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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Abbildungseinrichtung,
insbesondere für die Mikrolithographie, und auf ein Verfahren
zum Aktuieren einer Komponente einer optischen Abbildungseinrichtung.
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Um
integrierte Schaltungen mit einer immer höheren Bauteildichte
und somit einer immer höheren Arbeitsgeschwindigkeit herstellen
zu können, ist es erforderlich, bei den zur Herstellung
der Strukturen verwendeten Abbildungsverfahren immer kleinere Strukturen
zu erzeugen. Eine Möglichkeit zur Abbildung kleinerer Strukturen
ist die Verwendung kurzwelliger Strahlung. Insbesondere Strahlung
mit einer Wellenlänge von 5 bis 20 nm, typischerweise ca.
13 nm, ist für die Herstellung von besonders kleinen Strukturen
geeignet. Diese Strahlung wird als EUV-Strahlung (so genannte extreme
Ultra-Violett-Strahlung) genannt.
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Die
EUV-Lithographie weist jedoch als wesentliches Problem eben diese
kurze Wellenlänge auf, da Strahlung im Bereich dieser geringen
Wellenlängen von vielen Materialien, wie auch der Luft,
vollständig absorbiert wird. Somit werden EUV-Lithographievorrichtungen
typischerweise in Hochvakuumkammern angeordnet.
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In
solchen Vakuumkammer werden jedoch hohe Anforderungen an die verwendeten
Bauteile gestellt. Eine dieser Anforderung ist, dass die verwendeten
Bauteile vorzugsweise aus Materialen gebildet sind, die nur eine
geringe Ausgasung von das verwendete Licht absorbierenden Stoffen
oder die verwendeten optischen Elemente verunreinigenden Stoffen
aufweisen. Insbesondere ist es wünschenswert, die Ausgasung
von Kohlenwasserstoffen (CXHY)
zu verhindern. Kohlenwasserstoffe führen beispielsweise
dazu, dass die verwendeten optische Elemente, wie zum Beispiel Spiegel,
irreversibel geschädigt werden und deren Reflexionsfähigkeit
verringert wird.
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Materialien,
die ausgasen und damit optische Elemente schädigen können,
sind beispielsweise Kunststoffe, Lacke, Klebstoffe, Schmierstoffe
und ähnliche Substanzen. Solche Materialien werden zum
Beispiel bei Motoren mit Spulenwicklung, wie Lorenzaktuatoren, Schrittmotoren
und dergleichen, in der EUV-Lithographie eingesetzt.
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Um
ein Ausgasen dieser Bauteile in die Vakuumkammer zu verhindern,
werden diese Bauteile eingekapselt bzw. eingeschweißt in
Materialien, wie beispielsweise Metalle, die nahezu keine derartigen Verunreinigungen
ausgasen. Jedoch ist eine Realisierung einer solchen Einkapselung
bzw. Einschweißung aufwendig, insbesondere bei Motoren.
Vakuumdichte Kabeldurchführungen sind ebenso erforderlich,
wie Magnetkupplungen für die Kraftübertragung.
Hierbei müssen die Magnete auch gekapselt werden, da sie
im Allgemeinen eingeklebt sind und somit auch ausgasen. Ferner ist
die Reaktionszeit dieser Motoren gering und nur eine geringe Steifigkeit
der Magnetübertragung gegeben.
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Aus
der
DE 10 2004
051 838 A1 ist es unter anderem bekannt, für die
Deformation eines Spiegels eines EUV-Systems eine aktive Schicht
des Spiegelsubstrats als Formgedächtnislegierung auszuführen, welche
im Wesentlichen ohne derartige Ausgasungen arbeitet. Allerdings
besteht hierbei das Problem, dass solche Formgedächtnislegierungen
in der Regel zwei definierte Zustände aufweisen, zwischen
denen sie abhängig von der aktuellen Temperatursituation
wechseln. Demgemäß ist mit diesen Formgedächtnislegierungen
eine definierte Justierung über einen größeren
Stellbereich nur schwer zu realisieren.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER
ERFINDUNG
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine optische
Abbildungseinrichtung bzw. ein Verfahren zum Aktuieren einer Komponente
einer optischen Abbildungseinrichtung zur Verfügung zu
stellen, welche bzw. welches die oben genannten Nachteile nicht
oder zumindest in geringerem Maße aufweist und insbesondere
eine einfache und präzise Justierung über einen
breiten Stellbereich ermöglicht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass man
eine einfache und präzise Justierung über einen
breiten Stellbereich ohne unerwünschte Ausgasungen ermöglichen
kann, wenn einem thermisch betätigten Aktuatorelement nach
dem Agonist-Antagonist-Prinzip ein Rückstellelement als Antagonist
zugeordnet wird. Hierüber ist es möglich, die
tatsächlich auf die zu aktuierende Komponente ausgeübte
Kraft über einen breiten Stellbereich zu variieren und
so eine Justage der Komponente in unterschiedlichen Betriebspunkten
(Position und/oder Verformung) zu erzielen. Aktuatorelement und
Rückstellelement können in einfacher Weise als
Elemente ausgeführt werden, welche im Betrieb keine oder
zumindest nur sehr geringe Ausgasungen aufweisen. Vorzugsweise kann es
sich sowohl bei dem Aktuatorelement als auch bei dem Rückstellelement
um ein metallisches Element handeln.
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Gemäß einem
Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher eine optische Abbildungseinrichtung,
die eine zu aktuierenden Komponente, eine Aktuatoranordnung und
eine Stützstruktur aufweist, wobei die Stützstruktur
und die Komponente über die Aktuatoranordnung verbunden
sind. Die Aktuatoranordnung der optischen Abbildungseinrichtung
umfasst ein Aktuatorelement, das im Kraftfluss zwischen der Stützstruktur
und der Komponente angeordnet ist. Die Aktuatoranordnung der optischen
Abbildungseinrichtung ist dazu ausgebildet, durch eine vorgebbare Änderung
in der Temperatursituation des Aktuatorelements eine vorgebbare
Kraft und/oder Verschiebung in die Komponente einzuleiten. In der Aktuatoranordnung
der optischen Abbildungseinrichtung ist zumindest ein Rückstellelement
zwischen der Stützstruktur und der zu aktuierenden Komponente
angeordnet, das dazu ausgebildet ist, der vorgebbaren Kraft und/oder
Verschiebung entgegen zu wirken.
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Die
erfindungsgemäße optische Abbildungseinrichtung
kann in einer Vakuumkammer eingesetzt werden. Insbesondere in einer
Hochvakuumkammer einer optischen Lithographieeinrichtung.
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In
einer solchen Abbildungseinrichtung sind im Allgemeinen zu aktuierende
Komponenten angeordnet. Beispielsweise müssen optische
Komponenten, wie Spiegel oder Blenden verschoben oder gewechselt
werden. Die erfindungsgemäße optische Abbildungseinrichtung
umfasst zumindest eine zu aktuierende Komponente und eine Aktuatoranordnung.
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Darüber
hinaus ist eine Stützstruktur vorgesehen. Diese Stützstruktur
kann fest mit dem Boden verbunden sein, wobei Dämpfungsglieder
oder dergleichen zur Dämpfung von unerwünschten
Schwingungen angeordnet sein können. Vorteilhafterweise ist
die Aktuatoranordnung zwischen der Stützstruktur und der
zu aktuierenden Komponente angeordnet.
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Die
Aktuatoranordnung umfasst ein Aktuatorelement, das im Kraftfluss
zwischen der Stützstruktur und der zu aktuierenden Komponente
vorgesehen ist. Das Aktuatorelement, beispielsweise ein Draht oder
ein ähnliches Element, kann mit einem Ende an der Stützstruktur
und mit dem anderen Ende an der zu aktuierenden Komponente angeordnet sein.
Gemäß anderen Varianten der Anmeldung können
auch weitere Bauelemente zwischen der zu aktuierenden Komponente
und dem Aktuatorelement angeordnet sein.
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Durch
eine Änderung der Temperatursituation des Aktuatorelements
kann eine vorgebbare Kraft und/oder Verschiebung in die zu aktuierenden
Komponente eingeleitet werden. Die Temperatursituation oder auch
die Temperaturverteilung des Aktuatorelements kann durch eine geeignete
Energiezufuhr geregelt werden. Eine Erhöhung der Temperatur
kann insbesondere eine Formänderung, wie eine Längenänderung,
des Aktuatorelements bewirken. Die Formänderung kann wiederum
eine Einleitung einer Kraft und/oder Verschiebung in die zu aktuierenden Komponente
bewirken. Durch eine geeignete Konfiguration des Aktuatorelements
kann eine erwünschte Kraft und/oder Verschiebung präzise
in die zu aktuierende Komponente eingeführt werden.
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Darüber
hinaus umfasst die Aktuatoranordnung ein Rückstellelement,
das zwischen der Stützstruktur und der zu aktuierenden
Komponente angeordnet ist. Es ist erkannt worden, dass durch die
Anordnung des Rückstellelements das so genannte Agonist-Antagonist-Prinzip
realisiert werden kann. Dieses auch Gegenspielerprinzip genannte
Prinzip umfasst zumindest zwei Elemente, wobei beispielsweise die
Länge des ersten Elements verkürzt wird und durch
diese Verkürzung das zweite Element gedehnt wird. Wird
nun im umgekehrten Fall die Länge des zweiten Elements
reduziert, wird das erste Element gedehnt. Das Aktuatorelement und
das Rückstellelement können als Agonist und Antagonist
und umgekehrt agieren. Durch eine Formänderung des Aktuatorelements
kann eine Formänderung des Rückstellelements und
umgekehrt bewirkt werden. Eine präzise Einleitung einer
vorgebbaren Kraft und/oder Verschiebung in die zu aktuierende Komponente
kann gewährleistet werden, sodass eine präzise
Justierung möglich wird. Insbesondere kann durch eine definierte
Einstellung der Formänderung des Aktuatorelements und der
Rückstellkraft des Rückstellelements und die sich
hieraus ergebende elastische Verformung des Aktuatorelements eine
genau definierte Einstellung der zu aktuierenden Komponente erfolgen.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass gegenüber
den eingangs genannten bekannten Anordnungen die Reaktionszeit der
erfindungsgemäßen Aktuatoranordnung verbessert
und die Kraftübertragung optimiert werden.
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Die
erfindungsgemäße optische Abbildungseinrichtung
kann mit einem geringen Aufwand und somit mit geringen Kosten in
einer Vakuumkammer installiert werden, ohne dort zu nennenswerten
unerwünschten Ausgasungen zu führen. Darüber
hinaus kann der Bauraumbedarf der erfindungsgemäßen Vorrichtung
deutlich reduziert werden, da kein erhöhter Aufwand zur
Vermeidung von Ausgasungen zu betreiben ist.
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Außerdem
ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass eine
Ausgasung verhindert, zumindest aber signifikant reduziert werden
kann, wenn als Materialien für eine Aktuatoranordnung gemäß der
erfindungsgemäßen Vorrichtung auf solche Materialien verzichtet
wird, die ein schlechtes Ausgasverhalten aufweisen. Diese Materialien
sind beispielsweise Kunststoffe, Lacke, Klebstoffe und ähnliche
Substanzen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels kann
das Aktuatorelement als ein erster Metalldraht gebildet sein. Metall
besitzt den Vorteil, dass es nahezu keine Schmutzstoffe ausgast
und somit ein signifikant besseres Ausgasverhalten als andere Werkstoffe
aufweist. Eine Kapselung einer erfindungsgemäßen
Aktuatoranordnung kann ebenso entfallen, wie eine aufwendige Verkabelung
oder der Einsatz von Magnetkupplungen. Vorteilhaft bei einem Metalldraht
ist ferner, dass sich dessen Länge entsprechend einer Änderung
der Temperatursituation bzw. der Temperaturverteilung des Drahtes ändern
kann. Durch eine Längenänderung des Drahtes kann
eine Kraft und/oder Verschiebung in die zu aktuierenden Komponente
eingeleitet werden. Vorteilhafterweise können alle Elemente
der optischen Abbildungseinrichtung aus Materialien mit einem guten
Ausgasverhalten hergestellt sein.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiels kann das Aktuatorelement aus
einer Formgedächtnis-Legierung hergestellt sein. Beispiele
von metallischen Formgedächtnis-Legierungen sind Nickel-Titan
(NiTi), Kupfer-Zink (CuZn), Kupfer-Zink-Aluminium (CuZnAl), Kupfer-Aluminium-Nickel
(CuAlNi), Eisen-Nickel-Aluminium (FeNiAl) oder ähnliche
Legierungen. Diese Legierungen gasen vorteilhafterweise nahezu keine
Schmutzstoffe, wie Kohlenwasserstoffe oder ähnliche Substanzen,
aus.
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Formgedächtnis-Legierungen
weisen ferner den Vorteil auf, dass sich diese Werkstoffe an eine frühere
Formgebung erinnern können. Man spricht auch davon, dass
sich diese Materialien an ein vorherige Formgebung erinnern können.
Diese Werkstoffe können zumindest zwischen zwei verschiedenen
Formgebungen umgewandelt werden, wie zum Beispiel bei einem Draht,
der zumindest zwei verschiedene Längen annehmen kann. Beispielsweise kann
der Draht, gebildet aus einer Formgedächtnis-Legierung,
eine maximale Länge und eine minimale Länge aufweisen.
Eine Umformung zwischen diesen beiden Zuständen kann durch
eine thermische und/oder spannungsinduzierte Änderung des Drahtes
verursacht werden.
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Ferner
können Formgedächtnis-Legierungen große
Kräfte übertragen. Insbesondere können diese
Werkstoffe ein großes spezifisches Arbeitsvermögen
aufweisen. Darüber hinaus sind Formgedächtnis-Legierungen
für einen Einsatz in einer Vakuumkammer zur Einleitung
einer Verschiebung und/oder Kraft in die zu aktuierenden Komponente besonders
geeignet.
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Bei
weiteren Varianten der Erfindung kann das zumindest eine Rückstellelement
aus einer Formgedächtnis-Legierung hergestellt sein. Eine Änderung
der Temperatursituation des Rückstellelements, beispielsweise
einem Draht, kann eine Formänderung des Aktuatorelements
verursachen. Eine Kraft und/oder Verschiebung kann in die zu aktvierenden
Komponente eingeleitet werden. Durch die Verwendung eines Metalldrahtes,
insbesondere hergestellt aus einer Formgedächtnis-Legierung,
kann das Ausgasverhalten der erfindungsgemäßen
Abbildungseinrichtung darüber hinaus optimiert werden. Ferner
kann das oben erläuterte Agonist/Antagonist-Prinzip in
einfacher Weise realisiert werden. Der Einsatz zweier Elemente hergestellt
aus einer Formgedächtnis-Legierung kann zudem die Lebensdauer der
erfindungsgemäßen Vorrichtung erheblich erhöhen.
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Bei
anderen Varianten der Erfindung kann das Rückstellelement
eine Rückholfeder sein. Eine Änderung der Länge
der Rückholfeder kann durch eine spannungsinduzierte Änderung
ausgelöst werden. Vorteilhafterweise ist die Rückholfeder
aus einem Metall gebildet. Eine Verkürzung der Rückholfeder
kann durch die eigene Federkraft bewirkt werden, während
eine Verlängerung bzw. Dehnung der Rückholfeder
durch eine von dem Aktuatorelement verursachte Kraftübertragung
erfolgen kann. Eine Rückholfeder kann einfach installiert
werden.
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Gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiels kann die zu aktuierende Komponente
zumindest in zwei stabile Zustände gestellt werden. Diese stabilen
Zustände können entsprechend erforderlicher Anforderung
definiert und jeweils in einfacher Weise erreicht werden. Um von
einem ersten stabilen Zustand einen zweiten stabilen Zustand zu
erreichen, kann eine Kraft und/oder Verschiebung in die zu aktuierende
Komponente durch das Aktuatorelement und/oder Rückstellelement
eingeleitet werden. Zwischen diesen zumindest zwei stabilen Zuständen kann
ein bistabiler Zustand liegen. Es versteht sich, dass gemäß anderen
Varianten der Anmeldung auch mehr als zwei stabile Zustände
definiert und erreicht werden können.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung
kann zumindest ein stabiler Zustand ein selbsthaltender Zustand
sein. Eine Zuführung von Energie zur Beibehaltung eines
solchen Zustandes kann entfallen. Beispielsweise kann ein Anschlagelement,
das von der Stützstruktur umfasst wird, vorgesehen sein.
Im selbsthaltenden Zustand kann der Kraftfluss so gestaltet sein,
dass eine Kraft wirkt, die einen zugehörigen Teil der Aktuatoranordnung
in Richtung des Anschlagelements wirkt, ohne das eine Zuführung
von Energie von Außen erforderlich ist. Unerwünschte
Temperaturschwankungen innerhalb der optischen Abbildungseinrichtung,
die zum Beispiel zu Beeinträchtigungen optischer Elemente
führen können, können hierdurch vermieden werden.
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Bei
weiteren Varianten der Erfindung kann die zu aktuierende Komponente
ein Greifelement sein. Ein Greifelement, zum Beispiel ein Greifer,
kann zum Halten und Auswechseln von optischen Elementen, wie beispielsweise
von Spiegeln oder Blenden, eingesetzt werden.
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Das
Greifelement kann zumindest in eine offene Position und in eine
geschlossene Position gestellt werden. In der geschlossenen Position
kann das Greifelement ein anderes Element, wie eine Blende, greifen
bzw. festhalten, während das Greifelement durch eine Verstellung
in die offene Position das Element freigeben kann. Insbesondere
die geschlossene Position kann ein selbsthaltender Zustand sein,
sodass ohne Energiezuführung, wie beispielsweise eine Erzeugung
einer konstant hohe Temperatur des Aktuatorelements, gearbeitet
werden kann.
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Das
Greifelement kann von der geschlossenen in die offene Position bzw.
von der offenen in die geschlossene Position gestellt werden, indem
eine thermische bzw. spannungsinduzierte Änderung des Aktuatorelements
bzw. des Rückstellelements erfolgt. Insbesondere kann das
Greifelement durch das realisierte Agonist-Antagonist-Prinzip gestellt
werden. Eine umgekehrte Funktionsweise ist ebenso möglich
wie eine Stellung des Greifelements in mehr als nur eine offene
und eine geschlossene Position.
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Das
Greifelement kann gemäß einem Ausführungsbeispiel
zumindest zwei Greifarme umfassen. Ferner kann jeder Greifarm zumindest
einen federnden Anschlag aufweisen. Zwischen diesen Anschlägen
kann das zu haltende Element in einfacher Weise eingespannt werden.
Die Greifarme und/oder die Anschlagselemente weisen zumindest ein
Federelement, einen biegsamen Abschnitt, und/oder ein ähnliches
Element auf. Ein solches Element kann erforderlich sein, um von
einem ersten selbsthaltenden Zustand über eine bistabilen
Zustand einen zweiten stabilen Zustand zu erreichen, beispielsweise
um von einer geschlossenen eine offene Position zu erreichen. Eine
einfache Realisierung einer solchen Aufbaus ist möglich.
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Vorteilhafterweise
kann das Greifelement aus Materialien mit einem guten Ausgasverhalten
gebildet sein. Beispielsweise können Metalle verwendet werden.
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Für
eine Änderung der Temperatursituation des Aktuatorelements
und/oder des Rückstellelements kann eine entsprechende
Energieversorgung vorgesehen sein. Insbesondere kann als Energieversorgung
eine Stromquelle vorgesehen sein. Ein Stromfluss kann in dem Aktuatorelement
bzw. in dem aus einer Formgedächtnis-Legierung hergestellten Rückstellelement
eine Änderung der Temperatursituation, insbesondere eine
Erhöhung der Temperatur, bewirken. Wenn zwei Drähte
oder dergleichen (hergestellt aus einer Formgedächtnis-Legierung)
verwendet werden, kann das Agonist-Antagonist-Prinzip durch eine
abwechselnde Bestromung der Elemente in einfacher Weise verwirklicht
werden. Die Bestromung eines ersten Drahtes kann ein Zusammenziehen
des ersten Drahtes auf seine ursprüngliche Länge
aufgrund der thermischen Erwärmung hervorrufen. Darüber
hinaus kann der zweite Draht aufgrund der durch ein Zusammenziehen
des ersten Drahtes auf den zweiten Draht ausgeübte Spannung
auf die maximale Länge gedehnt werden. Eine Bestromung des
zweiten Drahtes und ein Unterbrechen des Stromflusses im ersten
Draht kann eine gegenteilige Wirkung erzeugen. Eine Rückholfeder
oder ein ähnliches Element kann gemäß anderen
Varianten der Anmeldung ebenso als Rückstellelement installiert werden.
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Gemäß weiteren
Varianten der Erfindung beträgt die Reaktionszeit der Aktuatoranordnung höchstens
3 Sekunden, vorzugsweise höchstens 1 Sekunde. Jedoch können
auch geringere Reaktionszeiten erzielt werden. Damit können
ausreichend schnelle Reaktionszeiten durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung gewährleistet werden.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird die Vorrichtung in einer Vakuumkammer einer EUV-Lithographievorrichtung
eingesetzt. Die EUV-Lithographie ist ein besonders empfindliches
Verfahren und wird aufgrund der geringen Wellenlänge der
eingesetzten Strahlung von ca. 13 nm in einer Hochvakuumkammer durchgeführt.
Insbesondere durch Verunreinigungen, wie Wasser oder Kohlenwasserstoffe, die
durch Ausgasung implementierter Bauelemente erzeugt werden können,
können optische Bauelemente, wie Spiegel oder Blenden,
irreversibel geschädigt werden. Durch einen Einsatz der
erfindungsgemäßen Vorrichtung können
solche Beschädigung aufgrund des Ausgasverhaltens der Vorrichtung
von nahezu keinen Schmutzstoffen verhindert oder zumindest erheblich
verringert werden. Ferner kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung Platz sparend und mit einem geringen Aufwand in der
EUV-Lithographievorrichtung installiert werden.
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Andere
Einsatzgebiete für die erfindungsgemäße
Vorrichtung sind darüber hinaus auch möglich. Beispiele
hierfür sind unter anderem die Herstellung von integrierten
optischen Systemen, Leit- und Erfassungsmustern für Magnetblasenspeicher,
Flüssigkristall-Anzeigentafeln, Dünnschichtmagnetköpfen und ähnlichen
Systemen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Aktuieren einer
Komponente einer optischen Abbildungseinrichtung. Gemäß dem
Verfahren wird eine Aktuatoranordnung mit einer Stützstruktur und
einer zu aktuierenden Komponente verbunden. Das Verfahren umfasst,
dass ein Aktuatorelement im Kraftfluss zwischen der Stützstruktur
und der Komponente angeordnet wird und durch eine vorgebbare Änderung
in der Temperatursituation des Aktuatorelements eine vorgebbare
Kraft und/oder Verschiebung in die Komponente eingeleitet wird.
Das Verfahren umfasst, dass durch ein in der Aktuatoranordnung angeordnetes
Rückstellelement der vorgebbaren Kraft und/oder Verschiebung
entgegen gewirkt wird.
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Hiermit
lassen sich die oben beschriebenen Vorteile und Varianten in demselben
Maße realisieren, sodass diesbezüglich auf die
obigen Ausführungen Bezug genommen wird.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
bzw. der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele,
welche auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ein
Längen-Temperatur-Diagramm eines Drahtes aus einer Formgedächtnis-Legierung;
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2 eine
schematische Darstellung eines Teils eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
einer optischen Abbildungseinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung mit einer zu aktuierenden Komponente in einem
ersten stabilen Zustand;
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3 eine
schematische Darstellung der optischen Abbildungseinrichtung aus 2 in
einem ersten Zustand mit der zu aktuierenden Komponente in einem
bistabilen Zustand;
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4 eine
schematische Darstellung der optischen Abbildungseinrichtung aus 2 in
einem zweiten Zustand mit der zu aktuierenden Komponente in einem
zweiten stabilen Zustand;
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5 ein
Flussdiagramm eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines
Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Darstellung der optischen Abbildungseinrichtung in einem schematischen
Schnitt entlang Linie VI-VI aus 1;
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7 eine
schematische Darstellung der optischen Abbildungseinrichtung in
einem schematischen Schnitt entlang Linie VII-VII aus 4;.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die 2 bis 7 zeigen
eine einfach gestaltete und Platz sparende Variante der erfindungsgemäßen
optischen Abbildungseinrichtung mit einem Ausgasungsverhalten, das
zumindest im Wesentlichen zu vernachlässigen ist. Hierbei
wurden gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In
der 1 ist zunächst ein qualitatives Länge-Temperatur-Diagramm
eines Drahtes aus einer Formgedächtnis-Legierung abgebildet.
Der Draht kann beispielsweise jeweils als Aktuatorelement und/oder
als Rückstellelement für eine erfindungsgemäße
Abbildungseinrichtung verwendet werden. Anhand dieses Diagramms
werden nachfolgend die Eigenschaften eines Aktuatorelements bzw.
Rückstellelements aus einer Formgedächtnis-Legierung
erläutert. Die in 1 illustrierte
Kurve zeigt die Längenänderung Δl eines
solchen Drahtes in Abhängigkeit von dessen Temperatursituation
bzw. Temperaturverteilung.
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Zunächst
wird die Temperatur des Drahtes, beispielsweise durch eine Bestromung
des Drahtes oder Ähnliches, erhöht. Zu erkennen
ist, dass die Länge des (lastfreien) Drahtes zunächst
konstant bleibt. Bei Erreichung einer Grenztemperatur T3, oder auch
Ecktemperatur T3 genannt, verringert sich die Länge des
Drahtes. Erhöht man die Temperatur weiter, so wird die
maximale Längenänderung Δl bei einer
Grenztemperatur T4 erreicht. Ab dieser Grenztemperatur T4 bleibt
die Länge des Drahtes trotz einer Erhöhung der
Temperatur konstant. Der Draht besitzt nun seine ursprüngliche
Länge. Auffällig ist, dass die erforderliche Temperaturänderung
T4 – T3 zur Erzielung der maximalen Längenänderung Δl
relativ gering ist. Die notwendige Temperaturänderung kann
beispielsweise durch einen Stromfluss in einer kurzen Zeit, beispielsweise
innerhalb einer Sekunde oder weniger, erreicht werden.
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Die
Temperatur wird im Folgenden wieder verringert. Beispielsweise kann
der Stromfluss verringert bzw. unterbrochen werden, wodurch die
Temperatur des Drahtes gegebenenfalls nahezu unmittelbar reduziert
werden kann. Erreicht die Temperatur eine Grenztemperatur T2, so
dehnt sich der Draht wieder aus. Die Grenztemperatur T2 liegt dabei
unterhalb der Grenztemperatur T3, die zur Verkürzung des
Drahtes erforderlich ist. Fällt die Temperatur des Drahtes
weiter, so wird die maximale Längenänderung Δl
bei einer Grenztemperatur T1 erreicht. Der Draht besitzt nun seine
maximale Länge. Eine weitere Abkühlung bzw. Verringerung
der Temperatur hat keine weiteren Auswirkungen auf die Länge
des Drahtes. Auch hier fällt ins Auge, dass die erforderliche
Temperaturdifferenz T2 – T1 relativ gering ist. Eine maximale
Längenänderung des Drahtes kann in einer relativ
geringen Zeit erzielt werden.
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Zusätzlich
kann eine Längenänderung durch mechanische Spannungen
im Draht, beispielsweise also eine Vorspannung des Drahtes durch
externe Einrichtungen, hervorgerufen und insbesondere beschleunigt
werden.
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Die
konkreten Werte der Grenztemperaturen T1 bis T4 und der zugehörigen
Temperaturdifferenzen T4 – T3 und T2 – T1 hängen
unter anderem von der gewählten Formgedächtnis-Legierung
ab. Die Formgedächtnis-Legierung kann nach den Erfordernissen
der Vorrichtung ausgewählt werden. Eine exakte Steuerung
einer Aktuatoranordnung ist möglich, wobei durch die Wahl
der verwendeten Formgedächtnis-Legierung eine optimale
Anpassung erzielt werden kann. Insbesondere lassen sich geringe
Reaktionszeiten im Bereich von einer Sekunde und weniger erzielen.
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2 zeigt
eine vereinfachte Darstellung eines Teils eines Ausführungsbeispiels
einer optischen Abbildungseinrichtung gemäß der
vorliegenden Erfindung. Der in 2 gezeigte
Teil der optischen Abbildungseinrichtung umfasst eine Stützstruktur 14, 16.
Das Element 16 ist hierbei als Anschlag 16 gestaltet.
Die Stützstruktur 14, 16 kann fest mit
dem Boden verbunden sein, wobei Dämpfungsglieder oder dergleichen
zur Dämpfung von unerwünschten Schwingungen vorgesehen
sein können.
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Mit
der Stützstruktur 14 verbunden ist eine Aktuatoranordnung.
Die Aktuatoranordnung umfasst ein Verbindungselement 30,
ein Aktuatorelement 10 und ein Rückstellelement 12.
Das Verbindungselement 30 ist über ein Gelenkelement 32a mit
der Stützstruktur 14 verbunden. Sowohl das Aktuatorelement 10 als
auch das Rückstellelement 12 können aus
einem Metalldraht, vorzugsweise aus einer Formgedächtnis-Legierung,
wie einer Ti/Ni-Legierung, gebildet sein. Bei anderen Varianten
der Erfindung werden auch andere Formgedächtnis-Legierungen
eingesetzt. Darüber hinaus kann das Rückstellelement 12 auch
eine einfache Rückholfeder sein.
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Ferner
ist die Aktuatoranordnung mit einer zu aktuierenden Komponente 26 verbunden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die zu aktuierende Komponente 26 als
Greifelement ausgebildet. Die Aktuatoranordnung ist an einem Gelenkelement 28 der
zu aktuierenden Komponente 28 mittels des Verbindungselements 30 angeordnet.
Bei anderen Varianten der Erfindung kann das Verbindungselement 30 auch
entfallen und das Aktuatorelement 10 und das Rückstellelement 12 können
direkt mit der zu aktuierenden Komponente 26 verbunden
sein.
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Das
dargestellte Greifelement umfasst zwei Greifarme 18, die
jeweils über ein Gelenkelement 32b schwenkbar
an der Stützstruktur 14 angelenkt sind. An einem
Ende weisen die Greifarme 18 weitere Gelenkelemente 32c auf, über
die sie miteinander mittels weiterer Elemente und mittels des Gelenkelements 28 in
Verbindung stehen. Darüber hinaus ist an jedem Greifarm 18 ein
Anschlagelement 20 angeordnet. Die Anschlagelemente 20 können
dabei als Federelemente gebildet sein. Der Grund einer Ausbildung
als Federelement wird nachfolgend im Detail erläutert.
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Ferner
ist in 2 ein optisches Bauelement, in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel eine Blende 24, abgebildet.
Die Blende 24 weist ein Halterungselement 24a auf,
welches durch das Greifelement gegriffen werden kann. Es versteht
sich jedoch, dass die Erfindung bei anderen Varianten auch im Zusammenhang
mit anderen optisch genutzten oder nicht optisch genutzten Bauelementen,
insbesondere mit optischen Elementen wie Spiegeln, Linsen etc. zum
Einsatz kommen kann.
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Die
zu aktuierende Komponente 26, hier also das Greifelement,
und die Aktuatoranordnung können in vorteilhafter Weise
eine integrierte Baugruppe bilden. Darüber hinaus können
die zu aktuierende Komponente 26 und die Aktuatoranordnung
komplett aus einem Material mit einem Ausgasverhalten, das zu vernachlässigen
ist, hergestellt sein. Hiermit ist eine einfache Konstruktion der
erfindungsgemäßen optischen Abbildungseinrichtung
und eine Installation innerhalb einer Vakuumkammer möglich.
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Aus
Gründen einer besseren Übersicht sind in den Figuren
nur die für das Verständnis der Erfindung maßgeblichen
Komponenten stark schematisiert dargestellt. Es versteht sich, dass
in einer tatsächlichen Ausführung eine Reihe weiterer
Komponenten der Abbildungseinrichtung vorhanden sind.
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Die 2 bis 4, 6 und 7 zeigen dasselbe
Ausführungsbeispiel der optischen Abbildungseinrichtung
in unterschiedlichen Zuständen. Die 5 zeigt
ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens
der vorliegenden Anmeldung. Die Funktionsweise der optischen Abbildungseinrichtung
wird mit Hilfe der 2 bis 5 nachfolgend verdeutlicht.
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Ausgangspunkt
ist der Zustand der in 2 gezeigten Anordnung, wobei
es sich versteht, dass auch von einem anderen Zustand der Anordnung ausgegangen
werden kann.
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Die
Anordnung befindet sich in 2 in einem
ersten stabilen Zustand. In diesem Beispiel ist dieser erste Zustand
eine geschlossene Position des Greifelements 26. Das Halterungselement 24a der
zu haltenden Blende 24 ist zwischen den Greifarmen 18, insbesondere
zwischen den federnden Anschlagelementen 20, kraftschlüssig
eingespannt. Verdeutlicht ist dies durch die abgebildeten verkürzten
Federelemente.
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Die
Anordnung ist im vorliegenden Beispiel selbsthaltend ausgebildet.
Es muss keine Energie, beispielsweise in Form von Wärme,
von Außen hinzugefügt werden, um diesen ersten
stabilen Zustand aufrechtzuerhalten. Der Federkraft der Anschlagelemente 20,
die ein öffnen des Greifelements bewirken würden,
wird durch ein Anschlagelement 16 entgegen gewirkt. Durch
die Federkraft wird das Gelenkelement 28 in Richtung des
Anschlagelements 16 gedrückt. Zwischen dem Gelenkelement 28 und
dem Anschlagelement 16 kann optional ein elastisches Element,
wie ein Federelement, angeordnet sein, wobei das elastische Element
lediglich fest am Anschlagelement 16 oder am Gelenkelement 28 angeordnet
sein kann.
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Das
Aktuatorelement 10 weist in diesem Zustand eine erste Länge
auf, wobei die Länge des Aktuatorelements 10 um Δl
größer als die Länge des Rückstellelements 12 ist.
Wie bereits erläutert wurde, ist die dargestellte Ausführungsform
selbsthaltend, sodass weder das Aktuatorelement 10 noch
das Rückstellelement 12 eine Kraft auf das Verbindungselement 30 bzw.
auf die zu aktuierende Komponente 26 ausüben müssen
und daher beide nicht gesteuert durch eine mit ihnen verbundene
Steuerungseinrichtung 40 bestromt werden. Unerwünschte
Temperaturschwankungen innerhalb der Abbildungseinrichtung, die
zu Beeinträchtigungen von optischen Elementen und dergleichen
führen können, werden hierbei vermieden. Es versteht
sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Anmeldung beispielsweise
das Anschlagelement 16 entfallen und der gezeigte erste stabile
Zustand durch einander im Gleichgewicht haltende Kraftwirkungen
in dem Aktuatorelements 10 und in dem Rückstellelement 12,
zum Beispiel durch eine Beaufschlagung mit einer (gegebenenfalls
konstanten) definierten Temperatur, aufrechterhalten werden kann.
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Um
von diesen ersten stabilen Zustand einen zweiten stabilen Zustand,
in diesem Ausführungsbeispiel eine offene Position des
Greifelements, zu erreichen, wird das Aktuatorelement 10 mittels
einer Steuerung 40 mit einem elektrischen Strom beaufschlagt (Schritt 101).
Durch einen Stromfluss kann die Temperatursituation des Aktuatorelements 10 (mithin also
die Temperaturverteilung im Aktuatorelement 10) beeinflusst,
insbesondere erhöht, werden. Durch die bereits erläuterten
Eigenschaften einer Formgedächtnis-Legierung reduziert
sich hierdurch die Länge des Aktuatorelements 10 bei Überschreiten
einer Grenztemperatur T3.
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Aufgrund
der gezeigten Hebelkinematik des Greifelements werden die als Federelemente
ausgebildeten Anschlagelemente 20 zunächst weiter
gestaucht. In 3 ist dieser bistabile Zustand
gezeigt. Die Blende 24 ist weiterhin kraftschlüssig
mit dem Greifelement verbunden. Jedoch hat sich die Länge des
Aktuatorelements 10 verringert, während sich die Länge
des Rückstellelements 12 aufgrund der durch die
Kraftwirkung des sich verkürzenden Aktuatorelements 10 bedingten
mechanischen Spannungen induzierten elastischen Längenänderung
verlängert hat. Das Aktuatorelement 10 und das
Rückstellelements 12 wirken hier folglich nach
dem Agonist-Antagonist-Prinzip.
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Erhöht
man die Temperatur bzw. den Stromfluss weiter, verkürzt
sich die Länge des Aktuatorelements 10 auf eine
zweite minimale Länge. Ab der Grenztemperatur T4 bleibt
die (lastfreie) Länge des Aktuatorelements 10 konstant.
Die Anordnung erreicht einen zweiten stabilen Zustand gemäß 4. Das
Greifelement ist in seiner offenen Position, die als Federelemente
gebildeten Anschlagelemente 20 sind entspannt und die Länge
des Rückstellelements 12 hat sich erhöht
(Schritt 102). Sollte als Rückstellelement 12 eine
Rückholfeder eingesetzt werden, so wird dieser zweite Zustand
durch eine konstant erhöhte Temperatur des Aktuatorelements 10 aufrechterhalten.
Da im Allgemeinen ein Greifelement nur für kurze Zeit in
einer offenen Position verbleibt, ist die Zuführung von
Temperatur unkritisch. Bevorzugt ist jedoch die Verwendung einer
Formgedächtnis-Legierung als Rückstellelement 12.
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Um
wieder den ersten stabilen Zustand zu erreichen kann beispielsweise
das Rückstellelement 12 durch die Steuerung 40 mit
einem entsprechenden elektrischen Strom beaufschlagt werden (Schritt 103). Über
den in 3 gezeigten bistabilen Zustand kann der erste
stabile Zustand gemäß 2 in bekannter
Weise erreicht werden (Schritt 104).
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Es
versteht sich, dass gemäß anderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung die Anschlagelemente 20 auch
im Wesentlichen starr ausgebildet sein können und an ihrer
Stelle beispielsweise die Greifarme 18 einen elastisch
biegsamen Abschnitt oder dergleichen aufweisen können.
Dieser biegsame Abschnitt ist so zu gestalten, dass er in einem
ersten Zustand eine selbsthaltende Anordnung ermöglicht
und kurzzeitig durch erhöhten Kraftaufwand weiter gebogen
werden kann, um in den zweiten stabilen Zustand zu gelangen.
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Es
versteht sich von selbst, dass die beschriebenen Ausführungsbeispiele
nur wenige aus einer Vielzahl von möglichen Ausführungsbeispielen sind.
Ferner werden von der Anmeldung auch alle möglichen Kombinationen
der Ausführungsbeispiele mit erfasst. Es versteht sich
zum Beispiel, dass gemäß anderen Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Anmeldung andere Komponenten aktuiert werden können
oder auch mehr als ein Aktuatorelement und Rückstellelement.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004051838
A1 [0007]