DE102016225900A1

DE102016225900A1 - Tauchspulenaktuator

Info

Publication number: DE102016225900A1
Application number: DE102016225900.8A
Authority: DE
Inventors: Jasper Wesselingh
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2016-12-21
Filing date: 2016-12-21
Publication date: 2018-06-21
Also published as: KR102510772B1; KR20190097170A; CN110325920A; CN110325920B; WO2018114210A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Tauchspulenaktuator (1), umfassend wenigstens eine erste Spule (15) und eine zweite Spule (16) sowie eine Magnetanordnung (10), wobei die Spulen (15, 16) mit der Magnetanordnung (10) wechselwirken, derart dass die Magnetanordnung (10) innerhalb einer Bewegungsfläche (17) auslenkbar ist. Die Mittelachse (M) der Magnetanordnung (10) verläuft dabei durch den Pol (X) eines Polarkoordinatensystems der Bewegungsfläche (17), wenn sich die Magnetanordnung (10) in einer von den Spulen (15, 16) unausgelenkten Ruheposition befindet. Die erste Spule (15) ist derart angeordnet und ausgebildet, dass sich der Pol (X) des Polarkoordinatensystems innerhalb des Umfangs (18) der ersten Spule (15) befindet, und die erste Spule (15) eine nach außen gerichtete Radialkraft auf die Magnetanordnung (10) aufbringt, wobei die zweite Spule (16) angeordnet und ausgebildet ist, um eine Tangentialkraft auf die Magnetanordnung (10) aufzubringen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Tauchspulenaktuator, umfassend wenigstens eine erste Spule und eine zweite Spule sowie eine Magnetanordnung, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Erfindung betrifft auch eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einem Beleuchtungssystem mit einer Strahlungsquelle sowie einer Optik, welche wenigstens ein optisches Element aufweist.
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.
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.
Aus der DE 10 2012 223 034 A1 ist ein Beleuchtungssystem einer mikrolithographische EUV („Extreme Ultra Violet“) - Projektionsbelichtungsanlage bekannt. Darin wird insbesondere das Festkörpergelenk einer Spiegelfacette eines Facettenspiegels, der in dem Beleuchtungssystem enthalten ist, sowie dessen Ansteuerung beschrieben. Jede der Spiegelfacetten kann dabei mit Hilfe eines Aktuators um zwei orthogonale Achsen verkippbar sein. Hierzu kann ein in zwei Dimensionen linear bewegliches Betätigungselement (Translator) in Form eines Magneten durch elektromagnetische Wechselwirkung mit statisch montierten, den Translator beeinflussenden Spulen mechanisch gesteuert werden. Der Translator ist dabei über das Festkörpergelenk mit dem optischen Element, beispielsweise der Spiegelfacette, verbunden, wodurch sich die ausgeführte Bewegung übertragen und die Spiegelfacette verkippen lässt.
In der Praxis ist ein Tauchspulenaktuator üblicherweise als Gleichstrom-Linearmotor ausgebildet. Hierzu ist es bekannt, zwei oder mehr Ringspulen auf einer gemeinsamen Höhenebene versetzt zueinander anzuordnen, die einen auf oder unter den Spulen angeordneten Permanentmagneten in x- und y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems auslenken können. Dabei ist ein ständiger Stromfluss in beiden Spulen zum Anfahren einer x-y-Position und auch zum Halten dieser Position erforderlich.
Bei den bekannten Lösungen ist es somit von Nachteil, dass bei einer Auslenkung des Translators oder Rotors von seiner unausgelenkten Ruheposition beständig Strom in der oder den Spulen eines Tauchspulenaktuators fließen muss, damit sich der Translator nicht in die Ruheposition zurück bewegt.
Schließlich ist es notwendig, die Verlustwärme der Spule(n) durch eine gute thermische Anbindung bzw. Ableitung an umgebende Baugruppen abzuleiten bzw. in einem für die Anwendung sicheren, akzeptablen Rahmen zu halten. Insbesondere innerhalb einer Projektionsbelichtungsanlage kann die Erwärmung von Bauteilen gravierende negative Auswirkungen auf die Genauigkeit des lithographischen Prozesses haben, z. B. wenn sich optische Komponenten durch den Wärmeeintrag ungleichmäßig verformen.
Insbesondere da in einer Projektionsbelichtungsanlage regelmäßig eine große Zahl optischer Elemente, wie beispielsweise Spiegelfacetten, manipuliert werden müssen, werden viele Aktuatoren auf engem Bauraum benötigt - die Packungsdichte von Projektionsbelichtungsanlagen ist bekanntermaßen äußerst hoch. Demnach ist es erstrebenswert, die bekannten Aktuatoren zu verkleinern bzw. in ihrem Aufbau zu vereinfachen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tauchspulenaktuator in kompakter Bauweise bereit zu stellen, der nur einen geringen Stromverbrauch aufweist und präzise steuerbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einem Tauchspulenaktuator kompakter Bauweise und geringem Stromverbrauch zur Verstellung bzw. Manipulation bzw. Deformation eines optischen Elements bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird für einen Tauchspulenaktuator durch die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Die Aufgabe wird für eine Projektionsbelichtungsanlage mit den in Anspruch 14 aufgeführten Merkmalen gelöst. Die abhängigen Ansprüche und die nachfolgend beschriebenen Merkmale betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung.
Der Tauchspulenaktuator umfasst wenigstens eine erste Spule und eine zweite Spule sowie eine Magnetanordnung, wobei die Spulen mit der Magnetanordnung wechselwirken derart, dass die Magnetanordnung innerhalb einer Bewegungsfläche auslenkbar ist.
Vorzugsweise sind eine erste Spule und eine zweite Spule vorgesehen. Es können allerdings noch weitere Spulen, beispielsweise eine dritte Spule und gegebenenfalls eine vierte Spule vorgesehen sein.
Der Stromfluss in den Spulen kann individuell steuerbar bzw. regelbar sein, um jeweils definierte Magnetfelder zu erzeugen. Dabei kann auch die Stromflussrichtung beeinflussbar sein.
Bei der Magnetanordnung kann es sich um eine beliebige Anordnung handeln, die ein magnetisches Feld erzeugt, wodurch eine magnetische Wechselwirkung mit den Spulen ermöglicht wird. Demnach kann es sich bei der Magnetanordnung beispielsweise um eine oder mehrere Spulen, um einen oder mehrere Elektropermanentmagnete und/oder um einen oder mehrere Permanentmagnete handeln.
Bei der Bewegungsfläche handelt es sich um einen definierten Bewegungsbereich, innerhalb dem der Tauchspulenaktuator die Magnetanordnung auslenken kann. Bei der Magnetanordnung handelt es sich vorzugsweise um den Translator oder Rotor des Tauchspulenaktuators. Die erste und die zweite Spule können mit festen Gehäuseteilen gekoppelt sein und können in diesem Fall als Teil der Statoreinheit des Tauchspulenaktuators angesehen werden.
Die Magnetanordnung des Tauchspulenaktuators kann in vorteilhafter Weise mit weiteren Elementen gekoppelt sein, wodurch eine Relativbewegung der Magnetanordnung bezüglich einer oder mehrerer Spulen zu einer Auslenkung beispielsweise eines Betätigungsstabs des Tauchspulenaktuators führt, wobei der Betätigungsstab die Bewegung - übersetzt oder direkt - beispielsweise auf ein aktuatorisch zu verstellendes Bauteil, z. B. eine Spiegelfacette eines Facettenspiegels einer Projektionsbelichtungsanlage, übertragen kann.
Es ist vorgesehen, dass die Mittelachse der Magnetanordnung durch den Pol eines Polarkoordinatensystems der Bewegungsfläche verläuft, wenn sich die Magnetanordnung in einer von den Spulen unausgelenkten Ruheposition befindet.
Die Mittelachse der Magnetanordnung verläuft bzw. erstreckt sich vorzugsweise orthogonal zu der Bewegungsfläche. Die Magnetanordnung kann eine beliebige Geometrie aufweisen und ist vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet, wobei sich der Zylinder dann entlang der Mittelachse erstreckt.
Ein Polarkoordinatensystem, auch Kreiskoordinatensystem genannt, ist ein zweidimensionales Koordinatensystem, in dem jeder Punkt durch den Abstand vom Ursprungspunkt (Pol) und einen Winkel festgelegt ist. Der Abstand vom Pol wird Radius oder Radialkoordinate genannt; der Winkel wird als Winkelkoordinate, Polarwinkel oder Azimut bezeichnet.
Der Ursprung des Polarkoordinatensystems, d. h. der Pol des Polarkoordinatensystems, befindet sich erfindungsgemäß innerhalb der Bewegungsfläche und legt die Ruheposition des Systems fest, wonach sich das System in Ruheposition befindet, wenn die Mittelachse der Magnetanordnung durch den Pol verläuft.
Vorzugsweise ist die Bewegungsfläche als Kreisfläche ausgebildet. Ganz besonders bevorzugt befindet sich der Pol des Polkoordinatensystems im Zentrum der Bewegungsfläche, also beispielsweise auf dem Kreismittelpunkt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste Spule derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sich der Pol des Polkoordinatensystems innerhalb des Umfangs der ersten Spule befindet.
Hierdurch ist eine besonders geeignete Auslenkung der Magnetanordnung möglich, im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem vorgesehen ist, dass sich der Ursprung des Koordinatensystems zwischen zwei parallel zueinander angeordneten, identisch aufgebauten Ringspulen befindet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste Spule eine (radial) nach außen gerichtete Radialkraft auf die Magnetanordnung aufbringt. Dies kann aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung in jeder Relativposition der ersten Spule und der Magnetanordnung zueinander erfolgen.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Spule die Magnetanordnung magnetisch abstößt. Obwohl die abstoßende Radialkraft zu bevorzugen ist, kann auch vorgesehen sein, dass die erste Spule eine anziehende Radialkraft auf die Magnetanordnung aufbringt. Die nach außen gerichtete Radialkraft kann demnach ein beliebiges Vorzeichen aufweisen.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass die zweite Spule angeordnet und ausgebildet ist, um eine Tangentialkraft auf die Magnetanordnung aufzubringen. Dies kann in jeder Relativposition, in der sich die Magnetanordnung bezüglich der zweiten Spule befindet, erfolgen.
Es sei allerdings zu erwähnen, dass oder mehrere Relativpositionen existieren können, in denen sich die Anordnung in einem toten Punkt befindet, in dem aufgrund von Symmetrie ein magnetisches Kräftegleichgewicht herrscht, wodurch eine Auslenkung aus dieser Position nicht direkt möglich ist. Hierauf wird nachfolgend noch detaillierter eingegangen.
Durch den beschriebenen Aufbau kann ein Tauchspulenaktuator bereitgestellt werden, der sich optimal für ein System einsetzen lässt, dessen Bewegungen sich vorteilhaft durch ein Polarkoordinatensystem definieren lassen. Dies ist insbesondere dann hilfreich, wenn sich ein Verhältnis zwischen zwei Punkten leichter (bevorzugt) durch Winkel und Abstände beschreiben lässt, statt durch herkömmliche x- und y-Koordinaten eines kartesischen Koordinatensystems.
Ganz besonders vorteilhaft kann die Erfindung dann eingesetzt werden, wenn eine Auslenkung entlang einer der Koordinaten des Polarkoordinatensystems, beispielsweise entlang der Winkelkoordinate, nur einen Stromimpuls zum Positionswechsel und keinen dauerhaften Stromfluss zum anschließenden Halten der Koordinate erfordert. In diesem Fall kann der Strombedarf in zumindest einer der Spulen deutlich reduziert sein, während im Stand der Technik zum Auslenken in eine x-y-Position kontinuierlich Strom durch beide Spulen fließen muss.
Insbesondere bei Systemen, die ein Verstellen eines Translators innerhalb einer Bewegungsfläche im zweidimensionalen Raum erfordern und ganz besonders bevorzugt, wenn die Bewegungsfläche eine runde Geometrie aufweist, kann der erfindungsgemäße Tauchspulenaktuator effizienter eingesetzt werden, als ein herkömmlicher zweidimensionaler Aktuator bzw. Tauchspulenaktuator.
Aus der Robotik sind viele derartige Systeme bekannt. Ganz besonders bevorzugt kann die Erfindung allerdings zur Verstellung optischer Elemente einer Projektionsbelichtungsanlage eingesetzt werden. Grundsätzlich ist die Erfindung aber nicht auf eine bestimmte Anwendung beschränkt zu verstehen und ist somit für den Einsatz in der gesamten Aktorik bzw. Antriebstechnik geeignet.
Die Erfindung kann von einem Fachmann ferner von einem zweidimensionalen Aktuator auf einen dreidimensionalen Aktuator erweitert werden, indem an Stelle des Polarkoordinatensystems ein räumliches Polarkoordinatensystem bzw. Zylinderkoordinaten verwendet werden, wobei als zusätzliche Koordinate die Höhe vom Pol hinzukommt, die beispielsweise von einer dritten Spule beeinflussbar sein kann.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau aus nur wenigen Spulen, vorzugsweise einer ersten Spule und einer zweiten Spule, weist der Tauchspulenaktuator eine vergleichsweise einfache Konstruktion auf. Insbesondere wenn viele derartige Aktuatoren bei hoher Packungsdichte benötigt werden, beispielsweise innerhalb einer Projektionsbelichtungsanlage, kann die Erfindung somit höchst vorteilhaft eingesetzt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Mittelachse der ersten Spule durch den Pol oder benachbart zu dem Pol des Polarkoordinatensystems der Bewegungsfläche verläuft.
Die Mittelachse der ersten Spule verläuft dabei vorzugsweise orthogonal zu der Bewegungsfläche.
Insbesondere bezüglich einer kompakten und ausgewogenen Bauweise kann es von Vorteil sein, wenn die Mittelachse der ersten Spule ortsnah an dem Pol des Polarkoordinatensystems vorbeiläuft oder vorzugsweise durch den Pol hindurch verläuft. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Mittelachse der ersten Spule weniger als ein Viertel des Durchmessers der ersten Spule versetzt zu dem Pol verläuft, vorzugsweise weniger als ein Achtel des Durchmessers der ersten Spule versetzt zu dem Pol verläuft und ganz besonders bevorzugt durch den Pol des Polarkoordinatensystems hindurch verläuft.
Ein leichter Versatz des Verlaufs der Mittelachse der ersten Spule zum Pol des Polarkoordinatensystems kann vorteilhaft sein, um ohne weitere Maßnahmen sicherzustellen, dass die erste Spule die Magnetanordnung aus der Ruheposition, in der deren Mittelachse durch den Pol verläuft, auslenken kann.
In einer Weiterbildung kann ferner vorgesehen sein, dass die erste Spule derart ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass die Mittelachse der Magnetanordnung innerhalb des Umfangs der ersten Spule verläuft bzw. angeordnet ist, wenn die Magnetanordnung von der ersten Spule ausgelenkt ist. Dadurch lässt sich die Magnetanordnung in besonders einfacher, effizienter und zuverlässiger Weise in jeder Position innerhalb der vorgesehenen Bewegungsfläche von der ersten Spule auslenken bzw. die Position der Magnetanordnung lässt sich durch die erste Spule beeinflussen.
Die Bewegungsfläche befindet sich vorzugsweise vollständig innerhalb des Umfangs der ersten Spule.
Der Tauchspulenaktuator weist somit eine besonders gute Effizienz auf, da die magnetische Wechselwirkung mit dem Abstand zwischen Spule und Magnetanordnung abnimmt. Außerdem kann durch diese Ausgestaltung eine kompakte Bauweise erreicht werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Spulen und die Magnetanordnungen derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass die Radialkraft, die die erste Spule auf die Magnetanordnung aufbringt, eine Bewegung der Magnetanordnung entlang einer Radialkoordinate des Polarkoordinatensystems und dass die Tangentialkraft, die die zweite Spule auf die Magnetanordnung aufbringt, eine Bewegung der Magnetanordnung entlang einer Winkelkoordinate des Polarkoordinatensystems bewirkt.
Es kann beispielsweise eine Anordnung der Spulen und der Magnetanordnung vorgesehen sein, bei der die Magnetanordnung in der Ruheposition durch Federn gelagert ist derart, dass die Federn die Magnetanordnung im Fall unbestromter Spulen in die Ruheposition zurückführen. Somit kann eine nach außen gerichtete Radialkraft auf die Magnetanordnung, ausgehend von der ersten Spule (im bestromten Fall) die Magnetanordnung entlang der Radialkoordinate des Polarkoordinatensystems innerhalb der Bewegungsfläche auslenken. Durch die Tangentialkraft, die die zweite Spule auf die Magnetanordnung aufbringt, kann die Magnetanordnung dann auf eine Kreisbahn entlang der Winkelkoordinate des Polarkoordinatensystems gezwungen werden.
Die vorgenannte Ausgestaltung und Anordnung der Spulen derart, dass diese eine Radialkraft bzw. eine Tangentialkraft aufbringen, ist für die Auslenkung der Magnetanordnung von Vorteil, unabhängig davon, wie die Magnetanordnung in die Ruheposition gelangt oder ob überhaupt eine Rückstellkraft in die Ruheposition vorhanden ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass die erste Spule als Spiral-Flachspule ausgebildet ist und/oder die zweite Spule als Toroidspule ausgebildet ist.
Eine Spiral-Flachspule wird auch als Schneckenspule oder „Pancake Coil“ bezeichnet. Dabei handelt es sich um eine Spule, deren Windung üblicherweise in nur einer Höhenlage schneckenförmig gewickelt ist. Durch eine derartige Spule kann besonders vorteilhaft eine radial nach außen oder nach innen wirkende Radialkraft auf die Magnetanordnung aufgebracht werden.
Eine Toroidspule wird als auch als Kreisringspule, Ringspule oder Ringkernspule bezeichnet. Die Toroidspule kann z. B. eine runde Geometrie oder eine eckige Geometrie aufweisen. Vorzugsweise ist eine runde Geometrie vorgesehen. Mit einer derartigen Spule kann in effizienter Weise eine Tangentialkraft auf die Magnetanordnung aufgebracht werden.
In einer Weiterbildung kann außerdem vorgesehen sein, dass die Magnetanordnung eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die orthogonal zu der Bewegungsfläche verläuft.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung kann die erste Spule näher an der Magnetanordnung angeordnet sein, als die zweite Spule.
Die vorgenannte Anordnung bezieht sich insbesondere auf den Ruhezustand und den Betriebszustand.
Insbesondere da in der Praxis oft eine Lagerung der beweglichen Teile des Tauchspulenaktuators, das heißt auch der Magnetanordnung, vorgesehen ist, die üblicherweise eine Rückstellkraft zur Ruheposition verursacht, haben die Erfinder erkannt, dass die Effizienz der magnetischen Wechselwirkung zwischen der ersten Spule und der Magnetanordnung, die zu der radialen Auslenkung führt, wichtiger ist, als die Effizienz der magnetischen Wechselwirkung zwischen der zweiten Spule und der Magnetanordnung. Demnach kann es von Vorteil sein, insbesondere wenn der Bauraum begrenzt ist, die erste Spule näher an der Magnetanordnung anzuordnen als die zweite Spule. Hierdurch kann der Stromverbrauch innerhalb der ersten Spule zur radialen Auslenkung der Magnetanordnung reduziert sein, wodurch der Stromverbrauch und somit die Effizienz des gesamten Tauchspulenaktuators verbessert werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Mittelachse der ersten Spule und die Mittelachse der zweiten Spule und/oder die Mittelachse der Magnetanordnung koaxial verlaufen.
Die Mittelachse der zweiten Spule verläuft vorzugsweise orthogonal zu der Bewegungsfläche.
Hierdurch kann ein besonders effizienter und platzsparender Aufbau erreicht werden. Vorzugsweise sind die erste Spule, die zweite Spule und die Magnetanordnung in der Art eines Stapels angeordnet. Beispielsweise kann eine Anordnung vorgesehen sein, bei der direkt unterhalb der Magnetanordnung die erste Spule und unterhalb der ersten Spule die zweite Spule vorgesehen ist. Auch ein Aufbau, bei dem die erste Spule oberhalb der Magnetanordnung und die zweite Spule unterhalb der Magnetanordnung angeordnet ist, kann gegebenenfalls von Vorteil sein.
Grundsätzlich sind im Rahmen der Erfindung beliebige Anordnungen der Magnetanordnung und der Spulen zueinander möglich.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung befindet sich die erste Spule zwischen der zweiten Spule und der Magnetanordnung.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Eisenkern zur Bündelung des magnetischen Flusses in der ersten Spule und/oder in der zweiten Spule angeordnet ist.
Durch einen Eisenkern innerhalb einer Spule kann sich die Effizienz der magnetischen Wechselwirkung verbessern. Dabei sollte vorliegend jedoch beachtet werden, dass der Eisenkern gegebenenfalls eine zusätzliche Rückstellkraft der Magnetanordnung in die unausgelenkte Ruheposition durch eine magnetische Anziehung zwischen der Magnetanordnung und dem Eisenkern verursacht.
Es kann von Vorteil sein, einen Eisenkern innerhalb der zweiten Spule vorzusehen, insbesondere wenn die zweite Spule als Toroidspule ausgebildet ist. Die Toroidspule kann dann um den Eisenkern, beispielsweise einen ringförmigen Eisenkern, herum gewickelt sein.
In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass eine Steuer- und/oder Regeleinheit vorgesehen ist, um die Auslenkung der Magnetanordnung zu steuern bzw. zu regeln.
Zur Steuerung bzw. Regelung der Magnetanordnung können auch weitere Mittel, insbesondere eine Sensorik zum Detektieren der Position der Magnetanordnung relativ zu den Spulen vorgesehen sein.
Für eine Detektion der Position der Magnetanordnung innerhalb der Bewegungsfläche können vorzugsweise Stromsensoren, beispielsweise Wirbelstromsensoren, verwendet werden. Die radiale Position der Magnetanordnung kann ggf. durch den Stromverbrauch der ersten Spule bestimmt werden. Grundsätzlich sind beliebige Sensoren zur Positionserkennung der Magnetanordnung innerhalb der Bewegungsfläche einsetzbar, z. B. optische, kapazitive oder magnetische Sensoren.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können elektrische und/oder mechanische Mittel vorgesehen sein, um zu vermeiden, dass die erste Spule und die Magnetanordnung eine Relativposition zueinander einnehmen, die zu einem magnetischen Kräftegleichgewicht derart führt, dass die erste Spule keine nach außen gerichtete Radialkraft auf die Magnetanordnung aufbringen kann.
Im theoretischen Fall eines Kräftegleichgewichts kann es vorkommen, dass sich die Magnetanordnung trotz Bestromung der ersten und/oder zweiten Spule nicht mehr aus diesem sogenannten „Totpunkt“ auslenken lässt. Insbesondere bei einem grundsätzlich vorteilhaften symmetrischen Aufbau des Tauchspulenaktuators kann dies problematisch sein.
Es kann beispielsweise durch eine entsprechende Aufhängung bzw. Lagerung der Magnetanordnung eine Federkraft eingestellt werden, die eine derartige Relativposition vermeidet. Alternativ oder zusätzlich kann der Totpunkt durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung, die eine Auslenkung, die zum Totpunkt führen würde ausschließt, vermieden werden.
Es können auch elektrische und/oder mechanische Mittel vorgesehen sein, um die Magnetanordnung aus einer derartigen Relativposition, bei der ein magnetisches Kräftegleichgewicht herrscht, auszulenken.
Beispielsweise kann ein starker elektrischer Stromimpuls in einer oder in beiden Spulen in der Praxis dazu führen, dass sich die Magnetanordnung aus dem Totpunkt herausbewegt oder derart aufschaukelt, dass der Tauchspulenaktuator in Folge wieder in üblicher Weise verwendbar ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung weist die Magnetanordnung wenigstens einen Permanentmagneten auf. Ganz besonders bevorzugt weist die Magnetanordnung genau einen Permanentmagnet auf bzw. ist als Permanentmagnet ausgebildet.
Dadurch, dass wenigstens ein Permanentmagnet innerhalb der Magnetanordnung vorgesehen ist bzw. die Magnetanordnung als Permanentmagnet ausgebildet ist, kann der Tauchspulenaktuator effizienter und stromsparender sowie kompakter aufgebaut sein. Im Gegensatz zu einer Spule oder zu einem Elektropermanentmagnet erfordert der wenigstens eine Permanentmagnet keine zusätzlichen Mittel zur Stromzuleitung und während des Betriebs auch keine Beaufschlagung mit Strom zur magnetischen Wechselwirkung mit der ersten und der zweiten Spule.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann außerdem vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Permanentmagnet eine Magnetisierung aufweist derart, dass eine Magnetpolgrenze zwischen den beiden Polen des Permanentmagneten einen gebogenen Verlauf aufweist.
Üblicherweise verläuft eine Magnetpolgrenze in einer geraden Linie zwischen den beiden Polen und separiert somit die Pole des Permanentmagneten. Bei Herstellung des Permanentmagneten kann allerdings auch eine Magnetisierung eingestellt werden, die zu einem ungeraden Verlauf der Magnetpolgrenze führt.
Beispielsweise kann der magnetische Kreis vorab simuliert oder berechnet werden, wodurch eine optimale Magnetisierung der Magnetanordnung bestimmt werden kann. Mit einem magnetischen Kreis ist das Zusammenspiel, insbesondere die magnetische Kopplung der magnetischen Komponenten des Tauchspulenaktuators bzw. der wesentlichen Komponenten, insbesondere der Spulen und der Magnetanordnung, gemeint.
Durch die spezielle Magnetisierung der Magnetanordnung kann erreicht werden, dass die Leistungsaufnahme des Tauchspulenaktuators unabhängig von der Radialkoordinate und der Winkelkoordinate ist. Dies kann folglich zu einer gleichmäßigen Wärmeabgabe des Tauchspulenaktuators unabhängig von der ausgelenkten Position der Magnetanordnung relativ zu den Spulen führen. Das thermische Verhalten des Systems kann somit besser berechenbar und gleichmäßiger sein. Die Motorkonstante des Tauchspulenaktuators kann somit konstant, d. h. unabhängig von der Auslenkung des Translators bzw. der Magnetanordnung (oder eines Rotors) ausgelegt sein.
Alternativ oder zusätzlich kann die erste Spule und/oder die zweite Spule gegebenenfalls derart ausgebildet bzw. ausgerichtet sein, dass eine konstante Stromaufnahme unabhängig von der ausgelenkten Position der Magnetanordnung relativ zu den Spulen innerhalb der Bewegungsfläche erreicht wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithografie mit einem Beleuchtungssystem mit einer Strahlungsquelle sowie einer Optik, welche wenigstens ein optisches Element aufweist, welches mit einem Tauchspulenaktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verstellbar und/oder manipulierbar und/oder deformierbar ist.
Merkmale und Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Tauchspulenaktuator beschrieben wurden, können in beliebiger Kombination auch bei dem Tauchspulenaktuator der Projektionsbelichtungsanlage zum Einsatz kommen.
In einer Weiterbildung der Projektionsbelichtungsanlage kann wenigstens eines der optischen Elemente als Facettenspiegel ausgebildet sein, wobei der Facettenspiegel eine Tragstruktur und mehrere davon getragene und individuell verstellbare Spiegelfacetten aufweist, wobei jede Spiegelfacette über ein Festkörpergelenk derart mit der Tragstruktur verbunden ist, dass die Spiegelfacette um zwei zueinander orthogonale Achsen verkippbar ist, wobei die Spiegelfacette starr mit einem Betätigungsstab verbunden ist, und wobei der Betätigungsstab durch einen Tauchspulenaktuator auslenkbar ist, um die Spiegelfacette um mindestens eine der zwei Achsen zu verkippen.
Bei einer solchen Anordnung, die beispielsweise in der DE 10 2012 223 034 A1 ausführlich beschrieben ist, deren Offenbarungsgehalt hiermit in die vorliegende Beschreibung integriert sei, kann eine Auslenkung des Betätigungsstabs bei Verbindung des Betätigungsstabs mit der Magnetanordnung, insbesondere bei einer Ansteuerung auf Basis eines Polarkoordinatensystems, besonders vorteilhaft sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen einzelne Merkmale der vorliegenden Erfindung in Kombination miteinander dargestellt sind. Merkmale eines Ausführungsbeispiels sind auch losgelöst von den anderen Merkmalen des gleichen Ausführungsbeispiels umsetzbar und können dementsprechend von einem Fachmann zu weiteren sinnvollen Kombinationen und Unterkombinationen mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele verbunden werden.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen schematisch:

1 eine EUV-Projektionsbelichtungsanlage;
2 eine weiteren Projektionsbelichtungsanlage;
3 eine Draufsicht auf einen Facettenspiegel;
4 eine isometrische Ansicht einer Spiegelfacette und eines Festkörpergelenks mit einem Betätigungsstab;
5 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Tauchspulenaktuators in einer ersten Ausführung;
6 eine prinzipmäßige Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Tauchspulenaktuator;
7 eine beispielhafte Stromkurven der ersten Spule und der zweiten Spule;
8 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Tauchspulenaktuators in einer zweiten Ausführung;
9 eine beispielhafte Toroidspule;
10 eine beispielhafte Spiral-Flachspule;
11 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Tauchspulenaktuators in einer dritten Ausführung; und
12 eine Schnittdarstellung einer Magnetanordnung bestehend aus mehreren Permanentmagneten.

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 EUV-Strahlung 413, insbesondere im Bereich zwischen 5 Nanometer und 30 Nanometer, emittieren. Zur Steuerung des Strahlungswegs der EUV-Strahlung 413 werden optisch verschieden ausgebildete und mechanisch verstellbare optische Elemente 415, 416, 418, 419, 420 eingesetzt. Die optischen Elemente sind bei der in 1 dargestellten EUV-Projektionsbelichtungsanlage 400 als verstellbare Spiegel in geeigneten und nachfolgend nur beispielhaft erwähnten Ausführungsformen ausgebildet.
Die mit der Strahlungsquelle 402 erzeugte EUV-Strahlung 413 wird mittels eines in der Strahlungsquelle 402 integrierten Kollektors derart ausgerichtet, dass die EUV-Strahlung 413 im Bereich einer Zwischenfokusebene 414 einen Zwischenfokus durchläuft, bevor die EUV-Strahlung 413 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, 420 werden Feldfacetten des Feldfacettenspiegels 415 in das Objektfeld 404 abgebildet.
In 2 ist eine weitere Projektionsbelichtungsanlage 100, beispielsweise eine DUV („Deep Ultra Violet“) - Projektionsbelichtungsanlage, dargestellt. Die Projektionsbelichtungsanlage 100 weist ein Beleuchtungssystem 103, eine Retikelstage 104 genannten Einrichtung zur Aufnahme und exakten Positionierung eines Retikels 105, durch welches die späteren Strukturen auf einem Wafer 102 bestimmt werden, eine Einrichtung 106 zur Halterung, Bewegung und exakten Positionierung des Wafers 102 und eine Abbildungseinrichtung, nämlich ein Projektionsobjektiv 107, mit mehreren optischen Elementen 108, die über Fassungen 109 in einem Objektivgehäuse 140 des Projektionsobjektivs 107 gehalten sind, auf.
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.
Das grundsätzliche Funktionsprinzip der Projektionsbelichtungsanlage 100 sieht vor, dass die in das Retikel 105 eingebrachten Strukturen auf den Wafer 102 abgebildet werden.
Das Beleuchtungssystem 103 stellt einen für die Abbildung des Retikels 105 auf den 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 dem Beleuchtungssystem 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.
Mittels des Projektionsstrahls 111 wird ein Bild des Retikels 105 erzeugt und von dem Projektionsobjektiv 107 entsprechend verkleinert auf den Wafer 102 übertragen. 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.
2 zeigt die Anordnung eines Manipulators 200 im Bereich zwischen Retikelstage 104 und dem ersten optischen Element 108 des Projektionsobjektivs 107. Der Manipulator 200 dient zur Korrektur von Bildfehlern, wobei ein enthaltenes optisches Element durch Aktuatorik mechanisch deformiert wird.
Zur Verstellung bzw. zur Manipulation der optischen Elemente 415, 416, 418, 419, 420, 108 der in den 1 und 2 dargestellten Projektionsbelichtungsanlagen 400, 100 und der Wafer 411, 102 ist die Verwendung von Aktuatoren unterschiedlicher Bauweise bekannt.
Die 5, 6, 8 und 11 zeigen einen erfindungsgemäßen Tauschspulenaktuator 1 in verschiedenen Ausführungsformen.
Der erfindungsgemäße Tauchspulenaktuator 1 eignet sich insbesondere, um einzelne Spiegelfacetten 2 (vgl. 3 und 4) eines Feldfacettenspiegels 415 einer Projektionsbelichtungsanlage 400 auszurichten bzw. zu verkippen. Selbstverständlich eignet sich die Erfindung auch hervorragend, um beliebige andere optische Elemente einer beliebigen Projektionsbelichtungsanlage auszurichten oder zu verkippen. Auch zur Beeinflussung eines Manipulators 200 kann der erfindungsgemäße Tauchspulenaktuator 1 eingesetzt werden.
Die Verwendung der Erfindung ist nicht auf den Einsatz in Projektionsbelichtungsanlagen 100, 400, insbesondere auch nicht mit dem beschriebenen Aufbau, beschränkt.
Die Erfindung sowie das nachfolgende Ausführungsbeispiel sind ferner nicht auf eine spezifische Bauform beschränkt zu verstehen.
3 zeigt einen Facettenspiegel, beispielsweise den Feldfacettenspiegel 415, in Draufsicht. Erkennbar ist eine Trägerplatte 3, deren zum Betrachter weisende Oberfläche 4 vorzugsweise zu einem großen Teil von Spiegelfacetten 2 überdeckt wird. Der Umriss einer Spiegelfacette 2 hat dabei vorzugsweise jeweils die Form eines Ringsegments. Hierdurch lassen sich die Spiegelfacetten 2 eng gepackt zu Reihen anordnen. Der Bedeckungsgrad der Oberfläche 4 mit Spiegelfacetten 2 liegt dabei vorzugsweise im Bereich von über 80%, so dass nur wenig EUV-Strahlung 413 der Strahlungsquelle 402 zwischen benachbarte Spiegelfacetten 2 fällt.
Es können beispielsweise 300 oder mehr Spiegelfacetten 2 auf einer Trägerplatte 3 vorgesehen sein. Der Feldfacettenspiegel 415 kann beispielsweise einen Durchmesser von 80 cm aufweisen.
Jede Spiegelfacette 2 kann individuell verstellbar sein, so dass die auftreffende EUV-Strahlung 413 auf unterschiedliche Zielpunkte, beispielsweise Pupillenfacettenspiegel 416, gerichtet werden kann.
Die 4 zeigt in einer isometrischen Darstellung, wie eine Spiegelfacette 2 über ein Festkörpergelenk 5 mit einer Befestigungshülse 6 verbunden ist, die einen ringförmigen Querschnitt aufweist. Die Befestigungshülse 6 bildet zusammen mit der in 3 dargestellten Trägerplatte 3 eine Tragstruktur für die Spiegelfacette 2, gegenüber der die Spiegelfacette 2 verkippbar ist. Die Trägerplatte 3 ist in der 4 zur Vereinfachung nicht dargestellt. Die Befestigungshülse 6 kann an der Trägerplatte 3 dadurch befestigt sein, dass sich die Befestigungshülse 6 durch die Trägerplatte 3 hindurch erstreckt.
Die Spiegelfacette 2 wird im dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise exzentrisch von einem Tragelement 7 getragen, das die Form einer Kreisscheibe aufweist. An der Unterseite des Tragelements 7 ist mittig ein Betätigungsstab 8 angeordnet, der sich durch die Befestigungshülse 6 hindurch erstreckt. An seinem gegenüberliegenden Ende ist an dem Betätigungsstab 8 ein Endstück 9 angeordnet, an dem der erfindungsgemäße Tauchspulenaktuator 1 (in 4 nicht abgebildet) zum Verkippen der Spiegelfacette 2 angreifen kann. Bei dem Endstück 9 kann es sich insbesondere um einen Translator des Tauchspulenaktuators 1 bzw. um eine nachfolgend beschriebene Magnetanordnung 10 handeln. Alternativ kann das Endstück 9 an dem Translator bzw. an der Magnetanordnung 10 befestigt sein.
Das Festkörpergelenk 5 verbindet den Betätigungsstab 8 mit der Befestigungshülse 6. Zu diesem Zweck umfasst das Festkörpergelenk 5 drei um den Betätigungsstab 8 herum angeordnete Gelenkbeine 11, die an einem Ende an der Innenfläche der Befestigungshülse 6 und an dem anderen Ende an dem Tragelement 7 befestigt sind. Der Winkel zwischen benachbarten Gelenkbeinen 11 beträgt dabei vorzugsweise jeweils 120°. Würde man die Gelenkbeine 11 virtuell über das Tragelement 7 hinaus verlängern, wie dies in 4 mit gestrichelten Linien angedeutet ist, so träfen sich die Gelenkbeine 11 in einem Kipppunkt 12, der zumindest näherungsweise auf der reflektierenden Beschichtung der Spiegelfacette 2 liegt.
Im unausgelenkten Zustand befindet sich das Endstück 9 bzw. die Magnetanordnung 10 in einer definierten Ruheposition.
Wird der Betätigungsstab 8 mit Hilfe des Tauchspulenaktuators 1 ausgelenkt, wie dies mit Pfeilen 13 in 4 angedeutet ist, so wird die Spiegelfacette 2 um den Kipppunkt 12 herum verschwenkt, wobei sich die Gelenkbeine 11 verbiegen. Die Biegesteifigkeit der Gelenkbeine 11 legt somit den Biegewiderstand fest, der durch den Tauchspulenaktuator 1 überwunden werden muss, um die Spiegelfacette 2 zu verkippen. Infolge der gleichmäßigen Verteilung der Gelenkbeine 11 um den Betätigungsstab 8 herum ist der Biegewiderstand des Festkörpergelenks 5 annähernd isotrop, so dass das Festkörpergelenk 5 einer Verkippung der Spiegelfacette 2 um jeder der zwei orthogonalen Kippachsen zumindest annähernd den gleichen Biegewiderstand entgegensetzt.
Dieser Aufbau hat auch zur Folge, dass der Tauchspulenaktuator 1, insbesondere bei einer radialen Auslenkung des Endstücks 9 bzw. der Magnetanordnung 10, einer Rückstellkraft des Festkörpergelenks 5 entgegenwirken muss. Im Gegensatz dazu kann das Endstück 9 bzw. die Magnetanordnung 10 bei einer konstanten radialen Auslenkung entlang einer Kreisbahn um die Ruheposition bewegt werden, ohne dass das Festkörpergelenk 5 der Kreisbewegung nennenswert entgegen wirkt.
Zwischen dem Tragelement 7 und der Befestigungshülse 6 erstreckt sich ferner ein Faltenbalg 14, der den Zwischenraum zwischen der Spiegelfacette 2 und der Befestigungshülse 6 vorzugsweise gasdicht gegenüber einem Außenraum abschließt. Der Faltenbalg 14 verhindert zum einen, dass kleine Partikel, die sich infolge mechanischer oder thermischer Belastung von Teilen des Festkörpergelenks 5 lösen, in den Außenraum gelangen und die Funktion des Beleuchtungssystems 401 beeinträchtigen, indem sie sich zum Beispiel auf Spiegeloberflächen absetzen. Zusätzlich stellt der Faltenbalg 14 sicher, dass sich die Spiegelfacette 2 nicht um die Längsachse des Faltenbalgs 14, also um eine zur Oberfläche senkrechte Achse, dreht.
In 5 ist die Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Tauchspulenaktuators 1 in einer ersten Ausführungsform abgebildet. Der Tauchspulenaktuator 1 umfasst eine erste Spule 15 und eine zweite Spule 16 sowie die bereits erwähnte Magnetanordnung 10, wobei die Spulen 15, 16 mit der Magnetanordnung 10 magnetisch wechselwirken. Dabei ist die Magnetanordnung 10 innerhalb einer Bewegungsfläche 17 auslenkbar. Bei der Magnetanordnung 10 handelt es sich vorliegend und vorzugsweise gleichzeitig um das Endstück 9 des Betätigungsstabs 8 der 4.
Im Ausführungsbeispiel ist die erste Spule 15 als Spiral-Flachspule und die zweite Spule 16 als Toroidspule ausgebildet.
Die Magnetanordnung 10 weist vorzugsweise einen Permanentmagneten auf. Im Ausführungsbeispiel ist die Magnetanordnung 10 vorzugsweise als Permanentmagnet 22 ausgebildet. Der Permanentmagnet 22 weist im Ausführungsbeispiel eine Magnetisierungsrichtung (in den Figuren mit Pfeilen angedeutet) auf, die orthogonal zu der Bewegungsfläche 17 verläuft. Der Permanentmagnet 22 weist zwei Pole 22b, 22c auf, die durch eine Magnetpolgrenze 22a separiert sind.
Die Magnetanordnung 10 bzw. der Permanentmagnet 22 kann einen Durchmesser von beispielsweise 10 mm aufweisen.
Die Bewegungsfläche 17 ist in ihrer Ausdehnung begrenzt, wie in 5 beispielhaft gestrichelt angedeutet. Im Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Bewegungsfläche 17 vollständig innerhalb des Umfangs 18 der ersten Spule 15 und der zweiten Spule 16 verläuft, d. h. nicht über die Fläche der Spulen 15, 16 in einer Draufsicht betrachtet, hinausgeht.
Im Ausführungsbeispiel ist ferner vorgesehen, dass die Mittelachse M₁ der ersten Spule 15 und die Mittelachse M₂ der zweiten Spule 16 sowie die Mittelachse M₃ der Magnetanordnung 10 koaxial verlaufen, wenn sich die Magnetanordnung 10 in einer von den Spulen 15, 16 unausgelenkten Ruheposition befindet (in 5 dargestellt). In der Ruheposition verläuft die Mittelachse M₃ der Magnetanordnung 10 ferner durch den Pol X eines Polarkoordinatensystems. Die Bewegungsfläche 17 ist innerhalb des Polarkoordinatensystems aufgespannt. Der Ursprung X des Koordinatensystems, d. h. der Pol X, definiert somit die Ruheposition des Translators (Magnetanordnung 10 bzw. Permanentmagnet 22) des Tauchspulenaktuators 1 (in 6 dargestellt).
Es ist vorgesehen, dass die erste Spule 15 derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sich der Pol X des Polarkoordinatensystems innerhalb des Umfangs 18 der ersten Spule 15 befindet, und die erste Spule 15 eine nach außen gerichtete Radialkraft auf die Magnetanordnung 10 aufbringt. Ferner ist die zweite Spule 16 angeordnet und ausgebildet, um eine Tangentialkraft auf die Magnetanordnung 10 aufzubringen.
Im Ausführungsbeispiel ist ferner vorgesehen, dass die erste Spule 15 näher an der Magnetanordnung 10 angeordnet ist, als die zweite Spule 16. Vorzugsweise sind die Spulen 15, 16 und die Magnetanordnung 10 in der Art eines Stapels zueinander angeordnet. Dabei ist die erste Spule 15 zwischen der Magnetanordnung 10 und der zweiten Spule 16 angeordnet. Ferner befindet sich zwischen der ersten Spule 15 und der Magnetanordnung 10 eine Trennfläche 19, auf der sich die Magnetanordnung 10 bewegen kann. Es kann vorgesehen sein, dass die Trennfläche 19 ein Vakuum von einer Atmosphäre trennt. Vorzugsweise sind das Festkörpergelenk 5, die Magnetanordnung 10 sowie die Spiegelfacette 2 in dem Vakuum angeordnet und die Spulen 15, 16 innerhalb der Atmosphäre. Dies kann bei einem Einsatz der Erfindung für eine EUV-Projektionsbelichtungsanlage 400 besonders vorteilhaft sein, da die Optik 403 vollständig im Vakuum angeordnet sein kann, während die ggf. zu kühlenden, wärmekritischen Komponenten des Tauchspulenaktuators 1 (insbesondere die Spulen 15, 16) außerhalb des Vakuums angeordnet sind.
In 6 ist eine prinzipmäßige Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Tauchspulenaktuator 1 dargestellt. Dabei soll insbesondere die Auslenkung der Magnetanordnung 10 innerhalb des Polarkoordinatensystems veranschaulicht werden.
Die Magnetanordnung 10 ist vorliegend in einer beispielhaft ausgelenkten Position innerhalb des Polarkoordinatensystems beziehungsweise innerhalb der Bewegungsfläche 17 dargestellt. Ferner ist eine nachfolgende Position 20 gestrichelt abgebildet.
Im Ausführungsbeispiel ist die Magnetanordnung 10 vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet. Der Umfang 18 der ersten Spule 15 entspricht vorzugsweise dem der zweiten Spule 16. In 6 ist der Umfang 18 der Spulen 15, 16 beispielhaft gestrichelt unterhalb der Trennfläche 19 dargestellt. Im Ausführungsbeispiel ist insbesondere vorgesehen, dass die Bewegungsfläche 17 sich vollständig innerhalb des Umfangs 18 der Spulen 15, 16 befindet. Grundsätzlich kann es allerdings ausreichend sein, dass die erste Spule 15 derart ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass die Mittelachse M₃ der Magnetanordnung 10 innerhalb des Umfangs 18 der ersten Spule 15 verläuft, wenn die Magnetanordnung 10 von der ersten Spule 15 ausgelenkt ist. Die Bewegungsfläche 17 kann somit auch einen Umfang aufweisen, der größer ist als der Umfang 18 der ersten Spule 15.
Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Bewegungsfläche 17 einen Durchmesser von 3 mm aufweist. Somit kann sich die Magnetanordnung 10 um bis zu 3 mm in eine Richtung verstellen lassen.
In 6 ist die Magnetanordnung 10 entlang einer Radialkoordinate r₁ des Polarkoordinatensystems von dem Pol X des Polarkoordinatensystems ausgelenkt dargestellt. Ferner ist die Magnetanordnung 10 entlang einer Winkelkoordinate φ₁ des Polarkoordinatensystems ausgelenkt. Jeder Punkt innerhalb der Bewegungsfläche 17 lässt sich demnach durch eine Radialkoordinate r und eine Winkelkoordinate φ des Polarkoordinatensystems abbilden.
Aufgrund der spezifischen Ausbildung des Festkörpergelenks 5, wie in 4 dargestellt, erfordert ein Auslenken der Magnetanordnung 10 und ein anschließendes Halten dieser Position einen ständigen Stromfluss durch die erste Spule 15, da die Magnetanordnung 10 eine Rückstellkraft durch die Gelenkbeine 11 erfährt. Hingegen lässt sich die Magnetanordnung 10 entlang der Winkelkoordinate φ des Polarkoordinatensystems im Idealfall kräftefrei bewegen. Eine Bestromung der zweiten Spule 16 ist lediglich für einen Positionswechsel der Magnetanordnung 10 bzw. für eine Beschleunigung der Magnetanordnung 10 entlang der Winkelkoordinate φ erforderlich.
Zum Halten der Position ist keine Bestromung der zweiten Spule 16 erforderlich.
In 7 sind beispielhaft Stromkurven I_r(t), I_φ(t) zur Ansteuerung der Spulen 15, 16 dargestellt. Die Stromkurve I_r(t) der ersten Spule 15 zeigt dabei einen Fall, in dem die Magnetanordnung 10 von der unausgelenkten Ruheposition (Zeitpunkt t=0), d. h. ausgehend vom Pol X, zu einer bestimmten Radialkoordinate r₁ (vgl. 6) ausgelenkt werden soll. Grundsätzlich ergibt sich ein Zusammenhang zwischen Spulenstrom I_r und radialem Abstand r vom Pol X, wobei der Strombedarf der ersten Spule 15 mit steigendem radialem Abstand r aufgrund der Rückstellkraft des Festkörpergelenks 5 wächst. Die Stromkurve I_r(t) der ersten Spule 15 zeigt somit im Zeitbereich T₁ einen Anstieg des Stroms I_r, der anschließend im Zeitbereich T₂ konstant gehalten wird. Dies entspricht dem Anfahren der Radialposition r₁ während des Zeitbereich T₁ und anschließendem Halten der Radialposition r₁ zum Zeitbereich T₂. Grundsätzlich lässt sich auf Grundlage des Spulenstroms I_r ein korrespondierender radialer Abstand r zum Pol X gezielt vorgeben oder detektieren.
Die Stromkurve I_φ(t) der zweiten Spule 16 zeigt eine mögliche Ansteuerung der Magnetanordnung 10 zum Wechsel zwischen zwei Winkelkoordinaten φ des Polarkoordinatensystems. Wie bereits beschrieben kann eine Bewegung der Magnetanordnung 10 entlang der Winkelkoordinate φ bei gleicher radialer Auslenkung r im Idealfall kräftefrei erfolgen. Um einen Positionswechsel bezüglich der Winkelkoordinate φ der Magnetanordnung 10 zu vollziehen, beispielsweise den in 6 angedeuteten Positionswechsel zur nachfolgenden Position 20, kann die zweite Spule 16 im Zeitbereich T₃ zunächst mit einem Stromimpuls beaufschlagt werden, wodurch die Magnetanordnung 10 in eine Drehbewegung um die Mittelachse X beziehungsweise um den Pol X gezwungen wird, da die zweite Spule 16 eine Tangentialkraft auf die Magnetanordnung 10 aufbringt und die Tangentialkraft aufgrund der Lagerung durch das Festkörpergelenk 5 in eine Drehbewegung überführt wird. Anschließend dreht sich die Magnetanordnung 10 während dem Zeitbereich T₄ weiter bis sie im Zeitbereich T₅ ihre gewünschte Endposition (z. B. die Position 20 in 6) erreicht. Um die Magnetanordnung 10 anzuhalten, kann die zweite Spule 16 schließlich mit einem inversen Stromimpuls beaufschlagt werden.
Es kann eine strichliniert dargestellte Steuer- und/oder Regeleinheit 24 vorgesehen sein, um die Auslenkung r, φ der Magnetanordnung 10 zu steuern bzw. zu regeln. Eine derartige Steuerung bzw. Regelung kann insbesondere bezüglich der Winkelkoordinate φ von Vorteil sein. Dabei kann eine Sensorik vorgesehen sein, um die aktuelle Winkelkoordinate φ und/oder Radialkoordinate r der Magnetanordnung 10 zu erfassen und für die Regelung bzw. Steuerung heranzuziehen.
In 8 ist eine zweite Ausführungsform des Tauchspulenaktuators 1 gezeigt, die im Wesentlichen der ersten Ausführungsform der 5 entspricht, weshalb nachfolgend auf bereits beschriebene Merkmale nicht abermals eingegangen wird. Die zweite Spule 16, vorzugsweise eine Toroidspule, weist im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform einen Eisenkern 21 zur Bündelung des magnetischen Flusses auf. Hierdurch kann die Effizienz der zweiten Spule 16 verbessert werden, was bezüglich der Effizienz des Tauchspulenaktuators 1 sinnvoll sein kann, insbesondere da die zweite Spule 16 weiter von der Magnetanordnung 10 beabstandet angeordnet ist, als die erste Spule 15.
Dadurch, dass die erste Spule 15 näher an der Magnetanordnung 10 angeordnet ist, kann grundsätzlich ein effizienter Aufbau des Tauchspulenaktuators 1 gewährleistet sein, da, wie bereits erwähnt, zur dauerhaften Auslenkung der Magnetanordnung 10 bezüglich einer Radialkoordinate r ein ständiger Stromfluss I_r durch die erste Spule 15 notwendig ist. Demnach ist es vorteilhaft, den hierzu erforderlichen Stromfluss I_r durch die erste Spule 15 möglichst zu reduzieren und die magnetische Wechselwirkung zwischen der ersten Spule 15 und der Magnetanordnung 10 so effizient wie möglich zu gestalten.
8 zeigt zur Verdeutlichung einen um den Radius r₁ ausgelenkten Zustand der Magnetanordnung 10.
In 9 ist beispielhaft eine Draufsicht auf die zweite Spule 16 in einer Ausführungsform als runde Toroidspule mit einem Eisenkern 21 dargestellt. Aus Gründen der Anschaulichkeit ist nur eine geringe Anzahl Windungen abgebildet.
In 10 ist die erste Spule 15 in einer Ausführungsform als Spiral-Flachspule in einer Draufsicht dargestellt.
Ferner zeigt 11 eine dritte Ausführungsform des Tauchspulenaktuators 1, die ebenfalls grundsätzlich ähnlich der ersten Ausführungsform der 5 ausgebildet ist. Im Unterschied zur 5 weist die Magnetanordnung 10 bzw. der Permanentmagnet 22 eine Magnetisierung auf derart, dass eine Magnetpolgrenze 22a zwischen den beiden Polen 22b, 22c des Permanentmagneten 22 einen gebogenen Verlauf aufweist. Hierdurch kann der Stromverbrauch I_r der ersten Spule 15 unabhängig bzw. weitgehend unabhängig von der Radialkoordinate r sein.
Die Motorkonstante eines Tauchspulenaktuators 1, beispielsweise des Tauchspulenaktuators 1 der Ausführungsbeispiele, ist ohne weitere Maßnahmen nicht konstant im Verlauf der Auslenkung der Magnetanordnung 10 über die Bewegungsfläche 17.
Bei einer Auslenkung der Magnetanordnung 10, ausgehend von der Ruheposition X, nimmt die Effizienz des Tauchspulenaktuators 1 stetig zu, da der magnetische Fluss sich erhöht, wenn die Magnetanordnung 10 die äußeren Bereiche der Spulen 15, 16 passiert. Gleichzeitig nimmt jedoch auch die mechanische Rückstellkraft, die von dem Festkörpergelenk 5 ausgeht, nach außen hin zu. Es liegt nun im Ermessen des Fachmanns, den Tauchspulenaktuator 1 innerhalb des Gesamtsystems so auszulegen, beispielsweise bezüglich der Ausbildung und Anordnung der Spulen 15, 16 und der Magnetanordnung 10 zueinander oder auch auf Basis der Magnetisierung der Magnetanordnung 10, dass die Leistungsaufnahme der Spulen 15, 16 bei Bewegung der Magnetanordnung 10 über die Bewegungsfläche 17 im besten Fall konstant ist oder zumindest annähernd konstant ist, wodurch sich die Strom- bzw. Wärmeabgabe des Tauchspulenaktuators 1 besser handhaben lässt und es insbesondere nicht zu einem ungleichmäßigen Wärmeeintrag mehrerer Tauchspulenaktuatoren 1 der Projektionsbelichtungsanlage 400 kommen kann. Eine geeignete Geometrie oder Anordnung der Spule(n) bzw. Magnetanordnung kann sich aus Simulationen, Berechnungen und/oder Versuchen ergeben.
12 zeigt beispielhaft und abstrahiert eine Schnittdarstellung einer Magnetanordnung 10, die aus mehreren Permanentmagnetelementen 23 aufgebaut ist. Die Permanentmagnetelemente 23 sind dabei als Ringmagnete ausgebildet und derart zueinander ausgerichtet, dass sich eine gebogene Magnetisierung einstellt, ähnlich der Magnetisierung des Permanentmagneten 22 mit der Magnetpolgrenze 22a, die in 11 dargestellt ist. Auch auf diese Weise kann ein konstanter bzw. möglichst konstanter Stromverbrauch bzw. Leistungsverbrauch des Tauchspulenaktuators 1, unabhängig von der Auslenkung der Magnetanordnung 10, einstellbar sein.
Im Zentrum der Anordnung (z. B. im Pol X), d. h. im Falle der unausgelenkten Ruheposition, befindet sich die Magnetanordnung 10 theoretisch an einem Totpunkt, von dem sie nicht mehr ohne weiteres auslenkbar ist, da an dieser Stelle ein magnetisches Kräftegleichgewicht herrscht. In der Praxis ist allerdings nicht davon auszugehen, dass in der Ruheposition tatsächlich ein vollständiges Kräftegleichgewicht eintritt. Demnach ist zu erwarten, dass die Magnetanordnung 10 durch einen starken Stromimpuls in einer oder beiden Spulen 15, 16 wieder von dem Totpunkt auslenkbar ist und anschließend der Tauchspulenaktuator 1 wieder normal verwendet werden kann. Alternativ können aber auch (nicht dargestellte) elektrische und/oder mechanische Mittel vorgesehen sein, um zu vermeiden, dass die erste Spule 15 und die Magnetanordnung 10 eine Relativposition zueinander einnehmen, die zu einem magnetischen Kräftegleichgewicht führt. Ferner könnten die Mittel alternativ oder ergänzend auch derart gestaltet sein, dass die Magnetanordnung 10 durch selbige aus dem Totpunkt auslenkbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012223034 A1 [0005, 0079]

Claims

Tauchspulenaktuator (1), umfassend wenigstens eine erste Spule (15) und eine zweite Spule (16) sowie eine Magnetanordnung (10), wobei die Spulen (15, 16) mit der Magnetanordnung (10) wechselwirken, derart dass die Magnetanordnung (10) innerhalb einer Bewegungsfläche (17) auslenkbar ist, wobei die Mittelachse (M₃) der Magnetanordnung (10) durch den Pol (X) eines Polarkoordinatensystems der Bewegungsfläche (17) verläuft, wenn sich die Magnetanordnung (10) in einer von den Spulen (15, 16) unausgelenkten Ruheposition befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule (15) derart angeordnet und ausgebildet ist, dass sich der Pol (X) des Polarkoordinatensystems innerhalb des Umfangs (18) der ersten Spule (15) befindet, und die erste Spule (15) eine nach außen gerichtete Radialkraft auf die Magnetanordnung (10) aufbringt, und wobei die zweite Spule (16) angeordnet und ausgebildet ist, um eine Tangentialkraft auf die Magnetanordnung (10) aufzubringen.
Tauchspulenaktuator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (M₁) der ersten Spule (15) durch den Pol (X) oder benachbart zu dem Pol (X) des Polarkoordinatensystem der Bewegungsfläche (17) verläuft.
Tauchspulenaktuator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule (15) derart ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass die Mittelachse (M₃) der Magnetanordnung (10) innerhalb des Umfangs (18) der ersten Spule (15) verläuft, wenn die Magnetanordnung (10) von der ersten Spule (15) ausgelenkt ist.
Tauchspulenaktuator (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (15, 16) und die Magnetanordnung (10) derart angeordnet und/oder ausgebildet sind, dass die Radialkraft, die die erste Spule (15) auf die Magnetanordnung (10) aufbringt eine Bewegung der Magnetanordnung (10) entlang einer Radialkoordinate (r) des Polarkoordinatensystems und dass die Tangentialkraft, die die zweite Spule (16) auf die Magnetanordnung (10) aufbringt eine Bewegung der Magnetanordnung (10) entlang einer Winkelkoordinate (φ) des Polarkoordinatensystems bewirkt.
Tauchspulenaktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule (15) als Spiral-Flachspule ausgebildet ist und/oder die zweite Spule (16) als Toroidspule ausgebildet ist.
Tauchspulenaktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (10) eine Magnetisierungsrichtung aufweist, die orthogonal zu der Bewegungsfläche (17) verläuft.
Tauchspulenaktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spule (15) näher an der Magnetanordnung (10) angeordnet ist, als die zweite Spule (16).
Tauchspulenaktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (M₁) der erste Spule (15) und die Mittelachse (M₂) der zweiten Spule (16) und/oder die Mittelachse (M₃) der Magnetanordnung (10) koaxial verlaufen.
Tauchspulenaktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Eisenkern (21) zur Bündelung des magnetischen Flusses in der ersten Spule (15) und/oder in der zweiten Spule (16) angeordnet ist.
Tauchspulenaktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuer- und/oder Regeleinheit (24) vorgesehen ist, um die Auslenkung der Magnetanordnung (10) zu steuern bzw. zu regeln.
Tauchspulenaktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass elektrische und/oder mechanische Mittel vorgesehen sind, um zu vermeiden, dass die erste Spule (15) und die Magnetanordnung (10) eine Relativposition zueinander einnehmen, die zu einem magnetischen Kräftegleichgewicht derart führt, dass die erste Spule (15) keine nach außen gerichtete Radialkraft auf die Magnetanordnung (10) aufbringen kann, und/oder um die Magnetanordnung (10) aus einer derartigen Relativposition auszulenken.
Tauchspulenaktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (10) wenigstens einen Permanentmagnet (22) aufweist.
Tauchspulenaktuator (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Permanentmagnet (22) eine Magnetisierung aufweist derart, dass eine Magnetpolgrenze (22a) zwischen den beiden Polen (22b, 22c) des Permanentmagneten (22) einen gebogenen Verlauf aufweist.
Projektionsbelichtungsanlage (100, 400) für die Halbleiterlithographie mit einem Beleuchtungssystem (103, 401) mit einer Strahlungsquelle (402) sowie einer Optik (107, 403), welche wenigstens ein optisches Element (415, 416, 418, 419, 420, 108) aufweist, welches mit einem Tauchspulenaktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verstellbar und/oder manipulierbar und/oder deformierbar ist.
Projektionsbelichtungsanlage (100, 400) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der optischen Elemente (415, 416, 418, 419, 420, 108) als Facettenspiegel (415) ausgebildet ist, wobei der Facettenspiegel (415) eine Tragstruktur und mehrere davon getragene und individuell verstellbare Spiegelfacetten (2) aufweist, wobei jede Spiegelfacette (2) über ein Festkörpergelenk (5) derart mit der Tragstruktur verbunden ist, dass die Spiegelfacette (2) um zwei zueinander orthogonale Achsen verkippbar ist, wobei die Spiegelfacette (2) starr mit einem Betätigungsstab (8) verbunden ist, und wobei der Betätigungsstab (8) durch einen Tauchspulenaktuator (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 auslenkbar ist, um die Spiegelfacette (2) um mindestens eine der zwei Achsen zu verkippen.