DD298750A5 - METHOD FOR CONTROLLING ION BEAM PROCESSING OF SOLID CARBON SURFACES - Google Patents

METHOD FOR CONTROLLING ION BEAM PROCESSING OF SOLID CARBON SURFACES Download PDF

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Andreas Nickel
Frieder Bigl
Thomas Haensel
Axel Schindler
Bernhard Retschke
Gert Ullrich
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Veb Carl Zeiss Jena,De
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Ionenstrahlbearbeitung von Festkoerperoberflaechen unter Verwendung einer Breitstrahlionenquelle. Ein zwischen der Breitstrahlionenquelle und einer zu bearbeitenden Festkoerperoberflaeche befindliches System aus mindestens drei unabhaengig voneinander auf einer Geraden bewegbaren Blenden wird erfindungsgemaesz auf der Basis von Korrekturdaten sowie Randbedingungen ueber ein Digitalrechner-Stellgliedsystem nach einer Simulationsbearbeitungsstrategie in Lage-, Form- und OEffnungszeit zur zonalen und lokalen Oberflaechenbearbeitung zeitoptimiert veraendert, so dasz entsprechend der Genauigkeitsanforderungen jede beliebige Oberflaechenbearbeitung durchfuehrbar ist.{Steuerungsverfahren; Ionenstrahlbearbeitung; Festkoerperoberflaeche; Oberflaechenkorrektur; Breitstrahlionenquelle; Blendensystem; Simulationsbearbeitungsstrategie; Digitalrechner-Stellgliedsystem; Bearbeitungsfenster; Zeitoptimierung}The invention relates to a method for controlling the ion beam machining of solid surfaces using a broad-beam ion source. A system, which is located between the wide-beam ion source and a solid surface to be machined and comprises at least three independently movable shutters on a straight line, becomes zonal and local on the basis of correction data and boundary conditions via a digital computer actuator system according to a simulation processing strategy in position, shape and opening time Surface treatment changed in a time-optimized manner so that any desired surface finish can be carried out in accordance with the accuracy requirements. Ion beam processing; Festkoerperoberflaeche; Oberflaechenkorrektur; Broad beam ion source; A panel system; Simulation machining strategy; Digital computers actuator system; Editing window; Time optimization}

Description

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Bekannt sind Verfahren zur Ionenstrahlbearbeitung von Festkörperoberflächen, speziell zur Bearbeitung optischer Komponenten oder elektronischer Bauelemente zum Zweck der Formgebung von deren Oberflächen. ·Methods are known for the ion beam machining of solid surfaces, especially for the processing of optical components or electronic components for the purpose of shaping their surfaces. ·

Im US-PS 3548189 und US-PS 3699334 werden Feinstrahlverfahren beschrieben, bei denen die Oberflächenbearbeitung durch Ablenkung eines Strahles positiver Ionen von wenigen Millimeter Durchmesser und/oder kontrollierte Werkstückbewegung bei Variation der Stromdichte und/oder der Verweilzeit durchgeführt wird. Der wesentliche Nachteil dieser Verfahren"besteht in der hohen Bearbeitungzeit.No. 3,548,189 and US Pat. No. 3,699,334 describe fine-jet processes in which the surface treatment is carried out by deflecting a jet of positive ions of a few millimeters in diameter and / or controlled workpiece movement while varying the current density and / or the residence time. The main disadvantage of these methods "consists in the high processing time.

Weiterhin sind Blendenverfahren bekannt, bei denen Breitstrahlionenquellen eingesetzt werden. Die erforderliche örtliche Variation der Stromdichte bzw. der Beschußzeit wird durch Metallblenden zwischen Ionenquelle und zu bearbeitender Oberfläche erreicht. Durch Verwendung einer Löchermaske, wobei durch Anordnung und/oder unterschiedliche Größe der Löcher eine lokale Variation der Transparenz und damit der lonenstromdichte die angestrebte Formgebung ermöglicht, wird ein gleichzeitiger zeitoptimaler Abtrag im Gesamtbereich der Oberfläche realisiert. Großen Vorteilen, speziell bei der Erzeugung allgemeiner Korrekturflächen, steht der Nachteil gegenüber, daß für die Korrektur von Einzelflächen jeweils eine spezielle Maske angefertigt werden muß.Furthermore, aperture processes are known in which wide-beam ion sources are used. The required local variation of the current density or the shot time is achieved by metal apertures between the ion source and the surface to be processed. By using a hole mask, which allows a local variation of the transparency and thus the ion current density the desired shape by arrangement and / or different size of the holes, a simultaneous time-optimal removal in the total area of the surface is realized. Great advantages, especially in the production of general correction surfaces, is offset by the disadvantage that for the correction of individual surfaces each have a special mask must be made.

Für weitere bekannte Blendenverfahren ist charakteristisch, daß durch Strahlbegrenzung mittels einschwenkbarer Festblenden und/oder Größenveränderung steuerbarer, beweglicher Blenden Teilgebiete der Oberfläche nacheinander bearbeitet werden. So wird in SU-PS 834800 eine Lösung beschrieben, bei der eine steuerbare „Iris"-Strahlblende in Verbindung mit einer verschieb-, dreh- und neigbaren Werkstückhalterung und einer Meß- und Steuereinrichtung Verwendung findet. Über die Art der Steuerung solcher Blendensysteme, insbesondere über Strategien zur Minimierung der Bearbeitungszeit bei der Erzeugung vorgegebener Korrekturprofile unter Berücksichtigung von Strahl- und Materialparametern sowie der angestrebten Genauigkeit ist nichts bekannt.It is characteristic of other known diaphragm methods that subregions of the surface are processed one after the other by beam limitation by means of pivotable fixed diaphragms and / or size variation of controllable, movable diaphragms. Thus, a solution is described in SU-PS 834800, in which a controllable "iris" -radial aperture is used in conjunction with a sliding, rotating and tilting workpiece holder and a measuring and control device About the type of control of such panel systems, in particular Nothing is known about strategies to minimize the processing time in the generation of predetermined correction profiles taking into account beam and material parameters and the desired accuracy.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, mit einer Steuerung der Ionenstrahlbearbeitung von Festkörperoberflächen den zeitlichen Aul wand bei Verbesserung der Oberflächengenauigkeit zu reduzieren.The aim of the invention is to reduce the temporal Aul wall with improvement of the surface accuracy with a control of the ion beam machining of solid surfaces.

-2- 298 750 Darlegung des Wesens der Erfindung-2- 298 750 Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung der Ionenstrahlbearbeitung von Festkörperoberflächen zu entwickeln, welches unter Verwendung einer Breitstrahlionenquelle sowie eines Blendensystems bei feststehendem Werkstück eine lokale und zonale Oberflächenbearbeitung vorgegebener Genauigkeitsanforderungen zeitoptimiert ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Steuerung der Ionenstrahlbearbeitung von Festkörperoberflächen, insbesondere zur Oberflächenkorrektur bei der Endbearbeitung optischer Funktionsflächen, wobei ein von einer Breitstrahlionenquelle ausgehender Ionenstrahl über ein Blendensystem nach Ermittlung der Korrekturwerte definiert beeinflußt auf die Festkörperoberfläche auftrifft, dadurch gelöst, daß die Beeinflussung des Ionenstrahl über die Lage-, Formund Öffnungszeitvariation des aus mindestens drei unabhängig voneinander auf einer Geraden bewegbaren Blenden bestehenden Blendonsystem über eine Simulationsbearbeitungsstrategie von einem Digitalrechner-Stellgliedsystam betätigt, erfolgt und die Simulationsbearbeitungsstrategie des Digitalrechners ausgehend von den Korrekturdaten sowie unter Berücksichtigung von lonenstrahlparametern, Materialeigenschaften, Oberflächenform und der geforderten Genauigkeit derart ermittelt wird, daß in einem ersten Verfahrensschritt die Lagebestimmung der lonenstrahlbegrenzungen eines Bearbeitungsfensters so erfolgt, daß ein absolutes oder relatives Maximum der Korrekturfläche eingeschlossen ist und bei einer entsprechend der Endwelligkeit fest vorgegebenen Ätzschrittzeit ein absolutes Minimum der gesamten Korrekturfläche nicht unterschritten wird, in einem zweiten Verfahrensschritt eine Simulation des Abtrages der Festkörperoberfläche um einen Betrag der angestrebten Endrauhigkeit oder um einen vorgegebenen Bruchteil dieses Wertes unter Berücksichtigung einer durch die Strahldivergenz bedingten Erosion auch außerhalb der physikalischen Fenstergrenzen sowie der Abhängigkeit der Ätzrate von der Oberflächonkrümmung vorgenommen wird, in einem dritten Verfahrensschritt die Bestimmung eines neuen absoluten oder relativen Maximums auf der teilkorrigierten Festkörperoberfläche oder innerhalb eines definierten angrenzenden lokalen Bereiches erfolgt und daraufhin die Verfahrensschritte eins bis drei solange wiederholt werden, bis alle Höhenwerte der Festkörperoberfläche die zulässige Findrauhigkeit unterschreiten.The invention has for its object to develop a method for controlling the ion beam processing of solid surfaces, which allows a time-optimized local and zonal surface processing predetermined accuracy requirements using a broad-beam ion source and a diaphragm system with a fixed workpiece. According to the invention, this object is achieved by a method for controlling the ion beam processing of solid surfaces, in particular for surface correction in the finishing of optical functional surfaces, wherein an ion beam emanating from a broad beam ion source impinges upon the solid surface influenced by a diaphragm system after determining the correction values, achieved by influencing the ion beam is actuated via the position, shape and opening time variation of the iris system consisting of at least three iris independently movable on a straight line via a simulation processing strategy of a digital computer actuator system, and the simulation processing strategy of the digital computer based on the correction data and taking into account ion beam parameters, material properties, Surface shape and the required accuracy is determined such that in a first method The step of determining the ion beam boundaries of a processing window ensues in such a way that an absolute or relative maximum of the correction surface is included and an absolute minimum of the entire correction surface is not undershot for a fixed etch step time. In a second method step, a simulation of the removal of the solid surface an amount of the desired end roughness or by a predetermined fraction of this value, taking into account a due to the beam divergence erosion outside the physical window boundaries and the dependence of the etching rate of Oberflächonkrümmung is made in a third step, the determination of a new absolute or relative maximum on the Partially corrected solid surface or within a defined adjacent local area and then the process steps one to dre i are repeated until all height values of the solid surface fall below the permissible finding roughness.

Nach der Durchführung der einzelnen Verfahrensschritte werden die Blendensteuerdaten, wie Positionen und Stillstandszeiten gespeichert oder direkt an die Stellantriebe der Blenden weitergegeben. Unter Einsatz der Rechentechnik läßt sich der Gesamtablauf des Realprozesses zeitlich optimieren. Dieser Prozeß kann wahlweise durch Sortieren der Fenster mit dem Ziel der Minimierung des Fahrweges der Blenden, durch Unterdrückung des Schließens zwischen zwei Fenstern bei im Vergleich zur Blendenfahrzeit langen Ätzzeiten und/oder durch Realisierung das Schlitzverschluß-Prinzips bei Fenstern für im Vergleich zur Blendenfahrzeit kurzen Bearbeitungszeiten, erfolgen. Bei Verzicht auf eine nachträgliche Zeitoptimierung sowie eines hindreichend schnellen Simulationsrechners kann der Realprozeß auch simultan ablaufen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit gegenüber konventionellen Verfahren eine zeitoptimierte Oberflächenbearbeitung, angepaßten die erforderlichen Genauigkeitsanforderungen.After carrying out the individual method steps, the shutter control data, such as positions and downtimes are stored or forwarded directly to the actuators of the diaphragm. Using computer technology, the overall process of the real process can be temporally optimized. This process can optionally by sorting the windows with the aim of minimizing the travel of the aperture, by suppressing the closing between two windows at long compared to shutter speed etching times and / or by realizing the slot shutter principle in windows for compared to the shutter speed time short processing times , respectively. If there is no subsequent time optimization and a sufficiently fast simulation computer, the real process can also take place simultaneously. The inventive method thus allows over conventional methods, a time-optimized surface processing, adapted to the required accuracy requirements.

AusMhrungsbeisplelAusMhrungsbeisplel

In einem nachstehenden Ausführungsbeispiel soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden.In an embodiment below, the inventive method will be explained in more detail.

Ein in der Form h = -79,1 · r3 · cos β (0 S r S 1,0 S β S 360°, Polarkoordinaten) vorgegebenes Höhenprofil soll in eine Sphärenfläche aus Glas mittels Ar-Ionenbeschuß (Ionenenergie 60OeV, Stromdichte 0,2mA/cm2, Durchmesser des Glaskörpers 100mm, Krümmungsradius der zu bearbeitenden Sphäre 225mm) übertragen werden.A given in the form h = -79.1 · r 3 · cos β (0 S r S 1.0 S β S 360 °, polar coordinates) height profile is in a sphere surface of glass by Ar ion bombardment (ion energy 60OeV, current density 0 , 2mA / cm 2 , diameter of the glass body 100mm, radius of curvature of the sphere to be machined 225mm) are transferred.

Die zuverlässige Abweichung vom Idealprofil wird mit 10% vorgegeben.The reliable deviation from the ideal profile is given as 10%.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch Anwendung eines 16-bit-Rechners „Amiga 1000" für die Simulation und Ermittlung der Steuerdaten, einer kommerziellen lonenstrahlätzanlage sowie durch ein zeitlich aufeinanderfolgendes Ausblenden des Ionenstrahl mittels vier voneinander unabhängig verstellbarer Blenden durchgeführt. Die notwendige Fensterfolge für 86 Einzelätzschritte wird mittels eines BC A 5120 einschließlich einer Motorsteuerelektronik sowie unter Verwendung der ermittelten Steuerdaten im Echtzeitbetrieb durch entsprechende Blendenbewegung realisiert.The method according to the invention is carried out by using a 16-bit computer "Amiga 1000" for simulating and determining the control data, a commercial ion beam etching system and by sequentially blanking out the ion beam by means of four independently adjustable diaphragms realized by means of a BC A 5120 including a motor control electronics and using the determined control data in real-time operation by appropriate diaphragm movement.

Claims (1)

Verfahren zur Steuerung der Ionenstrahlbearbeitung von Festkörperoberflächen, insbesondere zur Oberflächenkorrektur bei der Endbearbeitung optischer Funktionsflächen, wobei ein von einer Breitstrahlionenquelle ausgehender Ionenstrahl über ein Blendensystem nach Ermittlung der Korrekturwerte definiert beeinflußt auf die Festkörperoberfläche auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflussung des Ionenstrahl über die Lage-, Form- und Öffnungszeitvariation des aus mindestens drei unabhängig voneinander auf einer Geraden bewegbaren Blenden bestehenden Blendensystems über eine Simulationsbearbeitungsstrategie von einem Digitalrechner-Stellgliedsystem betätigt, erfolgt und die Simulationsbearbeitungsstrategie des Digitalrechners ausgehend von den Korrekturdaten sowie unter Berücksichtigung von Ionen?..ahlparametern, Materialeigenschaften, Oberflächenform und der geforderten Genauigkeit derart ermittelt wird, daß in einem ersten Verfahrensschritt die Lagebestimmung der lonenstrahlbegrenzungen eines Bearbeitungsfenstars so erfolgt, daß ein absolutes oder relatives Maximum der Korrekturfläche eingeschlossen ist und bei einer entsprechend der Endwelligkeit fest vorgegebener Ätzschrittzeit ein absolutes Minimum der gesamten Korrekturfläche nicht verkleinert wird, in einem zweiten Verfahrensschritt eine Simulation des Abtrages der Festkörperoberfläche um einen Betrag der angestrebten Endrauhigkeit oder um einen vorgegebenen Bruchteil dieses Wertes unter Berücksichtigung einer durch die Strahldivergenz bedingten Erosion auch außerhalb der physikalischen Fenstergrenzen sowie der Abhängigkeit der Ätzrate von der Oberflächenkrümmung vorgenommen wird, in einem dritten Verfahrensschritt die Bestimmung eines neuen absoluten oder relativen Maximums auf der teilkorrigierten Festkörperoberfläche oder innerhalb eines definierten angrenzenden lokalen Bereichs erfr igt und daraufhin die Verfahrensschritte eins bis drei solange wiederholt werden, bis alle Höhenwerte der Festkörperoberfläche die zulässige Endrauhigkeit unterschreiten.Method for controlling the ion beam processing of solid surfaces, in particular for surface correction in the finishing of optical functional surfaces, wherein an ion beam emanating from a broad beam ion source via a diaphragm system after determining the correction values defined affects the solid surface, characterized in that the influence of the ion beam on the position , Form and opening time variation of the at least three independently movable on a straight line aperture diaphragm system actuated via a simulation processing strategy of a digital computer actuator system takes place and the simulation processing strategy of the digital computer based on the correction data and taking into account ion ... ahlparametern, material properties, Surface shape and the required accuracy is determined such that in a first process step, the orientation of the lo nenstrahlbegrenzungen a Bearbeitungsfenstars done so that an absolute or relative maximum of the correction surface is included and in accordance with the final ripple fixed etch step time an absolute minimum of the entire correction surface is not reduced, in a second process step, a simulation of the removal of the solid surface by an amount of the desired End roughness or by a predetermined fraction of this value, taking into account a caused by the beam divergence erosion outside the physical window boundaries and the dependence of the etching rate of the surface curvature, in a third step, the determination of a new absolute or relative maximum on the partially corrected solid surface or within a defined adjacent local area and then repeated the process steps one to three until all H values of the solid surface are below the permissible final roughness. Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Ionenstrahlbearbeitung von Festkörperoberflächen unter Verwendung einer Breitstrahlionenquelle.The invention relates to a method for controlling ion beam processing of solid surfaces using a broad-beam ion source. Das Verfahren kann beispielsweise bei der Endbearbeitung der Oberflache von Komponenten, wie Linsen oder Spiegel von Hochleistungsoptiken, angewendet werden.The method may be used, for example, in finishing the surface of components such as lenses or mirrors of high performance optics. Darüber hinaus ist das Verfahren bei der Formgebung mechanischer, mikromechanischer oder elektronischer Komponenten bzw. Bauteile einsetzbar.In addition, the method can be used in the shaping of mechanical, micromechanical or electronic components or components.
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