DE10331390A1

DE10331390A1 - Verfahren zur Herstellung von asphärischen optischen Flächen

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Publication number: DE10331390A1
Application number: DE10331390A
Authority: DE
Inventors: Ernst-Dieter Dipl.-Ing. Knohl; Andreas Dipl.-Ing. Frommeyer; Hermann Dipl.-Ing. Schubert
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-01-27
Also published as: US20050018311A1; US7540983B2

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung von asphärischen optischen Flächen von optischen Elementen (1), insbesondere zur Verwendung in der Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterelementen, wird das optische Element (1) in Meniskusform geschliffen. In einem ersten Verfahrensschritt wird das optische Element (1) in eine Grundform (2), welche eine sphärische Grundfläche (3) aufweist, eingebracht. Danach wird in eine Öffnung (5) in der Grundform (2) ein Zwischenmedium (6) zwischen dem optischen Element (1) zusammen mit dem Zwischenmedium (6) aus der Grundform (2) entnommen. Nun wird die sphärische Grundfläche (3) der Grundform (2) in eine zuvor rechnerisch ermittelte asphärische Grundfläche (3') gebracht. Das optische Element (1) wird nun mit dem Zwischenmedium (6) in die Grundform (2) wieder eingebracht, wobei durch Anlegen eines Vakuums das Zwischenmedium (6) an die Grundfläche (3') angesaugt wird. Anschließend wird das aufgrund des anliegenden Vakuums deformierte optische Element (1) an einer Oberfläche (7) sphärisch bearbeitet. Abschließend nimmt nach Aufhebung des Vakuums die Oberfläche (7') eine asphärische Fläche ein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von asphärischen optischen Flächen von optischen Elementen, insbesondere zur Verwendung in der Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterelementen.

Aus der EP 1 022 617 ist ein Verfahren zur Herstellung eines asphärischen Oberflächenprofils auf einer planparallelen Platte, auf welcher ein refraktives Material aufgebracht ist, bekannt. Auf die Platte wird eine dünne Schicht aufgetragen, wobei die Platte danach umgedreht und mit der Schicht auf einen Vakuumtisch aufgelegt und angesaugt wird. Die frei bleibende Oberfläche wird plan poliert. Es entsteht somit eine neue Oberfläche, wobei die Oberfläche von konstanter Dicke ist. Nach Freigeben der Platte wird diese wiederum umgedreht, von dem Vakuumtisch neu angesaugt und plan bearbeitet, wobei das ursprüngliche asphärische Profil entfernt und somit wiederum eine neue Oberfläche geschaffen wird. Nach Entfernen der Platte von dem Vakuumtisch entsteht eine Platte konstanter Dicke mit der gewünschten asphärischen Fläche auf beiden Seiten.

Ein Ungenauigkeitsfaktor dieses Verfahrens ist jedoch, dass kurzwellige und feine Strukturen, die beim Bearbeitungsvorgang auf dem Vakuumtisch erzeugt worden sind, auf die zu bearbeitende planparallele Platte übertragen werden.

Aus der DE 24 41 976 ist ferner eine Haltevorrichtung zur Aufnahme eines Linsenrohlings in einer Maschine zum Schleifen von asphärischen Linsenoberflächen bekannt. Bei der Haltevorrichtung wird die zu bearbeitende Linse in einen Linsenhalter angesaugt, der eine Grundfläche aufweist, die gegensinnig zu der gewünschten asphärischen Linsenoberfläche ausgebildet ist. Die nicht auf der Grundfläche des Linsenhalters aufliegende Fläche der zu bearbeitenden Linse wird plan geschliffen. Mit Entspannung des bearbeiteten Linsenkörpers nimmt die Linsenoberfläche die gewünschte asphärische Form an. Somit werden durch Aktuatoren kraftbeaufschlagte Membrane beim Poliervorgang eingesetzt.

Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass durch die Aktuatoren am Randbereich ein unerwünschter Abtrag resultiert. Die Bearbeitung des Randbereichs einer optischen Fläche ist mit solch einer Membran äußerst schwierig.

Weiterhin ist die Herstellung von asphärischen Linsen bzw. Spiegeloberflächen mittels Abformtechnik allgemein bekannt. Kritisch ist jedoch, dass ein Epoxidharz, welches bei einer derartigen Abformtechnik zum Abbilden verwendet wird, Bestandteil einer optischen Fläche bleibt. Bei der Herstellung von optischen Flächen mit großen Durchmessern ist das Verfahren nicht einsetzbar, da eine "Kräuselung" des Epoxidharzes auftritt und somit die mit diesem Verfahren erzeugten Flächen nicht mehr brauchbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein schnelles und kostengünstiges Verfahren zu schaffen, welches mit hoher Genauigkeit axiale und außeraxiale asphärische Flächen erzeugen kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das optische Element in Meniskusform geschliffen wird, wobei

a) in einem ersten Verfahrensschritt das optische Element in eine Grundform, welche eine sphärische Grundfläche aufweist, eingebracht ist, wonach
b) durch eine Öffnung in der Grundform ein Zwischenmedium zwischen dem optischen Element und der Grundfläche eingebracht wird und anschließend das optische Element zusammen mit dem Zwischenmedium aus der Grundform entnommen wird, wonach
c) die sphärische Grundfläche der Grundform in eine zuvor rechnerisch ermittelte asphärische Grundform gebracht wird, wonach
d) das optische Element mit dem Zwischenmedium in die Grund form eingebracht wird und wobei durch Anlegen eines Vakuums das Zwischenmedium an die Grundfläche gesaugt wird, wonach
e) das aufgrund des anliegenden Vakuums deformierte optische Element an einer freien Oberfläche sphärisch bearbeitet wird und
f) abschließend nach Aufhebung des Vakuums die Oberfläche eine asphärische Fläche einnimmt.

Ausgangspunkt für die optische Bearbeitung ist ein meniskusförmig vorgefrästes optisches Element. An die Oberflächenqualität werden jedoch keine optischen Anforderungen gestellt. Es wird zunächst in den Grundkörper mit Maschinengenauigkeit ein sphärisches Formbett gefräst. Das optische Element wird daraufhin in das Formbett gelegt. Der Hohlraum zwischen dem optischen Element und der Grundform wird mit vorteilhafterweise flüssigem Silikongummi blasenfrei ausgegossen. Dieses Zwischenmedium polymerisiert in wenigen Stunden und wird nach dem Aushärten zusammen mit dem optischen Element aus der Grundform entfernt.

Nun wird in einem zweiten Bearbeitungsschritt mit Maschinengenauigkeit die zuvor berechnete asphärische Grundform in das Formbett gefräst. Wird nun das optische Element zusammen mit der Silikongummischicht in das Formbett gelegt und die Form evakuiert, so entsteht nun das gewünschte System, das bei sphärischer Bearbeitung nach Entspannen die geforderte Asphäre ergibt. Da das Silikongummi perfekt dichtet, gibt es keine Luftverluste und es genügt eine sehr kleine Vakuumpumpe.

In vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass die Asphäre einen Radiusterm, einen Komaterm und einen Astigmatismusterm enthält.

Diese Terme verhalten sich orthogonal, was bedeutet, sie beeinflussen sich nicht gegenseitig. Der Radiusterm, der letztendlich in die optische Fläche eingebracht wird, wird so gewählt, dass sich für Koma- und Astigmatismusterm ein minimaler Abtrag ergibt. Außerdem soll darauf geachtet werden, dass in der Grundform keine Zugkräfte auftreten.

Durch die Anwendung des Verfahrens wird die Bearbeitungszeit erheblich verkürzt und es entstehen extrem glatte Flächen. Da das optische Element keinen Überlauf besitzt, kann jedes optische Element gegen das Zentrum im Gesamtsystem interferometrisch geprüft werden, was bedeutet, dass die einzelnen optischen Elemente auf einen gemeinsamen Fokus hin zentriert werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispiel.
In den 1a bis 1f sind die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung einer außeraxialen asphärischen Fläche dargestellt.
In einem ersten Schritt (1a) wird ein optisches Element 1, beispielsweise ein Spiegel, welcher aus Zerodur mit beliebiger Berandung hergestellt wird, auf beiden Oberflächen sphärisch bearbeitet. Im zweiten Schritt (1b) wird in einer Grundform 2, welche aus Metall bestehen kann, auf einer CNC-Maschine mit Maschinengenauigkeit ein Formbett gefräst, dessen Grundfläche 3 sphärisch ausgebildet wird.
Der Spiegel 1 wird danach im Schritt (1c) auf Abstandshaltern 4 in das Formbett eingebracht. Durch eine Öffnung 5 wird Silikongummi 6 in den Hohlraum zwischen dem Spiegel 1 und der Grundfläche 3 eingebracht, wobei besonders darauf geachtet werden sollte, dass dieser Zwischenraum blasenfrei ausgegossen wird. Die Silikongummischicht 6 polymerisiert in nur wenigen Stunden. Nach dem Aushärten der Silikongummischicht 6 wird der Spiegel 1 zusammen mit der Silikongummischicht 6 aus der Grundform 2 entnommen, wobei die Abstandshalter 4 ebenfalls aus der Grundform 2 und aus der Silikongummischicht 6 entfernt werden.
Weiterhin wird in einem Schritt (1d) mit Maschinengenauigkeit die mit Finite-Elemente-Methoden vorausberechnete asphärische Fläche in die zuvor sphärische Grundfläche 3 eingebracht. Bei der Auslegung der Formbettgeometrie sind vier freie Parameter, mit denen die gewünschte Asphäre bestimmt werden kann, notwendig. Zum einen sind es die Steifigkeit des optischen Elementes 1, die Shorehärte der Silikongummischicht 6, die Dicke der Silikongummischicht 6 und zu anderen der Überhöhungsfaktor für die Koma und der Astigmatismusfunktion. Bei der Auslegung, die mit Hilfe von Finite-Elemente-Modellsimulationen durchgeführt wird, wird der Überhöhungsfaktor möglichst groß gewählt, da dementsprechend die Genauigkeitsanforderungen an das Formbett beziehungsweise an die Grundfläche 3' reduziert werden können.
Wenn die Werkstoffparameter für den Silikongummi 6 nicht hinreichend genau bekannt sind, kann eine Feinkalibrierung in der Form vorgenommen werden, dass in einem ersten Schritt nur der Komaterm erzeugt wird und in einem zweiten Schritt die Koma und der Astigmatismus perfekt eingestellt werden. Dies ist möglich, da es sich um orthogonale Funktionen handelt.
Nach der Bearbeitung der Grundfläche 3' der Grundform 2 wird nun der im Silikongummi 6 eingebettete Spiegel 1 in die Grundform 2 wieder neu eingebracht (1e). Durch Anlegen eines Vakuums, wobei die noch vorhandene Luft zwischen der Silikongummischicht 6 und der Grundfläche 3' durch die Öffnung 5 abgesaugt wird, wird die Silikongummischicht 6 direkt an die Grundfläche 3' der Grundform 2 angepaßt. Durch das nun entstandene Vakuum wirkt auf der freien Oberfläche 7 des Spiegels 1, welche von der Seite mit der Silikongummischicht 6 abgewandt ist, ein atmosphärischer Anpreßdruck von 1 bar.
Durch das Einbringen der Silikongummischicht 6 wird erreicht, dass nur die großwelligen Deformationen der Grundfläche 3' auf die zu bearbeitende Spiegeloberfläche 7 übertragen werden. Kurzwellige und feine Strukturen, die beim Bearbeitungsvorgang mit der CNC-Maschine in der Grundfläche 3 erzeugt worden sind, werden aufgrund der Elastizität des Silikongummis 6 nicht auf die zu bearbeitende Spiegeloberfläche 7 übertragen. Solche Strukturen würden insbesondere dann entstehen, wenn asphärische Oberflächen durch punktuelle Nachbearbeitung erzeugt werden.
Nun wird der durch das Vakuum deformierte Spiegel 1 an seiner Oberfläche 7 durch Läppen und Polieren sphärisch bearbeitet. Die sphärische Linsenoberfläche 7 wird vorzugsweise durch großflächige Werkzeuge hergestellt, was bedeutet, dass hohe Abtragsraten, kein Überlauf und beliebige Berandungen des Spiegels 1 möglich sind. Der entstandene Radius kann nun einfach mit einem Sphärometer oder auch mit einem Probeglas geprüft werden.
Nach Aufheben des Unterdruckes nimmt die Spiegeloberfläche 7 die gewünschte asphärische Sollform ein und kann aus der Grundform 2 entfernt werden (Schritt f, gemäß 1f).
Des weiteren kann zur Feinbearbeitung der asphärischen Oberfläche 7 ein Ionenstrahlätzverfahren eingesetzt werden, wodurch eine nochmals höhere Genauigkeit der asphärischen Spiegeloberfläche 7 erreicht wird.
Bei Verwendung von Linsen anstatt von Spiegeln muß die Silikongummischicht 6, welche auch hier als Trennmittel agiert, durch geeignete Abreinigungsverfahren entfernt werden.
Zweck der Silikongummischicht 6 ist es, die kurzwelligen Formfehler von der optischen Oberfläche 7 zu entkoppeln, so dass die Form nur auf wenige Zehntel Millimeter genau sein muß, um auf der optischen Oberfläche 7 eine Micrometer-Genauigkeit zu erreichen.
Vorteilhafterweise kommt es nach Bearbeitung der Flächen und nach Herausnehmen des Spiegels 1 aus der Grundform 2 zu keinerlei Warping, welches durch Verdrehen der Oberfläche 7 nach dem Schneiden des Spiegels 1 auf ein Endmaß entsteht. Weiterhin führt dieses Verfahren zu keiner gerippelte Oberfläche.
Außerdem ergibt sich ein erheblicher Vorteil für die interferometrische Prüfung der außeraxialen optischen Elemente, da diese, da kein Überlauf vorhanden ist, zu einem zentralen Refe-renzelement justiert und absolut interferometrisch vermessen werden können.
Das Spiegelelement 1, welches nur ein Teil eines wesentlich größer ausgebildeten Gesamtspiegels ist, kann mit diesem Verfahren axiale oder auch außeraxiale asphärische Oberflächen besitzen.
Es ist auch möglich, dass asphärische Linsen, beispielsweise für Photoobjektive oder für Brillen, mit diesem Verfahren hergestellt werden können.
Das Verfahren stellt eine schnelle, wirtschaftlich und einfach zu prüfende asphärische Oberfläche dar.

Claims

Verfahren zur Herstellung von asphärischen optischen Flächen von optischen Elementen, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element vorgeschliffen wird, wobei a) in einem ersten Verfahrensschritt das optische Element (1) in eine Grundform (2), welche eine sphärische Grundfläche (3) aufweist, eingebracht wird, wonach b) durch eine Öffnung (5) in der Grundform (2) ein Zwischenmedium (6) zwischen dem optischen Element (1) und der Grundfläche (3) eingebracht wird, und anschließend das optische Element (1) zusammen mit dem Zwischenmedium (6) aus der Grundform (2) entnommen wird, wonach c) die sphärische Grundfläche (3) der Grundform (2) in eine zuvor rechnerisch ermittelte asphärische Grundfläche (3') gebracht wird, wonach d) das optische Element (1) mit dem Zwischenmedium (6) in die Grundform (2) wieder eingebracht wird und wobei durch Anlegen eines Vakuums das Zwischenmedium (6) an die Grundfläche (3') angesaugt wird, wonach e) das aufgrund des anliegenden Vakuums deformierte optische Element (1) an einer freien Oberfläche (7) sphärisch bearbeitet wird und f) abschließend nach Aufhebung des Vakuums die Oberfläche (7') ein asphärische Fläche einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Optische Element in Meniskusform geschliffen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in der Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterelementen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein aushärtbares Material als Zwischenmedium verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenmedium (6) Silikongummi verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Asphäre (7) einen Radiusterm, einen Komaterm und einen Astigmatismusterm enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Asphäre (7) axial oder außeraxial erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (1) auf Abstandshaltern (4) in die Grundform (2) eingebracht wird, wonach das Zwischenmedium (6) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionierung des Zwischenmediums (6) und die Geometrie der Grundfläche (3') durch Modellsimulation nach Finite-Elemente-Methoden bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die freie Oberfläche (7) durch Läpp- und Polierverfahren sphärisch bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feinbearbeitung der asphärischen Oberfläche (7') mit Ionenstrahlätzverfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Element (1) ein Spiegel verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (1) aus Zerodur mit undefinierter Berandung gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Element (1) eine Linse verwendet wird.