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Die Offset-Lithographie ist ein übliches Druckverfahren. (Für die vorliegenden Zwecke werden die Begriffe „Drucken” und „Markieren” austauschbar verwendet.) Bei einem typischen lithographischen Prozess wird die Oberfläche eines Druckbildträgers, wobei es sich um eine flache Platte, einen Zylinder, einen Riemen usw. handeln kann, gebildet, um „Bildbereiche” aus wasserabweisendem und ölanziehendem Material und „Nicht-Bildbereiche” aus einem wasseranziehenden Material aufzuweisen. Die Bildbereiche entsprechen den Flächen auf dem endgültigen Ausdruck (d.h. dem Zielsubstrat), die von einem Druck- oder Markierungsmaterial, wie etwa Tinte, belegt sind, wohingegen die Nicht-Bildbereiche die Bereiche sind, die den Flächen auf dem endgültigen Ausdruck entsprechen, die nicht von dem Markierungsmaterial belegt sind. Die wasseranziehenden Bereiche nehmen ein Anfeuchtfluid auf Wasserbasis (gewöhnlich als Feuchtwasser bezeichnet und typischerweise aus Wasser und etwas Alkohol sowie aus anderen Zusatzstoffen und/oder Tensiden bestehend) an und sind dadurch mühelos zu befeuchten. Die wasserabweisenden Bereiche stoßen das Anfeuchtfluid ab und nehmen Tinte an, wohingegen das Anfeuchtfluid, das sich über den wasseranziehenden Bereichen bildet, eine „Fluidabgabeschicht” bildet, um Tinte abzustoßen. Deshalb entsprechen die wasseranziehenden Bereiche der Druckplatte unbedruckten Flächen oder „Nicht-Bildflächen” des endgültigen Ausdrucks.
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Die Tinte kann direkt auf ein Substrat, wie etwa Papier, übertragen werden oder kann auf eine Zwischenfläche aufgetragen werden, wie etwa auf einen Offset-(oder Gummi-)Zylinder in einem Offset-Drucksystem. Der Offset-Zylinder ist mit einer anpassungsfähigen Beschichtung oder Hülle bedeckt, die eine Oberfläche aufweist, die sich an die Struktur des Substrats anpassen kann, das eine Rautiefe aufweisen kann, die etwas größer als die Rautiefe der Bildgebungsplatte ist. Es wird ein ausreichender Druck verwendet, um das Bild von dem Offset-Zylinder auf das Substrat zu übertragen. Das Einklemmen des Substrats zwischen dem Offset-Zylinder und einem Prägezylinder stellt diesen Druck bereit.
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Die zuvor beschriebenen lithographischen und Offset-Drucktechniken verwenden Platten, die dauerhaft strukturiert sind, und sind dadurch nur nützlich, wenn viele Exemplare des gleichen Bildes (lange Druckläufe), wie etwa Zeitschriften, Zeitungen und dergleichen, gedruckt werden. Sie ermöglichen es jedoch nicht, eine neue Struktur von einer Seite zur nächsten zu erstellen und zu drucken, ohne den Druckzylinder und/oder die Bildgebungsplatte abzunehmen und auszuwechseln (d.h. die Technik kann kein wirklich schnelles Drucken mit variablen Daten handhaben, wobei sich das Bild von einer Prägung zur anderen ändert, wie etwa bei digitalen Drucksystemen). Ferner amortisieren sich die Kosten der dauerhaft strukturierten Bildgebungsplatten oder Zylinder mit der Anzahl der Exemplare. Die Kosten pro Druckexemplar sind daher für kurze Druckläufe desselben Bildes höher als für längere Druckläufe desselben Bildes, im Gegensatz zu Ausdrucken von digitalen Drucksystemen.
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Die Lithographie und der so genannte wasserlose Prozess stellen einen sehr hochwertigen Druck bereit, teilweise auf Grund der Qualität und der Farbpalette der verwendeten Tinten. Ferner sind diese Tinten – die typischerweise einen sehr hohen Farbpigmentgehalt aufweisen (typischerweise im Bereich von 20 bis 70 Gewichtsprozent) – im Vergleich zu Tonern und vielen anderen Arten von Markierungsmaterialien sehr kostengünstig. Obwohl der Wunsch besteht, lithographische und Offset-Tinten zum Drucken zu verwenden, um die hohe Qualität und die geringen Kosten auszunutzen, besteht jedoch auch der Wunsch, Daten zu drucken, die sich von Seite zu Seite ändern. Bisher gab es eine Reihe von Hindernissen, um das Drucken mit variablen Daten unter Verwendung solcher Tinten bereitzustellen. Ferner besteht der Wunsch, die Kosten pro Exemplar für kürzere Druckläufe desselben Bildes zu reduzieren. Im Idealfall ist es erwünscht, die gleichen geringen Kosten pro Exemplar eines langen Offset- oder lithographischen Drucklaufs (z.B. mehr als 100.000 Exemplare) für einen mittleren Drucklauf (z.B. etwa 10.000 Exemplare) und für kurze Druckläufe (z.B. etwa 1000 Exemplare), letztendlich bis auf eine Drucklauflänge von 1 Exemplar (d.h. wirkliches Drucken mit variablen Daten) einzugehen.
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Ein Problem, auf das man stößt, besteht darin, dass die Viskosität von Offset-Tinten im Allgemeinen zu hoch ist (häufig weit mehr als 50.000 cps), um bei Tintenstrahlsystemen auf Düsenbasis von Nutzen zu sein. Zudem weisen Offset-Tinten auf Grund ihrer klebrigen Beschaffenheit im Verhältnis zu elektrostatischen Kräften sehr hohe Oberflächenadhäsionskräfte auf und sind daher nahezu unmöglich auf und von einer Oberfläche, die Elektrostatik verwendet, zu manipulieren. (Dies steht im Gegensatz zu den trockenen oder flüssigen Tonerteilchen, die bei xerographischen/ elektrographischen Systemen verwendet werden, die auf Grund ihrer Teilchenform und der Verwendung maßgeschneiderter Oberflächenchemie und spezieller Oberflächenzusatzstoffe geringe Oberflächenadhäsionskräfte aufweisen.)
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In der Vergangenheit wurden Bemühungen angestellt, um lithographische und Offset-Drucksysteme für variable Daten zu erstellen. Ein Beispiel wird in dem
US-Patent 3,800,699 offenbart, bei dem eine intensive Energiequelle, wie etwa ein Laser, verwendet wird, um ein Anfeuchtfluid strukturiert verdampfen zu lassen.
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Bei einem anderen Beispiel, das in dem
US-Patent 7,191,705 , offenbart wird, wird eine wasseranziehende Beschichtung auf einen Bildgebungsriemen aufgetragen. Ein Laser erhitzt und verdampft oder zersetzt selektiv Bereiche der wasseranziehenden Beschichtung. Ein Anfeuchtfluid auf Wasserbasis wird dann auf diese wasseranziehenden Bereiche aufgetragen, was sie ölabweisend macht. Dann wird Tinte aufgetragen und überträgt sich selektiv auf die Platte, und zwar nur an den Flächen, die nicht mit Anfeuchtlösung bedeckt sind, wodurch eine eingefärbte Struktur geschaffen wird, die man auf ein Substrat übertragen kann. Nach der Übertragung wird der Riemen gereinigt, eine neue wasseranziehende Beschichtung und Anfeuchtfluid werden abgeschieden, und die Schritte des Strukturierens, Einfärbens und Druckens werden wiederholt, beispielsweise um den nächsten Bilderstapel zu drucken.
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Bei den zuvor erwähnten lithographischen Systemen ist es sehr wichtig, über eine Anfangsschicht von Anfeuchtfluid zu verfügen, die eine einheitliche und erwünschte Dicke aufweist. Um dies zu erreichen, wird ein Auftragwalzenspalt-Befeuchtungssystem, das eine Walze umfasst, die aus einem Lösungsvorrat gespeist wird, in die Nähe der wiederabbildungsfähigen Oberfläche gebracht. Das Anfeuchtfluid wird dann von der Auftragwalze auf die wiederabbildungsfähige Oberfläche übertragen. Ein derartiges System beruht jedoch auf der mechanischen Integrität der Auftragwalze und der wiederabbildungsfähigen Oberfläche, der Oberflächenqualität der Auftragwalze und der wiederabbildungsfähigen Oberfläche, der Steifigkeit der Halterung, welche die Beabstandung zwischen der Auftragwalze und der wiederabbildungsfähigen Oberfläche beibehält, und so weiter, um eine einheitliche Schicht zu erzielen. Mechanische Ausrichtungsfehler, Positions- und Rotationstoleranzen sowie Bauteilverschleiß tragen jeweils zur Änderung der Beabstandung zwischen Walze und Oberfläche bei, was zu einer Abweichung der Anfeuchtfluiddicke vom Idealwert führt.
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Ferner führt ein unter der Bezeichnung Zugfaltenschwankung bekanntes Artefakt beim Walzstreichverfahren zu einer uneinheitlichen Schichtdicke des Anfeuchtfluids. Diese variable Dicke zeigt sich als Streifen oder durchgehende Linien in einem gedruckten Bild.
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Obwohl ferner große Bemühungen angestellt werden, um die Walze nach jedem Druckdurchgang zu reinigen, ist es bei einigen Systemen unvermeidlich, dass Schmutzstoffe (wie etwa Tinte von früheren Durchgängen) an der wiederabbildungsfähige Oberfläche bleiben, wenn eine Schicht Anfeuchtfluid aufgetragen wird. Die verbleibenden Schmutzstoffe können an der Auftragwalze, die das Anfeuchtfluid abscheidet, haften bleiben. Die Walze kann anschließend Bildartefakte von den Schmutzstoffen in nachfolgende Ausdrucke einbringen, die zu einem nicht annehmbaren endgültigen Ausdruck führen.
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Zudem kann eine Hohlraumbildung auf der Auftragwalze in dem Übertragungsspalt auf Grund von Taylor-Instabilitäten auftreten (siehe z.B. „An Outline of Rheology in Printing" von W.H. Banks, aus der Fachzeitschrift Rheologica Acta, S. 272-275 (1965)). Um diese Instabilitäten zu vermeiden, wurden Systeme mit mehreren Walzen konstruiert, die sich in Axialrichtung vor und zurück bewegen und sich dabei auch in Walzkontakt mit der Auftragwalze bewegen, um die Zugfalten- und Streifenbildung zu unterbrechen. Dieser Walzenmechanismus verzögert jedoch die „Stabilisierung” des Anfeuchtsystems, so dass das Drucken nicht beginnen kann, bis sich die Schichtdicke des Anfeuchtfluids auf allen Walzenoberflächen stabilisiert hat. Auch ist keine spontane Strömungssteuerung des Anfeuchtfluids möglich, da sich die Anfeuchtfluidschicht zu diesem Zeitpunkt bereits auf der Auftragwalze angehäuft hat und die anderen Walzen des Anfeuchtsystems als Puffermechanismus dienen.
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Entsprechend wurden Bemühungen angestellt, um Systeme zu entwickeln, um Anfeuchtfluid direkt auf die Oberfläche der Offset-Platte statt auf Zwischenwalzen oder auf eine Auftragwalze abzuscheiden. Ein derartiges System sprüht das Anfeuchtfluid auf die wiederabbildungsfähige Oberfläche der Offset-Platte. Siehe z.B. das
US-Patent Nr. 6,901,853 und das
US-Patent Nr. 6,561,090 . Auf Grund der Tatsache, dass diese Anfeuchtsysteme mit herkömmlichen (vorstrukturierten) Offset-Platten verwendet werden, umfasst der Mechanismus zur Übertragung des Anfeuchtfluids auf die Offset-Platte jedoch eine „Formierwalze”, die sich in Walzkontakt mit dem Offset-Plattenzylinder befindet, um das Feuchtwasser strukturiert auf die Plattenoberfläche zu übertragen – da es die Spaltaktion des Kontaktwalzens zwischen der Auftragwalze und der strukturierten Oberfläche der Offset-Platte ist, die das Feuchtwasser aus den wasserabweisenden Bereichen der Offset-Platte herausdrückt, wodurch der nachfolgende Auswahlmechanismus der Tintenübertragung wie gewünscht funktionieren kann.
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Obwohl diese Sprüh-Anfeuchtsysteme den Vorteil bieten, den Durchfluss des Anfeuchtfluids durch die Steuerung des Sprühsystems zu dosieren, und auch die Fähigkeit bieten, die Schichtdicke des Anfeuchtfluids spontan je nach Bedarf zu manipulieren, bringt die Notwendigkeit der Verwendung der Auftragwalze des Anfeuchtsystems als letztes Mittel zum Übertragen des Anfeuchtfluids auf die Plattenoberfläche wieder den Nachteil der Dickenvariation, der Walzenverschmutzung, der Walzenhohlraumbildung usw. ein. Obwohl ferner das Anfeuchtfluid typischerweise weniger als ein Mikrometer dick ist, sind solche Systeme nicht in der Lage, einen relativ weiten Dickenbereich des Anfeuchtfluids bei diesem Betrieb mit weniger als einem Mikrometer zu berücksichtigen.
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zum Auftragen eines Anfeuchtfluids direkt auf eine wiederabbildungsfähige Oberfläche eines lithographischen Systems mit variablen Daten. Es werden Systeme und Verfahren offenbart, die einen Kondensationsbereich bereitstellen, bei dem ein Anfeuchtfluid, das in einem luftgetragenen Zustand, bevorzugt als Dampf, bereitgestellt wird, auf einer wiederabbildungsfähigen Oberfläche kondensieren kann, um eine Anfeuchtfluidschicht einer gewünschten Dicke zu bilden.
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Es werden hier ein System und entsprechende Verfahren offenbart, um ein Anfeuchtfluid auf eine wiederabbildungsfähige Oberfläche eines Bildgebungselements in einem Lithographiesystem mit variablen Daten aufzutragen, wobei das System ein Teilsystem, um ein Anfeuchtfluid zu erhitzen, um von diesem eine Dampfform zu erstellen (die hier als Anfeuchtfluid-„Dampf” bezeichnet wird), ein Teilsystem, um die Strömung des Anfeuchtfluiddampfes auf die wiederabbildungsfähige Oberfläche zu richten, und ein Teilsystem, um den Dampf auf eine wiederabbildungsfähige Oberfläche eines Bildgebungselements zu kondensieren, umfasst, wodurch der Anfeuchtfluiddampf wieder zu einer durchgehenden flüssigen Schicht direkt an der wiederabbildungsfähigen Oberfläche wird und dadurch auf diese abgeschieden wird, um eine Anfeuchtfluidschicht einer gesteuerten Dicke und Oberflächenqualität zu bilden.
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Es kann eine Reihe von alternativen Systemen und Verfahren verwendet werden, um das flüssige Anfeuchtfluid in Dampf umzuwandeln, einschließlich einer direkten Anwendung von Wärme auf ein Anfeuchtfluidbad, einer indirekten Anwendung von Wärme auf ein Anfeuchtfluidbad, einer Anwendung von Strahlung (wie etwa einer Mikrowellenstrahlung) auf ein Anfeuchtfluidbad, und so weiter. Ähnlich kann eine Reihe von alternativen Systemen und Verfahren verwendet werden, um den Anfeuchtfluiddampf in eine Flüssigkeit auf der wiederabbildungsfähigen Oberfläche umzuwandeln, einschließlich der Anwendung des Dampfes auf eine relativ kühlere wiederabbildungsfähige Oberfläche, wobei der Dampf auf einen Kondensationsbereich zwischen einer Kondensationsströmungs-Steuerungsstruktur in Form eines Verteilers oder einer Platte und einer wiederabbildungsfähigen Oberfläche eingeschränkt wird, und so weiter.
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Diverse Rückkopplungs- und Steuersysteme können bereitgestellt werden, um die Dicke der Schicht von Anfeuchtfluid zu messen, die auf die wiederabbildungsfähige Oberfläche aufgetragen wird, und dynamisch oder anderweitig gewisse Aspekte der Dampfabgabe und des Kondensationsprozesses zu steuern, um eine gewünschte Schichtdicke zu erzielen und zu bewahren. Ein optischer Sensor und Rückkopplungssignale desselben zum Steuern von Volumen, Temperatur, Sättigung und so weiter des Anfeuchtfluiddampfes können zu diesem Zweck bereitgestellt werden.
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Das System und die Verfahren, die hier offenbart werden, stellen eine Reihe von Vorteilen gegenüber bekannten Verfahren bereit, wozu ohne Einschränkung Folgendes gehört: Einheitlichkeit der abgeschiedenen Anfeuchtfluidschicht, sowohl auf Mikro- als auch auf Makroebene; Genauigkeit der Schichtdicke, die über der wiederabbildungsfähigen Oberfläche gebildet wird; Bereitstellung einer sehr dünnen Anfeuchtfluidschicht über der wiederabbildungsfähigen Oberfläche, mit Kontrolle über diese Schichtdicke im Zehntel- oder Hundertstelmikrometerbereich; Abscheidung von Anfeuchtfluid mit variabler Geschwindigkeit, die an eine Druckprozessgeschwindigkeit anpassbar ist; Skalierbarkeit von kleinen bis großen Substratgrößen und von niedrigen bis hohen Druckauflagen; und wenig oder gar kein Verlust (Vergeudung) für Kostenersparnisse, Reduzierung des Einflusses auf die Umwelt, und so weiter.
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In den hier beiliegenden Zeichnungen bezeichnen die gleichen Bezugszahlen die gleichen Elemente in den verschiedenen Zeichnungen. Obwohl sie beispielhaft sind, sind die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Es zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines Systems für variable Lithographie gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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2 eine Seitenansicht eines Teils eines Systems für variable Lithographie, das ein Teilsystem für Anfeuchtfluid auf Kondensationsbasis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst.
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3 eine Seitenansicht eines Teils eines Systems für variable Lithographie, das ein Teilsystem für Anfeuchtfluid auf Kondensationsbasis gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst.
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4 eine Seitenansicht eines Teils eines Systems für variable Lithographie, das ein Teilsystem für Anfeuchtfluid auf Kondensationsbasis gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst.
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5 eine aufgeschnittene Ansicht eines Teils eines Bildgebungselements mit einer strukturierten Anfeuchtfluidschicht, die darüber angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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6 eine aufgeschnittene Ansicht eines Teils eines Bildgebungselements mit einer eingefärbten strukturierten Anfeuchtfluidschicht, die darüber angeordnet ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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7 eine Seitenansicht eines Teils eines Systems für variable Lithographie, das ein Teilsystem für Anfeuchtfluid auf Kondensationsbasis und diverse Geräte zum Erstellen von verdampftem Anfeuchtfluid gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst.
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8 eine Seitenansicht eines Teils eines Systems für variable Lithographie, das ein Teilsystem für Anfeuchtfluid auf Kondensationsbasis und eine Aerosol-Anfeuchtfluidquelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst.
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Mit Bezug auf 1 wird dort ein System 10 für Lithographie mit variablen Daten gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das System 10 umfasst ein Bildgebungselement 12, bei dieser Ausführungsform eine Trommel, das jedoch ebenso gut eine Platte, ein Riemen usw. sein kann, das von einem Teilsystem für Anfeuchtfluid auf Kondensationsbasis 14, das nachstehend ausführlicher besprochen wird, einem Teilsystem zum optischen Strukturieren 16, einem Farbauftrag-Teilsystem 18, einem Übertragungs-Teilsystem 22 zum Übertragen eines eingefärbten Bildes von der Oberfläche des Bildgebungselements 12 auf ein Substrat 24 und schließlich von einem Oberflächenreinigungs-Teilsystem 26 umgeben ist. Andere optionale Elemente umfassen ein Teilsystem zur Rheologie-(komplexer viskoelastischer Modul) Steuerung 20, ein Teilsystem zum Messen der Dicke 28, ein Steuerungs-Teilsystem 30 usw. Viele zusätzliche optionale Teilsysteme können ebenfalls verwendet werden, gehen jedoch über den Umfang der vorliegenden Offenbarung hinaus. Viele dieser Teilsysteme, sowie der Betrieb des Systems als ganzes, werden ausführlicher in der US-Patentanmeldung 13/095,714 beschrieben, die hiermit zur Bezugnahme übernommen wird.
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Die Hauptanforderung für das Teilsystem für Anfeuchtfluid auf Kondensationsbasis 14 besteht darin, eine Schicht von Anfeuchtfluid abzugeben, die eine relativ einheitliche und steuerbare Dicke über einer wiederabbildungsfähigen Oberflächenschicht über dem Bildgebungselement 12 aufweist. Bei einer Ausführungsform liegt diese Schicht in dem Bereich von 0,1 µm bis 1,0 µm.
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Das Anfeuchtfluid muss die Eigenschaft aufweisen, dass es bei Kontakt mit der wiederabbildungsfähigen Oberfläche anfeuchtet und somit dazu neigt, sich zu verteilen. Je nach der freien Oberflächenenergie der wiederabbildungsfähigen Oberfläche kann das Anfeuchtfluid selber hauptsächlich aus Wasser bestehen, wobei wahlweise geringe Mengen von Isopropylalkohol oder Ethanol hinzugefügt werden, um seine natürliche Oberflächenspannung zu reduzieren und die Verdampfungsenergie zu verringern, die für die nachfolgende Laserstrukturierung notwendig ist. Zudem kann ein geeignetes Tensid, das eine starke Anfeuchtung an der wiederabbildungsfähigen Oberflächenschicht fördert, mit einem geringen Gewichtsprozentsatz hinzugefügt werden. Bei einer Ausführungsform besteht dieses Tensid aus Silikonglykol-Copolymer-Familien, wie etwa Verbindungen von Trisiloxan-Copolyolen oder Dimethikon-Copolyolen, die ohne Weiteres eine gleichmäßige Verteilung und Oberflächenspannungen unter 22 dyn/cm bei geringer Gewichtsprozentzufuhr fördern. Andere Fluortenside sind ebenfalls mögliche Mittel zur Reduzierung der Oberflächenspannung. Wahlweise kann das Anfeuchtfluid einen strahlungsempfindlichen Farbstoff enthalten, um teilweise Laserenergie beim Strukturierungsprozess zu absorbieren. Wahlweise kann das Anfeuchtfluid nicht wässrig sein und beispielsweise aus Silikonfluiden, Polyfluorether oder Fluorsilikonfluid bestehen.
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Auf Grund der Beschaffenheit des Verdampfungs-Kondensations-Prozesses wird es bevorzugt, dass alle Bestandteile der Zusammensetzung des Anfeuchtfluids einen relativ niedrigen Siedepunkt aufweisen (< ungefähr 250 °C). Die nicht wässrigen Anfeuchtfluidoptionen können die vorliegende Erfindung ohne Weiteres ausnutzen, weil sie typischerweise kein zusätzliches Tensid benötigen, um die Befeuchtungseigenschaften zu verbessern.
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In der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsformen versteht es sich, dass auf einer Druckplatte in dem System 10 keine vorgeformte wasseranziehende/ wasserabweisende Struktur vorliegt. Ein Laser (oder eine anderen Strahlungsquelle) wird verwendet, um in dem Anfeuchtfluid Blasen und somit eine Struktur zu bilden. Die Kennzeichen der Blasen (wie etwa Tiefe und Querschnittsform), welche die Qualität des letztendlich gedruckten Bildes bestimmen, sind weitgehend von der Wirkung, die der Laser auf das Anfeuchtfluid hat, abhängig. Diese Wirkung wird weitgehend durch die Dicke des Anfeuchtfluids am Einfallpunkt des Lasers beeinflusst. Um daher eine gesteuerte und bevorzugte Blasenform zu erzielen, ist es wichtig, die Dicke der Anfeuchtfluidschicht einheitlich zu machen, und zwar ohne unerwünschte Artefakte in das gedruckte Bild einzuführen.
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Entsprechend wird mit Bezug auf 2 dort eine ausführlichere Ansicht des Teilsystems 14 für Anfeuchtfluid auf Kondensationsbasis gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Das Teilsystem 28 zum Steuern der Verdampfungsdicke ist in der Nähe eines Bildgebungselements 12 angeordnet, das eine wiederabbildungsfähige Oberfläche 32 aufweist. Das Teilsystem 14 für Anfeuchtfluid auf Kondensationsbasis umfasst ein Reservoir 34, das ein geeignetes Anfeuchtfluid im flüssigen Zustand enthält. Dieses Anfeuchtfluid kann durch eine Reihe verschiedener Verfahren in Anfeuchtfluiddampf umgewandelt werden, wie etwa durch Erhitzen des Fluids im flüssigen Zustand bis zum Sieden durch ein Heizelement 36, wie etwa Widerstandsheizspiralen, eine Strahlungsquelle (z.B. Mikrowellen), eine optische Quelle (z.B. ein Laser), eine leitfähige Quelle (z.B. ein erhitztes Fluid, das von einer Leitung geführt wird) oder durch andere Verfahren. Das Anfeuchtfluid im Dampfzustand kann von dem Reservoir 34 durch eine Pumpe 38 und eine Leitung 40 bis zu einem Kondensationsbereich 42 in der Nähe der wiederabbildungsfähigen Oberfläche 32 transportiert werden.
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Eine Strömungssteuerungsstruktur in Form eines Verteilers 44 ist in der Nähe der wiederabbildungsfähigen Oberfläche 32 in dem Kondensationsbereich 42 angeordnet. Der Verteiler 44 kann einen oder mehrere Schlitze oder eine oder mehrere Düsen 46 aufweisen, die derart angeordnet sind, dass ein Gas unter Druck daraus in Richtung auf die wiederabbildungsfähige Oberfläche 32 oder alternativ auch in Richtung der Bewegung des Bildgebungselements 12 austritt. Daher kann sich der Anfeuchtfluiddampf mit der Drehung des Bildgebungselements 12 bewegen oder kann auf die wiederabbildungsfähige Oberfläche 32 gerichtet werden, oder beides. Auswahl und Steuerung dieser Richtung des Anfeuchtfluiddampfes haben eine direkte Auswirkung auf das Ausmaß der Kondensation und letztendlich auf die Dicke der Anfeuchtfluidschicht, die über der wiederabbildungsfähigen Oberfläche 32 abgeschieden wird. Die Wahl der Richtung ist von der bestimmten Anwendung abhängig, doch die Überlegungen umfassen mögliche Auswirkungen auf die Schichtdicke stromab und andere Teilsysteme und Elemente, die sich stromab von dem Teilsystem 14 für Anfeuchtfluid auf Kondensationsbasis befinden.
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Obwohl bei der vorliegenden Ausführungsform der Transport von Anfeuchtfluiddampf in dem Kondensationsbereich 42 durch den Druck und die Richtung, in welcher der Dampf die Leitung 40 verlässt, und gewissermaßen durch das Ausmaß der Drehung des Bildgebungselements 12 bereitgestellt wird, werden hier viele andere Ausführungsformen für diesen Transport in Erwägung gezogen. Mit Bezug auf 3 umfasst eine andere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Transportgasquelle 50 und eine damit verbundene Steuerung 52, die eine Gasströmung in Richtung auf einen Kondensationsbereich 42 zwischen der wiederabbildungsfähigen Oberfläche 32 und einer Strömungssteuerungsstruktur in Form einer Platte 48 (anstelle des Verteilers 44 aus 2) richtet. Dampf, der die Leitung 40 verlässt, wird von Gas (z.B. Luft) transportiert, das die Quelle 50 in den Kondensationsbereich 42 verlässt.
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In beiden Fällen (und zurück zu 2) setzt sich das Anfeuchtfluid aus seinem Dampfzustand in einen flüssigen Zustand auf der wiederabbildungsfähigen Oberfläche 32 ab und bildet dabei eine Anfeuchtfluidschicht 54. Überschüssiges Anfeuchtfluid im Dampfzustand kann durch ein Vakuumextraktions-Teilsystem 56 aufgefangen werden. Bei bestimmten Ausführungsformen kann entnommenes Anfeuchtfluid wiederverwertet werden, in einem Reservoir 58 gespeichert und wiederverwendet werden, um zusätzlichen Anfeuchtfluiddampf zu erzeugen.
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Gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann man eine wirksame Dampfkondensation erzielen, indem man den Anfeuchtfluiddampf für die Kondensationszone 42 auf einem wesentlich höheren Dampfdruck als dem gesättigten Dampfdruck auf der Temperatur der wiederabbildungsfähigen Oberfläche 32 während der Anfeuchtfluidabscheidung bereitstellt. Dies kann erreicht werden, indem man den Anfeuchtfluiddampf auf einer erhöhten Temperatur in dem Reservoir 34 erzeugt. Um ferner dazu beizutragen, den Anfeuchtfluiddampf daran zu hindern, auf dem Verteiler 44 (oder der Strömungssteuerungsplatte 48, 3) zu kondensieren, kann man seine Temperatur über die Temperatur der wiederabbildungsfähigen Oberfläche 32 während der Abscheidung des Anfeuchtfluids und eventuell über die Temperatur des Anfeuchtfluiddampfes selber anheben.
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Beispielhafte Anfeuchtfluide umfassend Wasser, Novec 7600 (1,1,1,2,3,3-Hexafluor-4-(1,1,2,3,3,3-hexafluorpropoxy)pentan unter der CAS-Nr. 870778-34-0) und D4 (Oktamethyl-Zyklotetrasiloxan). Wenn man sich beispielsweise auf D4 konzentriert, weist diese Substanz einen Dampfdruck von ~1 mmHg auf Raumtemperatur, ~10 mmHg auf 60 °C und 760 mmHg auf 172 °C (Siedepunkt) auf. Wenn gesättigter Anfeuchtfluiddampf auf 60 °C ganz auf die wiederabbildungsfähige Oberfläche 32 auf 25 °C kondensiert, gehen 9 mmHg Dampf in die flüssige Phase über (kondensieren). Die Kondensationsmenge bestimmt die Dicke der Schicht 32 und wird durch viele Faktoren bestimmt und gesteuert, wie etwa durch den Durchfluss des Anfeuchtfluiddampfes durch die Leitung 40, die Temperatur des Dampfes, der aus der Leitung 40 austritt, die Temperaturen der wiederabbildungsfähigen Oberfläche 32 und des Verteilers 44 (Platte 48), die Zeit, während der das Anfeuchtfluid der wiederabbildungsfähigen Oberfläche 32 und der Luft in und um den Kondensationsbereich 42 herum ausgesetzt ist (wie etwa die Länge des Verteilers 44 oder der Platte 48), und so weiter. Bei einer Ausführungsform reicht die Zieldicke für die flüssige Anfeuchtfluidschicht 54 von 0,1 bis 0,4 µm, was mit den zuvor beschriebenen Strukturen und Verfahren durchaus erreichbar ist. Daher kann die Steuerung erster Ordnung der Schichtdicke basierend auf den zuvor aufgeführten Verhältnissen, und eventuell anderen, angesichts der Anwendung der vorliegenden Offenbarung bestimmt werden. Eine (präzisere) Steuerung höherer Ordnung der Schichtdicke kann durch einen Rückkopplungsmechanismus, der nachstehend weiter besprochen wird, bereitgestellt werden.
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Ein Ziel der vorliegenden Offenbarung besteht darin, ein System und Verfahren bereitzustellen, um eine präzise Anfeuchtfluid-Schichtdicke für ein genaues Strukturieren durch das Teilsystem 16 zum optischen Strukturieren zu ermöglichen. In dieser Hinsicht ist es wichtig, dass der Anfeuchtfluiddampf sich nicht an der Oberfläche der Schicht 54 nach dem Kondensationsbereich 42 in der Bewegungsrichtung des Bildgebungselements 12 absetzt. Es ist ebenfalls wichtig, dass der Anfeuchtfluiddampf und/oder das Transportgas, das aus der Leitung 40 (oder der Transportgasquelle 50, 3) austritt, die Oberfläche der Schicht 54 nach dem Kondensationsbereich 42 nicht weiter stört. Daher kann zusätzlich zu dem Vakuumextraktions-Teilsystem 56 eine Barrierenstruktur 62 zwischen dem Teilsystem 16 zum optischen Strukturieren und dem Teilsystem 14 für Anfeuchtfluid auf Kondensationsbasis angeordnet sein.
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Gemäß gewissen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird die Dicke der Schicht 54 durch ein geeignetes Verfahren und System bestimmt, wie etwa durch eine Vorrichtung 70 zum optischen Messen der Dicke, die in 4 abgebildet ist. Die gemessene Dicke der Schicht 54 kann verwendet werden, um zu bestätigen, dass das Teilsystem 14 für Anfeuchtfluid auf Kondensationsbasis richtig funktioniert. Sie kann auch verwendet werden, um manuell oder automatisch den Betrieb des Teilsystems 14 für Anfeuchtfluid auf Kondensationsbasis anzupassen, um eine Zieldicke für die Schicht 54 zu erzielen. In diesem Fall wird die Ausgabe der Vorrichtung 70 zum optischen Messen der Dicke einer Steuervorrichtung 72 bereitgestellt. Die Steuervorrichtung 72 vergleicht die Dickenmessung der Vorrichtung 70 mit einer Zieldicke und sendet gegebenenfalls ein geeignetes Rückkopplungssignal an eine Strömungssteuerungsvorrichtung, beispielsweise an das Ventil 74 (z.B. ein servogesteuertes Ventil), einen Gebläsegeschwindigkeitsregler (nicht gezeigt) und so weiter, um die Strömung des Anfeuchtfluiddampfes zu steigern oder zu verringern, um die geeignete Dicke der Schicht 54 zu erzielen.
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Alternativ oder zusätzlich zum Bereitstellen des Rückkopplungssignals für das Steuerventil 74 kann das Rückkopplungssignal folgenden Elementen bereitgestellt werden: einer Steuervorrichtung 76 zum Steuern der Temperatur der wiederabbildungsfähigen Oberfläche 32 (wie etwa einem optischen Heizelement); einer Steuervorrichtung 78 zum Steuern der Temperatur des Verteilers 44 (oder der Platte 48); einer Steuervorrichtung 80 zum Steuern des Heizelements 36 zum Erhitzen des Anfeuchtfluids in dem Reservoir 34, um Anfeuchtfluiddampf zu erzeugen (und dadurch die Temperatur des somit erzeugten Anfeuchtfluiddampfes zu steuern). Andere Bedingungen, die durch die Ergebnisse der Vorrichtung 70 zum Messen der Dicke gesteuert werden können, umfassen ohne Einschränkung: ein Gerät, das die Dampfkonzentration des Anfeuchtfluids (auch als Feuchtigkeit bezeichnet, wenn das Anfeuchtfluid Wasser ist) der Umgebung steuert, in der die Druckvorrichtung funktioniert; ein Gerät, das die Temperatur der Umgebung steuert, in der die Druckvorrichtung funktioniert; und ein Gerät, das die Drehgeschwindigkeit des Bildgebungselements 12 steuert (wodurch die Expositionszeit oder der Abstand des Anfeuchtfluiddampfes gesteuert wird). Bei diesen Ausführungsformen funktioniert die Steuerung eines oder mehrerer dieser Teilsysteme, Vorrichtungen und letztendlich der Bedingungen, unter denen das Anfeuchtfluid vor dem Strukturieren abgeschieden wird, als Rückkopplungsschleife. Diese Rückkopplungsschleife kann durchgehend und schnell genug funktionieren, so dass eine Schichtdickensteuerung im Wesentlichen in Echtzeit bereitgestellt werden kann, und zwar mit einer Genauigkeit bis zum Hunderstelmikrometer oder mehr.
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Schließlich wird die Schicht 54 an dem Teilsystem 16 zum optischen Strukturieren 16 vorbeigeführt, die verwendet wird, um in dem Anfeuchtfluid durch bildweises Verdampfen der Anfeuchtfluidschicht, beispielsweise unter Verwendung von Laserenergie, selektiv ein Bild zu formen. Mit Bezug auf 5, die eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Bildgebungselements 12 und der wiederabbildungsfähigen Oberfläche 32 ist, auf der eine Anfeuchtfluidschicht 54 aufgetragen ist, ergibt das Anlegen einer optischen Strukturierungsenergie (z.B. eines Strahls B) von dem Teilsystem 16 zum optischen Strukturieren eine selektive Verdampfung von Teilen der Schicht 54. Dies erzeugt eine Struktur von Tinte aufnehmenden Vertiefungen 86 in dem Anfeuchtfluid. Eine relative Bewegung zwischen dem Bildgebungselement 12 und dem Teilsystem 16 zum optischen Strukturieren 16, beispielsweise in Pfeilrichtung A, ermöglicht eine Strukturierung der Schicht 54 in Prozessrichtung.
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Wie in 6 gezeigt, kann das Farbauftrag-Teilsystem 18 dann Tinte über der Oberfläche der Schicht 54 bereitstellen. Auf Grund der Beschaffenheit der Tinte, der wiederabbildungsfähigen Oberfläche 32, der Zusammensetzung der Anfeuchtfluid umfassenden Schicht 54 und der räumlichen Anordnungen der Elemente des Farbauftrag-Teilsystems 18, füllt die Tinte selektiv Tinte aufnehmende Vertiefungen 86 auf (5). Indem eine präzise gesteuerte Dicke der Schicht 54 bereitgestellt wird, werden die Erstreckung, das Profil und andere Attribute jeder Tinte aufnehmenden Vertiefung gut gesteuert, die Tintenmenge jeder Tinte aufnehmenden Vertiefung wird gut gesteuert und letztendlich wird dadurch die Qualität des sich ergebenden Bildes, das auf das Substrat aufgetragen wird, verbessert und konstant gemacht.
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Es versteht sich, dass obwohl jede der zuvor offenbarten Ausführungsformen als Düse (oder Düsenanordnung) funktionierte, die Anfeuchtfluiddampf in Richtung auf die wiederabbildungsfähige Oberfläche 32 und in Bewegungsrichtung des Bildgebungselements 12 ausbläst, mit der richtigen Anpassung bestimmter Parameter und Elementpositionen jede der obigen Ausführungsformen derart funktionieren kann, dass ein Vakuum der Hauptantrieb des Anfeuchtfluiddampfes ist, d.h. Anfeuchtfluiddampf wird durch das Anlegen eines Vakuums über die Oberfläche der Schicht 32 gezogen, so dass er darüber kondensieren kann.
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Obwohl die obige Beschreibung im Sinne eines reinen Anfeuchtfluid-„Dampfes” dargelegt wurde, wobei das Anfeuchtfluid auf Molekülebene einheitlich mit Luft gemischt wird, liegen andere Formen eines luftgetragenen Zustandes von Anfeuchtfluid im Umfang der vorliegenden Offenbarung, wie etwa ein Nebel (luftgetragene Form aus kleinen Tröpfchen) aus Anfeuchtfluid. Typischerweise weist der Luftanteil des Nebels wegen der größeren Fläche der Fluid-Luft-Schnittstelle einen höheren Dampfdruck auf. Im Allgemeinen werden Vorrichtungen zum Erstellen des luftgetragenen Zustandes des Anfeuchtfluids als Dampfgeneratoren bezeichnet. Solche Dampfgeneratoren können ihren eigenen Teilchentransport bereitstellen, wie etwa eine Gasströmung, oder können mit einer getrennten Teilchentransportvorrichtung verwendet werden. Beispielsweise kann das Anfeuchtfluid zerstäubt, vernebelt oder anderweitig in Teilchenform gebracht und luftgetragen werden, um es anhand einer Gasströmung zu der wiederabbildungsfähigen Oberfläche eines Bildgebungselements in einem Lithographiesystem mit variablen Daten zu transportieren. Mit Bezug auf 7 kann ein Beispiel aus vielen verschiedenen möglichen Dampfgeneratoren 100 mit Transport verwendet werden, um die luftgetragene Form des Anfeuchtfluids zu erstellen und bereitzustellen. Beispielsweise erhitzen Widerstandsheizelemente 102 das Anfeuchtfluid auf eine Temperatur, auf welcher der Dampf von der Oberfläche desselben abgegeben wird (Alternativen zu einem Widerstandsheizelement umfassen eine Strahlungsquelle, eine optische Quelle, eine akustische Quelle, eine thermisch leitfähige Quelle und so weiter). Eine Luftströmungsvorrichtung, wie etwa ein Gebläse 104, eine druckbeaufschlagte Quelle 106, eine akustische Vorrichtung 108 und so weiter, können verwendet werden, um eine Luftströmung zu erzeugen, um das Anfeuchtfluid von dem Anfeuchtfluid in dem Reservoir 24 zu transportieren. Alternativ kann das Anfeuchtfluid anfänglich dem System aus einem geeigneten Speicherbehälter 110, wie in 8 abgebildet, in Aerosolform bereitgestellt werden.
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Die Ansammlung des Anfeuchtfluids aus dem luftgetragenen Zustand in eine flüssige Schicht auf der wiederabbildungsfähigen Oberfläche kann auf verschiedene Art und Weise gesteuert werden. Die Geschwindigkeit der Dampferzeugung kann beispielsweise gesteuert werden, indem die Temperatur eines Heizelements, das mit dem Anfeuchtfluidreservoir verbunden ist, gesteuert wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Transports kann gesteuert werden, um die Kondensationsgeschwindigkeit anzupassen. Die Temperatur und die Drücke der jeweiligen Vorrichtungen und der Dampf enthaltenden und transportierenden Bereiche können ebenfalls gesteuert werden.
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Keine Einschränkung der Beschreibung der vorliegenden Offenbarung oder ihrer Ansprüche kann oder soll als absolut angesehen werden. Die Einschränkungen der Ansprüche sind dazu gedacht, die Grenzen der vorliegenden Offenbarung im Umfang und einschließlich dieser Einschränkungen zu definieren. Um dies weiter zu verdeutlichen, kann der Begriff „im Wesentlichen” hier gelegentlich zusammen mit einer Anspruchseinschränkung verwendet werden (obwohl sich die Berücksichtigung von Variationen und Unzulänglichkeiten nicht nur auf die Einschränkungen beschränkt, die mit diesem Begriff verwendet werden). Obwohl es schwierig ist, die eigentlichen Einschränkungen der vorliegenden Offenbarung präzise zu definieren, ist es beabsichtigt, dass dieser Begriff als „weitgehend”, „soweit wie möglich”, „im Rahmen der technischen Einschränkungen” und dergleichen auszulegen ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3800699 [0006]
- US 7191705 [0007]
- US 6901853 [0012]
- US 6561090 [0012]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „An Outline of Rheology in Printing” von W.H. Banks, aus der Fachzeitschrift Rheologica Acta, S. 272-275 (1965) [0011]
