DE102007021249A1

DE102007021249A1 - Sauerstoff-Inhibierung eines härtbaren Materials beim Strukturieren von Substraten

Info

Publication number: DE102007021249A1
Application number: DE200710021249
Authority: DE
Inventors: Eggo Sichmann; Marco Huber; Frank Martin; Peter Wohlfahrt
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: WO2008135320A1

Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Strukturieren eines Substrats bereit. Das Verfahren gemäß der Erfindung weist die folgenden Schritte auf: Beschichten eines Trägersubstrats mit einer Schicht aus einem härtbaren Material, Aussetzen der Materialschicht einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, Härten der Materialschicht in einem ersten Härtungsschritt durch Bestrahlen, wobei die der sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzte Oberfläche der Schicht weitgehend ungehärtet bleibt, Eindrücken einer Matrize in die Materialschicht zum Ausbilden einer Struktur in der Materialschicht und Härten der Materialschicht in einem zweiten Härtungsschritt, vorzugsweise durch Heizen der Materialschicht. Weiterhin stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Strukturieren eines Substrats gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strukturieren eines Substrats, insbesondere zum Prägen einer Informationsschicht eines optischen Datenträgers.
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.
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.
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 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.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Strukturieren eines Substrats bereitzustellen, mit dem die Prozesszeit verkürzt wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, das auf das Trägersubstrat aufgebrachte Material, z. B. Lack, vor dem Härten einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, beispielsweise Umgebungsluft, auszusetzen, um die Sauerstoff-Inhibierung des Materials, das vorzugsweise ein photonisch härtbarer Lack ist, gezielt auszunutzen.
Sauerstoff-Inhibierung ist ein bekannter, in der Regel parasitärerer Effekt, der allgemein beim Einsatz von photonisch härtenden Lacken auftritt. Während der Zeit zwischen dem Lackauftrag und der Bestrahlung, beispielsweise durch UV-Strahlen, binden sich Sauerstoffatome chemisch an die Kettenenden der Lackmonomere. Die so inhibitierten Monomere können nicht mehr an der vernetzenden Polymerisation, also der Härtung des Lacks teilnehmen. Betroffen von der Inhibierung ist die der Atmosphäre ausgesetzte Oberfläche des Lackes und eine bestimmte Diffusionsschicht darunter, die von Sauerstoffmolekülen durchdrungen wird. Der Rest des Lackvolumens bleibt unbeeinflusst und härtet normal aus. Die Dicke der Diffusionsschicht liegt in einer Größenordnung von 1 μm.
Dieser Effekt der Sauerstoff-Inhibierung wird bei der vorliegenden Erfindung ausgenutzt, um eine Lackschicht für die Strukturierung einsetzen zu können, deren oberste freiliegende Schicht ungehärtet und somit verformbar und also prägbar ist; im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren sind also weitere Maßnahmen, wie beispielsweise Aufschmelzen, nicht erforderlich. Durch die Sauerstoff-Inhibierung des hartbaren Lackes wird somit nach dem Härten durch Bestrahlen der Materialschicht auf der dem Substrat abgewandten freiliegenden Seite eine weiche, verformbare Grenzfläche erhalten. Somit ist nach diesem ersten Härtungsschritt nur der dem Substrat zugewandte größere Teil des Lackvolumens gehärtet, die oberste Schicht bleibt weitgehend ungehärtet. Für die Materialschicht in dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Materialien müssen also beispielsweise durch UV-Strahlung strahlungshärtbar und durch Sauerstoff-Inhibierung behandelbar sein. Weiterhin soll die durch die Sauerstoff-Inhibierung entstandene ungehärtete Schicht beispielsweise durch Wärmebehandlung härtbar sein. Alternativ kann dieser zweite Härtungsschritt auch durch eine weitere Bestrahlung, beispielsweise mit Licht einer Wellenlänge, die sich von der in der ersten Härtungsschicht verwendeten unterscheidet, durchgeführt werden.
Die Sauerstoff-Inhibierung tritt generell bei solchen Lacken auf, die durch radikalische Polymerisation härten. Hierbei liegen im ungehärteten Zustand kurzkettige Moleküle (Monomere oder Oligomere) mit freien Kettenenden vor, die radikalisiert werden können, um dann die Verkettung mit anderen Molekülen zu starten.
Häufig sind entsprechende Lacke photonisch härtend, d. h. die Polymerisationsreaktion wird durch Bestrahlung mit UV-Licht gestartet. Das UV-Licht aktiviert Photoinitiatoren im Lack, die wiederum die Verkettung der Lackmonomere einleiten. Dies sind im Allgemeinen Lacke auf Basis von Acrylaten. Für das beschriebene Prägeprinzip kann prinzipiell eine Vielzahl solcher Lacke zum Einsatz kommen, die bereits in der Fertigung optischer Datenspeicher als Deck- oder Schutzlack eingesetzt werden. Weiterhin können diese Lacksysteme auch thermisch härtend ausgeführt sein.
Die so gewonnen mechanischen Eigenschaften der Grenzfläche werden genutzt, um das Einbringen einer Struktur in die Grenzfläche zu ermöglichen bzw. zu erleichtern. Das Strukturieren erfolgt durch Eindrücken einer Matrize in die weiche Grenzschicht. Die Grenzschicht hat eine Dicke in der Größenordnung von 1 μm und ist somit für die Strukturierung geeignet. Durch Einsetzen einer Materialschicht, deren oberste Schicht ungehärtet ist, entfallen die Temperierzyklen, da der gesamte Prozess bei einer konstanten Temperatur stattfinden kann. Die zum Strukturieren (Prägen) erforderliche Zeitdauer wird dadurch verringert.
Um nach dem Eindrücken der Matrize die eingebrachte Struktur zu erhalten, wird die Materialschicht in einem zweiten Härtungsschritt vollständig polymerisiert.
Dieser zweite Härtungsschritt kann thermisch erfolgen. Alternativ ist denkbar, auch den zweiten Härtungsschritt durch Bestrahlen der Materialschicht durchzuführen, insbesondere mittels UV-Strahlung. Die Bestrahlung kann hierfür beispielsweise durch die (für diese Strahlung durchlässige) Matrize geschehen.
Im Falle der thermischen Härtung (Polymerisation) kann die hierzu notwendige Wärmemenge in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch die Matrize selbst in die Materialschicht eingebracht werden, indem die Matrize auf die Härtungstemperatur geheizt wird. So kann der zweite Härtungsschritt zeitgleich mit dem Strukturieren durch die Matrize bewerkstelligt werden. Der zweite Härtungsschritt wird dadurch begünstigt, dass nur eine relative dünne Schicht zu härten ist.
Allgemein tritt während den Härtungsschritten, also auch während dem letzten Härtungsschritt durch thermische Härtung, zusätzlich ein gewisser Schrumpf der Materialschicht auf. Dieser Schrumpf erleichtert in dem erfindungsgemäßen Verfahren die Trennung der Matrize vom Prägegut, die sogenannte Entformung.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann das gesamte Strukturierungsverfahren bei einer konstanten Temperatur durchgeführt werden. Durch diese statische Temperierung fallen alle Heiz- und Kühlzeiten weg. Da das eigentliche Strukturieren in der Größenordnung von Sekunden abläuft, wird eine hinreichend kurze Prozesszeit realisiert.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise für die Herstellung mehrlagiger optischer Datenspeicher, insbesondere Blu-Ray Dual Layer Discs (BD DL) eingesetzt. Jedoch ist prinzipiell das Prägen jeder beliebigen Nanostruktur denkbar. Neben der Herstellung von optischen Datenspeichern können beliebige Lackschichten, die flüssig aufgetragen und anschließend gehärtet werden, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren strukturiert werden. Neben der Anwendung für die Strukturierung der Informationsschicht von Dual Layer Discs erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren auch den Aufbau optischer Datenspeicher mit beliebig vielen Informationsschichten (Lagern).
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens bereit. Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Prozesskammer mit einer Abdichtung aufweisen, die die Behandlung des beschichteten Trägersubstrats in einer Sauerstoffatmosphäre erlaubt. In dieser Prozesskammer sind die bekannten Einrichtungen einer Strukturierungsvorrichtung angeordnet, also insbesondere eine Einrichtung zum Halten einer Matrize, die die zu prägende Struktur aufweist, und eine Einrichtung zum Halten des Substrats, um das Substrat mit der Matrize in Kontakt zu bringen. Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zum Bestrahlen des Substrats für den ersten Härtungsschritt und eine Einrichtung zum Heizen oder ggf. UV-Bestrahlen der Matrize für den zweiten Härtungsschritt auf. Da die Vorrichtung gemäß der Erfindung im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen keine Kühleinrichtungen aufweisen muß, kann die Vorrichtung kompakter und kostengünstiger hergestellt werden.

Claims

Verfahren zum Strukturieren eines Substrats mit den Schritten: (a) Aufbringen einer Materialschicht aus einem härtbaren Material auf ein Trägersubstrat, (b) Aussetzen der Materialschicht einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre, (c) Härten der Materialschicht in einem ersten Härtungsschritt durch Bestrahlen, wobei die der sauerstoffhaltigen Atmosphäre ausgesetzte Oberflächenschicht der Materialschicht weitgehend ungehärtet bleibt, (d) Eindrücken einer Matrize in die Oberflächenschicht zum Ausbilden einer Struktur in der Materialschicht und (e) Härten der Oberflächenschicht in einem zweiten Härtungsschritt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Materialschicht in Schritt (b) der Umgebungsluft ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Oberflächenschicht im zweiten Härtungsschritt durch Heizen oder durch Bestrahlen gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Materialschicht einen UV-härtbaren Lack aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zum Heizen der Oberflächenschicht der Materialschicht im zweiten Härtungsschritt die Matrize geheizt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die weitgehend ungehärtete Oberflächenschicht der Materialschicht eine Dicke von etwa 1 μm aufweist.
Vorrichtung zum Strukturieren eines Substrats, das ein Trägersubstrat und eine härtbare Materialschicht aufweist, gemäß dem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Vorrichtung nach Anspruch 7 mit einer abgedichteten Prozesskammer und einer Einrichtung zum Einleiten von Sauerstoff in die Prozesskammer.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei in der Prozesskammer eine Einrichtung zum Halten einer Matrize, eine Einrichtung zum Halten des Substrats und Kontaktieren der freien Oberfläche der Materialschicht mit der Matrize, eine Beleuchtungseinrichtung zum Bestrahlen der Materialschicht des Substrats und eine Einrichtung zum Heizen einer Matrize zum Einbringen einer Struktur in die Materialschicht aufweist.