DE60015725T2

DE60015725T2 - Erzeugung von Werkstoffen

Info

Publication number: DE60015725T2
Application number: DE60015725T
Authority: DE
Inventors: Kwang-Leong Cheylesmore CHOY; Junfa Selly Oak MEI; Bo Kingsheath SU
Original assignee: Imperial College of Science Technology and Medicine
Current assignee: Imperial College of Science Technology and Medicine
Priority date: 1999-01-15
Filing date: 2000-01-05
Publication date: 2005-11-03
Anticipated expiration: 2020-01-06
Also published as: US20020106452A1; GB9900955D0; GB0000078D0; GB2347369A; WO2000042234A1; EP1144721A1; AU1883500A; RU2001122806A; EP1144721B1; DE60015725D1; JP2002535482A; US6800333B2; CA2359822A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Abscheidung eines festen Films auf einem Substrat.
Für Werkstofffilme, insbesondere Keramikfilme, finden sich weitreichende strukturelle und funktionelle Anwendungsmöglichkeiten. Zwar werden für diese unterschiedlichen Anwendungsfälle häufig Filme unterschiedlicher Stärke benötigt, dennoch gibt es keine einzige aus kommerzieller Sicht kosteneffiziente Film- oder Überzugsabscheidungstechnik zur Abscheidung sowohl dünner Filme, im typischen Fall Filme mit einer Stärke unter 1 μm, als auch dicker Filme, im typischen Fall Filme mit einer Stärke über 10 μm.
Zur Erzeugung dünner Filme wurden bislang Bedampfungstechniken eingesetzt, einschließlich der chemischen Abscheidung aus der Gasphase (engl. chemical vapour deposition, CVD) und der physikalischen Abscheidung aus der Gasphase (engl. physical vapour deposition, PVD), jedoch sind diese aufgrund der langsamen Abscheidungsrate und der kostenintensiven Geräte nicht für die Abscheidung großflächiger dicker Filme geeignet. Überdies gestaltet sich der Überzug komplex geformter Substrate bei Verwendung einer PVD-Technik besonders schwierig.
Sol-Gel-Verarbeitungstechniken wurden ebenfalls zur Abscheidung dünner Filme eingesetzt. Während sich damit dünne Filme in einem einzigen Überzugsdurchlauf erzielen lassen, erweisen sich aus nur einem Überzug gebildete dickere Filme als rissig, weshalb dicke feste Filme unter Durchführung mehrerer aufeinanderfolgender Überzugsabläufe aufgebaut werden müssen.
Eine neuartige Abscheidungstechnik, die als elektrostatisches Sprayunterstützte Abscheidung aus der Gasphase (engl. electrostatic spray assisted vapour deposition, ESAVD) bezeichnet wird und in der WO-A-97/21848 offenbart ist, wurde ebenfalls insbesondere zur Dünnschichtabscheidung eingesetzt. Bei dieser ESAVD-Technik wird ein Aerosol elektrostatisch aus einer Düsenbaugruppe erzeugt und ein Temperaturgradient sowie ein elektrisches Feld zwischen dem Substrat und der Düsenbaugruppe bereitgestellt, so dass eine Verbrennung und/oder eine chemische Reaktion der Aerosoltröpfchen in der Gasphase nahe an der Substratoberfläche stattfindet. Zwar lassen sich mit dieser Abscheidungstechnik feste Filme mit exzellenter Substrathaftung erzeugen; jedoch sind dieser Technik aufgrund der elektrostatischen Aerosolerzeugung auch Grenzen gesetzt, beispielsweise hinsichtlich der Natur der verwendbaren Präkursorlösungen, der Abscheidungsrate und der Tröpfchengrößenverteilung der Aerosole.
Die Sprühpyrolyse, bei der ein Film unter Zuführung eines durch Ultraschallzerstäubung erzeugten Aerosols auf ein erwärmtes Substrat abgeschieden wird, wurde bereits zur Abscheidung sowohl dünner als auch dicker Filme eingesetzt, wie es beispielsweise in der EP-A-0103505 und der GB-A-1362803 offenbart ist. Dabei ist jedoch die Abscheidungseffizienz aufgrund des sehr hohen Aerosolverlusts an die Umgebung üblicherweise sehr gering, und ein derartiger Verlust ist sowohl aus Umweltschutz- wie auch aus Kostengründen unannehmbar, wenn es sich um teure Präkursorwerkstoffe handelt und die Abscheidungsrate sehr niedrig ausfällt. Des weiteren ist es schwierig, sehr dicke Filme, typischerweise Filme mit einer Dicke über 150 μm, mittels Sprühpyrolyse abzuscheiden. In veröffentlichten Artikeln mit dem Titel „Corona Spray Pyrolysis", Thin Solid Films, 121 (1984), Seiten 267 bis 274, und „Properties of Thin In₂O₃ and SnO₂ Films Prepared by Corona Spray Pyrolysis and a Discussion of the Spray Pyrolysis Process", Thin Solid Films, 121 (1984), Seiten 275 bis 282, wurde die Dünnfilmabscheidung von dotiertem In₂O₃ und SnO₂ durch Korona-Sprühpyrolyse mit einer beanspruchten Abscheidungseffizienz von bis zu 80 % diskutiert; diese Abscheidungstechnik erfordert jedoch im Wesentlichen die Verwendung einer organischen Präkursorlösung, die Zufuhr des Aerosols vertikal nach unten zur Ausnutzung der Schwerkrafteinwirkung auf die Aerosoltröpfchen sowie eine spezifische Elektrodenkonfiguration, die zwei Elektroden umfasst, von denen jede unter einem Winkel von 40° bis 45° bezüglich des vertikal nach unten verlaufenden Aerosolströmungswegs angeordnet ist.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Abscheidung eines festen Films, vorzugsweise entweder dünner oder dicker Filme, auf einem Substrat anzugeben, was als elektrostatisch unterstützte Aerosolstrahlabscheidung (engl. electrostatic assisted aerosol jet deposition, EAAJD) bezeichnet wird, das insbesondere kostengünstig ist und eine hohe Abscheidungseffizienz aufweist.
Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur In-Situ-Abscheidung eines festen Films auf einem Substrat zur Verfügung, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrats; Erhitzen des Substrats derart, dass ein fester Film abgeschieden werden kann; Bereitstellen einer Düsenbaugruppe für die Abgabe eines Aerosols an das Substrat; wobei die Düsenbaugruppe mindestens einen Auslass, durch den ein gerichteter Strom des Aerosols abgegeben wird, und mindestens eine Elektrode aufweist; Erzeugen eines Aerosols, das Tröpfchen einer Materiallösung umfasst, stromaufwärts von der Düsenbaugruppe; Bereitstellen eines Durchflusses des Aerosols durch die Düsenbaugruppe derart, dass ein gerichteter Aerosolstrom aus dem mindestens einen Auslass abgegeben wird; und Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen dem Substrat und der mindestens einen Elektrode derart, dass die Aerosoltröpfchen mit einer positiven oder negativen Ladung geladen werden und der gerichtete Aerosolstrom zum Substrat hin angezogen wird.
Vorzugsweise wird das Substrat auf eine Temperatur von weniger als ungefähr 1050°C, noch bevorzugter weniger als ungefähr 800°C, erhitzt.
Vorzugsweise wird das Substrat während der Abscheidung erhitzt.
Noch bevorzugter ist die thermische Umgebung derart, dass ein abnehmender Temperaturgradient in einer Richtung vom Substrat weg und auf die Düsenbaugruppe zu aufrechterhalten wird.
Bei einer Ausführungsform ist die Materiallösung eine wässrige Lösung.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Materiallösung eine nichtwässrige Lösung. Bevorzugte nichtwässrige Lösungsmittel sind unter anderem Acetylaceton, Methanol und 2-Methoxyethanol.
Bei einer Ausführungsform sind die Aerosoltröpfchen vor ihrem Austritt aus dem mindestens einen Auslass zumindest teilweise geladen.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Aerosoltröpfchen vor ihrem Austritt aus dem mindestens einen Auslass geladen.
Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Aerosoltröpfchen nach ihrem Austritt aus dem mindestens einen Auslass zumindest teilweise geladen.
Vorzugsweise werden die Aerosoltröpfchen von der mindestens einen Elektrode geladen.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Elektrode zumindest teilweise in jedem Aerosolstrom angeordnet.
Vorzugsweise erstreckt sich die mindestens eine Elektrode stromaufwärts von dem mindestens einen Auslass.
Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Elektrode ein längliches Element.
Vorzugsweise sitzt das distale Ende der mindestens einen Elektrode im Wesentlichen im Zentrum des mindestens einen Auslasses.
Gemäss einer Ausführungsform weist das distale Ende der mindestens einen Elektrode eine einzige Spitze auf.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform weist das distale Ende der mindestens einen Elektrode mehrere Spitzen auf.
Vorzugsweise weist die Düsenbaugruppe einen rohrförmigen Abschnitt stromaufwärts von jedem Auslass auf.
Noch bevorzugter ist der rohrförmige Abschnitt ein länglicher Abschnitt.
Noch bevorzugter ist der rohrförmige Abschnitt ein gerader Abschnitt.
Noch bevorzugter ist der rohrförmige Abschnitt im Wesentlichen zylinderförmig.
Noch bevorzugter erstreckt sich die mindestens eine Elektrode im Wesentlichen vollständig durch den zugehörigen rohrförmigen Abschnitt.
Noch bevorzugter erstreckt sich die mindestens eine Elektrode im Wesentlichen entlang der Mittelachse des zugehörigen rohrförmigen Abschnitts.
Noch bevorzugter besteht mindestens die innere Oberfläche des rohrförmigen Abschnitts aus einem isolierenden Material.
Gemäss einer Ausführungsform wird der Aerosolstrom bereitgestellt, indem das Aerosol in einem der Düsenbaugruppe zugeführten Strom von Trägergas mitgeführt wird.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform wird der Aerosolstrom bereitgestellt, indem ein Unterdruck an den mindestens einen Auslass angelegt wird, so dass das Aerosol in einem durch die Düsenbaugruppe gesaugten Strom des Trägergases mitgeführt wird.
Gemäss einer Ausführungsform ist das Trägergas ein mit der Materiallösung reagierendes Gas.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist das Trägergas ein mit der Materiallösung nicht reagierendes Gas.
Vorzugsweise wird der Trägergasstrom derart bereitgestellt, im typischen Fall durch Regelung von Durchflussgeschwindigkeit, Temperatur, und/oder Richtung, dass der abnehmende Temperaturgradient aufrechterhalten wird.
Vorzugsweise wird das Aerosol derart an das Substrat abgegeben, dass eine Filmwachstumsrate von mindestens 0,2 μm pro Minute erzielt wird.
Noch bevorzugter wird das Aerosol derart an das Substrat abgegeben, dass eine Filmwachstumsrate von mindestens 1 μm pro Minute erzielt wird.
Noch bevorzugter wird das Aerosol derart an das Substrat abgegeben, dass eine Filmwachstumsrate von mindestens 2 μm pro Minute erzielt wird.
Vorzugsweise beträgt die Durchflussgeschwindigkeit durch den mindestens einen Auslass mindestens 5 ml pro Minute, noch bevorzugter mindestens 50 ml pro Minute.
Vorzugsweise ist die Düsenbaugruppe derart konfiguriert, dass der Aerosolstrom aus dem mindestens einen Auslass nach oben, noch bevorzugter im Wesentlichen senkrecht nach oben, gerichtet ist.
Vorzugsweise weist die Düsenbaugruppe ein gelochtes Teil stromaufwärts von dem mindestens einen Auslass auf. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das gelochte Teil ein Gitternetz.
Vorzugsweise beträgt die angelegte Spannung weniger als ungefähr 35 kV, noch bevorzugter weniger als ungefähr 20 kV.
Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen dem mindestens einen Auslass und dem Substrat weniger als ungefähr 100 mm, noch bevorzugter weniger als ungefähr 50 mm.
Gemäss einer Ausführungsform wird das Substrat bezüglich der Düsenbaugruppe unbeweglich gehalten.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren des weiteren den Schritt des Bewegens der Düsenbaugruppe relativ zum Substrat.
Vorzugsweise wird das Substrat relativ zur Düsenbaugruppe gedreht, gekippt und/oder gegenüber dieser verschoben.
Gemäss einer Ausführungsform erfolgt die Abscheidung bei atmosphärischem Druck.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Abscheidung bei weniger als atmosphärischem Druck.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Abscheidung bei mehr als atmosphärischem Druck.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt, während der Abscheidung entweder die Zusammensetzung oder die Konzentration der Materiallösung oder beides zu verändern.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt, während der Abscheidung in Intervallen die Polarität zwischen dem Substrat und der mindestens einen Elektrode umzukehren.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt, mindestens einen Bereich des Substrats lokal zu erhitzen.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ferner den Schritt, die Aerosoltröpfchen bei deren Verlauf von der Düsenbaugruppe zum Substrat entweder elektrisch oder magnetisch oder auf beiderlei Art zu lenken.
Vorzugsweise ist der Film entweder ein struktureller oder ein funktioneller Film oder beides; im typischen Fall für den Einsatz in technischen und medizinischen Anwendungen.
Vorzugsweise ist der Film entweder ein dichter oder ein poröser Film.
Vorzugsweise ist der Film entweder ein amorpher oder ein kristalliner Film.
Vorzugsweise ist der Film entweder ein einfacher Film, ein dotierter Film oder ein Mehrkomponentenfilm; im typischen Fall Nichtoxid- oder Oxidfilme.
Vorzugsweise ist der Film ein Kompositfilm.
Vorzugsweise ist der Film ein Film mit einem Gradienten in der Zusammensetzung.
Vorzugsweise ist der Film ein Mehrschichtenfilm.
Gemäss einer Ausführungsform ist der Film ein anorganischer Film.
Vorzugsweise ist der Film ein Keramikfilm, noch bevorzugter ein elektrokeramischer Film.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist der Film ein organischer Film.
Vorzugsweise ist der Film ein Polymerfilm.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform ist der Film ein Hybridfilm, beispielsweise ein organischer/anorganischer Film.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls eine Vorrichtung zur In-Situ-Abscheidung eines festen Films auf einem Substrat bereit, welche folgendes umfasst: einen Substrathalter zum Halten eines Substrats; eine Heizung zum Erhitzen des Substrats derart, dass ein fester Film abgeschieden werden kann; einen Aerosolerzeuger zur Erzeugung eines Aerosols, das Tröpfchen einer Materiallösung umfasst; eine Düsenbaugruppe, die mit dem Aerosolerzeuger in Verbindung steht und stromabwärts von diesem angeordnet ist, zur Abgabe des Aerosols an das Substrat; wobei die Düsenbaugruppe mindestens einen Auslass, durch den hindurch im Gebrauch die Abgabe eines gerichteten Aerosolstroms erfolgt, und mindestens eine Elektrode aufweist; und eine Hochspannungsversorgung zur Erzeugung eines elektrischen Felds zwischen dem Substrat und der mindestens einen Elektrode, so dass die Aerosoltröpfchen mit einer positiven oder negativen Ladung geladen werden, und der gerichtete Aerosolstrom zum Substrat hin angezogen wird.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung derart konfiguriert, dass ein abnehmender Temperaturgradient in der Richtung vom Substrat weg und auf die Düsenbaugruppe zu aufrechterhalten wird.
Vorzugsweise erstreckt sich die mindestens eine Elektrode stromaufwärts von dem mindestens einen Auslass.
Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Elektrode ein längliches Element.
Vorzugsweise sitzt das distale Ende der mindestens einen Elektrode im Wesentlichen im Zentrum des mindestens einen Auslasses.
Gemäss einer Ausführungsform weist das distale Ende der mindestens einen Elektrode eine einzige Spitze auf.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform weist das distale Ende der mindestens einen Elektrode mehrere Spitzen auf.
Vorzugsweise weist die Düsenbaugruppe einen rohrförmigen Abschnitt stromaufwärts von jedem Auslass auf.
Noch bevorzugter ist der rohrförmige Abschnitt ein länglicher Abschnitt.
Noch bevorzugter ist der rohrförmige Abschnitt ein gerader Abschnitt.
Noch bevorzugter ist der rohrförmige Abschnitt im Wesentlichen zylinderförmig.
Noch bevorzugter erstreckt sich die mindestens eine Elektrode im Wesentlichen vollständig durch den zugehörigen rohrförmigen Abschnitt.
Noch bevorzugter erstreckt sich die mindestens eine Elektrode im Wesentlichen entlang der Mittelachse des zugehörigen rohrförmigen Abschnitts.
Noch bevorzugter besteht mindestens die innere Oberfläche des rohrförmigen Abschnittes aus einem isolierenden Material.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner eine mit dem Aerosolerzeuger in Verbindung stehende Gasversorgung zur Bereitstellung eines Trägergasstroms, um das Aerosol mitzuführen und dieses durch die Düsenbaugruppe hindurch abzugeben.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Auslass nach oben, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht nach oben, gerichtet.
Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen dem mindestens einen Auslass und dem Substrat weniger als ungefähr 100 mm, noch bevorzugter weniger als ungefähr 50 mm.
Gemäss einer Ausführungsform werden die Düsenbaugruppe und das Substrat fest zueinander ausgerichtet gehalten.
Gemäss einer weiteren Ausführungsform sind die Düsenbaugruppe und das Substrat derart konfiguriert, dass sie gegeneinander bewegt werden können.
Noch bevorzugter kann der Substrathalter bezüglich der Düsenbaugruppe gedreht, gekippt und/oder verschoben werden.
Vorzugsweise weist die Düsenbaugruppe ein gelochtes Teil stromaufwärts von dem mindestens einen Auslass auf. Gemäss einer Ausführungsform umfasst das gelochte Teil ein Gitternetz.
Im Gegensatz zu der in der WO-A-97/21848 offenbarten ESAVD-Technik können bei der vorliegenden Erfindung sowohl wässrige als auch nichtwässrige Präkursorlösungen und insbesondere kolloidale Sol-Lösungen verwendet werden, und sie ermöglicht weitaus höhere Abscheidungsraten, im typischen Fall mindestens eine doppelt so hohe Rate wie sie mittels der ESAVD-Technik erzielt werden kann. Des weiteren lassen sich dabei im Gegensatz zu der Abscheidungstechnik gemäss EP-A-0103505 kristalline, insbesondere dichte Filme in einem einzigen Durchlauf erzeugen, ohne das Erfordernis einer nach der Abscheidung stattfindenden Wärmebehandlung. Des weiteren ist im Gegensatz zu der voranstehend erwähnten Korona-Sprühpyrolyseabscheidungstechnik eine organische Präkursorlösung nicht unbedingt erforderlich und bei der nach oben, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht nach oben, gerichteten Aerosolzuführung auf ein nach unten gerichtetes Substrat kann eine stabilere thermische Umgebung an der Oberfläche des Substrats aufrechterhalten werden, um eine präzisere Regelung der Filmabscheidung zu ermöglichen und damit einen verbesserten Film bereitzustellen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde eine Abscheidungseffizienz von mindestens 90 % erzielt, was die Produktkosten senkt und den Verlust der möglicherweise schädlichen Präkursormaterialien an die Umwelt minimiert.
Es folgt nunmehr eine lediglich beispielhafte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Filmabscheidungsvorrichtung gemäss einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Schnittansicht des Auslassendes der Düsenbaugruppe der Filmabscheidungsvorrichtung von 1;
3 eine Schnittansicht des Einlassendes der Düsenbaugruppe der Filmabscheidungsvorrichtung von 1;
4 eine Endansicht des Einlassendes der Düsenbaugruppe der Filmabscheidungsvorrichtung von 1;
5 eine Schnittansicht des Auslassendes einer modifizierten Düsenbaugruppe für die Filmabscheidungsvorrichtung von 1;
6 eine schematische Darstellung einer Filmabscheidungsvorrichtung gemäss einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 ein Röntgenbeugungsdiagramm eines gemäss Beispiel 1 hergestellten BaZrO₃-Films;
8(a) und (b) Oberflächen-rasterelektronenmikroskopisch erstellte Mikrographien von Oberfläche und Querschnitt eines gemäss Beispiel 2 hergestellten CdS-Films; und
9(a) und (b) _Oberflächen-rasterelektronenmikroskopisch erstellte Mikrographien von Oberfläche und Querschnitt eines gemäss Beispiel 3 hergestellten porösen SiO₂-Films.
1 zeigt eine Filmabscheidungsvorrichtung gemäss einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Filmabscheidungsvorrichtung umfasst eine Heizung 1, bei dieser Ausführungsform einen Röhrenofen, zur Bereitstellung einer geheizten Zone sowie einen Substrathalter 3 zum Halten eines Substrats 5 in der geheizten Zone, um einen abnehmenden Temperaturgradienten in einer Richtung weg von der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats 5 zu erhalten. Der Substrathalter 3 ist bezüglich der Heizung beweglich angeordnet, um eine Änderung sowohl der Temperatur als auch des Temperaturgradienten an der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats 5 zu ermöglichen. Bei dieser Ausführungsform ist der Substrathalter 3 auch entlang der Längsachse der Heizung 1 drehbar angeordnet, um einem Ende der Heizung 1 eine bewegliche Oberfläche des zu beschichtenden Substrats 5 zu präsentieren und somit eine einheitlichere Filmabscheidung zu ermöglichen.
Die Filmabscheidungsvorrichtung umfasst des weiteren eine Motoreinheit 7, welche derart mit dem Substrathalter 3 gekoppelt ist, dass dieser bei deren Betrieb gedreht wird, und einen Rechner 9 zur Steuerung des Betriebs der Motoreinheit 7.
Wie insbesondere anhand der 2 bis 4 zu erkennen ist, umfasst die Filmabscheidungsvorrichtung des weiteren eine Düsenbaugruppe 11 zur Abgabe eines gerichteten Aerosolstroms an das zu beschichtende Substrat 5.
Die Düsenbaugruppe 11 umfasst einen rohrförmigen Abschnitt 15, bei dieser Ausführungsform einen länglichen zylinderförmigen Abschnitt, mit einer Einlassöffnung 17 an seinem einen Ende, durch die ein Aerosolstrom eingeleitet wird, und einer Auslassöffnung 18 an seinem anderen Ende, durch die ein gerichteter Aerosolstrom auf das zu beschichtende Substrat 5 geleitet wird, wobei die innere Geometrie des rohrförmigen Abschnitts 15 derart ist, dass der Aerosolstrom eine Bündelung erfährt. Der Abstand zwischen der Auslassöffnung 18 der Düsenbaugruppe 11 und dem Substrat 5 beträgt vorzugsweise weniger als 100 mm, noch bevorzugter weniger als 50 mm, und noch bevorzugter nicht mehr als 20 mm. Der rohrförmige Abschnitt 15 besteht aus einem nichtleitenden, isolierenden Material, beispielsweise Keramik, Glas oder Quarz, das den von der Heizung 1 erzeugten hohen Temperaturen standhalten kann. Die Düsenbaugruppe 11 umfasst des weiteren ein gelochtes Element 19, das an der Einlassöffnung 17 des rohrförmigen Abschnitts 15 angeordnet ist, wobei die Strombahn durch den rohrförmigen Abschnitt 15 hindurch durch die Lochungen 20 in dem gelochten Element 19 verläuft. Das gelochte Element 19 ist ein leitendes Element, vorzugsweise aus Aluminium, Edelstahl oder einer mit Indiumzinnoxid beschichteten Platte. Die Düsenbaugruppe 11 umfasst des weiteren eine Elektrode 21, bei dieser Ausführungsform ein längliches Element, beispielsweise ein Draht, mit einer einzigen scharf zulaufenden Spitze, die am gelochten Element 19 befestigt ist und koaxial durch die Länge des rohrförmigen Abschnitt 15 hindurch verläuft, wobei sich bei dieser Ausführungsform dessen Spitze stromabwärts von der Auslassöffnung 18 befindet. Die Elektrode 21 kann aus jedwedem leitfähigen Material hergestellt sein, bevorzugt besteht sie jedoch aus Aluminium, Edelstahl oder Wolfram. Bei der modifizierten Düsenbaugruppe 11, wie sie in 5 dargestellt ist, kann die Elektrode 21 mit mehreren Spitzen versehen sein.
Die Filmabscheidungsvorrichtung umfasst des weiteren einen Aerosolerzeuger 25 zur Bereitstellung eines Aerosolstroms an die Einlassöffnung 17 der Düsenbaugruppe 11. Der Aerosolerzeuger 25 umfasst eine Kammer 27 mit einer ersten und einer zweiten Einlassöffnung 29, 31 und einer Auslassöffnung 33, die an der Einlassöffnung 17 der Düsenbaugruppe 11 angeschlossen ist, und bildet einen Behälter 35 zur Aufnahme einer zu einem Aerosol zu vernebelnden Präkursorlösung 37 und einen oberen Raum 39, in dem sich ein Aerosol bei dessen Erzeugung sammelt. Der Aerosolerzeuger 25 umfasst ferner einen Flüssigkeitsstandsregler 41, der über eine Leitung 42 an der ersten Einlassöffnung 29 der Kammer 27 angeschlossen ist, um ein konstantes Volumen der Präkursorlösung 37 im Behälter 35 aufrechtzuerhalten. Der Aerosolerzeuger 25 umfasst des weiteren einen piezoelektrischen Wandler 43, der von einer Stromquelle 44 betrieben wird und über ein Transfermedium 45, beispielsweise Wasser, das von der Präkursorlösung 37 separat aufbewahrt wird, mit dem Behälter 35 in Verbindung steht, so dass bei Betrieb des piezoelektrischen Wandlers 43 eine Ultraschallanregung der flüssigen Präkursorlösung 37 zur Bildung eines Aerosols im oberen Raum 39 stattfindet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der piezoelektrische Wandler 43 mit einer Frequenz im Bereich von 1,7 bis 3 MHz betrieben, wodurch sich Aerosole mit einem Durchfluss von mehr als 5 ml pro Minute mit einer Tröpfchengröße von unter 2 μm und einer engen Größenverteilung ergeben. Der Aerosolerzeuger 25 umfasst ferner eine Gasversorgung 47, die über eine Zuführleitung 49 an die zweite Einlassöffnung 31 der Kammer 27 angeschlossen ist, um einen Trägergasstrom durch die Kammer 27 hindurch bereitzustellen, damit das im oberen Raum 39 befindliche Aerosol mitgeführt und über die Düsenbaugruppe 11 zum Substrat 5 befördert wird. Bei dieser Ausführungsform weist die Zuführleitung 49 ein Flussregelventil 51 zur Regelung der Durchflussrate des Aerosols an das Substrat 5 auf. Vorzugsweise umfasst das Trägergas mindestens ein Element aus der Gruppe Luft, Ar, H₂S, N₂, NH₃ und O₂. Bei einer alternativen Ausführungsform könnte anstelle von oder zusätzlich zu der Gasversorgung 47 ein Druckverringerungsmittel, beispielsweise eine Vakuumpumpe, zum Anlegen eines Unterdrucks an die Auslassöffnung 18 des rohrförmigen Abschnitts 15 vorgesehen sein, um das Aerosol als Strom durch diesen hindurch zu ziehen.
Die Filmabscheidungsvorrichtung umfasst des weiteren eine zwischen der Elektrode 21 und dem Substrat 5 geschaltete Hochspannungs-Gleichstromversorgung 53 zur Bildung eines elektrischen Felds zwischen diesen beiden Teilen, wobei durch dieses elektrische Feld die Aerosoltröpfchen bei deren Verlauf an der Elektrode 21 vorbei geladen werden und die geladenen Tröpfchen beim Austritt aus der Auslassöffnung 18 der Düsenbaugruppe 11 zum Substrat 5 hin angezogen werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die zwischen der Elektrode 21 und dem Substrat 5 angelegte Spannung 10 kV bis 30 kV.
Im Gebrauch wird der Aerosolerzeuger 25 derart betrieben, dass ein Gasstrom entsteht, der Aerosoltröpfchen durch die Düsenbaugruppe 11 hindurch mit sich führt, wobei dieser durch die Düsenbaugruppe 11 hindurch verlaufende Strom einen gerichteten Aerosolstrom von der Auslassöffnung 18 des rohrförmigen Abschnitts 15 bereitstellt und bewirkt, dass die Aerosoltröpfchen bei deren Verlauf an der Elektrode 21 vorbei geladen werden. Beim Austritt aus der Auslassöffnung 18 der Düsenbaugruppe 11 werden die geladenen Aerosoltröpfchen zum Substrat 5 hin angezogen, wobei die Flussrate des Aerosols und die Temperatur und der Temperaturgradient an der Oberfläche des Substrats 5 optimal eingestellt sind, so dass sich die gewünschten Filmeigenschaften ergeben, im typischen Fall entweder ein poröser oder ein dichter fester Film. Bei bevorzugten Ausführungsformen können die thermische Umgebung und die Geschwindigkeit des gerichteten Aerosolstroms derart konfiguriert bzw. gewählt werden, dass die Aerosoltröpfchen nahe an der Oberfläche des Substrats 5 verdampft/zersetzt werden oder vor der Verdampfung/Zersetzung auf der Oberfläche des Substrats 5 aufschlagen. Dieser Prozess läuft weiter, bis ein Film der erforderlichen Dicke auf dem Substrat 5 erhalten wurde.
6 zeigt eine Filmabscheidungsvorrichtung gemäss einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die besondere Anwendung bei der Abscheidung von Filmen auf großflächigen Substraten findet.
Die Filmabscheidungsvorrichtung umfasst eine Heizung 101, bei dieser Ausführungsform eine Widerstandsheizung, und einen Substrathalter 103 zum Halten eines an der Heizung 101 angebrachten Substrats 105, um einen abnehmenden Temperaturgradienten in von der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats 105 wegverlaufender Richtung zu erhalten. Bei dieser Ausführungsform weist der Substrathalter 103 ein isolierendes Element 106 auf, das nach vorne um die Peripherie des Substrats 105 herum verläuft und derart konfiguriert ist, dass eine gleichförmige Temperatur und ein gleichförmiger Temperaturgradient an der Oberfläche des zu beschichtenden Substrats 105 aufrechterhalten wird. Obwohl bei dieser Ausführungsform das Substrat 105 durch Kontaktheizung erhitzt wird, könnten in diesem Fall auch Widerstandsheizung, kontaktfreie Heizung, beispielsweise mittels eines Infrarotstrahlers, zur Erhitzung des Substrats 105 eingesetzt werden.
Die Filmabscheidungsvorrichtung umfasst des weiteren eine Düsenbaugruppe 111 zur Abgabe eines gerichteten Aerosolstroms an das zu beschichtende Substrat 105. Die Düsenbaugruppe 111 ist von der selben Art, wie sie bei der Filmabscheidungsvorrichtung der voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsform verwendet wurde, wobei entsprechende Bezugsziffern zur Bezeichnung gleicher Teile verwendet werden. Die Düsenbaugruppe 111 umfasst einen rohrförmigen Abschnitt 115, bei dieser Ausführungsform einen länglichen zylinderförmigen Abschnitt, mit einer Einlassöffnung 117 an dessen einem Ende, durch die ein Aerosolstrom eingeleitet wird, sowie einer Auslassöffnung 118 an dessen anderem Ende, durch die ein gerichteter Aerosolstrom an das zu beschichtende Substrat 105 geleitet wird, wobei die innere Geometrie des rohrförmigen Abschnitts 115 derart ist, dass der Aerosolstrom eine Bündelung erfährt. Der Abstand zwischen der Auslassöffnung 118 der Düsenbaugruppe 111 und dem Substrat 105 beträgt dabei vorzugsweise weniger als 100 mm, bevorzugter weniger als 50 mm, und noch bevorzugter nicht mehr als 20 mm. Der rohrförmige Abschnitt 115 besteht aus einem nichtleitenden, isolierendem Material, beispielsweise Keramik, Glas oder Quarz, das den von der Heizung 101 erzeugten hohen Temperaturen standhalten kann. Die Düsenbaugruppe 111 umfasst des weiteren ein gelochtes Element 119, das an der Einlassöffnung 117 des rohrförmigen Abschnitts 115 angeordnet ist, wobei die Strombahn durch den rohrförmigen Abschnitt 115 hindurch durch die Lochungen 120 in dem gelochten Element 119 verläuft. Das gelochte Element 119 ist ein leitendes Element, vorzugsweise aus Aluminium, Edelstahl, Wolfram oder einer mit Indiumzinnoxid beschichteten Platte. Die Düsenbaugruppe 111 umfasst des weiteren eine Elektrode 121, bei dieser Ausführungsform ein längliches Element, beispielsweise ein Draht, mit einer einzigen scharf zulaufenden Spitze, die am gelochten Element 119 befestigt ist und koaxial durch die Länge des rohrförmigen Abschnitts 115 hindurch verläuft, wobei sich bei dieser Ausführungsform dessen Spitze stromabwärts von der Auslassöffnung 118 befindet. Die Elektrode 121 kann aus jedwedem leitfähigen Material hergestellt sein, bevorzugt besteht sie jedoch aus Aluminium, Edelstahl oder Wolfram. Bei einer modifizierten Düsenbaugruppe 111, wie sie in 5 dargestellt ist, kann die Elektrode 121 mit mehreren Spitzen versehen sein.
Die Filmabscheidungsvorrichtung umfasst des weiteren einen Aerosolerzeuger 125 zur Bereitstellung eines Aerosolstroms an die Einlassöffnung 117 der Düsenbaugruppe 111. Der Aerosolerzeuger 125 umfasst eine Kammer 127 mit einer ersten und einer zweiten Einlassöffnung 129, 131 und einer Auslassöffnung 133, die über ein flexibles rohrförmiges Element 134 an der Einlassöffnung 117 der Düsenbaugruppe 111 angeschlossen ist, und bildet einen Behälter 135 zur Aufnahme einer zu einem Aerosol zu vernebelnden Präkursorlösung 137 und einen oberen Raum 139, in dem sich ein Aerosol bei dessen Erzeugung sammelt. Der Aerosolerzeuger 125 umfasst ferner einen Flüssigkeitsstandregler 141, der über eine Leitung 142 an der ersten Einlassöffnung 129 der Kammer 127 angeschlossen ist, um ein konstantes Volumen der Präkursorlösung 137 im Behälter 135 aufrechtzuerhalten. Der Aerosolerzeuger 125 umfasst des weiteren einen piezoelektrischen Wandler 143, der von einer Stromquelle 144 betrieben wird und über ein Transfermedium 145, beispielsweise Wasser, das von der Präkursorlösung 137 separat aufbewahrt wird, mit dem Behälter 135 in Verbindung steht, so dass bei Betrieb des piezoelektrischen Wandlers 143 eine Ultraschallanregung der flüssigen Präkursorlösung 137 zur Erzeugung eines Aerosols im oberen Raum 139 erfolgt. Der Aerosolerzeuger 125 umfasst ferner eine Gasversorgung 147, die über eine Zuführleitung 149 mit der zweiten Einlassöffnung 131 der Kammer 127 verbunden ist, um einen Strom eines Trägergases durch die Kammer 127 hindurch bereitzustellen, durch den das im oberen Raum 139 befindliche Aerosol mitgeführt und über die Düsenbaugruppe 111 zum Substrat 105 befördert wird. Bei dieser Ausführungsform weist die Zuführleitung 149 ein Durchflussregelventil 151 zur Regelung der Durchflussmenge des an das Substrat 105 zugeführten Aerosols auf. Vorzugsweise umfasst das Trägergas mindestens ein Element aus der Gruppe Luft, Ar, H₂S, N₂, NH₃ und O₂. Bei einer alternativen Ausführungsform könnte anstelle von oder zusätzlich zu der Gasversorgung 147 ein Druckverringerungsmittel, beispielsweise eine Vakuumpumpe, zum Anlegen eines Unterdrucks an der Auslassöffnung 118 des rohrförmigen Abschnitts 115 vorgesehen sein, um das Aerosol als Strom durch diesen hindurch zu ziehen.
Die Filmabscheidungsvorrichtung umfasst des weiteren eine zwischen der Elektrode 121 und dem Substrat 105 geschaltete Hochspannungs-Gleichstromversorgung 153 zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen diesen beiden Elementen, durch welches die Aerosoltröpfchen bei deren Verlauf an der Elektrode 121 vorbei geladen werden und die geladenen Tröpfchen beim deren Austritt aus der Auslassöffnung 118 der Düsenbaugruppe 111 zum Substrat 105 hin angezogen werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die zwischen der Elektrode 121 und dem Substrat 105 angelegte Spannung 10 kV bis 30 kV.
Die Filmabscheidungsvorrichtung umfasst ferner einen mit der Düsenbaugruppe 111 verbundenen XYZ-Tisch 155 zur Ermöglichung einer Bewegung der Düsenbaugruppe 111 relativ zum Substrat 105 bei der Beschichtung großflächiger und nichtebener Substrate, und einen Rechner 157 zur Steuerung des XYZ-Tischs 155. Im Falle eben geformter Substrate 105 könnte der XYZ-Tisch 155 durch einen XY-Tisch ersetzt werden.
Im Gebrauch wird der Aerosolerzeuger 125 derart betrieben, dass ein Gasstrom entsteht, der Aerosoltröpfchen durch die Düsenbaugruppe 111 hindurch mit sich führt, wobei dieser Strom durch die Düsenbaugruppe 111 hindurch einen gerichteten Aerosolstrom von der Auslassöffnung 118 des rohrförmigen Abschnitts 115 bereitstellt und bewirkt, dass die Aerosoltröpfchen bei deren Verlauf an der Elektrode 121 vorbei geladen werden. Beim Austritt aus der Auslassöffnung 118 der Düsenbaugruppe 111 werden die geladenen Aerosoltröpfchen zum Substrat 105 hin angezogen, wobei die Aerosoldurchflussrate und die Temperatur und der Temperaturgradient an der Oberfläche des Substrats 105 optimal eingestellt sind, so dass sich die gewünschten Filmeigenschaften ergeben, im typischen Fall entweder ein poröser oder ein dichter fester Film. Bei bevorzugten Ausführungsformen können die thermische Umgebung und die Geschwindigkeit des gerichteten Aerosolstroms derart konfiguriert bzw. gewählt werden, dass die Aerosoltröpfchen nahe an der Oberfläche des Substrats 105 verdampft/zersetzt werden oder vor der Verdampfung/Zersetzung auf der Oberfläche des Substrats 105 aufschlagen. Dieser Prozess läuft weiter, bis ein Film der erforderlichen Dicke auf dem Substrat 105 erhalten wurde.
Die vorliegende Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die nachfolgenden, nicht einschränkenden Beispiele beschrieben.
Beispiel 1
Es wurde zunächst wie folgt eine nichtwässrige Präkursorlösung für die Abscheidung eines BaZro₃-Films hergestellt. (Von der Firma Aldrich erhältliches) Bariummetall wurde in einem Volumen von 2-Methoxyethanol (von der Firma Aldrich bezogen) durch Rühren bei Zimmertemperatur unter Bildung einer Bariumalkoxidlösung vollkommen aufgelöst. Eine stöchiometrische Menge Zirkonium-n-Propoxid, eine Lösung mit 70 Gew.-% in n-Propanol (von der Firma Aldrich erhältlich) wurde dann der Barium-Methoxyoxidlösung zugegeben und über einen Zeitraum von fünf Stunden bei 124°C, dem Siedepunkt von 2-Methoxyethanol, zurückfließen gelassen. Anschließend wurde der zurückgeflossenen Lösung ein Volumen von 2-Methoxyethanol zugegeben, um eine 0,05 M Präkursorlösung zu erhalten. Unter Verwendung der Vorrichtung gemäss der als erstes beschriebenen Ausführungsform und der derart hergestellten Lösung wurde ein BaZrO₃-Film auf einem Silbersubstrat 5 abgeschieden, mit einer Substrattemperatur von 600°C, einem Abstand von 30 mm zwischen Substrat 5 und Düsenbaugruppe 11, einer elektrischen Feldspannung von 10 kV, wobei der piezoelektrische Wandler 43 des Aerosolerzeugers 25 mit einer Frequenz von 1,7 MHz und einer Leistung von 50 W betrieben wurde, und unter Zuführung von Stickstoff in einer Menge von 30 ml pro Minute als Trägergas. Stickstoff wurde als Trägergas eingesetzt, um die Reaktion zwischen dem Barium und dem Kohlenstoffdioxid in der Luft zu minimieren. Der entstandene Film, der in einem einzigen Durchlauf ohne das Erfordernis einer Wärmebehandlung nach Abscheidung gebildet wurde, war ein kristalliner BaZrO₃-Film, wie er durch das in 7 dargestellte Röntgenbeugungsdiagramm gekennzeichnet ist.
Beispiel 2
Es wurde zunächst unter Verwendung von Cadmiumchlorid und Thioharnstoff eine 0,01 M wässrige Präkursorlösung für die Abscheidung eines CdS-Films hergestellt. Unter Verwendung der Vorrichtung gemäss der als zweites beschriebenen Ausführungsform und der derart hergestellten Lösung wurde ein CdS-Film auf einem Glassubstrat 105 abgeschieden, mit einer Substrattemperatur von 450°C, einem Abstand von 20 mm zwischen Substrat 105 und Düsenbaugruppe 111, einer elektrischen Feldspannung von 10 kV, wobei der piezoelektrische Wandler 143 des Aerosolerzeugers 125 mit einer Frequenz von 1,7 MHz und einer Leistung von 50 W betrieben wurde, einer Abscheidungszeit von fünf Minuten, und unter Zuführung von Luft in einer Menge von 50 ml pro Minute als Trägergas. Der entstandene Film, der in einem einzigen Durchlauf ohne das Erfordernis einer Wärmebehandlung nach Abscheidung gebildet wurde, war ein dichter, kristalliner CdS-Film mit einer Dicke von ca. 1 μm, mit säulenartiger Struktur und einer glatten und gleichmäßigen Oberfläche. Oberflächen-rasterelektronenmikroskopisch erzeugte Mikrographien des entstandenen Films sind in den 8(a) und (b) gezeigt.
Beispiel 3
Zur Herstellung einer wässrigen Präkursorlösung mit einer Konzentration von 0,1 g/ml für die Abscheidung eines SiO₂-Films wurde eine kolloidale Kieselsäurelösung (Ludox^TM, erhältlich von DuPont) mit destilliertem Wasser verdünnt. Unter Verwendung der Vorrichtung gemäss der als zweites beschriebenen Ausführungsform und der derart hergestellten Lösung wurde ein SiO₂-Film auf einem Glassubstrat 105 abgeschieden, mit einer Substrattemperatur von 200°C, einem Abstand von 20 mm zwischen Substrat 105 und Düsenbaugruppe 111, einer elektrischen Feldspannung von 10 kV, wobei der piezoelektrische Wandler 143 des Aerosolerzeugers 125 mit einer Frequenz von 1,7 MHz und einer Leistung von 20 W betrieben wurde, einer Abscheidungszeit von einer Minute, und unter Zuführung von Luft in einer Menge von 50 ml pro Minute als Trägergas. Der entstandene Film, der in einem einzigen Durchlauf ohne das Erfordernis einer Wärmebehandlung nach Abscheidung gebildet wurde, war ein poröser SiO₂-Film mit netzartiger Struktur. Oberflächen-rasterelektronenmikroskopisch erzeugte Mikrographien des entstandenen Films sind in den 9(a) und (b) gezeigt.
Abschließend wird noch darauf verwiesen, dass die vorliegende Erfindung anhand ihrer bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde und sie im Umfang der Erfindung – wie in den nachfolgenden Ansprüche definiert – auf vielerlei unterschiedliche Weisen modifiziert werden kann. Zum Beispiel könnten zur Beschichtung großflächiger oder komplex geometrisch geformter Substrate 5, 105 die Düsenbaugruppen 11, 111 derart modifiziert werden, dass sie mehrere Auslassöffnungen 18, 118 aufweisen, oder es könnte die Filmabscheidungsvorrichtung derart modifiziert werden, dass sie mehrere Düsenbaugruppen 11, 111 aufweist.

Claims

Verfahren des In-Situ-Abscheidens eines festen Films auf einem Substrat, das folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines Substrats; Heizen des Substrats, derart dass ein fester Film abgeschieden werden kann; Bereitstellen einer Düsenbaugruppe für die Abgabe des Aerosols an das Substrat; wobei die Düsenbaugruppe mindestens einen Auslass, durch den ein gerichteter Strom des Aerosols abgegeben wird, und mindestens eine Elektrode hat; Erzeugen eines Aerosols, das Tröpfchen einer Materiallösung umfasst, stromaufwärts der Düsenbaugruppe; Bereitstellen eines Durchflusses des Aerosols durch die Düsenbaugruppe derart, dass ein gerichteter Strom des Aerosols aus mindestens einem Auslass abgegeben wird; und Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen dem Substrat und der mindestens einen Elektrode derart, dass die Aerosoltröpfchen mit einer positiven oder negativen Ladung geladen werden und der gerichtete Aerosolstrom zum Substrat hin angezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat auf eine Temperatur von weniger als ungefähr 1050 °C, vorzugsweise weniger als ungefähr 800 °C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat während der Abscheidung geheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die thermische Umgebung so ist, dass ein abnehmender Temperaturgradient in der Richtung vom Substrat weg und auf die Düsenbaugruppe zu aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Materiallösung eine wässrige Lösung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Materiallösung eine nichtwässrige Lösung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Aerosoltropfen mindestens teilweise geladen sind, bevor sie aus dem mindestens einen Auslass herauskommen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Aerosoltropfen geladen sind, bevor sie aus dem mindestens einen Auslass herauskommen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Aerosoltropfen mindestens teilweise geladen sind, nachdem sie aus dem mindestens einen Auslass herauskommen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Aerosoltropfen von der mindestens einen Elektrode geladen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die mindestens eine Elektrode mindestens teilweise in jedem Aerosolstrom angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die mindestens eine Elektrode sich stromaufwärts des mindestens einen Auslasses erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die mindestens eine Elektrode ein längliches Element aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das distale Ende der mindestens einen Elektrode im Wesentlichen im Zentrum des mindestens einen Auslasses sitzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das distale Ende der mindestens einen Elektrode eine einzige Spitze aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das distale Ende der mindestens einen Elektrode eine Mehrzahl von Spitzen aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Düsenbaugruppe einen rohrförmigen Abschnitt stromaufwärts von jedem Auslass aufweist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der rohrförmige Abschnitt ein länglicher Abschnitt ist.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei der rohrförmige Abschnitt ein gerader Abschnitt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der rohrförmige Abschnitt im Wesentlichen zylinderförmig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei die mindestens eine Elektrode sich im Wesentlichen vollständig durch den zugehörigen rohrförmigen Abschnitt erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die mindestens eine Elektrode sich im Wesentlichen entlang der Mittelachse des zugehörigen rohrförmigen Abschnittes erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei mindestens die innere Oberfläche des rohrförmigen Abschnittes aus einem isolierenden Material besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Aerosolstrom bereitgestellt wird, indem das Aerosol in einem Strom von Trägergas, das der Düsenbaugruppe zugeführt wird, mitgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Aerosolstrom bereitgestellt wird, indem ein Unterdruck an den mindestens einen Auslass angelegt wird, so dass das Aerosol in einem Strom des Trägergases, das durch die Düsenbaugruppe gesaugt wird, mitgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei das Trägergas ein Gas ist, das mit der Materiallösung reagiert.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei das Trägergas ein Gas ist, das mit der Materiallösung nicht reagiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, wenn es Anspruch 4 unterliegt, wobei der Trägergasstrom derart bereitgestellt wird, dass der abnehmende Temperaturgradient aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei das Aerosol so an das Substrat abgegeben wird, dass eine Filmwachstumsrate von mindestens 0,2 μm pro Minute, bevorzugt von mindestens 1 μm pro Minute, insbesondere bevorzugt von mindestens 2 μm pro Minute erzielt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, wobei der Durchfluss durch den mindestens einen Auslass mindestens 5 ml pro Minute, vorzugsweise mindestens 50 ml pro Minute beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei die Düsenbaugruppe so ausgeführt ist, dass der gerichtete Aerosolstrom aus dem mindestens einen Auslass nach oben gerichtet ist, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht nach oben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31, wobei die Düsenbaugruppe ein gelochtes Teil stromaufwärts des mindestens einen Auslasses aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 32, wobei die angelegte Spannung weniger als ungefähr 35 kV, vorzugsweise weniger als ungefähr 20 kV beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 33, wobei die Entfernung zwischen dem mindestens einen Auslass und dem Substrat weniger als ungefähr 100 mm, vorzugsweise weniger als ungefähr 50 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 34, wobei das Substrat gegenüber der Düsenbaugruppe unbeweglich gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 34, das als zusätzlichen Schritt das Bewegen der Düsenbaugruppe gegenüber dem Substrat beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei das Substrat gedreht, gekippt und/oder gegenüber der Düsenbaugruppe verschoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 37, wenn es bei atmosphärischem Druck ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 37, wenn es bei weniger als atmosphärischem Druck ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 37, wenn es bei mehr als atmosphärischem Druck ausgeführt wird.
Vorrichtung für das In-Situ-Abscheiden eines festen Films auf einem Substrat, die Folgendes aufweist: einen Substrathalter zum Halten des Substrats; eine Heizung zum Heizen des Substrats, derart dass ein fester Film abgeschieden werden kann; einen Aerosolerzeuger zur Erzeugung eines Aerosols, das Tröpfchen einer Materiallösung umfasst; eine Düsenbaugruppe, die mit dem Aerosolerzeuger zusammenhängt, und stromabwärts von ihm angeordnet ist, für die Abgabe des Aerosols an das Substrat; wobei die Düsenbaugruppe mindestens einen Auslass, durch den bei der Anwendung ein gerichteter Strom des Aerosols abgegeben wird, und mindestens eine Elektrode hat; und eine Hochspannungsversorgung, um ein elektrisches Feld zwischen dem Substrat und der mindestens einen Elektrode zu erzeugen, so dass die Aerosoltröpfchen mit einer positiven oder negativen Ladung geladen werden, und der gerichtete Aerosolstrom zum Substrat hin angezogen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 41, die so ausgeführt ist, dass ein abnehmender Temperaturgradient in der Richtung vom Substrat weg und auf die Düsenbaugruppe zu aufrechterhalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 41 oder 42, wobei die mindestens eine Elektrode sich stromaufwärts des mindestens einen Auslasses erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 43, wobei die mindestens eine Elektrode ein längliches Element aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 44, wobei das distale Ende der mindestens einen Elektrode im Wesentlichen im Zentrum des mindestens einen Auslasses sitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 45, wobei das distale Ende der mindestens einen Elektrode eine einzige Spitze aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 45, wobei das distale Ende der mindestens einen Elektrode eine Mehrzahl von Spitzen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 47, wobei die Düsenbaugruppe einen rohrförmigen Abschnitt stromaufwärts eines jeden Auslasses aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 48, wobei der rohrförmige Abschnitt ein länglicher Abschnitt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 48 oder 49, wobei der rohrförmige Abschnitt ein gerader Abschnitt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 48 bis 50, wobei der rohrförmige Abschnitt im Wesentlichen zylinderförmig ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 48 bis 51, wobei die mindestens eine Elektrode sich im Wesentlichen vollständig durch den zugehörigen rohrförmigen Abschnitt erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 48 bis 52, wobei die mindestens eine Elektrode sich im Wesentlichen entlang der Mittelachse des zugehörigen rohrförmigen Abschnittes erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 48 bis 53, wobei mindestens die innere Oberfläche des rohrförmigen Abschnittes aus einem isolierenden Material besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 54, die zusätzlich eine Gasversorgung in Verbindung mit dem Aerosolgenerator aufweist, um einen Strom von Trägergas bereitzustellen, um das Aerosol mitzuführen und es durch die Düsenbaugruppe abzugeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 55, wobei der mindestens eine Auslass nach oben gerichtet ist, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht nach oben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 56, wobei die Entfernung zwischen dem mindestens einen Auslass und dem Substrat weniger als ungefähr 100 mm, vorzugsweise weniger als ungefähr 50 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 57, wobei die Düsenbaugruppe und das Substrat in fester Anordnung zueinander gehalten werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 57, wobei die Düsenbaugruppe und das Substrat so ausgeführt sind, dass sie gegeneinander bewegt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 59, wobei das Substrat gegenüber der Düsenbaugruppe gedreht, gekippt und/ oder verschoben werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 60, wobei die Düsenbaugruppe ein gelochtes Teil stromaufwärts des mindestens einen Auslasses aufweist.