DE102016121786A1

DE102016121786A1 - Beschichtungsverfahren, Beschichtungseinrichtung und Bauteil

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Publication number: DE102016121786A1
Application number: DE102016121786.7A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Franke; Sebastian Montzka; Hans Schmidt; Wolfgang Kowalsky; Christine Nowak; Lisa Wolf; Sönke Fündling
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2018-05-17
Also published as: WO2018087326A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats (1) mit einem Beschichtungsmaterial (8), wobei das Beschichtungsmaterial (8) von einer Materialabgabeeinrichtung (7) an einer Materialabgabestelle (11) abgegeben wird, einen Transportbereich (5) von der Materialabgabestelle (11) zu einer zu beschichtenden Oberfläche (2) des Substrats (1) zurücklegt und sich an der zu beschichtenden Oberfläche (2) des Substrats (1) abscheidet, mit folgenden Schritten:Eliminieren von für den Beschichtungsprozess unerwünschten gasförmigen Medien (34) zumindest im Bereich der zu beschichtenden Oberfläche (2) des Substrats (1), der Materialabgabestelle (11) und des dazwischen liegenden Transportbereichs (5),Einbringen eines für den Beschichtungsprozess gewünschten gasförmigen Mediums (4, 33) in den Transportbereich (5) mit einem Druck im Bereich von 10mbar bis 10mbar,Abgeben des Beschichtungsmaterials (8) von der Materialabgabestelle (11), während sich das gewünschte gasförmige Medium (4, 33) im Transportbereich (5) in dem im Merkmal b) angegebenen Druckbereich befindet, wobei das Beschichtungsmaterial (8) den Transportbereich (5) zu der zu beschichtenden Oberfläche (2) des Substrats (1) zurücklegt und sich an der zu beschichtenden Oberfläche (2) des Substrats (1) abscheidet, ohne dass das gewünschte gasförmige Medium (4, 33) ein Trägergas für das Beschichtungsmaterial (8) bildet.Die Erfindung betrifft ferner eine Beschichtungseinrichtung zur Beschichtung eines Substrats mit einem Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 14 sowie ein Bauteil mit einem Substrat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit einem Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Beschichtungseinrichtung zur Beschichtung eines Substrats mit einem Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 14 sowie ein Bauteil mit einem Substrat gemäß Anspruch 15.
Verfahren und Einrichtungen zur Beschichtung eines Substrats mit einem Beschichtungsmaterial werden in vielen Bereichen der Technik benötigt, z. B. für die Herstellung von Gegenständen, die mit einer oder mehreren gleichmäßigen Materialschichten bedampft werden sollen. Die Beschichtung eines Substrats mit einem Beschichtungsmaterial ist mit besonderen Problemen verbunden, wenn das Substrat bzw. dessen zu beschichtende Oberfläche keine ebene Oberfläche ist, sondern z. B. eine sphärische Oberfläche, insbesondere die Innenseite einer sphärischen Oberfläche, wie z. B. die Innenseite eines Hohlkörpers. Aus der DE 10 2005 013 875 A1 geht diesbezüglich der Vorschlag hervor, in den Innenraum einer Hohlkugel einen Heizkörper, der aus offenporig geschäumter, elektrisch leitfähiger Keramik besteht, einzuführen. Von einer Austrittsfläche des Heizkörpers wird dann Beschichtungsmaterial abgegeben. Der Beschichtungsvorgang kann mit einem Inertgas, das als Trägergas für das Beschichtungsmaterial dient, unterstützt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit einem Beschichtungsmaterial anzugeben, das Nachteile des bekannten Verfahrens vermeidet. Ferner soll eine hierfür geeignete Beschichtungseinrichtung sowie einem Bauteil mit einem derart beschichteten Substrat angegeben werden.
Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Verfahren zur Beschichtung eines Substrats mit einem Beschichtungsmaterial, wobei das Beschichtungsmaterial von einer Materialabgabeeinrichtung an einer Materialabgabestelle abgegeben wird, einen Transportbereich von der Materialabgabestelle zu einer zu beschichtenden Oberfläche des Substrats zurücklegt und sich an der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats abscheidet, mit folgenden Schritten:

a) Eliminieren von für den Beschichtungsprozess unerwünschten gasförmigen Medien zumindest im Bereich der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats, der Materialabgabestelle und des dazwischen liegenden Transportbereichs,
b) Einbringen eines für den Beschichtungsprozess gewünschten gasförmigen Mediums in den Transportbereich mit einem Druck im Bereich von 10^-5 mbar bis 10^-1 mbar,
c) Abgeben des Beschichtungsmaterials von der Materialabgabestelle, während sich das gewünschte gasförmige Medium im Transportbereich in dem im Merkmal b) angegebenen Druckbereich befindet, wobei das Beschichtungsmaterial den Transportbereich zu der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats zurücklegt und sich an der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats abscheidet, ohne dass das gewünschte gasförmige Medium ein Trägergas für das Beschichtungsmaterial bildet.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine gleichmäßige Beschichtung der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats mit dem Beschichtungsmaterial erzielt werden kann. Die Beschichtung mit hoher Homogenität kann vergleichsweise schnell erzeugt werden, was das erfindungsgemäße Verfahren auch für den Einsatz in der industriellen Massenproduktion geeignet macht. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere auch besonders für die Herstellung von Innenbeschichtungen von Hohlkörpern, wie z. B. kugelartigen Hohlkörpern. Die Erfindung hat im Vergleich zum Stand der Technik den Vorteil, dass keine Teile der Beschichtungseinrichtung dabei in den Hohlkörper eingeführt werden müssen, um eine gleichmäßige Beschichtung zu erzielen. Durch das Vermeiden des Einführens von Teilen der Beschichtungseinrichtung in den Hohlkörper können unerwünschte Beeinflussungen der gleichmäßigen Verteilung des Beschichtungsmaterials durch Teile der Beschichtungseinrichtung vermieden werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Abgabe des Beschichtungsmaterials von herkömmlichen Materialabgabeeinrichtungen, wie z. B. einem beheizten Tiegel, erfolgen kann. Es ist damit z. B. kein geschäumter Heizkörper erforderlich, mit dem Vorteil, dass auch kein unerwünschtes Verkleben der Poren des Heizkörpers durch das Beschichtungsmaterial auftreten kann.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die beim Beschichtungsprozess eingestellte definierte Menge des gewünschten gasförmigen Mediums zugleich eine homogene und relativ schnelle Verteilung des Beschichtungsmaterials erfolgen kann, ohne dass ein Trägergas erforderlich ist. Hierdurch wird die Einsatzbreite des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber bekannten Verfahren vergrößert. Insbesondere können auch Beschichtungsmaterialien verwendet werden, für die es keine geeigneten Trägergase gibt oder geeignete Trägergase mit zusätzlichen technischen Problemen verbunden wären.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich z. B. besonders für die Herstellung von einer oder mehreren Schichten einer organischen Leuchtdiode (OLED). Insbesondere können die organischen Leuchtschichten mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens so homogen hergestellt werden, dass sich ein gleichmäßiger Lichtabgabeeffekt einer OLED erreichen lässt. Insbesondere können innen beschichtete Hohlkörper in Form von OLED's hergestellt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch eine metallische Beschichtung hergestellt werden.
Das gewünschte gasförmige Medium kann irgendein beliebiges gasförmiges Medium sein, wobei vorteilhaft ein gasförmiges Medium verwendet werden sollte, das mit dem Beschichtungsmaterial nicht oder nur wenig reagiert. Das gasförmige Medium kann z. B. ein Inertgas sein, wie z. B. ein Edelgas wie Argon, Krypton oder Xenon. Es können auch andere Gase verwendet werden, wie z. B. Propan, Butan oder Kohlendioxid. Es ist generell vorteilhaft, ein relativ schweres Gas zu verwenden. Insbesondere kann ein Gas verwendet werden, das mit dem Material von organischen Leuchtschichten einer OLED nicht oder nur wenig reagiert.
Die Erfindung eignet sich auch besonders für die gleichzeitige Aufbringung mehrerer Beschichtungsmaterialien, z. B. in einem Koverdampfungsprozess. Mittels der Erfindung kann eine sehr homogene Dotierung eines Materials in einem anderen Material beim Herstellen der Beschichtung erzielt werden.
Unter einer Homogenität der Beschichtung wird insbesondere eine homogene Schichtdicke der Beschichtung verstanden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Verfahren gekennzeichnet durch Einbringen des für den Beschichtungsprozess gewünschten gasförmigen Mediums in den Transportbereich mit einem Druck von 10^-4 mbar bis 10^-2 mbar. Hierdurch kann das Verfahren hinsichtlich der Homogenität der erzeugten Beschichtung und der Zeit für den Beschichtungsvorgang weiter optimiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Verfahren gekennzeichnet durch Einbringen des für den Beschichtungsprozess gewünschten gasförmigen Mediums in den Transportbereich mit einem Druck p, der folgende Bedingungen erfüllt: $S < p < 100 \cdot S$
mit $S = \frac{K_{B} \cdot T}{4 \cdot \sqrt[3]{V} \cdot {(d_{1} + d_{2})}^{2}}$
wobei K_B die Boltzmann-Konstante ist, T die absolute Temperatur, V das Volumen eines von der zu beschichtenden Oberfläche umgebenen Raums, d₁ der Durchmesser eines Atoms bzw. Moleküls des Beschichtungsmaterials und d₂ der Durchmesser eines Atoms bzw. Moleküls des gewünschten gasförmigen Mediums. Dies erlaubt vorteilhaft eine spezifische Festlegung eines besonders günstigen Druckbereichs des gasförmigen Mediums in Abhängigkeit von der Größe des zu beschichtenden Substrats. Es wird hierdurch insbesondere eine einfach zu handhabende Regel für die Festlegung des Gasdrucks p bei der Innenbeschichtung von Hohlkörpern in Abhängigkeit vom Volumen und den Parametern des Beschichtungsmaterials und des gewünschten gasförmigen Mediums bereit gestellt. Es wurde festgestellt, dass mit der genannten Druckeinstellung besonders gute Beschichtungserfolge gerade bei der Herstellung von Leuchtschichten von OLEDs erzielt werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Verfahren gekennzeichnet durch Einbringen des für den Beschichtungsprozess gewünschten gasförmigen Mediums in den Transportbereich mit einem Druck p, der folgende Bedingungen erfüllt: 2 S < p < 50.S.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Verfahren gekennzeichnet durch Reinigen der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats. Der Schritt des Reinigens der zu beschichtenden Oberfläche kann vor, bei oder nach dem Schritt a) des Anspruchs 1 erfolgen. Das Reinigen kann z. B. durch chemische Reinigung durch Aufbringen eines Reinigungsmittels, durch mechanische Reinigung mit einem Reinigungsgerät oder z. B. durch Anstrahlen mit einem abrasiven Medium erfolgen. Vorteilhaft steht dann ein Substrat mit einer gereinigten, zu beschichtenden Oberfläche zur Verfügung, so dass die Qualität der Beschichtung weiter verbessert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Verfahren gekennzeichnet durch Abgeben des Beschichtungsmaterials von der Materialabgabestelle im Schritt c) des Anspruchs 1 mittels Verdampfung des Beschichtungsmaterials. Die Verdampfung des Beschichtungsmaterials kann mit bekannten Verfahren und Einrichtungen erfolgen, z. B. durch Beheizen eines Tiegels, in dem das Beschichtungsmaterial vorgehalten wird, oder durch Wärmestrahlung von externen Strahlern oder andere Verdampfungsverfahren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Verfahren gekennzeichnet durch Eliminieren von für den Beschichtungsprozess unerwünschten gasförmigen Medien zumindest im Bereich der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats, der Materialabgabestelle und des dazwischen liegenden Transportbereichs durch einen oder mehrere der folgenden Verfahrensschritte:

i) Absaugen von für den Beschichtungsprozess unerwünschten gasförmigen Medien,
ii) Verdrängen von für den Beschichtungsprozess unerwünschten gasförmigen Medien durch Einleiten eines anderen gasförmigen Mediums in den Transportbereich,
iii) Vermischen von für den Beschichtungsprozess unerwünschten gasförmigen Medien mit einem anderen gasförmigen Medium und anschließendes Eliminieren von verbliebenen Resten der unerwünschten gasförmigen Medien gemäß einem oder beiden Verfahrensschritten i), ii).

Beim Absaugen von für den Beschichtungsprozess unerwünschten gasförmigen Medien kann z.B. ein Vakuum im Bereich von etwa 10^-6 oder 10^-7 mbar erzeugt werden. Gegenüber dem reinen Absaugen stehen Alternativen wie das Verdrängen unerwünschter gasförmiger Medien oder das Vermischen mit einem anderen gasförmigen Medium zur Verfügung. Insbesondere kann ein Spülen des Transportbereichs mit einem anderen gasförmigen Medium, z. B. einem Inertgas, über einen bestimmten Zeitraum durchgeführt werden. Anschließend kann der Druck im Transportraum auf den für den Beschichtungsvorgang gewünschten Prozessdruck abgesenkt werden. Es kann auch das zu beschichtende Substrat in eine Inertgasumgebung eingebracht werden, z. B. in eine Glovebox, oder aus einer solchen Inertgasumgebung in eine Beschichtungskammer transportiert werden. Hiernach kann der Druck im Transportbereich abgesenkt werden, z. B. durch Absaugen, um z. B. Restsauerstoff zu entfernen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zu beschichtende Oberfläche des Substrats eine aus Sicht der Materialabgabestelle konkav gekrümmte Oberfläche, insbesondere ein Teil der oder die gesamte innere Oberfläche eines überwiegend geschlossenen Hohlkörpers. Es kommen insbesondere Hohlkörper in Frage, die rotationssymmetrisch oder zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch sind, z. B. Hohlkörper in klassischer „Glühbirnen“-Form, Hohlkörper in Kugelform oder mit ovalem Querschnitt, ggf. mit einem zylindrischen Fortsatz, oder Hohlkörper in Röhrenform.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Verfahren gekennzeichnet durch ein zu beschichtendes Substrat, das selbst während des Beschichtungsvorgangs als Beschichtungskammer verwendet wird. In diesem Fall wird innerhalb des zu beschichtenden Substrats die entsprechende Umgebung gemäß Anspruch 1 hergestellt, d. h. das Innere des zu beschichtenden Substrats wird von unerwünschten gasförmigen Medien befreit und das gewünschte gasförmige Medium wird in den Innenraum des zu beschichtenden Substrats eingebracht. Dies hat den Vorteil, dass keine gesonderte Beschichtungskammer erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass die einzelnen Prozessschritte des Beschichtungsverfahrens schnell durchgeführt werden können, da nicht mehr Volumenraum evakuiert werden muss als erforderlich, insbesondere muss nicht ein das zu beschichtende Substrat umgebendes Volumen einer Beschichtungskammer evakuiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Transportbereich vollständig oder teilweise innerhalb eines vom Substrat bzw. der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats umgebenen Bereichs angeordnet.
Als Transportbereich wird allgemein der Bereich angesehen, in dem sich das Beschichtungsmaterial von der Materialabgabestelle zu der zu beschichtenden Oberfläche bewegt, wobei ggf. auch benachbarte umgebende Bereiche zum Transportbereich zählen können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Substrat während des Beschichtungsvorgangs mit dem Beschichtungsmaterial zumindest zeitweise mittels einer Heizeinrichtung aufgeheizt und/oder mittels einer Kühleinrichtung abgekühlt. Das Aufheizen hat insbesondere beim Beschichten mit Beschichtungsmaterialien Vorteile, die sich im wärmeren Zustand besser bzw. homogener auf der zu beschichtenden Oberfläche verteilen. Das Abkühlen kann erforderlich sein, wenn besonders temperaturempfindliche Beschichtungsmaterialien verarbeitet werden, wie z. B. bestimmte organische Materialien einer OLED.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Substrat während des Beschichtungsvorgangs um eine Rotationsachse gedreht. Das Drehen des Substrats kann permanent oder nur zeitweise erfolgen, während des gesamten Beschichtungsvorgangs oder während einer oder mehrerer einzelner Teilphasen des Beschichtungsvorgangs. Das Substrat kann insbesondere um eine Achse rotiert werden, die, wenn es sich um einen Hohlkörper handelt, durch wenigstens eine Öffnung des Hohlkörpers verläuft. Die Rotationsachse kann insbesondere einer Symmetrieachse eines rotationssymmetrischen Substrats entsprechen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung besteht das gewünschte gasförmige Medium ganz oder überwiegend aus Atomen oder Molekülen, deren Größe geringer ist als die Größe der Atome bzw. Moleküle des Beschichtungsmaterials. Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung das gewünschte gasförmige Medium ganz oder überwiegend aus Atomen oder Molekülen bestehen, deren Atomar- bzw. Molekulargewicht geringer ist als das Atomar- bzw. Molekulargewicht der Atome bzw. Moleküle des Beschichtungsmaterials. Dies erlaubt eine vorteilhafte Auswahl des gewünschten gasförmigen Mediums mit Bezug auf das jeweilige Beschichtungsmaterial. Durch die angegebene Auswahl des gewünschten gasförmigen Mediums kann die Homogenität der erzielten Beschichtung sowie die Zeit für die Durchführung des Beschichtungsvorgangs optimiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Beschichtungsmaterial ein Material einer organischen Leuchtschicht einer organischen Leuchtdiode. Das gasförmige Medium ist ein mit dem Beschichtungsmaterial im Wesentlichen nicht reaktives Medium. Auch hierdurch kann die Zeit für die Durchführung des Beschichtungsvorgangs als auch die Homogenität der Beschichtung weiter optimiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung befindet sich die Materialabgabestelle während des Beschichtungsvorgangs innerhalb eines vom Substrat bzw. der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats umgebenden Bereichs.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Druck des gewünschten gasförmigen Mediums während des Beschichtungsvorgangs in dem vorgegebenen Druckbereich gehalten. Dies gewährleistet einen über die Dauer des Beschichtungsvorgangs gleichmäßigen Transport und eine gleichmäßige Verteilung der Atome bzw. Moleküle des Beschichtungsmaterials bis hin zur zu beschichtenden Oberfläche, was wiederum in einer gleichmäßigen, homogenen Beschichtung resultiert.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gemäß Anspruch 14 gelöst durch eine Beschichtungseinrichtung zur Beschichtung eines Substrats mit einem Beschichtungsmaterial, wobei die Beschichtungseinrichtung wenigstens eine Materialabgabeeinrichtung aufweist, die wenigstens eine Materialabgabestelle zur Abgabe des Beschichtungsmaterials aufweist, wobei die Beschichtungseinrichtung eingerichtet ist zur Ausführung eines Verfahrens der zuvor beschriebenen Art.
Die Beschichtungseinrichtung kann ferner eine Beschichtungskammer aufweisen, die dazu eingerichtet ist, das zu beschichtende Substrat während des Beschichtungsprozesses aufzunehmen.
Die Beschichtungseinrichtung kann ferner eine Evakuierungseinrichtung aufweisen, die zur Evakuierung des Transportbereichs eingerichtet ist.
Die Beschichtungseinrichtung kann ferner eine Spüleinrichtung aufweisen, die zum Spülen des Transportbereichs mit einem gasförmigen Spülmedium eingerichtet ist.
Die Beschichtungseinrichtung kann ferner eine Reinigungseinrichtung aufweisen, die zum Reinigen der zu beschichtenden Oberfläche des Substrats eingerichtet ist.
Die Beschichtungseinrichtung kann ferner eine Zufuhreinrichtung zum Zuführen des gewünschten gasförmigen Mediums in den Transportbereich aufweisen. Die Zuführeinrichtung kann insbesondere zum geregelten Zuführen des gasförmigen Mediums eingerichtet sein und hierfür z. B. einen Druckregler und/oder einen Massenstromregler aufweisen.
Die Beschichtungseinrichtung kann ferner eine Heizeinrichtung und/oder eine Kühleinrichtung aufweisen, die zum Aufheizen bzw. Abkühlen des Substrats eingerichtet ist.
Die Beschichtungseinrichtung kann ferner einen Vorratsbehälter für das Beschichtungsmaterial aufweisen.
Die Beschichtungseinrichtung kann ferner einen Bewegungsmechanismus zum Bewegen des zu beschichtenden Substrats während des Beschichtungsvorgangs aufweisen, z. B. zur Herstellung einer Rotationsbewegung des Substrats.
Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gemäß Anspruch 15 gelöst durch ein Bauteil mit einem Substrat, das an einer zu beschichtenden Oberfläche gemäß einem Verfahren der zuvor beschrieben Art mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet ist. Das Substrat kann insbesondere wie oben erläutert ausgebildet sein, z.B. als Hohlkörper.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen

1 - Die Beschichtung eines Substrats gemäß einer ersten Ausführungsform und
2 - die Beschichtung eines Substrats gemäß einer zweiten Ausführungsform und
3 - die Beschichtung eines Substrats gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung und
4 - ein beschichtetes Substrat.

In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet. Die anhand der Ausführungsbeispiele erläuterten Einzelheiten der Erfindung können, wenn sie für ein Ausführungsbeispiel erläutert werden, auch bei den jeweils anderen Ausführungsbeispielen Anwendung finden.
Anhand der 1 sei zunächst ein grundsätzliches Prinzip der Erfindung erläutert, das für alle Ausführungsformen gilt. Die 1 zeigt ein zu beschichtendes Substrat 1, der als Hohlkörper ausgebildet ist, z. B. als weitgehend geschlossener Hohlkörper, der eine Öffnung 9 aufweist. Das Substrat 1 weist eine zu beschichtende Oberfläche 2 an seiner Innenseite auf. Das Beschichtungsmaterial kann zur Erzeugung der Beschichtung durch die Öffnung 9 in das Substrat 1 eingeführt werden. Zur Durchführung des Beschichtungsvorgangs sei von einem Verdampfungsverfahren des Beschichtungsmaterials ausgegangen. Hierzu befindet sich das Beschichtungsmaterial 8 zunächst in einer Materialabgabeeinrichtung in Form eines Tiegels 7, in dem das Beschichtungsmaterial 8 erhitzt wird, bis es verdampft. In Folge des Verdampfens breitet sich das Beschichtungsmaterial, das sich nun im gasförmigen Zustand befindet, z. B. in Richtung der Pfeile 6 von dem Tiegel 7 zu dem Substrat 1 hin aus. Hierbei legt das gasförmige Beschichtungsmaterial einen Transportbereich 7 von einer an der Oberseite des Tiegels 7 gebildeten Materialabgabestelle 11 hin zu der zu beschichtenden Oberfläche 2 zurück. Ein solcher Beschichtungsprozess mit Verdampfung des Beschichtungsmaterials wird gemäß dem Stand der Technik üblicherweise in einem Vakuum durchgeführt. Daher ist die Anordnung aus der Materialabgabeeinrichtung in Form des Tiegels 7 und dem Substrat 1 in einer Beschichtungskammer 10 anzuordnen, in der ein Vakuum hergestellt werden kann. Bei ungestörtem Verdampfungsprozess breitet sich das gasförmige Beschichtungsmaterial, wie erwähnt, in Richtung der Pfeile 6 nach einer irgendwie gearteten Strahlkeule in das Innere des Substrats 1 aus und schlägt sich in der Regel ungleichmäßig verteilt hauptsächlich an dem dem Tiegel 7 gegenüberliegenden oberen Bereich der Innenfläche 2 des Substrats 1 ab. Die an sich zu beschichtende Innenfläche 2, die im Wesentlichen die gesamte Innenfläche des Substrats 1 oder zumindest ein rotationssymmetrischer Teil dieser Innenfläche sein soll, würde dabei nicht gleichmäßig beschichtet werden. Erfindungsgemäß wird nach dem Eliminieren von für den Beschichtungsprozess unerwünschten gasförmigen Medien, z. B. durch Herstellen eines Vakuums, ein für den Beschichtungsprozess gewünschtes gasförmiges Medium 4 in den Transportbereich 5, der sich bis in das Innere des Substrats 1 erstreckt, eingebracht. Das gewünschte gasförmige Medium ist in der 1 anhand der einzelnen Teilchen 4 wiedergegeben, die beispielhaft Atome oder Moleküle des gewünschten gasförmigen Mediums wiedergegeben sind. In Folge der gezielten Verunreinigung des Transportbereichs 5 durch das gewünschte gasförmige Medium 4 bewegen sich die Atome bzw. Moleküle des Beschichtungsmaterials 8 nicht mehr ausschließlich in nahezu gerader Linie auf die zu beschichtende Oberfläche 2 zu, sondern werden von Atomen bzw. Molekülen des gewünschten gasförmigen Mediums 4 in Folge von Zusammenstößen gestreut. Der Streuungsprozess ist in Folge der nur statistisch erfolgenden Zusammenstoß-Ereignisse zwischen den Atomen bzw. Molekülen des Beschichtungsmaterials und den Atomen bzw. Molekülen des gewünschten gasförmigen Mediums statistisch verteilt und damit vergleichmäßigt. Hierdurch wird eine gleichmäßige Schicht 3 des Beschichtungsmaterials auf der gesamten zu beschichtenden Oberfläche 2 erzielt. Die Schicht 3 weist im Wesentlichen die gleiche Schichtdicke über die gesamte zu beschichtende Oberfläche 2 auf. Auf diese Weise können an der zu beschichtenden Oberfläche 2 eine oder mehrere übereinanderliegende Schichten aus dem gleichen oder aus unterschiedlichem Beschichtungsmaterial erzeugt werden. Insbesondere kann der Schichtaufbau einer OLED mit einer ersten Elektrodenschicht, darauf folgenden organischen Leuchtschichten, z. B. drei bis sieben Schichten, und danach einer zweiten Elektrodenschicht erzeugt werden, wie nachfolgend noch anhand der 4 beschrieben.
Das Substrat 1 kann z. B. aus Kunststoff, Glas, Metall oder Keramik bestehen, oder aus einer Mischung solcher Materialien. Das Substrat 1 kann insbesondere ein transparentes oder teilweise transparentes Substrat sein. Das Substrat 1 kann ein flaches, konvex bzw. konkav gewölbtes Substrat sein, es kann starr oder flexibel sein bzw. aus Folie gebildet sein. Es kann sich um ein dreidimensionales Substrat, einen Hohlkörper, insbesondere einen rotationssymmetrischen Hohlkörper, handeln.
Die Materialabgabeeinrichtung kann statt des Tiegels 7 auch einen Spritzenverdampfer, ein Schiffchen, einen geschlossenen Behälter mit kleinen Austrittsöffnungen, ein Buffle Boat und/oder einen Filamentleiter aufweisen.
Es können auch mehrere Vorratsbehälter für Beschichtungsmaterial vorhanden sein, wobei die Beschichtungsmaterialien einzeln nacheinander oder je nach Bedarf auch gemeinsam verdampft werden.
Die 2 zeigt eine Ausführungsform einer Beschichtungseinrichtung, bei der das Substrat 1 während des Beschichtungsvorgangs über einen Bewegungsmechanismus 20, 21, 22 rotierbar ist. Erkennbar ist wiederum eine Beschichtungskammer 10, in der das zu beschichtende Substrat 1 mit der inneren, zu beschichtenden Oberfläche 2 angeordnet ist. Das Substrat 1 ist an einem Haltebügel 22 befestigt. Der Haltebügel 22 ist mit einer Welle 21 gekoppelt, die mit einem Antriebsmotor 20 verbunden ist. Der Antriebsmotor 20 kann die Welle 21 in Rotation versetzen und dreht hiermit zugleich das Substrat 1 um die Rotationsachse der Welle 21. Hierdurch kann das von der Materialabgabeeinrichtung 7 abgegebene Beschichtungsmaterial 8 noch gleichmäßiger auf die zu beschichtende Oberfläche 2 aufgebracht werden.
In der 2 ist außerdem ein Außenanschluss 23 dargestellt. Über den Außenanschluss 23 können zunächst unerwünschte gasförmige Medien aus der Beschichtungskammer 10 und damit auch aus dem Transportbereich 5 eliminiert werden, z. B. durch Absaugen bzw. Abpumpen. Durch den Außenanschluss 23 kann dann das gewünschte gasförmige Medium z. B. druckgeregelt eingeleitet werden.
Die 3 zeigt eine Ausführungsform der Beschichtungseinrichtung, bei der keine gesonderte Beschichtungskammer 10 erforderlich ist. Vielmehr ist das zu beschichtende Substrat 1, das wiederum als Hohlkörper ausgebildet ist, direkt auf der Beschichtungseinrichtung befestigt, z. B. mittels einer Dichtung daraufgesetzt. Die Beschichtungseinrichtung weist wiederum eine Materialabgabeeinrichtung 7 mit darin befindlichem Beschichtungsmaterial 8 auf. Von der Materialabgabeeinrichtung 7 wird an einer Materialabgabestelle 11 das Beschichtungsmaterial 8 in gasförmigem Zustand abgegeben, wie durch die Pfeile 6 dargestellt ist. Das gasförmige Medium 6 durchquert den Transportbereich 5 und schlägt sich an der zu beschichtenden Oberfläche 2 nieder, wobei die Verteilung des Beschichtungsmaterials durch das gewünschte gasförmige Medium 4 vergleichmäßigt wird. Die Beschichtungseinrichtung weist eine Evakuierungsöffnung 31 auf, durch die unerwünschte gasförmige Medien 34 entfernt werden können. Vor der Durchführung des eigentlichen Beschichtungsvorgangs kann dann über eine Gaseinlassöffnung 32 das gewünschte gasförmige Medium 33 eingeleitet werden.
Die Beschichtungseinrichtung gemäß 3 weist außerdem im Bereich der Materialabgabeeinrichtung 7 eine Blende 6 auf, die dazu dient, dem gasförmigen Beschichtungsmaterial eine gewisse Bewegungsrichtung vorzugeben.
Die 4 zeigt ein Bauteil in Form einer OLED mit einem Substrat 1, das an einer zu beschichtenden Oberfläche mit mehreren Materialschichten 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 beschichtet ist. Hierbei können eine, mehrere oder alle Materialschichten 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 nach einem Verfahren der zuvor beschriebenen Art hergestellt sein. Im dargestellten wird durch jeweils äußere Schichten 41, 47 eine Elektrode der organischen Leuchtdiode hergestellt. Die Schicht 41 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 42 eine z.B. 40 nm dicke Schicht aus NPD abgeschieden werden. Als Schicht 43 kann eine z.B. 20 nm dicke Schicht aus CBP:Ir(ppy)₃ abgeschieden werden. Als vierte Schicht 44 kann eine z.B. 10 nm dicke BCP-Schicht abgeschieden werden. Als fünfte Schicht 45 kann eine z.B. 20 nm dicke Schicht aus Alq₃ abgeschieden werden. Schließlich kann als Elektroneninjektionsschicht eine Schicht 46 aus LiF abgeschieden werden, die z.B. 0,5 nm dick ist. Schließlich wird als Kathodenschicht eine Schicht 47 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 Beschichtungseinrichtung auch zur Herstellung anderer Beschichtungen aus anderen Materialien verwendet werden. Das in 4 dargestellte Bauteil kann z.B. die bereits erwähnte Hohlkörper-Form aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005013875 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Beschichtung eines Substrats (1) mit einem Beschichtungsmaterial (8), wobei das Beschichtungsmaterial (8) von einer Materialabgabeeinrichtung (7) an einer Materialabgabestelle (11) abgegeben wird, einen Transportbereich (5) von der Materialabgabestelle (11) zu einer zu beschichtenden Oberfläche (2) des Substrats (1) zurücklegt und sich an der zu beschichtenden Oberfläche (2) des Substrats (1) abscheidet, mit folgenden Schritten: a) Eliminieren von für den Beschichtungsprozess unerwünschten gasförmigen Medien (34) zumindest im Bereich der zu beschichtenden Oberfläche (2) des Substrats (1), der Materialabgabestelle (11) und des dazwischen liegenden Transportbereichs (5), b) Einbringen eines für den Beschichtungsprozess gewünschten gasförmigen Mediums (4, 33) in den Transportbereich (5) mit einem Druck im Bereich von 10^-5 mbar bis 10^-1 mbar, c) Abgeben des Beschichtungsmaterials (8) von der Materialabgabestelle (11), während sich das gewünschte gasförmige Medium (4, 33) im Transportbereich (5) in dem im Merkmal b) angegebenen Druckbereich befindet, wobei das Beschichtungsmaterial (8) den Transportbereich (5) zu der zu beschichtenden Oberfläche (2) des Substrats (1) zurücklegt und sich an der zu beschichtenden Oberfläche (2) des Substrats (1) abscheidet, ohne dass das gewünschte gasförmige Medium (4, 33) ein Trägergas für das Beschichtungsmaterial (8) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einbringen des für den Beschichtungsprozess gewünschten gasförmigen Mediums (4, 33) in den Transportbereich (5) mit einem Druck im Bereich von 10^-4 mbar bis 10^-2 mbar.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Einbringen des für den Beschichtungsprozess gewünschten gasförmigen Mediums (4, 33) in den Transportbereich (5) mit einem Druck p, der folgende Bedingungen erfüllt: $S < p < 100 \cdot S$
mit $S = \frac{K_{B} \cdot T}{4 \cdot \sqrt[3]{V} \cdot {(d_{1} + d_{2})}^{2}}$
wobei K_Bdie Boltzmann-Konstante ist, T die absolute Temperatur, V das Volumen eines von der zu beschichtenden Oberfläche (2) umgebenen Raums, d₁ der Durchmesser eines Atoms bzw. Moleküls des Beschichtungsmaterials (8) und d₂ der Durchmesser eines Atoms bzw. Moleküls des gewünschten gasförmigen Mediums (4, 33).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Eliminieren von für den Beschichtungsprozess unerwünschten gasförmigen Medien (34) zumindest im Bereich der zu beschichtenden Oberfläche (2) des Substrats (1), der Materialabgabestelle (11) und des dazwischen liegenden Transportbereichs (5) durch einen oder mehrere der folgenden Verfahrensschritte: i) Absaugen von für den Beschichtungsprozess unerwünschten gasförmigen Medien (34), ii) Verdrängen von für den Beschichtungsprozess unerwünschten gasförmigen Medien (34) durch Einleiten eines anderen gasförmigen Mediums in den Transportbereich (5), iii) Vermischen von für den Beschichtungsprozess unerwünschten gasförmigen Medien (34) mit einem anderen gasförmigen Medium und anschließendes Eliminieren von verbliebenen Resten der unerwünschten gasförmigen Medien (34) gemäß einem oder beiden Verfahrensschritten i), ii).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Oberfläche (2) des Substrats (1) eine aus Sicht der Materialabgabestelle konkav gekrümmte Oberfläche ist, insbesondere ein Teil der oder die gesamte innere Oberfläche eines überwiegend geschlossenen Hohlkörpers.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu beschichtende Substrat (1) selbst während des Beschichtungsvorgangs als Beschichtungskammer verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) während des Beschichtungsvorgangs mit dem Beschichtungsmaterial (8) zumindest zeitweise mittels einer Heizeinrichtung aufgeheizt und/oder mittels einer Kühleinrichtung abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transportbereich (5) vollständig oder teilweise innerhalb eines vom Substrat (1) bzw. der zu beschichtenden Oberfläche (2) des Substrats (1) umgebenen Bereich angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gewünschte gasförmige Medium (4, 33) ganz oder überwiegend aus Atomen oder Molekülen besteht, deren Größe geringer ist als die Größe der Atome bzw. Moleküle des Beschichtungsmaterials (8).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gewünschte gasförmige Medium (4, 33) ganz oder überwiegend aus Atomen oder Molekülen besteht, deren Atomar- bzw. Molekulargewicht geringer ist als das Atomar- bzw. Molekulargewicht der Atome bzw. Moleküle des Beschichtungsmaterials (8).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial (8) ein Material einer organischen Leuchtschicht (42, 43, 44, 45, 46) einer organischen Leuchtdiode ist und das gewünschte gasförmige Medium (4, 33) ein mit dem Beschichtungsmaterial (8) im Wesentlichen nicht reaktives Medium ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Materialabgabestelle (11) während des Beschichtungsvorgangs innerhalb eines vom Substrat (1) bzw. der zu beschichtenden Oberfläche (2) des Substrats (1) umgebenen Bereichs befindet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des gewünschten gasförmigen Mediums (4, 33) während des Beschichtungsvorgangs in dem vorgegebenen Druckbereich gehalten wird.
Beschichtungseinrichtung (7, 10, 30, 31, 32) zur Beschichtung eines Substrats (1) mit einem Beschichtungsmaterial (8), wobei die Beschichtungseinrichtung wenigstens eine Materialabgabeeinrichtung (7) aufweist, die wenigstens eine Materialabgabestelle (11) zur Abgabe des Beschichtungsmaterials (8) aufweist, wobei die Beschichtungseinrichtung eingerichtet ist zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Bauteil mit einem Substrat (1), das an einer zu beschichtenden Oberfläche (2) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 mit einem Beschichtungsmaterial (8) beschichtet ist.