DE102014209149A1

DE102014209149A1 - Optisches Modul

Info

Publication number: DE102014209149A1
Application number: DE102014209149.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Schaff
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2015-10-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie, mit einem Manipulator zur Korrektur von Wellenfrontfehlern optischer Nutzstrahlung, welche ein optisches Element des Manipulators während des Betriebes des Projektionsobjektives durchtritt. Dabei ist dem Manipulator (200) im Lichtweg benachbart ein optisches Element (9.24, 9.25) angeordnet, welches in demjenigen Bereich, welcher im üblichen Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage nicht von optischer Nutzstrahlung durchtreten wird, mit einer Materialabschwächung versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einem Manipulator zur Bildfehlerkorrektur.
Die bekannte Funktionsweise von Projektionsbelichtungsanlagen für die Halbleiterlithographie beruht im Wesentlichen darauf, dass Strukturen, also beispielsweise Leiterbahnen, aber auch Transistoren oder ähnliches auf Halbleiterbauelementen dadurch erzeugt werden, dass mittels eines Objektives auf einer Maske, einem sogenannten Reticle, vorhandene Strukturen auf eine auf einem Halbleiterwafer angeordnete photoempfindliche Lackschicht abgebildet werden und dass in nachfolgenden Schritten insbesondere durch entsprechende Beschichtungs- oder Ätzprozesse sequentiell die gewünschte Topographie des Bauelementes erzeugt wird. Dabei wird in der Regel durch das Objektiv eine erhebliche Verkleinerung der auf dem Reticle vorhandenen Strukturen vorgenommen, üblicherweise um das 4–10 fache.
Die derzeit erzeugbaren Strukturen zeigen Dimensionen im Bereich mehrerer Nanometer, was erhebliche Anforderungen an die Qualität des zur Belichtung verwendeten Objektives stellt. Insbesondere ist es wünschenswert, etwaige Bildfehler möglichst schnell und situationsangepasst ausgleichen zu können. Zur Fehlerkorrektur können beispielsweise sogenannte Manipulatoren verwendet werden. Derartige Manipulatoren können insbesondere optische Elemente aufweisen, welche zur lokalen Beeinflussung einer Wellenfront mittels geeigneter Aktuatoren bewegt oder verformt werden können.
Ein entsprechendes Konzept ist in dem europäischen Patent EP 1 014 139 B1 beschrieben. Die genannte Schrift offenbart unter anderem eine Projektionsbelichtungsanlage, welche einen Manipulator mit einem optischen Element wie beispielsweise einer Linse oder einen Spiegel enthält, welches zu optischen Korrekturzwecken durch Aktuiereinheiten gezielt verformt wird. Dabei wird in der EP1 014 139 B1 das dort verfolgte Konzept anhand einer deformierbaren Linse erläutert.
Die für die geregelte bzw. gesteuerte Deformation oder Aktuierung eines optischen Elementes erforderlichen Komponenten wie Aktuiereinheiten oder Sensoren beanspruchen jedoch einen nicht unerheblichen Bauraum, so dass der mögliche Einbauort eines Manipulators oder auch eines benachbarten weiteren optischen Elementes gewissen Einschränkungen unterworfen ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie anzugeben, welche den zur Verfügung stehenden Bauraum in Verbindung mit Manipulatoren ökonomischer nutzt.
Diese Aufgabe wird durch die Projektionsbelichtungsanlage mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie zeigt mit einen Manipulator zur Korrektur von Wellenfrontfehlern optischer Nutzstrahlung, welche ein optisches Element des Manipulators während des Betriebes des Projektionsobjektives durchtreten. Dabei ist dem Manipulator im Lichtweg benachbart ein optisches Element angeordnet, welches in demjenigen Bereich, welcher im üblichen Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage nicht von optischer Nutzstrahlung durchtreten wird, mit einer Materialabschwächung versehen ist.
Insbesondere kann der nicht mit der Materialabschwächung versehene Teil des optischen Elements in eine durch die Geometrie des Manipulators entstehende Ausnehmung ragen, so dass sich insgesamt eine verbesserte Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums ergibt.
Bei der Materialabschwächung kann es sich um einen Ausbruch handeln; es ist ebenso denkbar, dass es sich bei der Materialabschwächung um eine Abfräsung bzw. Abschleifung handelt.
Wenn die äußere Kontur des optischen Elements eine Abweichung von der Ringform zeigt und am optischen Element Ösen zur Befestigung bzw. zur Lagerung des optischen Elements vorhanden sind, kann eine besonders raum- und materialsparende Variante der Erfindung realisiert werden. Ferner kann durch die insgesamt geringere Masse des optischen Elementes ein besseres dynamisches Verhalten erreicht werden.
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung exemplarisch anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Manipulators, der in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen optischen Element zur Anwendung kommen kann;
3 eine schematische Schnittdarstellung eines Manipulators;
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Aktuiereinheit mit Sensor;
5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Aktuiereinheit;
6 eine erste Möglichkeit zur Einleitung von Kräften in ein optisches Element;
7 eine weitere Möglichkeit zur Einleitung von Kräften in ein optisches Element;
8 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante zur Einleitung von Kräften in ein optisches Element;
9 in den Teilfiguren a und b verschiedene Varianten zur Gestaltung eines Stößels;
10: in den Teilfiguren a und b eine weitere Möglichkeit zur Einleitung von Kräften in ein optisches Element;
11: in den Teilfiguren a und b eine weitere Möglichkeit zur Einleitung von Kräften in ein optisches Element;
12 in den Teilfiguren a und b Varianten zur Gestaltung einer Nut;
13 in den Teilfiguren a und b weitere Varianten zur Gestaltung einer Nut;
14 in den Teilfiguren a und b Varianten zur Gestaltung eines optischen Elements;
15 in den Teilfiguren a und b weitere Varianten zur Einleitung von Kräften in ein optisches Element;
16 eine schematische Darstellung einer Kraft- bzw. Momenteneinleitung in ein optisches Element;
17 eine exemplarische Verteilung von Kontaktbereichen auf einem optischen Element;
18 eine weitere Variante zur Verteilung von Kontaktbereichen auf einem optischen Element;
19 eine Variante zur Anordnung von Messpunkten und Kontaktbereichen auf einem optischen Element;
20 eine weitere Variante zur Anordnung von Messpunkten und Kontaktbereichen auf einem optischen Element;
21 eine weitere Variante zur Anordnung von Messpunkten und Kontaktbereichen auf einem optischen Element;
22 eine Variante zum Schutz eines optischen Elements vor Druckstößen;
23 eine Möglichkeit zur erfindungsgemäßen Gestaltung eines optischen Elementes;
24 eine Variante zu der in 23 gezeigten Gestaltung;
25 eine weitere Variante zur Gestaltung eines optischen Elementes, und
26 eine exemplarische Darstellung des erfindungsgemäßen optischen Elementes in Verbindung mit einem Manipulator.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage 100 dargestellt. Diese dient zur Belichtung von Strukturen auf ein mit photosensitiven Materialien beschichtetes Substrat, welches im allgemeinen überwiegend aus Silizium besteht und als Wafer 102 bezeichnet wird, zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie z.B. Computerchips.
Die Projektionsbelichtungsanlage 100 besteht dabei im Wesentlichen aus einer Beleuchtungseinrichtung 103, einer Reticlestage genannten Einrichtung 104 zur Aufnahme und exakten Positionierung einer mit einer Struktur versehenen Maske, einem sogenannten Reticle 105, durch welches die späteren Strukturen auf dem Wafer 102 bestimmt werden, einer Einrichtung 106 zur Halterung, Bewegung und exakten Positionierung eben dieses Wafers 102 und einer Abbildungseinrichtung, nämlich einem Projektionsobjektiv 107, mit mehreren optischen Elementen 108, die über Fassungen 109 in einem Objektivgehäuse 140 des Projektionsobjektives 107 gehalten sind. Das grundsätzliche Funktionsprinzip sieht dabei vor, dass die in das Reticle 105 eingebrachten Strukturen auf den Wafer 102 abgebildet werden; die Abbildung wird in der Regel verkleinernd ausgeführt.
Die Beleuchtungseinrichtung 103 stellt einen für die Abbildung des Reticles 105 auf dem Wafer 102 benötigten Projektionsstrahl 111 in Form elektromagnetischer Strahlung bereit. Als Quelle für diese Strahlung kann ein Laser, eine Plasmaquelle oder dergleichen Verwendung finden. Die Strahlung wird in der Beleuchtungseinrichtung 103 über optische Elemente so geformt, dass der Projektionsstrahl 111 beim Auftreffen auf das Reticle 105 die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Durchmesser, Polarisation, Form der Wellenfront und dergleichen aufweist.
Über die Strahlen 111 wird ein Bild des Reticles 105 erzeugt und von dem Projektionsobjektiv 107 entsprechend verkleinert auf den Wafer 102 übertragen, wie bereits vorstehend erläutert wurde. Dabei können das Reticle 105 und der Wafer 102 synchron verfahren werden, so dass praktisch kontinuierlich während eines sogenannten Scanvorganges Bereiche des Reticles 105 auf entsprechende Bereiche des Wafers 102 abgebildet werden. Das Projektionsobjektiv 107 weist eine Vielzahl von einzelnen refraktiven, diffraktiven und/oder reflexiven optischen Elementen 108, wie z.B. Linsen, Spiegeln, Prismen, Abschlussplatten und dergleichen auf.
Ferner gut erkennbar ist in 1 die Anordnung des Manipulators 200 im Bereich zwischen Reticlestage 104 und dem ersten optischen Element des Projektionsobjektives 107. Dabei kann das erfindungsgemäße optische Element insbesondere als benachbartes optisches Element des Manipulators ausgeführt sein.
In 2 ist in einer perspektivischen Darstellung schematisch ein Manipulator 200 etwas detaillierter dargestellt. Der Manipulator 200 ist dabei über einen Grundrahmen 4 mit der Fassung 3 des ersten optischen Elementes des Projektionsobjektives verbunden, insbesondere verschraubt. Der Grundrahmen 4 ist im vorliegenden Beispiel durch eine 3-Punkt-Verbindung mit dem Projektionsobjektiv verbunden, was eine leichte reproduzierbare Tauschbarkeit ermöglicht. Eine Funktion des Grundrahmens 4 besteht im gezeigten Beispiel darin, sowohl einen Sensorrahmen 5 als auch einen Tragrahmen 6 aufzunehmen, auf welche nachfolgend detaillierter eingegangen werden wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Grundrahmen 4 eine mechanische Entkopplung zwischen dem Trag- und dem Sensorrahmen 5, 6 leistet, d. h. es soll gewährleistet sein, dass Deformationen des Tragrahmens 6 keine mechanischen Auswirkungen auf den Sensorrahmen 5 haben. Ferner muss der Grundrahmen 4 die beiden vorgenannten Rahmen 5 und 6 relativ zum Projektionsobjektiv halten und Deformationen aus dem Tragrahmen 6 gegenüber der Umgebung entkoppeln. Daneben nimmt der Grundrahmen 4 auch die erforderlichen Schnittstellen nach außen, wie z.B. Stecker, Abdeckungen o.ä. auf. Der Grundrahmen 4 ist vorteilhafterweise aus einem nichtmagnetischen Material wie bspw. Titan, einem nichtmagnetischen Stahl oder einer Keramik hergestellt, um Einflüsse, welche von den magnetischen Lorentzantrieben der Reticlestage herrühren könnten, so weit wie möglich zu minimieren. Ebenfalls erkennbar in der 2 sind Nuten 7 zum Führen von Kabeln, Fasern oder ähnlichem.
Der Tragrahmen 6 trägt über die Aktuiereinheiten 8 das optische Element 9 des Manipulators 200 und nimmt – neben der Gewichtskraft des optischen Elementes 9 – diejenigen Kräfte auf, die von den Aktuiereinheiten 8 insbesondere im Falle einer (gewollten) Deformation des optischen Elementes 9 ausgehen.
Das optische Element 9 besteht im vorliegenden Beispiel aus Quarzglas, ist in seiner Grundform als planparallele Platte ausgebildet und weist die Maße im Bereich von 50–100 × 100–200 × 1–4 mm, insbesondere von 65–85 × 120–160 × 2,3–3,3 mm auf. Selbstverständlich sind auch andere Maße und Materialien denkbar. Die Verwendung von Quarzglas hat sich als vorteilhaft erwiesen, im Unterschied insbesondere zu Kalziumfluorid, in welchem Kristallgitterversetzungen zum Wandern neigen, was sich insgesamt negativ auf die optische und mechanische Leistungsfähigkeit des optischen Elementes bzw. des Manipulators auswirken würde.
Im gezeigten Beispiel ist der Tragrahmen 6 an seiner Unterseite mit dem Grundrahmen 4 verbunden. Eine möglichst steife Ausbildung des Tragrahmens 6 ist von Vorteil, wobei der Tragrahmen 6 insbesondere aus einem keramischen Werkstoff oder auch – ähnlich wie der Grundrahmen 4 – aus einem nichtmagnetischen Stahl gefertigt sein kann. In einer Alternative zu der gezeigten Lösung kann der Tragrahmen 6 auch entfallen. In diesem Fall würden die Aktuiereinheiten 8 direkt von dem Grundrahmen 4 aufgenommen. Der Grundrahmen 4 ist wie bereits erwähnt und in der Figur gezeigt neben dem Tragrahmen 6 auch mit dem Sensorrahmen 5 verbunden. Der Sensorrahmen 5 kann beispielsweise kapazitive oder auch optische Sensoren tragen und kann insbesondere aus Titan oder Aluminium oder entsprechenden Legierungen bzw. aus ULE oder Zerodur gebildet sein. Eine Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sensorrahmens 5 an denjenigen des Grundrahmens 4 ist dabei von Vorteil. Weiterhin kann der Sensorrahmen 5 aus einem Material gebildet sein, dessen CTE einen Wert von maximal 12 ppm/K aufweist. Der Sensorrahmen 5 ist mechanisch derart von dem Grundrahmen 4 entkoppelt, dass Deformationen des Grundrahmens 4 sich nicht in Deformationen des Sensorrahmens 5 niederschlagen. Sowohl im Tragrahmen 6 als auch im Sensorrahmen 5 können Justagemöglichkeiten vorgesehen sein, um die Aktuiereinheiten 8 bzw. die Sensoren in allen Freiheitsgraden zu positionieren; insbesondere können hier sogenannte Spacer, also Abstandsringe bzw. Abstandselemente verwendet werden. Dabei ist eine Justage in Aktionsrichtung der Aktuiereinheiten 8 bzw. in Messrichtung der Sensoren von besonderer Bedeutung. Über Verbindungselemente können sowohl der Sensorrahmen 5 mit dem Grundrahmen 4 als auch der Tragrahmen 6 mit dem Grundrahmen 4 und der Grundrahmen 4 mit dem Projektionsobjektiv verbunden sein, wobei die Verbindungselemente eine Entkopplungswirkung zeigen können bzw. zusätzliche Entkopplungselemente vorhanden sind. Dabei ist es von Vorteil, wenn die Verbindungselemente bzw. die Entkopplungselemente in radialer Richtung möglichst weich und in z-Richtung, also in Richtung der optischen Achse, möglichst steif ausgelegt sind. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung entsprechend ausgerichteter und ausgelegter Blattfedern erreicht werden.
Wie bereits erwähnt, ist es neben der in 2 dargestellten Variante eines Manipulators 200 denkbar, dass der Tragrahmen 6 und/oder der Sensorrahmen 5 entfallen, d. h. dass sowohl Sensoren wie auch Aktuiereinheiten unmittelbar auf dem Grundrahmen 4 angeordnet sind.
In 3 ist schematisch eine geschnittene Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Manipulators dargestellt. Der Grundrahmen 4' ist in dieser Ausführungsform derart ausgebildet, dass er den Sensorrahmen 5 weitgehend überdeckt und sich somit im Wesentlichen bis in die unmittelbare Nähe der Randbereiche des optischen Elementes 9 erstreckt. Im Sensorrahmen 5 wird ein Lichtstrahl aus einer Faser 20 ausgekoppelt, verläuft freioptisch über eine gewisse Strecke und trifft auf ein Prisma 19, welches ihn in Richtung der Glasfläche 21 umlenkt. Die Reflexion an der Glasfläche 21 erzeugt nachfolgend eine Selbstinterferenz des Lichtstrahls, welche in einer nachgeschalteten Auswerteeinheit (hier nicht dargestellt) ausgewertet werden kann, so dass die durch die Aktuiereinheiten 8 bewirkte aktuelle Auslenkung des optischen Elementes 9 an der entsprechenden Stelle bestimmt werden kann. Alternativ kann auch eine kapazitive Messung erfolgen; in diesem Fall ist eine Metallisierung des optischen Elementes 9 im Bereich der Messpunkte sowie ggf. eine Erdung von Vorteil. Ebenfalls gezeigt in der 3 ist eine um das optische Element 9 umlaufende Dichtung 2 zwischen optischem Element 9 und Grundrahmen 5. Die Dichtung 2 kann insbesondere aus einem Elastomer wie beispielsweise FKN (Handelsname Viton) hergestellt sein. Alternativ kann auch ein elastischer Klebstoff in der Art einer elastischen (Dehn-)Fuge verwendet werden. Mechanische Anforderungen an die verwendete Dichtmasse sind eine sehr geringe Steifigkeit, um ein gewisses Restbudget für eine Alterung der Dichtung zu ermöglichen.
In 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Aktuiereinheit 8 mit einem Sensor 14 zur indirekten Messung von Deformationen des optischen Elementes 9 dargestellt. Über den Aktuator 81 wird ein Hebel 12, welcher durch Blattfedern 13 gelagert ist, ausgelenkt. Dabei sind die Blattfedern 13 und der Aktuator 81 ihrerseits mit dem Tragrahmen 6 verbunden. Der Hebel 12 steht über einen Stößel 10 und zwei beispielsweise unter Verwendung eines Klebers realisierte Verbindungsschichten 11.1 und 11.2 mit dem optischen Element 9 in mechanischer Verbindung. Dabei ist die mechanische Verbindung 11.2 ist nicht zwingend notwendig, sie kann jedoch aus Servicegründen (Reparatur der Komponente etc.) von Vorteil sein.
Der Tragrahmen 6 weist auf der dem Aktuator 81 gegenüberliegenden Seite den Sensor 14 auf. Die Messung der Deformation eines optischen Elements 9 erfolgt im vorliegenden Beispiel mittels des Sensors 14 in der Aktuiereinheit 8. Aus der ermittelten Bewegung, welche durch die Aktuiereinheit 8 über den Hebel 12 und den Stößel 10 auf das optische Element 9 übertragen wird, kann dann auf die Auslenkung bzw. die Position der Oberfläche des optischen Elementes 9 geschlossen werden. Eine gewisse Messunsicherheit rührt im gezeigten Beispiel unter anderem von den beiden Verbindungsschichten 11.1 und 11.2 her, bei welchen eine Drift auftreten kann, was zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen kann. Alternativ kann eine Messung der Deformation des optischen Elementes 9 über Kraftsensorik erfolgen. Eine derartige Messung zeigt insbesondere den Vorteil einer höheren Robustheit des Messergebnisses gegenüber Crosstalk aus anderen Messachsen. Mit anderen Worten wird der Einfluss der Bewegung anderer Achsen auf das Messsignal einer Achse (bspw. bei Messung in der Aktuiereinheit) weniger beeinflusst. Allerdings besteht hier eine gewisse Schwierigkeit darin, dass durch die Bewegung der Reticlestage parasitäre Kräfte in das System eingetragen werden, durch welche das Messergebnis ebenfalls verfälscht werden kann.
Grundsätzlich ist auch eine Aktuierung (also eine Deformation und/oder eine Auslenkung) des optischen Elementes ohne die Verwendung von Sensorik, also eine gesteuerte Aktuierung, denkbar. In diesem Fall bestehen jedoch erhöhte Anforderungen an die Genauigkeit und Auflösung der Aktuiereinheit, um ein befriedigendes Ergebnis bei der Einstellung der gewünschten Deformation zu erreichen. Es können Kraft- oder Positions-Aktuiereinheiten zur Anwendung kommen. Typische Vertreter von Kraft-Aktuiereinheiten sind Tauchspulen, pneumatische oder hydraulische Aktuiereinheiten oder auch Reluktanz-Aktuiereinheiten. Diese Variante zeichnet sich durch eine geringe Steifigkeit zwischen dem optischen Element und dem Frame, auf welchem die Aktuiereinheiten gelagert sind, aus.
Vertreter von Positions-Aktuiereinheiten sind Piezoaktuatoren, ggf. magnetische Formgedächtniselemente oder auch Schrittmotoren; welche sich durch einen hohen Grad an Steifigkeit zwischen dem optischen Element und dem Frame, auf welchem die Aktuiereinheiten gelagert sind, auszeichnen. Durch die Verwendung von Piezoaktuatoren, insbesondere Piezostacks kann darüber hinaus eine vergleichsweise genaue Postionierung bei – beispielsweise im Vergleich zu Lorentzaktuatoren – geringer Wärmeentwicklung erreicht werden.
Grundsätzlich können durch die Verwendung entsprechender Zusatzelemente wie Federn oder Hebel Kraft- in Positions-Aktuiereinheiten umgewandelt werden und umgekehrt. Entscheidend für das Aktuierkonzept ist die resultierende Steifigkeit zwischen optischem Element und demjenigen Frame, auf welchem die Aktuiereinheit angeordnet ist.
5 zeigt schematisch eine alternative Ausgestaltung einer Aktuiereinheit 8', bei welcher eine sogenannte Parallelkinematik zur Anwendung kommt. Im gezeigten Fall weist die Aktuiereinheit einen Aktuatorkörper 15 auf, welcher über Festkörpergelenke 16 mit zwei im Wesentlichen parallel verlaufenden Balken 17 und 17' verbunden ist und mit diesen sowie einem weiteren Balken 17'' ein Parallelogramm bildet. Dabei ist an dem weiteren Balken 17'' ein Stößel 10.11 zur Aktuierung eines optischen Elementes angeordnet. In einer Diagonalen des Parallelogramms verläuft der ebenfalls über Festkörpergelenke 16' mit dem Aktuatorkörper 15 verbundene Aktuator 81'. Bei einer Ausdehnung bzw. Verkürzung des Aktuators 81', der insbesondere als Piezostack ausgeführt sein kann, bewegen sich die beiden Balken 17 und 17' parallel, so dass eine Aktuierung eines in der Figur nicht gezeigten optischen Elements über die Aktuiereinheit 8' erfolgen kann. Gegenüber einer Aktuierung über Hebel, insbesondere Kipphebel, besteht der Vorteil der gezeigten Lösung im Wesentlichen darin, dass sich in der in der Figur gezeigten Variante die parasitären Kräfte und Momente beim Bewegen anderer Bereiche bspw. im Falle einer Änderung des Deformationsprofiles des optischen Elementes weniger stark ändern, was aus Sicht der optischen Performance ausgesprochen vorteilhaft ist.
Nachfolgend werden exemplarisch mögliche Kombinationen von Aktuiereinheiten und Sensortypen für eine geregelte Deformation/Auslenkung des optischen Elementes zusammengestellt.
POSITIONS-AKTUIEREINHEIT/POSITIONSMESSUNG
Zeichnet sich durch eine steife Aktuiereinheit aus. Das optische Element wird dabei mittels eines hinreichend gegenüber Übersprechen aus anderen Bereichen robusten, ggf. kontaktlosen Positionssensors vermessen, beispielsweise direkt, mittels eines externen Mechanismus oder in der Aktuiereinheit selbst.
Beispiele:
Piezo-Aktuiereinheit, interferometrische Positionsmessung Piezo-Aktuiereinheit, kapazitive Positionsmessung Piezo-Aktuiereinheit, Mechanik, kapazitive Positionsmessung Schrittmotor-Aktuiereinheit, Encoder
Die Verwendung von kapazitiven Sensoren ist insbesondere in Fällen denkbar, in welchen der Sensor die Auslenkung einer Komponente einer Aktuiereinheit misst. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, Auslenkungen oder Deformationen des optischen Elementes direkt mit einem kapazitiven Sensor zu messen. In diesem Fall kann eine leitende Beschichtung des durch den Sensor adressierten Bereiches auf der Oberfläche des optischen Elementes, beispielsweise eine Metallisierung, vorteilhaft sein.
Im Falle der Verwendung eines interferometrischen Sensors für die Positionsmessung kommt insbesondere die Anwendung eines fasergekoppelten Interferometers in Betracht. Ebenso können Faser-Bragg-Gitter verwendet werden, die auf einfache Weise eine mehrkanalige Messung durch in Serie geschaltete Einzelsensoren ermöglichen, so dass alle adressierten Sensoren mit einer einzigen Faser abgefragt werden können.
KRAFT-AKTUIEREINHEIT/POSITIONSMESSUNG
Zeichnet sich durch eine hinreichend (typischerweise im einstelligen nm-Bereich) genaue Aktuiereinheit aus. Das optische Element wird dabei mittels eines hinreichend genauen, ggf. kontaktlosen Positionssensors vermessen, beispielsweise direkt, mittels eines externen Mechanismus oder in der Aktuiereinheit selbst.
Beispiele:
Tauchspulen-Aktuiereinheit, interferometrische Positionsmessung Reluktanz-Aktuiereinheit, kapazitive Positionsmessung Pneumatische oder hydraulische Aktuiereinheit, Encoder
KRAFT-AKTUIEREINHEIT/KRAFTMESSUNG
Zeichnet sich durch eine hinreichend genaue (siehe oben) Aktuiereinheit aus. Die auf das optische Element wirkenden Kräfte werden mittels eines steifen Kraftsensors im Kraftweg gemessen.
Beispiel:
Tauchspulen-Aktuiereinheit auf Kraftmessdose.
POSITIONS-AKTUIEREINHEIT/KRAFTMESSUNG
Zeichnet sich durch eine sehr steife, gegenüber Übersprechen robuste, Aktuiereinheit aus. Die auf das optische Element wirkenden Kräfte werden mittels eines steifen Kraftsensors im Kraftweg gemessen.
Beispiel:
Piezo-Aktuiereinheit mit einem Dehnmessstreifen.
Anhand 6 sollen in einer geschnittenen Teildarstellung noch einmal die Verhältnisse in der Umgebung desjenigen Bereiches eines optischen Elementes, auf welche Aktuatorkräfte einwirken, verdeutlich werden. Dabei kann es sich bei dem optischen Element 9 um das im oben gezeigten Manipulator verwendete optische Element handeln, grundsätzlich lassen sich die in den nachfolgende Figuren dargestellten Lösungen sich jedoch auf eine Vielzahl unterschiedlichster aktuierter optischer Elemente anwenden. In der in der Figur gezeigten Variante steht das optische Element 9 zur Einleitung von Kräften mittels eines einem aktuierbaren Stößels 10 über eine Verbindungsschicht 11, insbesondere eine Kleberschicht oder eine Lötverbindung, in Verbindung. Die Aktuierkraft ist dabei durch den Doppelpfeil angedeutet. Im Unterschied zu aus der Fassungstechnik insbesondere von Linsen in Projektionsobjektiven bekannten Lösungen, bei welchen optische Elemente direkt auf ggf. aktuierbaren Federbeinen gelagert sind, besteht hier kein direkter Kontakt zwischen dem Stößel 10 und dem Material des optischen Elementes 9, sondern die Kräfte von dem Stößel 10 werden auf das optische Element 9 über das Material der Verbindungsschicht 11 übertragen. Die Krafteinleitung dient im vorliegenden Fall weniger einer Bewegung des optischen Elementes 9 als Ganzes, sondern vielmehr einer lokalen Deformation des optischen Elementes 9, beispielsweise zur Einstellung einer gewünschten Welligkeit über das optische Element 9 hinweg. Die lokale Deformation kann sich jedoch wie in der Figur dargestellt insbesondere in einer Biegung des optischen Elementes 9 auch im Bereich der Verbindungsschicht 11 – nachfolgend als Kontaktbereich 36 bezeichnet – niederschlagen, was zu unerwünschten Spannungen in der Verbindungsschicht 11 und damit zu einem Kriechen bzw. zu einer Degradation bis hin zur Zerstörung der Verbindungsschicht 11 führen kann.
Der Kontaktbereich 36 kann eine maximale laterale Erstreckung bzw. bei einer kreisförmigen Ausbildung des Kontaktbereiches 36 einen Durchmesser von ca. 2–15 mm, insbesondere von ca. 3–6 mm zeigen; die Verbindungsschicht 11 kann eine Dicke von ca. 20µm–400µm, insbesondere von ca. 90–130 µm zeigen. Eine Reduktion der Dicke der Verbindungsschicht würde zu einem verringerten Kriechen aufgrund der Verbindungsschicht führen, so dass auch eine dünnere Wahl der Verbindungsschicht möglich bzw. wünschenswert ist. Für das Material des Stößels kann Edelstahl X14 bzw. X17, Invar oder auch TiAl6V4 bzw. weitere Titanlegierungen verwendet werden. Aufgrund der nichtmagnetischen Eigenschaften insbesondere des zuletzt genannten Materials wird ein schädlicher Einfluss der von der Reticlestage ausgehenden Magnetfelder wie bspw. Magnetostriktion minimiert. Daneben erweist sich TiAl6V4 als vorteilhaft, weil es einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zeigt, der näher beim Ausdehnungskoeffizienten des optischen Elementes liegt als die ebenfalls in Frage kommenden nichtmagnetischen Stähle.
7 zeigt ebenfalls in einer ausschnittsweisen Schnittdarstellung eine Variante, in welcher eine Biegung des optischen Elementes 9.1 im Kontaktbereich 36 reduziert ist. Auch hier wirkt ein Stößel 10.1 über den Kontaktbereich 36 auf das optische Element 9.1 zu dessen gezielter Verformung. Deutlich sichtbar ist eine den Kontaktbereich 36 umgebende ringförmige umlaufende Nut 22. Der Effekt der Nut 22 besteht im Wesentlichen darin, dass bei einer Deformation des optischen Elementes 9.1 die Krümmung bzw. Biegung der Flächen im Kontaktbereich 36 verringert wird und damit die Verbindungsschicht 11.1 spannungsarm bleibt. Die Nut 22 verlagert die auftretenden Biegespannungen ins Innere des optischen Elementes 9.1. Bei einer hinreichenden Tiefe der Nut 22 wirkt diese im Zusammenspiel mit dem in ihrer Umgebung verbleibenden Material des optischen Elementes 9.1 in der Art eines Gelenkes.
Im Wesentlichen wird also die Biegespannung im Kontaktbereich 36 reduziert, wobei die zur Aktuierung bzw. Verformung des optischen Elementes 9.1 selbstverständlich erforderliche Druckspannung erhalten bleibt. Dadurch, dass die Verbindungsschicht 11.1 auf die gezeigte Weise im Wesentlichen von Scherkräften freigehalten wird, wird insgesamt die Haltbarkeit der Verbindung verbessert und die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer des Gesamtsystems erhöht. Insbesondere wird ein Kriechen der Verbindungsschicht 11.1 reduziert.
Der Abstand der Nut 22 vom Rand des Kontaktbereiches 36 sollte dabei so klein wie möglich gewählt werden. Die ringförmige Gestaltung der Nut 22 bietet sich insbesondere für Fälle an, in welchen das optische Element 9.1 mit wechselnden Last- bzw. Biegerichtungen verformt bzw. aktuiert wird. In anderen Anwendungsfällen sind selbstverständlich abweichende Verläufe der Nut 22, beispielsweise lineare Verläufe, denkbar.
Die Nut 22 kann mittels eines Formwerkzeuges, also eines Positivkörpers, eingeschliffen bzw. eingefräst werden. Gegebenenfalls kann ein weiterer Ätz- oder Polierschritt zur Ausräumung bzw. Reduzierung von Tiefenschädigungen vorgenommen werden, wodurch Spannungsspitzen und mögliche Ausgangspunkte von Schädigungen des Materials unter Spannung vermieden werden können.
8 zeigt eine Variante, bei welcher der Stößel 10.2 derart ausgebildet ist, dass er sich in die von dem optischen Element 9.2 weg weisende Richtung verjüngt. Diese Ausbildung des Stößels 10.2 beruht auf der Erkenntnis, dass selbst bei optimal gestalteten Nuten immer noch eine Restbiegung des optischen Elementes im Kontaktbereich zu beobachten ist. Ein maximal steifer Stößel würde dazu führen, dass in den Randbereichen des Kontaktbereiches aufgrund der vorne angesprochenen Biegung Spannungsspitzen auftreten. Deswegen ist es vorteilhaft, den Stößel 10.2 zu den Außenbereichen des Kontaktbereiches 36 hin weicher zu gestalten, was durch die in der Figur gezeigte Stößelgeometrie erreicht wird. Dabei wirkt sich der angesprochene Effekt sowohl bei Zug als auch bei Druck aus.
Ebenfalls dargestellt in der Figur sind wesentliche Parameter zur Beschreibung des Systems.
Dabei ist

a: die Nuttiefe
r: der Radius der Nut 22.1 an der dem Kontaktbereich zugewandten Seite der Nut 22.1
t: die Dicke des optischen Elementes 9.2

Bei nur einer Hauptdehnungsrichtung im Bereich der Verbindungstelle kann die Einbringung einer Nut quer zu dieser Richtung zur Spannungsentkopplung ausreichen. Ein vorteilhafter Bereich für die Nuttiefe a ist: 1 / 4 < a / t < 3 / 4
Bei Nutzung eines Radius in der Nut ist der folgende Bereich von Vorteil: 1 / 4 < r / a < 2
Weitere Varianten zur Stößelgestaltung sind in den 9a und 9b anhand der modifiziert gestalteten Stößel 10.3 bzw. 10.4 gezeigt. Von Vorteil ist der in 8 gezeigte große Absatz, dessen plane Fläche als Referenz im Montage/Justageprozess genutzt werden kann.
Eine vorteilhafte Vorgabe für die bei der Wahl der Geometrie des Stößels anzuwendenden Randbedingungen kann über den Bereich der Normalspannung in z-Richtung beschrieben werden.
Dabei sind:
Interface, gemittelt: Über den Querschnitt gemittelte Normalspannung in z
Interface, Zentrum: Normalspannung in z im Zentrum des Kontaktbereiches bzw. der benachbarten Bereiche im Stößel bzw. optischem Element
10a zeigt eine weitere Variante, bei welcher das optische Element 9.3 über eine Klemmverbindung mit einer Aktuiereinheit verbunden ist. Dazu wird eine Schraube 23 durch eine Durchgangsbohrung 24 im Glas des optischen Elementes 9.3 geführt. Auf der dem Schraubenkopf abgewandten Seite der Schraube 23 bzw. des optischen Elementes 9.3 wird zunächst eine Beilagscheibe 25, dann eine vergleichsweise weiche Feder 26 angeordnet, welche über eine Mutter 27 gegenüber dem optischen Element 9.3 festgezogen wird. Ein Kolben 28, der seinerseits mit der Aktuiereinheit in mechanischer Wirkverbindung steht, greift an der Beilagscheibe 25 an. Die Wirkung der Feder 26 besteht im Wesentlichen darin, das Aufbringen einer definierten Klemmkraft zu ermöglichen. Die Federkonstante ist dabei so zu wählen, dass die Beilagscheibe 25 auch bei einer maximalen Auslenkung des optischen Elementes 9.3 nach unten nicht den Berührungskontakt zum dem optischen Element 9.3 verliert und ein schwer zu beherrschender Zustand eintritt. Andererseits muss die Federkonstante klein genug sein, um eine entsprechend feinfühlige Einstellung der Klemmkraft zu ermöglichen. Typische Werte für die Federkonstante liegen im Bereich von 1 N/µm–0,01 N/µm.
10b zeigt die gegenüber 10a dahingehend modifizierte Variante, dass sich nun beidseitig auf dem optischen Element 9.4 umlaufende Ringnuten 29 befinden, die im Wesentlichen dieselbe Funktion wie aus den vorhergehenden 7–9 bekannt, erfüllen. Das Erfordernis der beidseitigen Ringnuten 29 in 10b rührt daher, dass nunmehr auch ein vergleichsweise steifes Element, nämlich der Schraubenkopf 23a, auf der der Aktuatoreinheit abgewandten Seite des optischen Elementes 9.4 mit diesem in Kontakt steht.
11a zeigt einen Ansatz, durch welchen dem begrenzten zur Verfügung stehenden Bauraum unterhalb des optischen Elementes 9.5 Rechnung getragen wird. Das optische Element 9.5 wird dabei – ebenfalls unter Verwendung einer Schraube 23 und einer Feder 26 – zwischen den beiden Armen einer Zwinge 30 eingeklemmt; die Aktuatoreinheit greift in diesem Fall von außen her an der Zwinge 30 an, wie durch den Doppelpfeil andeutet. 11b entspricht 11a, allerdings ist in diesem Fall das optische Element 9.6 mit den bereits aus den vorigen 7–9 bekannten umlaufenden Ringnuten 29 versehen.
Die Gestaltung des außenliegenden Teiles der Nut weist im Regelfall eine wesentlich geringere Relevanz für die Spannungseinleitung in das Material des optischen Elementes auf als die Gestaltung des den Kontaktbereich zugwandten Teiles der Nut.
12 zeigt in den Teilfiguren 12a und 12b eine gefaste und eine elliptische Gestaltung des dem Kontaktbereich 36 zugewandten Teiles der Nut 22.2 und 22.3 im optischen Element 9.7 und 9.8. Dies stellt jedoch nur zwei mögliche Varianten aus einer Vielzahl möglicher Gestaltungen der Nut 22 dar; es sind selbstverständlich auch Freiformflächen denkbar.
Ebenfalls exemplarisch gezeigt ist in den 13a und 13b ein Freistich an der dem Kontaktbereich 36 zugewandten Seite der Nut 22.4 und 22.5 im optischen Element 9.9 und 9.10.
14 zeigt in den Teilfiguren 14a und 14b eine Variante, bei welcher das optische Element 9.11 und 9.12 außerhalb des optisch aktiven Bereich 9.11' bzw. 9.12' gezielt lokal geschwächt wird, um die zu einer Deformation des optischen Elementes 9.11 und 9.12 erforderlichen Kräfte zu reduzieren. Unter dem optisch aktiven Bereich ist dabei derjenige Bereich eines optischen Elementes zu verstehen, der während des Betriebes der übergeordneten Anlage von Nutzstrahlung durchtreten wird. Dabei wird in der 14a das optische Element 9.11 an seinem Rand mit einer Einbuchtung 31 versehen, wohingegen in der 14b im optisch nicht aktiven Bereich, jedoch im Inneren des optischen Elementes 9.12 Material ausgeschnitten wird. Der Ausschnitt 32 kann entweder durchgängig sein oder lediglich als Kerbe ausgeführt sein. Unter dem optisch nicht aktiven Bereich wird derjenige Bereich des optischen Elements verstanden, welcher im Betrieb einer übergeordneten Vorrichtung, in welcher das optische Element zur Anwendung kommt, nicht von der in der Vorrichtung verwendeten Nutzstrahlung durchtreten wird. In beiden Fällen sind entsprechenden Schwächungen des Materials von dem Kontaktbereich 36 beabstandet ausgebildet.
15 zeigt in den Teilfiguren 15a und 15b zwei unterschiedliche Möglichkeiten zur Einbringung von Kräften und Momenten in ein optisches Element. In der in 15a gezeigten Variante werden im Randbereich des optischen Elementes 9.13, also außerhalb des optisch aktiven Bereiches 9.13', Kräfte und Momente jeweils an einem gemeinsamen Angriffspunkt in das Material des optischen Elementes 9.13 eingebracht, wie durch die Pfeile 33 und 34 verdeutlicht wird. Nachteilig in der in 15a gezeigten Lösung ist, dass in diesem Fall eine Entkopplung von Kraft und Moment im Kontaktbereich 36 nur sehr eingeschränkt möglich ist, da eine hohe Steifigkeit in Aktuierrichtung vorteilhaft ist, was im Widerspruch zur Entkopplungsforderung steht und zum Erreichen einer gewünschten Biegedeformation des optischen Elementes 9.13 insbesondere in x-Richtung erhebliche Spannungen im Kontaktbereich 36 der verwendeten, in der Figur nicht dargestellten Aktuiereinheit in dem optischen Element 9.13 auftreten. 15b zeigt eine Variante, bei welcher auf jeder Seite des optischen Elementes 9.14 außerhalb des optisch aktiven Bereiches 9.14' jeweils zwei Kontaktbereiche 36 vorgesehen sind, in welchen Kräfte zur Deformation des optischen Elementes 9.14 angreifen können. Die Einleitung von Momenten, insbesondere von tangentialen Momenten, erfolgt im gezeigten Beispiel dadurch, dass jeweils unterschiedliche Kräfte an in x-Richtung von einander beabstandeten Kontaktbereichen 36 angreifen. Mit anderen Worten wird das gewünschte Biegemoment dadurch aufgebracht, dass lediglich die Differenz der eingeleiteten Kräfte entsprechend gewählt wird. Die jeweiligen Absolutwerte der Kräfte können dann unabhängig von der erwähnten Differenz eingestellt werden. Damit ergeben sich erweiterte Möglichkeiten zur Verformung des optischen Elementes 9.14 ebenso wie eine Verringerung der in das Material des optischen Elementes 9.14 in den Kontaktbereichen 36 eingeleiteten Spannungen. Ferner kann über den Abstand der beiden Kontaktbereiche 36 ein gewünschtes Verhältnis beider Kräfte eingestellt werden, ohne das gewünschte Moment verändern zu müssen, so dass eine Spannungsoptimierung möglich wird.
16 zeigt in Detailfiguren 16a und 16b eine schematische Darstellung einer Kraftbzw. Momenteneinleitung wie oben beschrieben. Dabei wird die Kraft über ein Gelenk 35 jeweils an zwei Kontaktbereichen 36 durch eine Aktuiereinheit in den Randbereich eines optischen Elements 9.15 eingeleitet. Der in der Figur gezeigte Parameter b bezeichnet dabei den Abstand des inneren Kontaktbereichs zum optisch aktiven Bereich 9.15' des optischen Elements 9.15, wohingegen der Parameter a den Abstand des äußeren Kontaktbereichs 36 zum optisch aktiven Bereich 9.15' des optischen Elements 9.15 bezeichnet. Dabei fällt der Wirkort für die geforderte Kraft bzw. das geforderte Moment mit dem Rand des optisch aktiven Bereichs 9.15' zusammen. 16b zeigt den aktuierten Fall, in welchem über die Aktuiereinheiten 8.1 und 8.2 unterschiedliche Kräfte aufgebracht werden, so dass am Wirkort sowohl eine Kraft als auch ein Drehmoment wirkt. Gut erkennbar in der Figur ist die Wirkung der Entkopplungsgelenke 35 zwischen den Aktuiereinheiten 8.1 und 8.2 und dem optischen Element 9.15, welche hohe Spannungen in dem Kontaktbereich 36 oder in dessen Umgebung vermeiden. Insbesondere bewirken die Entkopplungsgelenke 35, dass in erster Linie Zug- und Druckkräfte auf den Kontaktbereich 36 übertragen werden. Wählt man den Kontaktbereich 36 hinreichend groß, ergeben sich insgesamt niedrigere Zug- bzw. Druckspannungen. Die Entkopplungswirkung des Entkopplungsgelenks 35 kann im allgemeinsten Fall in alle Richtungen der x/y-Ebene realisiert werden. Dies kann beispielsweise mit einem dünnen Runddraht oder einem Kardangelenk erreicht werden. Im Falle der Biegung des optischen Elements 9.15 um nur eine Achse genügt eine Entkopplungswirkung des Entkopplungsgelenks 35 um diese Achse; in diesem Fall kann eine Blattfeder zur Anwendung kommen. Für das Steifigkeitsverhältnis des Gelenks in z- bzw. x/y-Richtung gilt vorteilhafterweise: 2 < k_z/k_xy < 100 mit k als Federkonstante.
17 zeigt eine exemplarische Verteilung von Kontaktbereichen 36 außerhalb des optisch aktiven Bereiches 9.16' des optischen Elementes 9.16. Die Kontaktbereiche 36 sind dabei in einem regelmäßigen Raster angeordnet, wobei a der Abstand der inneren Kontaktbereiche zum optisch aktiven Bereich 9.16' und b der Abstand der äußeren Kontaktbereiche 36 von den inneren Kontaktbereichen 36 ist. Der Abstand der Kontaktbereiche 36 von einander in Längsrichtung des optischen Elementes 9.16 ist mit c bezeichnet. Grundsätzlich ist auch eine unregelmäßige Anordnung der Kontaktbereiche denkbar.
Dabei ist zum Abstand a zu sagen, dass angestrebt ist, die Kontaktbereiche 36 so nah wie möglich am optisch aktiven Bereich 9.16' anzuordnen, also a so klein wie möglich zu wählen. Der Abstand b wirkt sich unmittelbar darauf aus, welches Drehmoment in Tangentialrichtung mit einer vorgegebenen Aktuatorkraft in das optische Element 9.16 eingebracht werden kann. Abstand c ist in der Weise zu wählen, dass die gewünschte Auflösung der Deformation erreicht werden kann. Vereinfacht gesagt, steigt die durch das optische Element 9.16 darstellbare Welligkeit mit abnehmenden Abstand c an. Dabei versteht es sich von selbst, dass Abstand c nicht zwingend der Abstand von einem Wellenberg zu einem Wellental sein muss. Eine Welle kann auch über eine Vielzahl von Kontaktbereichen 36 hinweglaufen. Darüber hinaus muss das Oberflächenprofil des aktuierten optischen Elements 9.16 nicht zwingend in y-Richtung konstant sein. Statt bei einem Wellenberg für kleine y, kann das optische Element 9.16 zu seiner Mitte hin keine Deformation mehr aufweisen und nachfolgend ein Wellental ausbilden. Der neutrale Bereich muss auch nicht zwingend in der Mitte liegen; es versteht sich von selbst, dass eine Vielzahl auch höchst unregelmäßiger Profile durch das gezeigte optische Element 9.16 mit der entsprechenden Aktuatorik eingestellt werden kann. Der Abstand a der Mittelpunkte der ersten Reihe der Kontaktbereiche 36 zum optisch aktiven Bereich 9.16' des optischen Elements 9.16 muss dabei nicht konstant sein. Um die Kräfte und damit die Spannungen im optischen Element 9.16 gering halten zu können und somit ein Bauteilversagen zu verhindern, ist es vorteilhaft, den genannten Wert im Bereich von 1 mm bis 10 mm zu wählen.
Der Abstand b der Mittelpunkte der Kontaktbereiche 36 der zweiten Reihe zu dem der ersten Reihe wird vorteilhafterweise im Bereich von 2 bis 10 mm gewählt. Wählt man den Abstand zu klein, werden zu hohe Kräfte benötigt, um ein ausreichendes tangentiales Moment einzuleiten. Bei zu hohem Abstand werden andererseits zu hohe Kräfte benötigt, um die erwünschten Deformationen in den optisch aktiven Bereich 9.16' einleiten zu können.
Für den Abstand c ist es vorteilhaft, einen Wert im Bereich von 8 bis 40 mm zu wählen. 18 zeigt eine Variante zu der in 17 gezeigten Anordnung der Kontaktbereiche 36 außerhalb des optisch aktiven Bereiches 9.17'. In diesem Fall sind die Kontaktbereiche 36 in zwei Reihen versetzt gegeneinander angeordnet; der laterale Versatz der jeweiligen Kontaktbereiche 36 der beiden Reihen zueinander ist hier mit dem Parameter d bezeichnet. Auch hier ist die Einleitung eines tangentialen Moments in das optische Element 9.17 möglich.
Insgesamt ist von Vorteil, die Anzahl der Kontaktbereiche in einem Bereich zwischen 14 und 64 zu wählen. In diesem Bereich wird bei noch vertretbarem konstruktivem Aufwand eine hinreichende Deformationsauflösung über das optische Element hinweg erreicht.
Nachfolgend werden anhand der 19 bis 21 exemplarische mögliche Varianten zur Anordnung von Messpunkten auf dem optischen Element erläutert.
Sowohl 19 als auch 20 zeigt eine Variante, bei welcher die gestrichelt dargestellten Messpunkte 37 bzw. Messbereiche außerhalb des optisch aktiven Bereiches 9.19' bzw. 9.20' versetzt zu den Kontaktbereichen 36 angeordnet sind. Hierdurch eröffnet sich die Möglichkeit, von derselben Seite des optischen Elements 9.19 und 9.20 her sowohl zu aktuieren als auch zu messen, so dass das optische Element 9.19 und 9.20 an der gegenüberliegenden Seite vergleichsweise nahe an benachbarte Komponenten einer Projektionsbelichtungsanlage (beispielsweise das Reticle) herangeführt werden kann. Grundsätzlich kann die Messung direkt auf der Oberfläche des optischen Elements 9.19 und 9.20 erfolgen. Alternativ ist auch denkbar, wie bereits beschrieben, indirekt durch eine Aktuiereinheit zu messen.
In einer alternativen, nicht dargestellten Variante befinden sich die Messpunkte in den Kontaktbereichen bzw. in den Bereichen auf der anderen Fläche des optischen Elements, die den Kontaktbereichen gegenüberliegen (auf der Fläche des optischen Elements, auf der nicht die Kontaktpunkte liegen).
In diesem Fall kann gegebenenfalls näher am optisch aktiven Bereich des optischen Elements gemessen werden, so dass sich die Messgenauigkeit und damit die Leistungsfähigkeit des Systems insgesamt erhöht. Selbstverständlich können, wie in 21 exemplarisch dargestellt, sowohl die Kontaktbereiche 36 als auch die Messpunkte 37 außerhalb des optisch aktiven Bereiches 9.21' an der kurzen Seite eines rechteckigen optischen Elements 9.21 angeordnet sein.
Es ist von Vorteil, die Messpunkte 37 in mindestens zwei Reihen anzuordnen, um das Driftverhalten der Sensoren besser kontrollieren zu können. Im Falle der Verwendung nur einer Reihe von Sensoren erzeugt der Drift eines Sensors wesentlich höhere parasitäre Deformationen im optisch aktiven Bereich und vermindert die Leistungsfähigkeit des Systems, wodurch das optische Element aus regelungstechnischer Sicht schlechter konditioniert ist. Bei Drift eines Sensors werden in diesem Fall alle Aktuiereinheiten bewegt, um diese – fehlerhaft gemessene – Deformation zu korrigieren. Wenn alle Messpunkte in einer Linie liegen, besteht keine bzw. wenig Kontrolle in y-Richtung, wodurch sich die Deformation im optisch aktiven Bereich des optischen Elementes und damit der optische Fehler erhöht.
Die Einleitung eines tangentialen Momentes ist insbesondere deswegen wichtig, um eine an den Rändern des optischen Elements 9.21 erzeugte Welligkeit auch in das Innere, also den optisch aktiven Bereich 9.21' des optischen Elements 9.21 fortsetzen zu können. Ohne die Aufbringung eines zusätzlichen tangentialen Moments würde sich gegebenenfalls die gewünschte Welligkeit lediglich an den Rändern, also insbesondere auch im optisch nicht aktiven Bereich des optischen Elements 9.21 einstellen und der Manipulator würde seine Wirkung verfehlen.
Bei der Wahl der Dicke des optischen Elements in z-Richtung sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen. Vor allem hängen die eingebrachten Spannungen in das Material des optischen Elements insbesondere in der Umgebung der Kontaktbereiche stark von der Dicke des optischen Elements ab. Im Extremfall können derartige Spannungen zum Bauteilversagen führen. Damit wird das optische Korrekturpotenzial bei dicken optischen Elementen durch die spannungsbedingte Begrenzung der maximalen Auslenkungen der entsprechenden Aktuiereinheiten durch die Plattendicke vermindert. Darüber hinaus steigt der parasitäre Effekt der Spannungsdoppelbrechung bei dickeren optischen Elementen an, wodurch sich die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems verringert.
Die oben genannten Aspekte regen damit die Wahl eines möglichst dünnen optischen Elements nahe. Allerdings existiert eine untere Grenze der Dicke des optischen Elements im Wesentlichen aus den nachfolgend dargestellten Gründen. Zunächst kann ein planparalleles optisches Element wirtschaftlich lediglich mit einer bestimmten Minimaldicke hergestellt werden, darüber hinaus ist es wünschenswert, eine gewisse Eigensteifigkeit des optischen Elements aufrecht zu erhalten, um dessen Anfälligkeit gegenüber schädlichen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Druckstößen aus dem umgebenden Gas, möglichst gering zu halten.
Es hat sich gezeigt, dass eine vorteilhafte Wahl für die Dicke des optischen Elements im Bereich von 1,2 mm bis 7 mm, insbesondere im Bereich von 1,2 mm bis 4 mm liegt. Die Wahl eines möglichst dünnen optischen Elements kann in einer vorteilhaften Variante durch die anhand der nachfolgenden 22 dargestellte Maßnahme ermöglicht werden.
22 zeigt eine Variante, bei welcher das auf den Stößeln 10 über die Verbindungsschicht 11 gelagerte optische Element 9.22 mittels einer zwischen ihm und dem Reticle angeordneten Schutzplatte 38 vor schädlichen Umwelteinflüssen, insbesondere vor Druckstößen, welche von der Bewegung der Reticlestage herrühren, abgeschirmt ist. Die Schutzplatte 38 kann dabei vergleichsweise dick, insbesondere mit einer Dicke im Bereich von 4mm–10mm gewählt werden. Die maximal mögliche Dicke der Schutzplatte 38 wird im Wesentlichen durch den zur Verfügung stehenden Bauraum und durch eine Begrenzung des maximalen Lichtweges durch Glas im System begrenzt. Die Schutzplatte 38 kann dabei insbesondere auf dem Grundrahmen angeordnet sein. Eine Abdichtung zur Umgebung kann dann dadurch erreicht werden, dass sich die nicht aktuierte Schutzplatte 38 gegenüber einem oberen Abschluss des Grundrahmens abgedichtet wird, was aufgrund der starren Verbindung der Schutzplatte 38 mit dem Grundrahmen wesentlich einfacher ist als eine Abdichtung des aktuierten optischen Elements 9.22 gegenüber dem Grundrahmen. Damit entsteht im Wesentlichen zwischen Schutzplatte 38 und optischem Element 9.22 ein nach außen lediglich durch einen Zu- und Abfluss verbundenen Gasraum 39, der definiert gespült werden kann.
Durch die Pfeile angedeutet sind die von der Umgebung auf die Schutzplatte 38 wirkenden Drucklasten.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, die Schutzplatte 38 über drei Auflagepunkte an dem Grundrahmen anzubringen. In diesem Fall werden Fehler, die aus einer thermischen Deformation von Schutzplatte 38 bzw. Grundrahmen herrühren könnten, minimiert.
23 zeigt eine erfindungsgemäße Variante zur Gestaltung eines optischen Elementes 9.23 in Verbindung mit dem oben beschriebenen Manipulator. Dabei ist ein beispielsweise aus Quarzglas oder Calciumfluorid hergestelltes optisches Element 9.23 mit einem Ausbruch 40 in demjenigen Bereich versehen, welcher im üblichen Betrieb der übergeordneten Projektionsbelichtungsanlage 100 nicht von optischer Nutzstrahlung durchtreten wird. Die Einhüllende 41 des Strahlengangs durch das optische Element 9.23 ist ebenfalls in der 23 wie auch in den folgenden 24 und 25 angedeutet. Das optische Element 9.23 ist in üblicher Weise dabei in einer Fassung 42 angeordnet, die insbesondere zwischen dem Manipulator und einem weiteren Element eines Objektivs angeordnet sein kann. Dadurch, dass das in der Figur gezeigte optische Element 9.23 mit dem Ausbruch 40 versehen ist, kann Bauraum für Komponenten der baulich übergeordneten Einheit, beispielsweise des Manipulators 200 geschaffen werden, sodass insgesamt eine erhöhte Packungsdichte von optischen Elementen in einer Projektionsbelichtungsanlage erreicht wird. Darüber hinaus wird Gewicht eingespart und durch den Ausbruch 40 wird auch die Möglichkeit geschaffen, einen Fluss eines Spülgases im System zu optimieren bzw. zu steuern.
Es ist selbstverständlich auch denkbar, das erfindungsgemäße und gezeigte optische Element unabhängig von dem beschriebenen Manipulator zu verwenden.
24 zeigt in den Teilfiguren 24a und 24b eine Variante zu der oben gezeigten Lösung, dabei ist das optische Element 9.24 nicht mit einem vollständigen Ausbruch versehen, sondern vielmehr in den optisch nicht genutzten Bereichen 40.1 abgefräst. 24a stellt eine perspektivische Ansicht des optischen Elementes 9.24 dar, wohingegen 24b als seitliche Ansicht ausgeführt ist. Die in den 23 und 24 gezeigten Materialabschwächungen 40.1 bzw. Ausbrüche 40 können beispielsweise in einem letzten Bearbeitungsschritt bei der Herstellung des optischen Elementes durch Fräsen oder ähnliche Fertigungsverfahren wie beispielsweise Schleifen hergestellt werden.
Eine weitere Variante zu den in den 23 und 24 gezeigten Ausführungsformen ist die 25, dort in den Teilfiguren 25a und 25b gezeigt. Teilfigur 25a zeigt eine perspektivische Ansicht der entsprechenden Variante, wohingegen Teilfigur 25a eine seitliche Ansicht darstellt.
In dem in der 25 gezeigten Beispiel wird darauf verzichtet, die äußere Kontur des optischen Elementes 9.25 ringförmig auszuführen, sondern es werden vielmehr im gezeigten Beispiel 3 Ösen 43 gebildet, durch welche das optische Element 9.25 beispielsweise mit der Fassung eines weiteren optischen Elementes eines Projektionsobjektives verschraubt oder auf Kugelkalotten gelagert werden kann. Durch die Ersparnis der ringförmigen Kontur kann hier zusätzlicher Bauraum gewonnen werden; ferner reduziert sich die Gesamtmasse des optischen Elementes 9.25 weiter, was in Hinblick auf eine Anwendung des optischen Elementes 9.25 in einem Manipulator erhebliche Vorteile hat.
26 zeigt exemplarisch eine Verwendung des optischen Elementes mit einem Manipulator 200, wobei zu erkennen ist, wie der verbleibende Teil des optischen Elementes in den freien Bauraum im Manipulator 200 ragt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1014139 B1 [0004, 0004]

Claims

Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie, mit einem Manipulator zur Korrektur von Wellenfrontfehlern optischer Nutzstrahlung, welche ein optisches Element (9–9.22) des Manipulators während des Betriebes des Projektionsobjektives durchtritt, dadurch gekennzeichnet, dass dem Manipulator (200) im Lichtweg benachbart ein optisches Element (9.23, 9.24) angeordnet ist, welches in demjenigen Bereich, welcher im üblichen Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage nicht von optischer Nutzstrahlung durchtreten wird, mit einer Materialabschwächung versehen ist.
Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht mit der Materialabschwächung versehene Teil des optischen Elements (9.23, 9.24) in eine durch die Geometrie des Manipulators (200) entstehende Ausnehmung ragt.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Materialabschwächung um einen Ausbruch (40) handelt.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Materialabschwächung um eine Abfräsung bzw. Abschleifung (40.1) handelt.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Kontur des optischen Elements (9.25) eine Abweichung von der Ringform zeigt, wobei am optischen Element (9.25) Ösen (43) zur Befestigung bzw. zur Lagerung des optischen Elements vorhanden sind.
Projektionsbelichtungsanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulator (200) in Richtung der optischen Nutzstrahlung unmittelbar nach einem Reticle der Projektionsbelichtungsanlage angeordnet ist.