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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung für elektromagnetische Strahlung, wie sie beispielsweise in der
DE 102017201835.6 der Anmelderin beschrieben ist, welche durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
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Zur Herstellung mikrostrukturierter oder nanostrukturierter Bauteile der Mikroelektronik oder Mikrosystemtechnik mittels optischer Lithographie werden projektionslithographische Anlagen eingesetzt. Solche projektionslithographischen Anlagen weisen ein Beleuchtungssystem zur Beleuchtung einer Photomaske (eines Retikels) mit Strahlung eines engen Spektralbereichs um eine Arbeitswellenlänge auf. Ferner weisen diese Anlagen ein projektionsoptisches System auf, um mit Hilfe des Lichts eine Struktur des Retikels auf eine lichtempfindliche Schicht eines Wafers zu projizieren.
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Um für die herzustellenden Halbleiter-Bauelemente eine möglichst kleine Strukturbreite zu erhalten, sind neuere projektionslithographische Anlagen auf eine Arbeitswellenlänge von 13,5 Nanometern ausgelegt, d.h. einer Wellenlänge im extrem ultravioletten (EUV-)Wellenlängenbereich. Der EUV-Wellenlängenbereich erstreckt sich von ca. 5 Nanometer bis ca. 20 Nanometer. Als Arbeitswellenlänge können jedoch grundsätzlich auch andere Wellenlängen des EUV-Wellenlängenbereichs verwendet werden. Da Strahlung im EUV-Wellenlängenbereich von nahezu allen Materialen stark absorbiert wird, können keine transmissiven optischen Elemente verwendet werden, sondern es ist der Einsatz reflektierender optischer Elemente erforderlich. Solche reflektierenden optischen Elemente können beispielsweise Spiegel, reflektiv arbeitende Monochromatoren, Kollimatoren oder Photomasken sein. Da EUV-Licht auch stark durch Luftmoleküle absorbiert wird, ist es erforderlich, dass der Strahlengang der projektionslithographischen Anlage innerhalb einer Vakuumkammer verläuft.
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Um für eine gegebene Wellenlänge eine möglichst hohe Auflösung erreichen zu können, muss die projektionsoptische Anordnung eine möglichst hohe bildseitige numerische Apertur aufweisen. Dies erfordert jedoch vergleichsweise große Spiegelflächen. Um für die großen Spiegelflächen die erforderliche Stabilität gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen zu erhalten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Dicke der Spiegelsubstrate zu vergrößern. Dies erhöht die Steifigkeit und damit auch die Regelbarkeit der Position und/oder Orientierung der Spiegel.
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In Verbindung mit den großen Volumina der Spiegel und den dadurch geringer werdenden Abständen zwischen deren Substraten ergibt sich jedoch das Problem, geeignete Tragrahmen (auch als "Kraftrahmen" oder "force frame" bezeichnet) zur Halterung der optischen Elemente zu konstruieren, welche bei den im Betrieb auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen die erforderliche Stabilität aufweisen.
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Neben dem Tragrahmen weisen projektionslithographische Anlagen für den EUV-Wellenlängenbereich typischerweise auch einen oder mehrere Messrahmen (auch als „Messnormal“ oder "sensor frame" bezeichnet) auf, der möglichst frei von statischen und dynamischen mechanischen Belastungen ist. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass durch den Messrahmen keine optischen Elemente gehaltert werden. Die Positionen und Orientierungen der optischen Elemente werden relativ zum Messrahmen gemessen. Der Messrahmen wirkt daher als Messnormal. Auch für die Messrahmen hat sich gezeigt, dass es mit zunehmenden Volumina der Spiegel schwieriger wird, Designs bereitzustellen, welche die erforderliche Stabilität bzw. Steifigkeit bei den auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen aufweisen, insbesondere wenn der Messrahmen aus einem vergleichsweise leichten Material wie beispielsweise Aluminium gebildet ist. Gleiches gilt für andere in der Nähe des Strahlengangs angeordnete Bauteile.
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Zur Lösung dieser Probleme wird in der eingangs genannten
DE 102017201835.6 vorgeschlagen, im Substrat eines Spiegels einen Durchgangskanal zu bilden und ein Aussteifungselement in dem Durchgangskanal anzuordnen, welches den Durchgangskanal in einer Arbeitsposition und -orientierung frei durchläuft. Das Aussteifungselement verbindet zwei Teilbereiche der versteiften Struktur, d.h. die Steifigkeit der Struktur wird durch das Aussteifungselement erhöht. Der Sensor dient zur Ermittlung der Position und/oder der Orientierung des Spiegels, dessen Spiegelsubstrat den Durchgangskanal aufweist. Der Sensor ist in dem in der
DE 102017201835.6 gezeigten Beispiel an einer Messstruktur, genauer gesagt an dem weiter oben beschriebenen Messrahmen angebracht, der außerhalb des Substrats des reflektierenden optischen Elements gebildet ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Anordnung bereitzustellen, welche eine vereinfachte Erfassung der Position und/oder der Orientierung des Substrats relativ zu der versteiften Struktur ermöglicht.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Anordnung, umfassend: eine versteifte Struktur, welche ein Aussteifungselement aufweist, ein reflektierendes optisches Element, insbesondere einen Spiegel, der ein Substrat aufweist, wobei das Substrat mindestens einen Durchgangskanal aufweist, wobei eine Oberfläche des Substrats zur Reflexion von Strahlung konfiguriert ist und/oder auf dem Substrat eine reflektive Beschichtung zur Reflexion von Strahlung aufgebracht ist. In einer Arbeitsposition und -orientierung des Substrats kann das Aussteifungselement den Durchgangskanal frei durchlaufen. Die optische Anordnung kann weiterhin mindestens einen Sensor umfassen, welcher konfiguriert ist, zumindest einen Parameter einer Position und/oder einer Orientierung des Substrats relativ zur versteiften Struktur zu erfassen. Die optische Anordnung kann mindestens einen Sensor aufweisen, der in dem Durchgangskanal angeordnet ist.
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Bei einer typischen Konfiguration eines optischen Elements z.B. eines Projektionsobjektivs mit hoher bildseitiger numerischer Apertur steht in dem Durchgangskanal, der von dem Aussteifungselement frei durchlaufen wird, in der Regel ausreichend Bauraum zur Verfügung, um dort Sensoren bzw. Messwert-Aufnehmer zu integrieren. Durch die Anordnung von Sensor(en) in dem Durchgangskanal kann in dem Durchgangskanal eine in-situ Messtechnik platziert werden. Die Anordnung mindestens eines Sensors in dem Durchgangskanal ist unter anderem deshalb günstig, da sich der Sensor bzw. die Sensoren in dem Durchgangskanal in einem bezüglich der auf die Oberfläche des reflektierenden optischen Elements auftreffenden und an dieser bzw. an der reflektierenden Beschichtung reflektierten Strahlung abgedeckten und somit geschützten Volumenbereich befinden.
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Der Sensor, der in dem Durchgangskanal angeordnet ist, dient typischerweise zur Erfassung mindestens eines Parameters einer Position und/oder einer Orientierung des Substrats relativ zu dem Aussteifungselement, das starr mit der versteiften Struktur verbunden ist, bei der es sich beispielsweise um die Messstruktur bzw. um den Messrahmen handeln kann. Bei dem Parameter der Position des Substrats kann es sich beispielsweise um einen Abstand zwischen dem Aussteifungselement und dem Substrat bzw. zur Wandung des Durchgangskanals handeln. Bei dem Parameter der Orientierung des Substrats kann es sich beispielsweise um einen Winkel zwischen dem Aussteifungselement und dem Substrat bzw. der Wandung des Durchgangskanals handeln, der von einem Referenzwinkel aus gemessen wird.
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Bei einer Ausführungsform weist der mindestens eine Sensor eine erste, an dem Aussteifungselement angebrachte Sensorkomponente und eine zweite, an einer Innenseite des Durchgangskanals angebrachte Sensorkomponente auf. Die beiden Sensorkomponenten wirken zusammen, um die Position und/oder die Orientierung des Substrats relativ zu dem (starren) Aussteifungselement zu bestimmen. Bei dem Aussteifungselement kann es sich beispielsweise um ein stabförmiges Bauelement, z.B. in Form einer (Quer-)Strebe handeln, welche zwei Teilbereiche der versteiften Struktur miteinander verbindet und auf diese Weise die Struktur versteift.
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Bei einer Ausführungsform ist mindestens ein Sensor als insbesondere kapazitiver Sensor zur Erfassung eines Parameters der Position des Substrats relativ zu dem Aussteifungselement in Form eines Abstands zwischen dem Substrat und dem Aussteifungselement konfiguriert. Der Abstandssensor, beispielsweise in Form eines kapazitiven Sensors, ermöglicht eine kontaktfreie Messung des Abstandes, so dass das Aussteifungselement den Durchgangskanal weiterhin frei durchlaufen kann.
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Der kapazitive Sensor kann als kapazitiver Einplatten- bzw. Einelektrodensensor ausgebildet sein, der an dem Aussteifungselement angebracht ist. In diesem Fall kann die Innenseite des Durchgangskanals zumindest im Bereich des kapazitiven Sensors elektrisch leitend ausgebildet sein, beispielsweise indem an der Innenseite des Durchgangskanals eine elektrisch leitende Beschichtung aufgebracht ist. Für den Fall, dass das Substrat selbst aus einem elektrisch leitenden Material besteht, ist ein an dem Aussteifungselement angebrachter Einelektrodensensor für die kapazitive Messung ausreichend.
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Es versteht sich, dass an Stelle eines Einelektrodensensors, der eine kapazitive Messung gegenüber (nahezu) jeder elektrisch leitenden Fläche ermöglicht, ein kapazitiver Zweielektrodensensor verwendet werden kann, d.h. eine kapazitiver Sensor, bei dem zwei Sensorbauteile an dem Aussteifungselement bzw. an der Innenseite des Durchgangskanals vorhanden sind, zwischen denen ein möglichst homogenes elektrisches Feld erzeugt wird, beispielsweise indem ein elektrisches Wechselfeld zwischen den beiden Elektroden angelegt wird. Bei einem solchen kapazitiven Sensor ist jedoch typischerweise eine elektrische Kontaktierung beider Elektroden erforderlich, d.h. auch für die an dem Durchgangskanal gebildete Elektrode ist eine elektrische Kontaktierung erforderlich. Kapazitive Sensoren werden beispielsweise von der Fa. Physik Instrumente GmbH & Co. KG angeboten, vgl. beispielsweise „www.physikinstrumente.de“.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist mindestens ein Sensor zur Erfassung einer Orientierung des Substrats, insbesondere einer Innenseite des Durchgangskanals des Substrats, relativ zu dem Aussteifungselement in Form eines Winkels zwischen dem Substrat und dem Aussteifungselement konfiguriert. Der Sensor kann beispielsweise als Inkremental-Drehgeber ausgebildet sein und eine Maßverkörperung mit sich wiederholenden, periodischen Teilstrichen (Teilungsträger) aufweisen. Die Abtastung der Maßverkörperung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, idealerweise erfolgt eine berührungslose Abtastung, beispielsweise in Form einer optischen (photoelektrischen) Abtastung oder einer magnetischen Abtastung. Die Sensorkomponente in Form der Abtasteinheit zur photoelektrischen Abtastung kann auf einem abbildenden Messprinzip oder einem interferenziellen Messprinzip beruhen. Für Details für die Ausgestaltung von inkrementalen Winkelmessgeräten bzw. deren Funktionsweise sei beispielsweise auf die Dokumentation auf der Webseite der Fa. Heidenhain („www.heidenhain.de“) verwiesen. Die Abtasteinheit kann an dem Aussteifungselement angebracht werden und der Teilungsträger an der Innenseite des Durchgangskanals, oder umgekehrt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist mindestens eine Leitung zur Kontaktierung des Sensors an dem Aussteifungselement, insbesondere in einem Hohlraum des Aussteifungselements, geführt. Die Leitung kann zur Energieversorgung des Sensors und/oder zur Übertragung von mit Hilfe des Sensors erfassten Signalen dienen. Die Leitung, die an dem Aussteifungselement geführt ist, kann an der versteiften Struktur außerhalb des Aussteifungselements weitergeführt werden, beispielsweise zu einer Auswerteeinrichtung, einer Steuer- und /oder Regeleinrichtung sowie ggf. zu einer Energiequelle, beispielsweise einer Spannungsquelle. Für den Fall, dass das Aussteifungselement als Rohr bzw. als röhrenförmige Strebe ausgebildet ist, kann die Leitung in dem Hohlraum innerhalb des Aussteifungselements geführt werden.
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Bei einer weiteren Ausführungsform sind in dem Durchgangskanal mindestens zwei Sensoren zur Erfassung ein- und desselben Parameters der Position und/oder der Orientierung des Substrats relativ zur versteiften Struktur angeordnet. Zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Erfassung des mindestens einen Parameters bzw. für den Fall, dass einer der Sensoren ausfällt, ist es günstig, wenn die Sensoren redundant sind. Auch kann mit Hilfe von zwei Abstandssensoren, die ein- und denselben Parameter, beispielsweise den Abstand in Z-Richtung zwischen dem Substrat und dem Aussteifungselement, erfassen und die voneinander beabstandet angeordnet sind, die Orientierung des Substrats relativ zu dem Aussteifungselement bestimmt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat steuerbar bewegbar gehaltert für eine Bewegung des Substrats relativ zur versteiften Struktur über einen Bewegungsbereich, in dem das Aussteifungselement den Durchgangskanal (berührungs-)frei durchläuft. Durch die steuerbar bewegbare Halterung kann das Substrat im Betrieb der optischen Anordnung unterschiedliche Arbeitspositionen und -orientierungen innerhalb des Bewegungsbereichs einnehmen. Der Bewegungsbereich des Substrats kann ggf. durch das Aussteifungselement begrenzt sein, d.h. das Aussteifungselement bildet einen Endstopp bzw. einen Endanschlag für die Bewegung des Substrats bzw. des reflektierenden optischen Elements. In der Regel ist der Durchgangskanal derart dimensioniert, dass sich der Spiegel innerhalb seines durch den bzw. durch die Endstopps begrenzten Bewegungsbereichs ungehindert bewegen kann, d.h. es findet innerhalb des Bewegungsbereichs des Spiegels keine Berührung zwischen dem Aussteifungselement und dem Durchgangskanal statt.
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Die optische Anordnung kann eine Tragstruktur aufweisen, die zur Halterung des Substrats konfiguriert ist. Das Substrat kann steuerbar bewegbar an der Tragstruktur gehaltert sein. Die optische Anordnung kann derart konfiguriert sein, dass eine mechanische Kopplung zwischen der versteiften Struktur und der Tragstruktur unterdrückt ist. Bei der versteiften Struktur kann es sich beispielsweise um eine Messstruktur handeln, die auch als "Messrahmen", "sensor frame" oder "Messnormal" bezeichnet wird. Bei der Tragstruktur kann es sich beispielsweise um einen Tragrahmen (auch als "Kraftrahmen" oder "force frame" bezeichnet) zur Halterung der optischen Elemente handeln, welcher die erforderliche Stabilität bei den mechanischen und thermischen Belastungen der optischen Elemente bietet.
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Bei einer Weiterbildung umfasst die optische Anordnung eine (Steuer- und) Regeleinrichtung zur Regelung der Bewegung des Substrats relativ zur versteiften Struktur anhand der erfassten Position und/oder der erfassten Orientierung des Substrats relativ zur versteiften Struktur. Nach erfolgter Kalibrierung kann die Integration von Sensoren im Inneren des Durchgangskanals die relative Bewegung eines jeweiligen reflektierenden optischen Elements erfassen und die mit Hilfe der Sensoren erfassten Signale können einer Regeleinrichtung bzw. einem Regelkreis zugeführt werden. Mit Hilfe der Regeleinrichtung können eine Ist-Position und eine Ist-Orientierung des Substrats an eine Soll-Position und eine Soll-Orientierung des Substrats angenähert werden, d.h. es ist eine dynamische Regelung der Bewegung des Substrats bzw. des reflektierenden optischen Elements möglich.
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Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Sensoren in dem Durchgangskanal zur Erfassung von drei Positionsfreiheitsgraden und/oder zur Erfassung von drei Rotationsfreiheitsgraden des Substrats konfiguriert. Idealer Weise ist mit Hilfe der Sensoren die Erfassung aller sechs Bewegungsfreiheitsgrade des Substrats möglich. Beispielsweise können zu diesem Zweck drei Abstandssensoren sowie drei Winkelsensoren in dem Durchgangskanal angeordnet sein, es ist aber auch möglich, dass mehr oder ggf. andere Arten von Sensoren in dem Durchgangskanal angeordnet sind, um idealer Weise alle sechs Bewegungsfreiheitsgrade des Substrats und somit des optischen Elements zu erfassen.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist/weisen der Durchgangskanal und/oder das Aussteifungselement zumindest abschnittsweise entlang einer Durchgangsrichtung einen runden oder im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Der Durchgangskanal kann einen zylindrischen oder im Wesentlichen zylindrischen Querschnitt aufweisen, was fertigungstechnische Vorteile bietet, es sind aber auch Abweichungen von einer zylindrischen Geometrie des Durchgangskanals möglich. Auch das Aussteifungselement kann einen zylindrischen oder im Wesentlichen zylindrischen Querschnitt aufweisen, es ist aber auch möglich, dass das Aussteifungselement einen Querschnitt aufweist, der von einer zylindrischen Geometrie abweicht, beispielsweise einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt.
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Der Durchgangskanal kann so konfiguriert werden, dass ein kleinster Durchmesser des Aussteifungselements innerhalb des Durchgangskanals größer ist als 2 cm, größer ist als 3 cm, oder größer ist als 5 cm. Der kleinste Durchmesser des Aussteifungselements kann geringer sein als 7 cm. Insbesondere kann der Durchgangskanal so konfiguriert werden, dass ein kleinster Durchmesser des Durchgangskanals größer ist als 3 cm, größer ist als 5 cm oder größer ist als 7 cm. Der kleinste Durchmesser des Durchgangskanals kann geringer sein als 9 cm.
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Das Aussteifungselement kann eine oder mehrere Verzweigungen aufweisen, die innerhalb des Substrats gebildet sind. Der Durchgangskanal kann insbesondere Teil eines verzweigten Kanalsystems innerhalb des Substrats sein, welches mehrere Zweige aufweist. Jeder der Zweige kann eine Außenmündung an dem Substrat aufweisen. Zumindest ein Abschnitt des Durchgangskanals kann einen Zweig des Kanalsystems repräsentieren.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Substrat mehrteilig ausgebildet und ein erster Teil des Substrats und mindestens ein zweiter Teil des Substrats bilden gemeinsam den Durchgangskanal. Der erste Teil und der zweite Teil des Substrats grenzen im Bereich des Durchgangskanals aneinander an, wobei in einem jeweiligen Teil des Substrats eine Ausnehmung vorgesehen ist, die einen Teil des Querschnitts des Durchgangskanals bildet. Durch die mehrteilige Ausführung des Substrats kann die Wandung des Durchgangskanals bzw. die diesem entsprechende Ausnehmung bearbeitet werden, bevor die Teile zusammengefügt werden und der Durchgangskanal nur noch durch die Außenmündungen zugänglich ist. Die Bearbeitung ermöglicht es insbesondere, eine gewünschte Querschnittsgeometrie des Durchgangskanals zu erzeugen. Dies ist bei einer einteiligen Ausführung des Substrats nicht ohne weiteres möglich, da der Durchgangskanal in diesem Fall in der Regel als Bohrung mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist. Vor dem Zusammenfügen können auch der Sensor bzw. eine jeweilige Sensorkomponente in die Ausnehmung integriert werden, bevor die Teile des Substrats z.B. durch Fügen, beispielsweise durch Bonden, miteinander verbunden werden, um den Durchgangskanal zu bilden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt:
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1a eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung mit einem reflektierenden optischen Element in Form eines Spiegels, der einen Durchgangskanal mit einem Aussteifungselement und mit einem kapazitiven Sensor aufweist,
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1b schematische Darstellungen von vereinfachten perspektivischen Ansichten des Spiegels von 1a, sowie
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2 eine schematische Darstellung eines Beispiels für die Positionierung von kapazitiven Sensoren und Winkel-Sensoren in dem Durchgangskanal des Spiegels von 1a, b.
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In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
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1a zeigt schematisch, und daher nicht maßstäblich, ein reflektierendes optisches Element in Form eines Spiegels 1 einer in 1a nicht näher dargestellten optischen Anordnung 10 für die EUV-Lithographie in Form einer EUV-Lithographieanlage, die für EUV-Strahlung bei einer Arbeitswellenlänge im Bereich zwischen 5 Nanometer und 20 Nanometer konfiguriert ist. Der Spiegel 1 weist ein Substrat 2 auf. Das Substrat 2 kann aus einem einzelnen Werkstoff gefertigt sein. Als Werkstoff für das Substrat 2 wird beispielsweise ULE® oder Zerodur® verwendet. Diese Materialien weisen einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, welcher bei einer bestimmten Temperatur, welche als zero crossing temperature (ZCT) bezeichnet wird, Null ist. Es ist auch möglich, dass das Substrat 2 einen Verbund unterschiedlicher Materialien aufweist. Der Verbund kann beispielsweise mehrschichtig sein.
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Um die Reflexion von EUV-Strahlung an dem Spiegel 1 zu ermöglichen, ist an der Oberfläche 3 des Substrats 2 eine reflektierende Beschichtung aufgebracht, die zur Vereinfachung der Darstellung in 1a nicht dargestellt ist. Die reflektierende Beschichtung kann beispielsweise als Mehrlagen-Beschichtung konfiguriert sein, welche für einen engen Wellenlängen-Bereich um die Arbeitswellenlänge als Interferenzschichtsystem wirkt. Für die EUV-Lithographie wird derzeit typischerweise eine Arbeitswellenlänge von 13,5 Nanometer verwendet. Es sind aber auch andere Arbeitswellenlängen im EUV-Wellenlängenbereich möglich. Durch eine passende Ausführung der Mehrlagen-Beschichtung kann der Spiegel 1 so konfiguriert werden, dass die verwendete EUV-Strahlung bei geringen Inzidenzwinkeln reflektiert wird (engl.: "normal incidence mirror"). Alternativ ist es möglich, dass die reflektierende Beschichtung so konfiguriert ist, dass der Spiegel 1 für die verwendete EUV-Strahlung für streifenden Einfall (engl.: "grazing incidence mirror") verwendbar ist.
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Der Spiegel 1 ist über eine Halterung 4 an einer Tragstruktur 5 (auch als "Tragrahmen" oder "force frame" bezeichnet) steuerbar bewegbar gehaltert. Die Tragstruktur 5 kann neben dem in 1a dargestellten Spiegel 1 weitere optische Elemente der optischen Anordnung 10, beispielsweise Spiegel oder Blenden, haltern. Die optische Anordnung 10 kann eine oder mehrere separate Tragstrukturen 5 zur Halterung der optischen Elemente aufweisen.
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Die Halterung 4 für den Spiegel 1 weist im gezeigten Beispiel mehrere Aktuatoren 6 auf, von denen in 1a zwei bildlich dargestellt sind, die in Signalverbindung mit einer Steuerungs- und Regeleinrichtung 16 stehen. Die Aktuatoren 6 sind mit dem Spiegelsubstrat 2 funktional verbunden. Die Aktuatoren 6 können beispielsweise als Lorentz-Aktuatoren konfiguriert sein.
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Abhängig von Signalen der Steuerungs- und Regeleinrichtung
16 ist die Position und/oder die Orientierung des Substrats
2 in beispielsweise drei, idealer Weise in sechs Bewegungsfreiheitsgraden einstellbar. Es ist jedoch auch möglich, dass die Halterung
4 bzw. die Aktuatoren
6 zur Einstellung einer anderen Anzahl an Bewegungsfreiheitsgraden zwischen eins und sechs konfiguriert ist. Die Halterung
4 kann zusätzlich eine oder mehrere Gewichtskraftkompensationseinrichtungen aufweisen. Eine Halterung
4, welche sowohl Aktuatoren
6 als auch Gewichtskraftkompensationseinrichtungen aufweist, ist beispielsweise offenbart im Dokument
DE 10 2011 088 735 A1 , dessen Inhalt in seiner Gesamtheit zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
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Durch den steuerbar beweglich gehalterten Spiegel 1 ist es möglich, den Spiegel 1 relativ zu anderen optischen Elementen der optischen Anordnung 10 auszurichten. Dies erlaubt insbesondere die Kompensation thermischer Einflüsse und mechanischer Belastungen auf den Spiegel 1. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die Halterung 4 des Spiegels 1 unbeweglich ausgebildet ist, d.h. dass der Spiegel 1 starr gehaltert ist.
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Die optische Anordnung 10 weist auch eine Messstruktur 8 auf (auch als "Messrahmen", "sensor frame" oder "Messnormal" bezeichnet). Die Messstruktur 8 ist so konfiguriert, dass diese möglichst frei von mechanischen Belastungen ist. Daher sollten von der Messstruktur 8 möglichst keine optischen Elemente gehaltert werden. Die mechanische Kopplung zwischen der Messstruktur 8 und der Tragstruktur 5 ist unterdrückt. Die Unterdrückung der mechanischen Kopplung zwischen der Messstruktur 8 und der Tragstruktur 5 wird zum einen dadurch bewirkt, dass die mechanische Verbindung lediglich über ein gemeinsames Montageelement 9 erfolgt. Das Montageelement 9 kann beispielsweise eine Bodenplatte sein. Ferner erfolgt die Verbindung zwischen der Tragstruktur 5 und der Messstruktur 8 über eine mechanische Isolation 13. Die Isolation 13 kann als elastische und/oder dämpfende Isolation konfiguriert sein. Es ist jedoch auch möglich, dass eine genügende Unterdrückung der mechanischen Kopplung zwischen der Tragstruktur 5 und der Messstruktur 8 bereits durch die Verbindung über das gemeinsame Montageelement 9 erhalten wird, so dass auf die mechanische Isolation 13 verzichtet werden kann.
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Durch die beschriebene Konfiguration der Messstruktur 8 und der Tragstruktur 5 ist es günstig, die Position und/oder die Orientierung des Substrats 2 relativ zu der Messstruktur 8 zu ermitteln, da diese vergleichsweise frei von dynamischen und statischen mechanischen Belastungen ist. Dadurch fungiert die Messstruktur 8 als Messnormal.
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Bei der in 1a gezeigten optischen Anordnung 10 ist in dem Substrat 2 ein Durchgangskanal 11 gebildet, der von einem Aussteifungselement 12 (berührungs-)frei durchlaufen wird. Das Aussteifungselement 12 dient im gezeigten Beispiel zur Versteifung der Messstruktur 8, genauer gesagt von zwei Teilbereichen der Messstruktur 8, die durch das Aussteifungselement 12 miteinander verbunden und auf diese Weise versteift werden, da das Aussteifungselement 12 eine Querstrebe bildet. Es versteht sich, dass an Stelle der Messstruktur 8 auch andere Strukturen durch das Aussteifungselement 12 versteift werden können, beispielsweise die Tragstruktur 5. Die Verwendung eines Aussteifungselements 12, welches durch das Substrat 2 des Spiegels 1 geführt ist, ist günstig, da der Bauraum, der für die Versteifung der Messstruktur 8 in der optischen Anordnung 10 zur Verfügung steht, in der Regel vergleichsweise gering ist. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die optische Anordnung 10 eine hohe bildseitige numerische Apertur aufweist, da diese vergleichsweise große optische Oberflächen 3 der Spiegel 1 bedingt, die typischerweise dazu führen, dass das Substrat 2 eine ggf. erhebliche Dicke bzw. ein großes Volumen aufweist, was dazu führt, dass der verfügbare Bauraum signifikant eingeschränkt ist.
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Es ist vorteilhaft, das Aussteifungselement 12 derart zu konfigurieren, dass keine Resonanzfrequenzen im Nutzbereich des Objektivs bzw. der optischen Anordnung 10 auftreten. Es hat sich gezeigt, dass dies durch eine Optimierung des Verhältnisses des Durchmessers des Aussteifungselements 12 zur Länge des Aussteifungselements 12 ermöglicht wird.
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Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn das Material, aus welchem zumindest ein wesentlicher Bestandteil des Aussteifungselements 12 gefertigt ist, gleich oder im Wesentlichen gleich ist zu einem Material eines wesentlichen Bestandteils der zu versteifenden Struktur, d.h. im gezeigten Beispiel der Messstruktur 8, die beispielsweise aus Aluminium gebildet sein kann.
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Zumindest ein Abschnitt des Aussteifungselements 12 kann quer zur Längsrichtung des Aussteifungselements 12 einen runden Querschnitt, einen (im Wesentlichen) kreisförmigen Querschnitt oder einen rechteckigen, insbesondere quadratischen Querschnitt aufweisen. Es ist aber auch möglich, dass das Aussteifungselement 12 andere Arten von Querschnitten aufweist.
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Um die Position und/oder die Orientierung des Spiegels 1 bzw. des Substrats 2 relativ zu der Messstruktur 8 zu erfassen, ist bei dem in 1a gezeigten Beispiel in dem Durchgangskanal 11 ein Sensor 7 angeordnet, bei dem es sich um einen kapazitiven Sensor handelt. Der kapazitive Sensor 7 weist eine erste Sensorkomponente 7a auf, die an dem Aussteifungselement 12 angebracht ist und eine zweite Sensorkomponente 7b, die an einer Wandung 11a des Durchgangskanals 11 angebracht ist. Im gezeigten Beispiel bildet die erste Sensorkomponente 7a einen Einelektrodensensor, der eine kapazitive Messung gegenüber (nahezu) jeder elektrisch leitenden Fläche ermöglicht. Die zweite Sensorkomponente 7b an der Wandung 11a des Durchgangskanals 11 ist in diesem Fall als elektrisch leitende Beschichtung, z.B. aus Cr oder aus Ni, ausgebildet, die als Gegenelektrode für den Einelektrodensensor dient.
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Um ein möglichst homogenes elektrisches Feld zwischen den beiden Sensorkomponenten 7a, 7b zu erzeugen, weist in dem Abschnitt in Längsrichtung des Aussteifungselements 12, an dem die erste Sensorkomponente 7a angeordnet ist, das Aussteifungselement 12 eine plane Oberfläche auf. Auch die Wandung 11a des Durchgangskanals 11 kann in dem Abschnitt, in dem die zweite Sensorkomponente 7b in Form der elektrisch leitenden Beschichtung angeordnet ist, plan ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der kapazitive Sensor 7 die Kapazität zwischen zwei planen Elektroden messen, was eine Abstandsmessung mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht.
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Da die Herstellung eines Durchgangskanals 11, der eine zumindest abschnittsweise plane Wandung 11a aufweist, fertigungstechnisch aufwändig ist, kann das Substrat 2 ggf. aus zwei oder mehr Teilen bzw. Volumenbereichen bestehen, die an dem Durchgangskanal 11 aneinander angrenzen bzw. die gemeinsam den Durchgangskanal 11 bilden. Mit anderen Worten ist ein erster Teil des Querschnitts des Durchgangskanals 11 in einem ersten Volumenbereich des Substrats 2 gebildet und ein zweiter Teil des Querschnitts des Durchgangskanals 11 ist in einem zweiten, an den ersten angrenzenden Volumenbereich des Substrats 2 gebildet. Auf diese Weise kann der Durchgangskanal 11 bzw. dessen Wandung 11a in der gewünschten Weise hinsichtlich seines Querschnitts bearbeitet werden. Auch kann die zweite Sensorkomponente 7b, beispielsweise in Form der elektrisch leitenden Beschichtung, an der Wandung 11a aufgebracht werden. Nachdem die Bearbeitung und ggf. die Installation der Sensorkomponenten 7a, b abgeschlossen ist, können die Teile des Substrats 2 beispielsweise durch ein Fügeverfahren miteinander verbunden werden.
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Mit Hilfe des kapazitiven Sensors 7 kann auf diese Weise der Abstand AZ in Z-Richtung zwischen dem Aussteifungselement 12 und dem Durchgangskanal 11 mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Da das Aussteifungselement 12 starr mit der Messstruktur 8 verbunden ist, kann anhand des Abstands AZ die Position Z des Substrats 2 in Z-Richtung relativ zu der Messstruktur 8 auf die weiter oben beschriebene Weise ermittelt werden. Es versteht sich, dass die Position Z des Substrats 2 an mehr als einer Stelle innerhalb des Durchgangskanals 11 erfasst werden kann, um eine ggf. auftretende Verkippung bzw. Drehung des optischen Elements 1 relativ zur Z-Achse bzw. relativ zur Messstruktur 8 ebenfalls erfassen zu können.
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Um eine Beschädigung des Sensors 7, der Messstruktur 8 oder der Tragstruktur 5 zu verhindern, sind in der optischen Anordnung, welche in 1a gezeigt ist, zwei Endstopps 14, 15 vorgesehen. Insbesondere beim Verkippen oder beim Transport der optischen Anordnung 10 kann es ggf. zu einer Beschädigung kommen, wenn keine Endstopps vorgesehen sind. Es ist möglich, dass mehr als zwei oder auch lediglich ein einziger Endstopp zur Begrenzung des Bewegungswegs des optischen Elements 1 vorgesehen ist. Grundsätzlich sind auch Halterungen 4 möglich, welche keine Endstopps aufweisen.
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1b zeigt zwei perspektivische Ansichten des Spiegels 1 von 1a. Die Geometrie des Substrats 2 des Spiegels 1 ist stark vereinfacht dargestellt. Es hat sich gezeigt, dass der Durchgangskanal 11 so konfiguriert werden kann, dass ein kleinster Durchmesser d des Aussteifungselements 12 innerhalb des Durchgangskanals 11 größer ist als 2 cm, größer ist als 3 cm, oder größer ist als 5 cm. Der kleinste Durchmesser d des Aussteifungselements 12 kann geringer sein als 7 cm. Insbesondere kann der Durchgangskanal 11 so konfiguriert werden, dass ein kleinster Durchmesser D des Durchgangskanals 11 größer ist als 3 cm, größer ist als 5 cm oder größer ist als 7 cm. Der kleinste Durchmesser D des Durchgangskanals 11 kann geringer sein als 9 cm. Der Durchgangskanal 11 sollte einen vergleichsweise großen Abstand zur Oberfläche 3 des Spiegels 1 von typischerweise mehr als ca. 1 cm aufweisen. Das Aussteifungselement 12 kann insbesondere erst nach der Montage des Spiegels 1 in der optischen Anordnung 10 montiert werden.
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Bei dem in 1b gezeigten Beispiel ist das Aussteifungselement 12 rohrförmig ausgebildet, d.h. dieses weist einen Hohlraum 12a mit zylindrischem Querschnitt auf. In dem Hohlraum 12a ist eine Leitung 17 geführt, die mit dem in 1a gezeigten Sensor 7, genauer gesagt mit der ersten Sensorkomponente 7a, verbunden ist. Da die erste Sensorkomponente 7a zumindest teilweise an der Außenseite des Aussteifungselements 12 angebracht ist, wird die Leitung 17 über eine nicht bildlich dargestellte Bohrung in den Hohlraum 12a des Aussteifungselements 12 geführt. Die Leitung 17 wird in dem rohrförmigen Aussteifungselement 12 zu der Messstruktur 8 geführt, welche mit der Steuer- und Regeleinrichtung 16 in signaltechnischer Verbindung steht, um dieser die Messsignale des Sensors 7 zuzuführen. Es versteht sich, dass der kapazitive Sensor 7 über die Leitung 17 oder ggf. über eine weitere Leitung auch mit Energie versorgt werden kann.
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2 zeigt das Aussteifungselement 12 von 1a, b mit einer Mehrzahl von jeweils mit einem Kreuz gekennzeichneten Positionen, an denen ein kapazitiver Sensor 7 in der Art von 1a angeordnet ist. Wie in 2 zu erkennen ist, sind an dem Aussteifungselement 12 zwei der kapazitiven Sensoren 7 in Z-Richtung voneinander beabstandet angebracht (mit RY, Z bezeichnet). Diese beiden kapazitiven Sensoren 7 erfassen ein- und denselben Parameter der Position des (in 2 nicht bildlich dargestellten) Substrats 2, nämlich dessen Position in Z-Richtung. Anhand der beiden an unterschiedlichen Stellen in Z-Richtung ermittelten Z-Positionen des Substrats 2 kann die Orientierung RY des Substrats 2 bezüglich der Y-Achse bestimmt werden, d.h. die Winkelstellung bzw. der Drehwinkel des Substrats 2 bezüglich der Y-Achse. Entsprechend kann mit weiteren in 2 dargestellten Paaren von kapazitiven Sensoren 7, die in Y-Richtung in einem Abstand voneinander angeordnet und die mit RX, Y bzw. mit RZ, Y bezeichnet sind, die Orientierung RZ des Substrats 2 bezüglich der Z-Achse sowie die Orientierung RX des Substrats 2 bezüglich der X-Achse bestimmt werden.
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Bei dem in 2 gezeigten Beispiel sind zusätzlich zu den kapazitiven Sensoren 7 auch zwei Winkel-Sensoren 7‘ in Form von Inkremental-Winkelmessgeräten an dem Aussteifungselement 12 vorgesehen. Die beiden Winkel-Sensoren 7‘ weisen eine erste, in 2 nicht bildlich dargestellte Sensorkomponente in Form einer Maßverkörperung auf, die eine Mehrzahl von in einem vorgegebenen Abstand voneinander angeordneten Teilstrichen aufweist. Die Maßverkörperung bzw. die erste Sensorkomponente ist an der zylindrischen Mantelfläche des Aussteifungselements 12 gebildet und verläuft in Umfangsrichtung des Aussteifungselements 12 kreisförmig in einer Ebene senkrecht zur Z-Richtung. Die zweite Sensorkomponente ist an der Wandung 11a des Durchgangskanals 11 gebildet (vgl. 1a) und ist als Abtasteinheit zur photoelektrischen Abtastung der Maßverkörperung ausgebildet. Eine Leitung zur Verbindung des Sensors 7‘ bzw. der zweiten Sensorkomponente mit der Messstruktur 8 kann wie im Zusammenhang mit dem kapazitiven Sensor 7 von 1a beschrieben durch eine Bohrung in dem Aussteifungselement 12 geführt werden. Die Bestimmung des Winkels α zwischen dem Aussteifungselement 12 und dem (in 2 nicht gezeigten) Substrat 2 mit Hilfe der beiden Winkel-Sensoren 7‘ kann dazu dienen, die Orientierung des Substrats 2 in X-Richtung bzw. um die X-Achse zu bestimmen.
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Die Verwendung von Winkel-Sensoren 7‘ zur Bestimmung der Orientierung RX des Substrats 2 in X-Richtung hat sich als günstig erwiesen, da der Abstand, in dem zwei kapazitive Sensoren 7 in X-Richtung voneinander beabstandet an dem Aussteifungselement 12 angebracht werden können, dem Durchmesser d des Aussteifungselements 12 entspricht und somit vergleichsweise gering ist, was die Präzision der Messung reduziert. Es versteht sich aber, dass nur kapazitive Sensoren 7 bzw. nur Abstandssensoren verwendet werden können, um alle sechs Bewegungsfreiheitsgrade des Substrats 2, d.h. sowohl die drei Positionsfreiheitsgrade als auch die drei Rotationsfreiheitsgrade des Substrats 2, zu ermitteln.
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Anhand der auf die weiter oben beschriebenen Weise erfassten Position X, Y, Z sowie der auf die weiter oben beschriebene Weise erfassten Orientierung RX, RY, RZ des Substrats 2 kann die Steuer- und Regeleinrichtung 16 auf die Aktuatoren 6 einwirken, um die Bewegung des Substrats 2 zu regeln, d.h. um das Substrat 2 relativ zu der Messstruktur 8 an einer Soll-Position zu positionieren und in einer Soll-Orientierung auszurichten. Es versteht sich, dass für die Erfassung der Position X, Y, Z und/oder der Orientierung RX, RY, RZ des Substrats 2 andere Arten von Sensoren als die weiter oben in Zusammenhang mit 1a, b beschriebenen Sensoren 7, 7‘ verwendet werden können. Beispielsweise können an Stelle von kapazitiven Abstandssensoren 7 induktive Abstandssensoren verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017201835 [0001, 0007, 0007]
- DE 102011088735 A1 [0037]
