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Die
Erfindung betrifft einen Manipulator zur Positionierung eines optischen
Elementes in mehreren räumlichen Freiheitsgraden, wobei
der Manipulator mehrere Aktuatoren zur Bewegung des optischen Elementes
in jeweils einem räumlichen Freiheitsgrad und mehrere Sensoren
zur Bestimmung der Position des optischen Elementes in jeweils einem
räumlichen Freiheitsgrad enthält.
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Weiter
betrifft die Erfindung eine Projektionsbelichtungsanlage für
die Mikrolithographie, welche einen Manipulator obiger Art enthält.
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Aktuelle
Projektionsbelichtungsanlagen für die Mikrolithographie,
im weiteren kurz:
Projektionsbelichtungsanlagen, sind mit Manipulationsmöglichkeiten
ausgestattet, welche gewährleisten, dass die Funktionstüchtigkeit
der Anlage über Ihre Lebensdauer erhalten bleibt. So führt
beispielsweise die Beaufschlagung der optischen Elemente einer in
der Projektionsbelichtungsanlage beinhalteten Projektionsoptik mit
Projektionslicht zur Erwärmung dieser optischen Elemente
und damit zur Veränderung der optischen Eigenschaften dieser
optischen Elemente. Diese Veränderung der optischen Eigenschaften
führt im Allgemeinen zu einer Verschlechterung der Abbildungsleistung
der Projektionsoptik und damit der Projektionsbelichtungsanlage.
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Daher
sind einige der optischen Elemente der Projektionsoptik mit Manipulationsmöglichkeiten ausgestattet,
welche entweder Ihre relative Lage bezüglich anderer optischer
Elemente der Projektionsoptik oder ihre Form oder, im Falle eines
refraktiven optischen Elementes, ihren Brechungsindex global oder
lokal verändern.
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Beispielsweise
wird in der
EP 678768
A2 eine Linse in ihrer Form verändert oder durch
Wärmebeaufschlagung in ihren Brechungsindex verändert,
so dass Sie eine, von Ihrer ursprünglichen Wirkung abweichende,
optische Wirkung zeigt. In der
EP 851304 A2 ist ein Paar von asphärisierten
Planplatten vorgesehen, sogenannten Alvarez-Platten, welche in einer
vorgegebenen, räumlichen Nullstellung zueinander keine
optische Wirkung zeigen, welche jedoch bei einer translatorischen
Relativbewegung zueinander eine vorher berechnete, optische Wirkung
zeigen. Weiter zeigen
US
2003/0063268 A1 , sowie
US 6191898 B1 die Manipulation optischer Elemente
in Projektionsoptiken, wobei die optischen Elemente durch Manipulatoren
in Richtung einer optischen Achse oder orthogonal dazu verschoben
werden, so das sich durch diese Relativbewegung zu weiteren optischen
Elementen, welche der Projektionsoptik angehören, eine
optische Wirkung einstellt. Schließlich zeigt die
WO 2007/062794 A1 die
Manipulation eines optischen Elementes einer Projektionsoptik, wobei
die Projektionsoptik eine optische Achse enthält. Hierbei
wird das optische Element in fünf räumlichen Freiheitsgraden
bewegt: Verschiebung in Richtung der optischen Achse, zwei Verschiebungen
senkrecht dazu, und zwei Rotationsbewegungen um Achsen, welche nicht
der optischen Achse entsprechen.
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Beispielsweise
die hochgenaue Positionierung eines optischen Elementes wird in
der Regel durch einen Manipulator bewerkstelligt, welcher einen
oder mehrere Aktuatoren enthält. Typen von derartigen Aktuatoren
sind Lorenz-Aktuatoren, man vergleiche
US 20090086177 A1 , insbesondere
den dortigen Abschnitt [0005], magnetische Aktuatoren, man vergleiche
WO 2006079537 A2 ,
Piezo-Aktuatoren, man vergleiche
WO 2008022797 A1 , oder
US 6229657 B1 und kapazitive
Aktuatoren, man vergleiche
US
7304718 B2 .
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Bei
einigen Typen von Manipulatoren, wie beispielsweise den Piezo-Elementen
aus
WO 2008022797
A1 , sind diese Piezo-Elemente sowohl als Aktuatoren als
auch als Sensoren einsetzbar.
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Bei
Aktuatoren, welche die Lage des optischen Elementes bezüglich
eines räumlichen Freiheitsgrades (Translation oder Rotation)
verändern, entsteht das Problem, der Positionsbestimmung
des optischen Elementes nach Betätigung des Manipulators
bzw. seiner Aktuatoren. Generell gibt es hierzu drei Lösungen
des Problems: (i) man misst die Auslenkung der Aktuatoren an diesen
selbst und schließt dadurch auf die Position des optischen
Elementes, (ii) man schließt aus der Ansteuerung der Aktuatoren auf
deren Auslenkung und dadurch wiederum auf die Position des optischen
Elementes, (iii) man verwendet, unabhängig von den Aktuatoren,
Sensoren, welche die räumliche Lage des optischen Elementes nach
seiner Auslenkung durch den Manipulator neu bestimmen.
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Bei
der Lösung (i) stellt sich das Problem, dass Aktuatoren
wie Lorenz-Aktuatoren, magnetische Aktuatoren, Piezo-Aktuatoren,
und kapazitive Aktuatoren in einer sehr feinen Auflösung
ausgelenkt werden können. Eine direkte Messung Ihrer Position am
Aktuator selbst erreicht hingegen in der Regel nicht die gleiche
Auflösung, oder diese zu erzielen ist sehr aufwendig und
teuer. Weiter muss bei dieser Lösung der Sensor, welcher
die Auslenkung des Aktuators misst, mindestens den gleichen Messbereich
haben wie der Aktuator maximal ausgelenkt werden kann. Bei der Lösung
(ii) stehen Hysteresereffekte einem genauen Rückschluss
von Ansteuerung der Aktuatoren auf deren Auslenkung im Wege. Diese
werden beispielsweise durch Hysterese im elektromagnetischen Sinne
oder durch Setzung einzelner Bauteile des Manipulators verursacht.
Bei der Lösung (iii) sind Sensoren, die eine entsprechend
den Aktuatoren genaue Auflösung leisten, entweder sehr
teuer oder die Lösung verbietet sich durch den zusätzlich zu
den Aktuatoren zu beanspruchenden Bauraum.
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Es
besteht daher der Bedarf an einer baulich einfachen Anordnung von
Sensoren innerhalb eines Manipulators, so dass diese die Lage des
optischen Elementes nach der Auslenkung des Manipulators bestimmen.
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Erfindungsgemäß wird
dies durch die folgenden Manipulatoren geleistet.
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Der
Einfachheit halber sind die Erfindung und Ihre untergeordneten Ausführungsformen
als Sätze formuliert. Nach jedem Satz wird der Vorteil
der diesem zugrunde liegender Ausführungsform erläutert.
- 1. Manipulator zur Positionierung eines optischen Elementes
in mehreren räumlichen Freiheitsgraden, der Manipulator
beinhaltend mehrere Aktuatoren zur Bewegung des optischen Elementes
in jeweils mindestens einem räumlichen Freiheitsgrad, Sensoren
zur Bestimmung der Position des optischen Elementes bezüglich
der obigen räumlichen Freiheitsgrade, wobei einer der Aktuatoren ein
mit dem optischen Element fest verbundenes Kopplungselement enthält,
und die Position des optischen Elementes bezüglich der
obigen räumlichen Freiheitsgrade durch die Bestimmung der Position
des Kopplungselementes bezüglich der obigen räumlichen
Freiheitsgrade durch die Sensoren bestimmbar ist.
Durch diese
Anordnung der Sensoren zur Bestimmung der Position des optischen
Elementes bezüglich der räumlichen Freiheitsgrade
an dem Kopplungselement, welches mit dem optische Element fest verbunden
ist, kann durch die Lagebestimmung des Kopplungselementes auf die Lage
des optischen Elementes bzgl. der räumlichen Freiheitsgrade
rückgeschlossen werden. Da das Kopplungselement ein Teil
eines Aktuators ist, ergibt sich so eine baulich einfache Integration der
Sensoren in den Manipulator.
- 2. Manipulator nach Satz 1, wobei die obigen räumlichen
Freiheitsgrade mindestens einen translatorischen und mindestens
einen rotatorischen Freiheitgrad beinhalten.
Satz 2 zeigt,
dass die Integration der Sensoren gemäß Satz 1
für die Klasse von Manipulatoren, welche mindestens einen
translatorischen und mindestens einen rotatorischen räumlichen
Freiheitsgrad beinhalten, wie beispielsweise in der WO 2007/062794 A1 gezeigt,
einsetzbar ist.
- 3. Manipulator nach einem der obigen Sätze, wobei es
sich bei den Aktuatoren um mindestens zwei verschiedene Typen aus
der Menge: Lorentz-Aktuatoren, magnetische Aktuatoren, Piezo-Aktuatoren
oder kapazitive Aktuatoren handelt.
Satz 3 zeigt, dass die
Integration der Sensoren gemäß Satz 1 oder Satz
2 für die Typen von Aktuatoren, die für die Bewegung
von optischen Elementen in Projektionsoptiken vorzugsweise verwendet
werden, unabhängig vom Typ einsetzbar ist.
- 4. Manipulator nach einem der obigen Sätze, wobei mindestens
ein Aktuator passiver Natur ist, insbesondere ein Gravitationkompensator
oder Schwingungskompensator ist.
Das erfindungsgemäße
Aktuator/Sensorkonzept ist sowohl für aktive Aktuatoren,
welchen ein optisches Element explizit bezüglich einer
räumlichen Dimension eines räumlichen Freiheitsgrades
auslenken sollen geeignet, wie es auch für passive Aktuatoren
geeignet ist, welche lediglich zur Kompensation der Gravitation,
man vergleiche US 2009066168
A1 oder zur Kompensation von Schwingungen, man vergleiche US 6700715 B2 , vorgesehen
sind, und welche nicht zu einer aktiven, d. h. beliebig festlegbaren
Bewegung des optischen Elementes in einem räumlichen Freiheitsgrad
vorgesehen sind.
- 5. Manipulator nach einem der obigen Sätze, wobei die
Sensoren absolut messende oder inkrementell messende sind.
Der
erfindungsgemäße Manipulator hat die Variabilität,
sowohl mit absolut messenden als auch mit inkrementell messenden
Sensoren ausgestattet werden zu sein.
- 6. Manipulator nach einem der obigen Sätze, wobei es
sich bei mindestens einem Sensor um einen vom Typ: Piezo-Sensor,
kapazitiver Sensor, Encoder, oder Hall Sensor, oder Taster, oder
Wirbelstromsensor handelt.
Ebenso wie die Aktuatoren kann es
sich auch bei den Sensoren um sehr fein auflösende vom
Typ: Piezo-Sensor, kapazitiver Sensor, Encoder, man vergleiche US 2008062432 A1 ,
Hall-Sensoren, oder Taster, oder Wirbelstromsensoren, man vergleiche WO 200200115 A1 ,
handeln. Alle diese können erfindungsgemäß eingesetzt
werden, was die Variabilität der Erfindung zeigt.
- 7. Manipulator nach einem der obigen Sätze, wobei mindestens
ein Sensor ein Referenzelement enthält, welches fest mit
dem Kopplungselement verbunden ist.
Enthält mindestens
ein Sensor ein Referenzelement, welches fest mit dem Kopplungselement verbunden
ist, so lässt sich a priori die Ungenauigkeit der Lagebestimmung
bzgl. der räumlichen Freiheitsgrade vermeiden, die durch
eine Fehljustage dieses Sensors relativ zum Kopplungselement von
Natur aus gegeben wäre.
- 8. Manipulator nach dem obigen Satz 7, wobei es sich bei dem
Referenzelement um eine Strichplatte, einen Magneten, oder einen
Kondensator, oder eine metallische Targetfläche für
einen Wirbelstromsensor handelt.
Handelt es sich bei einem
Sensor um einen kapazitiven Sensor, so ist als Referenzelement ein Kondensator,
bzw. eine Kondensatorplatte geeignet. Handelt es sich um einen Encoder,
so ist eine Strichplatte als Referenzelement geeignet, handelt es
sich um einen Hall-Sensor, so ist ein als Referenzelement ein Magnet
geeignet, handelt es sich um einen Wirbelstromsensor, so ist als
Referenzelement eine metallische Targetfläche geeignet.
Daher ist der Vorteil der Ausführung nach Satz 8 für
eine große Menge von erfindungsgemäß verwendbaren
Sensoren gegeben.
- 9. Manipulator nach einem der obigen Sätze, wobei das
optische Element ein Spiegel ist.
- 10. Manipulator nach dem Satz 9, wobei der Spiegel aus einem
reflektierenden Schichtsystem und einem Träger besteht,
und wobei das Kopplungselement mit dem Träger einstückig
ausgebildet, oder das Kopplungslement an den Träger angesprengt,
oder geklebt, oder geschraubt ist.
Besteht das optische Element
aus einem Spiegel, welcher wiederum aus einem reflektierenden Schichtsystem
und einem Träger besteht, so ist die einstückige
Ausbildung des Kopplungselementes mit dem Träger, oder
seine Ansprengung, Klebung oder Schraubung an den Träger
vorteilhaft, da dadurch die Lageposition des Kopplungselementes
zu dem optischen Element bei der Manipulation des optischen Elementes
unverändert bleibt.
- 11. Manipulator nach dem obigen Satz 10, wobei das Kopplungselement
an die von dem reflektierenden Schichtsystem abgewandte Seite des
Trägers angebunden ist.
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Durch
die Anordnung des Kopplungselement auf die von dem reflektierenden
Schichtsystem abgewandte Seite des Trägers ist eine Beeinträchtigung der
optischen Eigenschaften des Spiegels durch das Kopplungselement
ausgeschlossen.
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Die
Erfindung erstreckt sich von dem erfindungsgemäßen
Manipulator auf die Projektionsbelichtungsanlage für die
Mikrolithographie, welche einen erfindungsgemäßen
Manipulator enthält.
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Die
Erfindung wir anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele
mit den begleitenden Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt
einen Manipulator mit zwei translatorischen und einem rotatorischen
Freiheitsgrad und drei aktiven Aktuatoren und drei Sensoren.
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2 zeigt
einen Manipulator mit drei translatorischen Freiheitsgraden, zwei
aktiven Aktuatoren, einem passiven Aktuator und drei Sensoren.
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3 zeigt
einen Ausschnitt von 2 in einer anderen Perspektive
als 2.
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4 zeigt
einen weiteren Ausschnitt von 2 in einer
anderen Perspektive als 2.
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5 zeigt
eine zu 4 alternative Ausführungsform.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Manipulator 10,
welcher das optische Element 11, welches als Spiegel ausgeführt
ist, in zwei translatorischen und einem rotatorischen Freiheitsgrad
bewegen kann. Die relative räumliche Lageposition zu anderen
Elementen der Projektionsoptik ist durch ein Koordinatensystem 120 mit
den Koordinatenachsen x, y und z dargestellt. Die Darstellung des
Manipulators 10 und des Spiegels 11 ist ein Schnitt
in der (x, z)-Ebene. Der Spiegel 11 besteht aus einem System von
nicht-äquidistanten Schichten 12. Dieses System von
Schichten befindet sich auf einem Träger 13. Der Manipulator
enthält drei aktive Aktuatoren 14, 15, 16, welche
insgesamt die räumliche Position des Spiegels in drei Freiheitsgraden
verändern können. Der Manipulator 14 übt
eine Kraft 18 in Richtung z auf den Träger 13 aus,
der Manipulator 16 übt eine Kraft 19 in Richtung
x auf den Träger 13 aus. Der Aktuator 15 enthält
das erfindungsgemäße Kopplungselement 110 und
in ihm wird eine Kraft 17 auf das Kopplungselement 110 ausgeübt,
welches an der Stelle 111 an den Träger 13 angesprengt
ist. An dem Kopplungselement 110 sind zwei kapazitive Sensoren 112, 114 und
ein Encoder 113 angeordnet, welche die Position des Kopplungselementes 110 und
damit die des Trägers 13 bzw. Spiegels 11 zusammen
in drei räumlichen Freiheitsgraden bestimmen. Wird der
Aktuator 16 angesteuert, so findet eine Translation des
Spiegels 11 in Richtung x statt, welche durch einen kapazitiven
Sensor 112 oder 114 ermittelt werden kann. Werden
die Aktuatoren 14 und 15 gleichartig aktuiert, so
findet eine Translation des Spiegels 11 in Richtung z statt.
Diese kann durch den Encoder 113 inkrementell ermittelt
werden. Werden die Aktuatoren 14 und 15 nicht
gleichartig angesteuert, so findet zusätzlich zu einer
z-Verschiebung eine Rotation um die Achse y statt, welche durch
die kapazitiven Sensoren 112 und 114 gemeinsam
in ihrer Größe bestimmt werden kann. Das Kopplungselement 110 ist
hierbei auf der Seite des Trägers angeordnet, welche dem
Schichtsystem und damit dem optisch wirksamen Teil des Spiegels
abgewandt ist, so dass sich keine optische Beeinflussung des Spiegels 11 durch
das Kopplungselement 110 ergibt.
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2 zeigt
einen erfindungsgemäßen Manipulator 20,
bei dem das optische Element 21 ebenfalls als Spiegel ausgeführt
ist. Die relative räumliche Lageposition zu anderen Elementen
der Projektionsoptik ist ebenfalls durch ein Koordinatensystem 220 mit
den Koordinatenachsen x, y und z dargestellt. Die Darstellung des
Manipulators 20 und des Spiegels 21 ist ein Schnitt
in der (x, z)-Ebene. Der Spiegel 21 besteht aus einem System
von äquidistanten Schichten 22. Dieses System
von Schichten 22 befindet sich auf einem Träger 23.
Der Manipulator 20 enthält zwei aktive Aktuatoren 24, 25 und
einen weiteren, hier nicht dargestellten, aktiven Manipulator welche
insgesamt die räumliche Position des Spiegels in den drei
translatorischen Freiheitsgraden x, y, und z verändern.
Ein weiterer, passiver Manipulator 26 dient zur Kompensation
der Schwerkraft, welche z entgegen gerichtet ist. Der Manipulator 24 übt
eine Kraft 228 in Richtung auf den Träger 23 aus,
welche eine x-, eine y, und eine z-Komponente enthält,
wobei die z-Komponente in Verhältnis zu der x- als auch
zu der y-Komponente relativ gering ist. Der Manipulator 25 übt
eine Kraft 229 in Richtung auf den Träger 23 aus, welche
eine x-, eine y, und eine z-Komponente enthält, wobei die
z-Komponente in Verhältnis zu der x- als auch zu der y-Komponente
relativ gering ist. Das gleiche gilt für den nicht dargestellt,
dritten Aktuator. Der Aktuator 26 enthält das
erfindungsgemäße Kopplungselement 211 und
in ihm wird eine Kraft 227 auf das Kopplungselement 211 ausgeübt,
welches einstückig mit dem Träger 13 ausgeführt
ist. An dem Kopplungselement 211 sind drei Hall-Sensoren 212, 213 und 214 angeordnet,
welche die Position des Kopplungselementes 211 und damit
die des Trägers 23 bzw. Spiegels 21 zusammen
in den drei translatorischen räumlichen Freiheitsgraden
x, y, und z bestimmen. Durch die Aktuatoren 24 und 25 und
den nicht dargestellten Aktuator ist eine beliebige Translation
des Spiegels 21 in Richtung x und in Richtung y möglich, welche
mit einer parasitären Translation des Spiegels in Richtung
z überlagert wird. Gleichzeitig wird die Gewichtskraft
des Spiegels in Richtung -z durch den Aktuator 26 kompensiert.
Durch die drei Hall-Sensoren wird die Bewegung in x-Richtung und in
y-Richtung, sowie die parasitäre Bewegung in z-Richtung,
die nicht durch den passiven Gravitationskompensator 26 kompensiert
wird, gemessen. Das Kopplungselement 110 ist hierbei auf
der Seite des Trägers angeordnet, welche dem Schichtsystem und
damit dem optisch wirksamen Teil des Spiegels abgewandt ist.
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3 zeigt
eine Aufsicht des Manipulators 20 aus 2 zusammen
mit dem Spiegel 21 der 2 in einem
Schnitt in der (x, y)-Ebene. Die Aktuaoren 24, 25 und
der nicht dargestellte Aktuator der 2 entsprechen
hier den Aktuatoren 324 und 325, sowie 328.
Diese sind jeweils 120° versetzt und teilweise unterhalb
des Spiegels 321 angeordnet.
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4 zeigt
die Anordnung der Hall-Sensoren 412, 413 und 414 um
das Kopplungselement 411 aus 2 in einem
Schnitt in der (x, y)-Ebene.
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5 zeigt
eine alternative Anordnung der Hall-Sensoren 512, 513 und 514,
welche auch innerhalb des Kopplungselementes 511 angeordnet
sein können, wobei letzteres in diesem Fall als Zylinder ausgeführt
ist.
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 678768
A2 [0005]
- - EP 851304 A2 [0005]
- - US 2003/0063268 A1 [0005]
- - US 6191898 B1 [0005]
- - WO 2007/062794 A1 [0005, 0012]
- - US 20090086177 A1 [0006]
- - WO 2006079537 A2 [0006]
- - WO 2008022797 A1 [0006, 0007]
- - US 6229657 B1 [0006]
- - US 7304718 B2 [0006]
- - US 2009066168 A1 [0012]
- - US 6700715 B2 [0012]
- - US 2008062432 A1 [0012]
- - WO 200200115 A1 [0012]