Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden von OLEDs insbesondere Verdampfungsvorrichtung dazu
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer Schicht aus einem organischen Ausgangsstoff auf einem Substrat, wobei der organische Ausgangsstoff in Form von Schwebeteilchen mit einem Trägergasstrom als Eingangsgasstrom in einen Verdampfer gebracht wird, welche Schwebeteilchen dort in Kontakt zu einer beheizten Wärmeübertragungsfläche treten und nach einer von der Temperatur der Wärmeübertragungsfläche abhängigen mittleren Verweildauer verdampfen, wobei der so erzeugte Dampf vom Trägergas als Ausgangsgasstrom aus dem Verdampfer heraus in eine Prozesskammer gebracht wird, wo er auf der Oberfläche eines Substrates, die Schicht bildend kondensiert. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zum Verdampfen von in einem Trägergasstrom transportierten organischen Schwebeteilchen, in Form eines eine Eintrittsöffnung für einen Einganggasstrom, eine Austrittsöffnung für einen Ausgangsgasstrom und eine Wärmeübertragungsfläche im Inneren aufweisenden Behälter, wobei die Wärmeübertragungsfläche mittels eines Heizener giefluss auf eine Temperatur aufheizbar ist, bei der die durch die Eintrittsöffnung in den Behälter gebrachten Schwebeteilchen bei in Kontakt treten mit der Wärmeübertragungsfläche zu einem organischen Dampf verdampfen, der aus der Austrittsöffnung aus dem Behälter heraustritt. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zum Abscheiden von OLEDs mit einem derartigen Verdampfer.
Ein gattungsgemäßes Verfahren beziehungsweise eine gattungsgemäße Vorrichtung beschreibt die US 7,238,389 B2. Dort wird von einem Aerosol-Erzeuger ein Aerosol erzeugt. Dieses besteht aus einem in einen Trägergasstrom gebrach-
tes Pulver. Die Aerosolteilchen werden als Schwebeteilchen mit dem Trägergasstrom vom Aerosol-Erzeuger zu einem Verdampfer gebracht. Der Verdampfer besteht aus einem Festkörperschaum, der auf eine Verdampfungstemperatur gebracht wird. Durch einen Oberflächenkontakt der Schwebeteilchen mit den Porenwänden des Festkörperschaums wird ihnen eine Verdampfungswärme zugeführt. Die Verdampfungsrate hängt von der Temperatur der Wärmeübertragungsflächen ab. Wird der Prozess unterhalb des Sättigungsbereichs durchgeführt, so entspricht die dem Verdampfer zugeführte Masse an organischem Ausgangsstoff pro Zeiteinheit der vom Verdampfer abgegebenen Masse an Dampf pro Zeiteinheit. Verschiedene Temperaturen haben in einem gewissen Bereich im Wesentlichen nur eine jeweils andere mittlere Verweildauer des un- verdampften organischen Ausgangsstoffs im Verdampfer zur Folge. Der so erzeugte Dampf wird mittels des Trägergases in eine Prozesskammer eingespeist, in der sich das Substrat befindet. Dieses wird mit dem organischen Ausgangs- stoff beschichtet. Im einfachsten Fall braucht das Substrat lediglich auf einer entsprechenden niedrigen Temperatur gehalten zu werden, so dass sich der Dampf auf der Substratoberfläche als Kondensat abscheidet.
Die Verwendung eines Festkörperschaums insbesondere aus Wolfram, Rheni- um, Tantal, Niob, Molybdän oder Kohlenstoff oder eines beschichteten Werkstoffs zum Verdampfen eines organischen Ausgangsstoffs beschreibt auch die US 2009/0039175 AI.
Die US 6,037,241 beschreibt einen Festkörperverdampfer, der einen elektrisch beheizbaren Festkörperschaum aufweist, der die Form eines Hohlzylinders besitzt.
Ferner beschreibt die DE 10 2006 026 576 AI einen Festkörperverdampfer, bei dem das Aerosol von einem Ultraschall-Erreger durch Aufwirbeln eines Pul- vers erzeugt wird.
Die US 7,501,152 B2 beschreibt eine Transportvorrichtung zum Transport eines pulverförmigen Ausgangsstoffs zu einer Düse, mit der der pulverförmige Ausgangsstoff in einen Trägergasstrom einbringbar ist.
Die DE 88 08 098 Ul beschreibt ein Verfahren, bei dem durch Aufschmelzen eines Festkörpers mit Hilfe eines Elektronenstrahls ein Dampf erzeugt wird. Es ist ein Regelkreis vorgesehen, mit dem die Dampferzeugungsrate mittels eines Sensors geregelt werden kann. Hierzu wird eine Mehrzahl von den Elektronen- strahlen verwendet, die an unterschiedlichen Stellen die Oberfläche aufheizen.
Die US 2002/ 0192375 AI beschreibt einen Aerosol-Generator mit nachgeordneter Verdampfungskammer. In die Verdampfungskammer wird das Aerosol eingesprüht, so dass es dort verdampft. Größere Tropfen können an den beheiz- ten Wänden verdampfen.
Die US 2010/0173067 AI beschreibt einen CVD-Reaktor, bei dem das Prozessgas durch Verdampfen einer Flüssigkeit in einem Bubbler erzeugt wird. Über eine Steuerung der Verdampfungstemperatur wird der Massenfluss geregelt.
Verdampfer, bei denen die Massenflussrate des verdampften Materials durch Steuerung der Verdampfungstemperatur geregelt werden, beschreiben auch die EP 0 982411 A2 und die WO 2010/060646 AI. Es ist ferner bekannt, Aerosole mittels Bürstenräder zu erzeugen. Die Bürsten des Bürstenrades tragen von einem gepressten Pulver Material ab, das als Schwebeteilchen in einem Trägergasstrom transportiert wird.
Es sind ferner Vorrichtungen bekannt, die in Form eines Zerstäubers Flüssigkeiten in ein Trägergas einbringen.
Aerosol-Erzeuger des Standes der Technik haben die Eigenschaft, einen zeitlich variierenden Massenfluss an festen oder flüssigen Schwebeteilchen zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit denen die zeitlichen Schwankungsraten eines durch Verdampfen eines aerosolerzeugten Dampfes vermindert werden. Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung.
Zunächst und im Wesentlichen wird vorgeschlagen, dass auf die zeitlichen Schwankungen des Massenflusses im Ausgangsgasstrom durch eine schnelle Veränderung der Temperatur der Wärmeübertragungsflächen reagiert wird. Die Wärmeübertragungsflächen können durch die Variation der Zufuhr von Energie kontrolliert auf unterschiedliche Temperaturen aufgeheizt werden. Diese Temperatursteuerung ist eine Antwort auf eine zeitliche Änderung des Massenflusses des erzeugten Dampfes im Ausgangsgasstrom. Mit diesem Verfahren können nicht nur die zeitlichen Schwankungen des Massenflusses im Ausgangsgasstrom, die von zeitlichen Schwankungen des Massenflusses der Schwebeteilchen im Eingangsgasstrom verursacht werden, kompensiert werden. Das Verfahren erlaubt es auch, Schwankungen der Verdampfungsrate innerhalb des Verdampfers auszugleichen. Die Verdampfungsrate wird sowohl von den thermodynamischen als auch von den kinetischen Verhältnissen in- nerhalb des Verdampfers bestimmt. Ein wesentlicher Parameter ist dabei die Oberflächentemperatur der Wärmeübertragungsflächen. Diese bestimmen im Wesentlichen das Verhältnis des Partialdrucks des gebildeten Dampfs zum Festkörperpartialdruck. Wesentlich für die Verdampfungsrate ist darüber hinaus die Größe der freien Oberfläche. Diese hängt nicht nur von der sich zeitlich nicht verändernden Gesamtfläche der Wärmeübertragungsfläche ab, sondern
auch von deren Bedeckungsgrad mit unverdampftem organischen Material. Dieser Bedeckungsgrad unterliegt zeitlichen Schwankungen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird unterhalb der Sättigungsbedingungen durchgeführt, was bedeutet, dass der Partialdruck des vom Verdampfer erzeugten Dampfs im Ausgangsgasstrom geringer ist als der Sättigungsdampfdruck des verdampften organischen Materials. Einen Beitrag zur zeitlichen Schwankung des Massenflusses im Ausgangsgasstrom liefert nicht nur die sich zeitlich verändernde mittlere Partikelzahl, die über den Eingangsgasstrom in den Verdampfer gebracht wird. Auch die Partikelgröße hat einen Einfluss. Die über eine Eintritts- Öffnung in den Verdampfer eintretenden Schwebeteilchen treten in einen Oberflächenkontakt zu der Wärmeübertragungsfläche und nehmen dort Wärme auf. Sie verweilen somit eine gewisse Zeit innerhalb der Verdampfungskammer, bis sie vollständig verdampft sind. Je höher die Oberflächentemperatur der Wärmeübertragungsfläche ist, desto geringer ist die Verweilzeit des unverdampften organischen Materials im Verdampfer. Das unverdampfte organische Material, welches sich innerhalb des Verdampfers befindet, bildet eine Art Puffermasse. Durch Absenken der Temperatur der Wärmeübertragungsflächen verändert sich die Verdampfungsrate und erhöht sich die Puffermasse. Da der Verdamp- fungsprozess langfristig einen stationären Zustand anstrebt, bei dem der in den Verdampfer eintretende Massenfluss pro Zeiteinheit gleich dem aus dem Verdampfer austretenden Massenfluss pro Zeiteinheit ist, vergrößert sich bei einem Absenken der Temperatur mittelfristig die Speichermasse beziehungsweise das Speichervolumen und damit auch die Größe der freien Oberfläche. Kurzfristig verursacht das Absenken der Temperatur und damit die Vergrößerung der mittleren Verweilzeit eine Reduzierung des aus dem Verdampfer austretenden Massenfluss an verdampftem organischen Ausgangsstoff. Wird hingegen die Temperatur der Wärmeübertragungsflächen angehoben, so führt dies zu einem Anstieg der Verdampfungsrate und einer Abnahme der mittleren Verweilzeit des unverdampften organischen Ausgangsstoffes innerhalb des Verdampfers. Die oben erwähnte Speichermasse beziehungsweise das Speichervolumen ver-
mindert sich. Einhergehend damit vermindert sich auch die freie Oberfläche, so dass langfristig ein stationärer Zustand erreicht wird, bei dem der in den Verdampfer eintretende Massenstrom des organischen Materials gleich dem aus dem Verdampfer austretenden Massenfluss ist. Kurzfristig wird mit einer Tem- peraturerhöhung aber eine Steigerung des aus dem Verdampfer austretenden Massenfluss an verdampftem organischen Ausgangsstoff erreicht. Durch Variation der Temperatur der Wärmeübertragungsflächen lässt sich somit bei einer Erhöhung der Temperatur der Dampfdruck des organischen Ausgangsstoffs im Ausgangsstrom steigern und bei einer Verminderung der Temperatur absen- ken. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die zeitlichen Schwankungen des Massenflusses durch eine schnelle Veränderung der Temperatur der Wärmeübertragungsflächen ausgeglichen. Die mittleren Verweilzeiten liegen im Bereich von Sekunden. Die Änderungsrate der Temperatur der Wärmeübertragungsfläche, die zu einer signifikanten Beeinflussung der wirksamen Verdampfungsrate führen, liegen hingegen im Bereich von Zehntelsekunden, bevorzugt von Hundertstelsekunden und besonders bevorzugt von Millisekunden. Eine Änderung der Temperatur der Wärmeübertragungsfläche von beispielsweise einem Grad äußert sich in einer Änderung der Verdampfungsrate um fünf Prozent. Erfindungsgemäß wird ein Regelkreis, insbesondere ein PID-Regler verwendet, um die Temperatur der Wärmeübertragungsflächen zu verändern. Hierzu wird ein Sensor benutzt, mit dem der Partialdruck des Dampfes des organischen Ausgangsstoffs im Ausgangsgasstrom ermittelbar ist. Alternativ dazu kann auch ein Sensor verwendet werden, der den Massenfluss des Dampfes des organischen Ausgangsstoffs im Ausgangsgasstrom ermittelt. Die Sensorsignale dieses Sensors liefern Werte, die als Regelgröße dem Regelkreis zugeführt werden. Die Stellgröße des Regelkreises ist der Heizenergie- fluss, mit dem die Temperatur der Wärmeübertragungsfläche verändert wird. Die Antwortzeit des Regelkreises wird im Wesentlichen durch die zeitliche Temperaturänderungsrate der Wärmeaustrittsfläche bestimmt. Die Tempera- turänderungsrate der Wärmeübertragungsfläche liegt bei mindestens 5° C/s.
Beim Aufheizen können auch höhere Temperaturänderungsraten erreicht werden, die mindestens bei 10° C/s liegen. Durch eine geeignete Formgebung können sogar Temperaturänderungsraten erreicht werden, mit denen innerhalb von 4 ms die Temperatur um ein Grad nach oben oder nach unten verändert werden kann. Es reicht aus, wenn die Temperatur der Wärmeübertragungsfläche von einem mittleren Wert, der im Bereich zwischen 300° C und 400° C liegt, um ± 10° verändert wird. Bevorzugt wird die Wärmeübertragungsfläche von den Poren eines Festkörperschaums gebildet. Es handelt sich dabei um einen offenporigen Festkörperschaum wie er eingangs erwähnt wird und wie er in den diesbezüglichen, dort zitierten Druckschriften beschrieben wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt einen im Ausgangsgasstrom angeordneten Sensor, der in der Lage ist, entweder den Partialdruck des Dampfes des organischen Ausgangsstoffes oder dessen Massenfluss durch eine Dampf- leitung zu ermitteln. Das so ermittelte, dampfdruckabhängige Sensorsignal wird als Regelgröße einem PID-Regler zugeführt. Der PID-Regler liefert eine Stellgröße für den Heizenergiefluss, mit dem die Wärmeübertragungsfläche temperiert wird. Die Wärmeübertragungsfläche wird vorzugsweise von einer Behälterwand ausgebildet, wobei der den Verdampfer ausbildende Behälter eine Gaseintritts Öffnung und eine Gasaustrittsöffnung aufweist. Stromabwärts der Gaseintrittsöffnung kann ein Gasverteiler, beispielsweise mit ein oder mehreren Prallflächen angeordnet sein, um den in den Behälter eintretenden Gasstrom zu verwirbeln, um die vom Gasstrom transportierten Schwebeteilchen, die fest oder flüssig sein können, in den Kontakt zur Behälterwand zu bringen. Die Wärmeübertragungsflächen werden vorzugsweise von den Porenwandungen eines offenporigen Festkörperschaums ausgebildet. Typische Größen für Schwebeteilchen liegen bei etwa 100 μιη. Typische Maße für die Weite der Porenöffnungen liegen bei etwa 1 mm. Der Festkörperschaum kann ein Porenvolumen von mehr als 95 Prozent seines Gesamtvolumens aufweisen. Bevorzugt hat der Behälter die Form eines Hohlzylinders, dessen Wandung von einem
zylinderförmigen Festkörperschaum ausgebildet wird. Der Festkörperschaum kann aus einem keramischen Material bestehen. Bevorzugt besteht der Festkörperschaum aber aus einem elektrisch leitenden Material, beispielsweise aus Graphit oder einem der eingangs genannten Metalle, Wolfram, Rhenium, Tan- tal, Niob, Molybdän. Ein aus Graphit oder Keramik bestehender Festkörperschaum kann mit diesen Metallen oder mit Karbiden dieser Metalle beschichtet sein. Bevorzugt ist der hohlzylinderf örmige Festkörperschaum dünnwandig und steht in einer Wärmeleitverbindung mit einem Behältermantel, der temperiert werden kann. Beispielsweise kann der Behältermantel zum Zwecke der Wärmeabfuhr gekühlt werden. Ein elektrisch leitender Festkörper schäum besitzt zwei Elektroden über welche ein Strom durch den Festkörperschaum geleitet werden kann. Durch Variation des Stromes kann die dem Festkörperschaum zugeführte Heizleistung variiert werden. Es reicht aus, wenn die Temperatur des Festkörperschaums um mindestens 50° höher ist als die Temperatur des ihn umgebenden Mantels.
Die kurzfristige Erhöhung der Temperatur der Wärmeübertragungsfläche ist durch Einspeisung eines entsprechend hohen Stroms in den vom Festkörperschaum gebildeten Verdampfungskörper möglich. Eine kurzfristige Verminde- rung der Temperatur des Verdampfungskörpers erfolgt durch Wärmeableitung. Die Wärmeabfuhr erfolgt dabei über einen wärmeleitenden Kontakt zu einem kälteren Mantel. Abkühlend wirkt aber auch die von den Schwebeteilchen aufgenommene Verdampfungswärme beziehungsweise das Aufheizen des kalt in den Behälter eingebrachten Träger gases.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch Vorschalten geeigneter Ventile der Trägergasstrom pulsweise durch den Aerosol-Erzeuger geleitet wird. Die Pulsfrequenz liegt dabei deutlich höher als die reziproke Verweilzeit. Typische Pulsraten liegen bei 10 bis 20 Hertz. Die Pulslängen sind
somit deutlich kürzer als die mittlere Verweilzeit, die im Bereich von etwa einer Sekunde liegt.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass innerhalb des Ver- dampfers ein Temperatursensor vorgesehen ist, mit dem die mittlere Temperatur der Wärmeübertragungsfläche gemessen werden kann. Dieser, bevorzugt zweite Sensor wirkt mit einem Regelkreis zusammen. Es handelt sich bevorzugt bei letzterem um einen zweiten PID-Regler, dessen Regelgröße die Temperatur also das Sensorsignal des zweiten Sensors ist und dessen Stellgröße einen Ein- fluss auf die Aerosolerzeugungsrate besitzt. So kann beispielsweise die Antwort des zweiten Regelkreises auf eine sich ändernde Temperatur der Wärmeübertragungsfläche eine Variation der Aerosolbildungsrate sein.
Während der erste Regelkreis kurzfristig auf Änderungen des Massenflusses des erzeugten Dampfes reagiert, und dadurch kurzfristig die der Heizung des Verdampfers zugeführte Leistung variiert, reagiert der zweite Regelkreis träge auf eine sich ändernde mittlere Temperatur der Wärmeübertragungsfläche. Ein derartiges, langfristiges Ansteigen oder Absinken der mittleren Temperatur der Wärmeübertragungsfläche ist die Folge einer Unter Versorgung oder einer Über- Versorgung des Verdampfers mit Schwebeteilchen, also unverdampftem Ausgangsstoff. Der zweite Regelkreis führt somit dazu, dass bei einem Anstieg der mittleren Temperatur der Wärmeübertragungsfläche die Aerosolbildungsrate erhöht und bei einem Absinken der mittleren Temperatur der Wärmeübertragungsfläche die Aerosolerzeugungsrate abgesenkt wird. Hierdurch wird er- reicht, dass der erste Regelkreis die Temperatur der Wärmeübertragungsfläche nur im Bereich eines vorgegebenen Temperaturfensters ändern kann. Mit dem Temperatursensor wird die mittlere Temperatur der Wärmeübertragungsflächen gemessen. Die Regelgröße ist das Temperatursignal. Mit dem Massenfluss als Stellgröße kann gewissermaßen ein Wärmeabtransport als Stellgröße verwendet
werden. Dies insbesondere dann, wenn die Temperatur des Gases deutlich geringer ist als die Temperatur der Wärmeübertragungsflächen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdampfer und
Fig. 3 schematisch den zeitlichen Verlauf der Massenkonzentration der Aerosol-Teilchen im Eingangsgasstrom a, die zugeführte Heizleistung b und den Massenfluss im Ausgangsgasstrom des verdampften organischen Ausgangsstoffs c,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Figur 1 zeigt eine Beschichtungsvorrichtung, um ein beispielsweise aus Glas bestehendes Substrat 11 mit einer dünnen lichtemittierenden organischen Schicht zu beschichten, um sogenannte OLEDs zu erzeugen. Hinsichtlich des Schichtaufbaus und der verwendeten organischen Ausgangsstoffe wird auf die eingangs zitierte Literatur und insbesondere auf die US 7, 238,389 B2 verwiesen, deren diesbezüglicher Offenbarungsgehalt vollinhaltlich mit in diese Anmeldung einbezogen wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt eine nicht näher dargestellte Quelle für ein Trägergas, bei dem es sich um Stickstoff, Wasserstoff oder ein geeignetes Edelgas handeln kann. Mittels einer Trägergasleitung 3 wird das Trägergas, gegebenenfalls auch in Form von kurzen Pulsen, einem Aerosol-Erzeuger 2 zu- geleitet, der einen Vorratsbehälter 2' aufweist, in dem der organische Aus-
gangsstoff bevorratet wird. Der Aerosol-Erzeuger 2 kann ein Bürstenrad, eine Schnecke oder anders gestaltete Fördermittel aufweisen, um das im Vorratsbehälter bevorratete Pulver in den Trägergasstrom zu leiten. Anstelle eines Pulvers kann aber auch eine Flüssigkeit in den Trägergasstrom gesprüht werden.
Es bilden sich Schwebeteilchen aus, die durch eine Aerosolleitung 4 vom Gasstrom in einen Verdampfer 1 gebracht werden. Der Verdampfer 1 wird im Detail in der Figur 2 beschrieben. Wie unten noch im Detail erläutert werden wird, werden im Verdampfer 1 die Aerosolteilchen in eine Gasform gebracht. Der diesbezügliche Dampf wird zusammen mit dem Träger gas durch eine Dampfleitung 5, die über eine Heizmanschette 6 beheizt ist, einem CVD-Reaktor zugeleitet. Innerhalb des CVD-Reaktorgehäuses 7 befindet sich ein von der Dampfleitung 5 gespeistes Gaseinlassorgan in Form eines shower head, der eine Gas- austrittsfläche aufweist, die eine Vielzahl siebförmig angeordneter Gasaustritts- Öffnungen aufweist. Die Gasaustrittsfläche weist vertikal nach unten und bildet die Decke einer Prozesskammer 10, deren Boden eine nach oben zum Gaseinlassorgan 8 weisende Oberfläche eines Suszeptors 9 ausbildet. Auf dem gekühlten Suszeptor 9 liegt das zu beschichtende Substrat 11, auf dem sich der im Verdampfer 1 gebildete Dampf als Schicht abscheiden kann. Das Reaktorge- häuse 7 ist darüber hinaus mit einer Vakuumpumpe 12 verbunden, um innerhalb der Prozesskammer 10 beziehungsweise innerhalb des Verdampfers 1 einen Totalgasdruck im Bereich von 1 bis 10 mbar einzustellen. Es ist aber auch möglich, höhere Totalgasdrücke, beispielsweise im Bereich von 10 bis 100 mbar einzustellen. Über nicht dargestellte Regelventile wird der Totaldruck konstant gehalten.
Es ist ein PID-Regler 14 vorgesehen, der mit einem Sensor 13 zusammenwirkt, der den Partialdruck des Dampfes des organischen Ausgangsstoffs in der Dampfleitung 5 misst. Alternativ dazu kann der Sensor 13 aber auch als Mas- senflussmesser ausgebildet sein, um den Massenfluss des durch die Dampflei-
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91)
ISA/EP
tung 5 hindurch fließenden Dampfes des organischen Ausgangsstoffes zu bestimmen.
Das Sensorsignal liefert einen zum Dampfdruck beziehungsweise Massenfluss proportionalen oder von diesem entsprechend einer Kennlinie abhängigen Wert, der die Regelgröße des PID-Reglers 14 bildet. Die Stellgröße des PID- Reglers 14 ist die Heizleistung, mit der eine Wärmeübertragungsfläche 15 temperiert wird, deren Temperatur die mittlere Verweildauer der un verdampften Schwebeteilchen des organischen Ausgangsstoffs im Verdampfer 1 beeinflusst.
Der in der Figur 2 im Detail dargestellte Verdampfer besitzt einen Anschluss zur Aerosolleitung 4 mit einer Eintrittsöffnung 18, die die Form einer Eintrittsdüse aufweisen kann. Stromabwärts der Eintrittsöffnung 18 befindet sich ein Gas Verteiler 19. Dieser ist in der Figur 2 nur schematisch dargestellt. Er besitzt mehrere insbesondere schräg zum Gasstrom ausgerichtete Prallflächen 19', gegen die der Eingangsgasstrom, der die zu verdampfenden Schwebeteilchen enthält, tritt. Mit Hilfe des Gas Verteilers 19 wird innerhalb des den Verdampfer 1 bildenden Behälters eine Verwirbelung erzeugt, die dazu führt, dass die Schwebeteilchen einem die Wandung des Behälters bildenden Verdampfungs- körper zugeführt werden.
Der Verdampfungskörper bildet die zuvor erwähnte Wärmeübertragungsflä- che 15 aus. Beim Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Verdampfungskörper um einen offenporigen Festkörperschaum mit einer Porenweite von et- wa 1 mm. Das Porenvolumen entspricht mehr als 95 Prozent des Gesamtvolumens des Festkörper schaums. Die Schwebeteilchen treten in den Festkörperschaum hinein und lagern sich an den Porenwänden an.
Der so ausgebildete Verdampfungskörper 15 besitzt zwei Elektroden 22, 23. Die Elektrode 22 ist mit Erde verbunden. Die Elektrode 23 wird mit einem elektri-
sehen Strom gespeist, der vom PID-Regler 14 bereitgestellt wird. Über den elektrischen Strom, der durch den elektrisch leitenden Festkörper schäum 15 fließt, wird dem Verdampfungskörper Wärme zugeführt, so dass die Wärmeübertragungsflächen eine Temperatur von 300° C bis 400 ° C haben.
Der hohlzylinderförmige Verdampfungskörper 15 ist von einem hohlzylindrischen Mantel 16 umgeben. Zwischen dem Mantel 16 und dem Verdampfungskörper 15 befindet sich eine Isolierschicht 17. Die Isolierschicht 17 ist elektrisch isolierend jedoch wärmedurchlässig. Während die Materialstärke des Festkör- perschaums 15 im Bereich von 4 bis 5 mm liegt, liegt die Materialstärke der Isolationsschicht 17 bei etwa 0,1 mm.
Der Mantel 16 kann aus Metall sein. Er kann aber ebenfalls aus einem Festkörperschaum ausgebildet sein. Er kann ebenso zwei Elektroden aufweisen, um den Mantel 16 zu temperieren. Die Temperatur des Mantels 16 ist aber geringer, als die mittlere Temperatur des Verdampfungskörpers 15. Bevorzugt wird hier ein Temperaturunterschied von etwa 50° C eingestellt.
Der Eintrittsöffnung 18, die etwa in der Mitte der Zylinderstirnwand liegt, liegt eine Austrittsöffnung 20, die ebenfalls in der Zylinderstirnwand liegt, gegenüber. Die Austrittsöffnung 20 hat einen größeren Durchmesser als die Eintrittsöffnung 18. Durch die Austrittsöffnung 20 gelangt ein Ausgangsgasstrom in die Dampfleitung 5. Der Ausgangsgasstrom enthält den Dampf des verdampften organischen Ausgangsstoffes.
Unmittelbar stromabwärts der Austrittsöffnung 20 befindet sich eine Höhlung 21, in der sich der oben bereits erwähnte Sensor 13 befindet, mit dem entweder der Partialdruck des verdampften organischen Ausgangsstoffs im Trägergas oder dessen Massenfluss ermitteln lässt.
Mit der so beschriebenen Vorrichtung wird das wie folgt beschriebene Verfahren durchgeführt:
Die zeitliche Rate des im Aerosol-Erzeuger 2 erzeugten Massenflusses von durch die Aerosolleitung 4 zum Verdampfer 1 transportierten Schwebeteilchen variiert einerseits wegen Bauart bedingter Schwankungen in der Förderrate des Pulvers und andererseits wegen der uneinheitlichen Teilchengröße.
Der derart zeitlich variierende Massenstrom an Schwebeteilchen wird in den Verdampfer eingeleitet, tritt dort durch die Eintrittsöffnung 18 in das Behältervolumen, wird dort vom Gas Verteiler 19 verwirbelt, so dass die Schwebeteilchen in die Poren des Verdampfungskörpers 15 eindringen. Über Kontakt mit der Oberfläche der Wärmeübertragungsfläche 15 des Wärmeübertragungskörpers werden die Schwebeteilchen aufgeheizt, wobei sie ihre Verdampfungs- temperatur erreichen und abhängig von ihrer Partikelgröße und von der Temperatur der Wärmeübertragungsfläche 15 unterschiedlich schnell verdampfen. Der so gebildete Dampf tritt aus der Austrittsöffnung 20 in die Dampfleitung 5. Der Partialdruck des Dampfes, also dessen Konzentration im Ausgangsgasstrom wird mittels des Sensors 13 ermittelt.
Die Zuführung der Schwebeteilchen im Aerosol-Erzeuger 2 ist so gewählt, dass der bei dieser Massenflussrate erzeugte Dampf einen Partialdruck im Trägergas besitzt, der unterhalb des Sättigungsdampfdrucks liegt. Langfristig arbeitet der Verdampfer 1 in einem stationären Zustand, bei dem die mittlere in den Ver- dampfer 1 eingebrachte Masse pro Zeiteinheit der mittleren mit dem Ausgangsgasstrom aus dem Verdampfer 1 herausgebrachten Masse pro Zeiteinheit entspricht. Durch eine Änderung der Verweilzeit des unverdampften organischen Ausgangsstoffes innerhalb des Verdampfers 1 kann kurzfristig dieses Gleichgewicht verändert werden. Durch eine Erhöhung der Temperatur der Wärmeübertragungsfläche kann kurzfristig der aus dem Verdampfer heraustre-
tende Massenfluss des organischen Ausgangsstoffes erhöht und durch eine Absenkung der Temperatur vermindert werden. Hierdurch wird mittels des PID- Reglers 14 eine Schwankungskompensation des Ausgangsmassenflusses vorgenommen.
Die ohne Massenflusskompensation in der Dampfleitung 5 beobachteten Schwankungen des Massenflusses besitzen Schwankungszeiten, die größer als eine Sekunde sind. In der Figur 3 ist mit a ein typischer Verlauf des Massenflusses einer Pulvererzeugungsrate über die Zeit aufgetragen. Die Kurve a reprä- sentiert somit im Wesentlichen die Speiserate, mit dem der Verdampfer 1 mit zu verdampfenden organischen Ausgangsstoff gespeist wird. Die horizontale Zeitachse liegt dabei auf einem Wert, der dem zeitlich gemittelten Massenfluss entspricht. Der Sensor 13 ist in der Lage, Abweichungen des Partialdrucks im Ausgangsgasstrom vom zeitlichen Mittelwert zu detektieren. Ist die Abweichung nach oben gerichtet, so vermindert der PID-Regler die Heizleistung, mit der die Wärmeübertragungsfläche 15 beheizt wird. Da sich deren Temperatur mit mindestens 100° C/s verändern kann und bereits eine Änderung der Temperatur zu einer Änderung der Verdampfungsrate um fünf Prozent führt, bewirkt die sehr schnelle Temperaturabsenkung von bis zu 10° C eine augenblickliche Erhöhung der Verweilzeit des unverdampften Materials an der Oberfläche des Verdampfungskörpers 15. Dies führt dazu, dass der Ausgangsmassenfluss (Kurve c in Figur 3) weit weniger steigt, als beispielsweise der Eingangsmassen- fluss. Sobald der PID-Regler über den Sensor 13 feststellt, dass sich der Ausgangsmassenfluss (Kurve c) nicht mehr ändert, beginnt er, die Heizleistung (Kurve b) wieder zu steigern.
Ermittelt der Sensor 13 eine Abweichung vom mittleren Massenfluss nach un- ten, steuert der PID-Regler 14 durch Erhöhung der Heizleistung gegen. Auch
hier kann die Temperatur um bis zu 10° C verändert werden. Die sich durch die Temperaturerhöhung verringernde mittlere Verweilzeit des unverdampften Materials im Verdampfer 1 führt zu einer kurzfristigen Steigerung des Massenflusses im Ausgangsgasstrom. Das für die mittlere Verweilzeit an der Wärme- Übertragungsfläche 15 anhaftende unverdampfte Material bildet somit eine durch Änderung der Verdampfungstemperatur variierbare Puffermasse.
Die Figur 4 zeigt schematisch eine weitere Vorrichtung zum Abscheiden einer Schicht aus einem organischen Ausgangsstoff, die sich von der Vorrichtung gemäß Figur 1 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass ein zweiter Sensor 24 vorgesehen ist. Mit diesem Sensor 24 kann die mittlere Temperatur der Wärmeübertragungsfläche 15 gemessen werden. Der Temperatursensor 24 liefert eine Regelgröße für einen PID-Regler 25, der als Antwort auf die langfristige Temperaturänderung der Wärmeübertragungsfläche 15 die Aerosolerzeu- gungsrate verändert. Bei dem in der Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zusätzlich ein Massenflussregler 26 dargestellt, mit dem der Massenfluss des Trägergases auf einen vorgegebenen Wert eingestellt werden kann.
Während mit dem Sensor 13 kurzfristige, also im Sekunden- beziehungsweise im Sub-Sekundenbereich liegende Änderungen des Massenflusses erkannt werden, um innerhalb dieser Zeitspannen die Temperatur der Wärmeübertragungsfläche 15 entweder zu erhöhen oder zu vermindern, erfasst der Temperatursensor 24 die Änderung einer zeitlich gemittelten Temperatur der Wärmeübertragungsfläche 15. Unter zeitlich gemittelter Temperatur werden hier Tem- peraturen verstanden, die über mehrere Sekunden gemittelt werden. Beispielsweise kann die Zeitspanne innerhalb der die mittlere Temperatur gemittelt wird das zehnfache der Zeitspanne betragen, innerhalb der der erste Regelkreis 14 auf eine Änderung des Partialdrucks des Dampfes im Trägergas reagiert. Der Regelkreis 25 reagiert somit auf langfristige Änderungen der Tempe- ratur der Wärmeübertragungsfläche 15. Derartige Änderungen haben eine zu
geringe oder eine zu hohe Aerosolerzeugungsrate als Ursache. Dementsprechend wird durch den Regler 25 auf eine langfristige Steigerung der mittleren Temperatur der Wärmeübertragungsfläche 15 durch eine Steigerung der Aerosolerzeugungsrate durch den Aerosol-Erzeuger 2 reagiert. Auf ein langfristiges Absinken der mittleren Temperatur der Wärmeübertragungsfläche 15 reagiert der Regler 25 durch eine Reduktion der Aerosolerzeugungsrate im Aerosol- Erzeuger 2.
Diese Maßnahmen haben zur Folge, dass sich die Temperatur des heizleis- tungsgesteuerten Verdampfers 1, also die Temperatur der Wärmeübertragungsfläche 15 nur innerhalb eines vorbestimmten Temperaturbereichs ändern kann. Die Puffermasse innerhalb des Verdampfers 1 an organischem Ausgangsstoff bleibt somit im zeitlichen Mittel im Wesentlichen konstant. Da die beiden Regelkreise 14, 25 mit stark voneinander verschiedenen Zeitkonstanten arbeiten ist eine wechselseitige Beeinflussung minimiert.
Es ist auch möglich, die Vorrichtung gemäß Figur 4 ohne den PID-Regler 14 beziehungsweise den Sensor 13 zu betreiben.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren in ihrer fakultativ nebengeordneten Fassung eigenständige erfinderische Weiterbildung des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
Bezugszeichenliste
1 Verdampfer
2 Aerosol-Erzeuger 2' Vorratsbehälter
3 Trägergasleitung
4 Aerosolleitung
5 Dampfleitung
6 Heizmanschette
7 CVD-Reaktorgehäuse
8 Gaseinlassorgan (shower head)
9 Suszeptor
10 Prozesskammer
11 Substrat
12 Vakuumpumpe
13 Sensor
14 PID-Regler
15 Wärmeübertragungsfläche
16 Mantel
17 Isolationsschicht
18 Eintrittsöffnung/ -düse
19 Gasverteiler 19' Prallfläche
20 Austrittsöffnung
21 Höhlung
22 Elektrode
23 Elektrode
24 Temperatursensor Massenfluss Aerosolteilchen
25 PID-Regler Heizenergie
26 Massenflussregler Massenfluss Dampf