DE10236404B4 - Verfahren zur Herstellung eines Substrates - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Substrates durch Aufbringen von Photolackschichten und deren Behandlung mit folgenden Verfahrensschritten:
– Aufbringen, Belichten und Entwickeln einer ersten Photolackschicht (3) auf ein Trägersubstrat (1);
– Oberflächenbehandlung der ersten Photolackschicht (3) zur Ausstattung der ersten Photolackschicht (3) mit hoher Oberflächenenergie von 60–70 dyn/cm;
– Aufbringen, Belichten und Entwickeln einer zweiten Photolackschicht (4) derart, dass die zweite Photolackschicht (4) die erste Photolackschicht (3) teilweise überlagert;
– Absenken der Oberflächenenergie der Substratoberfläche durch eine Oberflächenbehandlung,
– Ablösen der zweiten Photolackschicht (4).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Substrates gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Der Tintenstrahldruckprozess ist einer der wichtigsten Strukturierungsprozesse für die Herstellung von Vollfarbdisplays auf der Basis lichtemittierender halbleitender Polymere (LEPs). Dabei werden kleine Tropfen einer Lösung des entsprechenden Polymers auf ein geeignetes Trägersubstrat aufgebracht.
  • Die räumliche Auflösung des Prozesses wird dabei durch die Oberflächeneigenschaften des Substrats maßgeblich mitbeeinflusst. Benetzung durch die aufgebrachte Polymertinte darf nur im für den lichtemittierenden Pixel vorgesehenen Bereich (der sog. Pixelfläche) erfolgen, um Farbmischung zu vermeiden.
  • Einer der grundlegenden Lösungsansätze wird in EP 0989778 A1 (Seiko-Epson) beschrieben. Es wird durch geeignete Auswahl der Materialien, welche die Substratoberfläche bilden, ein Kontrast der Oberflächenenergie geschaffen. Die aufgedruckte Tinte kann nur in Bereichen mit hoher Oberflächenenergie verlaufen, während Bereiche mit niedriger Oberflächenenergie als Barriere wirken. Um eine homogene Schichtdicke des Films zu erhalten, ist es weiterhin von Vorteil, über den Rand der Pixelfläche der organischen Leuchtdiode (OLED) hinaus hohe Oberflächenenergie einzustellen. Der sich ausbildende Film wird dann bis zur Randzone homogen und die Schichtdicke nimmt erst außerhalb der aktiven Zone in Nähe der Barriere merklich ab.
  • Der nötige Kontrast der Oberflächenenergien kann auf verschiedene Art und Weise erreicht werden.
  • EP 0989778 A1 (Seiko Epson) beschreibt eine Zweischichtstruktur der Oberfläche. Durch geeignete Oberflächenbehandlung im Plasma kann die obere Schicht mit niedriger Oberflächenenergie versehen werden, während die untere Schicht aufgrund ihrer chemischen Natur durch die gleiche Behandlung hohe Oberflächenenergie erhält. Die untere Schicht wird typischerweise aus anorganischen Materialien wie Siliziumoxid/Nitrid hergestellt.
  • Die anorganische Schicht wirkt dabei als Randzone mit hoher Oberflächenenergie und erleichtert das Aufbringen homogener Polymerfilme durch den Tintenstrahldruckprozess.
  • Das Aufbringen und Strukturieren dieser Schicht erfordert allerdings Prozesse, die typischerweise in der Halbleiterindustrie verwendet werden. Für die Schichtabscheidung kommen Sputterprozesse und Gasphasenprozesse wie PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) in Frage. Diese Prozesse sind kostenintensiv und verringern damit den durch OLED-Technologie gewonnenen Kostenvorteil. Zudem beinhaltet die zweite Schicht die Ausbildung einer Oberflächentopographie, d.h. die Bereiche mit niedriger Oberflächenenergie (hier "Separatoren" genannt) heben sich mit endlicher Höhe von der Substratoberfläche ab. Durch dieses Höhenprofil kann der abgeschiedene Polymerfilm ein unerwünschtes Dickenprofil ausbilden.
  • JP 9-203803 A beschreibt die chemische Behandlung der Substratoberfläche, die zuvor mit einem Photolack beschichtet wurde. Im Anschluss daran wird der Photolack durch eine Maske belichtet und entwickelt. In der so entstandenen Struktur haben die Bereiche mit Photolack niedrige Oberflächenenergie, während Bereiche ohne Photolack hohe Oberflächenenergie aufweisen. Die Flanken der Lackstruktur weisen mittlere Oberflächenenergie auf und können dadurch zu einem gewissen Grad einen abrupten Übergang der Oberflächenenergien vermeiden. Eine Randzone mit frei wählbarer Oberflächenenergie und Geometrie stellen sie allerdings nicht dar. Dies ist insofern nachteilig, da das räumliche Auflösungsvermögen des Tintenstrahldruckprozesses durch Bereiche mit mittlerer Oberflächenenergie abnimmt.
  • JP 9-230129 A beschreibt eine zweistufige Behandlung der Oberfläche. Zuerst wird die gesamte Oberfläche mit niedriger Oberflächenenergie ausgestattet. Durch die Nachbehandlung ausgewählter Teile der Oberfläche mit kurzwelligem Licht wird in diesen Bereichen dann die Oberflächenenergie wieder erhöht. Der erreichbare Kontrast der Oberflächenenergie ist jedoch begrenzt und die nötige Belichtungszeit nicht kompatibel mit einer Massenproduktion.
  • WO 01/47045 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines elektronischen Gerätes auf einem Substrat, bei dem eine Erhöhung bzw. eine Absenkung der Oberflächenenergie einer Barriere für Displaymaterialien vorgenommen wird. Hierdurch wird das organische Emittermaterial nachteilhafterweise über den Rand der Pixelfläche hinaus verlaufen.
  • EP 1 122 560 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Farbfilters und einer Flüssigkristallanzeige, bei dem Bereiche unterschiedlicher Oberflächenenergie übereinander angeordnet werden. Hierdurch wird nachteilhafterweise eine hohe Schichtdicke für die Substratstruktur benötigt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Substrat sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, wobei das Substrat kostengünstig herstellbar sein, gegenüber dem Stand der Technik eine geringere Schichtdicke aufweisen und eine hohe räumliche Auflösung des Tintenstrahldruckprozesses erlauben soll.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass unter Zuhilfenahme herkömmlicher, kostensparender Verfahren ein Substrat hergestellt werden kann, das lediglich eine Schicht mit einem beliebig strukturierten Oberflächenkontrast aufweist.
  • Dazu wird auf ein Trägersubstrat eine erste Photolackschicht, beispielsweise aus einem herkömmlichen Photolack aufgebracht. Dies kann ein Photolack auf Novolakbasis oder ein Acryllack, Epoxylack oder Polyimidlack sein. Die Photolackschicht wird durch eine Photomaske belichtet und danach entwickelt. Anschließend wird diese erste Schicht thermisch vernetzt und durch eine Oberflächenbehandlung, z.B. mittels einer UV-Ozon-Behandlung oder einer Sauerstoff-Plasmabehandlung, mit hoher Oberflächenenergie von 60–70 dyn/cm versehen. Danach wird eine zweite Photolackschicht, beispielsweise aus einem herkömmlichen Photolack aufgebracht. Diese wird wiederum durch eine Photomaske belichtet und danach entwickelt. Dabei überlagert die zweite Photolackschicht teilweise die erste Photolackschicht. Anschließend wird die Oberflächenenergie der Substratoberfläche durch eine Oberflächenbehandlung, z.B. mittels einer fluorhaltigen Gasmischung, die aus CF4, SF6 oder NF3 bestehen kann, abgesenkt. Dieses Absenken der Oberflächenenergie kann auch durch eine Plasmabehandlung mit dem Gasgemisch Tetrafluormethan-Sauerstoff im Verhältnis 4:1 erfolgen. Zum Schluss wird die zweite Photolackschicht wieder abgelöst. Dies kann durch ein organisches Lösungsmittel wie Aceton oder Tetrahydrofuran erfolgen. Die verbleibende erste Photolackschicht weist durch geeignete Wahl der Photomasken und der Oberflächenbehandlungen eine gewünschte Geometrie und einen gewünschten Kontrast der Oberflächenenergien auf.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass letztendlich nur eine Schicht zur Realisierung der erforderlichen Substrateigenschaften benötigt wird und nur organische Materialien zum Schichtaufbau verwendet werden. Dadurch kann ein hoher Kontrast der Oberflächenenergie bei einer geringen Schichtdicke erreicht werden.
  • Das Trägersubstrat kann aus Glas, Kunststoff, Silizium oder anderem flexiblen oder starren Material bestehen. Die Schichten bestehen aus Photolack, welcher über eine Photomaske belichtet und dann entwickelt wird. Ebenfalls möglich ist eine Strukturierung vom Polymeren durch Ätzen mit Hilfe einer Photolackmaske. Das Absenken der Oberflächenenergie kann durch eine geeignete UV-Ozon bzw. Sauerstoff-Plasmabehandlung erfolgen.
  • Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Substrat kann zum Aufdrucken eines leitfähigen Polymers und/oder zum Aufdrucken einer Lösung lichtemittierender Polymere mittels eines Tintenstrahldruckverfahrens verwendet werden. Das leitfähige Polymer kann aus Polyethylendioxothiophen-Polystyrolsulfonsäure (PEDT-PSS) oder Polyanilin bestehen. Die Oberflächenspannung des leitfähigen Polymers kann durch geeignete Zusätze wie Tenside oder niedere Alkohole, wie z.B. Butanole und/oder Propanole, herabgesetzt sein. Die so abgeschiedene Polymerschicht wird durch thermische Behandlung getrocknet.
  • Die lichtemittierenden Polymere können aus der Familie der Polyphenylenvinylene (PPVs) oder der Polyfluorene stammen.
  • Im nachfolgenden Tintenstrahldruckprozess wird zuerst die Lösung eines geeigneten leitfähigen Polymers aufgedruckt. Die Schicht des leitfähigen Polymers dient einerseits zur besseren Injektion von Defektelektronen (Löcher) in das lichtemittierende Material. Andererseits gleicht die Schicht auch Unebenheiten der Anodenschicht (Indium-Zinnoxid) aus, die sonst zur Verkürzung der Lebensdauer der OLED führen würde.
  • Im Anschluss werden Lösungen lichtemittierender Polymere, speziell aus der Familie der Polyphenylenvinylene (PPVs) und der Polyfluorene (PFOs), mittels des Tintenstrahldruckverfahrens aufgedruckt.
  • Die Weiterverarbeitung erfolgt durch Aufbringen einer metallischen Kathodenschicht mittels Vakuumverdampfen/Sputtern und anschließender Verkapselung.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand von zumindest teilweise in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
  • Es zeigen:
  • 1: eine Darstellung einer unbehandelten Substratoberfläche,
  • 2: eine Darstellung einer Substratoberfläche mit einer darauf aufgebrachten, belichteten und entwickelten ersten Photolackschicht,
  • 3: eine Darstellung einer Substratoberfläche mit einer ersten und einer zweiten, teilweise darüberliegenden Photolackschicht (jeweils belichtet und entwickelt),
  • 4: eine Darstellung einer Substratoberfläche nach Behandlung zum Absenken der Oberflächenenergie und nach Entfernen der zweiten Photolackschicht,
  • 5: eine Darstellung einer fertig behandelten Substratoberfläche mit einem darüber befindlichen Tintentropfen und
  • 6: eine Draufsicht eines Substrats für ein organisches lichtemittierendes Element mit bereits aufgebrachtem Tintentropfen.
  • Wie aus 1 zu ersehen ist, steht vor der Oberflächebehandlung ein starres oder flexibles Trägersubstrat 1 aus Glas, Silizium oder anderem Material zu Verfügung. Das lichtemittierende Polymer (LEP) soll später auf einen bestimmten Bereich 2, die sog. aktive Pixelfläche, aufgedruckt werden. Dieses räumlich präzise Aufbringen des Polymers ist notwendig, um einerseits die Vermischung von Polymeren unterschiedlicher Farben zu vermeiden (sog. Farbmischung) und andererseits die Polymere zur Erzeugung einer bildlichen Darstellung einzeln ansteuern zu können.
  • Auf dieses Trägersubstrat 1 wird eine erste Photolackschicht 3 aufgeschleudert und diese durch eine Photomaske belichtet. Danach erfolgt eine Entwicklung und thermische Nachbehandlung sowie eine UV-Ozon bzw. Sauerstoff-Plasmabehandlung. Das so behandelte Substrat ist in 2 dargestellt. Der Photolack 3 wird durch die UV-Ozon bzw. Sauerstoff-Plasmabehandlung mit hoher Oberflächenenergie versehen. Danach wird eine zweite Photolackschicht 4 aufge schleudert, wie in 3 dargestellt ist. Diese wird wiederum durch eine Photomaske belichtet und entwickelt. Diese zweite Photolackschicht 4 überlagert die Randbereiche der ersten Photolackschicht 3. Danach wird das Substrat 1 einer Plasmabehandlung mit einer fluorhaltigen Gasmischung unterzogen. Als fluorhaltige Gase kommen dabei speziell CF4, S oder NF3 in Frage. Dadurch wird derjenige Teil der ersten Photolackschicht 3, der nicht von der zweiten Photolackschicht 4 überdeckt ist, mit niedriger Oberflächenenergie versehen. Der von der zweiten Schicht 4 überlagerte Teil der ersten Schicht 3 behält jedoch seine vergleichsweise hohe Oberflächenenergie bei. Anschließend wird die zweite Photolackschicht 4 durch geeignete Lösemittel, wie z.B. Aceton oder Tetrahydrofuran, abgelöst. Die nun entstandene Substratoberfläche ist in 4 dargestellt. Sie weist eine partielle Photolackschicht mit Bereichen hoher Oberflächenenergie 3 und niedriger Oberflächenenergie 5 auf. Die Geometrie dieser Bereiche lässt sich durch eine geeignete Wahl der Photomasken beliebig gestalten. Das Verhältnis der Oberflächenenergien der Bereiche hoher Oberflächenenergie 3 zu den Bereichen niedriger Oberflächenenergie 5 läßt sich ebenfalls durch geeignete UV-Ozon bzw. Sauerstoff-Plasmabehandlungen vorteilhaft gestalten. 5 zeigt die behandelte Photolackschicht mit einem darüber befindlichen Tintentropfen, z.B. aus lichtemittierenden halbleitenden Polymeren (LEP's). Dieser wird nun im Bereich der aktiven Pixelfläche 2 und im Randbereich der Photolackschicht mit hoher Oberflächenenergie 3 verlaufen. Durch den Übergang von hoher zu niedriger Oberflächenenergie außerhalb der aktiven Pixelfläche 2 ist eine homogene Schichtdicke über der aktiven Pixelfläche gewährleistet, da ein Abfallen der Schichtdicke im Randbereich der aktiven Pixelfläche 2 nicht erfolgen wird, da dieser Abfall erst in der Nähe des Bereichs mit niedriger Oberflächenenergie 5 eintreten wird. Dadurch wird ein homogen verlaufender Polymer film gewährleistet. 6 zeigt eine Draufsicht eines Substrats für ein organisches lichtemittierendes Element nach dem Tintenstrahldruckverfahren. Dabei sind die Pixelfläche 2 und der Bereich des Photolacks 3 mit hoher Oberflächenenergie mit Tinte benetzt. Der Bereich des Photolacks 5 mit niedriger Oberflächenenergie ist hingegen nicht von der Tinte benetzt worden.
  • Nachfolgend wird ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel beschrieben.
  • Ein mit vorstrukturiertem Indium-Zinnoxid beschichtetes Glas wird als Trägersubstrat verwendet. Als erste Photolackschicht wird ein Photolack auf Novolakbasis, z.B. JEM 750 der Firma JSR (Japan Synthetic Rubber), in einer Dicke von 500 nm durch Aufschleudern aufgebracht und durch eine geeignete Photomaske belichtet. Nach Entwickeln wird der Lack bei 200°C für eine Stunde thermisch nachbehandelt.
  • Der strukturierte Lack wird im Sauerstoffplasma für 120 Sekunden behandelt. Im Anschluß wird eine zweite Photolackschicht auf Novolakbasis, z.B. AZ6612 der Firma Clariant, durch Aufschleudern aufgebracht. Die Lackschicht wird durch eine geeignete Photomaske belichtet und entwickelt.
  • Das Substrat wird für 120 s einer Plasmabehandlung mit dem Gasgemisch Tetrafluormethan-Sauerstoff im Verhältnis 4:1 unterzogen. Im Anschluß daran wird die zweite Lackschicht mittels eines geeigneten Lösungsmittels wie Aceton oder Tetrahydrofuran abgelöst.
  • Das Substrat wird einer kurzen Nachbehandlung im Sauerstoffplasma unterworfen. Für ein solches Ausführungsbeispiel kann die Ausdehnung der Separatorzone 5 ca. 10–20 μm betragen. Der Zwischenraum zwischen 2 Pixeln kann ca. 30 μm betragen, was einer Auflösung von ca. 130 PPI entspricht. Die Oberflächenenergie kann im Bereich hoher Ober flächenenergie ca. 60–70 dyn/cm, im Bereich niedriger Oberflächenenergie ca. 20–35 dyn/cm betragen.
    • 1
    Trägersubstrat
    2
    Pixelfläche
    3
    erste Photolackschicht mit hoher Oberflächenenergie
    4
    zweite Photolackschicht
    5
    Bereich niedriger Oberflächenenergie in der ersten Photolackschicht
    6
    Tintentropfen

Claims (8)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Substrates durch Aufbringen von Photolackschichten und deren Behandlung mit folgenden Verfahrensschritten: – Aufbringen, Belichten und Entwickeln einer ersten Photolackschicht (3) auf ein Trägersubstrat (1); – Oberflächenbehandlung der ersten Photolackschicht (3) zur Ausstattung der ersten Photolackschicht (3) mit hoher Oberflächenenergie von 60–70 dyn/cm; – Aufbringen, Belichten und Entwickeln einer zweiten Photolackschicht (4) derart, dass die zweite Photolackschicht (4) die erste Photolackschicht (3) teilweise überlagert; – Absenken der Oberflächenenergie der Substratoberfläche durch eine Oberflächenbehandlung, – Ablösen der zweiten Photolackschicht (4).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Photolackschicht (3) mittels einer UV-Ozon-Behandlung oder einer Sauerstoff-Plasmabehandlung mit hoher Oberflächenenergie versehen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Absenken der Oberflächenenergie durch eine Plasmabehandlung mit einer fluorhaltigen Gasmischung erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für das Absenken der Oberflächenenergie eine fluorhaltige Gasmischung, welche CF4, SF6 oder NF3 enthält, verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen, Belichten und Entwickeln einer ersten Photolackschicht (3) ein Photolack auf Novolakbasis oder ein Acryllack, Epoxylack oder ein Polyimidlack verwendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen, Belichten und Entwickeln einer zweiten Photolackschicht (4) ein Photolack auf Novolakbasis oder ein Acryllack, Epoxylack oder ein Polyimidlack verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Absenken der Oberflächenenergie durch eine Plasmabehandlung mit dem Gasgemisch Tetrafluormethan-Sauerstoff im Verhältnis 4:1 erfolgt.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Photolackschicht (4) durch organische Lösungsmittel wie Aceton oder Tetrahydrofuran abgelöst wird.
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