[01] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spannsystem mit einer Grundträgerplatte und einem Schlitten, die in einer Ebene relativ zueinander beweglich angeordnet sind. Außerdem betrifft die Erfindung eine Fixiereinheit und ein Verfahren zur Verwendung des Spannsystems.

[02] Derartige Spannsysteme werden insbesondere zur zerspanenden, effizienten Herstellung von Linsenarrays eingesetzt. Ein Linsenarray ist ein matrixartiger Verbund von Einzellinsen, die in einen zusammenhängenden Grundkörper spanend oder lasemd erzeugt werden. Der Grundkörper weist je Linse eine Rotationssymmetrie um eine Referenzachse auf. Die Einzellinsen können aber auch nicht rotationssymmetrische Anteile um ihre Referenzachse aufweisen, wie z.B. rechteckig besäumte Linsen oder Freiformlinsen.

[03] Linsenarrays gewinnen zunehmend an Bedeutung für die Herstellung opto-elektronischer Aufbauten, wie sie in Konsumerprodukten, in der Sensorik oder auch im Automobilbau zu finden sind. Opto-elektronische Aufbauten bestehen aus elektronischen Komponenten, wie beispielsweise LED oder Sensor und optischen Komponenten, wie beispielsweise Fokussierlinsen oder diffraktiven Linsen zur Abbildung eines Musters zur sensorischen Gestenerkennung. Diese müssen zueinander präzise montiert werden, um die Funktion sicher zu stellen.

[04] Der etablierte Standard in der Produktion der elektronischen Komponenten ist die Wafer basierte Halbleiterfertigung. Eine große Anzahl an Einheiten wird auf einem runden Wafer gleichzeitig durch Belichtungs- und Ätzverfahren hergestellt. Die einzelnen Einheiten sind lateral auf dem Wafer mit Toleranzen von bis zu < 1 pm verortet.

[05] Nach der Produktion des Wafers können die Einheiten aus dem Wafer herausgeschnitten und z.B. präzise zu einer Optik montiert werden. Die Vereinzelung der elektronischen Komponenten aus dem Wafer und die weiterführende Montage von Einzelbaugruppen sind zeit- und kostenaufwändig.

Bestätigungskopie [06] Durch ein Linsenarray in Waferform kann eine sogenannte Montage im Nutzen durchgefuhrt werden. Anstatt eine einzelne elektronische Einheit zu einer optischen Einheit zu montieren, montiert man den vollständigen Wafer mit elektronischen Einheiten zu dem Linsenarray in Waferform, welches dieselben lateralen Abstände zwischen den Linsen aufweist, wie der Wafer. Der Wafer und das Linsenarray werden verklebt und in präziser Lage zueinander fixiert. Die nun folgende Vereinzelung von elektronischer Einheit und Optik fuhrt zu fertigen Funktionseinheiten, die keine weiteren Montageschritte benötigen. Durch diesen Ansatz lässt sich die Produktivität bei der Herstellung signifikant erhöhen. Ein konkretes Beispiel ist die Taschenlampe eines mobilen Telefons, bei der eine LED-Lichtquelle an eine ffesnellisierte Optik montiert und dann im Gehäuse verbaut wird.

[07] Die Herstellung derartiger Linsenarrays birgt produktionstechnisch große Herausforderungen, um die Qualität der Einzellinsen sowie die Präzision der lateralen Lage der Einzellinsen zueinander sicher zu stellen. Stimmen die lateralen Lagen der Einzellinsen zueinander nicht, entsteht Ausschuss bei der Montage im Nutzen.

[08] Linsenarrays für die Montage im Nutzen werden replikativ mit einem Werkzeug hergestellt. Neben dem Glasspressen, dem Kunststoffspritzguss, und dem Heißprägen von Plattenmaterial wird bevorzugt die Technologie „Silicon on Glas“ verwendet. Ein metallisches Werkzeug mit der negativen Geometrie des Linsenarrays wird mit fließfähigem Silikon befällt. Alternativ können optische Lacke (z.B. Ormocere) zum Einsatz kommen. Eine waferförmige, dünne, planparallele Glasscheibe wird auf Wafer und Silikon aufgebracht, so dass das Silikon an der Glasscheibe anhaftet. Es wird ein Prozess zur Aushärtung des Silikons initiiert. Die Glasscheibe mitsamt der Silikonoptik wird aus dem Werkzeug entformt und dient als fertige Optikeinheit, die im Folgeschritt vor einem Wafer mit elektronischen Komponenten montiert werden kann.

[09] Das metallische Abformwerkzeugs wird abhängig von der Geometrie der Optiken und dem Material des Werkzeugs unterschiedlich hergestellt. Zu differenzieren sind die verwendeten Prozesse zur Bearbeitung mit zugehörigen Materialien als auch die Kinematiken der verwendeten Maschine.

[10] Als Prozess zur Herstellung kleiner Einzeloptiken im Arrayverbund wird bevorzugt das Diamantdrehen mit geometrisch bestimmter Schneide eingesetzt. Durch den Schneidstoff Diamant lassen sich mit entsprechenden sogenannten ultrapräzisen Maschinen direkt optische Oberflächenqualitäten (Formhaltigkeiten < 0,5 qm, Rauheiten < 3 nm Ra) herstellen. Die Zerspanung mittels geometrisch bestimmter Diamantschneide ist limitiert auf Nicht-Eisen Metalle wie typischer Weise Nickel Phosphor Beschichtungen, Messing und Aluminium. Insbesondere Stahlwerkzeuge mit Nickel Phosphor Beschichtung, in die mittels Diamantwerkzeug zerspant wird, eigenen sich für höchste Qualität und produktive Replikation in Kunststoff. Sie können ebenfalls für „Silicon on Glas“ verwendet werden.

[11] Höherfeste Werkzeugwerkstoffe zur Replikation von Glas (z.B. Wolframkarbid) lassen sich nicht mittels geometrisch bestimmter Schneide bearbeiten. Hier kommen Schleifverfahren zum Einsatz, um die Einzellinsengeometrien herzustellen. Es lassen sich ähnliche Genauigkeiten erreichen, allerdings sind geometrische Freiheitsgrade beim Schleifen im Vergleich zum Diamantdrehen limitiert.

[12] Die Fertigung von Linsenarrays mittels Laserabtrag (Sublimation) ist generell ebenfalls möglich und soll der Vollständigkeit halber erwähnt werden, allerdings lassen sich durch diese Prozesse derzeit noch keine vergleichbaren Formhaltigkeiten und Oberflächenrauheiten erzielen. Der Einsatz in der Präzisionsoptik ist kaum gegeben.

[13] Unabhängig ob Drehen oder Schleifen wird die gängige Kinematik, die zur Herstellung derartiger Linsenarrays verwendet wird, als „Off-Axis-Bearbeitung“ bezeichnet (Stand der Technik, Prinzip 1). Das Drehen soll in den weiteren Ausführungen als exemplarischer Prozess beschrieben werden. Hierbei wird eine Ultrapräzisionsmaschine mit drei translatorischen Achsen (X,Y,Z) und einer rotatorischen Achse (C) (Spindel mit Lageregelung,) verwendet. Das zu bearbeitende Werkzeug wird fix auf der rotatorischen Achse geklemmt, so dass die Rotationsachse der Spindel und das Zentrum des Wafers exakt fluchten. Die Kinematik zur Herstellung der Einzellinsen auf dem Wafer setzt sich zusammen aus 3 Elementen. Die Einzellinse in der Wafermitte kann konventionell durch Rotation der Spindel (Kinematikelement 1) und interpolierende Bewegung der Translationsachsen X, Z mit Werkzeug entlang der Einzellinsenkontur (Kinematikelement 2) zerspanend hergestellt werden. Für eine Einzellinse mit lateralem Versatz zur Drehmitte des Wafers rotiert die Spindel mit dem Bauteil (Kinematikelement 1) ebenfalls. Der Bewegungsfuhrung des Werkzeugs entlang der Geometrie der Einzellinse (Kinematikelement 2) wird nun durch die Translationsachsen (X, Y) eine weitere Ausgleichsbewegung (Kinematikelement 3) überlagert, die den Versatz des Drehzentrums der Einzellinse zum Drehzentrum des Wafers ausgleicht. Zur Bearbeitung einer beliebigen Einzellinse im Waferverbund mit exzentrischer lateraler Position zur Wafermitte setzt sich entsprechend die interpolierende Bewegung der Translationsachsen zur Werkzeugfuhrung zusammen aus dem Kinematikelement 2 zur Erstellung der Einzellinsengeometrie und dem Kinematikelement 3 zur Kompensation der exzentrischen Lage. Je weiter eine Einzellinse vom Drehzentrum entfernt verortet ist, desto größer wird der Hub der Ausgleichsbewegung zur Kompensation (Kinematikelement 3). Durch die kombinierte Kinematik aus Rotation und Translation liegen prinzipbedingt Umkehrpunkte der Linearachsbewegungen in der zu schneidenden optischen Fläche. Umkehrpunkte sind solche Punkte, bei denen die Linearachse vollständig ihre Bewegungsrichtung ändert.

[14] Um höchste Präzision gewährleisten zu können, muss die Prozessgeschwindigkeit im Sinne der Achsvorschübe der interpolierend fahrenden Achsen stark reduziert werden. Ansonsten treten insbesondere in den Umkehrpunkten Überschwinger und resultierend Schleppfehler (regelungstechnisch: Abweichung Lagesollwert zu Lageistwert) auf. Diese äußern sich als Defekte auf der optischen Fläche im zu schneidenden Werkstück.

[15] Vorteilhaft bei der Herstellung von Mikrolinsenarrays mit dem Ansatz des Prinzips 1 ist, dass eine konventionell erhältliche Ultrapräzisionsmaschine verwendet werden kann und lediglich die Programmierung für die „Off Axis Bearbeitung“ ergänzt werden muss. Nachteilig sind die notwendigerweise stark reduzierte Dynamik bei der Bearbeitung und somit resultierende Bearbeitungszeiten für ein Linsenarraywerkzeug von bis zu einem Monat und mehr.

[16] Die WO2017/036523 beschreibt deshalb ein Prinzip 2, um das Effizienzproblem des Prinzips 1 zu lösen.

[17] Durch ein aktives Spannsystem, welches ergänzend auf der Hauptspindel einer Ultrapräzisionsmaschine (1) aufgebracht wird, lässt sich der kinematische Ansatz gegenüber Prinzip 1 verändern. Das aktive Spannsystem trägt dafür Sorge, dass jede Einzellinse des Wafers immer in das Drehzentrum der Hauptspindel positioniert wird und somit jede Einzellinse auf dem Wafer immer „On Axis“ bearbeitet werden kann. Durch diesen Ansatz fällt die Notwendigkeit einer überlagerten Ausgleichsbewegung der Translationsachsen (X, Y) auf der Werkzeugseite weg (Kinematikelement 3). Die werkzeugfuhrenden interpolierenden Linearachsen müssen lediglich zur Generierung der Einzellinsengeometrie verwendet werden (Kinematikelement 2). Somit liegen keine Umkehrpunkte im Verfahrprofil der Linearachsen in der zu schneidenden optischen Fläche. Das Prinzip 2 ermöglicht deutliche Qualitäts- und Effizienzsteigerungen.

[18] Konstruktiv lässt sich die Aufgabenstellung derart abstrahiert beschreiben, dass der Wafer mit n exzentrisch zum Mittelpunkt des Wafers verorteten Einzellinsen lateral auf der Hauptspindel positioniert und geklemmt werden muss, so dass jeweils eine Einzellinse mit ihrem Drehzentrum in das Drehzentrum der Hauptspindel geführt wird, um „On Axis“ bearbeiten zu können.

[19] Die WO2017/036523 lehrt die Verwendung von zwei zusätzlichen Rotationsachsen, welche auf der Hauptspindel gestapelt verortet werden. Zwei Freiheitsgrade für die laterale Positionierung werden durch Rotation/Rotation bereitgestellt. Die Hauptspindel (Rotation 1) hat die Aufgabe, die zum Drehen einer Einzellinse notwendige Schnittbewegung bereit zu stellen. Exzentrisch zur Rotationsachse der Hauptspindel wird eine zweite Rotationsachse auf einer Grundplatte verortet. Auf dieser sitzt eine dritte Rotationsachse, wiederum exzentrisch zur darunter liegenden Rotationsachse verortet. Auf dieser dritten Rotationsachse wird der zu schneidende Wafer mit einem Spannsystem zentrisch fixiert.

[20] Durch die zwei exzentrisch zueinander sitzenden Rotationsachsen kann der Wafer nun in einem definierten lateralen Bereich positioniert werden (Polarkinematik).

[21] Durch die Positionierung des Wafers mittels zweier exzentrisch zueinander versetzter Rotationsachsen auf der Hauptspindel entstehen, je nach Positionierung, unterschiedliche Massenverteilungen in Bezug auf die Rotation um die Achse der Hauptspindel. Diese Unwuchten führen bei der Bearbeitung zu Störkräften, welche die Qualität der zu schneidenden Einzellinsen beeinträchtigen.

[22] Der Vorteil der in der WO2017/036523 beschriebenen kinematischen Lösung mit zwei exzentrisch zueinander versetzten Rotationsachsen ist die Möglichkeit, das Problem der entstehenden Unwucht durch eine konstruktiv integrierte Wuchtfunktionalität zu lösen. Auf bzw. an den exzentrisch sitzenden Rotationsachsen werden wiederum exzentrisch angebrachte Ausgleichsmassen verortet, die der Verlagerung der rotierenden Massen bei rotativer Positionierung entgegen wirken. Somit lässt sich konstruktiv Positionierung und Wuchtung kombinieren.

[23] Aus Ablaufsicht wird der Wafer zur Bearbeitung einer exzentrisch sitzenden Einzellinse durch zwei jeweils exzentrisch zur Rotationsachse der Hauptspindel verortete Rotationsachsen derart positioniert, dass die Rotationsachse der Einzellinse mit der Rotationsachse der Hauptspindel exakt fluchtet. Die Ausgleichsmassen sorgen dafür, dass die Massenverteilung um die Hauptrotationsachse symmetrisch ist und bei Rotation keine Unwuchten auf die Hauptspindel wirken. In diesem Zustand lassen sich die Rotationsachsen einzeln klemmen, um mit der Bearbeitung zu beginnen.

[24] Das Prinzip 1 gemäß dem Stand der Technik baut darauf auf, eine notwendige rotative Korrekturbewegung mittels interpolierender translatorischer Achsen zu lösen und somit ohne Umspannen des Wafers „Off Axis“ arbeiten zu können. Dieser Ansatz ist aufgrund der zwangsläufig entstehenden hohen Dynamik in den Umkehrpunkten der Achsbewegungen nicht geeignet, um qualitativ hochwertige Linsenarrays bei hoher Wirtschaftlichkeit zu schneiden.

[25] Das Prinzip 2 führt vor diesem Hintergrund ein aktives Spannsystem ein, welches den zu bearbeitenden Wafer auf der Hauptspindel derart positionieren kann, dass die jeweilige Einzellinse immer im Drehzentrum der Hauptspindel sitzt und somit stets „On Axis“ bearbeitet werden kann. Durch eine geschickte Platzierung von Zusatzmassen können nur durch die Rotation der Achsen im Spannsystem ansonsten entstehende asymmetrische Verteilungen von Massen verhindert werden.

[26] Die kinematische Lösung gemäß der WO2017/036523 für die laterale Positionierung des Wafers auf der rotierenden Hauptspindel weist bei der konstruktiven Umsetzung und in der Anwendung drei wesentliche Nachteile auf.

[27] Die Präzision der Hauptspindelrotation für die Drehbearbeitung wird maßgeblich durch die Lagerung dieser definiert. I.d.R. besitzt eine derartige luftgelagerte Spindel ein Axiallager und zwei Radiallager zur Stützung des Rotors. Lager und Rotor der Spindel sind toleranzbehaftet, so dass Rundlauffehler in radialer und axialer Richtung messtechnisch nachgewiesen werden können. Anders dargestellt weist der Spindelrotor in seiner realen Rotation gegenüber einer ideal angenommenen Symmetrieachse einen Winkelversatz (Taumelbewegung) und eine Restexzentrizität auf. Die Exzentrizität der Rotorbewegung hat im Zentrum der Taumelbewegung ihr Minimum, je weiter man eine Ebene zur Betrachtung der Abweichungen vom Zentrum entfernt definiert, desto größer wird die Gesamtexzentrizität als Funktion aus Winkelversatz und Abstand zum Zentrum. In der Literatur ist dieser Zusammenhang als Abbe Fehler beschrieben.

[28] Durch die Stapelung von zwei zusätzlichen in sich autarken Rotationsachsen mit jeweiliger Bauhöhe auf der Hauptspindel gemäß WO2017/036523 entstehen zwangsläufig große Abstände, zu den im Inneren liegenden Lagern der Hauptspindel und somit merkliche Abbe Fehler an der Zerspanstelle zwischen Werkzeug und Werkstück (Tool Center Point). Dies fuhrt zu Fehlem in der optischen Funktionsfläche der Einzellinse.

[29] Weiterhin sind die Rotationsachsen gewichtsbehaftet, so dass bei horizontalem Aufbau neben der rein geometrischen Betrachtung noch weiterhin Momente die Lager der Hauptspindel belasten. Auch hier ist die Bauhöhe der Konstruktion als nachteilig zu betrachten, da die konstruktive Realisierung einen horizontalen Aufbau aufweist.

[30] Die Anforderungen an laterale Präzision zwischen zwei Einzellinsen liegen bei < 1 pm, um dem Stand der Technik in der klassischen Waferfertigung zu entsprechen. Diese Genauigkeit lässt sich bei Prinzip 2 des Stands der Technik nur über die Rotation zweier Exzenterspindeln erzielen. Die Einzellinsen auf einem Wafer werden schachbrettartig klassisch angeordnet. Ihre Positionen werden kartesisch definiert (x, y) und toleriert. Die Positionsdefinition über Exzenterachsen findet klassisch in Polarkoordinaten statt (r, <p). Für die Transformation von kartesischen in Polarkoordinaten ist die exakte Lage der Rotationsmittelpunkte der 3 Rotationsachsen notwendig. Ebenfalls beeinflussen die Genauigkeit der Transformation die oben beschriebenen Toleranzen der Spindellagerungen (radiale und axiale Rundlauffehler).

[31] In der WO2017/036523 werden Wälzlager verwendet, um kompakter bauen zu können. Diese weisen gegenüber der Luftlagerung der Hauptspindel jedoch merklich größere Toleranzen auf. Die Bestimmung der einzelnen Rotationsmittelpunkte mit notwenigen Genauigkeiten im Submikrometerbereich bereitet in der Praxis erfahrungsgemäß große Schwierigkeiten.

[32] In der WO2017/036523 wird das notwendige Wuchten bei jeweiliger Positionierung von Einzellinsen zum Drehzentrum der Hauptspindel durch geschickt positionierte Gegenmassen gelöst, die mit der Rotation der Exzenterachsen mitverfahren werden. Dabei werden konstruktiv die Funktionen Positionieren des Wafers und Wuchten der Gesamteinheit fest miteinander verbunden. Ein individuelles Feinwuchten oder Korrigieren der einen Funktion gegenüber der anderen ist nicht automatisiert lösbar da kein eigener Antrieb vorgesehen ist, höchstens ggf. durch manuelles Eingreifen. Die erzielbare Wuchtgüte ist somit als weiterer prinzipbedingter Nachteil zu sehen, da die laterale Positionierung des Wafers stets die höhere Priorisierung erhalten muss.

[33] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue konstruktive Lösung für die Herstellung von Linsenarrays bereitzustellen.

[34] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Spannsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Abweichend von bekannten Spannsystemen werden nicht zwei rotatorische Achsen vorgesehen, sondern Grundträgerplatte und Schlitten sind auf zwei Achsen relativ zueinander beweglich angeordnet, die mindestens eine translatorische Achse aufweisen. Für dieses Spannsystem werden eine integrierte Kinematik und eine Fixiereinheit vorgeschlagen. Verfahrensmäßig wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[35] Eine Achse ist vorzugsweise eine Führung mit Antrieb und Messsystem. Diese Achsen können jeweils mit der Grundträgerplatte und/oder dem Schlitten verbunden seien. Eine einfache Ausfuhrungsform sieht vor, dass beide Achsen an der bewegten Grundträgerplatte angreifen. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn mindestens eine Achse und vorzugsweise beide Achsen über eine Kupplung mit dem Schlitten verbunden sind. Die Kupplung ermöglicht im eingekuppelten Zustand das Positionieren und ermöglicht es, danach den Schlitten wieder frei zu geben.

[36] Das Spannsystem ist auf einer Hauptspindel verortet und kann rotieren. Achsen dienen dazu, definierte Positionen des Schlittens auf der Rotationsachse der Hauptspindel zu positionieren.

[37] Das Spannsystem ist auf einer Hauptspindel mit einer Rotationsachse montiert und derart beschaffen, dass es die jeweiligen Zentren der Symmetrieachsen der Einzellinsen präzise fluchtend zur Rotationsachse der Hauptspindel ausrichten kann.

[38] Vorzugsweise sind mindestens eine Achse und vorzugsweise beide Achsen über eine Kupplung mit dem Schlitten verbunden. Diese Achsen können wahlweise auf der rotierenden oder der stehenden Seite mit einer Kupplung zum Andocken verortet sein.

[39] Eine weitere Positioniereinheit dient dazu, durch das laterale Positionieren des Grundkörpers entstehende Unwuchten auf der Hauptspindel auszugleichen.

[40] Das Verfahren zur Verwendung des Spannsystems und insbesondere zur Herstellung eines Linsenarrays sieht vor, dass ein Grundkörper in einem ersten Schritt derart bearbeitet wird, dass sämtliche Rotationsachsmittelpunkte in die Oberfläche eingebracht und somit markiert werden, um in höchster Präzision die lateralen Abstände der Einzellinsen zueinander zu definieren.

[41] Ein derartiges Markieren kann z.B. durch Diamantdrehen, Fräsen oder Lasern realisiert werden. Soll eine Einzellinse beispielsweise gedreht werden, wird die Markierung (Rotationsachse der Einzellinse) zur Rotationsachse der Hauptspindel ausgerichtet. Dies geschieht vorzugsweise durch ein Vorpositionieren mittels des Spannsystems, anschließend detektiert ein oberhalb der Vorrichtung verorteter Sensor die verbleibende Exzentrizität der Markierung zur Rotationsachse der Hauptspindel während einer Rotation des Grundkörpers auf dieser. Aus der ermittelten Restexzentrizität lässt sich algorithmisch eine Korrekturbewegung der Vorrichtung ermitteln, durch die iterativ die gemessene Restexzentrizität unter einen definierten Schwellwert optimiert werden kann. Wenn der Schwellwert unterschritten ist, wird die Einzellinsengeometrie durch Rotation der Hauptspindel drehend oder lasemd eingebracht. Wird die Einzellinse gefräst oder geschliffen, kann der Rotation der Hauptspindel noch eine weitere Rotation (angetriebenes Werkzeug) überlagert werden.

[42] Das Spannsystem ermöglicht die laterale Positionierung des Drehzentrums einer Einzellinse des Linsenarrays zur Rotationsachse der Hauptspindel. Es kann hochintegriert und kompakt aufgebaut werden, um Abbe Fehler zu minimieren. Weiterhin ermöglicht es, die Funktionen Wuchten und Positionieren getrennt automatisiert durchzuführen, um Optimierungen der zwei Zielgrößen unabhängig voneinander zu ermöglichen. Eine integrierte verzugsarme Spannung kann eine ausreichende Steifigkeit für die Bearbeitung nach erfolgter Positionierung und Wuchtung ermöglichen. Zusätzliche Messtechnik, die nicht im Spannsystem integriert ist, soll die exakte Positionierbewegung im Sinne einer Qualitätssicherung ermöglichen bzw. eine Messgröße für eine iterative Optimierung bereitstellen. [43] Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen im Detail erläutert. Es zeigt

Figur 1 den Aufbau eines aktiven Spannsystems mit Hauptspindel in der Seitenansicht,

Figur 2 das der Erfindung zugrundeliegende kinematische Grundprinzip,

Figur 3 ein mögliches Fixierkonzept für den Schlitten auf der Grundplatte,

Figur 4 die Anordnung der Translationsachse zur Positionierung des Schlittens und der Translationsachse zur Positionierung der Gegenmasse,

Figur 5 zeigt den Wafer vor Einbringung der Einzellinsen nach erfolgter Vorbearbeitung mit Referenzmarken,

Figur 6 zeigt den auszugsweisen Aufbau der Gesamtmaschine mit Hauptspindel, aktivem Spannsystem sowie einem Bearbeitungswerkzeug und einem Sensor zur Referenzmarkenerfassung und

Figur 7 zeigt den Ablauf des der Erfindung zugrunde liegenden Verfahrens.

[44] Das Spannsystem 1 besteht aus einer Grundträgerplatte 2, die auf dem Rotor (nicht gezeigt) einer ultrapräzisen Spindel 3 mit ihrer Rotationsreferenzachse 4 fixiert (z.B. aufgeschraubt) wird. Die Grundträgerplatte 2 ist planparallel von beiden Seiten 5, 6 in höchster Genauigkeit bearbeitet (< 1 pm Ebenheit), so dass ein Schlitten 7 des Spannsystems 1 auf ihr lateral verschoben werden kann. Die Unterseite des Schlittens 7 ist als Schlittenplatte 8 ebenfalls planparallel hochpräzise mit gleichen Genauigkeitsanforderungen bearbeitet, damit es, wenn der Schlitten 7 mit der Grundträgerplatte 2 gegeneinander verspannt werden, nicht zu Deformationen im Spannsystem 1 kommt und ein hochpräzises idealerweise berührungsloses Verfahren zwischen Schlitten 7 und Grundträgerplatte 2 ermöglicht wird.

[45] Das Verfahren bzw. Positionieren des Schlittens 7 gegenüber der Grundträgerplatte 2 geschieht in zwei Freiheitsgraden mit jeweils zwei angetriebenen und lagegeregelten Achsen der Translation 9 und der Rotation 10 in einer Ebene 11. Hier kommen miniaturisierte, hochpräzise Achsen mit integriertem Positionsmesssystem (nicht gezeigt) zum Einsatz, mit denen eine übergeordnete Lageregelung aufgebaut werden kann. Die möglichen Schrittweiten der Antriebe (nicht gezeigt) sind derart gewählt, dass sie < 100 nm Schritte verfahren können, vorzugsweise < 50 nm. Beispielsweise dient als Antrieb der miniaturisierten Achsen ein Piezolinear- bzw. - rotationsantrieb oder ein elektromagnetischer Antrieb. Das integrierte Positionsmesssystem ist vorzugsweise optisch.

[46] Der Rotationsantrieb ist dabei so ausgelegt, dass er mindestens 360°, idealerweise jedoch endlos rotieren kann. Der Linearantrieb ist von der Länge her so dimensioniert, dass er das Zentrum des in seiner Grundform rotationssymmetrischen Schlittens über das Zentrum der Grundträgerplatte 2 bzw. der Rotationsachse 4 der Hauptspindel 3 in der einen Endlage positionieren kann. In der zweiten Endlage der Linearachse muss der äußerste Rand des Wafers bis an die Rotationsachse der Hauptspindel 1 herangefahren werden. Die Länge dieses Verfahrwegs der Translationsachse 9 beschreibt der Radius des Wafers. Es ist vorteilhaft, in beiden Endlagen eine Sicherheit im Sinne zusätzlichen Verfahrwegs bei der konstruktiven Auslegung zu berücksichtigen. Durch die beiden Freiheitsgrade der Translationsachse 9 und der Rotationsachse 10 kann jeder erdenkliche Punkt auf dem Wafer exakt über der Rotationsachse der Hauptspindel 4 positioniert werden.

[47] Derartige Positionierachsen 9, 10 erreichen höchste Positioniergenauigkeiten, verfügen aber nicht über ausreichende Steifigkeit, um Fliehkräfte während einer anschließenden Rotation der Hauptspindel 4 mit Grundträgerplatte 2 und Schlitten 7 aufzunehmen. Die Fixiereinheit 12 verhindert ein Verschieben des Schlittens 7 gegenüber der eingestellten Sollposition während der Bearbeitung. Die konstruktiven Funktionen, die die Fixiereinheit 12 dabei abdeckt sind das Lösen und ggf. Anheben des Schlittens 7 senkrecht zur Ebene 11 während der Positionierroutine sowie das versatz- und verzugsarme Fixieren des Schlittens 7 nach erfolgter Positionierung.

[48] Eine bevorzugte Lösung der konstruktiven Aufgabe liegt in der in Figur 3 gezeigten Kombination aus Permanentmagneten 13 und einem Luftlager 14. Vorausgesetzt der Schlitten 7 ist magnetisch, das heißt, er hat die Eigenschaft von einem Magneten angezogen zu werden, ziehen ihn diese Permanentmagneten 13, die in die Grundträgerplatte 2 eingebracht sind, an, um ihn während der Rotation zu fixieren. Um den Schlitten 7 für die Positionierung aus der Fixierung zu lösen und ihn frei ultrapräzise verfahren zu können, wird das Luftlager 14 mit Druckluft beaufschlagt.

[49] Das Luftlager 14 wird hierbei derart durch die Parameter Fläche und Druck ausgelegt, dass es den Schlitten 7 gegen die wirkenden Magnetkräfte abhebt. In diesem Zustand schwebt der Schlitten 7 luftgelagert und magnetisch vorgespannt auf der Grundträgerplatte 5. Das hierzu notwendige Luftlager 14 lässt sich z.B. durch die Verwendung poröser Materialien so aufbauen, dass es eine Höhe < 10 mm hat. Die Magneten 13 sind in der Grundplatte 2 eingelassen, so dass sie nicht zusätzliche Bauhöhe fordern. Der Abbe Fehler lässt sich dadurch deutlich reduzieren.

[50] Alternativ sind andere konstruktive Lösungen für die Fixiereinheit 12 denkbar. Es könnte anstelle der magnetisch vorgespannten Luftlagerung 14 eine Kombination aus Vakuum (Fixieren) und Luftlagerung (Anheben, Positionieren) zum Einsatz kommen. Auch wäre eine mechanische Fixierung denkbar durch beispielsweise automatisiert betätigbare Klemmpratzen (nicht gezeigt). Neben der eigentlichen Funktion ist bei der Wahl der konstruktiven Lösung die Sicherheit im Betrieb zu beachten. Ein Vorteil von Magneten 13 ist, dass sie auch ohne aktives Medium (z.B. Vakuum) die Fixierfunktion erfüllen und somit ein Abfliegen des Schlittens 7 während der Rotation verhindern.

[51] Der Schlitten 7 trägt baulich getrennt oder integriert eine Spanneinheit 15, um einen Grundkörper 16, wie den im Folgenden beschriebenen Wafer für die Bearbeitung ortsfest zu fixieren. Die Spanneinheit 15 kann nach unterschiedlichen Wirkprinzipien funktionieren, so ist ein Aufwachsen des Wafers 16, ein mechanisches Klemmen des Wafers 16 oder ein Spannen durch Vakuum denkbar. Soll der Wafer 16 durch Vakuum während der rotierenden Bearbeitung gehalten werden, muss in dem Spannsystem 1 eine Drehdurchführung 17 zur Übermittlung des Vakuums von der stehenden Seite der Maschine auf die rotierende Seite des Spannsystems 1 vorgesehen werden. Diese Drehdurchführung 17 muss ebenfalls die translatorischen und rotatorischen Bewegungen des Schlittens 7 ausgleichen können.

[52] Neben Vakuum und Druckluft müssen elektrische Signale von der rotierenden zur stehenden Seite übertragen werden, um die Translationsachse 9 und die Rotationsachse 10 ansteuem zu können. Dies übernimmt eine Drehübertragung 18 bzw. eine Kontaktierstation. Während die Drehübertragung 18 kontinuierlich die Verbindung der elektrischen Signale während der Rotation der Grundträgerplatte 2 hält, würde eine Kontaktierstation nur während des Positioniervorgangs, der ohne Rotation stattfindet, die Signale übermitteln. Die Auswahl der konstruktiven Lösung hängt ab von der Wahl der Antriebe und deren Regelung.

[53] Der rotierende Teil des Spannsystems 1 weist keine Symmetrie in der Massenverteilung um die Rotationsachse 4 der Hauptspindel 1 auf. Die Massenverteilung ändert sich sogar je nach Positionierung der Translationsachse 9 und ggf. auch durch Rotation der Achse 10 aufgrund einer nicht perfekt zentrierten Aufspannung des Wafers 16. Das Wuchten ist somit eine notwendige Grundfunktion der Einheit. Die Wuchtfunktion untergliedert sich in einen manuellen (einmaligen, bzw. für die Rekalibration durchzufuhrenden) Schritt und einen aktiven, der während des Betriebs immer wieder durchgeführt werden sollte.

[54] Für den manuellen Wuchtschritt sind zur korrigierenden Massenverteilung Gewindebohrungen im Umfang der Grundplatte 2 angebracht, in die z.B. durch Schrauben Wuchtgewichte 19 am Umfang eingebracht werden. Durch die Masse der Schrauben bzw. durch die Tiefe des Einschraubens in die Gewindebohrung (Veränderung Radius der Masse) kann das System in Grundstellung (alle Einheiten zentrisch positioniert) vorgewuchtet werden. Da die Masse des Spannsystems beträchtlich ist, ist es vorteilhaft diese Wuchtprozedur nicht bezogen auf eine Ebene (Grundplatte) sondern in zwei Ebenen (Spindelrückseite mit Wuchtgewichten 20 durchzufuhren. Wird nur in einer Ebene des Spannsystems gewuchtet, kann nicht eindeutig zwischen einer Restexzentrizität und einer Taumelbewegung des Rotors unterschieden werden. Für diese Art der Wuchtung in zwei Ebenen sind vorzugsweise Beschleunigungsaufnehmer (nicht gezeigt) an der Stirn- und Rückseite der Spindel anzubringen. Durch diese Aufnehmer lässt sich das verbleibende Taumeln des Rotors bestimmen und durch die Einbringung der Wuchtgewichte 19, 20 minimieren.

[55] Wird nun der Schlitten 7 mit der Spanneinheit 15 und dem Wafer 16 durch die Translationsachse 9 aus der Mittenposition verfahren, entsteht eine Massenverlagerung in Bezug auf die Rotationsachse 10 der Hauptspindel 4. Diese Verlagerung kompensiert eine zweite Translationsachse 21, die ein Gegengewicht 22 verfahrt. Die Korrelation aus Verfahrposition der ersten Translationsachse 9 zur Positionierung des Wafers 16 und der Translationsachse 21 zur Positionierung des Gegengewichts 22 lässt sich für gegebene Massenverhältnisse fix berechnen und im Sinne einer Steuerung einstellen. Vorzugsweise wird jedoch nach erfolgter Positionierung der ersten Translationsachse 9 und der zweiten Translationsachse 21 nach festem Verhältnis eine Messung der tatsächlich verbleibenden Unwucht durchgeführt, um algorithmisch gestützt, eine korrigierende Bewegung der Translationsachse 21 zur Optimierung des Wuchtzustands durchzufuhren. Eine derartige Messung kann mit Hilfe eines Beschleunigungssensors aufgenommen werden. Ist die Hauptspindel 3 selbst in einer Linearachse geführt, kann alternativ die Bestimmung des Schleppfehlers der Linearachse zur Beurteilung der Wuchtgüte herangezogen werden. Dieses Vorgehen kann iterativ mehrmals automatisiert durchgefuhrt werden, um einen bestmöglichen Wuchtzustand zu erzielen. Gerade für Bearbeitungen im Randbereich des Wafers mit großen exzentrischen Massenverlagerungen ist diese aktive Optimierungsfunktion von großem Mehrwert.

[56] Für die Positionierung des Wafers sollen laterale Toleranzen von <1 pm erzielt werden. In der Toleranzkette des aktiven Spannsystems 1 sind bei absoluter Positioniergenauigkeit die Verfahrgenauigkeiten der Translationsachse 9 und der Rotationsachse 10, die Lage und Ausrichtung der Achsen zueinander, die Verortung der Spanneinheit 15 sowie die des Wafers 16 nach Spannung zum Schlitten 7 sowie auch die Lage der Grundplatte 2 zur Rotationsachse der Hauptspindel 3 zu betrachten. Der Aufwand zur Einkalibrierung und Ausrichtung der gesamten Einheit wäre immens, um die Summe dieser sich ergebenden Toleranzkette <1 pm zu halten.

[57] Es wird daher ein kombiniertes Vorgehen aus Vorpositionierung mit absoluter Genauigkeit des Spannsystems 1 und anschließender Messung der exakten Lage und iterativer Korrektur beschrieben.

[58] Hierzu wird der zu bearbeitende Wafer 16 im Vorfeld der Einbringung von Linsen einem Markierprozess unterzogen. Der Markierprozess hat einzig die Aufgabe, die Zentren der Einzellinsen als Referenzmarken 23, die im späteren Bearbeitungsschritt gefertigt werden sollen, in lateral exakter Lage, das heißt exakter Lage parallel zur Ebene 11, zueinander auf der Oberfläche des Wafers 16 derart einzubringen, dass sie durch einen Sensor (21) in ihrer Lage mit Submikrometergenauigkeit während der weiteren Prozessfuhrung erfasst werden können. Als Verfahren zur Markierung eignen sich die Diamantzerspanung, die Lasergravur, das Drucken oder Ätzen. Das Einbringen derartiger Referenzmarken 23 mit lateralen Genauigkeiten <lpm auf einer planaren Waferoberfläche entspricht dem Stand der Technik.

[59] Der so vorbereitete Wafer 16 mit Referenzmarken 23 wird mit der Spanneinheit 15 am Spannsystem 1 angebracht. Um eine Einzellinse mit Referenzmarke 23 in voller Geometrie zu schneiden, wird der Schlitten 7 über die Translationsachse 9 und die Rotationsachse 10 derart positioniert, dass die Referenzmarke 23 über der Rotationsachse 4 der Hauptspindel 3 steht (Vorpositionierung in Absolutgenauigkeit des Spannsystems 1). [60] Nun wird der Wafer 16 rotiert (mindestens 360°, eine Umdrehung) und der Sensor 24 beobachtet die Restbewegung der Referenzmarke 23 der zu schneidenden Einzellinse. Die Wahl des Sensors 24 ist abhängig von der eingebrachten Referenzmarke 23. Vorzugsweise wird eine Kamera mit hochauflösendem Mikroskopobjektiv verwendet. Beschreibt die Referenzmarke 23 während der Rotation um die Rotationsachse 4 der Hauptspindel 3 einen Kreis mir Radius RI, weist die Vorpositionierung einen Restfehler auf. Aus dem Radius RI lässt sich algorithmisch eine Korrekturpositionierung berechnen und zur Ansteuerung der Translationsachse 9 und Rotationsachse 10 nutzen. Nach erfolgter Korrekturpositionierung erfolgt eine erneute Messung, um den optimierten Restfehler mit Radius R2 zu bestimmen. Dieses Vorgehen kann iterativ wiederholt werden, bis ein Grenzwert (z.B. < Ipm) unterschritten ist. Erst dann erfolgt die Freigabe zur Bearbeitung der Einzellinse mit vollständiger Geometrieausprägung um die Referenzmarke 23 durch das Werkzeug 25. Sensor 24 und Werkzeug 25 könnten als eine mögliche konstruktive Ausführung achsparallel an einem Portal 26 einer Ultrapräzisionsmaschine verortet sein.

[61] Das dieser Erfindung zugrundeliegende Verfahren beschreibt folglich ein kaskadiertes iteratives Vorgehen, um zuerst die Position einer Referenzmarke 23 in Bezug auf die Rotationsachse 4 der Hauptspindel 3 zu optimieren und anschließend die Restunwucht des Spannsystems nach erfolgter Positionierung durch korrigierendes Nachfuhren der Gegenmasse 22 mithilfe der zweiten Translationsachse 21 zu minimieren. Bei geringeren Ansprüchen an Positionier- und Wuchtgüte kann bei dem beschriebenen Vorgehen auf die Iterationen verzichtet werden.