Werkstoffe
Warum die Striche auf Glas-Teilscheiben aus Chrom bestehen
Die schwarzen Striche einer Glas-Teilscheibe sind eine etwa 0,1 μm dicke Chromschicht. Sie ist dünn und trotzdem schwarz genug, haftet fest, ist verschleiß- und korrosionsbeständig und lässt sich durch Fotolithografie und Ätzen zu Strichen im Mikrometerbereich strukturieren. Dieser Artikel erläutert unter den Aspekten Lichtabschirmung, Haftung, Beständigkeit und Verarbeitbarkeit, warum für Glas-Teilscheiben fast immer Chrom gewählt wird.
Hält man eine Glas-Teilscheibe gegen das Licht, sind die Striche schwarz und die Spalte durchsichtig. Der schwarze Anteil ist eine Chromschicht von nur etwa 0,1 μm Dicke – bei einem Haardurchmesser von 50–100 μm also fünfhundert- bis tausendmal dünner als ein Haar. Chrom ist nicht das einzige Metall, aus dem sich Striche herstellen ließen. Warum wird es bei Glas-Teilscheiben dennoch fast immer verwendet?
Welche Anforderungen das Strichmaterial erfüllen muss
Eine Schicht, die als Teilungsstrich dienen soll, muss mindestens alle folgenden Punkte gleichzeitig erfüllen:
- Schwarz genug: schon als sehr dünne Schicht lichtdicht;
- Fest haftend: löst sich nicht vom Glas und blättert nicht ab;
- Beständig: übersteht Reinigen, Abwischen und langjährigen Einsatz;
- Fein strukturierbar: lässt sich durch Fotolithografie und Ätzen zu Strichen im Mikrometerbereich mit sauberen Kanten formen.
Chrom ist in all diesen Punkten ausgewogen – der grundlegende Grund für seine weite Verbreitung.
Eine dünne Schicht ist schwarz genug
Wie stark ein Strich das Licht abschirmt, wird durch die optische Dichte OD angegeben: OD = −lg T, wobei T der Transmissionsgrad ist:
| Optische Dichte | Transmissionsgrad |
|---|---|
| OD 1 | 10 % |
| OD 2 | 1 % |
| OD 3 | 0,1 % |
| OD 4 | 0,01 % |
Chrom absorbiert und reflektiert Licht stark, sodass bereits eine Dicke in der Größenordnung von hundert Nanometern eine hohe optische Dichte erreicht. Ein Vergleich: Setzt man die durch einen Spalt tretende Lichtmenge zu 1, bleiben bei Strichen mit OD 3 nur 0,001 übrig. Der Modulationsgrad M = (Imax − Imin) ÷ (Imax + Imin) = 0,999 ÷ 1,001 ≈ 0,998 – nahezu ideales Schwarz-Weiß. Hat die abschirmende Schicht dagegen Pinholes oder ist sie stellenweise zu dünn, tritt dort Licht durch und der Signalkontrast sinkt.
Eine dünne Schicht hat einen weiteren Vorteil: Die Ätzzeit ist kurz, die Unterätzung gering, die Strichkanten werden sauberer.
Fest haftend und beständig
Chrom haftet gut auf Glas – deshalb wird beim Beschichten mit Gold oder Silber häufig zuerst eine Chrom-Haftschicht aufgebracht. Die Chromschicht ist hart und kratzfest und bildet an der Oberfläche ein dichtes Oxid, das gegenüber Feuchtigkeit und üblichen Reinigungsmitteln recht stabil ist. Eine im Drehgeber eingebaute Scheibe muss viele Jahre halten, daher sind diese Punkte wichtig.
Manche Scheiben erhalten auf dem Chrom zusätzlich eine Chromoxidschicht, die die Oberflächenreflexion senkt und Streulicht im Abtastkopf reduziert.
Fotolithografisch strukturierbar und ätzbar
Der Prozess für Chromstriche ist in Bild 1 dargestellt: Glas reinigen, eine Chromschicht durch Sputtern oder Aufdampfen im Vakuum aufbringen, Fotolack aufschleudern, vortrocknen, mit UV-Licht durch eine Maske belichten, entwickeln, sodass das zu entfernende Chrom freiliegt, dieses Chrom mit Ätzlösung abtragen und zuletzt den Lack entfernen.
Die Chrom-Ätzlösung (üblicherweise auf Basis von Cer(IV)-ammoniumnitrat) greift nur Chrom an, nicht aber Glas oder Fotolack, sodass das Muster präzise „kopiert“ wird. Die Fotomaskenindustrie verwendet Chrom seit Jahrzehnten als Absorberschicht; Werkstoffe, Anlagen und Prozesse sind ausgereift, und die Teilscheibenfertigung kann direkt darauf zurückgreifen.
Beim Nassätzen entsteht eine geringe Unterätzung, die Striche werden etwas schmaler als die Lackstruktur; dies muss im Maskendesign und in den Prozessparametern kompensiert werden.
Vergleich mit anderen Werkstoffen
| Werkstoff | Lichtabschirmung | Haftung und Verschleiß | Stabilität | Typische Verwendung |
|---|---|---|---|---|
| Chrom | Schon dünn sehr schwarz | Gute Haftung, hart | Gut | Absorberschicht von Glas-Teilscheiben und Fotomasken |
| Aluminium | Schirmt ab, stark reflektierend | Weicher, kratzempfindlich | Mittel | Meist als Reflexionsschicht |
| Gold, Silber | Schirmen ab | Weich, direkt auf Glas schlecht haftend | Silber läuft an | Teuer, für Striche in der Regel nicht verwendet |
Fazit
Chrom ist dank seiner Gesamteigenschaften das Strichmaterial für Glas-Teilscheiben: Etwa 0,1 μm genügen für ausreichende Schwärze, es haftet fest, ist verschleiß- und korrosionsbeständig und lässt sich mit ausgereiften Lithografie- und Ätzprozessen zu sauberen feinen Strichen strukturieren. Bei der Beurteilung der Abschirmqualität einer Scheibe sind vor allem optische Dichte, Pinholes und Strichkanten zu prüfen.
Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0014). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com
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