Für viele Produkte des täglichen Bedarfs werden Bauteile benötigt, die nur mit Präzisionswalzen im Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt werden können. Dazu gehören beispielsweise Sicherheitshologramme für Kreditkarten oder Spezialfolien, um die Bildschirmhelligkeit auf Mobiltelefonen und anderen LCDs zu steigern. Um fälschungssichere Produkte herstellen zu können, werden immer fortschrittlichere und kompliziertere Hologramme verwendet. In der Elektronik konzentriert sich der Miniaturisierungsprozess auf kleinere, eingebettete Funktionen auf Spezialfolien. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden und die Produkte fertigen zu können, werden Hochpräzisions-Masterwalzen eingesetzt. Die Laserbeschriftung dieser Walzen wird durch Präzisions-Bewegungstechnik ermöglicht, indem die Bewegung der Walze im Verhältnis zum fokussierten Laserstrahl sowie die Ansteuerung des Lasers in den exakt richtigen zeitlichen Abständen und an den richtigen Stellen erfolgt.

Herausforderung der Miniaturisierung

Worauf beruht die Herausforderung der Miniaturisierung an die dafür notwendige Steuerung? Die Antwort liegt im Endprodukt: Um mit den technologischen Fortschritten komplexer Muster und reduzierter Elektronikgrößen Schritt zu halten, liegen die erforderlichen, individuellen Druck/Beschriftungsfunktionen im Submikronbereich und müssen in einigen Fällen in gegenseitigen Abständen unter 100 nm platziert sein. Zusätzlich sind die Hersteller motiviert Hochgeschwindigkeitssysteme zu produzieren, da die Bearbeitung dieser Walzen Wochen in Anspruch nehmen kann. Beispielsweise benötigt eine bei 50 U/min bearbeitete Walze mit 300 mm Durchmesser einen Laserpuls-Trigger im 0.0012 ms-Intervall, um Laserpulsfunktionen der Größe 1 μm auf der Außenfläche der Walze zu erzeugen. Den leistungsstarken Bewegungssubsystemen von Aerotech gelingt es nach eigenen Angaben, die geforderten engen Genauigkeitstoleranzen zu erfüllen und die Schwierigkeiten der Funktionsminiaturisierung im Rolle-zu-Rolle-Verfahren zu lösen.

Rolle-zu-Rolle Walze bei der Bearbeitung eines dünnen Substrats.

Rolle-zu-Rolle Walze bei der Bearbeitung eines dünnen Substrats. Aerotech

Strukturgrößen im Submikron-Bereich

Für die Herstellung der Präzisionswalzen sind verschiedene Technologien erforderlich: hohe Positionsauflösung, hochgenaue Mechanik, die Fähigkeit den Laser an einer exakten, kalibrierten Position der Walze anzusteuern und Autofokusfunktionen, welche dem Laser ermöglichen, in der optimalen Brennweitendistanz zu operieren. Der Einsatz dieser Technologien ermöglicht Strukturgrößen im Submikron-Bereich und einen Einzelabstand <100 nm zwischen den Strukturen. Durch den Einsatz von hochauflösenden Messsystemen, Präzisions-Luftlagertechnologien und modernen Steuerungen und Antrieben erzielen die Bewegungssysteme die geforderten Strukturen im Submikron-Bereich.

Bewegung steuern

Seit 1970 entwickelt und fertigt Aerotech Hochleistungs-Bewegungssteuerungssysteme, Positioniertische und -systeme für Kunden in Industrie, Staat, Wissenschaft und Forschung. Die Präzisions-Bewegungssteuerungsprodukte bieten die kritische Performance, die für die anspruchsvollen Anwendungsbereiche von heute erforderlich sind, für Märkte wie Medizingeräte und Life Sciences, Halbleiter und Flachbildschirme, Photonik, Automobil, Datenspeicherung, Laserbearbeitung, Militär/Luft- und Raumfahrt, Elektronikherstellung, Prüfungen, Montage, Forschung und Entwicklung sowie andere Märkte, die Bewegungslösungen hoher Präzision und mit hohem Durchsatz erfordern.

Um Auflösungen im Nanometer- und Subwinkel-Bereich zu erreichen, werden in der Regel Feedbacksysteme mit sinusförmigen Signalen sowie Auflösung-Vervielfacher verwendet. Um beispielsweise den Laserpulsabstand auf einer Walze mit 300 mm Durchmesser bis auf 1 μm elektronisch zu steuern, muss der an der rotierenden Achse der Walze befestigte Encoder über eine Auflösung von mindestens 0.00038 Grad verfügen. Um Bewegungen im Submikron-Bereich zu erreichen, muss die Lagertechnologie eine nahezu reibungslose Bewegung der Achsen ermöglichen. Erzielt wird dies durch ein Luftlager, da in diesem Fall zwischen den beiden Lagerflächen kein mechanischer Kontakt besteht. Außerdem muss die mechanische Ausrüstung mit hochleistungsfähiger Antriebselektronik und Software gekoppelt sein, um die Bewegung bis in den Bereich der Nanometer-Auflösung zu steuern. Die Steuerelektronik muss über eine hohe elektrische Auflösung und einen niedrigen Geräuschpegel verfügen, um entsprechend kleine Ströme auf den Motor der Positionierplattform übertragen zu können. Sofern möglich, sollten lineare Verstärker verwendet werden, da durch elektronisch geschaltete PWM-Verstärker Servorauschen verursacht werden kann. Dank der Verwendung von Hochauflösungs-Encodern, Luftlagertechnologien und linearen Verstärkern sind die Bewegungssubsysteme speziell für die Fertigung von Präzisions-Masterwalzen geeignet.

Positioniersystem mit luftgelagerten Achsen. Die lineare Achse trägt die Laseroptik, während die Rotationsachsen die Walze drehen.

Positioniersystem mit luftgelagerten Achsen. Die lineare Achse trägt die Laseroptik, während die Rotationsachsen die Walze drehen. Aerotech

Patentierte Verfahren

Das Prozess-Tool (Laser) muss mit der Position der Walze synchronisiert werden, da andernfalls die Strukturen verzerrt oder auf der Walzenoberfläche inkorrekt positioniert werden. Aerotech hat das patentierte Verfahren entwickelt, einen Laser auf der Grundlage der kalibrierten Position der Walze zu triggern. Dies eliminiert die Problematik von Laufzeitfehlern und Strukturverzerrungen, da die kalibrierten Encodersignale der Achsen direkt zur Laseransteuerung verwendet werden. Diese Funktion wird als „Positionssynchroner Trigger“ (PSO) bezeichnet und stützt sich auf Hochgeschwindigkeitselektronik zur Ansteuerung des Lasers. Die Positionen der Achsen werden kombiniert, sodass die Lasertriggerung zwischen der rotierenden Walze und der linearen Bewegung des Lasers koordiniert wird. Durch diese Funktion kann der Laser bei Raten von bis zu 12.5 MHz mit Latenz von nur 160 Nanosekunden feuern.

Zusätzlich ermöglichen Autofokusabläufe, die in den Controller eingebaut sind, die Einstellung des Lasers in optimaler Distanz zur Walzenoberfläche. Dadurch werden Rundlauftoleranzen vermindert. Dies ist wichtig, da es nicht möglich ist die Rohwalzen so herzustellen, dass sie über die gesamte Länge dieselbe Rundlauftoleranz haben.

Um den Autofokusablauf einzusetzen, wird dem System ein Abstandssensor in Richtung des Laserstrahls hinzugefügt. Dieser misst den Abstand der aktuellen Walzenposition zur Laseroptik. Jeder Laser verfügt über eine ideale fokale Distanz, in der die Spotgröße und der Intensitätspegel optimal sind. Auf exakt diese Stelle wird der Autofokusablauf eingestellt. Um eine Bewegungsachse zu steuern, kann der Wert des Abstandssensors direkt in die Positionsregelung eingegeben werden. So wird die ideale Brennweite des Laserstrahls aufrechterhalten und eine konsistente Strukturierung über die gesamte Oberfläche der Walze ermöglicht.

Weiterentwicklung vorantreiben

Da der technologische Fortschritt bei Rolle-zu-Rolle-Produkten des täglichen Bedarfs zunimmt, müssen auch die Verfahren, mittels der die Master-Walzen hergestellt werden, verbessert werden. Die Miniaturisierung und wachsende Komplexität dieser Produkte treibt die Weiterentwicklung von Positioniersystemen für Rolle-zu-Rolle-Anwendungen voran. Aerotech löst das Problem mit technisch hochmoderner Mechanik, entsprechenden Laserfunktionen und Software.