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Die
Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie.
Derartige Projektionsbelichtungsanlagen verwenden optische Strahlung, üblicherweise
aus dem sichtbaren, UV- oder EUV-Bereich, um das Bild einer Vorlage,
einer sogenannten Reticle, auf einen mit Fotolack beschichteten
Halbleiterwafer zu projizieren und auf diese Weise die Strukturen
eines herzustellenden Halbleiterbauelements gegebenenfalls in mehreren Belichtungsschritten
in Verbindung mit weiteren Prozessschritten, wie beispielsweise Ätzen und
Entwickeln, zu schaffen. Zur Modifikation der Beleuchtungseigenschaften
der Projektionsbelichtungsanlage sowie zur Abbildung des Reticles
auf dem Wafer sind üblicherweise
verschiedene optische Elemente, wie beispielsweise Linsen oder Spiegel,
in Objektiven in der Projektionsbelichtungsanlage vorgesehen. Diese
optischen Elemente werden im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage üblicherweise
von der verwendeten elektromagnetischen Strahlung mit einer bestimmten
Intensitätsverteilung
beaufschlagt, die insbesondere von der Wahl der Winkel-Verteilung des zur
Beleuchtung verwendeten Lichtes, der sogenannten Beleuchtungssettings,
wie auch von der geometrischen Struktur des Reticles abhängt. Da
stets ein gewisser Rest der elektromagnetischen Strahlung von den
verwendeten optischen Elementen absorbiert wird, kommt es aufgrund
der genannten Absorption zu lokalen Erwärmungen einzelner Bereiche der
verwendeten optischen Elemente. Diese Erwärmungen führen zu einer Änderung
der Brechzahl in Verbindung mit Ausdehnung des Materials sowie mechanischen
Spannungen und damit dazu, dass sich die Abbildungseigenschaften
der verwendeten optischen Elemente und im Ergebnis die Qualität des auf den
Wafer projizierten Bildes verschlechtern.
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Dabei
lässt sich
die Temperaturverteilung in den optischen Elementen in rotationssymmetrische Anteile
und Anteile mit azimutalen Welligkeiten zerlegen. Die azimutalen
Welligkeiten können
sich beispielsweise im Fall von Step-and-Scan-Systemen aus der Geometrie
des Scannerschlitzes ergeben, so dass die Intensitätsverhältnisse
in Scanrichtung und orthogonal dazu unterschiedlich sind. Diese
Symmetriebrechung im Feld führt
zu zweiwelligen Temperaturverteilungen in der Nähe von Feldebenen. Ferner führt die
zunehmend zur Steigerung der Auflösung eingesetzte Dipolbeleuchtung
dazu, dass insbesondere in optischen Elementen in der Umgebung der Pupillenebenen
stark zweiwellige Temperaturverteilungen auftreten. Ein ähnlicher
Effekt kann durch die Verwendung eines Reticles mit Linienstrukturen
vorwiegend in horizontaler Richtung ausgelöst werden; in diesem Fall weist
die Verteilung der Intensität
des gebeugten Lichtes in der Pupille überwiegend Beiträge in vertikaler
Richtung auf.
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Da
sich die Leistungen der verwendeten Lichtquellen ständig erhöhen, um
den Durchsatz der Projektionsbelichtungsanlagen zu steigern, und
andererseits die Anforderungen an die Abbildungsqualität steigen,
wird es zunehmend schwieriger, Lösungen
für das
Problem der Linsenerwärmung
zu finden.
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Zur
Vermeidung der genannten nachteiligen Effekte gibt es verschiedene
Ansätze.
So wird beispielsweise in der US-Patentanmeldung
US 2005/0018269 A1 vorgeschlagen,
die inhomogene, bereichsweise Erwärmung der verwendeten optischen
Elemente in einer Halbleiterlithographieanlage dadurch zu unterbinden,
dass die optischen Elemente lokal mit einem Laser an den Stellen
aufgeheizt werden, an denen die verwendeten optischen Elemente mit
elektromagnetischer Strahlung geringerer Intensität als in
anderen Bereichen beaufschlagt werden; auf diese Weise wird die
inhomogene Bestrahlung der optischen Elemente kompensiert und im
Ergebnis findet eine homogene Erwärmung der verwendeten optischen
Elemente statt. Zur Bestimmung der Temperatur in den interessierenden
Bereichen der auf diese Weise thermisch geregelten optischen Elemente
wird in der genannten Schrift vorgeschlagen, eine optische Messung
mittels einer entsprechend optimierten CCD-Kamera vorzunehmen. In der
genannten Schrift werden jedoch keine Angaben darüber gemacht, wie
ein derartiges Messverfahren unter den in einer Projektionsbelichtungsanlage
für die
Halbleiterlithographie herrschenden Bedingungen, insbesondere unter
der Einschränkung
des knappen Bauraums und der von der Kamera schwer einsehbaren interessierenden
Bereiche der zu vermessenden und zu regelnden optischen Elemente realisiert
werden kann.
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Mit
dem beschriebenen Verfahren ist es also lediglich möglich, optische
Elemente, die sich an exponierten Stellen in der Projektionsbelichtungsanlage
befinden, hinsichtlich ihrer Erwärmung
zu messen und ihre Temperatur zu regeln.
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Ein
hiervon abweichender Ansatz wird in der europäischen Patentanmeldung
EP 0 678 768 A2 vorgestellt.
In dieser Schrift wird die Aufgabe adressiert, die Abbildungseigenschaften
einer Projektionsbelichtungsanlage auszumessen und basierend auf theoretischen
Modellen der Projektionsbelichtungsanlage einzelne Elemente der
Anlage bereichsweise gezielt zu beheizen oder zu kühlen. Bei
dieser Vorgehensweise hängt
jedoch der Erfolg der geschilderten Kompensationsmaßnahmen
ganz entscheidend von der Qualität
des verwendeten theoretischen Modells ab. Aufgrund der systemimmanenten
Unkenntnis über
die wahren thermischen Verhältnisse
in den optischen Elementen der Projektionsbelichtungsanlage kann
die genannte Methode dazu führen,
dass die beobachteten Fehler nicht an der optimalen Position in
der Projektionsbelichtungsanlage kompensiert werden, sondern an
einer anderen, was im Ergebnis die Wirkung hat, dass die beobachteten
Abbildungsfehler weder schnell noch zuverlässig korrigiert werden können und
der Spielraum zur Korrektur der Abbildungsfehler begrenzt ist.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die
bzw. das es gestattet, den Temperaturverlauf beliebiger in einem
Projektionsobjektiv für
die Halbleiterlithographie angeordneter optischer Elemente mit hinreichender
Genauigkeit zu bestimmen und zu regeln.
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmalen und das Verfahren mit den in Patentanspruch 13 angegebenen
Merkmalen gelöst.
Die Merkmale der Unteransprüche
beziehen sich auf vorteilhafte Varianten und alternative Ausführungsformen
der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage
für die
Halbleiterlithographie zeigt optische Elemente, wie beispielsweise
Linsen oder Spiegel und mindestens einen Sensor zur Bestimmung der
Temperatur von Bereichen mindestens eines der optischen Elemente
und mindestens ein Temperierelement. Dabei ist das mindestens eine
optische Element derart temperierbar, dass die Temperatur der Bereiche
an einander angleichbar ist und der mindestens eine Sensor ist im
Randbereich des mindestens einen optischen Elements angeordnet.
Die unmittelbare Anordnung des Sensors im Randbereich des optischen
Elements hat dabei den Vorteil, dass die Information über die
Temperaturverteilung in dem optischen Element direkt vor Ort gewonnen
werden kann, ohne dass die eingangs genannten Einschränkungen
aus der begrenzten Zugänglichkeit
der zu vermessenden optischen Elemente ins Gewicht fallen. Die Anordnung
des Sensors im Randbereich des optischen Elements gestattet es dabei,
die thermischen Verhältnisses
nahezu in jedem optischen Element der Projektionsbelichtungsanlage
zu bestimmen, ohne dass es zu Konflikten mit den von der elektromagnetischen
Nutzstrahlung beaufschlagten Bereichen der optischen Elemente kommt.
Darüber hinaus
wird die Information über
die Temperaturverteilung in dem jeweiligen interessierenden optischen Element
unmittelbar und nicht durch eine modellhafte Ableitung aus den Abbildungseigenschaften
der Projektionsbelichtungsanlage gewonnen, so dass Fehler, die auf
Ungenauigkeiten oder Fehlern des verwendeten Modells beruhen, von
vornherein ausgeschlossen sind. Mit anderen Worten werden die Fehler,
die die Abbildungseigenschaften der Projektionsbelichtungsanlage
beeinträchtigen,
an den Orten behoben, an denen sie entstehen. Damit wird eine schnelle,
effiziente Korrektur der Fehler möglich.
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Insbesondere
kann es sich bei dem optischen Element um eine Linse oder einen
Spiegel handeln, wobei die Linse bzw. der Spiegel einen im wesentlichen
kreisförmigen
Querschnitt aufweist und wobei der mindestens eine Sensor am Umfang
der Linse bzw. des Spiegels angeordnet ist; dabei besteht eine vorteilhafte
Ausführungsform
der Erfindung darin, dass entlang des Umfangs mehrere Sensoren in
im wesentlichen gleichen Winkelabständen angeordnet sind. So können beispielsweise
in einem Winkelabstand von ca. 90° vier
Sensoren bzw. in einem Winkelabstand von 45° acht Sensoren oder in einem
Winkelabstand von 22,5° sechzehn
Sensoren angeordnet sein; selbstverständlich sind auch Zwischenwerte
oder größere oder
geringere Anzahlen von Sensoren denkbar. Mit der Anzahl der Sensoren steigt
die räumliche
Auflösung
der Temperaturmessung entlang des Umfangs des optischen Elements; allerdings
ist zu berücksichtigen,
dass ebenfalls mit der Anzahl der Sensoren der Aufwand zur elektrischen
Kontaktierung ansteigt.
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In
einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist mindestens ein Temperierelement
im Bereich eines Sensors angeordnet, so dass die geregelte lokale
Temperierung des optischen Elements in dem Bereich erfolgt, in dem
die aktuelle Temperatur aufgenommen wird. Hierzu ist es von Vorteil,
den Sensor und das Temperierelement als kombiniertes Element auszubilden.
Diese Maßnahme
führt dazu,
die gesamte Anordnung konstruktiv in besonders einfacher Weise auszubilden
und damit Bauraum einzusparen.
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Zur
Realisation der Temperierelemente stellen Peltier-Elemente eine
vorteilhafte Wahl dar. Der besondere Vorteil der Verwendung von
Peltier-Elementen liegt darin, dass derartige Temperierelemente
sowohl zum Beheizen als auch zum Kühlen der mit ihnen in Verbindung
stehenden Struktur verwendet werden können. Dabei kann in einfacher
Weise vom Heizbetrieb auf den Kühlbetrieb
gewechselt werden, indem die Polarität der an dem Peltier-Element
anliegenden Spannung geändert
wird, d. h. die jeweils gewünschte
Funktionalität
kann lediglich durch die Ansteuerung des Peltierelements an die
aktuell herrschenden Gegebenheiten angepasst werden.
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Darüber hinaus
gestattet es die prinzipielle Funktionsweise des Peltierelements,
dieses in einer weiteren Funktion als Sensor zu verwenden. Dabei macht
man sich die Tatsche zunutze, dass aufgrund des Seebeck-Effekts
an aneinander angefügten
unterschiedlichen Metallen, wie es beim Peltierelement der Fall
ist, als Reaktion auf eine an dem Metallstapel anfallenden Temperaturgradienten
eine Spannung anliegt. In dieser Betriebsart wirkt das Peltier-Element
als Thermopile bzw. als Thermoelement. Damit können die Peltierelemente lediglich
durch Wechsel der elektrischen Ansteuerung bzw. durch Abgreifen der
an ihnen anliegenden Spannung alternativ als Heiz-, Kühl- oder
Sensorelemente verwendet werden.
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Die
Verwendung von Peltierelementen als Sensor erlaubt ferner die Realisation
einer Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei der der mindestens eine Sensor so ausgebildet und an dem optischen
Element angeordnet ist, dass er zur Messung von Temperaturgradienten
entlang des Umfangs des optischen Elementes geeignet ist. Hierzu
ist es, beispielsweise im Fall einer Linse als optischem Element,
lediglich erforderlich, das Peltierelement an der Umfangsfläche der
Linse in der Weise anzuordnen, dass die Stapelrichtung der verschiedenen
im Peltierelement verwendeten Materialien in Richtung des Umfangs
der Linse verläuft.
Bildet sich nun entlang des Umfangs der Linse am Ort des Peltierelements ein
Temperaturgradient aus, kann dieser sofort aus der von dem Peltierelement
als Sensor gelieferten Spannung detektiert werden. Nachfolgend kann
unter Verwendung des selben Peltierelements als Temperierelement
besonders effizient die gewünschte Temperaturverteilung
am Umfang der Linse eingestellt werden. Diese Ausführungsform
der Erfindung hat den doppelten Vorteil, dass einerseits bereits durch
die Verwendung eines einzigen Sensors ein Temperaturgradient detektiert
werden kann und andererseits die gewünschte Verteilung aufgrund
der beidseitigen Wirkung des Peltierelements (d. h. Heizen auf der
einen Seite und Kühlen
auf der anderen Seite) besonders effizient eingestellt werden kann. Selbstverständlich lässt sich
diese Variante auch mit allen anderen Sensoren bzw. Temperierelementen realisieren,
die je- Sensoren
bzw. Temperierelementen realisieren, die jeweils für sich geeignet
sind, Temperaturgradienten zu messen bzw. zu erzeugen, insbesondere
kommen als Sensoren aufgrund des geringen benötigten Bauraums auch Faser-Bragg-Gittersensoren oder
andere optische Fasersensoren in Betracht.
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Für die Temperierung
des optischen Elementes können
die verschiedensten denkbaren Heiz- und Kühlelemente verwendet werden;
insbesondere ist es auch denkbar, das optische Element als Ganzes permanent
zu beheizen bzw. zu kühlen
und bei Bedarf lokal zu kühlen
bzw. zu heizen. Vorteilhafte Varianten zum Beheizen des optischen
Elementes stellen beispielweise die Anwendung Ohmscher Wärme mittels
eines Widerstandsheizelementes wie bspw. eines Heizdrahtes oder
eine Bestrahlung mit elektromagnetischer Strahlung, insbesondere
mit Infrarotstrahlung, dar.
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Die
vorstehend geschilderten Möglichkeiten zur
Messung und Regelung der Temperaturen des optischen Elements gestatten
es dabei, nahezu jede mögliche
gewünschte
Temperaturverteilung entlang des Umfangs des optischen Elements
einzustellen. In einem ersten Ansatz wird sich diese gewünschte Temperaturverteilung
dadurch auszeichnen, dass sie entlang des Umfangs des optischen
Elements homogen ist, d. h. dass entlang des Umfangs des optischen
Elements keine oder nur sehr geringe Temperaturgradienten entstehen.
Alternativ ist es darüber hinaus
denkbar, die Temperaturverteilung am Umfang des optischen Elements
dahingehend zu regeln, dass sich im Mittel ein möglichst geringer Temperaturgradient über das
gesamte optische Element hinweg einstellt. Dazu muss die Temperaturverteilung entlang
des Umfangs des optischen Elements nicht notwendigerweise homogen
sein; die am Umfang einzustellenden Temperaturen hängen dabei
wesentlich von der Intensitätsverteilung
der optischen Strahlung über
das optische Element hinweg und auch von den Wärmeleitungseigenschaften des
optischen Elements selbst ab.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn zu der Festlegung der Parameter für die Temperierung
ein theoretisches Modell verwendet wird, in das insbesondere Parameter
wie die Geometrie und die Materialeigenschaften des optischen Elementes
und die Intensitätsverteilung
der Beleuchtung des optischen Elementes in der Projektionsbelichtungsanlage
eingehen; auf diese Weise kann eine optimale Ansteuerung der Temperierelemente
unter Verwendung der von den Sensoren gelieferten Daten gewährleistet werden.
Das theoretische Modell kann auch Informationen über die Struktur auf dem Reticle
nutzen, um die Vorhersagegenauigkeit zu verbessern.
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In
jedem Fall ist es jedoch vorteilhaft, die Temperatur am Umfang des
optischen Elements im Bereich von ca. 0,01 K genau einstellen zu
können.
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Alternativ
oder zusätzlich
kann vorgesehen sein, dass die Temperierung in der Weise erfolgt, dass
zeitabhängige Änderungen
der Temperatur des optischen Elementes vermindert werden. Damit
wird die Temperatur des optischen Elementes während des Betriebes der Halbleiterlithographieanlage
konstant gehalten. Eine – räumlich homogene – Temperaturänderung
des optischen Elementes hätte
rotationssymmetrische Abbildungsfehler zur Folge, die üblicherweise
mittels entlang der optischen Achse verschiebbarer Linsen korrigiert
werden. Hält
man nun die mittlere Temperatur des optischen Elementes auch über die
Zeit möglichst
konstant, verringert sich damit im Ergebnis die Notwendigkeit, mittels
der oben genannten verschiebbaren Linsen gegenzusteuern, wodurch
sich der Gesamtaufwand zur Minimierung der aus thermischen Effekten
resultierenden Bildfehlern erheblich reduziert.
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Zur
Einstellung des gewünschten
Temperaturprofils am Umfang des optischen Elements kann dabei in
der Weise vorgegangen werden, dass beispielsweise unter Verwendung
eines kombinierten Elements aus Sensor und Temperierelement, wie zum
Beispiel eines Peltierelements, die Temperierung und die Bestimmung
der Temperatur alternierend erfolgt. Beispielsweise wird das Peltier-Element zunächst als
Temperatursensor in der Art eines Thermopiles betrieben und auf
diese Weise die aktuell am Ort des Sensors herrschende Temperatur
bestimmt. Nachfolgend wird – je
nach der gewünschten
Zieltemperatur – das
Peltier-Element in der Weise angesteuert, dass es einen aufheizenden
oder kühlenden Effekt
hat. Dies kann auf einfache Weise durch die Wahl der Polarität des Anschlusses
erreicht werden.
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Eine
weitere Variante der Erfindung kann dadurch realisiert werden, dass
alle Sensoren und/oder Temperierelemente im Randbereich des mindestens einen
optischen Elementes angeordnet sind.
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Ein
vorteilhafter Einbauort des optischen Elementes besteht darin, dass
es pupillennah angeordnet ist. Auch eine Positionierung des optischen Elementes
in der Nähe
einer Bildebene, insbesondere einer Zwischenbildebene, ist denkbar;
dabei kann das optische Element beispielsweise als das letzte optische
Element im Strahlengang der Projektionsbelichtungsanlage in Feldnähe ausgebildet
sein.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der 1 und 2 näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 Eine
Projektionsbelichtungsanlage für die
Halbleiterlithographie, in die die beschriebenen optischen Elemente
integriert sind; und
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2 ein
optisches Element mit Sensoren, wie es in einer erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungsanlage
zur Anwendung kommt.
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In 1 ist
eine Projektionsbelichtungsanlage 1 für die Halbleiterlithographie,
in die die beschriebenen optischen Elemente integriert sind, dargestellt. Diese
dient zur Belichtung von Strukturen auf ein mit photosensitiven
Materialien beschichtetes Substrat, welches im allgemeinen überwiegend
aus Silizium besteht und als Wafer 2 bezeichnet wird, zur
Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie z.B. Computerchips.
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Die
Projektionsbelichtungsanlage 1 besteht dabei im wesentlichen
aus einer Beleuchtungseinrichtung 3, einer Einrichtung 4 zur
Aufnahme und exakten Positionierung einer mit einer Struktur versehenen
Maske, einem sogenannten Reticle 5, durch welches die späteren Strukturen
auf dem Wafer 2 bestimmt werden, einer Einrichtung 6 zur
Halterung, Bewegung und exakten Positionierung eben dieses Wafers 2 und
einer Abbildungseinrichtung, nämlich einem
Projektionsobjektiv 7, mit mehreren optischen Elementen 8,
die über
Fassungen 9 in einem Objektivgehäuse 10 des Projektionsobjektives 7 gelagert sind.
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Das
grundsätzliche
Funktionsprinzip sieht dabei vor, dass die in das Reticle 5 eingebrachten Strukturen
auf den Wafer 2 abgebildet werden; die Abbildung wird in
der Regel verkleinernd ausgeführt.
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Nach
einer erfolgten Belichtung wird der Wafer 2 in Pfeilrichtung
weiterbewegt, sodass auf demselben Wafer 2 eine Vielzahl
von einzelnen Feldern, jeweils mit der durch das Reticle 5 vorgegebenen Struktur,
belichtet wird. Aufgrund der schrittweisen Vorschubbewegung des
Wafers 2 in der Projektionsbelichtungsanlage 1 wird
diese häufig
auch als Stepper bezeichnet.
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Die
Beleuchtungseinrichtung 3 stellt einen für die Abbildung
des Reticles 5 auf dem Wafer 2 benötigten Projektionsstrahl 11,
beispielsweise Licht oder eine ähnliche
elektromagnetische Strahlung, bereit. Als Quelle für diese
Strahlung kann ein Laser oder dergleichen Verwendung finden. Die
Strahlung wird in der Beleuchtungseinrichtung 3 über optische Elemente
so geformt, dass der Projektionsstrahl 11 beim Auftreffen
auf das Reticle 5 die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich
Durchmesser, Polarisation, Form der Wellenfront und dergleichen
aufweist.
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Über die
Strahlen 11 wird ein Bild des Reticles 5 erzeugt
und von dem Projektionsobjektiv 7 entsprechend verkleinert
auf den Wafer 2 übertragen, wie
bereits vorstehend erläutert
wurde. Das Projektionsobjektiv 7 weist eine Vielzahl von
einzelnen refraktiven, diffraktiven und/oder reflexiven optischen Elementen,
wie z.B. Linsen, Spiegeln, Prismen, Abschlussplatten und dergleichen
auf. Dabei sind die optischen Elemente 8 mit Sensoren versehen
und können
an beliebigen Stellen in dem Projektionsobjektiv angeordnet sein.
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2 zeigt
ein optisches Element 8, das im vorliegenden Fall als eine
Linse mit im wesentlichen zylinderförmigen Rand ausgebildet ist.
Entlang des Zylindermantels des optischen Elements 8 sind
die vier Peltierelemente 12a bis 12d angeordnet.
Dabei sind die Peltierelemente 12a bis 12d in
im wesentlichen gleichen Winkelabständen von ca. 90° angeordnet.
Die Steuereinheit 13 ist über die Signalleitungen 14a bis 14d mit
den Peltierelementen 12a bis 12d verbunden. Sie
regelt anhand der von den Peltierelementen 12a bis 12d als
Sensoren erfassten Messwerte, Signalstärke und Polarität der Spannung,
mit der die jeweiligen Peltierelemente 12a bis 12d beaufschlagt
werden. Die Steuereinheit 13 kann dabei insbesondere als
Mikrocomputer ausgebildet sein, in dessen Hauptspeicher ein auf
die Gegebenheiten des jeweiligen optischen Elements 8 angepasstes
Computerprogramm geladen ist.