Verchromen: eine metallische Schicht von rund hundert Nanometern auf Glas

Die schwarzen Striche einer Glas-Teilscheibe sind eine etwa 0,1 μm dicke Chromschicht. Wie wird sie im Vakuum aufgebracht? Wie hängen Schichtdicke und Lichtundurchlässigkeit zusammen? Warum löst sich die Schicht oder bekommt Pinholes? Dieser Artikel erklärt das Verchromen anhand einer Animation.

Der Ring aus schwarzen Strichen auf einer Glas-Teilscheibe ist in Wirklichkeit eine Chromschicht, meist nur etwa 0,1 μm dick – einige hundert Mal dünner als ein Haar. Diese dünne Metallschicht muss das Licht vollständig abschirmen und zugleich fest auf dem Glas „anwachsen“, damit sie die anschließende Entwicklung, das Ätzen und die Reinigung übersteht. Wie kommt sie dorthin?

Abb. 1 – Verchromen durch Sputtern: Argonionen treffen auf das Chromtarget, die herausgeschlagenen Chromatome landen auf dem Glas, die Schicht wächst; rechts fällt der Transmissionsgrad auf logarithmischer Skala Stufe um Stufe

Warum im Vakuum beschichtet werden muss

In normaler Luft kommt ein Chromatom nicht weit, bevor es auf ein Luftmolekül trifft; seine Richtung wird verwirbelt, und es kann vorher mit Sauerstoff reagieren. Wird die Kammer evakuiert, bleiben wenige Gasmoleküle übrig, die Chromatome fliegen nahezu geradlinig zum Glas, und die Schicht wird rein und dicht. Das Vakuum verringert zudem die Gefahr, dass Wasserdampf und Verunreinigungen in die Schicht gelangen.

Zwei Verfahren: Sputtern und Aufdampfen

Sputtern: In die Kammer wird etwas Argon eingelassen und eine Spannung angelegt, sodass ein Plasma entsteht. Die positiv geladenen Argonionen werden zum negativ gepolten Chromtarget gezogen und schlagen Chromatome einzeln heraus, die dann auf dem Glas landen (siehe Abb. 1). Magnete hinter dem Target halten die Elektronen nahe der Targetoberfläche und erhöhen so Ionisationsgrad und Beschichtungsrate – das ist Magnetronsputtern. Gesputterte Atome haben relativ hohe Energie; die Schicht ist daher in der Regel dicht und haftet gut, und großflächige Gleichmäßigkeit ist leicht zu erreichen.

Aufdampfen: Chrom wird so weit erhitzt, dass es stark verdampft; die Atome fliegen geradlinig von der Quelle zum Substrat. Die Anlage ist vergleichsweise einfach, doch die Atome haben wenig Energie, sodass Dichte und Haftung der Schicht stärker von Substrattemperatur und Oberflächenzustand abhängen.

Schichtdicke und optische Dichte: wie man die Abschirmung berechnet

Die Lichtundurchlässigkeit wird über die optische Dichte angegeben: OD = −lg T, mit T als Transmissionsgrad.

OD	Transmissionsgrad
1	10 %
2	1 %
3	0,1 %
4	0,01 %

Im Metall klingt Licht exponentiell ab: Jede gleich große Zunahme der Schichtdicke multipliziert den Transmissionsgrad mit demselben Faktor kleiner als 1. Sobald die Schicht geschlossen ist, steigt die OD daher annähernd linear mit der Dicke – genau diesen Zusammenhang zeigt die Anzeige rechts in Abb. 1.

Zu geringe Abschirmung senkt unmittelbar den Signalkontrast. Betrachtet man nur die Teilscheibe und setzt den Transmissionsgrad der lichtdurchlässigen Spalte gleich 1, ist der Modulationsgrad M = (1 − T) ÷ (1 + T): etwa 0,82 bei OD 1, etwa 0,98 bei OD 2 und etwa 0,998 bei OD 3. Dicker ist aber nicht immer besser: Je dicker die Schicht, desto länger das Ätzen, desto stärker die Unterätzung und desto schwieriger die Kontrolle der Strichbreite. Die Schichtdicke wird daher in einem Bereich festgelegt, der „ausreichend und stabil“ ist, und muss über die ganze Platte gleichmäßig sein. Manche Teilscheiben erhalten auf der Chromschicht zusätzlich eine Chromoxidschicht, um Reflexion und Streulicht zu verringern.

Haftung: Die Schicht muss auf dem Glas „anwachsen“

Chrom verbindet sich von Natur aus recht gut mit Glas und wird deshalb oft auch als Haftschicht für andere Metallschichten verwendet. Voraussetzung ist aber eine saubere Oberfläche: Bleibt ein unsichtbarer Ölfilm auf dem Glas, „deckt“ das Chrom nur den Ölfilm ab und hebt sich beim späteren Entwickeln und Ätzen ab oder blättert ab. Üblich sind gründliche Reinigung vor dem Beschichten, eine letzte Reinigung durch Ionenbeschuss nach dem Einschleusen in die Kammer und bei Bedarf Heizen des Substrats. Die Haftung lässt sich mit einem Klebebandtest prüfen: Band aufkleben, abziehen und nachsehen, ob Schicht mitgerissen wurde.

Woher Pinholes kommen

Pinholes sind der häufigste Beschichtungsfehler. Sie haben im Wesentlichen drei Ursachen:

Partikel auf dem Substrat: Ein Partikel schattet die Chromatome ab, darunter wird nicht beschichtet; fällt das Partikel später ab, bleibt ein kleines Loch (siehe Abb. 2).
Herabfallende Partikel in der Kammer: Alte Schichten an Kammerwänden und Blenden platzen ab und fallen auf das Substrat.
Lokale Verschmutzung: An Ölflecken und Wasserrändern haftet die Schicht schlecht und wird in späteren Nassprozessen abgehoben.

Die Gegenmaßnahmen entsprechen diesen drei Punkten: Reinigen und Beladen in sauberer Umgebung, die Kammer regelmäßig reinigen und nach dem Beschichten im Durchlicht prüfen. Im Durchlicht ist ein Pinhole ein heller Punkt; liegt er auf einem Strich, ist er eine Lichtleckstelle.

Abb. 2 – Entstehung eines Pinholes: Ein Partikel schattet die Chromatome ab; nach dem Abfallen des Partikels bleibt in der Schicht ein kleines lichtdurchlässiges Loch

Fazit

Beim Verchromen lagern sich im Vakuum Chromatome Schicht für Schicht auf dem Glas ab. Die OD steigt annähernd linear mit der Schichtdicke, der Transmissionsgrad sinkt dabei je Stufe um den Faktor zehn. Die Schicht muss die richtige Dicke haben, gleichmäßig sein, fest haften und frei von Pinholes sein – und all das setzt eine saubere Oberfläche und eine saubere Kammer voraus.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0022). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com