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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art zur Herstellung optischer Gitter. Die Vorrichtung dient dem Ritzen von Linien in Oberflächen von Substraten mittels eines Stichelwerkzeuges. Vorrichtungen hierzu werden auch als Gitterteilmaschinen bezeichnet. Die aus den geritzten Gittern gefertigten optischen Gitter werden vielfältig in der Röntgentechnik und für Messungen in der Astrophysik als auch allgemein in der Optik eingesetzt.
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Stand der Technik
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Eine Gitterteilmaschine besteht im Wesentlichen aus folgenden Teilen: Halterung mit Fixierung für die Rohlinge; motorisierter Vorschub mindestens in eine Richtung für die Halterung des Rohlings; Stichelwerkzeug mit Diamantspitze zum Ritzen der Linien und Halterung für das Stichelwerkzeug mit motorisiertem Vorschub in mindestens eine Richtung, transversal zu der der Halterung des Rohlings, Mittel zum Anheben und Absenken und Mittel zur Erzeugung eines Anpressdrucks des Stichelwerkzeugs auf die Oberfläche des Rohlings. Die Erzeugung des Vorschubs und das Heben und Senken des Stichelwerkzeugs erfolgen elektronisch gesteuert. Gitterteilmaschinen sind zumeist mit Interferometern zur Bestimmung des Vorschubs einer der beiden Halterung ausgerüstet.
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Die Halterung für den Rohling ist so ausgelegt, dass der Rohling beim Verschieben und gleichzeitigen Ritzen mit einem Stichelwerkzeug gegenüber der entstehenden Reibung fixiert ist. Er kann somit nicht aus der auf die Oberfläche des Rohlings bezogenen relativen Verschiebung zum Stichelwerkzeug ausscheren.
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Ein Rohling ist meist ein Substrat aus Glas oder Silizium mit ebener polierter Oberfläche geringer Oberflächenrauigkeit, der mit einer dünnen metallischen Schicht, z.B. aus Gold, bedeckt ist. Es kann sich aber auch um einen Metallkörper handeln. Neben den ebenen Oberflächen können auch konkav oder konvex geformte Oberflächen bearbeitet werden.
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Die Halterung für den Rohling lässt sich mit motorisierten Vorschüben in mindestens eine Richtung verschieben. Hierfür kommen z.B. alle gängigen Linearmotoren oder Hydraulikvorschübe in Frage. Vorteilhaft sind dabei Motoren oder Vorschübe, die eine konstante Geschwindigkeit bei der Bewegung der Halterung garantieren. Mindestens ein Vorschub erzeugt eine Verschiebung in eine Richtung. Bei einem planaren Rohling liegt die Verschiebungsrichtung in einer Ebene parallel zur der Oberfläche des Rohlings, die bearbeitet wird. Die mindestens eine Verschiebungsrichtung entspricht dabei entweder der Richtung der linienartigen Strukturen eines optischen Gitters oder dem Versatz dieser Strukturen zueinander, d.h. der Gitterkonstanten des optischen Gitters.
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Das Stichelwerkzeug besteht aus einer Spitze mit Schneide, dem eigentlichen Mittel zum Ritzen einer Oberfläche, und einer Halterung für diese Spitze. Die Spitze ist zumeist aus Diamant gefertigt. Anstelle einer Diamantspitze kann eine Spitze aus einem vergleichbar harten Material (z.B. SiC, Moissanit) eingesetzt werden. Ein Teil der Halterung des Stichelwerkzeugs ist geführt (z.B. mit einer Schiene) mit motorisierten Vorschüben in mindestens eine Richtung verschiebbar. Hierfür kommen z.B. alle gängigen Linearmotoren oder Hydraulikvorschübe in Frage. Vorteilhaft sind auch hier Motoren oder Vorschübe, die eine konstante Geschwindigkeit bei der Bewegung der Halterung garantieren. Der mindestens eine Vorschub erzeugt eine Verschiebung in eine Richtung, die transversal zur Verschiebungsrichtung der Halterung für den Rohling ist. Bei einem planaren Rohling liegt diese Verschiebungsrichtung ebenfalls in einer Ebene parallel zu der Oberfläche des Rohlings, die bearbeitet wird. Die mindestens eine Verschiebungsrichtung der Halterung für das Stichelwerkzeug entspricht dabei meistens der Richtung der linienartigen Strukturen eines optischen Gitters.
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Eine Kombination der mindestens zwei Verschiebungsrichtungen in einer Halterung, die des Rohlings oder die des Stichelwerkzeugs, ist möglich.
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In der Halterung für das Stichelwerkzeug ist ein Mittel integriert, welches ermöglicht das Stichelwerkzeug auf die Oberfläche eines Rohlings abzusenken oder von dieser wieder anzuheben. Nur so ist die Fertigung separater Linien zu verwirklichen.
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Die Verschiebungen werden mit dem Anheben oder Absenken des Stichelwerkzeugs so kombiniert, dass separate Linien entstehen.
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Der Diamantspitze des Stichelwerkzeugs kommt eine besondere Bedeutung zu, da die Form und Justierung der Spitze das Profil der in die Oberfläche geritzten Rillen bestimmt. Beim Ritzen mit dem Stichelwerkzeug unterliegen die metallischen Schichten eines Rohlings einem Umformprozess. Es handelt sich um eine sogenannte mechanische Teilung, woraus sich die Bezeichnung Gitterteilmaschine ableitet. Für den Umformprozess der metallischen Schicht ist es wichtig, einen definierten Anpressdruck auf das Stichelwerkzeug auszuüben, der an die zu verdrängende Menge an Metall, d.h. die Furchentiefe, durch Versuche angepasst wird. Kriterium für diese Versuche ist die Kontrolle der Furchenform.
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Mittels Gitterteilmaschinen werden überwiegend sogenannte Sägezahn- oder Blazegitter gefertigt. Dies sind Gitter mit einem Profil, das einem Sägezahn gleicht. Die dem langen Schenkel des Sägezahns entsprechenden Flächen werden als Blazeflächen (engl. to blaze = funkeln) bezeichnet und sind an der konstruktiven Interferenz beteiligt. Der Winkel zwischen Blazefläche und Oberfläche des Rohlings (der Blazewinkel) kann so optimiert werden, dass möglichst viel Licht einer bestimmten Wellenlänge in eine bestimmte Beugungsordnung fällt.
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Bei der mechanischen Teilung können Blazewinkel in einem weiten Bereich erzielt werden. Eine Umformung der metallischen Schicht zu einem Sägezahnprofil entsteht bei korrekter Justierung der Winkellagen des Stichelwerkzeugs in Bezug auf die Oberfläche des Rohlings, einem geeigneten Diamantschliff und dem korrekten Anpressdruck. Diese Parameter werden gegebenenfalls durch Versuche ermittelt.
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In der
US 2013/0335825 A1 , die den nächsten Stand der Technik bildet, und der
US 1,331,966 A sind Gitterteilmaschinen offenbart. Die Gitterteilmaschine der
US 2013/0335825 A1 umfasst dabei eine Halterung für einen Rohling mit motorisiertem Vorschub, ein Stichelwerkzeug mit Halterung und Mittel zur Erzeugung eines Anpressdrucks des Stichelwerkzeugs.
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In der
US 4,690,506 A sind eine Methode und Vorrichtung zur Herstellung von optischen Gittern offenbart, wobei sich die optischen Gitter durch einen variablen Abstand der Gitterlinien zueinander auszeichnen (variable line space grating, VLS Gitter). Der Abstand wird dabei einem vorgegebenen Algorithmus gemäß variiert. Die Realisierung erfolgt durch eine Vorrichtung, in der der Vorschub eines Rohlings oder des Stichelwerkzeugs gemäß dem variierenden Gitterlinienabstand anpassbar ist.
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Eine Vorrichtung zur Herstellung von optischen Gittern wird auch in der
US 3,344,526 A offenbart. Diese Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Vorschub zum Verschieben des Rohlings senkrecht zu den Gitterlinien durch eine Druckstange mit hydraulischem Vortrieb erfolgt und eine Messvorrichtung die angefahrenen Positionen überprüft und korrigiert, so dass ein als „Servovortrieb“ zu bezeichnender Vortrieb für den Rohling gebildet wird.
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Es ist bekannt, dass optische Gitter, die durch Ritzprozesse gefertigt wurden, mit Fehlern behaftet sind, wie es in dem Aufsatz 1 von M.R. Sharpe und D. Irish (Stray light in diffraction grating monochromators, Optica Acta: International Journal of Optics 25, 1978, S. 861–893) und in dem Aufsatz 2 von T. N. Woods et al. (Scattered-light properties of diffraction gratings, APPLIED OPTICS 33(19), 1994, S. 4273–4285) beschrieben ist. Die Fehler vermindern die Qualität der optischen Gitter, wobei einer der in den Artikeln beschriebenen Fehler, eine vom Sollwert abweichende Furchentiefe und ein anderer ein ungenügendes Furchenprofil ist.
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Aufgabenstellung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Vorrichtung zur Herstellung optischer Gitter anzugeben, mit der optischer Gitter mit – gegenüber herkömmlichen Verfahren – verbesserter Qualität herstellbar sind.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs eins gelöst.
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In der erfindungsgemäßen Lösung für eine Vorrichtung zur Herstellung optischer Gitter ist ein Mittel zur Reinigung des Stichelwerkzeugs vorgesehen.
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Bei dem Ritzen von optischen Gittern kommt es mitunter zu Verschmutzungen der Diamantspitze des Stichelwerkzeuges, insbesondere in der Nähe der Schneide, die wiederholt im Eingriff mit der metallischen Schicht steht, wie überraschend im Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH festgestellt. Ursachen sind z.B. die Aufnahme von Partikeln, die sich auf der metallischen Schicht befinden, oder die Aufnahme von Material aus der metallischen Schicht durch die Diamantspitze. Bleibt dieses werkzeugfremde Material an der Schneide haften, so verändert es den Umformprozess und nachfolgende Furchen werden gestört, bis sich das werkzeugfremde Material wieder auf Grund zufälliger Prozesse von dem Diamantwerkzeug löst. Die gestörten Furchenprofile, im Wesentlichen Furchen mit zu großer Tiefe und gestörtem Profil, verschlechtern die Qualität des optischen Gitters, da sie den Streulichtanteil bei Verwendung des Gitters erhöhen.
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Durch regelmäßige Reinigung der Diamantspitze, und besonders ihrer Schneide, während des Ritzens eines optischen Gitters, verringern sich die Fehler im Gitter, die aus der Verunreinigung der Diamantspitze resultieren und die Qualität des optischen Gitters wird erhöht.
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Das Mittel zur Reinigung des Stichelwerkzeugs befindet sich in einer Position, in der es durch das Stichelwerkzeug erreichbar ist. Es gewährleistet, dass immer eine zuvor noch nicht benutzte Stelle zur Reinigung zur Verfügung steht, um die erneute Aufnahme von Schmutzpartikeln zu verhindern.
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Das Mittel zur Reinigung des Stichelwerkzeuges befindet sich vorteilhaft in unveränderlicher Lage zum Rohling auf der Halterung des Rohlings, wie es einer Ausführungsform entspricht. Diese Anordnung ermöglicht es, das Stichelwerkzeug nach und/oder vor dem Ritzen einzelner Furchen, d.h. nachdem es von der Oberfläche des Rohlings abgehoben wurde oder bevor es abgesenkt wird über das Mittel zur Reinigung des Stichelwerkzeugs zu führen. Hierzu erstreckt sich das Mittel zur Reinigung des Stichelwerkzeugs senkrecht zur Vorschubrichtung des Furchenritzens entlang der Halterung des Rohlings. Damit ist gewährleistet, dass das Stichelwerkzeug stets an einer neuen, sauberen Stelle des Mittels zur Reinigung des Stichelwerkzeugs, in der gleichen Vorschubrichtung des Furchenritzens, vorbeigleitet, bevor die nächste Furche hergestellt wird. Das Mittel zur Reinigung des Stichelwerkzeuges muss dabei in seiner Höhe relativ zur Stichelhöhe (im von der Oberfläche des Rohlings abgehobenen Zustand) geeignet positioniert werden, so dass es vom Stichel überstreift werden kann.
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Das Mittel zur Reinigung des Stichelwerkzeugs besteht in vorteilhafter Weise aus mehreren Reinigungsleisten, die ein mechanisches Reinigen bewirken, wie es einer weiteren Ausführungsform entspricht.
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Den zur mechanischen Reinigung bei der erfindungsgemäßen Lösung eingesetzten Materialien sind dabei folgende Eigenschaften gemein. Sie sind aus Vlies, Papier, Watte oder Filz, d.h. sogenannte Verbundstoffe, unter die auch Leder oder Schaumstoff gezählt wird. Sie können aber auch gewebt, gestrickt oder gewirkt sowie gebunden (Bürste) sein. Alle auf Fasern basierenden Materialien können auch in der Ausführung als Mikrofaser zum Einsatz kommen. Die reinigende Wirkung entsteht durch die Struktur der Oberfläche, meist bestimmt durch die Fasern der Materialien und der Elastizität der Stoffe, aus denen das Material gebildet ist. Vorteilhaft ist es, wenn sie antistatisch oder elektrisch leitend sind. Die Festigkeit der Materialien ist dabei gering genug, um eine Beschädigung der Diamantspitze beim Herüberführen zu vermeiden. Die Materialien sind dabei zumeist tuchartig oder weisen eine bürstenartige Anordnung von Fasern auf. Möglich ist aber auch eine Ausführung als Schwamm.
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Die mechanischen Reinigungsleisten weisen als Materialien zur Reinigung z.B. Polyestervlies, Zellulosevlies, Leder oder Polyethylen-Schaumfolie auf, wie es einer anderen Ausführungsform entspricht. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die letzte Reinigungsleiste vor dem Ritzen der Furche aus einer Bürste feiner Karbonfasern besteht. Diese ermöglicht es, Partikel, die eventuell während des Reinigungsvorgangs an dem Stichelwerkzeug haften bleiben, wieder zu entfernen.
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Die Materialien sind auf den Reinigungsleisten so angebracht, dass die Spitze des Stichelwerkzeugs beim Herüberführen nur den durch die Steifigkeit bzw. Festigkeit des Materials selbst hervorgerufenen Widerstand erfährt. Die Steifigkeit bzw. Festigkeit wird im Wesentlichen bestimmt durch die Dichte und Dicke der Materialien bzw. der Fasern oder Borsten. So werden z.B. tuchartige Materialien so angebracht, dass die Spitze des Stichelwerkzeugs beim Herüberführen diese umbiegt, d.h. die Tuchebene ist senkrecht zur Vorschubrichtung des Stichelwerkzeugs und die Festigkeit bzw. Steifigkeit des Tuchs gering genug um das Umbiegen zu erlauben.
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Ausführungsbeispiele
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Die Erfindung soll in Ausführungsbeispielen und anhand von zwei Figuren näher erläutert werden.
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Die Figuren zeigen:
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1: Profil eines optischen Gitters aus einer Messung mit einem Rasterkraftmikroskop;
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2: Schematischer Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Herstellung optischer Gitter mit einem Mittel zur Reinigung des Stichelwerkzeugs.
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Die 1 zeigt ein Profil eines optischen Gitters, das aus einer Messung mit einem Rasterkraftmikroskop resultiert. Auf der linken Seite sind drei Furchen mit weitestgehend ungestörtem Profil und auf der rechten Seite gestörte Furchen zu erkennen. Die gestörten Furchen sind auf eine Anhaftung an der Diamantspitze zurückzuführen, die während des Ritzens erfolgte. Derartige Fehler können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Reinigen des Stichelwerkzeugs nach dem Ritzen einzelner Furchen reduziert werden.
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In der 2 ist ein schematischer Ausschnitt aus einer Vorrichtung zur Herstellung optischer Gitter mit Mittel zur Reinigung des Stichelwerkzeugs gezeigt. Gezeigt ist ein Rohling Ro mit angedeuteter metallischer Schicht auf der Oberfläche und die Halterung H für den Rohling Ro. Die Vorschubrichtung der Halterung H für den Rohling Ro ist senkrecht zur Zeichenebene. Gezeigt ist ferner ein Ausschnitt aus dem Stichelwerkzeug mit Diamantspitze D. Die Vorschubrichtung des Stichelwerkzeugs liegt in der Zeichenebene und parallel zur Oberfläche des Rohlings Ro, wie durch die Pfeile angedeutet. Neben dem Rohling Ro sind drei Reinigungsleisten RL auf dessen Halterung H angebracht. Die Diamantspitze D kann in ihrer Vorschubrichtung nach entsprechender Ausrichtung der Höhe der Halterung der Reinigungsleisten RL über die Reinigungsleiste geführt werden. Dies kann vor und/oder nach dem Ritzen einzelner Linien erfolgen. Die Reinigungsleisten RL erstrecken sich mindestens über die gesamte Tiefe des Rohlings Ro.
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In Ausführungsbeispielen besteht die auf dem Halter des Rohlings angebrachte Reinigungsleiste aus mehreren Einzelleisten. Dabei werden entweder drei Einzelleisten aus dem gleichen Reinigungsmittel (Reinraumtuch oder Leder oder Polyethylen-Schaumfolie) benutzt oder die drei Einzelleisten aus dem gleichen Reinigungsmittel werden kombiniert mit einer Bürstenleiste aus Karbonfasern benutzt. Die Bürstenleiste aus Karbonfasern ist dabei so angeordnet, dass sie als letzte vor dem Furchenritzen zum Einsatz kommt.
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Die verwendeten Reinigungsmittel waren Reinraumtuch (55% Zellulose- und 45 % Polyesterfasern, 69 g/m2), Leder (feines Lammleder, Dicke 1,5 mm), Polyethylen-Schaumfolie (1,5 mm dick) und eine Bürstenleiste aus Karbonfasern (Fasern mit 5 bis 9 µm Durchmesser und 10 mm freie Biegelänge).
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Die tuchartigen Reinigungsmittel sind zwischen Aluminiumleisten eingeklemmt, die mit einer Magnethalterung auf der Halterung des Rohlings befestigt sind. Die Karbonfaser-Bürstenleiste ist mit der aus Aluminium bestehenden Borstenfassung neben dem Rohling auf die Halterung des Rohlings geklemmt. Der seitliche Abstand der letzten Reinigungsleiste zum Rohling betrug etwa 5 mm. Der Diamantstichel tauchte ungefähr 1 mm in die Reinigungsmittel ein. Die tuchartigen Reinigungsmittel sind von 0,5 mm bis 2 mm dick und sind mit etwa 5 mm von der Klemmung an ausgespannt, so dass eine leichte Biegsamkeit der Reinigungsmittel einerseits und eine ausreichende Steifigkeit gegen Umbiegen bzw. Umknicken infolge der Schwerkraft andererseits gegeben sind.
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Die Stichelgeschwindigkeit richtet sich nach dem technologischen Prozess des Ritzens und liegt im Bereich von 5 mm/s bis 30 mm/s. Mit dieser Geschwindigkeit wird der Stichel auch über die Reinigungsleisten geführt. Die Furchendichten bei optischen Gittern, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend dem Ausführungsbeispiel hergestellt werden, liegen im Bereich von 600 L/mm bis 1200 L/mm.
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In den Ausführungsbeispielen besteht der Rohling aus Silizium und ist mit einer 400 nm dicken Goldschicht versehen. Die in der Goldschicht erzeugte Furchenform ist sägezahnförmig (geblazt). Der Blazewinkel beträgt 5 Grad. Der Anpressdruck zwischen Diamantstichel und Rohling richtet sich nach der Furchendichte und liegt im Bereich von 0,02 N bis 0,1 N.
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Mit einer Anordnung von Reinigungsleisten aus dem Ausführungsbeispiel und den genannten Ritzparametern wird eine Reduzierung der infolge von Verschmutzungen gestörten Furchen von bis zu 80% erreicht.
