
High-End-Technologie zur Minimierung von Oberflächenformabweichungen
Die Ansprüche an Präzisionsoptiken, wie sie u.a. in der Halbleiterindustrie oder in der Medizintechnik verwendet werden, steigen stetig.
Mit konventionell polierten Optiken lassen sich bereits hinreichend gute Oberflächenformabweichungen realisieren. Die darüber hinaus bestehenden Forderungen an die Formabweichungen, insbesondere deren Unregelmäßigkeit (Feinpassfehler), lassen sich darauf aufbauend mit unterschiedlichen Verfahren kontrollieren.
Ion Beam Figuring
Um höheren Ansprüchen der Oberflächenformabweichung zu genügen, wird eine Polierkorrektur mit Ortsauflösung notwendig. Für diese ortsaufgelöste Fertigung von hochgenauen Oberflächen können unterschiedliche Ansätze verfolgt werden. Neben dem CNC-Polieren erweisen sich das magnetorheologische Polieren (MRF) oder das Ionenstrahlpolieren (IBF – Ion Beam Figuring) als mögliche Technologien.
Während beim MRF-Polieren ein mechanisches Poliermittel in einer magnetisierbaren flüssigen Lösung die optische Fläche bearbeitet, wird beim Ionenstrahlkorrigieren ein Strahl aus ionisierten und beschleunigten Edelgas-Atomen auf die Materialoberfläche gelenkt.
Das Ionenstrahlpolieren zeigt dabei einige Vorteile im direkten Vergleich. Unter anderem werden Oberflächendefekte vorgebeugt, da kein mechanischer Kontakt notwendig ist. Die Linse kann zudem über den Linsenrand hinaus und mit Fassung bearbeitet werden, während gleichzeitig weniger Einschränkungen in der Linsengeometrie vorhanden sind und tendenziell höhere Genauigkeiten erzielt werden.
Beim Ionenstrahlpolieren werden durch die kinetische Energie des Ionenstrahls Atome aus der Substratoberfläche herausgeschlagen. Mit der Kontrolle der Verweilzeit pro Flächenelement des Werkstücks, kann eine ortsaufgelöste Bearbeitung durchgeführt werden und auch kleinste verbleibende Formabweichungen und Restfehler korrigiert werden.
Voraussetzung dafür ist eine hochgenaue Vermessung der Passe vor der Bearbeitung, um eine softwaregestützte Korrektur zu berechnen. Dabei lassen sich typische Abtragsraten um 2nm/s realisieren. Bei POG erfolgt die Korrektur auf typischen Flächenelementen (Werkzeugdurchmessern) von ø1mm-ø8mm.


Anwendungsbeispiel
Das folgende Beispiel verdeutlicht die Ergebnisse, die mittels IBF-Korrektur erzielt werden können. Die Abbildung zeigt die Messergebnisse einer IBF-Korrektur an einer Linse mit ø54mm und einem Krümmungsradius (ROC) von 67mm.
Ziel ist das Einstellen eines Feinpassfehlers von 3/2 (0,08).
Nach der Pechpolitur wurde eine Unregelmäßigkeit von 0,19 gemessen. Durch eine IBF-Bearbeitung konnte die Unregelmäßigkeit auf 0,04 gesenkt werden, wodurch für die Abbildungsqualität des optischen Systems eine deutlich bessere Linse zur Verfügung steht.

Abb.: Interferometer-Ergebnisse vor der IBF-Korrektur (links) und nach der IBF-Korrektur (mittig). Der Feinpassfehler von 0,19 (Pechpolitur) konnte mit der Ionenstrahlkorrektur auf 0,04 reduziert werden. Die Detailaufnahme im rechten Bild verdeutlicht die Ergebnisse.
Das sagt unser Experte:
„Die Ionenstrahlpolitur wird zur Formkorrektur von Substratoberflächen eingesetzt. Dabei werden Ionen so stark beschleunigt und auf die Oberfläche geschossen, dass dort Atome der Oberfläche herausgeschlagen werden. Dadurch erreichen wir Formgenauigkeiten im Nanometerbereich. Zusammen mit der geeigneten Messtechnik fertigen wir so optische Systeme für High-End-Anwendungen. Dabei ist es nicht immer nur notwendig eine absolut genaue Oberfläche zu erzeugen, oft werden auch speziell auf ein Objektiv angepasste Fehler auf eine Oberfläche im Objektiv aufgebracht, um die Gesamtfehler im System zu korrigieren. Dafür werden weitere Techniken wie der Wellenfrontprüfstand benötigt. Besonders faszinierend ist, dass die Genauigkeit der Fläche in einem einzigen Bearbeitungsschritt stark verbessert werden kann. Nach der Bearbeitung sind die Oberflächen in der gewünschten Form.
Wir verwenden die Technologie immer dann, wenn die herkömmliche Fertigung von Linsen an ihre Grenzen gerät. Das ermöglicht es uns beispielsweise hoch geöffnete Objektive mit beugungsbegrenzten optischen Abbildungen herzustellen.“

Mathias
Entwicklungsingenieur