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Diese
Patentschrift betrifft eine Hochstabile Optik und ein Verfahren
zu deren Herstellung.
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In
der Lithographie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen werden
durch Scanner oder Stepper die Strukturen von Retikeln, welche auch
synonym als Maske bezeichnet werden, auf Wafer projiziert, welche
mit einer lichtempfindlichen Schicht, dem Resist, beschichtet sind.
Bei Maskeninspektionsmikroskopen bzw. Positionsmessvorrichtungen wird
die Struktur eines Retikels mit Hilfe von Optiken auf einen lichtempfindlichen
ortsaufgelösten Bildaufnehmer, wie beispielsweise einen
CCD-Chip (Charge Coupled Device), projiziert. Bei Scannern, Stepper, Maskeninspektionsmikroskopen
und Positionsmessvorrichtungen werden Optiken verwendet, die eine hohe
Abbildungstreue aufweisen müssen.
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Die
hochgenaue Positionsvermessung wird auch als „Registration” oder „Photomask
Pattern Placement” (PPPM) bezeichnet. Es werden spezielle „Registration
Pattern” auf den Masken, wie beispielsweise Kreuze oder
Winkel mit vorgegebenen Soll-Positionen oder „Alignment
Marken” zum Ausrichten der Position der Maske gegenüber
einer Positionsmessvorrichtung vermessen. Es werden auch Positionen
von Elementen genutzter Strukturen der Maske vermessen. Dies wird
als „Real Pattern Registration” bezeichnet.
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Die
Vermessung der Masken ist eine unabdingbare Voraussetzung dafür,
im Schreibprozess der Masken mit Elektronenstrahlschreibern die
Positionsgenauigkeit der Strukturen auf der Maske überhaupt
zu ermöglichen. Weiterhin ermöglicht die Vermessung
der Strukturen eines bestehenden Maskensatzes, die Abweichung der
Strukturpositionen der verschiedenen Masken für die einzelnen
lithographischen Schichten zueinander zu qualifizieren. Diese Abweichung
der Strukturpositionen von Maske zu Maske wird auch als „Overlay” bezeichnet.
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Mit
der Verkleinerung der Maskenstrukturen von Technologieknoten zu
Technologieknoten nehmen auch die Anforderungen an die Positionsvermessung
der Maskenstrukturen stetig zu. Durch Technologien wie Doppelstrukturierung
erhöhen sich die Anforderungen an das Masken-zu-Masken-Overlay
und damit an die Strukturpositionierung darüber hinaus
deutlich.
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Scannern,
Stepper, Maskeninspektionsmikroskopen und Positionsmessvorrichtungen
sind äußerst empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen.
Es werden Vorkehrungen getroffen, Messungenauigkeiten, die von unterschiedlicher
Ausdehnung unterschiedlicher Materialien verursacht werden zu minimieren.
So ist im Bereich des Tisches d. h. der „Stage”,
auf welcher die Maske zur Vermessung liegt und in die gewünschte
Position verfahren wird, eine Temperierung der Luft auf wenige mK
genau erforderlich.
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Temperaturschwankungen
können auch zu Abbildungsfehlern führen. Beispielsweise
können durch Veränderung der Lage von Optischen
Elementen einer Optik oder durch Spannungen innerhalb dieser Elemente
Abbildungsfehler auftreten. Die temperaturbedingte Veränderung
der Positionen der Linsen (insbesondere die Laterale Verschiebung
relativ zur Optischen Achse eines Objektivs) im Objektiv einer Positionsmessvorrichtung
kann zu einem sogenannten „Drift”, d. h. durch
Verschiebung der Abbildung zu Messfehlern bei der Positionsbestimmung führen.
Um die Veränderung der Positionen einzelner Linsen von
Objektiven (oder allgemein anderen Optiken), zu verhindern, werden
die Linsen über kraftentkoppelnde flexible Elemente beispielsweise
Federn oder elastische Klebstoffe gehalten. Diese sind jedoch aufwändig
in der Herstellung und nicht langzeitstabil. Zur weiteren Erhöhung
der Messgenauigkeit von Positionsmessvorrichtungen sind Objektive
mit einer möglichst geringen „Drift” bereitzustellen.
Die erforderliche Drift-Stabilität ist kleiner als < 0.1 nm.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer verbesserten
Optik, beispielsweise zum Einsatz in einer Positionsmessvorrichtung
und ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Erfindungsgemäß wird
eine hochstabile langzeit- und temperaturstabile Optik bereitgestellt. Diese
weist zumindest zwei Optische Elemente auf, die voneinander beabstandet
und starr zu einer Einheit verbunden sind, wobei die Einheit aus
Materialien mit den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten
ausgebildet ist.
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Die
Optik ist beispielsweise ein Objektiv, welches in einer Positionsmessvorrichtung
verwendet wird. Die Optischen Elemente können als refraktive Linsen
und/oder als Diffrakti ve Optische Elemente ausgebildet sein. Die
Optischen Elemente sind derart voneinander beabstandet, dass eine
Einheit bzw. die Optik die gewünschten optischen Eigenschaften
aufweist. Insbesondere können die Optischen Elemente längs
einer optischen Achse angeordnet sein. Eine Optik kann aus mehreren
Einheiten bestehen. Es ist auch möglich, dass die vollständige
Optik als eine Einheit ausgebildet ist. Eine Einheit kann auch aus
einem einzigen Material ausgebildet sein.
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Eine
als Objektiv ausgebildete erfindungsgemäße Optik
kann in einer Positionsmessvorrichtung zum Einsatz kommen. Das Objektiv
dient hier zur Abbildung zu vermessender Strukturelemente einer Maske
auf einen Bildaufnehmer. Durch das Hochstabile Objektiv werden Positionsveränderungen
oder weitere Abbildungsfehler, die durch Veränderungen der
Optischen Elemente des Objektivs verursacht werden, verringert.
Durch die starre Verbindung der optischen Elemente wird eine Veränderung über
die Zeit reduziert bzw. vermieden. Durch die Verwendung von Materialien
mit gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten werden temperaturbedingte Veränderungen
(insbesondere laterale Verschiebungen der Optischen Elemente) bzw.
Spannungen reduziert bzw. vermieden.
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Unter
gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten ist zu verstehen,
dass diese so nahe beieinander liegen, so dass bei den zu erwartenden Temperaturschwankungen,
welchen die Optik ausgesetzt wird, keine störenden Spannungen
in der Optik auftreten. D. h. das insbesondere die vorgegebene Drift-Stabilität
eingehalten wird.
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Die
thermischen Ausdehnungskoeffizienten können auch nahezu
den Wert null annehmen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Optischen Elemente
durch Fassungen in der Einheit fixiert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zumindest ein Optisches
Element und die das Optische Element fixierende Fassung aus dem gleichen
Material ausgebildet.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass die Ausdehnungskoeffizienten
der unterschiedlichen Bauteile identisch sind. Somit werden auch
bei Temperaturänderungen keine weiteren Spannungen in das
Optische Element eingebracht. Diese Maßnahmen können
mit Maßnahmen zur Verbindung der Bauteile kombiniert, die
wenig oder kein weiteres Material einbringen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eine der
Fassungen über eine Kontaktfläche mit dem zu fixierenden
Optischen Element verbunden, welche der Oberfläche des
optischen Elements angepasst ist.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass eine starre Verbindung zwischen
Optischem Element und Fassung erreicht wird. Die Verbindung kann
gänzlich ohne weitere Materialien zur Anpassung der Formen, wie
z. B. Kitt oder Klebstoff, oder mit äußerst geringen
Mengen derselben erfolgen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eines der
Optischen Elemente als konvexe Linse ausgebildet.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass beispielsweise in Verbindung
mit der Maßnahme, bei welcher die Kontaktfläche
der Fassung an das Optische Element angepasst wird, eine vergleichsweise einfache
Möglichkeit der Verbindung der Linse mit der Fassung besteht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eines der
Optischen Elemente und die das Optische Element fixierende Fassung monolithisch
ausgebildet.
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Bei
der monolithischen Herstellung des Optischen Elements und der Fassung
wird von einem einzigen Stück ausgegangen bzw. das Verbinden von
zwei Teilen wird vermieden. Diese Maßnahme hat den Vorteil,
dass keine Verbindungsflächen bzw. Grenzflächen
zwischen unterschiedlichen Bauteilen auftreten und der thermische
Ausdehnungskoeffizient der monolithischen Einheit konstant ist und
Spannungen vermieden werden. Somit werden auch bei Temperaturänderungen
keine weiteren Spannungen in das Optische Element eingebracht und
eine starre Verbindung wird erreicht.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest eines der
Optischen Elemente als konkave Linse ausgebildet.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass beispielsweise bei monolithischer
Ausbildung von Optischem Element und Fassung, eine einfache Herstellung
möglich ist. Damit kann bei geringem konstruktivem Aufwand
eine monolithische Einheit mit den vorstehend genannten Vorteilen
erreicht werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind zumindest zwei der
Optischen Elemente über zumindest einen Abstandhalter miteinander
verbunden.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass durch den Abstandhalter
der benötigte Abstand fest vorgegeben werden kann.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der Abstandhalter
und die Fassung aus demselben Material ausgebildet.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass auch bei Temperaturänderungen
keine weiteren Spannungen in die Einheit eingebracht werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind das zumindest eine
Optische Element, die das Optische Element fixierende Fassung und
der Abstandhalter aus dem gleichen Material, beispielsweise aus
Quarz, ausgebildet.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind das Optische Element,
und die Fassung und/oder die Fassung und der Abstandhalter aus gleichem
Material durch „optical contacting” oder Diffusionsschweißen
(„fusion bonding”) miteinander verbunden.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass bei diesen Arten der Verbindung
der Bauteile keine weiteren Materialien in Form von Klebstoff oder
Kitt zur Verbindung der Bauteile benötigt werden. Diese Maßnahmen
sind insbesondere dann von Vorteil, wenn Bauteile aus gleichen Materialien
verbunden werden.
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Ansprengen,
auch als „optical contacting” bezeichnet hat den
Vorteil, dass eine Verbindung, z. B. zu Zwecken der Justage oder
Korrektur, wieder gelöst werden kann. Siehe auch: Greco
V.: Optical contact and van der Waals interactions: the role of surface
topography in determining the bonding strentgth of thick glass plates,
J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 3 2001, 85–88.
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.„fusion
bonding” auch als Diffusionsschweißen bekannt,
erfolgt bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der zu verbindenden
Materialien. Siehe auch: Köhler, G.;, Emmrich,
R.; Köllner, H.-P.: Diffusionsschweissen extrem genauer Glas-Glas-Verbindungen,
Schweisstechnik 32(111982), 484–486. Es ermöglicht
Verbindungen von hoher Festigkeit, die aber zerstörungsfrei
nicht wieder getrennt werden können.
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Diese
Arten der Verbindung sind auch dann von Vorteil, wenn die Kontaktflächen
der zu verbindenden Bauteile möglichst genau und möglichst großflächig
aufeinanderpassen.
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Die
Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung einer Optik
umfassend die Schritte:
Festlegen von zumindest einem Maß des
zumindest einen Abstandhalters, bereitstellen des zumindest einen
Abstandhalters aus einem Material, das sich vom Material der Fassung
unterscheidet, optimieren der Maße des zumindest einen
Abstandhalters, ersetzen des zumindest einen Abstandhalters durch
einen weiteren Abstandhalter, der aus dem gleichen Material wie
die Fassung ausgebildet, dessen Maße den optimierten Maßen
entsprechen.
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Dieses
Verfahren ermöglicht die effiziente Herstellung von hochstabilen
Optiken. Sofern Abstandshalter aus dem gleichen Material wie die
Linse, meist Glas, bestehen, führt dies zu starren und
thermisch stabilen Optiken. Trotz Simulationen und genauer Festlegung
des Designs der Linsen vor dem Zusammenbau, kann nach dem ersten
Zusammenbau einer Optik eine Überprüfung der optischen
Eigenschaften und ggf. eine Korrektur erforderlich sein. Zur Korrektur
sind die Optischen Elemente gegebenenfalls nachzuarbeiten bzw. die
Maße der Abstandhalter zu korrigieren. Somit ist beim ersten
Zusammenbau eine reversible Verbindung der Optik durch Klebstoffe
oder durch Ansprengen („optical contacting”) vorteilhaft.
Sind die Maße der Abstandhalter zu korrigieren, ist dies
aufwändig, sofern diese aus Glas ausgebildet sind, welches
schwieriger zu bearbeiten ist. Somit ist es möglich für
den Zusammenbau für Messzwecke Abstandhalter aus leichter
zu bearbeitenden Materialien wie beispielsweise Metall. Es kann
ein Material ausgewählt werden, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
dem Material der Fassungen möglichst identisch ist. Es
können Legierungen zum Einsatz kommen, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient
dem verwendeten Glas angepasst ist.
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Das
weitere Material hat vorzugsweise einen gleichen bzw. einen ähnlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie die Optischen Elemente.
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Die
endgültige Verbindung des zumindest einen Abstandhalters
mit der zumindest einen Fassung erfolgt durch Ansprengen („optical
contacting”) oder Diffusionsschweißen („fusion
bonding”).
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird zumindest eine der
Formen der äußeren Flächen der Optischen
Elemente der Einheit durch „ion-beam figuring” verändert.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass eine Korrektur verbleibender
Bildfehler auch nach dem endgültigen Zusammenbau einer
Einheit ermöglicht wird.
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Es
versteht sich, dass die bisher genannten und die im Folgenden noch
zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in den
beschriebenen, sondern auch in weiteren Kombinationen oder einzeln Verwendung
finden können, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung
zu verlassen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand einiger ausgewählter
Ausführungsbeispiele und anhand der Zeichnung näher
beschrieben und erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
Eine Erfindungsgemäße Optik am Beispiel eines
Objektivs im Längsschnitt.
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Die
in 1 abgebildete Optik 1 umfasst als konvexe
Linsen ausgebildete Optische Elemente 5, 6 und 8 sowie
ein als konkave Linse ausgebildetes Optisches Element 9.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Optische
Element 9 als Diffraktives Optisches Element ausgebildet.
Alle Optischen Elemente 5 bis 9 sind längs
der Optischen Achse 2 angeordnet und bilden ein Objektiv.
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Die
Optischen Elemente 5, 6, 8 und 9 sind mit
den Fassungen 10, 11, 12, 13 und 14 verbunden. Die
Fassungen 10 bis 13 sind über die Abstandhalter 20, 21, 22 und 23 miteinander
Verbunden.
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Alle
optischen Elemente und Fassungen sind aus Quarzglas oder Calciumfluorid
ausgebildet.
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Die
konvexen Linsen 5, 6, 8 und 9 sind
durch Ansprengen, auch als „optical contacting” bezeichnet,
oder durch „fusion bonding”, welches auch als Diffusionsschweißen
bezeichnet wird, mit ihren Fassungen 10, 11 und 13 verbunden.
Die Kontaktflächen der Fassungen 10, 11, 13 und 14 sind
an die Oberfläche der Optischen Elemente 5, 6, 7, 8, 9 angepasst. Als
Beispiel ist die Kontaktfläche zwischen Linse 2 und
Fassung 10 mit dem Bezugszei chen 10a bezeichnet.
Die konkave Linse 7 und deren Fassung 12 ist monolithisch
ausgebildet.
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Beim
Ansprengen werden die passgenauen polierten Oberflächen
der zu verbindenden Teile mit organischen Lösungsmitteln,
wie beispielsweise Ethanol, gereinigt und aufeinandergepresst.
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Beim
Diffusionsschweißen werden die bereits angesprengten Teile
unter Druck erhitzt. Bei Quarzteilen wird auf ca. 900°C
erwärmt.
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In
einem der Ausführungsbeispiele sind alle Optischen Elemente 5 bis 9 über
die Fassungen 10 bis 14 und über die
Abstandhalter 20 bis 23 zu einer Einheit verbunden.
Die Abstandhalter 20 bis 23 sind durch Ansprengen
(„optical contacting”) oder Diffusionsschweißen
(„fusion bonding”) mit den Fassungen 10 bis 14 verbunden.
Die Kontaktflächen zwischen den Abstandhaltern und den
Fassungen sind als planare Flächen ausgebildet. Als Beispiel
ist die Kontaktfläche zwischen Fassung 10 und
Abstandhalter 20 mit dem Bezugszeichen 20a bezeichnet.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Optischen Elemente 5 und 6 über
die Fassungen 10 und 11 und über den
Abstandhalter 20 zu einer ersten Einheit 25 und
die Optischen Elemente 7 und 8 über die
Fassungen 12 und 13 und über den Abstandhalter 22 zu
einer zweiten Einheit 26 verbunden. Die Abstandhalter 20 und 22 innerhalb
der Einheiten 25 und 26 sind durch Ansprengen
(„optical contacting”) oder Diffusionsschweißen
(„fusion bonding”) verbunden. Die Einheiten 25 und 26 sind
durch Abstandhalter 21 miteinander verbunden, die aus Metal
hergestellt und mit den Fassungen 11 und 12 durch
Klebstoff verbunden sind.
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Für
Fassungen aus Quarzglas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von ca. 0.5 ppm/K oder aus Calciumfluorid mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von ca. 19 ppm/K, werden Abstandhalter
aus Legierungen mit angepasstem thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet.
Hier kommen Eisen-Nickel-Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung,
die auch unter dem Namen „Invar” bekannt sind,
zum Einsatz. Zur Verwendung mit Quarzglas eignet sich Invar 36 (Fe64Ni36)
mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 0,9 ppm/K.
Zur Verwendung mit Calciumfluo rid eignet sich eine Legierung der
Bezeichnung NiMn20-6 (Fe20Ni6Mn) mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von ca. 19 ppm/K.
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Zur
Herstellung einer Optik 1 werden zunächst die
Optischen Elemente 5 bis 9 durch „optical contacting” oder
Diffusionsschweißen („fusion bonding”)
mit den Fassungen 10 bis 14 verbunden. Dann werden
alle Fassungen bzw. die Fassungen einer Einheit 25 und 26 reversibel
unter Verwendung herkömmlicher Klebstoffe mit Abstandhaltern
aus Metall verbunden. Nun werden die optischen Eigenschaften der
Einheiten 25 und 26 bzw. des vollständigen
Objektivs 1 gemessen. Falls notwendig, werden die Einheiten
wieder zerlegt. Die Maße der Abstandhalter können
korrigiert werden. Die Optischen Elemente 5 bis 9 können
nachbearbeitet werden. Nach erneutem Zusammenbau werden die optischen
Eigenschaften wieder überprüft. Die Optimierung
wird fortgesetzt, bis die gewünschten optischen Eigenschaften
der Optik 1 bzw. der Einheiten 25 und 26 erreicht
sind. Dann werden die Abstandhalter 20, 21, 22 und 23 bzw.
nur die Abstandhalter 20, 22 und 23 sofern
die Einheiten 25 und 26 hergestellt werden, durch
weitere Abstandhalter der gleichen Maße aus Quarzglas, d.
h. dem gleichen Material wie Fassungen und Optische Elemente 5 bis 9,
ersetzt. Die Abstandhalter werden nun durch Ansprengen („optical
contacting”), oder Diffusionsschweißen („fusion
bonding”) mit den Fassungen verbunden.
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Abschließende
Korrekturen an den Einheiten bzw. der vollständigen Optik
können durch Korrektur der äußeren Flächen
der Optischen Elemente der Einheiten erreicht werden. Dies wird
durch „ion beam figuring” (Ionenstrahlbearbeitung)
durchgeführt.
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Die
Optik 1 ist als Objektiv für Licht der Wellenlänge λ =
193 nm ausgelegt und hat eine numerische Apertur von NA = 0,6.
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Das
Objektiv wird nun in eine Positionsmessvorrichtung eingebaut. Es
dient zur Abbildung von Strukturelementen einer Maske für
die Lithographie auf einem CCD-Chip, deren Positionen auf der Maske
bestimmt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Greco V.:
Optical contact and van der Waals interactions: the role of surface
topography in determining the bonding strentgth of thick glass plates, J.
Opt. A: Pure Appl. Opt. 3 2001, 85–88 [0032]
- - Köhler, G.;, Emmrich, R.; Köllner, H.-P.:
Diffusionsschweissen extrem genauer Glas-Glas-Verbindungen, Schweisstechnik
32(111982), 484–486 [0033]