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Vorrichtung
und Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eins Substrats.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche eines
Substrats zur Herstellung einer Mikrostruktur auf der Oberfläche, umfassend
wenigstens einen relativ zum Substrat bewegbaren Träger, der
zum Anordnen wenigstens eines Werkzeugs am Träger ausgebildet ist, Ferner betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines
Substrats zur Herstellung einer Mikrostruktur auf der Oberfläche des
Substrats.
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STAND DER TECHNIK
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Lithographische
Verfahren werden zur Herstellung von Mikrostrukturen, beispielsweise
in der Halbleiterherstellung, verwendet. Ein in der Lithographie
verwendeter Mikrolithographie-Projektionsapparat
umfasst u. a. ein Beleuchtungssystem, das ein definiertes Feld auf
einer Maske möglichst
gleichmäßig mit
Strahlung mit definierten Eigenschaften beleuchten soll. Zu diesem
Zweck wurde vorgeschlagen, das Beleuchtungssystem mit optischen
Rasterelementen zur Steigerung der Homogenität des durch das optische Element
tretenden Lichts auszustatten. Die optischen Rasterelemente (z.
B. Streuplatten, Integratoren, usw.) umfassen beispielsweise eine
Vielzahl sich wiederholender Beugungsstrukturen oder Mikrolinsen.
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Ein
besonderes Problem stellt jedoch die Herstellung derartiger optischer
Elemente dar. Zum einen erfordern die Strukturen eine mikrometer-genaue
Bearbeitung. Darüber
hinaus muss der Verschleiß der
Bearbeitungswerkzeuge minimiert werden, um Veränderungen der Qualität der Oberflächenstruktur
während
der Bearbeitung einer optischen Oberfläche zu vermeiden. Zudem sind
Substrate aus CaF2, die sich für die Herstellung
derartiger Elemente besonders eignen, wegen ihrer Brüchigkeit schwierig
zu bearbeiten.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Ausgehend
davon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Substrats zur Herstellung
einer Mikrostruktur auf der Oberfläche bereitzustellen, wobei
die Mikrostruktur hohe Präzision
und gleich bleibende Qualität
aufweist.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche gemäß Anspruch
1 und ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche gemäß dem Anspruch 19.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Bearbeitung einer Oberfläche
eines Substrats zur Herstellung einer Mikrostruktur auf der Oberfläche, umfasst
wenigstens einen relativ zum Substrat bewegbaren Träger, der
zum Anordnen wenigstens eines Werkzeugs am Träger ausgebildet ist. Der wenigstens
eine Träger
weist wenigstens einen Werkzeughalter zur Aufnahme wenigstens eines
Werkzeugs zum Abtragen von Material von der Oberfläche des Substrats
zur Herstellung der Mikrostruktur auf.
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Das
Substrat ist insbesondere ein optisches Element, das für den Einsatz
in der Mikrolithographie bearbeitet wird. Insbesondere wird mit
Hilfe der Vorrichtung eine Strukturplatte (Integrator, Streuplatte, usw.)
zur Erzeugung homogenen Lichts für
die Mikrolithographie hergestellt. Die optischen Elemente können beispielsweise
aus Glas, insbesondere aus CaF2, o. ä. Materialien
hergestellt sein. Die Vorrichtung dient zur Herstellung refraktiver
mikrooptischer Elemente.
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Die
Vorrichtung arbeitet nach dem Prinzip einer „Fly-Cut"-Maschine. Während jedoch bekannte „Fly-Cut"-Dreh- oder Fräsprozesse,
insbesondere mit Diamantwerkzeugen, zur Oberflächenbearbeitung von CaF2 nur im Rahmen der Herstellung von Oberflächen mit
hoher Genauigkeit oder asphärischer Oberflächen eingesetzt
werden, können
mit der vorliegenden Vorrichtung Mikrostrukturen hergestellt werden.
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Die
Mikrostruktur kann beispielsweise eine Anordnung lang gestreckter
Mikrolinsen, z. B. zylindrischer Mikrolinsen, sein. Als Werkzeug
zur Herstellung der Struktur kann ein Schneidwerkzeug mit einer Schneidkante,
beispielsweise aus Diamant, verwendet werden. Unter einer Mikrostruktur
wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Oberflächenprofil
mit Strukturen im Mikrometerbereich verstanden, das sich von einer
im Wesentlichen glatten Oberfläche
unterscheidet. Das optische Element kann, vor oder nach der Bearbeitung,
mit einer Beschichtung versehen werden.
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Je
nach Anforderung können
als Werkzeuge Diamanten mit verschiedenen Formen und Radien der
Schneidkanten, beispielsweise zur Herstellung von Zylinderlinsen,
von asphärischen
oder sphärischen
Mikrolinsen auf der Oberfläche
des Substrats, verwendet werden. Beispielsweise werden die Mikrolinsen
in optischen Integratoren, Streuplatten, usw. verwendet.
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Insbesondere
ist der Träger
um eine Achse rotierbar angeordnet.
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Die
Vorrichtung ist so ausgelegt, dass die bei hohen Umdrehungszahlen,
beispielsweise von über 10.000
U/min, auftretende Fliehkräfte
des Werkzeugs kompensiert werden. Die Werkzeughalter sind aus diesem
Grund für
hohe Belastungen konzipiert und entsprechend stabil am Träger angebracht
bzw. fixiert. Außerdem
sind die Werkzeughalter so ausgelegt, dass selbst bei Fliehkräften von
beispielsweise zwei Tonnen keine nennenswerten Veränderungen
in der Struktur und Anordnung der Träger auftreten. Dazu ist zum
einen eine robuste Bauweise erforderlich. Andererseits müssen die
Werkzeughalter relativ leicht sein, um die Belastung durch Fliehkräfte zu reduzieren.
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Durch
die hohen Umdrehungszahlen des Trägers wird gewährleistet,
dass das bzw. die am Träger
angeordneten Werkzeuge bei hohen Umdrehungen des Trägers die
Oberfläche
zum Abtragen von Material bzw. zum Ausschneiden der Struktur nur wenig
Materialvolumen pro Eingriff entfernen bei insgesamt kurzer Bearbeitungszeit.
Das Material bzw. der Schnitt erfolgt nach dem Prinzip eines Schaufelbaggers.
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Bevorzugt
ist der Träger
um eine Achse rotierbar angeordnet, die schräg, insbesondere parallel zur
zu bearbeitenden Oberfläche
des Substrats ausgerichtet ist.
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Die
Achse ist jedenfalls nicht senkrecht zur Oberfläche ausgerichtet, wie dies
bei bekannten „Fly-Cut"-Maschinen der Fall
ist. Die Rotationsachse ist in der Regel parallel zu einer Oberfläche ausgerichtet.
Die Oberfläche
des Substrats kann auch konvex oder konkav ausgebildet sein. In
diesem Fall ist die Achse in der Regel parallel zur Tangente der Oberfläche am Bearbeitungspunkt
ausgerichtet.
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Der
Träger
und der Werkzeughalter sind vorzugsweise lösbar fest und/oder starr miteinander
verbunden. Träger
und Werkzeugaufnahme sind dabei mit Mikrometer-Genauigkeit gegeneinander
ausgerichtet. Die gegenseitige Justierung erfolgt beispielsweise
mit Hilfe von am Träger
angeordneten Schrauben und Anschlägen.
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Der
Träger
wird insbesondere einen scheibenförmigen Grundkörper umfassen.
An diesem können
eines oder mehrere Werkzeughalter und/oder Werkzeuge und/oder Ausgleichsgewichte
entlang des Umfangs des Trägers
angeordnet werden.
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Der
Werkzeughalter weist insbesondere Mittel zum Einstellen einer gewünschten
Soll-Position des
Werkzeugs im Werkzeughalter auf. Das Werkzeug kann im Mikrometer-Bereich
genau im Werkzeughalter eingestellt werden. Die seitliche Positionierung,
Verdrehung und die Höheneinstellung
der Spitze des Werkzeugs sind für
die Genauigkeit der Bearbeitung des Substrats entscheidend.
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Der
Werkzeughalter kann Mittel zum Einstellen einer gewünschten
Soll-Position des Werkzeugs in wenigstens zwei Freiheitsgraden aufweisen.
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So
kann der Werkzeughalter Mittel zum Einstellen einer gewünschten
Soll-Position des Werkzeugs in wenigstens einer zur Trägerscheibe
tangentialen und/oder in einer zur Trägerscheibe radialen Richtung
aufweisen. Beispielsweise kann eine tangentiale Einstellung vorgesehen
sein, mit der die Spanfläche
genau mit einem Durchmesser des Trägers fluchtend eingestellt
werden kann. Durch eine Radialeinstellung (bezüglich der Rotationsachse) kann
die Spitzenhöhe,
d. h. der relative (negative) Abstand der Schnittkante zur Substratoberfläche mikrometer-genau
eingestellt werden.
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Die
Vorrichtung weist insbesondere wenigstens einen Anschlag zur Ausrichtung
des Werkzeughalters am Träger
auf.
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Die
Vorrichtung weist vorzugsweise wenigstens einen Anschlag auf, der
einer Bewegung des Werkzeughalters in Richtung der Fliehkräfte während einer
Rotation des Trägers
entgegenwirkt.
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Die
Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass das Werkzeug bzw.
die Werkzeuge bei Umdrehungen des Trägers von wenigstens 4.000 U/min, insbesondere
von wenigstens 10.000 U/min, mit einer Toleranz im Mikrometer-Bereich
am Träger
fixiert sind.
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Die
Vorrichtung kann wenigstens zwei am Träger angeordnete Werkzeughalter
aufweisen. Dabei können
vorzugsweise wenigstens zwei Werkzeughalter entlang des Umfangs
des Trägers
angeordnet sein.
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Der
Träger
kann einen Durchmesser von 80 mm bis 150 mm, beispielsweise von
120 mm, aufweisen. Da die Werkzeughalter in gewissem Maß robust ausgebildet
sein müssen,
begrenzt die Fläche
des Trägers
die Anzahl der Werkzeughalter am Träger. Es ist jedoch aus den
oben genannten Gründen
sinnvoll, mehrere Werkzeughalter am Träger symmetrisch zueinander
anzubringen. Insbesondere sollen die Werkzeughalter rotationssymmetrisch
in Umfangsrichtung angeordnet sein, um Fliehkräfte gegenseitig zu kompensieren.
Dabei können
zwei, vier, sechs, acht oder mehrere Werkzeughalter vorgesehen sein.
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In
den wenigstens zwei Werkzeughaltern kann insbesondere jeweils ein
Werkzeug angeordnet sein.
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Die
besondere Ausführungsform
mit zwei oder mehreren entlang des Umfangs der Trägerscheibe
angeordneten Werkzeughaltern eröffnet
eine Reihe von Anwendungsmöglichkeiten.
Beispielsweise können
ein Vor- bzw. ein Fertigschneider im ersten bzw. im zweiten Werkzeughalter
angeordnet werden. Prinzipiell können
auch mehrere (gleichartige oder unterschiedliche) Werkzeuge in Umfangsrichtung verteilt
am Träger
angeordnet werden. Dadurch wird der Verschleiß der Diamantwerkzeuge verringert
und die Standzeit deutlich erhöht
und/oder es wird die Gesamtbearbeitungszeit reduziert. Die Qualität der Mikrostruktur
während
der Bearbeitung eines optischen Elements zeigt auch nach längerer Bearbeitungszeit
keine signifikanten Qualitätsunterschiede. Mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
können mehrere
Mikrooptikkomponenten ohne Auswechslung der Werkzeuge gefertigt
werden. Dies erhöht den
Durchsatz bei der Fertigung.
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Zudem
sorgt eine symmetrische Anordnung der Werkzeughalter am Träger dafür, dass
durch eine Gleichverteilung bzw. eine symmetrische Anordnung der
Werkzeughalter am Träger
die Rotation des Trägers
auch bei hohen Umdrehungszahlen gleichmäßig verläuft.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann in wenigstens einem Werkzeughalter ein Werkzeug, und in wenigstens
einem anderen Werkzeughalter ein Gegengewicht angeordnet sein.
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Neben
weiteren Werkzeugen können
zum Ausgleich des Einflusses des Werkzeugs (bzw. der Werkzeuge)
auch Gegengewichte oder Ausgleichsgewichte im zweiten oder weiteren
Werkzeughaltern eingesetzt werden. Insgesamt wird durch die symmetrische
Anordnung mehrerer Werkzeughalter eine gleichmäßige Rotation des mit den Werkzeughaltern und
den Werkzeugen bestückten
Trägers
realisiert.
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Die
Vorrichtung weist vorzugsweise wenigstens einen Aufsatz auf, der
am Träger
angeordnet ist.
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Der
Aufsatz ist insbesondere als Deckel ausgebildet, der den Werkzeughalter
bzw. die Werkzeughalter abdeckt. Auf diese Weise wird verhindert, dass
während
der Umdrehung des Trägers
im Betrieb bei hohen Umdrehungszahlen Luftverwirbelungen auftreten.
Der Deckel kann beispielsweise als kreisförmige Scheibe mit zum Träger gerichteten
Seitenwänden
ausgebildet sein. In den Seitenwänden sind
an den Stellen, an denen die Werkzeuge angeordnet sind, Ausnehmungen
vorgesehen, aus denen die Werkzeuge herausragen. Diese Ausbildung
des Deckels sorgt insbesondere dafür, dass die Entstehung von
Luftverwirbelungen verhindert wird. Es wird außerdem verhindert, dass sich
Material aus dem Spanprozess auf dem Träger und den Werkzeughaltern
absetzt, was die Unwucht während
des Prozesses kontinuierlich verschlechtern würde.
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Die
Vorrichtung kann in einer bevorzugten Ausführungsform Einrichtungen zum
Ausgleich einer Unwucht des mit Werkzeughaltern und/oder Werkzeugen
bestückten
Trägers
aufweisen.
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Die
Einrichtungen können
beispielsweise im Aufsatz in Form von Hohlräumen, die in Umfangsrichtung
angeordnet sind, vorgesehen sein. Diese Hohlräume können bedarfsweise mit Material,
beispielsweise mit Schrauben, wenigstens teilweise ausgefüllt werden,
um ein Zusatzgewicht in diesen Bereich des Trägers zu erzeugen. Die Einrichtungen können eine
Einstellung der Unwucht in verschiedenen Stufen, beispielsweise
durch die Bereitstellung größerer und
kleinerer Hohlräume,
aufweisen. Die Unwucht kann iterativ ausgeglichen werden.
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Die
Aufgabe wird auch gelöst
durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Bearbeitung einer Oberfläche eines
Substrats zur Herstellung von Mikrostrukturen auf der Oberfläche des
Substrats, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen einer Vorrichtung
zur Bearbeitung einer Oberfläche
eines Substrats nach einem der vorhergehenden Ansprüche; b)
Bereitstellen eines Substrats; c) Einstellen einer mikrometergenauen
Soll-Position des Werkzeugs im Werkzeughalter; d) Fixieren der im
Schritt c) eingestellten Position des Werkzeugs im Werkzeughalter;
und e) Ausrichten der Oberfläche
des Substrats relativ zum Träger
derart, dass das Werkzeug bei einer Rotation des Trägers um
eine Achse die Oberfläche
des zu bearbeitenden Substrats zum Abtragen von Material von der
Oberfläche
wenigstens bei jeder Umdrehung des Trägers kontaktiert.
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Es
können
sowohl planare, aber auch konvexe oder konkave Oberflächen bearbeitet
werden. Es muss lediglich darauf geachtet werden, dass ein geeigneter
und im Rahmen der Toleranzen präziser
Abstand zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche und dem rotierenden Werkzeug
eingehalten wird. Unter dem Begriff Abtragen wird im Rahmen der
Erfindung ein Ausschneiden, Abschürfen, Abschlagen, Spanen, u. ä. von Material
verstanden.
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Herkömmliche „Fly-Cut"-Werkzeuge stehen in
ständigem
Kontakt mit dem Substrat, wobei das Werkzeug relativ zur Substratoberfläche so lange
bewegt wird, bis eine glatte Oberfläche entstanden ist. Erfindungsgemäß ist dagegen
die Achse des erfindungsgemäßen „Fly-Cut"-Werkzeugs im Wesentlichen parallel,
jedenfalls nicht senkrecht, zur Bearbeitungsoberfläche ausgerichtet,
so dass die in einem im Wesentlichen gleichen Abstand von der Rotationsachse
des Trägers
angeordneten Bearbeitungswerkzeuge die Oberfläche nach dem Prinzip eines Schaufelradbaggers
bearbeiten.
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Das
Werkzeug ist beispielsweise als Schneidwerkzeug mit einer Schneidkante
ausgebildet, die in einem Werkzeughalter angeordnet ist. Der Werkzeughalter
ist am Träger
angeordnet. Der Werkzeughalter kann abnehmbar am Träger montiert
sein. Die Schneidkante weist von der Rotationsachse weg.
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Bei
der Einstellung des Werkzeugs wird zunächst die Spanfläche des
Werkzeugs fluchtend mit dem Durchmesser der Trägerscheibe eingestellt. Mit dieser
Maßnahme
wird eine genaue, bzgl. der Rotationsachse tangentiale, Einstellung
des Werkzeugs im Werkzeughalter vorgenommen. Dabei verläuft ein Schenkel
des Spanwinkels durch die Rotationsachse des Trägers. Anschließend wird
die Spitzenhöhe
des Werkzeugs mikrometer-genau relativ zur Oberfläche des
Substrats eingestellt. Dies entspricht einer Radialeinstellung hinsichtlich
der Rotationsachse. In speziellen Fällen kann die Spanfläche auch
unter einem positiven oder negativen Winkel zur Rotationsachse ausgerichtet
werden.
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Im
Folgenden wird das Werkzeug derart fest am Werkzeughalter fixiert,
dass die bei hohen Umdrehungen das Werkzeug sicher und genau im
Werkzeughalter gehalten wird.
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Der
Träger
rotiert vorzugsweise mit wenigstens 4.000 U/min, insbesondere mit
wenigstens 7.500 U/min, insbesondere mit 10.000 U/min.
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Bei
der Rotation entstehen hohe Fliehkräfte, denen die Vorrichtung
standhalten muss. Dazu müssen
die Komponenten aus ausreichend stabilen Materialien bestehen. Die
Befestigungen zwischen den Komponenten müssen ebenso sicher sein. Außerdem müssen die
Werkzeughalter so am Träger
ausgerichtet und angebracht sein, dass keine Sicherheitsrisiken
bestehen und zudem die mikrometergenaue Einstellung relativ zur
Substratoberfläche
auch über
lange Bearbeitungszeiten erhalten bleibt.
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Da
der Träger
mit hoher Umdrehungszahl um die Rotationsachse rotiert, herrscht
eine hohe relative Geschwindigkeit zwischen der Schneidkante des
Werkzeugs und der Substratoberfläche
vor. Durch die kurze Kontaktzeit zwischen dem Werkzeug und der Substratoberfläche bei
jedem Umlauf des Werkzeugs wird eine hohe Oberflächenqualität mit glatter Oberfläche der
Mikrolinsen erreicht.
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Am
Träger
werden erfindungsgemäß eine oder
mehrere Schneidwerkzeuge mit gleicher, leicht unterschiedlicher
oder verschiedener Schneidfläche angeordnet.
Auf diese Weise wird der Materialverschleiß der Schneidfläche verringert.
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Das
Werkzeug wird vorzugsweise relativ zum Werkzeughalter in einer ersten
Richtung tangential zur Rotationsachse des Trägers eingestellt und fixiert
und/oder radial relativ zur Rotationsachse des Trägers eingestellt
und fixiert. Die Ausrichtung und Einstellung erfolgen mikrometergenau.
Die Einstellung und Fixierung kann in beliebiger Reihenfolge erfolgen.
Außerdem
kann die Einstellung und Fixierung des Werkzeugs im Werkzeughalter
sowohl vor als auch nach dem Anbringen des Werkzeughalters am Träger erfolgen.
Prinzipiell können
die Werkzeughalter auch im Träger
integriert sein.
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Der
Träger
wird vorzugsweise um eine Achse rotiert, die schräg, insbesondere
parallel zur zu bearbeitenden Oberfläche des Substrats ausgerichtet
ist.
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Auf
diese Weise wird das Material nach dem Schaufelbaggerprinzip abgetragen
bzw. ausgeschnitten. Die Oberfläche
kann dabei konvex, konkav oder planar sein. Da die Achse nicht senkrecht
zur Oberfläche
angeordnet ist, kontaktiert ein bestimmtes Werkzeug die Oberfläche bei
jeder Umdrehung und trägt
Material ab.
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Der
Träger
kann während
der Bearbeitung im Schritt e) relativ zu einer Richtung senkrecht
zur Rotationsachse des Trägers
in einer Ebene parallel zur zu bearbeitenden Oberfläche kontinuierlich
bewegt werden. Das Substrat wird insbesondere entlang der Rotationsebene
des Trägers
kontinuierlich oder schrittweise relativ zum Träger weiterbewegt, um beispielsweise
eine lang gestreckte zylindrische Mikrolinse zu schneiden.
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Der
Träger
wird insbesondere um eine vorgegebene Strecke parallel zur Rotationsachse
des Trägers
bewegt, um eine weitere, parallel zu einer gefertigten Teil-Mikrostruktur
angeordnete weitere Teil-Mikrostruktur durch Wiederholen des Schritts
e) herzustellen. Nach der Herstellung einer lang gestreckten Struktur über wenigstens
einen Bereich, insbesondere entlang der gesamten Substratlänge, wird
der Träger
um eine schrittweise (oder ein Vielfaches eines Schritts) in einer
Richtung im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse versetzt, um
eine parallele (unter Umständen
benachbarte) Struktur nach demselben Prinzip herzustellen. Der vorgegebene
Abstand wird in der Regel als „Pitch" bezeichnet.
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Das
Verfahren kann vorzugsweise einen weiteren Schritt umfassen, der
insbesondere nach dem Schritt c) durchgeführt wird, wobei der Schritt
ein Aufsetzen eines Aufsatzes auf den Träger umfasst.
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Der
Aufsatz kann ein Deckel sein, der im Betrieb (Schritt e)) die Bildung
von Verwirbelungen unterdrückt.
Außerdem
verleiht der Deckel der Vorrichtung zusätzliche Stabilität. Es wird
weiterhin verhindert, dass sich das Material aus dem Spanprozess auf
dem Träger
und den Werkzeughaltern absetzt, was die Unwucht des Prozesses kontinuierlich verschlechtert.
Auf diese Weise wird auch die Ausbildung störender Vibrationen vermindert
und so die Bearbeitungsgenauigkeit und die Güte der Oberfläche erhöht.
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Ein
weiteres Problem stellt die Unwucht des mit dem Werkzeug bestückten Trägers dar.
Erfindungsgemäß werden
daher mehrere Werkzeuge im Wesentlichen rotationssymmetrisch gegenüberliegend
auf der Trägerscheibe
angeordnet. Alternativ dazu können
Gegengewichte oder Ausgleichsgewichte in einem zweiten oder weiteren
Werkzeughaltern angeordnet werden. Durch diese Maßnahmen lassen
sich jedoch Unwuchten, die vor allem bei den im erfindungsgemäßen Verfahren
hohen Drehzahlen zu unerwünschten
Vibrationen führen,
nicht ausreichend beseitigen.
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Daher
kann das Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform einen weiteren Schritt
umfassen, der insbesondere nach dem Schritt c) durchgeführt wird,
wobei der Schritt ein Ausgleichen einer Unwucht des Trägers bei
seiner Rotation um die Rotationsachse durch eine Veränderung
der Masseverteilung im Träger
und/oder im Aufsatz umfasst.
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Zum
Ausgleichen der Unwucht kann die Vorrichtung, beispielsweise im
Umfangsbereich des Deckels, Mittel zum Ausgleich der Unwucht aufweisen. Diese
Mittel können
beispielsweise in Umfangsrichtung angeordnete Öffnungen sein, in die je nach
Bedarf ein Zusatzgewicht eingebracht wird. Dabei können verschiedene
Reihen von Öffnungen
mit jeweils unterschiedlicher Größe vorgesehen
sein, um einen stufenweisen und iterativen Ausgleich der Unwucht zu
ermöglichen.
In der Praxis wird zunächst
die Grobunwucht möglichst
vollständig
ausgeglichen. Nach erneuten Messungen der Unwucht wird eine Feinoptimierung
im nm-Bereich vorgenommen.
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Die
praktisch zylindrische Außenform
der Vorrichtung sorgt dafür,
dass bei der Rotation auch mit hohen Geschwindigkeiten Verwirbelungen
minimiert werden.
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Insgesamt
wird durch die Maßnahmen
der Verschleiß der
Werkzeuge verringert und ein Reißen der empfindlichen CaF2-Oberfläche
verhindert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden
Beschreibung anhand der beigefügten
Zeichnungen deutlich. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
-
3 eine
schematische Darstellung einer Komponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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4a eine
Detailansicht eines Ausschnitts aus der 3;
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4b eine
Detailansicht eines Ausschnitts aus der 3 in einer
Seitenansicht;
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5 eine
perspektivische Darstellung einer Komponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
-
6 eine
schematische Frontalansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
-
7 eine
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
hergestellte Struktur.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
DER ERFINDUNG
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In
der 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur
Bearbeitung einer Oberfläche 5' eines Substrats 5.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Oberfläche 5' des Substrats 5 konkav
ausgebildet. Auf der Oberfläche 5' wird mit Hilfe
der Vorrichtung beispielsweise eine lang gestreckte zylindrische
Mikrolinse hergestellt.
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Die
Vorrichtung 1 weist einen scheibenartigen Träger 2 auf,
an dem ein Werkzeughalter 3 mit einem darin justierten
und mittels Schrauben 6 fixierten Werkzeug 4 angebracht
ist. Die Verbindung 6 zwischen dem Werkzeughalter 3 und
dem Träger 2 muss
derart stabil und sicher ausgelegt sein, dass auch bei hohen Umdrehungen
des Trägers 2,
beispielsweise bei Umdrehungen von 10.000 l/min und mehr, kein Risiko
besteht, dass sich der Werkzeughalter 3 von der Trägerscheibe 2 löst. Aus
diesem Grund kann neben den Schrauben 6 ein Anschlag 13 vorgesehen
sein, der beispielsweise über
Vorsprünge
am Träger
und am Werkzeughalter 3 fixiert wird, die in entsprechende
Nuten am Träger 2 und/oder
am Werkzeughalter 3 eingreifen. Der Vorsprung 13 wirkt den
Fliehkräften
des Werkzeughalters 3 bei hohen Umdrehungszahlen des Trägers 2 entgegen.
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Der
Träger 2 rotiert
im Betrieb der Vorrichtung 1 um eine Achse A, die von der
Oberfläche 5' des Substrats 5 in
einem mikrometergenau eingestellten Abstand derart angeordnet ist,
dass das Werkzeug 4 bei jeder Umdrehung um die Achse A
ein definiertes Profil aus der Oberfläche 5' des Substrats 5 ausschneidet
bzw. abträgt.
Das abgetragene Material kann durch eine Flüssigkeit und eine Absaugeinrichtung
kontinuierlich abtransportiert werden.
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Während des
Bearbeitungsvorgangs bewegen sich die Substratoberfläche 5' und die Achse
A der Trägerscheibe 2 kontinuierlich
parallel relativ zueinander. Diese Bewegung ist durch eine Linie
A', die im Wesentlichen
parallel zur Oberfläche 5' des Substrats 5 verläuft, angedeutet.
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Nachdem
eine lang gestreckte Mikrostruktur in die Oberfläche 5' eingearbeitet ist, wird die Trägerscheibe 2 um
einen bestimmten als Pitch bezeichneten Abstand (oder um die Vielzahl
eines Pitches) parallel zur Achse A versetzt, um eine zur zuletzt
hergestellten Struktur parallele Mikrostruktur in die Oberfläche 5' einzuarbeiten.
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In
der 2 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt.
An der Trägerscheibe 2 sind
zwei durch Befestigungsmitteln 6 befestigte Werkzeughalter 3a und 3b mit
jeweils einem Werkzeug 4a bzw. 4b befestigt. Die
Werkzeuge 4a und 4b können ein gleichartiges oder
ein unterschiedliches Profil (Schneidkante) aufweisen.
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Die
zu bearbeitende Oberfläche 5' des Substrats 5 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
als konkave Oberfläche
ausgebildet. Dementsprechend bewegt sich die Achse A während des
Bearbeitungsvorgangs relativ zur Oberfläche 5' auf einer zur Oberfläche 5' parallelen
Strecke A'.
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Die 3 zeigt
eine Ansicht eines Werkzeughalters 3, der mittels der Befestigungsmittel 6, beispielsweise
Schrauben, an einem Träger
befestigt werden kann. Außerdem
sind Schrauben 14 vorgesehen, um das Werkzeug 4 zu
justieren und anschließend
zu fixieren.
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Das
Werkzeug 4 wird bei der Justierung und Fixierung zunächst beispielsweise
in einer Richtung x, die einer Ausrichtung eines Schenkels S des
Spanwinkels entspricht, ausgerichtet.
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Die
Ausrichtung in der Richtung x erfolgt im Wesentlichen tangential
zur Rotationsachse A des Trägers 2.
Der Schenkel S des Spanwinkels muss sich nach der Justierung nach
Möglichkeit
mikrometergenau durch die Rotationsachse A der Trägerscheibe 2 erstrecken.
Anschließend
wird durch eine Einstellung des Werkzeugs 4 relativ zum
Werkzeughalter 3 in der Richtung y die Spitzenhöhe der Spitze 4' des Werkzeugs
mikrometergenau relativ zur Substratoberfläche 5' eingestellt.
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Anschließend wird
der Werkzeughalter 3 auf einer der in den 1 und 2 beispielhaft
dargestellten Trägerscheibe 2 fixiert.
Zur mikrometergenauen Anordnung des Werkzeughalters 3 auf
der Trägerscheibe 2 dienen
weitere Anschläge 15a uns 15b.
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In
der 4a ist der untere Teil des Werkzeugs 4 mit
einer Diamantschneide 7 dargestellt, die zum Ausschneiden
einer lang gestreckten zylindrischen Mikrolinse ausgebildet ist.
Die 4b zeigt die Diamantschneide 7 in einer
Seitenansicht.
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Die 5 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Komponente
der Vorrichtung 1, die in den 1 und 2 aus
Gründen
der Übersichtlichkeit weggelassen
wurde. Die Komponente 8 ist eine Abdeckung bzw. ein Deckel,
der eine kreisförmige
Stirnwand 9 und einer sich daran anschließende Mantelfläche 10 aufweist.
In der Mantelfläche 10 ist
eine Aussparung 11 vorgesehen. Durch das Aufsetzen des
Deckels 8 auf die Trägerscheibe 2 erhält die Vorrichtung 1 eine
im Wesentlichen hohlzylindrische gestalt. Die Rotationsachse A entspricht
der zentralen Achse des Zylinders.
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Der
Deckel 8 wird an einer Trägerplatte 2 derart
angeordnet und fixiert, dass er den bzw. die Werkzeughalter 3 abdeckt
und sich das Werkzeug 4 durch die Aussparung 11 erstreckt.
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Darüber hinaus
weist das Deckelteil 8 in Umfangsrichtung größere Hohlräume 12 und
kleinere Hohlräume 13 auf,
die zum Ausgleich einer Unwucht der Vorrichtung 1 selektiv
ausgefüllt
werden können, beispielsweise
durch Einschrauben von Schraube einer bestimmter Größe.
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Darüber hinaus
sorgt das Anbringen des Deckels 8 am Träger 2 dafür, dass
die Entstehung von Luftverwirbelungen bei einer Rotation der Vorrichtung 1 um
die Achse A weitestgehend verhindert wird. Dadurch wird auch das
Auftreten störender
Vibrationen der gesamten Vorrichtung 1 verhindert.
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Die 6 zeigt
eine Frontalansicht einer erfindungsgemäße Vorrichtung 1 und
eines zu bearbeitenden Substrats 5.
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Die
Vorrichtung weist eine Trägerscheibe 2 auf,
die während
der Bearbeitung eines Substrats 5 um eine Achse A rotiert.
Auf der Trägerscheibe 2 ist ein
Deckel 8 mit einer Stirnwand 9 und einer Seitenwand 10 angeordnet.
Durch eine Aussparung 11 in der Seitenwand 10 erstreckt
sich ein Schneidwerkzeug 4.
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Darüber hinaus
weist das Deckelteil 8 Hohlräume 12 auf, die zum
Ausgleichen einer Unwucht selektiv mit Gewichten versehen werden
können.
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Das
Substrat 5 ist im vorliegenden Fall ein Substrat mit im
Wesentlichen flacher, planarer Oberfläche 5'. Während des Bearbeitungsvorgangs
wird der Träger 2 auf
einer Wegstrecke A' relativ
zur Oberfläche 5' des Substrats 5 in
einer Richtung y bewegt, und nach der Fertigstellung einer lang
gestreckten Mikrostruktur um einen Abstand (pitch) in z-Richtung versetzt.
Der Oberflächenbereich 5'' im linken Bereich der Figur ist
bereits bearbeitet und mit Mikrostrukturen versehen. Zur Herstellung
der nächsten Mikrostruktur
wird die Vorrichtung relativ zum Substrat 5 in einer Richtung-x
angehoben und in einer Richtung z tun einen Pitch weiter bewegt.
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Die 7 zeigt
beispielhaft zwei mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 und
dem erfindungsgemäßen Verfahren
bearbeitete optische Elemente 5a und 5b (FDE1
und FDE2). Jedes dieser Elemente weist Mikrostrukturen 5'' in Form lang gestreckter zylindrischer
Mikrolinsen auf, die auf gegenüberliegenden
Seiten um einen Winkel von 90° gedreht
zueinander ausgerichtet sind.
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Insgesamt
bilden die beiden Elemente 5a und 5b ein Rasterelement
zur Homogenisierung des von der Lichtquelle eines Mikrolithographie-Projektionsgeräts auf eine
Maske oder ein Retikel geworfenen Lichtstrahls.