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Die Erfindung betrifft einen Tauchspulenaktuator mit einer Spuleneinrichtung und einer Magneteinrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die Erfindung betrifft auch eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einem Beleuchtungssystem mit einer Strahlungsquelle sowie einer Optik, welche wenigstens ein optisches Element aufweist nach dem Oberbegriff von Anspruch 15.
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Tauchspulenaktuatoren, auch unter den Begriffen Voice-Coil Aktuatoren und Voice-Coil Motoren bekannt, basieren auf dem bekannten physikalischen Phänomen der Lorentzkraft und werden im Stand der Technik für eine Vielzahl von aktuatorischen Aufgaben eingesetzt. Bekanntermaßen erfährt ein stromdurchflossener Leiter im Einfluss eines Permanentmagnetfelds in Abhängigkeit von der Stromflussrichtung und Stromstärke in dem elektrischen Leiter eine entsprechende Kraft, die zu einer Auslenkung des Leiters oder eines Magneten führen kann. Nach diesem Prinzip können entweder rotierende oder lineare (translatorische) Bewegungen ausgeführt werden.
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Tauchspulenaktuatoren werden unter anderem in Projektionsbelichtungsanlagen für die Halbleiterlithographie eingesetzt, um optische Elemente in deren Beleuchtungssystem mechanisch zu beeinflussen bzw. zu manipulieren bzw. zu deformieren, um beispielsweise den Strahlengang einer Strahlungsquelle zu steuern.
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Aus der
WO 2005/026801 A2 ist es hierzu bekannt, optische Elemente für EUV-Projektionsbelichtungsanlagen, wie Spiegel, unter Einsatz von ansteuerbaren Bewegungsachsen durch Lorentz-Aktuatoren in mehreren Freiheitsgraden zu verstellen. Hierzu können Tauchspulenaktuatoren verwendet werden, wobei ein linear bewegliches Betätigungselement (Translator) in Form eines Magneten durch elektromagnetische Wechselwirkung mit einer statisch montierten, den Translator umgebenden Spule, mechanisch beeinflusst wird. Der Translator ist dabei mit dem optischen Element verbunden, auf das sich eine ausgeführte Bewegung übertragen kann. Die Spule selbst, die in dieser Realisierung als Stator ausgebildet ist, ist bei einer solchen Anordnung über einen Spulenhalter mit umgebenden ortsfesten Strukturen, beispielsweise einem Gehäuseteil, verbunden.
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Eine Abwandlung des Konzepts eines Tauchspulenaktuators, wobei das grundsätzliche Prinzip der Ausnutzung der Lorentzkraft erhalten bleibt, kann auch als Vorrichtung für eine Gewichtskraftkompensation verwendet werden. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist in der
DE 10 2011 004 607 A1 ausgeführt.
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In der Praxis ist ein Tauchspulenaktuator üblicherweise als Gleichstrom-Linearmotor ausgebildet. Der grundsätzliche Aufbau sieht dabei einen Translator (das Betätigungselement des Linearmotors) vor, der im Wesentlichen aus einem Permanentmagneten besteht, und eine als Stator ausgebildete Spule zumindest teilweise einfasst. Demzufolge ist die Spule nicht beweglich gelagert, was von Vorteil ist, da eine bewegliche Spule bedingt durch die notwendigen Mittel zur Bestromung der Spule einen komplizierteren Aufbau erfordern würde. Weiterhin ist es oft notwendig, entstehende Verlustwärme an der Spule durch eine gute thermische Anbindung bzw. Ableitung an umgebende Baugruppen zu verringern bzw. in einem für die Anwendung sicheren, akzeptablen Rahmen zu halten.
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Eine im Stand der Technik und aus der Praxis bekannte Erweiterung des Tauchspulenaktuators für eine verbesserte thermische Anbindung der Spule ist ein Aufbau als sogenannter Doppelspulenantrieb. Dabei werden zwei ringförmig ausgebildete Spulen, vorzugsweise mit einem axialen Abstand zueinander, ausgebildet als Stator, ortsfest zum Beispiel an einem feststehenden Gehäuseteil angebunden. Durch eine vergrößerte Auflagefläche, insbesondere durch die Möglichkeit, die Spulen über ihre Länge anzubringen, verbessert sich die thermische Anbindung und somit die Wärmeabführung von den Spulen. Innerhalb dieser Statoreinrichtung befindet sich der Translator, also die Magneteinrichtung, die nunmehr ebenfalls aus zwei Magnetelementen besteht, von denen jedes jeweils einer der Spulen zugeordnet ist. Die Magnetelemente sind dabei radial magnetisiert und mit einer zueinander gegensätzlichen Ausrichtung der Polarisierungsrichtung bzw. Magnetisierungsrichtung versehen. Abhängig von der jeweiligen Magnetisierungsrichtung der Magnetelemente ist in der entsprechend zugeordneten Spule eine Stromflussrichtung vorzusehen, um die Spuleneinrichtung und die Magneteinrichtung relativ zueinander in eine Bewegungsrichtung zu bewegen. Die Stromflussrichtung der Spulen sollte in dieser Ausführung insbesondere entgegengesetzt sein. Prinzipiell ist es bei einer solchen Anordnung auch denkbar, nur eine Spule und einen Magneten zu verwenden, bei Verwendung von zwei Spulen kann allerdings bekanntermaßen der Magnetfluss effizienter ausgenutzt werden.
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Die als Ringmagnete ausgebildeten Magnetelemente können an ihrer Innenseite mit einem weichmagnetischen Material ausgekleidet sein. Eine solche Anordnung in der Art eines Polschuhs kann dazu dienen, die magnetischen Feldlinien vorteilhafter zu bündeln und zu homogenisieren. Durch eine solche Konzentration der Feldlinien wird die Flussdichte durch die Spule erhöht. Weil die durch die Spule erzeugte Lorentzkraft von der Flussdichte durch die Spule abhängig ist, erhöht sich die von der Spule erzeugte Lorentzkraft mit der Erhöhung der Flussdichte durch die Spule. Dadurch wird die Effizienz der Vorrichtung verbessert. Der innere Polschuh kann gleichzeitig als Trägerteil für die Magnetelemente dienen.
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Zur weiteren Fokussierung und Führung der magnetischen Feldlinien kann zudem am Translator eine sogenannte Halbach-Anordnung (Halbach-Array) durch eine Reihe zusätzlicher axial magnetisierter und entsprechend ausgerichteter Ringmagnete Anwendung finden.
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Ein bekannter Nachteil genannter Ausführung ist das relativ große Streufeld, welches sich über die Spuleneinrichtung hinaus erstreckt. Um die Effizienz eines Tauchspulenaktuators weiter zu erhöhen, wird in der Praxis häufig ein weiteres weichmagnetisches Material an der Statoreinrichtung eingesetzt. Das weichmagnetische Material ummantelt dabei die beiden Spulen an ihrem Außenumfang in der Art eines weiteren Polschuhs und führt zu einer wesentlichen Begrenzung des Streufelds sowie einer weiteren Erhöhung der magnetischen Flussdichte durch die Spulen und somit einer verbesserten Performanz der Anordnung.
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Die Verwendung eines Polschuhs an der Statoreinrichtung birgt jedoch auch Nachteile. Durch die Wechselwirkung des weichmagnetischen Materials mit den Magnetelementen der Magneteinrichtung bzw. mit dem Translator wird von dem Stator eine Rückstellkraft auf den Translator ausgeübt, die diesen von einer ausgelenkten Position in eine Ruhestellung zurück streben lässt. Auch das Ansprechverhalten bei einer Verstellung des Translators aus der Nullstellung wird durch die Rückstellkraft negativ beeinflusst. Das weichmagnetische Material verschlechtert somit die Dynamik und die Effizienz des Tauchspulenaktuators und kann sich beispielsweise auch negativ auf einen Regelkreis in einem den Tauchspulenaktuator einschließenden System auswirken. Des Weiteren muss dann in einer Position, in der sich der Translator nicht in Ruhelage befindet, beständig ein Strom durch die Spulen fließen, um den Translator in dieser Lage zu halten und der Rückstellkraft entgegenzuwirken. Nicht zuletzt können sich dabei die Spulen in ungünstiger Weise weiter erwärmen.
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Die Rückstellkraft kann auch über die Steifigkeit des Magnetkreises beschrieben werden, wobei es für viele Anwendungen von Vorteil ist, wenn diese Steifigkeit "Null" beträgt.
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Erschwerend zu obig genannter magnetischer Rückstellkraft kommt hinzu, dass der Translator üblicherweise mechanisch an ein zu bewegendes bzw. zu manipulierendes Objekt angebunden ist. Im Falle der Anwendung in einer Projektionsbelichtungsanlage können dies beispielsweise optische Elemente, wie Linsen oder Spiegel, sein. Eine Lagerung bzw. Verbindung des Translators mit den optischen Elementen erfolgt häufig über Blattfedern, vorzugsweise um eine Parallelführung auszubilden. Genannte Lagerung bzw. Führung des Translators über die Blattfedern führt jedoch zu einer zusätzlichen (mechanischen) Rückstellkraft und somit einer weiteren Verschlechterung der Dynamik des Tauchspulenaktuators. Die Steifigkeit der Federanordnung in Kombination mit der magnetischen Steifigkeit ergibt in der Summe im Wesentlichen die Steifigkeit des gesamten Tauchspulenaktuators.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tauchspulenaktuator derart zu verbessern, dass dieser eine gute Effizienz aufweist und dessen Steifigkeit bzw. die Rückstellkraft reduziert und die Dynamik des Tauchspulenaktuators verbessert wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einem effizienten und zuverlässig zu steuernden Tauchspulenaktuator zur Verstellung bzw. Manipulation bzw. Deformation eines optischen Elements bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird für einen Tauchspulenaktuator durch die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung.
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Der erfindungsgemäße Tauchspulenaktuator weist eine Spuleneinrichtung und eine Magneteinrichtung auf. Die Spuleneinrichtung weist dabei eine Spulenanordnung mit wenigstens einer Spule und die Magneteinrichtung eine Magnetanordnung mit wenigstens einem Magneten auf. Es ist vorgesehen, dass die Spulenanordnung mit der Magnetanordnung wechselwirkt, um die Spuleneinrichtung und die Magneteinrichtung relativ zueinander in eine Bewegungsrichtung zu bewegen. Dabei ist die Spulenanordnung flächensymmetrisch zu einer orthogonal zur Bewegungsrichtung verlaufenden ersten Symmetrieebene angeordnet. Die Magnetanordnung ist flächensymmetrisch zu einer orthogonal zur Bewegungsrichtung verlaufenden zweiten Symmetrieebene angeordnet.
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Es versteht sich von selbst, dass eine Wechselwirkung zwischen Spulenanordnung und Magnetanordnung vorzugsweise dann gegeben ist, wenn die Spule in hierzu vorgesehener Weise bestromt wird.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich vornehmlich auf Aktuatoren in einer Bauform, bei der die Spuleneinrichtung die Magneteinrichtung umgibt. Dennoch ist die Erfindung nicht auf diese Ausführung beschränkt zu verstehen. Es ist beispielsweise auch denkbar, dass die Magneteinrichtung die Spuleneinrichtung umgibt. Die Erfindung kann theoretisch selbst auf eine gemischte Anordnung angewendet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf eine Ausführung des Tauchspulenaktuators als Linearmotor beschränkt. Insbesondere kann auch eine Ausführung vorgesehen sein, bei der eine rotierende Bewegung ausgeführt wird.
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Erfindungsgemäß ist eine Kompensationseinrichtung mit einer ersten Kompensationsanordnung und einer zweiten Kompensationsanordnung vorgesehen. Die erste Kompensationsanordnung und die zweite Kompensationsanordnung weist dabei jeweils wenigstens einen Kompensationsmagneten auf. Die erste Kompensationsanordnung ist als Teil der Spuleneinrichtung und die zweite Kompensationsanordnung als Teil der Magneteinrichtung ausgebildet. Dabei sind die erste Kompensationsanordnung und die zweite Kompensationsanordnung flächensymmetrisch zu einer orthogonal zur Bewegungsrichtung verlaufenden dritten Symmetrieebene angeordnet, wenn die erste Symmetrieebene und die zweite Symmetrieebene koplanar zueinander ausgerichtet sind.
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Mit einer koplanaren (auch: komplanaren) Anordnung von Ebenen ist an dieser Stelle gemeint, dass die Ebenen zusammenfallen bzw. aufeinander liegen bzw. identisch zueinander sind. Demzufolge liegen alle Punkte einer Ebene auch in einer zu dieser koplanaren Ebene. Wenn die erste Symmetrieebene und die zweite Symmetrieebene koplanar zueinander ausgerichtet sind, befindet sich der Tauchspulenaktuator bzw. die Magneteinrichtung und die Spuleneinrichtung in einer Ruhestellung.
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Vorzugsweise kann die erste Kompensationsanordnung flächensymmetrisch zu der ersten Symmetrieebene angeordnet und die zweite Kompensationsanordnung flächensymmetrisch zu der zweiten Symmetrieebene angeordnet sein. Bei einer Ruhestellung des Tauchspulenaktuators sind in diesem Fall alle drei genannten Symmetrieebenen koplanar.
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Die Kompensationseinrichtung beeinflusst die Steifigkeit des Tauchspulenaktuators. Eine Rückstellkraft, die auf den Translator oder den Rotor wirkt, kann durch die Kompensationseinrichtung kompensiert oder zumindest reduziert werden. Die Kompensationseinrichtung kann eine Steifigkeit bzw. Rückstellkraft auch überkompensieren bzw. mathematisch negativ werden lassen. Die Kompensationseinrichtung kann allerdings auch, sollte dies anwendungsbezogen erforderlich sein, derart modifiziert werden, dass sie eine Steifigkeit bzw. eine Rückstellkraft verstärkt.
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Die Kompensationseinrichtung kann zusätzlich gegebenenfalls auch eine mechanische Rückstellkraft kompensieren oder zumindest reduzieren.
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Erfindungsgemäß kann eine Auslenkung der Magneteinrichtung relativ zur Spuleneinrichtung in einem Bereich von +/–5 Millimeter, vorzugsweise +/–1 Millimeter, ganz besonders bevorzugt +/–500 Mikrometer vorgesehen sein.
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Eine Auslenkung in einem entsprechend begrenzen Bereich kann von Vorteil sein, da sich die Kraft-Weg-Kennlinien von mechanischen Federn und Magneten dann annähernd in einem linearen Bereich befinden. Eine Kompensation, insbesondere auch eine gemeinsame Kompensation von mechanischen und magnetischen Rückstellkräften bzw. Steifigkeiten durch die Kompensationseinrichtung kann dann effizienter und mit größerer Genauigkeit erfolgen.
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Die Ausrichtung der Spuleneinrichtung zur Magneteinrichtung kann dabei in bekannter Bauweise eines Tauchspulenaktuators erfolgen, wobei die Spuleneinrichtung das Betätigungselement, sprich die Magneteinrichtung, im Wesentlichen ringförmig umgibt bzw. ummantelt und die Magneteinrichtung im Wesentlichen zylinderförmig bzw. ringförmig ausgebildet ist. Die wenigstens eine Spule der Spuleneinrichtung kann in diesem Fall vorzugsweise als Ringspule ausgebildet sein. Ebenso kann der zumindest eine Magnet der Magneteinrichtung vorzugsweise als Ringmagnet ausgeführt sein. Zusätzlich zu dem oder den notwendigen Magneten der Magneteinrichtung, die zum Antrieb dienen, können weitere Magnete als Teil einer Halbach-Anordnung (Halbach-Array) verwendet werden, um die Magnetfeldlinien zwischen den Magneten und den Spulen besser auszurichten.
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Vorzugsweise ist die wenigstens eine Spule aus einem nichtmagnetischen oder schwach magnetischen Material, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, ausgebildet. Dadurch wird eine magnetische Wechselwirkung mit den Magneten der Magneteinrichtung vermieden und keine zusätzliche magnetische Rückstellkraft in das System eingebracht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können die Magnete der Magneteinrichtung aus Permanentmagneten gebildet sein. Ein solcher Permanentmagnet kann insbesondere aus Seltenen-Erden-Materialien hergestellt sein. Vorzugsweise ist der Permanentmagnet ein Neodym-Eisen-Bor-Magnet oder eine Samarium-Kobalt-Magnet. Auch die Verwendung von anderen Magnetwerkstoffen, wie zum Beispiel Hartferrite oder Aluminium-Nickel-Kobalt, kann geeignet sein. Allerdings besitzen die Seltenen-Erden-Magnete die höchsten Magnetenergiedichten.
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Selbstverständlich können die Magnete der Magneteinrichtung auch als Elektromagnete oder Elektropermanentmagnete ausgebildet sein. Eine solche Realisierung kann zwar einen größeren fertigungstechnischen und betriebstechnischen Aufwand erfordern, bietet allerdings auch eine hohe Flexibilität und Einstellbarkeit der Betriebseigenschaften des Tauchspulenaktuators.
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Von Vorteil ist es, wenn die Kompensationseinrichtung keine Bewegung der Spuleneinrichtung relativ zu der Magneteinrichtung verursacht, wenn sich die Spuleneinrichtung und die Magneteinrichtung in einer Ruhestellung befinden.
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Mit einer Ruhestellung ist an dieser Stelle eine Position der Magneteinrichtung gemeint, bei der sich die Magneteinrichtung in einer Nullstellung, sprich einer unausgelenkten Stellung, befindet. Vorzugsweise ist die Magneteinrichtung in diesem Fall innerhalb der umgebenden Spuleneinrichtung bezüglich der Bewegungsrichtung bzw. einem Bewegungspfad zentriert angeordnet.
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Eine weitere, äquivalente Definition für eine solche Ruhestellung ist eine Ausrichtung der Magneteinrichtung zur Spuleneinrichtung dermaßen, dass deren jeweiligen Symmetrieebenen, d. h. die erste und die zweite Symmetrieebene, zusammenfallen, sprich koplanar zueinander sind.
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In der Ruhestellung der Magneteinrichtung zur Spuleneinrichtung kann ein Kräftegleichgewicht, bzw. ein stabiler magnetischer Zustand, zwischen der ersten Kompensationsanordnung und der zweiten Kompensationsanordnung der Kompensationseinrichtung herrschen.
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Wird die Magneteinrichtung entweder durch Bestromung der Spule oder durch mechanische oder sonstige Beeinflussung aus der Ruhelage ausgelenkt, kann das Kräftegleichgewicht zwischen der ersten und zweiten Kompensationsanordnung verloren gehen und die Magneteinrichtung kann vorzugsweise eine abstoßende Kraft von der Spuleneinrichtung in Richtung der Auslenkung erfahren; also in die Richtung, in die die Magneteinrichtung aus ihrer Ruhelage (weiter) verschoben wird.
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Ebenso wäre eine anziehende Wirkung denkbar, bei der die Kompensationseinrichtung bei einer Auslenkung der Magneteinrichtung von der Ruhestellung auf die Magneteinrichtung eine rückstellende Kraft ausübt.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die erste Kompensationsanordnung innerhalb der Spulenanordnung angeordnet ist und/oder dass die zweite Kompensationsanordnung innerhalb der Magnetanordnung angeordnet ist.
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Eine solche Verteilung der Kompensationsanordnungen auf die inneren Bereiche der Spulenanordnung bzw. der Magnetanordnung kann von Vorteil sein, da sich die Magnetfeldlinien in diesem Bereich stärker konzentrieren. Der Betrieb bzw. die Performanz der Kompensationseinrichtung kann dadurch verbessert sein.
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Erfindungsgemäß kann weiter vorgesehen sein, dass die erste Kompensationsanordnung einen Kompensationsmagneten und die Spulenanordnung wenigstens zwei Spulen aufweist.
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Die Verwendung von mehr als einer Spule kann die Effizienz des Tauchspulenaktuators verbessern und zu einer günstigeren Wärmeabführung von den Spulen durch eine vergrößerte Oberfläche sowie ggf. reduzierten Stromfluss durch die einzelnen Spulen und somit verbesserten thermischen Eigenschaften führen. Zur einfachen Herstellung einer Symmetrie und Beibehaltung einer unkomplizierten Bauweise sind ganz besonders bevorzugt zwei Spulen in der Spulenanordnung vorgesehen. Die vorzugsweise als Ringspulen ausgebildeten Spulen können dabei mit einem axialen Abstand zueinander versehen sein, innerhalb dessen der vorzugsweise genau eine Kompensationsmagnet der ersten Kompensationsanordnung angeordnet sein kann.
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Erfindungsgemäß kann außerdem vorgesehen sein, dass die zweite Kompensationsanordnung einen Kompensationsmagneten und die Magnetanordnung wenigstens zwei Magnete aufweist.
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In einer besonders bevorzugten Ausführung können insbesondere zwei Magnete in der Magnetanordnung vorgesehen sein. Die Magnete können dabei vorzugsweise als Ringmagnete mit radialer Magnetisierung ausgebildet sein, wobei die Ringmagnete axial voneinander beabstandet sind und vorzugsweise eine gegensätzliche Ausrichtung ihrer Pole bzw. ihrer Magnetisierung aufweisen.
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Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine axiale Ausdehnung der Ringmagnete der Magnetanordnung einer axialen Ausdehnung der diese umgebenden Ringspulen entspricht. Weiter können die axialen Abstände zwischen den Ringspulen und zwischen den Ringmagneten einander entsprechen. Es kann von Vorteil sein, wenn die Dimensionen der Magnetanordnung und die Dimensionen der Spulenanordnung aneinander angeglichen sind.
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In vorteilhafter Weise kann eine Symmetrie der zweiten Kompensationsanordnung innerhalb der Magneteinrichtung erreicht werden, wenn vorzugsweise genau ein Kompensationsmagnet in dem Spalt zwischen den zwei Ringmagneten angeordnet wird.
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Selbstverständlich kann eine Kompensationseinrichtung auch bei beliebig anderen Verteilungen von Magneten in der Magnetanordnung bzw. Spulen in der Spulenanordnung erfindungsgemäß vorgesehen sein. Bei einer Anordnung, die keine mittlere Positionierung einer Kompensationsanordnung zulässt, können die Kompensationsmagnete auch außerhalb der Magnetanordnung bzw. Spulenanordnung verteilt sein. Beispielsweise können zwei Kompensationsmagnete eine Spule der Spulenanordnung einschließen und/oder zwei Kompensationsmagnete einen Magneten der Magnetanordnung einschließen. Ebenso ist es denkbar, bei einer Magnetanordnung bzw. Spulenanordnung umfassend drei Magnete bzw. drei Spulen, jeweils zwei Kompensationsmagnete zwischen den drei Magneten bzw. drei Spulen verteilt, um den mittleren Magneten bzw. die mittlere Spule anzuordnen. Die Kompensationsanordnungen müssen allerdings nicht symmetrisch zu der Spulenanordnung und/oder Magnetanordnung angeordnet sein. In einem Ausnahmefall kann der Fachmann die Kompensationsanordnungen sogar relativ zueinander unsymmetrisch anordnen.
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In einer erweiterten Ausführung können weitere Magnete in die Magnetanordnung integriert werden, die insbesondere in der Art einer Halbach-Anordnung eine weitere Verbesserung der Verläufe der magnetischen Feldlinien erzeugen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass Teile der Halbach-Anordnung gleichzeitig als Kompensationsmagnete verwendet werden.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Kompensationsmagnete der ersten Kompensationsanordnung und/oder der zweiten Kompensationsanordnung ringförmig und/oder durch Ringsegmente ausgebildet sind.
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Eine Realisierung der Kompensationsmagnete als Ringmagnete kann insbesondere bei der üblichen Realisierung des Tauchspulenaktuators mit Ringspulen und Ringmagneten von Vorteil sein. Ein Aufbau der Kompensationsmagnete als Ringsegmente kann eine fertigungstechnische bzw. bauseitig vorteilhafte Maßnahme darstellen.
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Die Kompensationsmagnete können allerdings auch beliebige Querschnitte aufweisen und müssen in ihrer Ausdehnung nicht Ringmagneten entsprechen. Auch zylinderförmige Magnete bzw. stabförmige Magnete, Magnete mit rechteckigen oder sonstigen Querschnitten oder kubische Strukturen der Magnete und Magnetsegmente bzw. derartige Ausgestaltungen sind vorstellbar. Es ist auch denkbar, einen Kompensationsmagneten aus unterschiedlichen Einzelkomponenten aufzubauen und/oder verschiedenartig ausgebildete Kompensationsmagnete in der ersten und/oder der zweiten Kompensationsanordnung zu verwenden. Die Kompensationsmagneten müssen die Spuleneinrichtung bzw. die Magneteinrichtung auch nicht vollständig umfassen. Auch die Anordnung eines jeweiligen Kompensationsmagneten in einem Teilbereich einer Ringspule der Spulenanordnung bzw. eines Ringmagneten der Magneteinrichtung ist vorstellbar.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Ringsegmente der Kompensationsmagnete in Radialrichtung verstellbar sind. Selbstverständlich können auch beliebige andere Magnetsegmente der Kompensationsmagnete verstellbar ausgebildet sein.
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Eine Verstellung der Kompensationsmagnete innerhalb der Kompensationseinrichtung kann dazu dienen, eine magnetische Kraftwirkung der Kompensationseinrichtung bei Auslenkung der Magneteinrichtung in Bezug zur Spuleneinrichtung variabel, beispielsweise sogar während dem Betrieb, beeinflussbar zu machen.
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Erfindungsgemäß kann weiter vorgesehen sein, dass die Kompensationsmagnete als Permanentmagnete und/oder als Elektropermanentmagnete ausgebildet sind.
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Die Verwendung von Permanentmagneten ist eine wirtschaftlich bzw. fertigungstechnisch günstige Maßnahme. Insbesondere bei Verwendung von Seltenen-Erden-Magneten zur Ausbildung der Permanentmagnete kann außerdem eine sehr hohe Magnetenergiedichte erreicht werden. Die Verwendung eines Elektropermanentmagneten kann von Vorteil sein, um eine magnetische Wirkung der Kompensationseinrichtung auch nach der Fertigung ohne großen Aufwand verändern zu können. Mit einem Elektropermanentmagnet ist an dieser Stelle insbesondere ein bistabiler Magnet gemeint, in den durch elektrische Energie eine magnetische Wirkung eingeprägt werden kann, die auch nach Abschalten der entsprechenden Strompulse bestehen bleibt.
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Selbstverständlich können die Kompensationsmagnete auch als herkömmliche Elektromagnete ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß kann ferner vorgesehen sein, dass wenigstens ein Heizelement zur thermischen Beeinflussung der Kompensationsmagnete der ersten Kompensationsanordnung und/oder der zweiten Kompensationsanordnung vorgesehen ist.
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Bekanntermaßen wird ein Magnet in seinen magnetischen Eigenschaften von einer umgebenden Temperatur beeinflusst. Die Magnetkraft eines Magneten ist dabei umso schwächer, je heißer er ist. Wird ein maximaler Temperaturbereich nicht überschritten, ist dieses Temperaturverhalten reversibel. Folglich kann ein Heizelement zur einfachen und flexiblen Einstellung einer magnetischen Kraftwirkung der Kompensationseinrichtung im Falle der Auslenkung der Magneteinrichtung in Bezug zur Spuleneinrichtung verwendet werden.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Kompensationsmagnete der ersten Kompensationsanordnung und der zweiten Kompensationsanordnung axial magnetisiert und derart angeordnet sind, dass die Kompensationsmagnete der ersten Kompensationsanordnung und der zweiten Kompensationsanordnung eine identische Magnetisierungsrichtung aufweisen.
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Wenn die Kompensationsmagnete der Kompensationsanordnungen bei axialer Magnetisierung eine identische Magnetisierungsrichtung aufweisen, bewirkt die Kompensationseinrichtung eine Kraft, die die Magneteinrichtung und die Spuleneinrichtung voneinander abstößt, sobald diese aus einer Ruhestellung ausgelenkt sind. Hingegen wird keine Bewegung der Magneteinrichtung relativ zur Spuleneinrichtung verursacht, wenn sich die Magneteinrichtung und die Spuleneinrichtung in der Ruhestellung befinden, insbesondere wenn die erste und die zweite Symmetrieebene in einer Ebene liegen bzw. koplanar verlaufen. Bei gleicher Magnetisierungsrichtung und axialer Magnetisierung sind die Nordpole und Südpole der Kompensationsmagnete der ersten Kompensationsanordnung und der zweiten Kompensationsanordnung in der Ruhestellung direkt übereinander bzw. radial, jedoch nicht axial versetzt angeordnet. In der Ruhestellung stellt sich damit ein Kräftegleichgewicht ein, da der Nordpol eines Kompensationsmagneten der ersten Kompensationsanordnung von dem Südpol eines Kompensationsmagneten der zweiten Kompensationsanordnung angezogen wird und umgekehrt der Südpol des Kompensationsmagneten der ersten Kompensationsanordnung den Nordpol des Kompensationsmagneten der zweiten Kompensationsanordnung anzieht, wobei sich überkreuzende Kraftvektoren ergeben, die keine resultierende Kraft in die Bewegungsrichtung oder entgegen die Bewegungsrichtung entstehen lassen.
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Erfindungsgemäß kann eine maximale Auslenkung bzw. ein maximaler Verschiebeweg in Bewegungsrichtung vorgesehen sein, bei der die Kompensationsmagnete der Kompensationsanordnungen um nicht mehr als 50% ihrer axialen Längen relativ zu einander verschoben sind, besonders bevorzugt nicht mehr als 20%, und ganz besonders bevorzugt nicht mehr als 10%.
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Bei einer entsprechenden Einschränkung des Verschiebewegs bzw. einer an den Verschiebeweg angepassten Dimensionierung der Kompensationsmagnete kann sichergestellt werden, dass eine Kraft-Weg-Kurve der Kompensationseinrichtung nur in einem vorteilhaften, insbesondere auch linearen, Bereich genutzt wird. Vor allem wird vermieden, dass sich die Kompensationsmagnete der Kompensationsanordnungen derart verschieben, dass sich beispielsweise der Nordpol des einen Kompensationsmagneten derart an den Südpol des weiteren Kompensationsmagneten angenähert hat, dass sich an Stelle einer abstoßenden Kraft eine nunmehr anziehende bzw. haltende Kraft einstellt.
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Erfindungsgemäß können die Kompensationsmagnete der Kompensationsanordnung und/oder die Magnete der Magnetanordnung und/oder die Spulen der Spulenanordnung an eine maximale Auslenkung von +/–5 Millimeter, vorzugsweise +/–1 Millimeter, und ganz besonders bevorzugt +/–500 Mikrometer angepasst ausgestaltet sein.
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Anwendungsbezogen wäre es selbstverständlich auch denkbar, dass die Kompensationsmagnete der ersten Kompensationsanordnung und der zweiten Kompensationsanordnung bei axialer Magnetisierung derart angeordnet sind, dass sich diese in ihrer Magnetisierungsrichtung unterscheiden. In der Ruhestellung des Tauchspulenaktuators sind somit die Nordpole der ersten Kompensationsanordnung und die Südpole der zweiten Kompensationsanordnung direkt übereinander befindlich. In diesem Fall würde anstelle einer abstoßenden Kraft durch die Kompensationseinrichtung bei Auslenkung der Magneteinrichtung bezogen auf die Spuleneinrichtung eine anziehende Kraft dafür sorgen, dass die Magneteinrichtung in die Ruhestellung innerhalb der Spuleneinrichtung zurückgezogen wird. Für spezifische Anwendungen kann dies von Vorteil sein.
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Weiterhin wäre es vorstellbar, dass die Kompensationsmagnete radial magnetisiert sind. In diese Anordnung kann es von Vorteil sein, die Kompensationsmagnete außerhalb der Magnete der Magneteinrichtung bzw. außerhalb der Spulen der Spuleneinrichtung anzuordnen.
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Erfindungsgemäß kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Spuleneinrichtung und/oder die Magneteinrichtung zumindest teilweise eine Ummantelung und/oder zumindest teilweise eine Auskleidung aus einem weichmagnetischen Material aufweist.
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Eine solche Auskleidung bzw. Ummantelung mit einem weichmagnetischen Material kann vorzugsweise in der Ausführung eines Polschuhs die Feldlinienverläufe in dem Tauchspulenaktuator positiv beeinflussen, wobei eine Erhöhung der Flussdichte durch die Spule und eine Minimierung von Streufeldern erreicht werden kann. Das weichmagnetische Material kann dabei in vorteilhafter Weise aus einem magnetisch leitfähigen Stahl oder einer Eisen-Kobalt-Legierung, bevorzugt aus VACOFLUX, ganz besonders bevorzugt aus VACOFLUX 50, hergestellt sein.
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Nachteilig bei einer solchen Verwendung eines weichmagnetischen Materials, das elektrisch leitfähig ist und sich in der Nähe der Spule bzw. Spulen befindet, ist, dass der Polschuh in induktiver Wechselwirkung mit der Spule bzw. den Spulen steht. Durch eine Änderung des Stromflusses in der Spule bzw. den Spulen wird ein magnetisches Feld erzeugt, welches parasitäre Wirbelströme in naheliegenden elektrisch leitfähigen Materialien, beispielsweise in dem weichmagnetischen Material, induziert. Die vorgenannten Wirbelströme erzeugen nun ebenfalls ein magnetisches Feld, welches dem Ursprungsfeld entgegenwirkt und insbesondere die Effizienz der Energieumwandlung des Antriebs vermindert und eine unerwünschte Kraftwirkung auf den Translator bzw. den Rotor bewirken kann. Insbesondere bei Verwendung hoher Frequenzen kann eine solche parasitäre induktive Wechselwirkung auch bei einem Gleichstrommotor erfolgen. Dadurch wird eine zumeist unerwünschte magnetische Rückstellkraft bzw. eine Steifigkeit erzeugt, die die Dynamik des Tauchspulenaktuators verschlechtert. Als Folge können gegebenenfalls in einem Regelkreis bedingt durch Verzögerungen der Stellgröße auch Regelfehler bis hin zur Instabilität verursacht werden.
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Um eine ungewünschte Bildung von Wirbelströmen in dem weichmagnetischen Material auszuschließen bzw. zu reduzieren, kann ein entsprechend geeignetes Ausgangsmaterial verwendet werden, das eine schlechte elektrische Leiterfähigkeit aufweist. Beispielsweise können Ferrite vorgesehen sein.
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Als Alternative zur Verwendung von Ferriten, die unter anderem schwer zu verarbeiten sind, da es sich dabei um keramische Werkstoffe handelt, kann zur Reduzierung von Wirbelströmen auch eine sogenannte geblechte Anordnung bzw. eine Anordnung verwendet werden, bei der die elektrisch leitfähigen Pfade in dem weichmagnetischen Material durch elektrisch isolierende Schlitze verkleinert werden. Das weichmagnetische Material wird somit in kleinere Segmente aufgeteilt, so dass ein durchgängiger Stromfluss durch das gesamte Bauteil nicht mehr entstehen kann. Die Wirbelströme werden somit nur noch lokal induziert und ein negativer Einfluss kann deutlich reduziert werden.
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Insbesondere bei der Verwendung des Tauchspulenaktuators in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, Teile des Tauchspulenaktuators einzukapseln.
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Durch ein Einkapseln kann eine Kontaminierung eines den Tauchspulenaktuator umgebenden Vakuums vermieden werden. Insbesondere ein Einkapseln der Spule bzw. der Spulen kann von Vorteil sein um ein sogenanntes Ausgasen derselben auszuschließen.
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Eine Verkapselung kann in vorteilhafter Weise in Kombination mit der Ummantelung und/oder Auskleidung mit dem weichmagnetischen Material erfolgen. Dabei kann ein erster Bereich der Spuleneinrichtung und/oder der Magneteinrichtung mit dem weichmagnetischen Material und ein zweiter Bereich mit einem nichtmagnetischen und/oder elektrisch nicht leitenden Material versehen werden.
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Wie bereits erwähnt, kann eine Ummantelung und/oder Auskleidung der Spuleneinrichtung und/oder Magneteinrichtung mit einem weichmagnetischen Material zu einer magnetischen Rückstellkraft führen, die die Magneteinrichtung bei einer Auslenkung aus ihrer Ruhestellung in die Ruhestellung innerhalb der Spuleneinrichtung zurückstreben lässt.
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Die erfindungsgemäße Kompensationseinrichtung soll vorzugsweise die magnetische Rückstellkraft, die sich aus der Ummantelung und/oder der Auskleidung ergibt, kompensieren bzw. zumindest reduzieren. Somit können die Vorteile insbesondere der Ummantelung (verbesserte Effizienz, weniger Streufeld) genutzt werden, ohne dass die Dynamik verschlechtert wird.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass eine mechanische Führung für die Magneteinrichtung oder die Spuleneinrichtung vorgesehen ist.
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Eine mechanische Führung kann insbesondere dazu dienen, das Betätigungselement bzw. den Translator oder Rotor mit einem zu verstellenden und/oder zu manipulierenden oder zu deformierenden Objekt zu koppeln. Hierfür kann beispielsweise eine Blattfeder oder mehrere Blattfedern verwendet werden. Beispielsweise kann ein Translator von zwei Blattfedern umgeben und von diesen gehalten bzw. geführt sein. Häufig führt die Verwendung einer mechanischen Führung, wie auch die Verwendung von genannten Blattfedern, zu einer mechanischen Rückstellkraft, die die Magneteinrichtung bei einer Auslenkung aus ihrer Ruhelage in die Ruhelage innerhalb der Spuleneinrichtung zurückstreben lässt. Im Falle der Lagerung durch Blattfedern ergibt sich die Rückstellkraft aus der Steifigkeit der Blattfedern. Aufgrund der ähnlichen bis hin zu nicht unterscheidbaren Wirkung der mechanischen und magnetischen Rückstellkraft kann die magnetische Rückstellkraft, in Analogie zur Mechanik, als Wirkung einer Steifigkeit der Magnetanordnung des Tauchspulenaktuators verstanden werden.
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Vorzugsweise ist die mechanische Führung als Parallelführung ausgebildet. Eine Alternative zu Blattfedern können beispielsweise spezielle Biegebalken sein.
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Nachteilig bei der Verwendung von Blattfedern kann eine Verkürzung in Längsrichtung der Blattfeder bei einer Auslenkung sein, bedingt durch das S-förmige Biegeprofil der Blattfeder. Es kann von Vorteil sein, diesen Effekt zu verhindern, wofür eine entsprechende Anordnung mit Biegebalken vorgesehen sein kann. Allerdings zeigt auch eine solche Anordnung eine gewisse Steifigkeit und Rückstellkraft, die mit der erfindungsgemäßen Kompensationseinrichtung ausgeglichen werden kann.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Kompensationsmagnete der ersten Kompensationsanordnung und/oder der zweiten Kompensationsanordnung derart angeordnet und/oder ausgerichtet sind und/oder seitens ihrer magnetischen Wirkung ausgelegt sind und/oder eine Dimensionierung aufweisen und/oder die Anzahl der Kompensationsmagnete derart gewählt ist, dass eine aus der Ummantelung und/oder eine aus der mechanischen Führung resultierende mechanische Rückstellkraft zumindest teilweise kompensiert ist.
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Entsprechend einem Anwendungsbereich der Erfindung wird sich üblicherweise eine Kombination aus magnetischer Rückstellkraft bedingt durch die Verwendung des weichmagnetischen Materials als Ummantelung bzw. Auskleidung und eine mechanische Rückstellkraft durch die mechanische Führung einstellen. Um die Dynamik und Performanz des Tauchspulenaktuators zu verbessern, ist es vorteilhaft, die Kompensationseinrichtung auf die jeweilige gesamte Rückstellkraft einzustellen. Diese Rückstellkraft kann dann durch die erfindungsgemäße Kompensationseinrichtung kompensiert oder zumindest reduziert werden.
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Insbesondere bei der Verwendung von Kompensationsmagneten in den Kompensationsanordnungen, die ringförmig und axial magnetisiert ausgebildet sind, wobei die Kompensationsmagnete der ersten Kompensationsanordnung und der zweiten Kompensationsanordnung eine identische Magnetisierungsrichtung aufweisen, kann die Kompensationseinrichtung eine magnetische Kompensationskraft zu der Rückstellkraft aufbringen. Um die Stärke dieser magnetischen Kompensationskraft an die Gegebenheiten der Anwendung anzupassen, sind verschiedene vorteilhafte Ausbildungen denkbar.
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Insbesondere kann eine Ausrichtung, Anordnung und Dimensionierung der Kompensationsmagnete zueinander deren magnetische Wechselwirkung und somit die resultierende Kompensationskraft der Kompensationseinrichtung beeinflussen. Beispielsweise kann fertigungsseitig der Durchmesser einer oder mehrerer der Kompensationsmagnetringe variiert werden. Bei der Ausbildung der Kompensationsmagnete durch Ringsegmente, beispielsweise bei der Verwendung von zwei Ringsegmenten pro Kompensationsmagnet, kann weiterhin ein radialer Abstand der Kompensationsmagnete der Kompensationsanordnungen zueinander eingestellt werden, indem der Abstand der Ringsegmente eines Kompensationsmagneten variiert wird. Eine solche Einstellung des radialen Abstands kann im besten Fall sogar während des Betriebs erfolgen.
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In einer weiteren Ausführung kann die Wahl der Anzahl zu verbauender Kompensationsmagnete oder zu verbauender Kompensationsmagnetringsegmente oder eine Einstellung der (radialen) Abstände der Kompensationsmagnet-Ringsegmente zueinander die magnetische Kompensationskraft einstellen.
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Schließlich wäre es ebenfalls denkbar, die magnetische Wirkung eines oder mehrerer Kompensationsmagneten direkt und gezielt zu beeinflussen. Eine solche Beeinflussung kann beispielsweise durch Verwendung der zuvor bereits erwähnten Heizelemente erfolgen. Alternativ dazu kann einer oder können mehrere Kompensationsmagnete als Elektromagnet oder Elektropermanentmagnet ausgebildet sein, wobei eine magnetische Kompensationskraft der Kompensationseinrichtung elektrisch einstellbar ist.
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Erfindungsgemäß kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Spuleneinrichtung als Stator und die Magneteinrichtung als Translator ausgebildet ist.
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Die Ausbildung der Spuleneinrichtung als Stator hat den Vorteil, dass die entstehende Wärme an der Spule bzw. den Spulen in einfacher Weise effizient durch Anbindung an die feste Welt bzw. feste Gehäuseteile einer umgebenden Anordnung abgeführt werden kann. Ebenfalls ist eine elektrische Zuleitung bzw. Verkabelung der Spule bzw. der Spulen einfacher realisierbar. Bei Verwendung der Magneteinrichtung als Translator kann selbiger außerdem gewichtsmäßig leichter realisiert sein. Selbstverständlich kann die Magneteinrichtung ebenfalls als Rotor ausgebildet sein.
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In einer besonderen Ausführung wäre es vorstellbar, dass die Kompensationseinrichtung zusätzlich zur Kompensation einer magnetischen und/oder mechanischen Rückstellkraft ebenfalls zur Kompensation einer Gewichtskraft verwendet wird. Bei einer entsprechenden Ausrichtung der Anordnung und/oder der mit dem Translator bzw. Rotor gekoppelten zu verstellenden und/oder manipulierenden und/oder deformierenden Objekte kann eine Gewichtskraft dieser Komponenten insbesondere dazu führen, dass die Magneteinrichtung im unbestromten Zustand der Spule aus ihrer Ruhestellung ausgelenkt wird. Durch eine entsprechende Auslegung der Kompensationseinrichtung wäre es denkbar, ein solches Verhalten zumindest teilweise bzw. in einem Teilbereich der Auslenkung zu kompensieren.
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Eine Gewichtskraftkompensation kann allerdings auch von anderer Stelle erfolgen und muss nicht notwendigerweise von dem erfindungsgemäßen Tauchspulenaktuator aufgebracht werden. In Projektionsbelichtungsanlagen, insbesondere EUV-Projektionsbelichtungsanlagen ist es üblich, eine Gewichtskraftkompensation von optischen Elementen unabhängig von dem eigentlichen Aktuator, vorliegend dem erfindungsgemäßen Tauchspulenaktuator, vorzusehen. Ein in der Praxis oftmals eingesetztes Konzept sieht beispielsweise drei Gravitationskompensatoren vor, die das optische Element (z.B. einen Spiegel) halten. Die Manipulation des optischen Elements kann dann vorzugsweise durch sechs Aktuatoren – ein Aktuator für jeden Freiheitsgrad – nahezu frei im Raum erfolgen. Die erfindungsgemäße Lösung kann dabei in diese Aktuatoren integriert werden um eine möglichst kräftefreie Anordnung unabhängig von der jeweiligen Auslenkung zu erhalten. Hierfür eignet sich die erfindungsgemäße Lösung in besonderem Maße, insbesondere wenn die Gewichtskräfte von dieser nicht aufgenommen werden muss, sondern die Gewichtskraft anderweitig, vorzugsweise durch Gravitationskompensatoren, aufgenommen wird.
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Von Vorteil ist es, wenn bei Projektionsbelichtungsanlagen für die Halbleiterlithographie mit einem Beleuchtungssystem mit einer Strahlungsquelle sowie einer Optik, insbesondere einer Beleuchtungsoptik, welche wenigstens ein optisches Element aufweist, das optische Element mit einem, vorzugsweise mehreren Tauchspulenaktuatoren, insbesondere wie vorstehend beschrieben, verstellbar und/oder manipulierbar und/oder deformierbar ist.
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Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung exemplarisch anhand der Zeichnung erläutert.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage;
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren Projektionsbelichtungsanlage;
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3a eine schematische Darstellung eines optischen Elements mit einem Tauchspulenaktuator und einer Parallelführung mit Blattfedern in einer Ruhelage;
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3b eine schematische Darstellung eines optischen Elements mit einem Tauchspulenaktuator und einer Parallelführung mit Blattfedern, wobei der Translator ausgelenkt ist;
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4a eine schematische Darstellung eines Tauchspulenaktuators nach dem Stand der Technik mit Doppelspulenantrieb in einer Ruhelage des Translators, der als Magneteinrichtung ausgebildet ist;
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4b eine schematische Darstellung eines Tauchspulenaktuators nach 4a mit Doppelspulenantrieb in einer ausgelenkten Lage der Magneteinrichtung;
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5 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Tauchspulenaktuators mit einer Kompensationseinrichtung in einer ersten Ausführungsform;
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6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Tauchspulenaktuators mit einer Kompensationseinrichtung in einer zweiten Ausführungsform;
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7a eine schematische Darstellung eines Kompensationsmagneten in einer ersten Ausführungsform;
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7b eine schematische Darstellung eines Kompensationsmagneten in einer zweiten Ausführungsform;
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7c eine schematische Darstellung eines Kompensationsmagneten in einer dritten Ausführungsform;
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7d eine schematische Darstellung eines Kompensationsmagneten in einer vierten Ausführungsform;
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7e eine schematische Darstellung eines Kompensationsmagneten in einer fünften Ausführungsform;
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7f eine schematische Darstellung eines Kompensationsmagneten in einer sechsten Ausführungsform; und
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8 eine beispielhafte Kraft-Weg-Kennlinie für verschiedene Ausführungen eines Tauchspulenaktuators.
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1 zeigt exemplarisch den prinzipiellen Aufbau einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage 400 für die Halbleiterlithographie, in welcher die Erfindung Anwendung finden kann. Ein Beleuchtungssystem 401 der Projektionsbelichtungsanlage 400 weist neben einer Strahlungsquelle 402 eine Optik 403 zur Beleuchtung eines Objektfeldes 404 in einer Objektebene 405 auf. Beleuchtet wird ein im Objektfeld 404 angeordnetes Retikel 406, das von einem schematisch dargestellten Retikelhalter 407 gehalten ist. Eine lediglich schematisch dargestellte Projektionsoptik 408 dient zur Abbildung des Objektfeldes 404 in ein Bildfeld 409 in einer Bildebene 410. Abgebildet wird eine Struktur auf dem Retikel 406 auf eine lichtempfindliche Schicht eines im Bereich des Bildfeldes 409 in der Bildebene 410 angeordneten Wafers 411, der von einem ebenfalls ausschnittsweise dargestellten Waferhalter 412 gehalten ist. Die Strahlungsquelle 402 kann Nutzstrahlung insbesondere im Bereich zwischen 5 Nanometer und 30 Nanometer emittieren. Zur Steuerung des Strahlungswegs der Nutzstrahlen werden optisch verschieden ausgebildete und mechanisch verstellbare optische Elemente 415, 416, 418, 419 und 420 eingesetzt. Die optischen Elemente sind bei der in 1 dargestellten EUV-Projektionsbelichtungsanlage 400 als verstellbare Spiegel in geeigneten und nachfolgend exemplarisch erwähnten Ausführungsformen ausgebildet.
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Eine mittels der Strahlungsquelle 402 erzeugte EUV-Strahlung 413 wird mittels eines in der Strahlungsquelle 402 integrierten Kollektors derart ausgerichtet, dass sie im Bereich einer Zwischenfokusebene 414 einen Zwischenfokus durchläuft, bevor sie auf einen Feldfacettenspiegel 415 trifft. Nach dem Feldfacettenspiegel 415 wird die EUV-Strahlung 413 von einem Pupillenfacettenspiegel 416 reflektiert. Unter Zuhilfenahme des Pupillenfacettenspiegels 416 und einer optischen Baugruppe 417 mit Spiegeln 418, 419 und 420 werden Feldfacetten des Feldfacettenspiegels 415 in das Objektfeld 404 abgebildet.
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In 2 ist eine alternative Projektionsbelichtungsanlage 100 dargestellt. Die Projektionsbelichtungsanlage 100 besteht dabei im Wesentlichen aus einem Beleuchtungssystem 103, einer Retikelstage genannten Einrichtung 104 zur Aufnahme und exakten Positionierung des Retikels 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 Projektionsobjektivs 107 gehalten sind.
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Die optischen Elemente 108 können als einzelne refraktive, diffraktive und/oder reflexive optische Elemente 108, wie z.B. Linsen, Spiegel, Prismen, Abschlussplatten und dergleichen ausgebildet sein.
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Das grundsätzliche Funktionsprinzip sieht dabei vor, dass die in das Retikel 105 eingebrachten Strukturen auf den Wafer 102 abgebildet werden; die Abbildung wird in der Regel verkleinernd ausgeführt.
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Die Beleuchtungseinrichtung 103 stellt einen für die Abbildung des Retikels 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 Retikel 105 die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Durchmesser, Polarisation, Form der Wellenfront und dergleichen aufweist.
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Über die Strahlen 111 wird ein Bild des Retikels 105 erzeugt und von dem Projektionsobjektiv 107 entsprechend verkleinert auf den Wafer 102 übertragen, wie bereits vorstehend erläutert wurde. Dabei können das Retikel 105 und der Wafer 102 synchron verfahren werden, so dass praktisch kontinuierlich während eines sogenannten Scanvorganges Bereiche des Retikels 105 auf entsprechende Bereiche des Wafers 102 abgebildet werden.
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2 zeigt weiterhin die Anordnung eines Manipulators 200 im Bereich zwischen Retikelstage 104 und dem ersten optischen Element des Projektionsobjektivs 107. Der Manipulator 200 dient dabei der Korrektur von Bildfehlern, wobei ein enthaltenes optisches Element durch Aktuatorik mechanisch deformiert wird, wozu auch die erfindungsgemäße Lösung verwendet werden kann.
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Zur Verstellung bzw. zur Manipulation der optischen Elemente 415, 416, 418, 419, 420 und 108 der in den 1 und 2 dargestellten Projektionsbelichtungsanlagen 400, 100 und der Wafer ist die Verwendung von Aktuatoren unterschiedlicher Bauweise bekannt.
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Die nachfolgend im Ausführungsbeispiel anhand der 3 bis 8 näher und im Detail dargestellten Tauchspulenaktuatoren 1 eignen sich in besonderer Weise zur Verwendung als Aktuator zur Verstellung der optischen Elemente 415, 416, 418, 419, 420, 108, aber auch der Wafer 102, 411 oder andere Bauteile, die exakt verstellt, manipuliert oder deformiert werden sollen. Die Verwendung der Tauchspulenaktuatoren 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz in Projektionsbelichtungsanlagen 100, 400, insbesondere auch nicht mit dem beschriebenen Aufbau, beschränkt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführung eines Tauchspulenaktuators 1 beschrieben, bei dem ein ringförmiger Stator 2 einen vornehmlich zylinderförmigen Translator 3 umgibt. Der Tauchspulenaktuator 1 ist dabei als Linearmotor ausgebildet. Selbstverständlich ist auch eine andere Bauform des Tauchspulenaktuators 1 vorstellbar sowie eine Ausführung, bei der an Stelle der linearen Bewegung eine rotierende Bewegung (durch einen Rotor) umgesetzt wird.
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Die Erfindung sowie das nachfolgende Ausführungsbeispiel ist nicht auf eine spezifische Bauform des Tauchspulenaktuators 1 beschränkt zu verstehen. Die nachfolgend dargestellten Merkmale der 3 bis 8 können, insofern dies technisch nicht ausgeschlossen ist, beliebig miteinander kombiniert werden.
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Nachfolgend werden im Hinblick auf die erfindungsgemäßen Tauchspulenaktuatoren 1 nur die für das Verständnis der vorliegenden Erfindung relevanten Merkmale näher dargelegt, da Tauchspulenaktuatoren 1 aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt sind, insbesondere auch deren Verwendung zur Verstellung von optischen Elementen 415, 416, 418, 419, 420, 108 und Wafern 102, 411 von Projektionsbelichtungsanlagen 100, 400. Dasselbe gilt auch im Hinblick auf die Wechselwirkung zwischen einem stromdurchflossenen Leiter und magnetischen Feldern bzw. zwischen elektrischen Feldern und magnetischen Feldern und die sich daraus ergebenden Kraftwirkungen.
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Die in den 3a und 3b dargestellte Verwendung des Tauchspulenaktuators 1 zur Manipulation, Verstellung bzw. Deformation eines optischen Elements 4 ist nur als beispielhaft anzusehen und dient nur zur schematischen Verdeutlichung einer möglichen Einbausituation der nachfolgend dargestellten erfindungsgemäßen Lösung.
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Wie in den 3a und 3b dargestellt, ist der Tauchspulenaktuator 1 mit dem optischen Element 4, bei dem es sich vorzugsweise um eine Linse oder einen Spiegel handelt, über eine grundsätzlich bekannte Gelenkeinrichtung 5 verbunden. Hierbei kann an dem optischen Element 4 eine Kontaktfläche 6 in ebenfalls bekannter Weise angebracht sein. Die Gelenkeinrichtung 5 kann an der Kontaktfläche 6 befestigt sein. Zwischen dem Teil der Gelenkeinrichtung 5, der mit dem optischen Element 4 verbunden ist, und dem Teil der Gelenkeinrichtung 5, der mit dem Tauchspulenaktuator 1 verbunden ist, kann sich eine mechanische Führung 7, befinden. Im Ausführungsbeispiel ist die mechanische Führung 7 als Parallelführung ausgebildet und beispielhaft durch Blattfedern 7 realisiert.
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In 3a ist ein Fall gezeigt, bei dem sich der Translator 3 in einer Ruhelage befindet. Der Translator 3 ist dabei, bezogen auf die Bewegungsrichtung 8, zentriert innerhalb des umgebenden ringförmigen Stators 2 angeordnet. Das mit dem Translator 3 verbundene optische Element 4 befindet sich in einer Grundstellung.
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Die 3b zeigt einen Fall, bei dem der Translator 3 aus der Ruhelage ausgelenkt wurde. Erkennbar ist insbesondere eine (übertrieben dargestellte) resultierende Deformation der Blattfedern 7, die zur Parallelführung verwendet werden. Durch die mechanische Steifigkeit der Blattfedern 7 kann der Translator 3 nur in der gezeigten Lage gehalten werden, wenn der Tauchspulenaktuator 1 kontinuierlich bestromt wird. Im unbestromten Fall würden die Blattfedern 7, durch ihre Rückstellkraft auf den Translator 3, diesen in die Ruhelage zurückbewegen.
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Das Problem einer Rückstellkraft im Falle einer mechanischen Führung 7 tritt selbstverständlich nicht nur bei Verwendung von Blattfedern 7 zur Führung auf. Das Problem besteht bei einer Vielzahl von technischen Realisierungen der mechanischen Führung 7. Es ist zudem möglich, dass eine Gewichtskraft eines der beteiligten Objekte eine solche Rückstellkraft oder sonstige Kraft auf den Translator 3 bewirkt.
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In den 4a und 4b ist jeweils ein schematischer Schnitt durch einen Tauchspulenaktuator 1 gezeigt. Der Stator 2 ist dabei als Spuleneinrichtung 9 und der Translator 3 als Magneteinrichtung 10 ausgeführt. Selbstverständlich wäre auch eine komplementäre Anordnung vorstellbar.
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Die Spuleneinrichtung 9 weist eine Spulenanordnung 9.1 auf, die mit wenigstens einer Spule 9.2 ausgestattet ist. In diesem Beispiel und in den weiteren Ausführungsbeispielen ist hierfür eine Spulenanordnung 9.1 mit zwei ringförmigen Spulen 9.2 vorgesehen, die einen axialen Abstand zueinander aufweisen. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf eine solche Anordnung beschränkt. Die Spulenanordnung 9.1 kann auch anderweitig ausgestaltete Spulen 9.2 sowie einer anderen Anzahl von Spulen 9.2 aufweisen.
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Die Magneteinrichtung 10 weist in dem in den 4a und 4b gezeigten Beispiel und den weiteren Ausführungsbeispielen jeweils eine Magnetanordnung 10.1 mit zwei Magneten 10.2 auf. Die Magnete 10.2 sind ringförmig ausgebildet, wobei auch hier grundsätzlich andere Ausführungen und eine andere Anzahl von Magneten 10.2 vorgesehen sein können. Wie in den 4 bis 6 gezeigt, können die Magnete 10.2 eine radiale Magnetisierung bzw. radial separierte Magnetpole N, S aufweisen. Die Magnetisierungsrichtung der beiden Magnete 10.2 ist in den Ausführungsbeispielen komplementär zueinander. Entsprechend weist einer der ringförmigen Magnete 10.2 außenseitig einen Nordpol N und innenseitig einen Südpol S und der zweite ringförmige Magnet 10.2 außenseitig einen Südpol S und innenseitig einen Nordpol N auf. Die Ringmagnete 10.2 können – wie dargestellt – einen axialen Abstand zueinander aufweisen.
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In den 4 bis 6 ist jeweils eine Ausführung gezeigt, bei der die Dimensionen der Magneteinrichtung 10 denen der Spuleneinrichtung 9 nachempfunden sind. Das heißt, die axiale Ausdehnung der Magnete 10.2 und die axiale Ausdehnung der Spulen 9.2 sowie die axialen Abstände zwischen den Magneten 10.2 und die axialen Abstände zwischen den Spulen 9.2 entsprechen jeweils einander.
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Es kann vorgesehen sein, je eine der Spulen 9.2 einem Ringmagneten 10.2 zuzuordnen. Entsprechend kann eine Stromflussrichtung in den Spulen 9.2 entsprechend der Magnetisierungsrichtung der zugeordneten Magnete 10.2 gewählt werden, um sicherzustellen, dass die Wechselwirkung zwischen der jeweiligen Spule 9.2 und dem Magnet 10.2 zu einer im Wesentlichen gleichen Ausrichtung der Lorentzkraft führt. Bei einer Bestromung der Spulen 9.2 führt schließlich eine Wechselwirkung zwischen der Spulenanordnung 9.1 mit der Magnetanordnung 10.1 zu einer Relativbewegung der Magneteinrichtung 10 zu der Spuleneinrichtung 9 in eine vorgesehen Bewegungsrichtung 8. Die Bewegung kann dabei entlang einer vordefinierten Achse 8.1 erfolgen, wobei das Vorzeichen der Bewegungsrichtung 8 von den jeweiligen Stromflussrichtungen in den Spulen 9.2 abhängt. Mit dem Begriff Bewegungsrichtung 8 ist somit gleichermaßen eine Vorwärtsbewegung als auch eine Rückwärtsbewegung gemeint.
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In 4a ist eine Situation gezeigt, in der sich die Spuleneinrichtung 9 und die Magneteinrichtung 10 in einer Ruhestellung befinden. Die 4b zeigt hingegen eine ausgelenkte Situation der Magneteinrichtung 10, wobei die Auslenkung übertrieben dargestellt und vor allem schematisch zu verstehen ist.
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Wie in den 4 bis 6 gezeigt, ist die Spulenanordnung 9.1 innerhalb der Spuleneinrichtung 9 flächensymmetrisch zu einer orthogonal zur Bewegungsrichtung 8 verlaufenden ersten Symmetrieebene 11 angeordnet. Ebenso ist die Magnetanordnung 10.1 innerhalb der Magneteinrichtung 10 flächensymmetrisch zu einer orthogonal zur Bewegungsrichtung 8 verlaufenden zweiten Symmetrieebene 12 angeordnet. Wenn sich die Spuleneinrichtung 9 und die Magneteinrichtung 10 in einer Ruhestellung befinden (4a), können die erste Symmetrieebene 11 und die zweite Symmetrieebene 12 aufeinander fallen bzw. die Ebenen verlaufen identisch. Die Magneteinrichtung 10 ist somit innerhalb der Spuleneinrichtung 9 zentriert angeordnet.
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In den 4 bis 6 ist weiter eine Auskleidung 21 der Magnetanordnung 10.1 mit einem weichmagnetischen Material sowie eine Ummantelung 13 der Spulenanordnung 9.1 mit einem weichmagnetischen Material gezeigt. Eine derartige, aus dem Stand der Technik bereits bekannte Anordnung, wird üblicherweise dazu verwendet, die magnetischen Feldverläufe in einem Tauchspulenaktuator 1 dahingehend zu optimieren, dass sich die Feldlinien konzentrierter und homogener durch die Spulen 9.2 erstrecken. Die Ummantelung 13 reduziert zudem das Streufeld, wodurch die Performanz des Tauchspulenaktuators 1 insgesamt verbessert wird.
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Insbesondere durch die Ummantelung 13 der Spuleneinrichtung 9 mit dem weichmagnetischen Material wird bei einer Auslenkung der Magneteinrichtung 10 aus der Ruhestellung eine magnetische Rückstellkraft die Magneteinrichtung 10 in die Ruhestellung zurückziehen. Somit ist es nicht möglich, den ausgelenkten Zustand der 4b im unbestromten Zustand der Spulen 9.2 beizubehalten. Die Rückstellkraft, die eine mit einer mechanischen Steifigkeit vergleichbare magnetische Steifigkeit der Anordnung verursacht, wirkt sich insbesondere auf die Dynamik des Tauchspulenaktuators 1 negativ aus. Vorzugsweise sind die Ummantelung 13 und/oder die Auskleidung 21 nicht als geschlossener Ring ausgebildet, sondern weisen jeweils wenigstens einen in Axialrichtung verlaufenden Spalt bzw. eine in Axialrichtung verlaufende Isolierung auf.
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Selbstverständlich kann die Anordnung der 4a bzw. 4b ebenfalls über eine Lagerung bzw. mechanische Führung 7 vergleichbar mit der der 3a und 3b mit einem zu manipulierenden optischen Element 4 oder einem sonstigen Element verbunden sein. In diesem Fall kann sich die Rückstellkraft bzw. Steifigkeit der Anordnung durch die zusätzliche Steifigkeit der mechanischen Führung weiter erhöhen.
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Die 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Tauchspulenaktuators 1 der 4 mit einer erfindungsgemäßen Kompensationseinrichtung 14 in einer ersten Ausführungsform.
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Alle Merkmale und Gestaltungen, die zu den 4a und 4b beschrieben wurden, sind auch bei dem Tauchspulenaktuator 1 nach 5 und dem nachfolgend noch näher beschriebenen Tauchspulenaktuator 1 nach 6 realisierbar.
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In den Ausführungsbeispielen nach den 5 und 6 ist der Stator 2 als Spuleneinrichtung 9 und der Translator 3 als Magneteinrichtung 10 ausgebildet. Der Stator 2 kann jedoch auch die Magneteinrichtung 10 und der Translator 3 die Spuleneinrichtung 9 sein.
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Gezeigt ist in 5 eine erste Kompensationsanordnung 15 mit einem Kompensationsmagneten 15.1 und eine zweite Kompensationsanordnung 16 mit einem weiteren Kompensationsmagneten 16.1. Die erste Kompensationsanordnung 15 ist dabei als Teil der Spuleneinrichtung 9 ausgebildet und flächensymmetrisch zu der ersten Symmetrieebene 11 angeordnet und die zweite Kompensationsanordnung 16 ist als Teil der Magneteinrichtung 10 ausgebildet und flächensymmetrisch zu der zweiten Symmetrieebene 12 angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind die Kompensationsmagnete 15.1, 16.1 ringförmig ausgebildet. Ein solcher Aufbau stellt allerdings keine Einschränkung der Erfindung dar und ist hier nur beispielhaft zu verstehen.
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Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf eine Ausführung, bei der nur ein Kompensationsmagnet 15.1, 16.1 in den Kompensationsanordnungen 15, 16 verwendet wird. Der Fachmann kann ohne weiteres eine beliebige Anzahl Kompensationsmagnete 15.1, 16.1 und beliebige geometrische Formen der Kompensationsmagnete 15.1, 16.1 in den jeweiligen Kompensationsanordnungen 15, 16 vorsehen, die untereinander außerdem verschieden ausgebildet sein können.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen der 5 und 6 sind beide Kompensationsmagnete 15.1, 16.1 axial magnetisiert. Weiterhin weisen der Kompensationsmagnet 15.1 der ersten Kompensationsanordnung 15 und der Kompensationsmagnet 16.1 der zweiten Kompensationsanordnung 16 eine identische Magnetisierungsrichtung auf. Dementsprechend ist der Nordpol N des Kompensationsmagneten 15.1 auf derselben Axialposition bezüglich der Bewegungsachse 8.1 in derselben orthogonal zu der Bewegungsachse 8.1 verlaufenden Ebene wie der Nordpol N des Kompensationsmagneten 16.1 und der Südpol S des Kompensationsmagneten 15.1 auf derselben Axialposition bezüglich der Bewegungsachse 8.1 in derselben orthogonal zu der Bewegungsachse 8.1 verlaufenden Ebene wie der Südpol S des Kompensationsmagneten 16.1 angeordnet, wenn sich die Magneteinrichtung 10 und die Spuleneinrichtung 9 in einer Ruhestellung befinden.
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In den 5 und 6 ist beispielhaft angedeutet, welche magnetischen Kräfte 17 innerhalb der Kompensationseinrichtung 14 bei der gezeigten Magnetisierung vorherrschen. In einer Ruhestellung der Spuleneinrichtung 9 und der Magneteinrichtung 10 wird insbesondere der Nordpol N des Kompensationsmagneten 16.1 vom Südpol S des Kompensationsmagneten 15.1 angezogen, wobei entsprechendes für die beiden anderen Pole N, S gilt. Somit bildet sich ein Kräftegleichgewicht durch die überkreuzten Kraftvektoren der magnetischen Kräfte 17. Dies ist selbstverständlich nur eine stark vereinfachte Darstellung der im System wirkenden magnetischen Kräfte und soll nur der Verdeutlichung des Sachverhalts dienen. Ein solches Kräftegleichgewicht führt letztlich dazu, dass sich die Kompensationseinrichtung 14 in ihrer Ruhestellung in einer stabilen magnetischen Lage befindet. Die Kompensationseinrichtung 14 verursacht demnach keine Bewegung der Spuleneinrichtung 9 relativ zu der Magneteinrichtung 10, wenn sich die Spuleneinrichtung 9 und die Magneteinrichtung 10 in einer Ruhestellung befinden.
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Vorzugsweise sollten die Kompensationsmagnete 15.1, 16.1 derart gestaltet sein, dass diese auch bei einem maximalen Verschiebeweg um nicht mehr als 50%, besonders bevorzugt um nicht mehr als 20%, und ganz besonders bevorzugt um nicht mehr als 10% ihrer axialen Längen relativ zueinander verschoben sind. Insbesondere sollten die Kompensationsmagnete 15.1, 16.1 nicht so weit relativ zueinander verschoben werden, dass beispielsweise der Nordpol N des Kompensationsmagneten 16.1 vollständig aus dem Kompensationsmagnetring 15.1 herausragt. In diesem Fall kann die Kompensationseinrichtung 14 ggf. keine weitere abstoßende Kraft mehr aufbringen. Vorzugsweise sollten deshalb nur kleine Verschiebewege in Relation zu den axialen Längen der Kompensationsmagnete 15.1, 16.1 vorgesehen sein.
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Um die Kompensationseinrichtung 14 auf die jeweiligen Begebenheiten bezüglich mechanischer und magnetischer Rückstellkraft bzw. Steifigkeit der Anordnung bestmöglichst anzupassen, sind verschiedene Auslegungen der Kompensationseinrichtung 14 denkbar. Somit kann eine entsprechende Anordnung und/oder Ausrichtung und/oder Dimensionierung der Kompensationsmagnete 15.1 der ersten Kompensationsanordnung 15 und der Kompensationsmagnete 16.1 der zweiten Kompensationsanordnung 16 zueinander die Kompensationskraft der Kompensationseinrichtung 14 beeinflussen. Eine Variation der Dimension des Kompensationsmagneten 15.1 der ersten Kompensationsanordnung 15 ist in der 6 dargestellt. In dem Beispiel ist der als ringförmiger Magnet 15.1 vorgesehene Kompensationsmagnet 15.1 in seinem Ringdurchmesser verglichen mit der Ausführungsform nach 5 vergrößert.
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Die 7a bis 7f zeigen beispielhaft weitere mögliche Ausführungen eines oder beider Kompensationsmagnete 15.1, 16.1. Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigten Ausführungen beschränkt.
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In 7a ist der Kompensationsmagnet 15.1, 16.1 ringförmig und mit geringer Stärke ausgebildet. Ein derartiger Kompensationsmagnet 15.1 ist beispielhaft auch in 5 gezeigt. Ein Kompensationsmagnet 15.1, 16.1 in Ringform mit größerer Stärke ist in 7b gezeigt. Ein derartiger Kompensationsmagnet 15.1 ist beispielhaft auch 6 gezeigt.
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Die 7c zeigt einen Kompensationsmagneten 15.1, 16.1 der durch Ringsegmente 20, genauer durch zwei Ringsegmente 20, gebildet ist. Beim Verbauen einer entsprechenden Geometrie in einen Tauchspulenaktuator 1, beispielsweise gemäß 5, besteht somit die Möglichkeit, durch einfache mechanische Mittel den Abstand der Ringsegmente 20 zu modifizieren. Die Ringsegmente 20 sind somit in Radialrichtung verstellbar, wobei im Wesentlichen der Abstand zwischen dem oder den Kompensationsmagneten 15.1 der ersten Kompensationsanordnung 15 und dem oder den Kompensationsmagneten 16.1 der zweiten Kompensationsanordnung 16 einstellbar ist.
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Eine weitere Möglichkeit zur Ausbildung der Kompensationsmagnete 15.1, 16.1 ist die Verwendung von weiter verkleinerten Ringsegmenten 20, wie in 7e dargestellt. Vorgesehen sein können zum Beispiel vier bis zwanzig, vorzugsweise acht bis sechzehn, besonders bevorzugt zwölf Ringsegmente 20. Auch in diesem Fall ist es einfach möglich, einen Abstand der Kompensationsmagnete 15.1, 16.1 der ersten Kompensationsanordnung 15 und zweiten Kompensationsanordnung 16 zueinander einzustellen.
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Die magnetische Wirkung eines Kompensationsmagneten 15.1, 16.1 kann auch dadurch variiert werden, dass einzelne Ringsegmente 20 aus der Anordnung entfernt werden, so wie dies in 7f gezeigt ist.
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Die Kompensationsmagnete 15.1, 16.1 können aus Ringsegmenten 20 gebildet sein, die auf Abstand zueinander angeordnet sind, beispielsweise derart, dass vier Ringsegmente 20 fehlen.
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Die magnetische Wirkung der Kompensationsmagnete 15.1, 16.1 bzw. der Kompensationseinrichtung 14 kann gegebenenfalls auch direkt beeinflusst werden. Hierzu können einzelne oder alle Kompensationsmagnete 15.1, 16.1 als Elektromagnete oder Elektropermanentmagnete realisiert sein. Selbstverständlich können auch die weiteren Magnete 10.2 der Magnetanordnung 10.1 in der Magneteinrichtung 10 als Elektromagnete oder Elektropermanentmagnete ausgestaltet sein.
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Eine weitere, einfache Einflussnahme auf die magnetische Wirkung von Kompensationsmagneten 15.1, 16.1 der Kompensationseinrichtung 14 kann durch Heizelemente 18 erfolgen. Ein solches beispielhaftes Heizelement 18 ist strichliniert in 6 dargestellt. Das Heizelement 18 befindet sich dabei in vorteilhafter Weise in räumlicher Nähe zu einer der Kompensationsanordnungen 15, 16 und kann durch entsprechendes Erwärmen aller oder einzelner Kompensationsmagnete 15.1, 16.1 der Kompensationsanordnungen 15, 16 eine magnetische Wirkung der Kompensationseinrichtung 14 abschwächen.
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Zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Vorteile sind in 8 beispielhafte Kraft-Weg-Kennlinien 19.1, 19.2, 1.39 für verschiedene Konfigurationen gezeigt. Die dargestellten absoluten Werte für die Kraft F [N] und die Auslenkung d [mm] sind selbstverständlich nur beispielhaft zu verstehen. Für eine Vielzahl von Anwendungen ist es vorzuziehen, dass die Steifigkeit der gesamten Anordnung gleich Null ist. Das heißt, dass keine Rückstellkraft auf den ausgelenkten Translator 3 wirkt. Demnach wäre die ideale Kennlinie die, die einer Geraden auf der Abszissenachse bzw. Wegachse d entspricht. Hingegen zeigt eine Anordnung nach 4a bzw. 4b, bei der eine Ummantelung 13 aus einem weichmagnetischen Material für die Spuleneinrichtung 9 verwendet wird, eine Kennlinie 19.1 mit einer negative Steifigkeit, bei der bei positiver Auslenkung des Translators 3 eine der Auslenkung entgegenwirkende negative Kraft den Translator 3 in die Ruhestellung zurückziehen möchte. Entsprechendes gilt für eine negative Auslenkung des Translators 3.
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Eine Kennlinie 19.2 zeigt für die Verwendung einer erfindungsgemäßen Kompensationseinrichtung 14 beispielhaft eine betragsmäßig deutlich reduzierte Rückstellkraft bzw. Steifigkeit. Dies gilt besonders innerhalb eines begrenzten Arbeitsbereichs, beispielsweise annähernd innerhalb einer Auslenkung von +/–1 Millimeter und noch genauer bei einer Auslenkung von +/–500 Mikrometer.
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Mit der beschriebenen Kompensationseinrichtung 14 ist es auch möglich, eine Überkompensation einer magnetischen Rückstellkraft bzw. einer magnetischen Steifigkeit vorzunehmen. Beispielsweise kann dies durch eine Vergrößerung eines Kompensationsmagneten 15.1, 15.2 gemäß der 7b bzw. 6 erfolgen. Beispielhaft kann sich in diesem Fall eine Kennlinie 19.3 einstellen, bei der der Translator 3 bei Auslenkung aus der Ruhelage von der Kompensationseinrichtung 14 verstärkt in Bewegungsrichtung 8 gedrückt wird. Eine solche Auslegung der Kompensationseinrichtung 14 kann insbesondere von Vorteil sein, wenn zusätzlich zu einer magnetischen Rückstellkraft ebenfalls eine mechanische Rückstellkraft auf den Translator 3 des Tauchspulenaktuators 1 wirkt. Dies kann beispielsweise durch eine in den 3a bzw. 3b gezeigte Lagerung durch Blattfedern 7 und die Verbindung des Translators 3 mit dem zu manipulierenden optischen Element 4 bedingt sein. Es kann somit vorteilhaft sein, zusätzlich zur Kompensation einer magnetischen Rückstellkraft auch eine mechanische Rückstellkraft durch die magnetische Kompensationseinrichtung 14 zu kompensieren. Die Kompensationseinrichtung 14 kann dabei auch derart dimensioniert werden, dass die durch die Kompensationseinrichtung 14 auf den Translator 3 wirkende Kraft größer ist als die mechanische und die magnetische Rückstellkraft zusammen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2005/026801 A2 [0005]
- DE 102011004607 A1 [0006]
