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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit mehreren Materialschichten aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Mehrmaterialienabgabeeinrichtung gemäß dem Anspruch 7.
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Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet des Beschichtens von Substraten mit Materialschichten aus mehreren unterschiedlichen Materialien. Anwendungen solcher Verfahren sind in verschiedenen Bereichen der Technik vorhanden, z. B. für die Herstellung organischer Leuchtdioden (OLED). Bei solchen Verfahren werden in einer vorgegebenen Reihenfolge drei oder mehr Schichten auf einem Substrat abgeschieden, wobei es wünschenswert ist, dass eine gleichmäßige Materialabscheidung erfolgt und die Schichten in einer gewünschten Schichtdicke erzeugt werden. Aus der
DE 60 2005 002 033 T2 geht ein Aufdampfen temperaturempfindlicher Materialien für OLED-Vorrichtungen hervor. Vorgeschlagen wird dort, dass ein Material in einem Verdampfungsgerät mit kontrollierter Geschwindigkeit dosiert von einem ersten Heizbereich in einen zweiten Heizbereich abgegeben wird, in dem das Material schließlich verdampft wird. Hierdurch werden temperaturempfindliche organische Materialien geschont, weil sie nicht ständig über längere Zeit auf hoher Temperatur vorgehalten werden müssen.
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Aus der
DE 10 2009 038 519 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Stöchiometriegradientenschichten und Schichtsystemen bekannt. Aus der
WO 2005/109963 A1 ist eine Abscheidungsanlage für temperaturempfindliche Materialien bekannt. Aus der
DE 10 2005 013 875 A1 ist eine Heizeinrichtung, eine Beschichtungsanlage und ein Verfahren zur Verdampfung oder Sublimation von Beschichtungsmaterialien bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit mehreren Materialschichten aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien sowie eine Mehrmaterialienabgabeeinrichtung dafür anzugeben, mit denen eine effizientere und schnellere und damit im großindustriellen Maßstab durchführbare Beschichtung von Substraten ermöglicht wird, z. B. für die Massenherstellung von OLED-Leuchtmitteln (OLED = organische Leuchtdiode).
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die Aufgabe wird ferner durch eine Mehrmaterialienabgabeeinrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass im Vergleich zum Stand der Technik effizienter, schneller und damit kostengünstiger Substrate mit mehreren Materialschichten beschichtet werden können, wobei insbesondere eine hohe Prozessgüte und Wiederholgenauigkeit der Beschichtungsvorgänge erreichbar ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass Materialschichten auf dem Substrat aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien gebildet werden können, ohne dass es zu wesentlichen Vermischungen der Materialien kommt. So kann eine Materialschicht aus einem ersten Material und darauf eine Materialschicht aus einem zweiten Material abgeschieden werden, wobei die Materialien sich wie erwähnt im Wesentlichen nicht vermischen, abgesehen von aufgrund der verwendeten Materialien ggf. unvermeidbaren Übergängen an den Grenzflächen der Materialschichten. Es können somit praktisch reine Schichten aus den in der Mehr- materialienabgabeeinrichtung vorgehaltenen Materialien erzeugt werden.
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Mittels der Erfindung können solche Beschichtungsvorgänge in großindustriellem Maßstab realisiert werden und z. B. OLED-Leuchtmittel in Massenproduktion zu günstigen Kosten hergestellt werden. Die Erfindung eignet sich insbesondere auch sehr gut zur Innenbeschichtung von Substraten, die als Hohlkörper ausgebildet sind, z. B. zur Herstellung von OLED-Leuchtmitteln in klassischer „Glühbirnen”-Form oder „Leuchtstoffröhren”-Form, die eine Innenbeschichtung mit den OLED-Materialien aufweisen. Durch die Steuerung der Materialabgabeeinrichtung hinsichtlich der Materialabgaberate können definierte Abgaberaten des jeweiligen Materials erzeugt werden. Durch die Ausbildung der Materialabgabeeinrichtung als Mehrmaterialienabgabeeinrichtung, die Vorratsmengen der wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien gleichzeitig aufweist, lässt sich der Beschichtungsprozess rationeller gestalten. Insbesondere kann die Abscheidung der wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien auf dem Substrat ohne zwischenzeitigen Wechsel der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung oder ein zwischenzeitiges Neubestücken der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung mit Materialien durchgeführt werden, d. h. während des Beschichtungsvorgangs. Stattdessen kann der Beschichtungsvorgang in einem Ablauf durchgehend ausgeführt werden, was insbesondere bei Beschichtungsvorgängen mit einer größeren Anzahl unterschiedlicher Materialien oder Abläufen mit häufigem Wechseln von Materialien, wie insbesondere bei der Herstellung von OLED-Leuchtmitteln, besonders rationell erfolgen kann.
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Die Steuerung der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung kann insbesondere materialspezifisch erfolgen, d. h. die Materialabgaberate und weitere Materialabgabeparameter können je nach Art des gerade von der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung abgegebenen Materials spezifisch eingestellt werden. Das Verfahren ist insbesondere vorteilhaft bei einer größeren Abfolge unterschiedlicher Materialien, wobei sich in der Abfolge der Materialien einzelne Materialarten wiederholen können.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann für die Steuerung der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung eine elektronische Steuereinrichtung vorgesehen sein, die mit der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung gekoppelt ist und hinsichtlich der Steuerung der Materialabgaberate eingerichtet ist, z. B. durch Programmierung eines Rechners, z. B. eines Mikroprozessors oder Mikrocontrollers, der elektronischen Steuereinrichtung. Das Steuerprogramm ist dann derart ausgebildet, dass die elektronische Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, mittels der Steuerung der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung ein Verfahren der zuvor oder nachfolgend noch beschriebenen Art auszuführen, wenn das Steuerprogramm auf einem Rechner der elektronischen Steuereinrichtung ausgeführt wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist für jede Materialschicht eine zu erzeugende Soll-Schichtdicke vorgegeben. Die Materialschichten werden mit der zu erzeugenden Soll-Schichtdicke allein durch gesteuerte Betätigung der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung auf dem Substrat abgeschieden, ohne dass während des Beschichtungsvorgangs eine Schichtdickenmessung durchgeführt wird. Dass beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Schichtdickenmessung während des Beschichtungsvorgangs erforderlich ist, hat weitere erhebliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Zur Erzeugung definierter Materialschichten auf dem Substrat war es bisher gängige Praxis, dass während des Beschichtungsvorgangs z. B. durch einen Schwingquarz, der in der Nähe des zu beschichtenden Substrats angeordnet war, eine Messung der Rate des angelagerten Materials bzw. der Schichtdicke erfolgt. Die Schichtdicke wurde z. B. anhand einer Frequenzverschiebung des schwingenden Quarzes in Folge einer dicker werdenden Materialschicht gemessen. Da beim erfindungsgemäßen Verfahren auf solche und andere Schichtdickenmessungen verzichtet werden kann, wird das für den Beschichtungsvorgang erforderliche Equipment einfacher und kostengünstiger. Ein weiterer Vorteil ist, dass auch Beschichtungsvorgänge durchgeführt werden können, bei denen ein solcher Schichtdickensensor nicht oder nur mit großen Schwierigkeiten vorgesehen werden konnte, was insbesondere bei der Innenbeschichtung von Hohlkörpern der Fall ist. Durch den Verzicht auf den Schichtdickensensor wird gemäß der genannten Weiterbildung der Erfindung sozusagen ein lokaler Regel- bzw. Steuerablauf festgelegt, der ohne den zuvor genannten Regelkreis mit der Echtzeit-Schichtdickenmessung auskommt. Vielmehr kann entweder eine direkte Steuerung ohne Regelung der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung erfolgen, wenn, wie nachfolgend beispielhaft noch näher beschrieben, die abzugebenden Materialien in vordefinierter Weise bereitgehalten werden und ein eindeutiger, vorher bekannter Zusammenhang zwischen den Steuer-Eingabedaten der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung und der Materialabgaberate besteht. Alternativ kann ein lokaler Regelkreis eingerichtet werden, bei dem nur als Sollgröße interne Werte der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung an die elektronische Steuereinrichtung zurückgemeldet werden, wie z. B. die aktuelle Position einer Vorschubeinrichtung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird mittels einer elektronischen Steuereinrichtung die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung anhand von Parametern der in der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung vorgehaltenen Materialien und/oder Geometrieparametern der zu beschichtenden Fläche des Substrats gesteuert. Die genannten Parameter können z. B. vorab in der elektronischen Steuereinrichtung eingespeichert werden und werden von der elektronischen Steuereinrichtung dann im Laufe des Beschichtungsverfahrens abgerufen. Als Parameter der in der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung vorgehaltenen Materialien können z. B. die Materialart (chemische Zusammensetzung), die materialspezifische Verdampfungstemperatur, die Reihenfolge bzw. Position des jeweiligen Materials in der Vorratskammer, die jeweilige Materialmenge bzw. deren räumliche Ausdehnung in der Vorratskammer gespeichert werden. Als Geometrieparameter der zu beschichtenden Fläche des Substrats kann z. B. die geometrische Form des Substrats, z. B. eine ebene Fläche oder eine Hohlkörperform, etwa eine Kugelform oder eine ellipsoide Form, gespeichert sein. Dies erlaubt eine gezielte Steuerung der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung mittels der elektronischen Steuereinrichtung ohne externe Erfassung weiterer Größen, so dass hierfür auch keine Sensoren erforderlich sind. Vielmehr kann die elektronische Steuereinrichtung allein anhand der vorab vorgegebenen Parameter den Beschichtungsvorgang steuern. Mit dem genannten Verfahren lassen sich präzise vorbestimmbare Beschichtungen des Substrats mit hoher Wiederholgenauigkeit erzielen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das abzuscheidende Material durch wenigstens eine von einer elektronischen Steuereinrichtung steuerbare Heizeinrichtung verdampft. Die elektronische Steuereinrichtung steuert die Heizeinrichtung dabei in Abhängigkeit von dem jeweils zu verdampfenden Material auf eine vorbestimmte Heiztemperatur. Dies hat den Vorteil, dass auch hinsichtlich der Verdampfung des jeweiligen Materials eine angepasste und gezielte Steuerung durch eine elektronische Steuereinrichtung erfolgen kann, wobei es sich um dieselbe elektronische Steuereinrichtung wie die zuvor genannte handeln kann. Die zu verdampfenden Materialien können somit angepasst jeweils optimal verarbeitet werden, so dass insbesondere empfindliche Materialien nicht oder nur möglichst wenig geschädigt werden und dennoch eine maximale Verarbeitungsgeschwindigkeit erreicht werden kann. Das Verfahren ist insbesondere vorteilhaft bei einer größeren Abfolge unterschiedlicher Materialien. Durch die elektronische Steuereinrichtung wird die Heizeinrichtung jeweils an das aktuell zu verdampfende Material angepasst betrieben.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung wenigstens teilweise, insbesondere mit einem Materialabgabekopf (auch Verteilkopf oder Injektor genannt), in einen Hohlraum des Substrats eingeführt und der Hohlraum wird mit den abzuscheidenden Materialien von innen beschichtet. Hierdurch können sehr effizient und kostengünstig in großer Zahl z. B. OLED-Leuchtmittel in konventioneller „Glühbirnen”-Form oder „Leuchtstoffröhren”-Form hergestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die abzuscheidenden Materialien in der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung in definierten räumlichen Dimensionen bereitgehalten. Eine elektronische Steuereinrichtung, bei der es sich um die zuvor genannte elektronische Steuereinrichtung handeln kann, steuert die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung unter Berücksichtigung von Daten wenigstens einer der räumlichen Dimensionen der vorgehaltenen Materialien. Dies hat den Vorteil, dass die elektronische Steuereinrichtung z. B. den Vorschub eines Materials in der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung und die Heiztemperatur einer Heizeinrichtung anhand der Information über die wenigstens eine räumliche Dimension der vorgehaltenen Materialien automatisch steuern kann, wobei die elektronische Steuereinrichtung dabei vorteilhaft auch die jeweilige Betriebsposition der Vorschubeinrichtung berücksichtigen kann. So kann die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung zur Erzeugung eines Vorschubs der Materialien in der Vorratskammer einen motorischen Antrieb aufweisen. Die elektronische Steuereinrichtung steuert dann den motorischen Antrieb derart, dass in Abhängigkeit von dem gerade an der Heizeinrichtung befindlichen, zu verdampfenden Material der weitere Vorschub des Materials gegen die Heizeinrichtung gesteuert wird. Zugleich wird die Heizeinrichtung auf eine materialspezifisch abgestimmte Heiztemperatur gesteuert. Durch die Kenntnis der wenigstens einen räumlichen Dimension der in der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung vorgehaltenen Materialien, z. B. des gerade zu verdampfenden Materials, kann die Steuereinrichtung erkennen, wann ein Material komplett verdampft ist und das nächste Material der Heizeinrichtung zugeführt wird. Sobald das nächste Material der Heizeinrichtung zugeführt wird, kann die Steuereinrichtung dann die Heiztemperatur der Heizeinrichtung auf das neue Material abstimmen und eine auf das Material abgestimmte weitere Vorschubgeschwindigkeit durch Steuerung des motorischen Antriebs der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung vorgeben.
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Gemäß der Erfindung werden Vorratsmengen der wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien in der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung in derselben Vorratskammer aneinander gestapelt in Feststoffform bereitgehalten. Die Feststoffform umfasst dabei alle Arten von Feststoffen, im Gegensatz zu Flüssigkeiten und Gasen. Die Materialien können z. B. in loser Pulverform oder zu einer Art „Tablette” gepresst oder als solider Feststoffkörper vorliegen. Diese Weiterbildung hat den Vorteil, dass in ein- und derselben Vorratskammer ein Stapel von unterschiedlichen Materialien bereitgehalten werden kann, wobei sich ein- und dieselbe Materialart in dem Stapel der Materialien auch wiederholen kann. Vorteilhaft ist, dass in der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung bereits ein vordefinierter Stapel von Materialien vorgehalten werden kann, der durch Steuerung der Materialabgabeeinrichtung, insbesondere durch Steuerung des Vorschubs, nur noch „abgearbeitet” werden muss, ohne dass manuelle Eingriffe hinsichtlich der Einstellung der Heiztemperatur einer Heizeinrichtung oder ein Nachladen der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung mit den Materialien während des Beschichtungsvorgangs erfolgen muss.
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Die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung kann eine einzige Vorratskammer aufweisen, in der gestapelt sämtliche abzugebenden Materialien vorgehalten werden. Es ist auch möglich, die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung mit mehr als einer Vorratskammer auszubilden, z. B. mit zwei oder mehr Vorratskammern. In diesem Fall können in den einzelnen Vorratskammern jeweils Stapel unterschiedlicher Materialien oder nur ein einziges Material vorgehalten werden. Je nach Ausgestaltung kann die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung auch so viele Vorratskammern wie unterschiedlich abzugebende Materialien aufweisen. In diesem Fall kann jede Vorratskammer mit einem einzigen Material bestückt werden. Wenn eine Vorratskammer nur mit einem einzigen Material bestückt ist, können keine Materialvermischungen auftreten, selbst wenn Materialien nicht in Feststoffform bereitgehalten werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung zur Abgabe von mindestens zwei unterschiedlichen Materialien, die in mehr als einer Vorratskammer vorgehalten werden, eingerichtet, wobei in jeder Vorratskammer jeweils ein oder mehrere Materialien vorgehalten werden.
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Die Materialien können in der Vorratskammer, bzw. in den Vorratskammern, bei Raumtemperatur oder mittels einer Kühleinrichtung gekühlt oder mittels einer Erwärmungseinrichtung erwärmt bereitgehalten werden. Jedoch ist darauf zu achten, dass eine für sämtliche in der Vorratskammer befindlichen Materialien sinnvolle gemeinsame Temperatur gewählt wird, bei der es nicht zu Schädigungen der Materialien kommt. Insbesondere sollte die Temperatur der Vorratskammer unterhalb der untersten Verdampfungstemperatur aller darin befindlichen Materialien gehalten werden. Sofern mehrere Vorratskammern vorhanden sind, können diese je nach darin befindlichen Materialien bei gleichen oder unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann eine Vorratskammer der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung auch mit einem Separationsmaterial bestückt werden, das nicht dazu eingerichtet ist, auf dem Substrat abgeschieden zu werden. Das Separationsmaterial kann insbesondere bei Anordnung mehrerer unterschiedlicher Materialien in ein und derselben Vorratskammer als Separationsschicht zwischen zwei zur Abscheidung auf dem Substrat bestimmten Materialien angeordnet werden, um eine Separation der Materialien in der Vorratskammer zu verbessern und/oder um die Übergänge beim Abgeben der zwei unterschiedlichen Materialien aus der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung zu verbessern. So kann z. B. ein Separationsmaterial zwischen zwei auf dem Substrat abzuscheidenden Materialien vorgesehen werden, die stark unterschiedliche Sublimationstemperaturen aufweisen. Das Separationsmaterial kann die unterschiedlichen Sublimationstemperaturen ausgleichen, indem es z. B. eine mittlere Sublimationstemperatur aufweist. Das Separationsmaterial kann insbesondere als „Opfermaterial” verwendet werden, das nicht über einen Materialabgabekopf auf dem Substrat abgeschieden wird, sondern über eine gesonderte Abgabeleitung in einen Auffangbehälter geleitet wird. Die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung kann hierzu mit einer schaltbaren Abgabeleitung ausgebildet sein, so dass durch Umschaltung das Separationsmaterial zum Auffangbehälter geleitet wird und nicht zu dem Substrat. Als Separationsmaterial kann insbesondere ein organisches Material verwendet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung wenigstens einen steuerbaren Motor auf, durch dessen Steuerung die Materialabgaberate der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung steuerbar ist. Der steuerbare Motor kann z. B. als Schrittmotor ausgebildet sein, der je nach Vorgabe einer entsprechenden Anzahl von Stellschritten durch eine elektronische Steuereinrichtung eine entsprechende Materialmenge gegen die Heizeinrichtung fährt. In diesem Fall kann eine hinsichtlich der Materialabgaberate gezielte Materialabgabe auch ohne zusätzliche Erfassung eines Vorschubs der Materialien durch den Motor erreicht werden. In anderen Ausführungsarten, in denen andere Arten von steuerbaren Motoren verwendet werden, kann es sinnvoll sein, einen Positionssensor vorzusehen, mit dem die aktuelle Vorschubposition eines Stapels von Materialien in der Vorratskammer erfasst werden kann. In diesem Fall kann das Signal des Positionssensors der elektronischen Steuereinrichtung zugeführt werden, die in Abhängigkeit von diesem Signal die Heizeinrichtung und den steuerbaren Motor steuert.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wirkt der steuerbare Motor auf wenigstens einen Kolben der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung ein, wobei der Kolben mittels des Motors in wenigstens eine der Vorratskammern einfahrbar ist. Der Kolben kann z. B. über einen Spindelantrieb mit dem Motor verbunden sein. Auf diese Weise kann eine Art motorbetriebene „Spritze” realisiert werden, mit der die in der Vorratskammer befindlichen Materialien gezielt und dosiert abgegeben werden können. Je nach Anzahl der Vorratskammern kann die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung auch mehrere Kolben aufweisen, die jeweils durch einen eigenen Motor oder gemeinsam durch einen gemeinsamen Motor betätigbar sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung wenigstens eine steuerbare Heizeinrichtung auf, die zum Verdampfen des abzuscheidenden Materials in der jeweiligen Vorratskammer eingerichtet ist. Die steuerbare Heizeinrichtung kann insbesondere von der zuvor erläuterten elektronischen Steuereinrichtung gesteuert werden. Sofern mehrere Vorratskammern bzw. mehrere durch einen steuerbaren Motor angetriebene Kolben vorhanden sind, können auch mehrere Heizeinrichtungen, die einer jeweiligen Vorratskammer zugeordnet sind, vorhanden sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Heizeinrichtungen dann von der elektronischen Steuereinrichtung separat auf eine jeweilige auf das zu verdampfende Material abgestimmte Heiztemperatur steuerbar. Die Heizeinrichtung kann z. B. als Heizgitter ausgebildet sein, d. h. eine Gitterform aufweisen, das z. B. aus einem Metallmaterial gebildet ist. Das Metallmaterial kann passivierend beschichtet sein, z. B. um katalytische Reaktionen zu vermeiden. Die Heizeinrichtung kann z. B. als Heizgitter ausgebildet sein, das in einen Silizium-Wafer geätzt worden ist. Dieser kann zur Passivierung z. B. oxidiert werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Heizeinrichtung auf der dem Kolben gegenüberliegenden Seite der Vorratskammer angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass mittels des steuerbaren Motors der Kolben gegen die in der Vorratskammer vorhandenen Materialien drücken kann und diese gegen die Heizeinrichtung presst. Hierdurch wird ein gewisser Druck der Materialien auf die Heizeinrichtung ausgeübt, so dass eine gezielte und gleichmäßige Verdampfung der Materialien durch die Heizeinrichtung realisiert werden kann. Hierdurch ist insbesondere die Materialabgaberate der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung besonders präzise steuerbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung einen gemeinsamen Materialabgabekopf auf, an dem die wenigstens zwei unterschiedlichen aus der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung abgeschiedenen Materialien abgegeben werden. Dies hat den Vorteil, dass die zwei Materialien bzw. bei Bedarf auch sämtliche Materialien von derselben Stelle aus abgegeben werden, was auch bei der Beschichtung nicht hohlkörperförmiger Substrate vorteilhaft ist, da definierte Abscheidebedingungen vorliegen. Ein besonderer Vorteil ergibt sich für die Innenbeschichtung hohlkörperförmiger Substrate, da der gemeinsame Materialabgabekopf nur einmal in den Hohlraum eingefahren werden muss und sodann sämtliche Materialien über denselben Materialabgabekopf in den Hohlraum eingebracht werden können. Ein ständiges Wechseln des Materialabgabekopfs, z. B. durch Herausfahren aus dem Hohlraum und Hereinfahren eines anderen Materialabgabekopfs, entfällt, so dass Beschichtungsvorgänge sehr zügig durchgeführt werden können.
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Die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung kann auch mehrere Materialabgabeköpfe aufweisen, z. B. ähnlich wie ein Drehautomat bei Flaschenabfüllung. Hierdurch kann eine Serienfertigung organischer Leuchtdioden besonders effizient erfolgen.
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Die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung kann auch für bestimmte Materialien einen gesonderten Materialabgabekopf aufweisen. In einer Ausführungsform weist die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung einen gesonderten Materialabgabekopf für jedes Material bzw. für jede Vorratskammer auf. Die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung kann auch mit nur einem einzigen Materialabgabekopf ausgebildet sein, aus dem dann sämtliche durch die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung abzuscheidenden Materialien abgegeben werden.
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Der Materialabgabekopf kann unterschiedlich geformt sein. Es ist vorteilhaft, die äußere Form des Materialabgabekopfs zumindest annähernd an die Innenkontur eines zu beschichtenden Hohlraums anzupassen. Der Materialabgabekopf kann z. B. als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet sein, insbesondere in Form einer Kugel, eines Zylinders oder eines Ellipsoids.
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Sofern mehr als ein Materialabgabekopf vorhanden ist, können diese Materialabgabeköpfe auch räumlich zusammengefasst werden zu einem einzigen Materialabgabekopf mit mehreren Materialauslassstellen. Hinsichtlich der Formgebung kann ein solcher zusammengefasster Materialabgabekopf dann z. B. ebenfalls als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet sein, bei dem z. B. für jedes abzugebende Material ein bestimmter Oberflächenabschnitt des rotationssymmetrischen Körpers vorgesehen ist, z. B. ein Oberflächenbereich einer Kugel, wie z. B. jeweils eine Viertelkugel.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Materialabgabekopf im Abstand von der Vorratskammer und/oder der Heizeinrichtung oder direkt daran angeordnet. Der Materialabgabekopf kann z. B. über eine rohr- oder schlauchförmige Verbindung mit der Vorratskammer bzw. der Heizeinrichtung verbunden sein. Dies erlaubt insbesondere eine günstige Materialeinbringung in Hohlräume von Substraten, insbesondere wenn der Materialabgabekopf relativ weit in das Substrat eingeführt werden muss.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Materialabgabekopf beheizbar ausgebildet. So kann der Materialabgabekopf eine integrierte Heizeinrichtung aufweisen oder von außen durch eine Heizeinrichtung beheizt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Materialabgabekopf gezielt erwärmt werden kann. Hierdurch kann die Temperatur des Materialabgabekopfs während der Materialabgabe über der Sublimationstemperatur des jeweiligen abgegebenen Materials gehalten werden, was den Vorteil hat, dass sich abgegebenes Material nicht oder nur in unwesentlichem Umfang am Materialabgabekopf selbst niederschlägt. Eine solche Beheizung des Materialabgabekopfs ist insbesondere bei der Innenbeschichtung von Hohlkörpern vorteilhaft, um dafür zu sorgen, dass das abgegebene Material erst nach Verlassen des Materialabgabekopfs in dem vergleichsweise kälteren Hohlkörper kondensiert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 – eine Mehrmaterialienabgabeeinrichtung sowie ein von innen zu beschichtendes Substrat und
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2 – auf dem Substrat abgeschiedene Materialschichten.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die 1 zeigt eine Mehrmaterialienabgabeeinrichtung 19 mit folgenden Elementen:
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Elektronische Steuereinrichtung
- 11
- Motor
- 12
- Materialvorratszylinder
- 13
- Vorratskammer
- 14
- Schubstange
- 15
- Kolben
- 16
- Heizeinrichtung
- 17
- Verbindungsrohr
- 18
- Materialabgabekopf
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Die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung 19 wird zur Beschichtung eines Substrats 8, das eine Hohlkörperform aufweist, nach einem der Eingangs beschriebenen Verfahren verwendet. Das Substrat 8 soll von der Innenseite her beschichtet werden. Zu diesem Zweck ist der Materialabgabekopf 18 in den Innenraum des Substrats 8 eingeführt und etwa zentral positioniert. Das Substrat 8 kann z. B. ein Glas-Hohlkörper oder ein Hohlkörper aus einem anderen transparenten Material sein. Das Substrat 8 wird zum Zwecke des Beschichtungsvorgangs von einem Halter 9 gehalten.
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In dem Materialvorratszylinder 12 ist eine Vorratskammer 13 gebildet. In der Vorratskammer 13 sind verschiedene Materialien 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 in Feststoffform vorgesehen. Die Materialien 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 sind zwischen dem Kolben 15 und der Heizeinrichtung 16 hintereinander sozusagen in Stapelform angeordnet. Da die Materialien in Feststoffform bereitgehalten werden, tritt eine Vermischung nicht oder nur in zu vernachlässigendem Maße auf. Die Materialien 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 können Materialien sein, mit denen die Schichten eines OLED-Leuchtmittels hergestellt werden können. Die Materialien werden nachfolgend noch anhand der 2 beschrieben.
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Der Kolben 15 ist über die Schubstange 14 mit dem Motor 11 verbunden. Der Motor 11 ist ein steuerbarer Motor, z. B. ein Elektromotor, insbesondere ein Schrittmotor. Die Schubstange 14 kann z. B. als Gewindespindel ausgebildet sein, die von dem Motor 11 in Drehung versetzt werden kann. Hierdurch kann der Kolben 15 vor und zurück gefahren werden. Insbesondere kann der Kolben 15 gegen die Materialien 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 gefahren werden und damit die Materialien gegen die Heizeinrichtung 16 drücken.
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Die Heizeinrichtung 16 kann z. B. als Heizgitter ausgebildet sein, das mit elektrischem Strom beaufschlagt wird und sich dadurch im Sinne einer Widerstandsheizung erwärmt. Die Heizeinrichtung kann z. B. als Heizgitter ausgebildet sein, d. h. eine Gitterform aufweisen, das z. B. aus einem Metallmaterial gebildet ist. Das Metallmaterial kann passivierend beschichtet sein, z. B. um katalytische Reaktionen zu vermeiden. Die Heizeinrichtung kann z. B. als Heizgitter ausgebildet sein, das in einen Silizium-Wafer geätzt worden ist. Dieser kann zur Passivierung z. B. oxidiert werden.
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Die elektronische Steuereinrichtung 10 ist zur Steuerung des Motors 11 und der Heizeinrichtung 16 eingerichtet. Hierzu weist die Steuereinrichtung 10 einen Rechner sowie ein von dem Rechner ausgeführtes Steuerprogramm auf. Wie durch den von der elektronischen Steuereinrichtung 10 zum Motor 11 weisenden Pfeil angedeutet, kann die elektronische Steuereinrichtung 10 Steuersignale an den Motor 11 abgegeben und dadurch den Vorschub des Kolbens 15 und damit den Vorschub der Materialien 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 gegen die Heizeinrichtung 16 steuern. Zusätzlich kann ein Sensor in dem Motor 11 oder an dem Kolben 15 oder der Schubstange 14 vorgesehen sein, um die jeweilige Position des Kolbens 15 zu erfassen. Das Signal des Sensors wird dann, wie durch den von dem Motor 11 zu der Steuereinrichtung 10 weisenden Pfeil angedeutet, zu der elektronischen Steuereinrichtung 10 übertragen. Sofern der Motor 11 als Schrittmotor ausgebildet ist, kann auf diese Sensierung verzichtet werden. In diesem Fall kann die elektronische Steuereinrichtung 10 anhand der an den Motor 11 vorgegebenen Schritte selbst bestimmen, in welcher Position sich der Kolben 15 befindet.
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Anhand der Kolbenposition 15 kann die elektronische Steuereinrichtung 10 erkennen, welches Material gerade gegen die Heizeinrichtung 16 gepresst wird und durch die Heizeinrichtung 16 verdampft wird. Entsprechend kann die elektronische Steuereinrichtung eine an die Materialart angepasste Vorschubgeschwindigkeit des Kolbens 15 sowie eine angepasste Heiztemperatur der Heizeinrichtung 16 einstellen. Hierzu kann die elektronische Steuereinrichtung 10 Steuersignale an die Heizeinrichtung 16 zur Einstellung der Heiztemperatur abgeben, wie durch den von der elektronischen Steuereinrichtung 10 zu der Heizeinrichtung 16 weisenden Pfeil angedeutet.
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Die in der Heizeinrichtung 16 verdampften Materialien werden über das Rohr 17 zum Materialabgabekopf 18 transportiert und von diesem gleichmäßig im Innenraum des Substrats 8 verteilt, wie durch die gepunkteten Pfeile dargestellt. Das Substrat 8 kann hierzu ein Vakuum aufweisen. Auf diese Weise wird die Innenfläche des Substrats 8 mit den Materialien 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 in der genannten Reihenfolge beschichtet, d. h. das Material 1 wird zuerst am Substrat angelagert, das Material 7 zuletzt.
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Wie erkennbar ist, kann z. B. zur Erhöhung des Durchsatzes in der großindustriellen Produktion auch eine Mehrzahl von Materialvorratszylindern 12 mit jeweiligen Vorratskammern 13 und Motorantrieben 11 in der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung 19 vorgesehen werden, die dann entweder an unterschiedliche Materialabgabeköpfe oder ein und denselben Materialabgabekopf 18 die verdampften Materialien abgeben. Auf diese Weise können größere Materialmengen vorgehalten werden, oder es können auch Materialien verarbeitet werden, die sich für die Aneinanderlagerung in derselben Vorratskammer nicht eignen. Für solche Materialien kann dann z. B. eine eigene Vorratskammer vorgesehen werden.
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Zusätzlich kann auch eine Beheizung des Rohrs 17 vorgesehen werden. Auch der Materialabgabekopf 18 kann eine integrierte Heizeinrichtung aufweisen. Hierdurch können unerwünschte vorzeitige Abscheidungen der abzugebenden Materialien vermieden werden und eine vorteilhafte Schonung der Materialien erreicht werden.
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Die Erfindung ist nicht auf das zuvor beschriebene Beispiel der Innenbeschichtung von im Wesentlichen geschlossenen Hohlkörpern, wie die Kugelform des Substrats 8, beschränkt. Vielmehr können auch andere Substrate beschichtet werden, wie z. B. Substrate in Röhrenform. Es können mit der Erfindung z. B. OLED-Leuchtmittel in klassischer „Leuchtstoffröhren”-Form realisiert werden, wobei die von innen zu beschichtenden Röhren aus Glas oder anderen transparenten Materialien dann über einen in die Röhre eingeführten Materialabgabekopf beschichtet werden, der z. B. die Form eines Kreiszylinders aufweisen kann. Der Kreiszylinder kann sich z. B. über die gesamte Länge der zu beschichtenden Röhre erstrecken. Denkbar sind auch andere Arten von Materialabgabeköpfen für die Innenbeschichtung solcher Röhren, die während des Beschichtungsvorgangs langsam in Längsrichtung durch die Röhre gefahren werden.
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Die 2 zeigt die durch die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung 19 gemäß 1 an der Innenseite des Substrats 8 erzeugte Beschichtung mit den Materialschichten 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27. Hierbei wird durch jeweils äußere Schichten 21, 27 eine Elektrode der organischen Leuchtdiode hergestellt. Die Schicht 21 wird z. B. aus ITO gebildet. Verwendbar sind auch andere Materialien, wobei es vorteilhaft ist, dass hierdurch eine transparente Anode der Leuchtdiode erzeugt wird. Hierauf kann als Schicht 22 eine z. B. 40 nm dicke Schicht aus NPD abgeschieden werden. Als Schicht 23 kann eine z. B. 20 nm dicke Schicht aus CBP:Ir(ppy)3 abgeschieden werden. Als vierte Schicht 24 kann eine z. B. 10 nm dicke BCP-Schicht abgeschieden werden. Als fünfte Schicht 25 kann eine z. B. 20 nm dicke Schicht aus Alq3 abgeschieden werden. Schließlich kann als Elektroneninjektionsschicht eine Schicht 26 aus LiF abgeschieden werden, die z. B. 0,5 nm dick ist. Schließlich wird als Kathodenschicht eine Schicht 27 aus Aluminium abgeschieden, z. B. mit einer Dicke von 200 nm. Die genannten Materialien eignen sich zur Herstellung einer organischen Leuchtdiode (OLED). Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung auch zur Herstellung anderer Beschichtungen aus anderen Materialien verwendet werden.
