (4) auf der Oberfläche des Substrats (1).
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem – das Beschichtungsmaterial (2) unter erhöhtem Druck in die Injektionskammer (10) injiziert wird, – das Beschichtungsmaterial (2) in einem flüssigen, partikulären und/oder dampfförmigen Zustand in die Injektionskammer (10) zugeführt wird, – das Beschichtungsmaterial (2) in einem elektrisch geladenen Zustand in die Injektionskammer (10) zugeführt wird, – das Beschichtungsmaterial (2) pulsartig in die Injektionskammer (10) zugeführt wird, und/oder – das Beschichtungsmaterial (2) in einer überkritischen Flüssigkeit, insbesondere in überkritischem CO₂, gelöst in die Injektionskammer (10) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem – in der Injektionskammer (10) eine Teilchenwolke (3) aus einem Aerosol und/oder einer fluidisierten Pulverwolke gebildet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem – das Beschichtungsmaterial (2) mindestens eines von einer organischen und einer anorganischen Substanz, insbesondere ein Metall, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem – das Beschichtungsmaterial (2) eine organische Matrix-Substanz und eine organische Dotier-Substanz umfasst, die gleichzeitig auf der Oberfläche des Substrats abgeschieden werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem – das Beschichtungsmaterial (2) mindestens zwei Vorläufersubstanzen umfasst, die in der Injektionskammer (10), in der Diffusoreinrichtung (20), in der Umgebung der Beschichtungseinrichtung und/oder auf dem Substrat miteinander reagieren, um die Schicht (5) auf der Oberfläche des Substrats (1) zu bilden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem – mehrere Schichten auf dem Substrat (1) abgeschieden werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem – eine Kühlung des Substrats (1) vorgesehen ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem – das Substrat (1) einen Hohlkörper umfasst, dessen innere Oberfläche beschichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 20, mit den Schritten – Aufsetzen des Hohlkörpers auf eine Saugverbindung (210), so dass die Beschichtungseinrichtung (100) im Inneren des Hohlkörpers angeordnet ist, und – Erzeugung eines Unterdrucks im Hohlkörper.
Verfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem – der Hohlkörper und die Diffusoreinrichtung (20) während der Abscheidung der Schicht auf der inneren Oberfläche des Hohlkörpers relativ zueinander um mindestens eine Achse gedreht werden.