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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Manipulation
eines optischen Elements.
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Für
die Korrektur von Bildfehlern in Projektionsobjektiven für
die Halbleiterlithographie werden nach dem gegenwärtigen
Stand der Technik zwei Grundtypen von Manipulatoren verwendet, Positionsmanipulatoren
und Deformationsmanipulatoren. Im Fall der Positionsmanipulatoren
wird die Sensitivität eines optischen Elements auf seine
Positionsänderung ausgenutzt, um bei einer geeigneten Verschiebung
die gewünschte Korrektur der Wellenfront zu erreichen.
Im Unterschied hierzu werden bei Deformationsmanipulatoren die Sensitivitäten
von optischen Elementen auf mechanische Deformation ausgenutzt,
um den gewünschten Korrektureffekt zu erzielen. Dabei sind
bei Positionsmanipulatoren die Korrekturmöglichkeiten auf
niedrige radiale und azimutale Ordnungen begrenzt. Deformationsmanipulatoren
bieten zwar die Möglichkeit, durch die Anordnung einer
geeigneten Anzahl von Aktuatoren auch höhere azimutale
Ordnungen einzustellen, doch auch sie sind für radiale
Korrekturen auf die erste Ordnung beschränkt. Dies rührt
insbesondere daher, dass die zur mechanischen Deformation erforderlichen
mechanischen Kräfte und Momente gewissen Einschränkungen
unterliegen.
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Eine
weitere Alternative zu den beiden vorstehend skizzierten Möglichkeiten
besteht darin, ein optisches Element wie beispielsweise eine Linse nicht
mechanisch oder hinsichtlich seiner Position in der Gesamtanordnung,
sondern thermisch zu manipulieren. Dabei wird die Temperaturabhängigkeit
des Brechungsindex des Materials des optischen Elementes ausgenutzt,
um mittels einer geeigneten Temperaturverteilung über das
optische Element hinweg die gewünschte Korrektur der Wellenfront
zu erreichen. Gängige Konzepte zur thermischen Manipulation
eines optischen Elements bestehen darin, dieses entweder von seinem
Rand her zu beheizen bzw. zu kühlen oder auch, beispielsweise
durch im optisch aktiven Bereich des optischen Elements angeordnete
dünne Heizdrähte, die Temperaturverteilung im
optischen Element selbst direkt zu beeinflussen.
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In
der US-Patentanmeldung
US 2005/0018269
A1 wird vorgeschlagen, die inhomogene, bereichsweise Erwärmung
der verwendeten optischen Elemente in einer Halbleiterlithographieanlage
dadurch auszugleichen, dass die optischen Elemente lokal mittels
eines Lasers an denjenigen Stellen aufgeheizt werden, an denen die
verwendeten optischen Elemente mit elektromagnetischer Strahlung
geringerer Intensität als in anderen Bereichen beaufschlagt
werden; auf diese Weise wird die inhomogene Bestrahlung der optischen
Elemente kompensiert und im Ergebnis findet eine homogene Erwärmung
der verwendeten optischen Elemente statt.
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Eine
weitere Variante wird in der europäischen Patentanmeldung
EP 0 678 768 A2 vorgestellt. In
dieser Schrift wird die Aufgabe adressiert, die Abbildungseigenschaften
einer Projektionsbelichtungsanlage auszumessen und basierend auf
theoretischen Modellen der Projektionsbelichtungsanlage einzelne
Elemente der Anlage bereichsweise gezielt zu beheizen oder zu kühlen.
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Die
oben genannten Vorgehensweisen unterliegen jedoch bestimmten Einschränkungen.
So besteht beispielsweise bei der thermischen Manipulation eines
optischen Elements von seinem Rand her die Schwierigkeit, die Innenbereiche
des optischen Elements in der gewünschten Weise anzusteuern;
beim Einbringen von Heizdrähten in den optische aktiven
Bereich des optischen Elements müssen ferner Beeinträchtigungen
der Transmissionseigenschaften des optischen Elements in Kauf genommen
werden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein thermisch ansteuerbares
optisches Element sowie eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem thermisch
ansteuerbaren optischen Element anzugeben, das bzw. die den vorstehend
geschilderten Einschränkungen nicht unterliegt.
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtung mit den in Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmalen sowie durch die Projektionsbelichtungsanlage mit den in
Patentanspruch 14 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche
beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten
der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt ein optisches
Element mit einer Vorderseite, die zur Reflexion elektromagnetischer
Strahlung geeignet ist sowie einer Rückseite, wobei thermische
Aktuatoren zur Beeinflussung der optischen Eigenschaften des optischen
Elements vorgesehen sind, die von der Rückseite des optischen
Elements her auf dieses wirken. Diese Anordnung der thermischen
Aktuatoren führt dazu, dass sich die thermischen Aktuatoren
in einem Bereich des optischen Elements befinden, der von der elektromagnetischen
Nutzstrahlung, der das optische Element im bestimmungsgemäßen
Betrieb ausgesetzt ist, nicht erreicht wird. Durch diese Maßnahme
entfallen die Einschränkungen, denen man bei der Anordnung
von thermischen Aktuatoren an einem in Transmission betriebenen
optischen Element unterliegt. Insbesondere wird es durch die erfindungsgemäße
Lösung möglich, thermische Aktuatoren über
den gesamten Querschnitt des optischen Elements hinweg auf diesem
anzuordnen; beispielsweise können die thermischen Aktuatoren
hinsichtlich der einzustellenden Temperaturverteilungen optimal
angeordnet werden. Die realisierbaren Ortsfrequenzen in den Temperaturverteilungen
sind hierbei im wesentlichen durch die Dichte der Aktuatoranordnung
und gegebenenfalls der Dicke des optischen Elementes limitiert.
Durch eine geeignete Anordnung der thermischen Aktuatoren lassen
sich somit je nach optischer Korrekturaufgabe Sätze von
Temperaturverteilungsfunktionen optimal gestalten. Begrenzungen
in der Gestaltung der Basisfunktionen sind dabei im wesentlichen
designbedingt, nicht jedoch prinzipbedingt. Ferner ist bei der erfindungsgemäßen
Lösung für die Zeitkonstanten zur Einstellung
einer Temperaturverteilung lediglich die Dicke des optischen Elementes
und nicht sein Durchmesser ausschlaggebend. Dies führt
dazu, dass im Vergleich zu optischen Elementen, deren Temperaturverteilung vom
Rand her eingestellt wird, um etwa ein bis zwei Grö ßenordnungen
kürzere Zeitkonstanten möglich sind, was aus regelungstechnischer
Sicht einen erheblichen Vorteil darstellt. Bei dem optischen Element
kann es sich in einer einfachen Realisationsform der Erfindung beispielsweise
lediglich um einen Metallspiegel handeln, auf dessen Rückseite
die thermischen Aktuatoren angeordnet sind. In diesem Fall wird
die gewünschte Korrektur der optischen Eigenschaften des
Metallspiegels ausschließlich durch die von der Rückseite
her thermisch induzierte Formänderung der reflektierenden
Vorderseite des Spiegels erreicht.
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In
einer ersten vorteilhaften Variante der Erfindung sind die thermischen
Aktuatoren an der Rückseite des optischen Elements in der
Weise angeordnet, dass sie nicht in mechanischem Kontakt zur Rückseite
des optischen Elements stehen. Insbesondere kann zwischen dem thermischen
Aktuator und der Rückseite des optischen Elements ein dünner
Spalt verbleiben. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass
die thermischen Aktuatoren von dem zu manipulierenden optischen
Element mechanisch entkoppelt angeordnet sind, wodurch parasitäre
mechanische Effekte, wie sie beispielsweise durch Vibrationen oder
mechanische Spannungen in der Anordnung oder auch nur der Aktuatoren
hervorgerufen werden können, wirksam ausgeschlossen werden. Alternativ
können die thermischen Aktuatoren auch – insbesondere
für die Fälle, in denen sie als Peltierelemente
oder Widerstandsheizelemente ausgebildet sind – in unmittelbarem
mechanischen Kontakt mit der Rückseite des optischen Elementes
stehen, wodurch ein effektiver Wärmeübergang gewährleistet wird.
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Zwischen
der thermisch wirksamen Fläche der beispielsweise als Peltierelemente
ausgebildeten Aktuatoren und der Rückseite des optischen
Elements kann dabei ein gas- oder flüssigkeitsgefüllter Spalt
verbleiben; dabei dient das Gas bzw. die Flüssigkeit als Übertragungsmedium
für die in das optische Element zu übertragende
thermische Energie. Selbstverständlich sind bei der Realisation
dieser Variante die verwendeten Gase bzw. Flüssigkeiten
so zu wählen, dass sie einen hohen Wärmeleitwert
aufweisen, um einen effizienten Wärmeübergang
zwischen dem thermischen Aktuator und dem optischen Element zu gewährleisten.
So kommt bei spielsweise als Gas aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit
für die genannte Anwendung Helium in Frage.
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In
einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann es sich bei den
thermischen Aktuatoren um im Bereich der Rückseite des
optischen Elements angeordnete und auf diese gerichtete Gasdüsen
handeln, die geeignet sind, die Rückseite des optischen
Elements lokal mit Gasstößen der gewünschten
Temperatur zu beaufschlagen. Diese Ausführungsform der Erfindung
gewährleistet eine vergleichsweise schnelle Ansteuerbarkeit
des optischen Elements. Diese Lösung hat mit der Realisation
der thermischen Aktuatoren als Peltierelemente den Vorteil gemeinsam, dass
entweder durch die Wahl der Polarität des Anschlusses der
Peltierelemente oder durch die Wahl der Temperatur des Gasstoßes
das optische Element lokal sowohl beheizt als auch gekühlt
werden kann.
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Auch
die Realisation der thermischen Aktuatoren in der Weise, dass sie
geeignet sind, elektromagnetische Strahlung zur Absorption auf der
Rückseite des optischen Elements zu emittieren, hat für
einige Anwendungsgebiete Vorteile. Einer der spezifischen Vorteile
dieser Lösung besteht darin, dass sich auf diese Weise
eine vollständig berührungslose Ankopplung der
thermischen Aktuatoren an die Rückseite des optischen Elements
erreichen lässt. Dabei können die thermischen
Aktuatoren z. B. als LEDs oder Laserdioden, insbesondere mit einem
Emissionsspektrum im infraroten Bereich realisiert sein; um die
thermische Kopplung der so gewählten Aktuatoren mit der
Rückseite des optischen Elements zu optimieren, ist es
vorteilhaft, die den elektromagnetischen Strahlungsquellen zugewandte
Seite des optischen Elements mit einer Beschichtung zu versehen, die
für die von den Aktuatoren ausgesandte Strahlung einen
hohen Absorptionsgrad aufweist.
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Zur
Steuerung der räumlichen Verteilung der in das optische
Element eingetragenen thermischen Energie besteht einerseits die
Möglichkeit, die von mindestens einem thermischen Aktuator
ausgesandte Strahlung mittels Umlenkelementen gerichtet auf vorbestimmte
Positionen auf der Rückseite des optischen Elements zu
lenken. Auf diese Weise kann mit einer vergleichsweise geringen Anzahl
von Aktuatoren dennoch der gesamte Bereich der Rückseite
des optischen Elements angesteuert werden. Als Alternative oder
Ergänzung hierzu können die thermischen Aktuatoren
(ggf. als elektromagnetische Strahler ausgebildet) als Array auf
oder im Bereich der Rückseite des optischen Elements angeordnet
werden. In diesem Fall wird die gewünschte Verteilung der
in das optische Element eingetragenen thermischen Energie über
eine geeignete Ansteuerung der thermischen Aktuatoren erreicht.
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Eine
besonders vorteilhafte Variante der Gestaltung des optischen Elements
besteht darin, dass sich an die Vorderseite des optischen Elements
ein für die Nutzwellenlänge mindestens teilweise
transparentes Substrat anschließt. Diese Maßnahme
hat die Wirkung, dass die elektromagnetische Nutzstrahlung den Bereich
vor dem optischen Element zweimal durchläuft. Die Korrektur
der Wellenfront wird dabei nicht nur durch die geometrische Änderung
der reflektiven Oberfläche des optischen Elements erreicht,
sondern auch durch die sich aufgrund der ändernden Temperatur
verändernden optischen Eigenschaften des Substrates. Es
wird durch die sich ändernde Temperatur insbesondere die
Dichte und damit der Brechungsindex des Substrates verändert, wodurch
sich ein verbessertes Ansprechen der gesamten Anordnung auf die
thermische Ansteuerung erreichen lässt. Dadurch, dass die
elektromagnetische Nutzstrahlung das Substrat aufgrund der Reflexion
an der Rückseite des optischen Elements zweimal durchläuft,
wird die optische Wirkung der erfindungsgemäßen
thermischen Manipulation weiter gesteigert und das Substrat kann
deswegen vergleichsweise dünn gewählt werden.
In diesem Zusammenhang ist die Realisation des optischen Elements
als sogenannter Mangin-Spiegel besonders vorteilhaft. Dies wird
dadurch erreicht, dass sich an das Substrat ein refraktives optisches
Element, wie beispielsweise eine Linse, anschließt. Alternativ
kann die Mangin-Konfiguration auch dadurch erreicht werden, dass
beispielsweise eine Linse auf einer Seite mit einer Reflexionsschicht
versehen wird, wodurch sich eine besonders einfache Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optischen Elements realisieren
lässt.
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Die
thermische Ansteuerbarkeit des erfindungsgemäßen
optischen Elements lässt sich dadurch weiter verbessern,
dass im Bereich der Rückseite des optischen Elements ein
flächiges, als Wärmesenke wirkendes, gegebenenfalls
gekühltes Element angeordnet ist. In diesem Fall wird mittels
der thermischen Aktuatoren lediglich lokal gegen die ständige
Kühlung des flächigen Elements angeheizt. Hierdurch
wird es möglich, die gewünschten Temperaturverteilungen
entlang der Rückseite des optischen Elements möglichst
schnell zu realisieren.
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Insbesondere
in Projektionsobjektiven für die Halbleiterlithographie,
wo eine effiziente und präzise Korrektur von Wellenfrontfehlern
besonders notwendig ist, zeigt die Erfindung erhebliches Verbesserungspotenzial.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste einfache Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
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2 eine
Ausführungsform der Erfindung, bei der verschieden Varianten
zur lokalen Beeinflussung der Temperatur des optischen Elements
exemplarisch gezeigt sind, und
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3 eine
Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie
mit einem erfindungsgemäßen optischen Element.
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1 zeigt
in einer Querschnittsdarstellung eine erste Ausführungsform
der Erfindung. Das optische Element 1 ist dabei als einfacher
Planspiegel mit einer reflektierenden Vorderseite 2 und
auf der Rückseite 3 des optischen Elements 1 angeordneten als
Peltierelemente ausgebildeten thermischen Aktuatoren 4 realisiert.
Die thermischen Aktuatoren 4 werden von der Steuerung 5 selektiv
angesteuert, so dass sich durch die entsprechende Wahl der Steuerspannungen
für jeden einzelnen Aktuator 4 eine gewünschte
Temperaturverteilung über die Gesamtfläche des
optischen Elementes 1 hinweg erreichen lässt.
Alternativ können die thermischen Aktuatoren 4 auch
als Widerstandsheizelemente ausge bildet sein.
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2 zeigt
ebenfalls in einer Querschnittsdarstellung eine beispielhafte Anordnung,
bei der verschiedene Möglichkeiten zur lokalen Beeinflussung
der Temperatur des optischen Elements 1 aufgezeigt sind.
Das in 2 dargestellte optische Element 1 weist
ein auf seiner Vorderseite 2 angeordnetes Substrat 6 auf,
das für die Nutzstrahlung, das heißt die Strahlung
die im bestimmungsgemäßen Betrieb auf das optische
Element 1 einfällt, weitgehend transparent ist.
Diese Vorgehensweise hat den Effekt, dass zusätzlich zu
der thermisch verursachten Deformation der auf der Vorderseite 2 des
optischen Elementes 1 angeordneten reflektiven Oberfläche, ein
weiterer thermisch induzierter Effekt zur Beeinflussung der optischen
Eigenschaften des optischen Elements 1 hinzukommt: Aufgrund
der sich ändernden Temperatur ändert sich lokal
in dem Substrat 6 die Dichte und damit der Brechungsindex,
so dass die optische Wirkung der sich lokal ändernden Temperatur
im optischen Element 1 und damit im Substrat 6 verstärkt.
Eine weitere Verstärkung der Wirkung der Temperaturänderung
lässt sich dadurch erreichen, dass alternativ oder zusätzlich
zu dem Substrat 6 mittelbar beziehungsweise unmittelbar
an der Vorderseite 2 des optischen Elementes 1 das
weitere optische Element 14, das im Beispiel der 2 als
Linse ausgebildet ist, angeordnet ist. An der Rückseite 3 des
optischen Elementes 1 sind verschiedene thermische Aktuatoren
angeordnet. So ist beispielsweise im oberen Bereich der 2 ein
Peltier-element 41 im Bereich der Rückseite 3 des
optischen Elementes 1 angeordnet; das Peltierelement 41 wird
dabei von der Steuerung 5 angesteuert. Zwischen dem Peltierelement 41 und
der Rückseite 3 des optischen Elementes 1 befindet
sich ein luftgefüllter Spalt 7, in dem eine als
flächige Platte ausgebildete Wärmesenke 9 angeordnet
ist. Alternativ kann der Spalt auch von einer Flüssigkeit
ausgefüllt sein. Die Wärmesenke 9 führt
ständig Wärme aus dem Bereich der Rückseite 3 des
optischen Elementes 1 ab; das heißt, dass die Solltemperatur
beispielsweise im Bereich des Peltierelementes 41 lediglich
durch ein gesteuertes beziehungsweise geregeltes Heizen des Peltierelementes 41 erfolgt.
Als weitere Variante eines thermischen Aktuators ist in 2 die
Gasdüse 44 angeordnet, die im vorliegenden Beispiel
auf die Wärmesenke 9 gerichtet ist. Dabei steht
die Gasdüse 44 mit der Gasversorgung 8 in
Verbindung, die ebenfalls von der Steuerung 5 angesteuert
wird. Dabei kann die Gasdüse 44 schwenkbar ausgebildet
sein, so das der aus der Gasdüse 44 austretende
Gasstrom auf vorbestimmte Stellen auf der Rückseite 3 des
optischen Elementes 1 gerichtet werden kann.
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Ferner
ist an der Rückseite 3 des optischen Elementes 1 ein
weiterer, als LED 42 ausgebildeter thermischer Aktuator
angeordnet, wobei die von der LED emittierte elektromagnetische
Strahlung durch das Umlenkelement 10, das – wie
auch die LED 42 – von der Steuerung 5 gesteuert
wird, in die gewünschten Bereiche der Rückseite 3 des
optischen Elementes 1 gelenkt wird. Die Strahlrichtung
ist durch den gestrichelten Pfeil 15 angedeutet.
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Schließlich
sind im unteren Bereich des optischen Elementes 1 an dessen
Rückseite 3 mehrere als Array angeordnete LED's 43 positioniert,
durch deren gezielte Ansteuerung eine gewünschte Temperaturverteilung
eingestellt werden kann. Auch die als Array angeordneten LED's 43 werden
von der Steuerung 5 angesteuert.
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An
der Rückseite 3 des optischen Elementes 1 ist
in dem Bereich, der von der durch die LED's 42 bzw. 43 ausgesandten
elektromagnetischen Strahlung beaufschlagt wird, eine Beschichtung 13 angeordnet,
die für die von den LED's 42 und 43 ausgesandte
elektromagnetische Strahlung einen hohen Absorptionsgrad aufweist.
Auf diese Weise wird die Effizienz der thermischen Ansteuerung des
optischen Elementes 1 durch elektromagnetische Strahlung weiter
verbessert.
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In 2 sind
die verschiedenen Möglichkeiten, die Temperatur des optischen
Elementes lokal zu beeinflussen, exemplarisch anhand eines einzigen optischen
Elementes illustriert. Selbstverständlich sind erfindungsgemäße
optische Elemente denkbar, bei denen lediglich eine der anhand 2 beschriebenen
Möglichkeiten zur Anwendung kommen.
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In 3 ist
eine Projektionsbelichtungsanlage 16 für die Halbleiterlithographie,
in die die beschriebene Vorrichtung integriert ist, dargestellt.
Diese dient zur Belichtung von Strukturen auf ein mit photosensitiven
Materialien beschichtetes Substrat, welches im allgemeinen überwiegend
aus Silizium besteht und als Wafer 17 bezeichnet wird,
zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie z. B. Computerchips.
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Die
Projektionsbelichtungsanlage 16 besteht dabei im wesentlichen
aus einer Beleuchtungseinrichtung 18, einer Einrichtung 19 zur
Aufnahme und exakten Positionierung einer mit einer Struktur versehenen
Maske, einem sogenannten Reticle 20, durch welches die
späteren Strukturen auf dem Wafer 17 bestimmt
werden, einer Einrichtung 21 zur Halterung, Bewegung und
exakten Positionierung eben dieses Wafers 17 und einer
Abbildungseinrichtung, nämlich einem Projektionsobjektiv 22,
mit mehreren optischen Elementen 23, die über
Fassungen 24 in einem Objektivgehäuse 25 des
Projektionsobjektives 22 gelagert sind.
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Das
grundsätzliche Funktionsprinzip sieht dabei vor, dass die
in das Reticle 20 eingebrachten Strukturen auf den Wafer 17 abgebildet
werden; die Abbildung wird in der Regel verkleinernd ausgeführt.
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Nach
einer erfolgten Belichtung wird der Wafer 17 in Pfeilrichtung
weiterbewegt, sodass auf demselben Wafer 17 eine Vielzahl
von einzelnen Feldern, jeweils mit der durch das Reticle 20 vorgegebenen Struktur,
belichtet wird. Aufgrund der schrittweisen Vorschubbewegung des
Wafers 17 in der Projektionsbelichtungsanlage 16 wird
diese häufig auch als Stepper bezeichnet.
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Die
Beleuchtungseinrichtung 18 stellt einen für die
Abbildung des Reticles 20 auf dem Wafer 17 benötigten
Projektionsstrahl 26, beispielsweise Licht oder eine ähnliche
elektromagnetische Strahlung, bereit. Als Quelle für diese
Strahlung kann ein Laser oder dergleichen Verwendung finden. Die
Strahlung wird in der Beleuchtungseinrichtung 18 über
optische Elemente so geformt, dass der Projektionsstrahl 26 beim
Auftreffen auf das Reticle 20 die gewünschten Eigenschaften
hinsichtlich Durchmesser, Polarisation, Form der Wellenfront und
dergleichen aufweist.
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Über
die Strahlen 26 wird ein Bild des Reticles 20 erzeugt
und von dem Projektionsobjektiv 22 entsprechend verkleinert
auf den Wafer 17 übertragen, wie bereits vorstehend
erläutert wurde. Das Projektionsobjektiv 22 weist
eine Vielzahl von einzelnen refraktiven, diffraktiven und/oder reflexiven
optischen Elementen 23, wie z. B. Linsen, Spiegeln, Prismen, Abschlussplatten
und dergleichen auf. Daneben ist in dem Projektionsobjektiv 22 die
erfindungsgemäße Vorrichtung 50 integriert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0018269
A1 [0004]
- - EP 0678768 A2 [0005]