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Die
Erfindung betrifft ein katoptrisches oder katadioptrisches obskuriertes
Abbildungssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie Verfahren
zu dessen Herstellung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16.
Weiter betrifft die Erfindung ein Projektionssystem und ein Mikroskop.
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Katoptrische
oder katadioptrische obskurierte Abbildungssysteme kommen bei hochauflösenden Mikroskopen
oder Projektionsobjektiven wie sie z. B. zur Entwicklung und Qualifizierung
mikrolithographischer Prozesse erforderlich sind zum Einsatz. Ein katoptrisches
oder katadioptrisches obskuriertes Abbildungssystem zur Anwendung
in einem Mikroskop, einem Projektionsobjektiv oder in einem Inspektionssystem
für die Qualifizierung von Masken und belichteten Wafern
ist zum Beispiel in der
DE 10 2006 047 387 A1 beschrieben.
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Wird
das Objektiv als Mikrolithographie-Projektionssystem ausgebildet,
so soll sich ein derartiges Projektionsobjektiv dadurch auszeichnen,
dass ein Objektfeld ausreichender Größe mit möglichst großer
bildseitiger Apertur, z. B. NA ≥ 0,7 abgebildet werden
kann. Bevorzugt soll der Durchmesser des Bildfeldes mehr als 100 μm
sein.
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Wird
das Objektiv als Mikroskopobjektiv oder als Objektiv zur Untersuchung
von Masken- oder Waferstrukturen eingesetzt, so soll die Größe
des zu untersuchenden Objektfeldes ausreichend groß sein und
das Objektiv eine möglichst große objektseitige Apertur
aufweisen. Bevorzugt soll der Durchmesser des Objektfeldes mehr
als 100 μm und die objektseitige Apertur NA ≥ 0,7
sein. Bei einem derartigen Anwendungsfall ist also die Bildebene
und die Objektebene gegenüber dem Anwendungsfall als Objektiv eines
Mikrolithographie-Projektionssystems vertauscht. Der hochaperturige
Teil in der mikroskopischen Anwendung legt dann auf der Seite der
Objektebene, der niederaperturige Teil auf der Seite der Bildebene.
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Reine
Spiegelsysteme werden für EUV-Anwendungen (EUV = Extreme
Ultra Violet, d. h. Wellenlängen 1 nm ≤ λ ≤ 50
nm), gemischte Spiegel-/Linsensysteme werden bei größeren
Wellenlängen, insbesondere im VUV-Bereich (VUV = Very Ultra
Violet) eingesetzt.
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Zur
Strahlführung in einem derartigen System weisen die Spiegel
zentrale Öffnungen auf. Ein zentraler Teil der Apertur
kann daher nicht zur Abbildung benutzt werden. Obwohl dies grundsätzlich
von Nachteil ist, kann diese Obskuration für viele Anwendungen
in Kauf genommen werden. Dennoch sollte der Anteil der ausgeblendeten
Pupillenfläche klein gehalten werden.
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Die 10 zeigt
beispielhaft einen Ausschnitt einer Längsschnittzeichnung
eines katoptrischen Mikroskops 1 mit einem obskurierten
Abbildungssystem 2 der vorstehend beschriebenen Art. Das
obskurierte Abbildungssystem 2 weist zwei Spiegel S1, S2
mit einander gegenüber liegenden reflektierenden Spiegelflächen
M1, M2 auf. Der linke Spiegel S1 in der Zeichnungsfigur weist eine
planare reflektierende Spiegelfläche M1 auf, der rechte
Spiegel S2 weist eine konkav gekrümmte Spiegelfläche M2
auf. Beide Spiegel S1, S2 weisen Durchtrittsöffnungen D1,
D2 für Lichtstrahlen L1, L2 auf. Die reflektierende Spiegelfläche
M1 für den Strahl des dem Objektfeld O1 nächstliegenden
Spiegels S1 des Mikroskops ist von dem Objektfeld O1 abgewandt ausgerichtet.
Die reflektierende Spiegelfläche M2 des gekrümmten
Spiegels S2 ist zum Objektfeld O1 hin ausgerichtet.
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Die
schwierigste Position der zentralen Obskuration der Pupille ist
die zum Fokus mit der größten numerischen Apertur
NA1 räumlich nächstliegende Spiegelfläche
M1. Aufgrund der großen numerischen Apertur NA1 nimmt die
erforderliche Größe der Durchtrittsöffnung
D1 mit dem Abstand d1 der reflektierenden Oberfläche M1
von der Objektebene O1 dramatisch zu. Andererseits existieren schwerwiegende
Gründe, die einen endlichen Abstand d1 erzwingen. Zum Einen
ist der erforderliche Arbeitsabstand d1 durch die Anwendung und
die mechanische Befestigung des Spiegels S1 limitiert. Zum Andern
ist eine gewisse Mindestdicke des Spiegels S1 erforderlich, um eine
hinreichende mechanische Stabilität zu gewährleisten.
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In
der
US 5,717,518 A ,
von der die Erfindung ausgeht, wird zur Reduzierung des Arbeitsabstands d1
zwischen der reflektierenden Fläche M1 und der Objektebene
O1 eine brechende Linse oder eine planparallele Platte mit rückseitiger
die Fläche M1 darstellender reflektierender Beschichtung
vorgeschlagen. Die die Spiegelfläche M1 tragende Struktur,
nämlich die Linse bzw. die planparallele Platte befindet
sich unmittelbar auf der Spiegelfläche M1.
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Obwohl
sich diese Art obskurierter Abbildungssysteme dem Grunde nach bewährt
hat, ist eine Anwendung nicht in jedem Fall möglich oder
es sind korrigierende Maßnahmen zu treffen, um strukturbedingte
Abbildungsfehler zu eliminieren. Insbesondere müssen andere
brechende Linsenelemente vorgesehen werden, um die durch die Kombination von
Spiegel und Linse auftretenden Farbfehler zu korrigieren. Für
einige Anwendungen, bei denen es auf eine sehr große Bandbreite
einschließlich DUV (Deep Ultra Violet) bis hinunter zu
193 nm ankommt, ist es sehr schwer alle Farbfehler zu korrigieren.
Für andere Anwendungen wie z. B. EUV-Mikroskope oder Kleinfeldprojektionsobjektive
gibt es keine Materialien mit hinreichender Transmission, um derartige
obskurierte Abbildungssysteme mit kombinierten Linsen-/Spiegelanordnungen
einsetzen zu können.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein katoptrisches oder
katadioptrisches obskuriertes Abbildungssystem bereitzustellen,
dessen reflektierende Oberfläche sehr feldnah angeordnet werden
kann und das eine hinreichende mechanische Stabilität aufweist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung
eines geeigneten Verfahrens zu dessen Herstellung.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird bei einem katoptrischen oder katadioptrischen
obskurierten Abbildungssystem der gattungsgemäßen
Art durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs
1 gelöst. Die zuletzt genannte Aufgabe wird bei einem Verfahren
der gattungsgemäßen Art durch die Merkmale des
kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäße katoptrische oder katadioptrische
obskurierte Abbildungssystem weist einen Spiegel mit einer Durchtrittsöffnung
für optische Strahlung auf. Dieser Spiegel stellt z. B.
für den Fall, dass es sich um ein Abbildungssystem für
ein Mikroskopobjektiv handelt, den einem Objektfeld am nächsten
liegenden Spiegel dar. Für den Fall, dass es sich z. B.
um das Abbildungssystem eines Projektionsobjektivs handelt, stellt
dieser Spiegel den einem Bildfeld am nächsten liegenden
Spiegel dar. Die Begriffe Objekt- und Bildfeld schließen
dabei sogenannte Zwischen(bild)-felder mit ein. Insbesondere kann
es sich um die hochaperturige Seite des Abbildungssystems handeln.
Es ist z. B. geeignet als Abbildungssystem mit einer durch die Durchtrittsöffnung im
Spiegel und die Objekt- oder Bildfeldgröße mit
einem Felddurchmesser von z. B. größer als 0,8
mm und vorgegebener numerischer Apertur von beispielsweise über
0,8. Der Abstand zwischen dem Feld (z. B. dem Objekt oder dem Bild-
oder Zwischenbildfeld) und der von diesem Feld abgewandten reflektierenden
Oberfläche des Spiegels kann z. B. weniger als 7% oder
gar weniger als 5% des optischen Durchmessers dieser Spiegeloberfläche
betragen.
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Der
Spiegel wird nicht von einem auf der optisch im Allgemeinen nicht
wirksamen Spiegelrückseite angebrachten Träger
gehalten, wie dies bei den in der
DE 10 2006 047 387 A1 vorgestellten
Systemen der Fall ist, sondern der Spiegel wird von einem auf dieser
reflektierenden Oberfläche angeordneten Spiegelträger
getragen. Anstelle von einer den Spiegel tragenden Linse oder Glasplatte,
wie dies in der
US 5,717,518
A beschrieben ist, wird der Spiegel nach der Erfindung
durch eine oder mehrere stegartige Strukturen getragen, die auf
dieser reflektierenden Spiegelfläche angeordnet sind. Im
Gegensatz zur Lehre der
US
5,717,518 A wird die Spiegelvorderseite des Spiegels also
nicht vollflächig durch den den Spiegel tragenden Körper
abgedeckt, sondern nur lokal bzw. in vorbestimmten Flächenbereichen. Dadurch
wird die Möglichkeit eröffnet, den Spiegel feldnah
anzuordnen und gleichzeitig die Durchtrittsöffnung klein
zu halten. Weiterhin kann der Spiegel sehr dünn ausgeführt
sein, ohne auf eine hohe mechanische Stabilität zu verzichten.
Farbaberrationen, wie sie bei den in der
US 5,717,518 A beschriebenen Systemen
für breitbandige Anwendungen auftreten können,
sind ausgeschlossen. Die oben angegebene Aufgabe wird demzufolge
durch die Erfindung vollumfänglich gelöst.
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Ein
Nachteil der vorgestellten Lösung besteht darin, dass die
Trägerstrukturen zu einer weiteren Obskuration der Pupille
(d. h. der Einstrittspupille, wenn das Abbildungssystem z. B. Bestandteil
eines Mikroskops ist oder der Austrittspupille, wenn das Abbildungssystem
z. B. Bestandteil eines Projektionsobjektivs ist) führen.
Dieser Tatsache muss für den jeweiligen Anwendungsfall
Rechnung getragen werden. Insbesondere kann man sich durch die Wahl geeigneter
Moden auf eine Ausleuchtung der nicht abgedeckten Zwischenbereiche
der reflektierenden Spiegelfläche beschränken.
Es ist auch möglich, die auf die Trägerstrukturen
treffenden Strahlen derart abzulenken, dass sie nicht zur Abbildung
beitragen. Beispiele für stegartige Strukturen, die einzeln
oder in Kombination als Träger zum Einsatz kommen können,
werden nachfolgend vorgestellt.
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Die
stegartige Struktur oder die stegartigen Strukturen können
beispielsweise einen oder mehrere Stege umfassen, die ausgehend
von der Durchtrittsöffnung in radialer Richtung verlaufen.
Alternativ oder zusätzlich ist auch möglich, dass
die stegartige Struktur oder die stegartigen Strukturen einen oder mehrere
Stege umfassen, die ringförmig um die Durchtrittsöffnung angeordnet
sind. Weiterhin können die stegartigen Strukturen zum Beispiel
auch in der Art einer Bienenwabe angeordnete Stege umfassen.
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Eine
einzelne oder mehrere der stegartigen Strukturen können
auch zumindest teilweise und zumindest lokal reflektierend ausgebildet
sein. Reflektierende Strukturen, d. h. Strukturen, die einen größeren
Anteil der einfallenden Strahlung reflektieren als sie absorbieren
oder durchlassen, werden z. B. eingesetzt, um die einfallende Strahlung
gezielt in Bereiche außerhalb des abbildenden Strahlengangs
zu reflektieren, wo sie weder zur Störung der Abbildung noch
zu Erwärmung oder zu Degradation der optischen Elemente
beitragen können.
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Eine
einzelne oder mehrere der stegartigen Strukturen können
schließlich auch zumindest teilweise und zumindest lokal
absorbierend ausgebildet sein. Absorbierende Strukturen, d. h. Strukturen,
die einen größeren Anteil der einfallenden Strahlung
absorbieren als sie reflektieren oder durchlassen, können
z. B. dann eingesetzt werden, wenn die thermische Last durch die
absorbierte Strahlung für die Abbildung unschädlich
ist. Durch die Absorption kann eine Störung der Abbildung
durch gestreutes oder reflektiertes Licht vermieden werden.
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Eine
einzelne oder mehrere der stegartigen Strukturen können
zumindest lokal mit der reflektierenden Spiegelfläche verklebt
sein. Eine einzelne oder mehrere der stegartigen Strukturen können auch
zumindest lokal flächig an die reflektierende Spiegelfläche
angesprengt sein. Beide Haltemechanismen haben sich zur Halterung
optischer Bauteile bewährt. Es besteht im vorliegenden
Fall jedoch die Möglichkeit der Deformation des Spiegels
beim Anbringen der Verklebung, beim Verkleben selbst und beim Ansprengen.
Diesem Umstand muss gegebenenfalls bei der Montage durch geeignete
Gegenmaßnahmen Rechnung getragen werden.
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Einzelne
oder mehrere der stegartigen Strukturen können auch Rastnasen
umfassen, welche die Durchtrittsöffnung durchgreifen und
den Spiegel von der dem Objekt- oder Bildfeld zugewandten Seite
halten. Es ist auch möglich, dass einzelne oder mehrere
der stegartigen Strukturen an der Innenseite der Durchtrittsöffnung
z. B. durch eine radial nach Außen gerichtete mechanische
Spannung gehalten werden. Eine Deformation des Spiegels ist bei diesen
Arten von Halterungen weniger wahrscheinlich.
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Eine
einzelne oder mehrere der stegartigen Strukturen können
zur Versteifung winklig zu der reflektierenden Spiegelfläche
angeordnet sein.
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Eine
einzelne oder mehrere der stegartigen Strukturen können
als Aktuatoren ausgebildet sein, um den Spiegel zu verformen. Dies
kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn sich der Spiegel durch
die Halterung in ungewünschter Weise verformt hat. Die
Aktuatoren können dazu verwendet werden, den Spiegel in
die gewünschte Form zu verbringen. Ein einzelner oder mehrere
der Aktuatoren können insbesondere auch eingerichtet sein,
den Spiegel zu verformen, um thermisch verursachte Aberrationen
des Spiegels (während des Betriebs des Abbildungssystems)
zu kompensieren.
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Es
wird noch einmal ausdrücklich darauf hingewiesen, dass
das erfindungsgemäße Abbildungssystem Bestandteil
eines Projektionssystems, z. B. für die Lithographie, oder
eines Mikroskops, z. B. für chirurgische Operationen oder
zur Maskeninspektion, sein kann.
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Herstellen
lässt sich ein derartiges katoptrisches oder katadioptrisches
obskuriertes Abbildungssystem mit Hilfe des folgenden Verfahrens:
Zunächst
wird ein Spiegel mit einer Durchtrittsöffnung für
einen optischen Strahl oder ein optisches System mit einem entsprechenden
Spiegel bereitgestellt, dessen reflektierende Spiegelfläche
einem Objekt- oder Bildfeld am nächsten liegt, aber von
diesem abgewandt ausgerichtet ist. Dann wird ein den Spiegel tragender
stegartig strukturierter Spiegelträger auf der reflektierenden
Spiegelfläche angeordnet und mit dem Spiegel denselben
tragend verbunden.
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In
einer Verfahrensvariante wird der Spiegelträger wenigstens
lokal auf die reflektierende Spiegelfläche aufgeklebt.
Der Spiegelträger kann auch wenigstens lokal flächig
an die reflektierende Spiegelfläche angesprengt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann der Spiegelträger
wenigstens lokal mit der reflektierenden Spiegelfläche
verrastet werden. In allen drei Fällen kann es günstig
oder je nach Anwendungsfall gar notwendig werden, die aufgrund der
Verbindung zwischen Spiegel und dem stegartig strukturierten Spiegelträger
auftretenden Kräfte bei der Herstellung des Spiegels zu
kompensieren. Alternativ kann der Spiegel auch nach der Verbindung
mit dem Spiegelträger vermessen werden und die durch die
Verbindung eingebrachten Deformationen der optischen Fläche
können durch ein geeignetes Oberflächenkorrekturverfahren,
beispielsweise „ion beam figuring” (IBF), kompensiert
werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Es zeigen:
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1:
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Abbildungssystems im Längsschnitt,
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2:
ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spiegels für
das erfindungsgemäße Abbildungssystem nach der 1 in
perspektivischer Ansicht,
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3: Querschnittsansichten des Strahlbündels
eines auf die Durchtrittsöffnung des Spiegels treffenden
optischen Zentralstrahls an unterschiedlichen Positionen im Abbildungssystem
nach der 1
- a) Strahl
vom Objekt durch die Durchtrittsöffnung in Höhe
der reflektierenden Oberfläche des ebenen Spiegels
- b) Strahl in Höhe der Oberseite der Trägerstruktur
- c) Strahl auf der Oberfläche des konkaven Spiegels
- d) Strahl nach der Reflexion am konkaven Spiegel in Höhe
der Oberseite der Trägerstruktur
- e) Strahl nach der Reflexion am konkaven Spiegel auf der reflektierenden
Oberfläche des ebenen Spiegels
- f) Strahl nach der Reflexion am ebenen Spiegel in Höhe
der Oberseite der Trägerstruktur
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4: Vignettierung beim erfindungsgemäßen
Abbildungssystem nach der 1 mit dem
ebenen Spiegel nach der 2,
- a) Strahlquerschnitt
der an-axis-Feldpunkte
- b) Strahlquerschnitt der off-axis-Feldpunkte
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5:
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spiegels für
das erfindungsgemäße Abbildungssystem nach der 1 in
perspektivischer Ansicht,
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6:
ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Halterung
einer Trägerstruktur
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7:
ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Halterung
einer Trägerstruktur
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8:
ein drittes Ausführungsbeispiel für eine Halterung
einer Trägerstruktur
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9:
ein viertes Ausführungsbeispiel für eine Halterung
einer Trägerstruktur
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10:
ein Abbildungssystem nach dem Stand der Technik im Längsschnitt.
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Die 1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
obskurierten Abbildungssystems 3 im Längsschnitt
als Bestandteil eines katoptrischen Mikroskops 1.
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Das
katoptrische Mikroskop 1 umfasst neben dem Abbildungssystem 3 ein
weiteres Spiegelpaar 4 zur Abbildung des durch das Abbildungssystem 3 erzeugten
Zwischenbildes in die Bildebene oder in eine weitere Zwischenbildebene.
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Das
obskurierte Abbildungssystem 3 weist zwei Spiegel S1, S2
mit einander gegenüber liegenden reflektierenden Spiegelflächen
M1, M2 auf. Der linke Spiegel S1 in der Zeichnungsfigur weist eine planare
reflektierende Spiegelfläche M1 auf, der rechte Spiegel
S2 weist eine konkav gekrümmte Spiegelfläche M2
auf. In anderen Ausführungsformen ist es möglich,
M1 auch nicht planar zu gestalten, beispielsweise mit einer schwach
konkaven Krümmung oder mit asphärischen Abweichungen von
der Planfläche, um die Bildfehlerkorrektur des Mikroskops
zu verbessern. Beide Spiegel S1, S2 weisen Durchtrittsöffnungen
D1, D2 für Lichtstrahlen L1, L2 auf. Die reflektierende
Spiegelfläche M1 für den Strahl des dem Objektfeld
O1 nächstliegenden Spiegels S1 des Mikroskops ist von dem
Objektfeld O1 abgewandt ausgerichtet. Die reflektierende Spiegelfläche
M2 des gekrümmten Spiegels S2 ist zum Objektfeld O1 hin
ausgerichtet.
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Abweichend
von dem in 10 dargestellten Abbildungssystem 2 hat
der Planspiegel S1 auf seiner Spiegelfläche M1 einen Spiegelträger
T1. Der Spiegelträger T1 hat neben seiner tragenden Funktion
die Funktion, dem Spiegel S1 eine gewisse mechanische Stabilität
zu verleihen. Der Spiegel S1, welcher z. B. aus Quarz, Zerodur,
keramischen Werkstoffen oder SiC hergestellt ist, kann daher sehr dünn,
z. B. 2 mm ausgeführt werden. Darüber hinaus kann
die reflektierende Oberfläche M1 des Spiegels sehr nahe
am Objekt O1 angeordnet werden und die Durchtrittsöffnung
D1 kann auch bei großer numerischer Apertur NA1 vergleichsweise
klein gehalten werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel eines derartigen Spiegels S1 mit Spiegelträger
T1 ist in der 2 dargestellt. Der Spiegelträger
T1 befindet sich auf der reflektierenden Spiegeloberfläche
M1. Der Spiegelträger T1 umfasst vier Stege 10, 11, 12, 13 mit
rechteckigem Querschnitt Q1, welche sich ausgehend von der Durchtrittsöffnung
D1 in radialer Richtung erstrecken. Die Stege 10, 11, 12, 13,
z. B. aus Quarz, Zerodur, keramischen Werkstoffen oder SiC sind
auf die Spiegeloberfläche M1 aufgeklebt. Anstelle mit Hilfe einer
Verklebung kann der Träger T1 auch durch Ansprengen flächig
mit dem Spiegel S1 verbunden sein.
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In
dem in der 1 in Verbindung mit 2 dargestellten
Design beträgt der Abstand d1 zwischen dem Objekt O1 und
der Spiegeloberfläche M1 4 mm. Die Höhe der von
der Spiegeloberfläche M1 abstehenden Trägerstrukturen
T1 beträgt ebenfalls 4 mm. Die Breite w1 der Trägerstrukturen
T1 wurde zu 10 mm angenommen. Der Radius R der Durchtrittsöffnung
D1 beträgt 9,3 mm. Der optische Durchmesser OD1 der Spiegeloberfläche
M1 beträgt 63 mm.
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Nachteilig
ist bei einer derartigen Lösung, dass die stegartigen Strukturen 10, 11, 12, 13 zu
einer weiteren Obskuration der Pupille (siehe 4) führen.
Diese Tatsache muss bei der Definition der Gebrauchsszenarien berücksichtigt
werden. Aufgrund des kleinen Feldes O1 des Mikroskops 1 ist
die Obskuration im Wesentlichen homogen über dem gesamten
Feld O1 verteilt. Mit einem derart fixierten und gehaltenen
Spiegel S1 eignet sich das erfindungsgemäße Abbildungssystem 3 zum
Einsatz in einem Mikroskop 1 zur Maskeninspektion.
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Die 3a)
bis f) zeigen exemplarisch die Obskurationen, die aus der mechanischen
Struktur des Spiegelträgers T1 herrühren. Die 3a)
zeigt die Querschnittsansicht eines Strahlbündels eines auf
die Durchtrittsöffnung D1 des Spiegels S1 treffenden optischen
Zentralstrahls L in Höhe der reflektierenden Oberfläche
M1 des ebenen Spiegels S1 im Abbildungssystem 3 nach der 1.
Der Strahl L hat eine kreisrunde Form.
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Die 3b)
zeigt die Querschnittsansicht des Strahls L in Höhe der
Oberseite TO1 der Trägerstruktur T1. Der Querschnitt des
Strahls L hat weiterhin eine kreisrunde Form. Sie ist jedoch gegenüber der
Querschnittsfläche des Strahls L in der Ebene der Oberfläche
M1 vergrößert. Die Aufweitung unter Beibehaltung
der Querschnittsform wird dadurch ermöglicht, dass die
Stege 10, 11, 12, 13 im Bereich
der Durchtrittsöffnung D1 konisch verjüngt sind.
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Die 3c)
zeigt die Querschnittsansicht des Strahls L auf der Oberfläche
M2 des konkaven Spiegels S2. Die auf die Durchtrittsöffnung
D2 des sphärischen Konkavspiegels S2 treffenden Strahlanteile
verlassen das Abbildungssystem 3 durch diese Öffnung
D2. Die auf die Oberfläche M2 treffenden Strahlanteile
werden an der Oberfläche M1 reflektiert und in Richtung
der Oberfläche M1 des Planspiegels S1 gelenkt. Es ist zu
beachten, dass sich auch die stegartige Struktur des Trägers
T1 auf der Spiegeloberfläche M1 abzeichnet, da nicht nur
die vom Feld ausgehenden in Achsrichtung verlaufenden Strahlanteile
berücksichtigt werden müssen, sondern auch die
sogenannten Off-Axis-Strahlanteile.
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Die 3d)
zeigt den Strahl L nach der Reflexion am konkaven Spiegel S2 wieder
in der Ebene der Oberseite TO1 der Trägerstruktur T1. Der
Strahl L trifft u. a. auch auf den Träger T1, dessen Stege 10, 11, 12, 13 zu
einer Obskuration des Strahls L führen. Ist die Oberfläche
des Trägers T1 spiegelnd ausgebildet, erfolgt von dort
eine Rückreflexion in Richtung Konkavspiegel S2.
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Die 3e)
zeigt den Strahl L nach der Reflexion am konkaven Spiegel S2 auf
der reflektierenden Oberfläche M1 des ebenen Spiegels S1.
Der Strahlquerschnitt ist rund bis auf die durch den Träger T1
und die Durchtrittsöffnung D2 obskurierten Strahlanteile.
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Die 3f)
zeigt den Strahl L nach der Reflexion am ebenen Spiegel S1 in der
Ebene der Oberseite TO1 der Trägerstruktur T1. Der Strahlquerschnitt
ist rund bis auf die durch den Träger T1 und die Durchtrittsöffnungen
D1 bzw. D2 obskurierten Strahlanteile.
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Wie
oben dargelegt wurde, tragen nicht nur die On-Axis-Strahlanteile
sondern auch die Off-Axis-Strahlanteile eines vom Objektfeld ausgehenden
Strahls zur Abbildung bei. Demzufolge können auch diese
Strahlanteile einer Obskuration unterworfen sein. Es ist wünschenswert,
dass das gesamte Feld derselben Obskuration unterworfen ist. Solch
eine Obskuration kann man erhalten, wenn man einen nicht reflektierenden
Bereich auf einer Spiegeloberfläche vorsieht, welcher als
Aperturblende wirkt. Im vorliegenden Fall wird die Spiegelfläche M2
als Aperturblende verwendet. Eine andere Realisierung kann in einem
Pupillenfilter in einer anderen Pupillenebene bzw. einer der Systempupille
optisch konjugierten Eben bestehen.
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Aus 4 entnimmt man wie die vignettierten Anteile
aller Feldpunkte sehr nahe zusammenfallen, so dass eine relativ
kleine gemeinsame Obskuration entsteht. Die 4a) zeigt
den Strahlquerschnitt der an-axis-Feldpunkte, die 4b)
zeigt den Strahlquerschnitt der off-axis-Feldpunkte zum Vergleich.
Aus der Darstellung wird ersichtlich, wie die Off-Axis-Feldpunkte
den vignettierten Anteil der Pupille leicht erhöhen. Die
mit dem Bezugszeichen 16 gekennzeichnete gestrichelte Linie
stellt die äußere Berandung einer möglichen
gemeinsamen Obskuration dar, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel als
nicht reflektierender Bereich auf der Oberfläche M2 des
konkaven Spiegels S2 realisiert ist. Dieser nicht reflektierende Bereich
auf der Spiegeloberfläche M2 ist in der Zeichnungsfigur 3c)
mit Hilfe des Bezugszeichens 17 kenntlich gemacht. Anstelle
der in der 2 gezeigten Spiegelträgerstruktur
T1 sind eine Vielzahl an Abwandlungen denkbar. Das Aspektverhältnis
der in der 2 gezeigten Struktur T1 beträgt
4 mm Höhe zu 10 mm Breite. Es kann ein anderes Aspektverhältnis
gewählt werden, je nachdem, welche mechanischen Anforderungen
und welche Obskuration gewünscht bzw. durch die entsprechende
Anwendung vorgegeben ist.
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Die
Stege 10, 11, 12, 13 weisen
in dem Ausführungsbeispiel nach der 2 einen
rechteckigen Querschnitt auf. Es sind auch andere Querschnitte, insbesondere
runde, ovale, halbrunde, kreuzförmige, T- oder L-förmige
oder auch Hohlprofilquerschnitte denkbar. In aller Regel wird die
Querschnittsform durch die gewünschte oder geforderte mechanische Stabilität
zumindest mitbestimmt.
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Die
Anzahl der Stege kann abweichend von der in der 2 gezeigten
gewählt werden. So können z. B. drei strahlenförmig
verlaufende Stege vorgesehen sein, welche in gleichen Winkelabständen von
120° zueinander verlaufen. Es können auch sechs
Stege mit 60° Unterschied vorgesehen sein. Die Stege können
auch unregelmäßig verteilt sein. Eine ungleichmäßige
Verteilung der Stege kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn
die Abbildung in einer Richtung besser sein muss als in den anderen Richtungen.
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Des
Weiteren kann es sein, dass anstelle von linear verlaufenden Trägerstrukturen
andere Arten von Trägerstrukturen geeigneter sind. So kann beispielsweise
ein ringförmig um eine zentral angeordnete Durchtrittsöffnung
verlaufender Träger günstig sein. Es ist auch
möglich, dass die Trägerstruktur in Form einer
Honigwabe gewählt wird.
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Die 5 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spiegels S1 für
das erfindungsgemäße Abbildungssystem 3 nach
der 1 in perspektivischer Ansicht. Der Spiegel S1
weist im Zentrum wieder eine Durchtrittsöffnung D1 für
einen vom Feld kommenden optischen Strahl L auf. Auf die reflektierende
Spiegeloberfläche M1 ist eine wabenartige Struktur einen
Spiegelträger T1 bildend aufgesprengt.
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Es
ist weiter möglich, dass Elemente eines Dunkelfeldbeleuchtungssystems
in die Trägerstruktur eingebettet oder implementiert sind.
So können beispielsweise die in 2 dargestellten
Stegstrukturen Lichtleiter beinhalten, die das Objekt beleuchten.
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Das
Abbildungssystem sollte in Verbindung mit einer Dunkelfeldbeleuchtungseinrichtung,
d. h. mit einer Beleuchtung deren ungebeugtes Licht nicht in den
Abbildungsstrahlengang gelangt, oder in Verbindung mit inkohärenter
Beleuchtung verwendet werden, um durch die Obskuration hervorgerufenen Effekte
wie z. B. eine Variation der Abbildungsqualität mit der
Größe oder der Orientierung der abgebildeten Strukturen
zu verschmieren.
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Das
Abbildungssystem sollte derart eingesetzt werden, dass die Orientierung
der kritischsten Merkmale des Bildes nicht mit der Orientierung
der Trägerstrukturen zusammenfällt. Sind die kritischsten Merkmale
des Bildes z. B. vertikal und horizontal verlaufende Strukturen,
so können im Fall der in der 2 dargestellten
Trägerstruktur T1 die Stege 10, 11, 12, 13 z.
B. in einem Winkel von 45° zu den vertikal bzw. horizontal
verlaufenden Strukturen des Bildes angeordnet sein.
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Die
mit der Trägerstruktur versehene Spiegelfläche
kann, z. B. wie die mit dem Bezugszeichen M1 in der 1 gekennzeichnete
Spiegelfläche als Planspiegelfläche ausgefüht
sein. Ein Planspiegel lasst sich sehr leicht herstellen und eine
Verbindung mit einer Trägerstruktur ist vergleichsweise
unkompliziert. Die Spiegelfläche kann jedoch auch als gekrümmte
Fläche, insbesondere als sphärische, parabolische
oder zylindrische Fläche oder gar als Freiformfläche
ausgebildet sein. Die Spiegelfläche kann die optische Korrektur
des Abbildungssystems tragen. Die Krümmung kann konkav
oder konvex sein.
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Das
erfindungsgemäße Abbildungssystem eignet sich
auch in einer Spiegelanordnung, bei der die feldnahe Spiegelfläche
abweichend von der in der 2 gezeigten
Konfiguration mehr als ein Mal zur Reflexion des optischen Strahls
verwendet wird. Z. B. kann eine der in der 2 gezeigten
Anordnung ähnliche Konfiguration vorliegen, bei der der
Strahl an den beiden Spiegelflächen M1 und M2 zwei Mal
reflektiert wird, bevor er aus der Durchtrittsöffnung D2 in
der Spiegelfläche M2 in das angrenzende optische System
eintritt.
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Um
die Spiegelfläche und die Trägerstrukturen miteinander
zu verbinden, ohne den Spiegel zu deformieren, ist es erforderlich,
dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Spiegel- und Trägerstrukturmaterialien
wenigstens annähernd identisch sind. Noch günstiger
ist es, wenn die verwendeten Materialien für den Spiegel
und die Trägerstrukturen identisch sind. So ist es z. B.
möglich, sowohl den Spiegel als auch die Trägerstrukturen
aus Quarzglas oder Metall herzustellen.
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Die
Trägerstrukturen können durch Verkleben, Ansprengen
oder Laser Bonding miteinander verbunden werden. Im Falle von Quarzglas
ist eine Schmelzverbindung eine mögliche und geeignete Verbindungstechnik.
In allen genannten Fällen besteht die Gefahr einer Verformung
des Spiegels durch den Verbindungsprozess. Weil sich die Trägerstrukturen
in der Nähe der optisch verwendeten Fläche befinden,
ist eine mögliche Deformation des Spiegels ein Ernst zu
nehmendes Problem. Wie diesem Problem begegnet werden kann wird
im Folgenden anhand der Zeichnungsfiguren 6 bis 9 beschrieben.
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Eine
Lösung des Problems besteht darin, die Trägerstruktur
nur in kleinen Flächen mit der Spiegelfläche zu
verbinden. Die 6 zeigt eine Trägerstruktur
T1 in der Art der in der 2 dargestellten sternförmigen
Struktur. Es sind zwei auf einer Linie liegende Stege 20, 21 gezeichnet.
Die Stege 20, 21 haben im radial äußeren
Bereich einen rechteckigen Querschnitt und verjüngen sich
in der Nähe der Durchtrittsöffnung D1 des Planspiegels
S1 konisch. Der radial außen liegende Bereich der Stege 20, 21 liegt
nicht auf der Spiegelfläche M1 auf. Die Stege 20, 21 sind
nicht nur konisch verjüngt zulaufend in der Nähe
der Durchtrittsöffnung D1 sondern sie sind auch in Richtung
der Spiegeloberfläche M1 abgeknickt. Die Spitzen SP20,
SP21 der Stege 20, 21 setzen auf der Spiegeloberfläche
M1 auf und sind dort angeklebt. Eine Deformation des Spiegels S1
ist dann nur im Bereich der Durchtrittsöffnung D1 möglich,
also in einem Bereich, der für die Obskuration verantwortlich
ist, die ohnehin zugunsten anderer optischer Vorteile billigend
in Kauf genommen wird.
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Eine
weitere Lösung des Problems besteht darin, eine mechanische
Rasteinrichtung vorzusehen, um Spiegel und Träger (ggf.
sogar lösbar) miteinander zu verbinden. Die 7 zeigt
eine Ausführungsvariante für die Verbindung von
Spiegel S1 und Träger T1 mit einer derartigen Rasteinrichtung
RA20, RA21. Die Trägerstruktur T1 für den Spiegel
S1 ist wieder in der Art der in der 2 dargestellten
sternförmigen Struktur ausgeführt. Wie in der 6 sind zwei
auf einer Linie liegende Stege 20, 21 gezeichnet.
Die Stege 20, 21 haben im radial äußeren
Bereich wiederum einen rechteckigen Querschnitt und verjüngen
sich in der Nähe der Durchtrittsöffnung D1 des
Planspiegels S1 konisch. Die radial außen liegenden Bereiche
der Stege 20, 21 liegen wie bei der Ausführungsvariante
nach der 6 nicht auf der Spiegelfläche
M1 auf. Sie sind auch in Übereinstimmung mit der Variante
aus 6 in Richtung der Spiegeloberfläche M1
abgeknickt. Die Verjüngung der Stege 20, 21 mündet
jeweils in eine Rasteinrichtung in Form einer Rastnase RA20, RA21.
Die jeweilige Rastnase RA20, RA21 umgreift die Durchtrittsöffnung
D1 und klemmt die Spiegelfläche M1 und die Rückfläche
R1 und hält dadurch den Spiegel S1. Auch bei dieser Lösung
ist eine Deformation des Spiegels S1 nur im Bereich der Durchtrittsöffnung
D1 möglich.
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Die 8 zeigt
eine Trägerstruktur T1 in der Art der in der 6 dargestellten
Konfiguration. Diese Ausführung unterscheidet sich von
der in der 6 gezeigten lediglich dadurch,
dass die Spitzen SP20, SP21 der Stege 20, 21 punktförmig
zulaufen und auf die Spiegeloberfläche M1 durch Laserbonding
fixiert sind.
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Die 9 zeigt
eine weitere Variante für eine Trägerstruktur
T1. Diese Trägerstruktur T1 umfasst Stege 30, 31 mit
elliptischem Querschnitt, der sich vom äußeren
Rand des Spiegels S1 zur Mitte hin linear verjüngen. Die
Stege 30, 31 enden zur Mitte hin in Spitzen 30, 31,
die auf der Spiegeloberfläche M1 durch Laserbonding fixiert
sind. Die Stege 30, 31 sind winklig zu der Spiegeloberfläche
M1 angeordnet. Der Winkel beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa
30°. Dieser Winkel ist groß genug, um eine hinreichende
Versteifung des Spiegels S1 zu erreichen.
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Die
Stege 30, 31 können mit Hilfe eines oder mehrerer
geeigneter Aktuatoren bewegt werden. Die Bewegung kann derart erfolgen,
dass sich die Gestalt des Spiegels S1 und insbesondere die Kontur
der Spiegelfläche M1 ändert. Die Änderung
der Spiegelfläche M1 kann nach einer gewünschten
Vorgabe eingestellt werden. Die Änderung, insbesondere
Einstellung der Spiegelflächenkontur kann soweit gewünscht
und/oder erforderlich auch während des Betriebs bzw. der
Benutzung des Abbildungssystems erfolgen. Es ist möglich,
neben herstellbedingten Formfehlern auch thermisch bedingte Konturänderungen
der Spiegelfläche M1 zu kompensieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006047387
A1 [0002, 0014]
- - US 5717518 A [0009, 0014, 0014, 0014]