WO2007025519A2 - Verfahren und vorrichtung zum abformen von strukturen - Google Patents

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WO2007025519A2
WO2007025519A2 PCT/DE2006/001506 DE2006001506W WO2007025519A2 WO 2007025519 A2 WO2007025519 A2 WO 2007025519A2 DE 2006001506 W DE2006001506 W DE 2006001506W WO 2007025519 A2 WO2007025519 A2 WO 2007025519A2
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tool
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embossing
intermediate plate
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Thomas Otto
Jörg FRÖMEL
Jörg Nestler
Thomas Gessner
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C59/00—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor
    • B29C59/02—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor by mechanical means, e.g. pressing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
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    • B29C59/02—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor by mechanical means, e.g. pressing
    • B29C59/022—Surface shaping of articles, e.g. embossing; Apparatus therefor by mechanical means, e.g. pressing characterised by the disposition or the configuration, e.g. dimensions, of the embossments or the shaping tools therefor
    • B29C2059/023—Microembossing

Definitions

  • the present invention relates to a method for molding structures in which a substrate is positioned on a substrate carrier having one or more integrated channels for sucking the substrate to the substrate carrier by means of negative pressure, in an embossing process an embossing tool in contact with a tool carrier in one Surface of the substrate is pressed to a structure transfer of
  • the invention also relates to a device for carrying out the method.
  • Impression of structures plays an important role in many technical areas where a structured surface of a component is needed. This applies in particular to microfluidic, optical and mechanical polymer components, for example optical waveguides, optical gratings or other microsystem components.
  • an embossing tool which has the corresponding embossing structure, is pressed into a thermoplastic layer or another material which is above the softening point. teraperatur is held. After a cooling phase, the embossing tool is again separated from the thermoplastic layer, in which then the embossed structuring remains. In this way, in the field of microsystems technology, it is possible to produce structure heights in the range of a few nanometers up to a few 100 ⁇ m.
  • a device for molding microstructures by means of an embossing tool into a substrate is known, for example, from WO 99/56928 A1.
  • the embossing tool is fixed via a clamping bracket on a tool carrier.
  • a compressed air-operated hold-down device is provided in this device, which presses the substrate when lifting the embossing tool by means of compressed air against the substrate carrier.
  • the attachment or mounting of the embossing tool and the substrate is required because very high forces can occur during demolding.
  • Other devices therefore also often use mechanical clamping or screwing devices to fix the substrate to the substrate carrier and the stamping tool to the tool carrier.
  • the mechanical fixation of the substrate has the disadvantage that a substrate change usually can not be done automatically. This leads to undesirably large process cycle times. Also, a change of the embossing tool is very expensive in such devices.
  • the EP 1068945 A2 shows a generic method and a generic device, in which the substrate is held by suction by means of negative pressure on the substrate carrier having corresponding integrated channels for generating the negative pressure. This allows a quick change of the substrate. However, since the substrate material is maintained at a temperature above the softening temperature in most molding techniques, it is possible for the channels integrated in the substrate support to also be imprinted into the substrate during embossing. The embossing tool is in turn secured in this method or this device via a mechanical clamping bracket on the tool carrier.
  • the object of the present invention is to provide a method and an apparatus for the
  • the substrate is positioned on a substrate carrier, the one or more integrated channels for sucking the substrate by means of Has negative pressure.
  • an embossing tool is pressed into contact with a tool carrier in a surface of the substrate in order to achieve a structure transfer from the embossing tool to the substrate. This can be done either by a movement of the tool carrier in the direction of the substrate, by a movement of the substrate carrier in the direction of the tool carrier or by a combination of both movements.
  • the substrate consists of a deformable material, such as a plastic, glass or metal and is preferably in the form of a film or plate.
  • the embossing process is preferably carried out after heating the substrate to a temperature which is above the softening or glass transition temperature of the substrate material.
  • the substrate may also be a viscous layer of a deformable material, for example a layer of a radiation or thermosetting plastic.
  • the embossing tool is understood to mean a component, preferably a plate, having structures which are intended to be molded into the substrate.
  • the substrate carrier is the part of the impression device on which the substrate rests directly or indirectly.
  • the tool carrier is the part of the impression device which is in contact with the stamping tool during the stamping process.
  • Tool carriers and substrate carriers are preferably heatable and / or mutually movable plates made of metal or ceramic.
  • the present method is characterized according to the first alternative in that before the embossing process between the substrate and the substrate carrier an intermediate plate is introduced, which remains during the embossing process at this position.
  • Intermediate plate is preferably applied together with the substrate on the substrate carrier.
  • the substrate adhered to the embossing tool is separated from the intermediate plate by moving the substrate carrier on which the intermediate plate rests and the tool carrier, which holds the embossing tool in this step, counter to the embossing direction.
  • the intermediate plate is then preferably automatically via a suitable transport device from
  • Substrate carrier removed.
  • the suction is of course interrupted again.
  • the tool carrier and substrate carrier are moved toward each other again until the substrate makes contact with the substrate carrier.
  • the substrate is sucked by the substrate carrier by generating a negative pressure in the integrated channels and recorded.
  • the substrate and embossing tool are now separated from each other by moving apart the substrate carrier on which the substrate is held and the tool carrier holding the embossing tool in this step.
  • the substrate adheres more strongly to the intermediate plate after the stamping process than to the stamping tool.
  • the intermediate plate is held on the substrate carrier by suction, while the substrate carrier and the tool carrier for separating the substrate from the tool are moved apart.
  • the greater adhesion of the substrate to the intermediate plate can be caused, for example, by providing the tool with a better non-stick coating than the intermediate plate or by partially roughening the intermediate plate.
  • the tool carrier also has one or more integrated channels, via which the embossing tool can be sucked by means of negative pressure.
  • the suction in each case a temporary non-positive connection between the tool carrier and the embossing tool or between the substrate carrier and the substrate is generated, which allows substrate and embossing tool after the embossing process in an automatable step again without additional manual steps to separate.
  • the suction is preferably only activated in each case when the substrate is to be separated from the intermediate plate or the embossing tool. Due to the configuration of the tool carrier with corresponding intake channels an automatic, adjustable fixation or solution of the embossing tool for an automated embossing process and a very fast tool change are possible.
  • the stack thus formed is positioned on the substrate carrier.
  • This step can be carried out, for example, in a commercially available adjustment device for semiconductor conductor joining processes.
  • the intermediate plate also has an embossed structure, so that the substrate is embossed simultaneously from two sides.
  • the intermediate plate in this case represents a counter tool to the embossing tool. Especially when using such a pair of tools embossing tool and counter tool mutual adjustment is very important.
  • an optical, acoustic or mechanical control option must be provided on the impression device, the exact positioning of the tool carrier and substrate carrier parallel to each other and their Rotation possible. At least one of the two components must be horizontally movable and / or rotatable against the other component.
  • the suction or mounting of the substrate, the intermediate plate and the embossing tool by means of negative pressure can be implemented in different ways.
  • a pump can be connected to the corresponding integrated channels, via which the pressure in the channels is less than the pressure in the impression device itself. If the embossing process takes place, for example, in a closed chamber, then the pressure in the channels during demolding is lower than the chamber pressure. In addition to this active generation of a negative pressure in the channels, it is also possible when carrying out the embossing process in a closed chamber, to achieve the suction by appropriate variation of the chamber pressure. It is necessary that the integrated channels by the contact of the substrate, the intermediate plate and the
  • the present device accordingly comprises a substrate carrier having one or more integrated channels for sucking a substrate or object by means of negative pressure, a tool carrier for an embossing tool
  • Drive mechanism for generating a relative movement between the tool carrier and the substrate carrier, through which the embossing tool can be pressed into a surface of the substrate, and a control for the drive mechanism.
  • the drive mechanism for generating a relative movement between the tool carrier and the substrate carrier, through which the embossing tool can be pressed into a surface of the substrate, and a control for the drive mechanism.
  • the control is in the present device designed such that it includes the drive for performing the embossing process, for subsequently separating the substrate from the intermediate plate or embossing tool, as well as in an alternative to the subsequent placement of the substrate on the substrate carrier and for final separation of the substrate Driving stamping tool.
  • the control also includes one or more pumps, in particular vacuum pumps, which are controlled by the controller for the corresponding suction or release of the substrate and optionally the intermediate plate and / or the embossing tool.
  • the device also has a transport device for the automated introduction and removal of the intermediate plate and the substrate, which preferably has a movable carriage for transport.
  • the device preferably comprises a gas-tight lockable chamber, which allows the Embossing process under different gas atmospheres and at different gas pressures.
  • Tool carriers and substrate carriers are preferably equipped with one or more heating and cooling devices, with which these components can be temporarily held at certain temperatures.
  • the present device can advantageously by minor conversion already existing devices.
  • the joining technique are obtained, which have at least in principle as a tool carrier and substrate carrier usable and heated components.
  • the integrated channels required for the device can either be realized by replacing the corresponding already existing carriers or can be subsequently introduced into the existing components.
  • Such a device may, for example, be a commercially available substrate bonder of semiconductor micro-technology.
  • FIG. 2 shows an example of a tool carrier and a substrate carrier with integrated channels
  • Fig. 3 shows schematically an example of the structure of the present device.
  • the embossing tool 3 Before being introduced into the device, the embossing tool 3, the substrate 7 and the intermediate plate 4 are initially stacked in a suitably aligned manner. Embossing tool 3 and
  • Intermediate plate 4 consist in this example of a ceramic material, the substrate 7 of a polymer material.
  • Carriage 11 positioned on the substrate carrier 1 of the embossing device, as can be seen in the partial illustration a).
  • Heating elements it is possible to bring substrate 7 and embossing tool 3 either at the same or at different temperatures and to maintain these temperatures during the process run by regulation or change. Furthermore, when using a device with a process chamber, a suitable gas environment for the embossing process can be created so that different gases or gas mixtures under negative pressure, normal pressure or overpressure can accompany the embossing process. This too can be regulated and changed during the process.
  • the embossing tool 3 After reaching the required embossing temperatures, in particular during hot stamping, the embossing tool 3 is pressed against the substrate 7 with the tool carrier 2, as can be seen in partial image b). This is done under controllable force, wherein a structure transfer from the embossing structure of the embossing tool 3 takes place on the substrate 7.
  • the suction in the tool carrier 2 is activated, so that the embossing tool 3 is held by the tool carrier 2 together with the substrate 7 adhering to it due to the embossing process.
  • the intermediate plate 4 is held by the substrate carrier.
  • the tool carrier 2 with the stack of embossing tool 3 and substrate 7 adhering thereto is again moved against the substrate carrier 1 until the substrate 7 rests on the substrate carrier 1 (partial illustration e)).
  • Substrate carrier 1 is activated, so that the substrate 7 is held by the substrate carrier 1.
  • the finished structured substrate 7 can now be removed with the carriage 11 and begin the process again (partial image f)).
  • the lifting movement of the tool carrier 2 or the pulling apart of the tool carrier 2 and the substrate carrier 1 are each carried out at a defined speed.
  • FIG. 2 shows an example of a possible embodiment of the tool carrier 2 and the
  • Substrate carrier 1 In the figure, these two carriers 1, 2 are shown as plate-shaped components, in which the integrated channels 5 are indicated for the suction. These channels are each connected to a connection 6 for a vacuum pump, via which the corresponding negative pressure can be generated or switched off.
  • the figure here shows the tool carrier 2 with a sucked embossing tool 3, the embossing structure is clearly visible.
  • the intermediate plate 4 with the substrate 7 located thereon rests on the substrate carrier 1.
  • the tool carrier 2 and the opposite substrate carrier 1 can be seen, which can be suitably moved against each other in the direction of the arrow via a corresponding drive mechanism 8 in order to carry out the embossing process. to lead.
  • the two carriers 1, 2 have integrated heating elements 12, via which the embossing tool and the substrate can be kept at a defined temperature.
  • these two carriers 1, 2 are connected to vacuum pumps 10, via which the required negative pressure for sucking the substrate or the embossing tool can be adjusted.
  • Both the drive mechanism 8 and the vacuum pumps 10 are connected to a controller 9, which controls these components in accordance with the implementation of the method.
  • a carriage 11 is further recognizable, automatically positioned over the substrate and the intermediate plate on the substrate support and can be removed again from this. This transport carriage 11 is controlled by the controller 9.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Shaping Of Tube Ends By Bending Or Straightening (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Abformen von Strukturen, bei denen ein Substrat (7) auf einem Substrat träger (1) positioniert wird, der ein oder mehrere integrierte Kanäle (5) zum Ansaugen des Substrates (7) mittels Unterdruck aufweist. Zwischen dem Substratträger (1) und dem Substrat (7) wird beim vorliegenden Verfahren eine Zwischenplatte (4) eingesetzt, die nach dem Prägevorgang vom Substrat (7) getrennt wird, indem der Substrat träger (1) und ein Werkzeugträger (2) , von dem das Prägewerkzeug (3) bei diesem Schritt gehalten wird, auseinander bewegt werden. Die Zwischenplatte (4) wird anschließend vom Substratträger (1) entfernt und das Substrat (7) durch entgegen gesetzte Bewegung von Substrat träger (1) und/oder Werkzeugträger (2) mit dem Substratträger (1) in Kontakt gebracht und durch Ansaugen gehalten. Im nächsten Schritt wird das Substrat (4) vom Prägewerkzeug (3) getrennt, indem der Substrat träger (1) und der Werkzeugträger (2) , von dem das Prägewerkzeug (3) gehalten wird, auseinander bewegt werden. Das vorliegende Verfahren und die zugehörige Vorrichtung ermöglichen ein schnelles und automatisierbares Wechseln des Substrates sowie ein automatisiertes Trennen des Substrates vom Prägewerkzeug.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Abformen von Strukturen
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abformen von Strukturen, bei dem ein Substrat auf einem Substratträger positioniert wird, der ein oder mehrere integrierte Kanäle zum Ansaugen des Substrates an dem Substratträger mittels Unterdruck aufweist, in einem Prägevorgang ein Prägewerkzeug in Kontakt mit einem Werkzeugträger in eine Oberfläche des Substrats gepresst wird, um eine Strukturübertragung vom
Prägewerkzeug auf das Substrat zu erreichen, und das Substrat und das Prägewerkzeug wieder voneinander getrennt werden, indem der Substratträger, an dem das Substrat bei diesem Schritt durch Ansaugen gehalten wird, und der Werkzeugträger, von dem das Prägewerkzeug bei diesem Schritt gehalten wird, auseinander bewegt werden. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens .
Die Abformung von Strukturen spielt in vielen technischen Bereichen eine wichtige Rolle, in denen eine strukturierte Oberfläche einer Komponente benötigt wird. Dies betrifft insbesondere mikrofluidische, optische und mechanische Polymerkomponenten, beispiels- weise optische Wellenleiter, optische Gitter oder sonstige mikrosystemtechnische Bauteile. Bei den meisten hierbei eingesetzten Prägetechniken wird ein Prägewerkzeug, das die entsprechende Prägestruktur aufweist, in eine ThermoplastSchicht oder ein anderes Material eingedrückt, das oberhalb der Erweichungs- teraperatur gehalten wird. Nach einer Abkühlphase wird das Prägewerkzeug wieder von der Thermoplastschicht getrennt, in der dann die eingeprägte Strukturierung verbleibt. Auf diese Weise lassen sich im Bereich der Mikrosystemtechnik Strukturhöhen im Bereich weniger Nanometer bis hin zu einigen 100 μm erzeugen.
Eine Vorrichtung zur Abformung von Mikrostrukturen mittels eines Prägewerkzeuges in ein Substrat ist beispielsweise aus der WO 99/56928 Al bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird das Prägewerkzeug über eine Klemmhalterung an einem Werkzeugträger fixiert. Zur Abtrennung des Prägewerkzeuges nach dem Prägeprozess vom Substrat ist bei dieser Vorrichtung ein mit Druckluft betriebener Niederhalter vorgesehen, der das Substrat beim Abheben des Prägewerkzeugs mittels Druckluft gegen den Substratträger presst . Die Befestigung oder Halterung des Prägewerkzeuges und des Substrates ist erforderlich, da bei der Entformung sehr hohe Kräfte auftreten können. Andere Vorrichtungen nutzen daher ebenfalls häufig mechanische Klemm- oder Schraubvorrichtungen, um das Substrat am Substratträger und das Prägewerkzeug am Werkzeugträger zu fixieren.
Die mechanische Fixierung des Substrates hat jedoch den Nachteil, dass ein Substratwechsel in der Regel nicht automatisch erfolgen kann. Dies führt zu unerwünscht großen Prozesszykluszeiten. Auch ein Wechsel des Prägewerkzeuges ist bei derartigen Vor- richtungen sehr aufwendig.
Die EP 1068945 A2 zeigt ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Vorrichtung, bei denen das Substrat durch Ansaugen mittels Unterdruck am Substratträger gehalten wird, der entsprechende integrierte Kanäle zur Erzeugung des Unterdrucks aufweist. Dies ermöglicht einen schnellen Wechsel des Substrates. Da das Substratmaterial bei den meisten Abformtechniken auf einer Temperatur oberhalb der Erweichungstemperatur gehalten wird, kann es jedoch vorkommen, dass die im Substratträger integrierten Kanäle beim Prägen ebenfalls in das Substrat abgeformt werden. Das Prägewerkzeug ist bei diesem Verfahren bzw. dieser Vorrichtung wiederum über eine mechanische Klemmhalterung am Werkzeugträger befestigt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum
Abformen von Strukturen anzugeben, die einen schnellen automatisierbaren Substratwechsel ohne die Gefahr einer Abformung von im Substratträger vorhandenen Kanälen in das Substrat ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit den Verfahrensalternativen sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1, 2 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Beim vorliegenden Verfahren zum Abformen von Strukturen, insbesondere zum Prägen und Heißprägen, wird gemäß einer Alternative das Substrat auf einem Substratträger positioniert, der ein oder mehrere integrierte Kanäle zum Ansaugen des Substrates mittels Unterdruck aufweist. In einem anschließenden Prägevorgang wird ein Prägewerkzeug in Kontakt mit einem Werkzeugträger in eine Oberfläche des Substrats gepresst, um eine Strukturübertragung vom Prägewerkzeug auf das Substrat zu erreichen. Dies kann entweder durch eine Bewegung des Werkzeugträgers in Richtung des Substrats, durch eine Bewegung des Substratträgers in Richtung des Werkzeugträgers oder durch eine Kombination beider Bewegungen erfolgen. Das Substrat besteht dabei aus einem verformbaren Material, beispielsweise einem Kunststoff, Glas oder Metall und liegt vorzugsweise in Form einer Folie oder Platte vor. Der Prägeprozess erfolgt vorzugsweise nach einer Aufheizung des Substrates auf eine Temperatur, die oberhalb der Erweichungs- oder Glasübergangstemperatur des Substratmaterials liegt. Das Substrat kann auch eine zähflüssige Schicht eines verformbaren Materials sein, beispielsweise eine Schicht eines unter Strahlung oder Temperatur aushärtbaren Kunststoffs.
Unter dem Prägewerkzeug wird in der vorliegenden Patentanmeldung eine Komponente, vorzugsweise eine Platte, mit Strukturen verstanden, die in das Substrat abgeformt werden sollen. Der Substratträger ist der Teil der Abformvorrichtung, auf dem das Substrat direkt oder indirekt aufliegt. Der Werkzeugträger ist der Teil der Abformvorrichtung, der während des Prägeprozesses mit dem Prägewerkzeug in Kontakt ist . Werkzeugträger und Substratträger sind dabei vorzugsweise heizbare und/oder in gegenseitigem Abstand bewegbare Platten aus Metall oder Keramik. Das vorliegende Verfahren zeichnet sich gemäß der ersten Alternative dadurch aus, dass vor dem Prägevorgang zwischen das Substrat und den Substratträger eine Zwischenplatte eingebracht wird, die während des Prägevorgangs an dieser Position verbleibt. Die
Zwischenplatte wird dabei vorzugsweise gemeinsam mit dem Substrat auf den Substratträger aufgebracht . Mach dem Prägevorgang wird das am Prägewerkzeug haftende Substrat von der Zwischenplatte getrennt, indem der Substratträger, auf dem die Zwischenplatte aufliegt, und der Werkzeugträger, von dem das Prägewerkzeug bei diesem Schritt gehalten wird, entgegen der Prägerichtung wieder auseinander bewegt werden. Die Zwischenplatte wird dann vorzugsweise über eine geeignete Transporteinrichtung automatisch vom
Substratträger entfernt. Beim Trennen der Zwischenplatte vom Substrat kann auch die Ansaugung des Substratträgers genutzt werden, so dass die Zwischenplatte in diesem Schritt aktiv vom Substratträger gehalten wird. Zum Entfernen der Zwischenplatte wird dann die Ansaugung selbstverständlich wieder unterbrochen. Nach dem Entfernen der Zwischenplatte werden Werkzeugträger und Substratträger wieder aufeinander zu bewegt, bis das Substrat Kontakt mit dem Substratträger hat. Anschließend wird das Substrat vom Substratträger durch Erzeugung eines Unterdrucks in den integrierten Kanälen angesaugt und festgehalten. Das Substrat und das Prägewerkzeug werden nun voneinander getrennt, indem der Substratträger, an dem das Substrat gehalten wird, und der Werkzeugträger, von dem das Prägewerkzeug bei diesem Schritt gehalten wird, auseinander bewegt werden . Gemäß der zweiten Verfahrensalternative haftet das Substrat nach dem Prägevorgang stärker an der Zwischenplatte als am Prägewerkzeug. In diesem Fall wird die Zwischenplatte am Substratträger durch Ansaugen gehalten, während der Substratträger und der Werkzeugträger zur Trennung des Substrats vom Werkzeug auseinander bewegt werden. Die stärkere Haftung des Substrats an der Zwischenplatte kann beispielsweise dadurch hervorgerufen werden, dass das Werkzeug mit einer besseren Antihaftbeschichtung versehen ist als die Zwischenplatte oder dass die Zwischenplatte partiell aufgeraut ist.
Auf diese Weise lässt sich eine automatisierbare Trennung des Substrates vom Prägewerkzeug realisieren. Da das Substrat lediglich zeitweise vom Substratträger angesaugt wird, ohne mit diesem mechanisch verbunden zu sein, lässt sich auch ein Substratwechsel sehr schnell automatisierbar durchführen. Der Einsatz der Zwischen- platte, die sich ebenfalls automatisierbar einbringen und wieder entfernen lässt, verhindert ein Abformen der im Substratträger integrierten Kanäle in das Substrat.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des vor- liegenden Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung weist auch der Werkzeugträger ein oder mehrere integrierte Kanäle auf, über die sich das Prägewerkzeug mittels Unterdruck ansaugen lässt. Durch die Ansaugung wird jeweils eine temporäre kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Werkzeugträger und dem Prägewerkzeug bzw. zwischen dem Substratträger und dem Substrat erzeugt, die es ermöglicht, Substrat und Prägewerkzeug nach dem Prägevorgang in einem automatisierbaren Arbeitsschritt wieder ohne zusätzliche manuelle Arbeitsschritte zu trennen. Die Ansaugung wird dabei vorzugsweise jeweils nur dann aktiviert, wenn das Substrat von der Zwischenplatte oder vom Prägewerkzeug getrennt werden soll . Durch die Ausgestaltung des Werkzeugträgers mit entsprechenden Ansaugkanälen werden eine automatische, regelbare Fixierung oder Lösung des Prägewerkzeugs für einen automatisierten Prägeprozess sowie ein sehr schneller Werkzeugwechsel ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden das Prägewerkzeug und das Substrat sowie optional auch die Zwischenplatte vor der Positionierung auf dem Substratträger, vorzugsweise außerhalb der Abformvorrichtung, exakt für den
Prägeprozess zueinander ausgerichtet. Anschließend wird der so gebildete Stapel auf dem Substratträger positioniert. Dieser Schritt ist beispielsweise in einer handelsüblichen Justagevorrichtung für HaIb- leiterfügeprozesse durchführbar. Besondere Vorteile ergeben sich hierbei, wenn die Zwischenplatte ebenfalls eine Prägestruktur aufweist, so dass das Substrat gleichzeitig von zwei Seiten geprägt wird. Die Zwischenplatte stellt hierbei ein Gegenwerkzeug zum Prägewerkzeug dar. Gerade bei Einsatz eines derartigen Werkzeugpaars von Prägewerkzeug und Gegenwerkzeug ist die gegenseitige Justage sehr wichtig.
Alternativ ist es auch möglich, die Justage innerhalb der Abformvorrichtung vorzunehmen. Dafür muss an der Abformvorrichtung eine optische, akustische oder mechanische Kontrollmöglichkeit vorgesehen sein, die eine exakte Positionierung von Werkzeugträger und Substratträger parallel gegeneinander sowie deren Drehung ermöglicht. Zumindest eine der beiden Komponenten muss dabei horizontal gegen die andere Komponente verfahrbar und/oder drehbar sein.
Die Ansaugung bzw. Halterung des Substrates, der Zwischenplatte und des Prägewerkzeugs mittels Unterdruck kann in unterschiedlicher Weise umgesetzt werden. So kann an die entsprechenden integrierten Kanäle eine Pumpe angeschlossen werden, über die der Druck in den Kanälen geringer als der Druck in der Abformvorrichtung selbst ist. Findet der Prägevorgang beispielsweise in einer geschlossenen Kammer statt, so ist der Druck in den Kanälen bei der Entformung niedriger als der Kammerdruck. Neben dieser aktiven Erzeugung eines Unterdrucks in den Kanälen ist es bei der Durchführung des Prägevorgangs in einer geschlossenen Kammer auch möglich, die Ansaugung durch entsprechende Variation des Kammerdrucks zu erreichen. Hierbei ist es erforderlich, dass die integrierten Kanäle durch das Aufliegen des Substrats, der Zwischenplatte sowie des
Prägewerkzeugs vollkommen abgeschlossen werden. Durch Absenken des Drucks in der Kammer und anschließendes Anpressen der jeweiligen Komponente an dem Substratträger oder den Werkzeugträger wird der niedrige Druck in den Kanälen weiter aufrechterhalten, wenn anschließend der Kammerdruck wieder angehoben wird. Die Erhöhung des Kammerdrucks führt damit automatisch zu einer Fixierung der jeweiligen Komponente am Substratträger bzw. am Werkzeugträger. Durch Anheben und Absenken des Kammerdrucks in den entsprechenden Phasen des vorliegenden Verfahrens kann somit ebenfalls die gewünschte Ansaugwirkung erzielt werden. Die vorliegende Vorrichtung umfasst dementsprechend einen Substratträger, der ein oder mehrere integrierte Kanäle zum Ansaugen eines Substrates oder Objektes mittels Unterdruck aufweist, einen Werkzeugträger für ein Prägewerkzeug, einen
Antriebsmechanismus zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Werkzeugträger und Substratträger, durch die das Prägewerkzeug in eine Oberfläche des Substrats gepresst werden kann, sowie eine Steuerung für den Antriebsmechanismus. Vorzugsweise weist auch der
Werkzeugträger ein oder mehrere integrierte Kanäle zum Ansaugen des Prägewerkzeugs mittels Unterdruck auf. Die Steuerung ist bei der vorliegenden Vorrichtung derart ausgestaltet, dass sie den Antrieb zur Durchführung des Prägevorgangs, zum anschließenden Trennen des Substrats von der Zwischenplatte oder vom Prägewerkzeug, sowie in einer Alternative zum nachfolgenden Auflegen des Substrats auf den Substratträger und zum abschließenden Trennen des Substrats vom Prägewerkzeug ansteuert. Vorzugsweise sind in die Steuerung auch ein oder mehrere Pumpen, insbesondere Vakuumpumpen, einbezogen, die von der Steuerung zum entsprechenden Ansaugen oder Freigeben des Substrats sowie optional der Zwischenplatte und/oder des Prägewerkzeugs angesteuert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung auch eine Transporteinrichtung zum automatisierten Einbringen und Entfernen der Zwischen- platte und des Substrats auf, die vorzugsweise einen verfahrbaren Schlitten für den Transport aufweist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung vorzugsweise eine gasdicht abschließbare Kammer, die es ermöglicht, den Prägeprozess unter verschiedenen Gasatmosphären und bei unterschiedlichen Gasdrücken durchzuführen. Werkzeugträger und Substratträger sind vorzugsweise mit ein oder mehreren Heiz- und Kühleinrichtungen ausgestattet, mit denen diese Komponenten zeitweise auf bestimmten Temperaturen gehalten werden können.
Die vorliegende Vorrichtung kann vorteilhaft durch geringfügige Umrüstung bereits existierender Vor- richtungen. der Fügetechnik erhalten werden, die über zumindest prinzipiell als Werkzeugträger und Substratträger nutzbare und heizbare Komponenten verfügen. Die für die Vorrichtung erforderlichen integrierten Kanäle können entweder durch Austausch der entsprechenden bereits vorhandenen Träger realisiert oder nachträglich in die existierenden Komponenten eingebracht werden. Bei einer derartigen Vorrichtung kann es sich beispielsweise um einen handelsüblichen Substratbonder der Halbleitermikrotechnologie handeln.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Das vorliegende Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungs- beispielen in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des durch die Patentansprüche vorgegebenen Schutzbereichs nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel für die Vorgehensweise beim vorliegenden Verfahren;
Fig. 2 ein Beispiel für einen Werkzeugträger und einen Substratträger mit integrierten Kanälen; und Fig. 3 schematisch ein Beispiel für den Aufbau der vorliegenden Vorrichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die einzelnen Verfahrensschritte bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens werden im Folgenden anhand der Fig. Ia) bis If) an einem Beispiel erläutert.
Vor dem Einbringen in die Vorrichtung werden hierbei zunächst das Prägewerkzeug 3 , das Substrat 7 und die Zwischenplatte 4 geeignet ausgerichtet übereinander gestapelt. Prägewerkzeug 3 und
Zwischenplatte 4 bestehen dabei in diesem Beispiel aus einem keramischen Material, das Substrat 7 aus einem Polymermaterial .
Anschließend wird dieser Stapel mit einem
Schlitten 11 auf dem Substratträger 1 der Prägevorrichtung positioniert, wie dies in der Teilabbildung a) zu erkennen ist. Durch Einstellung von bestimmten Prozesstemperaturen durch im Substratträger 1 und/oder im Werkzeugträger 2 integrierten
Heizelemente ist es möglich, Substrat 7 und Prägewerkzeug 3 entweder auf gleiche oder auf unterschiedliche Temperaturen zu bringen und diese Temperaturen während des Prozessdurchlaufs durch Regelung aufrecht zu erhalten oder zu ändern. Weiterhin kann bei Einsatz einer Vorrichtung mit einer Prozesskammer eine geeignete Gasumgebung für den Prägeprozess geschaffen werden, so dass verschiedene Gase oder Gasgemische unter Unterdruck, Normaldruck oder Überdruck den Prägeprozess begleiten können. Auch dies kann geregelt und während des Prozessablaufs änderbar erfolgen.
Nach Erreichen der erforderlichen Präge- temperaturen, insbesondere beim Heißprägen, wird das Prägewerkzeug 3 mit dem Werkzeugträger 2 gegen das Substrat 7 gepresst, wie dies in Teilabbildung b) zu erkennen ist. Dies erfolgt unter regelbarer Kraft, wobei eine Strukturübertragung von der Prägestruktur des Prägewerkzeugs 3 auf das Substrat 7 erfolgt .
Im nächsten Schritt wird die Ansaugung im Werkzeugträger 2 aktiviert, so dass das Prägewerkzeug 3 zusammen mit dem aufgrund des Prägevorgangs daran haftenden Substrat 7 vom Werkzeugträger 2 gehalten wird. Gleichzeitig wird durch Aktivierung der Ansaugung im Substratträger 1 die Zwischenplatte 4 vom Substrat- träger gehalten. Durch eine Abhebebewegung des Werkzeugträgers 2 wird daher das Substrat 7 von der
Zwischenplatte 4 getrennt, wie dies in Teilabbildung c) zu erkennen ist. Die Zwischenplatte 4 kann nun mit dem Schlitten 11 vom Substratträger 1 entfernt werden (Teilabbildung d) ) .
Anschließend wird der Werkzeugträger 2 mit dem daran haftenden Stapel aus Prägewerkzeug 3 und Substrat 7 wieder gegen den Substratträger 1 bewegt, bis das Substrat 7 auf dem Substratträger 1 aufliegt (Teil- abbildung e) ) . Nun wird wiederum die Ansaugung im
Substratträger 1 aktiviert, so dass das Substrat 7 vom Substratträger 1 gehalten wird. In diesem Zustand wird der Werkzeugträger 2, von dem noch immer das Präge- Werkzeug 3 angesaugt wird, vom Substratträger abgehoben, so dass sich Prägewerkzeug 3 und Substrat 7 voneinander trennen. Das fertig strukturierte Substrat 7 kann nun mit dem Schlitten 11 entfernt werden und der Prozess von neuem beginnen (Teilabbildung f) ) . Die Abhebebewegung des Werkzeugträgers 2 bzw. das Auseinanderziehen von Werkzeugträger 2 und Substratträger 1 erfolgen jeweils mit definierter Geschwindigkeit.
Die in dieser Figur dargestellte Verfahrensfolge ermöglicht somit ein automatisches Trennen von Zwischenplatte 4 und Substrat 7 sowie von Substrat 7 und Prägewerkzeug 3 in einem automatisierbaren Entformprozess. Fig. 2 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausgestaltung des Werkzeugträgers 2 sowie des
Substratträgers 1. In der Figur sind diese beiden Träger 1, 2 als plattenförmige Komponenten dargestellt, in denen die integrierten Kanäle 5 für die Ansaugung angedeutet sind. Diese Kanäle sind jeweils mit einem Anschluss 6 für eine Vakuumpumpe verbunden, über die der entsprechende Unterdruck erzeugt oder abgeschaltet werden kann. Die Figur zeigt hierbei den Werkzeugträger 2 mit einem angesaugten Prägewerkzeug 3, dessen Prägestruktur deutlich erkennbar ist. Auf dem Substratträger 1 liegt in diesem Beispiel die Zwischenplatte 4 mit dem darauf befindlichen Substrat 7 auf.
Ein Beispiel für den Aufbau der vorliegenden Vorrichtung. In der Figur sind der Werkzeugträger 2 sowie der gegenüberliegende Substratträger 1 zu erkennen, die über einen entsprechenden Antriebsmechanismus 8 geeignet in Pfeilrichtung gegeneinander bewegt werden können, um den Prägevorgang durchzu- führen. Die beiden Träger 1, 2 weisen integrierte Heizelemente 12 auf, über die das Prägewerkzeug sowie das Substrat auf einer definierten Temperatur gehalten werden können. Weiterhin sind diese beiden Träger 1, 2 mit Vakuumpumpen 10 verbunden, über die der erforderliche Unterdruck zum Ansaugen des Substrats bzw. des Prägewerkzeugs eingestellt werden kann. Sowohl der Antriebsmechanismus 8 als auch die Vakuumpumpen 10 sind mit einer Steuerung 9 verbunden, die diese Komponenten entsprechend zur Durchführung des Verfahrens ansteuert. In der Figur ist weiterhin ein Schlitten 11 erkennbar, über den automatisiert das Substrat und die Zwischenplatte auf dem Substratträger positioniert und auch wieder von diesem entfernt werden können. Auch dieser Transportschlitten 11 wird über die Steuerung 9 angesteuert .
Bezugszeichenliste
1 Substratträger
2 Werkzeugtrager
3 Prägewerkzeug
4 Zwischenplatte
5 Integrierte Kanäle
6 Anschluss für Pumpe
7 Substrat
8 Antrieb
9 Steuerung
10 Vakuumpumpen
11 Schlitten
12 Heizelemente

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Abformen von Strukturen, bei dem
- ein Substrat (7) auf einem Substratträger (1) positioniert wird, der ein oder mehrere integrierte Kanäle (5) zum Ansaugen des Substrates (7) mittels Unterdruck aufweist,
- in einem Prägevorgang ein Prägewerkzeug (3) in Kontakt mit einem Werkzeugträger (2) in eine Oberfläche des Substrats (7) gepresst wird, um eine Strukturübertragung vom Prägewerkzeug (3) auf das Substrat (7) zu erreichen, und
- das Substrat (7) und das Prägewerkzeug (3) wieder voneinander getrennt werden, indem der Substrat - träger (1) , an dem das Substrat (7) bei diesem Schritt durch Ansaugen gehalten wird, und der
Werkzeugträger (2), von dem das Prägewerkzeug (3) bei diesem Schritt gehalten wird, auseinander bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Positionierung zwischen das Substrat
(7) und den Substratträger (1) eine Zwischenplatte (4) eingebracht wird, nach dem Prägevorgang und vor dem Trennen des Substrats (7) vom Prägewerkzeug (3) das am Prägewerkzeug (3) haftende Substrat (7) von der Zwischenplatte (4) getrennt wird, indem der
Substratträger (1) , auf dem die Zwischenplatte (4) aufliegt, und der Werkzeugträger (2) , von dem das Prägewerkzeug (3) bei diesem Schritt gehalten wird, auseinander bewegt werden, die Zwischenplatte (4) anschließend vom Substratträger (1) entfernt wird, und das Substrat (7) durch entgegen gesetzte Bewegung von Substratträger (1) und/oder Werkzeugträger (2) mit dem Substratträger (1) in Kontakt gebracht und durch Ansaugen gehalten wird.
2. Verfahren zum Abformen von Strukturen, bei dem
- ein Substrat (7) auf einem Substratträger (1) positioniert wird, der ein oder mehrere integrierte Kanäle (5) zum Ansaugen eines aufgelegten Objekts mittels Unterdruck aufweist,
- in einem Prägevorgang ein Prägewerkzeug (3) in Kontakt mit einem Werkzeugträger (2) in eine Oberfläche des Substrats (7) gepresst wird, um eine Strukturübertragung vom Prägewerkzeug (3) auf das Substrat (7) zu erreichen, und
- das Substrat (7) und das Prägewerkzeug (3) wieder voneinander getrennt werden, indem der Substrat- träger (1) und der Werkzeugträger (2) , von dem das Prägewerkzeug (3) bei diesem Schritt gehalten wird, auseinander bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Positionierung zwischen das Substrat (7) und den Substratträger (1) eine Zwischenplatte (4) eingebracht wird, an der das Substrat (7) nach dem Prägevorgang stärker haftet als am Prägewerkzeug (3) , wobei die Zwischenplatte (4) am Substratträger (2) durch Ansaugen gehalten wird, während der Substratträger (1) und der Werkzeugträger (2) auseinander bewegt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenplatte (4) zum Trennen von dem Substrat (7) durch den Substratträger (1) angesaugt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Werkzeugträger (1) eingesetzt wird, der ein oder mehrere integrierte Kanäle (5) zum Ansaugen des Prägewerkzeugs (3) mittels Unterdruck aufweist, und das Prägewerkzeug (3) bei den Trennschritten vom Werkzeugträger (2) durch Ansaugen gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägewerkzeug (3) und das Substrat (7) zunächst übereinander gelegt und für den Prägevorgang ausgerichtet und anschließend als Stapel auf dem Substratträger (1) positioniert werden .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Prägewerkzeug (3) , das Substrat (7) und die Zwischenplatte (4) zunächst übereinander gelegt und für den Prägevorgang ausgerichtet und anschließend als Stapel auf dem Substratträger (1) positioniert werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zwischenplatte (4) mit einer zum Substrat (7) gerichteten prägenden Oberflächenstruktur eingesetzt wird, um eine beidseitige Prägung des Substrats (7) zu erreichen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, dass der Unterdruck zum Halten des Substrats (7) oder der Zwischenplatte (4) und/oder des Prägewerkzeugs (3) durch ein oder mehrere Pumpen (10) erzeugt wird, die mit den integrierten Kanälen (5) verbunden werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Prägevorgang in einer geschlossenen Kammer erfolgt, deren Druck zeitlich so variiert wird, dass das Ansaugen des Substrates (7) und/oder der Zwischenplatte (4) und/oder des Prägewerkzeugs (3) durch die Druckvariation erreicht wird.
10. Vorrichtung zum Abformen von Strukturen, mit - einem Substratträger (1) , der ein oder mehrere integrierte Kanäle (5) zum Ansaugen eines aufliegenden Objektes oder Substrats (7) mittels Unterdruck aufweist,
- einem Werkzeugträger (2) für ein Prägewerkzeug (3),
- einem Antriebsmechanismus (8) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Werkzeugträger (2) und Substratträger (1) , durch die das Prägwerkzeug (3) in eine Oberfläche des Substrats (7) gepresst werden kann, um eine Strukturübertragung vom
Prägewerkzeug (3) auf das Substrat (7) zu erreichen, sowie
- einer Steuerung (9) für den Antriebsmechanismus (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (9) den Antriebsmechanismus (8) so ansteuert, dass entweder nach dem Prägevorgang der Substratträger (1) und der Werkzeugträger (2) zunächst auseinander bewegt werden, um eine Zwischenplatte (4) zu entfernen, anschließend wieder zusammen bewegt werden, um das Substrat (7) am Substratträger (1) anzusaugen und schließlich wieder auseinander bewegt werden, um Substrat (7) und Prägwerkzeug (3) zu trennen, oder nach dem Prägevorgang der Substratträger (1) und der Werkzeugträger (2) auseinander bewegt werden, während eine auf dem Substratträger (1) aufliegende Zwischenplatte (4) durch Ansaugen am Substratträger (2) gehalten wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugträger (2) ein oder mehrere integrierte Kanäle (5) zum Ansaugen des Prägewerkzeugs (3) mittels Unterdruck aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transportmechanismus (11) vorgesehen ist, mit dem zumindest das Substrat (7) und eine Zwischenplatte (4) automatisch auf den Substratträger (1) transportiert oder von diesem entfernt werden können.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (9) ein oder mehrere Vakuumpumpen (10) zum Ansaugen des Substrats (7) oder der Zwischenplatte (4) und/oder des Prägewerkzeugs (3) ansteuert.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugträger (2) und/oder der Substratträger (1) eine integrierte Heiz- und Kühleinrichtung (12) aufweisen.
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