WO2006027217A1 - Verfahren und einrichtung zur replikation fein strukturierter optischer masken - Google Patents

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WO2006027217A1
WO2006027217A1 PCT/EP2005/009590 EP2005009590W WO2006027217A1 WO 2006027217 A1 WO2006027217 A1 WO 2006027217A1 EP 2005009590 W EP2005009590 W EP 2005009590W WO 2006027217 A1 WO2006027217 A1 WO 2006027217A1
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Armin Schwerdtner
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    • G03H1/02—Details of features involved during the holographic process; Replication of holograms without interference recording
    • G03H1/0276—Replicating a master hologram without interference recording
    • G03H2001/0284—Replicating a master hologram without interference recording by moulding

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for replicating 5 sheet-like, thin-layered and finely structured flat optics and optical masks with optics structured in this way, which are hardened from a highly viscous or viscous transparent fluid on a carrier substrate plate, wherein the fluid between a plate-shaped master plate and a movable substrate substrate plate is introduced and remains connected after curing at this substrate plate.
  • the process is carried out without rotation.
  • the mold space is not limited in the propagation direction of the fluid to be cured by side walls or the like.
  • the master plate serves as replication template and is horizontally arranged 5 rotation-free.
  • the fluid to be cured is introduced in the required amount without a controllable supply valve in the molding area between the plates.
  • optical masks comprise planar elements with different optical surface structures, such as lenticulars, lens grid plates or matrix structures. They are generally rectangular, and have a matrix-shaped, cylindrical or spherical structure. Cylindrical masks are in particular lenticular, 5 for example with a large number of adjacent parallel lenticles in the form of cylindrical lenses. A cylindrical optical mask may also be a cylindrical Fresnel lens or a prism mask or the like. Spherical optical masks are exemplified by spherical Fresnel lenses.
  • a flat optics is also characterized by a structured optical surface structure 0.
  • the carrier plate here is a self-luminous or transmissive optical element in the sense of a light modulator, such as an LCD display, an image matrix or a spatial light modulator.
  • a light modulator such as an LCD display, an image matrix or a spatial light modulator.
  • These masks are usually the size of a screen or a display monitor and are thin-layered with a thickness of the order of a few tenths of a millimeter.
  • the thickness of the patterned area of the optical mask is in the range of less than 200 microns. Structured surfaces for optical applications require not only a high dimensional accuracy but also roughness values in the range of a few nanometers.
  • One technique of filling a cavity with a fluid is described by the method of injection-filling. It consists essentially in allowing the fluid to flow through a filling opening into the mold space at ambient pressure. Alternatively, the pressure-filling, describes the fluid usually with very high pressure in the mold.
  • Simple methods are based on the principle of pumping the fluid through an inlet opening in the mold cavity until the fluid at one or more
  • Position detectors recognize that the resin has reached a sufficient level even in the peripheral areas of the mold.
  • EP 0 688 649 B1 describes the filling of a limited mold space with a flowable material through an opening.
  • an outward force transverse force
  • the force when filling the fluid, the force of gravity or a compressive force, and the transverse force are applicable independently of each other.
  • the transverse force is explained in more detail in this document as a centrifugal force and thus also describes the method of rotation method.
  • the fluid is introduced through an inlet opening into the mold space, wherein the excess amount of fluid can leave the mold space through an outlet again, the degree of filling of the mold cavity is detected and controlled by sensing elements.
  • WO 99/30886 describes, in molding processes, the use of air-permeable but liquid-impermeable seals or membranes through which the mold space is evacuated during the filling process. After the mold is filled, the cell openings of the seal are closed and the fluid is cured.
  • an economical application in the production of large quantities appears problematic here.
  • EP 0 490 580 B1 describes a process for coating glass and for producing coated glass articles.
  • the glass sheets are horizontal during the process or may also be temporarily slightly inclined.
  • resin is placed between two spaced glass sheets to be laminated one on top of the other.
  • special spacer elements are attached to the two glass panes. These spacers extend at the edge of the glass sheets and are characterized by being permeable to air but impermeable to a fluid.
  • the introduction of an appropriate amount of resin between the glass sheets is followed by an injection hose wherein the resin contacts the inner surfaces of both glasses and the introduction is controlled so that the fluid area between the disks spreads in a controlled manner.
  • the space between the glass panes is filled with the remaining amount of fluid, whereby the air displaced by the introduced resin can escape through the above-mentioned air-permeable spacers.
  • the resin is then cured and forms a layer between the glass sheets.
  • the resin is introduced into the central region of the glass sheets.
  • the resin is introduced through an injection hose between the glass plates, for which purpose an opening is provided in the peripheral air-permeable spacer element.
  • Spacers designed as a foam adhesive strips having an open-pore structure.
  • the method also includes pressing the glass plates during the filling operation of the resin to assist in filling the resin into the space between the glasses.
  • the pressing of the plates can take place in a slightly overpressure environment, during which evacuation the air can escape through the air-permeable, but fluid-impermeable spacer elements.
  • US Pat. No. 6,203,304 B1 describes a method and a device for filling a cavity between a first substrate and a second substrate with a fluid.
  • the method describes several evacuation nests, which are arranged on the outer surface of the two substrates.
  • the evacuation nests are associated with subcavities of the mold. During the filling of the mold, the evacuation nests serve to reduce the overpressure in the mold.
  • DE 36 43 765 A1 discloses a method for producing a plastic plate between two glass surfaces and an apparatus for performing this process.
  • a liquid plastic is introduced between the glass surfaces, wherein the surfaces are inclined or normal to each other.
  • surface edges are aligned parallel to each other and sealed.
  • the two glass surfaces are pressed against each other from the outside, during which a high pressure is exerted during the curing of the plastic by one or more rotating pressure rollers, which are moved along the glass surfaces.
  • DE 22 55 923 A1 discloses a method for molding optical lenses, wherein a synthetic resin between an upper and lower mold carrier plate is introduced and cured.
  • the replication device is closed with a joint seal.
  • the mold carrier plates are fastened to each other via mechanical guide elements whose length determines the spacing of the guide plates and thus the thickness of the lenses.
  • Figure description of Figure 11 shows a device consisting of a vacuum chamber with a UV source and an infrared heating element.
  • An optical element made of a sandwich composite of plastic film and thermosetting plastic is introduced between an upper and lower moldings in the vacuum chamber. By applying negative pressure, the plastic composite is pressed against the moldings, molded and finally cured.
  • JP 63307909 describes a typical rotary process for the production or molding of disks made of resin, whereby air pockets are avoided.
  • the resin is applied through a metering device, a dipenser, in the center of a rapidly rotating mold, with the resin spreading through the centrifugal force and covering the mold.
  • a metering device a dipenser
  • the resin spreading through the centrifugal force and covering the mold.
  • Rotary techniques are very robust and reliable for smaller dimension devices, however, this process may no longer be desirably used in the production of the desired rectangular optical masks for displays whose diagonal may be 20 inches or more.
  • the above-described method of mold filling that is, the "two-hole method” and the fluid-impermeable seal have the disadvantage that they tend to bend in thin-layered and large-scale impression elements due to the high forces, the walls of the mold. If, in addition, a negative pressure or a vacuum is applied to a second opening, then the danger increases that the walls of the molding space deform so that an inexactly shaped, non-dimensionally accurate end product is produced.
  • the aforementioned thin-layered and finely structured masks must be produced in the highest quality.
  • a defective optical mask for example, causes a permanently visible on the display pixel error. Any defects, such as those caused by air trapping, can rarely be repaired in the rarest of cases and thus lead to rejects.
  • the resin is usually not a significant cost factor in the manufacturing process, but the high-precision master plate as the centerpiece of the replication device is usually very expensive.
  • the resin overflowed beyond the target boundaries of the mask to be produced between the mold plates cures with the optical mask, adheres to the master plate, and thus has to be removed from the master plate by time-consuming cleaning operations.
  • This organizational downtime reduces the availability of the entire replication facility.
  • the master plate is also exposed during this cleaning work to a high degree of wear. Moreover, there is the risk of damage by the additional handling, so that the life of the expensive master plate can be significantly shortened.
  • the molded optical mask remains until sufficient curing of the fluid in the system. Nevertheless, it is desirable to shorten the cycle time of the replication process, in particular the processing time for applying the fluid and for forming the mask.
  • the simplicity of the method and the replication device should ensure a high system availability and good process reliability with uncomplicated handling.
  • the optical masks are very thin-layered and preferably have a thickness below 200 microns. From this, the correspondingly small tolerances can be derived and the high demands on the dimensional and dimensional accuracy can be seen. Such a high vertical dimensional accuracy is achieved if it is possible to avoid during replication in particular the deflections of the substrate plate.
  • both the method for replication and the device provided for this purpose are intended to ensure an economical and process-reliable production of said thin-layered and finely structured optical masks.
  • the final product must have a high dimensional and dimensional accuracy as well as a high degree of optical quality.
  • the method belongs to the group of rotation-free impressions, wherein the replication process is preferably carried out horizontally.
  • the method is used for replication of sheet-like and finely structured flat optics and optical masks, especially for autostereoscopic displays, which in this case of a viscous transparent fluid, usually a resin cured.
  • the optical masks are usually rectangular and have a cylindrical or spherical structure. Cylindrical masks are in particular lenticular, for example with a large number of adjacent parallel lenticles in the form of cylindrical lenses. A cylindrical optical mask may also be a cylindrical Fresnel or prismatic mask or the like. Spherical optical masks are exemplified by spherical Fresnel lenses.
  • These masks are usually the size of a screen or a display monitor and are thin-layered with a thickness of the order of a few tenths of a millimeter.
  • the thickness of the optical mask is in the range below 200 micrometers.
  • the replication device comprises a mold space containing a horizontally arranged plate-shaped master plate.
  • the master disk has a structured replication area in the center as a replication template as well a plane-parallel enclosing edge area.
  • the replication region is releasably connected to the master plate, preferably by vacuum.
  • a sealing ring encloses this plate.
  • On this sealing ring is a movable carrier substrate plate and closes the mold cavity airtight.
  • the replication means includes means for detecting the distance of the plates.
  • the invention is based on the idea that the distance between the plates is controllably controlled by a negative pressure in the mold space.
  • the distance of the plates is also controllable by variable spacers between the plates.
  • the method according to the invention consists of the main steps of initial dispensing and molding. In the following, these steps will be explained further.
  • a first major step (a) of the procedure is Initial Dispensing. This step includes:
  • (a1 :) Initial Point application of one or more smaller areas as initial points of the fluid to be cured.
  • a single initial point is preferably in the region of the center of the carrier substrate plate;
  • Tracking applying several tracks of fluid to the master plate.
  • the tracks preferably run from the center of the replication area to the edge area of the master disk or extend between the counterpoints.
  • the lanes are preferably continuous and radiant and / or arcuate;
  • Counterpoints wherein a counterpoint on the master plate is in each case congruent to an initial point of the carrier substrate plate.
  • the steps of the initial dispensing (a) are preferably carried out automatically, exemplarily with a dispenser and with handling technology, and can thus also take place temporally parallel or overlapping.
  • the second main step (b), the molding comprises:
  • Controlled Molding Applying a negative pressure in the mold space, wherein the Queen Substratpiatte approaches controlled to the master plate and the fluid from the initial Fluiding range from the initial and Kontrailia along the tracks continuously and completely through the replication the master plate given space between the plates fills, the negative pressure in the mold space and optionally variable spacers between the plates are used as controllable process parameters.
  • the steps of molding (b) are preferably carried out automatically with corresponding sensors and a program control of the process parameters.
  • the method according to the invention is based on the idea of transforming the transformation of the initial shape of the fluid, that is to say the initial fluid region, by means of the tracks into a rectangular end shape of the mask.
  • a first process condition is that no air bubbles may occur in the optical mask.
  • a second requirement is to achieve the horizontal end shape of the mask in an optimal manner, that is, without undersize and with as little oversize as possible.
  • a track here is preferably a coherent beam or arcuate track of the fluid.
  • the tracks can also be longitudinal surface areas molding. These longitudinal surface areas are also selected so that the fluid does not induce air pockets during the flow process.
  • tracks extend from the initial fluid region to the edge region of the master plate.
  • the course of a plurality of tracks is preferably selected so that they run in the direction of propagation of the fluid during the flow process, thus forming almost a trajectory of the flow direction. Deviation from the ideal trajectory can serve to direct the flow direction of the fluid and facilitate the transition from pitch of the mold to adjacent pitch.
  • the invention is based on the idea to create and initiate through the tracks as it were a bridge to the adjacent groove, which serves as an initiating track line for the passage of the fluid into the adjacent groove.
  • the required amount of fluid is applied to the master plate and here the initial fluiding region is formed.
  • one or more maximum vertical elevations, the counterpoints are formed on the fluid region on account of the viscous fluid. These points are according to the invention congruent with the respective initial points of the carrier substrate plate.
  • the initial fluiding region is contiguous in a simple embodiment and has a round, elliptical or approximately oval shape. This basic shape can be extended by bulges or lobed areas towards the corners of the replication area.
  • the fluiding region may also be radiating, for example meandering, but here too there is at least one counterpoint. A single counterpoint is preferably in the center of the replication area of the master disk.
  • the structuring of the optical mask as end product for example a cylindrical lenticular or a spherical field lens, essentially determines the initial shape of the initial fluid region, the course of the tracks and the position of the counterpoints.
  • the molding (b :) the idea of the invention is continued.
  • the initial contact step (b1 :) the horizontally aligned carrier substrate plate is applied, with the master plate initially touching its contrapoints and the initial points of the carrier substrate plate. If necessary, it may be necessary to intensify the counterpoints of the initial fluid area just prior to the initial merging of the plates. This can be done, for example, by adding a small amount of fluid to the respective sites of the initial fluid area.
  • the controlled molding (b2 :) a negative pressure in the mold cavity is generated, whereby the carrier substrate plate is controlled to approach the master plate.
  • the fluid continuously spreads from the meanwhile connected initial fluiding region along the tracks.
  • the negative pressure in the mold space and possibly additionally the variable spacing means are used as controllable process parameters.
  • These controllable parameters induce, according to the invention, a spreading of the fluid, wherein the deflection of the carrier-substrate plate lies within the required tolerance ranges.
  • the parameters are preferably program-controlled.
  • controllable variable spacers used in addition to the negative pressure are, for example, mechanical, for example as a worm gear or like, trained.
  • Other exemplary embodiments include pneumatic, hydraulic or particularly preferably piezoelectric elements.
  • controllable spacer means are present as a variable vertical spring force of the sealing ring, wherein the sealing ring may have a plurality of separately controllable sections.
  • the negative pressure in the molding area induces an approximation of the plates and causes the fluid to spread. Furthermore, a suction effect is exerted on the fluid area by the negative pressure, so that the fluid also spreads as a result. According to the invention, it is possible to superimpose these forces so that only a slight vertical force is exerted on the carrier plate during the controlled approach of the plates.
  • the support plate bends only very slightly during the process, remains until the curing of the fluid in the desired tolerances plan and thus ensures the desired dimensional accuracy of the final product.
  • variable distance means as further controllable process variables.
  • vibrations are induced on the fluid in the mold cavity.
  • This vibrator is preferably an ultrasonic exciter as implemented by a power sonotrode. Due to the microvibrations, the propagation of the fluid is sustainably accelerated, since the passage of the fluid from one groove to the next following groove is excited. In the following will be
  • the fluid completely fills the intermediate space of the plates given by the replication area of the master plate.
  • the final shape of the mask is homogeneous, true to size and shape in the layer thickness and is free of air bubbles.
  • the horizontal actual dimension of the final shape has a slight oversize to the desired final shape, that is to say the intended replication area of the master plate.
  • FIG. 1a and 1b is an illustration of the replication device according to the invention in oblique and front view
  • FIG. 2a is a detail view of the replication device in front view
  • FIG. and FIG. 2b a detail view of the shaping space of the replication device in an oblique view
  • the forming space R of the replication device includes a master plate M, an enclosing seal ring D, and a movable substrate substrate plate TP.
  • the master plate M has a structured replication area MF as replication template and an adjoining, plane-parallel edge area MR.
  • the process step (a) of the initial dispensing is substantially completed.
  • the initial point step (a1 :) a single initial point IP of the fluid to be cured was applied to the carrier substrate plate TP. This point IP is here in the center of the carrier substrate plate TP.
  • the tracking step (a2 :) the application of several tracks TS1.TS2, .. from fluid to the master plate M 1 which here from the center of Master plate to the edge of the replication area MF of the master plate run. The tracks run together here.
  • the required quantity of fluid here in the region of the center of the master plate M, was applied and a coherent initial fluid area IF was formed, the maximum vertical elevation of which forms a counterpoint KP.
  • the counterpoint KP is congruent with the initial point IP of the carrier substrate plate TP.
  • FIG. 2a shows the replication device similar to FIG. 1 after the molding step (b :).
  • the horizontally oriented carrier substrate plate TP was applied so that the master plate M initially touches the counterpoint KP and the initial point IP of the carrier substrate plate TP, as already apparent from FIG was.
  • the variable spacers are implemented here in the illustration on the right side, implemented in a first embodiment as a sealing ring D.
  • the sealing ring D has a variable spring force in the vertical direction.
  • Controlled Molding (b2 :), a negative pressure is created in the forming space R, with the carrier substrate plate TP approaching the master plate M in controlled manner, and the fluid from the initial fluiding region IF approaching from the initial point IP and counterpoint KP along the tracks TS1.TS2 , .. continuously distributed.
  • the fluid completely fills the intermediate space of the plates given by the replication area MF of the master plate M.
  • the fluid projects beyond this replication area MF of the master plate as desired only slightly and the horizontal actual size of the optical mask LM as the end product only slightly exceeds the replication area MF.
  • a controllable heating or cooling device without imaging, ensures a uniform temperature in the replication device and in particular in the mold cavity.
  • the substrate substrate plate TP is due to the negative pressure and the variable
  • Spacer DM as a controllable process parameter during the process step dimensionally stable plan and bends only insignificantly.
  • the optical mask LM thus fulfills as desired the vertical tolerances of the dimensional accuracy.
  • a further variant of the variable spacer DM is shown schematically on the left side of the replication device.
  • the spacer means DM are designed as piezoelectric elements. These elements allow a particularly precise control of the distance of the plates.
  • the mentioned variants of the distance means DM, on the right the sealing ring D with variable spring force and on the left the variable spacing means DM are likewise advantageously used in the step of demoulding the end product.
  • the optical mask LM is released from the master plate M.
  • the sealing ring D is inflated until the carrier substrate plate TP with the optical mask of the replication region MR of the master plate M dissolves.
  • This figure also shows a bending device BX, which allows the carrier substrate plate TP in the region of the initial point IP, especially during the intial contact step (b1 :) briefly vertically effetbiegen towards the master plate M and the initial contact of the plates on To ensure initial or counterpoint supportive.
  • the master plate M is arranged horizontally and contains the shaded replication area MF, which represents the final shape of the optical mask LM, and the plane-parallel edge area MR, which encloses the replication area MF ,
  • the master plate M here forms the bottom of the mold space R.
  • a sealing ring D rests on the master plate and surrounds the
  • Edge region MR of the master plate M For simplicity, only the left and rear portions of the sealing ring D are shown in the illustration. The sealing ring D at the same time forms the side walls of the forming space R. Finally, when the movable carrier substrate plate TP is placed on the sealing ring, the forming space R is thereby limited and closed.
  • the sealing ring D For simplicity, only the left and rear portions of the sealing ring D are shown in the illustration. The sealing ring D at the same time forms the side walls of the forming space R. Finally, when the movable carrier substrate plate TP is placed on the sealing ring, the forming space R is thereby limited and closed.
  • the sealing ring D forms the side walls of the forming space R.
  • Replication area MF a movable plate and is connected to the master plate M as a base plate exemplified by vacuum. The presentation of further spacers is omitted.
  • Another conceivable variant of the replication device is given by the fact that the two carrier substrate plate and the master plate are arranged reversed, so we executed the replication horizontally mirrored. It is also conceivable to arrange the carrier substrate plate in a fixed manner, whereas the master plate, or in particular the replication region of the master plate, can be moved.
  • FIGS. 3a to 3d illustrate in schematics the shape of the initial fluid area IP of the tracks T1, T2,... On the master plate M.
  • the replication area MF of the master plate is shown in plan view in each case.
  • the dispensing step (a3 :) the required amount of fluid is applied to the master plate, and a contiguous initial fluid region IF is formed whose maximum vertical elevation forms the counterpoint KP.
  • the more complex tracks TS1.T2,.. Are shown as arrows in more detail in the lower right area of the replication area MF.
  • the optical mask to be formed is a lenticular in these examples with vertical lenticules in this illustration.
  • the initial fluid area IF is approximately oval, the tracks T1, T2, .. extend outward along the diagonal and the counterpoint KP lies in the center of the replication area MF.
  • Fig. 3b shows curved tracks T1 and T2 extending to the edge, each in the form of a brachistrochrone.
  • Fig. 3c shows branched tracks TS2 and TS3.
  • FIG. 3d shows an initial fluid area IF with lugs in the direction of the corners of the replication area MF.
  • the area here has two counterpoints KP1 and KP2 and the tracks TS1 to TS3 run as a trajectory to the propagation direction of the fluid.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Replikation von flächenförmigen, dünnschichtigen und fein strukturierten Flachoptiken und optischen Masken (LM) mit derartig strukturierten Optiken, die aus einem höher viskosen transparenten Fluid auf einer Träger-Substratplatte (TP) ausgehärtet werden, wobei das Fluid zwischen einer plattenförmigen Masterplatte (M) und einer beweglichen Träger-Substratplatte eingebracht wird und nach dem Aushärten an dieser Substratplatte verbunden verbleibt. Das Verfahren wird rotationsfrei durchgeführt und der Formraum ist in Ausbreitungsrichtung des Fluids nicht durch Seitenwände oder dergleichen begrenzt. Die Flachoptiken oder optischen Masken sind insbesondere Lentikulare, Feld- oder Fresnellinsen. Die Endform der Maske ist homogen, formgenau in der Schichtdicke und ist frei von Lufteinschlüssen. Das erfindungsgemässe Verfahren und die Einrichtung erlauben eine prozesssichere Replikation mit hoher Formgenauigkeit und mit hochgradiger optischer Qualität.

Description

VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUR REPLIKATION FEIN STRUKTURIERTER OPTISCHER MASKEN
Verfahren und Einrichtung zur Replikation fein strukturierter Flachoptiken und optischen Masken mit derartig strukturierten Optiken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Replikation von 5 flächenförmigen, dünnschichtigen und fein strukturierten Flachoptiken und optischen Masken mit derartig strukturierten Optiken, die aus einem höherviskosen oder zähflüssigen transparenten Fluid auf einer Träger-Substratplatte ausgehärtet werden, wobei das Fluid zwischen einer plattenförmigen Masterplatte und einer beweglichen Träger-Substratplatte eingebracht wird und nach dem Aushärten an dieser 0 Substratplatte verbunden verbleibt.
Das Verfahren wird rotationsfrei durchgeführt. Der Formraum ist in der Ausbreitungsrichtung des auszuhärtenden Fluids nicht durch Seitenwände oder dergleichen begrenzt. Die Masterplatte dient als Replikationsvorlage und ist 5 rotationsfrei horizontal angeordnet. Das auszuhärtende Fluid wird in der erforderlichen Menge ohne ein steuerbares Zuführventil in den Formbereich zwischen den Platten eingebracht.
Im Weiteren wird der Begriff der optischen Maske in dieser Schrift als Oberbegriff für 0 eine Maske oder eine Flachoptik verwendet. Die optischen Masken umfassen flächige Elemente mit verschiedenen optischen Oberflächenstrukturen, wie etwa Lentikulare, Linsen rasterplatten oder Matrix-Strukuren. Sie sind in der Regel rechteckig, und weisen eine matrixförmige, zylindrische oder sphärische Strukturierung auf. Zylindrische Masken sind insbesondere Lentikulare, 5 beispielsweise mit einer Vielzahl aneinander liegender paralleler Lentikel in Form von Zylinderlinsen. Eine zylindrische optische Maske kann ebenso eine zylindrische Fresnel-Linse oder eine Prismenmaske oder dergleichen sein. Sphärische optische Masken sind beispielgebend sphärische Fresnel-Linsen. Eine Flachoptik ist ebenso durch eine strukturierte optische Oberflächenstruktur 0 gekennzeichnet. Die Trägerplatte ist hier jedoch ein selbst leuchtendes oder transmissives optisches Element im Sinne eines Lichtmodulators, wie etwa ein LCD- Display, eine Bildmatrix oder ein Spatial Light Modulator. Diese Masken haben in der Regel die Größe eines Bildschirms beziehungsweise eines Displaymonitors und sind dünnschichtig mit einer Dicke in einer Größenordnung von wenigen Zehntel Millimetern. In der Regel liegt die Dicke des strukturierten Bereichs der optischen Maske im Bereich unter 200 Mikrometer. Strukturierte Oberflächen für optische Anwendungen erfordern neben einer hohen Formgenauigkeit auch Rauheitswerte im Bereich weniger Nanometer.
Für eine Anwendung insbesondere in komplexen optischen Systemen, wie zum Beispiel in autostereoskopischen Displays, werden hohe Anforderungen an die optischen Masken gestellt. Bei autostereoskopischen Displays ist es erforderlich, die rechten und linken Ansichten der Bildinformationen durch ein optisches Abbildungssystem räumlich zu trennen. Um eine Bildinformation stereoskopisch betrachten zu können, müssen die für ein Auge der Betrachter bestimmten Bildinhalte möglichst ohne Übersprechen zugeführt werden. Die entsprechenden Mittel dafür werden auch als Bildtrenneinrichtung bezeichnet und beispielsweise durch eine Beleuchtungs-Matrix und eine Fokussierungs-Matrix realisiert. Diese und weitere wesentliche Elemente von autostereoskopischen Displays sind hierbei durch Lentikulare realisiert beziehungsweise mit Lentikularen kombiniert, so dass Lentikulare sehr wichtige Bauelemente darstellen. Die Lentikulare sind in der Regel sehr fein strukturiert und weisen einen sehr kleinen Pitch auf. Oftmals ist zur Erreichung der optischen Ziele die Linsengröße, also der Pitch der Lentikel, an den Pitch einer Bildmatrix gekoppelt. Bildmatrix wird hier als Oberbegriff für selbstleuchtende oder transmissive Lichtmodulatoren verwendet.
Sind beispielsweise einem Lentikel des Lentikulars nur wenige Pixelspalten der Bildmatrix zugeordnet, so folgen hieraus aufgrund der stetig abnehmenden Pixelgröße der Bildmatrix mehrere wichtige Aufgabenstellungen. Mit der zunehmenden Verkleinerung der Pixel als Bezugsgröße ergibt sich die Gefahr, dass die Grenzen der optischen Machbarkeit, jedoch zumindest die Grenzen einer kostengünstigen und prozeßsicheren Fertigung der Lentikulare erreicht werden.
Die Herstellung eines Lentikulars mit Lentikeln in der Größe weniger Bildschirmpixel ist sehr schwierig, so dass ein Lentikular mit Lentikeln gleich einem Bildschirmpixel mit den derzeitig verfügbaren Bildschirmauflösungen in der Regel bereits an die Grenze der Technik gestoßen sein wird.
Stand der Technik
Zur Replikation plattenförmiger Elemente liegt eine Vielzahl verschiedener Verfahren vor, die teilweise seit langem bekannt sind.
Eine Technik, einen Formraum mit einem Fluid zu füllen, wird durch das Verfahren des Injection-Fillings beschrieben. Es besteht im Wesentlichen darin, bei Umgebungsdruck das Fluid durch eine Füllöffnung in den Formraum fließen zu lassen. Alternativ dazu beschreibt das Pressure-Filling, das Fluid mit meist sehr hohem Druck in die Form einzubringen.
Einfache Verfahren basieren auf dem Prinzip, das Fluid durch eine Einlassöffnung so lange in den Formraum einzupumpen, bis das Fluid an einer oder mehreren
Auslassöffnungen überfließt.
EP 0 141 531 B1 , inzwischen erloschen, legt ein derartiges Prinzip zur Befüllung des
Formraums offen. Flüssiges Harz wird über eine Einlassöffnung in einen bewandeten
Formraum so lange eingebracht, bis Sensoren feststellen, dass das Harz an einer zur Einlassöffnung entfernt liegenden Auslassöffnung angelangt ist oder
Positionsdetektoren erkennen, dass das Harz auch in den Randbereichen der Form in genügender Menge angelangt ist.
EP 0 688 649 B1 beschreibt das Befüllen eines begrenzten Formraums mit einem fließfähigen Material durch eine Öffnung. Durch die Anwendung einer nach außen gerichteten Kraft (Transversalkraft) wird das fließfähige Material von der Einfüllöffnung weg geführt. Die Kraft beim Einfüllen des Fluids, die Schwerkraft oder eine Druckkraft, und die Transversalkraft sind dabei unabhängig von einander anwendbar. Die Transversalkraft wird in dieser Schrift als Zentrifugalkraft näher erläutert und beschreibt somit auch die Methode der Rotationsverfahren. In einem weiteren in der Schrift erläuterten Aspekt wird das Fluid durch eine Einlassöffnung in den Formraum eingebracht, wobei die überschüssige Fluidmenge den Formraum durch eine Auslassöffnung wieder verlassen kann, wobei der Füllungsgrad des Formraums durch Fühlungselemente erkannt und gesteuert wird.
WO 99 /30 886 beschreibt bei Formverfahren die Verwendung von luftdurchlässigen, jedoch flüssigkeits-impermeablen Versiegelungen beziehungsweise Membranen, durch welche der Formraum während des Füllvorgangs evakuiert wird. Nachdem die Form gefüllt ist, werden die Zellöffnungen der Versiegelung geschlossen und das Fluid wird ausgehärtet. Eine wirtschaftliche Anwendung bei der Produktion hoher Stückzahlen erscheint hier jedoch problematisch.
EP 0 490 580 B1 , inzwischen erloschen, beschreibt ein Verfahren zur Beschichtung von Glas und zur Herstellung beschichteter Glasartikel. Die Glasscheiben liegen während des Verfahrens horizontal beziehungsweise können auch temporär leicht geneigt sein. In diesem Verfahren wird Harz zwischen zwei beabstandete Glasscheiben eingebracht, die aufeinander laminiert werden sollen. In einem ersten Schritt werden auf die beiden Glasscheiben spezielle Abstandselemente angebracht. Diese Abstandselement verlaufen am Rand der Glasscheiben und sind dadurch gekennzeichnet, dass sie luftdurchlässig, jedoch für ein Fluid impermeabel sind. Nach dem Positionieren der Scheiben folgt das Einbringen einer entsprechenden Menge von Harz zwischen den Glasscheiben über einen Injektionsschlauch, wobei das Harz die Innenflächen beider Gläser berührt und das Einbringen so kontrolliert wird, dass sich der Fluidbereich zwischen den Scheiben in kontrollierter Weise ausbreitet. Anschließen erfolgt das Auffüllen des Raumes zwischen den Glasscheiben mit der Restmenge von Fluid, wobei die durch den eingebrachten Harz verdrängte Luft durch die oben genannten luftpermeablen Abstandselemente entweichen kann. Das Harz wird anschließend ausgehärtet und formt eine Schicht zwischen den Glasscheiben aus. Vorzugsweise wird das Harz in den zentralen Bereich der Glasscheiben eingebracht. Das Harz wird durch einen Injektionsschlauch zwischen die Glasplatten eingebracht, wobei hierfür eine Öffnung im umrandenden luftpermeablen Abstandselement vorgesehen ist. Im speziellen sind die
Abstandselemente (spacer-means) als Schaumklebestreifen ausgeführt, die eine offenporige Struktur aufweisen. Das Verfahren umfasst ebenso, dass die Glasplatten während des Einfüllvorgangs des Harzes gepresst werden, um das Einfüllen des Harzes in den Zwischenraum zwischen den Gläsern zu unterstützen. Das Pressen der Platten kann in einer Umgebung leichten Überdrucks erfolgen, wobei bei der Evakuierung die Luft durch die luftpermeablen, jedoch fluid-impermeablen Abstandselemente entweichen kann.
US 6 203 304 B1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Befüllung eines Hohlraums zwischen einem ersten Substrat und einem zweiten Substrat mit einem Fluid. Das Verfahren beschreibt mehrere Evakuierungsnester, welche an der Außenfläche der beiden Substrate angeordnet sind. Die Evakuierungsnester sind mit Subhohlräumen der Form verbunden. Während des Auffüllens der Form dienen die Evakuierungsnester dazu, den Überdruck in der Form zu vermindern.
DE 36 43 765 A1 legt ein Verfahren zur Herstellung einer Kunststoffplatte zwischen zwei Glasflächen und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Prozesses offen. Ein flüssiger Kunststoff wird zwischen den Glasflächen eingebracht, wobei die Flächen schräg geneigt oder normal zueinander angeordnet sind. Anschließend werden Flächenkanten parallel zueinander ausgerichtet und versiegelt. In einem nachfolgenden Schritt werden die beiden Glasflächen von aussen aneinander gepresst, wobei während des Aushärtens des Kunststoffes durch eine oder mehrere rotierende Presswalzen, welche entlang der Glasflächen verfahren werden, ein hoher Druck ausgeübt wird.
US 4 170 616, Method of fabricating a fresnel-lens, 1978, beschreibt ein Verfahren zur rotationsfreien Replikation von flächigen Fesnellinsenplatten, bei dem durch eine vertikal beziehungsweise alternativ horizontal angeordnete Masterplatte mit einem Reliefbereich der Fesnelstrukturen und einem planen Gegenstück ein geschlossener, vakuumdichter Formraum gebildet wird. Der Formraum wird auf Vakuumniveau abgepumpt und ein aushärtbares Fluid in ihn eingebracht beziehungsweise als Folge des Vakuums eingesaugt.
DE 22 55 923 A1 , legt ein Verfahren zum Abformen von optischen Linsen offen, wobei ein Kunstharz zwischen einer oberen und unteren Formträgerplatte eingebracht und ausgehärtet wird. Die Replikationsvorrichtung ist mit einer Fugendichtung verschlossen. Die Formträgerplatten sind dabei über mechanische Führungselemente miteinander befestigt, deren Länge den Abstand der Führungsplatten und damit die Dicke der Linsen festlegt.
US 5 202 793, Three dimesional image apparatus, erwähnt in der
Figurenbeschreibung zu Fig. 11 eine Vorrichtung bestehend aus einer Vakuum- Kammer mit einer UV-Quelle und einem Infrarot-Wärmeelement. Ein optisches Element aus einem Sandwich-Verbund aus Kunststofffilm und aushärtbarem Kunststoff wird zwischen einen oberen und unteren Formkörper in die Vakuum- Kammer eingebracht. Durch Anwendung von Unterdruck wird der Kunststoff- Verbund gegen die Formkörper gepresst, ausgeformt und schließlich ausgehärtet.
JP 63307909 beschreibt ein typisches Rotationsverfahren zur Herstellung beziehungsweise Abformung von Scheiben aus Harz, wobei Lufteinschlüsse vermieden werden. Das Harz wird durch eine Dosiervorrichtung, einen Dipenser, im Zentrum einer rasch rotierenden Form aufgebracht, wobei sich das Harz durch die Zentrifugalkraft ausbreitet und die Form überdeckt. Mit diesem Verfahren werden runde optische Scheiben beziehungsweise Masken hoher Qualität hergestellt, wobei jedoch die Größe der Endform verfahrensbedingt beschränkt ist.
Rotationsverfahren sind bei Bauteilen kleinerer Dimension sehr robuste und verlässliche Verfahren, jedoch kann dieses Verfahren bei der Herstellung der gewünschten - rechteckigen - optischen Masken für Bildschirme, deren Diagonale 20 Zoll und mehr betragen kann, nicht mehr in wünschenswerter Weise eingesetzt werden.
Die oben beschriebenen Verfahren der Formbefüllung, also das "Zwei-Öffnungen- Verfahren" und die fluid-impermeable Versiegelung haben den Nachteil, dass sie dazu neigen, bei dünnschichtigen und großflächigen Abformelementen aufgrund der hohen Kräfte die Wände der Form zu verbiegen. Wird zusätzlich an einer zweiten Öffnung ein Unterdruck oder ein Vakuum angewandt, so erhöht sich die Gefahr, dass sich die Wände des Formraums verformen, so dass ein unexakt abgeformtes, nicht formgenaues Endprodukt entsteht. Die genannten dünnschichtigen und fein strukturierten Masken müssen in höchster Qualität hergestellt werden. Eine mangelhafte optische Maske verursacht beispielsweise einen permanent auf dem Display sichtbaren Pixelfehler. Jede Fehlstelle, wie sie beispielgebend durch einen Lufteinschluss verursacht wird, kann nur mehr in den seltensten Fällen in Nacharbeit behoben werden und führt somit zu Ausschuss.
Das auszuhärtende Fluid, also das Harz, ist im Fertigungsprozess üblicherweise kein bedeutender Kostenfaktor, jedoch ist die hochgenaue Masterplatte als Zentralstück der Replikationseinrichtung in der Regel sehr kostspielig. Das über die Sollgrenzen der herzustellenden Maske zwischen den Formplatten übergelaufene Harz härtet jedoch mit der optischen Maske aus, haftet an der Masterplatte an und muss so durch zeitaufwendige Reinigungs- bzw. Rüstvorgänge von der Masterplatte entfernt werden. Dieser organisatorische Stillstand vermindert die Verfügbarkeit der ganzen Replikationseinrichtung. Die Masterplatte wird bei diesen Reinigungsarbeiten auch einem hohen Verschleiß ausgesetzt. Überdies besteht durch die zusätzliche Handhabung die Gefahr einer Beschädigung, so dass die Lebensdauer der kostspieligen Masterplatte signifikant verkürzt sein kann.
Die abgeformte optische Maske verbleibt bis zum hinreichenden Aushärten des Fluids in der Anlage. Dennoch ist es wünschenswert, die Taktzeit des Replikationsprozesses zu verkürzen, insbesondere die Bearbeitungszeit zum Aufbringen des Fluids und zum Ausformen der Maske. Die Einfachheit des Verfahrens sowie der Replikationseinrichtung soll mit einer unkomplizierten Handhabbarkeit eine hohe Anlagenverfügbarkeit und eine gute Prozeßsicherheit sicherstellen.
Wie eingangs erwähnt sind die optischen Masken sehr dünnschichtig und weisen vorzugsweise eine Dicke unterhalb von 200 Mikrometer auf. Hieraus sind die entsprechend kleinen Toleranzen ableitbar und die hohen Anforderungen an die Form- und Maßgenauigkeit ersichtlich. Eine derart hohe vertikale Maßgenauigkeit wird erreicht, wenn es gelingt, bei der Replikation insbesondere die Durchbiegungen der Substratplatte zu vermeiden.
In Verbindung der voran genannten Aufgabenstellungen soll sowohl das Verfahren zur Replikation als auch die hierzu vorgesehene Einrichtung eine wirtschaftliche und prozeßsichere Fertigung der genannten dünnschichtigen und fein strukturierten optischen Masken gewährleisten. Das Endprodukt muss eine hohe Form- und Maßgenauigkeit aufweisen sowie eine hochgradige optischer Qualität gewährleisten.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Verfahren gehört zur Gruppe der rotationsfreien Abformungen, wobei der Replikationsprozess vorzugsweise horizontal durchgeführt wird. Das Verfahren dient zur Replikation von flächenförmigen und fein strukturierten Flachoptiken und von optischen Masken, insbesondere für autostereoskopische Displays, welche hierbei aus einem zähflüssigen transparenten Fluid, in der Regel einem Harz, ausgehärtet werden.
Die optischen Masken sind in der Regel rechteckig und haben eine zylindrische oder sphärische Strukturierung. Zylindrische Masken sind insbesondere Lentikulare, beispielsweise mit einer Vielzahl aneinander liegender paralleler Lentikel in Form von Zylinderlinsen. Eine zylindrische optische Maske kann ebenso eine zylindrische Fresnel-ünse oder eine Prismenmaske oder dergleichen sein. Sphärische optische Masken sind beispielgebend sphärische Fresnel-Linsen.
Diese Masken haben in der Regel die Größe eines Bildschirms beziehungsweise eines Displaymonitors und sind dünnschichtig mit einer Dicke in einer Größenordnung von wenigen Zehntel Millimetern. Vorzugsweise liegt die Dicke der optischen Maske im Bereich unter 200 Mikrometer.
Die erfindungsgemäße Einrichtung zur Replikation umfasst einen Formraum, der eine horizontal angeordnete plattenförmige Masterplatte enthält. Die Masterplatte hat im Zentrum einen strukturierten Replikationsbereich als Replikationsvorlage sowie einen dazu planparallelen umschließenden Randbereich. Der Replikationsbereich ist, vorzugsweise mittels Vakuum, festsitzend lösbar mit der Masterplatte verbunden.
Ein Dichtring umschließt diese Platte. Auf diesem Dichtring liegt eine bewegbare Träger-Substratplatte auf und schließt den Formraum luftdicht ab.
Erfindungsgemäß enthält die Replikationseinrichtung Mittel zum Erkennen der Distanz der Platten. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Distanz der Platten durch einen Unterdruck im Formraum kontrolliert steuerbar ist. In einer Weiterführung der Erfindung ist die Distanz der Platten ebenso durch variable Distanzmittel zwischen den Platten steuerbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht aus den Hauptschritten Initial Dispensing und Molding. Im nachfolgenden werden diese Schritte weiterführend erläutert.
Ein erster Hauptschritt (a:) des Verfahrens ist das Initial Dispensing. Dieser Schritt umfasst:
(a1 :) Initial Point: Auftragen von einem oder mehreren kleineren Bereichen als Initialpunkte des auszuhärtenden Fluids. Ein einzelner Initialpunkt liegt vorzugsweise im Bereich des Zentrums der Träger-Substratplatte;
(a2:) Tracking: Aufbringen von mehreren Spuren aus Fluid auf die Masterplatte. Die Spuren verlaufen vorzugsweise vom Zentrum des Replikationsbereichs zum Randbereich der Masterplatte beziehungsweise verlaufen zwischen den Kontrapunkten. Die Spuren sind vorzugsweise zusammenhängend und strahlen- und/oder bogenförmig;
(a3:) Dispensing: Aufbringen der erforderlichen Menge des Fluids auf die Masterplatte. Hierbei wird ein zusammenhängender initialer Fluiding-Bereich ausgeformt. Dieser Bereich bildet in seinen maximalen vertikalen Erhebungen
Kontrapunkte aus, wobei ein Kontrapunkt auf der Masterplatte jeweils deckungsgleich zu einem Initialpunkt der Träger-Substratplatte liegt. Die Schritte des Initial-Dispensing (a:) werden bevorzugt automatisiert, beispielgebend mit einem Dispenser und mit Handhabungstechnik, durchgeführt und können somit auch zeitlich parallel oder überlappend erfolgen.
Der zweite Hauptschritt (b), das Molding, umfasst:
(b1 :) Initial Contact: Anlegen der horizontal ausgerichteten Träger- Substratplatte, wobei sich die Träger-Substratplatte und die Masterplatte an den Initial- und Kontrapunkten initial berühren und die Träger-Substratplatte auf dem Dichtring (D) aufliegt und den Formraum (R) luftdicht abschließt.
(b2:) Controlled Molding: Anlegen eines Unterdrucks im Formraum, wobei sich die Träger-Substratpiatte kontrolliert an die Masterplatte annähert und sich das Fluid vom initialen Fluiding-Bereich von den Initial- und Kontrapunkten entlang der Spuren kontinuierlich verteilt und lückenlos den durch den Replikationsbereich der Masterplatte gegebenen Zwischenraum der Platten ausfüllt, wobei der Unterdruck im Formraum und gegebenenfalls variierbare Distanzelemente zwischen den Platten als steuerbare Prozessparameter verwendet werden.
Die Schritte des Moldings (b:) werden bevorzugt automatisiert mit entsprechenden Sensoren und einer Programmsteuerung der Prozessparameter durchgeführt.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Gedanke zugrunde, die Transformation der Ausgangsform des Fluids, also den initialen Fluiding-Bereich, mittels der Spuren in eine rechteckige Endform der Maske zu transformieren.
Eine erste Prozessbedingung besteht darin, dass in der optischen Maske keine Lufteinschlüsse auftreten dürfen. Eine zweite Forderung besteht darin, die horizontale Endform der Maske in optimaler Weise, also ohne Untermaß und mit möglichst wenig Übermaß zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird dies mittels der Spuren erreicht. Eine Spur ist hierbei vorzugsweise eine zusammenhängende strahlen- oder bogenförmige Spur des Fluids. In einer Variante können die Spuren auch längsförmige Flächenbereiche ausformen. Diese längsförmige Flächenbereiche sind ebenfalls so gewählt, dass das Fluid im Zuge des Fließprozesses keine Lufteinschlüsse induziert.
Vorzugsweise verlaufen mehrere Spuren vom initialen-Fluiding-Bereich zum Randbereich der Masterplatte. Der Verlauf mehrerer Spuren ist vorzugsweise so gewählt, dass sie während des Fließprozesses in Ausbreitungsrichtung des Fluids verlaufen, also nahezu eine Trajektorie der Fließrichtung bilden. Eine Abweichung von der idealen Trajektorie kann dazu dienen, die Fließrichtung des Fluids gezielt zu lenken und den Übergang von einem Pitch der Form zum benachbarten Pitch zu erleichtern.
Zwischen den Pitches, beziehungsweise Rillen der Masterplatte, verläuft ein Übergang verminderter vertikaler Ausdehnung. Das Fluid ist somit eher bestrebt, in Längsrichtung der Rille zu verlaufen als in die benachbarte Längsrille überzutreten.
Hier liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, durch die Spuren gleichsam eine Brücke zur benachbarten Rille zu schaffen und zu initiieren, die als initiierende Spurlinie für den Übertritt des Fluids in die benachbarte Rille dient.
Im Zuge des Dispensing-Schrittes (a3:) wird die erforderliche Menge des Fluids auf die Masterplatte aufgebracht und hier der initiale Fluiding-Bereich ausgeformt.
Erfindungsgemäß werden auf dem Fluiding-Bereich aufgrund des zähflüssigen Fluids eine oder mehrere maximale vertikale Erhebungen, die Kontrapunkte, ausgeformt. Diese Punkte liegen erfindungsgemäß deckungsgleich zu den jeweiligen Initialpunkten der Träger-Substratplatte.
Der initiale Fluiding-Bereich ist in einer einfachen Ausführungsform zusammenhängend und weist eine runde, elliptische oder annähernd ovale Form auf. Diese Grundform kann durch Ausbuchtungen oder lappigen Bereiche in Richtung der Ecken des Replikationsbereichs erweitert sein. Der Fluiding-Bereich kann auch strahlenförmig, beispielsweise mäanderförmig verlaufen, jedoch liegt auch hier mindestens ein Kontrapunkt vor. Ein einzelner Kontrapunkt liegt vorzugsweise im Zentrum des Replikationsbereichs der Masterplatte. Hierzu wird auf die nachfolgenden Schemadarstellungen in den Figuren verwiesen. Die Strukturierung der optischen Maske als Endprodukt, beispielsweise ein zylindrisches Lentikular oder eine sphärisches Feldlinse, bestimmt wesentlich die Ausgangsform des initialen-Fluiding-Bereichs, den Verlauf der Spuren und die Lage der Kontrapunkte.
Im zweiten Hauptschritt des Verfahrens, dem Molding (b:), wird der Gedanke der Erfindung fortgeführt. Im Initial-Contact-Schritt (b1 :) erfolgt das Anlegen der horizontal ausgerichteten Träger-Substratplatte, wobei sich die Masterplatte mit ihren Kontrapunkten und den Initialpunkten der Träger-Substratplatte initial berühren. Gegebenenfalls kann es notwendig sein, die Kontrapunkte des initialen-Fluiding- Bereichs kurz vor dem initialen Zusammenführen der Platten verstärkt auszuführen. Dies kann beispielsweise durch eine Zugabe einer kleinen Menge Fluid auf die jeweiligen Stellen des initialen-Fluiding-Bereichs erfolgen.
Durch den definierten Initalkontakt der Fluide an diesen Initialpunkten wird erfindungsgemäß verhindert, dass sich in diesem Verfahrensschritt unerwünschte Lufteinschlüsse zwischen den Platten ausbilden. Gleichzeitig liegt die Träger- Substratplatte auf dem Dichtring auf und schließt den Formraum luftdicht ab.
Im nachfolgenden zweiten Molding-Schritt, dem Controlled Molding (b2:), wird ein Unterdruck im Formraum erzeugt, wodurch sich die Träger-Substratplatte an die Masterplatte kontrolliert annähert. Hierbei breitet sich das Fluid ausgehend vom mittlerweile verbundenen initialen Fluiding-Bereich entlang der Spuren kontinuierlich aus.
Erfindungsgemäß wird der Unterdruck im Formraum und gegebenenfalls zusätzlich die variablen Distanzmittel als steuerbare Prozessparameter verwendet. Diese steuerbaren Parameter induzieren erfindungsgemäß ein Ausbreiten des Fluids, wobei die Durchbiegung der Träger-Substrat-Platte innerhalb der geforderten Toleranzbereiche liegt. Die Parameter sind vorzugsweise programmgesteuert.
Die zusätzlich zum Unterdruck verwendeten steuerbaren, variablen Distanzmittel sind beispielsweise mechanisch, zum Beispiel als Schneckengetriebe oder dergleichen, ausgebildet. Weitere beispielgebende Ausführungen umfassen pneumatische, hydraulische oder besonders bevorzugt piezoelektrische Elemente.
In einer einfachen Ausführungsform liegen die steuerbaren Distanzmittel als variable vertikale Federkraft des Dichtringes vor, wobei der Dichtring mehrere separat steuerbare Abschnitte aufweisen kann.
Mit dem Unterdruck im Formbereich werden erfindungsgemäß zwei Ziele verfolgt. Einerseits induziert der Unterdruck im Formbereich eine Annäherung der Platten und bewirkt, dass sich das Fluid ausbreitet. Ferner wird durch den Unterdruck eine Sogwirkung auf den Fluidbereich ausgeübt, so dass sich auch hierdurch das Fluid ausbreitet. Erfindungsgemäß ist es erreichbar, diese Kräfte so zu überlagern, dass während der kontrollierten Annäherung der Platten nur eine geringfügige vertikale Kraft auf die Trägerplatte wirksam ist. Die Trägerplatte biegt sich während des Prozesses nur sehr geringfügig, bleibt bis zum Aushärten des Fluids in den gewünschten Toleranzen plan und gewährleistet so die wunschgemäße Formgenauigkeit des Endprodukts.
Gegebenenfalls wird der Schritt des Controlled-Moldings durch die variablen Distanzmittel als weitere steuerbare Prozessgrößen unterstützt.
In einer Variante des Verfahrens werden auf das Fluid im Formraum Schwingungen induziert. Dieser Schwingungserreger ist vorzugsweise ein Ultraschallerreger, wie er durch eine Leistungssonotrode implementiert ist. Durch die Mikroschwingungen wird die Ausbreitung des Fluids nachhaltig beschleunigt, da der Übertritt des Fluids von einer Rille in die nächstfolgende Rille angeregt wird. Im Weiteren werden
Materialspannungen beim Aushärten des Fluids reduziert. Das Endprodukt ist somit nahezu spannungsfrei.
Verfahrenskonform füllt das Fluid den durch den Replikationsbereich der Masterplatte gegebenen Zwischenraum der Platten lückenlos aus. Die Endform der Maske ist homogen, maß- und formtreu in der Schichtdicke und ist frei von Lufteinschlüssen. Das horizontale Istmaß der Endform weist ein geringes Übermaß zur Soll-Endform, also dem vorgesehenen Replikationsbereich der Masterplatte, auf. Das Verfahren und die erfindungsgemäße Einrichtung erlauben wunschgemäß eine prozeßsichere Replikation der Masken mit hoher Formgenauigkeit und Qualitätsrate. Das geringe horizontale Übermaß trägt mit einem kleinen Reinigungsaufwand nach einem Replikationsschritt zu einer hohen Anlagenverfügbarkeit bei.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere Ausführungsformen werden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen
Fig. 1a und 1b eine Darstellung der erfindungsgemäßen Replikationseinrichtung in Schräg- und Vorderansicht;
Fig. 2a eine Detaildarstellung der Replikationseinrichtung in Vorderansicht; und Fig. 2b eine Detaildarstellung des Formraums der Replikationseinrichtung in Schrägansicht,
Fig. 3a bis d Detaildarstellungen der bevorzugten Varianten der initialen Fluiding- Bereiche, der Kontrapunkte und der Spuren.
Fig. 1a und 1b zeigt die Einrichtung zu Replikation von flächenförmigen, rechteckigen, dünnschichtigen und fein strukturierten optischen Masken in einer kombinierten Schräg- und Vorderansicht. Der Formraum R der Replikationseinrichtung enthält eine Masterplatte M, einen umschließenden Dichtring D und eine bewegbare Träger-Substratplatte TP. Die Masterplatte M weist einen strukturierten Replikationsbereich MF als Replikationsvorlage und einen daran anschließenden, dazu planparallelen Randbereich MR auf.
In dieser Figurengruppe ist der Verfahrensschritt (a:) des Initial-Dispensings im Wesentlichen beendet. Im Initial-Point-Schritt (a1 :) wurde ein einzelner Initialpunkt IP des auszuhärtenden Fluids auf die Träger-Substratplatte TP aufgetragen. Dieser Punkt IP liegt hier im Zentrum der Träger-Substratplatte TP. Mit dem Tracking-Schritt (a2:) erfolgte das Aufbringen von mehreren Spuren TS1.TS2,.. aus Fluid auf die Masterplatte M1 welche hier vom Zentrum der Masterplatte zum Rand des Replikationsbereichs MF der Masterplatte verlaufen. Die Spuren verlaufen hier zusammenhängend.
Beim Dispensing (a3:) wurde die erforderlichen Menge des Fluids, hier im Bereich des Zentrums der Masterplatte M, aufgebracht und ein zusammenhängender initialer Fluiding-Bereich IF ausgeformt, wobei dessen maximale vertikale Erhebung einen Kontrapunkt KP bildet. Wie aus der Figur ersichtlich liegt der Kontrapunkt KP deckungsgleich mit dem Initialpunkt IP der Träger-Substratplatte TP.
Fig. 2a zeigt die zur Fig. 1 ähnliche Replikationseinrichtung nach dem Molding- Schritt (b:). Hierbei wurde im Initial Contact-Schritt (b1 :) die horizontal ausgerichtete Träger-Substratplatte TP so angelegt, dass sich die Masterplatte M mit dem Kontrapunkt KP und der Initialpunkt IP der Träger-Substratplatte TP initial berühren, wie es bereits aus Fig. 1 ersichtlich war. Die variablen Distanzmittel sind, hier in der Darstellung auf der rechten Seite liegend, in einer ersten Ausführungsvariante als Dichtring D implementiert. Der Dichtring D weist hierzu in der vertikalen Richtung eine variable Federkraft auf.
Beim Controlled Molding (b2:) wird ein Unterdruck im Formraum R erzeugt, wobei sich die Träger-Substratplatte TP kontrolliert an die Masterplatte M annähert und sich das Fluid vom initialen Fluiding-Bereich IF vom Initialpunkt IP und Kontrapunkt KP entlang der Spuren TS1.TS2,.. kontinuierlich verteilt. Das Fluid füllt den durch den Replikationsbereich MF der Masterplatte M gegebenen Zwischenraum der Platten lückenlos aus. Das Fluid überragt diesen Replikationsbereich MF der Masterplatte wunschgemäß nur wenig und das horizontale Istmaß der optischen Maske LM als Endprodukt überschreitet den Replikationsbereich MF nur wenig. Eine regelbare Heiz- oder Kühleinrichtung, ohne Abbildung, sorgt für eine gleichmäßige Temperatur in der Replikationseinrichtung und insbesondere im Formraum.
Die Träger-Substratplatte TP ist aufgrund des Unterdrucks und der variablen
Distanzmittel DM als steuerbare Prozessparameter während des Prozessschrittes formstabil plan und biegt sich nur unwesentlich durch. Die optische Maske LM erfüllt somit wunschgemäß die vertikalen Toleranzen der Formgenauigkeit. In der Figur ist auf der linken Seite der Replikationseinrichtung eine weitere Variante der variablen Distanzmittel DM schematisch dargestellt. In dieser Ausführung sind die Distanzmittel DM als piezoelektrische Elemente ausgeführt. Diese Elemente erlauben eine besonders präzise Steuerung der Distanz der Platten.
Die genannten Varianten der Distanzmittel DM, rechts der Dichtring D mit variabler Federkraft und links die variablen Distanzmittel DM werden ebenso im Verfahrensschritt des Entformens des Endprodukts vorteilhaft angewendet. In diesem Schritt wird mittels der Distanzmittel DM, die optische Maske LM von der Masterplatte M gelöst. Beispielsweise wird der Dichtring D aufgepumpt bis sich die Träger-Substratplatte TP mit der optischen Maske vom Replikationsbereich MR der Masterplatte M löst.
Diese Figur zeigt ferner eine Biegevorrichtung BX, welche es erlaubt, die Träger- Substratplatte TP im Bereich des Initialpunktes IP, insbesondere während des Intial- Contact-Schritts (b1 :) kurzzeitig vertikal in Richtung zur Masterplatte M durchzubiegen und die initiale Berührung der Platten am Initial- beziehungsweise Kontrapunkt unterstützend zu gewährleisten.
Fig. 2b stellt den Formraum R der Replikationseinrichtung schematisch in einer Schrägansicht dar. Die Masterplatte M ist horizontal angeordnet und enthält den schraffiert dargestellten Replikationsbereich MF, welcher die Endform der optischen Maske LM repräsentiert, und den dazu planparallelen Randbereich MR, weicher den Replikationsbereich MF umschließt. Die Masterplatte M bildet hier den Boden des Formraums R. Ein Dichtring D liegt auf der Masterplatte auf und umschließt den
Randbereich MR der Masterplatte M. Zur Vereinfachung ist in der Darstellung nur der linke und hintere Abschnitt des Dichtrings D gezeigt. Der Dichtring D bildet gleichzeitig die Seitenwände des Formraums R. Wird letztlich die bewegbare Träger- Substratplatte TP auf den Dichtring aufgelegt, so wird hierdurch der Formraum R begrenzt und abgeschlossen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der
Replikationsbereich MF eine bewegbare Platte und ist mit der Masterplatte M als Basisplatte beispielgebend durch Vakuum verbunden. Auf die Darstellung weiterer Distanzmittel wird verzichtet. Eine weitere denkbare Variante der Replikationseinrichtung ist dadurch gegeben, das die beiden Träger-Substratplatte und die Masterplatte vertauscht angeordnet sind, also die Replikationseinrichtung horizontal gespiegelt ausgeführt wir. Es ist auch denkbar, die Träger-Substratplatte festsitzend anzuordnen, wohingegen die Masterplatte, beziehungsweise insbesondere der Replikationsbereich der Masterplatte bewegbar ist.
Die Fig. 3a bis 3d veranschaulichen in Schemadarstellungen die Ausformung des initialen-Fluiding-Bereichs IP, der Spuren T1 ,T2,.. auf der Masterplatte M. Im speziellen wird jeweils der Replikationsbereich MF der Masterplatte in Draufsicht gezeigt. Im Dispensing-Schritt (a3:) wird die erforderliche Menge des Fluids auf die Masterplatte, aufgebracht und ein zusammenhängender initialer Fluiding-Bereich IF ausgeformt, dessen maximale vertikale Erhebung den Kontrapunkt KP bildet. Die komplexeren Spuren TS1.T2,.. sind in den Darstellungen detaillierter im rechten unteren Bereich des Replikationsbereichs MF als Pfeile dargestellt.
Die abzuformende optische Maske ist in diesen Beispielen ein Lentikular mit - in dieser Darstellung - vertikal verlaufenden Lentikeln.
Fig.3a zeigt die einfachste Form. Der initiale-Fluiding-Bereich IF ist annähern oval, die Spuren T1 ,T2,.. verlaufen entlang der Diagonale nach außen und der Kontrapunkt KP liegt im Zentrum des Replikationsbereichs MF.
Fig. 3b zeigt gebogene, zum Rand verlaufende Spuren T1 und T2 jeweils in der Form einer Brachistrochrone.
Fig. 3c zeigt verzweigte Spuren TS2 und TS3.
Fig. 3d zeigt einen initialen-Fluiding-Bereich IF mit Ausläppungen in Richtung der Ecken des Replikationsbereichs MF. Der Bereich weist hier zwei Kontrapunkte KP1 und KP2 auf und die Spuren TS1 bis TS3 verlaufen als Trajektorie zur Ausbreitungsrichtung des Fluids.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur rotationsfreien Replikation von flächenförmigen, fein strukturierten Flachoptiken und optischen Masken (LM) mit derart strukturierten Optiken, bei dem ein aushärtbares zähflüssiges transparentes Fluid in den Formraum (R) einer Replikationsvorrichtung eingebracht wird, wobei der Formraum (R) durch den Zwischenraum zwischen einer horizontal angeordneten, einen Replikationsbereich (MF) mit der zu replizierenden Struktur und einen dazu planparallelen Randbereich (MR) aufweisende Masterplatte (M) und einer Träger- Substratplatte (TP) gebildet wird, die auf einem im Randbereich der
Masterplatte (M) angeordneten, den Formbereich (R) luftdicht abschließenden Dichtring (D) aufliegt, mit folgenden Schritten
(a1 :) Auftragen von einem oder mehreren kleineren Bereichen aus Fluid als
Initialpunkte (IP) des auszuhärtenden Fluids auf die Träger- Substratplatte (TP);
(a2:) Aufbringen von mehreren strahlen- und/oder bogenförmigen Tracking-
Spuren (TS1.TS2,..) aus Fluid auf die Masterplatte (M); (a3:) Aufbringen einer Fluidmenge auf die Masterplatte (M) und Ausformen eines zusammenhängenden initialen Fluiding-Bereichs (IF), womit eine oder mehrere maximale vertikale Erhebungen des Fluiding-Bereichs zu
Kontrapunkten (KP) ausgeformt werden, die jeweils deckungsgleich mit einem Initialpunkt (IP) auf der Träger-Substratplatte (TP) liegen; (b1 :) Anlegen der Träger-Substratplatte (TP) an die Anordnung aus
Masterplatte (M) und Dichtring (D), wobei die Träger-Substratplatte (TP) horizontal derart ausgerichtet wird, dass sich die Initialpunkte (IP) und die Kontrapunkte (KP) berühren,
(b2:) Erzeugen eines Unterdrucks im Formraum (R), wodurch sich die Träger- Substratplatte (TP) kontrolliert an die Masterplatte (M) annähert und sich das Fluid vom initialen Fluiding-Bereich (IF), von den Initialpunkten (IP) und den Kontrapunkten (KP) kontinuierlich verteilt und den Formraum (R) über dem Replikationsbereich (MF) der Masterplatte (M) lückenlos ausfüllt, wobei über Unterdruck der Abstand zwischen der Träger-Substratplatte (TP) und der Masterplatte (M) eingestellt wird und lückenlos den durch den Replikationsbereich (MF) der Masterplatte (M) gegebenen Zwischenraum der Platten ausfüllt, wobei der Unterdruck als steuerbarer Prozessparameter verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die kontrollierte Annäherung der Träger- Substratplatte (TP) an die Masterplatte (M) durch den Unterdruck im Formraum (R) und steuerbare Distanzmittel (DM), die den Abstand der Platten (M1TP) festlegen, gesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei im ersten Verfahrensschritt (a1 :) ein Initialpunkt (IP) im Schnittpunkt der Diagonalen der Träger-Substratplatte (TP) liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei mehrere auf der Masterplatte (M) aufgebrachte Spuren (TS1 ,TS2,..) aus Fluid annähernd in Ausbreitungsrichtung des Fluids verlaufen.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere auf die Masterplatte (M) aufgebrachte Spuren (TS1 ,TS2,..) aus Fluid vom Zentrum zum Randbereich (MR) der Masterplatte (M) verlaufen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der auf die Masterplatte (M) aufgebrachte initiale Fluiding-Bereich (IF) zusammenhängend rund oder elliptisch ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der auf die Masterplatte (M) aufgebrachte initiale Fluiding-Bereich (IF) zusammenhängend strahlen- und/oder bogenförmig ist.
8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der auf die Masterplatte (M) aufgebrachte initiale Fluiding-Bereich (IF) mäanderförmig ist.
9. Verfahren nach einem Anspruch 6 bis 8, wobei der auf die Masterplatte (M) aufgebrachte initiale Fluiding-Bereich (IF) Ausläppungen aufweist, die in Richtung der Ecken des Replikationsbereichs (MF) der Masterplatte (M) liegen.
10. Verfahren nach einem Anspruch 6 bis 9, wobei ein Kontrapunkt (KP), welcher durch den auf die Masterplatte (M) aufgebrachten initiale Fluiding-Bereich (IF) ausgeformt ist, im Zentrum des Replikationsbereichs (MF) der Masterplatte (M) liegt.
11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 5, wobei sich die Spuren (TS1 ,TS2,..) verzweigen.
12. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Träger-Substratplatte (TP) an ihrer Außenseite mit einer stabilisierenden Stützplatte lösbar verbunden ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Träger-Substratplatte (TP) mittels Unterdruck mit einer stabilisierenden Stützplatte lösbar verbunden ist.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei im Verfahrensschritt (b1) eine Biegevorrichtung (BX) die Träger-Substratplatte (TP) im Bereich eines Initial-Punktes (IP) vertikal in Richtung zur Masterplatte (M) biegt.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei zwischen den Verfahrensschritten (a3) und (b1) die Kontrapunkte (KP) des initialen- Fluiding-Bereichs (IF) verstärkt ausgeformt werden.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Maske (LM) eine sphärische oder zylindrische Struktur aufweist.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der genannten Ansprüche, wobei die Teilschritte a1 bis a3 zeitlich parallel oder überlappend erfolgen.
18. Replikationsvorrichtung zur rotationsfreien Replikation von, fein strukturierten
Flachoptiken und von optischen Masken (LM) mit derart strukturierten Optiken mit einer horizontal angeordneten, einen Replikationsbereich (MF) mit der zu replizierenden Struktur und einen dazu planparallelen Randbereich (MR) aufweisenden Masterplatte (M), auf deren Randbereich (MR) ein Dichtring (D) angeordnet ist, auf dem eine von der Anordnung aus Masterplatte (M) und Dichtring (D) lösbare Träger-Substratplatte (TP) aufliegt, wobei der Zwischenraum zwischen der Masterplatte und der Träger-Substratplatte (TP) einen durch einen Dichtring (D) luftdicht abgeschlossenen Formraum bildet,
- Mitteln, die einen steuerbaren Unterdruck im Formraum (R) erzeugen,
- Mitteln, die die Distanz der Master- und der Träger-Substratplatte (TP) voneinander erkennen und mit
- einer Steuereinrichtung, die den Unterdruck im Formraum (R) zur Einstellung der Distanz zwischen der Master- und der Träger-Substratplatte (TP) steuert.
19. Replikationsvorrichtung nach Anspruch 18, bei der die Distanz der Träger- Substratplatte (TP) zur Masterplatte (M) durch variable Distanzmittel (DM) steuerbar ist.
20. Replikationsvorrichtung nach Anspruch 19, bei der die steuerbaren Distanzmittel (DM) mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch sind.
21. Replikationsvorrichtung nach Anspruch 19, bei der die steuerbaren Distanzmittel (DM) piezoelektrische Elemente sind.
22. Replikationsvorrichtung nach Anspruch 19, bei der der Dichtring (D) oder mehrere Teilabschnitte des Dichtrings (D) eine veränderbare, steuerbare vertikale
Federkraft aufweist.
23. Replikationsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 18 bis 22, die eine regelbare Heiz- oder Kühleinrichtung enthält.
24. Replikationsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 18 bis 23, bei der Schwingungserreger im eingebrachten Fluid im Formraum (R) Schwingungen induzieren.
25. Replikationsvorrichtung nach Anspruch 24, bei der Schwingungserreger im eingebrachten Fluid im Formraum (R) Schwingungen mittels Ultraschall induzieren.
26. Replikationsvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche 18 bis 25, die auf der Träger-Substratplatte (TP) eine Biegevorrichtung (BX) aufweist, welche die Träger-Substratplatte (TP) vertikal in Richtung zur Masterplatte (M) biegt.
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