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Die Erfindung betrifft ein Gestell für eine Replikationsvorrichtung zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen sowie eine Replikationsvorrichtung mit einem solchen Gestell. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen mittels Imprintlithographie mittels einer Replikationsvorrichtung.
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Verfahren zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen mittels Imprintlithographie sind bekannt. Hierbei wird ein Stempel mit einer nano- und/oder mikrostrukturierten Stempeloberfläche in ein Replikationsmaterial auf einem Substrat gedrückt, um eine entsprechende komplementäre Nano- und/oder Mikrostruktur im Replikationsmaterial auszubilden.
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Eine typische hierbei zum Einsatz kommende Replikationsvorrichtung hat jeweils einen Halter zur Befestigung des Stempels sowie des Substrats. Diese Halter sind üblicherweise verstellbar gelagert oder aufgehängt, um eine parallele Ausrichtung der Stempeloberfläche und der Oberfläche des Substrats bzw. des Replikationsmaterials sicherzustellen.
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Nachteilig bei den bekannten Replikationsvorrichtungen ist, dass die Halter sehr aufwändig gestaltet sind, um eine verstellbare aber gleichzeitig präzise Ausrichtung des Stempels bzw. des Substrats gewährleisten zu können.
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Eine weitere Herausforderung bei der Imprintlithographie ist, den Stempel aus dem Replikationsmaterial zu entfernen, ohne dass die im Replikationsmaterial gebildete Nano- und/oder Mikrostruktur durch die Adhäsion von Stempel und Replikationsmaterial beschädigt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gestell für eine Replikationsvorrichtung, eine Replikationsvorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen mittels Imprintlithographie mittels einer Replikationsvorrichtung bereitzustellen, die ein Ablösen des Stempels vom Replikationsmaterial mit besonders geringen Kräften gewährleisten, um eine hohe Güte der im Replikationsmaterial erzeugten Nano- und/oder Mikrostruktur zu erzielen.
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Zur Lösung der Aufgabe ist ein Gestell für eine Replikationsvorrichtung zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen mittels eines Lithographieverfahrens vorgesehen. Das Gestell hat eine Halterung sowie einen ersten Rahmen und einen zweiten Rahmen. Der erste Rahmen ist mit der Halterung mittels eines ersten Gelenks verbunden, wobei das erste Gelenk eine erste Drehachse definiert, um die der erste Rahmen gegenüber der Halterung schwenkbar ist. Der zweite Rahmen ist mit dem ersten Rahmen mittels eines zweiten Gelenks verbunden, wobei das zweite Gelenk eine zweite Drehachse definiert, um die der zweite Rahmen gegenüber dem ersten Rahmen schwenkbar verbunden ist. Der zweite Rahmen weist ferner eine Aufnahme für einen Kopf in Form eines Stempels, einer Maske und/oder eines Substrats auf und bildet somit einen Halter für den entsprechenden Kopf.
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Der erste Rahmen ist insbesondere ausschließlich um die erste Drehachse gegenüber der Halterung schwenkbar und der zweite Rahmen ist ausschließlich um die zweite Drehachse gegenüber dem ersten Rahmen schwenkbar.
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Hierbei bilden die Halterung, der erste Rahmen und der zweite Rahmen zusammen eine kardanische Aufhängung bzw. Lagerung. Diese passive Mechanik zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus und gewährleistet gleichzeitig eine präzise Ausrichtung des Kopfs.
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Im Fall einer Replikationsvorrichtung, die zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen mittels Imprintlithographie vorgesehen ist, kann mittels des Gestells ein Keilfehler zwischen dem Stempel und dem Substrat passiv ausgeglichen und somit eine definierte Ausrichtung der Stempeloberfläche zur Oberfläche des Substrats bzw. des auf dem Substrat aufgebrachten Replikationsmaterials bereitgestellt werden.
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Das Gestell, insbesondere die Aufnahme des Gestells, dient beispielsweise als Stempelhalter für einen Prägestempel. In diesem Fall umfasst die Replikationsvorrichtung eine Halterung für ein Substrat oder einen weiteren Stempel unterhalb des Gestells. Eine Abformung von Strukturen kann dabei durch Bewegen des Prägestempels und des Substrats oder eines weiteren Stempels aufeinander zu erfolgen.
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Die Bewegung des Prägestempels und damit des Gestells auf das Substrat zu erfolgt in einer Zustellrichtung, die durch die Replikationsvorrichtung und insbesondere deren Zustellmechanik definiert ist.
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Die Replikationsvorrichtung weist ferner eine Referenzebene auf, die sich senkrecht zur Zustellrichtung erstreckt und insbesondere eine definierte fixe Position relativ zur Replikationsvorrichtung hat.
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Die Referenzebene kann zumindest abschnittsweise mit einer Replikationsfläche der Replikationsvorrichtung zusammenfallen oder parallel zu dieser verlaufen.
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Die Replikationsfläche der Replikationsvorrichtung ist die Fläche, in der die Nano- und/oder Mikrostruktur der Bauteile ausgebildet wird, wenn die Replikationsvorrichtung zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen betrieben wird.
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Im Fall einer Replikationsvorrichtung, die zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen mittels eines anderen Lithographieverfahrens, wie Fotolithographie, vorgesehen ist, bei der keine Zustellbewegung zwischen dem Gestell und einem Substrat oder einem Stempel erfolgt, kann die Referenzebene parallel zu einem Chuck der Replikationsvorrichtung und/oder zumindest abschnittsweise durch die dem Gestell gegenüberliegende Oberfläche des Substrats oder des Stempels gebildet sein.
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Die nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteile sind insbesondere Halbleiter- oder Mikrooptikbauelemente.
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Das Gestell ist hierbei für eine Replikationsvorrichtung zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen mittels eines Imprintlithographieverfahrens, insbesondere eines Nanoimprintlithographieverfahrens, eines Step-and-Repeat Verfahrens, eines Mikrolithographieverfahrens und/oder eines Fotolithografieverfahrens vorgesehen.
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Die Halterung weist wenigstens ein Befestigungselement auf, mittels dem sie an der Replikationsvorrichtung befestigbar ist.
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Vorzugsweise verlaufen die erste Drehachse und die zweite Drehachse senkrecht zueinander, wodurch das Gestell noch einfacher aufgebaut sein kann, beispielsweise symmetrisch.
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Es ist von Vorteil, wenn die erste Drehachse und die zweite Drehachse in einer Ebene verlaufen, da hierdurch der Stempel ein symmetrisches Auslenkungsverhalten aufweisen und das Gestell besonders kompakt gestaltet sein kann. Somit kann bei einem Gestell für ein Imprintlithographieverfahren der Stempel derart in der Aufnahme befestigt werden, dass der Abstand zwischen der strukturbildenden Stempeloberfläche und den beiden Drehachsen besonders gering ist. Dies hat den Vorteil, dass der Lateralversatz der Stempeloberfläche relativ zum Substrat bzw. dem Replikationsmaterial bei einer Auslenkung des Stempels um die erste und/oder zweite Drehachse besonders klein ist.
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Zusätzlich oder alternativ können die erste Drehachse und die zweite Drehachse parallel zu einer Referenzebene der Replikationsvorrichtung und/oder der Aufnahme verlaufen, wodurch das Gestell kompakter gestaltet sein kann.
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In einer Ausführungsform ist die Aufnahme in einer Neutralstellung des Gestells schräg zu einer Referenzebene ausgerichtet, insbesondere in einem Winkel zwischen 0° und 5°, vorzugsweise von 1° bis 2°. Die Ausrichtung der Aufnahme wird hierbei durch eine Ebene definiert, die parallel zur strukturbestimmenden Oberfläche des Kopfs verläuft, der in der Aufnahme angebracht ist. Im Fall eines Stempels für Imprintlithographie ist dies die strukturbildende Stempeloberfläche.
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Indem die Ausrichtung der Aufnahme somit um diesen Winkel von der Parallelstellung gegenüber der Referenzebene abweicht, kann beim Imprintlithographieverfahren eine asymmetrische Kraft in Form eines Gradienten, der in Richtung der Schrägstellung verläuft, im Stempel bereitgestellt werden, sodass beim Entfernen des Stempels aus dem Replikationsmaterial unterschiedlich große Kräfte an verschiedenen Enden des Stempels zwischen der Stempeloberfläche und dem Replikationsmaterial wirkt. Somit wird die Stempeloberfläche asymmetrisch von der Oberfläche des Replikationsmaterials abgezogen, wodurch der Stempel schonender vom Replikationsmaterial gelöst werden kann. Hierdurch kann die Güte der gebildeten Nano- und/oder Mikrostruktur erhöht werden.
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Die Schiefstellung der Aufnahme, d.h. die Ausrichtung der Aufnahme unter einem Winkel gegenüber der Referenzebene, wird insbesondere durch eine intrinsische Vorspannung des ersten und/oder des zweiten Gelenks bereitgestellt.
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In einer weiteren Ausführungsform weisen das erste Gelenk und das zweite Gelenk jeweils nur einen Freiheitsgrad auf, nämlich die Rotation um die erste bzw. zweite Drehachse, während alle weiteren Freiheitsgrade gesperrt sind. Insbesondere ist das Gestell ferner spielfrei gestaltet. Dies hat den Vorteil, dass der Kopf mittels des Gestells wohldefiniert gehaltert und ausgerichtet werden kann, wodurch eine hohe Güte des mittels des Kopfs gebildeten nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteils sichergestellt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das erste und/oder das zweite Gelenk jeweils ein Festkörpergelenk, insbesondere ein Kreuzfedergelenk. Festkörpergelenke sind spielfrei, wodurch der Kopf mittels des Gestells noch präziser gelagert und ausgerichtet werden kann.
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Hierbei können die Festkörpergelenke als Rückstellfedern vorgesehen sein, die das Gestell und/oder die Aufnahme bzw. deren Ausrichtung in Richtung einer Neutralstellung mit einer Kraft beaufschlagen, um auf diese Weise eine definierte Ausgangsstellung bereitzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Gestell wenigstens ein erstes elastisches Element auf, mittels dem die Halterung mit dem ersten Rahmen, insbesondere unter Vorspannung, elastisch verbunden ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Gestell wenigstens ein zweites elastisches Element aufweisen, mittels dem der erste Rahmen mit dem zweiten Rahmen, insbesondere unter Vorspannung, elastisch verbunden ist. Auf diese Weise sind die Rahmen elastisch verbunden.
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Im Fall eines Gestells für eine Replikationsvorrichtung, die mit einem Imprintlithographieverfahren arbeitet, kann durch die elastischen Elemente eine definierte Rückstellkraft bereitgestellt werden, die auf die Aufnahme und damit auf einen in der Aufnahme befestigten Stempel wirkt, wenn der Stempel mit der Aufnahme bei einem Prägevorgang aus der Neutralstellung ausgelenkt wird. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn der Stempel in ein Replikationsmaterial gedrückt wird und die Neutralstellung nicht parallel zur Oberfläche des Replikationsmaterials verläuft.
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Ferner können mittels der elastischen Elemente unterschiedliche Drehmomente im Gestell ausgeglichen werden, die durch die Gestaltung der kardanischen Aufhängung in das System eingebracht werden, beispielsweise aufgrund der Masse der Rahmen, der Ausrichtung der Drehachsen und/oder der Gestaltung der Gelenke.
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Des Weiteren kann mittels der elastischen Elemente ein in der Aufnahme befestigter Stempel mit einem Drehmoment beaufschlagt werden, sodass die Rückstellkraft einen asymmetrischen Verlauf über die Stempeloberfläche aufweist, d.h. an verschiedenen Stellen der Stempeloberfläche ist die Rückstellkraft unterschiedlich groß. Insbesondere kann die Rückstellkraft sich in Form eines Gradienten von einem Ende der Stempeloberfläche zu einem entgegengesetzten Ende der Stempeloberfläche ändern. Diese Gestaltung begünstigt das Ablösen des Stempels von dem Replikationsmaterial, wodurch die Güte der durch den Stempel gebildeten Nano- und/oder Mikrostrukturen verbessert werden kann.
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Zumindest ein Teil der elastischen Elemente kann mechanisch und/oder elektrisch, insbesondere piezoelektrisch, einstellbar sein. Hierdurch können die Ausrichtung und/oder die Rückstellkraft der Aufnahme eingestellt werden, wenn die Aufnahme aus ihrer Neutralstellung ausgelenkt wird. Ferner kann mittels der einstellbaren elastischen Elemente das Gestell justiert werden, insbesondere um intrinsische Drehmomente auszugleichen.
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In einer Ausführungsform ist das erste elastische Element und/oder das zweite elastische Element jeweils eine Feder, insbesondere eine verstellbare Feder, d.h. eine Feder, bei der die Federkraft und/oder der Federweg eingestellt werden kann. Federn sind kostengünstig und stellen zuverlässig eine definierte Rückstellkraft bereit.
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Hierbei können wenigstens zwei erste elastische Elemente und/oder wenigstens zwei zweite elastische Elemente vorgesehen sein. Die zwei ersten elastischen Elemente bringen dabei unterschiedliche Rückstellkräfte auf und/oder die zwei zweiten elastischen Elemente bringen unterschiedliche Rückstellkräfte auf.
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Beispielsweise sind die beiden ersten elastischen Elemente auf unterschiedlichen Seiten der ersten Drehachse angeordnet. Die beiden ersten elastischen Elemente beaufschlagen den ersten Rahmen mit einer Kraft in Richtung einer Position, die gegenüber einer Position verdreht ist, die der erste Rahmen einnehmen würde, wenn beide ersten elastischen Elemente den ersten Rahmen mit gleich großen aber entgegengesetzten Kräften beaufschlagen würden. Mit anderen Worten, das asymmetrische Beaufschlagen des Rahmens führt zu einer Schiefstellung gegenüber einer Nullstellung. Das Gleiche gilt entsprechend für die beiden zweiten elastischen Elemente und die zweite Drehachse sowie die Position des zweiten Rahmens.
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Das Gestell kann einen ersten Anschlag aufweisen, der die Rotation des ersten Rahmens zur Halterung um die erste Drehachse begrenzt. Zusätzlich oder alternativ kann das Gestell einen zweiten Anschlag aufweisen, der die Rotation des zweiten Rahmens zum ersten Rahmen um die zweite Drehachse begrenzt. Auf diese Weise kann die maximale Auslenkung des ersten bzw. zweiten Rahmens effektiv beschränkt werden. Durch diese Limitierung kann eine Beschädigung des Gestells, insbesondere der elastischen Elemente, zuverlässig verhindert werden.
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Die Anschläge können dabei, insbesondere individuell, verstellbar gestaltet sein, um eine weitere Einstellmöglichkeit zu bieten, das Gestell an unterschiedliche Anforderungen anzupassen.
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In einer Ausführungsform sind zumindest ein Teil der Anschläge und zumindest ein Teil der elastischen Elemente jeweils als eine kombinierte Baueinheit gestaltet, d.h. ein Anschlag und ein elastisches Element bilden eine gemeinsame Baueinheit. Dies hat den Vorteil, dass die Baueinheiten und damit das Gestell besonders kompakt gestaltet sein können.
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Beispielsweise beträgt der minimale Abstand zwischen der Aufnahme und der ersten Drehachse und/oder der zweiten Drehachse maximal 15 mm, vorzugsweise maximal 10 mm.
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Zusätzlich oder alternativ kann der minimale Abstand zwischen der Referenzebene und der ersten Drehachse und/oder der zweiten Drehachse maximal 15 mm, vorzugsweise maximal 10 mm betragen.
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Im Fall eines Gestells für eine Replikationsvorrichtung, die zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen mittels Imprintlithographie vorgesehen ist, kann der minimale Abstand zwischen der Stempeloberfläche des in der Aufnahme befestigten Stempels und der ersten Drehachse und/oder der zweiten Drehachse maximal 15 mm, vorzugsweise maximal 10 mm betragen.
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Ein geringer Abstand hat in den zuvor genannten Fällen den Vorteil, dass der Lateralversatz der Stempeloberfläche relativ zum Substrat bzw. dem Replikationsmaterial bei einer Auslenkung des Stempels um die erste und/oder zweite Drehachse besonders klein ist.
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In einer weiteren Ausführungsform sind der erste Rahmen und der zweite Rahmen ineinander angeordnet, insbesondere konzentrisch. Das bedeutet, der erste Rahmen ist innerhalb des zweiten Rahmens angeordnet, wobei der zweite Rahmen den ersten Rahmen zumindest abschnittsweise umgibt, oder der zweite Rahmen ist innerhalb des ersten Rahmens angeordnet, wobei der erste Rahmen den zweiten Rahmen zumindest abschnittsweise umgibt. Hierdurch ist das Gestell besonders kompakt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Gestell einen Kanal auf, der sich senkrecht von der Aufnahme weg durch die Halterung, den ersten Rahmen und/oder den zweiten Rahmen erstreckt. Auf diese Weise kann der Kanal einen Strahlengang für eine Lichtquelle bilden. Somit kann mittels der Lichtquelle direkt oder indirekt die Maske oder der Stempel in der Aufnahme beleuchtet werden.
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Erfindungsgemäß ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch eine Replikationsvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Gestell mit den zuvor genannten Vorteilen vorgesehen.
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Die Replikationsvorrichtung weist hierbei eine Gestellaufnahme auf, an der das Gestell mittels wenigstens einem entsprechenden Befestigungselement befestigbar ist.
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In einer Ausführungsform ist das Gestell senkrecht zu einer Referenzebene der Replikationsvorrichtung verfahrbar, sodass der Abstand der Aufnahme zur Referenzebene verändert werden kann, insbesondere automatisch.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Replikationsvorrichtung eine Lichtquelle und einen Strahlengang auf, der sich von der Aufnahme zur Lichtquelle erstreckt. Auf diese Weise kann mittels der Lichtquelle die Maske oder der Stempel in der Aufnahme in Richtung der Replikationsfläche, insbesondere direkt, beleuchtet werden.
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Erfindungsgemäß ist zur Lösung der oben genannten Aufgabe auch ein Verfahren zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen mittels Imprintlithographie, insbesondere Nanoimprintlithographie, mittels einer Replikationsvorrichtung, insbesondere einer erfindungsgemäßen Replikationsvorrichtung, mit den folgenden Schritten vorgesehen:
- a) Bereitstellen eines Substrats,
- b) Bereitstellen eines Stempels in einer Aufnahme der Replikationsvorrichtung,
- c) relatives Bewegen des Stempels und/oder der Aufnahme und des Substrats aufeinander zu, sodass der Stempel und das Substrat eine Parallelstellung zueinander einnehmen und ein zwischen dem Stempel und dem Substrat vorgesehenes Replikationsmaterial durch den Stempel geprägt wird, und
- d) Ablösen des Stempels, wobei der Stempel durch eine Kraft in eine Richtung aus der Parallelstellung heraus vorgespannt und/oder bewegt wird.
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Insbesondere wird zwischen den Schritten c) und d), d.h. nach dem Prägen und vor dem Ablösen des Stempels, das Replikationsmaterial zwischen dem Stempel und dem Substrat in einem weiteren Schritt ausgehärtet und damit aus einer flüssigen Phase in eine feste Phase überführt, wodurch die geprägten Strukturen im Replikationsmaterial fixiert werden und somit erhalten bleiben.
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Das Verfahren hat den Vorteil, dass beim Ablösen des Stempels von dem Replikationsmaterial unterschiedlich große Kräfte zwischen dem Replikationsmaterial und verschiedenen Stellen der strukturbildenden Stempeloberfläche wirken, wodurch das Ablösen des Stempels von dem Replikationsmaterial begünstigt wird. Dies hat zur Folge, dass das Risiko vermindert wird, die durch den Stempel gebildeten Nano- und/oder Mikrostrukturen beim Ablösen zu beschädigen. Somit können mit dem Verfahren zuverlässig Nano- und/oder Mikrostruktur mit einer hohen Güte erzeugt werden.
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Indem der Stempel durch eine Kraft in eine Richtung aus der Parallelstellung heraus vorgespannt und/oder bewegt wird, bildet sich zwischen dem Replikationsmaterial und der strukturbildenden Stempeloberfläche ein Kräfteverlauf, bei dem die Kräfte von einem Ende der Stempeloberfläche zum entgegengesetzten Ende der Stempeloberfläche graduell zunehmen. Somit kann sichergestellt werden, dass sich das Replikationsmaterial von einem Ende der Stempeloberfläche zum entgegengesetzten Ende der Stempeloberfläche kontinuierlich ablöst. Mit anderen Worten, der Stempel wird beginnend an einem Ende der Stempeloberfläche von dem Replikationsmaterial, insbesondere kontinuierlich, abgezogen.
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Die Oberfläche des Substrats, welche dem Stempel zugewandt ist, kann eine weitgehend ebene Fläche sein, welche insbesondere in einer Referenzebene der Replikationsvorrichtung liegt. Alternativ kann die Oberfläche des Substrats eine strukturierte Fläche, eine gekippte Fläche, und/oder eine gekrümmte, insbesondere konkave, Fläche sein.
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Beispielsweise wird bei dem Replikationsverfahren eine vorhandene Mikrostruktur auf der Substratoberfläche mit einer Nanostruktur überlagert bzw. modifiziert.
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In einer Ausführungsform sind der Stempel und/oder die Aufnahme, vor dem relativen Bewegen des Stempels und/oder der Aufnahme und des Substrats aufeinander zu, schräg zum Substrat ausgerichtet, insbesondere unter einem Winkel zwischen 0° und 5°, vorzugsweise von 1° bis 2°, wobei durch das Einnehmen der Parallelstellung der Stempel und/oder die Aufnahme gegenüber dem Substrat vorgespannt werden. Hierbei befindet sich die Aufnahme vor dem Kontakt des Stempels mit dem Replikationsmaterial in der Neutralstellung. Wenn der Stempel beim Prägevorgang in das Replikationsmaterial gedrückt wird, richtet sich die Stempeloberfläche parallel zur Substratoberfläche aus und der Stempel wird relativ zur Neutralstellung vorgespannt. Auf diese Weise wird die Vorspannung des Stempels durch die elastisch gelagerte Aufnahme, deren Ausrichtung von der Parallelstellung gegenüber der Referenzebene und des entsprechenden Abschnitts der Replikationsfläche abweicht, automatisch beim Prägevorgang bereitgestellt, wodurch das Verfahren besonders einfach gestaltet und effizient ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 in einer schematischen Darstellung eine erfindungsgemäße Replikationsvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Gestell,
- - 2 in einer perspektivischen Darstellung das Gestell aus 1 in einer Nullstellung,
- - 3 in einer schematischen Darstellung das Gestell aus 1 in einer Nullstellung, und
- - 4 bis 6 in einer schematischen Darstellung ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen mittels der Replikationsvorrichtung aus 1.
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In 1 ist eine Replikationsvorrichtung 10 zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen gezeigt. Die Replikationsvorrichtung 10 hat ein Maschinengestell 12, einen XY-Tisch 14 mit einem Chuck 16 sowie einen Träger 18 mit einem Gestell 20.
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Mittels des XY-Tischs 14 ist der Chuck 16 in der XY-Ebene positionierbar. In 1 erstreckt sich die Y-Achse senkrecht zur Bildebene.
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Der Chuck 16 ist als Halter für ein Substrat 22 vorgesehen, das den Grundkörper des herzustellenden nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteils bildet.
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Die Replikationsvorrichtung 10 umfasst ferner eine Dosiereinheit 24, mittels der ein flüssiges Replikationsmaterial 26 (siehe 4) in Form eines dünnen Films oder eines Tropfens auf einen Stempel 28 aufgebracht werden kann.
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Der Träger 18 ist gegenüberliegend zum Chuck 16 am Maschinengestell 12 befestigt und mittels eines Aktuators entlang der Z-Achse verfahrbar.
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Das Gestell 20 ist am Träger 18 gegenüberliegend zum Chuck 16 befestigt und bildet einen Halter für einen Stempel 28 mit einer strukturbildenden Stempeloberfläche 30, die zum Ausbilden der Nano- und/oder Mikrostruktur im Substrat 22 bzw. Replikationsmaterial 26 in vorgesehen ist.
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Die Stempeloberfläche 30 ist makroskopisch im Wesentlichen eben, auch wenn sie auf mikroskopischer Ebene Strukturen im Nano- und/oder Mikrobereich aufweist, um die zu replizierende Nano- und/oder Mikrostruktur im Substrat 22 bzw. Replikationsmaterial 26 ausbilden zu können.
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Die Replikationsvorrichtung 10 weist eine Referenzebene 32 auf, die sich parallel zu einer XY-Ebene erstreckt und die im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Oberfläche 34 des Substrats 22 entspricht, die der Stempeloberfläche 30 gegenüberliegt und die hier die Replikationsfläche bildet.
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Die Oberfläche 34 des Substrats 22 ist eben.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Replikationsfläche beliebig gestaltet sein, insbesondere gekrümmt und/oder strukturiert.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Replikationsvorrichtung 10 zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen mittels eines Step-and-Repeat Nanoimprintlithographieverfahrens vorgesehen.
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Die Replikationsvorrichtung 10 (siehe 1) umfasst eine Lichtquelle 76, die zum Aushärten des Replikationsmaterials 26 eingerichtet ist.
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Die Lichtquelle 76 ist eine UV-Lampe und das Replikationsmaterial 26 ein Polymer, das mittels UV-Strahlung aktiviert und ausgehärtet werden kann.
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Die Lichtquelle 76 ist im Träger 18 auf der von der Referenzebene 32 abgewandten Seite des Halters für den Stempel 28 vorgesehen.
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Der Stempel 28 ist für UV-Licht zumindest teilweise durchlässig, sodass das UV-Licht der Lichtquelle 76 durch den Stempel 28 auf das Replikationsmaterial 26 fällt und dieses aushärten kann.
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Selbstverständlich kann auch das Gestell 20 und/oder der Stempelhalter zumindest abschnittsweise durchlässig für UV-Licht sein, insbesondere von Abschnitte des Gestells 20 die im Strahlengang zwischen der Lichtquelle 76 und dem Stempel 28 angeordnet sind.
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Die Replikationsvorrichtung 10 hat ferner eine Kamera 78, die Teil eines Bildverarbeitungssystems ist, das zur Prozessüberwachung des Replikationsvorgangs vorgesehen ist.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Replikationsvorrichtung 10 dazu eingerichtet sein, mittels eines beliebigen Imprintlithographieverfahrens oder eines anderen Verfahrens, beispielsweise eines Mikrolithographieverfahrens und/oder eines Fotolithografieverfahrens, nano- und/oder mikrostrukturierte Bauteile herzustellen.
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Insbesondere kann das Gestell 20 in einer alternativen Ausführungsform, zusätzlich oder alternativ zu einem Halter für einen Stempel 28, als Halter für eine Maske, beispielsweise eine Fotomaske, eine Linsenanordnung und/oder ein Substrat vorgesehen sein. In diesen Fällen ist die Aufnahme 48 entsprechend gestaltet, um eine sichere Befestigung des entsprechenden Kopfs, d. h. Stempel, Maske, Substrat oder Linsenanordnung, zu gewährleisten.
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Die Replikationsvorrichtung 10 ist mit einer Steuereinheit 80 verbunden, in der die Informationen für das herzustellende nano- und/oder mikrostrukturierte Bauteil hinterlegt sind und die den Herstellungsprozess steuert.
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Das Gestell 20 (siehe 2 und 3) umfasst eine Halterung 36, einen ersten Rahmen 38 und einen zweiten Rahmen 40, die über zwei erste Gelenke 42 und zwei zweite Gelenke 44 miteinander verbunden sind und eine kardanische Aufhängung bilden, wie weiter unten erläutert wird.
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Die Halterung 36 hat vier sich in Z-Richtung erstreckende Befestigungselemente 46, mittels denen die Halterung 36 am Träger 18 befestigt ist. Die Befestigungselemente 46 sind hier zum Beispiel Befestigungsstäbe.
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Der Träger 18 weist hierzu eine entsprechend gestaltete Gestellaufnahme auf, in die die Befestigungselemente 46 eingesetzt und in denen sie befestigt werden können.
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Selbstverständlich kann in einer alternativen Ausführungsform das Gestell 20 mittels der Halterung 36 auf beliebige Weise am Träger 18 befestigt sein.
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Der zweite Rahmen 40 hat ein Aufnahme 48 für den Stempel 28, die am Gestell 20 entgegengesetzt zu den Befestigungselementen 46 angeordnet ist und im eingebauten Zustand der Replikationsfläche gegenüberliegt. Die Aufnahme 48 gewährleistet eine sichere Befestigung des Stempels 28 am Gestell 20 und ist so gestaltet, dass die Stempeloberfläche 30 in einer in Z-Richtung vom Gestell 20 beabstandeten Ebene 50 liegt. Hierdurch ist gewährleistet, dass die strukturbildende Stempeloberfläche 30 beim Prägevorgang definiert in das Replikationsmaterial 26 eingedrückt werden kann, ohne dass hierbei das Gestell 20 mit dem Replikationsmaterial 26 in Kontakt kommt.
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Die Aufnahme 48 ist in der vorliegenden Ausführungsform eine Vakuumaufnahme, in der der Stempel 28 mittels Unterdruck befestigt ist. Hierzu weist die Aufnahme 48 zwei Vakuumanschlüsse 52 auf, die an entgegengesetzten Seiten des zweiten Rahmens 40 vorgesehen sind und über die die Vakuumaufnahme steuerbar ist.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Aufnahme 48 beliebig gestaltet und/oder eine beliebige Aufnahme zu Befestigung des Stempels 28 sein. Beispielsweise kann der Stempel 28 in einer alternativen Ausführungsform elektrostatisch und/oder mechanisch am zweiten Rahmen 40 befestigt sein.
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Die Stempeloberfläche 30 ist quadratisch und hat zum Beispiel eine Größe von 10 mm x 10 mm.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Stempeloberfläche 30 beliebig geformt sein und eine beliebige Größe aufweisen. Vorzugsweise hat die Stempeloberfläche 30 eine rechteckige, insbesondere quadratische, Form mit Kantenlängen in einem Bereich von 5 mm bis 20 mm.
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Die Ebene 50 ist parallel zur Unterseite 54 des zweiten Rahmens 40 angeordnet, die im eingebauten Zustand des Gestells 20 der Replikationsfläche gegenüberliegt und sich in 2 in XY-Richtung erstreckt.
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Die kardanische Aufhängung des Gestells 20 ist wie in 3 dargestellt und wie im Folgenden beschrieben gestaltet.
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Der erste Rahmen 38 ist über die beiden ersten Gelenke 42 um eine erste Drehachse 56 schwenkbar mit der Halterung 36 gekoppelt und der zweite Rahmen 40 ist über die beiden zweiten Gelenke 44 um eine zweite Drehachse 58 schwenkbar mit dem ersten Rahmen 38 gekoppelt.
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Die erste Drehachse 56 und die zweite Drehachse 58 stehen senkrecht zueinander und liegen in einer gemeinsamen Ebene, sodass sie sich unter einem Winkel von 90° im Schnittpunkt S schneiden.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der erste Rahmen 38 über lediglich ein einzelnes erstes Gelenk 42 um die erste Drehachse 56 schwenkbar mit der Halterung 36 gekoppelt sein und/oder der zweite Rahmen 40 über lediglich ein einzelnes zweites Gelenk 44 um die zweite Drehachse 58 schwenkbar mit dem ersten Rahmen 38 gekoppelt sein.
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Der Vorteil des dargestellten Ausführungsbeispiels mit zwei ersten Gelenken 42 und zwei zweiten Gelenken 44, die jeweils an entgegengesetzten Seiten des ersten Rahmens 38 angeordnet sind, ist, dass hierdurch die kardanische Aufhängung eine verbesserte Stabilität aufweist.
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Die Halterung 36, der erste Rahmen 38 und der zweite Rahmen 40 sind jeweils ringförmig gestaltet und konzentrisch zum Schnittpunkt S angeordnet, wobei der erste Rahmen 38 zwischen der Halterung 36 und dem zweiten Rahmen 40 angeordnet ist.
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Die Halterung 36 hat eine zentrale Ausnehmung 60, die einen Kanal 62 bildet der sich in Z-Richtung vollständig durch das Gestell 20 erstreckt und in die Aufnahme 48 mündet.
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Im Kanal 62 verläuft hierbei der Strahlengang durch den das Licht der Lichtquelle 76 auf den Stempel 28 fällt
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Der Flächenmittelpunkt der strukturbildenden Stempeloberfläche 30 und der Schnittpunkt S liegen vorzugsweise beide auf einer gemeinsamen Z-Achse, wenn sich das Gestell 20 in einer Nullstellung befindet.
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Die Nullstellung des Gestells 20 ist die Stellung, in der der erste Rahmen 38 und der zweite Rahmen 40 parallel zur Halterung 36 ausgerichtet sind wie in den 2 und 3 dargestellt. D.h., in der Nullstellung betragen die Drehwinkel um die erste Drehachse 56 und die zweite Drehachse 58 jeweils 0°.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Halterung 36, der erste Rahmen 38 und der zweite Rahmen 40 jeweils beliebig gestaltet sein, beispielsweise als U-förmiger Ringabschnitt.
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Zusätzlich oder alternativ können die Halterung 36 und der zweite Rahmen 40 vertauschte Positionen bzw. vertauschte Funktionen aufweisen. D.h., die Halterung 36 ist radial zur Z-Achse außerhalb des ersten Rahmens 38 angeordnet, während der zweite Rahmen 40 radial zur Z-Achse innerhalb des ersten Rahmens 38 angeordnet ist, oder das Gestell 20 ist mittels des zweiten Rahmens 40 am Träger 18 befestigt und die Halterung 36 weist die Aufnahme 48 für den Stempel 28 auf.
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Ferner können die erste Drehachse 56 und die zweite Drehachse 58 an beliebiger Stelle des ersten Rahmens 38 vorgesehen sein und beliebig zueinander verlaufen, insbesondere windschief.
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Die Gelenke 42, 44 sind Festkörpergelenke in Form von Kreuzfedergelenken und weisen nur einen einzelnen Freiheitsgrad auf, nämlich eine Rotation um die entsprechende Drehachse 56, 58 in beliebiger Richtung.
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Die Kreuzfedergelenke sind hierbei derart gestaltet, dass sie das Gestell 20 mit einer Kraft in Richtung zur Nullstellung beaufschlagen.
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Hierzu können die Kreuzfedergelenke jeweils paarweise zueinander verdreht montiert werden, um eine asymmetrische Vorspannung zu realisieren.
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Die Gelenke 42, 44 sowie die Halterung 36, der erste Rahmen 38 und der zweite Rahmen 40 sind derart gestaltet, dass der erste Rahmen 38 um einen Drehwinkel von ± 3,5° gegenüber der Nullstellung relativ zur Halterung 36 um die erste Drehachse 56 rotieren kann und der zweite Rahmen 40 um einen Drehwinkel von ± 3,5° gegenüber der Nullstellung relativ zum ersten Rahmen 38 um die zweite Drehachse 58 rotieren kann.
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Grundsätzlich kann das Gestell 20 so gestaltet sein, dass der erste Rahmen 38 und der zweite Rahmen 40 jeweils um einen beliebigen Drehwinkel um die erste Drehachse 56 bzw. die zweite Drehachse 58 rotieren können, beispielsweise um ± 5° gegenüber der Nullstellung.
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Das Gestell 20 umfasst ferner zwei erste Anschläge 64, die den maximal zulässigen Drehwinkel zwischen dem ersten Rahmen 38 und der Halterung 36 um die erste Drehachse 56 beschränken, sowie zwei zweite Anschläge 66, die den maximal zulässigen Drehwinkel zwischen dem zweiten Rahmen 40 und dem ersten Rahmen 38 um die zweite Drehachse 58 beschränken.
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Die Anschläge 64, 66 sind hierbei einstellbar, beispielsweise mittels einer Stellschraube, wodurch der entsprechende maximal zulässige Drehwinkel an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden kann.
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Des Weiteren umfasst das Gestell 20 zwei erste elastische Elemente 68 sowie zwei zweite elastische Elemente 70, die jeweils in Form einer Feder vorgesehen sind.
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Die ersten elastischen Elemente 68 koppeln den ersten Rahmen 38 elastisch mit der Halterung 36, während die zweiten elastischen Elemente 70 den ersten Rahmen 38 mit dem zweiten Rahmen 40 elastisch koppeln.
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Die elastischen Elemente 68, 70 verbinden hierbei den ersten Rahmen 38 mit der Halterung 36 bzw. mit dem zweiten Rahmen 40 jeweils an Stellen der größten Auslenkung relativ zueinander, d.h. an den Seiten des ersten Rahmens 38 der zur entsprechenden Drehachse 56, 58 den größten Abstand aufweist.
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Ferner sind die elastischen Elemente 68, 70 jeweils an entgegengesetzten Seiten des ersten Rahmens 38 angeordnet, d.h., die beiden ersten elastischen Elemente 68 sind auf unterschiedlichen Seiten der ersten Drehachse 56 vorgesehen und die beiden zweiten elastischen Elemente 70 sind auf unterschiedlichen Seiten der zweiten Drehachse 58 vorgesehen.
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Die elastischen Elemente 68, 70 sind ferner jeweils einstellbar, beispielsweise mittels eines Gewindestifts, so dass mittels diesen die Vorspannung zwischen dem ersten Rahmen 38 und der Halterung 36 sowie dem ersten Rahmen 38 und dem zweiten Rahmen 40 eingestellt werden kann. Auf diese Weise kann die Ausrichtung des zweiten Rahmens 40 und damit der Aufnahme 48 sowie der Stempeloberfläche 30 relativ zu Halterung 36 eingestellt werden.
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Der Vorteil von jeweils zwei ersten elastischen Elementen 68 und zwei zweiten elastischen Elementen 70 ist, dass diese mit jeweils paarweise zueinander entgegengesetzten Rückstellkräften montiert werden können, um eine asymmetrische Vorspannung des ersten und/oder zweiten Rahmens 38, 40 zu realisieren.
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Die elastischen Elemente 68, 70 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel so eingestellt, dass die Unterseite 54 des zweiten Rahmens 40 bzw. die Aufnahme 48 und damit die Stempeloberfläche 30 unter einem Winkel α (siehe 4) von 1,5° zur Referenzebene 32 ausgerichtet ist, wenn das Gestell 20 sich in einer Neutralstellung befindet. Die Neutralstellung des Gestells 20 ist somit von der Nullstellung verschieden und ist die Stellung, die das Gestell 20 einnimmt, wenn keine äußeren Kräfte, mit Ausnahme der Gravitation, auf das Gestell 20 wirken, insbesondere im eingebauten Zustand.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Winkel α zwischen 0° und 5°, insbesondere zwischen 1° und 2° betragen.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform ist jeder erste Anschlag 64 mit einem ersten elastischen Element 68 in jeweils einem ersten hülsenförmigen Bauteil 72 integriert und jeder zweite Anschlag 66 mit einem zweiten elastischen Element 70 in jeweils einem zweiten hülsenförmigen Bauteil 74 integriert.
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Die hülsenförmigen Bauteile 72, 74 haben jeweils eine Hülse, die den entsprechenden Anschlag 64, 66 und zugleich eine Führung für das entsprechende elastische Element 68, 70 bildet.
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In einer alternativen Ausführungsform können die elastischen Elemente 68, 70 jeweils separat zu den Anschlägen 64, 66 vorgesehen sein, d.h. räumlich voneinander getrennt und insbesondere nicht in einem Bauteil 72, 74 kombiniert sein.
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Selbstverständlich können in einer alternativen Ausführungsform die ersten elastischen Elemente 68 und/oder die zweiten elastischen Elemente 70 beliebig gestaltet sein, beispielsweise in Form eines Elastomers.
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Zusätzlich oder alternativ können in einer weiteren alternativen Ausführungsform lediglich ein einzelnes erstes elastisches Element 68 und/oder ein einzelnes zweites elastisches Element 70 vorgesehen sein.
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Denkbar ist auch, dass die Kreuzfedergelenke selbst die elastischen Elemente 68, 70 bilden.
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Ferner können die ersten elastischen Elemente 68 und/oder die zweiten elastischen Elemente 70 an einer beliebigen Stelle den ersten Rahmen 38 mit der Halterung 36 bzw. den zweiten Rahmen 40 mit dem ersten Rahmen 38 elastisch koppeln.
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Der Vorteil dieser Gestaltung des Gestells 20 ist, dass die Stempeloberfläche 30 sehr nah an den Drehachsen 56, 58 angeordnet ist. Der Abstand A zwischen den Drehachsen 56, 58 und der Stempeloberfläche 30 beträgt 25 mm und der Abstand B zwischen den Drehachsen 56, 58 und der Aufnahme 48 beträgt 10 mm.
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In einer alternativen Ausführungsform kann der Abstand A und/oder der Abstand B jeweils maximal 15 mm, insbesondere maximal 10 mm betragen.
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Des Weiteren ist das Gestell 20 spielfrei gestaltet.
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Zur Herstellung von nano- und/oder mikrostrukturierten Bauteilen wird in einem ersten Schritt das Substrat 22 auf dem Chuck 16 befestigt.
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In einem weiteren Schritt wird der Stempel 28 in der Aufnahme 48 befestigt und das Gestell 20 mittels der einstellbaren elastischen Elemente 68, 70 in die Neutralstellung verstellt (siehe 4), sodass die Stempeloberfläche 30 unter dem Winkel α von 1,5° schräg zur Referenzebene 32 steht.
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Nun wird das Replikationsmaterial 26 mittels der Dosiereinheit 24 auf den Stempel 28 aufgetragen.
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In einer alternativen Ausführungsform wird das Replikationsmaterial 26 mittels der Dosiereinheit 24 zumindest an der Stelle des Substrats 22 aufgetragen, an der die Nano- und/oder Mikrostruktur ausgebildet werden soll.
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Das Substrat 22 wird mittels des XY-Tischs 14 relativ zum Stempel 28 positioniert, sodass die Stempeloberfläche 30 gegenüberliegend zu der Stelle angeordnet ist, an der die Nano- und/oder Mikrostruktur ausgebildet werden soll.
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In einem nachfolgenden Schritt wird der Stempel 28 mittels des Trägers 18 in Z-Richtung auf das Substrat 22 zu bewegt, bis der Stempel 28 in das Replikationsmaterial 26 eintaucht und dieses somit prägt.
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Durch den über den Träger 18 aufgebrachten Druck in Z-Richtung und den Widerstand, der durch das Replikationsmaterial 26 sowie das Substrat 22 gebildet ist, richtet sich der im Gestell 20 elastisch gelagerte Stempel 28 mit seiner Stempeloberfläche 30 parallel zur Referenzebene 32 aus (siehe 5).
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Durch das Verstellen der Stempeloberfläche 30 und damit der Aufnahme 48, schwenkt der zweite Rahmen 40 aus der Neutralstellung, wodurch eine Rückstellkraft auf den Stempel 28 wirkt.
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Die resultierende Kraft, mit der die Stempeloberfläche 30 gegen das Replikationsmaterial 26 sowie das Substrat 22 gedrückt wird, ist am führenden Ende 82 des Stempels 28, das in der Neutralstellung näher am Substrat 22 angeordnet ist, größer als am folgenden Ende 84 des Stempels 28, das in der Neutralstellung weiter vom Substrat 22 entfernt ist. Die wirkenden Kräfte sind in den 5 und 6 mittels einfacher Pfeile eingezeichnet, deren Länge dem Betrag der jeweiligen Kraft grob entspricht.
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In einem nächsten Schritt wird das Replikationsmaterial 26 zwischen der Stempeloberfläche 30 und dem Substrat 22 mittels der Lichtquelle 76 ausgehärtet, wodurch die Nano- und/oder Mikrostruktur, die von der Stempeloberfläche 30 in das Replikationsmaterial 26 eingebracht wurde, im Replikationsmaterial 26 fixiert wird.
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In einem folgenden Schritt wird der Stempel 28 mittels des Trägers 18 entgegengesetzt zur Z-Richtung vom Substrat 22 weg bewegt.
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Durch die Rückstellkraft, die das Gestell 20 in Form eines Drehmoments auf den Stempel 28 ausübt, löst sich die Stempeloberfläche 30 zuerst an dem folgenden Ende 84 und zuletzt am führenden Ende 82, das aufgrund des in die Neutralstellung zurückfedernden Gestells 20 länger in Kontakt mit dem Replikationsmaterial 26 bleibt bzw. das aufgrund des in die Neutralstellung zurückfedernden Gestells 20 länger in Z-Richtung gegen das Replikationsmaterial 26 gedrückt wird.
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Auf diese Weise wird der Stempel 28 kontinuierlich vom folgenden Ende 84 zum führenden Ende 82 hin vom Replikationsmaterial 26 abgezogen, wodurch die beim Ablösen wirkenden Kräfte verringert werden und damit das Risiko sinkt, dass durch das Ablösen die im Replikationsmaterial 26 gebildeten Nano- und/oder Mikrostrukturen beschädigt werden.
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Die zuvor genannten Schritte werden wiederholt, um das Step-and-Repeat Verfahren zu realisieren, mittels dem die Nano- und/oder Mikrostruktur der Stempeloberfläche 30 an mehreren Stellen auf dem Substrat 22 repliziert werden kann.
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Auf diese Weise wird eine Replikationsvorrichtung 10 mit einem Gestell 20 bereitgestellt, das einen einfachen Aufbau hat und eine spielfreie präzise Ausrichtung des Stempels 28 gewährleistet.
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Insbesondere kann mittels der kardanischen Aufhängung des Gestells 20 ein passiver Keilfehler des Stempels 28 zum Substrat 22 ausgeglichen werden oder eine definierte Schrägstellung der Stempeloberfläche 30 gegenüber dem Substrat 22 eingestellt werden.
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Die kardanische Aufhängung erlaubt ferner ein Anbringen der Drehachsen 56, 58 nahe dem Kontaktpunkt zwischen Stempel 28 und der Oberfläche 34 des Substrats 22, wodurch bei einer Auslenkung des Stempels 28 der Lateralversatz des Stempels 28 minimiert wird.
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Ferner erlaubt das Gestell 20 die Montage einer Lichtquelle 76 fluchtend über dem Stempel 28.
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Des Weiteren ist das Gestell 20 mit einer entsprechenden Aufnahme 48 als Halter für weitere Köpfe geeignet, beispielsweise eine Maske oder ein Substrat.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigte Ausführungsform beschränkt. Insbesondere können einzelne Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden, insbesondere unabhängig von den anderen Merkmalen der entsprechenden Ausführungsformen.
