WO2003090973A1

WO2003090973A1 - Werkstückoberflächenbearbeitungskopf

Info

Publication number: WO2003090973A1
Application number: PCT/EP2003/004042
Authority: WO
Inventors: Siegfried Stacklies
Original assignee: Carl Zeiss Smt Ag
Priority date: 2002-04-23
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2003-11-06
Also published as: US20040116049A1; DE10218039A1; AU2003229695A1; US6951500B2

Abstract

Ein Werkstückoberflächenbearbeitungskopf (5) weist wenigstens ein mit der zu bearbeitenden Oberfläche (2) in Kontakt tretendes Bearbeitungswerkzeug (6) auf, dessen Längsachse (7) im Wesentlichen senkrecht zu der zu bearbeitenden Oberfläche (2) ausgerichtet ist. Das Bearbeitungswerkzeug (6) ist zur Bearbeitung der Werkstücke (3) mittels wenigstens einer Antriebseinrichtung (9) in einer wenigstens annähernd senkrecht zu seiner Längsachse (7) verlaufenden Richtung (X;Y) verfahrbar.

Description

Werkstückoberflächenbearbeitungskopf

Die Erfindung betrifft einen Werkstückoberflächenbearbei- tungskopf nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher defi- nierten Art. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Werkstückoberflächenbearbeitungsvorrichtung und ein Werkstückoberflächenbearbeitungsverfahren.

Aus der DE 197 51 750 AI ist ein gattungsge äßer Bearbei- tungskopf bzw. ein Werkzeug sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen optischer Linsen bekannt. Die Vorrichtung ist dabei in der Lage, mehrere Spindeln, an denen die Bearbeitungsköpfe bzw. Werkzeuge angehängt sind, in x-, y- und z-Richtung zu verstellen bzw. zu bewegen.

Die DE 298 03 158 Ul beschreibt eine Mehrspindel- Poliermaschine mit verschiedenen Polierwerkzeugen. Hierbei wird das Polierwerkzeug jeweils auf einer vorbestimmten Bahn über die zu polierende Fläche geführt, wobei das Bearbei- tungswerkzeug bzw. die Polierauflage, also derjenige Teil des Bearbeitungskopfes, der für die eigentliche Bearbeitung verantwortlich ist, gegenüber dem gesamten Bearbeitungskopf starr ist.

Der Nachteil dieser Bearbeitungsköpfe bzw. des mit diesen Bearbeitungsköpfen ausgeführten Verfahrens besteht darin, daß durch das zwangsläufig regelmäßige Abfahren der_, zu bearbeitenden Fläche entlang bestimmter Bahnen entsprechend regelmäßige Strukturen auf der Oberfläche erzeugt werden, was jedoch insbesondere bei Spiegel- oder Linsenflächen, die in Lithographiesystemen eingesetzt werden sollen, äußerst problematisch ist, weil hierdurch beispielsweise Streulicht-Effekte erzeugt werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Werk- stückoberflächenbearbeitungskopf zu schaffen, mit dem es ög- lieh ist, bei der Bearbeitung unregelmäßige Strukturen auf der Oberfläche zu erzeugen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene, wenigstens eine Antriebseinrichtung, durch welche das Bearbeitungswerkzeug senkrecht zu seiner Längsachse verfahrbar ist, lässt sich das Bearbeitungswerkzeug unabhängig von einer Vorrichtung, an der der Werkstückoberflächenbearbeitungskopf angebracht ist, und damit sehr schnell beliebig variierend verfahren bzw. verstellen, wodurch die Erzeugung von regelmäßigen Strukturen verhindert wird. Eine Drehbewegung des Werkstückoberflächen- bearbeitungskopfes ist dabei nicht unbedingt vorgesehen.

Die sich durch den erfindungsgemäßen Werkstückoberflächenbe- arbeitungskopf ergebenden Strukturen auf der Oberfläche des Werkzeugs sind somit sehr unregelmäßig und rein statistisch, wodurch Einrasteffekte vermieden werden und sich besonders für hochgenaue Anwendungen in der Optik entsprechende Werkstücke herstellen lassen.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt dar- in, dass sich über den gesamten Bearbeitungsbereich des Werkstückoberflächenbearbeitungskopfes eine gleichmäßige Bearbeitungsgeschwindigkeit ergibt, was zu einer weiteren Verbesserung der Oberflächenqualität führt.

Wenn in einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wenigstens eine zweite Antriebseinrichtung vorgesehen ist, durch welche das Bearbeitungswerkzeug zusammen mit der ersten Antriebseinrichtung in einer wenigstens annähernd -senkrecht zu der Längsachse des Bearbeitungswerkzeugs verlaufenden Ebe^ ne verfahrbar ist, so ist es möglich, das in unmittelbarem Kontakt mit der zu bearbeitenden Oberfläche stehende Bearbei- tungswerkzeug in beliebige Richtungen und innerhalb kürzester Zeit zu verstellen bzw. verfahren, so daß völlig unregelmäßige Strukturen auf der Oberfläche geschaffen werden können, was zu einer insgesamt stark verbesserten Oberflächenrauheit führt .

Wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die wenigstens eine Antriebseinrichtung wenigstens zwei Linearmotoren aufweist, so ergibt sich eine Erhöhung der Ver- stellkraft für das Bearbeitungswerkzeug, wodurch dieses noch schneller verfahren werden kann. Die Vorteile derartiger Linearmotoren liegen neben ihren äußerst hohen Verfahrgeschwin- digkeiten vor allem in dem kleinen Bauraum, was für den vorliegenden Anwendungsfall von besonderer Bedeutung ist.

Eine Werkstückoberflächenbearbeitungsvorrichtung ist in Anspruch 8 angegeben.

Mit der dabei vorgesehenen Handhabungseinrichtung ist eine Ausrichtung des erfindungsgemäßen Bearbeitungskopfes in den verschiedensten Richtungen gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück möglich, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, eine vielfältige Art von Werkstücken zu bearbeiten.

Ein Werkstückoberflächenbearbeitungsverfahren mit dem erfindungsgemäßen Werkstückoberflächenbearbeitungskopf ist in Anspruch 12 angegeben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen sowie aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispielen .

Es zeigt:

Figur 1 eine erfindungsgemäße

Oberflächenbearbeitungsvorrichtung mit einer richtung mit einer Handhabungseinrichtung und einem daran angebrachten, erfindungsgemäßen Bearbeitungskopf in schematischer Darstellung;

Figur 2 eine Schnittdarstellung des Bearbeitungskopfes aus Figur 1;

Figur 3 einen Schnitt nach der Linie III-III aus Figur 2.

Figur 4 eine zweite Ausführungsform eines Bearbeitungskopfes; und

Figur 5 eine dritte Ausführungsform eines Bearbeitungskopfes .

Eine Vorrichtung 1 zur Bearbeitung einer Oberfläche 2 eines Werkstücks 3 weist eine äußerst schematisch dargestellte Handhabungseinrichtung 4 auf, an der ein Werkstückoberflächenbearbeitungskopf bzw. Bearbeitungskopf 5 angebracht ist.

Die Handhabungseinrichtung 4 kann beispielsweise ein an sich bekannter Sechs-Achsen-Roboter sein, der den Bearbeitungskopf 5 in x-, y- und z-Richtung orientieren und zusätzlich in drei Achsrichtungen verdrehen kann. Bei dem Werkstück 3 handelt es sich vorzugsweise um eine aus Glas bestehende Linse oder einen Spiegel für ein nicht dargestelltes Lithographiesystem für die Halbleiter-Lithographie. Das Werkstück 3 kann auch aus einem Kristall-Material bestehen, insbesondere wenn es sich bei dem Werkstück 3 um eine Linse handelt. Prinzipiell kommt als Material für das Werkstück 3 jedes polierbare Material in Frage, also beispielsweise auch Kalziumfluorid. Die Oberfläche 2 des Werkstücks 3 ist insbesondere asphärisch ausgeführt und besitzt eine erforderliche Maßgenauigkeit von weniger als 1 μ . Die bis zu dem Zeitpunkt des ^"Einsatzes des Bearbeitungskopfes 5 durchgeführten Bearbeitungsschritte an dem Werkstück 3 sind an sich bekannt und werden daher im fol- genden ni-cht näher erläutert. Die Aufgabe des Bearbeitungskopfes 5 ist das Feinpolieren der Oberfläche 2 des Werkstücks 3, was die abschließende Bearbeitung des Werkstücks 3 darstellt und für eine sehr geringe Mikrorauheit der Oberfläche 2 sorgen soll.

Der in Figur 2 im Schnitt dargestellte Bearbeitungskopf 5 weist eine Polierauflage bzw. allgemein ein Bearbeitungswerkzeug 6 mit einer Längsachse 7 auf, die im wesentlichen senk- recht zu der Oberfläche 2 des Werkstücks 3 verläuft. Die entsprechende Ausrichtung des Werkzeuges 5 gegenüber dem Werkstück 3 wird durch die Handhabungseinrichtung 4 übernommen. Das Bearbeitungswerkzeug 6 selbst kann von an sich bekannter Bauart sein und bei entsprechender Änderung des zu bearbei- tenden Werkstückes 3 auch ausgewechselt werden.

In einem auch als Halter zu bezeichnenden Gehäuse 8 des Bearbeitungskopfes 5 ist eine in Richtung des Pfeiles X, also in x-Richtung, wirkende Antriebseinrichtung 9 angeordnet, die im vorliegenden Fall zwei in gleicher Richtung wirkende, elektronisch gekoppelte Linearmotoren 10 und 11 aufweist. Die Antriebseinrichtung 9 ist in der Lage, das Bearbeitungswerkzeug 6 senkrecht zu seiner Längsachse 7 zu verstellen bzw. zu verfahren, was durch an das Bearbeitungswerkzeug 6 gekoppelte Sekundärteile 12 und 13 der Linearmotoren 10 und 11 bewerkstelligt wird. In an sich bekannter Weise verschieben sich die Sekundärteile 12 und 13 bei entsprechender Ansteuerung bzw. Bestromung gegenüber ihren Primärteilen 14 und 15 und sind zusätzlich innerhalb des Gehäuses 8 in im vorliegenden Fall als Kugellager ausgebildeten Lagereinrichtungen 16 und 17 gelagert.

Durch die hohe Verfahrgeschwindigkeit der Linearmotoren 10 und 11 ist es möglich, das Bearbeitungswerkzeug 6 innerhalb kürzester Zeit in x-Richtung zu verfahren und auf diese Weise eine sehr hohe Verfahrgeschwindigkeit, die ja die Schnittge- schwindigkeit für die Bearbeitung der Oberfläche 2 des Werkstücks 3 darstellt, zu erreichen. Dadurch wird insbesondere beim Polieren von Glasflächen erreicht, dass sich durch eine Veränderung der Ansteuerung der Antriebseinrichtung 9 eine mehr oder weniger zufällige Bearbeitung der Oberfläche 2 ergibt. Eine derartige Ansteuerung wird durch eine Weggebereinrichtung 18 erzielt, die entsprechende Signale an die Antriebseinrichtung 9 weitergibt.

Um ein Verfahren des Bearbeitungswerkzeuges 6 in einer Ebene senkrecht zu seiner Längsachse 7 zu erreichen, ist eine zweite Antriebseinrichtung 19 vorgesehen, die in Figur 3 dargestellt ist. Die zweite Antriebseinrichtung 19 wirkt in Richtung des Pfeiles Y, also in y-Richtung, und somit sowohl senkrecht zu der Längsachse 7 des Bearbeitungswerkzeuges 6 als auch senkrecht zu der Bewegungsrichtung der ersten Antriebseinrichtung 9.

Auch die zweite Antriebseinrichtung 18 weist zwei Linearmoto- ren 20 und 21 auf, die im vorliegenden Fall identisch mit den beiden Linearmotoren 10 und 11 der ersten Antriebseinrichtung 9 ausgeführt sind und somit ebenfalls elektronisch miteinander gekoppelt sind. Außerdem weisen auch die Linearmotoren 20 und 21 entsprechende Sekundärteile, Primärteile und Lagerein- richtungen auf, die jedoch nicht näher dargestellt sind. Durch die in y-Richtung wirkende Antriebseinrichtung 19 ist auf diese Weise, zusammen mit der in x-Richtung wirkenden ersten Antriebseinrichtung 9 eine Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges 6 innerhalb einer kompletten Ebene möglich.

Die Ansteuerung der Weggebereinrichtung 18 erfolgt über eine in Figur 1 angedeutete Steuerungseinrichtung 22 und eine Rechnereinrichtung 23, die auch die Handhabungseinrichtung 4 ansteuern. Dadurch ist es möglich, das Bearbeitungswerkzeug 6 in beliebigen Geometrien zu verfahren, wobei sowohl überlagerte Bewegungen des Bearbeitungswerkzeuges 6 mit der Handha- bungseinrichtung 4 als auch Bewegungen lediglich des Bearbeitungswerkzeuges 6 möglich sind.

Figur 4 zeigt eine weitere Ausführungsform des Bearbeitungs- kopfes 5, bei welchem das Bearbeitungswerkzeug 6 in Form einer Kugel ausgeführt ist. Das kugelförmige Bearbeitungswerkzeug 6 ist in einer Kalotte 24 gelagert, welche ihrerseits mittels zweier Lagereinrichtungen 25 und 26 gegenüber dem Gehäuse 8 gelagert ist, und kann, wie dies bei den unter Bezug- nähme auf Figur 2 und Figur 3 beschriebenen Bearbeitungskopf 5 der Fall ist, mittels Linearmotoren 10 und 11 in x-Richtung bewegt werden. Dabei erfolgt die Bewegung der Sekundärteile 12 und 13 gegenüber den Primärteilen 14 und 15 ebenfalls auf einer Kurvenbahn. Die Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges 6 in y-Richtung übernehmen die in Figur 4 nicht dargestellten Linearmotoren 20 und 21. Somit wird auch bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 die Relativgeschwindigkeit zwischen der Oberfläche des Werkstücks 3 und dem Bearbeitungswerkzeug 6 durch die resultierenden x- und y-Geschwindigkeiten bestimmt. Auf diese Weise wird über die gesamte Kontaktfläche eine gut definierte Werkzeugabtragsfunktion erreicht.

Da die wirksame Kontaktfläche zwischen dem Werkstück 3 und dem Bearbeitungswerkzeug 6 durch den Radius des kugelförmigen Bearbeitungswerkzeuges 6 bestimmt wird, der sehr klein sein kann, können mit dem Bearbeitungskopf 5 gemäß Figur 4 sehr kleine Kontaktflächen erreicht werden. Damit ist dieser, Bearbeitungskopf 5 insbesondere zur Feinkorrektur von hochpräzisen Spiegel- oder Objektivflachen im extremen Ultraviolettbe- reich möglich.

Als Material für das kugelförmige Bearbeitungswerkzeug 6 kommt insbesondere Polyurethan, jedoch auch jedes andere zum Polieren geeignete Material, wie z.B. Filz, in Frage. Der Be- arbeitungskopf 5 gemäß Figur 4 weist auch die Weggebereinrichtung 18 auf, die innerhalb des Gehäuses 8 angeordnet ist. Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des ' Bearbeitungskopfes 5, die ähnlich zu derjenigen der Figuren 2 und 3 ausgeführt ist. Auch hier wird für das im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Figur 4 im wesentlichen flach ausgebildete Bearbeitungswerkzeug 6 elastisches Material verwendet, das an die Krümmungsverhältnisse der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks 3 angepasst sein kann. Auch der Bearbeitungskopf 5 gemäß Figur 5 weist die Antriebseinrichtung 9 mit den Linearmotoren 10, 11, 20 und 21 auf, von denen in Figur 5 jedoch nur der Linearmotor 11 dargestellt ist. Auch die Weggebereinrichtung 18 ist hierbei vorgesehen.

Claims

Patentansprüche

1. Werkstückoberflächenbearbeitungskopf mit wenigstens einem mit der zu bearbeitenden Oberfläche in Kontakt tretenden

Bearbeitungswerkzeug, dessen Längsachse im wesentlichen senkrecht zu der zu bearbeitenden Oberfläche ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Bearbeitungswerkzeug (6) zur Bearbeitung der Werkstücke (3) mittels wenigstens einer Antriebseinrichtung (9) in einer wenigstens annähernd senkrecht zu seiner Längsachse (7) verlaufenden Richtung (X;Y) verfahrbar ist.

2. Werkstückoberflächenbearbeitungskopf nach Anspruch 1, da- durch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Antriebseinrichtung (19) vorgesehen ist, durch welche das Bearbeitungswerkzeug (6) zusammen mit der ersten Antriebseinrichtung (9) in einer wenigstens annähernd senkrecht zu der Längsachse (7) des Bearbeitungswerkzeugs (6) verlaufenden Ebene verfahrbar ist.

3. Werkstückoberflächenbearbeitungskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsrichtungen (X,Y) der beiden Antriebseinrichtungen (9,19) im wesentlichen senk- recht zueinander ausgerichtet sind.

4. Werkstückoberflächenbearbeitungskopf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Antriebseinrichtungen (9,19) in einem Gehäuse (8) des Bearbeitungs- köpfes (5) angeordnet sind.

5. Werkstückoberflächenbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Antriebseinrichtung (9) wenigstens zwei Linear- motoren (10,11) aufweist.

6. Werkstückoberflächenbearbeitungskopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei gleichwirkenden Linearmotoren (10,11) elektronisch miteinander gekoppelt sind.

7. Werkstückoberflächenbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass er zum Polieren von Glas- oder Keramikflächen geeignet ist.

8. Werkstückoberflächenbearbeitungsvorrichtung mit einer Handhabungseinrichtung (4) und mit wenigstens einem an der Handhabungseinrichtung (4) angebrachten Bearbeitungskopf (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Werkstückoberflächenbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch

8, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Antriebseinrichtung (9) des Bearbeitungskopfes (5) über eine Rechnereinrichtung (23) steuerbar ist.

10. Werkstückoberflächenbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch

9, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Rechnereinrichtung (23) mit wenigstens einer Steuerungseinrichtung (22) und wenigstens einer Weggebereinrichtung

(18) verbunden ist.

11. Werkstückoberflächenbearbeitungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungseinrichtung (4) als Sechs-Achsen-Roboter ausgebildet ist.

12. Werkstückoberflächenbearbeitungsverfahren mit einem Bearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungswerkzeug (6) mittels der wenigstens einen Antriebseinrichtung (9) ständig be- wegt wird.