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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperierung von band- und folienförmigen Substraten in einer Substratbehandlungsanlage, beispielsweise einer Anlage zum Auftragen einer Schicht auf das Substrat oder/und zum Abtragen einer Schicht vom Substrat. Dabei kann der Begriff „Temperierung” nachfolgend stets sowohl Kühlen wie auch Erwärmen bedeuten, selbst wenn im Zusammenhang mit einem bestimmten Anwendungsfall nur vom Kühlen oder nur vom Erwärmen gesprochen wird.
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Bestimmte Bänder und Folien, insbesondere metallische Bänder und Folien mit geringer Dicke sind als flexible Trägersubstrate für Funktionsschichten insbesondere in der Dünnschicht-Photovoltaik von zunehmendem Interesse. Mit Hilfe verschiedener Beschichtungsmethoden werden hierbei Dünnschichtsysteme auf die band- und folienförmigen Substrate, wie etwa Metallbänder und Metallfolien, aufgebracht.
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Bei der Abscheidung der Schichten dieser Dünnschichtsysteme erfolgt ein Energieeintrag in das Trägersubstrat, welcher auf Grund der geringen Dicke des Substrats und daraus folgend auf Grund der geringen Wärmekapazität pro Substratfläche zu einer kritischen Temperaturerhöhung des band- bzw. folienförmigen Substrats führen kann. Die Temperaturen können dadurch zum Zerreißen oder zur Verformung des Substrats führen oder auch unerwünschte Reaktionen oder Legierungsbildungen mit den Schichtmaterialien fördern.
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Um eine solche Überhitzung der band- oder folienförmigen Substrate zu vermeiden, wird der Beschichtungsvorgang auf einer Kühlwalze ausgeführt. Da bestimmte Substratfolien, insbesondere Metallfolien, sich aber nicht an die Kühlwalzenoberfläche anschmiegen, sondern nur punktuell aufliegen, ist der Wärmeübergang zwischen Substrat und Kühlwalze in vielen Fällen nicht hinreichend.
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Deshalb werden zum Beispiel Anstrengungen unternommen, mittels Bürsten die Wärmeübertragung zur Kühlkomponente zu verbessern. Dadurch können aber Beschädigungen und Verunreinigungen des Substrats entstehen. Weiter wird insbesondere bei Vakuumbeschichtungsverfahren versucht, Gas in das Zwickel zwischen Substrat und Kühlwalze einzulassen, um die Wärmeübertragung zu verbessern. Schließlich wird im Vakuum versucht, durch kompliziert geführte Gaseinleitungen zwischen das Substrat und die Kühlwalze vermittels eines Systems von Gasaustrittsöffnungen und Absaugöffnungen in der Kühlwalze eine verbesserte Wärmeübertragung zu erreichen. Der Aufbau der Kühlwalze verkompliziert sich aber dadurch in einem kaum noch angemessenen Umfang. Bei beiden Methoden des Gaseinlasses ist eine homogene und wiederholbar gleichmäßige Kühlwirkungsverbesserung auf Grund der fehlenden Substratelastizität kaum erzielbar bzw. kaum über längere Zeiträume aufrecht zu erhalten.
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Weiterhin wäre es wünschenswert, die Temperierung des Substrats gezielt einzustellen, um die Ausgestaltung der Schichtabscheidung auf dem Substrat kontrollieren zu können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Wärmeübertragung zwischen dem zu temperierenden band- oder folienförmigen Substrat und der Temperiereinrichtung zu intensivieren bei gleichzeitiger Vermeidung der oben genannten Nachteile. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine gezielte Temperierung des Substrats in Abhängigkeit von der jeweiligen Positionierung innerhalb der Substratbehandlungsanlage zu steuern.
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Die Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 und eine Substratbehandlungsanlage gemäß Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, dass in das Bandlaufwerk zur Führung des band- oder folienförmigen Substrats, etwa in Form eines Metallbands oder einer Metallfolie, mindestens ein zweiter Transport eines flexibel ausgestalteten Zwischenträgers, etwa in Form einer Folie, wie z. B. einer Kunststoff-Folie, integriert wird.
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Die Flexibilität bezieht sich hierbei auf die Biegsamkeit und Elastizität des Zwischenträgers, was wiederum eine Einbindung in das Transportsystem der Substratbehandlungsanlage ermöglicht. Dieser Zwischenträger wird im Wärmeübertragungsbereich zwischen Temperiereinrichtung und band- oder folienförmigem Substrat geführt und liegt als Zwischenlage während der Führung des band- oder folienförmigen Substrats über oder um die Temperiereinrichtung, welche beispielsweise bei Kühlung des Substrats als Kühlkörper oder Kühlwalze und bei Erwärmung des Substrats als Heizkörper oder Heizwalze ausgeführt sein kann, im Berührungs- oder Umschlingungsbereich und dient als Wärmeübertragungsmedium.
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Dadurch kann eine Verbesserung des Wärmeübergangs vom band- oder folienförmigen Substrat zur Temperiereinrichtung erreicht werden.
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Der Zwischenträger schmiegt sich auf Grund seiner Materialelastizität sowohl an die Temperiereinrichtung als auch an die Oberfläche des Substrats (z. B. der Metallfolie) an und vermittelt eine flächige Auflage als Wärmeübergangszone, ohne das Substrat bei Wärmedehnung oder Schrumpfung zu zerkratzen.
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Der Zwischenträger kann außerdem, insbesondere bei Vakuumprozessen, als Spender von Gas zur Verbesserung der Wärmeübertragung dienen, wenn er eine nutzbare Gasmenge speichern kann, die er im Vakuum unter Erwärmung durch den Kontakt mit dem zu temperierenden Substrat, z. B. einer Metallfolie, abgibt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Temperierung eines band- oder folienförmigen Substrats in einer Substratbehandlungsanlage, bei dem das band- oder folienförmigen Substrat während des Beschichtungsvorgangs einen Kontakt zu einer Temperiereinrichtung ausbildet, wodurch das Substrat temperiert wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierung des Substrats durch zumindest einen Zwischenträger erfolgt, wobei der Zwischenträger zumindest im Wärmeübertragungsbereich zwischen Temperiereinrichtung und Substrat angeordnet ist und fortlaufend bewegt wird.
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Das Prinzip der intensivierten Wärmeübertragung durch einen Zwischenträger lässt sich sowohl zur Temperierung während eines Beschichtungsprozesses einsetzen als auch zur Substrattemperierung vor oder nach einem Prozess zur Substratbehandlung oder Substratbeschichtung. Die Substratkühlung kann dabei das Ziel haben, die Substrattemperatur vor einem bestimmten durch Wärmeeintrag gekennzeichneten Prozess-Schritt ausreichend zu erniedrigen.
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Sie kann aber auch das Ziel haben, das band- bzw. folienförmige Substrat vor dem Aufwickeln auf eine tolerierbare Temperatur zu kühlen, bei welcher Wechselwirkungen zwischen Substratrückseite und Schichtoberfläche vermieden werden.
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Eine Temperierung erfolgt, wenn für einen bestimmten Prozess-Schritt eine bestimmte Ausgangstemperatur notwendig oder eine bestimmte Temperatur über einen bestimmten Zeitraum gehalten werden muss.
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Im Folgenden werden weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung benannt:
In einer Ausführungsform der Erfindung herrscht zumindest im Wärmeübertragungsbereich zwischen der Temperiereinrichtung und dem Zwischenträger und/oder zwischen dem Zwischenträger und dem Substrat keine Relativgeschwindigkeit vor.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Zwischenträger als Wärmeübertragungsmedium einmal oder auch mehrere Male verwendet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Substratbehandlungsanlage mehrere Temperiereinrichtungen, etwa in Form von Kühlwalzen auf, weshalb mehrere Zwischenträger, etwa in Form von Kunststoff-Folien, zum Einsatz kommen können.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Zwischenträger als Schutzlage gegen eine Substratrückseitenberührung der beschichteten Oberfläche des band- oder folienförmigen Substrats bei Aufwickeln des Substrats mit in den Substratwickel eingewickelt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Zwischenträger vor und/oder nach dem Wärmeübertragungsbereich als Wärmeübertragungsmedium selbst gekühlt. Dadurch ist eine entsprechende Temperierung des Zwischenträgers gegeben, was vorteilhaft bei der Temperierung des band- oder folienförmigen Substrats im Wärmeübertragungsbereich ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Zwischenträger über eine oder mehrere separate Rollen auf die Temperiereinrichtung geführt. Dies ist insbesondere vorteilhaft wenn eine separate Temperierung der Zwischenfolie erwünscht ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Zwischenträger gemeinsam mit dem band- oder folienförmigen Substrat auf die Temperiereinrichtung geführt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Temperierschritt gleichzeitig erfolgen soll.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Zwischenträger über ein Schleusensystem ein- und/oder ausgeschleust. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Zwischenträger durch eine separate Temperiereinrichtung, welche außerhalb der Beschichtungskammer angeordnet ist, gekühlt wird. Vorteile ergeben sich auch bei Verwendung eines Zwischenträgers, welcher als Endlosband ausgeführt ist und eine definierte Länge aufweist, was den Einsatz desselben Zwischenträgers in verschiedenen Beschichtungsstationen beispielsweise einer Durchlaufbeschichtungsanlage ermöglicht. Dabei ist eine Ein- und Ausschleusung des Zwischenträgers von einer Beschichtungsstation zur nächsten Beschichtungsstation erforderlich, insbesondere wenn die Beschichtung in einer Vakuumatmosphäre erfolgt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Dicke des Zwischenträgers an die Oberflächeneigenschaften des band- oder folienförmigen Substrats, z. B. eines Metallsubstrats, angepasst. Durch eine Variation der Dicke des Zwischenträgers in Abhängigkeit der Oberflächeneigenschaften des Substrats kann eine optimale Kühlung des Substrats während des Beschichtungsvorgangs erreicht werden. Die Temperierung des Substrats erfolgt dabei durch ein Zusammenspiel der Temperatur der Temperiereinrichtung, der Dicke des Zwischenträgers sowie dessen Material, was wiederum die Wärmeleitfähigkeit des Zwischenträgers bestimmt. Hierbei ist ein schneller Wärmeübergang vom Substrat auf den Zwischenträger wünschenswert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Zwischenträger so modifiziert, dass dieser eine hohe Affinität zur Bindung eines wärmeübertragenden Gases aufweist, welches bei bestimmten Temperaturen freigesetzt werden kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Zwischenträger Vorprozessen unterzogen, welche der zusätzlichen Aufnahme von einem oder mehrerer bestimmter Gase dienen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der Zwischenträger weiterhin dafür genutzt, um die Kühlwalze vor Beschichtung zu schützen, wenn das zu beschichtende Band- oder folienförmige Substrat bis zum Rand beschichtet werden soll.
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In einer weiteren Ausführungsform erfolgt der Wärmeübergang zwischen band- oder folienförmigen Substrat und Temperiereinrichtung in Abhängigkeit einer auf dem Zwischenträger aufgeprägten Strukturierung. Dabei erfolgt der Wärmeübergang und damit die Kühlung des Substrats in den strukturierten Bereichen, in denen eine Kontaktausbildung zwischen band- oder folienförmigen Substrat, Temperiereinrichtung und Zwischenträger erfolgt. Dabei kann durch die Verwendung von strukturierten Zwischenträgern der Wärmeübergang zwischen band- oder folienförmigen Substrat und Temperiereinrichtung punktuell variiert werden, wobei entsprechend der Strukturierung des Zwischenträgers der Wärmeübergang teilweise verbessert- an anderen Stellen gezielt vermieden wird, so dass bestimmte, von der Strukturierung des Zwischenträgers abhängige Eigenschaften des band- oder folienförmigen Substrats und gegebenenfalls deren Beschichtungen aufgeprägt werden.
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Dadurch werden zum Beispiel bei leicht verdampfenden Beschichtungsmaterialien bestimmte Bereiche gezielt be- bzw. entschichtet, so dass man eine flächig strukturierte Beschichtung auf dem band- oder folienförmigen Substrat erhält. Auch ist es möglich, in einem nachfolgenden Prozess eine selektive Entschichtung der thermisch vorstrukturierten Schicht vorzunehmen.
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In einer weiteren Ausführungsform lassen sich durch Kombination verschiedener Wärmebehandlungsstufen mit unterschiedlich strukturierten Zwischenträgern aus unterschiedlich strukturierten Einzelschichten strukturierte Schichtstapel auf dem band- oder folienförmigen Substrat herstellen. Dabei dient aufgrund der unterschiedlichen Ausgestaltung des Zwischenträgers die Strukturierung als quasi-Stempel oder Prägung zur Übertragung der Struktur beim Aufbringen von Schichten auf das band- oder folienförmige Substrat.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Temperiereinrichtung selbst eine Strukturierung auf, die während des Beschichtungsvorgangs aufgrund der Temperaturinhomogenitäten über die Substratbreite Einfluss auf die Abscheidung des verdampften Materials auf dem Substrat ausübt.
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In einer weiteren Ausführungsform können Beschichtungs- und Wärmebehandlungsstufen kombiniert aber auch einzeln nacheinander erfolgen.
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Die thermischen Prozesse, welche zur Erwärmung des Substrats beitragen, können Atmosphärendruckprozesse wie zum Beispiel Atmosphärendruck-CVD (Chemical Vapor Deposition) oder auch Vakuumprozesse sein.
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Die thermischen Prozesse, welche zur Erwärmung des Substrats beitragen, können zum Beispiel Bedampfungsprozesse mittels thermischer und/oder Elektronenstrahlverdampfer, Magnetronsputterprozesse, Laserbearbeitungsprozesse, LP-CVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) mit und ohne Plasmaanregung oder auch plasmaphysikalische und/oder thermische Vor- und Nachbehandlungsprozesse sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Temperiereinrichtung als Rotationskörper, etwa in Form eines Zylinders oder einer Walze ausgeführt, und wird während des Beschichtungsvorgangs fortlaufend um eine Rotationsachse bewegt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Beschichtung des band- oder folienförmigen Substrats in einer Durchlaufbeschichtungsanlage. Erfindungsgemäß umfasst die Durchlaufbeschichtungsanlage eine Vorrichtung zur Kühlung des band- oder folienförmigen Substrats, wobei ein Zwischenträger berührungsweise und thermisch einen Kontakt zwischen Temperiereinrichtung und Substrat ausbildet. Der Zwischenträger ist dabei band- oder folienförmig ausgebildet oder weist eine hinreichende Flexibilität und Elastizität auf, um zwischen Temperiereinrichtung und Substrat angeordnet werden zu können.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dient die Temperiereinrichtung der Temperierung des Zwischenträgers, wobei temperierbar hierbei bedeutet, dass eine gewünschte Temperatur eingestellt werden kann. Dabei ist sowohl eine Kühlung als auch eine Erwärmung des Substrats über die von der Temperiereinrichtung eingetragene Temperierung möglich.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Temperiereinrichtungen angeordnet, wodurch das Substrat an verschiedenen Positionen unterschiedlich temperiert wird. Dies kann etwa im Rahmen verschiedener Beschichtungs- und/oder Entschichtungsvorgänge vorteilhaft sein.
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In einer weiteren Ausführungsform sind verschiedene Zwischenträger mit separatem Antrieb angeordnet. Dadurch können voneinander unabhängig verschiedene Zwischenträger verwendet werden, etwa um verschiedene Strukturierungen nacheinander auf dem Substrat aufzubringen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Zwischenträger eine Strukturierung auf. Dies kann vorteilhaft sein, um Strukturen auf dem Zwischenträger aufzubringen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Temperiereinrichtung eine Strukturierung auf. Dadurch können vorteilhafterweise verschiedene Bereiche auf dem Substrat unterschiedlich temperiert werden, um etwa eine verbesserte Abscheidung des Verdampfungsmaterials in diesen Bereichen zu ermöglichen. Alternativ kann die Strukturierung auch zu Entschichtung bestimmter Bereiche auf dem Substrat verwendet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Durchlaufbeschichtungsanlage als Vakuumbeschichtungsanlage ausgeführt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Durchlaufbeschichtungsanlage einen modularen Aufbau auf. Vorzugsweise ist diese Durchlaufbeschichtungsanlage als Vakuumbeschichtungsanlage ausgeführt.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und dazugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Es zeigt die
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1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In den aufgeführten Ausführungsbeispielen sind beispielhaft einige erfindungsgemäße Ausgestaltungen der Vorrichtung und des Verfahrens aufgezeigt. Die Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung beschreiben ohne sich auf diese zu beschränken.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel ist in der 1 eine beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb einer nicht näher dargestellten Substratbehandlungsanlage, beispielsweise einer Durchlaufbeschichtungsanlage, dargestellt. Dabei wird in einer Beschichtungseinrichtung, die im Ausführungsbeispiel als Verdampfungsvorrichtung 1 ausgeführt ist, das zu verdampfende Material, beispielsweise ein organisches Material, etwa zur OLED oder OSC-Herstellung, erwärmt, verdampft und auf einem Substrat 3 abgeschieden. Das verdampfte Material 2 steigt dabei in Dampfform von der Verdampfungsvorrichtung 1 auf und wird auf dem oberhalb der Verdampfungsanordnung 1 angeordneten Substrat 3 abgeschieden. Das Substrat 3 ist dabei als band- oder folienförmiges Substrat, etwa als Metallfolie oder Kunststofffolie ausgeführt. Während der Abscheidung des verdampften Materials 2 auf dem Substrat 3 wird das Substrat 3 zur verbesserten Abscheidung und zur gleichzeitigen Vermeidung von Wärmeeffekten auf das folienförmige Substrat mittels einer Temperiereinrichtung 5, welche im Ausführungsbeispiel als Kühleinrichtung ausgeführt ist, gekühlt. Die Kühleinrichtung 5 ist hierbei als Kühlwalze ausgeführt, welche im Bereich der Abscheidung einen Kontakt zum Substrat 3 ausbildet. Die Kühlwalze 5 rotiert dabei um eine Rotationsachse 6 quer zur Substrattransportrichtung.
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Die Kontaktausbildung erfolgt hierbei im Bereich der Abscheidung des verdampften Materials 2 auf dem Substrat 3, welcher mithin auch der Bereich der Wärmeübertragung 4 ist. Da im Wärmeübertragungsbereich 4 der Wärmeeintrag aufgrund der Abscheidung des verdampften Materials 2 auf dem Substrat 3 erfolgt, ist vorrangig in diesem Wärmeübertragungsbereich 4 eine Kühlung des Substrats erforderlich, um eine quantitative Abscheidung auf dem Substrat 3 zu gewährleisten. Um eine schnelle Wärmeableitung vom Substrat 3 zu ermöglichen, wird hierzu ein Zwischenträger 7, welcher ebenfalls folienförmig ausgeführt ist, verwendet. Der Zwischenträger 7 bildet dabei zumindest im Wärmeübertragungsbereich 4 berührungsweise und thermisch einen Kontakt zwischen Substrat 3 und Temperiereinrichtung 5 aus, wobei der Zwischenträger 7 dabei zwischen dem Substrat 3 und der Temperiereinrichtung 5 angeordnet ist. Der Zwischenträger 7 weist dabei eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, was eine schnelle Ableitung der Wärme vom Substrat 3 ermöglicht. Der Zwischenträger wird dabei über ein in 1 schematisch dargestelltes separates Transportsystem geführt, welches im Wärmeübertragungsbereich eine Umschlingung der Kühlwalze 5 durch den Zwischenträgers 7 ermöglicht. Das folienförmige Substrat 3 wird gleichzeitig über ein weiteres Transportsystem geführt, welches ebenfalls zumindest einen Teil der Kühlwalze 7 umfasst. Dadurch wird gesichert, dass sowohl Substrat 3 als auch Zwischenträger 7 zumindest im Wärmeübertragungsbereich 4 beide um die Kühlwalze 5 geführt werden, was eine Kühlung des Substrats 3 unter Verwendung des Zwischenträgers 7 ermöglicht. Es ist hierbei auch denkbar, dass Transportsystem des Zwischenträgers so zu verändern, dass der Kontakt zwischen Zwischenträger 7 und Substrat 3 vor und nach dem Wärmeübertragungsbereich 4 über denselben hinaus ausgebildet wird. Dabei wird insbesondere die Flexibilität und Elastizität des Zwischenträgers 7 genutzt, um einen länger dauernden flächigen Kontakt zwischen Substrat 3 und Zwischenträger 7 zu ermöglichen.
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Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der verwendete Zwischenträger 7 zwar die gewünschte Flexibilität, aber die nicht die gewünschte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
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In einem weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Temperiereinrichtung 5 zur Temperierung des Substrats 3 verwendet. Dabei lassen sich gezielt Schichteigenschaften der abgeschiedenen Schicht einstellen. Dabei kann mittels der Temperiereinrichtung 5 das Substrat 3 auf eine gewünschte Temperatur eingestellt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn eine Kombination verschiedener Temperiereinrichtungen 5 vorliegt, wobei diese teils zur Kühlung des Substrats 3 und teils zur Temperierung des Substrats 3 vor oder nach der Abscheidung verwendet werden. Eine Temperierung bezeichnet hierbei die Möglichkeit, dass Substrat auf eine gewünschte Temperatur einzustellen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das oben beschriebene Ausführungsbeispiel dahingehend abgewandelt, dass mehrere Zwischenträger 7 mit jeweils separaten Transportsystemen verwendet werden, um eine thermische Entkopplung der Temperierung und Kühlung des Substrats 3 zu ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Beschichtungseinrichtung
- 2
- verdampftes Material
- 3
- band- bzw. folienförmiges Substrat
- 4
- Wärmeübertragungsbereich
- 5
- Temperiereinrichtung
- 6
- Rotationsachse der Temperiereinrichtung
- 7
- Zwischenträger
