Vorrichtung zum dynamischen Temperieren einer Matrize

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Strukturieren eines Substrats, insbesondere zum Prägen einer Informationsschicht eines optischen Datenträgers.

Die einzelnen Informationsschichten mehrlagiger optischer Datenträger, insbesondere BIu- Ray Dual Layer Discs (BD DL) werden im Allgemeinen durch Prägen mittels einer Matrize, die die als Pits codierte Information aufweist, in eine Polymerschicht hergestellt.

Zum Prägen der Struktur wird die Matrize in die Polymerschicht, beispielsweise ein gehärteter oder teilweise gehärteter Lack, gedrückt, die zuvor durch ein Spincoating- Verfahren auf ein Substrat aufgebracht und gehärtet wurde. Im Falle eines UV-härtbaren Lacks wird hierzu beispielsweise durch UV-Strahlung eine vernetzende Polymerisationsreaktion gestartet. In mehrlagigen optischen Datenträgern sind die einzelnen Informationsschichten in der Regel durch Trennschichten separiert, die einige Mikrometer dick sind. Auch die Trennschichten werden üblicherweise aus einem aushärtbaren Lack hergestellt, der durch ein Spincoating-Verfahren auf eine bereits gefertigte Informationsschicht aufgetragen wird. Die Struktur der folgenden Informationsschicht kann

dann durch ein Prägeverfahren auf der freien Oberfläche des gehärteten Lackes gebildet werden.

Um Strukturen in die Polymere einprägen zu können, muss die Matrize vor dem Prägen auf eine Temperatur oberhalb des Glasiibergangspunkts TQ des Polymers geheizt werden. Um die eingeprägte Struktur dauerhaft zu erhalten, muss die Matrize vor der Entfernung aus der Polymerschicht wieder auf Temperaturen deutlich unter T _Q gekühlt werden. Für einen Prägevorgang ist also eine dynamische Temperierung der Matrize notwendig.

hi bekannten Prägevorrichtungen ist die Matrize auf einen Amboss montiert, der eine gute thermische Leitfähigkeit besitzt. Beispielsweise kann der Amboss aus Kupfer gefertigt sein. Der Amboss selbst wird mit Wasser temperiert. Die Temperierung der Matrize erfolgt durch Wärmeleitung und Wärmeübergang zwischen Amboss und Matrize. Da also nicht nur das zu temperierende Werkstück, nämlich die Matrize, sondern der gesamte Amboss temperiert wird, muss die Wärmekapazität des Amboss bei jedem Heiz- und Kühlzyklus zusätzlich überwunden werden; hierfür ist eine relativ lange Zeit erforderlich. Hinzu kommen die nötigen Umschaltzeiten zwischen dem Kühlen und Heizen. Die Prozesszeit eines derartigen Temperierzyklusses liegt insgesamt in der Größenordnung von einer Minute. Da das eigentliche Prägen nur ca. eine Sekunde benötigt, verlangsamt die allein für das Kühlen und Heizen der Matrize benötigte Zeit den Prägeprozess erheblich.

Zum Stand der Technik ist die DE 197 37 471 Al bekannt geworden. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Strukturieren eines Substrats bereitzustellen, bei der die Heiz- und Kühlzeiten, und damit die Prozesszeiten abgekürzt werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche gelöst.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, zum abwechselnden Heizen und Kühlen eines Bauelementes eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der das Bauelement mittels einer Federeinrichtung von der Einrichtung zum Kühlen des Bauelementes beabstandet ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung eine

Strukturierungsvorrichtung, die insbesondere zum Prägen von Blu-Ray Dual Layer Discs geeignet ist. Das Bauelement und insbesondere die Matrize wird somit durch die Federeinrichtung von der Kühleinrichtung getrennt. Dies geschieht vorzugsweise durch eine gefederte Lagerung eines innen zentrierenden Matrizenhalters, sowie einem gefedert gelagerten Ring, der die Matrize am Außenrand hält. Der Abstand zwischen der Matrize und der Kühleinrichtung bzw. dem die Kühleinrichtung bildenden Amboss in entspanntem Zustand beträgt vorzugsweise einige Millimeter. Um eine gute thermische Entkopplung der Matrize vom Amboss zu gewährleisten, ist die Matrizenhalterung vorzugsweise aus einem thermisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff gefertigt. So kann der Amboss während des gesamten Prägevorgangs auf einer konstanten Temperatur, nämlich der Kühltemperatur gehalten werden. Das Heizen der thermisch vom Amboss entkoppelten Matrize geschieht durch eine zusätzliche Heizeinrichtung. Dies kann beispielsweise eine Induktionsheizung sein, die während des Heizens vor die Matrize geschwenkt wird. Die induktive Heizung ist für ferromagnetische Materialien besonders effizient, so dass die Leistung der induktiven Heizung nahezu vollständig durch die Matrize absorbiert wird. Durch die direkte Heizung der Matrize durch Induktion und durch einen ausreichend großen Luftspalt zwischen Matrize und Amboss erfolgt keine nennenswerte Erwärmung des Amboss, so dass nur die Matrize und keine zusätzlichen Teile der Vorrichtung geheizt wird.

Bei jedem Prägevorgang muss nach dem Heizen die Matrize wieder gekühlt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zur Kühlung Matrize und Amboss thermisch kontaktiert. Dies geschieht automatisch, wenn die Einrichtung zum Halten des Substrats die Matrize mit dem Substrat in Kontakt bringt. Sobald das Substrat gegen die Matrize gefahren wird, werden die Federn gespannt und die Matrize gegen den gekühlten Amboss gepresst. Die Kühlung setzt also automatisch genau zu dem Zeitpunkt des Prozesses ein, ab dem sie benötigt wird.

Ist die gewünschte Entformungstemperatur erreicht, wird das Substrat von der Matrize getrennt. Die Federn drücken die Matrize wieder auf Abstand von dem Amboss, so dass die Kühlung der Matrize, und damit des Substrats automatisch nur bis zur gewünschten Entformungstemperatur erfolgt. Die Matrize wird somit nicht unnötigerweise unterkühlt.

Gegebenenfalls kann die notwendige Kühlzeit der Matrize weiter verringert werden, indem die zu prägende Schicht vor der Prägung metallisiert wird. Dies kann durch Aufbringen einer wenigen Nanometer dicken Schicht, beispielsweise aus Aluminium oder Silber durch Kathodenzerstäubung geschehen. Die zusätzliche Metallschicht kann das Entformen unterstützen bzw. Entformen bei höheren Temperaturen erlauben. Eine höhere Entformungstemperatur verringert die notwendige Kühlzeit, um damit die gesamte Prozesszeit.

Die zwangsdurchgeführte Entkopplung bzw. Kontaktierung zwischen Matrize und Amboss während des Strukturierungsprozesses garantieren eine exakte Dosierung der benötigten Kühlleistung, sowie ein unverzögertes Starten und Stoppen der Kühlung. Da die Matrize den Amboss von der induktiven Heizung abschirmt, wird nur die Matrize geheizt. Weiterhin erlaubt diese Abschirmung die Verwendung von elektrisch leitfähigen Stoffen, wie Metallen, für die Ausführung des Kühlambosses. Der Amboss wird daher vorzugsweise aus Kupfer hergestellt.

Da der Amboss permanent auf einer konstanten Temperatur, vorzugsweise der Kühltemperatur oder auch darunter gehalten wird, wird für ihn keine Heiz- oder Kühlleistung verschwendet.

Alternativ zur Heizung der Matrize mittels Induktion können auch andere Heizungsarten, beispielsweise Strahlungsheizung, verwendet werden. Diese kann beispielsweise eingesetzt werden, wenn die Matrize aus elektrisch nicht leitfähigen Stoffen besteht.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die einzige Figur näher erläutert, wobei die Figur 1 schematisch eine bevorzugte Ausfuhrungsform einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.

Gemäß Fig. 1 wird die Matrize 1 durch einen Matrizenhalter 2 gehalten. Der Matrizenhalter 2 ist in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform gefedert gelagert. Um den Matrizenhalter 2

ist ein Amboss 3 angeordnet. Der Amboss 3 wird durch eine (nicht gezeigte) Kühleinrichtung gekühlt. Dies kann beispielsweise durch Vorsehen von Kühlkanälen in dem Amboss 3 verwirklicht werden. Um eine von dem Matrizenhalter 2 gehaltene Matrize 1 von dem Amboss 3 sicher zu beabstanden, ist neben der gefederten Lagerung des Matrizenhalters selbst ein gefedert gelagerter Ring 6 vorgesehen, der die Matrize 1 am Außenrand hält.

Dem Matrizenhalter 2 gegenüber ist eine Presse 4 angeordnet, auf der sich das Substrat 5 befindet, in das die gewünschte Struktur eingeprägt werden soll. Fig. 1 deutet die Bewegung der Presse 4 während des Strukturierungsvorgangs an, wobei die linke Seite der Figur den Zustand während des Pressens zeigt, und die rechte Seite den Zustand zeigt, in dem die Presse 4 von dem Matrizenharter 2 getrennt ist. Auf der rechten Seite der Fig. 1 ist somit zu sehen, dass die Matrize 1 im entspannten Zustand in einem bestimmten Abstand vom Amboss 3 gehalten wird. Drückt die Presse 4 das Substrat gegen die Matrize I ₃ wie dies im linken Teil der Fig. 1 dargestellt ist, kommen die Matrize 1 und der Amboss 3 in Kontakt und die Kühlung der Matrize 1 und somit auch die des Substrats 5 setzt ein. Alternativ kann die Vorrichtung zum Halten der Matrize 1 beweglich ausgeführt sein, so dass sie beim Pressen gegen das Substrat 5 gedrückt wird, das auf einem (feststehenden) Substrathalter angeordnet ist.

Zum Heizen der Matrize 1 im entspannten Zustand, also in dem auf der rechten Seite der Fig. 1 gezeigten Zustand, ist zusätzlich eine Heizvorrichtung vorgesehen, die in der Fig. 1 nicht dargestellt ist. Vorzugsweise wird im Fall einer elektrisch leitenden, insbesondere ferromagnetischen Matrize 1 eine Induktionsheizung zum Heizen vor die Matrize 1 geschwenkt, so dass die Matrize 1 sich zwischen der Heizung und dem Amboss 3 befindet.

Durch das direkte Heizen der Matrize 1, ohne daß der Amboss 3 mitgeheizt werden muss, kann eine Heizzeit von etwa 0,5 s erreicht werden. Da weiterhin die Kühlung der Matrize 1 durch den Amboss 3 automatisch einsetzt, sobald sie benötigt wird, wird die Zeit, die für das Strukturieren eines Substrats 5 benötigt wird, gegenüber bekannten Vorrichtungen stark verkürzt.

Durch eine entsprechende Auslegung der Induktorleistung können nahezu beliebige Prägetemperaturen in Heizzeiten von weniger als 1 s erreicht werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit für das Prägen einer Vielzahl von schmelzbaren Materialien einsetzbar. Mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können beliebige Nano- oder Mikrostrukturen geprägt werden. Der Einsatz ist also nicht auf das Prägen mittels zylindersymmetrischer Matrizen beschränkt, wie dies bei dem Prägen optischer Datenträger der Fall ist. Durch eine entsprechende geometrische Auslegung des Induktors können auch beliebig ausgeformte Werkstücke geheizt werden.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann neben dem Prägen auch für andere Verfahren der Oberflächenstrukturierung eingesetzt werden, sofern diese eine dynamische Temperierung in kurzer Zykluszeit erfordern. Als Beispiele sind das Spritzgießen von kleinen Strukturen oder Strukturen von hohem Aspektverhältnis genannt, oder das Spritzgießen von dünnwandigen Körpern, die ein hohes Verhältnis der Flächen zu den Wandstärken aufweisen. Bevorzugt ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Strukturierung der Informationsschicht von Blu-Ray Dual Layer Discs. Das Verfahren erlaubt jedoch auch den Aufbau optischer Datenspeicher mit beliebig vielen Layern.