DE102007021247A1

DE102007021247A1 - Induction heating for dynamic temperature control of a die

Info

Publication number: DE102007021247A1
Application number: DE200710021247
Authority: DE
Inventors: Eggo Sichmann; Marco Huber; Frank Martin; Peter Wohlfahrt; Michael Reising
Original assignee: Singulus Technologies AG
Current assignee: Singulus Technologies AG
Priority date: 2007-05-07
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2008-11-20
Also published as: WO2008135319A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zum abwechselnden Heizen und Kühlen eines Bauelements aus elektrisch leitendem Material bereit. Die Vorrichtung weist eine Einrichtung aus elektrisch isolierendem Material zum Kühlen des Bauelements über eine mit dem Bauelement in Wärmekontakt stehenden Kühlfläche, und eine Induktionsheizeinrichtung zum Heizen des Bauelements auf.The present invention provides an apparatus for alternately heating and cooling a device of electrically conductive material. The device has a device made of electrically insulating material for cooling the component via a cooling surface in thermal contact with the component, and an induction heater for heating the component.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Strukturieren eines Substrats, insbesondere zum Prägen einer Informationsschicht eines optischen Datenträgers.The The present invention relates to an apparatus for patterning a substrate, in particular for embossing an information layer an optical disk.

Die einzelnen Informationsschichten mehrlagiger optischer Datenträger, insbesondere Blu-Ray Dual Layer Discs (BD DL) werden im Allgemeinen durch Prägen mittels einer Matrize, die die als Pits codierte Information aufweist, in eine Polymerschicht hergestellt.The individual information layers of multilayer optical data carriers, in particular Blu-Ray Dual Layer Discs (BD DL) are generally embossed by means of a die, having the information coded as pits, prepared in a polymer layer.

Zum Prägen der Struktur wird die Matrize in die Polymerschicht, beispielsweise ein gehärteter oder teilweise gehärteter Lack, gedrückt, die zuvor durch ein Spincoating-Verfahren auf ein Substrat aufgebracht und gehärtet wurde. Im Fall eines UV-härtbaren Lacks wird hierzu beispielsweise durch UV-Strahlung eine vernetzende Polymerisationsreaktion gestartet. In mehrlagigen optischen Datenträgern sind die einzelnen Informationsschichten in der Regel durch Trennschichten separiert, die einige Mikrometer dick sind. Auch die Trennschichten werden üblicherweise aus einem aushärtbaren Lack hergestellt, der durch ein Spincoating-Verfahren auf eine bereits gefertigte Informationsschicht aufgetragen wird. Die Struktur der folgenden Informationsschicht kann dann durch ein Prägeverfahren auf der freien Oberfläche des gehärteten Lackes gebildet werden.To the Shape the structure becomes the template in the polymer layer, for example a hardened or partially hardened Paint, pressed, previously through a spin-coating process was applied to a substrate and cured. In the case of a UV-curable For this purpose, for example, lacquers become crosslinking due to UV radiation Polymerization reaction started. In multi-layer optical disks are the individual information layers usually by separating layers separated, which are a few microns thick. Also the separating layers become common from a hardenable Lacquer made by a spincoating process on an already manufactured information layer is applied. The structure of following information layer can then be through a stamping process on the free surface of the hardened Paint are formed.

Um Strukturen in die Polymere einprägen zu können, muß die Matrize vor dem Prägen auf eine Temperatur oberhalb des Glasübergangspunkts T_G des Polymers geheizt werden. Um die eingeprägte Struktur dauerhaft zu erhalten, muß die Matrize vor der Entfernung aus der Polymerschicht wieder auf Temperaturen deutlich unter T_G gekühlt werden. Für einen Prägevorgang ist also eine dynamische Temperierung der Matrize notwendig.In order to be able to emboss structures in the polymers, the die must be heated to a temperature above the glass transition point T _{G of} the polymer before embossing. In order to obtain the embossed structure permanently, the matrix must be cooled again to temperatures well below T _G before removal from the polymer layer. For a stamping process so a dynamic temperature of the die is necessary.

In bekannten Prägevorrichtungen ist die Matrize auf einen Amboss montiert, der eine gute thermische Leitfähigkeit besitzt. Beispielsweise kann der Amboss aus Kupfer gefertigt sein. Der Amboss selbst wird mit Wasser temperiert. Die Temperierung der Matrize erfolgt durch Wärmeleitung und Wärmeübergang zwischen Amboss und Matrize. Da also nicht nur das zu temperierende Werkstück, nämlich die Matrize, sondern der gesamte Amboss temperiert wird, muß die Wärmekapazität des Amboss bei jedem Heiz- und Kühlzyklus zusätzlich überwunden werden; hierfür ist eine relativ lange Zeit erforderlich. Hinzu kommen die nötigen Umschaltzeiten zwischen dem Kühlen und Heizen. Die Prozesszeit eines derartigen Temperierzyklusses liegt insgesamt in der Größenordnung von einer Minute. Da das eigentliche Prägen nur ca. eine Sekunde benötigt, verlangsamt die allein für das Kühlen und Heizen der Matrize benötigte Zeit den Prägeprozess erheblich.In known embossing devices the die is mounted on an anvil which has a good thermal conductivity has. For example, the anvil can be made of copper. The anvil itself is tempered with water. The temperature of the die done by heat conduction and heat transfer between anvil and matrix. So not only the temperament Workpiece, namely The matrix, but the entire anvil is tempered, must have the heat capacity of the anvil every heating and cooling cycle additionally overcome; therefor a relatively long time is required. In addition there are the necessary switching times between the cooling and heating. The process time of such a tempering cycle is overall of the order of magnitude of a minute. Since the actual embossing only takes about one second, slows the alone for the cooling and heating the die needed Time the embossing process considerably.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Strukturieren eines Substrats bereitzustellen, bei der die Heiz- und Kühlzeiten, und damit die Prozesszeiten abgekürzt werden.It It is therefore an object of the present invention to provide a device for structuring a substrate in which the heating and cooling times, and thus the process times are shortened.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.These The object is solved by the features of the claims.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, zum abwechselnden Heizen und Kühlen eines Bauelements aus einem elektrisch leitenden Material eine Induktionsheizeinrichtung bzw. einen elektrisch isolierenden Kühlkörper zu verwenden. Das Bauelement wird also durch gezielte induktive Einkopplung elektrischer Energie beheizt, was eine sehr schnelle Methode darstellt, um ein metallisches Werkstück zu erhitzen. Die induktive Heizung ist für ferromagnetische Materialien besonders effizient. Das Bauelement ist auf einem elektrisch isolierenden, beispielsweise keramischen Amboss angeordnet. Der zur Heizung verwendete Induktor kann in den keramischen Amboss eingebettet werden, der, da er elektrisch isolierend ist, nicht geheizt wird. Somit wird nur das Bauelement und keine zusätzlichen Teile der Vorrichtung beheizt.The Invention is based on the basic idea, for alternating heating and cooling a device made of an electrically conductive material, an induction heater or to use an electrically insulating heat sink. The component So is by targeted inductive coupling of electrical energy heated, which is a very fast method to a metallic one workpiece to heat. The inductive heating is for ferromagnetic materials especially efficient. The device is on an electrically insulating, arranged for example ceramic anvil. The one used for heating Inductor can be embedded in the ceramic anvil which, since it is electrically insulating, not heated. Thus, will only the component and no additional Parts of the device heated.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung eine Strukturierungsvorrichtung, die insbesondere zum Prägen von Blu-Ray Dual Layer Discs geeignet ist, wobei das zu heizende bzw. zu kühlende Bauelement eine Matrize ist. Bei jedem Strukturierungsvorgang muss nach dem Heizen die Matrize wieder gekühlt werden. Um die Matrize schnell kühlen zu können, ist der Amboss vorzugsweise permanent auf Kühlwassertemperatur gehalten, so dass sofort nach Abschalten der induktiven Heizung die Kühlung der Matrize einsetzt. Zum Erhöhen der Effizienz der Kühlung sollte die Keramik, aus der der Amboss gefertigt ist, eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen. Ein geeignetes Material für den Amboss ist beispielsweise Aluminiumnitrid.According to one preferred embodiment of Invention, the device is a structuring device, the especially for embossing Blu-Ray dual layer discs is suitable, with the one to be heated or to be cooled Component is a die. For every structuring process must after heating, the die are cooled again. To the matrix cool quickly to be able to the anvil is preferably kept permanently at the cooling water temperature, so that immediately after switching off the inductive heating, the cooling of the Matrix insert. To increase the efficiency of cooling should the ceramic from which the anvil is made, a good thermal conductivity exhibit. A suitable material for the anvil is, for example Aluminum nitride.

Um die Heizvorrichtung selbst kühlen zu können, wird diese vorzugsweise auch mit Kühlwasser durchflossen. Somit kann die Kühlung der Heizvorrichtung gleichzeitig zur permanenten Kühlung des Keramikambosses verwendet werden, in den der zur Heizung verwendete Induktor eingebettet ist. Um die notwendige Kühlzeit der Matrize weiter verringern zu können, kann ggf. die zu prägende Schicht vor der Prägung metallisiert werden. Dies kann durch Aufbringen einer wenige Nanometer dicken Schicht, beispielsweise aus Aluminium oder Silber durch Kathodenzerstäubung geschehen. Die zusätzliche Metallschicht kann das Trennen der Matrize vom Substrat, dem sogenannten Entformen, unterstützen bzw. das Entformen bei höheren Temperaturen erlauben. Eine höhere Entformungstemperatur verringert die notwendige Kühlzeit und damit die gesamte Prozesszeit.To be able to cool the heater itself, this is preferably also flowed through with cooling water. Thus, the cooling of the heater can be used simultaneously for permanent cooling of the ceramic anvil, in which the inductor used for heating is embedded. In order to further reduce the necessary cooling time of the die, if necessary, the layer to be embossed can be metallized before embossing. This can be done by applying a few nanometers thick layer, such as aluminum or silver by sputtering. The additional metal layer can support the separation of the matrix from the substrate, the so-called demoulding, or allow demolding at higher temperatures. A higher demolding temperature reduces the necessary cooling time and thus the entire process time.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die einzige Figur näher erläutert, wobei die 1 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.The present invention will be explained in more detail below with reference to the single figure, wherein the 1 schematically shows a preferred embodiment of a device according to the present invention.

Gemäß 1 wird die Matrize 1 durch eine Halteeinrichtung gehalten, die gemäß der gezeigten Ausführungsform einen Matrizenhalter 2 und einen Keramikamboss 3 aufweist. Dem Matrizenhalter gegenüber ist eine Presse 4 angeordnet, auf der sich das Substrat 5 befindet, in das die gewünschte Struktur eingeprägt werden soll. 1 deutet die Bewegung der Presse 4 an, wobei die linke Seite der Figur den Zustand der Presse 4 während des Pressens zeigt, und die rechte Seite den Zustand zeigt, in dem die Presse 4 von der Matrize 1 getrennt ist. Alternativ kann die Einrichtung zum Halten der Matrize beweglich ausgeführt sein, so dass sie beim Pressen gegen das Substrat gedrückt wird, das auf einem (feststehenden) Substrathalter angeordnet ist.According to 1 becomes the matrix 1 held by a holding device, which according to the embodiment shown a die holder 2 and a ceramic anvil 3 having. The die holder opposite is a press 4 arranged on which the substrate 5 is in which the desired structure is to be imprinted. 1 indicates the movement of the press 4 on, where the left side of the figure shows the state of the press 4 during pressing shows, and the right side shows the state in which the press 4 from the matrix 1 is disconnected. Alternatively, the means for holding the die may be made movable so that it is pressed against the substrate when pressed, which is arranged on a (stationary) substrate holder.

In dem Amboss 3 ist eine Induktorspule 6 eingebettet, die die aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellte Matrize 1 heizen kann. Da der Amboss 3 aus einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial hergestellt ist, wird dieser durch die Induktorspule 6 nicht geheizt. Weiterhin sorgt auch die Abwesenheit sonstiger elektrisch leitfähiger Bauteile für das ausschließliche Heizen der Matrize 1 durch die Induktorspule 6. Die Induktorspule 6 selbst kann durch eine Kühlung beispielsweise mittels Kühlwasser gekühlt werden.In the anvil 3 is an inductor coil 6 embedded, which are the template made of an electrically conductive material 1 can heat. Because the anvil 3 is made of an electrically insulating ceramic material, this is through the inductor coil 6 not heated. Furthermore, the absence of other electrically conductive components ensures the exclusive heating of the die 1 through the inductor coil 6 , The inductor coil 6 itself can be cooled by cooling, for example by means of cooling water.

Weiterhin kann eine Kühlung für den Amboss 3 vorgesehen sein, die den Amboss 3 permanent auf Kühltemperatur hält. Hierfür kann auch die für die Induktorspule 6 vorgesehene Kühlung verwendet werden. Somit erfolgt unmittelbar nach dem Abschalten der Heizung durch die Induktorspule 6 eine Kühlung der Matrize 1 und, während dem auf der linken Seite der Figur dargestellten Prägevorgangs, auch eine Kühlung des Substrats 5. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine Heizzeit von etwa 0,5 s. Der erfindungsgemäße Aufbau der Prägevorrichtung erlaubt weiterhin eine kompakte Ausführung.Furthermore, a cooling for the anvil 3 be provided, which is the anvil 3 permanently at cooling temperature. This can also be for the inductor coil 6 provided cooling can be used. Thus, immediately after switching off the heating by the inductor coil 6 a cooling of the die 1 and, during the embossing process shown on the left side of the figure, also cooling the substrate 5 , The device according to the invention allows a heating time of about 0.5 s. The inventive structure of the embossing device further allows a compact design.

Durch eine entsprechende Auslegung der Induktorleistung können nahezu beliebige Prägetemperaturen in Heizzeiten von weniger als 1 s erreicht werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit für das Prägen einer Vielzahl von schmelzbaren Materialien einsetzbar. Mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können beliebige Nano- oder Mikrostrukturen geprägt werden. Der Einsatz ist also nicht auf das Prägen mittels zylindersymmetrischer Matrizen beschränkt, wie dies bei dem Prägen optischer Datenträger der Fall ist. Durch eine entsprechende geometrische Auslegung des Induktors können auch beliebig ausgeformte Werkstücke geheizt werden.By a corresponding design of the inductor power can almost any embossing temperatures be achieved in heating times of less than 1 s. The device according to the invention is therefore for the embossing a variety of fusible materials used. With the Device according to the present invention Invention can any nano or microstructures embossed become. The use is therefore not on the embossing by means of cylindrically symmetric matrices limited, as with the embossing optical disk the case is. By a corresponding geometric interpretation of Inductor can also arbitrarily shaped workpieces be heated.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann neben dem Prägen auch für andere Verfahren der Oberflächenstrukturierung eingesetzt werden, sofern diese eine dynamische Temperierung in kurzer Zykluszeit erfordern. Als Beispiele sind das Spritzgießen von kleinen Strukturen oder Strukturen von hohem Aspektverhältnis genannt, oder das Spritzgießen von dünnwandigen Körpern, die ein hohes Verhältnis der Flächen zu den Wandstärken aufweisen. Bevorzugt ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Strukturierung der Informationsschicht von Blu-Rag Dual Lager Discs. Das Verfahren erlaubt jedoch auch den Aufbau optischer Datenspeicher mit beliebig vielen Lagern.The Device according to the present invention Invention can be in addition to embossing also for other methods of surface structuring be used, provided that a dynamic tempering in require a short cycle time. As examples are the injection molding of called small structures or structures of high aspect ratio, or injection molding of thin-walled bodies the high ratio the surfaces to the wall thicknesses exhibit. The use of the device according to the invention is preferred for the Structuring the information layer of Blu-Rag dual bearing discs. However, the method also allows the construction of optical data storage with any number of warehouses.

Claims

Device for alternately heating and cooling a component ( 1 of electrically conductive material, with (a) a device of electrically insulating material for cooling the component ( 1 ) via one with the component ( 1 ) in contact with the cooling surface, and (b) an induction heating device ( 6 ) for heating the device.

Apparatus according to claim 1, wherein the component ( 1 ) is a die and the device is suitable for a substrate ( 5 ) to structure.

Apparatus according to claim 2, wherein the means for cooling the device ( 1 ) an anvil ( 3 ) and a device for holding the component ( 1 ) in thermal contact with the anvil ( 3 ) having.

Apparatus according to claim 2 or 3, further comprising means ( 4 ) for holding the substrate ( 5 ) and to bring the substrate ( 5 ) in contact with the matrix.

Device according to claim 4, wherein the device ( 4 ) for holding the substrate ( 5 ), the substrate ( 5 ) against the die and so the structure in the substrate ( 5 ).

Device according to one of claims 1 to 5, wherein the component ( 1 ) is made of a ferromagnetic material.

Device according to one of claims 1 to 6, wherein the device for cooling the component ( 1 ) made of a ceramic with good thermal conductivity is speed.

Device according to one of claims 1 to 7, wherein the device for cooling the component ( 1 ) is cooled by means of cooling water.

Device according to one of claims 2 to 8, wherein the substrate ( 5 ) is a blank for producing a Blu-Ray dual layer disc.

Method for structuring a substrate, in particular for embossing an information layer of an optical disk by means of the device according to any one of claims 2 to 9.

The method of claim 10, wherein the substrate is in front of metallized the structuring process.