Float, Overflow-Downdraw und geschliffen-polierte Substrate: Rauheit, Ebenheit und Dickentoleranz

Floatglas ist feuerpoliert, aber wellig; Overflow-Downdraw formt ohne Kontakt beider Seiten; Schleifen und Polieren steuern die Ebenheit. Der Artikel vergleicht die drei Substratwege auf den Skalen Ebenheit, Welligkeit und Rauheit, schätzt den Keilwinkel aus der Dickentoleranz und den Spaltbedarf der Nähebelichtung und skizziert die Substratauswahl für Codeplatten.

Eine nominell 1 mm dicke, transparente Glasscheibe kann von Float, Overflow-Downdraw oder Schleifen-und-Polieren stammen. Die Oberflächenzustände unterscheiden sich: manche sind nanometer-glatt, aber über die Scheibe leicht gebogen, andere sind eben, brauchen aber einen Extra-Schritt, und die Preise differieren. Entscheidend ist die Skala der Welligkeit: „wie eben ist die Oberfläche“ heißt immer „über welches laterale Fenster“. Der Artikel legt die drei Substrattypen auf ein gemeinsames angenommenes Oberflächenspektrum und stellt sie den Anforderungen von Codeplatte und Nähebelichtung gegenüber.

Abb. 1 – Simulierte Oberflächenprofile der drei Prozesse: Beobachtungsfenster von 100 mm auf 50 μm verkleinert; links Profil und P–V im Fenster, rechts P–V über der Fensterbreite (angenommenes Spektrum, Beispiel)

Woher die drei Oberflächen kommen

Floatglas wird auf einem Bad aus geschmolzenem Zinn zu einem Band ausgebreitet; die Oberseite entsteht durch Oberflächenspannung und Feuerpolitur und ist nanometer-glatt, längs der Ziehrichtung gibt es jedoch langwellige Wellen; die zinnberührte Seite behandelt der Zinnseiten-Artikel dieser Bibliothek. Beim Overflow-Downdraw fließen zwei Glasströme an den Seiten einer Überlaufrinne herab und verschmelzen an der Wurzel zu einer Platte, deren Außenflächen kein Formteil berühren; dünnere Platten nutzen oft diesen Weg. Schleifen und Polieren ebnen beide Seiten einer vorhandenen Glasplatte und polieren sie, wodurch die oberflächennahe Unterflächenschädigung entfernt wird (siehe Schleif-Artikel dieser Bibliothek); die Form bestimmt die Schleifscheibenfläche und der Polierprozess.

Nach Skala betrachtet: Ebenheit, Welligkeit, Rauheit

Nach Ortswellenlänge teilt man Wellen oft in drei Bänder: oberhalb von etwa 10 mm Ebenheit (Form), 0,1–10 mm Welligkeit, kürzer Rauheit. Beispiel (Annahme): Float Form-rms 10 μm, Welligkeit 40 nm, Rauheit 0,7 nm; Overflow-Downdraw 8, 15 nm, 0,3 nm (freie dünne Platte); geschliffen-poliert 0,8 μm, 5 nm, 0,4 nm. Aus diesem Spektrum folgt das P–V je Fenster (Abb. 1 rechts):

Beobachtungsfenster	Float	Overflow-Downdraw	Geschliffen-poliert
100 mm	ca. 19 μm	ca. 18 μm	ca. 1,5 μm
2 mm	ca. 0,15 μm	ca. 0,055 μm	ca. 0,019 μm
50 μm	ca. 2,9 nm	ca. 1,0 nm	ca. 1,4 nm

Drei Lesarten. Erstens fällt das P–V derselben Platte beim Verkleinern des Fensters um mehrere Größenordnungen, daher muss „P–V = …“ stets Fenster und Filterung nennen. Zweitens ist auf großen Skalen geschliffen-poliert am ebensten; bei kleinskaliger Rauheit ist Overflow-Downdraw am niedrigsten, weil keine mechanische Bearbeitung stattfindet; alle drei nm-Klassen-Rauheiten ergeben bei 850 nm Infrarot vernachlässigbare Streuverluste (siehe Rauheit-und-Streuung-Artikel dieser Bibliothek). Drittens ist im Beispiel die Float-Welligkeit höher als Overflow-Downdraw, der Unterschied schwankt aber mit der Charge; die Bereiche in Abb. 2 sind nur Größenordnungen.

Abb. 2 – Beispielbereiche vierer Oberflächenkenngrößen (logarithmische Achse): Rauheit der drei nahe beieinander; Ebenheit und Dickentoleranz unterscheiden sich um ein bis zwei Größenordnungen

Den Einfluss der Welligkeit auf die Transmission kann man abschätzen: Amplitude 0,05 μm, Wellenlänge 5 mm, maximale Steigung 2π·a/λ ≈ 63 μrad ≈ 13″; einseitige Brechung lenkt um etwa (n−1) ab, also Größenordnung 30 μrad, über 1 mm Lesespalt nur 0,03 μm Verschiebung – vernachlässigbar.

Dickentoleranz und Keilwinkel

Dickentoleranz macht die Platte keilförmig: 20 μm Differenz auf 100 mm ergeben einen Keilwinkel von 0,2 mrad (41″); der durchgehende Strahl wird um etwa (n−1) abgelenkt, also 0,1 mrad, über 1 mm Lesespalt nur etwa 0,1 μm. Für inkrementale Codeplatten ist der Effekt klein, bei Nutzung der ganzen Platte als Beugungsgitter, langen Lichtwegen oder gestapelten Platten muss er separat geprüft werden; geschliffen-polierte Platten haben üblicherweise Abweichungen nur in der Größenordnung 1–3 μm.

Anforderungen an Codeplatten und Nähebelichtung

Bei der Nähebelichtung bleibt zwischen Maske und Substrat ein Spalt g; Beugung verbreitert die auflösbare Linienbreite mit wachsendem Spalt. Eine gängige empirische Form (Faktor 1–1,5 je nach Prozess) lautet:

b_min ≈ 1,5·√(λ·(g + z/2))

wobei b die Linienbreite gleichbreiter gleichabständiger Strukturen (Halbperiode) und z die Lackdicke ist, hier 1 μm. Bei 365 nm ergeben g = 10, 20, 30, 50 μm etwa b_min 2,9, 4,1, 5,0, 6,4 μm. Für Zielperiode 8 μm (Halbperiode 4 μm) darf der Spalt etwa 19 μm nicht überschreiten und muss über die ganze Platte eingehalten werden.

Bei Sollspalt 12 μm und Form-P–V 20 μm (Float-Beispiel) läuft der lokale Spalt von 12 bis 32 μm und b_min steigt von etwa 3,2 μm auf 5,2 μm – über dem 4-μm-Ziel; eine geschliffen-polierte Platte mit P–V 1,5 μm bleibt bei 3,2–3,4 μm (Abb. 3, ohne Vakuumspannplatten-Planung). Eine dünne Platte, die auf dem Vakuumspannteller flachgezogen wird, verbessert sich, braucht aber genug Flexibilität und einen ebenen Teller.

Abb. 3 – Links: Nähebelichtungs-b_min über dem Spalt; rechts: platteninterner b_min-Bereich der drei Substrate bei Sollspalt 12 μm

Auswahlgedanken

Codeplattentyp (Beispielschwellen)	Bevorzugte Wahl
Periode nicht unter einigen zehn μm; Kontakt- oder Projektionsbelichtung; Lesespalt über 0,3 mm	Float genügt; Zinnseite und Annealing beachten
Periode 10–20 μm; Nähebelichtung; Spalt 10–30 μm	Overflow-Downdraw oder geschliffen-poliert, je nach P–V und Spannteller
Periode unter etwa 8 μm; diffraktive oder reflektive Abtastung	Geschliffen-poliert, mit μm-Klasse-Ebenheit und Dickentoleranz

Technische Hinweise

Ebenheit, Welligkeit und Rauheit in der Spezifikation müssen Fensterbreite und Filterverfahren tragen, sonst sind sie nicht vergleichbar.
Rauheit (nm-Klasse) ist bei Glassubstraten selten das Problem; Ebenheit und Dickentoleranz sind es.
Nähebelichtung: zuerst aus der Ziellinienbreite den zulässigen Spalt rückrechnen, dann verlangen, dass das platteninterne Form-P–V nur einen Bruchteil dieses Spalts beträgt.
Freiform dünner Platten hängt von Eigenspannung und Eigengewicht ab; Wareneingang unter fester Auflage messen.
Bei geschliffen-polierten Platten prüfen, ob Unterflächenschädigung entfernt ist; Kantenfase und Reinheit gehören ebenfalls in die Spezifikation.
Vor der Auswahl die Bereiche dieses Artikels mit Messberichten abgleichen; Chargen- und Lieferantendifferenzen können das Mehrfache erreichen.

Zusammenfassung

Float-, Overflow-Downdraw- und geschliffen-polierte Substrate haben alle nm-Klassen-Rauheit; was sie wirklich trennt, ist Ebenheit und Dickentoleranz auf der 100-mm-Skala: im Beispiel liegt das geschliffen-polierte P–V bei etwa 1,5 μm, freie Float- und Overflow-Platten bei etwa 20 μm. Die Spaltforderung der Nähebelichtung macht daraus einen Linienbreitenunterschied – also nach Zielperiode wählen, nicht abstrakt „muss eben sein“.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0568). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com