Verfahren zum justierten Fügen der Flächen von zwei Werkstücken

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum justierten Fügen einer von einem ersten Werkzeug abgeformten Fläche eines ersten Werkstückes und einer von einem zweiten Werkzeug abgeformten Fläche eines zweiten Werkstückes, mit einem Justierfehler ^■ von weniger als 10 um und vorzugsweise weniger als 1 um. Unter dem Begriff „Fügen" -ist im Folgenden vorzugsweise die dauerhafte Verbindung der betreffenden Werk-, stückflächen zu verstehen, ^' jedoch ist das Verfahren nach der Erfindung in gleicher Weise auch auf Werkstücke anwendbar, deren Flächen nur zeitweilig justiert zusammengeführt werden sollen.

Ein mechanisches Verfahren zum hochgenauen Positionieren von mikrooptischen Bauteilen, z.B. optischen Linsen, Masken und Filtern ist aus dem Aufsatz „Assembly of micro-optical Systems with mechanical positioning" , A. Stockham, Proc SPIE 6376-9, 2006, bekannt. Auf den zu fügenden Flächen werden fotolithographisch Oberflächenstrukturen ausgebildet, die entweder nach dem Passstiftprinzip komplementär sind und eine Fügegenauigkeit von etwa 3 um ergeben oder aus zueinander spiegelbildlichen, etwa V-förmigen Nuten bestehen, die über eingelegte Glasfaserabschnitte zueinander ausgerichtet werden und eine Fügegenauigkeit der Werkstücke von etwa 1 um ergeben.

Aus der DE 103 55 681 Al ist ein insbesondere zum Ausrich-. ten einer Belichtungsmaske relativ zu einem Halbleitersub- strat (Wafer) bestimmtes optisches Verfahren bekannt, bei ^' dem Justiermarken auf den Substraten (Wafer und Maske) un-

ter einem Justiermikroskop durch Relatiwers.chiebungeή in der Ebene der Substrate zur ^' Deckung gebracht werden. Die erzielbare Genauigkeit wird mit weniger als 0,5 um angegeben.

Grundsätzlich gilt, dass mit optischen Justierverfahren eine höhere Genauigkeit als mit mechanischen Justierverfahren erzielbar ist. Optische Justierverfahren sind jedoch relativ zeitaufwendig (in der . Größenordnung von einer Minu- te je Justiervorgang) und daher zwar für die hochgenaue

Justierung von Werkzeugen, nicht aber von Werkstücken, die in großen Stückzahlen von diesen Werkzeugen oder deren identischen Vervielfältigungsstücken (z.B. im Spritzgießverfahren), abgeformt werden. Stellvertretend für andere An- Wendungen kann insbesondere auf die Herstellung von optischen Speichermedien des doppelseitigen DVD-Typs verwiesen werden, bei der zwei Substrate, von denen jedes eine informationstragende Seite hat, mit ihren anderen Seiten Rücken an Rücken hochpräzise zentriert miteinander dauerhaft zu verbinden sind. Die Substrate werden ihrerseits bekanntlich im Spritzgießverfahren von sogenannten Stampern abgeformt, die wiederum galvanoplastische Abformungen von Mastern sind, d.h. Werkzeugen, die die Informationen in Form eines fotolithographisch erzeugten Oberflächenreliefs tragen, das auf den genannten zwei Substraten mit einer Genauigkeit von 1/10 um reproduziert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem zu fügende Flächen von in großen Stückzahlen hergestellten ersten und zweiten Werk- ^' zeugen vor und während des Fügens mit hoher Genauigkeit in mindestens einer zur Ebene der zu fügenden Flächen parallelen Richtung zeitsparend justiert werden können.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Schritten a) bis f) des Anspruches 1 gelöst. Dadurch

wird erreicht, dass insbesondere auch in großen Stückzahlen produzierte und häufig unter Kostendruck stehende Werkr- stücke nach einer zeitsparend durchführbaren, mechanischen Vorjustierung mit der sehr hohen Genauigkeit einer opti- sehen Justierung gefügt werden können.

Soweit sich ein von der Oberfläche zum Grund der Vertiefungen abnehmender Querschnitt nicht schon in Folge der fotό- lithographischen Erzeugung ergibt, ist es sowohl zur siche- ren Trennung des ausgehärteten Kunststoffes von dem einem ^• der beiden Werkzeuge gemäß dem Schritt e) des Verfahrens als auch zur Erzielung der endgültigen Justierung der jeweiligen beiden Werkstücke notwendig, die Vertiefungen in den Flächen der Werkzeuge mit zum Grund der jeweiligen Ver- tiefung abnehmender Breite zu erzeugen.-

Weil in der Regel eine Justierung der zu fügenden Werkstücke in zwei Achsen erforderlich ist, empfiehlt es sich, bei kleinen Abmessungen der Vertiefungen die abzuformenden Flächen der Werkzeuge mit mindestens je zwei möglichst weit voneinander beabstandeten Vertiefungen zu versehen, die auch unterschiedliche Geometrien haben können.

Im Schritt d) des Verfahrens ist es notwendig, den durch die übereinanderliegenden Vertiefungen der Werkzeuge definierten Hohlraum mit einem aushärtbaren Kunststoff zu füllen. Um diesen zunächst flüssigen Kunststoff bequem einbringen zu können, können die Vertiefungen so ausgebildet und angeordnet werden, dass sie jeweils einen kanalartige Verbindung zum nächstgelegenen seitlichen Rand der Werkzeuge haben, so dass der Kunststoff von diesem Rand aus einge-, spritzt werden kann. Dieser seitliche Rand liegt also in einer beliebigen Schmalfläche der in der Regel scheibenförmigen oder plattenförmigen Werkzeuge. Aufwendiger, aber grundsätzlich möglich ist auch das Einbringen des Kunst-

Stoffs über mindestens eine in eine der Vertiefungen mün- ^• dende, gesonderte Bohrung.

Vorteilhaft können die Vertiefungen als Nuten mit einem sich zu ihrem Grund verengenden Profil oder Querschnitt erzeugt werden. Die Nuten müssen nicht längs einer Geraden verlaufen, sondern können einer beliebig gebogenen Linie folgen und/oder sich kreuzend angeordnet sein. In. beiden Fällen kann es in Abhängigkeit von der Länge der Nuten im Verhältnis zu den Abmessungen der zu justierenden Flächen ausreichen, wenn jede der Flächen der Werkzeuge nur eine Nut oder zwei sich kreuzende Nuten vorsehen, ohne an Justiergenauigkeit zu verlieren.

Der Schritt e) des Verfahrens erfordert, dass der ausgehärtete Kunststoff nur in der Vertiefung des einen Werkzeuges zurück bleibt. Das kann auf unterschiedliche Weise erreicht werden :

Eine erste Möglichkeit besteht darin, die Vertiefungen in den Flächen der jeweiligen Werkzeuge mit unterschiedlichem Volumen auszubilden, so dass die Adhäsioήsfläche zwischen dem Werkstoff des einen Werkzeuges und dem Kunststoff größer als die entsprechende Adhäsionsfläche des anderen Werk- zeuges ist, mit der Folge, dass der ausgehärtete Kunststoff stärker in .der Vertiefung des einen als des anderen Werkzeuges haftet. Insbesondere kann hierzu jede Vertiefung in der Fläche des einen Werkzeuges mit einer größeren Tiefe und/oder einer größeren Länge als die korrespondierende Vertiefung in der Fläche des anderen Werkzeuges erzeugt werden .

Eine Alternative besteht darin,, die Oberflächen der Vertiefungen in den Flächen der beiden Werkzeuge mechanisch oder mit chemischen Mitteln derart zu behandeln, dass der aus- härtbare Kunststoff in der Vertiefung in der Fläche des

einen Werkzeuges stärker haftet als in der Vertiefung des anderen Werkzeuges. ^{' ■}

Grundsätzlich liegt es . auch im Rahmen der Erfindung, wenigstens an einer ersten Stelle der Flächen der Werkzeuge Vertiefungen mit einer ersten Breite und Tiefe anzuordnen, die im Ergebnis zu einer (mechanischen) .Vorjustierung der abgeformten Werkstücke führen und an wenigstens einer weiteren Stelle Vertiefungen mit einer zweiten, kleineren Breite und ggf. Tiefe auszubilden, die so auf die ersten Vertiefungen mit den größeren Abmessungen abgestimmt sind, dass sich an die Vorjustierung von selbst eine Feinjustierung mit der geforderten Genauigkeit anschließt. ^•

Das Verfahren nach der Erfindung wird nachfolgend beispiel- haft anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

■ Fig. 1: Zwei Werkzeuge mit Justiermarken in Form von sich kreuzenden Nuten;

Fig. 2: die Werkzeuge in Figur 1 nach dem Fügen;

Fig . 3 : das eine der beiden Werkzeuge nach dem Aushärten des Kunststoffs in den Nuten und der Trennung von dem anderen ^' Werkzeug; .

Fig. 4: die jeweils von den Werkzeugen abgeformten Werk stücke oder Substrate vor dem Fügen.

Als Beispiel für die Anwendung des vorgeschlagenen Justier- Verfahrens wird im folgenden das. Verkleben der beiden Hälften einer doppelseitigen DVD zugrunde gelegt. Das Verfahren zur Herstellung dieser sog. Halbseiten LO und Ll ist Stand ■ der Technik und wird deshalb nicht im Einzelnen erläutert.

Figur 1 zeigt als Werkzeuge zwei unterschiedliche Master 1 und 5 mit einander zugewandten Flächen 2 und 6, auf denen

binäre Informationen in Form eines fotolithographisch erzeugten Oberflächenreliefs gespeichert sind (nicht dargestellt) . Diese Master werden, wie bekannt, zu sogenannten Stampern vervielfältigt, die wiederum als Matrizen zum Ab- 5. formen entsprechender DVD-Halbseiten im Spritzgießverfahren dienen. Diese Halbseiten LO und Ll müssen zwar nicht in Um- fangsrichtung, jedoch in radialer Richtung mit hoher Genauigkeit zueinander justiert werden, bevor und während sie miteinander in bekannter Weise verklebt (gebondet) werden.0

Hierzu erhalten die Master 1 und 5 in ihren informationstragenden Flächen 2 und 6 in den Figuren übertrieben groß dargestellte Vertiefungen, hier in Form sich kreuzender Nuten 3, 4 und 7, 8. Dabei sind die Nuten 4 und 8 so angeord-5 net, dass sie an den jeweiligen Seitenflächen oder Schmalseiten der Master 1 bzw. 5 beginnen. Die Nuten haben einen zu ihrem jeweiligen Grund hin abnehmenden Querschnitt, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als etwa halbkreisförmig angenommen ist, jedoch auch V-förmig sein kann. Die Nu-0 ten 3, 4 bzw. I ₁ 8 können darüber hinaus in Grenzen unterschiedlich breit und/oder unterschiedlich tief sein. Die Breite und die Tiefe bestimmen sich nach der geforderten Justiergenauigkeit. Sie können im Bereich von z.B. 10 μ bis 100 μ oder mehr liegen, abhängig von der geforderten Jus- tiergenauigkeit . Selbstverständlich können anstelle der sich kreuzenden Nuten z.B. zwei hinreichend weit voneinander entfernte Einzelnuten vorgesehen werden, zweckmäßig in der Orientierung entsprechend den Nuten 4, 8.

Im nächsten Schritt werden die Master 1 und 5 nach bekannten optischen Verfahren so zueinander justiert, dass die Nuten 3, 4 bzw. 7, 8 möglichst genau übereinander zu liegen kommen, wie in Figur 2 dargestellt. Die Nuten begrenzen nun ein Volumen, das über eine von der Seitenfläche des gebil- deten Paketes zugängliche öffnung 9 mit einem flüssigen Kunststoff gefüllt wird, der z.B. durch UV-Licht oder durch

Wärme aushärtbar ist. Geeignete Kunststoffe und Injektionsverfahren sind dem Fachmann bekannt.

Nach dem Aushärten des Kunststoffes werden die Master 1 und 5 voneinander getrennt. In einem der Master, -hier dem Master 1, bleibt der in den Nuten 3, 4 ausgehärtete Kunststoff 10 zurück und bildet dementsprechend die Nuten 7 , 8 in dem anderen Master 5 als komplementäre Erhebungen 7a, 8a ab, wie in Figur 3 dargestellt.

Zur Herstellung von DVDs werden von den jeweiligen Mastern bekanntlich zunächst Matrizen, die sogenannten Stamper, als Negativ abgeformt. Weil sich dadurch die Abformgenauigkeit praktisch nicht verschlechtert, .sondern eine Matrize ledig- lieh das Negativ des betreffenden Masters ist, wird für die folgende Erläuterung dieser Zwischenschritt übersprungen, auch im Hinblick darauf, dass das hier vorgeschlagene Justierverfahren auch auf Werkstücke anwendbar ist, die unmittelbar von entsprechenden Werkzeugen abgeformt werden. .

Ein von dem Master 1 abgeformtes erstes Substrat 15 hat mit hoher Genauigkeit die gleichen Nuten 7, 8 wie der Master 5, während das von diesem Master 5 abgeformte, korrespondierende Substrat 11 die Nuten 7, 8 dieses Masters 5 als kom- ^■ plementäre Erhebungen oder Wulste 12, 13 abbildet. Die beiden Substrate, in diesem Beispiel also die DVD-Halbseiten, werden nun mit an sich bekannten Mitteln, z.B. mechanischen Anschlägen (nicht dargestellt) zueinander vorjustiert, im Falle einer DVD nur in radialer Richtung, weil eine Aus- richtung in Umfangsrichtung nicht notwendig ist. Anschlie- ^' ßend wird die eine der beiden einander zugewandten Flächen der Substrate bzw. Halbseiten 11, 15 mit einem Kleber, z.B. durch Spincoating beschichtet.

In der in Figur 4 dargestellten, vorjustierten Ausrichtung werden nun die Halbseiten 11, 15 gefügt. Sobald die Wulste

12 in die Nuten 7, 8 einzugreifen beginnen, tritt durch die komplementäre Form der Wulste 12, 13 und der Nuten 7, 8 eine selbsttätige Justierung der Halbseiten 11 und 15 mit prak- tisch der selben Genauigkeit ein, mit der. die Master 1 und 5 als die ursprünglichen Werkzeuge zueinander justiert wurden.