DE1577503C3 - - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feinbearbeiten und Polieren von Oberflächen eines Dielektrikums, bei welchem optisch glatte Oberflächen erzeugt und interferometrisch kontrolliert werden, sowie eine Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens.

Kommunikations- und Erkundungssysteme, welche optische Glieder enthalten, sind grundsätzlich durch zwei Faktoren in ihrer Wirksamkeit begrenzt: Diese Faktoren sind atmosphärische Turbulenzen und Verschmutzung und die Güte des optischen Systems. Atmospärische Störungen können eliminiert werden, indem man geschlossene oder evakuierte Systeme verwendet oder, im Falle astronomischer Beobachtungen, indem man das optische System mittels eines Ballons, einer Rakete oder eines Satelliten an die Grenzen der Atmosphäre bringt. Die Güte eines optischen Systems hängt ab von der wirksamen Apertur des Systems und von der Güte der darin verwandten optischen Glieder. Wenn die Oberfläche eines optischen Gliedes optisch glatt ist, kann es durch Veränderung seiner Kontur nicht mehr verbessert werden; das optische Glied ist dann »beugungsbegrenzt«.

BeugUngsbegrenzte optische Glieder müssen eine Oberfläche besitzen, deren Kontur auf Bruchteile einer Lichtwellenlänge, d. h. auf einige hundert Ängström genau bearbeitet ist. Solche Toleranzen können nicht durch automatische Fertigungsmethoden eingehalten werden.

Beugungsbegrenzte optische Glieder wurden daher bisher von Hand hergestellt. Das ist ein unglaublich langwieriges und kostspieliges Verfahren. Die optischen Glieder werden erst auf den besten verfügbaren Einrichtungen geschliffen und poliert. Darauf werden kleine Flächen an den Gliedern, die über die gewünschte Oberflächengestalt hinausgehen, von Hand wegpoliert. Bei diesem Verfahrensschritt erwärmt sich das optische Glied an der polierten Oberfläche und verzieht sich.

Man muß dann thermisches Gleichgewicht eintreten lassen und die Oberfläche interferometrisch kontrollieren. Die Interferometrie benutzt Lichtwellen, um Oberflächen auf Bruchteile von Wellenlängen des benutzten Lichtes genau zu messen, und liefert im wesentlichen eine Höhenlinienkarte der Oberfläche. Auf diese Weise kann man die Abweichung der Oberfläche von der gewünschten Form auf Bruchteile einer Wellenlänge genau messen. Diese Prozedur muß viele Male wiederholt werden, um die Formung des optischen Gliedes zu vollenden.

Während des letzten Verfahrensschrittes bei der Herstellung einer beugungsbegrenzten Oberfläche wird ein Poliermittel für eine Zeitdauer von unter einem Druck zur Einwirkung gebracht, die von der Erfahrung des Optikers bestimmt sind. Das optische Glied wird somit geformt, indem nacheinander immer kleinere Bruchstücke von der Oberfläche abgetragen werden. Die sich ergebende Oberfläche ist daher im mikroskopischen Bereich regellos gesprungen und gekratzt. Diese Fehler bewirken diffuse Reflexion oder Brechung des Lichts. Das Licht läuft dann nicht mehr auf dem gewünschten Weg durch das optische System und geht entweder verloren oder, was noch schlimmer ist, erzeugt eine diffuse Hintergrundstrahlung, welche den Kontrast vermindert. Diese diffuse Lichtstreuung an der Oberfläche eines optischen Gliedes nimmt mit abnehmender Wellenlänge zu und ist das hauptsächliche Problem in einer Ultraviolettoptik.

Das Verfahren der Feinbearbeitung und des Polierens von Hand setzt das optische Glied großen mechanischen Beanspruchungen aus. Das bedeutet, daß der optische Rohling, aus dem ein solches Glied hergestellt wird, sehr dick und schwer sein muß, um während der Herstellung keine vorübergehenden oder bleibenden mechanischen Verformungen zu erleiden. Infolgedessen beschränkt das Gewicht von optischen Gliedern die Leistung von Flugzeug- und Raumobservatorien.

Saphir-Fenster und -Linsen finden eine wichtige Anwendung durch ihre Lichtdurchlässigkeit im nahen Ultraviolett. Saphire sind sehr spröde, und hohe Anteile der Kosten von Saphir-Elementen sind auf die extreme Sorgfalt zurückzuführen, die bei ihrer Behandlung während der Formung angewandt werden muß. Die mikroskopischen Oberflächenfehler, die während des üblichen Schleifens und Polierens an diesen hervorgerufen werden, sind größer als die, die bei Elementen aus Glas entstehen. Diese Fehler erzeugen starke diffuse Streuungen, die eine erhebliche Begrenzung in optischen Systemen im ultravioletten Spektralbereich darstellt.

Weiterhin können nur einfache optische Konturen wie Kugeln oder Parabeln durch das Schleifen und Polieren nach dem Stand der Technik bis an die Beugungsgrenze gebracht werden. Viele moderne optische Systeme benutzen komplizierte sogenannte asphärische Konturen. Beugungsbegrenzte asphärische optische Glieder können nach den bekannten Verfahren nicht hergestellt werden.

Die Forderungen, die die fortschreitende Entwicklung der Technik an die Präzisionsfertigung vieler Teile stellt, machen sich in ständig verringerten Toleranzen für die verschiedenen Abmessungen bemerkbar. Vorrichtungen, die man als Meßsteine bezeichnet und die genau orientierte und dimensionierte Oberflächen besitzen, sind wichtige Hilfsmittel um sicherzustellen, daß Sollmaße mit der erforderlichen Genauigkeit eingehalten werden. Wegen ihrer Maßhaltigkeit können

strahlenbrechende Dielektrika wie Quarzglas zur Herstellung hochwertiger Meßsteine verwandt werden, falls relativ billige Methoden zur Verfügung ständen, um ihre Oberflächen zu formen und zu dimensionieren.

Viele moderne Maschinen arbeiten bei extremen hohen oder niedrigen Temperaturen. Strahlenbrechende Dielektrika, insbesondere keramische Materialien, werden in zunehmendem Maß bei solchen Maschinen für Lager und Teile verwendet, die in diesen Maschinen mit strömenden Flüssigkeiten in Kontakt kommen, Solche Teile sollten so glatt wie möglich und genau geformt werden, um Reibung und Turbulenz zu vermindern. Bekannte Methoden zum Formen und Polieren dieser Teile sind außerordentlich kostspielig, häufig derart, daß sie ihrer Anwendung im Wege stehen.

Juwelen wie Diamanten, Korunde (Saphire, Rubine usw.) und andere strahlenbrechende Materialien werden nach ähnlichen Methoden geschliffen und poliert wie sie bei der Formung optischer Glieder Verwendung finden. Das »Feuer« von Edelsteinen hängt weitgehend von der Menge des von den Facetten reflektierten statt gestreuten Lichtes ab. Rauh polierte Oberflächen erhöhen die Reibung von Edelsteinlagern. Mikroskopische Oberflächenfehler verringern die Wirksamkeit von edelsteinbesetzten Schneidwerkzeugen, wie Bohrern, Sägen, Ritzstiften od. dgl.

Der Leckwiderstand und die Durchbruchspannung von elektrischen Isolatoren aus strahlenbrechenden Dielektrika wird von Oberflächenfehlern nachteilig beeinflußt. Bei einigen Anwendungen müssen Isolatoren mit genauen Toleranzen bemessen werden.

Die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Oszillators hängt von seiner Dicke ab. Genauere Einhaltung der Dicke von solchen Kristall- und Keramikoszillatoren gestattet eine genauere Einhaltung ihrer Resonanzfrequenz.

Es ist bekannt, Werkstoffe an Werkstücken durch optische oder Teilchenstrahlen (Laser, Elektronen, Ionen) hoher Intensität abzutragen; insbesondere sind Ionenstrahlen dabei zum Bohren kleinster Aperturblenden verwendet worden (Industrie-Anzeiger, Essen; 86.Jg.(1964),Nr.80,S.45).

Es ist ebenfalls bekannt, Einkristalle von Metallen, Gläser und elektronenmikroskopisch zu untersuchende Materialproben durch Behandlung mit Ionenstrahlen an ihrer Oberfläche abzutragen und diesen Vorgang durch Elektronenbeugung, mikroskopisch oder elektronenmikroskopisch zu untersuchen (Brit. J. Applied Phys. 13 (1962), Seiten 194-196).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche es gestattet, strahlenbrechende Dielektrika, insbesondere beugungsbegrenzte optische Glieder ohne das übliche Polieren von Hand besonders genau gezielt zu formen und/oder zu polieren.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß energiereiche positive Ionen Quarz, Glas und andere strahlenbrechende Dielektrika abtragen und dabei eine optisch glatte Oberfläche erzeugen können.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht demgemäß darin, daß durch Bestrahlung das Werkstück mit einem Ionenstrahl an bestimmten Stellen abgetragen wird. Dabei können die Abtragung von Material durch den Ionenstrahl und die interferometrische Kontrolle gleichzeitig oder abwechselnd erfolgen. Der Ionenstrahl kann so gesteuert werden, daß seine Stromdichte an der Oberfläche größer als 5 Mikroampere pro Quadratzentimeter ist, daß seine Intensität mindestens 1 Watt pro Quadratzentimeter beträgt, daß er aus Ionen mit im wesentlichen gleicher Energie besteht und daß er über seinen Querschnitt hinweg im wesentlichen gleiche Stromdichte aufweist. Vorzugsweise ist der Ionenstrahl dabei zu der zu bearbeitenden Oberfläche so orientiert, daß die Ionen unter einem von 90° deutlich verschiedenen Winkel, bevorzugt von 30°, auf die Oberfläche auftreffen. Die Bearbeitung an bestimmten Stellen kann dabei durch Ablenkung des Ionenstrahls relativ zu der zu bearbeitenden Oberfläche oder durch Bewegung der zu bearbeitenden Oberfläche relativ zu dem Ionenstrahl erreicht werden.

Ein solches Verfahren ist nicht nur sehr viel weniger zeitaufwendig als das bekannte Verfahren, sondern besitzt den besonderen Vorteil, daß es die zu bearbeitenden Teile mechanisch und thermisch viel weniger beansprucht, so daß die Ausgangsteile weder besonders massiv gewählt werden müssen noch durch die Behandlung unerwünschte Verformungen erleiden. Weiterhin können nach diesem Verfahren auch asphärische Konturen hergestellt werden. Von ganz besonderem Wert ist jedoch, daß die bearbeiteten Flächen, wahrscheinlich durch lokale Temperaturerhöhung und Diffusionsvorgänge, auch bei sprödem Material wie Saphir frei von von diffuse Lichtstreuungen verursachenden mikroskopischen Sprüngen oder Kratzern bleibt.

Es hat sich ferner gezeigt, daß das erfindungsgemäße Verfahren durch Kohlenstoff beeinträchtigt wird. In weiterer Ausbildung des Verfahrens ist daher vorgesehen, daß die Bestrahlung mit positiven Ionen in einem Vakuum durchgeführt wird, das im wesentlichen frei von Kohlenstoff-Verunreinigungen ist. Dazu kann im Raum mit der zu bearbeitenden Oberfläche während der Bestrahlung eine Oberfläche auf Tieftemperatur gehalten werden.

Zur Vermeidung von elektrischen Entladungen bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckmäßig, die bestrahlte Oberfläche des Werkstückes frei von örtlichen Konzentrationen elektrischer Ladung zu halten. Dazu kann die Oberfläche gleichzeitig mit dem Ionenstrahl von positiven Ionen einem Elektronenstrahl ausgesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ein Dielektrikum von einem der nachstehenden Materialien angewandt werden: Quarz, Quarzglas, Glas, teilweise entglastes Glas, Diamant, Korund, Keramik.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens ist durch einen Ionenstrahlerzeuger, eine Vakuumkammer mit wenigstens einem Eintritt für den Ionenstrahl, eine Werkstückaufnahme in der Vakuumkammer in der Bahn des Ionenstrahls, ein Interferometer, dessen einer Strahlengang durch ein optisches Fenster auf die Oberfläche eines in der Werkstückaufnahme gehalterten Werkstücks gerichtet ist, zur Erzeugung eines beobachtbaren Musters von Interferenzstreifen nach Maßgabe der Oberflächenkontur des Werkstücks und eine Einrichtung zur veränderbaren Lageeinstellung von Ionenstrahl und Werkstück zueinander gekennzeichnet. Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den betreffenden Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 2 eine vergrößerte, teilweise abgeschnittene

Teilansicht eines Teils der Vorrichtung nach F i g. 1,

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 in F i g. 2,
^: F i g. 4 einen vergrößerten Querschnitt eines Teils der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung,

F ig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in F i g. 4,

Fig.6 eine vergrößerte Vorderansicht eines zu bearbeitenden Werkstücks,

F i g. 7 eine Vorderansicht eines anderen zu bearbeitenden Werkstücks ähnlich F i g. 6.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung besteht generell darin, daß Oberflächen von strahlenbrechenden Dielektrika geformt oder poliert werden, indem diese Oberflächen mit Bündeln von energiereichen positiven Ionen bestrahlt werden. Solche Bestrahlung bewirkt bei entsprechender Steuerung eine gleichförmige Abtragung von Material von der bestrahlten Fläche. Es ist vorzuziehen, Bündel von im wesentlichen gleichförmiger Stromdichte zum Feinbearbeiten und Polieren zu verwenden, da solche Bündel das Material gleichförmig an den bestrahlten Stellen abtragen. Man kann jedoch auch ungleichförmige Bündel verwenden; das Bündel wird dann über die zu bearbeitende Oberfläche periodisch hinwegbewegt, wodurch Inhomogenitäten in dem Bündelstrom ausgeglichen werden. Bei der periodischen Bewegung sind Bündel mit leicht veränderlichem Stromquerschnitt vorzuziehen, aber nicht unbedingt erforderlich.

Das Bündel wird über die zu bearbeitende Oberfläche geführt, oder die Oberfläche wird gegenüber dem Bündel bewegt. Diese Bewegung ist ungleichförmig beim Feinbearbeiten, Dimensionieren oder Konturgeben, so daß von einigen Flächenteilen mehr Material abgenommen wird als von anderen, je nach Abweichung der Oberfläche von der gewünschten Form. Die Oberfläche kann interferometrisch überwacht werden. Bei Material mit kleinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfolgt diese Überwachung kontinuierlich, und der Ionenstrahl kann kontinuierlich nach Maßgabe der schon erreichten Materialabnahme verändert werden. Sonst werden die Kontrolle und die Bestrahlung abwechselnd vorgenommen.

Zunächst wurde gefunden, daß in einer optischen Planplatte aus Quarzglas, die einem Ionenstrahl von einem Van-de-Graaff-Beschleuniger mit positiven Ionen von 1,5 bis 2 MeV für die Dauer von ungefähr zehn Stunden ausgesetzt war, eine Vertiefung vom Durchmesser des Ionenstrahls und einer Tiefe von 600 Ängström erzeugt worden war. Der Grund der Vertiefung war von außergewöhnlicher optischer Qualität, wenigstens gleichwertig in seiner Planheit den umgebenden Flächen der Planplatte, aber ohne die mikroskopischen Oberflächenrisse, welche die auf bekannte Weise hergestellten optischen Oberflächen kennzeichnen. Die Planplatte war positiven Ionen ausgesetzt, die von den Elementen Wasserstoff, Helium, Stickstoff und verschiedenen anderen Gasen gebildet werden, die als Verunreinigungen in Vakuumsystemen auftreten.

Es wurden daraufhin Glasoberflächen in der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung feinbearbeitet. Diese Vorrichtung enthält eine Quelle von positiven Ionen, einen Van-de-Graaff-Beschleuniger 20, ein Massenspektrometer 22 mit einem starken elektrischen Feld zur Ablenkung des Ionenstrahls aus dem Beschleuniger 20, eine elektrische Strahlablenkvorrichtung, die generell mit 24 bezeichnet ist, eine elektromagnetische Fokussierungseinrichtung, die generell mit 26 bezeichnet ist, eine Vakuumkammer, die mit 28 bezeichnet ist. Der Beschleuniger 20, das Massenspektrometer 22 und die Fokussierungseinrichtung 26 sind von üblicher Bauart. Die Ablenkvorrichtung 24 ist in Fig.2 im einzelnen dargestellt.

Die Strahlablenkvorrichtung nach F i g. 2 weist ein Metallrohr 30 auf, das ein Paar flache parallele, isolierte Metallplatten 34 enthält. Das Isoliermaterial 32 wird vor dem Ionenstrahl durch eine Metallplatte 35 geschützt. Die parallelen Metallplatten 34, die einen Kondensator bilden, sind über isolierende Vakuumabdichtungen 36 gebräuchlicher Konstruktion mit einer (nicht dargestellten) regelbaren Hochspannungsquelle verbunden. Somit kann der Isolierstrahl aus dem Beschleuniger 20 um einen vorgegebenen Winkel abgelenkt werden, indem an die Platten 34 das erforderliche Potential angelegt wird, oder der Ionenstrahl kann hin- und herbewegt werden, indem an die Platten 34 eine oszillierende Spannung angelegt wird.

Die gesamte Vorrichtung wird über eine Rohrleitung 38, die mit einer nicht dargestellten mechanischen Pumpe verbunden ist, und über eine Rohrleitung 40, die mit einer (ebenfalls nicht dargestellten) Ultrahochvakuumpumpe verbunden ist, evakuiert. Ein Paar Ventile 42 und 44 gestattet den wahlweisen Anschluß an die mechanische Pumpe oder die Ultrahochvakuumpumpe.

In der Leitung 40, die zu der Ultrahochvakuumpumpe

führt, ist wie üblich eine Kühlfalle 46 angeordnet. Man kann eine gebräuchliche Diffusionspumpe benutzen, aber es können auch andere Arten von Ultrahochvakuumpumpen Verwendung finden. Aus Gründen, die weiter unten erläutert werden, ist die Verwendung einer Pumpe vorzuziehen, die keine kohlenstoffhaltigen Materialien benutzt.

Die Vakuumkammer 28. ist mit einem Paar optisch planer Fenster 48 und 50 zur Beobachtung des Werkstücks 68 versehen. Die Beobachtung erfolgt mittels eines Twyman-Green-Interferometers aus einem Laser 52, einem Spiegel 54, einem Strahlenteiler 56, dem Bezugsspiegel 58, einem zweiten Bezugsspiegel 60 und einem Umlenkspiegel 62. Der Strahlengang zwischen dem Laser 52, dem Spiegel 54, dem Strahlenteiler 56 und den Spiegeln 58 und 60 und 62 ist in der Abbildung dargestellt. Das Lichtbündel wird durch den Spiegel 62 auf den Beobachter hin umgelenkt, wo die Interferenzfiguren visuell beobachtet oder photographiert werden können. Das gesamte optische Gerät ist auf einer massiven Grundplatte 63 montiert, um es gegen mechanische Erschütterungen zu isolieren.

Wie aus Fig.4 und 5 ersichtlich ist, ist am zentralen Einlaß der Vakuumkammer 28 eine Elektrode in Gestalt eines isolierten Metallrings 64 angeordnet. Der Ring 64 ist gegenüber dem Ionenstrahl abgeschirmt und wird auf einem elektrischen Potential von -300 Volt gegen die Kammerwandung gehalten. Die Spannung wird von einer (nicht dargestellten) üblichen Gleichspannungsquelle über die Leitung 66 zugeführt. Der Ring 64 verhindert den Eintritt von Elektronen in die Vakuumkammer 28 oder den Austritt von Elektronen aus derselben.

In der Vakuumkammer 28 ist in dem Strahl von positiven Ionen aus dem Beschleuniger 20 ein Werkstück 68 angeordnet. Es wird in einer Werkstückaufnahme gehalten, die durch eine Metallbalgen-Vakuumdichtung 72 hindurch direkt auf der massiven Grundplatte 63 gelagert ist. Die Werkstückaufnahme 70 ist durch übliche Mittel in der Vakuumkammer 28 sowohl drehbar als auch quer gegenüber dem Ionenstrahl aus dem Beschleuniger beweglich.

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In der Vakuumkammer 28 sind eine beheizbare Kathode 74 und eine Anode 76 angeordnet. Die Kathode 74 und Anode 76 sind mit einer (nicht dargestellten) Speisespannungsquelle verbunden, die eine Spannung von ungefähr 300 Volt zwischen diesen herstellt. Ein Heizstrom bewirkt, daß die Kathode 74 Elektronen emittiert. Die angelegte Spannung bewirkt, daß ein Strom von Elektronen mit geringer Energie über die Oberfläche des Werkstücks 68 fließt, der die Ionen des Ionenstrahls nach deren Auftreffen auf das Werkstück 68 und Abgabe ihrer Energie neutralisiert. Diese Neutralisation verhindert örtliche Konzentrationen von positiver elektrischer Ladung auf der Oberfläche und Funkenbildungen, die sich bei deren Auftreten ergeben würden.

Das Werkstück 68 kann sowohl in Transmission als auch in Reflexion durch die Fenster 48 und 50 beobachtet werden. Da jedoch die Vakuumkammer 28 mit dem Beschleuniger 20 verbunden und auf dem Boden des Laboratoriums abgestützt ist, so kann sie hierdurch oder durch andere in dem den Beschleuniger enthaltenden Gebäude angeordnete Einrichtungen Erschütterungen ausgesetzt sein. Ein großer Teil des Einflusses dieser Erschütterungen ist ausgeschaltet, da die Werkstückaufnahme 70 und die anderen optischen Elemente auf der schweren Grundplatte 63 montiert sind. Es hat sich jedoch als wünschenswert erwiesen, auf der Vakuumkammer 28 eine planparallele Platte 78 zu montieren (siehe F i g. 1), die mit den Fenstern 48 und 50 vibriert und den Bezugsstrahl des Interferometers im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Fenster 48 und 50 stört, so daß die Beobachtungen durch die Erschütterungen nicht beeinträchtigt werden.

Der Ionenstrahl kann unterbrochen und der Ionenstrom gemessen werden, indem eine Metallplatte 77 in die Bahn des Ionenstrahls hineingeschwenkt wird. Die Platte 77 ist über einen elektrisch isolierenden Arm 79 mit der Welle 81 einer normalen Drehdurchführung 83 verbunden. Die Platte 77 wird mittels eines Knopfes 85 verschwenkt, der am äußeren Ende der Welle 81 sitzt.

Es hat sich gezeigt, daß das Verfahren bei Anwesenheit vor: Kohlenstoff-Verunreinigungen in der Vakuumkammer 28 nicht wirksam ausgeübt werden kann. Das bedeutet, daß die gesamte Vorrichtung nach Möglichkeit von Kohlenstoff frei gehalten werden muß. Dazu ist die Vakuumkammer 28 mit einer Kühlfalle 80 versehen, die mit flüssigem Stickstoff oder einem anderen Kühlmittel gefüllt ist. Die Kühlfalle 80 besitzt eine Oberfläche, an welcher vagabundierende Kohlenstoffatome beim Auftreffen im allgemeinen haften bleiben. Die Kühlfalle 80 dient auch zur Abführung infraroter Strahlungsenergie und absorbiert erhebliche Anteile der in dem Werkstück erzeugten Wärme und der abgetragenen, schweren Partikeln. Die Kühlfalle 80 wird mittels Rohrleitungen 82 und 84 gefüllt und ist in der Vakuumkammer 28 mit wärmeisolierenden Stützen gehaltert.

Nach der Bearbeitung kann das Werkstück 68 noch durch Vakuumaufdampfung beschichtet werden. Dazu dient eine beheizbare, schematisch dargestellte Materialaufnahme 88, so daß die Vakuumdichtung nicht mehr geöffnet zu werden braucht. Es wird so das Problem vermieden, eine sehr saubere Oberfläche nach der Bearbeitung des Werkstückes 68 zu erhalten, an der die aufgedampfte Beschichtung gut haftet. Die Materialaufnahme 88 kann entweder durch den darauf fokussierten Ionenstrahl oder durch übliche elektrische Mittel beheizt werden.

F i g. 6 zeigt die Auftreffstelle 90 des Ionenstrahls auf die Oberfläche 92 des Werkstücks 68. F i g. 7 zeigt das Muster 94, das erzeugt wird, wenn der Ionenstrahl wiederholt vertikal durch die elektrostatische Ablenkvorrichtung 24 von Fig. 1 abgelenkt wird. Die Breite des Musters 94 und die Größe der Auftreffstelle 90 können durch Veränderung der Fokussierung des Ionenstrahls mittels der elektromagnetischen Fokussierungseinrichtung 26 von F i g. 1 variiert werden, um Flächen unterschiedlicher Größe auf der Oberfläche des Werkstücks 68 zu bearbeiten. Eine zweite Ablenkvorrichtung kann für eine Horizontalablenkung benutzt werden, wodurch dann der Ionenstrahl auf jede gewünschte Stelle der Oberfläche des Werkstückes gelenkt werden kann.

Die Abtragung der Oberfläche 92 kann in dem

Interferometer beobachtet werden. In dem Fall von Quarzglas kann das gleichzeitig mit der Abtragung erfolgen. Jedoch im Falle optischer Gläser mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten wird die Wirkung der Abtragung von der Wirkung der Erwärmung, die durch das Auftreffen des Ionenstrahls auf das Werkstück 68 hervorgerufen wird, überdeckt, die Oberfläche muß abkühlen, bevor die interferometrische Kontrolle durchgeführt werden kann.

Es hat sich gezeigt, daß Protonen gut benutzt werden können. Beispielsweise wurde eine Probe von Quarzglas 4,3 Stunden lang mit 1,6 MeV Protonen bestrahlt, wobei die Stromdichte bei 11 Mikroampere pro Quadratzentimeter lag. Dadurch wurde in dem Quarzglas eine gleichförmige Vertiefung von 1500 Angstrom mit einer optisch glatten Oberfläche erzeugt. Bei einer Stromdichte von 6 Mikroampere pro Quadratzentimeter und 3,25 Stunden Bestrahlungszeit trat keine merkliche Abtragung an dem Werkstück mehr ein.

Die Bestrahlung eines Werkstücks aus Quarzglas mit 1 MeV Protonen bei einer Stromdichte von 12 Mikroampere pro Quadratzentimeter über 3,25 Stunden führte zu einer Abtragung mit einer Tiefe von 2500 Ängström. 0,5 MeV Protonen erzeugten bei einer Stromdichte nicht über 15 Mikroampere pro Quadratzentimeter nach ungefähr 4 Stunden eine 3000 Ängström tiefe Abtragung.

Die Bestrahlung von optischem Glas mit 1 MeV Protonen bei einer Stromdichte von 19 Mikroampere pro Quadratzentimeter für die Dauer von 2,5 Stunden

ergab eine gleichförmige Tiefe von 1125 Ängström. In ähnlicher Weise wurde bei Bestrahlung eines anderen optischen Glases mit 0,5 MeV Protonen und einer Stromdichte zwischen 6 und 8 Mikroampere pro Quadratzentimeter über 2,3 Stunden die Oberfläche

gleichförmig auf einer Tiefe von ungefähr 600 Ängström abgetragen.

Es wird angenommen, daß die gleichförmige Abtragung darauf zurückzuführen ist, daß die Energie der Partikeln so hoch ist, daß diese nicht durch Raumladungen an der Oberfläche oder kristalline Anisotropie an der Oberfläche des Werkstücks abgelenkt werden. Die mittleren Energien des Ionenstrahls sollten daher in der Größenanordnung von 60 000 Elektronenvolt oder höher sein. Eine merkliche, gleichförmige Materialabnahme, ohne Erzeugung von Spannungen, Sprüngen und ohne Änderung des Brechungsindex erfordert eine Energiedichte des Ionenstrahls von mehr als 1 Watt pro Quadratzentimeter (W. Primak, Radiation-Induced Stress Relaxation in Quartz and Vitreous Silicia, J. Applied, Phys. 35 (1964), v. 4. April).

Bei Energiedichten von 10 Watt pro Quadratzentime-

ter, die sich als vollkommen ausreichend für das erfindungsgemäße Verfahren erwiesen hatten, war die bearbeitete Oberfläche der Werkstücke bis zu einem bisher nicht erreichten Grade sowohl plan als auch frei von mikroskopischen Fehlern. .

Ein schräger Einfallswinkel des Ionenstrahls auf die Oberfläche ist meist wirkungsvoller als eine Bestrahlung unter senkrechtem Einfall. Es wurde gefunden, daß mehr Material schneller entfernt wird, wenn der Ionenstrahl unter einem spitzen Winkel auf die Oberfläche auftrifft, Im allgemeinen wird ein Winkel von etwa 30° benutzt. Das ist der spitzeste Winkel, unter welchem mit dem verfügbaren Beschleuniger noch genügend hohe Stromdichten auf die Oberfläche zur Einwirkung gebracht werden konnten.

Die gleichförmige Materialabtragung wird möglicherweise durch die Tatsache begünstigt, daß der benutzte Ionenstrahl sehr gleichförmig in seiner Ionendichte oder seinem Stromquerschnitt ist.

Das Werkstück 68 wurde mit Erfolg feinbearbeitet, indem entweder der Ionenstrahl relativ zur Oberfläche des Werkstückes 68 abgelenkt oder aber das Werkstück 68 gegenüber dem Ionenstrahl bewegt wird, so daß wahlweise verschiedene Flächenteile der Oberfläche mit dem Ionenstrahl abgetragen werden. Diese Bearbeitungsweise konnte erfolgreich mit bekannten Methoden in Wettbewerb treten. Außerdem kann der Ionenstrahl, wie oben beschrieben wurde, fokussiert oder defokussiert werden, so daß der Strahl jede gewünschte Größe relativ zu der zu bearbeitenden Fläche annehmen kann.

Eine gleichförmige Materialabtragung kann dadurch begünstigt werden, daß die Ionen im wesentlichen die gleiche Energie besitzen. Diese Bedingung wird durch den in F i g. 1 dargestellten Impulswähler 22 erfüllt.

Ohne Festlegung auf eine Theorie zum Mechanismus der Abtragung größerer Mengen von dem Werkstück durch Ionenbestrahlung scheint es jedoch so zu sein, daß durch jedes auf die zu bearbeitende Oberfläche auftreffende Ion nur etwa ein Atom abgenommen wird, da im Vergleich zu bekannten Bestrahlungsmethoden Ionenstrahlen mit hohen Strömen und ziemlich lange Bestrahlungszeiten angewandt werden müssen. Die bestrahlte Oberfläche scheint dabei merklich erhitzt zu werden, so daß dadurch absorbierte Ionen aus der Oberfläche herausdiffundieren können, wodurch Spannungen getempert werden, die sich bei der Bestrahlung ergeben. Es erscheint auch einigermaßen wahrscheinlich, daß Leistung und Stromdichte des Ionenstrahls hoch genug sein müssen, um den Atomen der bestrahlten Oberfläche eine allgemeine Beweglichkeit zu erteilen, so daß sie sich kontinuierlich in einer glatten Schicht über die Oberfläche verteilen.

Bei Verwendung sehr starker Ionenstrahlen kann die Beweglichkeit der Oberflächenatome so groß werden, daß ein Abdampfen von Atomen von der Oberfläche und die Entfernung von Atomen durch direkte Kollision mit Ionen des Ionenstrahls möglich wird.

Die oben beschriebenen Versuche zeigen, daß Stromdichten in der Größenordnung von 5 Mikroampere pro Quadratzentimeter oder größer erforderlich sind. Ebenso scheinen Intensitäten von mehr als 1 Watt pro Quadratzentimeter erforderlich zu sein, um gleichförmige Materialabtragungen zu gewährleisten.

An Stelle von Protonenstrahlen können auch andere positiv geladene Ionen benutzt werden. So wurde mit Erfolg ein Ionenstrahl aus einfach ionisierenden Wasserstoffmolekülen (H2⁺) oder aus einfach ionisiertem Neon (Ne⁺) angewandt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (27)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Feinbearbeiten und Polieren von Oberflächen eines Dielektrikums, bei welchem optisch glatte Oberflächen erzeugt und interferometrisch kontrolliert werden, dadurch gekennzeichnet, daß durch Bestrahlung des Werkstücks mit einem Ionenstrahl an bestimmten Stellen Material abgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die interferometrische Beobachtung und die Abtragung von Material durch den Ionenstrahl gleichzeitig erfolgen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die interferometrische Beobachtung und die Abtragung von Material durch den Ionenstrahl abwechselnd erfolgen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bestrahlte Oberfläehe des Werkstücks frei von örtlichen Konzentrationen elektrischer Ladung gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche gleichzeitig mit dem Ionenstrahl von positiven Ionen einem Elektronenstrahl ausgesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl so gesteuert wird, daß seine Stromdichte an der Oberfläche größer als 5 Mikroampere pro Quadratzentimeter ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl so gesteuert wird, daß er an der Oberfläche eine Intensität von wenigstens einem Watt pro Quadratzentimeter besitzt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl aus Ionen mit im wesentlichen gleicher Energie besteht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl über seinen Querschnitt hinweg im wesentlichen gleiche Stromdichte aufweist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl zu der Oberfläche so orientiert wird, daß die Ionen unter einem von 90° deutlich verschiedenen Winkel, vorzugsweise unter einem Winkel von 30°, auf die Oberfläche auftreffen.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mit positiven Ionen in einem Vakuum durchgeführt wird, das im wesentlichen frei von Kohlenstoff-Verunreinigungen ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Raum mit der zu bearbeitenden Oberfläche während der Bestrahlung eine Oberfläche auf Tieftemperatur gehalten wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung an bestimmten Stellen durch Ablenkung des Ionenstrahls relativ zu der zu bearbeitenden Oberfläche erreicht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung an bestimmten Stellen durch Bewegung der zu bearbeitenden Oberfläche relativ zu dem Ionenstrahl erreicht wird.

15. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum von einem der nachstehenden Materialien gebildet wird: Quarz, Quarzglas, Glas, teilweise entglastes Glas, Diamant, Korund und Keramik.

16. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch :

(a) einen Ionenstrahlerzeuger (20,22,24,26),

(b) eine Vakuumkammer (28) mit wenigstens einem Eintritt für den Ionenstrahl,

(c) eine Werkstückaufnahme (70) in der Vakuumkammer (28) in der Bahn des Ionenstrahls,

(d) ein Interferometer (52,54,56,58,60,62), dessen einer Strahlengang durch ein optisches Fenster (50) auf die Oberfläche eines in der Werkstückaufnahme (70) gehalterten Werkstücks (68) gerichtet ist, zur Erzeugung eines beobachtbaren Musters von Interferenzstreifen nach Maßgabe der Oberflächenkontur des Werkstücks und

(e) eine Einrichtung zur veränderbaren Lageeinstellung von Ionenstrahl und Werkstück (68) zueinander

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahlerzeuger eine Ionenquelle, einen Van de Graaff-Beschleuniger (20), ein Massenspektrometer (22) als Impulswähler und eine Fokussierungseinrichtung (26) enthält.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (28) im wesentlichen zylindrisch aufgebaut ist, daß der Ionenstrahl durch einen zentralen Einlaß in einer Stirnfläche derselben axial eintritt, daß die Werkstückaufnahme (70) so angeordnet ist, daß das Werkstück (68) mit seiner Oberfläche unter einem Winkel von 30° zur Kammerachse und zum Ionenstrahl steht und daß das optische Fenster (50) in der Stirnfläche der Vakuumkammer (28) so angeordnet ist, daß der eine Strahlengang des Interferometers (52, 54, 56, 58, 60, 62) durch das Fenster (50) auf die Werkstückoberfläche trifft.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß in der anderen Stirnfläche der Vakuumkammer (28) in dem einen Strahlengang des Interferometers (52, 54, 56, 58, 60, 62) ein weiteres optisches Fenster (48) vorgesehen und dahinter ein zur Achse des einen Strahlengangs senkrechter Referenzspiegel (60) angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer ein Twyman-Green-Interferometer ist, mit einem Laser (52) als Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtbündels, einem Strahlenteiler (56) zur Teilung des Lichtbündels in den einen durch das optische Fenster (50) in die Vakuumkammer (28) geleiteten Strahlengang und in einen anderen Strahlengang, in welchem ein Referenzspiegel (58) senkrecht zur Achse dieses anderen Strahlenganges angeordnet ist, und zur Überlagerung der reflektierten Lichtbündel, so daß ein Muster von Interferenzstreifen entsteht.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Vakuumkammer (28) eine in den anderen Strahlengang eintauchende, in ihrer Wirkung den optischen Fenstern (48, 50) entsprechende planparallele Platte (78) starr verbunden ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der

η Vakuumkammer (28) eine Kühlfalle (80) angeordnet

>, ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch

gekennzeichnet, daß die Werkstückaufnahme (70) in s der Vakuumkammer (28) schwenkbar und translato-

risch bewegbar gehaltert ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionenstrahl durch eine

! strahlablenkende Kondensatorplattenanordnung

(24) geleitet ist, an welche eine variable Spannung anlegbar ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch ι gekennzeichnet, daß in dem zentralen Einlaß für den r Ionenstrahl um den Ionenstrahl herum eine ringförmige, auf negativem Potential liegende Elektrode

) (64) angeordnet ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch 1. gekennzeichnet, daß im Bereich der Werkstückaufnahme (70) in dem Mantel der Vakuumkammer (28) und im wesentlichen diametral einander gegenüberliegend eine elektronenemittierende Kathode (74)

) und eine Anode (76) angeordnet sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vakuumkam-

: mer (28) eine beheizbare Materialaufnahme (88) zur

Aufnahme von Material für die Vakuumbedampfung ! angeordnet ist.