WO2021001242A1 - Method for producing a molding tool and molding tool for producing an optical element - Google Patents

Method for producing a molding tool and molding tool for producing an optical element Download PDF

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WO2021001242A1
WO2021001242A1 PCT/EP2020/067703 EP2020067703W WO2021001242A1 WO 2021001242 A1 WO2021001242 A1 WO 2021001242A1 EP 2020067703 W EP2020067703 W EP 2020067703W WO 2021001242 A1 WO2021001242 A1 WO 2021001242A1
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molding tool
structured
molding
less
optical element
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PCT/EP2020/067703
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Marcel Röder
Thomas Günther
André Zimmermann
Harald Giessen
Mario Hentschel
Simon Thiele
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Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a molding tool, for example a stamp for producing impressions.
  • the invention also relates to a molding tool produced using such a method.
  • the invention also relates to a molding tool for producing an optical element, for example a stamp for producing impressions for optical elements.
  • the invention is in the technical field of the manufacture of articles and products by means of shaping processes. Suitable molding tools are used for this, which can be used, for example, as negative molds or positive molds for molding a product to be finally manufactured. These molding tools can be used as interchangeable tool inserts in larger machines for the mechanical production of a wide variety of products.
  • hot stamping processes, injection molding processes and molding processes are known in which such a molding tool can be used.
  • plastic or polymers are applied to the molding tool, and the plastic is then deformed under pressure and / or heat and then detached from the molding tool. It is therefore desirable, inter alia, that such a molding tool has good thermal conductivity and offers good demouldability.
  • Metals are very suitable for this.
  • the molding tools are produced, for example, by means of a milling machine, in that a metallic workpiece blank is processed on the surface with the milling machine such that the finished workpiece surface ultimately forms a structured molding tool surface.
  • Tool steels are often used as the starting material for this, since the molding tool made from tool steel has a long service life, ie it can be used several hundred thousand to million times for molding, These machining processes are particularly suitable for molding tools with large dimensions.
  • smaller molding surfaces or molding tool surfaces can also be produced, for example, by means of precision milling, in which case an accuracy of down to a few micrometers can be achieved.
  • the miniaturization of products is playing an increasingly important role. There is an increasing demand for products with small structure sizes that should be manufactured with the highest possible precision. This means that products are required whose surfaces are manufactured with such an accuracy that their structural resolution is in the submicrometer to nanometer range.
  • microlenses which are used in smartphones and other consumer electronics devices.
  • the surfaces of these microlenses must be produced extremely precisely, ie with a structural resolution in the submicrometer or nanometer range, so that the finished molded lens has a surface that is as precisely formed as possible, for example smooth. This is the only way to ensure that such miniaturized lenses also fulfill their desired function.
  • molding tools which have a precision in the submicrometer or nanometer range for molding miniaturized products
  • different methods are known in the field of so-called ultra-precision machining.
  • molding tools for the precise molding of miniaturized products can be produced by means of gray-scale lithography, for example by means of photo or electron beam lithography, by etching step structures in silicon or other materials, which are then molded with nickel shims, e.g. using electroplating.
  • the molding tools can then be used for molding, for example for embossing, pressing, casting or molding with a nanoimprint lithography method, in particular for hot stamping, injection molding, transfer molding or injection molding.
  • metals are very suitable for this because they have good thermal conductivity.
  • hard metals are preferred for manufacturing the molding tool.
  • Nickel has a Mohs hardness of 4 and is currently the hardest metal that can be processed into a mold using the above-mentioned precision processes (including electroplating).
  • the Mohs hardnesses are in the range from 6 to 8.5, still significantly less, which means that the service lives of molds made of nickel are significantly reduced compared to molds made of tool steel.
  • the inventors have succeeded in using the method according to claim 1 to produce a molding tool that combines the properties mentioned above and previously considered incompatible.
  • the method enables hard metals, which allow a long service life, to be machined directly, with such precision that structures in the mold surface in the submicrometer or nanometer range can be produced. Not only can simple trench structures, steps or holes be created, but rather there is a great advantage that, due to the direct precision machining of the metal, any free shapes can actually be produced. Technologies currently used are not able to structure such materials directly and maintain the required levels of accuracy.
  • the invention thus solves the problems of the prior art mentioned at the beginning with a method for producing a molding tool according to claim 1, a molding tool produced according to this method according to claim 14 and a molding tool which can be produced with this method for producing an optical element having the features according to claim 15.
  • Conceivable embodiments and further advantageous aspects of the invention are mentioned in the respective dependent claims.
  • a workpiece is first provided which has a workpiece surface comprising a metal.
  • the workpiece is, so to speak, the starting object from which the molding tool is made.
  • the workpiece can consist of metal or, at least in sections, have a metal.
  • the workpiece can advantageously have a metal on at least one easily accessible workpiece surface.
  • the method further includes structuring the workpiece surface by at least partially removing the metal from the workpiece surface by means of an ion beam, so that a micro- or nanostructured workpiece surface is created which forms a structured mold surface.
  • the workpiece surface containing the metal can be processed extremely precisely by means of the ion beam.
  • the metal on the workpiece surface can be structured as desired (ie as a free form) by means of the ion beam, whereby the ion beam enables the finest layers of metal to be removed and even individual atoms to be knocked out of the metallic structure.
  • the finished structured mold surface is gradually created from the workpiece surface.
  • the structuring can preferably be carried out with a depth resolution in the submicrometer range of less than 1 mm and / or with a lateral resolution in the submicrometer range of less than 1 mm.
  • the depth resolution can, for example, indicate a maximum deviation that can be realized with the ion beam from a target value for the removal of the metal in the depth direction.
  • the depth denotes a distance along the depth direction, in particular starting from the workpiece surface.
  • the depth direction can be a direction running essentially perpendicular to the surface to be structured of the workpiece or of the tool body. Equally meaning, the depth direction can be dimensioned starting from the workpiece surface in the direction of a further workpiece surface, wherein the workpiece surface is preferably arranged opposite the further workpiece surface.
  • the depth direction can be perpendicular to any lateral direction be.
  • a direction can be said to be lateral if it is substantially parallel to the workpiece surface.
  • a lateral direction can also be referred to as a lateral direction.
  • the lateral resolution can designate the lateral dimension of the smallest removal of the metal that can be realized with the ion beam.
  • the structuring can be carried out at least in sections with a depth resolution of less than 500 nm, or of less than 100 nm, or of less than 10 nm.
  • a depth resolution of less than 500 nm, or of less than 100 nm, or of less than 10 nm.
  • the structuring can be carried out at least in sections with a lateral resolution of less than 500 nm, or of less than 100 nm, or of less than 10 nm.
  • the structuring with this lateral resolution can be carried out in a metal with a microstructure that is finer than the lateral resolution.
  • Structuring with the specified lateral resolution is advantageous, for example, in order to produce particularly small-structured mold surfaces with the highest precision, which are suitable, for example, for the production of particularly fine and extremely precise product surfaces.
  • extremely smooth surfaces and slopes can be produced.
  • molding tools can be produced whose structured molding tool surface can have better structural resolution, smoother surfaces and bevels and smaller radii than molding tools which have been produced using conventional methods for machining metals, for example using cutting methods or using ultra-precision machining.
  • the metal can have a Mohs hardness of greater than 4. This means that the metal to be structured is harder than nickel, which is currently the hardest metal that can nowadays be processed using known methods (eg galvanic deposition) to produce molds.
  • the metal to be structured on the workpiece surface can also be a metal which is usually can not be galvanically deposited.
  • the production of a mold with particularly small structures is usually based on electrodeposition. Usually, nickel and nickel compounds are considered to be the hardest electrodepositable metals.
  • the method according to the invention uses the direct processing of metals with an ion beam and makes the intermediate step of galvanic deposition of a metal on a stamp, for example a multi-stage stamp, superfluous.
  • the method according to the invention thus opens up the possibility of producing molds from any metals, in particular metals that are harder than nickel, and for example from metals that have a Mohs hardness of greater than 4.
  • Forming tools made of such particularly hard metals are particularly advantageous with regard to long service lives and high dimensional accuracy. Technologies currently used are not able to structure such metals directly and thereby achieve the high accuracies of the method according to the invention.
  • the metal can be titanium, or a metal at least as hard as titanium, for example tungsten, chromium or molybdenum.
  • metals are preferred as the material for a molding tool.
  • these can be ferrous metals, which are magnetic, which limits their application to processing without immersion mode.
  • experiments with ferrous metals give poor results even without the immersion mode due to the very inhomogeneous microstructure. This actually includes all tool steels.
  • the typical non-ferrous metals such as copper, nickel, nickel-phosphorus, aluminum, etc. These typically do not have sufficient hardness. Titanium as a material for the workpiece offers the advantage that it has a sufficiently fine structure to be structured in the nanometer range.
  • titanium has a finer microstructure than conventional tool steels. Titanium is very hard, which means that a long service life and high dimensional accuracy can be achieved. In addition, titanium is sufficiently tough not to break when used as a molding tool. In addition, titanium is not magnetic, which means that an immersion mode can optionally be used for machining with an ion beam. As a bulk material, titanium can be machined as a large block, which means that entire punches can be manufactured in one part. On the other hand, the material does not break as easily as crystalline materials such as silicon or ceramics. Titanium has a sufficiently suitable coefficient of thermal expansion, is hard enough for wear protection, and has a sufficiently fine structure to be structured cleanly in the submicrometer and nanometer range.
  • Titanium is also relatively cheap, for example compared to tungsten. Titanium is hard, tough and low-wear. Usually titanium is difficult to machine because the machining tools wear out very quickly. In the method according to the invention, which structures titanium with the aid of ion beam lithography, such wear no longer occurs.
  • the ion beam can have ions of at least one of the materials gold, silicon, carbon, platinum, gallium.
  • Au +, Au ++, Si +, and Si ++ ions can be used.
  • Such an ion beam is particularly well suited for the removal of metals, in particular for the removal of hard metals, in particular for the removal of titanium, with good suitability due to a high removal rate and high accuracy, in particular good depth resolution and good lateral resolution of the structuring indicates.
  • the ion beam can also have other ions which are particularly suitable for removing metals, in particular for removing hard metals, in particular for removing titanium.
  • the combination of the use of a titanium stamp and its micro- and nano-structuring with the aid of Au / Si ion beams and the subsequent molding in a liquid / viscous polymer, liquid glass or other materials can be advantageous here.
  • the structured molding tool surface can have a maximum depth of 0 mm to 100 mm, or from 0 mm to 10 mm, or from 0 mm to 2 mm. Compared to molds with deeper, structured mold surfaces, this has the advantage that the molds can be removed from the mold better. This can be the case in particular for molding tools with a particularly finely structured molding tool surface.
  • the structured mold surface can, for example, have a maximum depth corresponding to the wavelength of the light which is compatible with the optical element to be produced.
  • the structured mold surface can, however, also have a maximum depth greater than the wavelength of the light that is compatible with the optical element to be produced, for example if the optical element to be produced is a reflective element.
  • the structured mold surface can have a lateral area in the range between 400 nm 2 and 35,200 mm 2 or between 400 nm 2 and 10,000 mm 2 .
  • this offers the advantage that small areas can be structured in a targeted and selective manner, which can reduce the duration of the structuring and thus increase profitability.
  • very large areas can also be structured, for example 8 inch wafers or 4 inch wafers, which can be particularly advantageous in the mass production of optical elements.
  • the structured mold surface can in particular be very much larger than the dimensions of a structure produced, for example a molding structure. In other words, the structuring can be carried out over a large area compared to the structure size, ie up to a few square millimeters.
  • the structured molding tool surface can be larger than a single writing field of the system for structuring by means of an ion beam, in particular the structured molding tool surface can be created by a large number of such fields by means of so-called “stitching”. This enables the nano-direct machining of larger workpieces, for example tool components. Whereas in the past individual structures were manufactured on small elements, larger workpieces, for example tool blocks, can now be structured directly.
  • a dimension of a structure for example a dimension of a molding structure, in at least one lateral direction can be just as large as or smaller than the dimension of the structured mold surface in this lateral direction.
  • the structuring of the workpiece by means of the ion beam can be carried out in such a way that the structured molding tool surface has a free form that can be produced subtractively from one direction.
  • This offers the advantage of great flexibility in the design of a product to be manufactured using the molding tool, for example an optical element.
  • a special feature of the process is that any structure and shape can be produced. These include, on the one hand, rotationally symmetrical or non-rotationally symmetrical shapes, which otherwise cannot be produced using other methods, e.g. ultra-precision machining or laser direct writing techniques, and, on the other hand, freeform surfaces, i.e. structures of any shape, provided that they can be subtractively produced from one beam direction.
  • optical elements such as phase plates, wavefront corrections or digital diffractive patterns.
  • This fact makes the method according to the invention very universally applicable for the production of a large number of different products, and in particular highly precise optical elements, and therefore represents a key technology in particular in the manufacture of polymer optical elements.
  • the free form can be, for example, a shape that was designed in a digital model, for example in a CAD model, or was calculated by means of a simulation.
  • the structuring of the workpiece by means of the ion beam can be carried out in such a way that the structured molding tool surface forms a negative form or a positive form for a product which can be produced with the molding tool to be produced.
  • a negative mold is, for example, a mold from which a product surface of the product can be produced by a one-off molding.
  • a positive form is, for example, a form from which a negative form can be produced by means of a one-time impression.
  • the positive mold can have the same shape as the product surface to be produced.
  • the use of positive molds is advantageous, for example, if the shape of the product to be manufactured requires a large-area removal of the “non-shape”, or if the mold to be manufactured can only be manufactured as a positive.
  • the exemplary embodiment has the advantage that the negative forms or positive forms can be designed in advance as a digital model and can be produced with great accuracy directly in the workpiece as a molding tool using the method according to the invention.
  • the product can be an optical element, for example a phase plate, a wavefront correction or a diffractive pattern, in particular a digital diffractive pattern.
  • the optical element can have been designed in a digital model, for example a CAD model; in particular, the digital model can also be the result of a simulation, for example a wavefront calculation or a calculation for warpage and shrinkage.
  • the method according to the invention is particularly advantageous for the production of molds for optical elements, because the accuracy required for this is not achieved by other methods, in particular not by methods that are able to structure hard metals directly.
  • it is particularly advantageous to be able to produce free forms with good lateral resolution and good depth resolution.
  • Optical elements require a high accuracy of the surface of the molding tool, which can be ensured by the method according to the invention in that a metal, for example a hard metal with a fine microstructure, is structured with the specified depth resolution and with the specified lateral resolution.
  • a metal for example a hard metal with a fine microstructure
  • optical elements are produced in large numbers. Therefore, a long life of the mold, such as it can be provided with the method according to the invention, be advantageous for the economy of production.
  • the product can be a refractive optical element or a diffractive optical element or a reflective optical element.
  • the product can be an optical lens, in particular an optical microlens, a mirror element, a grating, a filter, a beam shaper, a beam splitter, a Gaussian generator, a phase plate, a wavefront correction element or a diffractive pattern element or an element that has several these elements combined.
  • the product can be a diffractive lens or a Fresnel lens or a Fresnel-like diffractive lens.
  • the lens can have been calculated using a simulation, for example using a model for optical design or a model for calculating diffractive patterns or wavefronts.
  • a model for optical design for optical lenses in particular, it is particularly advantageous to be able to transfer the digital model directly to the molding tool.
  • the invention further comprises a molding tool that can be produced directly using the method described herein.
  • the invention further comprises a molding tool for producing an optical element, wherein the molding tool has a structured molding tool surface comprising a metal, the metal having a Mohs hardness of greater than 4, and wherein the structured molding tool surface has at least one molding structure with a dimension im Sub-micrometer range of less than 1 mm and / or with a dimension in a depth direction in the sub-micrometer range of less than 1 mm.
  • a molding structure can be understood to be a structural or geometric element of the structured molding tool surface, which serves to produce a corresponding counter-structure on the product to be manufactured.
  • the molding structure can be, for example, a preferably three-dimensional elevation or depression in the molding tool surface.
  • the molding tool surface can accordingly also have a large number of molding structures. At least the lateral extension (for example length and / or width) of an impression structure can be smaller than 1 mm. Alternatively or additionally, the impression structure can have a dimension in the depth direction (eg height or depth) of less than 1 mm. In other words, despite the hard metal, the structured molding tool surface is structured so precisely that the molding tool surface has one or more molding structures that can be smaller than 1 mm. This is made possible by producing the molding tool using the method according to the invention described herein.
  • the molding tool according to the invention thus offers the advantage over previously known molding tools that it has a molding tool surface structured in the submicrometer range and at the same time consists of a hard metal, ie it is hard enough for wear protection and has a sufficiently fine structure to be clean in the submicrometer range to be structured down to the nanometer range.
  • the molding tool also has all the properties and advantages described herein with reference to the method according to the invention.
  • the molding tool can have a melting point which is above the melting point or the glass transition temperature of polymers and / or glass. This offers the advantage that the molding tool can be used in a molding process in which the molding tool is to be molded with a liquid glass or a liquid polymer.
  • the molding tool can be designed to be used as an insert in a device for molding, for example embossing, pressing, casting or molding with a nanoimprint lithography method, in particular for hot stamping, injection molding, transfer molding or injection molding, of the optical element from a Polymer or a glass.
  • the shaping of the optical element can also include producing an intermediate shape and producing the optical element from an intermediate shape.
  • FIG. 1 Further exemplary embodiments of the molding tool result from the exemplary embodiments of the method for producing a molding tool, the method features being transferable analogously to the device features, which also applies the other way round.
  • 1 shows a block diagram of a method according to the invention for producing a molding tool according to an exemplary embodiment
  • 2 (a) shows a side sectional view of a molding tool according to the invention for producing an optical element according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 (b) shows an enlarged detail from FIG. 2 (a)
  • FIG. 3 shows a plan view of a molding tool according to the invention for producing an optical element according to a further exemplary embodiment
  • FIGS. 4 (a, c) two-dimensional height and depth profiles of the structured molding tool surfaces shown in FIGS. 4 (a, c),
  • FIG. 5 (a, b) a plan view of a structured molding tool surface according to a further embodiment
  • FIG. 5 (c) shows a three-dimensional height or depth profile of the structured molding tool surface shown in FIGS. 5 (a, b),
  • FIG. 5 (e) shows an enlarged section from the two-dimensional height and depth profile shown in FIG. 5 (d) of an exemplarily selected impression structure
  • FIGS. 4 (a, c) a plan view of an impression produced by means of the structured molding tool surface shown in FIGS. 4 (a) and 4 (c),
  • FIG. 7 (a) shows a plan view of an impression of the structured one shown in FIG. 5 (a)
  • Fig. 7 (b) shows a three-dimensional height and depth profile of the one shown in Fig. 7 (a)
  • Fig. 7 (c) shows a two-dimensional height and depth profile of the one shown in Fig. 7 (a)
  • FIG. 1 shows a block diagram of a method 100 according to the invention for producing a molding tool 20 (see, inter alia, FIG. 2) according to an exemplary embodiment.
  • the method 100 comprises a first step 101 in which a workpiece is provided that has a workpiece surface comprising a metal.
  • the workpiece can be designed to form a tool body.
  • the workpiece or the workpiece surface can have structures produced using other methods.
  • the workpiece can be designed to be able to be integrated into a tool or to be able to be used with a tool.
  • the workpiece surface is structured by at least partially removing material, in particular the metal, from the workpiece surface by means of an ion beam, so that a micro- or nano-structured workpiece surface is created, which forms a structured molding tool surface 24 (see FIG. 2) , the structuring being carried out at least partially in the submicrometer range of less than 1 mm and with a lateral resolution in the submicrometer range of less than 1 mm.
  • the depth resolution indicates a maximum deviation that can be achieved with the ion beam from a target value in the depth direction for the removal of the metal.
  • the depth direction is the direction perpendicular to the workpiece surface.
  • the depth direction shows the same meaning starting from the workpiece surface in the direction of a second surface of the workpiece opposite the workpiece surface.
  • the depth direction is perpendicular to any lateral direction. A direction can be said to be lateral if it is parallel to the workpiece surface.
  • the lateral resolution is a lateral dimension of the smallest depression that can be realized with the ion beam by removing the metal and is at least 10 nm deep.
  • the structuring 102 by means of the ion beam can be carried out with an ion beam writer with a focused ion beam (FIB, “focused ion beam”).
  • Ions for example gold ions (Au + / Au ++), which have been accelerated with a voltage of 35 kV, for example, can be focused on a substrate surface, for example on the workpiece surface.
  • the structuring 102 can include guiding an ion beam over the substrate, for example the workpiece surface, for example with a step size of 40 nm, in order to remove material.
  • structure sizes for example dimensions of impression structures, of less than 100 nm can be generated.
  • the ion beam writer can have an ion source, an electrostatic lens, an electrostatic deflection electrode or a diaphragm.
  • the structuring 101 can be carried out over a large area, even on an area which is larger than the area of a writing field of the ion beam writer.
  • the workpiece can be moved relative to the ion beam.
  • the writing fields can be joined to one another in such a way that individual structures, for example impression structures, can also be written which have a lateral dimension larger than the size of a writing field of the ion beam writer (“stitching”).
  • FIG. 2A shows a side sectional view of a molding tool 20 according to the invention which can be produced with the method 100 according to the invention according to a non-limiting embodiment.
  • the molding tool 20 can be used, for example, to produce an optical element.
  • FIG. 2B shows an enlargement of a detail from FIG. 2A.
  • FIGS. 2A and 2B show a molding tool 20 which is produced from a workpiece and has a workpiece surface 22 comprising a metal.
  • the workpiece surface 22 can be structured by means of the method 100 according to the invention, so that a structured molding tool surface 24 is created.
  • the metal to be structured on the workpiece surface 22 can have a Mohs hardness of greater than 4. It can be titanium, for example, or hard tool steels such as chromium, molybdenum, vanadium and the like.
  • the structured mold surface 24 is used in the manufacture of products, such as optical elements, for molding the respective product. Therefor the mold surface 24 essentially has a copy (as a positive or a negative) of the desired surface of the product to be manufactured. In order to ensure the most precise possible surface structure of the product to be manufactured, the molding tool surface 24 should therefore also be manufactured or structured with at least as high a precision.
  • the molding tool surface 24 has at least one molding structure 27.
  • the molding structure 27 is preferably a three-dimensional structure which can have different geometric shapes.
  • the finished product 61 has a shaped structure 21, 121 (FIGS. 6 and 7) congruent to the impression structure 27 on its surface. This can be, for example, a corner, edge, step, rounding and the like.
  • the molding tool surface 24 can also have a multiplicity of molding structures 27.
  • the at least one molding structure 27 has a dimension in a lateral direction 28 in the submicrometer range of less than 1 mm.
  • Direction 28 relates in particular to the molding tool surface 24 or to the (unstructured) workpiece surface 22 and is essentially parallel thereto.
  • the at least one molding structure 27 has a dimension in a depth direction 29 in the submicrometer range of less than 1 mm.
  • the depth direction 29 relates in particular to the molding tool surface 24 or to the (unstructured) workpiece surface 22 and is essentially perpendicular to it.
  • the structured molding tool surface 24 can have a lateral surface section which can be defined by one or more lateral dimensions 25.
  • An unstructured workpiece surface 22 ′ corresponds to the workpiece surface from which the structured molding tool surface 24 was created by the structuring 102 according to the invention.
  • This structured molding tool surface 24 can have a structure depth 26 which defines a maximum distance between the structured molding tool surface 24 and the unstructured workpiece surface 22 ′, in the depth direction 29.
  • the structured molding tool surface 24 can have a maximum structure depth 26 of 0 mm to 100 mm, or from 0 mm to 10 mm, or from 0 mm to 2 mm.
  • FIG. 2B shows an enlarged section of the exemplary structured molding tool surface 24 from FIG. 2A with a large number of different molding structures 27.
  • An molding structure 27 can, for example, have an elevation 27A, which is delimited from adjacent molding structures 27 by a further elevation 27A or a depression 27B can be.
  • an impression structure 27 can also have, for example, a depression 27B, which in turn can be delimited from adjacent impression structures 27 by an elevation 27A or a further depression 27B.
  • An impression structure 27 can have any geometric structure (free form) which can have a flank 21, for example a continuous flank, and / or a step 23.
  • an impression structure 27 can have a dimension in the lateral direction 28 and a dimension in the depth direction 29.
  • a dimension in the depth direction 29 can correspond, for example, to the height of at least one section of an impression structure 27 configured as an elevation 27A.
  • a dimension in the depth direction 29 can correspond, for example, to the depth of at least one section of an impression structure 27 configured as a depression 27B.
  • a dimension in the depth direction 29 can therefore correspond, for example, to a step height 29A of a step 23 or a maximum height 29B of an impression structure 27 configured as an elevation 27A.
  • the maximum height 29B can be, for example, a maximum elevation in the molding tool surface 24 or a maximum elevation of the molding structure 27A relative to a depression 27B delimiting the molding structure 27A.
  • a dimension in the depth direction 29 can also be, for example, a maximum depth 29C of an impression structure 27 configured as a depression 27B, the maximum depth 29C of a maximum depth of the impression structure 27 configured as a depression 27B relative to an elevation 27A delimiting the impression structure 27B.
  • a dimension in the depth direction 29 can also be the roughness of a flank 21, for example.
  • the dimension in the depth direction 29 can describe a (shortest) distance between a lowest point 31 and a highest point 32 of the respective impression structure 27.
  • Such a dimension of a molding structure 27 in the depth direction 29 can, according to the invention, be less than 1 mm, preferably less than 500 nm, more preferably less than 100 nm and even less than 10 nm. The most precise generation of this kind Small mold structures 27 in a hard metallic mold surface 24 is made possible with the method 100 according to the invention.
  • the molding structures 27 can also be manufactured with the utmost precision in the lateral direction.
  • the dimension in the lateral direction 28 can describe a (shortest) distance between two laterally (maximally far) spaced apart points 33, 34 of the respective impression structure 27.
  • such a dimension of a molding structure 27 in the lateral direction 28 can be smaller than 1 mm, preferably smaller than 500 nm, more preferably smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm.
  • a dimension in the lateral direction 28 can be, for example, a step width 28A of an impression structure 27 configured as a step 23, or an average width 28B of an impression structure 27 configured as an elevation 27A.
  • the average width can be, for example, an averaged lateral dimension of an impression structure 27, wherein the average value can be formed over a maximum height 29B (an elevation 27B) or over a maximum depth 29C (a depression 27A).
  • a molding structure 27 can have an aspect ratio of, for example, 2: 1 or 3: 1, i.e. a ratio between a dimension in the depth direction 29 and a dimension in the lateral direction 28 can be, for example, less than 3 or 2. Establishing higher aspect ratios can be technically demanding.
  • the dimension of the molding structure 27 in the lateral direction 28 can describe the length and / or the width of the molding structure 27, and the dimension in the depth direction 29 can describe the depth or height of the molding structure 27.
  • the dimension of the molding structure 27 in the lateral direction 28 can describe the length and / or the width of the molding structure 27, and the dimension in the depth direction 29 can describe the depth or height of the molding structure 27.
  • the method 100 according to the invention can be produced in the molding tool surface 24, which is smaller than 1 mm, preferably smaller than 500 nm, more preferably smaller in each direction (ie length, width, depth / height) than 100 nm and even smaller than 10 nm.
  • One advantage of the method 100 according to the invention is, among other things, that one is not restricted to certain geometric shapes (e.g. trench structures or concentric shapes), i.e. the at least one molding structure 27 can be produced as any free shape.
  • FIG. 3 shows a top view of a non-limiting example of a molding tool 20 according to the invention for producing an optical element according to an embodiment example.
  • a molding tool surface 24 with a large number of different molding structures 27 is shown here as an example.
  • an impression structure 27 which extends transversely over the molding tool surface 24 and which can start out as an elevation 27A or a depression 27B.
  • a dimension in the lateral direction 28 of this molding structure 27 can be just as large as or smaller than the dimension 25 of the structured molding tool surface 24 in this same lateral direction. That is to say, the molding structure 27 can extend over the entire molding tool surface 24 or just over only part of the molding tool surface 24.
  • a dimension in the lateral direction 28 of this molding structure 27 can be larger than an individual writing field 30 of the ion writer used in the method 100.
  • the lateral surface area of the structured mold surface 24 may range between 400 nm 2 and 35,200 mm 2, or between 400 nm 2 and 10,000 mm 2 Lie gene. However, the lateral surface area may also be greater.
  • Figures 4 (a) and 4 (c) each show a plan view of a structured mold surface 24 according to two non-limiting exemplary embodiments.
  • the structured molding tool surfaces 24 shown each have a large number of different molding structures 27.
  • the molding structures 27 are formed according to the invention by subtractively produced free forms.
  • Each molding structure 27 has a dimension in the lateral direction 28. As mentioned at the beginning, this can be the length 28L or the width 28B of the molding structure 27.
  • the molding tool surface 24 can be structured so precisely that at least one of the generated or structured impression structures 27 has a lateral dimension 28L, 28B (e.g. length and / or width) that is smaller than 1 mm, preferably can be smaller than 500 nm, more preferably smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm.
  • the molding tool surface 24 can be structured so precisely that at least one of the generated or structured molding structures 27 has a dimension in the depth direction 29 (eg depth) that is less than 1 mm, preferably less than 500 nm, more preferably can be smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm.
  • Figures 4 (b) and 4 (d) show two-dimensional height and depth profiles 41 of the structured molding tool surfaces 24 shown in FIGS. 4 (a) and 4 (c). The respective depth 29 of the molding structures 27 can be determined from the profiles 41.
  • the entire structured mold surface 24 also has dimensions in the lateral direction, for example a length 25L and a width 25B of the Form tool surface 24 can act.
  • the product of length 25L and width 25B gives the above-mentioned lateral area or areal extension of the mold surface
  • FIGS. 5 (a) and 5 (b) each show a plan view of a structured molding tool surface 24 according to a further conceivable exemplary embodiment.
  • the molding tool produced by means of the method 100 according to the invention can be used to produce a Fresnel-like diffractive lens.
  • the structured molding tool surface 24 here again has lateral dimensions 25.
  • the molding structures 27 are elevations or depressions arranged in a rotationally symmetrical manner. Accordingly, the lateral dimensions 25 of the molding tool surface 24 can be, for example, a radius of the molding tool surface 24.
  • FIG. 5 (c) shows a three-dimensional profile of the structured molding tool surface 24 shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). It should again be explicitly pointed out at this point that the molding tool surface 24 or the molding structures 27 is not restricted to the concentric arrangement shown as an example. Rather, the method 100 according to the invention offers the possibility of generating free forms.
  • FIG. 5 (d) shows a two-dimensional height or depth profile 41 of the structured molding tool surface 24 shown in FIGS. 5 (a) -5 (c), the dimensions of the respective impression structures 27 being recognizable in the depth direction.
  • at least one of the molding structures 27 can have a dimension in the depth direction 29 that is smaller than 1 mm, preferably smaller than 500 nm, more preferably smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm.
  • FIG. 5 (e) shows an enlarged section of an exemplarily selected impression structure 27A.
  • the impression structure 27A has several steps 23.
  • the steps 23 have a dimension in the lateral direction 28A and a dimension in the depth direction 29A.
  • a step 23 can have a dimension in the depth direction 29A that is smaller than 1 mm, preferably smaller than 500 nm, more preferably smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm.
  • a step 23 can have a dimension in the lateral direction 28A which is smaller than 1 mm, preferably smaller than 500 nm, more preferably smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm.
  • FIGS. 6 (a) and 6 (c) each show an image of an impression of the structured molding tool surface 24 shown in FIGS. 4 (a) and 4 (c), the structured molding tool surface 24 from FIG. a) represents a negative form of the impression shown in FIGS. 6 (a) and 6 (c).
  • FIGS. 6 (a) and 6 (c) therefore show a non-limiting example of an end product 61 that can be produced or molded by means of the molding tool according to the invention.
  • the molded structures 121 produced in the molded end product 61 correspond to an impression of those discussed above Impression structures 27.
  • FIGS. 6 (b) and 6 (d) show two-dimensional height and depth profiles 41 of the molded end products 61 shown in FIGS. 6 (a) and 6 (c).
  • the height profiles 41 accordingly also in finished product 61 at least one of the molded structures 121 has a dimension in the depth direction 29 which is smaller than 1 mm, preferably smaller than 500 nm, more preferably smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm. The same applies to the dimensions of the molded structures 121 in the lateral direction.
  • FIG. 7 (a) shows a plan view of an impression of the structured molding tool surface 24 shown in FIG. 5 (a), the structured molding tool surface 24 from FIG. 5 (a) being a negative form of the one shown in FIG. 7 (a) Represents impression.
  • FIGS. 7 (a) and 7 (b) accordingly show a further non-limiting example of an end product 61 that can be produced or molded by means of the molding tool according to the invention with correspondingly molded structures 121, in this example with a concentric arrangement of alternately arranged depressions 121A and elevations 121 B.
  • the shaped structures 121 produced in the shaped end product 61 correspond to an impression of the previously discussed impression structures 27.
  • FIG. 7 (c) shows a two-dimensional depth or height profile of the impression shown in FIG. 7 (a).
  • the height profile 41 at least one of the molded structures 121 in the finished end product 61 accordingly has a dimension in the depth direction 29 that is less than 1 mm, preferably less than 500 nm, more preferably less than 100 nm and can even be smaller than 10 nm. The same applies to the dimensions of the molded structures 121 in the lateral direction.
  • the finest possible gradation from 0 (actually zero) to a few micrometers can be achieved. Graduations of up to 100 mm are conceivable. Areas between 0-2 mm and between 0-10 mm are advantageous.
  • molding tool surface 24 in the areas described can be implemented reproducibly with the method 100 according to the invention.
  • Roller processes are also possible here.
  • similar structures or mold surfaces are required, which means that so-called step-and-repeat processes can be used later in production for processing entire square meters.
  • any desired structures and shapes can be produced. These include, on the one hand, non-rotationally symmetrical optical elements, which otherwise could not be manufactured using ultra-precision machining or laser direct writing techniques, and, on the other hand, freeform surfaces, i.e. structures of any shape (provided that they can be subtractively manufactured from one beam direction). Examples of this are optical elements such as phase plates, wavefront corrections or digital diffractive patterns. This essential fact makes the technology very universally replaceable for the production of a large number of optical elements and therefore represents a key technology in the production of polymer optical elements.
  • the product that can be produced with the molding tool can be a Fresnel-like diffractive lens.
  • the grids can be designed continuously, whereby the Fresnel structure comes about.
  • the difference, however, is in the order of magnitude. This is smaller by a factor of 10-100 than with conventional Fresnel-like lenses, which is possible with the method according to the invention, at least with the specified resolution accuracy, edge steepness and achievable corner radii.
  • the structures can, for example, be written directly from the CAD model into the molding tool (stamp), which can come from simulations of a wavefront calculation or a reserve calculation for warpage and shrinkage for injection molding. No intermediate steps are necessary for this, such as lacquer techniques (lacquer application techniques and any kind of lithography / exposure / etching), molding and copying techniques from the master structures, or integration of partial inserts in holders in the tool.
  • This step of the direct structuring of the tool surfaces is also a special feature, since no additional inserts have to be installed, aligned and fixed in order to avoid a resulting inaccuracy in positioning, eg offset or tilting. And there are no thermal conductivity problems at the transition points through air gaps. This optimizes the conduction and distribution of heat, which significantly simplifies the temperature control of the mold surface.
  • the invention enables extremely precise molding tools, for example stamps, to be produced for moldings by hot stamping processes, injection molding or injection stamping processes, and nano-imprint lithography processes.
  • the structures can have a lateral and a depth resolution in the submicrometer range, ideally down to the nanometer range.
  • the invention also offers the possibility of producing various shapes with structures with micrometer and submicrometer resolution, especially in mass production, for example of optical elements, for example phase plates, wavefront corrections, digital diffractive patterns or optical lenses, for example Fresnel lenses or diffractive lenses, Fresnel-like diffractive lenses, for example Fresnel lenses for lighting optics in smartphones.
  • the invention can provide molding tools, for example punches, which have a long service life, high molding accuracy and low wear.
  • Hard materials with high strength and good thermal conductivity can be processed, which can be provided with micro and nanostructures at the same time.
  • the molding tools produced according to the invention can then be molded into the desired material, for example transparent optical materials for Fresnel lenses, for example by hot pressing, embossing / punching, injection compression molding, injection molding, or nanoimprint lithography.
  • the use of the ion beam according to the invention overcomes the problems of gray scale lithography, as is carried out, for example, with the aid of electron beams or photolithography. There, up to 64 or more gray levels form an edge of the stamp. With the use of the ion beam according to the invention, on the one hand, very steep flanks and, on the other hand, practically smooth, inclined edges are possible, with submicrometer spatial and depth resolution.
  • the invention also relates to a use of an ion beam lithography method for producing a molding tool, wherein the use can have the same features and advantages as the claimed method.
  • the invention also allows tough and hard hard metals such as titanium to be machined, which conduct heat well and are not very brittle.
  • the inventive A corresponding molding tool for example a stamp, has a high degree of dimensional accuracy to the optical design or to the functional design according to the intended application. In particular, very steep flanks and bevels can also be implemented, which have a resolution better than 64 or 128 steps and which can have a diameter of several hundred micrometers or even millimeters.
  • the molding tool for example the stamp, can be produced directly in a hard material that conducts heat well so that the component and the finest structures can be molded precisely and completely, and which can be easily removed from the mold.
  • metals are preferred, many metals having magnetic properties.
  • the method according to the invention can be carried out, for example, with non-magnetic metals, so that an immersion mode can optionally be used.
  • crystalline materials such as silicon, ceramics (multi- and monocrystalline) and other elements can also be processed with the method according to the invention. The problem here is that these have different thermal expansion coefficients than the rest of the structure of the steel tools, which can easily lead to stress fractures or so-called "seizure" if the elements do not run into one another properly.
  • Metals are therefore particularly advantageous as a material for molding tools, since they have similar coefficients of thermal expansion as the steel tools with which the molding tools are to be used, causing stress fractures or so-called "Scuffing", wedging and the associated increased wear of moving components due to geometrical deviations, including thermal expansion, can be avoided.
  • Metals also have the advantage of good thermal conductivity.
  • particularly hard metals e.g. with a Mohs hardness> 4
  • Hard metals in particular offer a high degree of dimensional accuracy for functional design in accordance with the intended application, for example for optical design.
  • hard metals in particular ensure a long service life.
  • metals can be easily removed from the mold.
  • inventive structuring of the metal workpiece by means of an ion beam is particularly advantageous, since this type of structuring of metals can achieve a depth resolution of less than 10 miti, ideally up to 10 nm.
  • molding tools made of hard metal can be structured more precisely with the method according to the invention than with conventional methods for the direct machining of metals.
  • structures of any shape, in particular free-form surfaces can be produced, provided that it can be produced subtractively from one beam direction.
  • very steep flanks and bevels that have a resolution better than 64 or 128 steps and that can be several hundred micrometers or even millimeters in diameter.
  • the structures can be written directly from a digital model, for example a CAD model, into a workpiece, which is particularly advantageous in the case of CAD models from simulations of a wavefront calculation or a reserve calculation for warpage and shrinkage for injection molding production.
  • the direct structuring of the workpiece with the ion beam Due to the direct structuring of the workpiece with the ion beam, no additional intermediate steps are absolutely necessary for the production of the molding tool, such as paint techniques, molding and copying techniques from the master structures, or the integration of partial inserts in holders in the tool.
  • the step of direct structuring of the tool surfaces is particularly advantageous because no additional inserts have to be installed, aligned and fixed when integrating the molding tool into a production system, which means that inaccuracies in positioning, for example offset or tilting, can be avoided.
  • thermal conductivity problems caused by air gaps at transition points are also avoided. This increases the heat conduction and - Distribution optimized, which significantly simplifies the mold surface temperature control.

Abstract

The invention relates to a method (100) for producing a molding tool (20). The method (100) includes the provision of a workpiece which has a workpiece surface (22) comprising a metal. The method (100) further includes a structuring of the workpiece surface (22) by at least partially removing the metal from the workpiece surface (22) using an ion beam, thus resulting in a microstructured or nanostructured workpiece surface which forms a structured molding tool surface (24). According to the invention, the structuring of the workpiece surface (22) is carried out at least in some sections with a depth resolution in the submicrometer range of less than 1 μm and/or with a lateral resolution in the submicrometer range of less than 1 μm.

Description

VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES FORMWERKZEUGS UND METHOD OF MANUFACTURING A MOLDING TOOL AND
FORMWERKZEUG ZUM HERSTELLEN EINES OPTISCHEN ELEMENTS MOLDING TOOL FOR MANUFACTURING AN OPTICAL ELEMENT
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Formwerkzeugs, beispielsweise eines Stempels zum Herstellen von Abformungen. Außerdem betrifft die Erfindung ein nach einem solchen Verfahren hergestelltes Formwerkzeug. Des Weiteren betrifft die Er- findung ein Formwerkzeug zum Herstellen eines optischen Elements, beispielsweise einen Stempel zum Herstellen von Abformungen für optische Elemente. The invention relates to a method for producing a molding tool, for example a stamp for producing impressions. The invention also relates to a molding tool produced using such a method. The invention also relates to a molding tool for producing an optical element, for example a stamp for producing impressions for optical elements.
Die Erfindung befindet sich auf dem technischen Gebiet der Herstellung von Erzeugnissen und Produkten mittels formgebender Verfahren. Hierfür werden geeignete Formwerkzeuge benutzt, die beispielsweise als Negativformen oder Positivformen zum Abformen eines final herzustellenden Produkts verwendbar sind. Diese Formwerkzeuge können als austauschbare Werkzeugeinsätze in größeren Maschinen zum maschinellen Herstellen unterschiedlichster Produkte eingesetzt werden. The invention is in the technical field of the manufacture of articles and products by means of shaping processes. Suitable molding tools are used for this, which can be used, for example, as negative molds or positive molds for molding a product to be finally manufactured. These molding tools can be used as interchangeable tool inserts in larger machines for the mechanical production of a wide variety of products.
Es sind beispielsweise Heißprägeverfahren, Spritzgussverfahren sowie Abformverfahren bekannt, in denen ein solches Formwerkzeug genutzt werden kann. Dabei wird das Formwerkzeug beispielsweise mit Plastik oder Polymeren beaufschlagt, und unter Druck und/oder Hitze wird das Plastik anschließend verformt und wieder vom Formwerkzeug abgelöst. Es ist daher unter anderem gewünscht, dass ein solches Formwerkzeug eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist sowie eine gute Entformbarkeit bietet. Metalle sind hierfür sehr gut geeignet. Heutzutage ist es bekannt, Formwerkzeuge aus Metall mittels spanender Verfahren herzustellen. Dabei werden die Formwerkzeuge beispielsweise mittels einer Fräse hergestellt, indem ein metallischer Werkstückrohling mit der Fräse oberflächlich derart bearbeitet wird, dass die fertig bearbeitete Werkstückoberfläche im Ergebnis eine strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche bildet. Als Ausgangsmaterial werden hierfür oft Werkzeugstäh- le verwendet, da das aus einem Werkzeugstahl hergestellte Formwerkzeug eine hohe Standzeit aufweist, d.h. es kann mehrere Hunderttausend bis Millionen Male zum Abformen verwendet werden, Diese spanenden Verfahren eignen sich besonders gut für Formwerkzeuge mit großen Abmessungen. Aber auch kleinere Abformflächen bzw. Formwerkzeug-Oberflächen können beispielsweise mittels Präzisionsfräsen hergestellt werden, wobei hierbei eine Genauigkeit bis zu wenigen Mikrometern erreicht werden kann. Nun spielt heutzutage, beispielsweise im Elektronikbereich, die Miniaturisierung von Produkten eine immer wichtigere Rolle. Es wird immer häufiger nach Produkten mit kleinen Strukturgrößen verlangt, die mit einer möglichst hohen Präzision hergestellt sein sollen. Das heißt, es werden Produkte benötigt, deren Oberflächen mit einer solchen Genauigkeit hergestellt sind, dass deren strukturelle Auflösung im Submikrometer- bis Nanometerbe- reich liegt. Ein Beispiel hierfür sind sogenannte Mikrolinsen, die in Smartphones und anderen Consumer Electronics Geräten Einsatz finden. Die Oberflächen dieser Mikrolinsen müssen äußerst präzise, d.h. mit einer strukturellen Auflösung im Submikrometer- bzw. Nanometerbereich hergestellt sein, damit die fertig abgeformte Linse eine möglichst präzise geformte, z.B. glatte Oberfläche aufweist. Nur so kann sichergestellt werden, dass derartig miniaturisierte Linsen auch ihre gewünschte Funktion erfüllen. For example, hot stamping processes, injection molding processes and molding processes are known in which such a molding tool can be used. For example, plastic or polymers are applied to the molding tool, and the plastic is then deformed under pressure and / or heat and then detached from the molding tool. It is therefore desirable, inter alia, that such a molding tool has good thermal conductivity and offers good demouldability. Metals are very suitable for this. Nowadays it is known to manufacture metal molds by means of machining processes. In this case, the molding tools are produced, for example, by means of a milling machine, in that a metallic workpiece blank is processed on the surface with the milling machine such that the finished workpiece surface ultimately forms a structured molding tool surface. Tool steels are often used as the starting material for this, since the molding tool made from tool steel has a long service life, ie it can be used several hundred thousand to million times for molding, These machining processes are particularly suitable for molding tools with large dimensions. However, smaller molding surfaces or molding tool surfaces can also be produced, for example, by means of precision milling, in which case an accuracy of down to a few micrometers can be achieved. Nowadays, for example in the electronics sector, the miniaturization of products is playing an increasingly important role. There is an increasing demand for products with small structure sizes that should be manufactured with the highest possible precision. This means that products are required whose surfaces are manufactured with such an accuracy that their structural resolution is in the submicrometer to nanometer range. One example of this are so-called microlenses, which are used in smartphones and other consumer electronics devices. The surfaces of these microlenses must be produced extremely precisely, ie with a structural resolution in the submicrometer or nanometer range, so that the finished molded lens has a surface that is as precisely formed as possible, for example smooth. This is the only way to ensure that such miniaturized lenses also fulfill their desired function.
Für die Herstellung derartiger Formwerkzeuge, die eine im Submikrometer- bzw. Nanometerbereich liegende Präzision für das Abformen von miniaturisierten Produkten aufweisen, sind im Umfeld der sogenannten Ultrapräzisionsbearbeitung unterschiedliche Verfahren bekannt. Beispielsweise können Formwerkzeuge zum präzisen Abformen miniaturisierter Produkte mittels Grauskalen-Lithographie, beispielsweise mittels Foto- oder Elektronenstrahllithographie, hergestellt werden, indem in Silizium oder anderen Materialien Stufenstrukturen eingeätzt werden, die dann mit Nickel-Shims abgeformt werden, z.B. unter Anwendung von Galvanik. Die Formwerkzeuge können dann zum Abformen, beispielsweise zum Prä- gen, Pressen, Gießen oder Formen mit einem Nanoimprint-Lithographie-Verfahren eingesetzt werden, insbesondere zum Heißprägen, Spritzprägen, Transferpressen oder Spritzgießen. For the production of such molding tools, which have a precision in the submicrometer or nanometer range for molding miniaturized products, different methods are known in the field of so-called ultra-precision machining. For example, molding tools for the precise molding of miniaturized products can be produced by means of gray-scale lithography, for example by means of photo or electron beam lithography, by etching step structures in silicon or other materials, which are then molded with nickel shims, e.g. using electroplating. The molding tools can then be used for molding, for example for embossing, pressing, casting or molding with a nanoimprint lithography method, in particular for hot stamping, injection molding, transfer molding or injection molding.
Wie eingangs erwähnt, eignen sich Metalle hierfür sehr gut, da diese eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Um darüber hinaus möglichst hohe Standzeiten für das Formwerk- zeug zu erreichen, werden harte Metalle zum Herstellen des Formwerkzeugs bevorzugt. Nickel weist eine Mohshärte von 4 auf und ist derzeit das härteste Metall, das mit den oben genannten Präzisionsverfahren (u.a. Galvanik) zu einem Formwerkzeug verarbeitbar ist. Allerdings ist dies im Vergleich zu Werkzeugstählen, die Mohshärten im Bereich von 6 bis 8,5 aufweisen, immer noch deutlich weniger, was dazu führt, dass die Standzeiten von aus Nickel hergestellten Formwerkzeugen gegenüber Formwerkzeugen aus Werkzeugstahl deutlich reduziert sind. Auf das oben beschriebene Beispiel angewendet heißt dies, dass Nickel zwar sehr präzise bearbeitet werden kann, aber dass die Nickel- Shims keine Standzeiten zulassen, die Millionen von Abformungen erlauben. Sie müssen üblicherweise nach mehreren 10.000, bestenfalls bis zu wenigen 100.000 Abformungen wieder ausgetauscht werden, da die Abformgenauigkeit nachlässt und sie nach und nach während des Abformprozesses verschleißen. As mentioned at the beginning, metals are very suitable for this because they have good thermal conductivity. In order to achieve the longest possible service life for the molding tool, hard metals are preferred for manufacturing the molding tool. Nickel has a Mohs hardness of 4 and is currently the hardest metal that can be processed into a mold using the above-mentioned precision processes (including electroplating). However, compared to tool steels, the Mohs hardnesses are in the range from 6 to 8.5, still significantly less, which means that the service lives of molds made of nickel are significantly reduced compared to molds made of tool steel. Applied to the example described above, this means that nickel can be machined very precisely, but that the nickel shims do not allow tool lives that allow millions of impressions. They usually have to be replaced after several 10,000, at best up to a few 100,000 impressions, since the accuracy of the impression decreases and they gradually wear out during the impression process.
Es wurde in der Fachwelt versucht diesem Missstand zu begegnen, indem Formwerkzeu- ge aus Dielektrika oder Halbleitermaterialien, wie zum Beispiel Silizium, hergestellt wurden. Der Vorteil hierbei ist, dass derartige Materialien eine hohe Härte aufweisen. So weist beispielsweise Silizium eine Mohshärte von 6,5 auf und kommt somit in den Bereich von Werkzeugstählen. Ein großer Nachteil besteht jedoch darin, dass Dielektrika bzw. Halbleitermaterialien gleichzeitig auch sehr spröde sind und eine geringe Zähigkeit auf- weisen. Im Praxiseinsatz hat dies dazu geführt, dass mit derartigen Materialien hergestellte Formwerkzeuge im Einsatz gebrochen sind. Abgesehen davon weisen derartige Materialien im Vergleich zu z.B. Werkzeugstählen oder anderen Metallen eine deutlich schlechtere Wärmeleitfähigkeit auf, was sie insbesondere für den Einsatz in Heißpräge- verfahren ungeeignet macht. Es besteht also ein Zielkonflikt insofern, dass Formwerkzeuge zur Herstellung von miniaturisierten Produkten benötigt werden, die eine äußerst hohe Präzision, d.h. eine sehr genaue strukturelle Auflösung im Submikrometer- bzw. Nanometerbereich aufweisen, und die gleichzeitig eine sehr hohe Standzeit besitzen. Attempts have been made in the professional world to counteract this deficiency by producing molds from dielectrics or semiconductor materials such as silicon. The advantage here is that such materials are extremely hard. For example, silicon has a Mohs hardness of 6.5 and is therefore in the range of tool steels. A major disadvantage, however, is that dielectrics or semiconductor materials are also very brittle at the same time and have poor toughness. In practice, this has resulted in molds made with such materials breaking in use. Apart from that, such materials have a significantly poorer thermal conductivity compared to e.g. tool steels or other metals, which makes them particularly unsuitable for use in hot stamping processes. There is therefore a conflict of objectives insofar as molding tools are required for the production of miniaturized products that have extremely high precision, i.e. very precise structural resolution in the submicrometer or nanometer range, and which at the same time have a very long service life.
Den Erfindern ist es gelungen, mittels des Verfahrens gemäß Anspruch 1 ein Formwerk- zeug herzustellen, das die oben genannten und bisher als unvereinbar gegoltenen Eigenschaften miteinander vereint. Das Verfahren ermöglicht es harte Metalle, die eine hohe Standzeit ermöglichen, direkt zu bearbeiten, und zwar mit einer derartigen Präzision, dass Strukturen in der Formwerkzeug-Oberfläche im Submikrometer- bzw. Nanometerbereich erzeugt werden können. Dabei können nicht nur einfache Grabenstrukturen, Stufen oder Löcher erzeugt werden, sondern vielmehr besteht ein großer Vorteil darin, dass aufgrund der direkten Präzisionsbearbeitung des Metalls tatsächlich beliebige Freiformen hergestellt werden können. Derzeit verwendete Technologien sind nicht in der Lage solche Materialien direkt zu strukturieren und dabei die geforderten Genauigkeiten einzuhalten. Die Erfindung löst somit die eingangs genannten Probleme des Stands der Technik mit einem Verfahren zum Herstellen eines Formwerkzeugs gemäß Anspruch 1 , einem entsprechend mit ebendiesem Verfahren hergestellten Formwerkzeug gemäß Anspruch 14 sowie einem mit ebendiesem Verfahren herstellbaren Formwerkzeug zum Herstellen ei- nes optischen Elements mit den Merkmalen gemäß Anspruch 15. Denkbare Ausführungsformen sowie weitere vorteilhafte Aspekte der Erfindung sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen genannt. The inventors have succeeded in using the method according to claim 1 to produce a molding tool that combines the properties mentioned above and previously considered incompatible. The method enables hard metals, which allow a long service life, to be machined directly, with such precision that structures in the mold surface in the submicrometer or nanometer range can be produced. Not only can simple trench structures, steps or holes be created, but rather there is a great advantage that, due to the direct precision machining of the metal, any free shapes can actually be produced. Technologies currently used are not able to structure such materials directly and maintain the required levels of accuracy. The invention thus solves the problems of the prior art mentioned at the beginning with a method for producing a molding tool according to claim 1, a molding tool produced according to this method according to claim 14 and a molding tool which can be produced with this method for producing an optical element having the features according to claim 15. Conceivable embodiments and further advantageous aspects of the invention are mentioned in the respective dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Formwerkzeugs wird zunächst ein Werkstück bereitgestellt, das eine ein Metall aufweisende Werkstückoberfläche aufweist. Das Werkstück ist sozusagen das Ausgangsobjekt, aus dem das Formwerkzeug hergestellt wird. Das Werkstück kann aus Metall bestehen oder zumindest abschnittsweise ein Metall aufweisen. Vorteilhafter Weise kann das Werkstück an zumindest einer gut zugänglichen Werkstückoberfläche ein Metall aufweisen. Das Verfahren beinhaltet ferner ein Strukturieren der Werkstückoberfläche durch zumindest teilweises Abtragen des Me- talls von der Werkstückoberfläche mittels eines lonenstrahls, so dass eine mikro- oder nanostrukturierte Werkstückoberfläche entsteht, welche eine strukturierte Formwerkzeug- Oberfläche bildet. Mittels des lonenstrahls kann die das Metall aufweisende Werkstückoberfläche äußerst präzise bearbeitet werden. Dabei kann das Metall an der Werkstückoberfläche mittels des lonenstrahls beliebig (d.h. als Freiform) strukturiert werden, wobei es der lonenstrahl ermöglicht feinste Schichten des Metalls abzutragen und dabei sogar einzelne Atome aus der metallischen Gefügestruktur herauszuschlagen. Durch das Strukturieren bzw. das Abtragen des Metalls entsteht aus der Werkstückoberfläche nach und nach die fertig strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Strukturieren vorzugsweise mit einer Tiefenauflösung im Submikrome- terbereich von weniger als 1 mm und/oder mit einer lateralen Auflösung im Submikrometerbereich von weniger als 1 mm ausgeführt werden. Dabei kann die Tiefenauflösung beispielsweise eine mit dem lonenstrahl realisierbare maximale Abweichung von einem Zielwert für das Abtragen des Metalls in der Tiefenrichtung angeben. Die Tiefe bezeichnet einen Abstand entlang der Tiefenrichtung, insbesondere ausgehend von der Werkstück- Oberfläche. Dabei kann die Tiefenrichtung eine im Wesentlichen senkrecht zu der zu strukturierenden Oberfläche des Werkstücks bzw. des Werkzeugkörpers verlaufende Richtung sein. Gleichbedeutend kann die Tiefenrichtung von der Werkstückoberfläche ausgehend in Richtung einer weiteren Werkstückoberfläche bemessen werden, wobei die Werkstückoberfläche der weiteren Werkstückoberfläche vorzugsweise gegenüberliegend angeordnet ist. Die Tiefenrichtung kann senkrecht zu einer beliebigen lateralen Richtung sein. Eine Richtung kann als lateral bezeichnet werden, wenn sie im Wesentlichen parallel zu der Werkstückoberfläche ist. Eine laterale Richtung kann auch als eine seitliche Richtung bezeichnet werden. Die laterale Auflösung kann die laterale Abmessung des kleinsten mit dem lonenstrahl realisierbaren Abtrags des Metalls bezeichnen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Strukturieren zumindest abschnittsweise mit einer Tiefenauflösung von weniger als 500 nm, oder von weniger als 100 nm, oder von weniger als 10 nm ausgeführt werden. Durch das Strukturieren der Werkstückoberfläche mit dieser besonders guten Tiefenauflösung lassen sich Formwerkzeuge mit metallischer Abformfläche herstellen, welche nach anderen Verfahren nicht herstellbar sind, nicht ein- mal mittels Ultrapräzisionsbearbeitung oder Laser-Direkt-Schreib-Techniken. Beispielsweise eignen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Formwerkzeuge sehr gut für die Produktion optischer Elemente. Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die angegebene Tiefenauflösung sehr universell ersetzbar für die Herstellung einer Vielzahl unterschiedlichster Produkte, wie beispielsweise höchstpräzise zu fertigende op- tische Elemente und insbesondere polymeroptische Elemente. In the method according to the invention for producing a molding tool, a workpiece is first provided which has a workpiece surface comprising a metal. The workpiece is, so to speak, the starting object from which the molding tool is made. The workpiece can consist of metal or, at least in sections, have a metal. The workpiece can advantageously have a metal on at least one easily accessible workpiece surface. The method further includes structuring the workpiece surface by at least partially removing the metal from the workpiece surface by means of an ion beam, so that a micro- or nanostructured workpiece surface is created which forms a structured mold surface. The workpiece surface containing the metal can be processed extremely precisely by means of the ion beam. The metal on the workpiece surface can be structured as desired (ie as a free form) by means of the ion beam, whereby the ion beam enables the finest layers of metal to be removed and even individual atoms to be knocked out of the metallic structure. By structuring or removing the metal, the finished structured mold surface is gradually created from the workpiece surface. In the method according to the invention, the structuring can preferably be carried out with a depth resolution in the submicrometer range of less than 1 mm and / or with a lateral resolution in the submicrometer range of less than 1 mm. In this case, the depth resolution can, for example, indicate a maximum deviation that can be realized with the ion beam from a target value for the removal of the metal in the depth direction. The depth denotes a distance along the depth direction, in particular starting from the workpiece surface. The depth direction can be a direction running essentially perpendicular to the surface to be structured of the workpiece or of the tool body. Equally meaning, the depth direction can be dimensioned starting from the workpiece surface in the direction of a further workpiece surface, wherein the workpiece surface is preferably arranged opposite the further workpiece surface. The depth direction can be perpendicular to any lateral direction be. A direction can be said to be lateral if it is substantially parallel to the workpiece surface. A lateral direction can also be referred to as a lateral direction. The lateral resolution can designate the lateral dimension of the smallest removal of the metal that can be realized with the ion beam. According to one exemplary embodiment, the structuring can be carried out at least in sections with a depth resolution of less than 500 nm, or of less than 100 nm, or of less than 10 nm. By structuring the workpiece surface with this particularly good depth resolution, molding tools with metallic molding surfaces can be produced which cannot be produced using other methods, not even using ultra-precision machining or laser direct writing techniques. For example, molding tools produced by the method according to the invention are very well suited for the production of optical elements. Due to the specified depth resolution, the method according to the invention is very universally replaceable for the production of a large number of very different products, such as, for example, optical elements to be manufactured with the highest precision and in particular polymer optical elements.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Strukturieren zumindest abschnittsweise mit einer lateralen Auflösung von weniger als 500 nm, oder von weniger als 100 nm, oder von weniger als 10 nm ausgeführt werden. Beispielsweise kann das Strukturieren mit dieser lateralen Auflösung in einem Metall mit einer Gefügestruktur, die feiner als die laterale Auflösung ist, ausgeführt werden. Das Strukturieren mit der angegebenen lateralen Auflösung ist beispielsweise vorteilhaft, um besonders klein strukturierte Formwerkzeug- Oberflächen mit höchster Präzision herzustellen, die sich beispielsweise für die Herstellung besonders feiner und höchstpräziser Produktoberflächen eignen. Insbesondere in Kombination mit der angegebenen Tiefenauflösung lassen sich extrem glatte Oberflächen und Schrägen herstellen. Insbesondere lassen sich Formwerkzeuge herstellen, deren strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche eine bessere Strukturauflösung, glattere Flächen und Schrägen und kleinere Radien aufweisen kann als Formwerkzeuge, die mittels üblicher Verfahren zur Bearbeitung von Metallen hergestellt wurden, beispielsweise mittels spanender Verfahren oder mittels Ultrapräzisionsbearbeitung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Metall ein Mohshärte von größer als 4 aufweisen. Das heißt, das zu strukturierende Metall ist härter als Nickel, welches das derzeit härteste Metall ist, das heutzutage mittels bekannter Verfahren (z.B. galvanische Abscheidung) zur Herstellung von Formwerkzeugen verarbeitet werden kann. Das zu strukturierende Metall der Werkstückoberfläche kann auch ein Metall sein, welches sich übli- cherweise nicht galvanisch abscheiden lässt. Die Herstellung eines Formwerkzeugs mit besonders kleinen Strukturen basiert üblicherweise auf galvanischer Abscheidung. Üblicherweise gelten Nickel und Nickelverbindungen als die härtesten galvanisch abscheidba- ren Metalle. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet die direkte Bearbeitung von Metallen mit einem lonenstrahl und macht den Zwischenschritt des galvanischen Abscheidens eines Metalls an einem Stempel, z.B. einem Mehrstufen-Stempel, überflüssig. Damit eröffnet das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit, Formwerkzeuge aus beliebigen Metallen herzustellen, insbesondere auch Metalle härter als Nickel, und beispielsweise aus Metallen, die eine Mohshärte von größer als 4 aufweisen. Formwerkzeu- ge aus solchen besonders harten Metallen sind insbesondere vorteilhaft im Hinblick auf lange Standzeiten und eine hohe Formtreue. Derzeit verwendete Technologien sind nicht in der Lage solche Metalle direkt zu strukturieren und dabei die hohen Genauigkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens zu erzielen. According to one embodiment, the structuring can be carried out at least in sections with a lateral resolution of less than 500 nm, or of less than 100 nm, or of less than 10 nm. For example, the structuring with this lateral resolution can be carried out in a metal with a microstructure that is finer than the lateral resolution. Structuring with the specified lateral resolution is advantageous, for example, in order to produce particularly small-structured mold surfaces with the highest precision, which are suitable, for example, for the production of particularly fine and extremely precise product surfaces. Particularly in combination with the specified depth resolution, extremely smooth surfaces and slopes can be produced. In particular, molding tools can be produced whose structured molding tool surface can have better structural resolution, smoother surfaces and bevels and smaller radii than molding tools which have been produced using conventional methods for machining metals, for example using cutting methods or using ultra-precision machining. According to an exemplary embodiment, the metal can have a Mohs hardness of greater than 4. This means that the metal to be structured is harder than nickel, which is currently the hardest metal that can nowadays be processed using known methods (eg galvanic deposition) to produce molds. The metal to be structured on the workpiece surface can also be a metal which is usually can not be galvanically deposited. The production of a mold with particularly small structures is usually based on electrodeposition. Usually, nickel and nickel compounds are considered to be the hardest electrodepositable metals. The method according to the invention uses the direct processing of metals with an ion beam and makes the intermediate step of galvanic deposition of a metal on a stamp, for example a multi-stage stamp, superfluous. The method according to the invention thus opens up the possibility of producing molds from any metals, in particular metals that are harder than nickel, and for example from metals that have a Mohs hardness of greater than 4. Forming tools made of such particularly hard metals are particularly advantageous with regard to long service lives and high dimensional accuracy. Technologies currently used are not able to structure such metals directly and thereby achieve the high accuracies of the method according to the invention.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Metall Titan, oder ein Metall mindestens so hart wie Titan, beispielsweise Wolfram, Chrom oder Molybdän sein. Generell werden als Material für ein Formwerkzeug Metalle bevorzugt. Dies können einerseits Eisenmetalle sein, welche aber magnetisch sind, was ihre Anwendung auf eine Bearbeitung ohne Immersionsmodus beschränkt. Ferner liefern Experimente mit Eisenmetallen auch ohne Immersionsmodus schlechte Ergebnisse aufgrund der recht inhomogenen Gefügestruktur. Hierunter fallen eigentlich alle Werkzeugstähle. Dann gibt es die typischen Buntmetalle wie Kupfer, Nickel, Nickelphosphor, Alu, etc. Diese haben typischerweise nicht die ausreichende Härte. Titan als Material für das Werkstück bietet den Vorteil, dass es eine ausreichend feine Gefügestruktur hat um im Nanometerbereich strukturiert zu werden. Beispielsweise hat Titan eine feinere Gefügestruktur als übliche Werkzeugstähle. Titan ist sehr hart, wodurch eine große Standzeit und eine hohe Formtreue erzielt werden können. Außerdem ist Titan ausreichend zäh um im Einsatz als Formwerkzeug nicht zu brechen. Außerdem ist Titan nicht magnetisch, wodurch für die Bearbeitung mit einem lonenstrahl optional ein Immersionsmodus genutzt werden kann. Titan kann als Bulk-Material als großer Klotz bearbeitet werden, wodurch ganze Stempel in einem Teil gefertigt werden kön- nen, andererseits bricht das Material nicht so leicht wie kristalline Materialien, beispielsweise Silizium oder Keramiken. Titan hat also einen ausreichend passenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten, ist hart genug für den Verschleißschutz, und hat ein ausreichend feines Gefüge um sauber im Submikrometer- und Nanometerbereich strukturiert zu werden. Titan ist außerdem relativ günstig, beispielsweise im Vergleich zu Wolfram. Titan ist hart, zäh und verschleißarm. Normalerweise kann man Titan nur schwer bearbeiten, da die Bearbeitungswerkzeuge sehr schnell verschleißen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches Titan mithilfe von lonenstrahl-Lithographie strukturiert, tritt hingegen kein derartiger Verschleiss mehr auf. According to one embodiment, the metal can be titanium, or a metal at least as hard as titanium, for example tungsten, chromium or molybdenum. In general, metals are preferred as the material for a molding tool. On the one hand, these can be ferrous metals, which are magnetic, which limits their application to processing without immersion mode. Furthermore, experiments with ferrous metals give poor results even without the immersion mode due to the very inhomogeneous microstructure. This actually includes all tool steels. Then there are the typical non-ferrous metals such as copper, nickel, nickel-phosphorus, aluminum, etc. These typically do not have sufficient hardness. Titanium as a material for the workpiece offers the advantage that it has a sufficiently fine structure to be structured in the nanometer range. For example, titanium has a finer microstructure than conventional tool steels. Titanium is very hard, which means that a long service life and high dimensional accuracy can be achieved. In addition, titanium is sufficiently tough not to break when used as a molding tool. In addition, titanium is not magnetic, which means that an immersion mode can optionally be used for machining with an ion beam. As a bulk material, titanium can be machined as a large block, which means that entire punches can be manufactured in one part. On the other hand, the material does not break as easily as crystalline materials such as silicon or ceramics. Titanium has a sufficiently suitable coefficient of thermal expansion, is hard enough for wear protection, and has a sufficiently fine structure to be structured cleanly in the submicrometer and nanometer range. Titanium is also relatively cheap, for example compared to tungsten. Titanium is hard, tough and low-wear. Usually titanium is difficult to machine because the machining tools wear out very quickly. In the method according to the invention, which structures titanium with the aid of ion beam lithography, such wear no longer occurs.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der lonenstrahl Ionen von mindestens einem der Materialien Gold, Silizium, Kohlenstoff, Platin, Gallium aufweisen. Beispielsweise können Au+, Au++, Si+ und Si++ Ionen verwendet werden. Ein solcher lonenstrahl eignet sich besonders gut zum Abtragen von Metallen, insbesondere zum Abtragen von harten Metallen, insbesondere zum Abtragen von Titan, wobei sich eine gute Eignung durch eine hohe Abtragrate und eine hohe Genauigkeit, insbesondere eine gute Tiefenauflösung und eine gute laterale Auflösung der Strukturierung kennzeichnet. Alternativ kann der lonenstrahl auch andere Ionen aufweisen, die sich besonders gut zum Abtragen von Metallen, insbesondere zum Abtragen von harten Metallen, insbesondere zum Abtragen von Titan eignen. Vorteilhaft kann hierbei beispielsweise die Kombination aus dem Einsatz eines Titan- Stempels sowie dessen Mikro- und Nanostrukturierung mithilfe von Au/Si lonenstrahlen und die anschließende Abformung in ein flüssiges/zähfließendes Polymer, flüssiges Glas oder andere Materialien sein. According to one embodiment, the ion beam can have ions of at least one of the materials gold, silicon, carbon, platinum, gallium. For example, Au +, Au ++, Si +, and Si ++ ions can be used. Such an ion beam is particularly well suited for the removal of metals, in particular for the removal of hard metals, in particular for the removal of titanium, with good suitability due to a high removal rate and high accuracy, in particular good depth resolution and good lateral resolution of the structuring indicates. Alternatively, the ion beam can also have other ions which are particularly suitable for removing metals, in particular for removing hard metals, in particular for removing titanium. The combination of the use of a titanium stamp and its micro- and nano-structuring with the aid of Au / Si ion beams and the subsequent molding in a liquid / viscous polymer, liquid glass or other materials can be advantageous here.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche eine maximale Tiefe von 0 mm bis 100 mm, oder von 0 mm bis 10 mm, oder von 0 mm bis 2 mm aufweisen. Das bietet gegenüber Formwerkzeugen mit tieferen strukturierten Formwerk- zeug-Oberflächen den Vorteil, dass die Formwerkzeuge eine bessere Entformbarkeit aufweisen. Das kann insbesondere für Formwerkzeuge mit einer besonders fein strukturierten Formwerkzeug-Oberfläche der Fall sein. Die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche kann beispielsweis eine maximale Tiefe entsprechend der Wellenlänge des Lichts, die mit dem zu produzierenden optischen Element kompatibel ist, haben. Die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche kann aber auch eine maximale Tiefe größer als die Wellenlänge des Lichts, die mit dem zu produzierenden optischen Element kompatibel ist, haben, beispielsweise wenn das zu produzierende optische Element ein reflektives Element ist. According to one embodiment, the structured molding tool surface can have a maximum depth of 0 mm to 100 mm, or from 0 mm to 10 mm, or from 0 mm to 2 mm. Compared to molds with deeper, structured mold surfaces, this has the advantage that the molds can be removed from the mold better. This can be the case in particular for molding tools with a particularly finely structured molding tool surface. The structured mold surface can, for example, have a maximum depth corresponding to the wavelength of the light which is compatible with the optical element to be produced. The structured mold surface can, however, also have a maximum depth greater than the wavelength of the light that is compatible with the optical element to be produced, for example if the optical element to be produced is a reflective element.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche eine laterale Fläche im Bereich zwischen 400 nm2 und 35.200 mm2 oder zwischen 400 nm2 und 10.000 mm2 aufweisen. Das bietet zum einen den Vorteil, dass kleine Bereiche gezielt und selektiv strukturiert werden können, was die Dauer der Strukturierung verringern kann und damit die Wirtschaftlichkeit erhöhen kann. Zum anderen können auch sehr große Flächen strukturiert werden, beispielsweise 8 Zoll Wafer oder 4 Zoll Wafer, was insbesondere in der Massenproduktion von optischen Elementen vorteilhaft sein kann. Die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche kann insbesondere sehr viel größer als die Abmessung einer erzeugten Struktur, beispielsweise einer Abformstruktur, sein. Anders ausgedrückt, kann die Strukturierung im Vergleich zur Strukturgröße großflächig, d.h. bis zu einigen Quadratmillimetern, ausgeführt werden. Ferner kann die strukturierte Form- werkzeug-Oberfläche größer als ein einzelnes Schreibfeld der Anlage zum Strukturieren mittels einem lonenstrahl sein, insbesondere kann die strukturierte Formwerkzeug- Oberfläche durch eine Vielzahl solcher Felder mittels sogenanntem„Stitching“ entstehen. Dadurch wird die Nano-Direkt Bearbeitung größerer Werkstücke, beispielsweise Werkzeugkomponenten, möglich. Während früher einzelne Strukturen auf kleinen Elementen gefertigt wurden, können nun größere Werkstücke, beispielsweise Werkzeugblöcke, direkt strukturiert werden. Die Vorteile dabei sind, dass erstens keine Abformungen mehr nötig sind, was die Härte und die Standzeit verbessert und eine Ausrichtung der Nanostruktu- ren im Gesamtwerkzeug vermeidet, zweitens keine Fügeverbindungen zwischen unterschiedlichen Werkzeugkomponenten nötig sind, wodurch eine Ausrichtung der Nanostruk- turen im Werkzeug entfällt und wodurch Zuverlässigkeitsprobleme bei thermischen Replikationsverfahren vermieden werden können, und drittens keine Sonderschichten zur Na- nostrukturierung mehr nötig sind, wodurch Zusatzkosten für Beschichtungen und Schichtablösungen bei thermischen Prozessen vermieden werden können. Ferner kann eine Abmessung einer Struktur, beispielsweise eine Abmessung einer Abformstruktur, in min- destens einer lateralen Richtung genauso groß wie oder kleiner als die Abmessung der strukturierten Formwerkzeug-Oberfläche in dieser lateralen Richtung sein. According to one embodiment, the structured mold surface can have a lateral area in the range between 400 nm 2 and 35,200 mm 2 or between 400 nm 2 and 10,000 mm 2 . On the one hand, this offers the advantage that small areas can be structured in a targeted and selective manner, which can reduce the duration of the structuring and thus increase profitability. On the other hand, very large areas can also be structured, for example 8 inch wafers or 4 inch wafers, which can be particularly advantageous in the mass production of optical elements. The structured mold surface can in particular be very much larger than the dimensions of a structure produced, for example a molding structure. In other words, the structuring can be carried out over a large area compared to the structure size, ie up to a few square millimeters. Furthermore, the structured molding tool surface can be larger than a single writing field of the system for structuring by means of an ion beam, in particular the structured molding tool surface can be created by a large number of such fields by means of so-called “stitching”. This enables the nano-direct machining of larger workpieces, for example tool components. Whereas in the past individual structures were manufactured on small elements, larger workpieces, for example tool blocks, can now be structured directly. The advantages are that, firstly, no molds are required, which improves hardness and service life and avoids alignment of the nanostructures in the overall tool, and secondly, no joints are required between different tool components, which means that the nanostructures in the tool are not aligned and as a result of which reliability problems in thermal replication processes can be avoided, and thirdly, special layers for nanostructuring are no longer necessary, as a result of which additional costs for coatings and delamination in thermal processes can be avoided. Furthermore, a dimension of a structure, for example a dimension of a molding structure, in at least one lateral direction can be just as large as or smaller than the dimension of the structured mold surface in this lateral direction.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Strukturieren des Werkstücks mittels des lonenstrahls derart ausgeführt werden, dass die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche eine aus einer Richtung subtraktiv herstellbare Freiform aufweist. Das bietet den Vorteil einer großen Flexibilität beim Design eines mittels des Formwerkzeugs herzustellenden Produkts, z.B. eines optischen Elements. Eine Besonderheit des Verfahren liegt darin, dass beliebige Strukturen und Formen hergestellt werden können. Hierzu zählen einerseits rotationssymmetrische oder nicht-rotationssymmetrische Formen, welche ansonsten mittels anderer Verfahren, beispielsweise Ultrapräzisionsbearbeitung oder Laser-Direkt- Schreib-Techniken, nicht hergestellt werden können, andererseits auch Freiformflächen, also beliebig geformte Strukturen, sofern aus einer Strahlrichtung subtraktiv fertigbar. Beispiele hierfür sind optische Elemente wie Phasenplatten, Wellenfrontkorrekturen oder digitale Diffraktivmuster. Dieser Fakt macht das erfindungsgemäße Verfahren sehr universell einsetzbar für die Herstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Produkte, und ins- besondere höchstpräziser optischer Elemente, und stellt daher eine Schlüsseltechnologie, insbesondere in der Fertigung von polymeroptischen Elementen, dar. Die Freiform kann beispielsweise eine Form sein, die in einem Digitalmodell, beispielsweise in einem CAD Modell entworfen wurde oder mittels einer Simulation berechnet wurde. According to one embodiment, the structuring of the workpiece by means of the ion beam can be carried out in such a way that the structured molding tool surface has a free form that can be produced subtractively from one direction. This offers the advantage of great flexibility in the design of a product to be manufactured using the molding tool, for example an optical element. A special feature of the process is that any structure and shape can be produced. These include, on the one hand, rotationally symmetrical or non-rotationally symmetrical shapes, which otherwise cannot be produced using other methods, e.g. ultra-precision machining or laser direct writing techniques, and, on the other hand, freeform surfaces, i.e. structures of any shape, provided that they can be subtractively produced from one beam direction. Examples of this are optical elements such as phase plates, wavefront corrections or digital diffractive patterns. This fact makes the method according to the invention very universally applicable for the production of a large number of different products, and in particular highly precise optical elements, and therefore represents a key technology in particular in the manufacture of polymer optical elements. The free form can be, for example, a shape that was designed in a digital model, for example in a CAD model, or was calculated by means of a simulation.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Strukturieren des Werkstücks mittels des lonenstrahls derart ausgeführt werden, dass die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche eine Negativform oder eine Positivform für ein Produkt bildet, welches mit dem zu erzeugenden Formwerkzeug herstellbar ist. Eine Negativform ist beispielsweise eine Form, aus der eine Produktoberfläche des Produkts durch einmalige Abformung hergestellt werden kann. Eine Positivform ist beispielsweise eine Form, aus der durch einmalige Abformung eine Negativform hergestellt werden kann. Insbesondere kann die Positivform die gleiche Form wie die herzustellende Produktoberfläche haben. Die Anwendung von Positivformen ist beispielsweise vorteilhaft, wenn die Form des herzustellenden Produkts einen großflächigen Abtrag der„Nicht-Form“ bedingt, oder wenn die herzustellende Form nur als Positiv hergestellt werden kann. Das Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die Negativ- formen oder Positivformen vorab als Digitalmodell entworfen werden können und mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit großer Genauigkeit direkt in dem Werkstück als Formwerkzeug hergestellt werden können. According to one embodiment, the structuring of the workpiece by means of the ion beam can be carried out in such a way that the structured molding tool surface forms a negative form or a positive form for a product which can be produced with the molding tool to be produced. A negative mold is, for example, a mold from which a product surface of the product can be produced by a one-off molding. A positive form is, for example, a form from which a negative form can be produced by means of a one-time impression. In particular, the positive mold can have the same shape as the product surface to be produced. The use of positive molds is advantageous, for example, if the shape of the product to be manufactured requires a large-area removal of the “non-shape”, or if the mold to be manufactured can only be manufactured as a positive. The exemplary embodiment has the advantage that the negative forms or positive forms can be designed in advance as a digital model and can be produced with great accuracy directly in the workpiece as a molding tool using the method according to the invention.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Produkt ein optisches Element sein, beispielsweise eine Phasenplatte, eine Wellenfrontkorrektur oder ein Diffraktivmuster, insbe- sondere ein digitales Diffraktivmuster. Insbesondere kann das optische Element in einem Digitalmodell, beispielsweise einem CAD Modell entworfen worden sein, insbesondere kann das Digitalmodell auch Ergebnis einer Simulation, beispielsweise einer Wellenfrontberechnung oder einer Vorhalterechnung für Verzüge und Schwindungen sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist für die Herstellung von Formwerkzeugen für optische Ele- mente insbesondere vorteilhaft, weil dafür erforderliche Genauigkeit von anderen Verfahren nicht erreicht wird, insbesondere nicht von Verfahren, die in der Lage sind harte Metalle direkt zu strukturieren. Außerdem ist es in der Herstellung von optischen Elementen besonders vorteilhaft, Freiformen mit einer guten lateralen Auflösung und einer guten Tiefenauflösung herstellen zu können. Optische Elemente erfordern eine hohe Genauigkeit der Oberfläche des Formwerkzeugs, was durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gewährleistet werden kann, dass ein Metall, beispielsweise ein hartes Metall mit einer feinen Gefügestruktur, mit der angegebenen Tiefenauflösung und mit der angegebenen lateralen Auflösung, strukturiert wird. Außerdem werden optische Elemente in großen Stückzahlen produziert. Daher kann eine lange Standzeit des Formwerkzeugs, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bereitgestellt werden kann, vorteilhaft für die Wirtschaftlichkeit der Produktion sein. According to an embodiment, the product can be an optical element, for example a phase plate, a wavefront correction or a diffractive pattern, in particular a digital diffractive pattern. In particular, the optical element can have been designed in a digital model, for example a CAD model; in particular, the digital model can also be the result of a simulation, for example a wavefront calculation or a calculation for warpage and shrinkage. The method according to the invention is particularly advantageous for the production of molds for optical elements, because the accuracy required for this is not achieved by other methods, in particular not by methods that are able to structure hard metals directly. In addition, in the production of optical elements it is particularly advantageous to be able to produce free forms with good lateral resolution and good depth resolution. Optical elements require a high accuracy of the surface of the molding tool, which can be ensured by the method according to the invention in that a metal, for example a hard metal with a fine microstructure, is structured with the specified depth resolution and with the specified lateral resolution. In addition, optical elements are produced in large numbers. Therefore, a long life of the mold, such as it can be provided with the method according to the invention, be advantageous for the economy of production.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Produkt ein refraktives optisches Element oder ein diffraktives optisches Element oder ein reflektives optisches Element sein. Bei- spielsweise kann das Produkt eine optische Linse, insbesondere eine optische Mikrolinse, ein Spiegelelement, ein Gitter, ein Filter, ein Strahlformer, ein Strahlteiler, ein Gaußgenerator, eine Phasenplatte, ein Wellenfrontkorrekturelement oder ein Diffraktivmusterele- ment oder ein Element sein, das mehrere dieser Elemente kombiniert. According to one embodiment, the product can be a refractive optical element or a diffractive optical element or a reflective optical element. For example, the product can be an optical lens, in particular an optical microlens, a mirror element, a grating, a filter, a beam shaper, a beam splitter, a Gaussian generator, a phase plate, a wavefront correction element or a diffractive pattern element or an element that has several these elements combined.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Produkt eine diffraktive Linse oder eine Fresnel-Linse oder eine fresnelartige diffraktive Linse sein. Insbesondere kann die Linse mit einer Simulation berechnet worden sein, beispielsweise mit einem Modell zum Optikdesign oder einem Modell zur Berechnung von Diffraktivmustern oder von Wellenfronten. Insbesondere für optische Linsen ist es besonders vorteilhaft, das Digitalmodell direkt auf das Formwerkzeug übertragen zu können. Ferner umfasst die Erfindung ein Formwerkzeug, das unmittelbar mit dem hierin beschriebenen Verfahren hergestellt werden kann. According to one embodiment, the product can be a diffractive lens or a Fresnel lens or a Fresnel-like diffractive lens. In particular, the lens can have been calculated using a simulation, for example using a model for optical design or a model for calculating diffractive patterns or wavefronts. For optical lenses in particular, it is particularly advantageous to be able to transfer the digital model directly to the molding tool. The invention further comprises a molding tool that can be produced directly using the method described herein.
Ferner umfasst die Erfindung ein Formwerkzeug zum Herstellen eines optischen Elements, wobei das Formwerkzeug eine ein Metall aufweisende strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche aufweist, wobei das Metall eine Mohshärte von größer als 4 aufweist, und wobei die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche mindestens eine Abformstruktur mit einer Abmessung im Submikrometerbereich von weniger als 1 mm und/oder mit einer Abmessung in einer Tiefenrichtung im Submikrometerbereich von weniger als 1 mm aufweist. Als eine Abformstruktur kann ein strukturelles bzw. geometrisches Element der strukturierten Formwerkzeug-Oberfläche verstanden werden, welches dazu dient, um eine ent- sprechende Gegen-Struktur auf dem herzustellenden Produkt zu erzeugen. Bei der Abformstruktur kann es sich beispielsweise um eine, vorzugsweise dreidimensionale, Erhebung oder Vertiefung in der Formwerkzeug-Oberfläche handeln. Beispielsweise wäre es denkbar, dass die Formwerkzeug-Oberfläche eine Kammstruktur aufweist, wobei jeweils ein Zinken des Kamms einer Abformstruktur entsprechen würde. Die strukturierte Form- werkzeug-Oberfläche kann demnach also auch eine Vielzahl von Abformstrukturen aufweisen. Zumindest die laterale Erstreckung (z.B. Länge und/oder Breite) einer Abformstruktur kann kleiner als 1 mm sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Abformstruktur eine Abmessung in Tiefenrichtung (z.B. Höhe bzw. Tiefe) von weniger als 1 mm aufweisen. Anders ausgedrückt ist demnach also die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche trotz des harten Metalls derart präzise strukturiert, dass die Formwerkzeug-Oberfläche eine oder mehrere Abformstrukturen aufweist, die kleiner als 1 mm sein können. Dies wird ermöglicht, indem das Formwerkzeug mit dem hierin beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird. Das erfindungsgemäße Formwerkzeug bietet somit gegenüber bisher bekannten Formwerkzeugen den Vorteil, dass es eine im Submikrometerbereich strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche aufweist und gleichzeitig aus einem harten Metall besteht, d.h. es ist hart genug für den Verschleißschutz, und hat ein ausreichend feines Gefüge um sauber im Submikrometerbereich bis hinab in den Nanometerbereich struktu- riert zu werden. Darüber hinaus weist das Formwerkzeug ebenfalls alle hierin mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschriebenen Eigenschaften und Vorteile auf. The invention further comprises a molding tool for producing an optical element, wherein the molding tool has a structured molding tool surface comprising a metal, the metal having a Mohs hardness of greater than 4, and wherein the structured molding tool surface has at least one molding structure with a dimension im Sub-micrometer range of less than 1 mm and / or with a dimension in a depth direction in the sub-micrometer range of less than 1 mm. A molding structure can be understood to be a structural or geometric element of the structured molding tool surface, which serves to produce a corresponding counter-structure on the product to be manufactured. The molding structure can be, for example, a preferably three-dimensional elevation or depression in the molding tool surface. For example, it would be conceivable for the molding tool surface to have a comb structure, one prong of the comb corresponding in each case to an impression structure. The structured molding tool surface can accordingly also have a large number of molding structures. At least the lateral extension (for example length and / or width) of an impression structure can be smaller than 1 mm. Alternatively or additionally, the impression structure can have a dimension in the depth direction (eg height or depth) of less than 1 mm. In other words, despite the hard metal, the structured molding tool surface is structured so precisely that the molding tool surface has one or more molding structures that can be smaller than 1 mm. This is made possible by producing the molding tool using the method according to the invention described herein. The molding tool according to the invention thus offers the advantage over previously known molding tools that it has a molding tool surface structured in the submicrometer range and at the same time consists of a hard metal, ie it is hard enough for wear protection and has a sufficiently fine structure to be clean in the submicrometer range to be structured down to the nanometer range. In addition, the molding tool also has all the properties and advantages described herein with reference to the method according to the invention.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Formwerkzeug einen Schmelzpunkt aufweisen, der oberhalb des Schmelzpunktes oder der Glasüberganstemperatur von Polymeren und/oder Glas liegt. Das bietet den Vorteil, dass das Formwerkzeug in einem Abformver- fahren verwendet werden kann, in dem das Formwerkzeug mit einem flüssigen Glas oder einem flüssigen Polymer abgeformt werden soll. According to one exemplary embodiment, the molding tool can have a melting point which is above the melting point or the glass transition temperature of polymers and / or glass. This offers the advantage that the molding tool can be used in a molding process in which the molding tool is to be molded with a liquid glass or a liquid polymer.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Formwerkzeug ausgestaltet sein, um als ein Einsatz in einer Vorrichtung zum Formen, beispielsweise Prägen, Pressen, Gießen oder Formen mit einem Nanoimprint-Lithographie-Verfahren, insbesondere zum Heißprägen, Spritzprägen, Transferpressen oder Spritzgießen, des optischen Elements aus einem Polymer oder einem Glas verwendet zu werden. Dabei kann das Formen des optischen Elements auch beinhalten, eine Zwischenform herzustellen und das optische Element aus einer Zwischenform herzustellen. According to one embodiment, the molding tool can be designed to be used as an insert in a device for molding, for example embossing, pressing, casting or molding with a nanoimprint lithography method, in particular for hot stamping, injection molding, transfer molding or injection molding, of the optical element from a Polymer or a glass. The shaping of the optical element can also include producing an intermediate shape and producing the optical element from an intermediate shape.
Weitere Ausführungsbeispiele des Formwerkzeugs ergeben sich aus den Ausführungs- beispielen des Verfahrens zum Herstellen eines Formwerkzeugs, wobei die Verfahrensmerkmale analog auf die Vorrichtungsmerkmale übertragbar sind, was ebenso anders herum gilt. Further exemplary embodiments of the molding tool result from the exemplary embodiments of the method for producing a molding tool, the method features being transferable analogously to the device features, which also applies the other way round.
Einige Ausführungsbeispiele sind exemplarisch in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Formwerkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel, Fig. 2(a) eine seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs zum Herstellen eines optischen Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel, Some exemplary embodiments are shown by way of example in the drawing and are explained below. 1 shows a block diagram of a method according to the invention for producing a molding tool according to an exemplary embodiment, 2 (a) shows a side sectional view of a molding tool according to the invention for producing an optical element according to an exemplary embodiment,
Fig. 2(b) einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 2(a), FIG. 2 (b) shows an enlarged detail from FIG. 2 (a),
Fig. 3 eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Formwerkzeug zum Herstellen eines optischen Elements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, 3 shows a plan view of a molding tool according to the invention for producing an optical element according to a further exemplary embodiment,
Fig. 4(a, c) eine Draufsicht auf eine strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche gemäß zwei weiterer Ausführungsbeispiele, 4 (a, c) a plan view of a structured molding tool surface according to two further exemplary embodiments,
Fig. 4(b, d) zweidimensionale Höhen- bzw. Tiefenprofile der in den Figuren 4(a, c) gezeigten strukturierten Formwerkzeug-Oberflächen, Fig. 5(a, b) eine Draufsicht auf eine strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, 4 (b, d) two-dimensional height and depth profiles of the structured molding tool surfaces shown in FIGS. 4 (a, c), FIG. 5 (a, b) a plan view of a structured molding tool surface according to a further embodiment ,
Fig. 5(c) ein dreidimensionales Höhen- bzw. Tiefenprofil der in den Figuren 5(a,b) gezeigten strukturierten Formwerkzeug-Oberfläche, FIG. 5 (c) shows a three-dimensional height or depth profile of the structured molding tool surface shown in FIGS. 5 (a, b),
Fig. 5(d) ein zweidimensionales Höhen- bzw. Tiefenprofil der in den Figuren 5(a,b) gezeigten strukturierten Formwerkzeug-Oberfläche, 5 (d) a two-dimensional height or depth profile of the structured molding tool surface shown in FIGS. 5 (a, b),
Fig. 5(e) einen vergrößerten Ausschnitt aus dem in Figur 5(d) gezeigten zweidimensionalen Höhen- bzw. Tiefenprofil einer beispielhaft ausgewählten Abformstruk- tur, 5 (e) shows an enlarged section from the two-dimensional height and depth profile shown in FIG. 5 (d) of an exemplarily selected impression structure,
Fig. 6(a,c) eine Draufsicht auf eine mittels der in den Figuren 4(a) und 4(c) gezeigten strukturierten Formwerkzeug-Oberfläche hergestellten Abformung, 6 (a, c) a plan view of an impression produced by means of the structured molding tool surface shown in FIGS. 4 (a) and 4 (c),
Fig. 6(b,d) zweidimensionale Höhen- bzw. Tiefenprofile der in den Figuren 6(a) und 6(c) gezeigten Abformungen, 6 (b, d) two-dimensional height and depth profiles of the impressions shown in FIGS. 6 (a) and 6 (c),
Fig. 7(a) eine Draufsicht auf eine Abformung der in Figur 5(a) gezeigten strukturierten FIG. 7 (a) shows a plan view of an impression of the structured one shown in FIG. 5 (a)
Formwerkzeug-Oberfläche, Fig. 7(b) ein dreidimensionales Höhen- bzw. Tiefenprofil der in Figur 7(a) gezeigten Mold surface, Fig. 7 (b) shows a three-dimensional height and depth profile of the one shown in Fig. 7 (a)
Abformung, und Impression taking, and
Fig. 7(c) ein zweidimensionales Höhen- bzw. Tiefenprofil der in Figur 7(a) gezeigten Fig. 7 (c) shows a two-dimensional height and depth profile of the one shown in Fig. 7 (a)
Abformung. Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben, wobei Elemente mit derselben oder ähnlichen Funktion mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Verfahrensschritte, die in einem Blockdiagramm dargestellt und mit Bezugnahme auf das selbige erläutert werden, können auch in einer anderen als der abgebildeten beziehungsweise beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Außerdem sind Verfahrensschritte, die ein bestimmtes Merkmal einer Vorrichtung betreffen mit ebendiesem Merkmal der Vorrichtung austauschbar, was ebenso anders herum gilt. Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zur Herstellung eines Formwerkzeugs 20 (siehe u.a. Figur 2) gemäß einem Ausführungsbeispiel. Impression. In the following, exemplary embodiments are described in more detail with reference to the figures, elements with the same or similar function being provided with the same reference symbols. Method steps that are shown in a block diagram and explained with reference to the same can also be carried out in a sequence other than that shown or described. In addition, method steps that relate to a specific feature of a device are interchangeable with this same feature of the device, which also applies the other way around. FIG. 1 shows a block diagram of a method 100 according to the invention for producing a molding tool 20 (see, inter alia, FIG. 2) according to an exemplary embodiment.
Das Verfahren 100 umfasst einen ersten Schritt 101 , bei dem ein Werkstück, das eine ein Metall aufweisende Werkstückoberfläche aufweist, bereitgestellt wird. Das Werkstück kann derart ausgelegt sein, um einen Werkzeugkörper zu bilden. Das Werkstück oder die Werkstückoberfläche können mit anderen Verfahren hergestellte Strukturen aufweisen. Das Werkstück kann ausgestaltet sein, um in ein Werkzeug integriert werden zu können oder mit einem Werkzeug verwendet werden zu können. The method 100 comprises a first step 101 in which a workpiece is provided that has a workpiece surface comprising a metal. The workpiece can be designed to form a tool body. The workpiece or the workpiece surface can have structures produced using other methods. The workpiece can be designed to be able to be integrated into a tool or to be able to be used with a tool.
In Schritt 102 wird die Werkstückoberfläche durch zumindest teilweises Abtragen von Material, insbesondere des Metalls, von der Werkstückoberfläche mittels eines lonenstrahls strukturiert, so dass eine mikro- oder nano-strukturierte Werkstückoberfläche entsteht, welche eine strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche 24 (siehe Figur 2) bildet, wobei das Strukturieren zumindest teilweise im Submikrometerbereich von weniger als 1 mm und mit einer lateralen Auflösung im Submikrometerbereich von weniger als 1 mm ausgeführt wird. In step 102, the workpiece surface is structured by at least partially removing material, in particular the metal, from the workpiece surface by means of an ion beam, so that a micro- or nano-structured workpiece surface is created, which forms a structured molding tool surface 24 (see FIG. 2) , the structuring being carried out at least partially in the submicrometer range of less than 1 mm and with a lateral resolution in the submicrometer range of less than 1 mm.
Die Tiefenauflösung gibt eine mit dem lonenstrahl realisierbare maximale Abweichung von einem Zielwert in der Tiefenrichtung für das Abtragen des Metalls an. Dabei ist die Tiefenrichtung die Richtung senkrecht zu der Werkstückoberfläche. Gleichbedeutend zeigt die Tiefenrichtung von der Werkstückoberfläche ausgehend in Richtung einer der Werkstückoberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Werkstücks. Die Tiefenrichtung ist senkrecht zu einer beliebigen lateralen Richtung. Eine Richtung kann als lateral bezeichnet werden, wenn sie parallel zu der Werkstückoberfläche ist. The depth resolution indicates a maximum deviation that can be achieved with the ion beam from a target value in the depth direction for the removal of the metal. The depth direction is the direction perpendicular to the workpiece surface. The depth direction shows the same meaning starting from the workpiece surface in the direction of a second surface of the workpiece opposite the workpiece surface. The depth direction is perpendicular to any lateral direction. A direction can be said to be lateral if it is parallel to the workpiece surface.
Die laterale Auflösung ist eine laterale Abmessung der kleinsten mit dem lonenstrahl durch Abtragen des Metalls realisierbaren Vertiefung mit mindestens 10 nm Tiefe. Das Strukturieren 102 mittels dem lonenstrahl kann mit einem lonenstrahlschreiber mit einem fokussierten lonenstrahl (FIB,„focused ion beam“) ausgeführt werden. Dabei können Ionen, beispielsweise Gold-Ionen (Au+/Au++), die beispielsweise mit einer Spannung von 35 kV beschleunigt wurden, auf eine Substratoberfläche, beispielsweise auf die Werkstückoberfläche, fokussiert werden. The lateral resolution is a lateral dimension of the smallest depression that can be realized with the ion beam by removing the metal and is at least 10 nm deep. The structuring 102 by means of the ion beam can be carried out with an ion beam writer with a focused ion beam (FIB, “focused ion beam”). Ions, for example gold ions (Au + / Au ++), which have been accelerated with a voltage of 35 kV, for example, can be focused on a substrate surface, for example on the workpiece surface.
Das Strukturieren 102 kann dabei beinhalten, einen lonenstrahl über das Substrat, beispielsweise die Werkstückoberfläche, zu führen, beispielsweise mit einer Schrittweite von 40 nm, um dabei Material abzutragen. Dadurch können Strukturgrößen, beispielsweise Abmessungen von Abformstrukturen, von weniger als 100 nm erzeugt werden. Der lonenstrahlschreiber kann eine lonenquelle, eine elektrostatische Linse, eine elektrostatische Ablenkelektrode oder eine Blende aufweisen. Das Strukturieren 101 kann dabei großflächig ausgeführt werden, auch auf einer Fläche die größer als die Fläche eines Schreibfelds des lonenstrahlschreibers ist. Dabei kann das Werkstück relativ zum lonenstrahl bewegt werden. Dabei können die Schreibfelder so aneinander gefügt werden, dass auch einzelne Strukturen, beispielsweise Abformstrukturen geschrieben werden können, die eine laterale Abmessung größer als die Größe eines Schreibfelds des lonenstrahlschreibers aufweisen („Stitching“). The structuring 102 can include guiding an ion beam over the substrate, for example the workpiece surface, for example with a step size of 40 nm, in order to remove material. As a result, structure sizes, for example dimensions of impression structures, of less than 100 nm can be generated. The ion beam writer can have an ion source, an electrostatic lens, an electrostatic deflection electrode or a diaphragm. The structuring 101 can be carried out over a large area, even on an area which is larger than the area of a writing field of the ion beam writer. The workpiece can be moved relative to the ion beam. The writing fields can be joined to one another in such a way that individual structures, for example impression structures, can also be written which have a lateral dimension larger than the size of a writing field of the ion beam writer (“stitching”).
Figur 2A zeigt eine seitliche Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs 20, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren 100 herstellbar ist gemäß eines nicht- limitierenden Ausführungsbeispiels. Das Formwerkzeug 20 kann beispielsweise zum Her stellen eines optischen Elements verwendet werden. Figur 2B zeigt eine Vergrößerung eines Ausschnitts von Figur 2A. FIG. 2A shows a side sectional view of a molding tool 20 according to the invention which can be produced with the method 100 according to the invention according to a non-limiting embodiment. The molding tool 20 can be used, for example, to produce an optical element. FIG. 2B shows an enlargement of a detail from FIG. 2A.
Die Figuren 2A und 2B zeigen ein aus einem Werkstück hergestelltes Formwerkzeug 20, das eine ein Metall aufweisende Werkstückoberfläche 22 aufweist. Die Werkstückoberflä- che 22 kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 strukturiert werden, sodass eine strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche 24 entsteht. FIGS. 2A and 2B show a molding tool 20 which is produced from a workpiece and has a workpiece surface 22 comprising a metal. The workpiece surface 22 can be structured by means of the method 100 according to the invention, so that a structured molding tool surface 24 is created.
Das zu strukturierende Metall der Werkstückoberfläche 22 kann eine Mohshärte von größer als 4 aufweisen. Dabei kann es sich beispielsweise um Titan, oder aber um harte Werkzeugstähle, wie beispielsweise Chrom, Molybdän, Vanadium und dergleichen han- dein. The metal to be structured on the workpiece surface 22 can have a Mohs hardness of greater than 4. It can be titanium, for example, or hard tool steels such as chromium, molybdenum, vanadium and the like.
Die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche 24 dient bei der Herstellung von Produkten, wie zum Beispiel optischen Elementen, zum Abformen des jeweiligen Produkts. Hierfür weist die Formwerkzeug-Oberfläche 24 im Wesentlichen eine Kopie (als ein Positiv oder ein Negativ) der gewünschten Oberfläche des herzustellenden Produkts auf. Um eine möglichst präzise Oberflächenstruktur des herzustellenden Produkts zu gewährleisten sollte daher auch die Formwerkzeug-Oberfläche 24 mit einer mindestens genau so hohen Präzision gefertigt bzw. strukturiert sein. The structured mold surface 24 is used in the manufacture of products, such as optical elements, for molding the respective product. Therefor the mold surface 24 essentially has a copy (as a positive or a negative) of the desired surface of the product to be manufactured. In order to ensure the most precise possible surface structure of the product to be manufactured, the molding tool surface 24 should therefore also be manufactured or structured with at least as high a precision.
Die Formwerkzeug-Oberfläche 24 weist mindestens eine Abformstruktur 27 auf. Die Abformstruktur 27 ist vorzugsweise eine dreidimensionale Struktur, die unterschiedliche geometrische Formen aufweisen kann. Nach dem Herstellen des Produkts (z.B. Mikrolinse) weist das fertige Produkt 61 (siehe Figuren 6 und 7) in seiner Oberfläche eine zur Ab- formstruktur 27 kongruente abgeformte Struktur 21 , 121 (Figuren 6 und 7) auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Ecke, Kante, Stufe, Rundung und dergleichen handeln. Wie in den Figuren 2A und 2B beispielhaft gezeigt ist, kann die Formwerkzeug- Oberfläche 24 auch eine Vielzahl von Abformstrukturen 27 aufweisen. The molding tool surface 24 has at least one molding structure 27. The molding structure 27 is preferably a three-dimensional structure which can have different geometric shapes. After the product (e.g. microlens) has been manufactured, the finished product 61 (see FIGS. 6 and 7) has a shaped structure 21, 121 (FIGS. 6 and 7) congruent to the impression structure 27 on its surface. This can be, for example, a corner, edge, step, rounding and the like. As is shown by way of example in FIGS. 2A and 2B, the molding tool surface 24 can also have a multiplicity of molding structures 27.
Erfindungsgemäß weist die mindestens eine Abformstruktur 27 eine Abmessung in einer lateralen Richtung 28 im Submikrometerbereich von weniger als 1 mm auf. Die lateraleAccording to the invention, the at least one molding structure 27 has a dimension in a lateral direction 28 in the submicrometer range of less than 1 mm. The lateral
Richtung 28 bezieht sich hierbei insbesondere auf die Formwerkzeug-Oberfläche 24 bzw. auf die (unstrukturierte) Werkstückoberfläche 22 und ist im Wesentlichen parallel hierzu. Alternativ oder zusätzlich weist die mindestens eine Abformstruktur 27 eine Abmessung in einer Tiefenrichtung 29 im Submikrometerbereich von weniger als 1 mm auf. Die Tiefen- richtung 29 bezieht sich hierbei insbesondere auf die Formwerkzeug-Oberfläche 24 bzw. auf die (unstrukturierte) Werkstückoberfläche 22 und ist im Wesentlichen senkrecht hier- zu. Direction 28 relates in particular to the molding tool surface 24 or to the (unstructured) workpiece surface 22 and is essentially parallel thereto. Alternatively or additionally, the at least one molding structure 27 has a dimension in a depth direction 29 in the submicrometer range of less than 1 mm. The depth direction 29 relates in particular to the molding tool surface 24 or to the (unstructured) workpiece surface 22 and is essentially perpendicular to it.
Die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche 24 kann einen lateralen Flächenabschnitt aufweisen, der durch eine oder mehrere laterale Abmessungen 25 festgelegt sein kann. Eine unstrukturierte Werkstückoberfläche 22' entspricht der Werkstückoberfläche, aus der durch das erfindungsgemäße Strukturieren 102 die strukturierte Formwerkzeug- Oberfläche 24 entstanden ist. The structured molding tool surface 24 can have a lateral surface section which can be defined by one or more lateral dimensions 25. An unstructured workpiece surface 22 ′ corresponds to the workpiece surface from which the structured molding tool surface 24 was created by the structuring 102 according to the invention.
Diese strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche 24 kann eine Strukturtiefe 26 aufweisen, die einen maximalen Abstand der strukturierten Formwerkzeug-Oberfläche 24 relativ zu der unstrukturierten Werkstückoberfläche 22‘, in der Tiefenrichtung 29, definiert. Gemäß denkbaren Ausführungsformen kann die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche 24 eine maximale Strukturtiefe 26 von 0 mm bis 100 mm, oder von 0 mm bis 10 mm, oder von 0 mm bis 2 mm aufweisen. Figur 2B zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der beispielhaft strukturierten Formwerkzeug-Oberfläche 24 aus Figur 2A mit einer Vielzahl unterschiedlicher Abformstrukturen 27. Eine Abformstruktur 27 kann beispielsweise eine Erhebung 27A aufweisen, die von benachbarten Abformstrukturen 27 durch eine weitere Erhebung 27A oder einer Vertie- fung 27B begrenzt sein kann. Alternativ oder zusätzlich zu einer Erhebung 27A kann eine Abformstruktur 27 beispielsweise auch eine Vertiefung 27B aufweisen, die sich ihrerseits wiederum von benachbarten Abformstrukturen 27 durch eine Erhebung 27A oder eine weitere Vertiefung 27B abgrenzen kann. This structured molding tool surface 24 can have a structure depth 26 which defines a maximum distance between the structured molding tool surface 24 and the unstructured workpiece surface 22 ′, in the depth direction 29. According to conceivable embodiments, the structured molding tool surface 24 can have a maximum structure depth 26 of 0 mm to 100 mm, or from 0 mm to 10 mm, or from 0 mm to 2 mm. FIG. 2B shows an enlarged section of the exemplary structured molding tool surface 24 from FIG. 2A with a large number of different molding structures 27. An molding structure 27 can, for example, have an elevation 27A, which is delimited from adjacent molding structures 27 by a further elevation 27A or a depression 27B can be. As an alternative or in addition to an elevation 27A, an impression structure 27 can also have, for example, a depression 27B, which in turn can be delimited from adjacent impression structures 27 by an elevation 27A or a further depression 27B.
Eine Abformstruktur 27 kann eine beliebige geometrische Struktur (Freiform) aufweisen, die eine Flanke 21 , beispielsweise eine kontinuierliche Flanke, und/oder eine Stufe 23 aufweisen kann. An impression structure 27 can have any geometric structure (free form) which can have a flank 21, for example a continuous flank, and / or a step 23.
Wie eingangs erwähnt, kann eine Abformstruktur 27 eine Abmessung in lateraler Richtung 28 und eine Abmessung in Tiefenrichtung 29 aufweisen. Eine Abmessung in Tiefenrichtung 29 kann beispielsweise der Höhe von zumindest einem Abschnitt einer als Erhebung 27A ausgestalteten Abformstruktur 27 entsprechen. Eine Abmessung in Tiefenrichtung 29 kann beispielsweise der Tiefe von zumindest einem Abschnitt einer als Vertiefung 27B ausgestalteten Abformstruktur 27 entsprechen. As mentioned above, an impression structure 27 can have a dimension in the lateral direction 28 and a dimension in the depth direction 29. A dimension in the depth direction 29 can correspond, for example, to the height of at least one section of an impression structure 27 configured as an elevation 27A. A dimension in the depth direction 29 can correspond, for example, to the depth of at least one section of an impression structure 27 configured as a depression 27B.
In dem hier abgebildeten nicht-limitierenden Ausführungsbeispiel kann also demnach eine Abmessung in Tiefenrichtung 29 beispielsweise einer Stufenhöhe 29A einer Stufe 23 oder einer Maximalhöhe 29B einer als Erhebung 27A ausgestalteten Abformstruktur 27 entsprechen. Die Maximalhöhe 29B kann beispielsweise eine maximale Erhebung in der Formwerkzeug-Oberfläche 24 bzw. eine maximale Erhebung der Abformstruktur 27A relativ zu einer die Abformstruktur 27A begrenzenden Vertiefung 27B sein. In the non-limiting exemplary embodiment shown here, a dimension in the depth direction 29 can therefore correspond, for example, to a step height 29A of a step 23 or a maximum height 29B of an impression structure 27 configured as an elevation 27A. The maximum height 29B can be, for example, a maximum elevation in the molding tool surface 24 or a maximum elevation of the molding structure 27A relative to a depression 27B delimiting the molding structure 27A.
Eine Abmessung in Tiefenrichtung 29 kann beispielsweise auch eine Maximaltiefe 29C einer als Vertiefung 27B ausgestalteten Abformstruktur 27 sein, wobei die Maximaltiefe 29C einer maximalen Tiefe der als Vertiefung 27B ausgestalteten Abformstruktur 27 relativ zu einer die Abformstruktur 27B begrenzenden Erhöhung 27A sein kann. A dimension in the depth direction 29 can also be, for example, a maximum depth 29C of an impression structure 27 configured as a depression 27B, the maximum depth 29C of a maximum depth of the impression structure 27 configured as a depression 27B relative to an elevation 27A delimiting the impression structure 27B.
Eine Abmessung in Tiefenrichtung 29 kann beispielsweise auch eine Rauheit einer Flanke 21 sein. Generell kann die Abmessung in Tiefenrichtung 29 eine (kürzeste) Distanz zwischen einem tiefsten Punkt 31 und einem höchsten Punkt 32 der jeweiligen Abformstruktur 27 beschreiben. Eine solche Abmessung einer Abformstruktur 27 in Tiefenrichtung 29 kann erfindungsgemäß kleiner als 1 mm, bevorzugt kleiner als 500 nm, mehr bevorzugt kleiner als 100 nm und sogar kleiner als 10 nm sein. Das höchstpräzise Erzeugen derartig kleiner Abformstrukturen 27 in einer harten metallischen Formwerkzeug-Oberfläche 24 wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren 100 ermöglicht. A dimension in the depth direction 29 can also be the roughness of a flank 21, for example. In general, the dimension in the depth direction 29 can describe a (shortest) distance between a lowest point 31 and a highest point 32 of the respective impression structure 27. Such a dimension of a molding structure 27 in the depth direction 29 can, according to the invention, be less than 1 mm, preferably less than 500 nm, more preferably less than 100 nm and even less than 10 nm. The most precise generation of this kind Small mold structures 27 in a hard metallic mold surface 24 is made possible with the method 100 according to the invention.
Erfindungsgemäß können die Abformstrukturen 27 auch in lateraler Richtung höchstpräzise gefertigt werden. Generell kann die Abmessung in lateraler Richtung 28 eine (kürzeste) Distanz zwischen zwei lateral (maximal weit) beabstandeten Punkten 33, 34 der jeweiligen Abformstruktur 27 beschreiben. Eine solche Abmessung einer Abformstruktur 27 in lateraler Richtung 28 kann erfindungsgemäß kleiner als 1 mm, bevorzugt kleiner als 500 nm, mehr bevorzugt kleiner als 100 nm und sogar kleiner als 10 nm sein. According to the invention, the molding structures 27 can also be manufactured with the utmost precision in the lateral direction. In general, the dimension in the lateral direction 28 can describe a (shortest) distance between two laterally (maximally far) spaced apart points 33, 34 of the respective impression structure 27. According to the invention, such a dimension of a molding structure 27 in the lateral direction 28 can be smaller than 1 mm, preferably smaller than 500 nm, more preferably smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm.
Eine Abmessung in lateraler Richtung 28 kann beispielsweise eine Stufenbreite 28A einer als Stufe 23 ausgestalteten Abformstruktur 27, oder eine Durchschnittsbreite 28B einer als Erhebung 27A ausgestalteten Abformstruktur 27 sein. Die Durchschnittsbreite kann beispielsweise als eine gemittelte laterale Abmessung einer Abformstruktur 27 sein, wobei der Mittelwert über eine Maximalhöhe 29B (einer Erhebung 27B) oder über eine Maximaltiefe 29C (einer Vertiefung 27A) gebildet werden kann. Eine Abformstruktur 27 kann ein Aspektverhältnis von beispielsweise 2:1 oder 3:1 aufweisen, d.h. ein Verhältnis zwischen einer Abmessung in Tiefenrichtung 29 und einer Abmessung in lateraler Richtung 28 kann beispielsweise kleiner als 3 oder 2 sein. Das Herstellen höherer Aspektverhältnisse kann technisch anspruchsvoll sein. A dimension in the lateral direction 28 can be, for example, a step width 28A of an impression structure 27 configured as a step 23, or an average width 28B of an impression structure 27 configured as an elevation 27A. The average width can be, for example, an averaged lateral dimension of an impression structure 27, wherein the average value can be formed over a maximum height 29B (an elevation 27B) or over a maximum depth 29C (a depression 27A). A molding structure 27 can have an aspect ratio of, for example, 2: 1 or 3: 1, i.e. a ratio between a dimension in the depth direction 29 and a dimension in the lateral direction 28 can be, for example, less than 3 or 2. Establishing higher aspect ratios can be technically demanding.
In anderen Worten zusammengefasst kann die Abmessung der Abformstruktur 27 in late- raler Richtung 28 die Länge und/oder die Breite der Abformstruktur 27 beschreiben, und die Abmessung in Tiefenrichtung 29 kann die Tiefe bzw. Höhe der Abformstruktur 27 beschreiben. Dies wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 nochmals näher erläutert. Im Ergebnis kann also mit dem erfindungsgemäßen Verfahren 100 mindestens eine Abformstruktur 27 in der Formwerkzeug-Oberfläche 24 erzeugt werden, die in jeder Richtung (d.h. Länge, Breite, Tiefe/Höhe) kleiner als 1 mm, bevorzugt kleiner als 500 nm, mehr bevorzugt kleiner als 100 nm und sogar kleiner als 10 nm sein kann. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens 100 besteht hier unter anderem darin, dass man nicht auf bestimmte geometrische Formen (z.B. Grabenstrukturen oder konzentrische Formen) beschränkt ist, d.h. die mindestens eine Abformstruktur 27 kann als eine beliebige Freiform erzeugt werden. In other words, the dimension of the molding structure 27 in the lateral direction 28 can describe the length and / or the width of the molding structure 27, and the dimension in the depth direction 29 can describe the depth or height of the molding structure 27. This is explained in greater detail below with reference to FIGS. 4 and 5. As a result, using the method 100 according to the invention, at least one molding structure 27 can be produced in the molding tool surface 24, which is smaller than 1 mm, preferably smaller than 500 nm, more preferably smaller in each direction (ie length, width, depth / height) than 100 nm and even smaller than 10 nm. One advantage of the method 100 according to the invention is, among other things, that one is not restricted to certain geometric shapes (e.g. trench structures or concentric shapes), i.e. the at least one molding structure 27 can be produced as any free shape.
Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf ein nicht-limitierendes Beispiel eines erfindungsgemäßen Formwerkzeugs 20 zum Herstellen eines optischen Elements gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel. Hier ist beispielhaft eine Formwerkzeug-Oberfläche 24 mit einer Vielzahl unterschiedlicher Abformstrukturen 27 abgebiidet. FIG. 3 shows a top view of a non-limiting example of a molding tool 20 according to the invention for producing an optical element according to an embodiment example. A molding tool surface 24 with a large number of different molding structures 27 is shown here as an example.
Es ist beispielsweise eine sich quer über die Formwerkzeug-Oberfläche 24 erstreckende Abformstruktur 27 gezeigt, die als eine Erhebung 27A oder eine Vertiefung 27B ausge- startet sein kann. Eine Abmessung in lateraler Richtung 28 dieser Abformstruktur 27 kann genauso groß wie oder kleiner als die Abmessung 25 der strukturierten Formwerkzeug- Oberfläche 24 in ebendieser lateralen Richtung sein. Das heißt, die Abformstruktur 27 kann sich über die gesamte Formwerkzeug-Oberfläche 24 oder aber eben nur über einen Teil der Formwerkzeug-Oberfläche 24 erstrecken. Ferner kann eine Abmessung in lateraler Richtung 28 dieser Abformstruktur 27 größer sein als ein einzelnes Schreibfeld 30 des in dem Verfahren 100 verwendeten lonen- schreibers. For example, an impression structure 27 is shown which extends transversely over the molding tool surface 24 and which can start out as an elevation 27A or a depression 27B. A dimension in the lateral direction 28 of this molding structure 27 can be just as large as or smaller than the dimension 25 of the structured molding tool surface 24 in this same lateral direction. That is to say, the molding structure 27 can extend over the entire molding tool surface 24 or just over only part of the molding tool surface 24. Furthermore, a dimension in the lateral direction 28 of this molding structure 27 can be larger than an individual writing field 30 of the ion writer used in the method 100.
Die laterale Flächenausdehnung der strukturierten Formwerkzeug-Oberfläche 24 kann im Bereich zwischen 400 nm2 und 35.200 mm2, oder zwischen 400nm2 und 10.000 mm2 lie- gen. Die laterale Flächenausdehnung kann aber auch größer sein. The lateral surface area of the structured mold surface 24 may range between 400 nm 2 and 35,200 mm 2, or between 400 nm 2 and 10,000 mm 2 Lie gene. However, the lateral surface area may also be greater.
Die Figuren 4(a) und 4(c) zeigen jeweils eine Draufsicht auf eine strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche 24 gemäß zwei nicht-limitierenden Ausführungsbeispielen. Die abgebildeten strukturierten Formwerkzeug-Oberflächen 24 weisen jeweils eine Vielzahl unterschiedlicher Abformstrukturen 27 auf. Die Abformstrukturen 27 werden erfindungsgemäß durch subtraktiv hergestellte Freiformen gebildet. Figures 4 (a) and 4 (c) each show a plan view of a structured mold surface 24 according to two non-limiting exemplary embodiments. The structured molding tool surfaces 24 shown each have a large number of different molding structures 27. The molding structures 27 are formed according to the invention by subtractively produced free forms.
Jede Abformstruktur 27 weist jeweils eine Abmessung in lateraler Richtung 28 auf. Wie eingangs erwähnt, kann es sich hierbei um die Länge 28L beziehungsweise die Breite 28B der Abformstruktur 27 handeln. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren 100 kann die Formwerkzeug-Oberfläche 24 derart präzise strukturiert werden, dass mindestens eine der erzeugten bzw. strukturierten Abformstrukturen 27 eine laterale Abmessung 28L, 28B (z.B. Länge und/oder Breite) aufweist, die kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner als 500 nm, mehr bevorzugt kleiner als 100 nm und sogar kleiner als 10 nm sein kann. Each molding structure 27 has a dimension in the lateral direction 28. As mentioned at the beginning, this can be the length 28L or the width 28B of the molding structure 27. With the method 100 according to the invention, the molding tool surface 24 can be structured so precisely that at least one of the generated or structured impression structures 27 has a lateral dimension 28L, 28B (e.g. length and / or width) that is smaller than 1 mm, preferably can be smaller than 500 nm, more preferably smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm.
Alternativ oder zusätzlich kann die Formwerkzeug-Oberfläche 24 derart präzise strukturiert werden, dass mindestens eine der erzeugten bzw. strukturierten Abformstrukturen 27 eine Abmessung in Tiefenrichtung 29 (z.B. Tiefe) aufweist, die kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner als 500 nm, mehr bevorzugt kleiner als 100 nm und sogar kleiner als 10 nm sein kann. Die Figuren 4(b) und 4(d) zeigen zweidimensionale Höhen- bzw. Tiefenprofile 41 der in den Figuren 4(a) und 4(c) gezeigten strukturierten Formwerkzeug-Oberflächen 24. Aus den Profilen 41 kann die jeweilige Tiefe 29 der Abformstrukturen 27 ermittelt werden. Alternatively or additionally, the molding tool surface 24 can be structured so precisely that at least one of the generated or structured molding structures 27 has a dimension in the depth direction 29 (eg depth) that is less than 1 mm, preferably less than 500 nm, more preferably can be smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm. Figures 4 (b) and 4 (d) show two-dimensional height and depth profiles 41 of the structured molding tool surfaces 24 shown in FIGS. 4 (a) and 4 (c). The respective depth 29 of the molding structures 27 can be determined from the profiles 41.
Wie in den Figuren 4(a) und 4(c) ebenfalls zu erkennen ist, weist auch die gesamte struk- turierte Formwerkzeug-Oberfläche 24 Abmessungen in lateraler Richtung auf, wobei es sich hierbei beispielsweise um eine Länge 25L sowie um eine Breite 25B der Formwerkzeug-Oberfläche 24 handeln kann. Das Produkt aus Länge 25L und Breite 25B ergibt die oben erwähnte laterale Fläche bzw. Flächenausdehnung der Formwerkzeug-OberflächeAs can also be seen in FIGS. 4 (a) and 4 (c), the entire structured mold surface 24 also has dimensions in the lateral direction, for example a length 25L and a width 25B of the Form tool surface 24 can act. The product of length 25L and width 25B gives the above-mentioned lateral area or areal extension of the mold surface
24. Die Figuren 5(a) und 5(b) zeigen jeweils eine Draufsicht auf eine strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche 24 gemäß einem weiteren denkbaren Ausführungsbeispiel. In diesem nicht-limitierenden Ausführungsbeispiel kann das mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren 100 hergestellte Formwerkzeug zur Herstellung einer fresnelartigen Diffraktivlinse verwendet werden. Die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche 24 weist auch hier wieder laterale Abmessungen 25 auf. In diesem Beispiel handelt es sich bei den Abformstrukturen 27 um rotationssymmetrisch angeordnete Erhebungen bzw. Vertiefungen. Dementsprechend kann es sich bei den lateralen Abmessungen 25 der Formwerkzeug-Oberfläche 24 beispielsweise um einen Radius der Formwerkzeug-Oberfläche 24 handeln. Figur 5(c) zeigt ein dreidimensionales Profil der in den Figuren 5(a) und 5(b) gezeigten strukturierten Formwerkzeug-Oberfläche 24. Es sei an dieser Stelle nochmals explizit darauf hingewiesen, dass die Formwerkzeug-Oberfläche 24 bzw. die Abformstrukturen 27 nicht auf die beispielhaft abgebildete konzentrische Anordnung festgelegt ist. Vielmehr bietet das erfindungsgemäße Verfahren 100 die Möglichkeit zum Erzeugen von Freifor- men. 24. FIGS. 5 (a) and 5 (b) each show a plan view of a structured molding tool surface 24 according to a further conceivable exemplary embodiment. In this non-limiting exemplary embodiment, the molding tool produced by means of the method 100 according to the invention can be used to produce a Fresnel-like diffractive lens. The structured molding tool surface 24 here again has lateral dimensions 25. In this example, the molding structures 27 are elevations or depressions arranged in a rotationally symmetrical manner. Accordingly, the lateral dimensions 25 of the molding tool surface 24 can be, for example, a radius of the molding tool surface 24. FIG. 5 (c) shows a three-dimensional profile of the structured molding tool surface 24 shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). It should again be explicitly pointed out at this point that the molding tool surface 24 or the molding structures 27 is not restricted to the concentric arrangement shown as an example. Rather, the method 100 according to the invention offers the possibility of generating free forms.
Figur 5(d) zeigt ein zweidimensionales Höhen- bzw. Tiefenprofil 41 der in den Figuren 5(a)-5(c) gezeigten strukturierten Formwerkzeug-Oberfläche 24, wobei die Abmessungen der jeweiligen Abformstrukturen 27 in Tiefenrichtung erkennbar sind. Beispielsweise kann mindestens eine der Abformstrukturen 27 eine Abmessung in Tiefenrichtung 29 aufweisen, die kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner als 500 nm, mehr bevorzugt kleiner als 100 nm und sogar kleiner als 10 nm sein kann. Figur 5(e) zeigt einen vergrößerten Ausschnitt einer beispielhaft ausgewählten Abformstruktur 27A. Die Abformstruktur 27A weist mehrere Stufen 23 auf. Die Stufen 23 weisen eine Abmessung in lateraler Richtung 28A sowie eine Abmessung in Tiefenrichtung 29A auf. Beispielsweise kann eine Stufe 23 eine Abmessung in Tiefenrichtung 29A aufweisen, die kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner als 500 nm, mehr bevorzugt kleiner als 100 nm und sogar kleiner als 10 nm sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine Stufe 23 eine Abmessung in lateraler Richtung 28A aufweisen, die kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner als 500 nm, mehr bevorzugt kleiner als 100 nm und sogar kleiner als 10 nm sein kann. FIG. 5 (d) shows a two-dimensional height or depth profile 41 of the structured molding tool surface 24 shown in FIGS. 5 (a) -5 (c), the dimensions of the respective impression structures 27 being recognizable in the depth direction. For example, at least one of the molding structures 27 can have a dimension in the depth direction 29 that is smaller than 1 mm, preferably smaller than 500 nm, more preferably smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm. FIG. 5 (e) shows an enlarged section of an exemplarily selected impression structure 27A. The impression structure 27A has several steps 23. The steps 23 have a dimension in the lateral direction 28A and a dimension in the depth direction 29A. For example, a step 23 can have a dimension in the depth direction 29A that is smaller than 1 mm, preferably smaller than 500 nm, more preferably smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm. Alternatively or additionally, a step 23 can have a dimension in the lateral direction 28A which is smaller than 1 mm, preferably smaller than 500 nm, more preferably smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm.
Die Figuren 6(a) und 6(c) zeigen jeweils eine Abbildung einer Abformung der in den Figu- ren 4(a) und 4(c) gezeigten strukturierten Formwerkzeug-Oberfläche 24, wobei die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche 24 aus Figur 4(a) eine Negativform der in Figur 6(a) und 6(c) gezeigten Abformung darstellt. Die Figuren 6(a) und 6(c) zeigen demnach also ein nicht-limitierendes Beispiel für ein mittels dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug herstellbares bzw. abgeformtes Endprodukt 61. Die im abgeformten Endprodukt 61 er- zeugten abgeformten Strukturen 121 entsprechen dabei einem Abdruck der zuvor diskutierten Abformstrukturen 27. FIGS. 6 (a) and 6 (c) each show an image of an impression of the structured molding tool surface 24 shown in FIGS. 4 (a) and 4 (c), the structured molding tool surface 24 from FIG. a) represents a negative form of the impression shown in FIGS. 6 (a) and 6 (c). FIGS. 6 (a) and 6 (c) therefore show a non-limiting example of an end product 61 that can be produced or molded by means of the molding tool according to the invention. The molded structures 121 produced in the molded end product 61 correspond to an impression of those discussed above Impression structures 27.
Die Figuren 6(b) und 6(d) zeigen zweidimensionale Höhen- bzw. Tiefenprofile 41 der in den Figuren 6(a) und 6(c) gezeigten abgeformten Endprodukte 61. Wie in den Höhenprofilen 41 zu sehen ist, weist demnach auch beim fertigen Endprodukt 61 mindestens eine der abgeformten Strukturen 121 eine Abmessung in Tiefenrichtung 29 auf, die kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner als 500 nm, mehr bevorzugt kleiner als 100 nm und sogar kleiner als 10 nm sein kann. Selbiges gilt ebenso für die Abmessungen der abgeformten Strukturen 121 in lateraler Richtung. FIGS. 6 (b) and 6 (d) show two-dimensional height and depth profiles 41 of the molded end products 61 shown in FIGS. 6 (a) and 6 (c). As can be seen in the height profiles 41, accordingly also in finished product 61 at least one of the molded structures 121 has a dimension in the depth direction 29 which is smaller than 1 mm, preferably smaller than 500 nm, more preferably smaller than 100 nm and even smaller than 10 nm. The same applies to the dimensions of the molded structures 121 in the lateral direction.
Figur 7(a) zeigt eine Draufsicht auf eine Abformung der in Figur 5(a) gezeigten struktu- rierten Formwerkzeug-Oberfläche 24, wobei die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche 24 aus Figur 5(a) eine Negativform der in Figur 7(a) gezeigten Abformung darstellt. Die Figuren 7(a) und 7(b) zeigen demnach also ein weiteres nicht-limitierendes Beispiel für ein mittels dem erfindungsgemäßen Formwerkzeug herstellbares bzw. abgeformtes Endprodukt 61 mit entsprechend abgeformten Strukturen 121 , in diesem Beispiel mit einer konzentrischen Anordnung von abwechselnd angeordneten Vertiefungen 121A und Erhebungen 121 B. Die im abgeformten Endprodukt 61 erzeugten abgeformten Strukturen 121 entsprechen dabei einem Abdruck der zuvor diskutierten Abformstrukturen 27. Figur 7(c) zeigt ein zweidimensionales Tiefen- bzw. Höhenprofil der in Figur 7(a) gezeigten Abformung. Wie in dem Höhenprofil 41 zu sehen ist, weist demnach auch beim fertigen Endprodukt 61 mindestens eine der abgeformten Strukturen 121 eine Abmessung in Tiefenrichtung 29 auf, die kleiner ist als 1 mm, bevorzugt kleiner als 500 nm, mehr bevor- zugt kleiner als 100 nm und sogar kleiner als 10 nm sein kann. Selbiges gilt ebenso für die Abmessungen der abgeformten Strukturen 121 in lateraler Richtung. FIG. 7 (a) shows a plan view of an impression of the structured molding tool surface 24 shown in FIG. 5 (a), the structured molding tool surface 24 from FIG. 5 (a) being a negative form of the one shown in FIG. 7 (a) Represents impression. FIGS. 7 (a) and 7 (b) accordingly show a further non-limiting example of an end product 61 that can be produced or molded by means of the molding tool according to the invention with correspondingly molded structures 121, in this example with a concentric arrangement of alternately arranged depressions 121A and elevations 121 B. The shaped structures 121 produced in the shaped end product 61 correspond to an impression of the previously discussed impression structures 27. FIG. 7 (c) shows a two-dimensional depth or height profile of the impression shown in FIG. 7 (a). As can be seen in the height profile 41, at least one of the molded structures 121 in the finished end product 61 accordingly has a dimension in the depth direction 29 that is less than 1 mm, preferably less than 500 nm, more preferably less than 100 nm and can even be smaller than 10 nm. The same applies to the dimensions of the molded structures 121 in the lateral direction.
Für die Tiefe der Strukturen (sowohl die Abformstrukturen 21 sowie die abgeformten Strukturen 121 ) ist eine möglichst feine Abstufung von 0 (tatsächlich Null) bis zu wenigen Mikrometern realisierbar. Vorstellbar sind Abstufungen bis zu 100 mm. Vorteilhaft sind Bereiche zwischen 0-2 mm sowie zwischen 0-10 mm. For the depth of the structures (both the molding structures 21 and the molded structures 121), the finest possible gradation from 0 (actually zero) to a few micrometers can be achieved. Graduations of up to 100 mm are conceivable. Areas between 0-2 mm and between 0-10 mm are advantageous.
Flächenausdehnungen der Formwerkzeug-Oberfläche 24 in den beschriebenen Bereichen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren 100 reproduzierbar realisiert werden. Mehrere einzelne kleinere Formwerkzeug-Oberflächen 24 beispielsweise im Bereich einiger Quadratmillimeter aber auch größer oder kleiner können mit einem sogenannten Stitching-Verfahren zu einer größeren Gesamt-Formwerkzeug-Oberfläche von einigen Quadratzentimetern zusammengesetzt werden. Das heißt, es können auch mehrere strukturierte Formwerkzeug-Oberflächen (z.B. Stempel) aneinandergefügt werden, um größere Flächen zu bearbeiten. Hier sind auch Rollenverfahren möglich. Gelegentlich werden gleichartige Strukturen bzw. Formwerkzeug-Oberflächen benötigt, wodurch später in der Fertigung sogenannte Step-and-Repeat Prozesse für die Bearbeitung ganzer Quadratmeter eingesetzt werden können. Surface expansions of the molding tool surface 24 in the areas described can be implemented reproducibly with the method 100 according to the invention. Several individual, smaller molding tool surfaces 24, for example in the range of a few square millimeters, but also larger or smaller, can be combined with a so-called stitching process to form a larger overall molding tool surface of a few square centimeters. This means that several structured forming tool surfaces (e.g. stamps) can be joined together in order to process larger areas. Roller processes are also possible here. Occasionally, similar structures or mold surfaces are required, which means that so-called step-and-repeat processes can be used later in production for processing entire square meters.
Die vorliegende Erfindung sowie deren Vorteile und vorteilhafte Unterschiede zu bekannten Verfahren sollen nachfolgend nochmals in anderen Worten kurz zusammengefasst werden: Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Nano-Direkt Bearbeitung größererThe present invention as well as its advantages and advantageous differences from known methods are to be briefly summarized again in other words below: With the method according to the invention, nano-direct machining becomes greater
Werkzeugkomponenten möglich. Während früher einzelne Strukturen auf kleinen Elementen gefertigt wurden, können nun größere Werkzeug blöcke direkt strukturiert werden. Die Vorteile dabei sind, dass Tool components possible. While individual structures were previously made on small elements, larger tool blocks can now be structured directly. The advantages of this are that
(1) keine Abformungen mehr nötig sind, was die Härte und Standzeit verbessert, und kei- ne Ausrichtung der Nanostrukturen im Gesamtwerkzeug nötig ist (2) keine Fügeverbindungen zwischen unterschiedlichen Werkzeugkomponenten nötig sind, sodass eine Ausrichtung der Nanostrukturen im Werkzeug entfällt, und keine Zuverlässigkeitsprobleme bei thermischen Replikationsverfahren auftreten, und (1) no more impressions are necessary, which improves the hardness and service life, and no alignment of the nanostructures in the overall tool is necessary (2) no joints between different tool components are necessary, so that there is no need to align the nanostructures in the tool and there are no reliability problems with thermal replication processes, and
(3) keine Sonderschichten zur Nanostrukturierung mehr nötig sind, sodass keine Zusatz- kosten für Beschichtungen anfallen und keine Schichtablösungen bei thermischen Prozessen auftreten. (3) no more special layers for nanostructuring are necessary, so that no additional costs are incurred for coatings and no delamination occurs during thermal processes.
Eine wichtige Besonderheit in dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt darin, dass beliebige Strukturen und Formen hergestellt werden können. Hierzu zählen einerseits nichtrotationssymmetrische optische Elemente, welche ansonsten mittels Ultrapräzisionsbear- beitung oder Laser-Direkt-Schreib-Techniken nicht hergestellt werden könnten, andererseits auch Freiformflächen, also beliebig geformte Strukturen (sofern aus einer Strahlrichtung subtraktiv fertigbar). Beispiele hierfür sind optische Elemente wie Phasenplatten, Wellenfrontkorrekturen oder digitale Diffraktivmuster. Dieser wesentliche Fakt macht die Technologie sehr universell ersetzbar für die Herstellung einer Vielzahl optischer Ele- mente und stellt daher eine Schlüsseltechnologie in der Fertigung von polymeroptischen Elemente dar. An important feature of the method according to the invention is that any desired structures and shapes can be produced. These include, on the one hand, non-rotationally symmetrical optical elements, which otherwise could not be manufactured using ultra-precision machining or laser direct writing techniques, and, on the other hand, freeform surfaces, i.e. structures of any shape (provided that they can be subtractively manufactured from one beam direction). Examples of this are optical elements such as phase plates, wavefront corrections or digital diffractive patterns. This essential fact makes the technology very universally replaceable for the production of a large number of optical elements and therefore represents a key technology in the production of polymer optical elements.
Das mit dem Formwerkzeug herstellbare Produkt kann eine fresnelartige Diffraktiv-Linse sein. Hierbei können die Gitter kontinuierlich gestaltet sein, wodurch die Fresnelstruktur zustande kommt. Der Unterschied liegt allerdings in der Größenordnung. Dieser ist um einen Faktor 10-100 kleiner als bei herkömmlichen fresnelartigen Linsen, was mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, zumindest mit der angegebenen Auflösungsgenauigkeit, Flankensteilheit und erreichbaren Eckenradien. The product that can be produced with the molding tool can be a Fresnel-like diffractive lens. Here, the grids can be designed continuously, whereby the Fresnel structure comes about. The difference, however, is in the order of magnitude. This is smaller by a factor of 10-100 than with conventional Fresnel-like lenses, which is possible with the method according to the invention, at least with the specified resolution accuracy, edge steepness and achievable corner radii.
Die Strukturen können beispielsweise direkt aus dem CAD Modell in das Formwerkzeug (Stempel) geschrieben werden, welche z.B. aus Simulationen einer Wellenfrontberech- nung oder einer Vorhalteberechnung für Verzüge und Schwindungen für die Spritzgussfertigung kommen können. Hierfür sind keine Zwischenschritte notwendig, wie beispielsweise Lacktechniken (Lackauftragstechniken und jegliche Art der Lithographie/Belichtung/Ätzung), Abform- und Kopiertechniken aus den Masterstrukturen, oder Integration von Teileinsätzen in Halterungen im Werkzeug. Auch dieser Schritt der direk- ten Strukturierung der Werkzeugoberflächen stellt eine Besonderheit dar, da keine zusätzlichen Einsätze eingebaut, ausgerichtet und fixiert werden müssen, um eine hieraus resultierende Ungenauigkeit in der Positionierung, z.B. Versatz oder Verkippung, zu vermeiden. Und man hat auch keine Wärmeleitfähigkeitsprobleme an den Übergangsstellen durch Luftspalte. Hierdurch wird die Wärmeleitung und -Verteilung optimiert, wodurch die Werkzeugoberflächentemperierung wesentlich vereinfacht wird. The structures can, for example, be written directly from the CAD model into the molding tool (stamp), which can come from simulations of a wavefront calculation or a reserve calculation for warpage and shrinkage for injection molding. No intermediate steps are necessary for this, such as lacquer techniques (lacquer application techniques and any kind of lithography / exposure / etching), molding and copying techniques from the master structures, or integration of partial inserts in holders in the tool. This step of the direct structuring of the tool surfaces is also a special feature, since no additional inserts have to be installed, aligned and fixed in order to avoid a resulting inaccuracy in positioning, eg offset or tilting. And there are no thermal conductivity problems at the transition points through air gaps. This optimizes the conduction and distribution of heat, which significantly simplifies the temperature control of the mold surface.
Die Erfindung ermöglicht es höchstpräzise Formwerkzeuge, beispielsweise Stempel, für Abformungen durch Heißprägeverfahren, Spritzguss- bzw. Spritzprägeverfahren sowie Nano-Imprint-Lithographie-Verfahren herzustellen. Die Strukturen können dabei eine laterale sowie eine Tiefenauflösung im Submikrometerbereich, idealerweise bis hinab in den Nanometerbereich, aufweisen. Die Erfindung bietet ferner die Möglichkeit zur Herstellung von verschiedenen Formen mit Strukturen mit Mikrometer- und Submikrometer-Auflösung, insbesondere in der Massenproduktion, zum Beispiel von optischen Elementen, bei- spielsweise Phasenplatten, Wellenfrontkorrekturen, digitale Diffraktivmuster oder optische Linsen, beispielsweise Fresnel-Linsen oder diffraktive Linsen, fresnelartige diffraktive Linsen, beispielsweise Fresnel-Linsen für Beleuchtungsoptiken in Smartphones. The invention enables extremely precise molding tools, for example stamps, to be produced for moldings by hot stamping processes, injection molding or injection stamping processes, and nano-imprint lithography processes. The structures can have a lateral and a depth resolution in the submicrometer range, ideally down to the nanometer range. The invention also offers the possibility of producing various shapes with structures with micrometer and submicrometer resolution, especially in mass production, for example of optical elements, for example phase plates, wavefront corrections, digital diffractive patterns or optical lenses, for example Fresnel lenses or diffractive lenses, Fresnel-like diffractive lenses, for example Fresnel lenses for lighting optics in smartphones.
Hierfür kann die Erfindung Formwerkzeuge, beispielsweise Stempel, bereitstellen, welche lange Standzeiten, hohe Abformgenauigkeiten und geringen Verschleiß aufweisen. Dabei können harte Materialien mit hoher Festigkeit bei gleichzeitig guter Wärmeleitfähigeit verarbeitet werden, welche gleichzeitig mit Mikro- und Nanostrukturen versehen werden können. For this purpose, the invention can provide molding tools, for example punches, which have a long service life, high molding accuracy and low wear. Hard materials with high strength and good thermal conductivity can be processed, which can be provided with micro and nanostructures at the same time.
Derzeit verwendete Technologien sind nicht in der Lage solche Materialien direkt zu strukturieren und dabei die geforderten Genauigkeiten einzuhalten. Die erfindungsgemäß ge- fertigten Formwerkzeuge lassen sich dann in das gewünschte Material, zum Beispiel transparente optische Materialien für Fresnel Linsen, abformen, zum Beispiel durch Heißpressen, Prägen/Stanzen, Spritzprägen, Spritzgießen, oder Nanoimprint-Lithographie. Technologies currently used are not able to structure such materials directly and maintain the required levels of accuracy. The molding tools produced according to the invention can then be molded into the desired material, for example transparent optical materials for Fresnel lenses, for example by hot pressing, embossing / punching, injection compression molding, injection molding, or nanoimprint lithography.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz des lonenstrahls überwindet man die Probleme bei der Grauskalenlithographie, wie sie beispielsweise mit Hilfe von Elektronenstrahlen oder Fotolithographie durchgeführt wird. Dort bilden bis zu 64 oder mehr Graustufen eine Flanke des Stempels. Mit der erfindungsgemäßen Verwendung des lonenstrahls sind zum einen sehr steile Flanken und zum anderen praktisch glatte, schräge Kanten möglich, mit Submikrometer Orts- und Tiefenauflösung. Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung eines lonenstrahllithographieverfahrens zum Herstellen eines Formwerkzeugs, wobei die Verwendung dieselben Merkmale sowie Vorteile aufweisen kann wie das beanspruchte Verfahren. The use of the ion beam according to the invention overcomes the problems of gray scale lithography, as is carried out, for example, with the aid of electron beams or photolithography. There, up to 64 or more gray levels form an edge of the stamp. With the use of the ion beam according to the invention, on the one hand, very steep flanks and, on the other hand, practically smooth, inclined edges are possible, with submicrometer spatial and depth resolution. The invention also relates to a use of an ion beam lithography method for producing a molding tool, wherein the use can have the same features and advantages as the claimed method.
Des Weiteren erlaubt es die Erfindung auch zähe und harte Hartmetalle wie beispielsweise Titan zu bearbeiten, die gut die Wärme leiten und wenig spröde sind. Das erfindungs- gemäße Formwerkzeug, beispielsweise ein Stempel, hat dabei eine hohe Formtreue zum optischen Design bzw. zum funktionalen Design gemäß angestrebter Anwendung. Dabei sind insbesondere auch sehr steile Flanken sowie Schrägen umsetzbar, die eine bessere Auflösung als 64 oder 128 Stufen besitzen, und die mehrere Hundert Mikrometer oder sogar Millimeter Durchmesser haben können. Dabei kann das Formwerkzeug, beispielsweise der Stempel, direkt in einem harten Werkstoff hergestellt werden, der gut Wärme leitet, damit das Bauteil und feinste Strukturen präzise und vollständig abgeformt werden, und welcher eine gute Entformbarkeit aufweist. Furthermore, the invention also allows tough and hard hard metals such as titanium to be machined, which conduct heat well and are not very brittle. The inventive A corresponding molding tool, for example a stamp, has a high degree of dimensional accuracy to the optical design or to the functional design according to the intended application. In particular, very steep flanks and bevels can also be implemented, which have a resolution better than 64 or 128 steps and which can have a diameter of several hundred micrometers or even millimeters. The molding tool, for example the stamp, can be produced directly in a hard material that conducts heat well so that the component and the finest structures can be molded precisely and completely, and which can be easily removed from the mold.
Bisher war es lediglich bekannt, mit Hilfe von lonenstrahlen Dielektrika oder Halbleiter wie Silizium zu strukturieren, um diese in der Kunststoffreplikation zu verwenden. Diese leiten jedoch die Wärme schlecht und/oder sind sehr Spröde, wodurch die Abformung von feinsten Strukturen erschwert wird. Darüber hinaus besteht eine erhöhte Gefahr, dass solche Materialien im Einsatz brechen, da diese zwar eine hohe Härte, jedoch eine geringe Zähigkeit aufweisen. Gegenüber anderen bekannten Herstellungsverfahren, bei denen ein Formwerkzeug durch galvanisches Abscheiden eines Metalls (z.B. Nickel) an einem Mehrstufen-Stempel hergestellt wird, bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass beliebige Materialien, verwendet werden können. Prinzipiell können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nahezu alle Materialienbearbeitet werden, sofern kein Immersionsmodus notwendig ist. In diesem Fall treten nämlich starke elektromagnetische Felder auf, wodurch die Bearbeitung magnetischer Materialien ausgeschlossen wird. Aus Werkzeugbausicht sind allerdings Metalle bevorzugt, wobei viele Metalle magnetische Eigenschaften aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mit nichtmagnetischen Metallen durchgeführt werden, sodass optional ein Immersionsmodus nutzbar wird. Alternativ zu Metallen können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch kristalline Materialien wie z.B. Silizium, Keramiken (multi- und monokristallin), sowie sonstige Elemente verarbeitet werden. Problem dabei ist, dass diese andere thermische Ausdehnungskoeffizienten als der Restaufbau der Stahlwerkzeuge haben, wodurch es leicht zu Spannungsbrüchen oder sogenannten„Fressen“ kommt, wenn die Elemente nicht sauber ineinander laufen. Up to now it was only known to structure dielectrics or semiconductors such as silicon with the aid of ion beams in order to use them in plastic replication. However, these conduct heat poorly and / or are very brittle, which makes it difficult to mold the finest structures. In addition, there is an increased risk that such materials will break in use, since although they are very hard, they are not very tough. Compared to other known manufacturing processes in which a mold is manufactured by electrodeposition of a metal (e.g. nickel) on a multi-stage stamp, the process according to the invention offers the advantage that any materials can be used. In principle, almost all materials can be processed with the method according to the invention, provided that no immersion mode is necessary. In this case, strong electromagnetic fields occur, which excludes the processing of magnetic materials. From a toolmaking point of view, however, metals are preferred, many metals having magnetic properties. The method according to the invention can be carried out, for example, with non-magnetic metals, so that an immersion mode can optionally be used. As an alternative to metals, crystalline materials such as silicon, ceramics (multi- and monocrystalline) and other elements can also be processed with the method according to the invention. The problem here is that these have different thermal expansion coefficients than the rest of the structure of the steel tools, which can easily lead to stress fractures or so-called "seizure" if the elements do not run into one another properly.
Metalle sind daher als Material für Formwerkzeuge besonders vorteilhaft, da diese ähnliche thermische Ausdehnungskoeffizienten wie die Stahlwerkzeuge haben, mit denen die Formwerkzeuge verwendet werden sollen, wodurch Spannungsbrüche oder sogenanntes „Fressen“, einem Verkeilen und damit einhergehend erhöhtem Verschleiß von bewegten Bauteilen aufgrund geometrischer Abweichungen, u.a. durch thermische Ausdehnung, vermieden werden können. Metals are therefore particularly advantageous as a material for molding tools, since they have similar coefficients of thermal expansion as the steel tools with which the molding tools are to be used, causing stress fractures or so-called "Scuffing", wedging and the associated increased wear of moving components due to geometrical deviations, including thermal expansion, can be avoided.
Des Weiteren haben Metalle den Vorteil eines guten Wärmeleitwertes. Insbesondere sind auch besonders harte Metalle (z.B. mit einer Mohshärte > 4) mit dem lonenstrahl verfahren bearbeitbar. Vor allem harte Metalle bieten eine hohe Formtreue zum funktionalen Design gemäß der angestrebten Anwendung, beispielsweise zum optischen Design. Außerdem gewährleisten insbesondere harte Metalle eine große Standzeit. Metals also have the advantage of good thermal conductivity. In particular, particularly hard metals (e.g. with a Mohs hardness> 4) can be processed with the ion beam process. Hard metals in particular offer a high degree of dimensional accuracy for functional design in accordance with the intended application, for example for optical design. In addition, hard metals in particular ensure a long service life.
Ein weiterer Vorteil von Metallen ist ihre gute Entformbarkeit. Die erfindungsgemäße Strukturierung des Werkstücks aus Metall mittels eines lonenstrahls ist besonders vorteilhaft, da mit dieser Art der Strukturierung von Metallen eine Tiefenauflösung von kleiner als 10 miti, idealerweise bis zu 10 nm erreicht werden kann. Somit lassen sich Formwerkzeuge aus hartem Metall mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genauer strukturieren als mit üblichen Verfahren zur direkten Bearbeitung von Metallen. Dabei können, sofern aus einer Strahlrichtung subtraktiv fertigbar, beliebig geformte Strukturen, insbesondere Freiformflächen, hergestellt werden. Insbesondere sind auch sehr steile Flanken sowie Schrägen umsetzbar, die eine bessere Auflösung als 64 oder 128 Stufen besitzen, und die mehrere Hundert Mikrometer oder sogar Millimeter Durchmesser haben können. Die Strukturen können direkt aus einem Digitalmodell, beispielsweise einem CAD Modell in ein Werkstück geschrieben werden, was insbesondere bei CAD Modellen aus Simulationen einer Wellenfrontberechnung oder einer Vorhalteberechnung für Verzüge und Schwindungen für die Spritzgussfertigung vorteilhaft ist. Another advantage of metals is that they can be easily removed from the mold. The inventive structuring of the metal workpiece by means of an ion beam is particularly advantageous, since this type of structuring of metals can achieve a depth resolution of less than 10 miti, ideally up to 10 nm. Thus, molding tools made of hard metal can be structured more precisely with the method according to the invention than with conventional methods for the direct machining of metals. In so doing, structures of any shape, in particular free-form surfaces, can be produced, provided that it can be produced subtractively from one beam direction. In particular, it is also possible to implement very steep flanks and bevels that have a resolution better than 64 or 128 steps and that can be several hundred micrometers or even millimeters in diameter. The structures can be written directly from a digital model, for example a CAD model, into a workpiece, which is particularly advantageous in the case of CAD models from simulations of a wavefront calculation or a reserve calculation for warpage and shrinkage for injection molding production.
Aufgrund der direkten Strukturierung des Werkstücks mit dem lonenstrahl, sind für die Herstellung des Formwerkzeugs keine zusätzlichen Zwischenschritte zwingend notwendig, wie beispielsweise Lacktechniken, Abform- und Kopiertechniken aus den Masterstrukturen, oder Integration von Teileinsätzen in Halterungen im Werkzeug. Der Schritt der direkten Strukturierung der Werkzeugoberflächen ist insbesondere auch vorteilhaft, weil bei der Integration des Formwerkzeugs in eine Fertigungsanlage keine zusätzlichen Einsätze eingebaut, ausgerichtet und fixiert werden müssen, wodurch Ungenauigkeiten in der Positionierung, beispielsweise Versatz oder Verkippung, vermieden werden können. Durch den Wegfall zusätzlicher Einsätze werden auch Wärmeleitfähigkeitsprobleme durch Luftspalte an Übergangsstellen vermieden. Hierdurch wird die Wärmeleitung und - Verteilung optimiert, wodurch die Werkzeugoberflächentemperierung wesentlich vereinfacht wird. Due to the direct structuring of the workpiece with the ion beam, no additional intermediate steps are absolutely necessary for the production of the molding tool, such as paint techniques, molding and copying techniques from the master structures, or the integration of partial inserts in holders in the tool. The step of direct structuring of the tool surfaces is particularly advantageous because no additional inserts have to be installed, aligned and fixed when integrating the molding tool into a production system, which means that inaccuracies in positioning, for example offset or tilting, can be avoided. By eliminating additional inserts, thermal conductivity problems caused by air gaps at transition points are also avoided. This increases the heat conduction and - Distribution optimized, which significantly simplifies the mold surface temperature control.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei. Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. The above-described embodiments are merely illustrative of the principles of the present invention. It is to be understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will be apparent to other skilled persons. It is therefore intended that the invention be limited only by the scope of protection of the following patent claims and not by the specific details presented herein with reference to the description and explanation of the exemplary embodiments. Although some aspects have been described in connection with a device, it goes without saying that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Analogously, aspects that have been described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or details or features of a corresponding device.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren (100) zum Herstellen eines Formwerkzeugs (20), wobei das Verfahren (100) die folgenden Schritte umfasst: 1. A method (100) for producing a molding tool (20), the method (100) comprising the following steps:
Bereitstellen eines Werkstücks, das eine ein Metall aufweisende Werkstückoberfläche (22) aufweist, Providing a workpiece which has a workpiece surface (22) comprising a metal,
Strukturieren der Werkstückoberfläche (22) durch zumindest teilweises Abtragen des Metalls von der Werkstückoberfläche (22) mittels eines lonen- strahls, so dass eine mikro- oder nanostrukturierte Werkstückoberfläche entsteht, welche eine strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche (24) bildet, wobei das Strukturieren der Werkstückoberfläche (22) zumindest ab schnittsweise mit einer Tiefenauflösung im Submikrometerbereich von weniger als 1 mm und/oder mit einer lateralen Auflösung im Submikrometerbereich von weniger als 1 mm ausgeführt wird. Structuring of the workpiece surface (22) by at least partially removing the metal from the workpiece surface (22) by means of an ion beam, so that a micro- or nano-structured workpiece surface is created which forms a structured mold surface (24), the structuring of the workpiece surface (22) is carried out at least in sections with a depth resolution in the submicrometer range of less than 1 mm and / or with a lateral resolution in the submicrometer range of less than 1 mm.
2. Verfahren (100) nach Anspruch 1 , wobei das Strukturieren zumindest abschnittsweise mit einer Tiefenauflösung von weniger als 500 nm, oder von weniger als 100 nm, oder von weniger als 10 nm ausgeführt wird. 2. The method (100) according to claim 1, wherein the structuring is carried out at least in sections with a depth resolution of less than 500 nm, or of less than 100 nm, or of less than 10 nm.
3. Verfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Strukturieren zumindest ab schnittsweise mit einer lateralen Auflösung von weniger als 500 nm, oder von weniger als 100 nm, oder von weniger als 10 nm ausgeführt wird. 3. The method (100) according to claim 1 or 2, wherein the structuring is carried out at least in sections with a lateral resolution of less than 500 nm, or of less than 100 nm, or of less than 10 nm.
4. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Metall eine Mohshärte von größer als 4 aufweist. 4. The method (100) according to any one of the preceding claims, wherein the metal has a Mohs hardness of greater than 4.
5. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Metall Titan ist. 5. The method (100) according to any one of the preceding claims, wherein the metal is titanium.
6. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der lonen- strahl Ionen von mindestens einem der Materialien Gold, Silizium, Kohlenstoff, Platin, Gallium aufweist. 6. The method (100) according to any one of the preceding claims, wherein the ion beam has ions of at least one of the materials gold, silicon, carbon, platinum, gallium.
7. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche (24) eine maximale Tiefe von 0 mm bis 100 mm, oder von 0 mm bis 10 mm, oder von 0 mm bis 2 mm aufweist. 7. The method (100) according to any one of the preceding claims, wherein the structured mold surface (24) has a maximum depth of 0 mm to 100 mm, or from 0 mm to 10 mm, or from 0 mm to 2 mm.
8. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche (24) eine laterale Fläche im Bereich zwischen 400 nm2 und 35.200 mm2 oder zwischen 400 nm2 und 10.000 mm2 aufweist. 8. The method (100) according to any one of the preceding claims, wherein the structured mold surface (24) has a lateral area in the range between 400 nm 2 and 35,200 mm 2 or between 400 nm 2 and 10,000 mm 2 .
9. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strukturieren des Werkstücks mittels des lonenstrahls derart ausgeführt wird, dass die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche (24) eine aus einer Richtung subtraktiv herstellbare Freiform aufweist. 9. The method (100) according to any one of the preceding claims, wherein the structuring of the workpiece by means of the ion beam is carried out in such a way that the structured molding tool surface (24) has a free form that can be produced subtractively from one direction.
10. Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strukturieren des Werkstücks mittels des lonenstrahls derart ausgeführt wird, dass die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche (24) eine Negativform oder eine Positivform für ein Produkt bildet, welches mit dem zu erzeugenden Formwerkzeug (20) herstellbar ist. 10. The method (100) according to any one of the preceding claims, wherein the structuring of the workpiece by means of the ion beam is carried out in such a way that the structured mold surface (24) forms a negative form or a positive form for a product which is to be produced with the mold ( 20) can be produced.
11. Verfahren (100) nach Anspruch 10, wobei das Produkt ein optisches Element aufweist. 11. The method (100) according to claim 10, wherein the product comprises an optical element.
12. Verfahren (100) nach Anspruch 10 oder 11 , wobei das Produkt ein refraktives optisches Element, oder ein diffraktives optisches Element, oder ein reflektives optisches Element aufweist. 12. The method (100) according to claim 10 or 11, wherein the product has a refractive optical element, or a diffractive optical element, or a reflective optical element.
13. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Produkt eine diffraktive Linse oder eine Fresnel-Linse oder eine fresnelartige diffraktive Linse aufweist. 13. The method (100) according to any one of claims 10 to 12, wherein the product has a diffractive lens or a Fresnel lens or a Fresnel-like diffractive lens.
14. Formwerkzeug herstellbar mit einem Verfahren (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. 14. The mold can be produced using a method (100) according to one of the preceding claims.
15. Formwerkzeug (20) zum Herstellen eines optischen Elements, wobei das Formwerkzeug (20) eine ein Metall aufweisende strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche (24) aufweist, wobei das Metall eine Mohshärte von größer als 4 aufweist, wobei die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche (24) mindestens eine Abformstruktur (27) mit einer Abmessung in einer lateralen Richtung (28) im Submikrometerbereich von weniger als 1 miti und/oder mit einer Abmessung in einer Tiefenrichtung (29) im Submikrometerbereich von weniger als 1 mm aufweist. 15. Molding tool (20) for producing an optical element, the molding tool (20) having a structured molding tool surface (24) comprising a metal, the metal having a Mohs hardness of greater than 4, wherein the structured molding tool surface (24) has at least one molding structure (27) with a dimension in a lateral direction (28) in the submicrometer range of less than 1 miti and / or with a dimension in a depth direction (29) in the submicrometer range of less than 1 mm.
16. Formwerkzeug (20) nach Anspruch 15, wobei die Abformstruktur (27) Abmessungen in Tiefenrichtung (29) von weniger als 500 nm, oder weniger als 100 nm, oder weniger als 10 nm aufweist. 16. The molding tool (20) according to claim 15, wherein the impression structure (27) has dimensions in the depth direction (29) of less than 500 nm, or less than 100 nm, or less than 10 nm.
17. Formwerkzeug (20) nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Abformstruktur (27) Abmessungen in lateraler Richtung (28) von weniger als 500 nm oder weniger als 100 nm oder weniger als 10 nm aufweist. 17. The molding tool (20) according to claim 15 or 16, wherein the impression structure (27) has dimensions in the lateral direction (28) of less than 500 nm or less than 100 nm or less than 10 nm.
18. Formwerkzeug (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das Metall Titan ist. 18. The mold (20) according to any one of claims 15 to 17, wherein the metal is titanium.
19. Formwerkzeug (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche (24) eine maximale Tiefe von 0 mm bis 100 mm, oder von 0 mm bis 10 mm, oder von 0 mm bis 2 mm aufweist. 19. The molding tool (20) according to any one of claims 15 to 18, wherein the structured molding tool surface (24) has a maximum depth of 0 mm to 100 mm, or from 0 mm to 10 mm, or from 0 mm to 2 mm.
20. Formwerkzeug (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche (24) eine laterale Fläche im Bereich zwischen 400 nm2 und 35.200 mm2 oder zwischen 400 nm2 und 10.000 mm2 aufweist. 20. The molding tool (20) according to any one of claims 15 to 19, wherein the structured molding tool surface (24) has a lateral area in the range between 400 nm 2 and 35,200 mm 2 or between 400 nm 2 and 10,000 mm 2 .
21. Formwerkzeug (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche (24) eine aus einer Richtung subtraktiv hergestellte Freiform aufweist. 21. The molding tool (20) according to any one of claims 15 to 20, wherein the structured molding tool surface (24) has a free form produced subtractively from one direction.
22. Formwerkzeug (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , wobei die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche (24) eine Negativform oder eine Positivform zum Abformen des mittels des Formwerkzeugs (20) herstellbaren optischen Elements bil- det. 22. Molding tool (20) according to one of claims 15 to 21, wherein the structured molding tool surface (24) forms a negative form or a positive form for molding the optical element which can be produced by means of the molding tool (20).
23. Formwerkzeug (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei das optische Element ein refraktives optisches Element oder ein diffraktives optisches Element oder ein reflektives optisches Element ist. 23. Molding tool (20) according to one of claims 15 to 22, wherein the optical element is a refractive optical element or a diffractive optical element or a reflective optical element.
24. Formwerkzeug (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei das optische Element eine diffraktive Linse oder eine Fresnel-Linse ist oder eine fresnelartige diffraktive Linse ist. 24. The molding tool (20) according to any one of claims 15 to 23, wherein the optical element is a diffractive lens or a Fresnel lens or is a Fresnel-like diffractive lens.
25. Formwerkzeug (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 24, wobei das Formwerkzeug (20) einen Schmelzpunkt aufweist, der oberhalb des Schmelzpunktes oder der Glasüberganstemperatur von Polymeren und/oder Glas liegt. 25. Mold (20) according to one of claims 15 to 24, wherein the mold (20) has a melting point which is above the melting point or the glass transition temperature of polymers and / or glass.
26. Formwerkzeug (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 25, wobei die strukturierte Formwerkzeug-Oberfläche (24) durch Beschuss mit Siliziumionen und/oder Goldionen und/oder Kohlenstoffionen und/oder Platinionen und/oder Galliumionen erzeugt ist. 26. Mold (20) according to one of claims 15 to 25, wherein the structured mold surface (24) is produced by bombardment with silicon ions and / or gold ions and / or carbon ions and / or platinum ions and / or gallium ions.
27. Formwerkzeug (20) nach einem der Ansprüche 15 bis 26, wobei das Formwerkzeug (20) ausgestaltet ist, um als ein Einsatz in einer Vorrichtung zum Formen des optischen Elements aus einem Polymer oder einem Glas verwendet zu werden. 27. The molding tool (20) according to any one of claims 15 to 26, wherein the molding tool (20) is designed to be used as an insert in a device for molding the optical element from a polymer or a glass.
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