DE202006008399U1 - Embossing stamp has a transparent core directing laser beam to oxidizing substrate surface - Google Patents

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Abstract

An embossing stamp (10) forms an indentation in the surface (12 of a substrate (18) with a structured surface (14, 16). The surface is embossed and oxidized by a laser beam (26) that is refracted through a transparent medium (20, 22, 24). The embossing layer (12) is silicon oxide, aluminum oxide, scandium oxide, hafnium oxide, yttrium oxide, tantalum oxide or titanium oxide.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Prägestempel zum Prägen von Strukturen in ein Substrat, mit einer Prägeschicht aus einem Oxidmaterial, die eine strukturierte Oberfläche als Prägefläche zur Wechselwirkung mit dem Substrat aufweist.The The invention relates to a die for embossing Structures in a substrate, with an embossing layer of an oxide material, the one structured surface as an embossing surface for interaction having the substrate.

Aus Frey, L. & Fischer, B.: "abayfor-Zukunft im Brennpunkt 2005", S.75–78 ist es bekannt, zur Herstellung von Mikrochips als Nanoimprint bezeichnete Prägetechniken einzusetzen. Dabei wird ein gattungsgemäßer Prägestempel eingesetzt, um eine gewünschte Struktur in ein auf die Oberfläche eines zu bearbeitenden Wafer-Materials aufgetragenen Polymer einzuprägen. Nachfolgend wird mit bekannten Ätztechniken die in dem Polymer eingeprägte Struktur in die Oberfläche des Wafers übertragen.Out Frey, L. & Fischer, B .: "abayfor future in the Focus 2005 ", S.75-78 It is known for the production of microchips called nanoimprint embossing techniques use. In this case, a generic die is used to a desired structure in a on the surface to impress a polymer applied to a wafer material to be processed. following is using well-known etching techniques the structure imprinted in the polymer in the surface of the wafer.

Der bekannte Prägestempel ist in der Regel ein Vollkörper aus Quarz, d.h. Siliziumdioxid (SiO2). Die Oberfläche der Prägeschicht ist als eine nasschemisch oder trocken geätzte Struktur ausgebildet, die dem Negativ eines in das Polymermaterial einzuprägenden Musters entspricht.The known embossing stamp is usually a solid body made of quartz, ie silicon dioxide (SiO 2 ). The surface of the embossing layer is formed as a wet-chemically or dry-etched structure corresponding to the negative of a pattern to be embossed in the polymer material.

Nachteilig bei diesem bekannten Prägestempel sind einerseits seine enormen Herstellungskosten, die durch aufwendige lithographische Herstellung entstehen. Zum anderen ergeben sich häufig Probleme bei der Einstellung korrekter Wandwinkel der erzeugten Struktur durch Über- oder Unterätzen. Eine unmittelbare optische Strukturierung von Prägestempeln mit Quarz-Prägeschicht ist jedoch mit den Mitteln des Standes der Technik aufgrund der optischen Transparenz des Quarzmaterials nur sehr schwer und unter großem Aufwand möglich bei Verwendung sehr kurzer Wellenlängen (z.B. 157 nm), bei denen Quarz absorbiert. Die Kosten der hierfür erforderlichen Systeme sind sehr hoch.adversely in this known die on the one hand are its enormous production costs, which are complicated by lithographic production arise. On the other hand arise often problems when setting correct wall angle of the generated structure through over- or undercuts. A direct optical structuring of embossing stamps with quartz embossing layer However, with the means of the prior art due to the optical transparency of the quartz material very heavy and under great Effort possible using very short wavelengths (e.g., 157 nm) in which Quartz absorbs. The costs of the systems required for this are very high.

Eine direkte Laserstrukturierung oder Laserablation ist für Prägeschichten aus Stahl bekannt. Dieses Material absorbiert elektromagnetische Strahlung im optischen und UV-Bereich, so dass eine Strukturierung durch Laserablation möglich ist. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Stahls muss jedoch bei der Strukturierung durch Laserablation mit großer Wärmediffusion gerechnet werden. Dies führt zu einer starken Limitierung der erzeugbaren Strukturfeinheit. Abhilfe kann mit sehr teuren und technisch aufwendigen Ultrakurzpulslasern im tiefen UV-Bereich geschaffen werden. Dies führt jedoch zu erheblichen Herstellungskosten.A direct laser structuring or laser ablation is for pre-history made of steel. This material absorbs electromagnetic radiation in the optical and UV range, allowing structuring by laser ablation possible is. Due to the high thermal conductivity However, the steel must be structuring by laser ablation with big ones thermal diffusion be counted. this leads to a strong limitation of the producible structural fineness. remedy can with very expensive and technically complex ultrashort pulse lasers be created in the deep UV range. However, this leads to considerable production costs.

Neben der oben erwähnten Verwendung von Prägestempeln zum Prägen eines auf das Sustrat aufgetragenen Polymers ist es bekannt, das Substrat direkt zu prägen. Hierzu bedarf es sehr harter und widerstandsfähiger Prägeschichten. Wird ein Prägestempel aus Stahl beispielsweise durch Auftragung einer Härtungsschicht (z.B. Chrom) gehärtet, führt dies zu einem Verschmieren der zuvor optisch eingebrachten Strukturen und somit zu einer Begrenzung der Feinheit des Prägestempels.Next the above mentioned Use of stamps for embossing of a polymer applied to the substrate, it is known that Imprint substrate directly. This requires very hard and resilient pre-stories. Will be an embossing stamp made of steel, for example by applying a hardening layer (e.g., chromium) cured, does this to smearing the previously optically introduced structures and thus to a limitation of the fineness of the embossing stamp.

Aus der DE 10 2004 015 142 B3 ist ein Verfahren zum Herstellung optischer Bauteile bekannt, bei dem eine optische Funktion des Bauteils erzeugt wird, indem ein nicht durchoxidiertes Oxidmaterial, welches eine bestimmte Bearbeitungswellenlänge absorbiert, durch Laserablation unter Verwendung von Laserlicht der Bearbeitungswellenlänge strukturiert wird. Nachfolgend wird dann eine Materialumwandlung durch volle Durchoxidation des Materials vorgenommen, wobei bei dem bekannten Verfahren das durchoxidierte Material transparent ist.From the DE 10 2004 015 142 B3 For example, there is known a method of manufacturing optical components in which an optical function of the device is produced by patterning a non-fully oxidized oxide material which absorbs a particular processing wavelength by laser ablation using laser light of the processing wavelength. Subsequently, a material conversion is carried out by full oxidation of the material, wherein in the known method, the durchoxidierte material is transparent.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen harten Prägestempel zur Verfügung zu stellen, der günstiger herstellbar ist als bekannte Prägestempel.It It is the object of the present invention to provide a hard die to disposal to ask, the cheaper can be produced as known dies.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Prägeschicht eine in einem eine Bearbeitungswellenlänge absorbierenden Voroxidationszustand mittels Laserablation strukturierte und durchoxidierte Materialschicht ist.These Task is combined with the features of the preamble of Claim 1 solved by that the pre-history a pre-oxidation state absorbing in a processing wavelength structured by laser ablation and by oxidized material layer is.

Vorzugsweise enthält das Oxidmaterial der Prägeschicht in seinem Voroxidationszustand eine nicht stöchiometrische SiOx-Verbindung mit im Mittel 1 < x < 2, welches sich bei der Durchoxidation, z.B. Beispiel durch Erhitzung in Sauerstoffatmosphäre, in SiO2 umwandelt. Selbstverständlich sind auch andere Oxidmaterialien als Prägeschicht einsetzbar, insbesondere Aluminiumoxid, Scandiumoxid, Hafniumoxid, Yttriumoxid, Tantaloxid oder Titanoxid. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die durchoxidierten Prägeschichten optisch transparent sind. Vielmehr kommt es für den erfindungsgemäßen Prägestempel darauf an, dass die durchoxidierten Prägeschichten mechanisch stabil und vorzugsweise chemisch inert sind.Preferably, the oxide material of the embossing layer contains in its pre-oxidation state a non-stoichiometric SiO x compound with an average of 1 <x <2, which converts to SiO 2 during through oxidation, for example by heating in an oxygen atmosphere. Of course, other oxide materials can also be used as the embossing layer, in particular aluminum oxide, scandium oxide, hafnium oxide, yttrium oxide, tantalum oxide or titanium oxide. It is not necessary that the through-oxidized Prägeschichten are optically transparent. Rather, it is important for the embossing die according to the invention that the through-oxidized embossing layers are mechanically stable and preferably chemically inert.

Es ist nicht erforderlich, dass die Prägeschicht in ihrem Voroxidationszustand eine materialeinheitliche Schicht ist. Vielmehr kann bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung die Prägeschicht aus einer Mehrzahl von Teilschichten aufgebaut sein, die jeweils eine in einem eine Bearbeitungswellenlänge absorbierenden Voroxidationszustand mittels Laserablation strukturierte und durchoxidierte Materialschicht darstellen. Eine derartige Prägeschicht kann in einem mehrstufigen Herstellungsverfahren erzeugt werden, wobei jeweils in einem Depositionsschritt eine Oxidschicht im Voroxidationszustand aufgetragen und durch Laserablation behandelt und anschließend durch Materialumwandlung durchoxidiert wird. Die Durchoxidation kann dabei jeweils im Anschluss an den Laserablationsschritt erfolgen oder anschließend an mehrere oder alle Zyklen aus Depositions- und Ablationsschritt. Das Ergebnis ist ein abgestuftes Profil in der Prägestruktur der Prägeschicht.It is not necessary that the embossing layer in its pre-oxidation state is a uniform material layer. Rather, in a particular embodiment of the invention, the embossing layer can be constructed from a plurality of sub-layers, each of which represents a pre-oxidation state, which is structured by laser ablation and oxidized by oxidation in a treatment wavelength. Such a stamping layer can be produced in a multistage production process, wherein in each case a deposition step deposits an oxide layer in the preoxidation state and processes it by laser ablation and then oxidizes it by material conversion. The oxidation can there at each subsequent to the laser ablation step or subsequently to several or all cycles of deposition and ablation step. The result is a graded profile in the embossed structure of the embossed layer.

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prägestempels ist die Prägeschicht aus einer Mehrzahl von Teilschichten aufgebaut, die jeweils ein Schichtenpaar bilden, von dem jeweils ein Partner eine in einem eine Bearbeitungswellenlänge absorbierenden Voroxidationszustand mittels Laserablation strukturierte und durchoxidierte Materialschicht darstellt. Ein solcher Prägestempel kann hergestellt werden, indem jeweils Paare von durchoxidierten, transparenten und nicht durchoxidierten, absorbierenden Schichten aufgetragen werden. Bei der Laserablation eingebrachte Laserleistung heizt die absorbierende Schicht soweit auf, dass sie zusammen mit dem entsprechenden Ausschnitt der darüberliegenden transparenten Schicht ablatiert wird. Dies führt zu einem Prägestempel mit besonders tiefen Strukturen.at another embodiment the embossing stamp according to the invention is the pre-history composed of a plurality of sub-layers, each one Layer pair form, each of which has a partner in one a machining wavelength textured preoxidation state by laser ablation and by oxidized material layer represents. Such an embossing stamp can be prepared by each pair of through-oxidized, transparent and not by-oxidized absorbent layers become. Laser power introduced during laser ablation heats the laser absorbing layer so far that they together with the corresponding Detail of the above transparent layer is ablated. This leads to an embossing stamp with particularly deep structures.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Prägeschicht transparent und wird von einem ebenfalls transparenten Träger getragen. Dies ermöglicht die Einleitung von Licht zur Durchleuchtung der Prägefläche. Diese Variante ist insbesondere vorteilhaft, wenn mit dem erfindungsgemäßen Prägestempel ein lichtaushärtendes Polymermaterial geprägt wird. Die Aushärtung kann dann durch Leitung von Licht geeigneter Wellenlänge durch den Träger und die Prägefläche während des Prägevorgangs erfolgen. Alternativ kann durch Durchleitung von Heizlicht durch Träger und Prägefläche das zu prägende Substrat lokal erhitzt werden, um den Prägevorgang zu erleichtern, ohne benachbarte Strukturen mit zu erhitzen und damit ggf. zu schädigen. Die Form des Trägers ist dabei an die konkrete Anwendung anzupassen. So ist es z.B. möglich den Träger in Form eines Stempelschaftes auszubilden. Alternativ kann der Träger auch z.B. als eine planparallele Platte ausgebildet sein.at An advantageous development of the invention is the embossing layer transparent and is supported by a likewise transparent carrier. this makes possible the introduction of light to the illumination of the embossing surface. These Variant is particularly advantageous when using the embossing die according to the invention a light-curing Embossed polymer material becomes. The curing can then by passing light of suitable wavelength through the carrier and the embossing surface during the embossing process respectively. Alternatively, by passing heating light through carrier and embossing the to be shaped Substrate are heated locally to facilitate the embossing process, without To heat adjacent structures with and thus possibly damaging. Form of the carrier is to be adapted to the specific application. So it is e.g. possible the Carrier in Form a stamp shaft. Alternatively, the carrier can also e.g. be formed as a plane-parallel plate.

Zur Vereinfachung der Lichtleitung durch den Stempelschaft und die Prägefläche kann bei einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass an den Stempelschaft Lichtleitmittel zur Einleitung von Licht zur Durchleuchtung der Prägefläche angeschlossen oder anschließbar sind.to Simplification of the light pipe through the punch shaft and the stamping surface can be provided in a further development of the invention that the Stamp shaft Light guide for the introduction of light for fluoroscopy connected to the embossing surface or connectable are.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und der Zeichnung. Es zeigt:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following, special description and the drawing. It shows:

1: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Prägestempels. 1 : An embodiment of an embossing stamp according to the invention.

1 zeigt eine besondere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Prägestempels 10. Der Stempel 10 umfasst einen Stempelschaft 20, und eine Prägeschicht 12. Die Prägeschicht 12 weist eine Oberfläche 14 zur Wechselwirkung mit einem Substrat 18 auf. Die Oberfläche 14 ist mit einer Prägestruktur 16 versehen. Während des Prägevorgangs prägt sich die Prägestruktur 16 in das Substrat 18 ein und hinterlässt dort ein geprägtes Muster. Die erfindungsgemäßen Merkmale des Prägestempels 10, die in der Natur der Prägeschicht 12 liegen, lassen sich in 1 nicht veranschaulichen. 1 shows a particular embodiment of a stamping die according to the invention 10 , The Stamp 10 includes a stamp shaft 20 , and a pre-history 12 , The pre-history 12 has a surface 14 for interaction with a substrate 18 on. The surface 14 is with an embossed structure 16 Mistake. During the embossing process, the embossed structure is characterized 16 in the substrate 18 and leaves an embossed pattern there. The features of the embossing stamp according to the invention 10 in the nature of the pre-history 12 lie, let in 1 not illustrate.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Prägeschicht 12 und der Stempelschaft 20 transparent ausgeführt. Im Fall des Stempelschaftes 20 bedeutet dies nicht notwendig, dass der gesamte Stempelschaft transparent sein muss. Vielmehr genügt es, wenn, wie in 1 veranschaulicht, ein Teil des Stempelschaftes 20, der bei der dargestellten Ausführungsform aus einer Zuleitung 22 und einem Taper-Kegel 24 zur Überleitung in die Prägeschicht 12 besteht, transparent ist. Wie durch den gestrichelten Pfeil 26 angedeutet, kann durch diesen transparenten Teil des Stempelschaftes 20 Licht in die Prägeschicht 12 und durch ihre Oberfläche 14 bzw. die Prägestruktur 16 hindurch in das Substrat 8 geleitet werden. Im Fall eines lichtaushärtenden Polymers als Substrat 18 kann auf diese Weise Aushärtungslicht, insbesondere im UV-Bereich zur Aushärtung des Substrates 18 eingeleitet werden. In anderen Fällen, z.B. beim Heißprägen, kann Heizlicht auf dieselbe Weise zur Aufheizung des Substrates 18 und zur Erleichterung des Prägevorgangs eingeleitet werden. Das Heizlicht erwärmt das Substrat lokal, wodurch bei vielen Materialien die Duktilität erhöht wird. Dies ist häufig ausreichend, um die Prägestruktur in die Substratoberfläche verschleißarm und ohne Einbringung von Spannungen in das Substrat einzuprägen. Die Aufheizung des Substrates kann jedoch auch bis über den Schmelzpunkt gesteigert und das Material lokal aufgeschmolzen werden. Nach Abschalten des Heizlichtes erstarrt das Material wieder und der Stempel kann entfernt werden.In the illustrated embodiment, the embossing layer is 12 and the stamp shaft 20 transparent. In the case of the stamp shaft 20 this does not necessarily mean that the entire punch shaft must be transparent. Rather, it is enough if, as in 1 illustrates a part of the stamp shaft 20 in the illustrated embodiment of a supply line 22 and a taper cone 24 for the transition into the pre-history 12 exists, is transparent. As by the dashed arrow 26 indicated by this transparent part of the stamp shaft 20 Light in the Prägeschicht 12 and through their surface 14 or the embossed structure 16 through into the substrate 8th be directed. In the case of a photo-curing polymer as a substrate 18 can curing light in this way, especially in the UV range for curing of the substrate 18 be initiated. In other cases, for example when hot stamping, heating light can in the same way for heating the substrate 18 and be initiated to facilitate the embossing process. The heating light heats the substrate locally, which increases the ductility of many materials. This is often sufficient to wear the embossed structure into the substrate surface with little wear and without introducing any stresses into the substrate. However, the heating of the substrate can also be increased to above the melting point and the material can be locally melted. After switching off the heating light, the material solidifies again and the stamp can be removed.

Natürlich stellt die in der Zeichnung gezeigte und in der speziellen Beschreibung erläuterte Ausführungsform nur ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Insbesondere liegt die Erfindung wesentlich in der Natur der Prägeschicht 12; die Ausbildung eines transparenten Schaftes 20 ist nicht zwingend erforderlich.Of course, the embodiment shown in the drawings and explained in the specific description represents only a particular embodiment of the present invention. In particular, the invention is substantially in the nature of the embossing layer 12 ; the formation of a transparent shaft 20 is not mandatory.

Claims (6)

Prägestempel (10) zum Prägen von Strukturen in ein Substrat (18), mit einer Prägeschicht (12) aus einem Oxidmaterial, die eine strukturierte Oberfläche (14, 16) als Prägefläche zur Wechselwirkung mit dem Substrat (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägeschicht (12) eine in einem eine Bearbeitungswellenlänge absorbierenden Voroxidationszustand mittels Laserablation strukturierte und durchoxidierte Materialschicht ist.Embossing stamp ( 10 ) for embossing structures into a substrate ( 18 ), with a preprinted history ( 12 ) of an oxide material having a structured surface ( 14 . 16 ) as an embossing surface for interaction with the substrate ( 18 ), characterized in that the embossing layer ( 12 ) one in one a Bear Beißungswellenlänge absorbing pre-oxidation state by laser ablation and structured by oxidized material layer. Prägestempel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägeschicht (12) aus einer Mehrzahl von Teilschichten aufgebaut ist, die jeweils eine in einem eine Bearbeitungswellenlänge absorbierenden Voroxidationszustand mittels Laserablation strukturierte und durchoxidierte Materialschicht darstellen.Embossing punch according to claim 1, characterized in that the embossing layer ( 12 ) is made up of a plurality of partial layers, each of which represents a layer of material which has been laser-ablated and has been oxidized by oxidation in a pretreatment wavelength absorbing pre-oxidation state. Prägestempel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Prägeschicht (12) aus einer Mehrzahl von Teilschichten aufgebaut ist, die jeweils ein Schichtenpaar bilden, von dem jeweils ein Partner eine in einem eine Bearbeitungswellenlänge absorbierenden Voroxidationszustand mittels Laserablation strukturierte und durchoxidierte Materialschicht darstellt.Embossing punch according to claim 1, characterized in that the embossing layer ( 12 ) is made up of a plurality of partial layers, each of which forms a pair of layers, of which one partner each represents a material layer structured by laser ablation and oxidized by oxidation in a pre-oxidation state absorbing a processing wavelength. Prägestempel nach einem der der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Prägeschicht (12) aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Scandiumoxid, Hafniumoxid, Yttriumoxid, Tantaloxid oder Titanoxid besteht.Embossing punch according to one of the preceding claims, characterized in that the embossing layer ( 12 ) consists of silica, alumina, scandium oxide, hafnium oxide, yttrium oxide, tantalum oxide or titanium oxide. Prägestempel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prägeschicht (12) transparent ist und von einem transparenten Träger (20, 22, 24) getragen ist.Embossing punch according to one of the preceding claims, characterized in that the embossing layer ( 12 ) is transparent and of a transparent support ( 20 . 22 . 24 ) is worn. Prägestempel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den Träger (20) Lichtleitmittel (22, 24) zur Einleitung von Licht zur Durchleuchtung der Prägefläche (14, 16) angeschlossen oder anschließbar sind.Embossing punch according to claim 5, characterized in that the carrier ( 20 ) Light-conducting agent ( 22 . 24 ) for the introduction of light for the transillumination of the embossing surface ( 14 . 16 ) are connected or connectable.
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