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Die
Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage für
die Halbleiterlithographie sowie eine optische Baugruppe zur Verwendung
in einer Projektionsbelichtungsanlage.
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Projektionsbelichtungsanlagen
für die Halbleiterlithographie dienen zur Belichtung von
Strukturen auf ein mit photosensitiven Materialien beschichtetes
Substrat, welches im allgemeinen überwiegend aus Silizium
besteht und als Wafer bezeichnet wird, zur Herstellung von Halbleiterbauelementen,
wie z. B. Computerchips. In 1 ist eine
Projektionsbelichtungsanlage nach dem Stand der Technik dargestellt.
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Die
Projektionsbelichtungsanlage 201 besteht dabei im wesentlichen
aus einer Beleuchtungseinrichtung 203, einer Einrichtung 204 zur
Aufnahme und exakten Positionierung einer mit einer Struktur versehenen
Maske, einem sogenannten Reticle 205, durch welches die
späteren Strukturen auf dem Wafer 202 bestimmt
werden, einer Einrichtung 206 zur Halterung, Bewegung und
exakten Positionierung eben dieses Wafers 202 und einer
Abbildungseinrichtung, nämlich einem Projektionsobjektiv 207,
mit mehreren optischen Elementen 208, die über
Fassungen 1 in einem Objektivgehäuse 2 des
Projektionsobjektives 207 gelagert sind.
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Das
grundsätzliche Funktionsprinzip sieht dabei vor, dass die
in das Reticle 205 eingebrachten Strukturen auf den Wafer 202 abgebildet
werden.
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Nach
einer erfolgten Belichtung wird der Wafer 202 in Pfeilrichtung
weiterbewegt, sodass auf demselben Wafer 202 eine Vielzahl
von einzelnen Feldern, jeweils mit der durch das Reticle 205 vorgegebenen
Struktur, belichtet wird. Aufgrund der schrittweisen Vorschubbewegung
des Wafers 202 in der Projektionsbelichtungsanlage 201 wird
diese häufig auch als Stepper bezeichnet.
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Zur
Verbesserung der Prozessparameter wird dabei in den sogenannten
Step-und-Scan-Systemen das Reticle 205 durch eine schlitzförmige Blende
kontinuierlich abgescannt.
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Die
Beleuchtungseinrichtung 203 stellt einen für die
Abbildung des Reticles 205 auf dem Wafer 202 benötigten
Projektionsstrahl 211, beispielsweise Licht oder allgemein
elektromagnetische Strahlung, bereit. Als Quelle für diese
Strahlung kann ein Laser oder dergleichen Verwendung finden. Die
Strahlung wird in der Beleuchtungseinrichtung 203 über
optische Elemente so geformt, dass der Projektionsstrahl 211 beim
Auftreffen auf das Reticle 205 die gewünschten
Eigenschaften hinsichtlich Durchmesser, Polarisation, Form der Wellenfront
und dergleichen aufweist.
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Über
den Projektionsstrahl 211 wird ein Bild des Reticles 205 erzeugt
und von dem Projektionsobjektiv 207 entsprechend auf den
Wafer 202 übertragen, wie bereits vorstehend erläutert
wurde. Das Projektionsobjektiv 207 weist eine Vielzahl
von einzelnen refraktiven, diffraktiven und/oder reflexiven optischen Elementen 208,
wie z. B. Linsen, Spiegeln, Prismen, Abschlussplatten und dergleichen
auf.
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Zur
Erhöhung der Flexibilität der Projektionsbelichtungsanlage 201 können
die optischen Elemente 208 und ihre Fassungen 1 wechselbar
ausgebildet werden. Ein Wechsel eines optischen Elementes 208 in
seiner Fassung 1 kann beispielsweise erforderlich sein,
um eine Korrektur von Bildfehlern, die aufgrund sogenannter „Lifetime-Effekte"
wie Compaction (Dichteänderung von Linsenmaterialien nach UV-Bestrahlung)
während des Betriebes der Projektionsbelichtungsanlage 201)
aufgetreten sind. Daneben kann der Wechsel optischer Elemente 208 auch dann
erforderlich sein, wenn sich die zu belichtenden Strukturen auf
dem Wafer 202 von einem Los zum anderen ändern
und gegenüber dem vorherigen Los veränderte Abbildungseigenschaften
der Projektionsbelichtungsanlage 201 erforderlich werden.
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Die
beschriebene Wechselbarkeit stellt an die Fassungstechnik der optischen
Elemente 208 besondere Anforderungen. Um eine gleichbleibend hohe
Abbildungsqualität der Projektionsbelichtungsanlage 201 sicher
zu stellen, müssen die optischen Elemente 208 möglichst
gut reproduzierbar mit ihren Fassungen 1 im Objektivgehäuse 2 gehaltert
werden. Oftmals wird für eine Halterung der Fassungen 1 im
Objektivgehäuse 2 eine Klemmung verwendet. Dabei
besteht eine besondere Herausforderung darin, dass über
die Klemmung keine parasitären Kräfte in die Fassung 1 eingetragen
werden, die zu einer Deformation des optischen Elementes 208 und
damit zu einer Verschlechterung der Abbildungsqualität
der Projektionsbelichtungsanlage 201 führen würden.
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Der
geschilderten Problematik wird im Stand der Technik mit verschiedenen
Ansätzen begegnet.
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So
betrifft z. B. die internationale Patentanmeldung
WO 2007/022922 A2 ein
austauschbares optisches Element und die mechanische Entkopplung
des optischen Elements von der Umgebung.
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Ferner
ist in der internationalen Patentanmeldung
WO 2004/011984 A2 ebenfalls
die Lagerung eines optischen Elements mittels dreier in einem Paar
gegenüberliegender V-Nuten abrollender Kugeln beschrieben,
wodurch ebenfalls eine gewisse Deformationsentkopplung des optischen
Elementes von den aus der Lagerung herrührenden Kräften
erreicht wird; verwandte Konzepte sind in der US-Patentanmeldung
US2007/0177282 A1 offenbart.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben,
die eine deformationsarme Lagerung eines optischen Elementes in
einer Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtungen mit den in Anspruch 1, 19 und
21 offenbarten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsbeispiele
der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage
für die Halbleiterlithographie weist mindestens eine optische
Baugruppe mit mindestens einem optischen Element auf, wobei die
optische Baugruppe mittels mindestens einer Lagereinheit innerhalb
eines Gehäuses gehaltert ist und Elemente zur Verringerung
von durch die Halterung hervorgerufenen Deformationen des optischen
Elementes vorhanden sind. Dabei ist die mindestens eine optische Baugruppe
austauschbar ausgebildet und die Projektionsbelichtungsanlage weist
eine Wechseleinheit zum Austausch der mindestens einen optischen
Baugruppe auf.
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Die
optische Baugruppe kann dabei eine Fassung für das optische
Element aufweisen und die mindestens eine Lagereinheit kann als
Teil der Fassung ausgebildet sein.
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In
einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens
eine Lagereinheit eine drehbar und formschlüssig in einer
Ausnehmung der Fassung gelagerte Kugel auf, die mittels einer mit dem
Gehäuse verbundenen Klemmvorrichtung gegen ein ebenfalls
mit dem Gehäuse verbundenes Auflageelement gedrückt
wird.
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Die
Lagerung der Kugel kann dabei insbesondere auch dadurch realisiert
sein, dass die Kugel drehbar und formschlüssig in Halbkalotten
gelagert ist, wobei die Halbkalotten in eine zylindrische Bohrung
in der Fassung eingesetzt sind.
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Eine
Alternative hierzu besteht darin, dass die Kugel in einer Ausnehmung
der Fassung angeordnet und von einer flexiblen Membran, die bevorzugt
aus dem Werkstoff der Fassung besteht, umgeben ist, die im wesentlichen
in Richtung der Fassungsebene verläuft. Dabei ist die Flexibilität
der Membran unter Berücksichtigung der benötigten Steifigkeit
in z-Richtung und der gewünschten Entkopplungswirkung gegenüber
Verdrehungen der Kugel beim Klemmen zu berücksichtigen.
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Die
Anordnung aus Kugel und Membran kann insbesondere dadurch realisiert
sein, dass zwei gleich große Halbkugeln von beiden Seiten
mit ihrer ebenen Seite jeweils gegenüberliegend auf die
Membran aufgeklebt sind.
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Alternativ
kann die Kugel auch von einer weichen Kleberschicht umgeben sein,
die in Richtung der Fassungsebene verläuft. Als vorteilhaftes
Maß für den E-Modul des verwendeten Klebers stellt
ein Wert im Bereich von 3–5 MPa dar.
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Statt
der Kugel kann in Verbindung mit der Membran auch ein Rotationskörper
Verwendung finden, der auf der ersten Seite der Membran als Halbkugel
mit ihrer ebenen Seite auf der Membran ausgebildet ist und auf der
gegenüberliegenden Seite der Membran als zylindrischer
Körper mit einer seiner Stirnflächen auf der Membran
angeordnet ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann auch
die Fassung mindestens bereichsweise planparallel ausgebildet sein.
In diesem Fall ist die Fassung in mindestens einem planparallelen
Bereich zwischen zwei Kugeln, die jeweils drehbar in einer Klemmvorrichtung
und einem Auflageelement gelagert sind, geklemmt.
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Ferner
kann die Lagereinheit als Teil der Fassung mit einander gegenüberliegenden
Kugelkalottenscheiben versehen sein, in die Kugelabschnitte einpasst
sind, die ihrerseits mit einer Klemmvorrichtung und einem Auflageelement
mechanisch verbunden sind.
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Als
weitere Variante der Erfindung kann mindestens eine Kugel in einem
formschlüssig gearbeiteten Lager in einem Freischnitt in
der Fassung angeordnet sein und das Lager kann innerhalb des Freischnittes über
eine dünne, senkrecht zur Ebene der Fassung orientierte
Lamelle gehaltert sein; die Lamelle kann auch in diesem Fall bevorzugt
aus dem Werkstoff der Fassung bestehen. Dabei ist die Flexibilität
der Lamelle ebenfalls unter Berücksichtigung der benötigten
Steifigkeit in z-Richtung und der gewünschten Entkopplungswirkung
gegenüber Verdrehungen der Kugel beim Klemmen zu berücksichtigen.
Anstatt einer formschlüssig gelagerten Kugel kann auch
eine Kugel verwendet werden, die mittels einer Doppelrippe mit Kreuzquerschnitt
mit einem dem Lager verbunden ist.
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Eine
weitere Alternative zu den oben dargestellten Lagerungstechniken
besteht darin, dass Nuten, insbesondere V-Nuten vorhanden sind,
in denen Kugeln beweglich angeordnet sind, auf denen die Fassung
des optischen Elementes rollbar gelagert ist. Die Nuten können
dabei in einem mit dem Gehäuse verbundenen Auflageelement
angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch die
Fassung Nuten aufweisen, in denen die Kugeln beweglich angeordnet
sind.
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Die
optische Baugruppe kann insbesondere an drei Punkten in dem Gehäuse
gelagert sein.
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Ein
verwandtes Konzept kommt in einer Projektionsbelichtungsanlage für
die Halbleiterlithographie zur Anwendung, die ebenfalls mindestens
ein optisches Element enthält, wobei das in einer Fassung
angeordnete optische Element innerhalb eines Gehäuses gehaltert
ist und wobei eine durch eine Bohrung in einer Wandung des Gehäuses
geführte Schraube vorhanden ist. Die Schraube greift dabei
in ein in der Fassung des optischen Elementes angeordnetes Gewinde
ein, wobei zwischen dem Schraubenkopf und der Fassung auf den einander
gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses jeweils
in einander eingreifend mindestens je eine Kugelscheibe und eine
Kegelpfanne zum Ausgleich von Verkippungen angeordnet sind. Dabei
weisen die Kugelscheibe und die Kegelpfanne Bohrungen auf, durch
welche die Schraube geführt ist. Die Bohrungen in der Wandung des
Gehäuses sowie in den Kegelpfannen und den Kugelscheiben
können dabei einen um mindestens 10% größeren
Durchmesser aufweisen als die Schraube.
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Es
zeigen:
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1 eine
Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie
nach dem Stand der Technik wie oben ausgeführt;
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2 eine
erste Ausführungsform der Erfindung;
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3 eine
erste Alternative zu der in 2 dargestellten Anordnung;
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4 eine
weitere Alternative zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5 eine
vereinfachte Ausführungsform der Erfindung;
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6 eine
alternative Ausführungsform zu der in 5 dargestellten
Vorrichtung;
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7 eine Darstellung des mechanischen Prinzips
der Erfindung;
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8 eine
alternative Gestaltung der Lagerung;
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9 eine
Variante der Erfindung, bei der Kugelkalottenscheiben zur Anwendung
kommen;
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10 eine
Variante der Erfindung, bei der insbesondere thermische Effekte
wirksam vermindert werden können;
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11 eine
Modifikation des in 10 dargestellten Konstruktionsprinzips;
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12 eine
Lagerung unter Verwendung von V-Nuten;
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13 eine
Variante zu der in 12 dargestellten Ausführungsform;
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14 eine
Vorrichtung, die auf eine mit den vorangegangenen Varianten verwandten
Konzept beruht;
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15 bis 18 zeigen
verschiedene Fälle, anhand derer das in 14 gezeigte
Konzept veranschaulicht wird;
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19 eine
erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage
für die Halbleiterlithographie.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform, anhand derer das Funktionsprinzip
der Erfindung erläutert werden soll. Die Fassung 1 des
nicht dargestellten optischen Elementes weist dabei eine Lagereinheit 4 auf,
die im in 1 gezeigten Beispiel in der Weise
ausgestaltet ist, dass eine Kugel 41 formschlüssig
und frei drehbar in einer entsprechend gearbeiteten Ausnehmung im
Randbereich der Fassung 1 gelagert ist. Mittels der Klemmvorrichtung 3 wird
die Kugel 41 in Richtung der mit dem Pfeil F symbolisierten
Klemmkraft gegen ein Auflageelement 5, das beispielsweise
als Teil des Objektivgehäuses 2 realisiert sein
kann, gedrückt. Die in Richtung des Pfeils F aufgebrachte
Klemmkraft kann dabei einen festen Wert annehmen; auch eine variable Einstellung
der Klemmkraft beispielsweise über vorgespannte Federn
(nicht dargestellt in 2) kann vorteilhaft sein. Durch
die Klemmung wird somit eine effektive Möglichkeit geschaffen,
die Fassung 1 insbesondere auch bei Transporten stoßsicher
zu fixieren.
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Einer
der wesentlichen Vorteile der dargestellten Lösung besteht
darin, dass durch die gezeigte Art der Klemmung bzw. Lagerung keine
Kräfte mit einer Kraftkomponente senkrecht zur optischen
Achse des übergeordneten Systems wie bspw. eines Projektionsobjektives
in die Fassung 1 und damit letzten Endes in das optische
Element eingetragen werden. Dabei kann das Material der Kugel 41 so
gewählt sein, dass es gegenüber dem Material des
Auflageelementes 5 und/oder dem Material der Klemmvorrichtung 3 etwas
weicher ist, so dass sich unter Einwirkung der Klemmkraft eine leichte
Deformation der Kugeloberfläche einstellt. Diese Deformation kann
plastisch oder auch elastisch sein. Die Anordnung der Kugel 41 in
der Fassung 1 in Verbindung mit einer Wahl eines gegenüber
der Klemmvorrichtung 3 und dem Auflageelement 5 weicheren
Materials der Kugel 41 führt dazu, dass Deformationen,
wie beispielsweise Abplattungen, gegebenenfalls in der Kugel 41,
also in dem auszutauschenden Teil entstehen. Hieraus ergibt sich
der Vorteil, dass sich die Geometrie des auszutauschenden Teiles
selbst an die Gegebenheiten der Umgebung anpasst und dass die auszutauschenden
Teile selbst der Umgebung, also insbesondere der Klemmvorrichtung 3 und
dem Auflageelement 5 ihre eigenen ge ometrischen Charakteristika
nicht aufprägen. Eine vorteilhafte Materialpaarung könnte
beispielsweise darin bestehen, dass für die Kugel 41 weniger
gehärteter, für das Auflageelement 5 und
die Klemmvorrichtung 3 etwas stärker gehärteter
Stahl verwendet wird; ebenso ist es denkbar, das Auflageelement 5 und
Klemmvorrichtung 3 aus Stahl auszubilden und die Kugel 41 aus
Aluminium. Auch eine Materialpaarung, die darin besteht, dass die
Klemmvorrichtung 3 und das Auflageelement 5 aus
Keramik bestehen und die Kugel 41 aus Stahl oder einem
anderen Metall ausgebildet ist, kann für einige Anwendungen
vorteilhaft sein. Die Kugel 41 kann insbesondere einen
Radius von ca. 10 mm aufweisen. An die Klemmkräfte ist
die Anforderung zu stellen, dass die Fassung 1 gegenüber
dem Objektivgehäuse 2 bei der Einwirkung von Beschleunigungen senkrecht
zur optischen Achse von ca. 5 G keinen Versatz erfährt.
Unter der exemplarischen Annahme, dass die bauliche Einheit aus
optischem Element und Fassung 1 eine Masse von ca. 1 kg
hat, müssten durch die Klemmkräfte in Richtung
senkrecht zur optischen Achse 50 N Kraft aufgebracht werden. Dies führt
unter der Annahme von 3 Klemmstellen zu einer zu kompensierenden
Kraft von ca. 17 oder 18 N und bei einem Reibungsfaktor von 0,1
zu einer Klemmkraft von ca. 170 bis 200 N.
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3 zeigt
eine erste Alternative zu der in 2 dargestellten
Anordnung. In dem in 3 gezeigten Fall ist der geklemmte
Teil der Fassung 1 mit keinen besonderen Vorrichtungen
versehen, sondern vielmehr als ein im wesentlichen planparalleler
Körper gearbeitet. Die Klemmung erfolgt in dem in 3 dargestellten
Fall zwischen zwei Kugeln 42a und 42b, die drehbar
beispielsweise in einer Klemmvorrichtung 3 oder einem Auflageelement 5 gelagert sind.
Bei einem Austausch des optischen Elementes mit seiner Fassung 1 verbleiben
die Kugeln 42 in der Projektionsbelichtungsanlage. In diesem
Fall ist es von Vorteil, wenn die Kugeln 42 aus einem vergleichsweise
harten, insbesondere härteren Material gearbeitet sind
als das Material der Fassung 1, um eine Abplattung der
Kugeln 42 beim wiederholten Klemmen und Lösen
zu vermeiden. Eine derartige Abplattung würde dazu führen,
dass in die Fassung 1 Momente eingetragen würden,
die im Ergebnis zu einer Deformation des optischen Elementes und
damit zu einer Beeinträchtigung der Abbildungseigenschaften
der Projektionsbelichtungsanlage, in der das optische Element verwendet
wird, führen.
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4 zeigt
in einer Schnittdarstellung eine Möglichkeit, die Passe
zwischen der Fassung 1 und der Kugel 41 zu verbessern.
Hierzu rollt die Kugel 41 nicht wie in 1 gezeigt
in einer angepassten Ausnehmung unmittelbar im Material der Fassung 1,
sondern in den Halbkalotten 43a und 43b, die in
eine zylindrische Bohrung in der Fassung 1 eingesetzt sind. Die
Genauigkeit der Flächenpasse zwischen der Kugel 41 und
den Halbkalotten 43a und 43b wird dadurch erreicht,
dass in einer in 4 nicht dargestellten temporären
Halterung zunächst ein Einlaufprozess der Kugel 41 in
den Halbkalotten 43a und 43b vorgenommen wird.
Dabei schleifen sich die korrespondierenden Oberflächen
der Kugel 41 und der Halbkalotten 43a und 43b in
der Weise ein, dass die Passe zwischen den beiden Partnern optimiert
ist. Nach dem Einlaufprozess werden die Halbkalotten 43a und 43b sowie
die Kugel 41 aus der temporären Halterung entnommen
und in die endgültige Fassung 1 des optischen
Elementes eingesetzt. Gegebenenfalls ist es notwendig, Abstimmungselemente
wie beispielsweise entsprechend gefertigte Unterlegscheiben zur
Feinjustage einzusetzen. Die Abstimmungselemente sind in 3 mit
dem Bezugszeichen 44 bezeichnet.
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5 zeigt
in einer Schnittsdarstellung eine Ausführungsform der Erfindung,
in der die Tatsache ausgenutzt wird, dass Drehungen der Kugel 41 um die
durch den Pfeil Z dargestellte Achse für die Funktion der
erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht notwendig
sind. Im in 5 gezeigten Beispiel ist die Kugel 41 in
einer Ausnehmung der Fassung 1 von einer dünnen
Membran 45 umgeben, die im wesentlichen in Richtung der
gestrichelt angedeuteten Fassungsebene verläuft. In 5a sind
die Verhältnisse in einer Draufsicht von schräg
oben zur Illustration noch einmal dargestellt. Die in den 5 und 5a dargestellte
Vorrichtung kann beispielsweise dadurch geschaffen werden, dass
das Fassungsmaterial bis auf die dünne Membran 45 ausgefräst
oder abgeätzt wird und 2 gleichgroße Halbkugeln
nachfolgend von beiden Seiten mit ihrer ebenen Seite jeweils auf
die Membran 45 aufgeklebt werden. Aufgrund der Elastizität
der Membran 45 verbleiben der Kugel 41 die für
die Funktion der Vorrichtung relevanten Rotationsfreiheitsgrade
um die beiden zueinander senkrechten Rotationsachsen in der Ebene
der Membran 45. Ein Vorteil der in 5 dargestellten Variante
besteht darin, dass sich die Anforderung an die Passe zwischen der
Kugelfläche und einer wie auch immer gearteten umgebenden
Kalotte nicht stellen. Um die Bewegungsmöglichkeit der
Kugel 41 um die genannten beiden Rotationsachsen zu erhöhen,
können in die Membran 45 Schlitze 46,
wie in 5a dargestellt, eingebracht
sein.
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6 zeigt
eine Anordnung, die auf dem selben Prinzip beruht wie die in 5 gezeigte
Anordnung; sie unterscheidet sich jedoch von der in 5 gezeigten
Anordnung dadurch, dass anstelle der Membran 45 zwischen
der Fassung 1 und der Kugel 41 eine weiche Kleberschicht 46 ausgebildet
ist. Die mechanischen Eigenschaften der so gebildeten Lagereinheit
lassen sich insbesondere durch die Dimensionierung der Kleberschicht 46 und
durch eine entsprechende Wahl des Klebers einstellen.
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7 veranschaulicht das mechanische Prinzip
der Erfindung. In 7a ist der konventionelle Fall
dargestellt, bei dem eine im wesentlichen planparallele Lagereinheit 4 zwischen
einer Klemmvorrichtung 3 und einem Auflageelement 5,
die ebenfalls planparallel gearbeitet sind, geklemmt wird. Dabei sind
jedoch das Auflageelement 5 und die Klemmvorrichtung 3 gegenüber
den Auflageflächen 47 der Lagereinheit 4 um
einen bestimmten Winkel verkippt. Diese Verkippung in Verbindung
mit der durch den Pfeil F angedeuteten Kraft führt dazu,
dass ein Biegemoment M in die Fassung 1 eingetragen wird.
Unter der Annahme, dass die Lagereinheit 4 eine laterale Ausdehnung
von a zeigt, ergibt sich für das in die Fassung 1 eingetragene
Biegemoment M unter Vernachlässigung von Reibungseffekten
in den Berührflächen: M = a·F.
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7b zeigt
den Fall, der dem in 7a gezeigten Fall entspricht,
wobei lediglich die Lagereinheit 4 durch die in der Membran 45 gelagerte
Kugel 41 ersetzt ist. Unmittelbar ersicht lich aus 7b wird,
dass in diesem Fall keinerlei Momente oder auch nur Kräfte
in die Fassung 1 eingetragen werden, wodurch sich die erhöhte
Toleranz der in 7b gezeigten Anordnung gegenüber
Dejustagen in der Klemmung unmittelbar erschließt.
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Selbst
in dem in 7c gezeigten Fall, in dem die
klemmende Oberfläche der Klemmvorrichtung 3 nicht
parallel zu der entsprechenden klemmenden Oberfläche des
Auflageelements 5 verläuft, ergibt sich kein Momenteneintrag
in die Fassung 1. Lediglich eine Kraft wird auf die Fassung 1 ausgeübt, die
jedoch, wie aus 7c unmittelbar ersichtlich ist, in
Richtung der gestrichelt angedeuteten neutralen Faser der Fassung 1 verläuft
und damit weitgehend unschädlich ist.
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Grundsätzlich
wäre es möglich, in den in den 7b und 7c dargestellten
Fällen die Kugel 41 fest, also nicht drehbar in
der Fassung 1 anzuordnen. Eine drehbare Anordnung der Kugel 41 in
der Fassung 1 ist jedoch insbesondere für den
Fall sinnvoll, in dem nicht davon ausgegangen werden kann, dass die
die Kugel 41 berührenden Flächen der
Klemmvorrichtung 3 bzw. der Lagereinheit 4 eben
ausgebildet sind. In diesem Fall würde beim Klemmvorgang unter
Berücksichtigung von Reibungskräften in der Klemmfläche
ebenfalls ähnlich wie in 7a ein
Moment auf die Fassung 1 wirken. Der geschilderte Fall ist
in 7d dargestellt.
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8 zeigt
eine Abwandlung der in den 7b und 7c gezeigten
Ausführungsformen. Dabei ist ein Rotationskörper 153 ebenfalls
mit der dünnen Membran 45 verbunden. Der Rotationskörper 153 ist
dabei auf der ersten Seite der Membran 45 als Halbkugel
mit ihrer ebenen Seite auf der Membran 45 ausgebildet.
Auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 45 ist
der Rotationskörper 153 als zylindrischer Körper
mit einer seiner Stirnflächen auf der Membran 45 ausgebildet.
Eine derartige Anordnung würde immer noch eine gewisse
Toleranz gegenüber gegeneinander verkippten oder parallelen und
gegenüber der Fassungsebene verkippten Klemmflächen
zeigen; aufgrund der planen Stirnfläche des auf der Unterseite
der Membran 45 angeordneten Zylinders würde jedoch
zumindest auf die Membran in ungünstigen Fällen
ein gewisses Biegemoment wirken. Dies kann jedoch durch eine entsprechende
Wahl der Elastizität der Membran 45 zumindest
teilweise ausgeglichen werden.
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9 zeigt
eine weitere Variante der Erfindung, bei der die Lagereinheit 4 mit
einander gegenüberliegenden Kugelkalottenscheiben 48 versehen ist.
Dabei sind unter Kugelkalottenscheiben im wesentlichen Materialblöcke
zu verstehen, die an ihrer von der Fassung 1 abgewandten
Seite Ausnehmungen in Form von Kugelkalotten zeigen. 9a zeigt die
Anordnung in eingeklemmtem Zustand. Dabei wirken die von der Klemmvorrichtung 3 bzw.
dem Auflageelement 5 ausgeübten, durch den Pfeil
F angedeuteten Klemmkräfte über in den Kugelkalottenscheiben 48 eingepasste
Kugelabschnitte 31 bzw. 51. Für den Fall,
dass die Lagereinheit 4 gegenüber der Fassung 1 oder
dem Auflageelement 5 bzw. der Klemmvorrichtung 3 etwas
verdreht angeordnet ist, ergibt sich ebenfalls eine Momentenbelastung
der Fassung 1, die jedoch gegenüber der in 7a dargestellten
Situation wesentlich geringer ist. Die Funktion der Kugelkalottenscheiben 48 kann
auch beispielsweise durch plastisch verformbare Scheiben oder auch
Scheiben mit Biege-Festkörpergelenken um zwei orthogonale
Achsen wahrgenommen werden.
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10 zeigt
eine Ausführungsform der Erfindung, bei der insbesondere
unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der Fassung 1 und
des umgebenden, nicht dargestellten Gehäuses bzw. der darin
angeordneten Klemmvorrichtungen bzw. Auflageelementen kompensiert
werden können. Hierzu werden die bisher gezeigten Konstruktionsprinzipien
mit einer sogenannten statisch bestimmten Lagerung kombiniert. Dies
erfolgt dadurch, dass die Kugeln 41 in entsprechend formschlüssig
gearbeiteten Lagern 49 in Freischnitten in der Fassung 1 angeordnet
sind und die Lager 49 innerhalb der Freischnitte lediglich über
eine dünne, senkrecht zur Ebene der Fassung 1 orientierte
Lamelle 50 gehaltert werden. Hierdurch wird eine Translationsbewegung
in einem Freiheitsgrad der Kugel 41 relativ zur Fassung 1 zugelassen.
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11 zeigt
eine Modifikation des in 10 dargestellten
Konstruktionsprinzips. Dabei ist die Kugel 41 nicht mehr
formschlüssig innerhalb des Lagers 49 angeordnet,
sondern sie ist mit dem Lager 49 über die Doppelrippen
mit Kreuzquerschnitt 52 verbunden. Die Lamelle 50 ist
torsionsweich und ermöglicht somit eine Drehung der Kugel 41 um
2 Achsen. Eine weitere Drehachse für die Kugel wird durch
die Doppelrippe 52 gewährleistet. Die statisch
bestimmte Lagerung wird durch die Lamelle 50 realisiert,
die selbstverständlich auch ohne Einschränkung
der Funktion an einer anderen Position am Umfang des Lagers 49 angeordnet
sein kann. Zur weiteren Illustration des Prinzips ist in Figur 11a eine
Draufsicht auf die in 11 gezeigte Anordnung von schräg
oben dargestellt.
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12 zeigt
eine weitere Variante der Erfindung, bei der die Lagerung der Fassung 1 auf
dem Auflageelement 5 über die Kugeln 41 bewerkstelligt wird,
die in aus dem Auflageelement 5 herausgearbeiteten V-Nuten 53 abrollen.
Auch andere Profile der Nuten, wie bspw. Rechteckprofile oder halbrunde Profile
sind denkbar. Die V-Nuten 53 dienen dabei dazu, ein Abrollen
der Kugeln 41 von dem Auflageelement 5 zu unterbinden
und gleichzeitig die Kugeln wie im vorliegenden Beispiel gezeigt
im wesentlichen radial zur optischen Achse zu führen. Dabei
kann die den Kugeln 41 bzw. den V-Nuten 53 zugewandte
Seite der Fassung 1 plan gearbeitet sein und die Fassung 1 kann
durch einen mittels einer nicht dargestellten Klemmvorrichtung ausgeübten
Druck im Bereich der Kugeln 41 bzw. der V-Nuten 53 auf
dem Auflageelement 5 fixiert werden. Um die laterale Fixierung
der Fassung 1 gegenüber dem Auflageelement 5 zu
erhöhen, können auch aus der Fassung 1 auf
der den Kugeln 41 bzw. den Nuten 53 zugewandten
Seite entsprechende V-Nuten herausgearbeitet sein; in einer Querschnittsdarstellung
ist dieser Fall in 13 dargestellt.
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In 13 ist
erkennbar, dass aus der Fassung 1 ebenfalls V-Nuten 54 herausgearbeitet
sind, in denen die Kugeln 41 ebenso wie in den V-Nuten 53 des
Auflageelementes 5 abrollen. Anhand einfacher geometrischer Überlegungen
kann man sich dabei klarmachen, dass sich die Kugeln 41 praktisch
automatisch an den ge dachten Schnittpunkten der V-Nuten 54 in
der Fassung und der V-Nuten 53 in dem Auflageelement 5 anordnen
werden. Hieraus wird klar, dass die in 12 bzw. 13 gezeigte
Anordnung eine erhöhte Toleranz gegenüber unterschiedlichen, beispielsweise
thermischen Ausdehnungen der beiden zu verbindenden Partnern aufweist,
da sich die Kugeln 41 immer entsprechend der gegenwärtigen Situation
an den Schnittpunkten der V-Nuten 53 und 54 einstellen
werden. Zur Stabilisierung der Lage der Fassung 1 an die
mit dem Pfeil F angedeutete Kraft aufgebracht werden, die beispielsweise
von einer nicht dargestellten Klemmvorrichtung herrühren kann.
Es sind auch Kombinationen der in 12 bzw. 13 gezeigten
Lösung mit den in den vorangegangenen Figuren präsentierten
Konzepten möglich.
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14 zeigt
eine Vorrichtung, die auf einem mit den vorangegangenen Varianten
verwandten Konzept beruht. Es handelt sich dabei um die Lagerung
beispielsweise eines Planspiegels 105 in einer Fassung 104 in
einem als Spiegelkasten realisierten Gehäuse 100,
beispielsweise für ein nicht dargestelltes Beleuchtungssystem
einer Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie.
Die Fassung 104 mit dem darin angeordneten optischen Element 105,
das beispielsweise als Planspiegel ausgebildet sein kann, ist in
dem als Spiegelkasten ausgebildeten Gehäuse 100 über
die 3 Schrauben 101 verschraubt. Dabei sind die Schrauben 101 durch
Bohrungen im Spiegelkasten 100 geführt und in
Gewinden, die in die Fassung 104 eingeschnitten sind, verschraubt.
Zusätzlich sind zum Ausgleich etwaiger Verkippungen der
Schrauben 101 im Bereich der Bohrungen im Spiegelkasten 100 die
verschieblichen Kegelpfannen 103 und – zusammenwirkend
mit diesen – die Kugelscheiben 102 angeordnet.
Die Bohrungen, durch welche die Schrauben 101 die Kegelpfannen 103,
die Kugelscheiben 102 sowie den Spiegelkasten 100 durchtreten,
zeigen dabei einen um mindestens 10% größeren
Durchmesser als die Schraube 101, um eine Verkippbarkeit
der durch die punktstrichlierte Linie angedeuteten Schraubenachse
zu gewährleisten. Aus 14 wird
erkennbar, dass durch diese erfindungsgemäße Lösung
eine effiziente Möglichkeit zur Kompensation von Bauteiltoleranzen
geschaffen wird. Des weiteren ist in der Fassung 104 ein
Ausgleichselement 106 vorgesehen, mit dem eine mögliche
Toleranz in Richtung der Schrauben zwischen dem Gehäuse 100 und
der Fassung 104 ausgeglichen werden kann. 14 verdeutlicht,
dass nahezu unabhängig von der Orientierung des Gewindes
in der Fassung 104 oder der Bohrung im Spiegelkasten 100 oder
einer baulichen Toleranz des Spiegelkastens 100 die planen
Seiten der innenliegenden Kegelpfannen 103 an der Fassung 104 anliegen,
so dass die Gefahr, dass Momente und damit Verbiegungen in die Fassung 104 bzw.
das optische Element 105 eingetragen werden, wirksam vermindert
wird. Daneben ermöglicht die Erfindung ein vereinfachtes
Justieren in sechs Freiheitsgraden durch Verschieben und Verkippen
der Fassung 104 gegenüber dem Spiegelkasten 100.
Auch ist eine Austauschbarkeit gegeben, wenn die Bohrung im Spiegelkasten 100 als
U-Querschnitt ausgebildet wird, so dass die Teile 101 bis 105 parallel
zu einer optischen Achse in den Spiegelkasten 100 eingebracht
und anschließend geklemmt werden können. Diese
Art der austauschbaren Befestigung eignet sich insbesondere auch
für Anwendungen, bei denen das optische Element Teil eines
Projektionsobjektives ist und das Gehäuse 100 als
Objektivgehäuse ausgebildet ist. Ferner ergibt sich eine
nahezu spannungsfreie Fixierung der Fassung 104 und damit
verbunden keine nachträgliche Krafteinleitung in die Fassung 104 bzw.
das Gehäuse/den Spiegelkasten 100. Darüber
hinaus besitzt die gezeigte Anordnung eine hohe Steifigkeit und
damit eine sehr gute Schocksicherheit und kann mittels einfacher
und kostengünstiger Komponenten realisiert werden; insbesondere
deswegen weil die gezeigten Kugelscheiben 102 und die Kegelpfannen 103 käufliche
Normalien sind.
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Zur
Illustration werden in den nachfolgenden Figuren verschiedene Fälle
der Anwendung der erfindungsgemäßen in 14 gezeigten
Vorrichtung in einer Ausschnittsvergrößerung im
Bereich der Schraube 101 dargestellt. Dabei zeigt die 15 den einfachsten
Fall, in dem die Ausrichtung der zu verbindenden Komponenten keinerlei
Toleranzen bzw. Fehler aufweist und auch eine direkte, unmittelbare Verschraubung
ohne die Komponenten Kegelpfanne 103 und Kugelscheibe 102 möglich
wäre.
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16 zeigt
den Fall, dass die Kugelscheiben 102 in der Weise bemessen
und angeordnet sind, dass sie einen gemeinsamen Mittelpunkt besitzen
und dass die Schraube 101 die Kugelscheiben 102 und
den Spiegelkasten 100 etwas verkippt gegen die Normalenrichtung
durchläuft. Diese Verkippung wird durch die Kegelpfannen 103 auf
den Kugelscheiben 102 abgefangen. Etwaige Querkräfte, die
aus der Schrägstellung der Schraube 101 herrühren
und die zu einer seitlichen Verschiebung der Kugelscheiben 102 auf
der Wandung des Spiegelkastens 100 führen könnten,
werden durch die Reibungskräfte zwischen der Wandung des
Spiegelkastens 100 und den Kugelscheiben 102 abgefangen.
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17 zeigt
den Fall, dass die Schraube 101 mit ihrer punktstrichliert
angedeuteten Achse in Normalenrichtung zum Spiegelkasten 100 und
zur Fassung 104 verläuft, jedoch ein gewisser
Versatz der Bohrung im Spiegelkasten 100 und dem in die Fassung 104 eingeschnittenen
Gewinde besteht. In diesem Fall wirkt die Bohrung durch die Kegelpfannen 103,
die Kugelscheiben 102 und den Spiegelkasten 100 in
der Art eines Langlochs; in dieser Konstellation hätte
auf den Einsatz der Kegelpfannen 103 und der Kugelscheiben 102 auch
verzichtet werden können.
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18 zeigt
den Fall, dass sowohl ein Winkelfehler hinsichtlich der Ausrichtung
der Wandung des Spiegelkastens 100 und der Fassung 104 besteht,
als auch dass ein gewisser Versatz zwischen der Bohrung im Spiegelkasten 100 und
dem in die Fassung 104 eingeschnittenen Gewinde vorliegt. Auch
in diesem Fall wird durch das Zusammenwirken der Kugelscheiben 102 mit
den Kegelpfannen 103 in Verbindung mit der Reibung zwischen
den Kugelscheiben 102 und der Wandung des Spiegelkastens 100 das
Einleiten von schädlichen Momenten in die Fassung 104 wirksam
vermindert.
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Es
ist nicht notwendig, dass die Kugelscheiben 102 einen gemeinsamen
Mittelpunkt zeigen; im Falle einer ausreichend großen Dimensionierung
der Bohrung kann hiervon auch abgewichen werden. Insbesondere kann
auch die Wanddicke des Spiegelkastens 100 variieren, oder
auch Kugelscheiben 102 unterschiedlicher Radien verwendet
werden.
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19 zeigt
eine erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage 201.
Diese unterscheidet sich von der in 1 dargestellten
Anlage dadurch, dass sie eine Wechselvorrichtung 15 zum
Austausch eines austauschbaren optischen Elementes 208 zusammen
mit seiner Fassung 1 aufweist. Der Wechsel kann dabei bspw. über
eine nicht dargestellte Gasschleuse in dem Objektivgehäuse 2 in
Richtung des Pfeils 16 erfolgen. Die Fassung 1 wird
in dem Objektivgehäuse 2 mittels der Klemmvorrichtungen 3 und der
Auflageelemente 5 gehaltert, wobei die in den vorstehend
beschriebenen Figuren, insbesondere in der 2–13 dargestellten
Konzepte zur Anwendung kommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2007/022922
A2 [0012]
- - WO 2004/011984 A2 [0013]