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Die Erfindung betrifft eine Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung zur Transferbedampfung von Substraten.
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Im Gegensatz zur maskierten Substratbedampfung (direktes Bedampfungsverfahren), bei dem die Beschichtung eines Substrats dadurch erfolgt, dass das Substrat von einer Maske mit Öffnungen teilweise abgedeckt ist, so dass sich Beschichtungsmaterialteilchen nur im Bereich der Öffnungen der Maske, d.h. in nicht abgedeckten Bereichen des Substrats, niederschlagen können, handelt es sich bei der Transferbedampfung um ein indirektes Bedampfungsverfahren, bei dem eine Materialstruktur, die auf einer geschlossenen membranartigen Matrize angeordnet ist, von dieser Matrize verdampft und auf einem in unmittelbarer Nähe zur Matrize parallel dazu angeordneten Substrat wieder abgeschieden wird, d.h. die ursprünglich auf der Matrize angebrachte Struktur wird seitenverkehrt auf das Substrat transferiert, weil sich die verdampften Materialteilchen aufgrund des geringen Abstands zwischen der Matrizenmembran und der Substratoberfläche in annähernd gleicher Konfiguration niederschlagen.
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Die hierfür verwendeten Matrizen sind in der Regel sehr dünn (< 150 µm), weswegen sie sich leicht durchbiegen oder verwerfen, wenn sie nur aufgelegt werden. Um diesem Effekt bestmöglich entgegen zu wirken müssen die Matrizen leicht gespannt werden.
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Als nächster Arbeitsschritt werden die gespannte Matrize und das zu bedampfende Substrat übereinander gebracht, der Abstand zwischen Substrat und Matrize eingestellt und abschließend die Matrize und das Substrat relativ zueinander ausgerichtet.
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Die vorgeschlagene Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung umfasst einen Matrizenträger und einen Substratträger, und ermöglicht eine schnelle und einfache relative Ausrichtung von Matrize und Substrat zueinander.
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Die Lösung kann in zwei Varianten umgesetzt werden, nämlich einer durchsatzoptimierten Variante und einer präzisionsoptimierten Variante, wie unten noch näher erläutert wird.
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Die vorgeschlagene Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung zur maskierten Substratbedampfung umfasst einen Substratträger mit einer Substrataufnahme und mit Substratbefestigungsmitteln zur Aufnahme und Befestigung eines ebenen Substrats und einen mit dem Substratträger verbindbaren Matrizenträger mit einer Matrizenaufnahme und Matrizenbefestigungsmitteln zur Aufnahme, Befestigung und zum Spannen einer ebenen Matrize, wobei der Substratträger und der Matrizenträger zusammenwirkende Kontaktmittel aufweisen, welche bei verbundenem Substratträger und Matrizenträger so zusammenwirken, dass die Matrize einen wählbaren senkrechten Abstand (z) zum Substrat aufweist.
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Im gefügten Zustand von Substratträger und Matrizenträger sind die Substratebene und die Matrizenebene parallel zueinander ausgerichtet. Für die nachfolgende Beschreibung wird ein kartesisches Koordinatensystem festgelegt, bei dem die x-Achse und die y-Achse jeweils die Substratebene und die Matrizenebene aufspannen. Daraus ergibt sich, dass der Abstand zwischen Substrat und Matrize in Richtung der z-Achse gemessen wird, und dass eine Verdrehung von Substrat oder Matrize in der Substratebene bzw. in der Matrizenebene einer Drehung um die z-Achse entspricht. Dieser Freiheitsgrad wird nachfolgend mit θ bezeichnet.
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Ein Grundgedanke der Erfindung besteht demnach darin, eine Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung anzugeben, die eine Komponente zur Substrathalterung und eine Komponente zur Matrizenhalterung aufweist, wobei die Matrizenhalterung gleichzeitig die Möglichkeit des Matrizenspannens aufweist. Diese beiden Komponenten sind miteinander verbindbar und es sind Vorkehrungen getroffen um die relative räumliche Ausrichtung von Substrat und Matrize, d.h. eine wählbare relative Position (x, y, θ) der Matrize zum Substrat oder umgekehrt, verändern und fixieren zu können.
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Ein wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung besteht darin, dass das Substrat vor Beginn der Bedampfung, die im Innern einer Vakuumkammer stattfindet, bereits außerhalb der Vakuumkammer so auf dem Substratträger ausgerichtet und angebracht werden kann, dass seine Position später auch innerhalb der Vakuumkammer relativ zu der dort verwendeten Matrize exakt festgelegt ist.
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Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Kontaktmittel am Substratträger oder am Matrizenträger angeordnete, senkrecht zur Substratebene bzw. Matrizenebene ausgerichtete Stifte mit einer Zentrierspitze sowie am Matrizenträger oder am Substratträger angeordnete Ausnehmungen umfassen, in welche die Stifte bei verbundenem Substratträger und Matrizenträger eingreifen.
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Auf diese Weise wird der relative Abstand von Substratträger und Matrizenträger zueinander auf einfache, exakt reproduzierbare Weise definiert. Unter einer Zentrierspitze soll dabei nicht nur eine kegelförmige Spitze verstanden werden, sondern auch jede andere zur Selbstzentrierung geeignete Gestaltung des Endbereichs des Stifts, wie beispielsweise Kegelstumpf, Pyramide oder Pyramidenstumpf, Kugelfläche usw., wobei die Ausnehmungen jeweils so gestaltet sind, dass sie der Form der Zentrierspitze entsprechen.
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Die Kontaktmittel können ferner zur Einstellung des Abstands (z) zwischen Substrat und Matrize senkrecht zur Substratebene oder senkrecht zur Matrizenebene verstellbar sein. Sind die Kontaktmittel wie oben beschrieben als Paarung von Stiften und Ausnehmungen ausgeführt, so können die Stifte in Richtung ihrer Längsachse verschiebbar und arretierbar gelagert sein, oder die Stifte sind in Gewindebohrungen des Substratträgers oder des Matrizenträgers angeordnet und ihre freie Länge auf diese Weise durch Verdrehen änderbar.
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Zum Spannen der Matrize im Matrizenträger kann vorgesehen sein, dass der Matrizenträger einen rechteckigen, ebenen Matrizenträgerrahmen sowie in jeder Ecke des Matrizenträgerrahmens ein als Stift ausgebildetes Matrizenbefestigungsmittel aufweist, wobei die Stifte senkrecht zur Ebene des Matrizenträgerrahmens ausgerichtet und mindestens drei Stifte im Matrizenträgerrahmen in diagonaler Richtung des Matrizenträgerrahmens federnd beweglich gelagert sind.
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Die Stifte dienen der Aufnahme, Befestigung und dem Spannen der Matrize. Sie greifen in dazu vorgesehene Löcher der Matrize ein, wodurch die Matrize am Matrizenträger gehalten wird. Zusätzlich sind mindestens drei der Stifte federnd beweglich so gelagert, dass sie diagonal nach außen streben. Dadurch wird die Matrize gespannt, wobei der nicht beweglich gelagerte Stift als unveränderlicher Referenzpunkt dient. Selbstverständlich kann jedoch auch der vierte Stift in gleicher Weise federnd beweglich gelagert sein.
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Die federnd beweglichen Stifte können über eine Anschrägung oder Koni verfügen, was es unter Zuhilfenahme eines Spezialwerkzeuges in Form eines Aufsteckrahmens ermöglicht, alle federnd gelagerte Stifte gleichzeitig diagonal zu bewegen. Dieses Werkzeug vereinfacht das Handling des Einlegens und das Spannen der Matrize deutlich.
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Der Matrizenträgerrahmen liegt zunächst mit den diagonal nach außen gespannten Stiften vor. Das Spezialwerkzeug (Aufsteckrahmen) wird auf den Matrizenträgerrahmen aufgesteckt und die konischen Kontaktflächen an den Stiften und dem Aufsteckrahmen sorgen dafür, dass die Stifte entgegen der Federkraft diagonal zur Mitte gedrückt werden. Nachfolgend wird die Matrize mit den in den Ecken befindlichen Bohrungen auf den Matrizenträgerrahmen aufgelegt und die Stifte tauchen durch die Matrizenbohrungen hindurch. Entfernt man jetzt den Aufsteckrahmen wieder vom Matrizenträgerrahmen, werden die beweglichen Stifte durch die Federkraft diagonal nach außen gedrückt und die Matrize gespannt. Durch dieses Werkzeug werden das Auflegen und das Spannen der Matrize deutlich vereinfacht, da man nicht jeden Stift einzeln spannen bzw. entspannen muss.
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In einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung umfasst der Substratträger einen den Substratträgerrahmen umgebenden Substratpositionierrahmen, wobei der Substratträgerrahmen im Substratpositionierrahmen federnd beweglich gelagert ist und der Substratträgerrahmen durch Einstellmittel in einer wählbaren Position (x, y, θ) relativ zum Substratpositionierrahmen festlegbar ist. Dabei stellt der Substratträgerrahmen die Substrataufnahme bereit und ist im Substratpositionierrahmen in einer wählbaren Position fixierbar. Die Kontaktmittel sind bei dieser Ausgestaltung zweckmäßig am Substratpositionierrahmen (und nicht am Substratträgerahmen) angeordnet, so dass der Substratpositionierrahmen relativ zum Matrizenträger definiert angeordnet werden kann und anschließend durch Verstellung des Substratträgerrahmens im Substratpositionierrahmen die Position des Substrats zum Matrizenträger und damit zur Matrize eingestellt werden kann.
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Bei dieser Ausgestaltung handelt es sich um eine durchsatzoptimierte Variante der vorgeschlagenen Substratund Matrizenhalteeinrichtung, wie nachfolgend näher erläutert wird.
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Beispielsweise kann zunächst vor Beginn der Bedampfung, d.h. außerhalb der Vakuumkammer, das Substrat im Substratträger relativ zu der Referenzmaske in einem Referenzmaskenträger ausgerichtet werden, wobei die Kontaktmittel für eine definierte Verbindung von Substratträger und Referenzmaskenträger sorgen. Anschließend wird der Substratträger vom Referenzmaskenträger entfernt, der Substratträger in die Vakuumkammer eingeschleust, mit einem darin vorgehaltenen Matrizenträger, der die für die Bedampfung des Substrats zu verwendende Matrize trägt, in identischer Weise wie vorher mit dem Referenzmaskenträger verbunden und die Bedampfung beginnt.
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Alle zu bedampfenden Substrate werden zunächst außerhalb der Vakuumkammer an der fixierten und gespannten Referenzmaske ausgerichtet, die mit der Bedampfungsmaske in der Anlage identisch ist.
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Dafür wird der Substratträger auf den Referenzmaskenträger gelegt. Um den Abstand zwischen Substratträger und Referenzmaskenträger genau zu definieren, ist eine selbstzentrierende Dreipunktaufnahme in beiden Teilen vorgesehen. Diese Dreipunktaufnahme (umfassend drei selbstzentrierende Kontaktmittel) lässt sich in der Höhe nivellieren und ist im Substratträger angebracht, die zentrierenden Gegenflächen enthält der Referenzmaskenträger. So können unterschiedliche Matrizendicken genutzt oder der Kontakt zwischen Substrat und Matrize eingestellt werden.
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Der Substratträger enthält zum Ausrichten des Substrates an der Matrize einen Substratträgerrahmen, in den das Substrat gelegt und über Federkraft geklemmt ist. Über Feingewindeschrauben im den Substratträgerrahmen umgebenden Substratpositionierrahmen und gegenüberliegende Federn kann die Position des Substratträgerrahmens – und damit des Substrats – innerhalb des Substratpositionierrahmens sowohl in positiver als auch in negativer Richtung verändert werden und folglich das Substrat in x-, y- und θ-Richtung an der Matrize ausgerichtet werden. Nachdem das Substrat im Substratträger auf diese Weise ausgerichtet ist, kann selbiger der Beschichtungsanlage zugeführt werden und durch die selbstzentrierenden Aufnahmemittel im Substratpositionierrahmen findet der Substratträger seine Position auf dem Matrizenträger in der Vakuumkammer der Beschichtungsanlage.
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Bei dieser Variante können viele Substrate nacheinander an einer Referenzmaske ausgerichtet werden, ohne dass die Bedampfungsmaske aus der Anlage ausgeschleust werden muss. Somit ist, vorausgesetzt die Referenzmaske ist mit der Bedampfungsmaske deckungsgleich, eine produktivere Ausnutzung der Anlage möglich, da kein Ausschleusen der Bedampfungsmaske erforderlich ist.
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In einer anderen Ausgestaltung der vorgeschlagenen Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung umfasst der Matrizenträger einen den Matrizenträgerrahmen umgebenden Matrizenpositionierrahmen, wobei der Matrizenträgerrahmen im Matrizenpositionierrahmen federnd beweglich gelagert ist und der Matrizenträgerrahmen durch Einstellmittel in einer wählbaren Position (x, y, θ) relativ zum Matrizenpositionierrahmen festlegbar ist. Dabei stellt der Matrizenträgerrahmen die Matrizenaufnahme und das Spannen der Matrize bereit und ist im Matrizenpositionierrahmen in einer wählbaren Position fixierbar. Die selbstzentrierenden und höhenverstellbaren Kontaktmittel sind bei dieser Ausgestaltung zweckmäßig am Matrizenpositionierrahmen (und nicht am Matrizenträgerahmen) angeordnet, so dass der Substratträger relativ zum Matrizenträger definiert angeordnet werden kann und anschließend durch Verstellung des Matrizenträgerrahmens im Matrizenpositionierrahmen die Position der Matrize zum Substratträger und damit zum Substrat eingestellt werden kann.
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Bei dieser Ausgestaltung handelt es sich um eine präzisionsoptimierte Variante der vorgeschlagenen Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung, wie nachfolgend näher erläutert wird.
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Beispielsweise kann vor Beginn der Bedampfung, d.h. außerhalb der Vakuumkammer, die Matrize im Matrizenträger relativ zum Substrat in einem Substratträger ausgerichtet werden, wobei die Kontaktmittel für eine definierte Verbindung von Substratträger und Matrizenträger sorgen. Anschließend werden der Substratträger und der Matrizenträger im gefügten Zustand in die Vakuumkammer eingeschleust und die Bedampfung beginnt.
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Die Bedampfungsmaske wird an jedem Substrat ausgerichtet, d.h. es gibt keine Referenzmaske. Das Substrat wird in einem Substratträgerrahmen federnd eingeklemmt. Dieser Rahmen enthält wieder die selbstzentrierenden Aufnahmen, wie bereits beschrieben. Das Spannen der Matrize erfolgt wie in der durchsatzoptimierten Variante über federnde Stifte und gegebenenfalls ein Spezialwerkzeug, wie oben beschrieben.
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Anschließend wird auch hier der Substratträger über selbstzentrierende Aufnahmen auf den Matrizenträger gelegt. Der Unterschied zur durchsatzoptimierten Variante ist, dass der Substratträger nicht in seiner Lage verändert wird, sondern der Matrizenträgerrahmen innerhalb des Matrizenpositionierrahmens. Dazu ist der Matrizenträgerrahmen innerhalb des Matrizenpositionierrahmens über Feingewindeschrauben und Federrückstellung in seiner Lage sowohl in positiver Richtung als auch negativer Richtung einstellbar.
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Der Abstand zwischen Matrize und Substrat kann bei dieser, wie auch bei der vorherigen Variante, über die Höhenverstellung der selbstzentrierenden Aufnahmen, d.h. der Kontaktmittel, eingestellt werden, wobei sich die höhenverstellbaren Kontaktmittel im Matrizenpositionierrahmen befinden.
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Bei dieser Variante wird jede Bedampfungsmaske mit dem zu bedampfenden Substrat ausgerichtet. Das spricht bei dieser Variante jedoch gegen eine hohe Produktivität, da ein wiederholendes Ausrichten der Matrizen für jedes Substrat erforderlich ist. Dennoch kann bei der Umsetzung dieser Variante ein direktes Einwirken auf die Ausrichtung Substrat/Matrize und damit direkt die Qualität der Ausrichtung beeinflusst werden.
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Die präzisionsoptimierte Variante eignet sich für Bedampfungen, in denen die sehr gute Ausrichtung der Produktivität Priorität vor der Produktivität hat.
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Es versteht sich, dass die vorgeschlagene Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung gleichzeitig beide der oben beschrieben Ausgestaltungen, d.h. einen Substratträger, der einen Substratpositionierrahmen und einen darin verstellbaren Substratträgerrahmen aufweist, und einen Matrizenträger, der einen Matrizenpositionierrahmen und einen darin verstellbaren Matrizenträgerrahmen aufweist, umfassen kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung,
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung,
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3 ein erstes Ausführungsbeispiel für das Zusammenwirken eines Matrizenträgers mit einem Spezialwerkzeug zum Einlegen und Spannen einer Matrize in einen Matrizenträger, und
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4 ein zweites Ausführungsbeispiel für das Zusammenwirken eines Matrizenträgers mit einem Spezialwerkzeug.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung dargestellt, bei dem in der oberen Darstellung eine Draufsicht auf den Matrizenträger 2, in der unteren Darstellung eine Draufsicht auf den Substratträger 1 und in der Mitte eine aus Substratträger 1 und Matrizenträger 2 gefügte Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung gezeigt sind.
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Der Matrizenträger 2 umfasst einen Matrizenträgerrahmen 21 mit einer Matrizenaufnahmeöffnung 22 und Matrizenbefestigungsmitteln 23, von denen eines fest angeordnet ist und die anderen drei federnd diagonal beweglich gelagert sind.
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Der Substratträger 1 umfasst einen Substratträgerrahmen 11 mit einer Substrataufnahmeöffnung 12 und Substratbefestigungsmitteln 13, sowie einen den Substratträgerrahmen 11 umgebenden Substratpositionierrahmen 14, in welchem der Substratträgerrahmen 11 durch Federn 15 und Einstellmittel 16 in Form von Feingewindeschrauben in x, y und θ verstellbar und festlegbar ist.
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Der Substratträger 1 und der Matrizenträger 2 weisen korrespondierende Kontaktmittel 17, 27 auf, die für einen definierte Relativabstand der beiden Teile zueinander sorgen. Diese Kontaktmittel sind außerdem höhenverstellbar, so dass durch sie der Abstand in z-Richtung zwischen Substrat S und Matrize M einstellbar ist.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung dargestellt, bei dem in der oberen Darstellung eine Draufsicht auf den Matrizenträger 2 und in der unteren Darstellung eine aus Substratträger 1 und Matrizenträger 2 gefügte Substrat- und Matrizenhalteeinrichtung gezeigt sind.
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Der Matrizenträger 2 umfasst einen Matrizenträgerrahmen 21 mit einer Matrizenaufnahmeöffnung 22 und Matrizenbefestigungsmitteln 23, von denen eines fest angeordnet ist und die anderen drei federnd diagonal beweglich gelagert sind, sowie einen den Matrizenträgerrahmen 21 umgebenden Matrizenpositionierrahmen 24, in welchem der Matrizenträgerrahmen 21 durch Federn 25 und Einstellmittel 26 in Form von Feingewindeschrauben in x, y und θ verstellbar und festlegbar ist.
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Der Substratträger 1 und der Matrizenträger 2 weisen korrespondierende Kontaktmittel 17, 27 auf, die für eine definierte Relativpositionierung der beiden Teile zueinander sorgen. Diese Kontaktmittel sind außerdem höhenverstellbar, so dass durch sie der Abstand in z-Richtung zwischen Substrat S und Matrize M einstellbar ist.
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3 zeigt in einer Teilschnittansicht eines Matrizenträgers 2 und eines Spezialwerkzeugs 3, wobei die Schnittebene diagonal durch einen Eckbereich gelegt ist, eine beispielhafte Ausgestaltung des Zusammenwirkens eines Spezialwerkzeugs 3 zum Einlegen und Spannen einer Matrize in einen Matrizenträger 2.
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In dem gezeigten Eckbereich des Matrizenträgerrahmen 21 des Matrizenträgers 2 des Matrizenträgers 2 ist ein Aufnahmemittel 23 federnd beweglich gelagert, der vom Matrizenträgerrahmen 21 senkrecht aufragt und dadurch in eine Befestigungsöffnung einer Matrize eingreifen kann.
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Das Spezialwerkzeug 3 umfasst einen Aufsteckrahmen 31, der in diesem Eckbereich einen stiftartigen Fortsatz 32 mit angeschrägter Kontaktfläche aufweist. Wird der Aufsteckrahmen 31 auf den Matrizenträgerrahmen 21 aufgesteckt, so treten die angeschrägte Kontaktfläche des Stifts 32 und das im Eckbereich des Matrizenträgerrahmens 21 angeordnete, federnd beweglich gelagerte Aufnahmemittel 23 miteinander in Kontakt, wobei die senkrecht zur Ebene des Aufsteckrahmens 31 wirkende Kraft über die angeschrägte Kontaktfläche des Stifts 32 auf das Aufnahmemittel 23 so wirkt, dass dieses gegen die Kraft der Feder diagonal einwärts verschoben wird. Da dies an zumindest drei Ecken des Matrizenträgerrahmens 21 gleichzeitig erfolgt, kann nun auf die Aufnahmemittel 23 eine Matrize aufgesteckt werden, die zu diesem Zweck in ihren Eckbereichen dafür vorgesehene Öffnungen aufweist, durch die dann die Aufnahmemittel 23 hindurch greifen.
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Wird der Aufsteckrahmen 31 vom Matrizenträgerrahmen 21 entfernt, so bewegen sich die Aufnahmemittel 23 durch die jeweilige Kraft der Federn wieder diagonal auswärts, so dass die Matrize gleichzeitig gehalten und gespannt wird.
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4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Spezialwerkzeug 3 zum Einlegen und Spannen einer Matrize in einen Matrizenträger 2. Um das Anbringen und Spannen der Matrize im Matrizenträgerrahmen 21 des Matrizenträgers 2 zu erleichtern, können die mindestens drei bewegbaren Aufnahmemittel (federnd gelagerte Stifte) 23 des Matrizenträgers 2 über ein Spezialwerkzeug 3 in Form eines Aufsteckrahmens 31 mit einer der Anzahl federnd beweglich gelagerter Aufnahmemittel 23 entsprechenden Anzahl von Stiften 32 mit angeschrägter Kontaktfläche oder Koni gleichzeitig diagonal auf die Mitte der Matrizenaufnahme 2 zu gedrückt werden. Anschließend kann die Matrize, die in ihren Ecken vier Bohrungen aufweist, auf die Aufnahmemittel 23 aufgelegt werden. Entfernt man jetzt den Aufsteckrahmen 31, so bewegen sich die drei beweglichen Aufnahmemittel 23 des Matrizenträgers 2 durch die Kraft der Federn wieder diagonal auswärts und spannen dadurch die Matrize automatisch.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Substratträger
- 11
- Substratträgerrahmen
- 12
- Substrataufnahmeöffnung
- 13
- Substratbefestigungsmittel
- 14
- Substratpositionierrahmen
- 15
- Feder
- 16
- Einstellmittel
- 17
- Kontaktmittel
- 2
- Matrizenträger
- 21
- Matrizenträgerrahmen
- 22
- Matrizenaufnahmeöffnung
- 23
- Matrizenbefestigungsmittel
- 24
- Matrizenpositionierrahmen
- 25
- Feder
- 26
- Einstellmittel
- 27
- Kontaktmittel
- 3
- Spezialwerkzeug
- 31
- Aufsteckrahmen
- 32
- Stift mit schräger Kontaktfläche
- S
- Substrat
- M
- Matrize
