DE102012111218A1

DE102012111218A1 - Materialabgabekopf, Materialabgabeeinrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE102012111218A1
Application number: DE201210111218
Authority: DE
Inventors: Sönke Fündling; Sebastian Montzka; Christine Nowak; Hans Schmidt
Original assignee: EMDEOLED GmbH
Current assignee: Emde Thomas De
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2012-11-21
Publication date: 2014-05-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Materialabgabekopf (1) einer Materialabgabeeinrichtung (40), die zur Beschichtung eines Substrats (2, 30) mit wenigstens einem über den Materialabgabekopf (1) abzugebenden Material (9, 23, 24, 25) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabgabekopf (1) folgende Merkmale aufweist: a) wenigstens eine zum beschichtenden Substrat (2, 30) auszurichtende Materialabgabeoberfläche (4), die eine Vielzahl von Materialaustrittsöffnungen (5, 50) aufweist, b) Verbindungskanäle (6, 60), die zur direkten oder indirekten Verbindung der Materialaustrittsöffnungen (5, 50) mit einem oder mehreren Materialvorratsbehältern (8) der Materialabgabeeinrichtung (1) eingerichtet sind. Die Erfindung betrifft außerdem eine Materialabgabeeinrichtung und ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats.

Description

Die Erfindung betrifft einen Materialabgabekopf einer Materialabgabeeinrichtung, die zur Beschichtung eines Substrats mit wenigstens einem über den Materialabgabekopf abzugebenden Material eingerichtet ist, gemäß den weiteren Merkmalen des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Materialabgabeeinrichtung gemäß dem Anspruch 9 und ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats gemäß dem Anspruch 11.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet des Beschichtens von Substraten mit einer oder mehreren Materialschichten desselben Materials oder unterschiedlichen Materialien. Anwendungen solcher Verfahren sind im Bereich der Produktion in verschiedenen Gebieten der Technik vorhanden, z. B. für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere für die Herstellung organischer Leuchtdioden (OLED). Bei der Herstellung von OLED-Leuchtmitteln werden in einer vorgegebenen Reihenfolge drei oder mehr Schichten auf einem Substrat abgeschieden, wobei es wünschenswert ist, dass eine gleichmäßige, homogene 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.
Eine Herstellung von OLED-Leuchtmitteln klassischer Glühbirnen- bzw. Neonröhrenform geht z. B. aus der WO 2009/074322 A1 hervor. Das zu beschichtende Substrat ist dann ein Hohlkörper aus einem lichtdurchlässigen Material, der von der Innenseite her beschichtet wird. Eine solche Innenbeschichtung von Hohlkörpern stellt besondere Anforderungen an die Materialabgabeeinrichtung bzw. an deren Materialabgabekopf.
Auch in anderen Bereichen der Technik, in denen Substrate mit Materialschichten beschichtet werden sollen, können spezifische Anforderungen an die Materialabgabeeinrichtung und den Materialabgabekopf auftreten, die mit bisher bekannten Einrichtungen nicht immer befriedigend gelöst werden können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Materialabgabekopf einer Materialabgabeeinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, der bessere Beschichtungsergebnisse ermöglicht und in der Serienproduktion von Produkten zügig und mit gleichbleibender Qualität eingesetzt werden kann. Ferner soll eine hierfür geeignete Materialabgabeeinrichtung sowie ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats angegeben werden.
Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch einen Materialabgabekopf einer Materialabgabeeinrichtung, die zur Beschichtung eines Substrats mit wenigstens einem über den Materialabgabekopf abzugebenden Material eingerichtet ist, wobei der Materialabgabekopf folgende Merkmale aufweist:

a) wenigstens eine zum beschichtenden Substrat auszurichtende Materialabgabeoberfläche, die eine Vielzahl von Materialaustrittsöffnungen aufweist,
b) Verbindungskanäle, die zur direkten oder indirekten Verbindung der Materialaustrittsöffnungen mit einem oder mehreren Materialvorratsbehältern der Materialabgabeeinrichtung eingerichtet sind.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch den beschriebenen Materialabgabekopf gleichmäßige Beschichtungen des Substrats mit einer oder mehreren Materialschichten mit gleichbleibender Qualität erzeugt werden können. Die Beschichtung kann relativ schnell erfolgen, so dass ein zügiges Arbeiten möglich ist, was die Erfindung insbesondere auch für die Großserienproduktion tauglich macht. Ein weiterer Vorteil ist, dass eine kontinuierliche Materialzuführung und damit ein kontinuierlicher Materialdurchlauf durch den Materialabgabekopf möglich ist, was wiederum kontinuierliche Produktionstechniken begünstigt.
Der Materialabgabekopf eignet sich zum Beschichten beliebig geformter Substrate, d. h. sowohl von Substraten mit ebener Oberfläche als auch von Substraten mit gekrümmten Oberflächen. Insbesondere sphärisch geformte Körper, wie z. B. röhrenförmige, kugelförmige oder birnenförmige Körper können von außen und von innen beschichtet werden. Der Materialabgabekopf kann hinsichtlich der Ausbildung der Materialaustrittsöffnungen und der Verbindungskanäle in vielerlei Gestaltungsmöglichkeiten bereitgestellt werden, so dass verschiedenste Beschichtungsaufgaben damit erfüllt werden können. Die Verbindungskanäle können als längliche Kanäle oder als relativ kurze Kanäle ausgebildet sein, d. h. auch in einer Art, dass die Länge eines Verbindungskanals geringer ist als der Durchmesser der damit verbundenen Materialaustrittsöffnung. Die Verbindungskanäle können einzeln von einer Materialaustrittsöffnung bis hin zu einem Materialvorratsbehälter geführt sein, oder bereits auf dem Weg von der Materialaustrittsöffnung zu dem Materialvorratsbehälter mit anderen Verbindungskanälen zu gemeinsamen Kanälen zusammengeführt werden. Die Länge der Verbindungskanäle kann für sämtliche Materialaustrittsöffnungen gleich sein. Es können auch unterschiedliche Längen der Verbindungskanäle vorgesehen sein, wobei auch für bestimmte Gruppen von Materialaustrittsöffnungen Verbindungskanäle einer ersten Länge und für eine andere Gruppe von Materialaustrittsöffnungen Verbindungskanäle mit einer zweiten Länge vorhanden sein können.
Die Verbindungskanäle können gradlinig, in Bogenform oder einfach oder mehrfach abgeknickt durch den Materialabgabekopf geführt sein. Auch hier sind beliebige Kombinationen der Ausgestaltungen von Verbindungskanälen bezüglich der verschiedenen und damit verbundenen Materialaustrittsöffnungen vorteilhaft realisierbar, wobei auch wiederum Gruppen von Materialaustrittsöffnungen mit jeweils gleich oder vergleichbar ausgebildeten Verbindungskanälen verbunden sein können.
Die Verbindung der Materialaustrittsöffnungen mit einem oder mehreren Materialvorratsbehältern über die Verbindungskanäle kann eine direkte oder indirekte Verbindung sein, wobei für jeden Verbindungskanal individuell festgelegt werden kann, ob eine direkte oder indirekte Verbindung vorgesehen wird. Eine indirekte Verbindung umfasst z.B. eine Verbindung über einen Schlauch oder ein im Verbindungskanal vorgesehenes, ggf. schaltbares Ventil oder auch eine feste Zuführung, z.B. Glasrohr oder beheizbares Rohr.
Der Materialabgabekopf eignet sich sowohl für die Abgabe organischer Materialien, z. B. zur Herstellung organischer Leuchtdioden, als auch für Beschichtungsverfahren, bei denen anorganische Materialien verwendet werden, sowie für herkömmliche Verdampfungstechniken oder auch z.B. für das OVPD^®-Verfahren (OVPD^® – Organic vapor phase deposition). Insbesondere eignet sich der Materialabgabekopf auch für die Durchführung von MOCVD-Verfahren (MOCVD – metal organic chemical vapor deposition) bzw. MOVPE-Verfahren (MOVPE – metal organic vapor phase epitaxy), z. B. für die Herstellung anorganischer Leuchtdioden. In jedem Fall kann eine gleichmäßigere, homogenere Beschichtung des Substrats erreicht werden als mit bekannten Einrichtungen und Verfahren.
Gegenüber bekannten Verdampfern weist der Materialabgabekopf den weiteren Vorteil auf, dass die Heizeinrichtung mit weniger Energiebedarf betrieben werden kann, da die im Materialabgabekopf erzeugte Wärme direkt an das Material angekoppelt wird und so einen effizienten Verdampfungsprozess ermöglicht, insbesondere durch eine Art Absorberwirkung des Materialabgabekopfs.
Der Materialabgabekopf kann zumindest bereichsweise auch eine Reflektorwirkung haben, um durch die Heizeinrichtung erzeugte Wärme im Inneren des Materialabgabekopfs zu halten.
Die Heizeinrichtung kann insbesondere elektrisch betrieben sein. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Materialabgabekopf einen elektrischen Anschluss zur Verbindung mit einer elektrischen Energiequelle auf. Der elektrische Anschluss kann z. B. als in den Materialabgabekopf integrierter Steckverbinder ausgebildet sein. Die integrierte Heizeinrichtung kann z. B. durch spezielle Ausbildung des Materials des Materialabgabekopfs realisiert sein, z. B. durch einen im Materialabgabekopf verlegten Heizdraht, ein Heizgitter oder durch speziell ausgebildete Materialbereiche des Materialabgabekopfs mit erhöhtem ohmschem Widerstand. Sofern der Materialabgabekopf oder Teile davon aus einem Halbleitermaterial hergestellt sind, kann der Widerstand z. B. für die Kontaktierung durch eine hohe Dotierung eines Teilbereichs des Halbleitermaterials verringert werden oder im Bereich der zu beheizenden Region des Materialabgabekopfes erhöht werden.
Sofern eine gezielte Kühlung erforderlich ist, kann der Materialabgabekopf auch mit einer integrierten Kühleinrichtung ausgebildet sein. Hierzu können Kühlkanäle in den Materialabgabekopf integriert werden, durch die ein Kühlmedium geleitet wird, z. B. eine Kühlflüssigkeit. Die Kühlkanäle können z. B. im Wesentlichen parallel oder im gleichen Abstand zu der Innenseite des Materialabgabekopfs angeordnet sein, an der die Verbindungskanäle ihre von den Materialaustrittsöffnungen abgewandten Endbereiche haben. Die Kühlkanäle können auch zum Beheizen des Materialabgabekopfs oder im Sinne einer optimierten Temperaturregelung zur Gegensteuerung bezüglich des Aufheizens genutzt werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass der Materialabgabekopf leichter zu reinigen ist als bekannte Einrichtungen, z. B. durch Anregung von an der Oberfläche befindlichen Nanostrukturen zu mechanischen Schwingungen oder durch einen Inertgasfluss durch den Materialabgabekopf. Hierdurch ist der Materialabgabekopf schnell und kostengünstig wieder einsetzbar. Ein aufwendiges Ausbauen aus der Vakuumanlage und anschließendes Reinigen entfällt oder muss nur in deutlich längeren Zeitintervallen durchgeführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Festlegung der Abstrahlcharakteristik des Materialabgabekopfs durch eine entsprechend angepasste, systematische Ausrichtung der Verbindungskanäle vorgesehen. So können die Verbindungskanäle gerade oder gebogen sein, z. B. zum Teil zur Umfangsseite des Materialabgabekopfs hin abbiegen.
Die Verbindungskanäle können im Übergangsbereich zu den Materialaustrittsöffnungen vorbestimmte Querschnittsverläufe haben, z. B. einen konischen Querschnitt, wobei die konische Aufweitung zur Materialaustrittsöffnung hin gerichtet sein kann oder in entgegengesetzter Richtung.
Die Materialabgabeoberfläche kann eine ebene, gewölbte und/oder facettierte Oberfläche sein, z. B. mit gleichmäßig oder unterschiedlich abgeschrägten Seitenflächen. Der Materialabgabekopf kann in Draufsicht auf die Materialabgabeoberfläche rund oder eckig sein. Der Durchmesser des Materialabgabekopfs, wiederum in Draufsicht auf die Materialabgabeoberfläche betrachtet, kann im Bereich von 3 bis 30 mm liegen, die Höhe im Bereich von 0,3 bis 30 mm. Für Anwendungen bei MOVPE-Verfahren insbesondere für die Massenfertigung sind auch größere Durchmesser vorteilhaft, z. B. im Bereich von 300 bis 1000 mm. Die Verbindungskanäle und/oder die Materialaustrittsöffnungen können Durchmesser im Bereich von 50 bis 500 µm aufweisen, wobei nicht sämtliche Durchmesser bei einem Materialabgabekopf gleich sein müssen, sondern auch unterschiedliche Durchmesser realisiert sein können. Die Verbindungskanäle und/oder Materialaustrittsöffnungen können einen runden oder eckigen Querschnitt aufweisen.
Der Materialabgabekopf wird vorteilhaft aus einem Material hergestellt, oder aus einer Mischung mehrerer Materialien, die keinen oder zumindest keinen schädlichen Einfluss auf den Materialabgabeprozess nehmen. Insbesondere werden Materialien vermieden, die mit dem abzugebenden Material bzw. den abzugebenden Materialien in unerwünschtem Maße reagieren.
Der Materialabgabekopf kann insbesondere ganz oder teilweise aus einem Halbleitermaterial oder einer Materialverbindung, die ein Halbleitermaterial aufweist, hergestellt sein. Insbesondere können auch dotierte Halbleitermaterialien verwendet werden. Vorteilhaft sind z. B. Materialien oder Materialkombinationen wie: Si, Si-Verbindungen wie SiC, SiN, SiO; Al, Al-Verbindungen wie z. B. AlO, AlN, das z. B. thermisch oder anodisch oxidiert sein kann, Edelstahl, Graphit oder thermisch geeignete Keramikwerkstoffe.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Materialabgabekopf zur räumlich gerichteten Abgabe von Material über die Materialaustrittsöffnungen ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass das Material gezielt abgegeben und verteilt werden kann. Zur Erzeugung einer flächigen Beschichtung kann der Materialabgabekopf während der Materialabgabe z. B. durch einen Verstellmechanismus verschoben oder verschwenkt werden. Die gerichtete Materialabgabe kann durch geeignete Formgebung der Materialaustrittsöffnungen und/oder der Verbindungskanäle realisiert werden. So können die Materialaustrittsöffnungen abgerundet und/oder in Düsenform ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Materialabgabekopf eine integrierte Heiz- und/oder Kühleinrichtung auf, die zum Erwärmen und/oder Kühlen des im Materialabgabekopf befindlichen abzugebenden Materials eingerichtet ist. Hierdurch kann das Material immer auf der gewünschten Temperatur gehalten werden, z. B. oberhalb der Verdampfungstemperatur. Die Heiz- und/oder Kühleinrichtung kann mit einer Regelung versehen sein, so dass automatisch die gewünschte Solltemperatur nachgeregelt wird. Ein weiterer Vorteil ist, dass je nach dem speziellen, jeweils abgegebenen Material die gewünschte Temperatur variabel eingestellt werden kann bzw. bei einem Wechsel von einem Material auf ein anderes Material entsprechend angepasst und in kurzer Zeit eingeregelt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bilden die Materialaustrittsöffnungen eine siebartige und/oder duschkopfartige Struktur. Die Materialaustrittsöffnungen können in Draufsicht auf die Materialabgabeoberfläche gleichmäßig oder ungleichmäßig verteilt sein, z. B. nach Art einer Matrix. Die Materialaustrittsöffnungen können in Draufsicht auf die Materialabgabeoberfläche mit diversen Außenkonturen ausgebildet sein, z. B. kreisförmig, eckig, quadratisch oder oval. Die Materialaustrittsöffnungen können alle mit derselben Außenkontur oder gemischt mit unterschiedlichen Außenkonturen ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind Nano- und/oder Mikrostrukturen an und/oder in dem Materialabgabekopf angeordnet. Nanostrukturen sind Materialstrukturen, die Abmessungen im Bereich von 0,1 bis 100 Nanometer aufweisen, Mikrostrukturen weisen Abmessungen im Bereich 100 Nanometer bis 1 Millimeter auf. Durch solche kleinen und kleinsten Strukturierungen kann die Materialabgabe ebenfalls positiv beeinflusst werden. Die Nano- und/oder Mikrostrukturen können insbesondere in Form sogenannter Nanorods ausgebildet sein. Nanorods sind säulenförmige Strukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich.
Die Nano- und/oder Mikrostrukturierungen können auf der Materialabgabeoberfläche des Materialabgabekopfs, in den Verbindungskanälen oder an den den Materialaustrittsöffnungen abgewandten Innenoberflächen des Materialabgabekopfs, z. B. in der Umgebung der Verbindungskanäle, angeordnet sein oder in einer Kombination daraus. Zudem kann durch die Nano- und/oder Mikrostrukturen eine thermische Isolation realisiert werden. Hierdurch kann der entstehende Temperaturgradient für eine effizientere Verdampfung bzw. Aufspaltung des abzugebenden Materials besser gesteuert werden. Zudem kann hierdurch ein Schutz vor Schädigung des Materials vor der eigentlichen Abgabe, d. h. z. B. vor dem Verdampfen, verbessert werden. Durch die Nanostrukturierung ist eine bessere Materialverteilung möglich. Außerdem werden die Ausgangsstoffe besser aufgespalten. Der Materialabgabekopf eignet sich ideal für Flash-Verdampfungsprozesse und andere Hochratenprozesse.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Materialabgabekopf eine Aktoreinrichtung auf, die zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen des Materialabgabekopfs oder wenigstens eines Teils davon eingerichtet ist. Die mechanischen Schwingungen können im Bereich des vom Menschen hörbaren oder nicht hörbaren Schalls liegen, z. B. im Ultraschallbereich. Entsprechend kann die Aktoreinrichtung eine Ultraschall-Erzeugungseinrichtung sein. Die Aktoreinrichtung kann z. B. als piezoelektrischer, Ultraschall-, elektromagnetischer oder optischer Aktor ausgebildet sein. Durch die Möglichkeit der Erzeugung von mechanischen Schwingungen des Materialabgabekopfs oder wenigstens eines Teils davon kann der Transport des Materials durch den Materialabgabekopf hin zu den Materialaustrittsöffnungen gefördert werden und insbesondere die Gleichmäßigkeit der Materialabgabe günstig beeinflusst werden.
Vorteilhaft ist insbesondere eine Kombination von Nano- und/oder Mikrostrukturen und einer mechanischen Anregung über eine Aktoreinrichtung. So können die Nano- und/oder Mikrostrukturen zur besseren Verteilung des Molekularstroms mittels der Aktoreinrichtung mechanisch in Schwingungen versetzt werden. Hierdurch wird zugleich eine bessere Verteilung des Gasstroms und eine bessere Aufspaltung der Ausgangsstoffe erreicht. Je nach Größe der Nano- und/oder Mikrostrukturen können unterschiedlich starke Auslenkungen durch die mechanischen Schwingungen realisiert werden, ebenso durch unterschiedlich starke Anregungen, d. h. eine unterschiedliche Amplitude der mechanischen Schwingungen. Ein weiterer Vorteil ist, dass Ablagerungen am Materialabgabekopf vermieden oder sogar gezielt wieder beseitigt werden können, z.B. indem eine höhere Amplitude der mechanischen Schwingungen nach dem Beschichtungsprozess eingestellt wird, um Materialreste abzulösen. Die abgelösten Materialreste können dann gezielt, z.B. über einen Gasstrom, abtransportiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Materialabgabekopf einen oder mehrere Materialvorratsbehälter für abzugebendes Material auf. Dies hat den Vorteil, dass abzugebendes Material direkt im Materialabgabekopf vorgehalten werden kann und damit nicht von einem weiter entfernten Materialvorratsbehälter herantransportiert werden muss. Dies hat wiederum den Vorteil, dass das abzugebende Material nicht schon über einen längeren Zeitraum erwärmt bzw. verdampft transportiert werden muss, sondern erst direkt und kurz vor der Materialabgabe verdampft wird. Hierdurch werden unerwünschte Schädigungen des Materials und unerwünschte Materialablagerungen weitestgehend vermieden. Der Materialvorratsbehälter bzw. die Materialvorratsbehälter können als separate, in dem Materialabgabekopf einzusetzende Behältnisse, z. B. in Form von Wechselkartuschen, ausgebildet sein. Der Begriff der Materialvorratsbehälter umfasst auch eine oder mehrere direkt in dem Materialabgabekopf gebildete Materialvorratskammern, in die direkt das abzugebende Material eingefüllt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Materialabgabekopf an wenigstens einer Innenseite, insbesondere einer von der Materialabgabeoberfläche abgewandten Innenseite, an der abzugebendes Material zugeführt wird, eine ebene plane Oberfläche auf. Dies hat den Vorteil, dass mit dem Materialabgabekopf auch Feststoffe gleichmäßig verdampft und durchgeleitet werden können.
Die eingangs genannte Aufgabe wird gemäß Anspruch 9 außerdem gelöst durch eine Materialabgabeeinrichtung, die zur Beschichtung eines Substrats mit wenigstens einem über wenigstens einen Materialabgabekopf abzugebenden Material eingerichtet ist, wobei die Materialabgabeeinrichtung wenigstens einen Materialabgabekopf der zuvor beschriebenen Art aufweist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Materialabgabeeinrichtung als Mehrmaterialienabgabeeinrichtung ausgebildet, die zur Beschichtung eines Substrats mit mehreren Materialschichten aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien eingerichtet ist, wobei die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung einen oder mehrere Materialvorratsbehälter zur Aufnahme von Vorratsmengen der wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien aufweist. Dies 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. Es kann eine besonders hohe Material- bzw. Schichtqualität der abgeschiedenen Materialschicht bzw. der Materialschichten erreicht werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass Materialschichten auf dem Substrat aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien gebildet werden können, ohne dass es zu Vermischungen der Materialien kommt. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch das Vorhalten von Vorratsmengen von wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien der Beschichtungsprozess rationeller gestaltet werden kann, da eine Abscheidung der wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien auf dem Substrat ohne zwischenzeitigen Wechsel der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung oder ein zwischenzeitiges Neubestücken der Mehrmaterialienabgabeeinrichtung mit Materialien durchgeführt werden kann, 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 ist.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gemäß Anspruch 11 gelöst durch ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit wenigstens einem Material, wobei das wenigstens eine Material von einem Materialabgabekopf der zuvor beschriebenen Art auf das Substrat abgegeben wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Materialabgabekopf oder wenigstens ein Teil davon bei der Materialabgabe mittels einer Aktoreinrichtung in Schwingung versetzt. Hierdurch kann der Transport des Materials durch den Materialabgabekopf beeinflusst und eine homogenere Materialverteilung auf dem zu beschichtenden Substrat erzielt werden. Zudem kann der Temperaturübertrag in die Gasphase verbessert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Temperatur des abgegebenen Materials bei der Materialabgabe aus dem Materialabgabekopf auf einen Sollwert geregelt, der materialabhängig festgelegt ist. Hierdurch kann das jeweilige Material immer unter den materialabhängig günstigsten Bedingungen auf das Substrat übertragen werden.
Vorteilhafte Verfahren zur Herstellung des Materialabgabekopfs umfassen eines oder mehrere der folgenden Verfahren:

– Trockenätzen, insbesondere wenn das Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser der Verbindungskanäle relativ groß ist.
– Nass-chemisches Ätzen z. B. von Silizium (z. B. mittels KOH), wodurch sich die Seitenwände und die Ein- und Austrittsbereiche der Verbindungskanäle glätten lassen bzw. die Ein- und Austrittsbereiche der Verbindungskanäle konisch gestaltet werden können.
– Bohren, z. B. mechanisch mit einem Bohrer, oder mit einem Laser, einem Wasserstrahl oder einer Erodieranlage, was insbesondere vorteilhaft ist bei Materialien wie Silizium, Edelstahl, Aluminium, Quarz, Graphit bzw. Glas oder weiteren metallischen und keramischen Werkstoffen.
– Schneiden, z. B. Laser-, Wasserstrahl- oder Erodierschneiden.
– Kombinationen aus verschiedenen Verfahrensarten, wie z. B. Ätzen und anschließendes Verbinden von Silizium- oder Edelstahlscheiben, wie z. B. das Wafer Bonding.
– Sintertechniken, insbesondere unter Verwendung von Lasern, 3D-Manufacturing bzw. 3D-Prototyping-Techniken.
– Konventionelle mechanische Bearbeitung, z. B. Schleifen, Polieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 bis 20 – Ausführungsarten von Materialabgabeköpfen in stark schematisierter Darstellung und
21 – die Beschichtung eines Hohlkörpers mittels eines Materialabgabekopfs und
22 – eine Materialabgabeeinrichtung.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
Die 1 zeigt einen Materialabgabekopf 1 in seitlicher Schnittansicht sowie ein zu beschichtendes Substrat 2. Ein Materialstrom 3 wird von einer Seite des Materialabgabekopfs 1, nämlich von einer Materialabgabeoberfläche 4 aus, gerichtet auf das Substrat 2 abgegeben. Die Materialabgabeoberfläche 4 weist eine Vielzahl von Materialaustrittsöffnungen 5 auf, aus denen das Material 3 in Form einzelner Materialströme austritt. Die Materialaustrittsöffnungen 5 sind über in einem Kopfbereich 10 des Materialabgabekopfs 1 gebildete Verbindungskanäle 6 mit einer rückwärtigen Seite 7 des Kopfbereichs 10 verbunden, die auch als Materialeingangsoberfläche 7 bezeichnet wird. Auf dieser Materialeingangsoberfläche 7 stehen die Verbindungskanäle 6 in Verbindung mit z. B. einem Materialvorratsbehälter 8 für abzugebendes Material 9. Der Materialvorratsbehälter 8 kann in dem Materialabgabekopf 1 oder außerhalb des Materialabgabekopfs angeordnet sein.
Wie in der 1 zu erkennen ist, sind die Verbindungskanäle im Vergleich zu ihrem Durchmesser relativ lang. Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche Ausführungsformen begrenzt, sondern kann z. B., wie in der 2 dargestellt ist, auch mit Verbindungskanälen realisiert werden, die relativ kurz sind, insbesondere kürzer als der Durchmesser der Verbindungskanäle.
Anhand der 3 bis 6 ist dargestellt, dass mit dem erfindungsgemäßen Materialabgabekopf unterschiedliche Strahlkeulen 33 des abgegebenen Materialstroms 3 erreicht werden können. Die in den 3 bis 6 jeweils dargestellte Strahlkeule 33 gibt die Verteilung des abgegebenen Materials im Raum an. So ist z. B. die Strahlkeule 33 gemäß 3 besonders geeignet für eine kontrolliert gerichtete Beschichtung glatter im Wesentlichen ebener Substrate mit einem Gas- oder Molekularstrom. Die 4 zeigt eine Ausführungsform für eine kontrolliert gerichtete Beschichtung zwei- oder dreidimensionaler Substrate mit im unteren Bereich verbreiteter Strahlkeule 33. Die 5 zeigt eine Strahlkeule 33, die wesentlich verbreitert ist, für eine kontrollierte gerichtete Beschichtung zwei- und dreidimensionaler Substrate. Durch Variation des Materialabgabekopfs kann die Strahlkeule auch und insbesondere für die Innenbeschichtung rotationssymmetrischer Körper – z.B. Kugeln – angepasst werden, wie es insbesondere durch die 6 verdeutlicht wird.
Die 7 und 8 zeigen mögliche Formgebungen des Materialabgabekopfs 1 in einer Draufsicht auf die Materialabgabeoberfläche 4. Wie erkennbar ist, können die Materialaustrittsöffnungen 5 regelmäßig z. B. nach einem Matrixschema verteilt angeordnet sein. Der Materialabgabekopf 1 kann rund oder eckig sein, insbesondere quadratisch, wie in den 7 und 8 erkennbar ist.
Die 9 zeigt eine Ausführungsform eines Materialabgabekopfs 1 in seitlicher Schnittansicht, bei dem auf der Materialabgabeoberfläche eine Nano- bzw. Mikrostrukturierung 11 vorgesehen ist, z. B. in Form von Nanorods, die z. B. aus einem Halbleitermaterial wie Silizium hergestellt sein können. Hierdurch kann, wie durch die in verschiedene Richtungen weisenden Pfeile des abgegebenen Materialstroms 3 dargestellt ist, eine homogenere Verteilung des abgegebenen Materials erreicht werden. Insbesondere können im Falle eines Materialabgabekopfs aus Silizium die Nano- und/oder Mikrostrukturen monolithisch, d. h. aus dem Material des Materialabgabekopfs, herausgebildet werden. Dies hat fertigungstechnische Vorteile bei der Herstellung des Materialabgabekopfs.
Die 10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Materialabgabekopfs in seitlicher Schnittansicht, der wiederum eine materialabgabeoberflächenseitige Nanostrukturierung 11 aufweist. Im Bereich der gegenüberliegenden Seite der Verbindungskanäle 6 sind zwei Vorverteilungskammern 12, 13 vorhanden, in die jeweiliges abzuscheidendes Material jeweils getrennt über Materialeinlassöffnungen 14, 15 zugeführt wird. Die eine Vorverteilungskammer 12 ist mit einer bestimmten Teilmenge der Verbindungskanäle 6 verbunden, die andere Vorverteilungskammer 13 mit einer zweiten Teilmenge der Verbindungskanäle 6. Dies hat den Vorteil, dass z. B. zwei verschiedene Materialien praktisch gleichzeitig über den Materialabgabekopf auf dem Substrat 2 abgeschieden werden können, aber eine vorherige Vermischung vor der Abgabe vermieden werden kann. Es können auch mehr als zwei Vorverteilungskammern vorgesehen werden.
Die 11 zeigt einen Materialabgabekopf 1, der wiederum auf der Materialabgabeoberfläche 4 bzw. der Frontseite eine Nano- bzw. Mikrostrukturierung aufweist. Wie erkennbar ist, weist die Nano- bzw. Mikrostrukturierung über die Oberfläche eine gewisse Höhenvariation auf. Z. B. ist die Höhe der Nano- und/oder Mikrostrukturierung im Zentrum der Materialabgabeoberfläche 4 größer als in den Randbereichen.
Ein weiteres Merkmal des Materialabgabekopfs gemäß 11, das auch unabhängig von der dargestellten Nano- bzw. Mikrostrukturierung realisiert werden kann, besteht in zusätzlichen seitlichen Materialaustrittsöffnungen 50, die über bogenförmige Verbindungskanäle 60 mit dem abzugebenden Material versorgt werden. Durch die seitlichen Materialaustrittsöffnungen 50 können insbesondere sphärisch geformte Substrate gut von innen beschichtet werden, wie z. B. Hohlkörper. Die runde Verlaufsform der Verbindungskanäle 60 kann z. B. durch laterales Ätzen von vorstrukturierten Kanälen in einem Silizium-Wafer und ein anschließendes Aneinanderbonden verschiedener so hergestellter Wafer erzeugt werden, so dass der Materialabgabekopf letztendlich in einer Art Schichtverfahren aufgebaut wird.
Die 12 zeigt eine Ausführungsform eines Materialabgabekopfs 1 für eine kontrolliert gerichtete Beschichtung dreidimensionaler Substrate, bei dem eine Nano- bzw. Mikrostrukturierung 11 vorgesehen ist, die in Verlängerung der Verbindungskanäle mit variierendem Querschnitt ausgebildet ist, z. B. einem konischen Querschnitt.
Die 13 zeigt einen Materialabgabekopf mit Verbindungskanälen 6, die über ihre Längserstreckung veränderliche Querschnitte aufweisen. Die Querschnitte der Verbindungskanäle können z. B. von der Materialeingangsoberfläche 7 zur Materialabgabeoberfläche 4 hin größer werden (linker Bereich des Materialabgabekopfs 1) oder geringer werden (rechter Bereich des Materialabgabekopfs 1).
Die 14 zeigt einen Materialabgabekopf 1 mit im Wesentlichen gleichem Aufbau wie gemäß 13 bereits dargestellt, jedoch mit einer zusätzlichen passivierenden Beschichtung 16 der Oberflächen des Kopfbereichs 10. Die passivierende Beschichtung ist nicht auf die in 13 beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern lässt sich in sämtlichen möglichen Formen des Materialabgabekopfs integrieren. Die passivierende Beschichtung 16 hilft, eine Schädigung des Materialabgabekopfs bei hohen Temperaturen zu vermeiden. Zudem kann eine übermäßige Materialablagerung am Kopfbereich 10 vermieden werden.
Die 15 zeigt in einer Draufsicht einen Materialabgabekopf 1, der unsymmetrisch pyramidenförmig ausgebildet ist und hierdurch mehrere in verschiedenen Richtungen ausgerichtete Materialabgabeoberflächen 4 aufweist. Es sind auf den verschiedenen Materialabgabeoberflächen 4 Materialaustrittsöffnungen 5 vorhanden, die auf Grund der entstehenden unterschiedlichen Austrittswinkel zur Abgabe von Materialströmen 3 in unterschiedlichen Richtungen ausgebildet sind. Bei der Ausführungsform des Materialabgabekopfs 1 gemäß 15 und bei anderen unsymmetrischen Ausführungsformen des Materialabgabekopfs 1 ist es vorteilhaft, ein bewegtes Substrat 2, insbesondere ein rotierendes Substrat 2, vorzusehen, um eine homogene Beschichtung zu erreichen.
Die 16 zeigt eine Ausführungsform eines Materialabgabekopfs 1, bei dem die Materialabgabeoberfläche nicht eben ist, sondern z. B. symmetrisch konvex ausgebildet ist. Entsprechend sind in dem Kopfbereich 10 Verbindungskanäle 6 mit entsprechender Krümmung bzw. Bogenform vorgesehen. Wie erkennbar ist, kann hierdurch ebenfalls eine Abgabe von Material in unterschiedlichen Austrittswinkeln realisiert werden. Die abgerundete Verlaufsform der Verbindungskanäle 6 kann z. B. durch laterales Ätzen von vorstrukturierten Kanälen in einem Silizium-Wafer und ein Aneinanderbonden von derart vorbereiteten Wafern erfolgen, so dass der Materialabgabekopf letztendlich in einer Art Schichtverfahren aufgebaut wird.
Die 17 zeigt einen asymmetrisch ausgebildeten Materialabgabekopf 1 mit Materialaustrittsöffnungen 5, 62, 63, die eine Materialabgabe in unterschiedlichen Austrittswinkeln erlauben. Der Materialabgabekopf 1 gemäß 17 ist für eine kontrolliert gerichtete Beschichtung dreidimensionaler Substrate mit einem Gas- oder Molekularstrom eingerichtet und eignet sich auf Grund seiner Ausgestaltung insbesondere für Beschichtungsverfahren mit rotierendem Substrat 2. Erkennbar ist, dass einige Verbindungskanäle 6 im Verlauf abgewinkelt sind. Dies kann z. B. hergestellt werden durch Tiefenätzen der jeweiligen Oberfläche, oder durch Zusammensetzen verschiedener Einzelelemente 17, 18, 19, 20, 21 des Materialabgabekopfs 1, wie durch die gestrichelten Linien dargestellt ist. Die Einzelelemente 17, 18, 19, 20, 21 werden durch Ätzen vorher vorbereitet. Es kann auch ein Tiefenätzen mit konischem Querschnitt angewandt werden, z. B. um eine Aufweitung eines Eingangskanals 61 in zwei Ausgangskanäle 62, 63 zu realisieren. Es können auch gerade verlaufende Verbindungskanäle mit schräger Austrittsfläche an der Materialabgabeoberfläche 4 realisiert werden, z. B. mittels Durchätzen eines Materials und Anschrägen der Rückseite.
In den Materialabgabekopf kann auch eine Materialverteilung von einem Verbindungskanal mit größerem Querschnitt auf mehrere weiterführende Kanäle mit kleinerem Querschnitt realisiert werden, was für sämtliche Ausführungsformen des Materialabgabekopfs gilt.
Die 18 zeigt einen Materialabgabekopf 1, bei dem in einer Materialvorratskammer 8 des Materialabgabekopfs 1 verschiedene abzugebende Materialien 23, 24, 25 vorgehalten werden, insbesondere in festem Aggregatzustand, gegebenenfalls in Pulverform oder gepresster Form. Die Materialien 23, 24, 25 werden über einen Stempel oder Kolben 26 in der Materialvorratskammer 8 gehalten. Der Stempel oder Kolben 26 kann über einen Stößel oder eine Schubstange 27 mit Kraft beaufschlagt werden und auf diese Weise die Materialien 23, 24, 25 in Richtung zur Materialeingangsoberfläche 7 und damit zu den Verbindungskanälen 6 drücken. Bei entsprechender Beheizung des Materialabgabekopfs 1 kann das Material dann verdampft werden und in Dampf- bzw. Gasform über die Verbindungskanäle 6 an den Materialaustrittsöffnungen 5 ausgegeben werden.
Der Materialabgabekopf 1 weist zusätzlich einen Ankopplungsabschnitt 28 auf, der eine seitliche Stabilisierung zur Montage umfasst und zudem eine Möglichkeit zur thermischen Ankopplung für eine Temperaturverteilung in dem Materialabgabekopf erlaubt. Der Ankopplungsabschnitt 28 kann auch monolithisch als Teil des Materialabgabekopfs 1 hergestellt werden, z.B. indem der Ankopplungsabschnitt 28 bei Herstellung des Materialabgabekopfs 1 aus Silizium mit in das Silizium geätzt wird.
Wie erkennbar ist, weist der Materialabgabekopf gemäß 18 wiederum eine Nano- und/oder Mikrostrukturierung 11 im Bereich der Materialabgabeoberfläche 4 auf. Die 19 zeigt eine Ausführungsform des Materialabgabekopfs mit zusätzlicher Nano- und/oder Mikrostrukturierung 34 an der Materialeingangsoberfläche 7. Die 20 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform des Materialabgabekopfs 1 gemäß 19, bei dem im Kopfbereich 10 zusätzlich eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung 29 vorgesehen ist, z. B. in Form von Durchführungen für Heizdrähte und/oder für ein Kühlmedium zur aktiven Heizung und/oder Kühlung des Materialabgabekopfs 1.
Die 21 zeigt ein in Form eines Hohlkörpers ausgebildetes Substrat 30, in den ein Materialabgabekopf 1 eingeführt ist, der hinsichtlich der Materialaustrittsöffnungen 5 und der Verbindungskanäle 6 entsprechend 16 ausgeführt ist und der zusätzlich die integrierte Materialvorratskammer 8 mit darin befindlichen Materialen 23, 24, 25 und dem Stempel oder Kolben 26 sowie dem Stößel bzw. der Schubstange 27 aufweist. Wie erkennbar ist, ergibt sich durch die Formgebung des Materialabgabekopfs 1 eine günstige Verteilung der abzugebenden Materialien in dem Hohlkörper 30.
Die 22 zeigt eine vollständige Materialabgabeeinrichtung 40 in schematischer Darstellung. Die Materialabgabeeinrichtung 40 ist als Mehrmaterialienabgabeeinrichtung ausgebildet, die mehrere Materialien 23, 24, 25 nacheinander kontrolliert auf das Substrat, d. h. in diesem Fall in den Innenraum des Hohlkörpers 30, abgeben kann und damit eine kontrollierte Innenbeschichtung des Hohlkörpers 30 mit mehreren Materialschichten ausführen kann. Die Materialabgabeeinrichtung 40 weist einen mit dem Stößel bzw. der Schubstange 27 verbundenen Antrieb 31 auf, mit dem der Stempel oder Kolben 26 ausgefahren werden kann. Die Antriebseinrichtung 31 wird von einer Steuereinrichtung 32 gesteuert, derart, dass eine kontrollierte Materialabgabe zur Erzeugung einer definierten Beschichtung auf dem Substrat 30 erfolgt. Die Steuereinrichtung 32 führt hierbei eine Temperaturmessung des Materialabgabekopfs 1 durch und regelt die Temperatur durch Steuerung der Heizeinrichtung derart, dass immer die gewünschte Solltemperatur eingehalten wird. Es ist außerdem darauf hinzuweisen, dass die in den verschiedenen Ausgestaltungen, Weiterbildungen oder beispielhaft genannten Ausführungsformen beschriebenen Merkmale der Erfindung beliebig miteinander kombinierbar sind, insbesondere sind einzelne oder mehrere Merkmale davon beliebig kombinierbar. In jedem Fall ergibt sich ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Materialabgabekopf, eine verbesserte Materialabgabeeinrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Materialabgabe.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 602005002033 T2 [0002]
WO 2009/074322 A1 [0003]

Claims

Materialabgabekopf (1) einer Materialabgabeeinrichtung (40), die zur Beschichtung eines Substrats (2, 30) mit wenigstens einem über den Materialabgabekopf (1) abzugebenden Material (9, 23, 24, 25) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabgabekopf (1) folgende Merkmale aufweist: a) wenigstens eine zum beschichtenden Substrat (2, 30) auszurichtende Materialabgabeoberfläche (4), die eine Vielzahl von Materialaustrittsöffnungen (5, 50) aufweist, b) Verbindungskanäle (6, 60), die zur direkten oder indirekten Verbindung der Materialaustrittsöffnungen (5, 50) mit einem oder mehreren Materialvorratsbehältern (8) der Materialabgabeeinrichtung (1) eingerichtet sind.
Materialabgabekopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabgabekopf (1) zur räumlich gerichteten Abgabe von Material (9, 23, 24, 25) über die Materialaustrittsöffnungen (5, 50) ausgebildet ist.
Materialabgabekopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabgabekopf (1) eine integrierte Heiz- und/oder Kühleinrichtung (29) aufweist, die zum Erwärmen und/oder Kühlen des im Materialabgabekopf (1) befindlichen abzugebenden Materials (9, 23, 24, 25) eingerichtet ist.
Materialabgabekopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialaustrittsöffnungen (5, 50) eine siebartige und/oder duschkopfartige Struktur bilden.
Materialabgabekopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Nano- und/oder Mikrostrukturen (11, 34) an und/oder in dem Materialabgabekopf (1) angeordnet sind.
Materialabgabekopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabgabekopf (1) eine Aktoreinrichtung aufweist, die zur Erzeugung von mechanischen Schwingungen des Materialabgabekopfs (1) oder wenigstens eines Teils davon eingerichtet ist.
Materialabgabekopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabgabekopf (1) einen oder mehrere Materialvorratsbehälter (8) für abzugebendes Material (9, 23, 24, 25) aufweist.
Materialabgabekopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabgabekopf (1) an wenigstens einer von der Materialabgabeoberfläche (4) abgewandten Innenseite, an der abzugebendes Material (9, 23, 24, 25) zugeführt wird, eine ebene plane Oberfläche aufweist.
Materialabgabeeinrichtung (40), die zur Beschichtung eines Substrats (2, 30) mit wenigstens einem über wenigstens einen Materialabgabekopf (1) abzugebenden Material (9, 23, 24, 25) eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabgabeeinrichtung (40) wenigstens einen Materialabgabekopf (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Materialabgabeeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialabgabeeinrichtung (40) als Mehrmaterialienabgabeeinrichtung ausgebildet ist, die zur Beschichtung eines Substrats (2, 30) mit mehreren Materialschichten aus wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien (9, 23, 24, 25) eingerichtet ist, wobei die Mehrmaterialienabgabeeinrichtung einen oder mehrere Materialvorratsbehälter (8) zur Aufnahme von Vorratsmengen der wenigstens zwei unterschiedlichen Materialien (9, 23, 24, 25) aufweist.
Verfahren zur Beschichtung eines Substrats (2, 30) mit wenigstens einem Material, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Material (9, 23, 24, 25) von einem Materialabgabekopf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auf das Substrat (2, 30) abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabgabekopf (1) oder wenigstens ein Teil davon bei der Materialabgabe mittels einer Aktoreinrichtung in Schwingung versetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des abgegebenen Materials (9, 23, 24, 25) bei der Materialabgabe aus dem Materialabgabekopf (1) auf einen Sollwert geregelt wird, der materialabhängig festgelegt ist.