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Die
Erfindung betrifft eine Fassung für ein optisches Element bei
Halbleiterobjektiven gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1, wie sie insbesondere in einem Projektionsobjektiv
für die
Halbleiterlithographie Verwendung findet.
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Bekanntlich
werden Objektive, Teleskope usw. aus mehreren optischen Elementen
aufgebaut. Die Abbildungsqualität
hängt dabei
stark von der Positionsgenauigkeit der einzelnen optischen Elemente an
ihrem aus dem optischen Design vorgegeben Ort und Lage ab. Jede
Schwingung der optischen Elemente oder des Objektivs verändert deren
Lage und Ort und verschlechtert die Abbildungsqualität. Die Säule eines
refraktiven Objektivs ergibt sich aus den aufeinander gestapelten
und miteinander fixierten Fassungen der einzelnen optischen Elemente.
Bei Projektionsobjektiven für
die Halbleiterlithographie sind dabei die Anforderungen an die Abbildungsqualität besonders
hoch. Bei Projektionsobjektiven für die Halbleiterlithographie
bietet jedoch der verwendete Werkstoff Stahl mit einem Elastizitätsmodul
von ca. 210 GPa eine zu geringe Steifigkeit als Material für die Fassungen
der optischen Elemente und damit für die Säule des Objektivs.
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In
der Druckschrift
DE
199 57 398 A1 wird eine Anordnung von Auflagegliedern mit
einem damit verbundenen Lagerteil dargestellt, das optische Elemente
aufnehmen kann und als elastische Anbindung ausgebildet ist. Die
gesamte Anordnung wird von einem Innenring getragen, dessen Fassung
eine in radiale Richtung nach außen orientierte U-Form aufweist.
Die U-Form scheint vorgesehen zu sein ein möglichst hohes Flächenträgheitsmoment
zu erzielen.
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Aus
DE 103 16 589 A1 ist
bekannt, wie ein Objektiv in einer großvolumigen, aufwändigen Tragstruktur
mit Hilfe von komplizierten Deformationsentkopplungen zusätzlich stabilisiert
werden kann.
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Für die Prinzipdarstellung
einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie sei
ebenfalls auf
DE 103
16 589 A1 (siehe auch
1) verwiesen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Fassung o. g. Gattung anzugeben,
durch welche die Steifigkeit der Objektivsäule und damit die Positionsgenauigkeit
der einzelnen optischen Elemente und somit die Abbildungsqualität und Leistungsfähigkeit des
Objektives gesteigert wird.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Fassung o. g. Gattung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Dem
gemäß wird für den das
Objektiv tragenden Teil der Fassung des optischen Elements ein Werkstoff
mit höherem
Elastizitätsmodul
als von Stahl verwendet, vorzugsweise keramischer Werkstoff.
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Dadurch
werden Deformationen aufgrund von Schwingungen in allen Freiheitsgraden
reduziert. Die Bildvibration nimmt ab, die Abbildungsqualität und die
Leistungsfähigkeit
nehmen zu.
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Die
Eigenfrequenz des Objektives erhöht sich
durch den steiferen Werkstoff bei gleichzeitig geringer Dichte erheblich.
Die Amplitude der durch die Umgebung erzwungenen Schwingungen ist
entsprechend kleiner.
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Die
höhere
Wärmeleitfähigkeit
durch den Außenring,
bei geeignetem keramischen Werkstoff, erlaubt eine höhere Intensität des Projektionslichtes, da
die Wärme
des Streulichtes und des von den Linsen absorbierten Lichtes schneller
zur Mantelfläche des
Objektivs abgeführt
werden kann.
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Da
auf eine weitere Tragstruktur um die optische Baugruppen herum verzichtet
werden kann, wird dieser Bauraum innerhalb der Belichtungsmaschine
frei und kann z. B. zur Erhöhung
des Linsendurchmessers genutzt werden, was zu einer weiteren Steigerung
der Abbildungsqualität
führt.
Dieser Bauraum kann dann auch für
andere Anbauten innerhalb der Belichtungsmaschine genutzt werden,
was im Hinblick auf die hohe Gerätedichte
dieser Anlagen besonders wichtig ist.
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Das
Gesamtgewicht der Beleuchtungsmaschine verringert sich.
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Zudem
ist der einfache Aufbau kostengünstig
und verkürzt
die Entwicklungszeit.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug
auf die Zeichnung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1:
eine teilweise Schnittansicht eines Außenringes in Bearbeitungsposition;
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2:
eine Draufsicht auf einen Außenring mit
8 Stegen;
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3:
einen Schnitt Außenring
in eingebautem Zustand mit einem federnden Element und Manipulator;
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4:
einen Schnitt wie in 3, mit Außenring und Innenring in anderer
Ausführung;
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5:
eine Teilansicht eines Außenringes mit
eingelegtem xy-Manipulator;
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6:
eine Abstimmung zwischen zwei Außenringen mit Verschraubung;
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7:
eine Ansicht mit einer optische Baugruppe mit sechs Außenringen
und vier optischen Elementen;
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8:
eine prinzipielle die Funktionsweise eines xy-Manipulator, der den
Innenring 6 nicht deformiert;
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9:
einen xy-Manipulator, durch mehrere Aktoren in z-Richtung realisiert,
und
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10:
einen Schnitt durch eine vollständig aus
keramischem Material gefügten
Fassung.
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Zur
Anwendung von keramischen Werkstoffen in technischen Produkten ist
die wirtschaftliche Fertigung entscheidend. Nach dem Stand der Technik
sind nur einfache Formen möglich,
deren präzisen
Flächen
an der Oberfläche
liegen sollen, da aufgrund ihrer Härte nur eine Bearbeitung mit
großvolumigen
Maschinen kostengünstig
möglich
ist.
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In 1 ist
die Bearbeitung eines z. B. durch Sinter hergestellten erfindungsgemäßen Außenringes 1 dargestellt,
mit einem U-förmigen
Querschnitt, der durch radiale Stege versteift wird. Die als Ausbruch
dargestellte Schleifscheibe 2 erzeugt am Außenring 1 ebene
Anlageflächen 4 für einen
Innenring 6 und Anlageflächen 3 für Abstimmringe 16,
wobei die Scheibe etwas zwischen die Stege 12 eintaucht. Zur
Reduzierung der Bearbeitungsfläche
sind die Anlageflächen
etwas abgesetzt. Die Niveaus von 3 und 4 müssen nicht gleich sein, aber
es reduziert den Bearbeitungsaufwand.
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Als
keramischer Werkstoff für
diese Anwendung können
beispielsweise dienen:
Al2O3 mit einem Elastizitätsmodul bis E = 380 GPa, ZTA
mit bis E = 380 GPa, LPSIC mit bis E = 420 GPa, SSIC mit E = 450
GPa, SISIC = 400 GPa, BC = 440 GPa oder ein anderer, möglicherweise
noch zu entwickelnder Werkstoff mit einem Elastizitätsmodul,
der über
dem von Stahl mit E = 210 GPa liegt.
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Wie 2 zeigt,
unterteilen Stege 12 den außerhalb des Objektivs liegenden
Raum des Außenringes 1 in
Segmente, wobei hier ein Außenring mit
acht Stegen und daher mit acht Segmenten dargestellt ist. Anzahl
und Ort der Stege richtet sich nach der für das optische Element notwendigen
Anzahl von Manipulatoren, die sich aus dem optischen Design ergibt.
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3 zeigt
einen Schnitt eines Manipulators
14 in einem der ringförmigen Segmente,
der an Auflageflächen
11 anliegt
und mit einem Aktor
15 (z. B. nach der
DE 101 40 608 A1 ) das Auflagefüßchen
7 betätigen kann.
Geeigneter Weise liegt einem zu manipulierenden Auflagefüßchen ein
für den
Manipulator ausreichend großes
Segment gegenüber.
Nur in diesen Bereichen muss die keramische Struktur geöffnet werden,
um für
den Aktor
15 des Manipulators
14 einen Zugang
zum Lichtraum des Objektives und zum Auflagefüßchen
7 des optischen
Elementes zu schaffen. Die dem optischen Element zugewandte Auflagefläche
11 wird
von der Innenseite bearbeitet. Da kein umlaufender Innenring vorhanden
ist, ist das Auflagefüßchen
7 direkt über ein
federndes Element mit dem Auflagefüßchen
9 verbunden
und an der Auflagefläche
10 an
den Außenring
1 geklebt
oder anders fixiert. Es wird vorgeschlagen, für dieses federnde Element einen
keramischen Werkstoff zu verwenden, um eine harte Kopplung des optischen
Elementes zum Außenring
zu erreichen. Die Amplitude von Schwingungen wird dadurch reduziert.
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3 zeigt
auch, wie sich eine erfindungsgemäße Struktur in den Stand der
Technik einfügen kann.
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In
Segmente ohne Manipulator können
andere Anbauten des Objektives untergebracht werden oder sie bleiben
leer und verbessern dadurch die Kühlung und reduzieren das Gesamtgewicht.
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Da
der Gehäusewerkstoff
des Manipulators 14 mit seinem E-Modul nicht mehr in die
tragende Struktur des Objektivs eingeht, kann ein Werkstoff mit
niedriger Dichte und höherer
Wärmeleitfähigkeit wie
z. B. Aluminium, gewählt
werden. Mehrere Gehäuse
können
kostengünstig
als ein Drehteil gefertigt werden, um anschließend zerteilt und für mehrere Fassungen
verwendet zu werden. Durch die Teilung in Segmente ist die Belastung
durch Kräfte
des Gehäuses
auf den Außenring
bei thermischen Unterschieden vernachlässigbar gering.
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Es
sind auch andere Formen des keramischen Außenringes und der Einsätze möglich, die
jedoch kaum diesen einfachen Aufbau und diese einfache Fertigung
erlauben.
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In 4 ist
die Fassung eines optischen Elementes dargestellt, wobei zum besseren
Verständnis beide
Auflagefüße 9 am
Innenring an gleicher Stelle des Umfanges dar gestellt sind, wofür das Auflagefüßchen 9 mit
seinem Aktor 15b winklig versetzt in den Schnitt gedreht
ist. Ein optisches Element 5 über ein federndes Auflagefüßchen 7 mit
einem Innenring zu verbinden, ist Stand der Technik. Diese Standardtechnik
umgekehrt anzuwenden, um einen Innenring über ein Auflagefüßchen 9 mit
einem Außenring
zu verbinden, ist neu und Teil der Erfindung. Dadurch wird sowohl
eine Deformationsentkopplung wie auch eine thermische Entkopplung
aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Innenring
und Außenring
ermöglicht.
Werden die Anlageflächen 8 und 10 der
Auflagefüßchen am
Innenring in einer Aufspannung bei der Endbearbeitung gefertigt, wird
eine hohe Genauigkeit erreicht.
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Der
Auflagefuß
7 ist
so, wie im Stand der Technik
DE 101 40 608 A dargestellt, einem Aktor
15a zugänglich.
Ebenso lässt
sich ein Aktor
15b, an dem vorzugsweise winklig am Umfang
zwischen die Auflagefüßchen des
optischen Elementes dazu beabstandeten Auflagefuß
9 einfügen. Der
Aktor
15b kann auch an der Unterseite des Innenringes positioniert
werden und auf den Innenring wirken, um das federnde Element an
der Oberseite zu verformen.
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Durch
Kombination zweier Sätze
von Manipulatoren an den beiden Durchmessern von Auflagefüßen des
Innenringes lassen sich z. B. eine Grob- und Feinjustage realisieren.
Bei geeigneter Dimensionierung der Manipulatoren ließe sich
z. B. durch eine notwendige starke Deformation des optischen Elementes
ein ungewollter mit erzeugter optischer Fehler durch eine weitere
Manipulation am Ort seiner Entstehung zumindest teilweise wieder
ausgleichen. Auch wäre
es möglich,
die Manipulatoren 15b zur Verschiebung des Innenringes
mit dem optischen Element entlang der optischen Achse zu nutzen,
um so einen z-Manipulator mit integrierten Astigmatismus-Manipulator
zu realisieren. Mit der in 9 dargestellte
Anordnung von vier Manipulatoren a, b, c, d unter 90° zueinander
versetzt, die den Innenring in z-Richtung bewegen, lässt sich
ein xy-Manipulator für
das optische Element realisieren. Wird beispielsweise, wie in 9 dargestellt,
der Manipulator b in positiver z-Richtung ausgelenkt und gleichzeitig
der gegenüber
liegende Manipulator a in negative z-Richtung, so bewegt sich der
Innenring mit dem optischen Element winklig, um eine zur optischen
Achse 23 senkrecht stehende Achse. Die federnden Elemente
c und d wirken dabei als Drehpunkte. Der Innenring wird dabei nicht
deformiert. Ein in 8 dargestellter Lichtstrahl 22 wird
an einer der Hauptebenen 21 des optischen Elementes gebrochen
und wandert um den Betrag Delta x weiter. Entsprechend wird bei
Umkehrung der Auslenkung negativer z- Richtung auch der Strahl in die andere
x-Richtung ausgelenkt. Entsprechendes gilt bei Anwendung dieser
Argumentation auf die Aktoren c und d. Auf diese Weise lässt sich
der Strahlengang vollständig
in einer xy-Ebene verändern.
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5 zeigt,
wie sich die Verbindung des Innenringes mit dem Außenring über umgekehrte
Auflageelemente auch z. B. auf einen in
DE 199 01 295 A dargestellten
xy-Manipulator anwenden
lässt.
Auch jeder andere, möglicherweise
noch zu entwickelnder Manipulator, kann auf diese Weise in den erfindungsgemäßen Außenring
eingesetzt werden. Analog zu obigen lässt sich wieder ein kombinierter
Manipulator in z-Richtung
mit integriertem xy-Manipulator realisieren.
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In 6 sind
zwei Außenringe
mit einem dazwischen liegenden Abstimmring schematisch dargestellt.
Diese Abstimmringe zwischen Fassungen bestimmen mit ihrer Höhe entlang
der optischen Achse die Abstände
der optischen Elemente zueinander, und sind zur Justage notwendig.
Zur Vermeidung von schädlichen
Kräften
bei thermischen Änderungen des
Objektivs werden im folgenden drei Vorgehensweisen vorgeschlagen.
- 1. Die Abstimmringe werden aus einer Stahllegierung
mit annähernd
gleichem thermischen Ausdehnungskoeffizienten z. B. Invar, wie die
verwendete Keramik hergestellt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass
der Elastizitäsmodul
dieser Ringe bei nur 140 GPa bis 150 GPa liegt und sich die Steifigkeit
des Objektivs verringert.
- 2. Die Abstimmringe werden aus einer Stahllegierung nach Stand
der Technik mit E = 210 GPa gefertigt und falls nötig zur
Steigerung der Härte
vergütet.
Die Bewegungen bei thermischen Unterschieden werden durch Gleiten
der Oberflächen zueinander
ausgeglichen, siehe 6. Alle Voraussetzungen für ein Gleitlager
sind gegeben: Die genaue Ebenheit, eine geringe Rauhtiefe beider mit
verschiedenen Verfahren gefertigter Oberflächen, zwei verschiedene Werkstoffe
hoher Härte und
die Schmierung mit Teflonfett ermöglichen ein unschädliches
Gleiten.
- 3. Die Abstimmringe werden aus keramischen Material gefertigt
und es tritt kein thermisches Problem auf, was auch zur größten Steifigkeit
des Objektivs führt.
Zum Vermeiden eines Bruches eines der Bauteile während der Montage der Fassungen
werden die Verbindungsschrauben nacheinander im Kreis umlaufend
jeweils mit ca. 20% des maximalen Anzugsmomentes angezogen. Die
in den Außenringen
und dem Abstimmring entstehenden punktuellen Spannungen wandern dann
immer kreisförmig
weiter, ohne dass eine zum Bruch führende Spannungsspitze erreicht wird.
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In
der beschriebenen Weise kann eine optische Baugruppe wie in
7 dargestellt
aufgebaut werden. Um die in der
DE 103 16 589 A beschriebene vorteilhafte
Aufhängung
in einer katadioptrischen Baugruppe in der Nähe optisch neutraler Punkte
zu realisieren, wird vorgeschlagen, die Stege der Fassung, die am
nächsten
zum optisch neutralen Punkt angeordnet ist, so weit auskragen zu
lassen, dass ein umlaufender Ring zur Aufnahme des Gewichtes des Objektivs
angesetzt werden kann. An diesem Ring kann das Objektiv direkt in
die Beleuchtungsmaschine eingesetzt werden. Auf eine Aufhängung im
optisch neutralen Punkt kann auch verzichtet werden, da die Steifigkeit
des erfindungsgemäßen Objektivs wesentlich
höher liegt.
So kann ein umlaufender Ring auch an der obersten Fassung angesetzt
werden und direkt an das Gehäuse
des winkligen optischen Elements verschraubt werden.
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10 zeigt
schließlich
einen Schnitt durch eine vollständig
aus keramischen Material gefügten Fassung.
Der Außenring 1 und
der Innenring 6 können
kostengünstig
in der Grobkeramik gefertigt werden. Die Doppel-L-Stege 24 können in
der Feinkeramik mit hoher Genauigkeit gefertigt werden.
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- 1
- Außenring
- 2
- Schleifscheibe
- 3
- Anlagefläche für einen
Abstimmring
- 4
- Anlagefläche für einen
Innenring
- 5
- optisches
Element
- 6
- Innenring
- 7
- Auflagefüßchen des
Innenringes am optischen Element
- 8
- Anlagefläche des
Füßchens 7
- 9
- Auflagefüßchen des
Innenringes am Außenring
- 10
- Anlagefläche des
Füßchens 9
- 11
- Anlagefläche für segmentförmige Manipulatoreinsätze
- 12
- Strebe
- 13
- Anlagefläche der
Schrauben
- 14
- segmentförmiger Manipulatoreinsatz
- 15
- Aktor
nach DE 101 40 608
A1
- 16
- Abstimmring
- 17
- Verbindungsschraube
der Außenringe
- 18
- eingeklebte
Gewindehülse
- 19
- umlaufender
Ring
- 20
- xy-Manipulator
nach DE 199 01 295
A1
- 21
- eine
Hauptebene des optischen Elementes
- 22
- Lichtstrahl
- 23
- optische
Achse
- 24
- Doppelstege
- a,
b, c, d
- Manipulatoren