DE102011080318A1

DE102011080318A1 - Dämpfungsanordnung zur Dissipation von Schwingungsenergie eines Elementes in einem System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage

Info

Publication number: DE102011080318A1
Application number: DE102011080318A
Authority: DE
Inventors: Markus Hauf
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2013-02-07
Also published as: JP2014529043A; JP6310844B2; US20140202812A1; WO2013017558A1; US9593733B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsanordnung zur Dissipation von Schwingungsenergie eines Elementes in einem System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit einer Tilgermasse (115, 215, 315, 415, 515, 615, 715), welche über eine stabile Lagerung in Bezug auf das Element (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710) gelagert ist, wobei die Tilgermasse (115, 215, 315, 415, 515, 615, 715) in einem innerhalb des Elementes vorhandenen Hohlraum angeordnet und von einem in diesem Hohlraum befindlichen Fluid (120, 220, 320, 420, 520, 620, 720) wenigstens teilweise umgeben ist, und wobei durch die Tilgermasse (115, 215, 315, 415, 515, 615, 715) ein Masse-Feder-System gebildet wird, welches eine im Anbindepunkt der Tilgermasse (115, 215, 315, 415, 515, 615, 715) bestehende translatorische Bewegungskomponente einer Schwingung des Elementes (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710) dämpft.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsanordnung zur Dissipation von Schwingungsenergie eines Elementes in einem System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
Stand der Technik
Mikrolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD's, angewendet. Der Mikrolithographieprozess wird in einer sogenannten Projektionsbelichtungsanlage durchgeführt, welche eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv aufweist. Das Bild einer mittels der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) wird hierbei mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z. B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.
In einer für EUV (d. h. für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb von 15 nm) ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage werden mangels Vorhandenseins lichtdurchlässiger Materialien Spiegel als optische Komponenten für den Abbildungsprozess verwendet.
Im Betrieb von Projektionsbelichtungsanlagen, insbesondere bei EUV-Systemen, spielen Dynamikaspekte eine zunehmend wichtige Rolle für die optische Performance des Systems. Mechanische Störungen verursacht durch Vibrationen wirken sich immer nachteilig auf die Positionsstabilität der optischen Komponenten aus. Schwach gedämpfte mechanische Resonanzen im System führen im Bereich der Resonanzfrequenzen zu einer lokalen Überhöhung des Störspektrums und zu einer damit einhergehenden Verschlechterung der Positionsstabilität von passiven gelagerten Komponenten wie auch von aktiv geregelten Komponenten. Des Weiteren können Resonanzen im Falle von geregelten Systemen zur Instabilität der Regelschleife führen.
Mögliche Maßnahmen, um die durch mechanische Resonanzen verursachte Regelinstabilität zu beheben, wie etwa die Reduzierung der Regelbandbreite oder die Einführung von lokalen Unterdrückungsfiltern (sogenannte „Notch Filter”) wirken sich je nach Situation nachteilig bis dramatisch auf die Regelungsperformance und auf die damit verbundene Positionsstabilität des geregelten optischen Elements aus. Im schlimmsten Fall kann das System überhaupt nicht mehr stabil geregelt werden. Erschwerend kommt hinzu, dass sich die Eigenfrequenzspektren der mechanischen Strukturen für die mit steigenden numerischen Aperturen wachsenden Abmessungen der Spiegel sowie der Trag- und Messtrukturen immer stärker hin zu kleineren Frequenzen verschieben. Infolgedessen führen auftretende Schwingungen zu wachsenden Problemen hinsichtlich der Performance des Systems sowie auch dahingehend, dass eine aktive Positionsregelung wie eingangs beschrieben nicht mehr stabil betrieben werden kann.
Da die in EUV-Systemen im Hinblick auf die erforderliche Vakuumbeständigkeit erlaubten (z. B. metallischen oder keramischen) Materialien selbst nur eine geringe intrinsische Dämpfung aufweisen, sind zur Überwindung oder Abmilderung der o. g. Probleme weitere Dämpfungsmaßnahmen erforderlich. Im Stand der Technik sind verschiedene Dämpfungskonzepte bekannt. Hierzu wird beispielhaft auf WO 2006/084657 A1 , WO 2007/006577 A1 , DE 10 2008 041 310 A1 , DE 10 2009 005 954 A1 und US 4,123,675 verwiesen.
In 8a–b sind typische herkömmliche Ansätze schematisch dargestellt.
Gemäß 8a erfolgt die Dämpfung eines Masse-Feder-Systems mit einer gegen eine Struktur 5 über eine Feder 11 elastisch aufgehängten Masse 10 über ein parallel zur Feder 11 zwischen Masse 10 und Struktur 5 geschaltetes Dämpfungselement 12. Im Hinblick auf die erforderliche Vakuumbeständigkeit ist in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage allerdings die Auswahl geeigneter Materialien für das Dämpfungselement mit hinreichender intrinsischer Dämpfung begrenzt. Weitere Probleme können daraus resultieren, dass sich die Steifigkeits- sowie auch die Dämpfungseigenschaften dieser Materialien mit der Zeit ändern können.
Gemäß 8b erfolgt eine Dämpfung mittels einer an die Masse 10 über eine weitere Feder 13 sowie ein hierzu parallel geschaltetes Dämpfungselement 14 elastisch angebundenen Tilgermasse 15, wobei die Resonanzfrequenzen der jeweiligen Masse-Feder-Systeme aus Tilgermasse 15 und Feder 13 einerseits und aus Masse 10 und Feder 11 andererseits aufeinander abgestimmt werden, um eine effektive Dämpfung zu erzielen.
Wenngleich die Dämpfung über eine Tilgermasse insbesondere in Situationen vorteilhaft ist, in denen z. B. keine mechanische Anbindung an ein Referenzsystem wie in 8 über Dämpfer möglich ist, kann bei verfügbaren Materialien wie z. B. Fluorelastomeren weiterhin das Problem auftreten, dass diese zusätzlich zu der gewünschten Dämpfungswirkung eine unerwünscht hohe parasitäre intrinsische Steifigkeit besitzen, welche zudem über die Lebensdauer des Systems oder auch bei Änderungen der Atmosphäre zeitlich variieren kann, so dass sich im Ergebnis neben der erwünschten Dämpfungswirkung auch Änderungen in der Resonanzfrequenz der Dämpfungsanordnung ergeben können mit der Folge, dass die o. g. erforderliche Abstimmung an die Resonanzfrequenz des zu dämpfenden Elementes bzw. des zugehörigen Masse-Feder-Systems nicht mehr gegeben ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Dämpfungsanordnung zur Dissipation von Schwingungsenergie eines Elementes in einem System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage bereitzustellen, welche eine effektive und zeitlich stabile Dämpfung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Dämpfungsanordnung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
Eine Dämpfungsanordnung zur Dissipation von Schwingungsenergie eines Elementes in einem System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, umfasst:

– eine Tilgermasse, welche über eine stabile Lagerung in Bezug auf das Element gelagert ist;
– wobei die Tilgermasse in einem innerhalb des Elementes vorhandenen Hohlraum angeordnet und von einem in diesem Hohlraum befindlichen Fluid wenigstens teilweise umgeben ist; und
– wobei durch die Tilgermasse ein Masse-Feder-System gebildet wird, welches eine im Anbindepunkt der Tilgermasse bestehende translatorische Bewegungskomponente einer Schwingung des Elementes dämpft.

Bei dem Anbindepunkt kann es sich je nach dem zu dämpfenden Schwingungsmode entweder um den Schwerpunkt des Elementes oder auch um eine Position außerhalb des Schwerpunktes (z. B. in einem Schwingungsbauch einer flexiblen Schwingungsmode) handeln, so dass der Anbindepunkt je nach dem zu dämpfenden Schwingungsmode geeignet gewählt werden kann. Somit werden von der Erfindung auch Situationen umfasst, bei denen das Element insgesamt z. B. eine rotatorische Schwingung, eine Pendelschwingung oder einen Deformationsschwingungsmode ausführt. Die erfindungsgemäße Dämpfung kann somit für die Dämpfung von translatorischen oder rotatorischen Starrkörpermoden sowie für die Dämpfung von Deformationsschwingungsmoden eingesetzt werden.
Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, in einem System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, die Dämpfung der translatorischen Bewegung eines Elementes (bei dem es sich z. B. um ein Struktur- oder Antriebselement handeln kann) dadurch zu realisieren, dass eine in einem Hohlraum über eine stabile Lagerung gegen das Element gelagerte Tilgermasse eine viskose Dämpfung durch ein Fluid erfährt, welches die Tilgermasse wenigstens teilweise umgibt.
Wenn im Falle einer bei dem Element auftretenden Schwingung die Tilgermasse relativ zum Element verschoben wird, umfließt das in dem Hohlraum befindliche Fluid die Tilgermasse, was eine viskose (d. h. zur Relativgeschwindigkeit von Tilgermasse und Element proportionale) Dämpfung zur Folge hat. Da der Betrag der Dämpfungskonstanten sowohl von der Viskosität des Fluids als auch von der konkreten Dimensionierung der Anordnung aus Tilgermasse und diese umgebendem Hohlraum (Spaltdimensionen etc.) abhängig ist, kann durch geeignete Wahl dieser Parameter eine optimale Anpassung der Eigenfrequenzen des erfindungsgemäß aufgebauten Schwingungstilgers und der mechanischen Anbindung des betreffenden zu dämpfenden schwingenden Elementes aufeinander erfolgen.
Zugleich kann hierbei die Einführung zusätzlicher signifikanter Steifigkeiten vermieden werden, so dass auch den Anforderungen immer geringerer Eigenfrequenzen im System sowie auch einer hinreichenden zeitlichen Stabilität der erzielten Dämpfungswirkung Rechnung getragen werden kann.
Wenngleich die Erfindung insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage realisierbar ist, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Vielmehr kann die erfindungsgemäße Dämpfungsanordnung auch in anderen (optischen oder nicht optischen) Systemen, insbesondere Präzionssystemen, zum Einsatz kommen.
Gemäß einer Ausführungsform unterscheidet sich eine Resonanzfrequenz des durch die Tilgermasse gebildeten Masse-Feder-Systems von wenigstens einer zu dämpfenden Resonanzfrequenz des Elementes um maximal eine Frequenzdekade, vorzugsweise um maximal eine halbe Frequenzdekade.
Die stabile Lagerung der Tilgermasse kann grundsätzlich mit einer elastischen Aufhängung in Form eines beliebigen geeigneten Federsystems realisiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die stabile Lagerung dadurch realisiert, dass als Fluid ein Ferrofluid gewählt wird.
Bei einem Ferrofluid handelt es sich bekanntermaßen um eine Flüssigkeit, die auf ein magnetisches Feld reagiert und dadurch gebildet ist, dass in einer Trägerflüssigkeit magnetische Partikel (typischerweise mit Abmessungen von wenigen Nanometern) suspendiert sind. In einem Magnetfeld ordnet sich ein solches Ferrofluid in energetisch optimaler Weise (d. h. in Regionen maximaler Feldstärke) an, wobei das Ferrofluid z. B. an den Polenden eines zylindrischen Stabmagneten im Wesentlichen ein Ellipsoid mit energetisch optimaler Minimaloberfläche ausbildet.
Der Erfindung liegt nun die weitere Erkenntnis zugrunde, dass in der vorstehend beschriebenen Anordnung einer Tilgermasse in einem innerhalb des Elementes vorhandenen Hohlraum ein stabiles Lager für die Tilgermasse durch das Ferrofluid ausgebildet werden kann, indem nämlich die selbstzentrierenden Eigenschaften des Ferrofluids hinsichtlich der Tilgermasse genutzt werden.
Mit anderen Worten nimmt bei Realisierung des gemäß der Erfindung eingesetzten Fluids in Form eines Ferrofluids dieses Ferrofluid insofern eine Doppelfunktion war, als es zum einen infolge der in einem Magnetfeld durch das Ferrofluid bereitgestellten Steifigkeit für die elastische Aufhängung bzw. stabile Lagerung der Tilgermasse sorgt, zum anderen aber auch die viskose Dämpfung beim Strömen entlang der Tilgermasse bewirkt.
Die erforderliche Abstimmung der Resonanzfrequenz des erfindungsgemäß durch die in dem Ferrofluid gelagerte Tilgermasse gebildeten Schwingungstilgers an die zu dämpfende Resonanzfrequenz kann hierbei in eleganter Weise durch geeignete Wahl der Magnetfeldstärke sowie geeignete Festlegung der geometrischen Abmessungen im Hohlraum (insbesondere Spaltdicke zwischen der Tilgermasse und der Wandung des Hohlraums) erfolgen, da die Lagersteifigkeit von der Magnetfeldstärke sowie die Spaltdimensionen des das Ferrofluid aufnehmenden, im Hohlraum zur Tilgermasse hin verbleibenden Spaltes abhängt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Dämpfungsanordnung wenigstens einen Magneten auf. Hierbei kann die Tilgermasse durch diesen Magneten gebildet werden, indem dieser Magnet innerhalb des Hohlraums beweglich aufgehängt wird.
In weiteren Ausführungsformen kann jedoch auch der Magnet an dem betreffenden Element fest angebunden sein, wobei die Tilgermasse aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt ist. Eine solche Ausgestaltung hat insbesondere den Vorteil, dass eine Anordnung mehrerer, in der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Weise aufgebauter Schwingungstilger nebeneinander realisiert werden kann, ohne dass eine unerwünschte Relativbewegung der in einer solchen Anordnung benachbarten Magnete erfolgt. Des Weiteren besteht infolge der Fixierung der Magnete die Möglichkeit, Magnetabschlusselemente (z. B. in Form von Eisenplatten oder dergleichen) zur Unterdrückung magnetischer Streufelder in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Dämpfungsanordnung vorzusehen, ohne dass eine unerwünschte Relativbewegung zwischen solchen Magnetabschlusselementen und den Magneten bis hin zu einem mechanischen Kurzschluss erfolgt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die elastische Aufhängung bzw. stabile Lagerung der Tilgermasse eine Resonanzfrequenz auf, welche mit einer zu dämpfenden Resonanzfrequenz des Elementes übereinstimmt, um eine effiziente Dämpfung zu erzielen.

Im Weiteren werden hierzu unter Bezugnahme auf 7a und 7b einige mathematische Zusammenhänge erläutert. 7a zeigt eine schematische Skizze zur Erläuterung des Konzepts der Dämpfung eines ersten Masse-Feder-Systems durch ein zweites, hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz auf das erste Masse-Feder-System abgestimmtes Masse-Feder-System, wobei die Definitionen der in 7a bzw. den weiteren mathematischen Formeln verwendeten Variablen aus Tabelle 1 ersichtlich ist. Tabelle 1:

s	Laplace Variable
m₁	erste Masse (= zu dämpfende Masse)
m₂	Hilfsmasse (= Tilgermasse)
q₁	Auslenkung der zu dämpfenden Masse
q₂	Auslenkung der Hilfsmasse
k₁	Federsteifigkeit zwischen erster Masse und Basis (oder weiterer Masse)
k₂	Federsteifigkeit zwischen erster Masse und Hilfsmasse
c₁	viskoses Dämpfungselement zwischen erster Masse und Basis
C₂	viskoses Dämpfungselement zwischen erster Masse und Hilfsmasse
F_E	Stör- bzw. Anregungskraft auf erste Masse
F_B	Kraft auf Basis (über k₁ und c₁)

Für die Auslenkung q₁ der zu dämpfenden Masse m₁ folgt aus den grundlegenden Bewegungsgleichungen der Massen m₁ und m₂ folgender Zusammenhang:
Für die zugehörige Übertragungsfunktion von F_E (= Stör- bzw. Anregungskraft) zu F_B (= Kraft auf Basis) gilt: F_B(s) = (k₁ + sc₁)H(s)F_E(s) (2)
In 7b ist für das System aus 7a die Übertragungsfunktion von F_E (= Stör- bzw. Anregungskraft) zu F_B (= Kraft auf Basis) in Einheiten von dB für unterschiedliche Kombinationen der Parameter f₂ und ζ₂ (= Dämpfungsgrad des Masse-Feder-Systems) über der auf die Resonanzfrequenz f₁ des ersten Masse-Feder-Systems (m₁, k₁) normierten Frequenzachse sowie auf logarithmischer Skala dargestellt, wobei die aus Tabelle 2 ersichtliche Parametrisierung vorgenommen wurde. In den Diagrammen von 7b wird zum einen jeweils die Resonanzfrequenz f₂ des Masse-Feder-Systems (m₂, k₂) relativ zur Resonanzfrequenz f₁ des Masse-Feder-Systems (m₁, k₁) „durchgestimmt” und zum anderen auch der Dämpfungsgrad des Masse-Feder-Systems (m₂, k₂) der Hilfsmasse m₂ variiert, wobei eine sehr schwache Dämpfung des ersten Masse-Feder-Systems (ζ₁ = 10^–3) zugrundegelegt wird. Dabei ist in den Diagrammen von 7b die jeweils angegebene Resonanzfrequenz f₂ des Masse-Feder-Systems (m₂, k₂) auf die Resonanzfrequenz f₁ des Masse-Feder-Systems (m₁, k₁) normiert.
Tabelle 2:
Der Dämpfungsgrad des durch die Hilfsmasse m₂ gebildeten Masse-Feder-Systems (m₂, k₂) nimmt von der oberen bis zur unteren Zeile der Diagramme aus 7b hin zu, nämlich von einem niedrigen Wert ζ₂ = 0.01 für die Diagramme der oberen Zeile bis zu einem Wert ζ₂ = 10 für die Diagramme der unteren Zeile in 7b. Wie ebenfalls erkennbar führt eine Erhöhung der Dämpfung des durch die Hilfsmasse m₂ gebildeten Masse-Feder-Systems (m₂, k₂) zu einer Abnahme der in der Umgebung der Resonanzfrequenz des Masse-Feder-Systems (m₁, k₁) zunächst (d. h. bei geringer Dämpfung) vorhandenen beiden „Seitenpeaks”, eine weitere Erhöhung der Dämpfung jedoch wieder zu einem stärker ausgeprägten Peak bzw. einer ausgeprägteren Resonanzüberhöhung. Ein gegenüber dem optimalen Wert niedrigerer (obere Zeile in 7b, ζ₂ = 0.01) oder höherer Wert (untere Zeile in 7b, ζ₂ = 10) des Dämpfungsgrades ζ₂ des durch die Hilfsmasse m₂ gebildeten Masse-Feder-Systems (m₂, k₂) führt zur einer geringeren Dämpfungseffizienz. Letztgenannter Effekt kann so erklärt werden, dass bei zu starkem Dämpfungsgrad des durch die Hilfsmasse m₂ gebildeten Masse-Feder-Systems (m₂, k₂) eine Unterdrückung der Energiedissipation erfolgt, da praktisch keine die Energiedissipation hervorrufende Bewegung mehr stattfindet.
Wie ferner aus einem Vergleich der Diagramme aus 7 ersichtlich, kann bei geeigneter Wahl der Dämpfung eine hohe Robustheit hinsichtlich einer Frequenzverstimmung der Hilfs- bzw. Tilgermasse (also eine effektive Dämpfung auch über ein breites Frequenzspektrum) erzielt werden. Insbesondere zeigt die mittlere Zeile in 7b, dass durch Erhöhung des Dämpfungsgrades ζ₂ auf einen Wert von etwa ζ₂ ≈ 0.3 ein gut gedämpftes System für sämtliche untersuchten Frequenzwerte f₂ erhalten wird.
Hinsichtlich der Durchstimmung des durch die Hilfsmasse m₂ gebildeten Masse-Feder-Systems (m₂, k₂) ergibt sich eine optimale Unterdrückung bei f₂ = 1, wenn also die Resonanzfrequenz des durch die Hilfsmasse m₂ gebildeten Masse-Feder-Systems mit der Resonanzfrequenz f₁ des zu dämpfenden Masse-Feder-Systems (m₁, k₁) übereinstimmt.
Als Schlussfolgerung ergibt sich, dass neben einer Abstimmung der Resonanzfrequenz des durch die Hilfsmasse gebildeten Masse-Feder-Systems auch eine Optimierung dessen Dämpfungsgrades geboten ist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die stabile Lagerung bzw. die elastische Aufhängung der Tilgermasse derart konfiguriert, dass diese wenigstens zwei separate Lager zur elastischen Aufhängung des Elementes in zwei unterschiedlichen Freiheitsgraden aufweist. Insbesondere können diese Lager wenigstens ein bezogen auf eine Elementachse des Elementes in axialer Richtung wirkendes Lager und wenigstens ein bezogen auf die Elementachse in radialer Richtung wirkendes Lager aufweisen. Dabei weist vorzugsweise das durch die Tilgermasse gebildete Masse-Feder-System für diese wenigstens zwei Freiheitsgrade unterschiedliche Resonanzfrequenzen und/oder unterschiedliche Dämpfungsgrade auf.
Die Erfindung betrifft ferner eine Projektionsbelichtungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Dämpfungsanordnung. Die Projektionsbelichtungsanlage kann insbesondere für einen Betrieb im EUV ausgelegt sein. In weiteren Anwendungen kann die Projektionsbelichtungsanlage auch für einen Betrieb im VUV-Bereich ausgelegt sein, beispielsweise für Wellenlängen kleiner als 200 nm, insbesondere kleiner als 160 nm.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Dämpfungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Dämpfungsanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3–6 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen der Erfindung;
7a–b eine schematische Darstellung (7a) sowie Diagramme (7b) zur Erläuterung des Konzepts der Dämpfung eines ersten Masse-Feder-Systems durch ein zweites, hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz auf das erste Masse-Feder-System abgestimmtes Masse-Feder-System; und
8a–b schematische Darstellungen zur Erläuterung herkömmlicher Dämpfungsanordnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Weiteren wird unter Bezugnahme auf 1 zunächst eine Dämpfungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung erläutert. Die erfindungsgemäße Dämpfungsanordnung ist im rechten Teil von 1 dargestellt, wohingegen im linken Teil von 1 zum Vergleich eine herkömmliche Dämpfungsanordnung unter Einsatz eines Schwingungstilgers gegenübergestellt ist.
Die Dämpfungsanordnung 100 gemäß 1 dient zur Dissipation von Schwingungsenergie eines Elementes 110 in einem System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage. Bei dem Element 110 kann es sich beispielsweise um ein optisches Element (insbesondere um einen Spiegel), eine Aktuatorkomponente eines zur Aktuierung eines solchen optischen Elementes dienenden Aktuators, um ein Gelenkelement, eine Reaktions- oder Filtermasse oder um ein beliebiges Strukturelement, beispielsweise einen Trag- oder einen Messrahmen, handeln.
Im Ausführungsbeispiel (und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) handelt es sich bei dem Element 110 um einen Spiegel, welcher gegenüber einer Tragstruktur 105 ein schwingendes Masse-Feder-System mit einer vorgegebenen Resonanzfrequenz bildet, wobei die Feder dieses Masse-Feder-Systems in 1 mit „111” bezeichnet ist.
Gemäß 1 weist das Element 110 in seinem Inneren einen abgeschlossenen Hohlraum auf, in welchem eine Tilgermasse 115 über eine elastische Aufhängung gelagert ist, wobei die elastische Aufhängung in diesem Beispiel über ein Federsystem 113 realisiert ist. In besagtem abgeschlossenen Hohlraum befindet sich ferner ein Fluid 120 (z. B. ein Öl), welches die Tilgermasse 115 wenigstens teilweise (im Beispiel von 1 vollständig) umgibt.
In der Dämpfungsanordnung 100 von 1 hat eine bei dem Element 110 auftretende Schwingung zur Folge, dass die Tilgermasse 115 eine Relativbewegung im Bezug auf das Element 110 ausführt, wodurch das Fluid 120, welches im Hohlraum an der Tilgermasse 115 in dem zur Wandung des Hohlraums verbleibenden Spaltbereich entlang strömt, eine viskose (d. h. zur Relativgeschwindigkeit von Tilgermasse 115 und Element 110 proportionale) Dämpfung bewirkt.
Hierbei kann die Dämpfungskonstante über die Geometrie der Tilgermasse 115 und des umgebenden Spaltes in sämtlichen Bewegungsfreiheitsgraden optimal auf die jeweiligen Erfordernisse abgestimmt werden. Je nach Einsatzzweck können typische Massen der Hilfs- bzw. Tilgermasse im Bereich von wenigen Gramm (g), wie etwa im Falle der Dämpfung von Federelementen und Pins, bis hin zu mehreren Kilogramm (kg), wie im Falle der Dämpfung von vergleichsweise großen Tragstrukturen, liegen.
Des Weiteren kann die Steifigkeit des Federsystems 113 derart gewählt werden, dass die Resonanzfrequenz des durch diese Dämpfungsanordnung gebildeten Schwingungstilgers mit der zu dämpfenden Resonanzfrequenz des Masse-Feder-Systems aus Element 110 und Feder 111 übereinstimmt.
Des Weiteren können die Steifigkeit des Federsystems 113 und die Dämpfungskonstante der durch das Fluid verursachen viskosen Dämpfung derart gewählt werden, dass die Resonanzfrequenz und der Dämpfungsgrad des durch diese Dämpfungsanordnung gebildeten Schwingungstilgers für ein zu dämpfendes Frequenzspektrum des Masse-Feder-Systems aus Element 110 und Feder 111 eine optimale Dämpfungswirkung ergeben.
Ferner können die Steifigkeit des Federsystems 113 und die Dämpfungskonstante der durch das Fluid verursachen viskosen Dämpfung richtungsabhängig gewählt werden, wodurch der Schwingungstilger optimal auf die zu dämpfenden Schwingungsmoden des Masse-Feder-Systems, die sich im Allgemeinen in Frequenz und Auslenkungsrichtung an der Position des Schwingungstilgers unterscheiden, abgestimmt werden kann.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in 2–7 erläutert. Diese Ausführungsformen unterscheiden sich von dem Ausführungsbeispiel aus 1 insbesondere dadurch, dass als Fluid ein Ferrofluid gewählt wird, welches in für sich bekannter Weise magnetische Partikel umfasst, die in einer Trägerflüssigkeit suspendiert sind, und welches auf ein magnetisches Feld dadurch reagiert, dass das Ferrofluid jeweils eine energetisch optimale Oberfläche annimmt.
Die nun folgenden Ausführungsformen gemäß 2–7 beruhen jeweils auf der Erkenntnis, dass das im Hohlraum innerhalb des betreffenden Elementes, dessen Schwingungsenergie über die erfindungsgemäße Dämpfungsanordnung dissipiert werden soll, bereits infolge der durch das Ferrofluid bei anliegendem Magnetfeld bereitgestellten Steifigkeit eine stabile Lagerung der jeweiligen Tilgermasse ermöglicht wird, ohne dass hierzu ein zusätzliches „konventionelles” Federsystem benötigt wird.
Konkret ist im Ausführungsbeispiel von 2 ein Permanentmagnet (mit Südpol „S” und Nordpol „N”) innerhalb des im Element 210 ausgebildeten Hohlraums angeordnet und bildet im Ausführungsbeispiel selbst die Tilgermasse 215, welche über das Ferrofluid 220 gegen das Element 210 bzw. dessen den Hohlraum umgebende Wandung stabil gelagert ist. Wie aus der vereinfachten Darstellung in 2 ersichtlich, beruht diese Lagerung darauf, dass sich das Ferrofluid 220 jeweils „energetisch optimal” an den Polenden des die Tilgermasse 215 bildenden Magneten anordnet, da dort jeweils die Regionen maximaler Feldstärke vorliegen. Ohne Einzwängung des Ferrofluids 220 in den zwischen Tilgermasse 215 und Element 210 verbleibenden Spaltbereich würde die Geometrie des Ferrofluids 220 im Bereich der Polenden jeweils derjenigen einer Ellipse ähneln. In der Dämpfungsanordnung 200 von 2 hingegen bildet das im Hohlraum zwischen Tilgermasse 215 und Element 210 eingezwängte Ferrofluid 220 ein stabiles selbstzentrierendes Lager für die Tilgermasse 215, wobei die selbstzentrierende Wirkung sowohl über die in bezogen auf die Elementachse EA des Elements 210 axialen Spalte als auch die bezogen auf die Elementachse EA radialen Spalte vermittelt wird.
Die Steifigkeit des in der Dämpfungsanordnung 200 gemäß 2 durch das Ferrofluid 220 gebildeten Lagers für die Tilgermasse 215 hängt sowohl von der anliegenden Magnetfeldstärke, vom gewählten Ferrofluid als auch von den Spaltabmessungen im das Ferrofluid 220 aufnehmenden Bereich des Hohlraums ab und kann durch geeignete Einstellung dieser Parameter optimal auf die zu dämpfende Resonanzfrequenz (d. h. die Resonanzfrequenz des Masse-Feder-Systems aus Element 210 und Feder 211) abgestimmt werden.
Wenngleich in dem vorstehend anhand von 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel der zur Erzeugung des auf das Ferrofluid wirkenden Magnetfelds benötigte Magnet durch die Tilgermasse 215 selbst gebildet wird, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Vielmehr kann in weiteren Ausführungsformen auch die Tilgermasse selbst aus nicht-magnetischem Material hergestellt sein, wobei das benötigte Magnetfeld jeweils durch wenigstens einen zusätzlichen Magneten erzeugt wird.
Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt, wobei zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „200” erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 unterscheidet sich von demjenigen aus 2 dadurch, dass die Dämpfungsanordnung 300 gemäß 3 zusätzlich zur (aus nicht-magnetischem Material hergestellten) Tilgermasse 315 zwei Permanentmagnete 331, 332 aufweist, welche an in bezogen auf die Elementachse EA axialer Richtung gegenüberliegenden Endabschnitten des Hohlraums angeordnet und fest an dem Element 310 angebracht sind. Das Ferrofluid 320 ist in diesem Ausführungsbeispiel innerhalb der zwischen Tilgermasse 315 und Permanentmagneten 331 bzw. 332 verbleibenden Spaltbereiche eingezwängt und bildet somit – insoweit in zur Ausführungsform von 2 analoger Weise – ein stabiles, selbstzentrierendes Lager für die Tilgermasse 315. Die gemäß 3 bezogen auf das optische Element feststehende Anordnung der Magnete 331, 332 ermöglicht hierbei in vorteilhafter Weise die Platzierung einer Mehrzahl solcher Anordnungen nebeneinander sowie auch die Platzierung geeigneter Magnetfeldabschlusselemente (aus Eisenplatten oder dergleichen), ohne dass eine unerwünschte Bewegung der betreffenden Magnete bis hin zu einer magnetischen Kurzschlusswirkung eintreten kann.
4 zeigt eine Dämpfungsanordnung 400 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei wiederum im Vergleich zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „300” erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind.
Die Dämpfungsanordnung 400 gemäß 4 unterscheidet sich von der Dämpfungsanordnung 200 aus 2 im Wesentlichen dadurch, dass der zur Erzeugung des auf das Ferrofluid 420 wirkenden Magnetfelds dienende (und analog zu 2 ebenfalls die Tilgermasse 415 bildende) Magnet derart mit in bezogen auf die Elementachse EA axialer Richtung sich verjüngenden Abschnitten ausgebildet ist, dass das Ferrofluid 420, wie aus der schematischen Darstellung von 4 ersichtlich, voneinander separierte Lagerabschnitte ausbildet.
Ohne Einzwängung in den im Element 410 befindlichen Hohlraum würde das Ferrofluid 420 im Bereich der axialen Endabschnitte des die Tilgermasse 415 bildenden Magneten im Wesentlichen jeweils die Geometrie eines Ellipsoids annehmen, wohingegen das Ferrofluid 420 im Bereich des Übergangs zum sich verjüngenden Abschnitt des Magneten im Wesentlichen die Geometrie eines O-Ringes annehmen würde. Infolge der Einzwängung des Ferrofluids 420 in dem Hohlraum bzw. in dem zwischen Tilgermasse 415 und der an den Hohlraum angrenzenden Wandung des Elementes 410 bildet sich hingegen die in 4 vereinfacht dargestellte Geometrie aus, in der das Ferrofluid 420 ein in bezogen auf die Elementachse EA axialer Richtung wirkendes Lager 421 und ein hiervon separiertes, in radialer Richtung wirkendes Lager 422 bildet.
Diese Anordnung ermöglicht es in vorteilhafter Weise, die in axialer bzw. radialer Richtung jeweils vorhandenen Steifigkeiten unabhängig voneinander entsprechend den jeweiligen Erfordernissen auszulegen, indem nämlich die Spaltdimensionierungen für die Lager 421, 422 durch entsprechende Auslegung der Tilgermasse 415 geeignet gewählt werden.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Dämpfungsanordnung 500 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Hierbei sind wiederum im Vergleich zur Ausführungsform von 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „400” erhöhten Bezugsziffern bezeichnet.
Die Dämpfungsanordnung 500 weist analog zur Dämpfungsanordnung 300 von 3 eine aus nicht-magnetischem Material hergestellte Tilgermasse 515 sowie zur Erzeugung des auf das Ferrofluid 520 wirkenden Magnetfeldes zwei separate Magnete 531, 532 auf. Im Unterschied zur Dämpfungsanordnung 300 von 3 sind jedoch bei der Dämpfungsanordnung 500 gemäß 5 diese Magnete 531, 532 als Ringmagnete ausgebildet. Wie aus 5 ersichtlich ordnet sich das Ferrofluid 520 wiederum im Bereich der Polenden dieser Ringmagnete 531, 532 an, wobei es nun innerhalb des Hohlraums durch Wandungsabschnitte von Tilgermasse 515, Element 510 und Ringmagnet 531 bzw. 532 eingezwängt wird.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Dämpfungsanordnung 600 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei wiederum zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Elemente mit um „500” erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Dämpfungsanordnung 600 gemäß 6 unterscheidet sich von der Dämpfungsanordnung 500 gemäß 5 dadurch, dass die als Ringmagnete ausgebildeten Magnete 631, 632 jeweils mit einem Durchgangsloch versehen sind, durch welches hindurch sich ein beliebiges Element wie z. B. ein Pin einer Aktuatoranordnung erstrecken kann. Ein solches Element ist in 6 lediglich angedeutet und mit „640” bezeichnet.
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z. B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/084657 A1 [0006]
WO 2007/006577 A1 [0006]
DE 102008041310 A1 [0006]
DE 102009005954 A1 [0006]
US 4123675 [0006]

Claims

Dämpfungsanordnung zur Dissipation von Schwingungsenergie eines Elementes in einem System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit – einer Tilgermasse (115, 215, 315, 415, 515, 615, 715), welche über eine stabile Lagerung in Bezug auf das Element (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710) gelagert ist; – wobei die Tilgermasse (115, 215, 315, 415, 515, 615, 715) in einem innerhalb des Elementes vorhandenen Hohlraum angeordnet und von einem in diesem Hohlraum befindlichen Fluid (120, 220, 320, 420, 520, 620, 720) wenigstens teilweise umgeben ist; und – wobei durch die Tilgermasse (115, 215, 315, 415, 515, 615, 715) ein Masse-Feder-System gebildet wird, welches eine im Anbindepunkt der Tilgermasse (115, 215, 315, 415, 515, 615, 715) bestehende translatorische Bewegungskomponente einer Schwingung des Elementes (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710) dämpft.
Dämpfungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Resonanzfrequenz dieses Masse-Feder-Systems sich von wenigstens einer zu dämpfenden Resonanzfrequenz des Elementes (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710) um maximal eine Frequenzdekade, vorzugsweise um maximal eine halbe Frequenzdekade, unterscheidet.
Dämpfungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid (220, 320, 420, 520, 620, 720) ein Ferrofluid ist.
Dämpfungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die stabile Lagerung durch das Ferrofluid (220, 320, 420, 520, 620, 720) gebildet wird.
Dämpfungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner wenigstens einen Magneten aufweist.
Dämpfungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tilgermasse (215, 415, 515, 715) durch den Magneten gebildet wird, welcher innerhalb des Hohlraums beweglich aufgehängt ist.
Dämpfungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (331, 332, 631, 632) an dem Element (310, 610) fest angebunden ist, wobei die Tilgermasse (315, 615) aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt ist.
Dämpfungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stabile Lagerung der Tilgermasse (115, 215, 315, 415, 515, 615, 715) eine Resonanzfrequenz aufweist, welche mit einer zu dämpfenden Resonanzfrequenz des Elementes (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710) übereinstimmt.
Dämpfungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stabile Lagerung derart konfiguriert ist, dass diese wenigstens zwei separate Lager (421, 422) zur elastischen Aufhängung des Elementes (410) in unterschiedlichen Freiheitsgraden aufweist.
Dämpfungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Tilgermasse gebildete Masse-Feder-System für diese wenigstens zwei Freiheitsgrade unterschiedliche Resonanzfrequenzen und/oder unterschiedliche Dämpfungsgrade aufweist.
Dämpfungsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese Lager wenigstens ein bezogen auf eine Elementachse des Elements in axialer Richtung wirkendes Lager (421) und wenigstens ein bezogen auf die Elementachse in radialer Richtung wirkendes Lager (422) aufweisen.
Dämpfungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710) ein optisches Element, insbesondere ein Spiegel, ist.
Dämpfungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710) eine Aktuatorkomponente ist.
Dämpfungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710) ein Trag- oder ein Messrahmen ist.
Dämpfungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsbelichtungsanlage für einen Betrieb bei einer Arbeitswellenlänge von weniger als 200 nm, insbesondere weniger als 160 nm, ausgelegt ist.
Dämpfungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionsbelichtungsanlage für einen Betrieb bei einer Arbeitswellenlänge von weniger als 15 nm ausgelegt ist.
Mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Dämpfungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.