WO2010004006A2 - Device and method for impressing structures in a substrate, in particular in optical data storage media, semiconductor structures and microstructures - Google Patents

Device and method for impressing structures in a substrate, in particular in optical data storage media, semiconductor structures and microstructures Download PDF

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Definitions

  • Device and method for embossing structures in a substrate in particular in optical data carriers, semiconductor structures and
  • the invention relates to a device and a method for embossing structures in a substrate under protected conditions, as used in particular in optical data carriers, semiconductor structures and microstructures.
  • optical data carriers typically involves an embossing process for embossing data structures into the substrate.
  • embossed substrate free of unwanted inclusions
  • z. B. air bubbles to hold the stamping process takes place under vacuum or vacuum.
  • Conventional embossing plants realize the negative pressure by means of a largely tight chamber which completely encloses at least the compulsory directly involved components of the embossing device.
  • These components comprise the embossing head with the stamper attached thereto, the part of the typically flat, smooth support opposite this embossing head, and the moldable substrate which is injected or inserted prior to the embossing and which is e.g. B. is typically made of polycarbonate in the case of optical data carriers.
  • the carrier serves as a base and z. B. formed by a stable glass plate.
  • the surface of the punch, which is held on the embossing head, has many smallest projections, which serve as a negative for the introduced into the blank pits, whose arrangement represents the fixed data on the data carrier.
  • the conventional embossing in a chamber at low pressure is z.
  • J PA-1-101126 US 5,078,947 A and DE 22 63 712 A described.
  • DE 101 00 426 B4 an apparatus for joining two substrates in a closed chamber is described; in this known device, the plate carrying a substrate is connected to a flexible membrane and supported by it floating relative to the other plate. The movement of Floating plate is done by adjusting the pressure difference on opposite side of the membrane. A controlled embossing process is not possible with such a movement course.
  • Fig. 1 shows schematically a conventional embossing device.
  • the carrier 1 is z. B. formed by a central, enclosed in a metal frame glass plate.
  • the carrier is typically planar and configured such that a moldable substrate 2 can be applied to its surface.
  • the information structures are impressed during the embossing process 2.
  • the punch 3 is located directly on the embossing head 4, which is located entirely within the chamber, which is formed by the chamber lid 5 and the carrier 1.
  • the embossing head 4 is held, guided and moved by means of an external lifting slide device (not shown) via lifting axles 6. These lifting axles 6 are guided through gas-tight sliding bushings 31 through the chamber lid 5.
  • the number and position of the Hubachsen 6 is variable, but these axes should be distributed as symmetrical as possible for stability reasons. An optimum represent three axes or a central axis.
  • the necessary negative pressure for sucking the punch 3 to the embossing head 4, can be generated via the line 7, and the air discharged, are.
  • a vacuum or vacuum can be generated by means of a vacuum generating device 100 or pumping arrangement.
  • This vacuum region 10 is formed by the chamber described above and the sealing surface 11 with sealing ring 12.
  • the chamber can be opened along the sealing surface 11, which corresponds to the contact surface of the carrier 1 and chamber lid 5, z.
  • the chamber lid 5 also upper section of the chamber
  • the chamber lid 5 is vertically (see arrow A - parallel to the embossing force and center axis Z) movable to create a horizontal space along the open sealing surface 11 or to close this.
  • a negative pressure can be generated in the pressure chamber, ie in a device according to FIG. 1, the upper section of the pressure chamber must again be placed along the sealing surface 11.
  • the closed chamber also protects against external influences, such. As impurities, dust or light, regardless of whether in the chamber a certain working pressure is maintained.
  • a blank adhering to the stamp 3 after embossing can be removed by applying pressure.
  • the required relative to the chamber lid 5 movable supply ports 7 (and possibly existing other lines) require sliding bushings 30, which represent additional wearing parts and additional leaks. This applies in particular also to the sliding bushings 31 of the lifting axles 6.
  • the embossing chamber 10 is connected to a vacuum generating device 100 via a flexible feed.
  • a short movement of the chamber lid is necessary because the chamber must be opened to remove the embossed blank.
  • the underside of the chamber forming the carrier 1 is usually formed as a glass plate on a turntable which is temporarily covered with the substrate to be embossed. Therefore, the bottom of the chamber is not suitable for connections for sucking the air.
  • a movable air suction duct (vacuum supply) was therefore realized by means of a flexible hose attached to the chamber lid. This requires a complex installation of the air suction and complicates a complete chamber opening, z. B. for service purposes or to change stamper.
  • the invention proceeds from the basic idea of forming the chamber lid as an embossing head and / or to use a self-closing connection for the vacuum connection. This is made possible by a deformable sealing between the embossing head and the substrate carrier or by a separable self-sealing vacuum coupling in the vacuum channel.
  • the attachment of the lifting axis and the optional supply connections takes place directly on the embossing head.
  • the supply connections can z. B. for discharging air for sucking the stampers to the embossing head or the blowing off of the embossed substrate serve by the stamper.
  • the supply connections and the stroke axis or the stroke axes can be arranged on the atmosphere side and fixed to the embossing head.
  • the seal diaphragm allows relative movement between the outer ring flange and the stamping head with punch during the embossing stroke.
  • the solution according to the invention is inexpensive and allows good accessibility for service purposes.
  • the volume to be evacuated, the surfaces exposed to the vacuum in the interior of the vacuum chamber as well as narrow gaps, which can only be evacuated poorly, are significantly reduced compared to the prior art (see FIG. This reduces the required pumping time for vacuum generation and thus the production cycle time, thus increasing productivity.
  • the vacuum coupling according to the invention allows the use of stationary vacuum shut-off valves.
  • the spring-loaded contact head moves along with the chamber lid or the outer annular flange during the entire process, wherein the vacuum connection takes place via a flexible connection in the axial direction of the vacuum channel.
  • no tools and no additional drive for the separation or connection process of the vacuum coupling are required.
  • the vacuum connection is automatically disconnected. After a pivoting movement, z. B. by 90 °, the embossing head velvet Stamper is comfortable from the side, z. B. for maintenance purposes, fully accessible.
  • FIGS. 2a and 2b schematically embossing devices according to the invention with the chamber closed
  • FIG. 3a shows a schematic detail view of the vacuum connection according to the invention with closed embossing chamber and with closed vacuum coupling corresponding to the framed connection to the vacuum generator 100 from FIG. 2, and FIG. 3b the vacuum connection according to the invention with open vacuum coupling.
  • At least a part of the chamber wall consists of a deformable section, which allows a relative movement of the embossing head in the embossing direction to the carrier. Schematically this is shown in Fig. 2.
  • the deformable section consists of the outer annular wall 15 and a deformable rubber diaphragm 20, which functions as a movable and sealed connection between embossing head 4 and annular wall 15.
  • This sealing ring or membrane 20 seals the outer ring wall 15 from the embossing head 4 out, so that a relative movement between the embossing head 4 and sealingly seated on the support 1 outer annular wall 15 and thus between the carrier 1 and the embossing head 4 is made possible for the embossing ; the movable embossing head 4 thus simultaneously forms part of the pressure chamber wall or the chamber lid.
  • the annular wall 15 sits on the sealing surface 11 with the O-ring 12 on the carrier 1.
  • FIG. 2b is instead of the rubber membrane 20 (Fig. 2a) between an outwardly projecting flange 22 of the embossing head 4 and the annular wall 15 in the axial direction yielding tubular element, such as in the form of a bellows 21 or resilient material such , As rubber provided.
  • the outer ring wall 15 is anticipatory, ie it sets first on the carrier 1, while the embossing head 4 until completion of the vacuum generation in an upper position with sufficient distance from the carrier 1 or substrate 2 remains because the carrier 1 remains rigidly positioned with the overlying substrate 2 in the overall system, not shown, and with respect to the drive, not shown, for the lifting axles 6 in the axial direction Z.
  • This advance can z. B. by a (not shown) adjustable stop for determining the Maximalausschung between the embossing head 4 and the annular wall 15 in the axial direction Z are minimized in a simple manner.
  • the embossing step takes place, in which the embossing head 4 approaches the stamp 3 for embossing the structure in the substrate 2 to this substrate. Since the embossing head 4 at the same time forms the chamber lid, 7 sliding bushings are no longer required for the Hubachsen 6 and possibly provided supply lines.
  • the lateral portion can be realized without the outer ring wall 15, such as by the membrane 20 directly between embossing head 4 and carrier 1 z. B. is formed alstatid on the carrier 1.
  • Chamber volume further reduced and with the channel 101 to 105 closed
  • FIG. 3a and 3b Another aspect of the present invention relates to the vacuum coupling, which is shown in more detail in Fig. 3a and 3b.
  • a vacuum coupling is used in the connecting vacuum channel or pressure channel 101 to 105.
  • an adapter 101 is mounted as part of the channel 101 to 105 fixed to the outer ring wall 15 and chamber wall.
  • the downwardly facing connection opening of the adapter 101 forms the coupling point 102 of the channel 101 to 105, in which an O-ring 107 is provided for sealing.
  • This connection opening of the adapter 101 is completely sealed on a spring-loaded contact head 103, 106 during the entire production phase, which comprises a plurality of embossing cycles.
  • the adapter 101 and the contact head 103 are movable in the z-direction, wherein the contact at the coupling point 102 remains closed.
  • the contact head 103 is connected to the fixed connection portion 105, which leads to a pressure reservoir or a pump 100, via a flexible, dense bellows 104, z. As rubber or metal, connected.
  • the contact head 103 is slidably positioned by guides 106b and compression springs 106a in the axial direction.
  • the guides 106b allow a displacement of the contact head exclusively in the z-direction, and the compression springs 106a cause a contact pressure at the coupling point 102 during the movement to the chamber opening.
  • This movement of the contact head 103 can be supported by a motor drive, not shown, a pneumatic cylinder or a hydraulic cylinder.
  • the embossing head 4 together with the embossing chamber must be moved out of the engagement area after each embossing cycle.
  • the coupling point 102 remains closed while the embossing chamber is opened at the sealing surface 11.
  • the embossing head 4 is moved after opening on the sealing surface 11 in the upper position at a greater distance from the carrier 1, wherein according to FIG. 3b, the vacuum connection is automatically released at the coupling point 102. Thereafter, the unit together with the embossing head to z. B. be pivoted 90 °.

Abstract

In the manufacture of optical data storage media, data structures are impressed into the substrate (2) in a protective chamber under vacuum. The impression head (4) forms the chamber cover through a flexible seal (20, 21) between the impression head (4) and the support (1) holding the substrate (2) to be impressed. This enables the chamber volume to be reduced and thus low pumping and cycle times as well as good access by the impression head (4). In addition, a self-sealing coupling can be used in the supply canal (101 to 105) between the chamber and the working pressure generating device (100). This makes it possible to quickly exchange the stamper (3) attached to the impression head (4) as a result of the good accessibility of the chamber interior.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Prägen von Strukturen in einem Substrat, insbesondere in optischen Datenträgern, Halbleiterstrukturen und Device and method for embossing structures in a substrate, in particular in optical data carriers, semiconductor structures and
Mikrostrukturenmicrostructures
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Prägen von Strukturen in ein Substrat unter geschützten Bedingungen, wie sie insbesondere bei optischen Datenträgern, Halbleiterstrukturen und Mikrostrukturen zu Anwendung kommen.The invention relates to a device and a method for embossing structures in a substrate under protected conditions, as used in particular in optical data carriers, semiconductor structures and microstructures.
Die Herstellung optischer Datenträger (z. B. CD, DVD) beinhaltet typischerweise einen Prägevorgang (engl. Embossing) zum Einprägen von Datenstrukturen in das Substrat. Um das geprägte Substrat frei von ungewollten Einschlüssen, z. B. Luftbläschen, zu halten, findet der Prägevorgang bei Unterdruck bzw. Vakuum statt. Herkömmliche Prägeanlagen realisieren den Unterdruck mittels einer weitgehend dichten Kammer, die zumindest die zwingend direkt beteiligten Komponenten der Prägevorrichtung vollständig umschließt. Diese Komponenten umfassen den Prägekopf mit dem daran befestigten Stempel (engl, stamper), den diesem Prägekopf gegenüberliegenden Teil des typischerweise ebenen, glatten Trägers und das vor dem Prägen injizierte oder eingelegte formbare Substrat, das z. B. im Falle von optischen Datenträgern typischerweise aus Polycarbonat besteht. Der Träger dient als Unterlage und wird z. B. durch eine stabile Glasplatte gebildet. Die Oberfläche des Stempels, der am Prägekopf gehalten wird, weist viele kleinste Erhebungen auf, die als Negativ für die in den Rohling einzubringenden Vertiefungen (engl, pits) dienen, deren Anordnung die fest vorgegebenen Daten auf dem Datenträger repräsentiert.The production of optical data carriers (eg CD, DVD) typically involves an embossing process for embossing data structures into the substrate. To the embossed substrate free of unwanted inclusions, z. B. air bubbles, to hold the stamping process takes place under vacuum or vacuum. Conventional embossing plants realize the negative pressure by means of a largely tight chamber which completely encloses at least the compulsory directly involved components of the embossing device. These components comprise the embossing head with the stamper attached thereto, the part of the typically flat, smooth support opposite this embossing head, and the moldable substrate which is injected or inserted prior to the embossing and which is e.g. B. is typically made of polycarbonate in the case of optical data carriers. The carrier serves as a base and z. B. formed by a stable glass plate. The surface of the punch, which is held on the embossing head, has many smallest projections, which serve as a negative for the introduced into the blank pits, whose arrangement represents the fixed data on the data carrier.
Das herkömmliche Prägen in einer Kammer bei Unterdruck wird z. B. in der J P-A- 1- 101126, der US 5,078,947 A und der DE 22 63 712 A beschrieben. Aus der DE 101 00 426 B4 ist eine Vorrichtung zum Zusammenfügen von zwei Substraten in einer geschlossenen Kammer beschrieben; bei dieser bekannten Vorrichtung ist die das eine Substrat tragende Platte mit einer flexiblen Membran verbunden und durch sie gegenüber der anderen Platte schwimmend gelagert. Die Bewegung der schwimmend gelagerten Platte erfolgt durch die Einstellung der Druckdifferenz auf gegenüberliegender Seite des Membran. Ein kontrollierter Prägeprozess ist bei einem derartigen Bewegungsverlauf nicht möglich.The conventional embossing in a chamber at low pressure is z. For example, in J PA-1-101126, US 5,078,947 A and DE 22 63 712 A described. From DE 101 00 426 B4 an apparatus for joining two substrates in a closed chamber is described; in this known device, the plate carrying a substrate is connected to a flexible membrane and supported by it floating relative to the other plate. The movement of Floating plate is done by adjusting the pressure difference on opposite side of the membrane. A controlled embossing process is not possible with such a movement course.
Fig. 1 zeigt schematisch eine herkömmliche Prägevorrichtung. Der Träger 1 wird z. B. durch eine zentrale, in einem Metallrahmen eingefasste Glasplatte gebildet. Der Träger ist typischerweise eben und so ausgebildet, dass auf seiner Oberfläche ein formbares Substrat 2 aufgebracht werden kann. In diesen zwischen den Stempel 3 und den Träger 1 eingelegten Substrat-Rohling 2 werden beim Prägevorgang 2 die Informationsstrukturen eingeprägt. Der Stempel 3 liegt direkt am Prägekopf 4 an, der sich vollständig innerhalb der Kammer befindet, die durch den Kammerdeckel 5 und den Träger 1 gebildet wird. Der Prägekopf 4 wird durch eine externe nicht gezeigte Hub-Schiebe-Vorrichtung über Hubachsen 6 gehalten, geführt und bewegt. Diese Hubachsen 6 werden über gasdichte Schiebe-Durchführungen 31 durch den Kammerdeckel 5 geführt. Die Anzahl und Position der Hubachsen 6 ist variabel, jedoch sollten diese Achsen aus Stabilitätsgründen möglichst symmetrisch verteilt sein. Ein Optimum stellen drei Achsen bzw. eine Zentralachse dar.Fig. 1 shows schematically a conventional embossing device. The carrier 1 is z. B. formed by a central, enclosed in a metal frame glass plate. The carrier is typically planar and configured such that a moldable substrate 2 can be applied to its surface. In these inserted between the punch 3 and the carrier 1 substrate blank 2, the information structures are impressed during the embossing process 2. The punch 3 is located directly on the embossing head 4, which is located entirely within the chamber, which is formed by the chamber lid 5 and the carrier 1. The embossing head 4 is held, guided and moved by means of an external lifting slide device (not shown) via lifting axles 6. These lifting axles 6 are guided through gas-tight sliding bushings 31 through the chamber lid 5. The number and position of the Hubachsen 6 is variable, but these axes should be distributed as symmetrical as possible for stability reasons. An optimum represent three axes or a central axis.
Sowohl diese Schiebe-Durchführungen 31 , als auch die Durchführungen 30 für die Versorgungsanschlüsse 7 bis 9 verlaufen abgedichtet und beweglich durch den Kammerdeckel 5.Both these sliding bushings 31, as well as the passages 30 for the supply ports 7 to 9 are sealed and movable through the chamber lid. 5
Der nötige Unterdruck zum Ansaugen des Stempels 3 an den Prägekopf 4, kann über die Leitung 7 erzeugt, bzw. die Luft abgeführt, werden. Innerhalb der Kammer kann mit Hilfe einer Vakuumerzeugungsvorrichtung 100 bzw. Pumpanordnung ein Unterdruck oder Vakuum erzeugt werden. Dieser Vakuumbereich 10 wird durch die oben beschrieben Kammer und die Dichtfläche 11 mit Dichtungsring 12 gebildet.The necessary negative pressure for sucking the punch 3 to the embossing head 4, can be generated via the line 7, and the air discharged, are. Within the chamber, a vacuum or vacuum can be generated by means of a vacuum generating device 100 or pumping arrangement. This vacuum region 10 is formed by the chamber described above and the sealing surface 11 with sealing ring 12.
Die Kammer kann entlang der Dichtfläche 11 , welche der Kontaktfläche von Träger 1 und Kammerdeckel 5 entspricht, geöffnet werden, z. B. zur späteren Entnahme der geprägten Rohlinge 2. Der Kammerdeckel 5 (auch oberer Abschnitt der Kammer) ist dabei vertikal (vgl. Pfeil A - parallel zur Prägekraftrichtung und Mittelachse Z) beweglich, um einen horizontalen Zwischenraum entlang der geöffneten Dichtfläche 11 zu schaffen bzw. diesen zu schließen. Nach dem Verschließen kann in der Druckkammer ein Unterdruck erzeugt werden, d. h. bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 1 muss der obere Abschnitt der Druckkammer wieder entlang der Dichtfläche 11 aufgesetzt haben. Die abgeschlossene Kammer schützt auch vor äußeren Einflüssen, wie z. B. Verunreinigungen, Staub oder Licht, unabhängig davon, ob in der Kammer ein bestimmter Arbeitsdruck aufrechterhalten wird.The chamber can be opened along the sealing surface 11, which corresponds to the contact surface of the carrier 1 and chamber lid 5, z. The chamber lid 5 (also upper section of the chamber) is vertically (see arrow A - parallel to the embossing force and center axis Z) movable to create a horizontal space along the open sealing surface 11 or to close this. After closing, a negative pressure can be generated in the pressure chamber, ie in a device according to FIG. 1, the upper section of the pressure chamber must again be placed along the sealing surface 11. The closed chamber also protects against external influences, such. As impurities, dust or light, regardless of whether in the chamber a certain working pressure is maintained.
Über optionale zusätzliche Versorgungsanschlüsse kann ein nach dem Prägen am Stempel 3 haftender Rohling durch Druckbeaufschlagung abgelöst werden. Die dafür erforderlichen relativ zum Kammerdeckel 5 bewegbaren Versorgungsanschlüsse 7 (und eventuell vorhandene weitere Leitungen) benötigen Schiebe-Durchführungen 30, die zusätzliche Verschleißteile und zusätzliche Undichtigkeitsstellen darstellen. Dies gilt insbesondere auch für die Schiebe-Durchführungen 31 der Hubachsen 6.Via optional additional supply connections, a blank adhering to the stamp 3 after embossing can be removed by applying pressure. The required relative to the chamber lid 5 movable supply ports 7 (and possibly existing other lines) require sliding bushings 30, which represent additional wearing parts and additional leaks. This applies in particular also to the sliding bushings 31 of the lifting axles 6.
Die Prägekammer 10 ist über eine flexible Zuführung mit einer Vakuumerzeugungsvorrichtung 100 verbunden. Eine kurze Bewegung des Kammerdeckels ist notwendig, da die Kammer zur Entnahme des geprägten Rohlings geöffnet werden muss. Die den Träger 1 bildende Unterseite der Kammer, ist meist als Glasplatte auf einem Drehteller ausgebildet, welche zeitweise mit dem zu prägenden Substrat bedeckt ist. Daher eignet sich die Unterseite der Kammer nicht für Anschlüsse zum Absaugen der Luft. Eine bewegliche Luftabsaugleitung (Vakuumzuführung), wurde daher mittels einem an dem Kammerdeckel befestigtem, biegsamem Schlauch realisiert. Dies erfordert eine aufwendige Montage der Luftabsaugleitung und erschwert eine vollständige Kammeröffnung, z. B. für Servicezwecke oder zum Stamperwechsel.The embossing chamber 10 is connected to a vacuum generating device 100 via a flexible feed. A short movement of the chamber lid is necessary because the chamber must be opened to remove the embossed blank. The underside of the chamber forming the carrier 1 is usually formed as a glass plate on a turntable which is temporarily covered with the substrate to be embossed. Therefore, the bottom of the chamber is not suitable for connections for sucking the air. A movable air suction duct (vacuum supply) was therefore realized by means of a flexible hose attached to the chamber lid. This requires a complex installation of the air suction and complicates a complete chamber opening, z. B. for service purposes or to change stamper.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Betrieb und/oder die Wartung zu beschleunigen. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.It is an object of the present invention to accelerate operation and / or maintenance. This object is achieved with the features of the claims.
Bei der Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, den Kammerdeckel als Prägekopf auszubilden und/oder eine selbstschließende Verbindung für den Vakuumanschluss einzusetzen. Ermöglicht wird dies durch eine verformbare Abdichtung zwischen dem Prägekopf und dem Substratträger bzw. durch eine trennbare selbstdichtende Vakuumkupplung im Vakuumkanal.In the solution of the problem, the invention proceeds from the basic idea of forming the chamber lid as an embossing head and / or to use a self-closing connection for the vacuum connection. This is made possible by a deformable sealing between the embossing head and the substrate carrier or by a separable self-sealing vacuum coupling in the vacuum channel.
Erfindungsgemäß kann auf die beweglichen, verschleißintensiven Vakuum- Durchführungen verzichtet werden. Die Befestigung der Hubachse und der optionalen Versorgungsanschlüsse erfolgt direkt an dem Prägekopf. Die Versorgungsanschlüsse können z. B. zum Abführen von Luft zum Ansaugen des Stampers an den Prägekopf bzw. dem Abblasen des geprägten Substrates vom Stamper dienen.According to the invention can be dispensed with the movable, wear-intensive vacuum feedthroughs. The attachment of the lifting axis and the optional supply connections takes place directly on the embossing head. The supply connections can z. B. for discharging air for sucking the stampers to the embossing head or the blowing off of the embossed substrate serve by the stamper.
Die Versorgungsanschlüsse und die Hub-Achse bzw. die Hub-Achsen können atmosphärenseitig und fest am Prägekopf angeordnet werden. Die Dichtungs- Membrane ermöglicht die Relativbewegung zwischen dem äußeren Ringflansch und dem Prägekopf mit Stempel während des Prägehubs (Embossing-Hub). Die erfindungsgemäße Lösung ist kostengünstig und ermöglicht eine gute Zugänglichkeit für Servicezwecke. Zudem sind das zu evakuierende Volumen, die dem Vakuum ausgesetzten Oberflächen im Inneren der Vakuumkammer sowie enge Spalte, die sich nur schlecht evakuieren lassen, gegenüber dem Stand der Technik (vgl. Fig. 1) deutlich reduziert; dadurch werden die erforderliche Pumpzeit für die Vakuumerzeugung und damit die Produktionszykluszeit verringert und somit die Produktivität erhöht.The supply connections and the stroke axis or the stroke axes can be arranged on the atmosphere side and fixed to the embossing head. The seal diaphragm allows relative movement between the outer ring flange and the stamping head with punch during the embossing stroke. The solution according to the invention is inexpensive and allows good accessibility for service purposes. In addition, the volume to be evacuated, the surfaces exposed to the vacuum in the interior of the vacuum chamber as well as narrow gaps, which can only be evacuated poorly, are significantly reduced compared to the prior art (see FIG. This reduces the required pumping time for vacuum generation and thus the production cycle time, thus increasing productivity.
Die erfindungsgemäße Vakuumkupplung erlaubt die Verwendung von ortsfesten Vakuum-Absperrventilen. Der federbelastete Kontaktkopf bewegt sich während des gesamten Prozesses zusammen mit dem Kammerdeckel bzw. dem äußeren Ringflansch, wobei die Vakuumanbindung über eine in Axialrichtung des Vakuumkanals flexible Verbindung erfolgt. Für einen Stamperwechsel oder zu Service-Zwecken am Prägekopf sind kein Werkzeug und kein zusätzlicher Antrieb für den Trenn- bzw. Verbindungsvorgang der Vakuumkupplung erforderlich. Beim Freifahren des Prägekopfes wird die Vakuumverbindung selbsttätig getrennt. Nach einer Schwenkbewegung, z. B. um 90°, ist der Prägekopf samt Stamper bequem von der Seite, z. B. zu Wartungszwecken, vollständig zugänglich. Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:The vacuum coupling according to the invention allows the use of stationary vacuum shut-off valves. The spring-loaded contact head moves along with the chamber lid or the outer annular flange during the entire process, wherein the vacuum connection takes place via a flexible connection in the axial direction of the vacuum channel. For a stamper change or for service purposes on the embossing head no tools and no additional drive for the separation or connection process of the vacuum coupling are required. When retracting the embossing head, the vacuum connection is automatically disconnected. After a pivoting movement, z. B. by 90 °, the embossing head velvet Stamper is comfortable from the side, z. B. for maintenance purposes, fully accessible. The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings; show it:
Fig. 1 schematisch eine herkömmliche Prägevorrichtung bei geschlossener Kammer, Fig. 2a und 2b schematisch erfindungsgemäße Prägevorrichtungen bei geschlossener Kammer,1 shows schematically a conventional embossing device with the chamber closed, FIGS. 2a and 2b schematically embossing devices according to the invention with the chamber closed,
Fig. 3a eine schematische Detailansicht der erfindungsgemäßen Vakuumverbindung bei geschlossener Prägekammer und mit geschlossener Vakuumkupplung entsprechend dem umrahmten Anschluss an den Vakuumerzeuger 100 aus Fig. 2, und Fig. 3b die erfindungsgemäße Vakuumverbindung bei geöffneter Vakuumkupplung.3a shows a schematic detail view of the vacuum connection according to the invention with closed embossing chamber and with closed vacuum coupling corresponding to the framed connection to the vacuum generator 100 from FIG. 2, and FIG. 3b the vacuum connection according to the invention with open vacuum coupling.
Erfindungsgemäß besteht zumindest ein Teil der Kammerwand aus einem verformbaren Abschnitt, der eine Relativbewegung des Prägekopfes in Prägerichtung zum Träger erlaubt. Schematisch wird dies in Fig. 2 dargestellt.According to the invention, at least a part of the chamber wall consists of a deformable section, which allows a relative movement of the embossing head in the embossing direction to the carrier. Schematically this is shown in Fig. 2.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2a besteht der verformbare Abschnitt aus der äußeren Ringwand 15 und einer verformbaren Gummi-Membrane 20, die als bewegliche und dichte Verbindung zwischen Prägekopf 4 und Ringwand 15 fungiert. Dieser Dichtungsring oder Membrane 20 dichtet die äußere Ringwand 15 zum Prägekopf 4 hin ab, so dass für den Prägevorgang eine Relativbewegung zwischen dem Prägekopf 4 und der auf dem Träger 1 abdichtend aufsitzenden äußeren Ringwand 15 und damit zwischen dem Träger 1 und dem Prägekopf 4 ermöglicht wird; der bewegliche Prägekopf 4 bildet so gleichzeitig einen Teil der Druckkammerwand bzw. den Kammerdeckel. Der Ringwand 15 sitzt über die Dichtfläche 11 mit dem O-Ring 12 auf dem Träger 1 auf.In the embodiment according to FIG. 2 a, the deformable section consists of the outer annular wall 15 and a deformable rubber diaphragm 20, which functions as a movable and sealed connection between embossing head 4 and annular wall 15. This sealing ring or membrane 20 seals the outer ring wall 15 from the embossing head 4 out, so that a relative movement between the embossing head 4 and sealingly seated on the support 1 outer annular wall 15 and thus between the carrier 1 and the embossing head 4 is made possible for the embossing ; the movable embossing head 4 thus simultaneously forms part of the pressure chamber wall or the chamber lid. The annular wall 15 sits on the sealing surface 11 with the O-ring 12 on the carrier 1.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2b ist statt der Gummimembran 20 (Fig. 2a) zwischen einem nach außen vorstehenden Flansch 22 des Prägekopfes 4 und der Ringwand 15 ein in Axialrichtung nachgiebiges Rohrelement, etwa in Form eines Faltenbalges 21 oder aus nachgiebigem Material, wie z. B. Gummi, vorgesehen.In the embodiment of FIG. 2b is instead of the rubber membrane 20 (Fig. 2a) between an outwardly projecting flange 22 of the embossing head 4 and the annular wall 15 in the axial direction yielding tubular element, such as in the form of a bellows 21 or resilient material such , As rubber provided.
Beim Schließen der Druckkammer ist die äußere Ringwand 15 vorauseilend, d. h. sie setzt zuerst auf dem Träger 1 auf, während der Prägekopf 4 bis zum Abschluss der Vakuumerzeugung in einer oberen Position mit ausreichendem Abstand zum Träger 1 bzw. Substrat 2 verbleibt, da der Träger 1 mit dem aufliegenden Substrat 2 in der nicht dargestellten Gesamtanlage und gegenüber dem nicht dargestellten Antrieb für die Hubachsen 6 in Axialrichtung Z starr positioniert bleibt. Diese Voreilung kann z. B. durch einen (nicht dargestellten) verstellbaren Anschlag zur Festlegung der Maximalauslenkung zwischen Prägekopf 4 und Ringwand 15 in Axialrichtung Z in einfacher Weise minimiert werden.When closing the pressure chamber, the outer ring wall 15 is anticipatory, ie it sets first on the carrier 1, while the embossing head 4 until completion of the vacuum generation in an upper position with sufficient distance from the carrier 1 or substrate 2 remains because the carrier 1 remains rigidly positioned with the overlying substrate 2 in the overall system, not shown, and with respect to the drive, not shown, for the lifting axles 6 in the axial direction Z. This advance can z. B. by a (not shown) adjustable stop for determining the Maximalauslenkung between the embossing head 4 and the annular wall 15 in the axial direction Z are minimized in a simple manner.
Nach dem Schließen der Druckkammer und Einstellen des Arbeitsdrucks in der Kammer erfolgt der Prägeschritt, bei dem sich der Prägekopf 4 mit dem Stempel 3 zum Prägen der Struktur in dem Substrat 2 an dieses Substrat annähert. Da der Prägekopf 4 gleichzeitig den Kammerdeckel bildet, sind für die Hubachsen 6 und eventuell vorgesehene Versorgungsleitungen 7 keine Schiebedurchführungen mehr erforderlich.After closing the pressure chamber and adjusting the working pressure in the chamber, the embossing step takes place, in which the embossing head 4 approaches the stamp 3 for embossing the structure in the substrate 2 to this substrate. Since the embossing head 4 at the same time forms the chamber lid, 7 sliding bushings are no longer required for the Hubachsen 6 and possibly provided supply lines.
Alternativ kann der seitliche Abschnitt auch ohne die äußere Ringwand 15 realisiert werden, etwa indem die Membrane 20 direkt zwischen Prägekopf 4 und Träger 1 z. B. auf dem Träger 1 aufsetzend ausgebildet ist.Alternatively, the lateral portion can be realized without the outer ring wall 15, such as by the membrane 20 directly between embossing head 4 and carrier 1 z. B. is formed aufsetzend on the carrier 1.
Nach dem Schließen der Druckkammer und vor dem eigentlichen Prägehub wird vorzugsweise der Prägekopf 4 zur weiteren Annäherung an das Substrat 2 inAfter closing the pressure chamber and before the actual embossing stroke of the embossing head 4 is preferably for further approach to the substrate 2 in
Prägerichtung bewegt, ohne jedoch das Substrat 2 zu berühren. Dadurch wird dasStamping direction moves, but without touching the substrate 2. This will do that
Kammervolumen weiter verringert und bei geschlossenem Kanal 101 bis 105 derChamber volume further reduced and with the channel 101 to 105 closed
Druck in der Prägekammer erhöht, so dass der Pumpvorgang nach dem Öffnen des im Kanal 101 bis 105, vorzugsweise im Anschlussabschnitt 105, vorgesehenen Ventils beschleunigt und damit die Zykluszeit verringert wird.Increases pressure in the embossing chamber, so that the pumping process after opening the valve 101 to 105, preferably provided in the connection portion 105, accelerated valve and thus the cycle time is reduced.
Dies ist im Gegensatz zum Stand der Technik gemäß Fig. 1 , bei dem das Kammervolumen der Prägekammer bei Bewegung des Prägekopfes praktisch konstant bleibt.This is in contrast to the prior art according to FIG. 1, in which the chamber volume of the embossing chamber remains practically constant during movement of the embossing head.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Vakuumkupplung, die in Fig. 3a und 3b näher dargestellt ist. Zum Anbinden des in Prägerichtung (z-Richtung) in der Höhe verfahrbaren Vakuumbereichs oder der Vakuumkammer an das Vakuumerzeugungssystem oder die Vakuumpumpe 100, wird bei dieser Ausführungsform in dem verbindenden Vakuumkanal oder Druckkanal 101 bis 105 eine Vakuumkupplung eingesetzt.Another aspect of the present invention relates to the vacuum coupling, which is shown in more detail in Fig. 3a and 3b. For bonding the height-displaceable in the stamping direction (z-direction) vacuum region or the vacuum chamber to the vacuum generating system or the vacuum pump 100, In this embodiment, a vacuum coupling is used in the connecting vacuum channel or pressure channel 101 to 105.
Gemäß Fig. 3 ist ein Adapter 101 als Teil des Kanals 101 bis 105 fest an der äußeren Ringwand 15 bzw. Kammerwand montiert. Die nach unten weisende Anschlussöffnung des Adapters 101 bildet die Kupplungsstelle 102 des Kanals 101 bis 105, in der zum Abdichten ein O-Ring 107 vorgesehen ist. Diese Anschlussöffnung des Adapters 101 liegt während der gesamten Produktionsphase, die eine Vielzahl von Prägezyklen umfasst, vollständig auf einem federbelasteten Kontaktkopf 103, 106 abgedichtet auf. Dazu sind der Adapter 101 und der Kontaktkopf 103 in z-Richtung beweglich, wobei der Kontakt an der Kupplungsstelle 102 dabei geschlossen bleibt. Der Kontaktkopf 103 ist mit dem feststehenden Anschlussabschnitt 105, der zu einem Druckreservoir oder einer Pumpe 100 führt, über einen flexiblen, dichten Faltenbalg 104, z. B. aus Gummi oder Metall, verbunden. Der Kontaktkopf 103 wird durch Führungen 106b und Druckfedern 106a in Axialrichtung verschiebbar positioniert. Die Führungen 106b erlauben eine Verschiebung des Kontaktkopfes ausschließlich in z-Richtung, und die Druckfedern 106a bewirken eine Anpresskraft an der Kupplungsstelle 102 während der Bewegung zur Kammeröffnung. Diese Bewegung des Kontaktkopfes 103 kann durch einen nicht dargestellten Motorantrieb, einen Pneumatikzylinder oder einen Hydraulikzylinder unterstützt werden.According to FIG. 3, an adapter 101 is mounted as part of the channel 101 to 105 fixed to the outer ring wall 15 and chamber wall. The downwardly facing connection opening of the adapter 101 forms the coupling point 102 of the channel 101 to 105, in which an O-ring 107 is provided for sealing. This connection opening of the adapter 101 is completely sealed on a spring-loaded contact head 103, 106 during the entire production phase, which comprises a plurality of embossing cycles. For this purpose, the adapter 101 and the contact head 103 are movable in the z-direction, wherein the contact at the coupling point 102 remains closed. The contact head 103 is connected to the fixed connection portion 105, which leads to a pressure reservoir or a pump 100, via a flexible, dense bellows 104, z. As rubber or metal, connected. The contact head 103 is slidably positioned by guides 106b and compression springs 106a in the axial direction. The guides 106b allow a displacement of the contact head exclusively in the z-direction, and the compression springs 106a cause a contact pressure at the coupling point 102 during the movement to the chamber opening. This movement of the contact head 103 can be supported by a motor drive, not shown, a pneumatic cylinder or a hydraulic cylinder.
Zum Weitertakten des Drehtellers muss der Prägekopf 4 samt Prägekammer, nach jedem Prägezyklus, aus dem Eingriffsbereich gefahren werden. Dabei bleibt die Kupplungsstelle 102 geschlossen, während die Prägekammer an der Dichtfläche 11 geöffnet wird.For further indexing of the turntable, the embossing head 4 together with the embossing chamber must be moved out of the engagement area after each embossing cycle. The coupling point 102 remains closed while the embossing chamber is opened at the sealing surface 11.
Zum Wechseln des Stampers 3 oder zur Wartung wird der Prägekopf 4 nach dem Öffnen an der Dichtfläche 11 in die obere Stellung mit größerem Abstand zum Träger 1 gefahren, wobei gemäß Fig. 3b die Vakuumverbindung an der Kupplungsstelle 102 selbsttätig gelöst wird. Danach kann die Einheit zusammen mit dem Prägekopf um z. B. 90° geschwenkt werden. To change the stamper 3 or for maintenance, the embossing head 4 is moved after opening on the sealing surface 11 in the upper position at a greater distance from the carrier 1, wherein according to FIG. 3b, the vacuum connection is automatically released at the coupling point 102. Thereafter, the unit together with the embossing head to z. B. be pivoted 90 °.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zum Prägen von Strukturen in ein Substrat (2) in einer abgeschlossenen Kammer (10), mit (a) einem Träger (1) zur Aufnahme des Substrats (2) undA device for embossing structures into a substrate (2) in a sealed chamber (10), comprising (a) a support (1) for receiving the substrate (2) and
(b) einem Prägekopf (4), der in Prägerichtung relativ zum Träger (1) bewegbar ist, gekennzeichnet durch(B) an embossing head (4) which is movable in the stamping direction relative to the carrier (1), characterized by
(c) eine verformbare Abdichtung (20; 21) zwischen dem Träger (1) und dem Prägekopf (4).(c) a deformable seal (20; 21) between the carrier (1) and the embossing head (4).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Hubeinrichtung zum Bewegen des Prägekopfes (4) in Prägerichtung zum Träger (1) nach Einstellung des Arbeitsdrucks in der Kammer.2. Device according to claim 1 with a lifting device for moving the embossing head (4) in embossing direction to the carrier (1) after adjustment of the working pressure in the chamber.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die verformbare Abdichtung (20) direkt auf dem Träger (1) abdichtend aufsetzbar ist.3. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the deformable seal (20) directly on the carrier (1) is sealingly placed.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen der verformbaren Abdichtung (20) und dem Träger (1) eine Außenwand der Kammer, vorzugsweise in Form einer zylinderförmigen Ringwand (15), vorgesehen ist.4. Apparatus according to claim 1 or 2, wherein between the deformable seal (20) and the carrier (1) an outer wall of the chamber, preferably in the form of a cylindrical annular wall (15), is provided.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4 wobei die Außenwand bzw. die Ringwand (15) bzw.die verformbare Abdichtung (20), vorzugsweise über einen O- Ring (12), auf einer Dichtfläche (11) des Trägers (1) abdichtend aufsetzbar ist.5. Device according to claim 1, 2, 3 or 4, wherein the outer wall or the annular wall (15) or the deformable seal (20), preferably via an O-ring (12), on a sealing surface (11) of the carrier ( 1) is sealingly placed.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei die verformbare Abdichtung (20) aus einem nachgiebigen Material besteht oder einen Gummiring oder einen rohrförmigen Faltenbalg (21) aufweist.6. The device of claim 1, 2, 3, 4 or 5, wherein the deformable seal (20) consists of a resilient material or a rubber ring or a tubular bellows (21).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Arbeitsdruckerzeugungseinrichtung (100) zum Erzeugen eines Arbeitsdrucks in der abgeschlossenen Kammer (10). 7. Device according to one of claims 1 to 6, with a working pressure generating means (100) for generating a working pressure in the closed chamber (10).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit mindestens einem Versorgungsanschluss (7) am Prägekopf (4) für die Zufuhr oder Abfuhr von Medien in die Kammer bzw. aus dieser Kammer heraus, vorzugsweise zum Ansaugen des Stempels (3) an den Prägekopf (4).8. Device according to one of claims 1 to 7, with at least one supply connection (7) on the embossing head (4) for the supply or removal of media in the chamber or out of this chamber, preferably for sucking the punch (3) to the Embossing head (4).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einer Einrichtung zum Einbringen eines formbaren Substrates (2) auf den Träger (1).9. Device according to one of claims 1 to 8, comprising means for introducing a moldable substrate (2) on the carrier (1).
10. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 9, bei der ein Stempel (3), vorzugsweise durch Unterdruck, an dem Prägekopf (4) gehalten wird.10. Device according to one of claims 1 to 9, wherein a punch (3), preferably by negative pressure, is held on the embossing head (4).
11. Verfahren zum Prägen von Strukturen in ein Substrat (2) in einer abgeschlossenen Kammer (10) unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit den folgenden Schritten, in dieser Reihenfolge: a) Schließen der Kammer, b) Erzeugen des Arbeitsdrucks in der durch Schritt a) gebildeten Kammer, c) Bewegen des Prägekopfes in Prägerichtung relativ zum Träger zum Formen des auf dem Träger (1) angeordneten Substrats (2), d) Belüften bzw. Entlüften der Kammer und e) Entnehmen des im Schritt c) geprägten Substrates.A method of embossing structures into a substrate (2) in a sealed chamber (10) using an apparatus according to any one of claims 1 to 10, comprising the following steps, in this order: a) closing the chamber, b) generating c) moving the embossing head in embossing direction relative to the support for forming the substrate (2) arranged on the support (1), d) venting the chamber and e) removing the im Step c) embossed substrate.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , wobei zwischen Schritt a) und Schritt c) der Prägekopf (4) abgesenkt wird, um sich dem zu prägenden Substrat (2) ohne dieses zu berühren anzunähern.12. The method of claim 11, wherein between step a) and step c) of the embossing head (4) is lowered in order to approach the substrate to be embossed (2) without touching.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Absenken des Prägekopfes (4) zumindest teilweise während des Schritts b) erfolgt.13. The method of claim 12, wherein the lowering of the embossing head (4) takes place at least partially during the step b).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei im Schritt b) in der geschlossenen Kammer (10) ein Vakuum, ein Unterdruck oder ein Überdruck erzeugt wird. 14. The method according to any one of claims 11 to 13, wherein in step b) in the closed chamber (10), a vacuum, a negative pressure or an overpressure is generated.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei vor dem Schritt a) ein formbares Substrat (2), bevorzugt ein vorgefertigter Substratrohling, in die Kammer (10) eingebracht und bevorzugt auf dem Träger (1) abgelegt wird.15. The method according to any one of claims 11 to 14, wherein prior to step a) a moldable substrate (2), preferably a prefabricated substrate blank, introduced into the chamber (10) and preferably deposited on the carrier (1).
16. Druckkammeranordnung mit einer Arbeitsdruckerzeugungsvorrichtung (100) und einer relativ zu dieser bewegbaren Druckkammer (10) und einem diese verbindenden, an einer selbstabdichtenden Kupplungsstelle (102) trennbaren Druckkanal (101 bis 105), der einen an die Druckkammer (10) angrenzenden Adapterabschnitt (101) und einen an die Arbeitsdruckerzeugungsvorrichtung (100) angrenzenden Anschlussabschnitt (105) aufweist, und mit einem federbelasteten Kontaktkopf (103, 106), der zwischen einem der Druckkammer (10) abgewandten freien Ende des Adapterabschnitts (101) und einem der Arbeitsdruckerzeugungsvorrichtung (100) abgewandten Ende des Anschlussabschnitts (105) abdichtend angeordnet ist.16. Pressure chamber arrangement having a working pressure generating device (100) and a pressure chamber (10) which can be separated relative to this and a pressure channel (101 to 105) which can be separated at a self-sealing coupling point (102) and which has an adapter section (10) adjoining the pressure chamber (10). 101) and a connection section (105) adjoining the working pressure generating device (100), and a spring-loaded contact head (103, 106) disposed between a free end of the adapter section (101) facing away from the pressure chamber (10) and one of the working pressure generating device (100 ) facing away from the terminal portion (105) is arranged sealingly.
17. Anordnung nach Anspruch 16, wobei der Kontaktkopf (103) über eine flexible, gasdichte Verbindung (104) mit dem Anschlussabschnitt (105) und/oder dem Adapterabschnitt (101) verbunden ist.17. Arrangement according to claim 16, wherein the contact head (103) via a flexible, gas-tight connection (104) with the connection portion (105) and / or the adapter portion (101) is connected.
18. Anordnung nach Anspruch 17, wobei die flexible, gasdichte Verbindung (104) einen Faltenbalg, vorzugsweise aus Gummi oder Metall, aufweist.18. Arrangement according to claim 17, wherein the flexible, gas-tight connection (104) has a bellows, preferably made of rubber or metal.
19. Anordnung nach Anspruch 16, 17 oder 18, wobei der Kontaktkopf (103) mittels einer Führungsvorrichtung (106), die vorzugsweise mindestens eine Feder (106a) und mindestens eine Führungsschiene (106b) aufweist, während eines Arbeitshubs geführt und gegen den Adapterabschnitt (101) oder gegen den Anschlussabschnitt (105) abdichtend gedrückt wird.19. Arrangement according to claim 16, 17 or 18, wherein the contact head (103) by means of a guide device (106), which preferably at least one spring (106 a) and at least one guide rail (106 b), guided during a working stroke and against the adapter portion ( 101) or sealingly pressed against the terminal portion (105).
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei die Kupplungsstelle (102) durch einen O-Ring (107) abgedichtet wird.20. Arrangement according to one of claims 16 to 19, wherein the coupling point (102) by an O-ring (107) is sealed.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in Kombination mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 20. 21. Device according to one of claims 1 to 10 in combination with an arrangement according to one of claims 16 to 20.
PCT/EP2009/058758 2008-07-10 2009-07-09 Device and method for impressing structures in a substrate, in particular in optical data storage media, semiconductor structures and microstructures WO2010004006A2 (en)

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DE102008032559A DE102008032559A1 (en) 2008-07-10 2008-07-10 Device for embossing structures, particularly optical data media, semiconductor structures and microstructures, in substrate in closed pressure chamber of pressure chamber arrangement, has carrier for supporting substrate

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