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Die Erfindung betrifft eine Replikationsvorrichtung zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen und ein Verfahren zum Abbilden einer Struktur auf einem Substrat.
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Replikationsvorrichtungen zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen sind bekannt. Beispielsweise wird dabei mittels einer Prägestruktur eine Struktur auf einem mit einem Imprintmaterial beschichteten Substrat abgebildet.
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Vor dem Beschichten des Substrats mit einem Imprintmaterial wird dieses gegen die Prägestruktur gefahren, um das Substrat relativ zur Prägestruktur zu parallelisieren. Dies ist notwendig, da eine Dicke des Substrats ungleichmäßig sein kann, insbesondere kann die Dicke von einem Randabschnitt zum anderen Randabschnitt abfallen. Auch die Prägestruktur selbst kann aufgrund von Toleranzen geneigt sein. Eine derartige Parallelisierung wird auch als Keilfehlerausgleich bezeichnet.
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Die Replikationsvorrichtung hat zu diesem Zweck einen Keilfehlerausgleichskopf mit einem stationären Teil und einem beweglichen Teil, wobei das Substrat auf dem beweglichen Teil gelagert ist. Der beweglich gelagerte Teil kann nach der Parallelisierung relativ zum stationären Teil in einem definierten Winkel arretiert werden. Anschließen wird das Substrat beschichtet und erneut gegen die Prägestruktur bewegt. Durch die vorhergehende Parallelisierung kann die Prägestruktur genau senkrecht in das Imprintmaterial eintauchen, sodass die Strukturierung besonders gleichmäßig erfolgt.
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Beim Parallelisieren des Substrats an der Prägestruktur können jedoch Haftkräfte zwischen dem Substrat und der Prägestruktur auftreten, sodass das Substrat beim Herunterfahren des Keilfehlerausgleichskopfs an der Prägestruktur kurzzeitig kleben bleibt und sich zeitverzögert zu einer Bewegung des Keilfehlerausgleichskopfes nach unten von der Prägestruktur löst, wobei der zuvor erreichte Keilfehlerausgleich verloren geht. Dadurch wird die Genauigkeit der Strukturierung beeinträchtigt.
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Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Replikationsvorrichtung bereitzustellen, mit der eine Fertigungsgenauigkeit bei der Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen verbessert werden kann. Des Weiteren ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein optimiertes Verfahren zum Abbilden einer Struktur auf einem Substrat anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Replikationsvorrichtung zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen mit zwei zueinander bewegbaren Baugruppen, wobei eine erste Baugruppe einen Chuck zur Aufnahme eines Substrats und eine zweite Baugruppe eine Aufnahme für eine Prägestruktur, insbesondere einen Stempel aufweist. Die Baugruppen sind relativ zueinander zwischen einer Prägeposition und einer Beladeposition bewegbar, wobei an einer der beiden Baugruppen mindestens eine Dichtlippe angeordnet ist, die der anderen der beiden Baugruppen zugewandt ist, und die die andere der beiden Baugruppen in der Prägeposition berührt und den Chuck und/oder die Aufnahme radial umgibt, wobei durch die Dichtlippe in der Prägeposition eine abgedichtete Überdruckkammer zwischen den beiden Baugruppen begrenzt ist.
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Die erste und die zweite Baugruppe können entlang einer Mittelachse aufeinander zu und voneinander weg bewegt werden. Beispielsweise sind beide Baugruppen bewegbar gelagert. Vorzugsweise ist jedoch eine der beiden Baugruppen, insbesondere die erste Baugruppe bewegbar gelagert, und die andere der beiden Baugruppen, insbesondere die zweite Baugruppe, stationär gelagert. Dadurch muss nur für eine der beiden Baugruppen ein Antrieb vorgesehen werden, wodurch der Aufbau der Replikationsvorrichtung vereinfacht ist.
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Durch die Abdichtung kann ein definierter Druck in der Überdruckkammer angelegt werden, insbesondere ein Überdruck. Dieser Druck dient dazu, das Substrat von der Prägestruktur zu lösen. Dies kann dadurch erfolgen, dass durch den Überdruck das Substrat und die Prägestruktur aktiv auseinandergedrückt werden. Dabei kann eine zuvor erreichte Parallelisierung, insbesondere ein Keilfehlerausgleich, erhalten bleiben, sodass ein nachfolgender Fertigungsprozess mit einer besonders hohen Genauigkeit stattfinden kann.
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Beispielsweise kann ein eingestellter Keilfehlerausgleich über einen längeren Produktionszeitraum, insbesondere für die Fertigung von mindestens zwei nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen erhalten bleiben. Man spricht in diesem Fall von einer „global wedge error compensation“. Hierbei ist es entscheidend, dass ein Keilfehlerausgleich präzise erhalten bleibt, sodass alle Bauteile in der gleichen Qualität gefertigt werden.
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Alternativ kann ein Keilfehlerausgleich für jedes Substrat neu eingestellt werden.
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Um die Überdruckkammer zuverlässig abzudichten, umgibt die Dichtlippe die den Chuck und/oder die Aufnahme radial vollständig.
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Die Dichtlippe ist vorzugsweise aufblasbar. Das Volumen der Dichtlippe kann somit variiert, insbesondere vergrößert werden. So kann eine Abdichtung der Überdruckkammer besonders zuverlässig erfolgen. Wenn das Volumen der Dichtlippe vergrößert wird, während sich die Baugruppen in der Prägeposition befinden, werden die Baugruppen durch die Dichtlippe auseinandergerückt. Die Dichtlippe kann somit zusätzlich zum Überdruck aktiv dazu beitragen, eine Trennkraft zu erzeugen, die die beiden Baugruppen auseinanderdrückt.
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Eine Höhe der Dichtlippe kann in aufgeblasenem Zustand der Dichtlippe Umfangsrichtung variieren. Das bedeutet, dass das Profil der Dichtlippe nicht konstant ist. Dadurch kann ein Ablösen der Dichtlippe bei einer Bewegung der Baugruppen aus der Prägestruktur heraus vereinfacht sein. Die Dichtlippe wird in diesem Fall nämlich nicht entlang ihres kompletten Umfangs gleichmäßig gelöst, sondern sie wird nach und nach erst an den Stellen mit der geringsten Höhe und anschließend an den Stellen mit der größeren Höhe abgelöst. Vorzugsweise nimmt die Höhe der Dichtlippe in Umfangsrichtung betrachtet von einer tiefsten Stelle aus zunähst kontinuierlich zu bis zu einer höchsten Stelle und anschließend wieder ab. Es sind somit keine Stufen in der Dichtlippe vorhanden.
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Die Dichtlippe ist beispielsweise in Draufsicht auf die entsprechende Baugruppe ringförmig oder torförmig. Derartige Geometrien sind einfach herstellbar. Zudem kann die Geometrie der Dichtlippe an die Geometrie der ersten Baugruppe, insbesondere des Chucks, angepasst sein.
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Gemäß einer Ausführungsform können zwei Dichtlippen vorgesehen sein, die separat voneinander aufblasbar sind, wobei eine der Dichtlippen die andere radial umgibt, insbesondere vollständig umgibt. Auf diese Weise können zwei voneinander getrennte, abgedichtete Kammern gebildet werden, wodurch der Prägeprozess optimiert werden kann. Die Dichtlippen können sich in ihrer Kontur und/oder in ihrer Höhe unterscheiden. Alternativ oder zusätzlich kann eine der Dichtlippen eine variierende Höhe und die andere Dichtlippe eine konstante Höhe aufweisen.
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Die innenliegende der beiden Dichtlippen ist vorzugsweise so geformt, dass ein auf einem Chuck angeordnetes Substrat vollständig innerhalb der ersten Kammer angeordnet ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann mittels der innenliegenden Dichtlippe eine erste Kammer und mittels der außenliegenden Dichtlippe eine zweite Kammer gebildet sein, wobei die erste Kammer eine Vakuumkammer und die zweite Kammer die Überdruckkammer ist. Mittels einer Vakuumkammer wird erreicht, dass ein Substrat an den Stempel gezogen wird, wodurch eine besonders gute Ausrichtung des Substrats an der Prägestruktur erreicht wird. Zudem kann das Vakuum dazu dienen, das Imprintmaterial bei einem Prägeprozess zu entgasen sowie Bläschen aus dem Imprintmaterial und zwischen der Prägestruktur, dem Imprintmaterial und dem Substrat zu entfernen.
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Die Überdruckkammer dient dazu, das Substrat von der Prägestruktur zu lösen, wie bereits vorhergehend beschrieben.
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Beispielsweise führt die Verwendung der ersten Dichtlippe zu einer in Draufsicht ringförmigen, insbesondere rotationssymmetrischen Druckkammer und die Verwendung der zweiten Dichtlippe zu einer in Draufsicht achssymmetrischen, insbesondere torförmigen Druckkammer.
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Die Prägestruktur ist beispielsweise durch ein Polymer auf Siliziumbasis gebildet, insbesondere durch Polydimethylsiloxan. Es sind jedoch auch andere Polymermaterialien denkbar. Insbesondere kann die Prägestruktur klebrig und/oder wellig sein.
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Das Polymer kann auf einer Glasplatte angeordnet sein und so einen Stempel bilden. Alternativ kann das Polymer auf einem Folienmaterial aufgebracht sein, welches an der Glasplatte angeordnet ist. Das Folienmaterial kann durch den Überdruck in der Überdruckkammer fest an die Glasplatte gedrückt werden. Durch die Glasplatte hat die Prägestruktur eine ausreichende Stabilität und wird nicht verbogen, wenn das Substrat gegen die Prägestruktur gefahren wird. Das Polymer selbst ist jedoch elastisch. Dies hat den Vorteil, dass beim Anlegen eines Überdrucks das Polymermaterial ein Stück weit durch den Überdruck komprimiert werden kann, wodurch ebenfalls eine Ablösung der Prägestruktur von dem Substrat stattfindet, insbesondere eine aktive Ablösung.
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Die erste Baugruppe kann zum Zweck des Keilfehlerausgleichs einen Keilfehlerausgleichskopf bilden, der einen stationären Teil und einen beweglichen Teil aufweist. Ein derartiger Keilfehlerausgleichskopf wird häufig auch als „wedge error compensation head“ bezeichnet. Der bewegliche Teil, welcher insbesondere den Chuck zur Aufnahme des Substrats enthält, kann relativ zum stationären Teil in einem bestimmten Winkel fest fixiert werden, wenn der Keilfehlerausgleich eingestellt ist.
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Des Weiteren weist die Replikationsvorrichtung beispielsweise eine Druckquelle zur Erzeugung eines Überdrucks in der Dichtlippe und/oder der Überdruckkammer auf. So kann bei Bedarf ein ausreichend hoher Überdruck in der Dichtlippe erzeugt werden, um die Überdruckkammer zu bilden und/oder in der Überdruckkammer kann ein ausreichend hoher Druck erzeugt werden, um eine aktive Bewegung der ersten Baugruppe und der zweiten Baugruppe relativ zueinander zu erreichen und um ein gleichmäßiges Ablösen des Substrats von der Prägestruktur ohne Verlust des Keilfehlerausgleichs zu gewährleisten.
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Außerdem kann eine Belichtungsvorrichtung zum Aushärten einer auf einem Substrat gebildeten Mikro- und/oder Nanostrukturierung vorgesehen sein. Eine solche Belichtungsvorrichtung ist beispielsweise geeignet, die Mikro- und/oder Nanostrukturierung mit UV-Licht zu belichten, insbesondere mit Licht einer Wellenlänge von 250 nm bis 450 nm, vorzugsweise 365 nm.
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Die Aufgabe wird des Weiteren erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Abbilden einer Struktur auf einem Substrat, insbesondere unter Verwendung einer Replikationsvorrichtung, die wie vorhergehend beschrieben ausgebildet ist, mit folgenden Schritten:
- - Platzieren eines Substrats auf einer ersten Baugruppe der Replikationsvorrichtung, insbesondere auf einem Chuck, und Platzieren einer Prägestruktur an einer zweiten Baugruppe der Replikationsvorrichtung, insbesondere einer Aufnahme;
- - Bewegen der Baugruppen relativ zueinander aus einer Beladeposition in eine Prägeposition, insbesondere nachdem das Substrat und die Prägestruktur in der Replikationsvorrichtung platziert wurden, wobei in der Prägeposition eine der Prägestruktur zugewandte Oberfläche des Substrats oder eine Beschichtung des Substrats vollflächig mit der Prägestruktur in Kontakt ist; und
- - aktives Bewegen, insbesondere beider Baugruppen, nachdem das Substrat mit der Prägestruktur in Kontakt gebracht wurde, der ersten Baugruppe und der zweiten Baugruppe voneinander weg durch Aufbringen einer Trennkraft.
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Eine Bewegung in die Prägeposition kann zum Ausgleich des Keilfehlers oder zum Einbringen von Strukturen in eine Beschichtung erfolgen. Wenn das Substrat bei einer Bewegung in die Prägeposition noch unbeschichtet ist, insbesondere kein Imprintmaterial auf das Substrat aufgetragen ist, dient die Bewegung in die Prägeposition zum Keilfehlerausgleich. Wenn das Substrat bei einer Bewegung in die Prägeposition bereits mit einem Imprintmaterial beschichtet ist, wird das Imprintmaterial beim Erreichen der Prägeposition durch die Prägestruktur strukturiert.
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Das Imprintmaterial ist beispielsweise ein Epoxidharz. Das Imprintmaterial kann jedoch auch eine dünne Schicht aus einem alternativen Material sein, das zum Beispiel durch Belacken, insbesondere mittels einer Beschichtungsvorrichtung aufgebracht wird.
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Die aktive Bewegung durch eine Trennkraft erfolgt insbesondere nur aus der Prägeposition heraus, aber nicht bis in die Beladeposition. Insbesondere dient die Trennkraft dazu, das unbeschichtete Substrat von der Prägestruktur zu lösen, ohne dass ein bereits erreichter Keilfehlerausgleich verloren geht oder um das beschichtete Substrat besonders einfach und zuverlässig von der Prägestruktur zu lösen.
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Die erste und die zweite Baugruppe weisen beispielsweise eine Mittelachse auf, wobei die Mittelachsen der ersten und der zweiten Baugruppen zueinander parallel, insbesondere koaxial zueinander ausgerichtet sind. Die Bewegung der Baugruppe zueinander erfolgt vorzugsweise in Richtung entlang der Mittelachsen.
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Gemäß einem weiteren Verfahrensschritt kann eine das Substrat radial umgebende aufblasbare Dichtlippe der Replikationsvorrichtung aufgeblasen werden, wenn die erste Baugruppe in der Prägeposition ist, so dass eine abgedichtete Überdruckkammer entsteht. Das Entstehen der abgedichteten Überdruckkammer macht es möglich, einen Überdruck in einem das Substrat beziehungsweise die Prägestruktur umgebenden Bereich zu erzeugen. Dieser Überdruck kann die Trennkraft erzeugen, welche die beiden Baugruppen auseinander drückt.
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Des Weiteren können beim Aufblasen der Dichtlippe die erste Baugruppe und die zweite Baugruppe auseinandergedrückt werden, sodass die Dichtlippe die Trennkraft erzeugt. Das heißt, dass eine aktive Bewegung der beiden Baugruppen relativ zueinander durch das Aufblasen der Dichtlippe erreicht wird, insbesondere aus der Prägeposition heraus.
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Sowohl das Aufblasen der Dichtlippe als auch das Erzeugen eines Überdrucks erleichtern das Ablösen des Substrats von der Prägestruktur, und zwar in beschichtetem und in unbeschichtetem Zustand des Substrats.
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Vorzugsweise wird das Substrat zunächst in einem unbeschichteten Zustand auf der Replikationsvorrichtung, insbesondere auf dem Chuck, platziert und zusammen mit der ersten Baugruppe in die Prägeposition bewegt, um das Substrat relativ zur Prägestruktur zu parallelisieren. Anders ausgedrückt wird ein Keilfehlerausgleich durchgeführt. Um das Substrat platzieren zu können, werden die Baugruppen zunächst in eine Beladeposition gebracht, in der die Baugruppen relativ zueinander beabstandet sind.
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Gemäß einem weiteren Verfahrensschritt wird das Substrat und/oder die Prägestruktur mit einem Imprintmaterial beschichtet und anschließend in einem beschichteten Zustand zusammen mit der ersten Baugruppe in die Prägeposition bewegt, um die Beschichtung mittels der Prägestruktur zu strukturieren.
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Zum Beschichten des Substrats mit dem Imprintmaterial wird die erste Baugruppe vorzugsweise in die Beladeposition gebracht.
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Das Imprintmaterial kann anschließend, das heißt nach der Strukturierung, in der Prägeposition mit Licht, insbesondere UV-Licht, belichtet werden. Dadurch wird das Imprintmaterial ausgehärtet.
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Nach dem Belichten ist das Substrat mit der Mikro- und/oder Nanostrukturierung fertiggestellt und kann aus der Replikationsvorrichtung entnommen werden, insbesondere nachdem die Baugruppen erneut in die Beladeposition bewegt wurden.
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In der Prägeposition, insbesondere nach dem Aushärten des Imprintmaterials, wird in der abgedichteten Überdruckkammer mittels der Überdruckquelle ein Überdruck erzeugt, um die aktive Bewegung zu erreichen, sodass die Überdruckquelle in Verbindung mit der Dichtlippe die Trennkraft erzeugt.
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Bei einem beschichteten Substrat wird die Rentabilität der Fertigung durch die Trennkraft stark vergrößert. Wenn das Substrat beschichtet ist, insbesondere wenn das Imprintmaterial bereits ausgehärtet ist, können die Haftkräfte zwischen Substrat und Prägestruktur so stark sein, dass bisher das Substrat mit einem Hilfswerkzeug von der Prägestruktur gelöst werden musste. Zu diesem Zweck musste die Prägestruktur mechanisch von der Replikationsvorrichtung entfernt werden, um die Zugänglichkeit der Prägestruktur beziehungsweise des Substrats mit einem Hilfswerkzeug möglich zu machen. Dieser Schritt kann durch das erfindungsgemäße Verfahren entfallen. Des Weiteren kann die Trennkraft ein Abreißen der Prägestruktur, insbesondere einer Polymerkomponente der Prägestruktur, verhindern, beispielsweise indem die Prägestruktur, insbesondere das Polymermaterial, zumindest teilweise durch den Überdruck komprimiert wird.
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Vorzugsweise ist der Überdruck ausreichend groß, um die Prägestruktur und das Substrat auseinander zu drücken, wenn das Substrat unbeschichtet oder beschichtet ist. Da bei einem beschichteten Substrat stärkere Haftkräfte auftreten als bei einem unbeschichteten Substrat, kann ein größerer Überdruck in der Überdruckkammer erzeugt werden, wenn ein beschichtetes Substrat abgelöst werden soll, als wenn ein unbeschichtetes Substrat abgelöst werden soll. Beispielsweise kann ein Überdruck zum Ablösen eines beschichteten Substrats das Doppelte oder Dreifache des Überdrucks beim Ablösen eines unbeschichteten Substrats betragen.
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Das Substrat kann in unbeschichtetem Zustand wiederholt von der Beladeposition in die Prägeposition bewegt werden, insbesondere durch wiederholtes Aufblasen und zumindest teilweises Entleeren der Dichtlippe und/oder der Überdruckkammer. Auf diese Weise ist eine noch genauere Ausrichtung des Substrats an der Prägestruktur, also ein noch genauerer Keilfehlerausgleich möglich. Beispielsweise wird das Substrat zweimal oder dreimal im unbeschichteten Zustand in die Prägeposition bewegt.
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Bei einer wiederholten Bewegung des unbeschichteten Substrats von der Beladeposition in die Prägeposition kann das Substrat jeweils mit unterschiedlich großer Anpresskraft an der Prägestruktur ausgerichtet werden, insbesondere mit bei jedem wiederholten Ausrichten abnehmender Anpresskraft. Die Anpresskraft ist die Kraft, mit der das Substrat gegen die Prägestruktur gedrückt wird.
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Die Anpresskraft kann eingestellt werden, indem die erste und die zweite Baugruppe mit einer definierten Kraft und/oder um einen definierten Stellweg aufeinander zu bewegt werden. Je geringer die Anpresskraft ist, umso geringer sind die zwischen Substrat und Prägestruktur auftretenden Haftkräfte. Auch die Reibung zwischen Substrat und Prägestruktur ist verringert. Somit kann bei wiederholtem Ausrichten mit jeweils geringerer Anpresskraft als beim vorherigen Ausrichten ein Keilfehlerausgleich mit einer besonders hohen Genauigkeit erfolgen, da bei geringeren Haftkräften die Wahrscheinlichkeit abnimmt, dass der bereits erfolgte Keilfehlerausgleich verloren geht.
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Vor dem aktiven Bewegen der beiden Baugruppen relativ zueinander wird vorzugsweise ein beweglicher Teil der ersten Baugruppe, das heißt des Keilfehlerausgleichskopfs, der Replikationsvorrichtung arretiert. Dadurch wird verhindert, dass sich der bewegliche Teil der ersten Baugruppe beim Bewegen der Baugruppen von der Prägeposition in die Beladeposition und umgekehrt relativ zum stationären Teil der ersten Baugruppe bewegt. So kann ein bereits eingestellter Keilfehlerausgleich erhalten bleiben.
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Bei einer besonders starken Haftung des Substrats an der Prägestruktur nach der der Strukturierung bei vollständiger oder teilweiser Aushärtung durch Belichtung oder anderweitig kann ein eingestellter Keilfehlerausgleich aufgelöst werden, insbesondere indem die Arretierung des Keilfehlerausgleichskopfes gelöst wird. In diesem Fall muss der Keilfehlerausgleich nach der Fertigung eines Bauteils jedes mal neu eingestellt werden, das heißt, es ist keine „global wedge error compensation“ möglich.
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Es sind also grundsätzliche zwei Keilfehlerausgleichsverfahren (KFA/WEC) möglich:
- Ein globaler Keilfehlerausgleich, der über einen längeren Prozesszeitraum erhalten bleibt und ein individueller Keilfehlerausgleich, der bei der Prozessierung jedes neuen Substrates erneut durchgeführt werden muss.
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Die Erfindung findet bei beiden Verfahren an verschiedenen Stellen im Ablauf Anwendung. In jedem der beiden Fälle wird das Verfahren durch das Vorhandensein der Überdruckkammer verbessert.
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Zum einen kann der Keilfehlerausgleich durch den Überdruck in der Überdruckkammer verbessert werden.
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Zum anderen kann nach erfolgtem Keilfehlerausgleich der eingestellten Keilfehlerausgleich bei der Trennung von der Prägestruktur und zum Beladen mit einem Substrat erhalten bleiben.
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Des Weiteren kann mittels des Überdrucks nach erfolgtem Prozess, das heißt nach dem Aushärten des Imprintmaterials, das Substrat von der Prägestruktur getrennt werden - entweder bei geringer Haftkraft mit der Möglichkeit den Keilfehlerausgleich als globalen Keilfehlerausgleich zu erhalten oder bei hoher Haftkraft nur zum Trennen unter Aufgabe des Keilfehlerausgleichs, insbesondere durch Ausschalten der Arretierung.
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Anstelle eines Substrats ohne Imprintmaterial, das später mit einem Imprintmaterial beschichtet und verarbeitet wird, kann zum Durchführen des Keilfehlerausgleichs auch ein Dummysubstrat verwendet werden. Anschließend können mehrere Substrate gefertigt werden, ohne dass jeweils ein weiterer Keilfehlerausgleich durchgeführt wird.
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Gemäß einer weiteren Variante wird in der Prägeposition ein Druck in der Überdruckkammer reguliert, um einen Spalt zwischen dem Substrat und der Prägestruktur konstant zu halten, insbesondere während des Prägens einer Struktur und/oder während des Belichtens. Auf diese Weise können Kapillarkräften zwischen dem Substrat und der Prägestruktur entgegengewirkt werden. Solche Kapillarkräfte treten auf, wenn das Substrat mit noch nicht beziehungsweise nicht vollständig ausgehärtetem Imprintmaterial beschichtet ist und das Substrat nahe an der Prägestruktur angeordnet ist oder in Kontakt mit der Prägestruktur ist. Die Kapillarkräfte bewirken, dass das Substrat zu der Prägestruktur hingezogen wird.
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Wenn zwei Dichtlippen vorhanden sind, kann zunächst eine erste Dichtlippe der Replikationsvorrichtung aufgeblasen werden und zu einem späteren Zeitpunkt die Dichtlippe entleert und eine weitere, von der ersten Dichtlippe verschiedene Dichtlippe aufgeblasen werden. Aufgrund unterschiedlicher Geometrien der Dichtlippen kann je nach Situation die Verwendung einer der beiden Dichtlippen vorteilhaft sein.
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Beispielsweise wird mittels der ersten Dichtlippe eine erste Kammer und mittels der zweiten Dichtlippe eine zweite Kammer gebildet, wobei in der ersten Kammer ein Vakuum und in der zweiten Kammer ein Überdruck erzeugt wird. Auf diese Weise kann auch von den Vorteilen eines Vakuums gebraucht gemacht werden.
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Der Überdruck kann dabei derart gewählt sein, dass trotz des Vakuums ein konstanter Abstand zwischen Substrat einerseits und Prägestruktur und/oder der Aufnahme andererseits beibehalten wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
- - 1 eine erfindungsgemäße Replikationsvorrichtung, insbesondere in einer Beladeposition,
- - 2 eine weitere erfindungsgemäße Replikationsvorrichtung in einer Prägeposition,
- - 3 einen Chuck für eine Replikationsvorrichtung gemäß den 1 und 2 und
- - 4 einen weiteren Chuck für eine Replikationsvorrichtung gemäß den 1 und 2.
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Die 1 und 2 zeigen jeweils eine Replikationsvorrichtung 10 zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen. Anhand der Figuren wird auch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Abbilden einer Struktur auf einem Substrat 16 erläutert.
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Die Replikationsvorrichtung 10 umfasst eine erste Baugruppe 12 und eine zweite Baugruppe 14, die relativ zueinander bewegbar sind, und zwar entlang einer Mittelachse M mindestens einer der beiden Baugruppen 12, 14. Die Baugruppen 12, 14 können dadurch relativ zueinander in eine Prägeposition und in eine Beladeposition gebracht werden.
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Um ein Substrat 16 aufnehmen zu können, umfasst die erste Baugruppe 12 einen Chuck 18, auf dem ein Substrat 16 platzierbar ist.
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Die zweite Baugruppe 14 umfasst eine Aufnahme 20 für eine Prägestruktur 22, die zum Abbilden einer Struktur auf dem Substrat 16 vorgesehen ist, insbesondere für einen Stempel. Eine solche Prägestruktur 22 ist in 2 veranschaulicht.
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In 1 ist die Replikationsvorrichtung 10 in einer Beladeposition dargestellt. In der Beladeposition sind die beiden Baugruppen 12, 14 mindestens so weit voneinander beabstandet, dass ein Substrat 16 in der Replikationsvorrichtung 10 platziert werden kann und/oder ein in der Replikationsvorrichtung 10 angeordnetes Substrat 16 beschichtet werden kann, insbesondere mit einem Imprintmaterial.
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In der Prägeposition liegt ein in der Replikationsvorrichtung 10 angeordnetes Substrat 16 vorzugsweise vollflächig an einer Prägestruktur 22 an, wie in 2 veranschaulicht ist.
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In der Prägeposition wird das Substrat 16 jeweils mit einer definierten Anpresskraft gegen die Prägestruktur 22 gedrückt.
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Die Prägestruktur 22 ist beispielsweise durch ein Polymer auf Siliziumbasis gebildet, insbesondere durch Polydimethylsiloxan. Dieses ist beispielsweise auf einer Glasplatte 23 angeordnet, wobei die Glasplatte 23 und das Polymer insbesondere einen Stempel bilden.
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In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist lediglich die erste Baugruppe 12 bewegbar gelagert. Insbesondere ist eine Hubvorrichtung 24 vorgesehen, um die erste Baugruppe 12 zu bewegen. Die zweite Baugruppe 14 ist stationär gelagert. Es ist jedoch auch denkbar, dass beide Baugruppen 12, 14 bewegbar gelagert sind.
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Um eine gute Qualität der Strukturierung und eine gleichmäßige Abbildung der Prägestruktur 22 in einem auf einem Substrat 16 aufgetragenen Imprintmaterial zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn eine Oberfläche 26 des Substrats 16, insbesondere die der Prägestruktur 22 zugewandte Oberfläche 26 des Substrats 16, möglichst parallel zu der Prägestruktur 22 ausgerichtet ist. Durch eine derartige parallele Ausrichtung kann die Prägestruktur 22 möglichst senkrecht in das Imprintmaterial eintauchen.
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Da die verwendeten Substrate 16 aufgrund von Herstellungstoleranzen jedoch nicht unbedingt eine gleichmäßige Dicke aufweisen, kann eine Oberfläche 26 eines auf dem Chuck 18 angeordneten Substrats 16 in einem Winkel größer null relativ zur Prägestruktur 22 zu liegen kommen.
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Um derartige Toleranzen auszugleichen, umfasst die erste Baugruppe 12 einen Keilfehlerausgleichskopf 17 mit einem stationären Teil 30 und einem beweglichen Teil 28. Der bewegliche Teil 28 kann relativ zum stationären Teil 30 ausgerichtet, insbesondere in seiner Neigung verstellt werden, und den Chuck 18 aufweisen. Eine Oberfläche 26 eines auf dem beweglichen Teil 28 beziehungsweise auf dem Chuck 18 gelagerten Substrats 16 kann somit parallel zur Prägestruktur 22 ausgerichtet werden.
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Bevor die erste Baugruppe 12 von der zweiten Baugruppe 14 entfernt wird, das heißt, während die Baugruppen 12, 14 in der Prägeposition sind, wird der bewegliche Teil 28 des Keilfehlerausgleichskopfs der Replikationsvorrichtung 10 arretiert, insbesondere der bewegliche Teil 28 relativ zum stationären Teil 30. Zu diesem Zweck sind Bremsen 32 vorgesehen, mittels denen der bewegliche Teil 28 relativ zum stationären Teil 30 fixiert werden kann.
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Die Ausrichtung des Substrats 16 an der Prägestruktur 22 erfolgt vorzugsweise wenn die erste Baugruppe 12 in der Prägeposition ist und das Substrat 16 mit einer definierten Anpresskraft gegen die Prägestruktur 22 gedrückt wird. In dieser Position kann erfasst werden, ob die Oberfläche 26 des Substrats 16 vollflächig an der Prägestruktur 22 anliegt. Die Erfassung erfolgt beispielsweise mittels Messtastern und/oder Sensoren die der Einfachheit halber nicht dargestellt sind. Wenn das Substrat 16 mit seiner Oberfläche 26 nur stellenweise mit der Prägestruktur 22 in Kontakt ist, ist eine Parallelisierung, insbesondere ein Keilfehlerausgleich notwendig.
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Der Keilfehlerausgleich erfolgt beispielsweise mit einem unbeschichteten Substrat 16, das heißt, mit einem Substrat 16, auf dem noch kein Imprintmaterial aufgetragen ist. Es ist jedoch auch möglich, den Keilfehlerausgleich mit einem beschichteten Substrat 16 durchzuführen. Diese Bewegung kann durch eine Druckfeder und/oder zusätzliche Druckzylinder unterstützt werden um das Gewicht der Bauteile auszugleichen und einen gewünschten Andruck zu erzeugen.
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Wenn die erste Baugruppe 12 nach dem Keilfehlerausgleich von der zweiten Baugruppe 14 entfernt wird, insbesondere in die Beladeposition gebracht wird, soll sich das Substrat 16 aufgrund der Schwerkraft mit der ersten Baugruppe 12 nach unten in die Beladeposition bewegen. Da die Prägestruktur 22 in der Regel durch ein klebriges, welliges Material gebildet ist, kann das Substrat 16 jedoch an der Prägestruktur 22 haften bleiben und sich nicht gleichmäßig von der Prägestruktur 22 lösen. Dadurch kann ein bereits eingestellter Keilfehlerausgleich, das heißt die fixierte Position des beweglichen Teils 28 des Keilfehlerausgleichskopfes 17 relativ zum stationären Teil 30 des Keilfehlerausgleichskopfes 17 und relativ zur Prägestruktur 22, verloren gehen.
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Um ein gleichmäßiges Ablösen des Substrats 16 von der Prägestruktur 22 zu ermöglichen, werden die erste Baugruppe 12 und die zweite Baugruppe 14 mittels einer Trennkraft aktiv voneinander weg bewegt, nachdem das Substrat 16 mit der Prägestruktur 22 in Kontakt gebracht wurde.
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Zu diesem Zweck ist an einer der beiden Baugruppen 12, 14, im veranschaulichten Ausführungsbeispiel an der ersten Baugruppe 12, mindestens eine Dichtlippe 34 angeordnet, die der anderen der beiden Baugruppen 12, 14, im veranschaulichten Ausführungsbeispiel der zweiten Baugruppe 14, zugewandt ist.
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In der Prägeposition 22 berührt die Dichtlippe 34 die zweite Baugruppe 14, wobei die Dichtlippe 34 den Chuck 18 und/oder die Aufnahme 20 radial umgibt, insbesondere vollständig radial umgibt.
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Auf diese Weise ist durch die Dichtlippe 34 in der Prägeposition eine abgedichtete Überdruckkammer 36 zwischen den beiden Baugruppen 12, 14 begrenzt.
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Bei der in 1 veranschaulichten Ausführungsform der Replikationsvorrichtung 10 liegt die Dichtlippe 34 radial außerhalb der Aufnahme 20 an der zweiten Baugruppe 14 an.
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In 2 ist eine weitere Ausführungsform der Replikationsvorrichtung 10 veranschaulicht, bei welcher die Dichtlippe 34 direkt auf der Aufnahme 20 beziehungsweise, wenn eine Prägestruktur 22 in der Aufnahme 20 aufgenommen ist, an der Glasplatte 23 anliegt.
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Die Dichtlippe 34 ist vorzugsweise aufblasbar, insbesondere um die abgedichtete Überdruckkammer 36 zu bilden. Dabei kann die Dichtlippe 34 durch die Vergrößerung der Dichtlippe 34 beim Aufblasen auch dazu beitragen, die erste Baugruppe 12 und die zweite Baugruppe 14 aktiv mittels einer Trennkraft auseinander zu drücken. Beispielsweise kann die Dichtlippe 34 aufgeblasen werden, wenn die erste Baugruppe 12 in der Prägeposition ist, insbesondere wenn die Dichtlippe 34 bereits mit der zweiten Baugruppe 14 in Kontakt ist.
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Die beiden Baugruppen 12, 14 sowie das Substrat 16 und die Prägestruktur 22 werden durch den Überdruck und/oder die Dichtlippe 34 beispielsweise mit einer Kraft von bis zu 900 n auseinandergedrückt.
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Ein Chuck 18 mit einer an dem Chuck 18 angeordneten, in Draufsicht auf den Chuck 18 ringförmigen beziehungsweise kreisförmigen Dichtlippe 34 ist beispielsweise in 3 veranschaulicht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Dichtlippe 34 ein konstantes Profil. Das Profil der Dichtlippe 34 kann jedoch auch variieren. Insbesondere kann eine Höhe der Dichtlippe 34 variieren.
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Es ist auch denkbar, dass mehrere Dichtlippen 34, 38 beispielsweise zwei Dichtlippen 34, 38 vorgesehen sind, wobei eine Dichtlippe 38 die andere der beiden Dichtlippen 34 radial umgibt, insbesondere vollständig umgibt. Dies ist in 4 veranschaulicht, die eine Draufsicht auf die erste Baugruppe 12 in einer alternativen Ausführungsform zeigt. Die erste Baugruppe 12 ist in dieser Ausführungsform mit zwei Dichtlippen 34, 38 versehen, die den Chuck 18 umgeben.
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Mittels der innenliegenden, ersten Dichtlippe 34 kann eine erste Kammer 44 und mittels der außenliegenden, zweiten Dichtlippe 38 eine zweite Kammer 46 gebildet werden.
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Die beiden Kammern 44, 46 sind vorzugsweise voneinander druckdicht getrennt, wenn beide Dichtlippen 34, 38 vollständig aufgeblasen sind. Dadurch können in den beiden Kammern 44, 46 unterschiedliche Druckverhältnisse herrschen. Beispielsweise kann die erste Kammer 44 eine Vakuumkammer und die zweite Kammer die Überdruckkammer sein.
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Die erste Dichtlippe 34 ist eine ringförmige Dichtlippe 34 und die zweite Dichtlippe 38 ist eine torförmigen Dichtlippe 38. „Torförmig“ bedeutet im Rahmen dieser Erfindung, dass die Kontur der Dichtlippe 38 die Kontur eines Rechtecks mit angefügtem Halbkreis hat.
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Die Dichtlippen 34, 38 können separat voneinander sowohl gleichzeitig als auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgeblasen werden.
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Zum Beispiel kann zuerst die erste Dichtlippe 34 der Replikationsvorrichtung 10 aufgeblasen werden und zu einem späteren Zeitpunkt entleert werden und die zweite Dichtlippe 38 kann vor, beim oder nach dem Entleeren der ersten Dichtlippe 34 aufgeblasen werden.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform kann nur eine torförmige Dichtlippe 38 vorgesehen sein.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist auch denkbar, dass eine der beiden Dichtlippen 34, 38 an der ersten Baugruppe 12 und die andere der beiden Dichtlippen 34, 38 an der zweiten Baugruppe 14 angeordnet ist.
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Wenn die Baugruppen 12, 14 in der Prägeposition sind, kann in der Überdruckkammer 36 ein Überdruck erzeugt werden, der dazu dient, die erste Baugruppe 12 und die zweite Baugruppe 14 und/oder das Substrat 16 und die Prägestruktur 22 aktiv auseinander zu drücken. Zu diesem Zweck ist eine Überdruckquelle 40 vorgesehen, die über eine Druckleitung 41 mit der Druckkammer 36 fluidisch verbunden ist.
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Der Überdruck in der Überdruckkammer 36 bewirkt sozusagen, dass das Substrat 16 von der Prägestruktur 22 gelöst, insbesondere abgeblasen wird. Der Überdruck kann sich nämlich in kleine Hohlräume hinein ausbreiten, die zwischen dem Substrat 16 und der Prägestruktur 22 vorhanden sein können und die zur Überdruckkammer 36 hin offen sind. Solche Hohlräume können aufgrund der Geometrie der Prägestruktur 22 vorhanden sein. Zudem kann durch den Überdruck die Prägestruktur 22 ein Stück weit komprimiert werden, sodass zwischen der Prägestruktur 22 und dem Substrat 16 ein Bereich gebildet wird, in dem ebenfalls ein Überdruck vorliegen kann.
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Des Weiteren wird durch den Überdruck die Prägestruktur 22 gegen die Aufnahme 20 und das Substrat 16 gegen den Chuck 18 gedrückt. Wenn sich die Baugruppen 12, 14 von der Prägeposition in die Beladeposition bewegen, also voneinander weg, wird dadurch sichergestellt, dass sich das Substrat 16 nicht vom Chuck 18 und die Prägestruktur 22 nicht von der Aufnahme 20 löst. Auf diese Weise wird verhindert, dass das Substrat 16 an der Prägestruktur 22 haften bleibt und möglicherweise vom Chuck 18 hochgehoben wird, wodurch ein bereits eingestellter Keilfehlerausgleich verloren gehen kann.
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In der Prägestellung kann zudem ein Druck in der Überdruckkammer 36 reguliert werden, um einen Spalt zwischen dem Substrat 16 und der Prägestruktur 22 konstant zu halten.
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Um einen besonders genauen Keilfehlerausgleich zu ermöglichen, kann das Substrat in unbeschichtetem Zustand wiederholt von der Beladeposition in die Prägeposition bewegt werden. Dies kann durch wiederholtes Aufblasen und zumindest teilweises Entleeren der Dichtlippe 34, 38 und/oder Überdruckkammer 36 erfolgen.
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Bei der wiederholten Bewegung des unbeschichteten Substrats 16 von der Beladeposition in die Prägeposition kann das Substrat 16 jeweils mit unterschiedlich großer Anpresskraft an der Prägestruktur 22 ausgerichtet werden, insbesondere mit bei jedem wiederholten Ausrichten abnehmender Kraft.
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Die Anpresskraft wird durch die Hubvorrichtung 24 erzeugt.
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Nachdem der Keilfehlerausgleich abgeschlossen ist, wird das Substrat 16 und/oder die Prägestruktur 22 mit einem Imprintmaterial beschichtet. Anschließend wird das Substrat 16 in einem beschichteten Zustand zusammen mit der ersten Baugruppe 12 in die Prägeposition bewegt und mit einer definierten Anpresskraft an die Prägestruktur 22 gedrückt, um die Beschichtung mittels der Prägestruktur 22 zu strukturieren. Dieser Zustand ist in 2 veranschaulicht.
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Nach dem Strukturieren wird das Imprintmaterial mit UV-Licht belichtet, um das Imprintmaterial auszuhärten. Die Belichtung kann dabei durch die Aufnahme 20 und die Prägestruktur 22 hindurch erfolgen. Zur Belichtung hat die Replikationsvorrichtung 10 eine Belichtungsvorrichtung 42.
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Das Aushärten erfolgt noch während sich die Baugruppen 12, 14 in der Prägeposition befinden.
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Anschließend wird erneut ein Überdruck in der Überdruckkammer 36 erzeugt, um das fertige Substrat 16 von der Prägestruktur 22 zu lösen. Dabei kann der Überdruck größer sein als der beim Keilfehlerausgleich erzeugte Überdruck. Nach dem Aushärten des Imprintmaterials haftet das Substrat 16 nämlich noch stärker an der Prägestruktur 22 als beim Keilfehlerausgleich.
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Das Ablösen des Substrats 16 von der Prägestruktur 22 erfolgt dabei grundsätzlich nach dem gleichen Prinzip wie das Ablösen des unbeschichteten Substrats 16 beim Keilfehlerausgleich. Insbesondere kann ein Überdruck das Substrat 16 und die Prägestruktur 22 aktiv auseinander drücken, indem sich der Überdruck in Hohlräume zwischen dem Substrat 16 und der Prägestruktur 22 hinein ausbreitet und/oder indem die Prägestruktur 22 ein Stück weit komprimiert wird und/oder durch den Überdruck die Prägestruktur 22 gegen die Aufnahme 20 und das Substrat 16 gegen den Chuck 18 gedrückt wird.
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In jedem Fall sollte der Überdruck jeweils ausreichend groß sein, um das Substrat 16 und die Prägestruktur 22 sowohl in beschichtetem als auch in unbeschichtetem Zustand auseinanderzudrücken.
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Im Falle, dass zwei Dichtlippen 34, 38 vorgesehen sind, werden durch aufblasen beider Dichtlippen 34, 38 in der Prägeposition die beiden Kammern 44, 46 gebildet.
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Die zweite Kammer 46 bildet wie zuvor beschrieben die Überdruckkammer 36 und die erste Kammer 44 ist mit einer Vakuumquelle fluidisch verbunden und es wird ein Vakuum in der ersten Kammer 44 erzeugt.
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Das Substrat ist vollständig in der ersten Kammer 44 angeordnet und das Vakuum bewirkt, dass das Imprintmaterial ausgast sowie Bläschen aus dem Imprintmaterial und zwischen der Prägestruktur, dem Imprintmaterial und dem Substrat entfernt werden. Auch kann das Vakuum den Kontaktierungsprozess unterstützen.
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Der Überdruck in der Überdruckkammer 36 ist dabei so gewählt, dass trotz des Vakuums ein konstanter Abstand zwischen Substrat einerseits und Prägestruktur und/oder der Aufnahme andererseits beibehalten wird.
