-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung 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 Falle 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 TG 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 TG 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, eine Vorrichtung
zum Strukturieren eines Substrats bereitzustellen, bei der die Heiz-
und Kühlzeiten,
und damit die Prozesszeiten abgekürzt werden.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.
-
Die
Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, zum abwechselnden Heizen
und Kühlen
eines Bauelementes eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der das
Bauelement mittels einer Federeinrichtung von der Einrichtung zum
Kühlen
des Bauelementes beabstandet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Vorrichtung eine Strukturierungsvorrichtung,
die insbesondere zum Prägen
von Blu-Ray Dual Layer Discs geeignet ist. Das Bauelement und insbesondere
die Matrize wird somit durch die Federeinrichtung von der Kühleinrichtung
getrennt. Dies geschieht vorzugsweise durch eine gefederte Lagerung
eines innen zentrierenden Matrizenhalters, sowie einem gefedert
gelagerten Ring, der die Matrize am Außenrand hält. Der Abstand zwischen der
Matrize und der Kühleinrichtung
bzw. dem die Kühleinrichtung
bildenden Amboss in entspanntem Zustand beträgt vorzugsweise einige Millimeter.
Um eine gute thermische Entkopplung der Matrize vom Amboss zu gewährleisten,
ist die Matrizenhalterung vorzugsweise aus einem thermisch isolierenden
Material, beispielsweise Kunststoff gefertigt. So kann der Amboss
während
des gesamten Prägevorgangs
auf einer konstanten Temperatur, nämlich der Kühltemperatur gehalten werden. Das
Heizen der thermisch vom Amboss entkoppelten Matrize geschieht durch
eine zusätzliche
Heizeinrichtung. Dies kann beispielsweise eine Induktionsheizung
sein, die während
des Heizens vor die Matrize geschwenkt wird. Die induktive Heizung
ist für
ferromagnetische Materialien besonders effizient, so dass die Leistung
der induktiven Heizung nahezu vollständig durch die Matrize absorbiert
wird. Durch die direkte Heizung der Matrize durch Induktion und
durch einen ausreichend großen
Luftspalt zwischen Matrize und Amboss erfolgt keine nennenswerte
Erwärmung des
Amboss, so dass nur die Matrize und keine zusätzlichen Teile der Vorrichtung
geheizt wird.
-
Bei
jedem Prägevorgang
muss nach dem Heizen die Matrize wieder gekühlt werden. Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden zur Kühlung
Matrize und Amboss thermisch kontaktiert. Dies geschieht automatisch,
wenn die Einrichtung zum Halten des Substrats die Matrize mit dem
Substrat in Kontakt bringt. Sobald das Substrat gegen die Matrize
gefahren wird, werden die Federn gespannt und die Matrize gegen
den gekühlten
Amboss gepresst. Die Kühlung
setzt also automatisch genau zu dem Zeitpunkt des Prozesses ein,
ab dem sie benötigt wird.
-
Ist
die gewünschte
Entformungstemperatur erreicht, wird das Substrat von der Matrize
getrennt. Die Federn drücken
die Matrize wieder auf Abstand von dem Amboss, so dass die Kühlung der
Matrize, und damit des Substrats automatisch nur bis zur gewünschten
Entformungstemperatur erfolgt. Die Matrize wird somit nicht unnötigerweise
unterkühlt.
-
Gegebenenfalls
kann die notwendige Kühlzeit
der Matrize weiter verringert werden, indem die zu prägende Schicht
vor der Prägung
metallisiert wird. Dies kann durch Aufbringen einer wenigen Nanometer
dicken Schicht, beispielsweise aus Aluminium oder Silber durch Kathodenzerstäubung geschehen.
Die zusätzliche
Metallschicht kann das Entformen unterstützen bzw. Entformen bei höheren Temperaturen
erlauben. Eine höhere
Entformungstemperatur verringert die notwendige Kühlzeit,
um damit die gesamte Prozesszeit.
-
Die
zwangsdurchgeführte
Entkopplung bzw. Kontaktierung zwischen Matrize und Amboss während des
Strukturierungsprozesses garantieren eine exakte Dosierung der benötigten Kühlleistung,
sowie ein unverzögertes
Starten und Stoppen der Kühlung. Da
die Matrize den Amboss von der induktiven Heizung abschirmt, wird
nur die Matrize geheizt. Weiterhin erlaubt diese Abschirmung die
Verwendung von elektrisch leitfähigen
Stoffen, wie Metallen, für
die Ausführung
des Kühlambosses.
Der Amboss wird daher vorzugsweise aus Kupfer hergestellt.
-
Da
der Amboss permanent auf einer konstanten Temperatur, vorzugsweise
der Kühltemperatur
oder auch darunter gehalten wird, wird für ihn keine Heiz- oder Kühlleistung
verschwendet.
-
Alternativ
zur Heizung der Matrize mittels Induktion können auch andere Heizungsarten,
beispielsweise Strahlungsheizung, verwendet werden. Diese kann beispielsweise
eingesetzt werden, wenn die Matrize aus elektrisch nicht leitfähigen Stoffen
besteht.
-
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.
-
Gemäß 1 wird
die Matrize 1 durch einen Matrizenhalter 2 gehalten.
Der Matrizenhalter 2 ist in der in 1 gezeigten
Ausführungsform
gefedert gelagert. Um den Matrizenhalter 2 ist ein Amboss 3 angeordnet.
Der Amboss 3 wird durch eine (nicht gezeigte) Kühleinrichtung
gekühlt.
Dies kann beispielsweise durch Vorsehen von Kühlkanälen in dem Amboss 3 verwirklicht
werden. Um eine von dem Matrizenhalter 2 gehaltene Matrize 1 von
dem Amboss 3 sicher zu beabstanden, ist neben der gefederten
Lagerung des Matrizenhalters selbst ein gefedert gelagerter Ring 6 vorgesehen,
der die Matrize 1 am Außenrand hält.
-
Dem
Matrizenhalter 2 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 während des
Strukturierungsvorgangs an, wobei die linke Seite der Figur den
Zustand während
des Pressens zeigt, und die rechte Seite den Zustand zeigt, in dem
die Presse 4 von dem Matrizenhalter 2 getrennt
ist. Auf der rechten Seite der 1 ist somit zu
sehen, dass die Matrize 1 im entspannten Zustand in einem
bestimmten Abstand vom Amboss 3 gehalten wird. Drückt die
Presse 4 das Substrat gegen die Matrize 1, wie
dies im linken Teil der 1 dargestellt ist, kommen die
Matrize 1 und der Amboss 3 in Kontakt und die
Kühlung
der Matrize 1 und somit auch die des Substrats 5 setzt
ein. Alternativ kann die Vorrichtung zum Halten der Matrize 1 beweglich
ausgeführt sein,
so dass sie beim Pressen gegen das Substrat 5 gedrückt wird,
das auf einem (feststehenden) Substrathalter angeordnet ist.
-
Zum
Heizen der Matrize 1 im entspannten Zustand, also in dem
auf der rechten Seite der 1 gezeigten Zustand, ist zusätzlich eine
Heizvorrichtung vorgesehen, die in der 1 nicht dargestellt ist.
Vorzugsweise wird im Fall einer elektrisch leitenden, insbesondere
ferromagnetischen Matrize 1 eine Induktionsheizung zum
Heizen vor die Matrize 1 geschwenkt, so dass die Matrize 1 sich
zwischen der Heizung und dem Amboss 3 befindet.
-
Durch
das direkte Heizen der Matrize 1, ohne daß der Amboss 3 mitgeheizt
werden muss, kann eine Heizzeit von etwa 0,5 s erreicht werden.
Da weiterhin die Kühlung
der Matrize 1 durch den Amboss 3 automatisch einsetzt,
sobald sie benötigt
wird, wird die Zeit, die für
das Strukturieren eines Substrats 5 benötigt wird, gegenüber bekannten
Vorrichtungen stark verkürzt.
-
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.
-
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-Ray Dual Layer Discs.
Das Verfahren erlaubt jedoch auch den Aufbau optischer Datenspeicher
mit beliebig vielen Layern.