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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Positionierung eines Elements in einem Objektiv, insbesondere
einem Objektiv für
die Mikrolithographie, bei welchem das zu positionierende Element
von einer Ist-Position zu einer Soll-Position mittels mindestens
eines Aktuators bewegt wird und bei welchem zumindest die Positionierbewegung
des Aktuators mit einer Schwingungsbewegung überlagert wird.
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STAND DER TECHNIK
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In
modernen Objektiven der Mikrolithographie müssen die optischen Elemente,
wie Filter, Blenden, Linsen, Spiegel, Prismen und dergleichen absolut
exakt positioniert werden, um die angestrebten Auflösungen im
Nanometerbereich zu erzielen. Darüber hinaus werden viele dieser
optischen Elemente als austauschbare Elemente vorgesehen, welche
zur Anpassung der Abbildungseigenschaften in unterschiedlichen Anwendungsfällen ausgetauscht
werden können.
Hierbei ist es erstrebenswert die Austauschzeiten möglichst
kurz zu gestalten, um längere Ausfallzeiten
des Objektivs zu vermeiden. Dabei ist es jedoch insbesondere notwendig,
die austauschbaren Elemente in kurzer Zeit effektiv und absolut
genau zu positionieren.
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Aus
dem Stand der Technik ist beispielsweise aus der
EP 1 209 502 B1 ein Verfahren
zur dynamischen Manipulation der Position einer Baugruppe in einem
optischen System bekannt, welches in günstiger Weise eine exakte Positionierung
eines Elements im Sub-μm-Bereich
ermöglicht.
Allerdings sind bei diesem Verfahren mehrere Annäherungsschritte erforderlich.
Zudem besteht insbesondere bei kurzen, impulsartigen Bewegungsschritten
das Problem, dass durch Slip-Stick-Effekte aus der Ruheposition
heraus die Annäherung
an die Soll-Position schwierig ist und somit durch eine Mehrzahl
von Schritten einen erhöhten
Zeitbedarf fordert.
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Darüber hinaus
ist es bekannt eine Positionierung von optischen Elementen durch
kontinuierliche Annäherungsbewegungen
beispielsweise aufgrund einer konventionellen Regelung mit einem PID-Regler
durchzuführen,
bei welcher zur Vermeidung von Slip-Stick-Effekten und Reibungserscheinungen im
Mikrorauhigkeitsbereich der Aktuator ständig mit einem Schwingungssignal
beaufschlagt wird, so dass die Bewegung nicht aus der Ruheposition
heraus erfolgt, sondern das Aktuatorelement immer in Bewegung ist
und somit Reibeffekte aus der Startbewegung bzw. sog. Slip-Stick-Effekte
vermieden werden können.
Bei derartigen Verfahren ist jedoch nachteilhaft, dass die überlagerte
Schwingung ständig
aufrecht erhalten wird, was zu einer Reduzierung der Lebensdauer
des Aktuators führt.
Außerdem
müssen
negative Einflüsse
der Schwingungsbewegung auf das optische System vermieden werden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es
ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Probleme des
Standes der Technik zu überwinden
und ein Verfahren und eine Vorrichtung zur exakten Positionierung/Justierung
eines Elements in einem optischen System wie einem Objektiv, insbesondere
einem Objektiv für
die Mikrolithographie, bereitzustellen, welches in einfacher und
effektiver Weise eine Positionierung im Sub-μm-Bereich ermöglicht.
Insbesondere soll mit dem Verfahren und mit der Vorrichtung eine
Erhöhung
der Lebensdauer der Aktuatoren bei Beibehaltung der Präzision und
Exaktheit der Positionierung erreicht werden.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung
mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Schwingung,
mit der der Aktuator beaufschlagt ist, während und/oder nach Beendigung
eines Bewegungsschritts abgeändert
wird. Dies hat zum Einen den Vorteil, dass die Schwingung, mit der
der Aktuator beaufschlagt ist, so angepasst werden kann, dass die
Schwingung bzgl. der Lebenszeit des Aktuators und des ganzen Manipulationssystems
optimiert ist. Zusätzlich
kann auch eine Optimierung hinsichtlich der Verringerung des Störeinflusses des
Schwingungssignals auf das gesamte optische System und das zu positionierende
Element vorgenommen werden. Ferner bietet die Veränderung
der Schwingung während
und/oder nach Beendigung eines Bewegungsschrittes den Vorteil, dass
die Schwingung auch hinsichtlich der optimalen Erreichung der Soll-Position
des zu positionierenden Elements eingestellt werden kann. Mit zunehmender
Annäherung
des zu positionierenden Elements an die Soll-Position kann neben
der Veränderung
der Parameter der Annäherungsbewegung
entsprechend auch eine Veränderung
der überlagerten
Schwingung vorteilhaft sein.
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Die überlagerte
Schwingung führt
zu einer Schwingungsbewegung des Aktuators bzw. des entsprechenden
beweglichen Teils des Aktuators, wie beispielsweise eines beweglichen
Ventilkörpers
oder -stifts bei einem Ventil- oder Gasdruckregler, so dass Reibungseinflüsse bei
der Startbewegung oder Slip-Stick-Effekte vermieden werden können.
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Die
vorliegende Erfindung kann für
kontinuierliche Annäherungsbewegungen
beispielsweise mit Hilfe eines PID-Reglers (Proportional Integral
Differenzial-Reglers) oder dem in der
EP 1 209 502 B1 beschriebenen schrittweisen
Annäherungsverfahren verwendet
werden. Bei der kontinuierlichen Annäherungsbewegung wird die gesamte
Annäherungsbewegung
von der Ist-Position zur Soll-Position als ein Bewegungsschritt
angesehen, während
bei der schrittweisen Annäherung
die Annäherungsbewegung
durch mehrere oder eine Vielzahl von unterschiedlichen Bewegungsschritten
gebildet sein kann.
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Die
Abänderung
der Schwingungsbewegung kann die Änderung der Amplitude, der
Frequenz und/oder der Frequenzform betreffen. Hierbei sind alle
möglichen Änderungen
denkbar, die zur Verlängerung
der Lebensdauer des Aktuators bzw. Teilen davon sowie des gesamten
Manipulators zur Positionierung des optischen Elements dienen. Entsprechende
Werte können
im Einzelfall durch geeignete Versuchsreihen ermittelt werden, da
je nach Anwendungsfall unterschiedliche Änderungen erforderlich sein
können.
Beispielsweise ist es denkbar, dass in bestimmten Systemen niedrige
Frequenzen bevorzugt sind, während
in anderen Systemen sehr hohe Frequenzen vorteilhaft sein können.
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Als
Formen für
mögliche
Schwingungsbewegungen sind Sinusschwingungen, Dreiecksschwingungen,
Sägezahnschwingungen,
Rechtecksschwingungen oder beliebige Schwingungsformen denkbar.
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Die
Erfindung kann insbesondere bei Aktuatoren eingesetzt werden, welche
nur mittelbar zur Bewegung des zu positionierenden Elements führen, wie
beispielsweise einem beweglichen Ventilkörper eines Gasdruckreglers
für eine
pneumatische Lager- bzw. Positioniereinrichtung. Damit ist nämlich die Möglichkeit
gegeben, die dem Aktuator beaufschlagte Schwingung bei der Übertragung
der Aktuatorbewegung zur Elementbewegung herauszufiltern, so dass
das zu positionierende Element nicht durch die aufgebrachte Schwingung
belastet wird. Entsprechend kann zwischen Aktuator und zu positionierendem
Element ein Filter- oder Dämpfungselement zum
Herausfiltern oder Dämpfen
störender
Schwingungen vorgegeben werden. Allerdings kann auf eine derartige
Komponente verzichtet werden, wenn die aufgebrachte Schwingung nach
Erreichen der Soll-Position abgeschaltet oder in eine nicht störende Form
gebracht wird.
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Vorteilhafterweise
kann der Aktuator durch entsprechende Ventile, Druckregler, Elektromotoren, Elektromagnete,
piezoelektrische Komponenten und/oder Kombinationen davon gebildet
sein, welche die Möglichkeit
bieten, das Steuersignal für
den Aktuator mit einer entsprechenden Schwingung, dem sog. Ditter-Signal,
zu überlagern.
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Die
positionierbaren Elemente eines optischen Systems, wie eines Objektivs,
können
optische Linsen, Spiegel, Prismen, Filter, Blenden, strukturierte
Platten und dergleichen umfassen, welche insbesondere auch als austauschbare
Komponenten konzipiert sein können.
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Die
Erfindung umfasst ebenfalls eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung eines
entsprechenden Verfahrens, welche mindestens einen Aktuator zur
Bewegung des zu positionierenden Elements, Erfassungsmittel zur
Erfassung der Ist-Position des zu positionierenden Elements, eine
Einheit zur Aufbringung/Überlagerung
einer Schwingung auf den Aktuator sowie eine Steuereinheit aufweist,
welche so eingerichtet ist, dass mit zunehmender und/oder endgültiger Annäherung der
Ist-Position an die Soll-Position eine entsprechende Veränderung der
Schwingung vorgenommen werden kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Weitere
Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der beigefügten
Figuren deutlich. Die Figuren zeigen hierbei in rein schematischer Weise
in
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1 eine
Schemaskizze einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Positionierung eines Elements in einem Objektiv; und in
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2 ein
Weg-Zeit-Diagramm eines zu positionierenden Elementes
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Die 1 zeigt
in einer rein schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Positionierung
eines Elements in einem Objektiv, insbesondere einem Objektiv für die Mikrolithographie.
Bei der gezeigten Ausführungsform
ist das optische Element 10 beispielsweise eine Linse,
welche in einem Rahmen 11 aufgenommen ist und über pneumatische
Faltenbälge 12 beweglich
gelagert ist.
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Die
Faltenbälge 12,
von denen nur einer näher
bezeichnet ist und auch beispielhaft zur Erläuterung dient, sind jeweils über eine
Gas- oder Luftleitung 16 und 19 mit einer nicht
näher dargestellten Gas-
oder Druckluftversorgung verbunden.
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Zwischen
der Gas- oder Druckluftversorgung bzw. in der Leitung 16 ist
ein Druckregler in Form eines Ventil 18 vorgesehen, mit
welchem der Druck im Faltenbalg und somit seine Ausdehnung reguliert werden
kann. Durch den Gasdruckregler 18 kann somit über den
Faltenbalg 12 eine Positionsänderung des optischen Elements 10 realisiert
werden. Zur Feststellung der Position des optischen Elements 10 bzw.
der Ausdehnung des Faltenbalges 12 ist ein Detektor 13 vorgesehen,
der über
eine Signalleitung 15 mit einer Steuereinheit 14 verbunden
ist. Die Steuereinheit 14 regelt aufgrund eines vorgegebenen Soll-Werts
der Position des Elements 10 bzgl. des Faltenbalges 12 und
dem durch den Detektor ermittelten Ist-Zustand über die Steuerleitung 20 die
Stellung des Gasdruckreglers bzw. Ventils 18, welcher als
Aktuator fungiert.
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Zusätzlich erzeugt
die Steuereinheit 14, welche beispielsweise durch einen
Computer mit entsprechender Software realisiert werden kann, ein Ausgangssignal
zur Erzeugung einer überlagerten Schwingung,
welches über
die Signalleitung 21 an das Modul 22 zur Schwingungserzeugung übermittelt wird.
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Das
Modul 22 zur Schwingungserzeugung erzeugt dann entsprechend
der Weisung der Steuereinheit 14 ein sog. Dittersignal,
welches in der Modulierungseinheit 24 auf das Steuersignal
für den
Gasdruckregler 18 aufmoduliert wird, um schließlich in der
Signalleitung 23 an den Gasdruckregler 18 übergeben
zu werden. Durch das mit dem Dittersignal überlagerte Steuersignal können Elektromotoren, Elektromagnete
oder piezoelektrische Elemente zur Veränderung der Ventilstellung
des Druckreglers angesteuert werden.
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Durch
die überlagerten
Schwingungen bleibt der bewegliche Ventilkörper ständig in Bewegung, so dass sog.
Slip-Stick-Effekte bei der beginnenden Bewegung des Ventilskörpers nach
einer Ruheposition vermieden werden können, welche zu einer Verfälschung
des Positioniervorgangs führen
könnten.
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Um
die Schwingungsbewegung nicht auf das optische Element 10 zu übertragen,
ist eine Filtereinheit 17 vorgesehen, die zum Herausfiltern
der Schwingungen, die der Ventilkörper bzw. der Gasdruckregler
zur Vermeidung von Slip-Stick-Effekten durchführt, dient.
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Eine
derartige Filtereinheit 17 kann beispielsweise durch entsprechend
gewählte Öffnungen oder
durch Dämpfungselemente,
wie Helmholtzresonatoren verwirklicht werden.
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Auf
die Filtereinheit 17 kann jedoch verzichtet werden, wenn
sichergestellt ist, dass nach dem Positioniervorgang die Schwingung
bzw. das sog. Dittersignal gleich Null sind oder in einer Größenordnung
liegen oder in einer Art vorkommen, welche für den Einsatzzweck unkritisch
sind.
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Statt
eines Faltenbalges 12 könnte
auch ein Luft- oder Gaslager gewählt
werden, welches vorzugsweise mit einem entsprechenden Gas betrieben wird,
wie es im Objektivinnenraum von Hause aus vorliegt, z. B. getrockneter
Stickstoff.
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In
der 1 ist die gesamte Vorrichtung lediglich im Bezug
auf ein Lagerelement in Form des Faltenbalges 12 dargestellt,
während
jedoch insgesamt vier Lager- bzw. Positionierelemente in Form von
Faltenbälgen 12 dargestellt
sind. Bei diesen können
entsprechende Komponenten vorgesehen sein, wobei vorzugsweise eine
einzige Steuereinheit 14 für alle diese Lager- bzw. Positionierelemente
und die damit verbundenen Aktuatoren vorgesehen ist.
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Anstelle
der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
gezeigten Betätigung
des optischen Elements können
auch alle anderen denkbaren Vorrichtungen zur Betätigung bzw.
Bewegung eines optischen Elements in einem Objektiv, wie Elektromotoren,
piezoelektrische Elemente oder dergleichen eingesetzt werden, wie
sie beispielsweise auch in der
EP 1 209 502 B1 beschrieben sind.
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Die
in
1 beschriebene Vorrichtung funktioniert nun in
der Weise, dass über
die Detektoren
13 die Ist-Position des optischen Elements
10 erfasst wird,
welche über
die Signalleitungen
15 (nur eine gezeigt) an die Steuereinheit
14 übermittelt
wird. In der Steuereinheit
14 wird die Ist-Position mit
der Soll-Position verglichen und entsprechend den Steuerungsvorgaben
geeignete Steuersignale für
den Gasdruckregler
18 bzw. Aktuator über die Signalleitung
20 ausgegeben.
Die Steuerungsvorgaben können
dabei entweder gemäß der
EP 1 209 502 B1 eine schrittweise
Annäherung
der Ist-Position an die Soll-Position oder eine kontinuierliche
Annäherung gemäß eines
herkömmlichen
Regelungsverfahrens (PID-Regler) vorsehen.
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In
jedem Fall wird jedoch von der Steuerungseinheit 14 in
Abhängigkeit
von der Ist-Position im Vergleich zur Soll-Position ein Ausgangssignal
zur Steuerung des Moduls zur Schwingungserzeugung 22 erzeugt
und über
die Signalleitung 21 ausgegeben. Das Modul 22 zur
Schwingungserzeugung erzeugt ein Schwingungssignal, welches in der
Modulierungseinheit 24 dem Steuersignal der Signalleitung 20 für den Gasdruckregler 18 überlagert
wird, so dass der in dem Gasdruckregler den Gasdruck bestimmende
bewegliche Ventilkörper
zusätzlich
zu seiner Bewegung zur Einstellung des entsprechenden Gasdrucks eine
Schwingungsbewegung ausführt,
welche sog. Slip-Stick-Effekte bei der Ausführung der Bewegung vermeidet
und somit eine exakte Druckeinstellung und somit Positionseinstellung
des optischen Elements 10 über den Faltenbalg 12 ermöglicht.
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Die
Steuerungseinheit 14 ist hierbei so eingerichtet, dass
mit zunehmender Annäherung
des zu positionierenden Elementes 10 an die Soll-Position die überlagerte
Schwingung im Bezug auf die Frequenz, die Amplitude und/oder die
Frequenzform abgeändert
wird. Darüber
hinaus wird nach Erreichen der Soll-Position eine für die Lebensdauer
des Aktuators bzw. Gasdruckreglers und/oder für die störungsfreie Lagerung des optischen
Elements optimale Schwingung eingestellt. Je nach Anwendungsfall kann
dies bedeuten, dass die Schwingung mit sehr hohen oder bei sehr
niedrigen Frequenzen, mit Amplituden, die gegen Null gehen, und/oder
mit bestimmten Frequenzformen eingestellt wird. Beispielsweise kann
eine sehr hohe Frequenz durch die Trägheit des Systems und die Vermeidung
entsprechender Reibungseffekte bei einer bestimmten Amplitude unter Umständen vorteilhafter
gegenüber
einer abgeschalteten Schwingung mit der Amplitude gleich Null sein, bei
welcher durch erneute Bewegung des entsprechenden Aktuators unter
Umstände
höhere
Reibungskräfte
auftreten.
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Die 2 zeigt
in einem Weg-Zeit-Diagramm die Annäherung eines entsprechenden
optischen Elementes an die Soll-Position, die mit der strichlinierten
Darstellung der Geraden 3 vorgegeben ist.
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In 2 sind
auf der Abszisse 1 die Zeit und auf der Ordinate 2 der
Ort bzw. die Position angegebenen, wobei durch die Gerade 3 die
Soll-Position vorgegeben ist. Die gekrümmte Kurve 5 gibt
hierbei die Annäherung
des zu positionierenden Elements an die Soll-Position 3 wieder,
wobei durch die Kurve 4 die eigentliche Bewegung dargestellt
ist, die durch die Überlagerung
der Annäherungsbewegung
gemäß Kurve 5 mit
der Schwingung erzeugt wird.
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Die
Angaben in der 2 sind ebenfalls nur rein schematisch
zu verstehen, so dass sich die Größenordnung der Amplituden,
der Schwingungsfrequenz und der Form deutlich von den Angaben in 2 unterscheiden
können.
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Durch
die Überlagerung
der Bewegung eines Aktuators zur Positionierung eines Elements mit einer
Schwingung, welche mit zunehmender Annäherung an die Soll-Position
und/oder nach Beendigung der Annäherungsbewegung
verändert
wird, ist eine genaue und exakte Positionierung des Elements im
Sub-μm-Bereich
möglich,
wobei gleichzeitig die Lebensdauer der beteiligten beweglichen Elemente und
insbesondere Aktuatoren optimiert werden kann.
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Obwohl
die vorliegenden Erfindung im Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann klar verständlich,
dass Abwandlungen und Änderungen
vorgenommen werden können,
wie insbesondere die Kombination von einzelnen Merkmalen oder das
Weglassen einzelner Merkmale, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird.