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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausschneiden eines Rohlings
aus einer Boule eines Schlieren enthaltenden ULE-Materials, einen
Rohling, der insbesondere nach dem Verfahren aus der Boule geschnitten
wurde, sowie ein optisches Element, das insbesondere aus einem solchen
Rohling hergestellt wurde.
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In
Gläsern mit sehr geringer Ausdehnung, so genannten „Ultra-Low-Expansion(ULE)”-Gläsern,
die beispielsweise Titanoxid und Siliziumoxid enthalten. Hierbei
sind die Anteile an Titanoxid und Siliziumoxid so gewählt,
dass die Ausdehnung von Siliziumoxid auf molekularer Skala durch
die Kontraktion von Titandioxid gerade kompensiert wird, so dass
der Temperaturausdehnungskoeffizient des Glases im Mittel nahezu
exakt bei null liegt. In Bereichen mit unterschiedlichen Anteilen
von Titandioxid. Durch die Variation des Anteils von Titandioxid
bilden sich Schlieren, d. h. Inhomogenitäten in der Zusammensetzung des
Glases, die typischer Weise einen Abstand von ca. 0,5 bis 1 mm voneinander
haben und die im Wesentlichen parallel zueinander und entlang einer
gemeinsamen Vorzugsrichtung verlaufen.
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Zur
Herstellung eines solchen ULE-Glases werden z. B. in einer sich
drehenden Sammelschale eines feuerfesten Ofens Rußteilchen
abgeschieden, die sich zu einem hochreinen Glaskörper,
der so genannten Boule, verfestigen. Die Schale und damit die Boule
hat einen typischerweise kreisförmigen Durchmesser zwischen
ca. 0,2 und 2 Metern und eine Höhe von typischer Weise
zwischen ca. 2 cm und 20 cm. Die Schlieren verlaufen in der Boule
typischer Weise parallel zu den Stirnseiten, d. h. entlang einer Vorzugsrichtung
bzw. Vorzugsebene. Aus der Boule werden in der Regel mehrere Rohlinge
zur Herstellung einzelner optischer Elemente, insbesondere zur Verwendung
in der UV- und EUV-Lithographie geschnitten, wobei typischer Weise
die (Zylinder-achsen) der Rohlinge parallel zur Zylinderachse der Boule
ausgerichtet sind, um eine möglichst große Anzahl
von Rohlingen aus der Boule ausschneiden zu können.
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Bei
der Bearbeitung des Rohlings zur Herstellung von optischen Oberflächen,
die z. B. als Spiegelflächen für EUV-Spiegel dienen
können, wirken sich die in dem ULE-Material enthaltenen
Schlieren als Inhomogenitäten aus, die nicht oder nur mit sehr
großem Aufwand durch die typischen Oberflächenbearbeitungsverfahren
korrigiert werden können. Gegebenenfalls wird daher möglicherweise
erst am Ende der Prozesskette erkannt, dass die erforderliche Homogenität
der optischen Oberfläche nicht erreicht werden kann, d.
h. das optische Element Ausschuss ist.
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Zur
Verringerung der Zahl der Schlieren in einem ULE-Material wird in
der
DE 10 2006
060 362 A1 vorgeschlagen, eine Wärmebehandlung
des ULE-Glases bei Temperaturen oberhalb von 1600°C über
einen Zeitraum von 72–288 Stunden durchzuführen.
Hierdurch soll die Größe der Schlieren auf ca. 20%
vermindert werden können.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ausschneiden eines Rohlings
aus einer Boule eines Schlieren enthaltenden ULE-Materials so zu gestalten,
dass sich der Rohling für die Herstellung eines optischen
Elements leichter bearbeiten lässt, sowie einen entsprechenden
Rohling und ein entsprechendes optisches Element bereitzustellen.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten
Art, bei dem der Rohling so aus der Boule geschnitten wird, dass
eine Hauptachse des Rohlings unter einem Winkel zu einer Vorzugsrichtung
der Schlieren verläuft. Im Stand der Technik verläuft
die Richtung der Hauptachse (typischerweise: der Zylinderachse)
des Rohlings parallel zur Hauptachse der (typischerweise zylindrischen) Boule,
d. h. die Schnittrichtung entlang der Stirnseiten des Rohlings ist
parallel zur Vorzugsrichtung der Schlieren (engl. „striae”),
die wiederum parallel zur Längsrichtung, d. h. zu den Stirnseiten
der Boule verlaufen. Der Rohling wird somit mit seiner Hauptachse (Symmetrieachse)
senkrecht zur Vorzugsrichtung der Schlieren aus der Boule geschnitten.
Es versteht sich, dass im Sinne dieser Anmeldung „unter
einem Winkel zur Vorzugsrichtung” nur solche Winkel verstanden
werden, die von 0° und 90° verschieden sind.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass es bei der Bearbeitung des Rohlings
zur Bildung einer optischen Oberfläche mit hoher Oberflächengüte
ungünstig ist, wenn der Abstand der Schlieren an der optischen
Oberfläche über große Ortsfrequenzbereiche
streut, z. B. über einen Abstandsbereich zwischen 100 μm
und 10 mm. Eine derartige große Streuung tritt für
gewöhnlich an den (gekrümmten) optischen Oberflächen
des aus dem Rohling gefertigten optischen Elements auf, wenn der
Rohling so aus der Boule geschnitten wird, dass dessen Stirnseiten parallel
zu den Schlieren verlaufen.
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Erfindungsgemäß wird
daher vorgeschlagen, den Rohling so aus der Boule zu schneiden, dass
die Schlieren nicht parallel zu den Stirnseiten des Rohlings bzw.
senkrecht zur Hauptachse des Rohlings ausgerichtet sind, wobei die
Festlegung des Winkels zwischen Hauptachse und Vorzugsachse der
Schlieren u. a. von der Geometrie der optischen Oberfläche
des optischen Elements abhängt, das aus dem Rohling gefertigt
werden soll.
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In
einer Variante des Verfahrens werden der Winkel und die Orientierung
einer optischen Oberfläche eines aus dem Rohling zu fertigenden
optischen Elements so aufeinander abgestimmt, dass die Ortsfrequenz
bzw. der Abstand zwischen den Schlieren an der optischen Oberfläche
minimiert (Variante 1) oder maximiert (Variante 2) wird. Der Winkel
wird hierbei abhängig von der Krümmung der optischen Oberfläche
und der Verkippung der Hauptachse (bei einer asphärischen
Oberfläche der Asphärenachse) bezüglich
der in der Regel ebenen Rückseite des optischen Elements
so gewählt, dass möglichst wenige oder möglichst
viele Schlieren an der optischen Oberfläche auftreten.
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Im
ersten Fall kann die Oberfläche durch ortsaufgelöste
Korrekturverfahren zur Glättung im Bereich niederfrequenter
Ortsfrequenzen, z. B. Ionenstrahlbearbeiten oder Korrektur mit einem
Subaperturpolierwerkzeug so behandelt werden, dass diese die erforderlichen
Spezifikationen bezüglich der Oberflächengüte,
d. h. einen rms-Wert von 100 pm oder weniger, bevorzugt von 50 pm
oder weniger, insbesondere von 25 pm oder weniger im Ortsfrequenzbereich
größer 1 mm erfüllt.
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Im
zweiten Fall kann durch ein Glättungsverfahren, welches
zur Glättung bei hohen Ortsfrequenzen geeignet ist, z.
B. Polieren mit einem großflächigen Glättungswerkzeug,
die optische Oberfläche ebenfalls so behandelt werden,
dass diese die geforderten Spezifikationen hinsichtlich der Oberflächengüte
erfüllt.
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In
einer weiteren Variante werden der Winkel und die Orientierung einer
optischen Oberfläche eines aus dem Rohling zu fertigenden
optischen Elements so aufeinander abgestimmt, dass die Ortsfrequenz
der Schlieren an der optischen Oberfläche bei mehr als
1 mm, bevorzugt bei mehr als 3 mm, insbesondere bei mehr als 5 mm
liegt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die optische Oberfläche
so orientiert wird, dass die Erstreckung der optischen Oberfläche
senkrecht zur Vorzugsrichtung der Schlieren geeignet gewählt
wird, insbesondere möglichst klein ist. Eine optische Oberfläche
mit den oben angegebenen Abständen zwischen den Schlieren kann
durch Bearbeitung mit einem Oberflächenkorrekturverfahren,
z. B. durch Ionenstrahlbearbeiten (engl. „ion beam figuring”)
so korrigiert werden, dass diese die gewünschte Spezifikation
erfüllt.
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In
einer alternativen Variante werden der Winkel und die Orientierung
einer optischen Oberfläche eines aus dem Rohling zu fertigenden
optischen Elements so aufeinander abgestimmt, dass die Ortsfrequenz
der Schlieren an der optischen Oberfläche bei weniger als
200 μm, bevorzugt bei weniger als 100 μm liegt.
Durch geeignete Wahl des Schnittwinkels kann die Erstreckung der
optischen Oberfläche senkrecht zur Vorzugsrichtung der
Schlieren geeignet gewählt und insbesondere maximiert werden,
so dass eine hohe Anzahl von Schlieren an dieser auftritt, die mittels
eines Glättungsverfahrens (z. B. Polieren) für
den hochfrequenten Ortsfrequenzbereich, d. h. bei Ortsfrequenzen
von weniger als ca. 200 μm, behandelt werden kann, um die
gewünschte Spezifikation zu erreichen.
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In
einer weiteren Variante wird durch Bearbeiten des Rohlings ein optisches
Element mit einer bevorzugt gekrümmten optischen Oberfläche
erzeugt. Das optische Element kann insbesondere als Spiegelelement
für die EUV-Lithographie dienen. In diesem Fall wird auf
die optische Oberfläche eine Beschichtung aufgebracht,
deren Reflektivität für eine Arbeitswellenlänge
im EUV-Bereich, typischer Weise bei ca. 13,5 nm, optimiert ist.
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In
einer Weiterbildung dieser Variante wird die optische Oberfläche
mit einem ortsaufgelösten Oberflächenkorrekturverfahren,
insbesondere durch Ionenstrahlbearbeiten oder durch ortsaufgelöste Subaperturpolierwerkzeuge
insbesondere durch CCP, bearbeitet. Unter einem ortsaufgelösten
Oberflächenkorrekturverfahren wird hierbei ein Verfahren verstanden,
das geeignet ist, um eine Korrektur der optischen Oberfläche
bei Ortsfrequenzen von 1 mm oder darüber vorzunehmen.
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In
einer weiteren Weiterbildung dieser Variante wird die optische Oberfläche
mit einem Glättungsverfahren, insbesondere durch Polieren
durch Vollschalenglättung sowie durch Subaperturglättwerkzeuge
geglättet. Unter einem Glättungsverfahren wird
hierbei ein Verfahren verstanden, welches geeignet ist, eine Glättung
der optischen Oberfläche bei Ortsfrequenzen von weniger
als 2000 μm, insbesondere weniger als 1000 μm
vorzunehmen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einem Rohling
aus einem Schlieren enthaltenden ULE-Material, insbesondere hergestellt
durch ein Verfahren wie oben beschrieben, bei dem die Richtung der
Hauptachse unter einem Winkel zu einer Vorzugsrichtung der Schlieren
verläuft. Wie oben dargestellt ist es günstig,
wenn die Haupt- bzw. Symmetrieachse des in der Regel zylindrischen
Rohlings unter einem Winkel zur Vorzugsrichtung der Schlieren verläuft,
um den Abstand zwischen den Schlieren an der optischen Oberfläche
geeignet einzustellen. Durch die Verschiebung des Ortsfrequenzbereichs der
Schlieren in einen korrigier- bzw. glättbaren Bereich kommt
es auf die Intensität bzw. Ortsfrequenz der Schlieren in
der Boule bzw. in dem Rohling nicht mehr an bzw. diese spielt eine
untergeordnete Rolle für die Herstellung des optischen
Elements bzw. der optischen Oberfläche.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein optisches Element, welches
aus einem Rohling wie oben beschrieben hergestellt ist und bei welchem
die Ortsfrequenz der Schlieren an einer bevorzugt gekrümmten
optischen Oberfläche entweder bei weniger als 200 μm,
bevorzugt bei weniger als 100 μm oder bei mehr als 1 mm,
bevorzugt bei mehr als 3 mm, besonders bevorzugt bei mehr als 5
mm liegt. Ob der Ortsfrequenzbereich der Schlieren in den niedrigen
Ortsfrequenzbereich von mehr als 1 mm oder in den hochfrequenten
Ortsfrequenzbereich von weniger als 200 μm verschoben wird,
hängt von der Geometrie der Oberfläche, der genauen
Lage, Richtung, Form und Konzentration der Schlieren sowie von den
verwendeten Korrektur- bzw. Glättungsprozessen ab.
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In
einer Ausführungsform ist auf der optischen Oberfläche
eine für Strahlung bei einer Wellenlänge im EUV-Wellenlängenbereich
reflektierende Beschichtung aufgebracht. Diese Beschichtung besteht
in der Regel aus alternierenden Schichten aus Silizium und Molybdän
sowie ggf. weiteren Schichten, die zur Vermeidung der Diffusion
zwischen den Schichten bzw. zum Schutz der Beschichtung vor der Umgebung
verwendet werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der
Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen,
und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können
je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination
bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt
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1 eine
schematische Darstellung einer Boule mit einem Rohling, dessen Stirnseiten
parallel zur Vorzugsrichtung der Schlieren in der Boule verlaufen,
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2a eine
schematische Darstellung einer Boule, bei der eine Hauptachse des
Rohlings einen ersten Winkel mit der Vorzugsrichtung der Schlieren einschließt,
und
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2b eine
schematische Darstellung einer Boule, bei der eine Hauptachse des
Rohlings einen zweiten Winkel mit der Vorzugsrichtung der Schlieren einschließt.
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In
1 ist
schematisch ein Längsschnitt durch eine Boule
1 aus
einem ULE-Material in der XZ-Ebene eines XYZ-Koordinatensystems
gezeigt. Die Boule
1 ist zylindersymmetrisch mit einer
Symmetrieachse in Z-Richtung und weist Schlieren
2 auf, die
aufgrund des Herstellungsverfahrens der Boule
1, das beispielsweise
wie in der
DE
10 2006 060 362 A1 beschrieben ausgeführt werden
kann, im Wesentlichen parallel zu den Stirnseiten
1a,
1b der
Boule
1, d. h. in der XY-Ebene des XYZ-Koordinatensystems verlaufen,
bzw. in der Schnittdarstellung von
1 in X-Richtung,
welche die Vorzugsrichtung der Schlieren
2 darstellt. Der
Abstand zwischen den Schlieren
2 in Z-Richtung bzw. die
Ortsfrequenz der Schlieren
2 liegt in dem in
1 gezeigten
Beispiel in einem Bereich von ca. 800 μm.
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In
der Boule 1 von 1 sind die Schnittkanten eines
(zylindrischen) Rohlings 3 eingezeichnet, aus dem ein optisches
Element 3a, im vorliegenden Fall ein Spiegel für
die EUV-Lithographie, hergestellt werden soll. Zu diesem Zweck wird
der aus der Boule 1 ausgeschnittene Rohling 3 z.
B. durch Drehen, Fräsen, Schleifen etc. bearbeitet, um
eine gekrümmte, z. B. asphärische optische Oberfläche 5 zu
erhalten. In einem abschließenden Bearbeitungsschritt wird
die optische Oberfläche 5 geglättet bzw.
ein ortsauflösendes Korrekturverfahren durchgeführt,
um eine hohe Oberflächengüte der optischen Oberfläche 5 von
weniger als 100 pm, bevorzugt von weniger als 50 pm, besonders bevorzugt
von weniger als 25 pm zu erhalten.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausrichtung des Rohling 3 in
der Boule 1, bei der die Hauptachse 4 (Symmetrieachse)
des Rohlings 3 senkrecht zur Vorzugsrichtung X der Schlieren 2 ausgerichtet
ist, tritt jedoch das Problem auf, dass die Ortsfrequenz der Schlieren 2 an
der optischen Oberfläche 5 in einem mittleren
Ortsfrequenzbereich liegt, der für die abschließende
Oberflächenbearbeitung ungünstig ist, da mit den
herkömmlichen Glättungs- bzw. Korrekturverfahren
mit vertretbarem Aufwand lediglich eine Verbesserung der Oberflächengüte
in einem hohen bzw. niedrigen Ortsfrequenzbereich erreicht werden kann.
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Wie
in 2a, b gezeigt, wird zur Lösung dieses
Problems die Orientierung des Rohlings 3 in der Boule 1 verändert,
und zwar derart, dass die Ortsfrequenz der Schlieren 2 an
der optischen Oberfläche 5 maximiert oder minimiert
wird. Im ersten Fall (vgl. 2a) wird
die Hauptachse 4 des Rohlings 3 unter einem Winkel α1 von ca. 70° bezüglich
der Schlieren 2 ausgerichtet, so dass die optische Oberfläche 5 von
einer möglichst großen Anzahl von Schlieren 2 überdeckt
wird. Hierbei ist als Zwangsbedingung selbstverständlich
die Abmessung der Boule 1 in Z-Richtung zu berücksichtigen,
d. h. der Winkel α1 kann im in 2a gezeigten
Fall nicht kleiner gewählt werden, da ansonsten der Rohling 3 nicht
mehr in die Boule 1 passen würde.
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Entsprechend
wird, wie in 2b gezeigt ist, der Rohling 3 unter
einem Winkel α2 von ca. 80° zur Vorzugsrichtung
der Schlieren 2 ausgerichtet, um an der optischen Oberfläche 5 eine
möglichst geringe Anzahl von Schlieren 2 zu erzeugen,
d. h. die optische Oberfläche 5 weist eine minimale
Erstreckung quer zu den Schlieren 2, d. h. in Z-Richtung,
auf.
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In 2a,
b wird die Hauptachse 4 des zylindrischen Rohlings 3 durch
dessen Symmetrieachse gebildet. Beim Ausschneiden eines Rohlings
mit einer nicht zylindersymmetrischen Geometrie aus der Boule 1 lassen
sich jedoch ebenfalls auf die aus der klassischen Mechanik bekannte
Art drei zueinander senkrechte Hauptachsen (Hauptträgheitsachsen)
bestimmen, die ebenfalls unter einem Winkel zur Vorzugsrichtung
der Schlieren 2 verlaufen. Es versteht sich, dass bei einem
Rohling 3 mit einer planen, der optischen Oberfläche 5 gegenüber
liegenden Stirnseite, wie er in 2a, b
gezeigt ist, der Winkel alternativ auch zwischen der Vorzugsrichtung
der Schlieren 2 und der planen Stirnseite des Rohlings 3 definiert
werden kann.
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Durch
die Wahl der Orientierung des Rohlings 3 wie sie in 2a gezeigt
ist, wird die Ortsfrequenz der Schlieren 2 in einen Bereich
unterhalb von 200 μm verschoben. Es versteht sich, dass
bei einer höheren Ortsfrequenz der Schlieren 2 in
Z-Richtung auch höhere Ortsfrequenzen an der optischen
Oberfläche 5 von z. B. 100 μm oder darunter
erreicht werden können. Die optische Oberfläche 5 mit
den Schlieren 2, die einen Abstand in dem Ortsfrequenzbereich
unterhalb 200 μm aufweisen, kann mittels eines herkömmlichen
Glättungsverfahrens, z. B. durch Polieren unter Verwendung
eines Poliermittels, bearbeitet werden, um die erforderliche Oberflächengüte der
optischen Oberfläche 5 für die Verwendung
des optischen Elements in der EUV-Lithographie zu erhalten.
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Entsprechend
wird durch die Orientierung des optischen Elements 3a bzw.
des Rohlings 3 wie sie in 2b gezeigt
ist, die Ortsfrequenz der Schlieren 2 in einen niederfrequenten
Bereich von mehr als 2 mm verschoben. Es versteht sich, dass abhängig von
der Ortsfrequenz der Schlieren 2 in Z-Richtung auch Ortsfrequenzen
von 3 mm, 5 mm oder darüber an der optischen Oberfläche 5 erzielt
werden können. Die optische Oberfläche 5 kann
an den verbleibenden Schlieren 2 mittels eines ortsaufgelösten
Korrekturverfahrens, z. B. durch Ionenstrahlbearbeiten, gezielt
bearbeitet werden, um die gewünschte Oberflächengüte
der optischen Oberfläche 5 zu erhalten.
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Die
Entscheidung, ob durch geeignete Orientierung des Rohlings 3 eine
hohe oder niedrige Ortsfrequenz der Schlieren 2 an der
optischen Oberfläche 5 eingestellt werden soll,
hängt von mehreren Faktoren ab, z. B. von der Geometrie
der optischen Oberfläche 5, sowie von der genauen
Lage, Richtung, Form und Konzentration und Abstand der Schlieren
sowie den verwendeten Korrektur- bzw. Glättungsprozessen.
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Ist
die optische Oberfläche 5 auf die oben beschriebene
Weise mit ausreichender Oberflächengüte ausgestattet
worden, kann auf dieser eine reflektierende Beschichtung aufgebracht
werden. Diese Beschichtung weist bei der Verwendung des optischen
Elements 3a für die EUV-Lithographie typischer
Weise alternierende Schichten aus Silizium und Molybdän
auf, deren Abfolge bzw. Schichtdicken so abgestimmt sind, dass die
Beschichtung ein Maximum der Reflektivität bei der Betriebswellenlänge des
optischen Elements 3a im EUV-Bereich, d. h. typischer Weise
bei ca. 13,5 nm, aufweist.
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In
jedem Fall wird durch eine geeignete Orientierung des Rohlings 3 in
der Boule 1 sichergestellt, dass die optische Oberfläche 5 durch
ein Glättungs- bzw. Korrekturverfahren so bearbeitet werden kann,
dass die durch die Schlieren 2 gebildeten Inhomogenitäten
an der optischen Oberfläche 5 korrigiert bzw.
geglättet werden können, so dass das optische Element 3a die
erforderlichen Spezifikationen hinsichtlich der Oberflächengüte
erfüllt.
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Es
versteht sich, dass auch optische Elemente, die nicht für
die EUV-Lithographie eingesetzt werden, insbesondere Linsenelemente
mit einer oder mehreren optischen Oberflächen, auf die
oben beschriebene Weise hergestellt werden können. Auch können
ggf. Komponenten aus ULE-Material, die keine optische Funktion erfüllen,
auf die oben beschriebene Weise hergestellt werden, sofern diese
mit einer (gekrümmten) Oberfläche mit hoher Oberflächengüte
versehen werden sollen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006060362
A1 [0005, 0026]