DE19855455A1 - In-Situ-Meßtechniksystem und -verfahren - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Feld der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Oberflächenendbearbeitungs­ maschinen, und besonders bezieht sie sich auf ein Verfahren und einen Apparat für die Messung einer eindimensionalen Charakte­ ristik eines Werkstücks an Ort und Stelle, während das Werkstück auf einer Oberflächenendbearbeitungsmaschine positioniert ist, und selbst dann, wenn es poliert oder anderweitig durch die Ober­ flächenendbearbeitungsmaschine endbearbeitet wird. In einer bestimmten, bevorzugten Ausführungsform werden Unterschiede der optischen Dicke des Werkstücks durch ein Interferometer gemessen, und diese Messungen werden dazu benutzt, den Endbearbeitungs­ prozeß zu steuern, um eine gewünschte Abmessungscharakteristik des Werkstücks zu erhalten.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Oberflächenendbearbeitungsmaschinen werden in zahlreichen Anwendungen für das Polieren, Schleifen oder anderweitige Bear­ beiten von einer oder mehrerer Oberflächen von Werkstücken benutzt, die aus Glas, Silizium, Metallen, Keramiken, u.s.w. gefertigt sind. Eine Oberflächenendbearbeitungsmaschine kann eingerichtet werden, um ein Werkstück auf eine gewünschte Dicke, auf die Qualität durchgelassener Wellenfronten, auf eine gewünschte Ebenmäßigkeit und/oder auf ein gewünschtes Profil zu bringen.

Ein Typ einer Oberflächenendbearbeitungsmaschine, auf welche die Erfindung besonders (aber nicht ausschließlich) angewendet werden kann, ist ein Ringpolierer. Ein Ringpolierer, manchmal auch als ein Crane-Polierer, eine Läppmaschine, eine Planeten­ poliermaschine oder eine kontinuierliche Poliermaschine bekannt, wird durch einen großen, sich drehenden Drehteller, der eine obere Werkoberfläche darstellt, oder ein Läppvlies charakteri­ siert, das durch einen Kreisring aus Pech gebildet wird. Entweder direkt auf dem oder etwas über dem Läppvlies sind eine Vielzahl von Bearbeitungsringen angeordnet, die mittels Rollen zu Dreh­ bewegungen angetrieben werden. Mindestens eine Bearbeitungs­ station liegt im Inneren eines jeden Bearbeitungsrings für die Aufnahme eines Werkstücks. Ein großes, flaches Abrichtwerkzeug ist auf der Oberfläche des Läppvlieses angeordnet und kann gedreht und radial verschoben werden, um die Ebenmäßigkeit des Läppvlieses einzustellen.

Während der Benutzung wird ein Werkstück in einer zugeord­ neten Bearbeitungsstation (d. h. innerhalb eines zugeordneten Bearbeitungsrings) abgelegt, das Läppvlies wird mit einer Auf­ schlämmung geflutet, die Polierkörper oder Endbearbeitungskörper enthält, und der Drehteller wird in Drehbewegung versetzt, wodurch die Bearbeitungsringe ebenfalls in eine Drehbewegung gebracht werden. Das Werkstück bewegt sich mit den Bearbeitungs­ ringen über das Läppvlies mit einer Winkelgeschwindigkeit, die synchron mit der Geschwindigkeit des Läppvlieses ist, so daß die über die Zeit gemittelte Relativgeschwindigkeit zwischen dem Läppvlies und jeder Stelle auf der Bearbeitungsoberfläche des Werkstücks konstant bleibt. Die relative Bewegung zwischen dem Werkstück und dem Läppvlies poliert die vordere Oberfläche des Werkstücks über einen chemo-mechanischen Abrieb durch die Schleifkörper der Aufschlämmung.

Der Polierprozeß muß sorgfältig überwacht und gesteuert wer­ den, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Wenn das Werk­ stück z. B. ein Glaselement für die Verwendung als ein Element mit optischer Qualität ist, muß die Topografie der vorderen oder Bearbeitungsoberfläche auf eine bestimmte Ebenmäßigkeit und ein bestimmtes Profil innerhalb einer Toleranz unterhalb eines Mikron eingehalten werden. Um diesen Grad der Polierpräzision zu errei­ chen, müssen die Wirkungen der Polieroperation auf die Bearbei­ tungsoberfläche sorgfältig überwacht werden, und die Operation des Ringpolierers oder einer anderen Oberflächenendbehandlungs­ maschine muß angepaßt werden, wenn das Profil der Bearbeitungs­ oberfläche vom gewünschten Profil abweicht.

Die Überwachungs- und Anpassungsoperationen sind arbeits­ intensiv, iterativ und zeitraubend. Zuerst muß mindestens ein Werkstück (im Folgenden ein Probewerkstück genannt) vom Ring­ polierer zwecks Test entfernt werden. Dann muß der Maschinen­ bediener zum Erreichen eines akkuraten Meßwertes des Profils des Probewerkstücks im eingeschwungenen Zustand eine bestimmte Zeit­ dauer nach dem Entfernen des Werkstücks vom Ringpolierer abwar­ ten, damit das Werkstück dimensionale Ausgeglichenheit erreicht. Diese Ausgleichszeitdauer hängt von dem Material und den Abmes­ sungen des Elements ab, aber kann typisch zwischen 5 Minuten und einer Stunde oder mehr schwanken. Diese Verzögerung ergibt sich aus der Tatsache, daß ein Probewerkstück ursprünglich hinsicht­ lich seiner isothermischen Form verzerrt ist, wenn es von Ring­ polierer entfernt wird, wegen 1) einer thermischen Ausdehnung aufgrund von Hitze, die durch die Reibung während des Polier­ prozesses erzeugt wird, und 2) einer thermischen Verzerrung aufgrund einer Flüssigkeitsverdunstung vom Probewerkstück. Falls dann die Bearbeitungsfläche des Werkstücks konkaver oder konvexer als gewünscht ist (wodurch angezeigt wird, daß das Läppvlies konvexer oder konkaver als gewünscht ist), muß der Bediener die radiale Position des Abrichtwerkzeugs relativ zum Läppvlies um einen geschätzten Betrag zur Kompensation dieses Effektes ein­ richten, das Probewerkstück zurück auf seine Bearbeitungsstation bringen und darauf warten, daß das Werkstück eine Zeit lang poliert wird, die ausreichend ist, daß die Wirkung der Bearbei­ tungsprozeßeinrichtung sich auf der Bearbeitungsfläche des Werk­ stücks niederschlägt. Diese Zeitdauer schwankt ebenfalls, aber kann typisch bis zu zwei Stunden lang sein. Das Probewerkstück muß dann vom Ringpolierer wiederum entfernt werden, es muß ihm Zeit gegeben werden, den ausgeglichenen Zustand zu erreichen, und es muß gemessen werden, um die Wirkung der vorherigen Einrichtung des Endbearbeitungsprozesses sicherzustellen. Die Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt des Entfernens des Werkstücks vom Ring­ polierer für topografische Messungen und dem Zeitpunkt, an dem der Bediener von den Wirkungen der sich aus den Messungen beim Polierprozeß ergebenden Einrichtung Kenntnis erlangt, kann drei Stunden oder mehr erreichen.

Selbst der geschickteste Bediener kann nicht mit Sicherheit die Auswirkungen vieler typischer Einstellungen der Endbearbei­ tungsmaschinenoperationen vorhersagen. Einstellungen gehen typi­ scher Weise über den gewünschten Effekt hinaus oder bleiben darunter, so daß z. B. ein Werkstück, das bei-n Anfangstest zu kon­ vex war, nach der Einstellung und nachfolgendem Test zu konkav geworden ist. Folglich müssen Messungen und Einstellungen abwech­ selnd durchgeführt werden. Zehn bis zwanzig Iterationen werden typischer Weise für das Polieren eines Präzisionsglaswerkstücks zur Verwendung als optisches Qualitätselement benötigt. Da jede Iteration drei Stunden oder mehr braucht, kann die Gesamtdauer für den Polierprozeß dreißig bis sechzig Stunden und sogar noch länger betragen. Da die meisten Zwischenbearbeitungsoperationen, wie etwa Schleifen, in der Lage sind, einen Oberflächeneben­ mäßigkeitsfehler in der Größenordnung einiger weniger Mikron zu erreichen, und die Beseitigungsrate in der Endbearbeitung in der Größenordnung von einem Mikron pro Stunde liegt, ist nur ein kleiner Prozentsatz der Endbearbeitungszeit - typisch etwa zwei bis drei Stunden - erforderlich, um die gewünschte Ebenmäßigkeit zu erreichen. Deshalb würde ein Polierprozeß nicht mehr als zwei bis drei Stunden benötigen, falls er niemals eine Anpassung ver­ langt oder falls eine Anpassungsrückwirkung unmittelbar erreicht wird, anstatt das Zehn- oder Zwanzigfache dieser Zeit oder mehr einzunehmen.

Der oben beschriebene iterative Polierprozeß kann in einigen Fällen durch Benutzung einer sogenannten Überwachungsprobe ("monitor plug") oder einer Zeugenprobe ("witness sample") für Testzwecke beschleunigt werden. Eine Überwachungsprobe ist typisch ein Werkstück, das sehr stabil und nicht so empfindlich bezüglich Temperaturänderungen ist als das andere, wirkliche Werkstück, das gleichzeitig in anderen Bearbeitungsstationen poliert wird. Falls die Überwachungsprobe auf das gewünschte Profil mit einigen Spezifikationen gehalten wird, kann der Bedie­ ner durch periodisches Messen des Profils der Überwachungsprobe eine gewisse Sicherheit erlangen, daß die wirklichen Werkstücke in den anderen Bearbeitungsstationen im Wesentlichen dasselbe Profil haben. Folglich gibt es nicht die Notwendigkeit, jedes Werkstück jedesmal zu messen. Jedoch ist immer noch ein itera­ tiver Meß- und Einstellungsprozeß erforderlich, und selbst die Überwachungsprobe benötigt Zeit, um in jedem Meßzyklus den dimen­ sionalen Ausgleichszustand zu erreichen, bevor sein Profil gemessen werden kann.

Der oben beschriebene, iterative Polierprozeß könnte drama­ tisch beschleunigt werden, falls Profilmessungen in situ (d. h. während ein Werkstück gerade auf einem Ringpolierer oder einer anderen Oberflächenendbearbeitungsmaschine bearbeitet wird) erreicht werden, weil kein Bedarf für das Entfernen des Werk­ stücks von der Oberflächenendbearbeitungsmaschine und für die Wartezeit zum Erreichen des dimensionalen Ausgleichszustands vor der Messung besteht.

Eine Technik für in-situ-Meßwesen ist offengelegt in "Exten­ ding the Accuracy and Precision of In-Situ Ultrasonic Thickness Measurements", Dunn and Cerino, American Society for Precision Engineering, 1995 Proceedings, Band 12, (dem Dunn-und-Cerino- Aufsatz). Der Dunn-und-Cerino-Aufsatz schlägt Ultraschall-Dicken- Messungen vor, um ein Präzisionsmanagement der Materialabtragung zu erreichen. Eine Vielzahl von Ultraschallköpfen werden auf der hinteren Oberfläche oder der unbearbeiteten Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks angebracht. Jeder dieser Meßköpfe gibt einen Schallimpuls aus, der durch die Dicke des Werkstücks und zurück zum Meßkopf wandert. Messungen der Laufzeit werden dann benutzt, um die Dicke des Werkstücks an den Stellen der Meßköpfe zu messen.

Die Ultraschall-Dicken-Messungen in dem Dunn-und-Cerino-Auf­ satz haben Nachteile, die ihr Auflösungsvermögen begrenzen und sie für Anwendungen für optische Linsen und viele andere Anwen­ dungen unpraktisch werden lassen, in denen eine außerordentlich hohe Präzisionsoberflächenendbearbeitung erforderlich ist. Z. B. kann eine Dickenmessung nur an den Stellen der Meßköpfe erreicht werden, und es ist unpraktisch oder gar unmöglich, die gesamte Oberfläche eines Werkstücks mit Meßköpfen abzudecken. Deshalb kann die optische Dicke nur an den Stellen der Meßköpfe gemessen werden und muß für andere Stellen geschätzt werden. Verunreini­ gungen, Hohlräume u.s.w. können in Werkstücken vorliegen, die sie inhomogen machen. Die Inhomogenitäten beeinflussen nachteilig die aus den Laufzeitmessungen abgeleiteten Dickenmessungen. Diese und andere Nachteile der in dem Dunn-und-Cerino-Aufsatz offengelegten Ultraschall-Dicken-Messungen begrenzen das Auflösungsvermögen dieser Technik auf etwa ein bis zwei Mikron. Dieses Auflösungs­ vermögen ist für viele Anwendungen viel zu niedrig.

Eine andere Unzulänglichkeit konventioneller Ringpolierer und anderer Oberflächenendbearbeitungsmaschinen ist ihre Unfähigkeit, eine thermische Verformung eines Werkstücks zu verhindern. Wie oben beschrieben, kann das Werkstück während der Endbearbeitung aufgrund von Reibung mit dem Schleifkörpern oder anderen Bearbei­ tungselementen oder -medien eine thermische Ausdehnung erleiden. Außerordentliche thermische Ausdehnung ist unerwünscht, weil das Gewicht des Werkstücks sich bei Verwerfung der vorderen Ober­ fläche des Werkstücks aufgrund thermischer Ausdehnung nicht gleichmäßig über die vordere Oberfläche verteilt. Diese ungleich­ mäßige Gewichtsverteilung führt zu ungleichmäßigem Abtrag während der Endbearbeitungsoperation.

Um die abträglichen Effekte der thermischen Ausdehnung auf einen Polier- oder anderen Endbearbeitungsprozeß zu begrenzen, ist es wünschenswert, Messungen einzubeziehen, um die Temperatur­ differenz über ein Werkstück auf akzeptablen Niveau zu halten. Z.B. könnte ein Ringpolierer eine Temperatursteuerung in sein Aufschlämmungsversorgungssystem einbeziehen, die in der Lage ist, die Temperatur der über das Läppvlies fließenden Aufschlämmung als Reaktion auf Signale von auf dem Läppvlies angeordneten Temperatursensoren anzupassen. Jedoch sind gegenwärtig erhält­ liche thermische Sensoren nicht in der Lage, eine ausreichend akkurate Anzeige des Temperaturdifferential über das Werkstück abzugeben, um eine präzise Steuerung der Aufschlämmungstemperatur zu ermöglichen.

Ziele und Zusammenfassung der Erfindung

Es ist deshalb ein grundsätzliches Ziel der Erfindung, in­ situ-Messungen auf einem Werkstück in Bearbeitung auf einer Ober­ flächenendbearbeitungsmaschine durchzuführen.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, einen Prozeß vorzu­ sehen, der das erste grundsätzliche Ziel erfüllt, der Schwankun­ gen der optischen Dicke eines Werkstücks erkennt, und der diese erkannten Schwankungen benutzt, um die Topografie der Bearbei­ tungsoberfläche des Werkstücks zu bestimmen.

In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der Erfindung werden diese Ziele erreicht durch Vorsehen eines Verfahrens zur Endbearbeitung eines Werkstücks, das einschließt: 1) Unterziehen mindestens einer Oberfläche des Werkstücks einem Endbearbeitungs­ prozeß in einer Endbearbeitungsmaschine und 2) Messen einer dimensionalen Charakteristik des Werkstücks während des Bearbei­ tungsprozesses. Der Meßschritt verwendet ein Interferometer und wird ausgeführt, während das Werkstück in der Endbearbeitungs­ maschine ist und vorzugsweise (aber nicht notwendigerweise) während das Werkstück bearbeitet wird.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzu­ sehen, das mindestens das erste grundsätzliche Ziel der Erfindung erreicht und das Meßergebnisse als Eingaben in ein Steuerungs­ system benutzt, welches automatisch die Betriebsparameter einer Oberflächenendbearbeitungsmaschine beibehält oder anpaßt, um so eine gewünschte dimensionale Charakteristik des Werkstücks zu erlangen. Diese Anpassung kann beinhalten, die Endbearbeitungs­ operation nach der Bestimmung zu beenden, daß das Werkstück die gewünschte dimensionale Charakteristik aufweist.

Falls z. B. die Endbearbeitungsmaschine ein Ringpolierer mit einem Drehteller, einem auf dem Drehteller angeordneten Läppvlies und einem rotierenden Abrichtwerkzeug ist, welches von dem Läpp­ vlies getragen wird und welches radial bezüglich des Drehtellers verschieblich ist, um ein Profil des Läppvlieses zu verändern, kann der Anpassungsschritt die Veränderung der Position des Abrichtwerkzeugs radial relativ zum Drehteller enthalten, um das Profil des Läppvlieses zu verändern.

Ein noch anderes Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren vorzusehen, das mindestens das erste Ziel der Erfindung erfüllt, und das die Meßergebnisse dazu benutzt, eine Temperaturdifferenz über das Werkstück zu berechnen.

In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung wird dieses Ziel erreicht durch: 1) Messen der thermischen Ver­ formung des Werkstücks unter Benutzung der Ergebnisse des Meß­ schritts und 2) Bestimmen einer Temperaturdifferenz über das Werkstück aus der gemessenen thermischen Verformung. Das Tempe­ raturdifferential kann dann reduziert oder beseitigt werden, d. h. durch Verändern der Temperatur einer Aufschlämmung, die durch die Endbearbeitungsmaschine zirkuliert.

Ein zweites grundsätzliches Ziel der Erfindung ist es, ein System vorzusehen, das eine Oberflächenendbearbeitungsmaschine und ein zugeordnetes Interferometer enthält, das in der Lage ist, in-situ-Messungen an Werkstücken zu machen, die gerade durch die Oberflächenendbearbeitungsmaschine bearbeitet werden.

In Übereinstimmung mit einem noch anderen Aspekt der Erfin­ dung wird dieses Ziel erreicht durch Vorsehen einen Systems, das enthält: 1) eine Endbearbeitungsmaschine mit einer Bearbeitungs­ station zur Aufnahme eines Werkstücks, das einer Endbearbeitungs­ operation ausgesetzt wird, und 2) ein Interferometer, das bezüg­ lich der Bearbeitungsstation positioniert ist, um so die in-situ- Messungen an dem in der Bearbeitungsstation plazierten Werkstück durchzuführen.

Eine Steuerung ist vorzugsweise vorgesehen, die mit dem Interferometer verbunden ist, und die ein Ausgangssignal als Reaktion auf den Betrieb des Interferometers erzeugt. Das Aus­ gangssignal kann ein von Menschen unterscheidbares Signal sein, das eine dimensionale Charakteristik wie etwa das Profil dar bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks anzeigt. Alternativ kann das Ausgangssignal ein Steuerungssignal sein, das mindestens einen Betriebsparameter der Endbearbeitungsmaschine steuert. Falls die Endbearbeitungsmaschine ein Ringpolierer ist, kann die Steuerung elektronisch mit dem Abrichtwerkzeug des Ringpolierers gekoppelt sein und bewirken, daß die radiale Position des Abrichtwerkzeugs relativ zum Drehteller aufgrund der vom Inter­ ferometer empfangenen Signale automatisch verändert wird.

Die Steuerung kann auch unter Benutzung von Signalen des Interferometers arbeiten, um eine Temperaturdifferenz über das Werkstück zu bestimmen, und so automatisch dafür zu sorgen, daß das Aufschlämmungsversorgungssystem des Ringpolierers die Tem­ peratur der durch das Versorgungssystem zirkulierten Aufschläm­ mung verändert, um die Temperaturdifferenz über das Werkstück zu reduzieren oder zu beseitigen.

Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden den in der Technik Bewanderten aus der folgenden detail­ lierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen verständ­ licher werden. Es ist jedoch zu verstehen, daß-die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, die bevorzugte Ausfüh­ rungsformen der vorliegenden Erfindung anzeigen, zwecks Veran­ schaulichung und nicht zwecks Begrenzung angeführt werden. Viele Veränderungen und Modifikationen können innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung gemacht werden, ohne von ihrem Geist abzu­ weichen, und die Erfindung schließt alle solche Modifikationen ein.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Eine bevorzugte, beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile darstellen, und in denen:

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Oberflächen­ endbearbeitungsmaschine und eines zugeordneten in-situ-Meßsystems ist, das in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung konstruiert ist;

Fig. 2 eine schematische Aufsicht einer Oberflächenendbear­ beitungsmaschine und eines Abschnitts des in-situ-Meßsystems von Fig. 1 ist;

Fig. 3 schematisch ein Steuerungssystem der Oberflächenend­ bearbeitungsmaschine und des in-situ-Meßsystems von Fig. 1 und 2 darstellt;

Fig. 4 schematisch erste und zweite Oberflächenreflexionen eines Werkstücks veranschaulicht, das unter Benutzung der Ober­ flächenendbearbeitungsmaschine und des in-situ-Meßsystems von Fig. 1 und 2 den in-situ-Messungen ausgesetzt ist;

Fig. 5A bis 5H schematische Darstellungen von Fizeau-Inter­ ferogrammen sind, welche in situ während einer Oberflächenpolier­ operation gewonnen wurden, die in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch­ geführt wurde;

Fig. 6 ein Flußdiagramm eines Prozesses für die automatische Anpassung einer Endbearbeitungsoperation über eine geschlossene Schleife ist, welche die in-situ-Meßergebnisse als Steuerungs­ signale für den Endbearbeitungsprozeß benutzt;

Fig. 7 schematisch die thermische Verformung eines flachen, kreisförmigen Werkstücks veranschaulicht; Fig. 8A, 8B, 9A, 9B und 10A, 10B die Entwicklung bei der Ver­ formung eines Werkstücks veranschaulichen, während es unter der Einwirkung eines axialen Temperaturdifferentials endbearbeitet wird; und

Fig. 11 ein Flußdiagramm eines Prozesses für die automatische Steuerung der Aufschlämmungstemperatur einer Endbearbeitungs­ maschine ist, die in-situ-Meßergebnisse als Steuerungssignale für den Temperatursteuerungsprozeß verwendet.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform 1. Zusammenfassung

Gemäß der Erfindung wird mindestens eine dimensionale Charak­ teristik eines Werkstücks in situ gemessen, während mindestens eine Oberfläche des Werkstücks einer Endbearbeitungsoperation unterzogen wird. Die Meßwerte werden unter Benutzung eines Inter­ ferometers ermittelt, welches interferierende Wellenfronten erzeugt, die von den vorderen und hinteren Oberflächen des Werkstücks reflektiert werden. Schwankungen in der optischen Dicke des Werkstücks können aus dem sich ergebenden Interfero­ gramm bestimmt werden. Die sich ergebende optische Dicke kann direkt oder in Kombination mit anderen zuvor erworbenen Daten über das Werkstück benutzt werden, um Information über eine gewünschte dimensionale Charakteristik des Werkstücks zu ermitteln. Diese dimensionale Charakteristik kann optische Dickengleichmäßigkeit, Ebenmäßigkeit der Bearbeitungsoberfläche und/oder Bearbeitungsoberflächenprofil sein. Diese Meßwerte können dann benutzt werden, um den Endbearbeitungsprozeß zu einem optimalen Zeitpunkt zu beenden und/oder die Operation der Ober­ flächenendbearbeitungsmaschine zu steuern. Die Differenz der Temperatur zwischen der Arbeitsoberfläche eines Werkstücks und der gegenüberliegenden Oberfläche kann auch aus den Meßergeb­ nissen ermittelt werden, wenn im Zusammenspiel mit einer Zeugen­ probe oder einer Überwachungsprobe gemessen wird, welche eine unterschiedliche thermische Verformungscharakteristik aufgrund einer unterschiedlichen Dicke oder aufgrund eines unterschied­ lichen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung aufweist. Vor­ zugsweise sollte die Zeugenprobe oder die Überwachungsprobe aus einem Material gefertigt werden, das im Vergleich zum Werkstück relativ unempfindlich gegenüber Temperaturänderungen ist. Dieses Temperaturdifferential kann dann benutzt werden, um die Tempera­ tur eines Endbearbeitungsprozeßparameters wie etwa Temperatur der Aufschlämmung zu steuern.

2. Systemüberblick in Konstruktion und Betrieb von System­ komponenten

Das Herzstück der Erfindung ist der Einbezug eines Interfero­ meters in ein Oberflächenendbearbeitungssystem, so daß das Inter­ ferometer Meßwerte einer oder mehrerer dimensionalen Charakteri­ stiken eines Werkstücks in situ gewinnen kann, d. h. wenn min­ destens eine Oberfläche des Werkstücks poliert oder anderweitig durch die Oberflächenendbearbeitungsmaschine bearbeitet wird. Die Erfindung läßt sich anwenden auf jede beliebige Oberflächenend­ bearbeitungsmaschine, die eine Bearbeitungsstation hat, in der mindestens eine Oberfläche eines Werkstücks geschliffen, gefräst, poliert oder anderweitig bearbeitet wird, und die zuläßt, daß mindestens periodisch ein Strahl kohärenten Lichtes von einer Lichtquelle des Interferometers einfällt. Oberflächenendbearbei­ tungsmaschinen, auf welche die Erfindung anwendbar ist, schließen beispielsweise Ringpoliermaschinen, Ionenpoliermaschinen, Ionen­ fräsmaschinen, chemo-mechanische (CMP-) Poliermaschinen, CNC- Poliermaschinen mit Polierwerkzeugen auf einer Computergesteuer­ ten Spindel, Einzelpunktdiamantdrehbänke und Einzelspindelpolier­ maschinen ein. Die Position eines Werkstücks hinsichtlich der betrieblichen Komponenten einer zugeordneten Endbearbeitungs­ maschine schwankt wesentlich von Anwendung zu Anwendung. In eini­ gen Anwendungen wird das Werkstück auf einem Läppvlies oder einer ähnlichen Struktur getragen. In anderen Anwendungen wird das Werkstück durch eine Spindel oder einen Arm gehalten. Zur Verein­ fachung der Beschreibung wird davon gesprochen, daß das Werkstück "auf" der Endbearbeitungsmaschine ist, und es ist zu verstehen, daß "auf" jede beliebige positionale Beziehung zwischen einem Werkstück und einer Betriebskomponente einer Endbearbeitungs­ maschine abdecken soll, in welcher die Betriebskomponente eine Endbearbeitungsoperation auf dem Werkstück durchführen kann.

Durch Endbearbeitungsmaschinen endbearbeitete Werkstücke schließen z. B. Siliziumscheiben, metallische optische Elemente und keramische oder Glaswerkstücke wie etwa optische Spiegel, Scheiben, Prismen oder Fenster ein. Diese Typen von Werkstücken können als "wirkliche" Werkstücke betrachtet werden. Ein Werk­ stück kann auch eine sogenannte "Überwachungsprobe" oder "Zeugen­ probe" enthalten, die zusammen mit den wirklichen Werkstücken bearbeitet werden, und die überwacht werden um korrespondierende Veränderungen in den wirklichen Werkstücken zu erkennen. In-situ- Meßtechnik an Überwachungsproben anstelle von oder zusätzlich zu wirklichen Werkstücken mag in einigen Fällen bevorzugt werden.

Falls z. B. die präzise Kenntnis der gemessenen Charakteristik eines jeden wirklichen Werkstücks nicht wesentlich ist kann die Überwachung vereinfacht werden durch die Überwachung nur einer einzigen Überwachungsprobe gegenüber der Überwachung von vielen Werkstücken. Wenn ferner bei der Überwachung thermischer Verfor­ mung aufgrund eines Temperaturdifferentials über das Werkstück bevorzugt wird, daß eine Überwachungsprobe ausgewertet wird, die im Vergleich zu wirklichen Werkstücken relativ thermisch unemp­ findlich ist, dann können Deformationen aufgrund des Temperatur­ differentials von denen aufgrund von Unebenheiten des Läppvlieses unterschieden werden, wie weiter unten in Abschnitt 4 beschrieben wird. Eine Überwachungsprobe kann auch für in-situ-Messungen in Anwendungen benutzt werden, in denen die wirklichen Werkstücke für die Strahlen transparent sind. Daher ist der Begriff "Werk­ stück", so wie er hier verwendet wird, dahingehend zu verstehen, daß er wirkliche Werkstücke, ein ausgewähltes von mehreren Werk­ stücken und/oder eine Überwachungsprobe oder eine Zeugenprobe einschließt. Als praktisches Beispiel wird die Erfindung haupt­ sächlich in Verbindung mit einem in Fig. 1 bis 4 veranschaulich­ ten Poliersystem 20 beschrieben. Dieses Poliersystem enthält 1) einen Ringpolierer 22 und 2) ein in-situ-Meßsystem 24. Das in­ situ-Meßsystem 24 enthält ein Interferometer 26 und ein Über­ wachungs-/Steuerungssystem 28. Jede dieser Komponenten wird nun im Detail beschrieben.

Der Ringpolierer 22 (manchmal eine Ringpoliermaschine, ein Crane-Polierer, eine Läppmaschine, eine Planetenpoliermaschine oder eine kontinuierliche Poliermaschine genannt) ist konventio­ nell und bei den in der Technik Bewanderten wohlbekannt. Er ent­ hält als hauptsächliche Komponenten einen Drehteller 30, einen Ringaufbau 32, ein Abrichtwerkzeug 34 und ein Versorgungssystem 36 für die Aufschlämmung. Der Drehteller 30 hat eine kreisförmige Struktur, die ziemlich groß ist - typisch mit einem Durchmesser von typisch einem oder mehreren Fuß. Der Drehteller ist aus einem überaus steifen Material wie etwa einem einzelnen Klotz aus Granit oder einer Metallplatte hergestellt. Ein Vlies 38 ist auf der oberen Oberfläche des Drehtellers 30 plaziert und dient als die Endbearbeitungsoberfläche des Ringpolierers 22. Das Vlies 38 ist aus einer Schicht eines oben auf dem Drehteller abgelegten, viskoelastischen Materials gebildet. Das typische Vliesmaterial ist ausreichen flüssige um in eine gewünschte Form gebracht zu werden, und ausreichend viskos, um diese Form über beachtliche Zeitspannen während der Polieroperation beizubehalten. Es ist auch ausreichend porös, um Schleifkörper aus der von dem Auf­ schlämmungsversorgungssystem 36 zugeführten Aufschlämmung in seine obere oder Polieroberfläche aufzunehmen. Optikpolierpech wird häufig benutzt wie auch Polyurethanschaum.

Mit Bezug auf Fig. 1 und 2 ist der Ringaufbau 32 oben auf dem Drehteller 30 montiert und befördert die Werkstücke W über die Oberfläche des Vlieses 38. Der Ringaufbau 32 enthält eine Viel­ zahl von Bearbeitungsringen 40, die auf dem Vlies 38 montiert sind, und die über Rollen (nicht gezeigt) in Drehbewegung hin­ sichtlich des Vlieses 38 versetzt werden. Eine Vielzahl (drei in der veranschaulichten Ausführungsform) von diesen Bearbeitungs­ ringen sind auf dem Umfang des Vlieses 38 mit einem beträcht­ lichen, zwischen zweien der Bearbeitungsringe ausgebildeten Abstand für die Aufnahme des Abrichtwerkzeugs 34 angeordnet.

Das Innere der Bearbeitungsringe 40 definiert die Bearbei­ tungsstationen zur Aufnahme der Werkstücke W. Jede Bearbeitungs­ station kann aus einem offenen Inneren eines korrespondierenden Bearbeitungsringes 40, wie gezeigt, oder alternativ aus einem Metall, Plastik oder Phenolseptum (nicht gezeigt) bestehen, welches innerhalb des korrespondierenden Bearbeitungsringes 40 angeordnet ist und das ein korrespondierendes Werkstück hält. Die Antriebsrollen für die Bearbeitungsringe 40 werden so gesteuert, daß bei Drehen des Drehtellers 30 und bei Drehen der Bearbei­ tungsringe 40 auf dem Vlies 38 die Werkstücke W mit einer syn­ chronen Winkelgeschwindigkeit hinsichtlich des Vlieses 38 drehen. Diese synchrone Drehung ist wichtig, weil es bei Synchronismus möglich ist, eine gleichmäßige Abtragung über die gesamte Bear­ beitungsoberfläche eines jeden Werkstücks W hinweg zu erreichen, während bei einer auch nur geringfügigen Differenz der Winkel­ geschwindigkeiten ein radialer Abriebgradient über die Bearbei­ tungsoberfläche hinweg auftritt. Entwurfsbetrachtungen zum Erreichen synchroner Drehung bilden für sich genommen keinen Teil der vorliegenden Erfindung. Diejenigen, die am Erreichen einer synchronen Drehung interessiert sind, können sich z. B. auf Annular Lapping of Precision Optical Flatware, Cooke et al., Optical Engineering, Band 15, Nr. 5, September-Oktober 1976 (der Cooke-et-al.-Aufsatz) beziehen.

Der Zweck des Abrichtwerkzeugs 34 (manchmal als Zwangsmittel (persuader), Schleifschale (bruiser) oder Abrichtwerkzeug (truing tool) in der Technik bekannt) ist es, die Ebenmäßigkeit des Vlie­ ses 38 zu steuern, um so die Vliesoberfläche in ein gewünschtes Profil zu bringen. Dieses Profil wird typischerweise, aber nicht notwendigerweise, flach sein. Das dargestellte Abrichtwerkzeug 34 ist typisch für die in der Technik angetroffenen. Es enthält ein großes, hartes, maßstabiles, kreisförmiges Element, das auf dem Vlies 38 aufliegt. Das Abrichtwerkzeug 34 hat 1) einen Durch­ messer, der näherungsweise gleich dem Radius des Drehtellers 30 ist, und ist 2) exzentrisch hinsichtlich des Drehtellers 30 posi­ tioniert, so daß es über den Rand des Drehtellers 30 hinausragt, wie in Fig. 2 gezeigt. Das Abrichtwerkzeug 34 wird durch einen passenden Antriebsmechanismus (nicht gezeigt) in Drehbewegung angetrieben und kann radial hinsichtlich des Drehtellers 30 in bekannter Weise versetzt werden, wie durch Pfeile in Fig. 2 dar­ gestellt. Radiale Verschiebung des Abrichtwerkzeugs 34 relativ zum Vlies 38 verändert die Aushöhlung oder Ausbauchung der Vlies­ oberfläche. Die Vliesaushöhlung nimmt zu, wenn das Abrichtwerk­ zeug 34 radial nach innen wandert, und nimmt ab, wenn das Abrichtwerkzeug 34 radial nach außen wandert.

Das Aufschlämmungsversorgungssystem 36 zirkuliert eine Auf­ schlämmung über das Vlies 38 in einer geschlossenen Schleife. Die Aufschlämmung enthält Wasser oder eine andere Flüssigkeit, die Schleifkörper oder eine andere Schleifsubstanz enthalten. Ein Teil der Schleifkörper ist in die Poren der oberen Oberfläche des Vlieses 38 eingedrungen, während andere Schleifkörper sich rol­ lend zwischen der oberen Oberfläche des Vlieses 38 und den Werk­ stücken W bewegen, so daß die Werkstücke W sowohl durch die che­ mische Wirkung der Flüssigkeit und/oder den Abrieb durch die rollenden Schleifkörper und durch Abrieb durch die feststehenden Schleifkörper poliert werden. Das Aufschlämmungsversorgungssystem 36 enthält einen Aufschlämmungstank 42 und einen Aufschlämmungs­ erhitzer-/-abkühleraufbau 44. Der Aufschlämmungstank 42 hat einen Einlaß, der mit dem Vlies 38 verbunden ist, und einen Auslaß, der mit dem Aufschlämmungserhitzer-/-abkühleraufbau 44 verbunden ist. Der Aufschlämmungserhitzer-/-abkühleraufbau 44 hat einen Einlaß, der mit dem Auslaß des Aufschlämmungstanks 42 verbunden ist, und einen Auslaß, der mit dem Vlies 38 verbunden ist. Zwischen und/ oder innerhalb des Aufschlämmungstanks 42 und dem Aufschlämmungs­ erhitzer-/-abkühleraufbau 44 sind 1) eine Pumpe, welche die Auf­ schlämmung durch das Aufschlämmungsversorgungssystem 36 zirku­ liert, und 2) eine Aufschlämmungstemperatursteuerung, die einen getrennten Erhitzer und Abkühler oder eine einzige Vorrichtung mit der Fähigkeit zur Durchführung beider Funktionen enthält.

Das Interferometer 26 kann aus irgendeinem System bestehen, das in der Lage ist, 1) einen parallel ausgerichteten Lichtstrahl auf eine Bearbeitungsstation (d. h. das Innere eines Bearbeitungs­ ringes 40) zu werfen, 2) die von dem Werkstück W kommenden Wellenfronten zu rekombinieren, und 3) den rekombinierten Licht­ strahl zu analysieren. Das Interferometer 26 der dargestellten Ausführungsform enthält als Hauptkomponenten einen Hauptrahmen 50 und einen Umlenkspiegel 52. Jedoch kann das Werkstück W, wie unten diskutiert, als Teil des Interferometers 26 angesehen werden, weil es interferierende Wellenfronten erzeugt. Der Haupt­ rahmen 50 ist auf einer Hauptrahmenplattform 54 montiert, die über dem Drehteller 30 positioniert ist, aber die von ihm radial abgesetzt ist. Die dargestellte Plattform 54 ist auf einem mobilen Karren 56 montiert, der ebenfalls das Überwachungs- /Steuerungssystem 28 beherbergt.

Der Hauptrahmen 50 kann irgendein passendes, kommerziell ver­ fügbares Interferometer enthalten, wie etwa ein von der Zygo- Corp. hergestelltes und vermarktetes GPI-Interferometer. Solch ein typischer Hauptrahmen enthält eine Lichtquelle wie etwa einen Laser, einen räumlichen Filterstrahlaufweiter, der den durch den Laser erzeugten Laserstrahl in eine aufgeweitete, sphärische Wellenfront ablenkt, einen Strahlaufteiler, der einen Teil der aufgeweiteten, sphärischen Wellenfront vom Filterstrahl abtrennt, und eine Kollimatorlinse, welche die aus dem Aufteiler heraus­ kommende Wellenfront parallelisiert, um eine parallelisierte Wellenfront kohärenten Lichts zu erzeugen, das zum Umlenkspiegel 52 transportiert wird. Auch ist in dem Hauptrahmen 50 eine Abbildvorrichtung wie etwa eine Festkörperkamera enthalten, welche die von dem Werkstück W empfangenen und durch den Strahl­ aufteiler reflektierten Wellenfronten empfängt, und Bilder der sich ergebenden Interferenzmuster erzeugt. Der Betrieb der Abbildvorrichtung und der Lichtquelle wird durch einen internen elektronischen Prozessor gesteuert, der elektronisch sowohl mit der Abbildvorrichtung als auch der Lichtquelle verbunden ist. Ein Interferometer mit allen der oben beschriebenen Komponenten des Hauptrahmens 50 dieses Typs ist im U.S. Patent Nr. 4 594 003 von Sommargren (dem Sommargren-Patent) offengelegt, dessen relevante Abschnitte hier ausdrücklich durch Bezug eingebracht werden. Es ist jedoch zu erkennen, daß das Element, das als ein "Interfero­ meter vom Fizeau-Typ" beschrieben ist und durch das Bezugszeichen 25 in dem Sommargren-Patent bezeichnet wird, in der vorliegenden Erfindung durch das Werkstück W ersetzt wird, indem das Werkstück W wie bei dem im Sommargren-Patent offengelegten Interferometer 25 vom Fizeau-Typ eine Interferenzaushöhlung definiert, um so eine ebene Wellenfront aufzunehmen und interferierende Wellen­ fronten zurück zur Kollimatorlinse und dann zum Strahlenaufteiler zu werfen.

Der Umlenkspiegel 52 ist an einer passenden Aufhängung über dem Drehteller 30 montiert und ist in einem solchen Winkel posi­ tioniert, daß- der parallelisierte Strahl von der Kollimatorlinse in einem Winkel von 90° abgelenkt und direkt nach unten, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 1 dargestellt wird, und auf einen Abschnitt des Vlieses 38 geworfen wird, welchen die Bearbeitungsstationen während des Betriebs des Ringpolierers 22 durchwandern. Der Umlenkspiegel 52 empfängt auch die reflektier­ ten Strahlen oder Wellenfronten von den gegenüberliegenden vor­ derseitigen und rückseitigen Oberflächen S1 und S2 des Werkstücks W und lenkt diese Strahlen zurück zu dem GPI-Hauptrahmen 50. Es ist denkbar, daß der Umlenkspiegel 52 beseitigt wird durch Posi­ tionieren des GPI-Hauptrahmens 50 direkt über dem. Drehteller 30. Jedoch wird die dargestellte und beschriebene Anordnung vorge­ zogen, weil ein Umlenkspiegel 52 über dem Drehteller 30 wesent­ lich leichter montiert werden kann als ein GPI-Hauptrahmen über dem Drehteller 30 montiert werden kann.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Überwachungs-/Steu­ erungssystem 28 wurde dazu entworfen, die (durch den Betrieb des Interferometers 26 erlangten) in-situ-Meßergebnisse zu benutzen und eine Anzeige des Zustands der Polieroperation vorzusehen und/oder den Betrieb des Ringpolierers 22 zu steuern. Das Über­ wachungs-/Steuerungssystem 28 enthält als Hauptkomponenten einen Meßdatenprozessor 60, einen Steuerungskommandoprozessor 62, eine Endbearbeitungsmaschinensteuerung 64, eine Überwachungs- oder Anzeigevorrichtung 66 und erste und zweite Eingabevorrichtungen 68 und 70.
Der Meßdatenprozessor 60 ist ein digitaler Allzweckmikro­ prozessor, der erste und zweite Eingänge und mindestens einen Ausgang hat. Die ersten und zweiten Eingänge nehmen erste und zweite Signale von dem GPI-Hauptrahmen 50 bzw. von der ersten Eingabevorrichtung 68 auf. Das erste Eingabesignal ist reprä­ sentativ für eine erkannte Veränderung der optischen Dicke des Werkstücks W, wie sie durch das Interferometer 26 gemessen wird. Das zweite Eingabesignal, das über die erste Eingabevorrichtung manuell oder anders eingegeben wird, übergibt Information bezüg­ lich der Anfangs- und/oder eingeschwungenen Dimensionsparameter des Werkstücks W. Diese Daten können Information vorsehen über 1) das Anfangsprofil der vorderen und/oder hinteren Oberflächen S1 und S2 des Werkstücks W, 2) den Koeffizienten der thermischen Ausdehnung des Werkstücks und/oder der Überwachungsprobe und 3) der Brechungsindexhomogenität des Werkstücks W, u.s.w. Der Meßdatenprozessor 60 kombiniert die ersten und zweiten Signale, um Signale zu erzeugen, die Information über eine oder mehrere dimensionale Charakteristiken des Werkstücks W wie etwa Ober­ flächentopografie, Dickengleichmäßigkeit, thermische Verformung und deren Schwankungen zu übergeben.

Der Steuerungskommandoprozessor 62 kann irgendeinen passenden programmierbaren Prozessor enthalten, der in der Lage ist, Sig­ nale von dem Meßdatenprozessor 60 und von der zweiten Eingabevor­ richtung 70 aufzunehmen, und diese Signale zu kombinieren, um Kommandosignale für die Betriebssteuerung des Ringpolierers 22 zu erzeugen. Die Signale der zweiten Eingabevorrichtung 70 bezeich­ nen eine oder mehrere gewünschte dimensionale Charakteristiken des Werkstücks, wie etwa eine gewünschte optische Dickengleich­ mäßigkeit, eine gewünschte Ebenmäßigkeit der bearbeiteten oder vorderen Oberfläche S1 des Werkstücks W und/oder ein gewünschtes Profil der endbearbeiteten oder vorderen Oberfläche S1. Der Steu­ erungskommandoprozessor 62 kombiniert diese Signale, um ein End­ bearbeitungsmaschinenkommandosignal zu erzeugen, und überträgt dieses Signal zur Endbearbeitungsmaschinensteuerung 64. Diese Signale können, falls gewünscht, auch zur Anzeige zur Überwachung 66 geleitet werden.

Die Endbearbeitungsmaschinensteuerung 64 kann irgendeine passende Steuerung enthalten, die in der Lage ist, Signale von dem Steuerungskommandoprozessor 62 zu empfangen, und diese Sig­ nale zu benutzen, um den Betrieb einer oder mehrerer Komponenten des Ringpolierers 22 zu steuern, um die gewünschten dimensionalen Charakteristiken des Werkstücks W zu erzeugen. Die Ausgabesignale von der Endbearbeitungsmaschinensteuerung 64 werden benutzt, die radiale Position des Abrichtwerkzeugs 34 relativ zum Vlies 38 einzustellen und/oder den Betrieb des Aufschlämmungsversorgungs­ systems 36 einzustellen, um die Temperatur oder Flußrate der Aufschlämmung anzupassen.

Daher benutzt das Überwachungs-/Steuerungssystem 28 die Meß­ werte von dem in-situ-Meßsystem 24, um ein oder mehrere dimensio­ nale Charakteristiken des Werkstücks W zu messen, und um dann diese Messungen dazu zu benutzen, den Betrieb des Ringpolierers 22 zu steuern, um eine oder mehrere gewünschte dimensionale Cha­ rakteristiken des Werkstücks W zu erreichen. Die Weise, wie diese Meßwerte ermittelt werden und Beispiele der sich ergebenden Steu­ erung werden nun im Detail beschrieben.

3. Meßtechnik und Ringpolierersteuerung

Mit Bezug auf Fig. 4 wird während in-situ-Messung ein Strahl kohärenten Lichts von einem Umlenkspiegel 52 auf das Vlies 38 des Ringpolierers 22 als eine Vielzahl von Strahlen gerichtet, von denen zwei schematisch als R1 bzw. R2 dargestellt sind. Wenn immer die Bearbeitungsstationen in eine Position drehen, in der ein Werkstück W im Weg des Strahls liegt, wie in Fig. 4 darge­ stellt, wird jeder der Strahlen von der vorderer oder Bearbei­ tungsoberfläche S1 und der hinteren Oberfläche S2 des zugeord­ neten Werkstücks W als erste bzw. zweite Wellenfronten reflek­ tiert. Der GPI-Hauptrahmen 50 kombiniert die ersten und zweiten Wellenfronten, um Fizeau-Interferenzstreifen zu bilden, die eine Anzeige der Differenz der optischen Wege vorsehen, von denen Δt unterschieden werden kann. Die kombinierte Intensität der zwei interferierenden Wellenfronten wird mathematisch durch Gleichung

wobei:
I₁ und I₂ die Intensitäten der von den Oberflächen S1 und S2 reflektierten Wellenfronten sind;
a₁ und a₂ die Einheitsvektoren zur Beschreibung der Polarisa­ tionsrichtung sind; und
Φ₁ und Φ₂ die Phasen der Wellenfronten sind.

Es kann aus Gleichung 1 erkannt werden, daß die Intensität der kombinierten Wellenfronten mit der Phasendifferenz (δ = Φ₁-Φ₂) der individuellen Wellenfronten schwankt. Wenn die Phasendifferenz gleich 2mπ ist (wobei m eine ganze Zahl ist), dann ist die Intensität maximal. Wenn andererseits die Phasen­ differenz gleich 2(m+½)π ist, dann ist die Intensität minimal. Die Phasendifferenz δ kann deshalb als 1) ein zwischen den Ausbreitungsrichtungen der zwei von den Oberflächen S1 und S2 reflektierten Wellenfronten gebildeter Winkel, 2) der Differenz der von den zwei Wellenfronten zurückgelegten optischen Wege (OPD) und 3) der Phasenänderung, die von jeder Wellenfront bei Reflexion erfahren wird, ausgedrückt werden. Diese Beziehung wird durch Gleichung 2 ausgedrückt:

wobei:
n der Brechungsindex des Werkstücks ist;
λdie Wellenlänge der interferierenden Wellenfronten ist;
t die geometrische Dicke des Werkstücks ist;
ϑ der zwischen den reflektierten Wellenfronten gebildete Phasenwinkel ist; und
±π der Phasensprung bei Reflexion ist.

Daher wird eine Phasendifferenz δ der kombinierten Wellen­ fronten beobachtet, wenn die optische Dicke des Werkstücks W um ihren Oberflächenbereich herum schwankt, oder alternativ, wenn der Winkel zwischen der vorderseitigen Oberfläche S1 und der rückseitigen Oberfläche S2 des Werkstücks schwankt.

Das Kriterium für die Interferenzstreifen als Funktion des Keilwinkels zwischen den Werkstückoberflächen S1 und S2 und als eine Funktion der Schwankung der optischen Dicke des Werkstücks über seinen Oberflächenbereich kann dann hergestellt werden durch Einsetzen der Bedingungen der Intensitätsmaxima und -minima unter Benutzung der folgenden Gleichungen 3 und 4:

wobei:

α der Keilwinkel im Werkstück ist; und
X_m der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Maxima erster Ordnung ist.

α = λ/2 ΔX Gleichung 4

wobei ΔX der Abstand ist, der aufeinanderfolgende Maxima (dunkle Streifen) trennt.

Auf gleiche Weise wird durch Schreiben der Gleichung 2 als Differenz der optischen Wege (OPD) und durch Einsetzen der Bedingungen für gleiche Intensität für Maxima und Minima die folgende Gleichung 5 abgeleitet:

wobei:
t_m die Differenz der Werkstückdicke an verschiedenen Maxima ist.

Deshalb tritt ein Streifen jedesmal auf, wenn die optische Dicke (nt) des Werkstücks W um ein Vielfaches von λ/2 variiert.

Es gibt drei hauptsächlich beitragende Quellen zum OPD, näm­ lich: 1) Höhendifferenzen (Δt₁) der vorderen oder Bearbeitungs­ oberfläche S1; 2) Höhendifferenzen (Δt₂) entlang der hinteren oder nicht-bearbeiteten Oberfläche S2 und 3) Differenzen in der Gleichmäßigkeit des Produktbrechungsindex (Δn). Veränderungen der Dicke (Δt₁) des Werkstücks W können angesehen werden als kombi­ nierte Veränderungen der Dicke Δt₁ der vorderen Oberfläche S1 und Veränderungen der Dicke Δt₂ der hinteren Oberfläche S2. Verände­ rungen beim Brechungsindex können als Δn beschrieben werden. Die Doppelwegdifferenz des optischen Weges (OPD) der zwei Strahlen R1 und R2 von Fig. 4 kann deshalb durch Fizeau-Interferenz wie folgt charakterisiert werden:

Fizeau-OPD = 2 (nΔt₁ + nΔt₂ + Δnt) Gleichung 6.

Die Fizeau-OPD kann manuell oder automatisch aus den Inter­ ferometer-Meßwerten berechnet werden und ist daher ein bekannter Faktor. Wenn irgendwelche zwei der drei Teile des Summations­ abschnitts der Gleichung 6 bekannt sind, kann daher die Gleichung 6 umgeschrieben werden, um für den dritten Teil aufgelöst zu sein, und dadurch wird die Messung einer dimensionalen Charak­ teristik ermöglicht (angenommen, daß eine Messung außer der Veränderung in der optischen Dicke gewünscht ist) und daß es deshalb notwendig ist, die Gleichung 6 zu benutzen.

Z.B. im Fall einer typischen Polieroperation, in der die vor­ dere Oberfläche S1 des Werkstücks W zu einer unbekannten Eben­ mäßigkeit poliert oder anderweitig bearbeitet wird, kann der Brechungsindex n, die Schwankung des Brechungsindexes Δn und die Schwankung der Ebenmäßigkeit der hinteren Oberfläche S2 des Werk­ stücks W im Voraus unter Benutzung eines separaten Interferome­ ters ermittelt und in der ersten Eingabevorrichtung 68 des Steu­ erungs-/Überwachungssystems 28 als Startbedingung für das Werk­ stück W eingespeichert werden.

Die unbekannte Ebenmäßigkeit der vorderen Oberfläche S1 kann nach Gleichung 7 bestimmt werden.

Δt₁ = 2[(nΔt₁ + nΔt₂ + Δnt) - (nΔt₂ + Δnt)]/2n Gleichung 7.

Gleichung 7 zeigt an, daß der Fizeau-OPD-Fehler minus der im Voraus bestimmten Beiträge des Ebenmäßigkeitsfehlers der hinteren Oberfläche und der Brechungsindexinhomogenität um den Faktor n größer als der Ebenmäßigkeitsfehler der vorderen Oberfläche ist. Da für die meisten Materialien n beträchtlich ist, erlaubt die sich ergebende Fehlervergrößerung eine relativ hohe Auflösung. Z.B. für ein aus Quarzglas konstruiertes Werkstückmaterial entspricht 1/10 Welle des Fizeau-OPD-Fehlers einer 1/14,6 Welle des Ebenmäßigkeitsfehlers.

Wie durch Gleichung 5 beschrieben, erscheinen klar definierte Streifen nur dann, wenn eine Dickenschwankung von mindestens λ/2 auftritt. Wenn diese Dickenschwankung nur aufgrund eines globalen Keilwinkels zwischen den zwei Oberflächen des Werkstücks auf­ tritt, erscheint ein gerader Streifen für jedes Vielfache einer λ/2-Dickenänderung. Wenn die Dickenschwankung sowohl aufgrund von Keil- und Oberflächen- oder Brechungsindexschwankungen besteht, erscheinen die Streifen gekrümmt oder anderweitig irregulär. Die Geradlinigkeit der beobachteten Interferenzstreifen kann deshalb als Anzeichen von Dickenschwankungen angesehen werden, und die Anzahl der in einem bestimmten Bereich erscheinenden Streifen kann zur Bestimmung der Größe des Keilwinkels herangezogen werden. Eine Irregularität der Dickenschwankungen kann deshalb in eine "Ebenmäßigkeits"-Messung gewandelt werden durch Lokalisieren der Streifenmitten und Ablage von Datenpunkten auf den Streifen. Die Datenpunkte können dann interpoliert werden, um eine Ober­ flächenkarte zu konstruieren, die den Ebenmäßigkeitsfehler anzeigt. Falls jedoch die vordere und die hintere Oberflächen vollkommen parallel verlaufen, gibt es keinen Keilwinkel und keine klar definierten Streifen. Statt dessen ist eine irreguläre Intensitätsverteilung in den Bereichen sichtbar, in denen Dicken­ veränderungen auftreten. Diese irreguläre Intensitätsverteilung kann schwierig zu interpretieren sein. Selbst wenn ein Keilwinkel existiert, hängt ferner die Zahl der Datenpunkte, die aufgetragen werden können, und daher die Präzision der Oberflächeninterpola­ tion von der Anzahl der Streifen und daher von der Größe des Keilwinkels ab. Falls der Keilwinkel zu groß ist, wird der Strei­ fenabstand zu klein und die Streifen sind nicht auflösbar. Die Erfordernis eines Keilwinkels von einer bestimmten Größe zwischen der vorderen und der hinteren Oberflächen S1 und S2 des Werk­ stücks könnte sehr einschränkend für den Prozeß sein.

Deshalb und nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung benutzt ein alternatives Verfahren für die Berech­ nung der Fizeau-OPD eine Phasenmodulationsinterferometrie (PMI), manchmal als Phasenverschiebungsinterferometrie bekannt (PSI). In der PMI wird die Phasendifferenz zwischen Licht, das an zwei Bildpunkten einer Abbildvorrichtung empfangen wird, dazu benutzt, eine Höhendifferenz zwischen zwei Stellen auf der Testoberfläche zu bestimmen, die den zwei Bildpunkten entsprechen. Phasenmodu­ lation oder Phasenverschiebung wird gewöhnlich erreicht durch Verändern des optischen Weges des Testlichtstrahls im Zwischen­ raum zwischen den zwei Oberflächen, welche die Grenzen der Inter­ ferenzaushöhlung während der Datenermittlung bilden. Jedoch ist es im vorliegenden Fall unmöglich, die Abstände zwischen den Grenzflächen der Interferenzaushöhlung zu verändern, weil die Interferenzaushöhlung durch die gegenüberliegenden vorderen und hinteren Oberflächen S1 und S2 des Werkstücks W definiert ist, und weil die Oberflächen S1 und S2 relativ zu einander nicht dynamisch bewegt werden können. Jedoch ist es auch möglich die Phase durch Modulation der Wellenlänge der Lichtquelle zu modu­ lieren, um einen gleichwertigen Effekt zu erzeugen. Phasenmodu­ lation durch Lichtquellenwellenlängenmodulation ist in dem Sommargren-Patent offengelegt, das, wie oben bereits diskutiert, hier durch Bezug einbezogen wird.

Angenommen, daß 1) ein Ebenmäßigkeitsfehler in der hinteren oder nicht-bearbeiteten Oberfläche S2 des Werkstücks W nicht vorhanden ist oder bekannt ist und daher aus den analysierten Interferenzmustern entfernt werden kann, und daß 2) Schwankungen im Brechungsindex des Werkstücks nicht vorhanden oder bekannt sind und daher aus den analysierten Interferenzmustern entfernt werden können, können Interferometermessungen ein Abbild der Bearbeitungsoberfläche in situ liefern, d. h. während es einem Polier oder anderweitigem Endbearbeitungsprozeß unterworfen ist. Es ist deshalb möglich, die Änderungen im Fizeau-OPD zu beobach­ ten und zu berechnen und die korrespondierenden Änderungen im Profil der vorderen Werkstückoberfläche S1 zu beobachten, während es bearbeitet wird. Spezifisch werden die beobachteten Interfe­ renzstreifen in einem geringfügig keilförmigen Werkstück paralle­ ler beim Polieren der vorderen oder Bearbeitungsoberfläche S1, und sie werden geradliniger während eine Konvexe oder Konkave Bearbeitungsfläche S1 ebenmäßiger wird. Bei einem perfekt paral­ lelen Werkstück mit weniger als λ/2 maximaler Schwankung der Dicke, wird das Interferenzmuster einfach zu einer gleichmäßigen Intensität. Interferogramme, die unter Benutzung dieser Technik und während des Polierens eines Werkstücks W auf dem Ringpolierer 22 ermittelt wurden, sind schematisch in Fig. 5A bis 5H darge­ stellt. Fig. 5A stellt dar, daß die beobachteten Interferenz­ streifen FA zu Beginn des Prozesses ein extrem irreguläres Muster abgeben, in dem sie stark gekrümmt und in hohem Maß nicht-paral­ lel sind. Dieses Muster gibt eine irregulär gekrümmte Oberfläche wieder. Die Interferogramme von Fig. 5B bis 5F (ermittelt jeweils nach 10 Minuten, 30 Minuten, 60 Minuten, 90 Minuten und 100 Minu­ ten im Polierprozeß) veranschaulichen, daß die vordere Oberfläche S1 beim Polieren glatter und ebenmäßiger wird, und die beobach­ teten Interferenzstreifen FB bis FF werden Paralleler und gerad­ liniger. Fig. 5G, ungefähr nach 105 Minuten im Polierprozeß ermittelt, veranschaulicht ein Interferenzmuster, bei dem die beobachteten Interferenzstreifen FG nahezu perfekt parallel und perfekt geradlinig sind, und daher anzeigen, daß die Bearbei­ tungsoberfläche S1 des Werkstücks W sehr glatt und sehr ebenmäßig ist. Fig. 5H stellt ein Interferogramm dar, das nach 110 Minuten im Endbearbeitungsprozeß ermittelt wurde, nur fünf Minuten nach­ dem das Interferogramm von 5G ermittelt wurde. Die gekrümmten Interferenzstreifen FH dieser Zeichnung veranschaulichen eine Situation, bei der eine Aushöhlung oder Ausbauchung des Vlieses 38 des Ringpolierers 22 verursacht hat, daß die vordere oder Bearbeitungsoberfläche S1 des Werkstücks W über das gewünschte ebene Profil hinausgeschossen ist und ein Konkaves oder konvexes Profil angenommen hat. Ein Betriebsparameter des Ringpolierers 22 (wie etwa die Position des Abrichtwerkzeugs 34) ist nun anzu­ passen, um den Fehler zu korrigieren.

Ein Vergleich des Interferogramms von Fig. 5G mit dem Inter­ ferogramm von Fig. 5H veranschaulicht, daß die Zeitspanne, wäh­ rend der ein Werkstück W ein gewünschtes Profil zeigt, sehr kurz sein kann. Diese Zeitspanne hängt von der Stabilität der Endbear­ beitungsumgebung ab. Dies ist ein Grund dafür, daß eine große Anzahl von Messungs- und Einstellungsiterationen im konventionel­ len Polierprozeß verlangt werden. Spezifisch für den konventio­ nellen Prozeß ist, daß zum Zeitpunkt, zu dem ein Bediener ein Werkstück mit einem geringfügig konkaven Profil zum Testen ent­ fernt, darauf wartet, daß das Werkstück dimensionalen Ausgleichs­ zustand erreicht und eine Profilmessung durchführt, die Profile der Bearbeitungsflächen der verbleibenden Werkstücke überkorri­ giert worden sind, so daß sie nun Konvex sind. Der Bediener, der sich dieser Profiländerung nicht bewußt ist, würde die Position des Abrichtwerkzeugs 34 anpassen, um die Ausbauchung der Bear­ beitungsoberfläche S1 der Werkstücke zu erhöhen, und dadurch wird das Problem verschärft. Dieser Fehler würde nicht erkannt werden, bevor die nächste Messung bis zu drei Stunden später durchgeführt wird. Zusätzliche Iterationen oder Nachlaufen würde daher erfor­ derlich sein, um das Problem zu korrigieren. Dieses Nachlaufen wird durch die vorliegende Erfindung vermieden oder mindestens wesentlich verringert, weil der Bediener eine sofortige Anzeige des vorherrschenden Profils des Werkstücks W während des Polie­ rens erhält, so daß er das Werkstück vom Ringpolierer 22 zu richtigen Zeit abnehmen kann.

In-situ-Meßtechnik wurde bisher hauptsächlich in Verbindung mit Test auf Ebenmäßigkeit diskutiert. Jedoch ist es häufig wün­ schenswert, andere Messungen von dem Fizeau-OPD-Daten abzuleiten. Eine solcher Messungen ist Fehler der übertragenen Wellenfront (TWE, transmitted wavefront error). TWE-Auswertung ist in einigen Fällen wünschenswert, weil die Beziehung zwischen Fizeau-OPD und TWE eine größere Empfindlichkeit aufweist als die Beziehung zwi­ schen Fizeau-OPD und Ebenmäßigkeitsfehler. Falls Schwankungen im Brechungsindex eines Werkstücks vernachlässigbar oder bekannt sind und elektronisch aus den OPD-Daten herausgerechnet werden können, dann kann TWE zu Fizeau-OPD wie folgt in Beziehung gesetzt werden:

Ersetzen von OPD durch ihre Bestandteile, wie oben in Verbin­ dung mit Gleichung 6 diskutiert, und Ergänzen der Wirkung der Brechungsindexinhomogenität ergibt die folgende Gleichung:

TWE = 2((n-1)Δt₁ + Δnt + (n-1) Δt₂) Gleichung 9.

Nachdem die Bearbeitungsoberflächenebenmäßigkeitsdaten (Glei­ chung 7) oder TWE-Daten (Gleichung 9) durch den Meßdatenprozessor 60 ermittelt worden sind, können die Daten auf der Überwachungs­ anzeige 66 angezeigt werden und/oder an den Steuerungskommando­ prozessor 62 übertragen werden, um zu bewirken, daß die Endbear­ beitungsmaschinensteuerung 64 den Betrieb des Ringpolierers 22 in einer geschlossenen Schleife beibehält oder anpaßt, um eine gewünschte Endbearbeitung der vorderen Oberfläche S1 des Werk­ stücks W zu erreichen. Ein bevorzugter Prozeß für diese Technik wird nun in Verbindung mit dem Prozeß 100 vom Flußdiagramm von Fig. 6 beschrieben.

Der Prozeß 100 verzweigt von Start in Schritt 102 zu Schritt 104, in dem der Bediener anfängliche Werkstückcharakteristiken unter Benutzung der ersten Eingabevorrichtung 68 von Fig. 3 eingibt. Diese Charakteristiken können z. B. Informationen ent­ halten über das Profil der hinteren oder nicht-bearbeiteten Ober­ fläche S2 des Werkstücks W und/oder den Brechungsindex des Werk­ stücks W. Dann gibt der Bediener in Schritt 106 eine gewünschte dimensionale Charakteristik des Werkstücks W unter Benutzung der zweiten Eingabevorrichtung 70 ein. Diese Charakteristik könnte die maximal zulässige Fizeau-OPD sein, oder könnte im Fall einer Oberflächenpolieroperation ein gewünschtes poliertes Oberflächen­ profil und/oder eine polierte Oberflächenebenmäßigkeit sein.

Dann werden in Schritt 108 OPD-Daten unter Benutzung des Interferometers 26 ermittelt, und in Schritt 110 wird die Größe der interessierenden dimensionalen Charakteristik(en) durch den Meßdatenprozessor 60 bestimmt. Die dimensionale Charakteris­ tik(en) können z. B. die Werkstückdickengleichmäßigkeit oder das Oberflächenprofil der Bearbeitungsoberfläche S1 sein. Diese Information und/oder daraus abgeleitete Information kann auf Wunsch an der Überwachungsanzeige 66 dargestellt werden. Als nächstes vergleicht der Steuerungskommandoprozessor 62 in Schritt 112 die gemessenen Werte der interessierenden Oberflächencharak­ teristik(en) mit einem gewünschten oder optimalen Wert der Charakteristik(en) und bestimmt, ob Anpassungen erforderlich sind oder nicht. Die Ergebnisse dieser Bestimmung können auf der Über­ wachungsanzeige 66 angezeigt werden und/oder in Schritt 114 zur Endbearbeitungsmaschinensteuerung 64 als ein Kommandosignal zur Steuerung des Ringpoliererbetriebs übertragen werden. Bei Abwe­ senheit einer Aufschlämmungstemperatursteuerung (im Detail in Abschnitt 4 unten dargestellt) ist die Maschinensteuerung gewöhn­ lich auf die Veränderung der radialen Position des Abrichtwerk­ zeugs 34 relativ zum Vlies 38 des Ringpolierers 22 begrenzt. Daher wird der Steuerungskommandoprozessor 62 in Schritt 114 die Endbearbeitungsmaschinensteuerung 64 steuern, um das Abrichtwerk­ zeug 34 ein- oder auszufahren, um die Aushöhlung des Vlieses 38 zu vergrößern oder zu verringern. Der Prozeß kehrt dann zu Schritt 108 zurück, und die Schritte 108, 110, 112 und 114 werden in einer geschlossenen Schleife wiederholt, bis der Steuerungs­ kommandoprozessor 62 in Schritt 112 bestimmt, daß die aktuellen Charakteristik(en) (z. B. Bearbeitungsoberflächenprofil) gleich den gewünschten Charakteristik(en) ist, und an diesem Punkt wird in Schritt 116 ein Signal an die Überwachungsanzeige 66 abge­ geben, um ein passendes Audio- oder Videosignal zur Bezeichnung des Abschlusses des Endbearbeitungsprozesses zu erzeugen. Der Prozeß verzweigt dann zu Ende in Schritt 118.

In situ ermittelte OPD-Daten können auch dazu benutzt werden, um Anzeigen über andere Charakteristiken des Werkstücks in End­ bearbeitung zu erlangen. Eine solche Charakteristik, das Tempera­ turdifferential, wird nun diskutiert.

4. In-situ-Messung des Temperaturdifferentials über ein Werk­ stück

Bis zu diesem Punkt betraf die Diskussion der Ringpolierer­ steuerung die Steuerung des Abrichtwerkzeugs 34. Jedoch ist es auch wünschenswert, den Betrieb des Ringpolierers 22 anzupassen, um so die thermische Verwerfung des Werkstücks während des Polierprozesses zu beseitigen (oder mindestens zu kompensieren) Die beim schleifenden Kontakt mit der mit Schleifkörpern belad­ enen Aufschlämmung während des Polierprozesses erzeugte Reibung erhitzt das Werkstück W, so daß es eine Temperaturdifferenz zwi­ schen seiner vorderen oder Bearbeitungsoberfläche S1 und seiner hinteren Oberfläche S2. Der sich daraus ergebende Temperatur­ gradient über die Dicke des Werkstücks bewirkt eine Verwerfung, so daß beide Oberflächen S1 und S2 sich sphärisch verformen, wie in Fig. 7 veranschaulicht. Die Größe δ₁ oder δ₂ dieser Verformung ist gleich an beiden Oberflächen S1 und S2 (und kann daher als ein einziger Wert &_T betrachtet werden) und hängt direkt von der Größe des Temperaturgradienten ab. Es wäre vorteilhaft, das Tem­ peraturdifferential ΔT zwischen den vorderen und hinteren Ober­ flächen S1 und S2 so genau wie möglich zu messen (vorzugsweise bis auf ein Hundertstel eines Grades oder noch genauer), um ihn während des Polierprozesses zu beseitigen oder mindestens zu kompensieren. Es wurde entdeckt, daß dieses Temperaturdifferen­ tial mit einem hohen Grad an Präzision unter Benutzung der oben beschriebenen OPD-Messungen ermittelt werden kann.

Angenommen z. B., die Oberflächen S1 und S2 des Werkstücks W haben eine ebene, kreisförmige Gestalt, dann ist die-thermische Verformung jeder Oberfläche sphärisch, so daß die h heißere vordere Oberfläche S1 mit zunehmender Temperatur zunehmend konvexer wird, und die kältere hintere Oberfläche S2 zunehmend konkaver wird. In Abwesenheit externer Kräfte, welche die thermische Verformung in Grenzen halten würde, kann die Ausbuchtung der Verformung durch die folgende Gleichung beschrieben werden:

wobei:
δ_T die maximale Größe der Verformung des Werkstücks oder der Ausbuchtung über eine unendliche Ebene der Dicke t und über den Durchmesser L ist;
α der thermische Ausdehnungskoeffizient ist; und
ΔT das axiale thermische Differential zwischen den vorderen und hinteren Oberflächen des Werkstücks ist.

Das Werkstück wird sich gleichmäßig über seine Dicke t ver­ formen, wenn die Wärmeübertragung über seinen Oberflächenbereich gleichmäßig ist. So wird, wie in Fig. A zu sehen ist, ein an irgendeiner Menge von Punkten auf das Werkstück einfallender Lichtstrahl keine Differenz der optischen Wegelänge erfahren. Das beobachtete Fizeau-OPD bleibt deshalb unverändert, während sich das Werkstück W wegen eine Temperaturdifferentials über seine Dicke verformt.

Während jedoch die vordere Oberfläche S1 des Werkstücks W wegen der thermischen Verformung konvexer wird, konzentriert die konvexe Oberfläche S1 die Kraft seiner Masse auf den Scheitel­ punkt A, wie in Fig. 8B zu sehen ist. Prestons Gleichung sagt aus, daß die Rate der Materialabtragung von irgendeinem Punkt der Oberfläche des Werkstücks direkt proportional zu der an diesem Punkt wirkenden Kraft (Druck) P und Geschwindigkeit V ist:

wobei:
dh/dt die Rate der Materialabtragung an einen bestimmten Punkt pro Zeiteinheit ist;
C die Proportionalitätskonstante des Werkstücks ist;
P der lokale Druck ist; und
V die Geschwindigkeit der Werkstückbewegung bezüglich des Vlieses ist.

Deshalb wird sich die Ebenmäßigkeit der polierten Oberfläche S1 des Werkstücks W infolge des Polierens in einem deformierten Zustand zu verändern beginnen. Diese Veränderung wird veranschau­ licht durch ein Abflachen des zentralen Abschnitts der Werkstück­ oberfläche S1 und kann als eine Veränderung in der OPD beobachtet werden, wie sie durch das in-situ-Meßsystem gemessen wird (ver­ gleiche Fig. 9A mit Fig. 8A).

Während die konvexe Bearbeitungsoberfläche S1 des Werkstücks W fortgesetzt poliert wird, wird die Ausbauchung der Oberfläche S1 weggetragen werden bis die Oberfläche S1 wieder ebenmäßig bezüglich des Poliervlieses ist, wie in Fig. 10B veranschaulicht, zu welchem Zeitpunkt die Rate der Materialabtragung wieder gleichmäßig über die gesamte Oberfläche S1 wird. Eine erkennbare OPD liegt nun vor, wie durch Fig. 10A gezeigt wird. Zu diesem Zeitpunkt bilden die Fizeau-OPD-Messungen, die eine Differenz der Dicke zwischen der nun flachen vorderen Oberfläche S1 des Werk­ stücks W und der immer noch konkaven hinteren Oberfläche S2 repräsentieren, ein direktes Maß für die Ausbuchtung Δ_T.

Gewöhnlich ist es notwendig zu bestimmen, ob die beobachtete Differenz der Dicke lediglich durch das Temperaturdifferential zwischen den vorderen und hinteren Oberflächen S1 und S2 herbei­ geführt wird, oder ob ein Teil der Dickenveränderung von einem nicht ebenen Vlies herrührt. Diese Bestimmung kann getroffen werden durch Vergleich der gemessenen Ebenmäßigkeit einer getrennten Überwachungsprobe, die vorzugsweise zusammen mit dem wirklichen Werkstück bearbeitet wird und daher dieselbe, von einem nicht-ebenen Vlies stammende Dickenveränderung wie das wirkliche Werkstück aufweist. Angenommen, die Überwachungsprobe wurde aus einem thermisch unempfindlichen Material hergestellt und weist deshalb die gegenwärtig vom Vlies produzierte Ober­ flächenebenmäßigkeit aus, kann man jede Differenz δ_T in Ober­ flächenebenmäßigkeit des wirklichen Werkstücks und der Über­ wachungsprobe auf die thermische Verformung des wirklichen Werk­ stücks schieben. Die Kenntnis kann dann dazu benutzt werden, entweder Δ_T zu berechnen und die Aufschlämmungstemperatur anzu­ passen, um Δ_T zu beseitigen oder Δ_T mindestens auf einen akzep­ tablen Wert abzusenken, oder einfach die Aufschlämmungstemperatur auf einen gewissen Wert einzustellen und das Polieren fortzuset­ zen, bis die gewünschte dimensionale Charakteristik des wirk­ lichen Werkstücks erreicht ist.

Sobald δ_T bekannt ist, kann das Temperaturdifferential Δ_T durch Auflösen der Gleichung 10 für die folgende Gleichung 12 bestimmt werden:

Sobald die Temperaturdifferenz bekannt ist, können Messungen unternommen werden, um den Polierbetrieb anzupassen, um so die Temperaturdifferenz zu beseitigen oder sie mindestens zu kompen­ sieren. In dem dargestellten Beispiel, in dem die Polieroperation durch den Ringpolierer 22 mit einem Aufschlämmungsversorgungs­ system 36 mit einer Aufschlämmungstemperatursteuerung durch­ geführt wird, können die OPD-Messungen benutzt werden in einer Steuerung mit geschlossener Schleife des Erhitzers/Kühlers 44 des Aufschlämmungsversorgungssystems 36.

Mit Bezug auf das Flußdiagramm von Fig. 11, verzweigt ein bevorzugter Prozeß 150 zum Erreichen dieser Ergebnisse von Start in Schritt 152 zu Schritt 154, in dem OPD-Daten ermittelt werden.

Die Temperaturdifferenz Δ_T zwischen der vorderen oder Bearbei­ tungsoberfläche S1 und der hinteren Oberfläche S2 wird dann durch den Meßdatenprozessor 60 unter Benutzung der oben beschriebenen Technik ermittelt. Die Größe von Δ_T kann nach Wunsch auf der Datenanzeige 66 dargestellt werden. Dann bestimmt der Steu­ erungskommandoprozessor 62 in Schritt 158, ob die Größe von Δ_T ausreichen groß ist, daß eine Anpassung der Aufschlämmungstem­ peratur entweder nach oben oder nach unten angezeigt ist oder nicht. Falls eine Anpassung angezeigt ist, verzweigt der Prozeß zu Schnitt 160, in dem der Steuerungskommandoprozessor 62 bewirkt, daß die Endbearbeitungsmaschinensteuerung 64 ein Aus­ gabesignal an das Aufschlämmungsversorgungssystem 36 ausgibt, um so die Temperatur der über das Vlies 38 zirkulierenden Aufschläm­ mung zu erhöhen oder zu verringern. Der Prozeß 150 kehrt dann zu Schritt 154 zurück, in dem zusätzliche OPD-Messungen durchgeführt werden.

Der Prozeß 150 durchläuft dann die Schritte 154, 156 und 158 in einer iterativen Art, bis Δ_T beseitigt oder mindestens auf Werte innerhalb akzeptabler Bereiche gebracht ist, zu welchem Zeitpunkt der Prozeß zu Schritt 162 verzweigt, in dem der Steu­ erungskommandoprozessor 62 die Endbearbeitungsmaschinensteuerung 64 veranlaßt, das Aufschlämmungsversorgungssystem 36 dazu zu bringen, die Aufschlämmung auf ihrer gegenwärtigen Temperatur zu halten. Der Prozeß 150 kehrt dann zu Start (in Schritt 152) zurück und wird wiederholt solange wie der Polierbetrieb andauert.

Viele Veränderungen und Modifikationen können an der Erfin­ dung gemacht werden ohne von ihrem Geist abzuweichen. Z.B. ist die Erfindung, wie oben ausgesagt, auf eine Vielzahl von Ober­ flächenendbearbeitungsoperationen zusätzlich zu den oben beschriebenen Polieroperationen angewendet werden. Verschiedene Überwachungs- und Steuerungsschemata können auch zusätzlich zu oder an Stelle von den oben beschriebenen benutzt werden. Obwohl in-situ-Meßtechnik beschrieben wurde, daß sie stattfindet ohne den Endbearbeitungsprozeß zu unterbrechen, kann beispielsweise die Drehung des Drehtellers während der Interferogrammerstellung unterbrochen werden, (aber es besteht immer noch nicht die Not­ wendigkeit, das Werkstück W vom Vlies 38 zu entfernen). Der Umfang dieser Veränderungen wird aus den angehängten Ansprüchen erkenntlich werden.

Claims (34)

1. Verfahren zur Endbearbeitung eines Werkstücks, das enthält:

• (A) Aussetzen mindestens einer Bearbeitungsoberfläche des Werkstücks einem Endbearbeitungsprozeß in einer Endbearbeitungs­ maschine; und
• (B) Messen einer dimensionalen Charakteristik während des Ablaufs des Endbearbeitungsprozesses, wobei der Meßschritt ein Interferometer benutzt und durchgeführt wird, während das Werk­ stück sich auf der Endbearbeitungsmaschine befindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner enthält: Anpassen min­ destens eines Parameters des Endbearbeitungsprozesses in Reaktion auf den Meßschritt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, das ferner in Reaktion auf den Meß­ schritt enthält: Bestimmen, daß das Werkstück eine gewünschte dimensionale Charakteristik aufweist, und wobei der Anpassungsschritt das Beenden der Endbearbeitungsopera­ tion enthält, nachdem bestimmt wurde, daß das Werkstück die gewünschte Charakteristik aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die gewünschte Charakteristik ein gewünschtes, endbearbeitetes Oberflächenprofil ist.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die gewünschte Charakteristik eine gewünschte Gleichmäßigkeit der Dicke ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Meßschritt enthält: Messen der Schwankungen der optischen Dicke des Werkstücks.

7. Verfahren nach Anspruch 6, das ferner enthält: Ermitteln eines Anzeichens des Profils der Bearbeitungsoberfläche aus der Messung.

8. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Anpassungsschritt ent­ hält: eine Einrichtungsoperation der Endbearbeitungsmaschine, um zu bewirken, daß eine aktuelle dimensionale Charakteristik des Werkstücks sich einer gewünschten dimensionalen Charakteristik annähert.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die gewünschte dimensionalen Charakteristik ein gewünschtes Oberflächenprofil ist.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei
die Endbearbeitungsmaschine ein Ringpolierer ist, und der Ringpolierer einen rotierenden Drehteller, ein auf dem Drehteller angeordnetes Vlies, und ein rotierendes, von dem Vlies getragenes Abrichtwerkzeug enthält, welches radial bezüglich des Drehtellers verschieblich ist, um ein Profil des Vlieses zu verändern, und wobei
der Anpassungsschritt enthält: Verändern der Position des Abrichtwerkzeugs in radialer Richtung relativ zu dem Drehteller, um das Profil des Vlieses zu verändern.

11. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner enthält: (1) Ermitteln eines Anzeichens von thermischer Verformung des Werkstücks unter Benutzung der Ergebnisse des Meßschritts und (2) Bestimmen einer Temperaturdifferenz über das Werkstück.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Ermittelns eines Anzeichens von thermischer Verformung enthält:
Ermitteln eines Anzeichens einer Gesamtdifferenz der Dicke, des Werkstücks,
Ermitteln eines Anzeichens einer Gesamtdifferenz der Dicke einer thermisch unempfindlichen Überwachungsprobe, die durch die Endbearbeitungsmaschine endbearbeitet wird, und
Zuordnen einer erkannten Differenz der Dicken zwischen dem Werkstück und der Überwachungsprobe zur thermischen Verformung des Werkstücks.

13. Verfahren nach Anspruch 11, das ferner enthält: Verändern der Temperatur einer durch die Endbearbeitungsmaschine zirkulierenden Aufschlämmung, falls ein Temperaturdifferential als Ergebnis des Bestimmungsschritts erkannt wurde.

14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Meßschritt durchgeführt wird, während die Bearbeitungsoberfläche des Werkstücks gerade durch die Endbearbeitungsmaschine endbearbeitet wird.

15. Verfahren zur Endbearbeitung eines Werkstücks, das enthält:

• (A) Aussetzen mindestens einer Oberfläche des Werkstücks einem Endbearbeitungsprozeß in einer Endbearbeitungsmaschine; und
• (B) während des Endbearbeitungsprozesses:
  • (1) Messen einer optischen Dicke des Werkstücks unter Benutzung eines Interferometers, wobei der Meßschritt durch­ geführt wird, während das Werkstück sich auf der Endbearbei­ tungsmaschine befindet,
  • (2) Ermitteln eines Anzeichens einer gewünschten dimen­ sionalen Charakteristik aus den Messungen,
  • (3) Bestimmen, ob der aktuelle Wert der bezeichneten Charakteristik sich von einem gewünschten Wert der bezeich­ neten Charakteristik unterscheidet,
  • (4) Anpassen mindestens eines Parameters des Endbearbei­ tungsprozesses, um zu bewirken, daß der aktuelle Wert der bezeichneten Charakteristik sich dem gewünschten Wert annähert, und
  • (5) Wiederholen der Schritte (1) bis (4) nacheinander, bis der aktuelle Wert der bezeichneten Charakteristik min­ destens im Wesentlichen gleich dem gewünschten Wert ist.

16. Verfahren zur Endbearbeitung eines Werkstücks, das enthält:

• (A) Polieren einer ersten Oberfläche des Werkstücks in einem Ringpolierer mit einem rotierenden Drehteller, einem auf dem Drehteller angeordnetes Vlies, und einem-rotierenden, von dem Vlies getragenen Abrichtwerkzeug, welches radial bezüglich des Drehtellers verschieblich ist, um ein Profil des Vlieses zu verändern; und
• (B) während das Werkstück poliert wird:
  • (1) Aussenden eines Strahls kohärenter Strahlung in das Werkstück, um so erste und zweite reflektierte Strahlen von der ersten Oberfläche des Werkstücks und einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche des Werk­ stücks zu erzeugen,
  • (2) Kombinieren der ersten und zweiten, reflektierten Strahlen, um ein Interferenzmuster zu bilden, das als ein Meßwert einer optischen Dicke des Werkstücks dient,
  • (3) Bestimmen eines Anzeichens des aktuellen Profils der ersten Oberfläche des Werkstücks aus den Messungen,
  • (4) Bestimmen, ob das aktuelle Profil sich von einem gewünschten Profil unterscheidet,
  • (5) Anpassen der radialen Position des Abrichtwerkzeugs relativ zu dem Drehteller, um das Profil des Vlieses anzu­ passen, damit bewirkt wird, daß das aktuelle Profil der ersten Oberfläche sich dem gewünschten Profil annähert, und
  • (6) Wiederholen der Schritte (1) bis (5) nacheinander, bis das aktuelle Profil der ersten Oberfläche im Wesentlichen gleich dem gewünschten Profil ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Anpassungsschritt auto­ matisch durchgeführt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, das ferner enthält: 1) Ermitteln eines Anzeichens von thermischer Verformung des Werkstücks auf­ grund der Ergebnisse des Kombinationsschritts und 2) Bestimmen einer Temperaturdifferenz zwischen den ersten und zweiten Ober­ flächen des Werkstücks, und wobei der Anpassungsschritt enthält: Anpassen der Temperatur einer Aufschlämmung, die durch den Ring­ polierer zirkuliert.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt zum Ermitteln eines Anzeichens von thermischer Verformung des Werkstücks enthält:
Ermitteln eines Anzeichens einer Gesamtdifferenz der Dicke des Werkstücks,

Ermitteln eines Anzeichens einer Gesamtdifferenz der Dicke einer thermisch unempfindlichen Überwachungsprobe, die durch die Endbearbeitungsmaschine endbearbeitet wird, und

Zuordnen einer erkannten Differenz der Dicken zwischen dem Werkstück und der Überwachungsprobe zur thermischen Verformung des Werkstücks.

20. System, das enthält:

• (A) eine Endbearbeitungsmaschine mit einer Bearbeitungssta­ tion für die Aufnahme eines Werkstücks, das einer Endbearbei­ tungsoperation ausgesetzt werden soll; und
• (B) ein Interferometer, das bezüglich der Bearbeitungsstation so positioniert ist, daß eine in-situ-Meßtechnik an dem Werkstück durchgeführt werden kann, welches sich in der Bearbeitungsstation befindet.

21. System nach Anspruch 20, das ferner enthält: eine Steuerung, die mit dem Interferometer automatisch gekoppelt ist, und die ein Ausgabesignal als Reaktion auf den Betrieb des Interferometers erzeugt.

22. System nach Anspruch 21, wobei das Ausgabesignal ein von Menschen unterscheidbares Signal ist, das bezeichnend für eine dimensionale Charakteristik des Werkstücks ist.

23. System nach Anspruch 21, wobei das Ausgabesignal ein Steu­ erungssignal ist, das mindestens einen Betriebsparameter der Endbearbeitungsmaschine steuert.

24. System nach Anspruch 23, wobei
die Endbearbeitungsmaschine ein Ringpolierer ist, und der Ringpolierer einen rotierenden Drehteller, ein auf dem Drehteller angeordnetes Vlies, und ein rotierendes, von dem Vlies getragenes Abrichtwerkzeug enthält, welches radial bezüglich des Drehtellers verschieblich ist, um ein Profil des Vlieses zu verändern, und wobei
die Steuerung elektronisch mit dem Abrichtwerkzeug verbunden ist, und die radiale Position des Abrichtwerkzeugs relativ zu dem Drehteller aufgrund der von dem Interferometer empfangenen Sig­ nale automatisch verändert.

25. System nach Anspruch 23, wobei
der Ringpolierer ferner enthält: ein Aufschlämmungsversor­ gungssystem, das Aufschlämmung über das Vlies zirkuliert, und das die Temperatur der Aufschlämmung steuert, wobei
die Steuerung unter Benutzung der Signale von dem Interfero­ meter arbeitet, um eine Temperaturdifferenz über das Werkstück zu bestimmen, und wobei
die Steuerung mit dem Aufschlämmungsversorgungssystem gekop­ pelt ist und aufgrund der bestimmten Temperaturdifferenz über das Werkstück arbeitet, um automatisch zu bewirken, daß das Auf­ schlämmungsversorgungssystem die Temperatur der Aufschlämmung verändert.

26. System nach Anspruch 20, wobei das Interferometer ein Phasen­ verschiebungsinterferometer ist.

27. System, das enthält:

• (A) einen Ringpolierer, und der Ringpolierer enthält: einen rotierenden Drehteller, ein auf dem Drehteller angeordnetes Vlies, einen Ringaufbau, der ein zu polierendes Werkstück über das Vlies bewegt, und ein rotierendes, von dem Vlies getragenes Abrichtwerkzeug, welches radial bezüglich des Drehtellers verschieblich ist, um ein Profil des Vlieses zu verändern;
• (B) ein Interferometer, das bezüglich des Vlieses positio­ niert ist, um in-situ-Meßtechnik an dem gerade auf dem Vlies polierten Werkstück durchzuführen; und
• (C) eine Steuerung, die betrieblich mit dem Interferometer gekoppelt ist, und die ein Ausgabesignal in Reaktion auf den Betrieb des Interferometers erzeugt.

28. System nach Anspruch 27, wobei das Ausgabesignal ein von Menschen unterscheidbares Signal ist, das bezeichnend für eine dimensionale Charakteristik des Werkstücks ist.

29. System nach Anspruch 27, wobei die Steuerung elektronisch mit dem Abrichtwerkzeug gekoppelt ist, und wobei das Ausgabesignal ein Steuerungssignal ist, welches das Abrichtwerkzeug radial bezüglich des Drehtellers und automatisch neu positioniert, um so das Profil des Vlieses zu verändern.

30. System nach Anspruch 27, wobei
der Ringpolierer ferner enthält: ein Aufschlämmungsversor­ gungssystem, das Aufschlämmung über das Vlies zirkuliert, und das die Temperatur der Aufschlämmung anpaßt, wobei
die Steuerung unter Benutzung der Signale von dem Interfero­ meter arbeitet, um eine Temperaturdifferenz über das Werkstück zu bestimmen, und wobei
die Steuerung mit dem Aufschlämmungsversorgungssystem gekop­ pelt ist und aufgrund der bestimmten Temperaturdifferenz über das Werkstück arbeitet, um automatisch zu bewirken, daß das Auf­ schlämmungsversorgungssystem die Temperatur der Aufschlämmung verändert.

31. System nach Anspruch 27, wobei das Interferometer ein Phasen­ verschiebungsinterferometer ist.

32. System, das enthält:

• (A) einen Ringpolierer, und der Ringpolierer enthält: einen rotierenden Drehteller, ein auf dem Drehteller angeordnetes Vlies, einen Ringaufbau, der ein zu polierendes Werkstück über das Vlies bewegt, ein rotierendes, von dem Vlies getragenes Abrichtwerkzeug, welches radial bezüglich des Drehtellers ver­ schieblich ist, um ein Profil des Vlieses zu verändern und ein Aufschlämmungsversorgungssystem, das Aufschlämmung über das Vlies zirkuliert, und das die Temperatur der Aufschlämmung anpaßt;
• (B) ein Phasenverschiebungsinterferometer, das mindestens zu einem Teil über dem Vlieses positioniert ist, und das in der Lage ist, in-situ-Meßtechnik an dem gerade auf dem Vlies polierten Werkstück durchzuführen; und
• (C) eine Steuerung, die betrieblich mit dem Interferometer und dem Ringpolierer gekoppelt ist, wobei die Steuerung aufgrund von Signalen, die sie von dem Interferometers empfängt, automa­ tisch arbeitet, um
  • (1) die radiale Position des Abrichtwerkzeugs relativ zu dem Drehteller zu verändern, um so ein Profil des Vlieses zu verändern, und
  • (2) zu bewirken, daß das Aufschlämmungsversorgungssystem die Temperatur der Aufschlämmung ändert.