Induktionsheizung zur dynamischen Temperierung 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 Fall eines UV-härtbaren Lacks wird hierzu beispielsweise durch UV-Strahlung eine vernetzende Polymerisationsreaktion gestartet. In mehrlagigen optischen Datenträgern sind die einzelnen mformationsschichten 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 Prägeverfahrεn 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 Glasübergangspunkts 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 TQ gekühlt werden. Für einen Prägevorgang ist also eine dynamische Temperierung der Matrize notwendig.

In 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 WO2005/115624 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 Bauelements aus einem elektrisch leitenden Material eine Induktionsheizeinrichtung bzw. einen elektrisch isolierenden Kühlkörper zu verwenden. Das Bauelement wird also durch gezielte induktive Einkopplung elektrischer Energie beheizt, was eine sehr schnelle

Methode darstellt, um ein metallisches Werkstück zu erhitzen. Die induktive Heizung ist für ferromagnetische Materialien besonders effizient. Das Bauelement ist auf einem elektrisch isolierenden, beispielsweise keramischen Amboss angeordnet. Der zur Heizung verwendete Induktor kann in den keramischen Amboss eingebettet werden, der, da er elektrisch isolierend ist, nicht geheizt wird. Somit wird nur das Bauelement und keine zusätzlichen Teile der Vorrichtung beheizt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung eine Strukturierungsvorrichtung, die insbesondere zum Prägen von Blu-Ray Dual Layer Discs geeignet ist, wobei das zu heizende bzw. zu kühlende Bauelement eine Matrize ist. Bei jedem Strukturierungs Vorgang muss nach dem Heizen die Matrize wieder gekühlt werden. Um die Matrize schnell kühlen zu können, ist der Amboss vorzugsweise permanent auf Kühlwassertemperatur gehalten, so dass sofort nach Abschalten der induktiven Heizung die Kühlung der Matrize einsetzt. Zum Erhöhen der Effizienz der Kühlung sollte die Keramik, aus der der Amboss gefertigt ist, eine gute thermische Leitfähigkeit aufweisen. Ein geeignetes Material für den Amboss ist beispielsweise Aluminiumnitrid.

Um die Heizvorrichtung selbst kühlen zu können, wird diese vorzugsweise auch mit Kühlwasser durchflössen. Somit kann die Kühlung der Heizvorrichtung gleichzeitig zur permanenten Kühlung des Keramikambosses verwendet werden, in den der zur Heizung verwendete Induktor eingebettet ist. Um die notwendige Kühlzeit der Matrize weiter verringern zu können, kann ggf. die zu prägende Schicht vor der Prägung metallisiert werden. Dies kann durch Aufbringen einer wenige Nanometer dicken Schicht, beispielsweise aus Aluminium oder Silber durch Kathodenzerstäubung geschehen. Die zusätzliche Metallschicht kann das Trennen der Matrize vom Substrat, dem sogenannten Entformen, unterstützen bzw. das Entformen bei höheren Temperaturen erlauben. Eine höhere Entformungstemperatur verringert die notwendige Kühlzeit und damit die gesamte Prozesszeit.

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

Gemäß Fig. 1 wird die Matrize 1 durch eine Halteeinrichtung gehalten, die gemäß der gezeigten Ausfuhrungsform einen Matrizenhalter 2 und einen Keramikamboss 3 aufweist. Dem Matrizenhalter 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 an, wobei die linke Seite der Figur den Zustand der Presse 4 während des Pressens zeigt, und die rechte Seite den Zustand zeigt, in dem die Presse 4 von der Matrize 1 getrennt ist. Alternativ kann die Einrichtung zum Halten der Matrize beweglich ausgeführt sein, so dass sie beim Pressen gegen das Substrat gedrückt wird, das auf einem (feststehenden) Substrathalter angeordnet ist.

hi dem Amboss 3 ist eine Induktorspule 6 eingebettet, die die aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellte Matrize 1 heizen kann. Da der Amboss 3 aus einem elektrisch isolierenden Keramikmaterial hergestellt ist, wird dieser durch die Induktorspule 6 nicht geheizt. Weiterhin sorgt auch die Abwesenheit sonstiger elektrisch leitfähiger Bauteile für das ausschließliche Heizen der Matrize 1 durch die Induktorspule 6. Die Induktorspule 6 selbst kann durch eine Kühlung beispielsweise mittels Kühlwasser gekühlt werden.

Weiterhin kann eine Kühlung für den Amboss 3 vorgesehen sein, die den Amboss 3 permanent auf Kühltemperatur hält. Hierfür kann auch die für die Induktorspule 6 vorgesehene Kühlung verwendet werden. Somit erfolgt unmittelbar nach dem Abschalten der Heizung durch die Induktorspule 6 eine Kühlung der Matrize 1 und, während dem auf der linken Seite der Figur dargestellten Prägevorgangs, auch eine Kühlung des Substrats 5. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt eine Heizzeit von etwa 0,5 s. Der erfindungsgemäße Aufbau der Prägevorrichtung erlaubt weiterhin eine kompakte

Ausführung.

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.