DE2522547B2

DE2522547B2 -

Info

Publication number: DE2522547B2
Application number: DE2522547A
Authority: DE
Inventors: Arthur Herbert Skillman N.J. Firester (V.St.A.); Michael Thomas Gattikon Gale (Schweiz)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-05-22
Filing date: 1975-05-21
Publication date: 1980-01-17
Also published as: JPS556914B2; CA1034411A; FR2272405A1; AU8124775A; BE829258A; JPS5116060A; US3945825A; AU496732B2; SE7505783L; NL7505957A; IT1037346B; DE2522547A1; GB1508178A; CH600383A5

Description

Tiefe d=5v "_ j. durchgeführt wird, wobei λ die

Wellenlänge des Lichtes und μ der Brechnungsindex des Auf7Pichnungsmediums bedeutet, in das das Hologramm übertragen werden soll.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Photolack mit einem konstanten, gleichförmigen schwachen Gittermuster belichtet wird, dem das lichtstärkere Hologrammuster überlagert ist.

4. Verfahren nach eineiii der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Entwicklung nichtlinear bezüglich der Lichtintensität der Belichtung durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Belichten der Photo'ack m h der Beaufschlagung mit dem Hologramm noch weiter mit dem zum Hologramm beitragenden Ol ektbündel belichtei wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Substrat ein hartes, beständiges Material verwendet wird, das sich für eine Mutterform zur Vervielfältigung des impulsbreitenmodulierten Reliefmusters eignet.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine auii einem amorphen Material bestehende Schicht im wesentlichen gleichmäßiger Dicke geätzt wird, welche vom Substrat getragen wird und dessen ätzbare Oberfläche bildet.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Qualität der bekannten Mikrofilme und Mikrofilmkarten wird mit der Zeit immer schlechter; für Archivzwecke ist es daher erwünscht, Information auf einem beständigeren Medium in Form eines Reliefmusters speichern zu können. Wenn z. B. Photolack ah; Aufzeichnungsmedium für ein Fokussierbildhologramm verwendet wird, ist das resultierende aufgezeichnete Phasenhologramm ein amplitudenmoduliertes Reliefmuster mit sinusartigem Verlauf auf der Oberfläche des Photolacks. Da die konventionellen Photolacke weich sind, ist es häufig erforderlich, die aufgezeichneten Hologramme durch ein Verfahren der in der US-PS 65 978 beschriebenen Art auf ein hartes Material zu kopieren, das sich als Mutterform eignet. Bei einem solchen Verfahren wird auf der Oberfläche des Photolacks durch ein Metallplattierungsverfahren eine Metallschicht aufgebaut und diese dann zur Bildung einer Metallmutterform für die Vervielfältigung des Hologramms vom Photolack getrennt. Eine verzerrungsfreie Übertragung des Reliefmusters auf die Metallmutterform erfordert große Sorgfalt und Genauigkeit, da die Dimensionen des Reliefmusters in der Größenordnung von 1 μπι liegen.

H) Bei einem anderen Verfahren zum Kopieren von Reliefmustern in Form von Phasenhologrammen wird das im Photolack aufgezeichnete Reliefmuster durch Photoätzen (z. B. Kathodenzerstäubung oder chemisches Ätzen) in ein unter dem Photolack befindliches,

r. hartes und dauerhaftes Substratmaterial übertragen, und das Substrat wird dann als Mutterform zur Vervielfältigung des Hologramms auf ein geeignetes Material, z. B. einen Thermoplasten, verwendet. Ein solches Verfahren, das mit Abtragung durch Katho-

2i) denzerstäubung arbeitet, ist aus der US-PS 37 33 258 bekannt

Die oben erwähnten bekannten Verfahren zum Vervielfältigen von Fokussierbildhologrammen sind im allgemeinen für kleinere Mengen von Kopien unwirt-

r> schaftlich, z. B. für nur einige Tausend Kopien eines Hologramms, da die Kosten für die Herstellung der Mutterform hoch sind. Es besteht also ein erheblicher Bedarf an einem schnellen und wirtschaftlichen Verfahren zum Herstellen von Mutterforrnen für

ίο Reliefhologramme.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum schnellen und wirtschaftlichen Herstellen eines Reliefs von einem Hologramm anzugeben, das als Mutterform zur Übertragung des

π Hologramms auf ein geeignetes Aufzeichnungsmedium verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man

4(i ausgehend von einem einfach herstellbaren amplitudenmoduierten Relief Hologramme auch mit einem breitenmodulierten Relief einheitlicher Tiefe als Prägeform vervielfältigen kann. Diese Umwandlung hat u. a. den Vorteil, daß eine für einen speziellen Verwendungs-

■Γ) zweck hinsichtlich des optischen Wirkungsgrades optimale Tiefe gewählt werden kann. Ferner muß die Entwicklungsgeschwindigkeit des Photolacks nicht genau mit der Ätzgeschwindigkeit des Substrates abgestimmt werden.

■Ίο Insbesondere läßt sich das hier beschriebene Verfahren zur einfachen Herstellung eines Fokussierbildhologrammes verwenden, das ausgehend von dem im Photolack aufgezeichneten amplitudenmodulierten Interferenzmuster als Relief mit zwei Höhenstufen in dem

ν-, Substrat gebildet wird, das als Mutterform zur Vervielfältigung des Fokussierbildhologrammes oder als Medium zur permanenten Informationsspeicherung für Archivzwecke verwendet werden kann.

Im folgenden werden bevoizugte Ausführungsbei-

hi) spiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 amplitudenmodulierte Reliefs entsprechend verschiedenen Grauwerten,

Fi g. 2 impulsbreitenmodulierte, zweipegelige Reliefs

h ι entsprechend den gleichen Grauwerten wie in F i g. 1,

F i g. 3 eins Darstellung einer Folge von Schritten bei einer Umwandlung eines Interferenzmusters in Form eines Hologramms, das in Photolack als amplitudenmo-

duliertes Reliefmuster mit sinusartigem Verlauf aufgezeichnet wurde, in ein impulsbreitenmoduliertes, zweipegeliges Relief.

In den F i g. 1 und 2 sind zum Vergleich amplitudenmodulierte Reliefs mit im Querschnitt rechteckwelligem Verlauf und impulsbreitenmodulierte Reliefs mit rechteckwelligem Verlauf für entsprechende Grauwerte dargestellt Die Reliefs gemäß F i g. 1 und 2 entsprechen dem Stand der Technik und dienen lediglich zur Erläuterung. Hin »heller« Bereich, d.h. ein Bereich maximalen Wirkungsgrades, in dem das Verhältnis von Linienbreite zu Zwischenraumbreite gleich 1 ist, ist in Fig. la für ein amplitudenmoduliertes Relief und in F i g. 2a für ein impulsb'-eitenmoduliertes Relief dargestellt Die Figuren Ib und 2b entsprechen einem »grauen« Bereich, d.h. einem Bereich mittleren Wirkungsgrades für ein amplitudenmoduliertes bzw. ein impulsbreitenmoduliertes Relief.

Ein »schwarzer« Bereich, d. h. ein Bereich mit dem Wirkungsgrad 0, ist in Fi g. Ic für ein amplitudenmoduliertes und in Fig.2c für ein impulebreitenmoduliertes Relief dargestellt. Der Wirkungsgrad eines Bereiches ist definiert als das Verhältnis des in das rekonstruierte Bündel gebeugten Strahlungsflusses zu dem auffallenden Fluß des rekonstruierenden Bündels.

Ein Relief kann auch zur Aufzeichnung von farbigen Bildern verwendet werden, indem man drei sich überlappende Reliefmuster bildet, in denen jeweils das Interferenzmuster codiert ist, das aus dem Bild in einer der drei Primärfarben erzeugt wurde.

F i g. 3 zeigt den Verlauf der Umwandlung eines Hologrammes, das in einer Photolackschicht als amplitudenmoduliertes Reliefmuster mit sinusförmigem Querschnitt entwickelt wurde, in ein impi'.lsbreitenmoduliertes Relief mit zwei Höhenstufen. Wie Fig.3a zeigt, wird eine dünne, gleichmäßige Schicht 10 aus einem z. B. positiv arbeitenden Photolack auf die Oberfläche eines Substrates 12 aufgebracht. Das Substrat 12 kann eine 1 μΐυ dicke Molybdänschicht sein, die auf eine Glasplatte 14 aufgebracht worden war. Als Substratmaterialien können ferner auch Glas, Kunststoff sowie Metall- und Metalloxid-Schichten verwendet werden. Die Dicke der Photolackschicht sollte etwa 5000 A betragen und innerhalb einer Toleranz von ± 100 Ä gleichförmig sein. Es ist eine große Anzahl von positiv und negativ arbeitenden Photolacken sowie Photolackentwicklern bekannt, die bei dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden können. Der Photolack der Schicht lü wird mit einem holographischen Interferenzmustsr, z. B. einem Fokussierbildhologramm belichtet, das als Interferenzfigur mit sinusförmigem Verlauf angesehen werden kann, deren Amplitude beispielsweise von der Lichtdurchlässigkeit eines Original-Transparentbildes abhängt. Die belichtete Photolackschicht 10 kann mit einem im wesentlichen linear arbeitenden Entwickler entwickelt werden. Je nach dem Amplitudenbereich des Hologramms, mit dem die Belichtung durchgeführt wurde, kann der Photolack unter Umständen auch vorzugsweise mit einem nicht linear arbeitenden Entwickler entwickelt werden.

Fig,3b zeigt den positiv arbeitenden Photolack während der Entwicklung. Während der Entwicklung eines positiv arbeitenden Photolacks wird die Photolackschicht 10 mit einer Geschwindigkeit abgetragen, die von der örtlichen Belichtung abhängt. Ein unbelichteter Bereich 16 der Schicht 10 aus dem Photolack wird erheblich langsamer abgetragen als belichtete Bereiche 18 und 20. Die Geschwindigkeit der Entwicklung des sinusförmigen Reliefmusters hängt von der Intensität der Belichtung des Photolacks durch das Hologramm ab. Ein stärker belichteter Bereich, wie der Bereich Id des Photolacks wird schneller entwickelt, d. h. abgetragen, als ein weniger stark belichteter Bereich, wie der Bereich 20.

Bei der Darstellung in Fig. 3c ist die Photolackschicht so weit entwickelt, d. h. abgetragen, daß die Vertiefungen der Bereiche 18 und 20 die Oberfläche 22

in des Substrats 12 freilegen. Diese Vertiefungen erreichen die Oberfläche des Substrats 12 zuerst in dem am stärksten belichteten Bereich 18. Der Entwicklungsprozeß kann einfach mittels eiiies Mikroskops überwacht werden, das mit einem Rotfilter ausgerüstet ist, wenn

ι> der verwendete Photolack für rotes Licht unempfindlich ist Die Entwicklung wird solange fortgesetzt, bis die Linien- oder Strichbreite der freigelegten Substratbereiche in den »hellen« Bereichen, d. h. dort, wo der maximale Beugungswirkungsgrad erforderlich ist, gleich

Jd der Linien- oder Strichbreite der maskierten oder abgedeckten Substratbereiche ist. Als Ergebnis einer solchen Entwicklung ergibt der Bereic-, 20, der durch das Interferenzmuster weniger stark belichtet worden war als der Bereich 18, auf der Oberfläche ?2 des

j-, Substrats 12 einen Bereich 24 mit einer wesentlich propotional schmäleren Linienbreite als der Bereich 26, der infolge des stärker belichteten Bereiches 18 freigelegt wird. In den meisten Fällen wird die Linienbreite der freigelegten Bereiche 24 und 26 im

so wesentlichen direkt proportional zur Intensität des Interferenzmusters sein, mit dem die darüber gelegenen Photolackbereiche 18 und 20 belichtet worden waren; es genügt jedoch, daß die Linienbreite der freigelegten Bereiche 24 und 26 von der Intensität des Interferenz-

i) musters abhängt, um die räumliche holographische Information vom Photolack auf das darunter liegende Substrat als impulsbreitenmoduliertes Relief zu übertragen. Beispielsweise kann das impulsbreitenmodulierte Relief umgekehrt proportional zur Intensity des

4Ii holographischen Interferenzmusters oder entsprechend einer logarithmischen Funktion der Intensität des ho.ographischen Interferenzmusters entwickelt werden.

Die freigelegten Substratbereiche 24 und 26 werden

nun in einem bestimmten Ausmaß geätz·, um im

4·, Substrat 12 ein Rechteckwellengitter zu bilden. Diese Abtragung kann durch ein chemisches Ätzverfahren oder durch Kathodenzerstäuben erfolgen. F i g. 3d zeigt das geätzte Substrat 12 mit Tälern oder Vertiefungen 28 und 30. Die optimale Tiefe der Vertiefungen 28 und 30

,η beträgt etwa 5000 Ä.

Der auf die erste Ordnung bezogene Wirkungsgrad N eines rechteckigen Phasengitters kann wie fol»t definiert werden:

N =

wobei a die Linienbreite des Gitters, D die Periode des Gitters und Φ,, die Phasentiefe, d. h. die optische Tiefe des Gitters im Aufzeichnungsmaterial ist. Der maximale Wirkungsgrad (etwa 40%) ergibt sich etwa wenn

(Rcchteckwcllengilter)

und

'/'(i ~ η (optimale Pruiscnticfc).
Die optimale Tiefe des Gitters d kann auf den

Brechnungsindex μ des endgültigen Aufzeichnungsträgers bezogen werden, z. B. eines thermoplastischen Trägers wie eines Vinylkunststoffbandes, sowie die Wellenlänge λ des bei der Rekonstruktion verwendeten Lichtes, gemäß der folgenden Formel:

d =

(für m;mm;ilen Wirkimpsprai

Für μ = 1,5 würde also d von 4600 A (blaues Licht) bis 6500 A (rotes Licht) reichen. Die Periodizität D des Gitters wird im allgemeinen im Hinblick auf die Gemometrie der Wiedergabeeinrichtung bestimmt, d. h. den Abfragewinke!, die Gitterorienticrung und die Codierung. In der Praxis wird sie im allgemeinen im Bereich zwischen 1 und 10 μπι liegen.

Der restliche Photolack der Schicht 10 wird schließlich durch ein Photolackentfernungsmittel, wie Aceton, entfernt, und es verbleibt ein im Substrat 12 aufgezeichnetes Phasenhologramm in Form eines impulsbreitenmodulierten, im wesentlichen zwei Höhenstufen enthaltenden Reliefs, wie es in F i g. 3e dargestellt ist. Wenn ein genügend hartes Substrat verwendet wurde, z. B. Glas oder eine Metallschicht, kann die Reliefstruktur als Mutterform zur Vervielfältigung des Hologramms verwendet werden.

Es ist oft schwierig, mit linearer Entwicklung den vollen Intensitätsbereich des einem Objekt entsprechenden Interferenzmusters aufzuzeichnen, wenn die Intensitäten sich stark voneinander unterscheiden. Die Schwierigkeit, die volle Grauskala des Objekts einwandfrei wiedergeben zu können, läßt sich durch eine nichtlineare Entwicklung des Photolacks überwinden, d. h. durch Entwicklung des Photolacks mit einem nichtlinear arbeitenden Entwickler. Die erforderliche Intensitätsverteilung für das Interferenzmuster kann auch dadurch erhalten werden, daß man den Photolack mit einem konstanten, gleichförmigen, schwachen Gitter belichtet, dem eine intensivere, inkohärente Objektbelichtung überlagert ist. und dann mit einer nichtlinearen Entwicklung arbeitet. Ein solches Verfahren ergibt impulsbreitenmodulierte Hologramme mit vollem Tonbereich oder voller Grauskala und kann zur Bildung eines Negativs des ursprünglichen Interferenzmusters verwendet werden, d. h. eines Reliefs, in dem die Bereiche maximalen Wirkungsgrades, d. h. die Bereiche, in denen das Verhältnis von Strichbreite zu Strichabstand gleich 1 is;, in dem am schwächsten exponierten Bereichen entstehen. Ein ähnliches Resultat erhält man, wenn man die übliche Fokussiertbildhologramm-Belichtung vornimmt und zusätzlich nur mit dem Objektbündel allein belichtet.

Ein solches Verfahren ist besonders nützlich für die Herstellung von Fokussiertbildhologramrnen; es kann jedoch auch bei jedem anderen System Anwendung finden, wo in Photolack als amplitudenmoduliertes, sinusförmiges Reliefmuster aufgezeichnete Information in eine impulsbreitenmodulierte Reliefstruktur mit im wesentlichen zwei Höhenstufen umgewandek werden soll.

Das oben beschriebene Verfahren kann dazu verwendet werden, ein impulsbreitenmoduliertes Fokussiertbildhologramm in einer Vielzahl von Substraten zu erzeugen. Da es oft schwierig ist, eine ausreichende Haftung von Photolack auf einem Glassubstrat sicherzustellen, muß dieses oft zuerst mit einer dünner Metallschicht, z. B. aus Chrom, überzogen werden bevor der Photolack aufgebracht wird. Das Glassubstral ·-. wird also mit einer dünnen Schicht aus Metall, z. B. einer 800 A dicken Chromschicht, überzogen; auf die Metallschicht wird Photolack aufgetragen, dieser wird in der oben beschriebenen Weise belichtet und entwickelt; dann werden die freigelegten Bereiche der

in Metallschicht unter Freilegung des Glassubstrats weggeätzt, die freigelegten Bereiche des Glassubstrats unter Verwendung verdünnter Flußsäurc bis /u einer optimalen Tiefe ausgeätzt und der verbliebene Rest des Photolacks und der Metallschicht schließlich entfernt, sn

ι ί daß man ein impulsbreitenmoduliertes Relief als Phasenhologramm mit im wesentlichen zwei llöhenniveaus im Glassubstrat erhält.

Eine weitere Abwandlung des Grundvcrfahrcns besteht darin, ein geeignetes Substrat mit einer dünnen

:n Schicht eines amorphen Materials, wie eines Metall oxids, zu überziehen. Die Schichtdicke wird gleich der optimalen Modulationstiefe für das endgültige Fokus siertbildhologramm gewähl*,, d.h. gewöhnlich etwa 5000 Ä. Die Schicht wird mit einem Photolack

_·"> überzogen, und der Photolack wird in der oben beschriebenen Weise belichtet und entwickelt. Die dem Licht ausgesetzten Bereiche der dünnen Schicht werden unter Verwendung eines Ätzmittels, das das Substrat nicht augreift, vollständig weggeätzt. Anschließend wird

in der verbliebene Photolack entfernt, und es verbleibt ein in der dünnen Metallschicht aufgezeichnetes impulsbreitenmoduliertes Fckussiertbild-Pliasenhologramm mit im wesentlichen zwei Höhenniveaus. Der Vorteil dieser Abwandlung des Verfahrens besteht darin, daß es nicht

i. mehr auf eine besonders genaue Steuerung des Ätzvorganges ankommt, um die richtige Modulationstiefe zu erreichen, und daß man hinsichtlich der zu ätzenden Materialien größere Freiheit hat.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von

■ι speziellen, jedoch nicht einschränkend auszulegenden Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Eine 5000 A dicke Schicht aus Chrom wurde auf ein 4-, sauberes Glassubstrat aufgedampft. Auf die Chromschicht wurde ein 1 μηπ dicker Überzug aus Molybdän aufgebracht. Das mit Molybdän beschichtete Glassubstrat wurde dann mit einer 5000 A ± 100 A dicken Schicht aus Photolack überzogen, wobei das Glassub-")0 strat 30 Sekunden mit einer Drehzahl von 3000 U/min gedreht wurde. Die Anordnung wurde dann eine Stunde auf 75°C erhitzt. Der Photolack wurde nun unter Verwendung von Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 4416 A holographisch belichtet. Die optimale Belichtung betrug etwa 0,1 Joule/cm². Der Photolack wurde dann entwickelt, indem er mehrere Minuten in mit Wasser im Verhältnis 1 :8 verdünnten Photolackentwickler eingetaucht wurde. Die Entwicklung wurde mit einem Mikroskop unter rotem Licht überwacht Nachdem die Linienbreite der freigelegten Substratbereiche in Flächengebieten, wo der Beugungswirkungsgrad maximal sein sollte, gleich der Linienbreite der maskierten Substratbereiche geworden war, wurde die Entwicklung unterbrochen, und die Platte wurde mit Wasser gespült und getrocknet Die Molybdänschicht wurde etwa 15 Sekunden lang bis zur richtigen Tiefe etwa 5000 Ä, in einem Ätzmittel aus einer Mischung von einem Volumenteil Salpetersäure, einem Volumenteil

Schwefelsäure und 5 Volumenteilen Wasser geätzt. Schließlich wurde der Rest des Photolacks durch Waschen der Platte in Aceton entfernt. Die Platte war nun fertig fiir die Verwendung als Mutterform zur Vervielfältigung des Hologramms in einem geeigneten Material.

Beispiel 2

Auf eine saubere Glasplatte wurde eine 7000 Λ dicke porenfreie Schicht aus Chrom aufgedampft. Wie beim Beispiel 1 wurde dann Photolack aufgetragen, erhitzt, belichtet und entwickelt. Die freigelegten Bereiche der Chromschicht wurden unter Verwendung eines Chromätzmittels weggeätzt, das 200 ml Ferrichloridlösung (42° Baum6) und 100 ml konzentrierte Salzsäure enthielt. Die Temperatur des Chromätzbades betrug 80°C. Das Glas wurde bis zu einer optimalen Tiefe von etwa 5000 A, geätzt, indem es etwa 1,5 Minuten in eine 4%ige wäßrige Flußsäurelösunx eingetaucht wurde. Nachdem das Glas bis zur optimalen Tiefe ausgeätzt worden war, wurde der verbliebene Phototack mit Aceton entfernt. Die verbliebene Chromschicht wurde unter Verwendung des oben beschriebenen Chromätzmittels entfernt Die Glasplatte wurde schließlich mit > Wasser gewaschen und getrocknet Sie kann nun als Mutterform verwendet werden.

Beispiel 3

Auf eine Glasplatte wurde eine 5000 A dicke Schicht

in aus Eisenoxid niedergeschlagen. Wie beim Beispiel 1 wurde dann Photolack aufgebracht und entwickelt, so daß die Eisenoxidschicht teilweise freigelegt wurde. Die Eisenoxidschicht wurde dann in einer Lösung von 775 cm³ konzentrierter Salzsäure, 223 cm³ Wasser und

π 166 g Ferrochlorid bis zum Glassubstrat durchgeätzt.

Nun wurde der Rest des Photolacks durch Abwaschen mit Aceton von der Eisenoxidschicht entfernt, und man erhielt ein Impulsbreitenmoduliertes Relief mit zwei Höhenstufen, das die Aufzeichnung des Interferenzmu-

-'Ii stersim Eisenoxidsubstrat darstellt.

Hier/u 2 Bhitt Zcichiumizcn

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Reliefs von einem Hologramm in einem Substrat, wobei ein Photolack auf einem Substrat mit einem Muster belichtet und ein amplitudenmoduliertes, latentes Relief erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der belichtete Photolack (10) mit dem latenten Relief bis auf das Substrat (12) durchentwikkelt wird, daß das Substrat (12) an den freigelegten Stellen fotogeätzt wird, und daß der restliche Photolack (10) auf dem Substrat (12) mit einem Mittel entfernt wird, wodurch ein breitenmoduliertes Relief erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Photoätzen bis zu einer optimalen