DE1472196B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines optischen Kreiskeilfilters - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines optischen KreiskeilfiltersInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung
und auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei einem bereits bekannten Verfahren der genannten Gattung (FR-PS 1314 569) ist eine hin- und
hergehende Drehbewegung der Schichtträgerunterlage in Verbindung mit einer nach einem von der Linearität
abweichenden Gesetz gesteuerten Maskenbewegung relativ dazu vorgesehen. Die Ausführung dieser
Bewegungsvorgänge mit der notwendigen Genauigkeit ist schwierig. Sie erfordert eine Apparatur mit einem
durch einen Kurbeltrieb angetriebenen Steuerelement, bestehend aus einer Zahnstange in Verbindung mit einer
Steuerkulisse und einem Führungsnocken. Eine hinreichende Genauigkeit der Herstellung einer solchen
Apparatur ist wegen der komplexen Form der Steuerkulisse, die weder kreisrund noch gerade ist, nur
mit sehr hohem Aufwand erreichbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Filters der
zur Rede stehenden Art zu schaffen, das besonders zuverlässig und wenigstens in kreissektorförmigen
Teilbereichen der Kreisscheibe mit möglichst einfachen Mitteln einen genauen, stetigen und exakt linearen
Verlauf der Dickenänderung eines Kreiskeilfilters auf dem Kreisumfang zu erhalten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1
gelöst. Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit zur weiteren Ausgestaltung dieses Verfahrens ist in dem
Patentanspruch 2 angegeben.
Eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist in dem
Patentanspruch 3 gekennzeichnet Vorteilhafte Möglichkeiten zur weiteren Ausgestaltung dieser Vorrichtung
sind in den Ansprüchen 4 bis 6 genannt.
Ein nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestelltes optisches Filter ist ein geeignetes Mittel
zur wellenlängenmäßigen Aufspaltung eines aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzten Strahlungsgemisches.
Es kann daher unter Zuhilfenahme geeigneter Beleuchtungs- und Strahlungsbegrenzungsmittel als
optisches Element zur spektralen Zerlegung der ankommenden Strahlung in einem Monochromator
verwendet werden. Dabei läßt es sich erreichen, daß seine Auflösung bei Beleuchtung mit Optiken mit
niederem Öffnungsverhältnis nicht merklich abnimmt.
Ferner kann das Filter als für lange Wellen durchlässiges Filter, als für kurze Wellen durchlässiges
Filter, als Schmalbandfilter, als Breitbandfilter oder als Filter mit kombinierten derartigen Eigenschaften
ausgebildet werden. Es besteht auch die Möglichkeit, zwei derartige Filter so einstellbar anzuordnen, daß ein
Schmalbandfilter zusammen mit einem Breitbandfilter . die Abweisung eines vollständigen Seitenbandes für ein
Wellenlängenverhältnis bewirkt, das besser als 2 :1 auf beiden Seiten eines zentralen Durchlaßbandes ist. Die
Durchlässigkeit eines kreisscheibenförmigen, durch Drehung veränderbaren Filters der hier zur Rede
stehenden Art kann eine bekannte und meßbare Größe sein. Ist das Filter um seine Achse drehbar angeordnet,
so verläuft die Wellenlängeneichung im wesentlichen linear mit dem Kreisbogenwinkel der Drehung.
Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert.
F i g. 1 zeigt die Seitenansicht (mit teilweise abgebrochen dargestellten Wandungen) einer Einrichtung zur
Herstellung optischer Filter gemäß der Erfindung durch Aufdampfen der Beläge auf die kreisscheibenförmige
Schichtträgerunterlage im Vakuum;
F i g. 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie 2-2 von Fig. 1;
F i g. 3 ist eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 von Fig. 2;
F i g. 4 ist eine Ansicht längs der Linie 4-4 von F i g. 2;
F i g. 5 ist eine schematische Darstellung der Anordnung von Schichtträgerunterlage und Maske, ähnlich
wie bei Fig. 1—4, wie sie zum Aufbringen von Kreiskeilbelägen benutzt wird;
F i g. 6 ist eine auseinandergezogene Darstellung des Schichtträgers S und der Masken MX und M2 zur
Definierung bestimmter geometrischer Bedingungen;
F i g. 7 zeigt die durch Verwendung der in F i g. 5 gezeigten Sektoren erzeugten Trapezwellen und erläutert
die charakteristischen Bedingungen für die Trapezwellen;
F i g. 8 zeigt eine andere Form für die Trapezwellen;
Fig.9A bis 9P zeigen eine Anzahl Muster der Dickenverteilung, wobei die Dreieckwellenform durch
einander überlagerte Trapezwellen hervorgebracht wird;
Fig. 10 ist ein Kurvenbild des Durchlaßgrades eines Kreiskeilfilters gemäß der Erfindung;
F i g. 11 zeigt die lineare Beziehung zwischen Wellenlänge und Winkelstellung eines Kreiskeilfilters
gemäß der Erfindung;
Fig. 12 ist eine perspektivische Darstellung eines optischen Belags in Form eines Kreiskeilfilters gemäß
der Erfindung, wobei die Tiefe des mehrschichtigen Belags stark übertrieben dargestellt ist;
Fig. 13 ist eine Eichkurve, aus der die Linearität bei
Änderung des Winkels auf der Unterlage erkennbar ist;
Fig. 14 zeigt schematisch die drehbare Anordnung eines mehrschichtigen optischen Filters mit einer
Blende und einer Leuchtoptik zur spektralen Zerlegung von dessen Strahlung;
Fig. 15 zeigt die mit einer solchen Anordnung
aufnehmbare Spektralcharakteristik bei einer Eichkurve des optischen Filters wie in F i g. 11, Beleuchtung mit
einem Lichtkranz von 20° Strahlungsverbreiterung gegenüber der Strahlungsachse und für drei Schlitzbreiten
der Winkelblende.
In F i g. 1 bis 4 ist eine Einrichtung zur Herstellung des scheibenförmigen optischen Filters oder Kreiskeilfilters
gemäß der Erfindung dargestellt. 11 ist eine Vakuumkammer, die sich in einem quaderförmigen Gehäuse 12
befindet, das durch eine (nicht dargestellte) Tür zugänglich ist. Die Kammer 11 kann auf an sich
bekannte Weise unter Vakuum gesetzt werden, beispielsweise durch eine Diffusionspumpe 14. Ferner
sind (nicht dargestellte) Mittel bekannter Art zum Halten mehrerer Quellen thermisch verdampfbaren
Materials vorgesehen. Zusätzlich sind (nicht dargestellte) Einrichtungen gleichfalls bekannter Art zur Verdampfung
von Material durch Elektronenbombardement vorgesehen.
Zum Tragen der kreisförmigen Schichtträgerunterlagen in der Vakuumkammer 11 ist ein zweifach
drehbarer Aufbau 16 vorgesehen. Als Vorrichtung zum Antrieb des Aufbaues 16 dient ein Antriebsmotor 17, der
an einer von dem Gehäuse 12 getragenen Konsole 18 angeordnet ist. Der Motor 17 treibt über ein
Reduziergetriebe 19 eine Welle 21, die durch eine Kupplung 23 mit der Welle 22 des zweifach drehbaren
Aufbaues 16 verbunden ist.
Es kann auch eine einfache Drehung, d. h. eine Drehung um nur eine einzige Achse für die Schichtträgerunterlagen
benutzt werden, sofern die Verdampfungsmaterialquellen zentral angeordnet werden können
und jeweils nur eine einzige Unterlage mit einem Überzug versehen werden soll.
Eine Überwachungseinrichtung bestehend aus einem optischen Monitor 26 dient zur Kontrolle des
Aufdampfens der Beläge auf den Unterlagen, die von dem zweifach drehbaren Aufbaul6 getragen werden.
Der zweifach drehbare Aufbau 16 besteht, wie F i g. 2 zeigt, aus einem zylindrischen Trägerteil 31, der an der
oberen Wandung 12a des Gehäuses 12 befestigt, beispielsweise angeschweißt ist. Am unteren Ende des
zylindrischen Trägerteils 31 ist mit Kopfschrauben 33 eine Platte 32 lösbar befestigt, die in einer horizontalen
Ebene senkrecht zu dem Trägerteil 31 liegt und mit einer Schrägfläche 34 versehen ist. Eine Hülse 36 ist in
dem Trägerteil 31 und in der Platte 32 drehbar angeordnet, und zwar mittels eines oberen und eines
unteren Kugellagers 37 bzw. 38, von denen jedes einen inneren und einen äußeren Laufring sowie eine Anzahl
Kugeln enthält. Die Hülse 36 ist mit der Welle 22 durch einen Stift 41 verbunden, der durch einen verdickten
Zylinderteil 22a der Welle 22 sowie durch das obere Ende der Hülse 36 hindurchgeht. An dem unteren Ende
der Hülse 36 befindet sich eine Nabe 42.
Auf der Nabe 42 sind mehrere Maskensysteme 44 angebracht. Bei der dargestellten Ausführungsform sind
drei Maskensysteme 44 vorgesehen und symmetrisch um die Welle 22 verteilt Jedes Maskensystem besteht
aus einem Trägerteil 46, der an der Nabe 42 mit Kopfschrauben 47' befestigt ist, die den Trägerteil 46
durchsetzen und in die Nabe 42 eingeschraubt sind. Drei getrennte Hohlwellen 47, 48 und 49 sind in einer von
dem Trägerteil 46 getragenen Nabenbuchse 51 drehbar angeordnet. Die Hohlwelle 47 ist in der Buchse 51
drehbar gelagert. An ihrem einen, oberen Ende, ist ein Stirnrad 52 und an ihrem anderen, unteren Ende, eine
Flanschnabe 53 mit einer Schraube 54 befestigt Die mit einem Überzug zu versehende kreisringscheibenförmige
Unterlage 56, die auch als Schichtträger S bezeichnet werden kann, ist auf der Flanschnabe 53 mit einem
Haltering 57 befestigt, der lösbar an der Flanschnabe 53 durch Schrauben 58 gehalten wird und mit einem
ringförmigen Teil 57a versehen ist, der über den inneren Rand der ringförmigen Unterlage 56 greift und diesen
an der Flanschnabe 53 festklemmt, wie dies in F i g. 3 zu sehenist.
An entgegengesetzten Enden der Hohlwelle 47,sind zwei Buchsen 61 angebracht. Die Hohlwelle 48 ist in den
Buchsen 61 befestigt. An ihrem einen Ende ist ein Stirnrad 62 angebracht. An dem anderen Ende ist eine
Nabe 63 mit einer Schraube 64 befestigt. Ein sektorförmiges Abschirm- oder Maskenteil 66 (Maske
M 2) ist an dem Teil 63 befestigt. An den entgegengesetzten Enden der Hohlwelle 48 sind zwei Buchsen 67
vorgesehen. Die Hohlwelle 49 ist drehbar in den Buchsen 67 gelagert; sie trägt am einen Ende ein
Stirnrad 68 und am anderen Ende eine Nabe 69. Die Nabe 69 wird an der Welle 49 durch eine Schraube 71
gehalten. Ein sektorförmiges Teil 72 ist an der Nabe 69 befestigt.
Die Zahnräder 52,62 und 68 werden durch Stirnräder 74, 75 bzw. 76 angetrieben, die an einer Hülse 77
befestigt sind, die an einem Antriebsrad 78 befestigt ist. Das Antriebsrad 78 und die Hülse 77 sind mittels einer
Buchse 81 auf einem Stift 79 innerhalb der Hülse 77 befestigt. Der Stift 79 wird von der in der Buchse 51
befestigten Platte 82 getragen.
Zum Kühlen des zylindrischen Trägerteils 31 dient ein Rohrsystem 84, dessen Windungen um das zylindrische
Trägerteil 31 herum verlaufen und das mit einem Kühlmittel aus einer (nicht dargestellten) Kühleinrichtung
gespeist wird. Das Antriebsrad 78 ist mit einer geneigten Fläche versehen, die die geneigte Fläche 34
an der ortsfesten Platte 32 mit Reibung berührt
Wird der Motor 17 eingeschaltet, so wird die lange Nabe 42 in Drehung versetzt, die ihrerseits die
kreisförmigen Schichtträgerunterlagen 56 um eine Achse dreht, die mit der Achse der Welle 22 sowie
derjenigen der Vakuumkammer zusammenfällt. Außerdem wird die Unterlage durch das vorher beschriebene
Zahnradgetriebe um seine eigene Achse und zugleich um die Achse der Welle 22 gedreht.
Bei der Einrichtung nach F i g. 1 bis 4 werden drei wesentliche Elemente des Systems, nämlich die
Unterlage 5 und die Masken Mi und M 2 gedreht.
Dabei ist es erforderlich, daß mindestens zwei dieser Elemente während der Belagherstellung auf der
Unterlage gedreht werden, während diese stationär verbleibt, oder daß die Unterlage gedreht werden kann
und eine der Masken festgehalten wird. Es ist erforderlich, daß die richtige gegenseitige Relativdrehbeziehung
zwischen den Elementen, die gedreht werden, und dem festgehaltenen Element eingehalten
wird. Ist es also erwünscht, aus Gründen der Einfachheit und Wirtschaftlichkeit nur zwei Elemente zu drehen, so
kann das Zahngetriebe für das festzuhaltende Element fortfallen und dieses Element mit dem Teil 46 fest
verbunden sein.
Die Arbeitsweise der in F i g. 1 bis 4 gezeigten Einrichtung zur Herstellung von Kreiskeilfiltern läßt
sich am besten anhand von Fig.5 verstehen. Zwei sektorförmige, mit Ml und M 2 bezeichnete Masken
werden zwischen der Unterlage 5 und der Belagsubstanzquelle angeordnet. Durch richtige Regelung der
Parameter können nach Wahl verschiedene Kreiskeilbeläge auf die Unterlagen aufgedampft werden, deren
Besonderheit darin besteht, daß die Beläge eine sich linear mit dem Winkel der Unterlage ändernde Dicke
aufweisen. Bei Benutzung der hier angegebenen Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß
der Erfindung trifft ein gebündelter Strahl von Belagmaterial die Kombination aus Unterlage und
Maske bei praktisch senkrechtem Einfall. Das Belagmaterial wird auf der Unterlage niedergeschlagen, sobald
die Bewegungsbahn des Belagmaterials nicht durch eine oder beide sektorförmigen Masken blockiert wird.
Um zu verstehen, wie ein Belag auf der Unterlage aufgedampft werden kann, bei dem sich die Dicke linear
mit dem Winkel der Unterlage ändert, ist eine schematische Analyse nachstehender Art zweckdienlich:
A sei die gemeinsame Drehachse der beiden sektorförmigen Masken Mi und M2 (Fig.6). Der
Punkt Pc, an dem die Achse A die Ebene der Unterlage S
durchdringt, ist der Mittelpunkt eines Kreises K mit dem Radius R, dessen Endpunkt mit P0 bezeichnet ist. Also ist
a=xR, wobei a die Länge des Kreisbogens vom Punkt Po und χ der Winkel vom Punkt P0 aus gemessen ist. Zur
Zeit f=0 mögen die Masken Ml und M2 eine solche Stellung einnehmen, daß die freien Sektoren von
χ— —Φι bis χ= +Φι für die Maske Ml und von
χ= —Φ2 bis χ= +Φ2 für die Maske M2 reichen.
Es sei ferner angenommen, daß das einfallende Überzugsmaterial, wenn die Bahn zur Unterlage frei ist,
sich auf der Unterlage mit konstanter Geschwindigkeit niederschlägt:
c =
du
~dT
= const.
(D
wobei D die Dicke des Belages ist. Daher kann (wieder bei t=0) d£>/df als Funktion von χ durch das Produkt
von zwei Rechteckwellen Funktionen SQ ausgedrückt werden:
d£>
= SQ (01, χ)-SQ (02, χ) (2)
'„ Ä sin k 0„
cos kx
:] €i
(3) Da die Masken mit den Winkelgeschwindigkeiten
dx
di
= const. = μι, W2
umlaufen, besteht zu der Zeit t die folgende Beziehung: OD
dt
oder im einzelnen
oder im einzelnen
= SQ ■ (0,, χ + W1 f) · SQ ■ (02,
w2t) (4)
UD 4c Γ 0i 02 , 0i -^ sin/02 02 Ä sin/c 0j
-τ— = —j- —j 1" -γ- Za : cos (<x + ' W2 f) + -^TZj 1— cos (kx + ^wi ^ (5)
at .τ L 4 ^ /= ι ' ^t=I K
+Σ Σ
I=IA=I
sin ι 02 sin k
Tk
01 "I
— cos ί (x + W2 i) cos k (x + W1 i) .
Wird angenommen, daß
W1 V1
W2 V2 '
worin V1 und V2 positive ganze Zahlen sind, so führt eine Integration der Gleichung (5) zu dem Ergebnis
.T2D -f*i ν sin(/02)/. .
(6)
/= I
OO OO
sin(i02) sin(/c Φι)
2Tk ( (sin C(/ + ^)x + (' W2 + /c W1) i] - sin (/ + k) x\
(Sin C(/ - k) X + (' Wl ~ k Wl) l ~ sin (/ ~
sin(/02) · sinf—/Φι j
ί·cos i ( 1
_ W2 \
W1)
(7)
W,
sin (/ 02) sin ( / —^- 0t J cos /ί 1 + —-J χ + i w0 f sin [/ w2 t]
2i2
W2
I W2
Es gibt einen Zeitpunkt ζ, bei dem w\ t, w2t, (w\ + w2)t,
und (w\ — w2)t Vielfache von 2π sind:
ζ =
JL
2.-7 =
2.T
(8)
Zu diesem Zeitpunkt wird der Wert der ersten beiden großen Klammerausdrücke und des letzten Terms in
dem letzten Klammerausdruck der Gleichung (7) infolge der Periodizität der Sinusfunktionen gleich Null,
während die beiden ersten Terms des letzten Klammerausdrucks einen endlichen Wert haben. Zu einer Zeit 2z
wird der Wert der ersten beiden großen Klammerausdrücke wiederum gleich Null wogegen der Wert des
dritten Klammerausdrucks sich verdoppelt.
Zu anderen Zeiten t, die keine Vielfachen von ζ sind, erfolgt ein Beitrag der ersten beiden großen Klammerausdrücke zu der endgültigen Dickenverteilung, aber dieser wird kleiner und kleiner, je größer iwird. Es kann daher festgestellt werden, daß für ein ganzzahliges Verhältnis von W2 und Wi — das gleiche Ergebnis gilt für negative ganzzahlige Verhältnisse von Wi und W2 — und nach einer im Vergleich zu ζ langen Zeit t die Gleichung (7) folgende Form erhält:
Zu anderen Zeiten t, die keine Vielfachen von ζ sind, erfolgt ein Beitrag der ersten beiden großen Klammerausdrücke zu der endgültigen Dickenverteilung, aber dieser wird kleiner und kleiner, je größer iwird. Es kann daher festgestellt werden, daß für ein ganzzahliges Verhältnis von W2 und Wi — das gleiche Ergebnis gilt für negative ganzzahlige Verhältnisse von Wi und W2 — und nach einer im Vergleich zu ζ langen Zeit t die Gleichung (7) folgende Form erhält:
D = et
sin (/ 02) sin ( /
<
.W2
cos
(9)
Der Klammerausdruck dieser Gleichung (9) ist die Fourierdarstellung einer trapezoiden Welle, deren
Standardform mit den aus Fig. 7 ersichtlichen Definitionen folgendermaßen aussieht:
F(Wx) = A
1A=I
Durch Vergleich der Gleichungen (9) und (10) gelangt
man zu den folgenden Gruppen zusammenhängender Gleichungen:
02 =
W2
W=I-
W2
W1
A =
W1 02
W2 .T
(12)
(13)
(14)
aus denen sich die folgenden Beziehungen ableiten lassen:
T0 _ W2 0! - W1_02_
2T
JL
T
T
sin
/Lt(T0 + T1)
cos k Wx.
(10)
Da Φι und Φ2 von 0 nach π verändert werden können,
können die Größen To und T\ Werte annehmen, die es
nicht zulassen, die Reihe (9) durch die in Fig.7 angegebene Kurvenform zu veranschaulichen. Sobald
1 <
2T
JL
τ
1/2
(17)
muß die Interpretation von Fig.8 benutzt werden, welche eine Trapezwelle darstellt, die um eine halbe
Periode phasenverschoben ist und einen vergrößerten Durchschnittswert aufweist.
Da die für die Dickenverteilung abgeleitete Reihe in Gleichung (9) die allgemeine Form einer Fourierschen
Reihe für Trapezwellen hat, kann allgemein festgestellt werden, daß zwei umlaufende sektorförmige Masken
bei der beschriebenen Anordnung lineare Dickenverteilungen hervorbringen. Es ist hier wichtig, im Auge zu
behalten, daß von der Annahme ausgegangen wurde, daß die »Bedampfungszeit« lang gegenüber der Periode
Tsei.
Besondere Aufmerksamkeit muß der Beziehung (13) zugewendet werden. Aus dieser Beziehung geht hervor,
909 549/2
ίο
daß die Periodizität der Trapezwelle allgemein verschieden von der Periodizität der Unterlage ist. Ist z. B.
n^/Wi= 3, dann ist W= -2. Das bedeutet, daß zwei
vollständige Zyklen der Trapezwelle einem Zyklus auf dem Substrat entsprechen. Noch in dem speziellen Fall
anderen Worten, wenn die Trapezwelle sich zu einer Dreieckswelle vereinfacht. Das ist der Fall, wenn
oder
— 2
(18)
TJT = 1/2 und 2T0IT = 0 (19)
TJT = Iß und 2T0IT = 1 . (20)
fällt eine Periode der Trapezwelle gerade in einen Die Fig.9a und 9b geben die entsprechenden
Zyklus auf dem Substrat. io Kurvenformen wieder. Die vollständigen Werte sind
Von besonderem Interesse sind die Fälle, wo keine unter a) und b) in der nachstehenden Tabelle I
Bereiche konstanter Dicke vorhanden sind, d. h. mit angegeben.
Fall | π/4 | Φ2 | Wx | IV2 | 1 | 36Ο°-2 0, | 360°-2 02 | Mittelwert | Verhältnis |
3 π/4 | 1 | von Did | |||||||
a | π/2 | π/2 | 1 | 2 | -1/2 | 270° | 180° | 1/8 | OO |
b | 3 π/4 | π/2 | 1 | 2 | 1/3 | 90° | 180° | 3/8 | 2 |
C | 3 π/8 | π/4 | 2 | 3 | -1/3 | 180° | 270° | 1/8 | 2 |
d | 5 π/8 | π/6 | 3 | 2 | -1/3 | 90° | 300° | 1/8 | 2 |
e | 5 π/6 | π/6 | 3 | 4 | -1/2 | 225° | 300° | 1/16 | 2 |
f | 15 ϊΓ |
π/6 | 3 | 4 | -1/3 | 135° | 300° | 5/48 | 1,5 |
g | 3 π/4 | π/4 | 2 | 3 | 1/3 | 60° | 270° | 5/24 | 1,5 |
h | 5 π/8 | π/4 | 3 | 4 | -1/3 | 22,5° | 270° | 15/64 | 1,33 |
i | π/2 | 3 | 2 | 90° | 180° | 3/8 | 1,25 | ||
k | π/2 | 3 | 4 | 135° | 180° | 5/16 | 1,143 | ||
(Definition von »Verhältnis« s. u.)
Bei den Fällen a) und b) ist angenommen, daß die Beziehung (18) zutrifft. Das sind jedoch nicht die
einzigen Fälle, bei welchen sich Dreieckwellenformen ergeben. Beim Übergang zu
I kV I <
\m
können Teile der Trapezwelle einander überlagert werden. Dies läßt sich vorteilhaft zur Erzeugung einer
ausgewählten Mannigfaltigkeit zusätzlicher Dreieckformen benutzen. Die Fälle c) bis k) von Tabelle I sind
typische Beispiele dafür. Die F i g. 9c bis 9f zeigen die Überlagerungsmuster. Der Hauptunterschied zwischen
diesen verschiedenen Fällen liegt in dem jeweiligen Verhältnis von maximaler und minimaler Dicke. Es
wurden Fälle herausgegriffen, die eine brauchbare Mannigfaltigkeit von Dicken ergeben, aber W so groß
wie möglich behalten, so daß die »Belichtungszeit« so klein wie möglich gehalten werden kann.
Von besonderem Interesse ist der Fall e. Hier ergibt die Dreieckwelle das gleiche Verhältnis wie im Falle c
oder d, aber die durchschnittliche Dicke beträgt nur die Hälfte der entsprechenden Werte für c oder d. Wenn
man also die beiden Anordnungen dem gleichen Belagmaterialstrahl aussetzt, kann man zwei Dickenbereiche
zur gleichen Zeit erhalten.
Der in Tabelle I jeweils angegebene Verhältniswert entspricht dem Verhältnis zwischen dem dicksten und
dem dünnsten Teil des Belags oder Filters.
Auf jedem Punkt auf dem Substrat 5 läßt sich die Niederschlagsgeschwindigkeit des Belagmaterials als
Funktion der Zeit in Form einer Rechteckwellenfunktion angeben. Wenn also eine Maske zwischen einer
feststehenden Unterlage und der Belagmaterialdampfquelle umläuft, findet kein Niederschlag statt, wenn die
Maske in bezug auf diesen speziellen Punkt auf der Unterlage geschlossen ist, und wenn die Maske geöffnet
(21) wird, wird das Belagmaterial mit konstanter Geschwindigkeit
bis zum Wiederschließen der Maske niedergeschlagen. Es wird also eine Ein-Aus-Funktion hervorge^l
bracht, die einer Rechteckwelle entspricht. Mit djer anderen Maske wird eine ebensolche Rechteckwelle
erhalten. Das Ergebnis der zwei umlaufenden Masken ist das Produkt der beiden Rechteckwellenfunktionen,
die, wie oben festgestellt, eine Trapezfunktion bilden, welche die Dicke des Belags als Funktion der
Wellenlänge auf der Unterlage kennzeichnet. F i g. 7 zeigt eine solche Trapezfunktion.
Bei F i g. 8 ist ersichtlich, daß, wenn die Trapezfunktion einen unerwünschten flachen Teil hat, eine
Verdoppelung der Dicke in bestimmten Teilen erfolgt, so daß sich die Dicke nicht mit dem Winkel ändert. Aus
diesem Grunde ist es erwünscht, die Bedingungen zu finden, unter denen die flachen Teile der Trapezwelle
gleich Null sind, oder mit anderen Worten, unter welchen Bedingungen eine Dreieckfunktion entsteht.
Dies macht es möglich, die größtmögliche Nutzbarkeit der Fläche der kreisförmigen Unterlage zu erhalten.
In den F i g. 9a bis 9p sind eine Anzahl von Fällen gezeigt, bei denen Dreieckwellenformen erhalten
t>5 werden können, bei welchen die Dicke sich ändert oder
als Funktion des Winkels schwankt So ist in den Fig.9c, 9e, 9g, 9i usw. auf der linken Seite das Muster
nach einem vollständigen Drehzyklus der Elemente der
Maskenanordnung gezeigt; in den F i g. 9d, 9f, 9h usw. ist auf der rechten Seite das Muster gezeigt, das nach einer
oder mehreren zusätzlichen Zyklen der Maskenanordnungselemente erhalten werden kann. Aus diesen
Figuren ist zu sehen, daß, wenn die zusätzlichen Schichten einander überlagert werden, stets eine
Dreieckkurve erhalten wird. Aus all den verschiedenen in den F i g. 9a bis 9p gezeigten Mustern ist zu ersehen,
daß es möglich ist, verschiedene Gruppen von Dreieckwellenformen zu erhalten. Das ist wichtig, weil
das Verhältnis der Spitzenwellenlängen durch die verschiedenen Muster verändert werden kann. Zum
Beispiel kann bei einem Kreiskeilfilter sich die Wellenlänge von λ auf 2A ändern, während es sich in
anderen von A auf 1 · /2A ändern kann.
Wie vorstehend erläutert, können die in Tabelle I aufgeführten relativen Winkelgeschwindigkeiten durch
Drehung von je zwei der drei Elemente eines aus drei Elementen bestehenden Systems erreicht werden; z. B.
ist für die Unterlage S, die Maske M X und die Maske Ml ein System mit den Relativgeschwindigkeiten
0:1:2 einem System mit den Relativgeschwindigkeiten 2:1:0 völlig gleichwertig, wobei im letzteren Falle die
eine Maske im Stillstand bleiben darf. Ein System mit drei Geschwindigkeiten, wie es in den F i g. 1 bis 4
gezeigt ist, wo sämtliche Elemente des Systems gegenüber der Verdampfermaterialquelle umlaufen
können, gestattet es noch bessere Resultate zu erzielen. Jedoch bedeutet die Drehung aller drei Elemente einen
bedeutenden Mehraufwand, der nicht unter allen Umständen gerechtfertigt erscheint. Ist also höhere
Wirtschaftlichkeit am Platze, so kann eines der Elemente feststehend bleiben, ohne daß die erhaltenen
Resultate deswegen untragbar verschlechtert würden.
Beispielsweise wurde ein optisches Filter gemäß der Erfindung unter Verwendung der anhand von F i g. 1 bis
4 beschriebenen Methode und Apparatur folgendermaßen hergestellt:
Die benutzten Sektormasken MX und Ml umfaßten
180° und 90°, wie in Fig.4 gezeigt. Die relative Winkelgeschwindigkeit beider wurde so gewählt, daß
ein Überzug mit linear zum Drehwinkel ansteigender Dicke erzeugt wurde. Das geschah unter solchen
Verhältnissen, daß die größte Dicke des Überzugs das Doppelte ihres Mindestwertes betrug.
Der Bereich nahe Infrarot (1 bis 3 Mikron) wurde ausgewählt, um die Parameter eines einfachen Mehrfachschichtmusters,
eine niedrige Dispersion der Materialien, eine reichliche Lieferung billiger Unterlagen und
ein einfaches Überzugsverfahren optimal zu gestalten.
Ein mehrschichtiges Schmalbandfiltermuster von annähernd 2% Bandbreite wurde benutzt. Das verwendete
Durchlaßbandmuster läßt sich kennzeichnen als
Glas/LHLHLLHLHLHLHLLHLH/Luh,
wobei L und H ein Viertel der Bezugswellenlänge optisch dicke Schichten von Belagmaterialien mit
niedrigem und hohem Brechungsindex bezeichnen. Ein Beispiel eines Belagmaterials mit niedrigem Brechungs- &o
index ist Silizium-Monoxyd, dessen Brechungsindex 1,8 (77=1,8) beträgt Ein typisches Material mit hohem
Brechungsindex ist Germanium, dessen Brechungsindex 4,2 (/7=4,2) beträgt. Bei einem Filter solcher Ausbildung
ist es zweckmäßig, ////-Abstandsschichten zu benutzen, b5
und zwar wegen der besonders geringen Empfindlichkeit gegenüber dem Einfallwinkel. Bei Germanium als
Material mit hohem Brechungsindex und ohne viele Abstandsschichten würden die Absorption und Dispersion
des Germaniums in dem interessierenden Spektralbereich die Erzielung der erwünschten Keillinearität
verhindern. Bei Silizium-Monoxyd als Material mit niedrigem Brechungsindex besteht kein solches Problem,
weil das Silizium-Monoxyd einen sehr konstanten und reproduzierbaren Brechungsindex in der Nähe des
Infrarotbereichs aufweist.
Bei der Formierung des veränderlichen Filters, das als Keilfilter bezeichnet werden kann, wenn die Veränderung
linear erfolgt, wurde eine aufeinanderfolgende Aufdampfung zweier Materialien von derselben Stelle
für die Verdampfungsmaterialquelle aus benutzt. Als Unterlage diente eine Glasscheibe von annähernd
15 cm (6 Zoll) Durchmesser oberhalb der Verdampfungsmaterialquelle, konzentrisch zu den beiden Masken
Mi und M 2 angebracht. Bei der besonderen Anordnung wurde die 180°-Maske die in Fig.4 mit 72
bezeichnet ist, im Stillstand gehalten, während die 90°-Maske, in Fig.6 mit 66 bezeichnet, über eine
Zahnradübersetzung mit der halben Geschwindigkeit der Hauptdrehbewegung der Unterlage 5 gedreht
wurde. Die Drehgeschwindigkeit wurde so eingestellt, daß gewährleistet war, daß zumindest 100 Sektorzyklen
während des Niederschlags jeder Schicht ausgeführt wurden. So wurde die Unterlage mit der Relativgeschwindigkeit
2, die 90°-Maske mit der Relativgeschwindigkeit 1 und die 180°-Maske mit der Relativgeschwindigkeit
0 bewegt, d. h. letztere wurde im Stillstand festgehalten. Während des Aufdampfens der
Beläge wurde die gesamte Maskenanordnung 44 um die Verdampfungsmaterialquelle bzw. die Achse der Welle
22 gedreht, um eine möglichst große Gleichmäßigkeit zu erhalten.
In Fig. 10 ist eine zusammengesetzte Durchlässigkeitskurve
eines Kreiskeilfilters nach den vorstehenden Angaben gezeigt, die sich auf einen Punkt 6,25 cm von
der Mitte für drei verschiedene Winkelstellungen bezieht, nämlich —7,2°, 0° und +72°, annähernd auf
halbem Wege zwischen dem äußersten hohen und dem äußersten tiefen Ende. Fig. 10 zeigt den Durchlässigkeitsgrad
als Funktion der Wellenlänge bei der mit 2% gewählten Bandbreite.
In F i g. 11 sind die Meßpunkte des Durchlaßbandes für Schritte von jeweils 20° um den fertigen
Kreiskeilfilter herum aufgetragen. Auf diese Weise wurde jeweils ein in Fig. 11 gezeigter Meßpunkt mit
einer Winkelstellung gegenüber der Spitzenwellenlänge erhalten. Die Meßkurve zeigt, daß eine gute Linearität
erreicht wurde. Die sehr kleinen Abweichungen von der Linearität entsprechen dem Grade der Ungleichmäßigkeit
der Intensität des Dampfstrahls und der Dispersion des Belagmaterials.
Wenn die Linearität eines optischen Filters nach der Erfindung im Falle eines Bandfilters betrachtet wird, so
ergibt sich ein Wechsel bezüglich der Lage der mittleren Wellenlänge. Im Falle eines Langwellen-Bandfilters ist
es der Wechsel des Halbwertpunktes oder der Punkt 50%iger Durchlässigkeit.
Andere Arten von Filtern, wie z. B. Langwellenfilter, Kurzwellenfilter, Schmalbandfilter, Breitbandfilter und
verschiedene Kombinationen davon, lassen sich nach analogen Verfahren herstellen.
Bei bestimmten Kreiskeilfiltern kann es erwünscht sein, die Wellenlänge linear bis zu einem vorbestimmten
Winkel zu ändern, sie dann über einen weiteren vorbestimmten Winkel konstant zu halten und danach
wieder die Wellenlänge linear bis zum Ausgangspunkt
abfallen zu lassen. Solche Keilfilter können gleichfalls
nach dem hier beschriebenen Verfahren und mit der beschriebenen Einrichtung hergestellt werden.
Ein gemäß der Erfindung hergestelltes optisches Filter in Form eines Kreiskeils ist in F i g. 12 gezeigt. Es
besteht aus einer kreisförmigen Schichtträgerunterlage S, die mit einer zentralen öffnung 101 und einer
Indexöffnung 102 versehen ist. Auf die Unterlage S ist ein mehrschichtiger Belag 104 aufgebracht. Die Dicke
des dünnen Films 104 gegenüber dem Substrat 5 ist stark übertrieben dargestellt, jedoch ist der Mehrschichtbelag,
wie bereits erwähnt, derart aufgebracht, daß die Dicke sich linear mit dem Drehwinkel der
Unterlage um ihre Achse, d.h. linear längs einer konzentrisch mit der Drehachse verlaufenden Linie
ändert Bei dem gezeigten Beispiel verdoppelt sich die Dicke auf einem Halbkreis bzw. auf 180° und fällt auf
dem anschließenden Halbkreis auf ihren Ursprungswert zurück.
Es sei nun angenommen, daß der mehrschichtige Belag 104 auf der Unterlage S ein Schmalbandinterferenzfilter
der vorher beschriebenen Art sei und daß die Wellenlänge der Spitzendurchlässigkeit eines solchen
Filters sich direkt mit der Dicke der einzelnen Schichten ändere. Wird ein solches Kreiskeilfilter hinter einer
Blende gedreht, so kann es unter Zuhilfenahme geeigneter Beleuchtungs- und Strahlungsbegrenzungsmittel
als optisches Element in einem Monochromator verwendet werden, das eine Wellenlänge λρ=λο bei
(X = O, λρ=λ\ bei (X=(Ki; und λρ=2λ0 bei α=π durchläßt,
wie dies in Fig. 12 angegeben ist. Es ergibt sich dann eine Eichkurve, wie sie in F i g. 13 gezeigt ist. Darin wird
die durchgelassene Wellenlänge in Abhängigkeit von dem eingestellten Drehwinkel gezeigt Die Wellenlänge
kann auf den Drehwinkel des durch die Scheibe von Fig. 12 gebildeten Kreiskeilfilters wie folgt bezogen
werden:
0 < a < .τ;
< α 2.τ;
λρ = A0(l
λρ =
(22)
(23)
Wenn die Lage des Durchlaßbandes in Wellenzahlen statt in Wellenlängen gemessen wird, läßt sich die
Beziehung wie folgt ausdrücken:
0 < a < .-τ;
(24)
(25)
Fig. 14 veranschaulicht, wie das neue drehbar anzuordnende Kreiskeilfilter als optisches Element zur
spektralen Zerlegung einer als Lichtkonus ankommenden Strahlung angeordnet werden kann, und F i g. 15 die
mit einer solchen Anordnung bei jeweils einem bestimmten Drehwinkel aufnehmbare Spektralcharakteristik.
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Kreiskeilfilters auf einem Substrat von der Form
einer Kreisscheibe durch Aufdampfen des aus einer Verdampfermaterialquelle kommenden Belagmaterials
im Vakuum, wobei zwei kreissektorenförmige Blenden mit den Winkelgeschwindigkeiten w\ und
W2 um eine gemeinsame, zur Achse der Kreisscheibe
koaxiale Drehachse bewegt werden und wobei wenigstens in kreissektorförmigen Teilbereichen der
Kreisscheibe ein linearer Zusammenhang zwischen Transmission und Sektorwinkel bestehen soll,
dadurch gekennzeichnet, daß
a) w\ und W2 relativ zur Kreisscheibe umlaufen und
konstant sind, daß
b) w\lw2 = m/n gilt, wo m und η ganze Zahlen sind
und m=t=/7gilt, und daß
c) die Zeit i, während der Material aufgedampft
wird, so lang gewählt wird, daß w\t, w2t,
(w\ + w2)t und (w\ — w2)t mindestens ganzzahlige
Vielfache von 2π sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Kreisscheibe mit konstanter
Winkelgeschwindigkeit gedreht wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Drehung der Blenden und gegebenenfalls der Kreisscheibe durch ein einziges Übersetzungsgetriebe
erfolgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß. die beiden kreissektorenförmigen Blenden verschiedene Sektorwinkel aufweisen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Übersetzungsgetriebe ein Zahnradgetriebe
ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Systeme, bestehend aus
jeweils einer Kreisscheibe, zwei Blenden und einem Übersetzungsgetriebe, als Ganzes um die Verdampfermaterialquelle
herum drehbar angeordnet sind.
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |