Schwarzhans, A. F. (2004). ALPS (Advanced Lens Polishing System) : Konzeptstudie zur deterministischen Fertigung von Bauteilen in optischer Qualität [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/180491
Präzisionsanwendungen im Bereich der Halbleiterchipproduktion (Waferstepper, Inspektionsgeräte) oder der Telekommunikation (optische Datenübertragung per Satellit) erfordern optische Komponenten extremer Präzision. So sind etwa für Abbildungsobjektive im Halbleiterbereich absolute Formabweichungen kleiner als 30nm (Abbildungsqualität), Mikrorauheiten kleiner 0.4nm (Streulicht), eine zufällige Fehlerverteilung bei der Kombination mehrerer Bauteile (Fehlerüberlagerung) sowie glatte Oberflächen (kontinuierliche Fehlerverläufe) im Nanometerbereich notwendig.<br />Diesen Anforderungen stehen die Möglichkeiten der Fertigungstechnik gegenüber, die einerseits auch heute noch auf Handarbeit erfahrener Polierer, andererseits auf aufwendigsten, technischen Ansätzen (z.B.<br />Ionenstrahlpolieren) beruht. Während Handarbeit schlecht reproduzierbar, teuer und durch rasant steigende Forderungen zunehmend überfordert ist, sind technische Ansätze trotz enormer Kosten meist nur in der Lage, Teilaspekte der Anforderungen zu erfüllen. Dies war der Anlass zur Entwicklung des numerisch gesteuerten Poliersystems ALPS (Advanced Lens Polishing System) (Gegenstand dieser Arbeit).<br />ALPS ist als Korrekturverfahren zum gezielten lokalen Abtragen von Fehlerstellen im Nanometerbereich konzipiert und verwendet dafür einen mechanisch-chemischen Abtragsprozess. Die aus den interferometrischen Messdaten des Bauteiles per Simulation bestimmte Verfahrstrategie wird per Roboter und kleinem mechanischem Werkzeug realisiert. Durch die Regelung der wichtigsten abtragsbestimmenden Einflussgrößen, sowie der Nutzung statistischer Fehlerüberlagerungen, gelingt es, die Abtragsraten innerhalb von weniger als 1% stabil zu halten. Dies entspricht bei der real auftretenden Größenordnung von Fehlern einem Bruchteil eines Nanometers! Um Polierstrukturen im Nanometerbereich zu vermeiden, wird bei der lateralen Positionierung des Polierwerkzeuges auf dem Bauteil auf eine möglichst zufällige statistische Fehlerverteilung geachtet, um die Überlagerung systematischer Fehleranteile des realen Abtragsprozesses zu vermeiden.<br />Mittels ALPS können optische Bauteile mit absoluten Formabweichungen kleiner 17nm, Mikrorauheiten zwischen 1.9 und 2.8Å, gepaart mit einer guten statistischen Fehlerverteilung und sehr geringen lokalen Steigungsfehlern, hergestellt werden. Darüber hinaus eignet sich ALPS zur Korrektur von Bauteilen nicht konstanter Krümmung (Asphären, Freiformflächen). Auch in wirtschaftlicher Hinsicht zeichnet sich ALPS im Vergleich zu Konkurrenzverfahren durch äußerst geringe Investitionskosten (<0.1 Mio. Euro; Vergleich: Ionenstrahlpolieren >1.5 Mio. Euro!) und Polierzeiten im Minutenbereich aus.<br />
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For high-end applications in semiconductor manufacturing (waferstepper, inspection) or telecommunication applications (optical data transmission) optical components with extreme technical specifications are required. Imaging systems in the semiconductor area for example demand absolute surface tolerances below 30nm (imaging quality), micro roughness below 0.4nm (refraction), statistical error distribution (error superimposition if components are combined), as well as smooth surfaces (slope errors) in the nanometer range. The manufacturing, which is either performed by experienced manual polishing or sophisticated technical approaches (e.g. Ion Beam Polishing) is highly challenged by these requirements. As manual work is not well repeatable, expensive and pushed to its limit by fast tightening specifications, most of the technical approaches are only capable to meet portions of the technical specifications. This was the motivation to develop the computer supported polishing system called ALPS (Advanced Lens Polishing System).<br />ALPS is designed to correct local errors in the nanometer scale by a mechanical-chemical removal process, applied on error zones. ALPS is built on an industrial robotic system and uses a small mechanical tool to remove local error zones in a polishing process. The strategy of the tool movements is determined by a simulation software taking the interferometric measurement results of the surface before correction and the known material removal rates as an input. By controlling key parameters and using statistical error superposition, the removal rate could be stabilized within 1%, which represents a fraction of a nanometer in the given setting! To avoid polishing structures, caused by the superposition of systematic errors of the removal process, the polishing tool avoids repeating actions at a single location, by imposing statistics on the positioning process.<br />In extensive tests ALPS has proven its ability to correct multiple surfaces to error deviations less than 17nm. In addition a micro roughness between 1.9 and 2.8Å combined with excellent statistical error distribution and favourable local slope errors could be achieved.<br />Moreover ALPS showed its potential to polish also elements of different curvatures as aspheres and optical freeform shapes. Beside these technical aspects ALPS is characterized by low investment costs compared to other technical approaches (<0.1 Mio. Euro compared to Ion Beam Polishing >1.5 Mio. Euro!) and polishing cycles in the range of minutes.<br />Based on these technical and economical strength ALPS opens the possibility for industrial error correction of optical components in the nanometer range.