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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung gehört zum Bereich der Mikro- und Nanoherstellungstechnik und bezieht sich auf einen Verbund-Nanoimprint-Lithographen, insbesondere auf einen auf eine Walzenunterstützung und ein weiches Verbundwerkzeug basierten, großflächigen Verbund-Nanoimprint-Lithographen und ein Verfahren zu dessen Betrieb.
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Technischer Hintergrund
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In den Bereichen hochauflösende Flachbildschirme, Hochleistungs-Solarpanels, selbstreinigende Antireflexgläser, LED-Musterung, Mikro- und Nanooptik auf Waferebene usw. besteht ein sehr großer industrieller Bedarf nach der großflächigen Mikro- und Nanomusterungstechnik, um die Eigenschaften und die Qualität des jeweiligen Produkts zu verbessern bzw. zu erhöhen. Für diese Produkte ist es erforderlich, auf einem großformatigen unebenen starren Substrat (d.h. auf einem harten Basismaterial oder Trägermaterial) eine großflächige komplizierte dreidimensionale Mikro- und Nanostruktur hocheffektiv und kostengünstig herzustellen. Jedoch können die jetzigen verschiedenen Mikro- und Nanoherstellungsverfahren (wie Elektronenstrahllithographie, optische Lithographie, Laser-Interferenz-Lithographie, holographische Lithographie, Selbstorganisation usw.) die tatsächlichen Anforderungen einer industrietauglichen Massenproduktion sowohl technisch (großflächige Mikro- und Nanomusterung unebener Substrate, Herstellung komplizierter dreidimensionaler Mikro- und Nanostrukturen) als auch hinsichtlich der Produktionskosten, des Wirkungsgrads, der Konsistenz und der Ausbeute des jeweiligen Musterungsvorgangs nicht erfüllen.
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Gegenüber der heute gängigen Projektionslithographie und dem Lithographieverfahren der nächsten Generation zeichnet sich die Nanoimprint-Lithographie (Nanoimprint Lithography, NIL) als völlig neuartige Mikro- und Nanoherstellungstechnik durch hohe Auflösung, extrem geringe Kosten (laut einer Beurteilung der zuständigen internationalen Behörde ist die NIL zumindest um eine Größenordnung billiger als die traditionelle optische Projektionslithographie) und hohe Produktivität aus und zeigt ihren größten Vorteil in der Herstellungsfähigkeit für großflächige komplizierte dreidimensionale Mikro- und Nanostrukturen und der Musterung unebener Substrate. Insbesondere das weiche UV-Nanoimprint-Verfahren verfügt ferner über das Potenzial, auf unebenen (gebogenen, verzerrten oder gestuften), gewölbten oder bruchempfindlichen Substraten einen Nanoimprint-Vorgang auf Waferebene zu realisieren, und über das Vermögen zur kontinuierlichen Musterung, welche für das Walzprägeverfahren spezifisch ist. Darüber hinaus erfolgt bei der NIL die Musterung eines Prägematerials durch dessen Verformung unter Belastung, ohne dafür energiereiche Strahlen verwenden zu müssen, was sich auf das jeweilige Substrat schonend auswirkt und für die Anwendung vieler optoelektronischer und Quantenbauelemente von großer Bedeutung ist. Momentan bietet das Nanoimprint-Verfahren bereits eine minimale Strukturgröße von 2,4 nm.
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Trotz der hervorragenden Vorteile und der riesigen Potenziale der Nanoimprint-Lithographie in der großflächigen Mikro- und Nanomusterung sind die bekannten verschiedenen Nanoimprint-Verfahren mit Bezug auf die Musterungsfläche, die Prägekosten, den Wirkungsgrad, die Konsistenz usw. noch mit vielen Nachteilen behaftet. Hierbei ist insbesondere die maximal mögliche Prägegröße für eine ganzflächige Prägung starrer Substrate (harter Basismaterialien) von weniger als 8 Zoll zu nennen. Mit diesen Verfahren lässt sich bisher eine großflächige Musterung großformatiger starrer Substrate im Meterbereich nur schwer realisieren. Dadurch wird die Anwendung der großflächigen Nanoimprint-Technik bei großformatigen hochauflösenden Flachbildschirmen der neuen Generation, Hochleistungs-Solarpanels, Hochleistungs-Glasvorhangfassaden, großformatiger LED-Musterung, großformatigen optischen Mikro- und Nanoprodukten auf Waferebene usw. stark eingeschränkt.
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Zurzeit wird die großflächige Nanoimprint-Technik vor allem durch die folgenden drei Verfahren implementiert: (1) ganzflächige Waferprägung; (2) Walze-zu-Ebene-Prägung (entweder durch die Verwendung eines Walzenwerkzeuges oder durch eine Walzendruckbeaufschlagung auf Basis eines flachen Werkzeuges); (3) Walze-zu-Walze-Prägung (Roll-to-Roll imprinting). Die ganzflächige Waferprägung (auch als Wafer-Level-Prägung bezeichnet) erfolgt hauptsächlich durch eine gasunterstützte Druckbeaufschlagung in Kombination mit einem flachen Weichwerkzeug und kann eine maximale Waferfläche von weniger als 8 Zoll prägen. Für größere Flächen stehen eine Vielzahl an schwierigen Problemen, wie etwa sehr große Prägekraft, großflächiger konformer Kontakt, großflächige gleichmäßige Druckbeaufschlagung, Blasenbeseitigung, großflächige Entformung usw., bevor. So ergibt sich z.B. aus einer Prägekraft von 2 bar, die bei einem ganzflächigen Nanoimprint-Vorgang eines 8-Zoll-Substrats beaufschlagt wird, eine Prägekraft von 628 kgf/cm2, welche auf das gesamte Substrat einwirkt, wobei ein Gaskammerdruck von mehr als 1400 kgf/cm2 zu erwarten ist. Bei weiter erhöhter Prägefläche nimmt die Prägekraft exponentiell zu, was zur Verformung des Weichwerkzeuges führen kann und den Prägevorgang erschwert. Eine ganzflächige Prägung größerer Wafer, insbesondere die Musterung starrer Substrate im Meterbereich, ist bisher nahezu unmöglich. Hingegen kann die Walze-zu-Walze-Prägung zwar eine großflächige kontinuierliche Musterung realisieren, eignet sich aber vor allem für flexible Substrate (Basismaterialien), nicht für die Mikro- und Nanomusterung harter starrer Substrate, insbesondere großformatiger unebener starrer Substrate. Die auf ein Walzenwerkzeug basierte Walze-zu-Ebene-Prägung erfordert einerseits eine hohe Ebenheit des jeweiligen starren Substrats, d.h. verzerrte bzw. unebene Substrate sind schwer zu verarbeiten. Zum anderen ist das Walzenwerkzeug nur mit großem Aufwand herstellbar, insbesondere die Herstellung von nanoskaligen spaltfreien walzenartigen Werkzeugen ist mit den bekannten Verfahren nahezu unmöglich. Die Walze-zu-Ebene-Prägung durch eine Walzendruckbeaufschlagung auf Basis eines flachen Werkzeuges kann lediglich den eigentlichen Prägevorgang (nämlich die Ausübung einer gleichmäßigen Prägekraft mittels einer Walze) realisieren. Zum Aufsetzen und Entfernen des Werkzeuges müssen noch spezielle Einrichtungen vorgesehen werden. Hinzu kommen schlechte Entformung, niedrige Produktionseffizienz, hoher Geräteaufwand und hohe Kosten. Mit diesem Verfahren können auch nur kleine Flächen geprägt werden, eine großflächige Mikro- und Nanomusterung großformatiger harter Basismaterialien ist hierbei unmöglich.
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Die chinesische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
CN105159029A offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur großflächigen Mikro- und Nanomusterung, mit denen zwar die vorgenannten Probleme gelöst werden können. Jedoch bestehen immer noch folgende Nachteile und Probleme: (1) Der Prägevorgang und der Aushärtevorgang finden gleichzeitig statt. Nachteilig dabei ist, dass sich das Film-Weichwerkzeug während des Prägevorgangs unter Einwirkung der Prägekraft verformt, was zur starken Verformung des unmittelbar ausgehärteten Prägemusters und dadurch zur geringen Prägegenauigkeit und schlechten Prägequalität führt. Andererseits erfordert die gleichzeitige Durchführung des Prägevorgangs und des Aushärtevorgangs eine schnelle Härtbarkeit des Prägematerials, was die Materialauswahl einschränkt, wobei (selbst bei einer sehr geringen Prägegeschwindigkeit) eine unzureichende Aushärtung zu erwarten ist; (2) Die Prägekraft wird unmittelbar auf die Walze (oder Walzenwelle) ausgeübt, so dass zum einen die Aufbringung einer gleichmäßigen und gleichbleibenden Prägekraft nur schwer gewährleistet werden kann, womit eine geringe Konsistenz der Prägemuster und eine Einschränkung der Prägefläche verbunden sind. Zum anderen ergibt sich eine schlechte Anpassungsfähigkeit an die Unebenheit des jeweiligen Substrats, was die Prägung insbesondere überdimensionierter und bruchempfindlicher Substrate erschwert; (3) Die Walze nimmt die damit verbundene Gasleitung bei der Drehung mit, so dass sich die Gasleitung um die Walze schlingt, was einen normalen und zuverlässigen Arbeitszyklus und insbesondere bei einer sehr großen Drehzahl der Walze für eine hohe gewünschte Prägeleistung einen Normalbetrieb der Vorrichtung ausschließt; (4) Der an der Außenfläche der Walze ausgebildete Langschlitz ist nicht ausreichend abgedichtet, was insbesondere mit zunehmender Substratgröße eine zuverlässige und vollständige anhaftende Befestigung des weichen Verbundwerkzeuges an der Walze nahezu unmöglich macht, so dass eine schlechte Prägequalität und -genauigkeit und eine geringe Gerätezuverlässigkeit zu erwarten sind; (5) Die gesamte Vorrichtung bietet eine schlechte strukturelle Steifigkeit und eine geringe Genauigkeit und kann deswegen die verfahrenstechnischen Anforderungen für einen großflächigen Nanoimprint-Vorgang nur schwer erfüllen, was eine normale Musterung insbesondere überdimensionierter Substrate nahezu unmöglich macht.
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Weitere Lithographen sowie deren Betriebsverfahren sind aus der
CN 204 925 614 U , der
US 2015 / 0 217 506 A1 , der
US 2013 / 0 139 712 A1 und der
US 2010 / 0 065 986 A1 bekannt.
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Zusammenfassend können die jetzigen verschiedenen Mikro- und Nanoherstellungsverfahren die Anforderungen für eine großflächige Musterung großformatiger (größer als 8 Zoll) unebener starrer bzw. bruchempfindlicher Substrate im Rahmen einer industrietauglichen Massenproduktion noch nicht erfüllen und erschweren in hohem Maße die Anwendung von großflächigen funktionellen Oberflächen-Nanostrukturen und nanostrukturierten Beschichtungen in den Branchen Hochleistungsgläser, Hochleistungs-Solarpanels, hochauflösende Flachbildschirme der neuen Generation und großformatige LED-Musterung, was wiederum die Verbreitung dieser neuen Verfahren einschränkt. Daher ist es dringend notwendig, neue Vorrichtungen und Verfahren zur ultragroßflächigen Nanomusterung zu entwickeln, mit denen eine großflächige Mikro- und Nanomusterung überdimensionierter Substrate im Meterbereich, unebener Substrate und bruchempfindlicher Substrate realisiert werden kann, um eine hocheffektive kostengünstige großtechnische Herstellung von großflächigen Mikro- und Nanostrukturen auf überdimensionierten unebenen starren Substraten und bruchempfindlichen Substraten zu ermöglichen.
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Offenbarung der Erfindung
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Um die Nachteile des oben beschriebenen Stands der Technik zu beseitigen, stellt die vorliegende Erfindung einen Nanoimprint-Lithographen zur hocheffektiven kostengünstigen großtechnischen Herstellung von großflächigen Mikro- und Nanostrukturen auf überdimensionierten unebenen starren Substraten (harten Basismaterialien oder Trägermaterialien) und bruchempfindlichen Substraten bereit, um eine großflächige Mikro- und Nanomusterung überdimensionierter starrer Substrate im Meterbereich hocheffektiv und mit geringen Kosten zu realisieren, die Prägezuverlässigkeit zu erhöhen, die Prägequalität zu verbessern, die Musterungsgröße zu erhöhen und eine Anwendbarkeit für mehr Prägematerialsorten zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung folgende Ausgestaltungen vor:
- Ein Verbund-Nanoimprint-Lithograph umfasst einen Grundträger, an dem ein Arbeitstisch befestigt ist, auf dessen beweglicher Tischplatte eine Vakuum-Spannvorrichtung angeordnet ist, an der ein Basismaterial durch Vakuum-Adsorption anhaftet, das gleichmäßig mit einem Prägematerial beschichtet ist und oberhalb dessen sich ein zugeordnetes Prägemodul befindet, das mit einem vertikalen Bewegungsmechanismus verbunden ist, der eine senkrecht zum Grundträger an diesem befestigte Führungssäule umfasst, die eine bewegliche Platte trägt, an deren Unterseite das Prägemodul und an deren Oberseite eine Antriebsvorrichtung angeschlossen ist, wobei das Prägemodul eine Prägebaugruppe und eine hinter der Prägebaugruppe angeordnete Aushärtebaugruppe umfasst, welche Prägebaugruppe eine Walze umfasst, an deren Außenfläche ein weiches Verbundwerkzeug durch Vakuum-Adsorption anhaftet und deren Außenfläche mit einer elastischen Materialschicht umhüllt ist, wobei das weiche Verbundwerkzeug an der Seite, an der es mit der Walze in Kontakt tritt, mit einer flexiblen Materialschicht versehen ist, und wobei die Walze über eine Anschlusskonsole mit der beweglichen Platte verbunden ist und einen Walzenkörper umfasst, der an einem ersten Ende mit einer Kraftvorrichtung verbunden und an einem zweiten Ende mit mehreren gleichmäßig verteilten Gaseinlassbohrungen versehen ist, welche jeweils über eine harte Leitung mit einer zugeordneten Gasauslassöffnung eines drehbaren Abschnitts eines Drehstutzens verbunden sind, wobei sowohl die Druckleitung als auch die Vakuumleitung mit einer Verbindungsbohrung eines feststehenden Abschnitts des Drehstutzens verbunden sind, welche Verbindungsbohrung wiederum mit der Gasauslassöffnung verbunden ist.
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Die Führungssäule ist an ihrem oberen Ende senkrecht zu einer Oberplatte mit dieser fest verbunden, wobei die Antriebsvorrichtung an der Oberplatte befestigt ist.
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Die bewegliche Platte und die Führungssäule sind über ein Linearlager miteinander verbunden.
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Es handelt sich bei der Antriebsvorrichtung um einen Elektrozylinder und bei der Kraftvorrichtung um einen Elektromotor.
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Die Aushärtebaugruppe umfasst eine an der beweglichen Platte befestigte Lampenhalter-Führungsplatte, die gleitend mit einem Aushärte-Lichtquellenhalter verbunden ist, wobei an dem Aushärte-Lichtquellenhalter eine UV-Belichtungslampe befestigt ist.
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Die UV-Belichtungslampe ist höher als die unterste Stelle der Walze gelegt.
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In der Lampenhalter-Führungsplatte ist eine Gleitnut ausgebildet, innerhalb derer ein Schieber angeordnet ist, wobei der Aushärte-Lichtquellenhalter sich im Bereich der Gleitnut befindet und der Schieber fest mit dem Aushärte-Lichtquellenhalter verbunden ist.
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Die Gleitnut ist bogenförmig ausgebildet und erstreckt sich an einem ersten Ende bis zu einer Seitenkante der Lampenhalter-Führungsplatte und an einem zweiten Ende bis zur anderen Seitenkante der Lampenhalter-Führungsplatte, wobei das erste Ende der Gleitnut tiefer als das zweite Ende der Gleitnut gelegt ist. Auf diese Weise kann eine Positionseinstellung sowohl in Richtung vom-hinten als auch in vertikaler Richtung erreicht werden.
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An der Verbindungsstelle zwischen dem Aushärte-Lichtquellenhalter und der Gleitnut ist ein Fixierstück vorgesehen.
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Die Gaseinlassbohrung erstreckt sich ausgehend von dem zweiten Ende ins Innere des Walzenkörpers, aber nicht bis zum ersten Ende.
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An der Walzen-Außenfläche sind mehrere axiale Adsorptionsnuten gleichmäßig angeordnet, wobei sich vom Nutboden einer jeden Adsorptionsnut mehrere radiale Bohrungen ins Innere der Walze erstrecken, welche die jeweils zugeordnete Adsorptionsnut mit einer Gaseinlassbohrung verbinden.
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Das weiche Verbundwerkzeug umfasst eine Musterschicht und eine auf der Musterschicht angeordnete Trägerschicht, wobei die Musterschicht eine zu kopierende Mikro- und Nano-Merkmalsstruktur enthält und die flexible Materialschicht auf der Trägerschicht angeordnet ist.
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Dabei weist die Musterschicht eine Dicke im Bereich von 10-50 µm, die Trägerschicht eine Dicke im Bereich von 100-500 µm und die flexible Materialschicht eine Dicke im Bereich von 100-500 µm auf.
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Um die Nachteile des Stands der Technik, wie beispielsweise den Prägevorgang begleitende Verformungen und geringe Prägegenauigkeit, zu eliminieren, stellt die vorliegende Erfindung ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Verbund-Nanoimprint-Lithographen bereit, das folgende Schritte umfasst:
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Schritt 1: Vorbehandlung;
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Befestigen des mit dem Prägematerial beschichteten Basismaterials durch Adsorption an die Vakuum-Spannvorrichtung, adsorptives Anbinden des weichen Verbundwerkzeuges mittels Vakuum an die Walzen-Außenfläche und Bewegen sowohl des Arbeitstisches als auch der Prägebaugruppe in eine Prägeposition;
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Schritt 2: Auflegung des weichen Verbundwerkzeuges;
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Bewegen des Arbeitstisches in eine der Drehrichtung der Walze entsprechende Richtung und sequentielles Auflegen des weichen Verbundwerkzeuges auf das Basismaterial durch eine Umschaltung zwischen der Vakuumleitung und der Druckleitung;
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Schritt 3: Prägung;
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Bewegen der Walze nach unten und erneutes Bewegen des Arbeitstisches in eine der Drehrichtung der Walze entsprechende Richtung, um einen vollständigen konformen Kontakt zwischen dem weichen Verbundwerkzeug und dem Basismaterial zu erzielen und dadurch die Prägung zu vollenden;
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Schritt 4: Aushärtung;
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Bewegen der Walze nach oben und des Arbeitstisches in horizontaler Richtung, um mit Hilfe der Aushärtebaugruppe eine Belichtung des ganzen weichen Verbundwerkzeuges und eine Aushärtung des Prägematerials zu vollenden;
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Schritt 5: Werkzeugentfernung;
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Bewegen des Arbeitstisches in eine der Drehrichtung der Walze entgegengesetzte Richtung und Aktivieren der Vakuumleitung, um das weiche Verbundwerkzeug durch Adsorption allmählich an die Walzen-Außenfläche anzubinden und dadurch zu entfernen.
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Der Schritt 1 ist konkret wie folgt:
- Das Basismaterial wird gleichmäßig mit dem Prägematerial beschichtet und auf die Vakuum-Spannvorrichtung aufgesetzt, um das Basismaterial durch Adsorption an der Vakuum-Spannvorrichtung zu befestigen; Es wird die Walzen-Außenfläche mit dem weichen Verbundwerkzeug umhüllt und ein Unterdruck in die Gaseinlassbohrung eingeleitet, um eine adsorptive Anbindung des weichen Verbundwerkzeuges an die Walzen-Außenfläche zu erreichen;
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Der Arbeitstisch verschiebt sich in horizontaler Richtung, um die Vakuum-Spannvorrichtung von einer Ausgangsposition in eine Prägeposition zu bewegen, während die Walze und das weiche Verbundwerkzeug durch den vertikalen Bewegungsmechanismus von einer Ausgangsposition in eine Prägeposition bewegt werden.
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Der Schritt 2 ist konkret wie folgt:
- Die Walze wird zur Drehung angetrieben, wobei die Gaseinlassbohrung an der untersten Stelle der Walze von Unterdruck auf Überdruck geschaltet wird und gleichzeitig dazu der Arbeitstisch eine horizontale Verschiebung in eine der Drehrichtung der Walze entsprechende Richtung durchführt. Während der Drehung der Walze und der horizontalen Verschiebung des Arbeitstisches wird ausgehend von der Gaseinlassbohrung an der untersten Stelle der Walze die Vakuumleitung geschlossen und die Druckleitung geöffnet und eine sequentielle Umschaltung der übrigen Gaseinlassbohrungen der Walze von Unterdruck auf Überdruck durchgeführt, was eine allmähliche Trennung des durch Adsorption an der Walzen-Außenfläche anhaftenden weichen Verbundwerkzeuges von der Walze bewirkt. Gleichzeitig dazu wird das ganze weiche Verbundwerkzeug unter Einwirkung einer durch die Walze bei einer linienförmigen Berührung gleichmäßig ausgeübten Druckkraft flächig auf das Basismaterial aufgelegt. Nachdem das weiche Verbundwerkzeug vollständig von der Walze getrennt und auf die Oberfläche des auf dem Basismaterial aufgetragenen Prägematerials aufgelegt worden ist, wird die Gasleitung zur Gaseinlassbohrung der Walze geschlossen.
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Der Schritt 3 ist konkret wie folgt:
- Die Walze wird weiter nach unten um 20-50 µm bewegt, wobei während der Drehung der Walze und der horizontalen Verschiebung des Arbeitstisches einerseits durch die von der Walze bei einer linienförmigen Berührung gleichmäßig ausgeübte Druckkraft ein vollständiger konformer Kontakt zwischen dem weichen Verbundwerkzeug und dem Basismaterial gewährleistet und andererseits durch die von der Walze bei der linienförmigen Berührung ausgeübte gleichmäßige Prägekraft das Prägematerial in die Kavitäten der Mikro- und Nano-Merkmalsstruktur des weichen Verbundwerkzeuges eingepresst wird. Durch eine sequentielle schritteweise Druckbeaufschlagung mittels linienförmiger Berührung wird eine großflächige Prägung des ganzen Substrats vervollständigt.
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Der Schritt 4 ist konkret wie folgt:
- Die Walze wird nach oben um 100-500 µm bewegt und dadurch von dem weichen Verbundwerkzeug getrennt. Der Arbeitstisch verschiebt sich in horizontaler Richtung, um mit Hilfe der Aushärtebaugruppe eine UV-Belichtung des Prägematerials durch das weiche Verbundwerkzeug hindurch durchzuführen, wobei mit der Verschiebung des Arbeitstisches eine sequentielle Belichtung des ganzen weichen Verbundwerkzeuges und eine Aushärtung des Prägematerials vervollständigt werden. Der Arbeitstisch verschiebt sich ggf. mehrmals hin und her, um die Belichtungszeit zu verlängern.
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Der Schritt 5 ist konkret wie folgt:
- Die Walze wird nach oben bewegt, bis die Walze einen Abstand zu dem weichen Verbundwerkzeug von 100-1000 µm hat;
- Es wird die Walze zur Drehung angetrieben und gleichzeitig ein Unterdruck in die in der Nähe der untersten Stelle der Walze liegende Gaseinlassbohrung eingeleitet, wobei die übrigen Gaseinlassbohrungen der Walze der Reihe nach mit einem Unterdruck versorgt werden, was eine allmähliche Trennung des weichen Verbundwerkzeuges von der Prägestruktur und eine sequentielle adsorptive Anbindung des weichen Verbundwerkzeuges an die Walzen-Außenfläche bewirkt, wobei mit einer gleichzeitigen Rückwärtsverschiebung des Arbeitstisches eine kontinuierliche Werkzeugentfernung erfolgt;
- Die Walze wird nach oben zurück in die Ausgangsposition bewegt, während der Arbeitstisch von der Prägeposition in seine Ausgangsposition zurückkehrt, in der das geprägte Basismaterial entnommen und der Arbeitstisch mit einem neuen Basismaterial beladen wird, um mit dem nächsten Arbeitszyklus beginnen zu können.
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Dem Stand der Technik gegenüber bietet die vorliegende Erfindung folgende vorteilhafte Wirkungen:
- (1) Bei der Erfindung werden die Vorteile des plattenunterstützten Nanoimprint-Verfahrens und die Vorteile des walzenunterstützten Nanoimprint-Verfahrens hinreichend miteinander kombiniert, indem durch die enge Zusammenarbeit zwischen einer Walze, einem weichen Verbundwerkzeug und einem Arbeitstisch und die Zusammenwirkung von Über- und Unterdruck eine großflächige Prägung und eine sich ablösende Entfernung des Werkzeuges hocheffektiv und automatisch vervollständigt werden, um eine großflächige Mikro- und Nanomusterung überdimensionierter starrer Substrate zu ermöglichen, was sich durch einfachen Aufbau und Prozessablauf, hohe Produktivität, geringe Kosten, hohe Genauigkeit des jeweiligen Prägemusters und wenige Fehler auszeichnet.
- (2) Geringe Prägekraft: Während der Prägung besteht zwischen der Walze und dem weichen Verbundwerkzeug eine linienförmige Berührung, um eine sequentielle Microcontact-Prägung zu realisieren. Dies erfordert nur eine sehr geringe Prägekraft, die lediglich 1/15-50/1 der für eine traditionelle ganzflächige Waferprägung mit Gasunterstützung notwendigen Prägekraft beträgt. Daraus ergeben sich vorteilhafterweise eine geringe Verformung des weichen Werkzeuges und eine erhöhte Genauigkeit und Qualität des Prägemusters. Zum anderen wird der Geräteaufbau erheblich vereinfacht und die Kosten werden reduziert. Überdies kann eine großflächige Prägung bruchempfindlicher Substrate/Basismaterialien (großflächiger Nanoimprint-Vorgang von Epitaxiewafern, Gläsern usw.) realisiert werden.
- (3) Gleichmäßige Ausübung der Prägekraft: Aufgrund der linienförmigen Berührung zwischen der Walze und dem weichen Verbundwerkzeug und der zum Einsatz kommenden sequentiellen Microcontact-Prägung wird einerseits eine gleichmäßige und konsistente Prägekraft auf das weiche Verbundwerkzeug ausgeübt. Zudem zeichnet sich das vorliegende Prägeverfahren im Vergleich zu herkömmlichen großflächigen Prägeverfahren, welche auf eine gas- oder fluidunterstützte Druckbeaufschlagung zurückgreifen, durch einfachen Aufbau und Prozessablauf sowie durch geringe Kosten aus.
- (4) Die vorliegende Erfindung stellt geringe Anforderungen an die Produktionsumgebung und weist eine hohe Anpassungsfähigkeit an die Unebenheit, Defekte und Körnung des jeweiligen Substrats, Basismaterials bzw. Wafers auf, was in der industriellen Praxis von großer Bedeutung ist.
- (5) Dadurch, dass die Walze über die Anschlusskonsole an der beweglichen Platte befestigt ist und bei gleichzeitiger Führung der beweglichen Platte mit Hilfe der Führungssäule und des Linearführungslagers eine Prägekraft auf die Mitte der beweglichen Platte ausgeübt wird, kann einerseits eine gleichmäßige Ausübung der Prägekraft auf ein überdimensioniertes Substrat erreicht und andererseits eine gute Gerätesteifigkeit gewährleistet werden, was insbesondere für die Prägung überdimensionierter Substrate vorteilhaft ist.
- (6) Erfindungsgemäß werden zunächst der Auflegungsvorgang des weichen Verbundwerkzeuges, dann der Prägevorgang und schließlich der Aushärtevorgang durchgeführt. Da während der Aushärtung keine Prägekraft mehr ausgeübt wird, verformt sich das weiche Verbundwerkzeug nicht (während der Prägung hat sich das Werkzeug bereits ausreichend verformt), was zur Erhöhung der Genauigkeit des Prägemusters und zur Verbesserung der Prägequalität beiträgt.
- (7) Da der Aushärteschritt separat durchgeführt wird, lässt sich eine ausreichende Aushärtung sicherstellen (indem sich der Arbeitstisch z.B. mehrmals hin und her bewegt).
- (8) Anwendbarkeit für mehr Prägematerialsorten (für Materialien, die eine lange Aushärtezeit erfordern, kann eine ausreichende und vollständige Aushärtung durch eine mehrmalige Hin- und Herbewegung des Arbeitstisches realisiert werden).
- (9) Durch die Anordnung der harten Leitung und des Drehstutzens auf der Seite der Gaseinlassbohrung der Walze wird eine durch die Drehung der Walze herbeigeführte Umschlingung der Gasleitung verhindert, so dass die Prägemaschine zuverlässig betrieben werden kann und sich zur Prägung überdimensionierter Substrate eignet.
- (10) Durch das Vorsehen mehrerer Adsorptionsnuten an der Walzen-Außenfläche wird auf einfache Weise eine zuverlässige vollständige dichte Anhaftung des weichen Verbundwerkzeuges an der Walze erreicht, was sich als vorteilhaft insbesondere für die Prägung bzw. Musterung überdimensionierter Substrate erweist.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine hocheffektive kostengünstige großtechnische Herstellung von großflächigen Mikro- und Nanostrukturen auf überdimensionierten, unebenen bzw. bruchempfindlichen Substraten/Basismaterialien realisiert und eine industrietaugliche Lösung für die gewerbliche Anwendung großflächiger Mikro- und Nanostrukturen zur Verfügung gestellt.
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Die vorliegende Erfindung ist anwendbar für die industrietaugliche Massenproduktion in den Bereichen überdimensionierte hochauflösende Flachbildschirme, Hochleistungs-Solarpanels, selbstreinigende Antireflexgläser, großformatige LED-Musterung, Mikro- und Nanooptik auf Waferebene, ultragroßflächige funktionelle Oberflächen-Nanostrukturen usw.
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Figurenliste
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Die der Beschreibung beigefügten Zeichnungen, welche Bestandteil der vorliegenden Anmeldung sind, dienen dem besseren Verständnis der vorliegenden Anmeldung. Die schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung und ihre Beschreibung stellen keine Einschränkung der vorliegenden Anmeldung dar, sondern dienen zur Erläuterung der vorliegenden Anmeldung. Es zeigen:
- 1 in räumlicher Darstellung den Aufbau eines Verbund-Nanoimprint-Lithographen,
- 2 den Aufbau eines Verbund-Nanoimprint-Lithographen in einer Seitenansicht,
- 3 den schematischen Aufbau eines UV-Aushärtemoduls,
- 4 den schematischen Aufbau einer Walze,
- 5 den schematischen Aufbau eines Prägekopfs,
- 6 den schematischen Aufbau eines weichen Verbundwerkzeuges,
- 7a bis 7j in schematischer Darstellung die Schritte eines Verfahrens zum Betrieb eines Nanoimprint-Lithographen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundträger
- 2
- Arbeitstisch
- 3
- Vakuum-Spannvorrichtung
- 4
- Basismaterial
- 5
- Prägematerial
- 6
- Drehstutzen
- 7
- Harte Leitung
- 8
- Weiches Verbundwerkzeug
- 9
- Walze
- 10
- Kupplung
- 11
- Elektromotor zum Drehantrieb der Walze
- 12
- UV-Aushärtemodul
- 13
- Anschlusskonsole
- 14
- Bewegliche Platte
- 15
- Linearführungslager
- 16
- Führungssäule
- 17
- Oberplatte
- 18
- Elektrozylinder
- 601
- Verbindungsbohrung
- 602
- Feststehender Abschnitt des Drehstutzens
- 603
- Drehbarer Abschnitt des Drehstutzens
- 604
- Gasauslassbohrung
- 121
- UV-Belichtungslampe
- 122
- Aushärte-Lichtquellenhalter
- 123
- Sicherungsmutter
- 124
- Schieber
- 125
- Gleitnut
- 126
- Lampenhalter-Führungsplatte
- 801
- Musterschicht
- 802
- Trägerschicht
- 803
- Flexible Materialschicht
- 80101
- Mikro- und Nano-Merkmalsstruktur
- 901
- Elastische Materialschicht
- 902
- Walzenkörper
- 903
- Gaseinlassbohrung
- 904
- Radiale Bohrung
- 905
- Adsorptionsnut
- 906
- Walzen-Außenfläche
- 90101-90108
- An einer Endfläche der Walze der Reihe nach angeordnete Gaseinlassbohrungen
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Konkrete Ausführungsformen
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Es wird darauf hingewiesen, dass die nachstehende detaillierte Beschreibung beispielhaft ist und auf eine nähere Erläuterung der vorliegenden Anmeldung abzielt. Sofern hierin nicht anders angegeben, sind alle in der vorliegenden Beschreibung verwendeten Fachbegriffe bzw. wissenschaftlichen Begriffe in einer den Durchschnittsfachleuten auf diesem Gebiet bekannten Weise zu verstehen.
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Es sei angemerkt, dass die hier eingesetzten Begriffe keine Einschränkung der beispielhaften Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Anmeldung darstellen, sondern lediglich der Erläuterung konkreter Ausführungsformen dienen. Hierbei enthält eine Singularform auch eine Pluralform, soweit im Kontext nicht ausdrücklich anders angedeutet wird. Des Weiteren versteht es sich von selbst, dass die Verwendung des Begriffs bzw. der Begriffe „enthalten“ und/oder „umfassen“ in der vorliegenden Beschreibung auf das Vorhandensein eines Merkmals, eines Schritts, eines Vorgangs, eines Bauelements und/oder einer Kombination davon hinweist.
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Wie zuvor in dem Abschnitt „Technischer Hintergrund“ erwähnt wurde, ist der Stand der Technik mit Nachteilen wie geringe Prägegenauigkeit und schlechte Prägequalität behaftet. Um die vorangehend genannten technischen Probleme zu überwinden, schlägt die vorliegende Anmeldung einen Verbund-Nanoimprint-Lithographen vor.
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Aus einer typischen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung gemäß 1 ergibt sich ein Verbund-Nanoimprint-Lithograph, der einen Grundträger 1, einen Arbeitstisch 2, eine Vakuum-Spannvorrichtung 3, ein Basismaterial 4, ein Prägematerial 5, einen Drehstutzen 6, eine harte Leitung 7, ein weiches Verbundwerkzeug 8, eine Walze 9, eine Kupplung 10, einen Elektromotor zum Drehantrieb der Walze 11, ein UV-Aushärtemodul 12, eine Anschlusskonsole 13, eine bewegliche Platte 14, ein Linearführungslager 15, eine Führungssäule 16, eine Oberplatte 17 und einen Elektrozylinder 18 umfasst. Hierbei ist der Arbeitstisch 2 an dem Grundträger 1 und die Vakuum-Spannvorrichtung 3 an dem Arbeitstisch 2 befestigt. Das Basismaterial 4 befindet sich durch Vakuum-Adsorption direkt oberhalb der Vakuum-Spannvorrichtung 3 und ist gleichmäßig mit einem flüssigen UV-härtenden Prägematerial 5 beschichtet. Das weiche Verbundwerkzeug 8 haftet durch Vakuum-Adsorption an der Walzen-Außenfläche 906 an. Die Walze 9 ist an einem Ende über die Kupplung 10 mit dem Elektromotor zum Drehantrieb der Walze 11 verbunden. Das UV-Aushärtemodul 12 befindet sich hinter der Walze 9. Die Walze 9, die Kupplung 10 und der Elektromotor zum Drehantrieb der Walze 11 sind an der Anschlusskonsole 13 angeordnet. Die Anschlusskonsole 13 ist an der beweglichen Platte 14 befestigt. An der beweglichen Platte 14 sind vier Linearführungslager 15 vorgesehen, welche mit der Führungssäule 16 verbunden sind. Die Führungssäule 16 ist mit ihrem unteren Ende an dem Grundträger 1 befestigt, wobei die Oberplatte 17 am oberen Ende der Führungssäule 16 befestigt ist. Der Elektrozylinder 18 ist an der Oberplatte 17 befestigt, wobei ein Elektrozylinder-Stößel durch die Oberplatte 17 hindurchgreift und in der Mitte der beweglichen Platte 14 an dieser befestigt ist.
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2 zeigt den Aufbau des Verbund-Nanoimprint-Lithographen in einer Seitenansicht. Das UV-Aushärtemodul 12 ist an der unteren Oberfläche der beweglichen Platte 14 angebracht und befindet sich hinter der Anschlusskonsole 13, wobei die unterste Stelle einer UV-Belichtungslampe um einen bestimmten Abstand höher als die unterste Stelle der Walze gelegt ist.
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3 zeigt den schematischen Aufbau eines UV-Aushärtemoduls, das eine UV-Belichtungslampe 121, einen UV-Lampenhalter 122, eine Sicherungsmutter 123, einen Schieber 124, eine Gleitnut 125 und eine Lampenhalter-Führungsplatte 126 umfasst. Dabei ist die UV-Belichtungslampe 121, bei der es sich um eine UV-LED-Leuchtenanordnung handelt, an dem UV-Lampenhalter 122 angebracht. Der UV-Lampenhalter 122 ist zusammen mit dem Schieber 124 montiert. Der Schieber 124 ist innerhalb der Gleitnut 125 eingebaut. Die Lampenhalter-Führungsplatte 126 ist an der unteren Oberfläche der beweglichen Platte 14 angebracht. Die Sicherungsmutter 123 dient zum Fixieren des UV-Lampenhalters 122 in seiner Lage, wobei die Position der UV-Belichtungslampe 121 durch Festschrauben der Sicherungsmutter 123 festgelegt wird und durch Losschrauben der Sicherungsmutter 123 eingestellt werden kann.
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4 zeigt den schematischen Aufbau einer Walze, die eine elastische Materialschicht 901, einen Walzenkörper 902, eine Walzen-Gaseinlassbohrung 903, eine radiale Bohrung 904, eine Adsorptionsnut 905 und eine Walzen-Außenfläche 906 umfasst. Die elastische Materialschicht 901 umhüllt die Außenfläche des Walzenkörpers 902, an dessen Endfläche mehrere (nicht weniger als acht) Walzen-Gaseinlassbohrungen 903 gleichmäßig verteilt sind, welche lediglich mit einem Ende des Walzenkörpers verbunden sind (d.h. die Walzen-Gaseinlassbohrungen 903 erstrecken sich nicht bis zum anderen Ende des Walzenkörpers 902). An der Walzen-Außenfläche 906 sind mehrere Adsorptionsnuten 905 gleichmäßig angeordnet, wobei sich vom Nutboden einer jeden Adsorptionsnut 905 mehrere (nicht weniger als drei) radiale Bohrungen 904 ins Innere des Walzenkörpers 902 erstrecken, welche die jeweils zugeordnete Adsorptionsnut 905 mit einer Walzen-Gaseinlassbohrung 903 verbinden. Die Walzen-Gaseinlassbohrung 903 ist derart mit einer Druckleitung und einer Vakuumleitung verbunden, dass durch Steuern der Freigabe und Versperrung der Druckleitung und der Vakuumleitung eine Umschaltung der Adsorptionsnut 905 zwischen Über- und Unterdruck möglich ist, um eine sequentielle adsorptive Anbindung und Trennung des weichen Verbundwerkzeuges 8 an die bzw. von der Walzen-Außenfläche 906 zu realisieren. Dabei sind insgesamt acht entsprechende Gasleitungen vorhanden, welche gleichmäßig an der Oberfläche der Walze bzw. innerhalb der Walze verteilt sind. Die elastische Materialschicht 901 kann aus Silikongummi oder Elastomer-Polyurethan oder PDMS bestehen. Durch das Versehen der Oberfläche des Walzenkörpers 902 mit einer elastischen Materialschicht 901 kann nicht nur eine Pufferwirkung erzielt werden, um die Prägequalität sicherzustellen, sondern auch die Gasdichtheit der Adsorptionsnut 905 wird erheblich erhöht. Da die Trägerschicht des verwendeten weichen Verbundwerkzeuges 8 zumeist aus PET besteht, das eine glatte Oberfläche mit einer bestimmten Härte aufweist, lässt sich das weiche Verbundwerkzeug 8 nicht gut genug von der Adsorptionsnut 905 adsorbieren, was durch die Anordnung der elastischen Materialschicht 901 eine wesentliche Verbesserung erfährt.
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5 zeigt den schematischen Aufbau eines Prägekopfs, der eine Verbindungsbohrung 601, einen feststehenden Abschnitt des Drehstutzens 602, einen drehbaren Abschnitt des Drehstutzens 603, eine Gasauslassbohrung 604, eine harte Leitung 7, eine Walze 9, eine Walzen-Kupplung 10, einen Elektromotor zum Drehantrieb der Walze 11 und eine Anschlusskonsole 13 umfasst. Die Verbindungsbohrung 601 ist mit einer Vakuumleitung und einer Druckleitung verbunden. Der feststehende Abschnitt des Drehstutzens 602 ist an der Innenseite der Anschlusskonsole 13 befestigt, während an einer Endfläche des drehbaren Abschnitts des Drehstutzens 603 mehrere Gasauslassbohrungen 604 ausgebildet sind, die einerseits über die harten Leitungen 7 mit den Gaseinlassbohrungen 903 an der Endfläche der Walze 9 und andererseits mit den Verbindungsbohrungen 601 verbunden sind. Die Walze 9 ist am anderen Ende über die Kupplung 10 mit dem Elektromotor zum Drehantrieb der Walze 11 verbunden. Die Walze 9 wird durch den Elektromotor zum Drehantrieb der Walze 11 zur Drehung angetrieben und nimmt mit Hilfe der harten Leitung 7 den drehbaren Abschnitt des Drehstutzens 603, der auch mittels einer Keilverbindung an einer Welle befestigt sein kann, bei der Drehung mit, während der feststehende Abschnitt des Drehstutzens 602 stillhält, wodurch eine Umschlingung der Gasleitung verhindert und ein normaler und zuverlässiger Arbeitszyklus gewährleistet wird.
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Durch den Drehstutzen 6, das weiche Verbundwerkzeug 8, die Walze 9, die Kupplung 10, den Elektromotor zum Drehantrieb der Walze 11, die UV-Belichtungslampe 121 und die Anschlusskonsole 13 wird ein Prägemodul gebildet, das an der beweglichen Platte 14 befestigt ist, die durch den Elektrozylinder 18 entlang der Führungssäule 16 nach oben und unten bewegt wird. Die Walze 9 wird durch den Elektromotor zum Drehantrieb der Walze 11 über die Kupplung 10 zur Drehung angetrieben und nimmt den Drehstutzen 6 bei der Drehung mit, wobei durch eine sequentielle Umschaltung der Adsorptionsnut 905 an der Walzen-Außenfläche 906 zwischen Über- und Unterdruck in Kombination mit einer horizontalen Verschiebung des Arbeitstisches 2 eine Auflegung des weichen Verbundwerkzeuges 8, ein Prägevorgang unter Einwirkung der Prägekraft der Walze 9 und eine Entfernung des weichen Verbundwerkzeuges realisiert werden und das Prägematerial 5 mit der UV-Belichtungslampe 121 ausgehärtet wird.
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Die Walze 9 wird mit einer sehr geringen Drehzahl betrieben, was einen langsamen stationären Lauf des Antriebsmotors mit konstanter Geschwindigkeit erfordert. Dafür ist ein Untersetzungsgetriebe notwendig.
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Beim Prägen besteht eine strenge Synchronisierung der Verschiebungsgeschwindigkeit des Arbeitstisches 2 mit der Rotationslineargeschwindigkeit der Walze 9, wobei durch die Verschiebung des Arbeitstisches 2 und die Drehung der Walze 9 in Kombination mit einer gleichzeitigen sequentiellen Umschaltung der Walzen-Adsorptionsnut 905 zwischen Über- und Unterdruck eine Befestigung des weichen Verbundwerkzeuges 8 an der Walzen-Außenfläche 906 und eine Ausbreitung des weichen Werkzeuges auf dem Arbeitstisch realisiert werden.
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6 zeigt den schematischen Aufbau eines weichen Verbundwerkzeuges, das eine Musterschicht 801, eine Trägerschicht 802 und einen weichen Film 803 umfasst. Bei dem weichen Verbundwerkzeug 8 handelt es sich um ein mit einem transparenten Film versehenes weiches Verbundwerkzeug, bei dem die Trägerschicht 802 auf der Musterschicht 801 und der weiche Film 803 auf der Trägerschicht 802 angeordnet ist. Die Musterschicht 801 enthält eine zu kopierende Mikro- und Nano-Merkmalsstruktur 80101 und zeichnet sich durch sehr niedrige Oberflächenenergie, hohes Elastizitätsmodul und Transparenz aus. Hingegen ist die Trägerschicht 802 durch Transparenz und Filmstruktur gekennzeichnet, während der weiche Film 803 sich durch Transparenz und hohe Weichheit auszeichnet und eine gewisse Klebrigkeit besitzt. Da die Trägerschicht 802 nur eine begrenzte Weichheit (eine zu weiche Trägerschicht 802 würde die Qualität eines Prägemusters beeinträchtigen) und eine gewisse Härte aufweist, ergibt sich bei direktem Kontakt zwischen der Walzen-Außenfläche 906 und der Trägerschicht 802 nur eine begrenzte Adsorptionswirkung. Erfindungsgemäß ist die Oberfläche der Trägerschicht 802 gleichmäßig mit einem weichen Film 803, der aus einem hochflexiblen Werkstoff besteht und eine gewisse Klebrigkeit hat, bedeckt, um ein dreischichtiges weiches Verbundwerkzeug zu erzeugen. Bei einer adsorptiven Anbindung gelangt nicht die Trägerschicht 802, sondern der weiche Film 803 in unmittelbare Berührung mit der Walzen-Außenfläche 906, was zur wesentlichen Verbesserung der Adsorptionswirkung beiträgt. Des Weiteren besteht die Musterschicht 801 aus ETFE, die Trägerschicht 802 aus einem hochtransparenten PET-Werkstoff und der weiche Film 803 aus h-PDMS, wobei die Musterschicht 801 eine Dicke von 40 µm, die Trägerschicht 802 eine Dicke von 300 µm und der weiche Film 803 eine Dicke von 300 µm hat.
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Bei dem Prägematerial handelt es sich um ein flüssiges UV-härtendes organisches Polymermaterial, das eine Viskosität von 30 mpa.s aufweist.
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Im Folgenden werden die Funktionsweise und die konkreten Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Nanoimprint-Lithographen anhand eines Ausführungsbeispiels, bei dem es sich um einen Nanoimprint-Vorgang eines ganzen Wafers für eine GaN-basierte photonische 8-Zoll (= einem Durchmesser von ungefähr 200 mm)-Kristall-LED (Nanomusterung eines LED-Epitaxiewafers) handelt, unter Bezugnahme auf eine schematische Darstellung der Schritte eines Verfahrens zum Betrieb des erfindungsgemäßen Nanoimprint-Lithographen (6a bis 6j) näher beschrieben.
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In dem Ausführungsbeispiel sind für das Basismaterial 4, das weiche Verbundwerkzeug 8 und den Musterungsvorgang folgende konkrete Parameter vorgesehen: Bei dem Basismaterial 4 handelt es sich um einen GaN-basierten 8-Zoll-Epitaxiewafer, wobei in der p-Halbleiterschicht durch Prägen eine photonische Kristallstruktur mit einer Gitterkonstante von 600 nm, einem Lochdurchmesser von 200 nm und einer Lochtiefe von 100 nm als geometrischen Parametern des photonischen Kristalls erzeugt werden soll. Als Prägematerial wird das mr-XNIL26 der Firma Micro resist technology verwendet, das mit einer Dicke von 300 nm auf den GaN-basierten Epitaxiewafer aufgeschleudert wird.
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In einer weiteren typischen Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung wird ein Verfahren zum Betrieb eines Verbund-Nanoimprint-Lithographen bereitgestellt, dessen Schritte in 7a bis 7j schematisch dargestellt sind und das einen Vorbehandlungsvorgang, einen Auflegungsvorgang des weichen Verbundwerkzeuges, einen Prägevorgang, einen Aushärtevorgang und einen Werkzeugentfernungsvorgang umfasst. Dabei ist die Vakuum-Spannvorrichtung 3 an dem Arbeitstisch 2 befestigt und bewegt sich zusammen mit dem Arbeitstisch 2 mit, wobei die Gaseinlassbohrung 903 mit einer Vakuumleitung und einer Druckleitung verbunden ist.
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Das Betriebsverfahren umfasst konkret folgende Schritte:
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Schritt (1): Vorbehandlungsvorgang;
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Das Basismaterial 4 wird gleichmäßig mit einem flüssigen UV-härtenden Prägematerial 5 beschichtet und auf die Vakuum-Spannvorrichtung 3 aufgesetzt, um das mit dem Prägematerial 5 beschichtete Basismaterial 4 durch Vakuum-Adsorption an der Vakuum-Spannvorrichtung 3 zu befestigen; Es wird die Walzen-Außenfläche 906 mit dem weichen Verbundwerkzeug 8 umhüllt und ein Unterdruck in die Gaseinlassbohrung 903 an der Endfläche der Walze 9 eingeleitet, um das weiche Verbundwerkzeug 8 durch Adsorption an der Walzen-Außenfläche 906 zu befestigen;
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Der Arbeitstisch 2 verschiebt sich in horizontaler Richtung, um die Vakuum-Spannvorrichtung 3 von einer Ausgangsposition in eine Prägeposition zu bewegen, während die Walze 9 und das weiche Verbundwerkzeug 8 durch den Elektrozylinder von einer Ausgangsposition in eine Prägeposition bewegt werden, wie dies in 7a dargestellt ist.
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Schritt (2): Auflegungsvorgang des weichen Verbundwerkzeuges;
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Der Elektromotor zum Drehantrieb der Walze 11 wird eingeschaltet, um die Walze 9 in eine Drehbewegung gegen den Uhrzeigersinn zu versetzen, wobei die Gaseinlassbohrung 90301 an der untersten Stelle der Walze 9 von Unterdruck auf Überdruck geschaltet wird und gleichzeitig dazu der Arbeitstisch 2 eine horizontale Verschiebung in eine der Drehrichtung der Walze 9 entsprechende Richtung durchführt (dabei besteht eine strenge Synchronisierung der Verschiebungsgeschwindigkeit des Arbeitstisches 2 mit der Lineargeschwindigkeit der Walze 9). Während der Drehung der Walze 9 und der horizontalen Verschiebung des Arbeitstisches 2 wird ausgehend von der Gaseinlassbohrung 90301 an der untersten Stelle der Walze die Vakuumleitung geschlossen und die Druckleitung geöffnet und eine sequentielle Umschaltung der übrigen Gaseinlassbohrungen 90302-90308 der Walze von Unterdruck auf Überdruck durchgeführt (bei Kontakt mit der Atmosphäre ändert sich der Druck der Adsorptionsnut von Überdruck zu Normaldruck), was eine allmähliche Trennung des durch Adsorption an der Walzen-Außenfläche 906 anhaftenden weichen Verbundwerkzeuges 8 von der Walzen-Außenfläche 906 bewirkt. Gleichzeitig dazu wird das ganze weiche Verbundwerkzeug 8 unter Einwirkung einer durch die Walze 9 bei einer linienförmigen Berührung gleichmäßig ausgeübten Druckkraft flächig auf das Basismaterial 4 aufgelegt. Nachdem das weiche Verbundwerkzeug 8 vollständig von der Walzen-Außenfläche 906 getrennt und auf die Oberfläche des auf dem Basismaterial 4 aufgetragenen Prägematerials 5 aufgelegt worden ist, wird die Gasleitung zur Gaseinlassbohrung 903 der Walze geschlossen, siehe hierzu 7b, 7c und 7d.
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Schritt (3): Prägevorgang;
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Es wird die Walze 9 weiter nach unten um 30 µm bewegt und der Elektromotor zum Drehantrieb der Walze 11 eingeschaltet, wobei während der Drehung der Walze 9 und der horizontalen Verschiebung des Arbeitstisches 2 einerseits durch die von der Walze 9 bei einer linienförmigen Berührung gleichmäßig ausgeübte Druckkraft (d.h. eine Prägekraft von 20 N) ein vollständiger konformer Kontakt zwischen dem weichen Verbundwerkzeug 8 und dem Basismaterial 4 gewährleistet und andererseits durch die von der Walze 9 bei der linienförmigen Berührung ausgeübte gleichmäßige Prägekraft das flüssige Prägematerial 5 in die Kavitäten der Mikro- und Nano-Merkmalsstruktur des weichen Verbundwerkzeuges 8 eingepresst wird. Durch eine sequentielle schritteweise Druckbeaufschlagung mittels linienförmiger Berührung wird eine großflächige Prägung des ganzen Substrats vervollständigt, wie dies in 7e erkennbar ist.
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Schritt (4): Aushärtevorgang;
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Schritt (4-1): Die Walze 9 wird durch den Elektrozylinder 18 nach oben um 100 µm bewegt und dadurch von dem weichen Verbundwerkzeug 8 getrennt. Die UV-Belichtungslampe 121 wird eingeschaltet und der Arbeitstisch 2 verschiebt sich in horizontaler Richtung, um mit Hilfe der UV-Belichtungslampe 121 eine UV-Belichtung des Prägematerials 5 durch das transparente weiche Verbundwerkzeug 8 hindurch durchzuführen, wobei mit der Verschiebung des Arbeitstisches 2 eine sequentielle Belichtung des ganzen weichen Verbundwerkzeuges 8 und eine Aushärtung des Prägematerials 5 vervollständigt werden, siehe dazu 7f;
Schritt (4-2): Der Arbeitstisch 2 verschiebt sich zweimal hin und her, um eine ausreichende Aushärtung zu erreichen;
Schritt (4-3): Nach dem Abschluss der Belichtung und der Aushärtung wird die UV-Belichtungslampe 121 ausgeschaltet.
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Schritt (5): Werkzeugentfernungsvorgang;
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Schritt (5-1): Die Walze 9 wird durch den Elektrozylinder 18 nach oben bewegt, bis die Walze 9 einen Abstand zu dem flächig ausgebreiteten weichen Verbundwerkzeug 8 von 500 µm hat;
Schritt (5-2): Es wird der Elektromotor zum Drehantrieb der Walze 11 eingeschaltet, um die Walze 9 in eine Drehbewegung im Uhrzeigersinn zu versetzen, und gleichzeitig ein Unterdruck in die in der Nähe der untersten Stelle der Walze 9 liegende Gaseinlassbohrung 90301 eingeleitet, so dass das weiche Verbundwerkzeug 8 einerseits allmählich von der Prägestruktur getrennt und andererseits durch Adsorption an die Walzen-Außenfläche 906 angebunden wird, wobei durch eine gleichzeitige Rückwärtsverschiebung des Arbeitstisches 2 eine kontinuierliche Werkzeugentfernung ausgelöst wird;
Schritt (5-3): Während der Drehung der Walze 9 und der horizontalen Verschiebung des Arbeitstisches 2 wird ausgehend von der Gaseinlassbohrung 90301 an der untersten Stelle der Walze 9 die Vakuumleitung geöffnet und die übrigen Gaseinlassbohrungen 90302-90308 der Walze werden der Reihe nach mit einem Unterdruck versorgt, was eine allmähliche adsorptive Anbindung des weichen Verbundwerkzeuges 8 an die Walzen-Außenfläche 906 bewirkt, d.h. das Werkzeug löst sich kontinuierlich ab und wird dadurch entfernt;
Schritt (5-4): Wenn das ganze weiche Verbundwerkzeug 8 von dem Prägematerial 5 getrennt und durch Adsorption vollständig an die Walzen-Außenfläche 906 angebunden worden ist, wird der eigentliche Werkzeugentfernungsschritt abgeschlossen, siehe hierzu 7g, 7h und 7i.
Schritt (5-5): Im Anschluss daran werden die Walze 9 und das weiche Verbundwerkzeug 8 durch den Elektrozylinder 18 schnell nach oben zurück in die Ausgangsposition bewegt, während der Arbeitstisch 2 von der Prägeposition in seine Ausgangsposition zurückkehrt, in der das geprägte Basismaterial 4 entnommen und der Arbeitstisch mit einem neuen Basismaterial beladen wird, um mit dem nächsten Arbeitszyklus beginnen zu können, siehe hierzu 7j.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird von dem Elektrozylinder 18 eine Prägekraft von 30 N auf die Walze 9 ausgeübt und die UV-Belichtungslampe 121 weist eine Leistung von 600 W auf.
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Zwischen der horizontalen Verschiebungsgeschwindigkeit des Arbeitstisches, der Lineargeschwindigkeit der Walze und der Zeit der sequentiellen Umschaltung der einzelnen Gaseinlassbohrungen der Walze zwischen Über- und Unterdruck muss eine strenge Synchronisierung bestehen, wobei die Verschiebungsgeschwindigkeit des Arbeitstisches 30 mm/s und die Rotationslineargeschwindigkeit der Walze 30 mm/s beträgt.
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Das oben Beschriebene stellt keine Einschränkung der vorliegenden Anmeldung dar, sondern dient lediglich der Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung. Den Fachleuten auf diesem Gebiet wird klar sein, dass im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verschiedene Abänderungen und Variationen möglich sind. Jede Änderung, gleichwertige Substitution oder Verbesserung, welche nicht von den Grundideen der vorliegenden Anmeldung abweicht, ist daher vom Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung umfasst.
