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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung für eine optische Anordnung
umfassend ein optisches Element und eine Haltestruktur, insbesondere
eine Vorrichtung für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Positionieren
eines optischen Elements einer optischen Anordnung.
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Beschreibung des verwandten Standes der
Technik
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Für
eine hohe Abbildungsqualität sind optische Elemente, wie
Linsen, Spiegel oder Gitter, im Betrieb einer optischen Anordnung,
insbesondere im Bereich der Mikrolithographie, mit einer hohen Präzision
bei einer hohen Reproduzierbarkeit zu positionieren und in einer
bestimmten Position zu halten.
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Eine
Haltevorrichtung, durch welche ein Element derart gelagert ist,
dass keine Starrkörperbewegungen möglich sind,
wobei jede Starrkörperbewegung durch nur einen Mechanismus
oder eine Zwangsbedingung eliminiert ist, wird im Zusammenhang mit
der Erfindung auch als kinematisch bestimmte Haltevorrichtung oder
kinematische Haltevorrichtung bezeichnet.
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Eine
kinematisch bestimmte Haltevorrichtung für ein optisches
Element ist beispielsweise aus
US 2007/0177282 A1 bekannt. Die aus
US 2007/0177282 A1 bekannte
Haltevorrichtung umfasst drei mit dem optischen Element verbundene, prismenförmige
Haltearme, welche jeweils in einer V-förmigen Aufnahmestruktur
mittels Wälzkörpern gelagert sind.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung umfassend ein optisches
Element und eine Haltestruktur zu schaffen, bei welcher das optische Element
in der Haltestruktur mit hoher Genauigkeit und guter Reproduzierbarkeit
positionierbar ist. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein
Verfahren zum genauen und reproduzierbaren Positionieren eines optischen
Elements einer optischen Anordnung zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung für
eine optische Anordnung umfassend ein optisches Element und eine
Haltestruktur zum Abstützen des optischen Elements, wobei
das optische Element die Haltestruktur an sechs diskreten Berührungspunkten
kontaktiert und Kopplungselemente vorgesehen sind, durch welche
in den Berührungspunkten eine Anpresskraft aufbringbar
ist, die eine über die Gewichtskraft des optischen Elements
in Betrag und/oder Richtung hinausgehende Kraftkomponente aufweist.
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Die
Aufgabe wird weiter gelöst durch ein Verfahren zum Positionieren
eines optischen Elements mittels einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung umfassend ein optisches Element und eine Haltestruktur, wobei
mindestens ein Berührungspunkt für eine Abstützung
des optischen Elements in der Haltestruktur verschoben wird.
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Als
Berührungspunkte werden im Zusammenhang im Wesentlichen
punktförmige Berührungsstellen zwischen zwei Körpern
mit gewölbter Oberfläche bezeichnet. Aufgrund
von Abplattungen kontaktieren sich die Körper dabei nicht
nur in einem Punkt, sondern flächig. Beispielsweise berühren
sich zwei gekreuzte Kreiszylinder in einer Berührungsellipse.
Die Lage der sechs Berührungspunkte ist so gewählt,
dass die Berührungspunkte eine reproduzierbare und präzise
Abstützung des optischen Elements an der Haltestruktur
ermöglichen. In Vorteilhaften Ausgestaltungen sind die
Berührungspunkte paarweise über den Umfang des
optischen Elements verteilt.
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Die
Kopplungselemente sind derart gestaltet, dass das optische Element
an der Haltestruktur in der durch die Berührungspunkte
definierten Position durch Aufbringen einer definierbaren Anpresskraft
fixierbar ist. Die Kopplungselemente sind in vorteilhaften Ausgestaltungen
als Klemm- und/oder Krafterzeugungseinrichtungen gestaltet.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung weist das optische Element drei
im Wesentlichen in Radialrichtung abragende Verbindungsstifte auf,
welche jeweils in zwei Berührungspunkte die Haltestruktur kontaktieren.
Die Verbindungsstifte sind fest mit dem optischen Element verbunden.
In vorteilhaften Ausgestaltungen sind die Verbindungsstifte gleichmäßig über
den Umfang des optischen Elements verteilt. Die zwei Berührungspunkte
sind vorzugsweise so gewählt, dass an den Berührungspunkten
einwirkende Kräfte orthogonal zueinander stehen. Der Verbindungsstift
weist in vorteilhaften Ausgestaltungen einen gerad-zylindrischen
Bereich auf, an welchem der Verbindungsstift die Haltestruktur kontaktiert.
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In
einer weiteren Ausgestaltungen weisen die Verbindungsstifte jeweils
einen ovalen, insbesondere einen elliptischen oder einen kreisförmigen Querschnitt
auf. Durch einen elliptischen Querschnitt ist eine Berührungsfläche
vergrößerbar, sodass auftretende mechanische Spannungen
verringert werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Verbindungsstifte
jeweils über ein Lagerstiftpaar umfassend zwei Lagerstifte,
insbesondere zwei im Wesentlichen zueinander orthogonal angeordnete
Lagerstifte, an der Haltestruktur abgestützt sind. Die
Lagerstifte weisen jeweils einen gerad-zylindrischen Kontaktabschnitt
auf, welcher den zugehörigen Verbindungsstift kontaktiert.
Der zugehörige Verbindungsstift kreuzt die Lagerstifte
und ist in vorteilhaften Ausgestaltung orthogonal zu den Lagerstiften
angeordnet. Werden zwei gekreuzte zylindrische Körper gegeneinander
gepresst, dann berühren sie sich im idealisierten Fall
nur punktförmig. Die Verbindungsstifte und die Lagerstifte
werden zusammenfassend als Stifte bezeichnet. Das optische Element
ist somit über neun Stifte abgestützt.
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Die
Verbindungsstifte sind in vorteilhaften Ausgestaltungen mit den
Lagerstiften mittels der Kopplungselemente gekoppelt, so dass Starrkörperbewegungen
des optischen Elements aufgrund von Zwangsbindungen verhindert sind.
Eine Kopplung des Verbindungsstifts mit den Lagerstiften für
eine Fixierung ist auf geeignete Weise realisierbar.
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In
einer Ausgestaltung umfassen die Kopplungselemente Klemmeinrichtungen,
mittels der die Verbindungsstifte jeweils mit dem zugehörigen
Lagerstiftpaar mechanisch gekoppelt sind. Die Klemmeinrichtungen
sind in einer Ausgestaltung nach Art einer Gerüstkupplung
ausgebildet.
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Alternativ
oder zusätzlich ist in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen,
dass die Kopplungselemente krafterzeugende Elemente, insbesondere
Magnete umfassen. Dabei ist in einer Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, dass die Stifte zumindest teilweise als Magnetstifte
gestaltet sind, wobei durch die Magnetstifte eine Anpresskraft aufbringbar
ist.
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In
noch einer weiteren Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass die Lagerstifte
ein Kegelstiftende aufweisen, wobei vorzugsweise das Kegelstiftende einen
Kegelwinkel mit einem Kegelverhältnis (D – d)/L
= 1:50 aufweist, mit einem geringeren Durchmesser d am freien Ende
des Kegelstiftendes, einem größeren Durchmesser
D an einem dem Kontaktabschnitt zugewandten Ende und einer Länge
L des Kegelstiftendes. Durch das Kegelstiftende ist eine reproduzierbare
Positionierung der Lagerstifte, genauer einer Achse der Lagerstifte,
in der Haltestruktur gewährleistet.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Lagerstifte austauschbar
an der Haltestruktur angeordnet. Die Lagerstifte sind beispielsweise
mittels Schraubverbindungen an der Haltestruktur angebracht. Die
Lagerstifte sind dabei in vorteilhaften Ausgestaltungen mit ihren
Kegelstiftenden in entsprechende Ausnehmungen an der Haltestruktur
eingeführt. Dabei ist in vorteilhaften Ausführungsformen eine
Vielzahl an Lagerstiften mit unterschiedlichen Durchmessern des
Kontaktabschnitts vorgesehen. Durch eine Wahl eines Lagerstifts
kann so ein Berührungspunkt für das optische Element
reproduzierbar festgelegt werden.
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In
vorteilhaften Ausgestaltungen ist vorgesehen, dass für
eine Veränderung der Position des optischen Elements mindestens
ein Lagerstift zum Abstützen des optischen Elements gegen
einen Lagerstift mit einem abweichenden Durchmesser ausgetauscht
wird. Zum Positionieren des optischen Elements wird dieses zunächst
an der Haltestruktur angeordnet und seine Position bezügliche
der Haltestruktur erfasst. Weicht die tatsächliche Position
des optischen Elements relativ zu der Haltestruktur von einer Sollposition
ab, so sind Abstützstellen für das optische Element
durch Austausch der Lagerstifte für eine exakte Positionierung
veränderbar. Hierfür werden in vorteilhaften Ausgestaltungen
verschiedene Lagerstifte zur Verfügung gestellt, welche
sich in einem Durchmesser in einem Kontaktbereich unterscheiden.
Die Lagerstifte sind mit hoher Präzision fertigbar, sodass
sich beispielsweise der Durchmesser zweier Lagerstifte auch nur
im Bereich weniger Mikrometer unterscheidet.
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Die
vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen
auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen
Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form
von Unterkombinationen bei Ausführungsformen der Erfindung
und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie
für sich schutzfähige Ausführungen darstellen
können. Für gleiche oder ähnliche Bauteile
werden in den Zeichnungen einheitliche Bezugszeichen verwendet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
schematisch eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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2 zeigt
schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
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3 zeigt
schematisch ein Detail III der Vorrichtung gemäß 2,
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4 zeigt
in 4a bis 4c verschiedene
Lagerstifte für eine erfindungsgemäße
Vorrichtung gemäß 2 und
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5 zeigt
schematisch ein Detail III der Vorrichtung gemäß 2 in
einer perspektivischen Darstellung mit einer Klemmeinrichtung.
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1 zeigt
schematisch eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage 100.
Die Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage 100 umfasst
eine Beleuchtungseinrichtung 101, durch welche eine Beleuchtungsstrahlung
erzeugt wird, und ein Projektionsobjektiv 102. Zwischen
dem Projektionsobjektiv 102 und der Beleuchtungseinrichtung 101 ist
eine Maske 103 mit einem Muster angeordnet, wobei das Muster
der Maske 103 auf ein unterhalb des Projektionsobjektivs 102 angeordnetes Substrat 104 projiziert
wird. Das Projektionsobjektiv 102 umfasst verschiedene
optische Elemente 2, wie Linsen, Spiegel, Gitter oder dergleichen.
Die optischen Elemente 2 sind jeweils an einer Haltestruktur 4 geeignet
abgestützt.
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2 zeigt
schematisch eine Vorrichtung 1 für eine optische
Anordnung, beispielsweise eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage 100 gemäß 1.
Die Vorrichtung 1 umfasst ein optisches Element 2 und
eine Haltestruktur 4, von welcher drei Bereiche sichtbar
sind.
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Zum
Abstützen des optischen Elements 2 an der Haltestruktur 4 sind
an dem optischen Element 2 drei im Wesentlichen in Radialrichtung
abragende, fest mit dem optischen Element 2 verbundene
Verbindungsstifte 3 vorgesehen. Die Verbindungsstifte 3 sind
in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen
gleichmäßig über den Umfang verteilt und
schließen untereinander jeweils Winkel von ca. 120° ein.
Die Haltestruktur 4 umfasst sechs Lagerstifte 41, 42.
Jeder Verbindungsstift 3 ist über zwei Lagerstifte 41, 42 abgestützt.
Die Verbindungsstifte 3 und die Lagerstifte 41, 42 werden
zusammenfassend als Stifte oder Bolzen bezeichnet, sodass die Vorrichtung 1 auch
als „9-Stifte-Vorrichtung” oder „9-Bolzen-Vorrichtung” bezeichnet
werden kann. Die Stifte 3, 41, 42 weisen
jeweils einen gerad-zylindrischen Kontaktbereich auf, in welchem
sie einander kontaktieren.
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Aufgrund
der gekreuzten Anordnung und der zylindrischen Gestaltung kontaktieren
die Lagerstifte 41, 42 den zugehörigen
Verbindungsstift 3 jeweils in einer im Wesentlichen punktförmigen
Berührungsfläche. In der Vorrichtung 1 ist
das optische Element 2 somit an sechs diskreten Berührungspunkten
so abgestützt. Die Verbindungsstifte 3 und die
Lagerstifte 41, 42 sind über in 2 nicht
dargestellte Kopplungselemente relativ zueinander fixiert.
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3 zeigt
ein Detail III gemäß 2. Wie in 3 erkennbar
ist, sind die Lagerstifte 41 in der Haltestruktur 4 austauschbar
befestigt. Die Lagerstifte 41 weisen ein Kegelstiftende 410 auf.
Eine Kontaktierung des Verbindungsstifts 3 erfolgt in einem
im Wesentlichen kreiszylinderförmigen Kontaktabschnitt 412.
Die Befestigung des Lagerstifts 41 in der Haltestruktur 4 erfolgt
in der dar gestellten Ausführungsform mittels einer Schraubverbindung 43.
Durch das Kegelstiftende 410 wird sichergestellt, dass
der Lagerstift 41 in der Haltestruktur 4 ohne
Spiel und bezüglich seiner Axialrichtung wiederholbar und
mit einer hohen Präzision positioniert wird. Der Lagerstift 42 ist
analog ausgebildet.
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Zum
präzisen Positionieren des optischen Elements 2 relativ
zu der Haltestruktur 4 wird das optische Element 2 zunächst
an der Haltestruktur 4 auf die Lagerstifte 41, 42 aufgesetzt.
Anschließend wird eine Position des optischen Elements 2 relativ
zu der Haltestruktur 4 durch eine geeignete Messeinrichtung
und/oder ein geeignetes Messverfahren erfasst. Ein Berührungspunkt
zwischen dem Verbindungsstift 3 und den Lagerstiften 41, 42 ist
abhängig von einem Durchmesser der Lagerstifte 41, 42.
Weicht eine tatsächliche Position des optischen Elements 2 von
einer Sollposition ab, so kann zum Ausrichten des optischen Elements 2 relativ
zu der Haltestruktur 4 ein Berührpunkt durch Auswechseln
der Lagerstifte 41, 42 verändert werden.
Dabei wird mindestens ein Lagerstift 41, 42 mit
einem abweichenden Durchmesser eingesetzt. Aufgrund des veränderten
Durchmessers verschieben sich die Berührungspunkte. Durch
Verschieben der Berührungspunkte wird so eine Ausrichtung
des optischen Elements 2 relativ zu der Haltestruktur 4 verändert.
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Zu
diesem Zweck wird erfindungsgemäß vorzugsweise
eine Vielzahl an Lagerstiften 41, 42 bereitgestellt.
Durch Auswählen und Anbringen geeigneter Lagerstifte 41, 42 an
der Haltestruktur 4 ist es dann möglich, das optische
Element 2 bezüglich der Haltestruktur 4 exakt
zu positionieren.
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4 zeigt
schematisch drei verschiedene Lagerstifte 41. Die Lagerstifte 41 weisen
jeweils ein Kegelstiftende 410 auf. Ein Kegelwinkel des
Kegelstiftendes 410 ist beispielsweise derart gewählt,
dass ein Kegelverhältnis von 1:50 vorliegt. Angrenzend
an das Kegelstiftende 410 weisen die Lagerstifte jeweils einen
kreiszylinderförmigen Kontaktabschnitt 412 auf.
Ein Durchmesser D1 des kreiszylinderförmigen Kontaktabschnitts 412 in
dem Ausführungsbeispiel gemäß 4A entspricht dabei einem maximalen Durchmesser
des Kegelstiftendes 410. Bei der Ausführungsform
gemäß 4B ist ein
Durchmesser D2 des kreiszylinderförmigen Bereichs 412 größer
als ein maximaler Durchmesser des Kegelstiftendes 410.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4C ist dagegen ein Durchmesser D3 geringer
als ein maximaler Durchmesser des Kegelstiftendes 410.
Die Lagerstifte 41 gemäß 4 sind
nur drei mögliche Ausgestaltungen. Um das optische Element
exakt zu positionieren, sind Lagerstifte mit einer hohen Genauigkeit
und in einer Vielzahl an Durchmessern bereit zu stellen. Durch Auswahl
und Einbau eines geeigneten Lagerstiftes 41 ist es dabei
möglich, das optische Element 2 exakt und wiederholbar
zu positionieren.
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Die
Verbindungsstifte 3 gemäß 2 liegen an
den Lagerstiften 41, 42 jeweils an im Wesentlichen
punktförmigen Berührungspunkten auf. In diesen
Berührungspunkten kommt es zu einer Hertzschen Pressung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Verbindungsstifte 3 derart
gewählt, dass sie einen elliptischen Querschnitt aufweisen.
Durch die Gestaltung der Verbindungsstifte 3 mit einem
elliptischen Querschnitt wird eine Berührungsfläche
zu den Lagerstiften 41, 42 vergrößert.
Dadurch werden die Kräfte in den Berührungspunkten
verringert. Die Verbindungsstifte 3 und die Lagerstifte 41, 412 sind zudem
vorzugsweise aus einem geeigneten Material mit einer hohen Festigkeit,
beispielsweise aus Wolframcarbid.
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5 zeigt
ein Detail III gemäß 2, wobei Kopplungselemente,
durch welche in den Berührungspunkten eine Anpresskraft
aufbringbar ist, dargestellt sind. In dem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 sind die Kopplungselemente
als Klemmeinrichtung 5 gestaltet, mittels der ein Verbindungsstift 3 mit
dem zugehörigen Lagerstiftpaar 41, 42 mechanisch
klemmend verbunden ist. Die schematisch dargestellte Klemmeinrichtung 5 umfasst
an dem Verbindungsstift 3 bzw. den Lagerstiften 41, 42 anliegende
Stützelemente 50 und die Stützelemente 50 miteinander
verbindende Spannelemente 51. Durch eine Spannkraft der
Spannelemente 51 sind Anpresskräfte in den Berührungspunkten
des Verbindungsstift 3 mit dem Lagerstift 41 bzw.
dem Lagerstift 42 aufbringbar. Die Anpresskräfte
weisen jeweils eine über die Gewichtskraft des optischen
Elements 2 in Betrag und/oder Richtung hinausgehende Kraftkomponente
auf.
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Alternativ
oder zusätzlich ist es denkbar, die Stifte 3, 41, 42 zumindest
teilweise magnetisch auszubilden, sodass eine in den Berührungspunkten
wirkende Magnetkraft die durch die Klemmeinrichtung 5 aufgebrachte
Anpresskraft unterstützt oder ersetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2007/0177282
A1 [0004, 0004]