DE102018200181A1

DE102018200181A1 - Projektionsbelichtungsanlage mit reduzierter parasitärer Deformation von Komponenten

Info

Publication number: DE102018200181A1
Application number: DE102018200181.2A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Weber; Marwene Nefzi
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2018-01-08
Filing date: 2018-01-08
Publication date: 2019-01-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage (1) für die Halbleiterlithographie, mit einer Kinematik (30) zur geführten Bewegung der Komponente (50) in einer bestimmten Anzahl von Freiheitsgraden, welche an mindestens einem Haltepunkt (40) mit einer Komponente (50) der Projektionsbelichtungsanlage (1) verbunden ist und welche die Komponente (50) mit einer Tragstruktur (32) verbindet, wobei sich für die Steifigkeitsmatrix der Kinematik (30) ein Hauptachsensystem bestimmen lässt, dessen Ursprung mit dem Haltepunkt (40) zusammenfällt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie.
Projektionsbelichtungsanlagen für die Halbleiterlithographie mit Halte- und Positioniereinrichtungen für optische Elemente sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die zur Abbildung verwendeten optischen Komponenten für die oben beschriebene Anwendung, bei denen es sich insbesondere um Spiegel handeln kann, müssen mit höchster Präzision positioniert werden, um eine ausreichende Abbildungsqualität gewährleisten zu können.
Aus der US 5 986 827 A ist ein Aktuator bzw. eine Hub- und Kippvorrichtung für ein optisches Element bekannt. Der Aktuator weist drei identische Federeinheiten, eine Struktur, auf welcher die Federeinheiten gelagert sind, und drei Linearaktuatoren auf. Für den Hub- und Kippmechanismus ist ein Innenring, welcher das Werkstück trägt, mit drei sogenannten Bipoden vorgesehen, welche je zwei V-förmig angeordnete Stäbe mit Federgelenken an ihren Enden umfassen. Diese sind an einem Ende miteinander verbunden und sollen hauptsächlich nur entlang ihrer Längsachse Kräfte übertragen. Das Ende eines jeden Bipoden, an dem die Stäbe zusammengeführt sind, ist jeweils an einem Hebel befestigt. Dieser ist drehbar in der Struktur oder in dem Gehäuse gelagert und kann mit Stellschrauben gegenüber dem Gehäuse fixiert werden. Durch Verkippen der jeweiligen Hebel mit den Stellschrauben kann der Innenring mitsamt dem Werkstück sowohl in der Höhe verstellt als auch verkippt werden.
Nachteilig an dem Aktuator bzw. der Hub- und Kippvorrichtung der US 5 986 827 A ist der sehr große Bauraumbedarf, der sich aus der Trennung von Bipod und Stellhebel ergibt. Da aus fertigungstechnischen Gründen die Bipoden und die Stellhebel aus verschiedenen Teilen zusammengesetzt werden müssen, müssen die Bipod-Federgelenke auch die zusätzlichen Fertigungs- und Montagetoleranzen ausgleichen, weshalb die Bipoden relativ weich sind, so dass das von ihnen gelagerte Werkstück unerwünscht zu Schwingungen angeregt werden kann.
Des Weiteren ist aus der DE 103 44 178 A1 der Anmelderin eine Halte- und Positioniervorrichtung für ein optisches Element bekannt. Diese zielt darauf ab, ein unerwünschtes Vibrieren des optischen Elements durch eine steife Anbindung zu unterdrücken. Es kann die Halte- und Positioniervorrichtung durch wenigstens eine Manipulatoreinheit zusätzlich die Längenunterschiede zwischen dem optischen Element und einem Grundkörper, mit dem die wenigstens eine Manipulatoreinheit verbunden ist, bei einer Temperaturänderung ausgleichen. Hierdurch werden die Kräfte auf das optische Element nicht unerwünscht hoch und vermeiden so Deformationen oder gar Schädigungen des optischen Elements. Durch die Festkörpergelenke ist es ebenfalls möglich, Unebenheiten an Fügeflächen auszugleichen, ohne das optische Element in unerwünschter Weise zu deformieren.
Damit das optische Element möglichst steif gegen Schwingungen in seiner Ebene gelagert ist, kann auch vorgesehen sein, dass drei Manipulatoreinheiten derart angeordnet sind, dass ein Referenzpunkt im geometrischen Schwerpunkt des von den Manipulatoreinheiten aufgespannten Dreiecks liegt. Diese Halte- und Positioniervorrichtung ermöglicht es, das optische Element exakt normal zu seiner Ebene zu verschieben und um zwei voneinander unabhängige Achsen in der Ebene zu kippen. Somit werden unerwünschte Abbildungsfehler bereits weitgehend vermieden.
Trotz der vorstehend beschriebenen Vorsorgemaßnahmen lassen sich dennoch nicht alle radialen Kräfte bzw. radialen, tangentialen und axialen Drehmomente am optischen Element eliminieren, da die Manipulatoreinheiten mit Festkörpergelenkeinheiten aufgebaut sind, die zur Bewegung beziehungsweise Verformung Kräfte und Drehmomente benötigen. Die daraus resultierenden parasitären Lasten führen zu einer die Abbildungsgenauigkeit beeinträchtigenden Deformation des optischen Elements.
Unter Manipulatoren werden vorliegend mechanische Baugruppen verstanden, welche Aktuatoren und Kinematiken enthalten. Unter Kinematiken sollen insbesondere mechanische Anordnungen zur Umsetzung oder Führung von Bewegungen verstanden werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine Projektionsbelichtungsanlage Manipulatoren beziehungsweise Kinematiken weiterzubilden, welche die störenden parasitären Lasten eliminieren bzw. diese bis auf ein vernachlässigbares Maß verringern.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
Die Erfindung schließt eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie ein, welche eine Kinematik zur geführten Bewegung der Komponente in einer bestimmten Anzahl von Freiheitsgraden umfasst. Die Kinematik ist an mindestens einem Haltepunkt mit einer Komponente der Projektionsbelichtungsanlage verbunden und verbindet die Komponente mit einer Tragstruktur. Dabei lässt sich für die Steifigkeitsmatrix der Kinematik ein Hauptachsensystem bestimmen, dessen Ursprung mit dem Haltepunkt zusammenfällt.
Da optische Komponenten in Halbleiterlithographieobjektiven von Manipulatoren im Nanometerbereich genau verfahren werden, werden diese als Festkörpergelenkkinematiken ausgeführt, die kein Lagerspiel und keine Verfahrhysterese aufgrund von Reibung haben.
Häufig wird für den Spiegelmanipulator eine Anordnung gewählt, bei der ein Spiegel als optisches Element an drei Haltepunkten jeweils von einem Manipulatorblock in axialer und tangentialer Richtung translatorisch festgehalten wird, während die Haltepunkte sich translatorisch in radialer Richtung und rotatorisch um die radiale, tangentiale und axiale Achse bewegen lassen. Um den Spiegel zu verfahren oder zu verkippen, wird ein Haltepunkt oder werden mehrere Haltepunkte translatorisch in axialer und/oder tangentialer Richtung durch die Manipulatorblöcke verschoben.
Für einen Vergleich, welche parasitäre Last (radiale Kraft, radiales Drehmoment, tangentiales Drehmoment, axiales Drehmoment) am stärksten zur Deformation eines optischen Elementes beitragen kann, wurden FEM-Simulationen mit anschließender Zernike-Analyse durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass zu einer Deformation hauptsächlich ein radiales Drehmoment und ein tangentiales Drehmoment beitragen können. Bei der Gestaltung eines Manipulators ist folglich eine Verminderung der in ein optisches Element eingeleiteten störenden Drehmomente von entscheidender Bedeutung, um eine große Spiegeldeformation zu vermeiden. Hier setzt die erfindungsgemäße Lösung an.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ergibt sich aus einer signifikanten Verbesserung der Kinematik eines Manipulators dahingehend, eine unerwünschte Deformation von optischen Komponenten, insbesondere Spiegel, zu minimieren.
Vorteilhafterweise

- kann die Kinematik zwei Teilkinematiken mit jeweils einer Klasse von Gelenken umfassen
- können die erste Klasse eine Bewegung in j Freiheitsgraden zulassen und die zweite Klasse eine Bewegung in k davon unabhängigen Freiheitsgraden zulassen
- können die Freiheitsgrade beider Klassen jeweils von einander entkoppelt sein
- kann sich für jede Steifigkeitsmatrix der Teilkinematiken ein Hauptachsensystem bestimmen lassen
- können die Ursprünge der beiden Hauptachsensysteme im Haltepunkt zusammenfallen.

Im Unterschied zum herkömmlichen Bipod sind die Gelenke und Schenkel in diesem Fall so ausgebildet, dass der Haltepunkt im Zentrum des Steifigkeitshauptachsensystems des Bipods liegt. Wegen der Lage des Haltepunktes im Zentrum des Steifigkeitshauptachsensystems können tangentiale Drehmomente und radiale Kräfte im Haltepunkt vermieden werden.
Insbesondere können die durch die Gelenke und Form der Schenkel der Kinematik bestimmten Steifigkeiten punktsymmetrisch bezüglich des Haltepunktes ausgebildet sein.
Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Gelenke und Schenkel der Kinematik bei gleicher Geometrie und Orientierung punktsymmetrisch bezüglich des Haltepunktes angeordnet sind.
In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung kann weiterhin ein Kompensationselement vorhanden sein, welches eine Bewegung der Kinematik derart unterstützt, dass Kräfte oder Momente, welche aufgrund der Eigensteifigkeit der Kinematik am Haltepunkt auf die Komponente einwirken, reduziert werden.
Hierfür kann die Kompensation von Tangentialmoment und Radialkraft dadurch erfolgen, dass ein Kompensationselement mit negativer Steifigkeit, d.h. mit abschnittsweise fallender Kraft-Weg-Kennlinie, welches beispielsweise ein elastisches Element und eine Kinematik umfasst, eingesetzt wird. Hierdurch entsteht eine Kraft in Auslenkrichtung, die die Rückstellkraft eines Bipods kompensiert.
In besonders bevorzugter Ausführungsform kann das Kompensationselement mindestens eine vorgespannte Blattfeder umfassen. Die jeweilige Auslenkung der Blattfedern wird zur Kompensation der Kräfte und Momente genutzt, welche aus der Eigensteifigkeit eines Bipoden resultieren.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das Kompensationselement über einen Hebel mechanisch mit der Kinematik verbunden sein.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

1 den prinzipiellen Aufbau einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage, in welcher die Erfindung verwirklicht sein kann,
2 exemplarisch eine aus dem Stand der Technik bekannte Manipulatoreinheit,
3a/b eine Detailansicht einer bekannten Manipulatoreinheit,
4 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
5a/b eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
6 eine Darstellung der Wirkungsweise des Hauptachsenbipoden beim Verfahren eines Aktuators,
7 eine Darstellung der Wirkungsweise des Hauptachsenbipoden bei einer radialen Auslenkung,
8 eine Darstellung der Wirkungsweise des Hauptachsenbipoden bei einer tangentialen Verkippung,
9 eine schematische Darstellung eines mit der Umgebung fest verbundenen Bipoden mit Kompensationsmechanismus für die parasitäre Radialkraft in nicht ausgelenkter Stellung, und
10 eine schematische Darstellung der Wirkungsweise eines Kompensationselementes für die parasitäre Radialkraft.

1 zeigt exemplarisch den prinzipiellen Aufbau einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage 1 für die Mikrolithographie, in welcher die Erfindung Anwendung finden kann. Ein Beleuchtungssystem der Projektionsbelichtungsanlage 1 weist neben einer Lichtquelle 3 eine Beleuchtungsoptik 4 zur Beleuchtung eines Objektfeldes 5 in einer Objektebene 6 auf. Eine durch die Lichtquelle 3 erzeugte EUV-Strahlung 14 als optische Nutzstrahlung wird mittels eines in der Lichtquelle 3 integrierten Kollektors derart ausgerichtet, dass sie im Bereich einer Zwischenfokusebene 15 einen Zwischenfokus durchläuft, bevor sie auf einen Feldfacettenspiegel 2 trifft. Nach dem Feldfacettenspiegel 2 wird die EUV-Strahlung 14 von einem Pupillenfacettenspiegel 16 reflektiert. Unter Zuhilfenahme des Pupillenfacettenspiegels 16 und einer optischen Baugruppe 17 mit Spiegeln 18, 19 und 20 werden Feldfacetten des Feldfacettenspiegels 2 in das Objektfeld 5 abgebildet.
Beleuchtet wird ein im Objektfeld 5 angeordnetes Reticle 7, das von einem schematisch dargestellten Reticlehalter 8 gehalten wird. Eine lediglich schematisch dargestellte Projektionsoptik 9 dient zur Abbildung des Objektfeldes 5 in ein Bildfeld 10 in eine Bildebene 11. Abgebildet wird eine Struktur auf dem Reticle 7 auf eine lichtempfindliche Schicht eines im Bereich des Bildfeldes 10 in der Bildebene 11 angeordneten Wafers 12, der von einem ebenfalls ausschnittsweise dargestellten Waferhalter 13 gehalten wird. Die Lichtquelle 3 kann Nutzstrahlung insbesondere in einem Wellenlängenbereich zwischen 5 nm und 30 nm emittieren.
Die Erfindung kann ebenso in einer DUV-Anlage verwendet werden, die nicht dargestellt ist. Eine DUV-Anlage ist prinzipiell wie die oben beschriebene EUV-Anlage 1 aufgebaut, wobei in einer DUV-Anlage Spiegel und Linsen als optische Elemente verwendet werden können und die Lichtquelle einer DUV-Anlage eine Nutzstrahlung in einem Wellenlängenbereich von 100 nm bis 300 nm emittiert.
Anhand der in 2 exemplarisch gezeigten aus dem Stand der Technik bekannten Manipulatoreinheit 30 soll nachfolgend die der Erfindung zugrunde liegende Problematik erläutert werden. Im gezeigten Beispiel ist die Manipulatoreinheit 30 als sogenannter Bipod mit einer Basis 32, zwei Aktuatoren 33.1, 33.2 und zwei Schenkeln 35.1 und 35.2 ausgeführt. Die Längsachsen der Schenkel 35.1 und 35.2 schneiden sich in einem Haltepunkt 40 an einem zu haltenden beziehungsweise zu bewegenden optischen Element, welches im gezeigten Beispiel als Spiegel 50 ausgeführt ist. Der Haltepunkt 40 ist dabei derjenige Punkt, an welchem Kräfte und Momente in den Spiegel 50 eingeleitet werden.
Wie durch die in der Figur nicht bezeichneten Doppelpfeile angedeutet verschieben die Aktuatoren 33.1 und 33.2 die Schenkel 35.1 und 35.2 entlang ihrer Längsachse gegenüber der Basis 32 so, dass sich am Haltepunkt 40 für den Spiegel 50 eine tangentiale und/oder axiale Verschiebung ergibt.
Jeder Schenkel 35.1 und 35.2 weist insgesamt vier Kippgelenke 34.1, 34.2, 34.3 und 34.4 auf, die den Schenkel in den beiden Querrichtungen nachgiebig gegenüber Translationen und Verkippungen machen. Dadurch übertragen die Schenkel 35.1 und 35.2 hauptsächlich eine Kraft entlang ihrer Längsrichtungen. Die Kippgelenke 34.1, 34.2, 34.3 und 34.4 sind im gezeigten Beispiel als Festkörpergelenke in der Art von Blattfedern ausgeführt. Die Wahl von Festkörpergelenken ist insbesondere deswegen vorteilhaft, weil derartige Gelenke kein Lagerspiel aufweisen und im Betrieb keinen Abrieb erzeugen, durch welchen Partikel die Abbildungsqualität des zugehörigen optischen Systems vermindern könnten.
Ein Nachteil dieser Bipodanordnung, bei der die Aktuatoren 33.1 und 33.2 die Schenkel 35.1 und 35.2 nur entlang ihrer Längsrichtung verschieben, sind einige parasitäre Lasten, die in den Spiegel 50 eingeleitet werden und zu einer Deformation des Spiegels 50 führen. Diese parastären Lasten rühren insbesondere von den elastischen Eigenschaften der verwendeten Kippgelenke beziehungsweise Festkörpergelenke her, welche in der Art von Blattfedern 37 Rückstellkräfte ausüben.
Die Verhältnisse werden anhand der 3a und 3b noch einmal verdeutlicht. Wie in 3a dargestellt wird der Schenkel 35.1 mittels des Aktuators 33.1 entlang seiner Längsrichtung um den Weg v_längs verschoben, wobei der Schenkel 35.2 diese Verschiebung als Querbewegung durch eine „s-förmige Verbiegung“ seiner Gelenke 34.1 und 34.4 ausgleichen muss. Zugunsten der Übersichtlichkeit der Darstellung sind in der 3a die in der 2 dargestellten weiteren Gelenke nicht dargestellt.
Aus der schematischen Darstellung in 3b geht hervor, dass das Gelenk 34.4 auf dem Schenkel 35.2 um den Winkel +α gebogen wird, während das Gelenk 34.1 auf dem Schenkel 35.2 um den Winkel -α gebogen werden muss.
Daraus ergibt sich der Biegemomentenverlauf für den Schenkel 35.2 mit einem Nulldurchgang in der Mitte zwischen den Gelenken 34.1 und 34.4, unter der Voraussetzung, dass beide Gelenke die gleiche Biegesteifigkeit aufweisen. Während das Gelenk 34.1 auf dem Schenkel 35.2 durch das Biegemoment gebogen wird, muss das Gelenk 34.1 auf dem Schenkel 35.1 aus kinematischen Gründen gestreckt bleiben und kann damit kein Biegemoment übertragen. Da somit das Biegemoment für das Gelenk 34.1 auf dem Schenkel 35.2 nicht über den Schenkel 35.1 abgefangen werden kann, wird dieses radiale Biegemoment vom Spiegel 50 abgestützt, woraus eine Deformation des Spiegels 50 folgt.
Ähnliche Effekte ergeben sich für radiale Auslenkungen oder auch tangentiale Verkippungen des Bipod. Die dabei wirkenden vermeidbaren Deformationsmechanismen werden dadurch hervorgerufen, dass der Haltepunkt 40 auf dem Bipod nicht im Ursprung des Hauptachsensystems der Steifigkeit des Bipods liegt. Nur in diesem Fall werden alle vermeidbaren Deformationen ausgeschlossen. Der Ursprung des Hauptachsensystems bietet den besten Haltepunkt mit den geringsten Deformationen (unvermeidliche Deformationen). Liegt der Haltepunkt 40 nicht im Ursprung des Hauptachsensystems der Steifigkeit, können vermeidbare Deformationen teilweise aber nicht vollständig durch zusätzliche Aktuatorquerbewegungen kompensiert werden.
4 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, mittels welcher insbesondere die Einleitung von tangentialen und radialen Drehmomenten und damit Z5-Zweiwelligkeiten des Spiegels vermindert werden können. Um den gewünschten Effekt zu erreichen, werden die Haltepunkte 40.1, 40.2 und 40.3 (im Folgenden: 40.n) des Spiegels 50 jeweils in den Ursprung des Steifigkeitshauptachsensystems des zugehörigen Bipoden gelegt. Der Ursprung des Steifigkeitshauptachsensystems ist der Punkt, an dem insbesondere im Spezialfall von Symmetrien in der Anordnung und Orientierung von Festkörpergelenken und Schenkeln für eine Verschiebung entlang einer Hauptachse auch nur eine Kraft entlang der Hauptachse und an dem bei einer Drehung um eine Hauptachse auch nur ein reines Drehmoment um diese Hauptachse notwendig ist.
Im allgemeinen Fall können aus einer Steifigkeitsmatrix z.B. eines Bipoden 6 Eigenvektoren entwickelt werden Diese 6 Eigenvektoren stellen 6 Bewegungsformen, eine Kombination aus Translationen und Rotationen, die in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen, dar. Die zu einer Bewegungsform der Steifigkeitsmatrix korrelierende Last ist eine Kombination aus Kräften und Drehmomenten, die im gleichen Verhältnis zueinander stehen wie die dazugehörige Bewegungsform.
Damit die 6 Eigenvektor-Bewegungsformen der Steifigkeitsmatrix reine Translationen und reine Rotationen werden, müssen die einzelnen Festkörpergelenke, die einen Bipod bilden, zum Haltepunkt symmetrisch angeordnet werden.
Zur Veranschaulichung dieses Sachverhaltes wird in der folgenden Tabelle die Steifigkeitsmatrix eines Bipoden nach 2 bezogen auf den Haltepunkt 40 gezeigt.
Der Werkstoff des Bipods hat einen E-Modul von 210000MPa und eine Poissonzahl von 0.3. Die Schenkel 35.1 und 35.2 haben eine Breite und eine Dicke von 8mm. Die Gelenke 34.1 und 34.4 auf den Bipodschenkel 35.1 und 35.2 haben eine Länge von 2mm entlang der Schenkellängsache, eine Breite von 8mm und eine Dicke von 0.4mm. Die Gelenke 34.2 und 34.3 haben eine Länge von 3mm, eine Breite von 8mm und eine Dicke von 0.4mm.

Die Gelenke 34.1 sind 8mm, die Gelenke 34.2 sind 13.5mm, die Gelenke 34.3 sind 91.5mm, und die Gelenke 34.4 sind 97mm vom Schnittpunkt (Haltepunkt 40) der Schenkellängsachsen entfernt.

	T_x(mm)	T_y(mm)	T_z(mm)	R_x(rad)	R_y(rad)	R_z(rad)
F_x(N)	2	0	0	0	-73	0
F_y(N)	0	67201	0	84	0	0
F_z(N)	0	0	67201	0	0	0
M_x(Nm)	0	84	0	10680	0	0
M_y(Nm)	-73	0	0	0	13658	0
M_z(Nm)	0	0	0	0	0	13658

Steifigkeitsmatrix Bipod nach Figur 2
Der Ursprung des Koordinatensystems für die Steifigkeitsmatrix liegt im Haltepunkt 40, wobei die x-Achse in radiale Richtung zeigt (senkrecht zur Ebene die von den Schenkellängsachsen aufgespannt wird), die y-Achse in tangentiale Richtung zeigt (senkrecht zur x-Achse und senkrecht zur Winkelhalbierenden des Winkels zwischen den beiden Schenkellängsachsen) und die z-Achse parallel zur Winkelhalbierenden des Schenkelzwischenwinkels orientiert ist.
Bei dem Bipod nach 2 sorgen hauptsächlich die Gelenke 34.1 und 34.4 für die Rotationsbeweglichkeit um die x-Achse, während hauptsächlich die Gelenke 34.2 und 34.3 für die Translationsbeweglichtkeit in x-Richtung und die Rotationsbeweglichkeiten um die y- und die z-Achse sorgen.
Die Winkelhalbierende des Zwischenschenkelwinkels, und somit die z-Achse, ist eine Symmetrieachse des Bipods, so dass eine Translation Tz entlang der z-Achse auch nur eine Kraft Fz ebenfalls entlang der z-Achse wirkend erfordert, was in der Steifigkeitsmatrix daran erkennbar ist, dass in der 3. Spalte unter Tz alle Werte außer in der dritten Zeile null sind.
Genauso erfordert eine Drehung um die z-Achse nur ein reines Drehmoment um die z-Achse (alle Werte in der 6. Spalte sind bis auf den Wert in der 6. Zeile null).
Eine reine Translation Tx im Haltepunkt 40 in x-Richtung verhält sich asymmetrisch zur Anordnung der Gelenke 34.2 und 34.3 (alle Gelenke 34.2 und 34.3 liegen vom Haltepunkt 40 aus gesehen in negativer z-Richtung), die hauptsächlich für die Tx-Beweglichkeit sorgen. Deshalb ist für eine Tx-Verschiebung des Haltepunktes 40 eine Kraft Fx in x-Richtung (1.Zeile, 1. Spalte) und ein Drehmoment My um die y-Achse (5. Zeile, 1. Spalte) notwendig.
Weil für eine reine Tx-Translation des Haltepunktes 40 nicht nur eine reine Kraft Fx in x-Richtung sondern auch ein Drehmoment My um die y-Achse erforderlich ist, liegt der Haltepunkt 40 nicht im Ursprung eines Steifigkeitshauptachsensystems mit reinen Translationen und Rotationen als Eigenvektorbewegungen.

In der folgenden Tabelle sind die 6 Eigenvektorbewegungen eines Bipods nach 2 spaltenweise dargestellt. Die Eigenbewegungen in den Spalten 1, 2, 4 und 5 sind keine reinen Translationen und Rotationen im Haltepunkt 40, sondern Kombinationen aus Translation und Rotation.

	v.1	v.2	v.3	v.4	v.5	v.6
T_x(mm)	1.000	-0.005	0.000	0.000	0.000	0.000
T_y(mm)	0.000	0.000	0.000	0.001	-1.000	0.000
T_z(mm)	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	1.000
R_x(rad)	0.000	0.000	0.000	-1.000	-0.001	0.000
R_y(rad)	0.005	1.000	0.000	0.000	0.000	0.000
R_z(rad)	0.000	0.000	-1.000	0.000	0.000	0.000

Eigenbewegungen von Bipod nach Figur 2
Die gewünschte Wirkung wird mittels eines Bipoden erreicht, der wie in 4 gezeigt, zwei „gekreuzte“ Bipodschenkel 35.1 und 35.2 aufweist. Dabei liegt der Haltepunkt 40.1 für den Spiegel 50 im Kreuzungspunkt der Bipodschenkel 35.1 und 35.2.
Im Vergleich zum Bipod nach 2 werden beim Bipod nach 4 alle Festkörpergelenke 34.1 - 34.4 in jeglicher Hinsicht symmetrisch zu dem Haltepunkt 40.1 angeordnet, damit sich die Steifigkeitshauptachsen, die mit reinen Translationen und Rotationen korrelieren sollen, im Haltepunkt 40.1 schneiden.
Dabei steht die x-Hauptachse senkrecht zu den beiden Schenkellängsachsen, die z-Hauptachse wird aus der Winkelhalbierenden des Zwischenwinkels der beiden Schenkellängsachsen gebildet und die y-Hauptachse steht senkrecht zur x- und z-Hauptachse. Beim Bipod nach 4 sind die Festkörpergelenke zugleich symmetrisch zur x-Hauptachse, y-Hauptachse und z-Hauptachse angeordnet.
Wegen der Lage des Haltepunktes 40.1 im Zentrum des Steifigkeitshauptachsensystems können tangentiale Drehmomente und radiale Kräfte im Haltepunkt 40.1 vermieden werden, da es im Zentrum des Steifigkeitshauptachsensystems keine Koppelsteifigkeiten gibt und damit für eine reine radiale translatorische Verschiebung des Bipods nur eine reine Radialkraft und für ein reines tangentiales Kippen nur ein reines tangentiales Kippmoment notwendig ist.
Weil auch die Verschieberichtung der Aktuatoren 33.1 und 33.2 durch das Zentrum des Steifigkeitshauptachsensystems des Bipoden geht, müssen die Aktuatoren auch keine zusätzliche Querverschiebung auf die Bipodschenkel 35.1 und 35.2 aufbringen, um ein radiales Drehmoment nach 3 zu vermeiden.
Für die Berechnung der Steifigkeitsmatrix eines Bipods nach 4 werden für den Elastizitätsmodul 210000 MPa und für die Poisson-Zahl 0.3 angenommen. Die Gelenke 34.1 und 34.3 haben eine Länge von 3mm, eine Breite von 8mm und eine Dicke von 0.4mm. Die Gelenke 34.2 und 34.4 haben eine Länge von 2mm, eine Breite von 8mm und eine Dicke von 0.4mm.
Das Gelenk 34.1 auf dem Schenkel 35.1 liegt 39mm vom Haltepunkt 40.1 entfernt, wobei das Gelenk 34.3 auf dem Schenkel 35.1 in der entgegengesetzten Richtung dazu 39mm vom Haltepunkt 40.1 entfernt liegt. Die Gelenke 34.2 und 34.4 auf dem Schenkel 35.1 sind 44.5mm vom Haltepunkt 40.1 entfernt, wobei das Gelenk 35.4 in der entgegengesetzten Richtung zum Gelenk 34.2 liegt.
Die Gelenke 34.1, 34.2, 34.3 und 34.4 auf dem Schenkel 35.2 sind in gleicher Weise wie die Gelenke auf dem Schenkel 35.1 angeordnet, wobei aber der Schenkel 35.2 gegenüber dem Schenkel 35.1 an der z-Achse gespiegelt ist.
In der folgenden Tabelle mit der Steifigkeitsmatrix für einen Bipod nach 4 ist nur die Hauptdiagonale mit Werten besetzt, so dass für eine Translation entlang einer Hauptachse auch nur eine Kraft entlang dieser Hauptachse und für Rotationen um eine Hauptachse auch nur ein Drehmoment um diese Hauptachse erforderlich ist.

T_x(mm) T_y(mm) T_z(mm) R_x(rad) R_y(rad) R_z(rad)

F_x(N) 2 0 0 0 0 0

F_y(N) 0 67201 0 0 0 0

F_z(N) 0 0 67201 0 0 0

M_x(Nm) 0 0 0 4463 0 0

M_y(Nm) 0 0 0 0 10959 0

M_z(Nm) 0 0 0 0 0 10959
Steifigkeitsmatrix für Bipod nach Figur 4
Entscheidend für die Ausbildung von Hauptachsen mit reiner Translation und reiner Rotation ist nicht die geometrische Symmetrie sondern die Symmetrie hinsichtlich der Steifigkeit. Bei dem Bipod nach 5a ist bei den Gelenken 34.1 die Länge von 2mm auf 1 mm verkürzt worden, wodurch die Biegesteifigkeit gegenüber einem Drehmoment verdoppelt wird und dadurch in der Steifigkeitsmatrix, wie in der folgenden Tabelle gezeigt, nicht nur Werte in der Hauptdiagonale, sondern auch in den Nebendiagonalen ([2. Zeile, 4. Spalte] und [4. Zeile, 2. Spalte]) auftreten.

T_x(mm) T_y(mm) T_z(mm) R_x(rad) R_y(rad) R_z(rad)

F_x(N) 2 0 0 0 0 0

F_y(N) 0 74668 0 35 0 0

F_z(N) 0 0 74668 0 0 0

M_x(Nm) 0 35 0 6679 0 0

M_y(Nm) 0 0 0 0 12084 0

M_z(Nm) 0 0 0 0 0 12084
Steifigkeitsmatrix Bipod nach Figur 5a
Die größere Biegesteifigkeit der verkürzten Gelenke 34.1 kann durch einen größeren Hebelarm zum Haltepunkt 40.1 aufgefangen werden, so wie bei dem Bipod gemäß 5b, bei dem die Gelenke 34.1 nicht mehr 44.5mm Abstand zum Haltepunkt, sondern den doppelten Abstand von 89mm haben.
In der Steifigkeitsmatrix für diesen Bipod nach 5b ist wieder nur die Hauptdiagonale mit Steifigkeitswerten besetzt.

T_x(mm) T_y(mm) T_z(mm) R_x(rad) R_y(rad) R_z(rad)

F_x(N) 2 0 0 0 0 0

F_y(N) 0 74667 0 0 0 0

F_z(N) 0 0 74667 0 0 0

M_x(Nm) 0 0 0 5944 0 0

M_y(Nm) 0 0 0 0 12084 0

M_z(Nm) 0 0 0 0 0 12084
Steifigkeitsmatrix Bipod nach Figur 5b
In 6 ist die Wirkungsweise des Hauptachsenbipoden beim Verfahren eines Aktuators schematisch dargestellt. Durch die Längsverschiebung v_längs am Bipodschenkel 35.1 wird der Bipodschenkel 35.2 s-förmig gebogen, wobei auf dem Bipodschenkel 35.2 das Gelenk 34.4 um den Winkel α und das Gelenk 34.1 um den Winkel - α gebogen wird. Daraus ergibt sich der notwendige Biegemomentenverlauf für den Bipodschenkel 35.2 mit dem Nulldurchgang im Kreuzungspunkt beider Bipodschenkel. Dieser Biegemomentenverlauf steht im Einklang mit der Aktuatorkraft im Bipodschenkel 35.1 entlang seiner Längsachse, die als Querkraft für den Bipodschenkel 35.2 ohne zusätzliches Drehmoment durch den Nullpunkt des Biegemomentenverlaufs von Bipodschenkel 35.2 verläuft. Da der Haltepunkt 40 für den Spiegel 50 auch auf der Wirkungsgerade der Aktuatorkraft von Bipodschenkel 35.1 liegt, wird am Haltepunkt 40 kein radiales Drehmoment auf den Spiegel 50 übertragen.
In 7 ist die Wirkungsweise des Hauptachsenbipoden bei einer radialen Auslenkung des Spiegels 50 dargestellt. Eine derartige radiale Auslenkung kann beispielsweise das Resultat der Aktuierung anderer auf denselben Spiegel wirkende Aktuatoren sein. Die angesprochene radiale Auslenkung wird von den Bipodschenkeln 35.1 und 35.2 (Schenkel 35.2 wird von Schenkel 35.1 verdeckt) mit einer s-förmigen Biegung der Gelenke 34.2 und 34.3 ausgeglichen, wobei die Gelenke 34.3 um den Winkel α und die Gelenke 34.2 um den Winkel -a gebogen werden. Die s-förmige Biegung erfordert einen Biegemomentverlauf wie in 7 dargestellt, bei dem der Nulldurchgang in der Mitte zwischen den Gelenken 34.2 und 34.3 liegt. Da auch der Haltepunkt 40 für den Spiegel auf gleicher Höhe wie der Nulldurchgang des Biegemomentenverlaufs liegt, wird über den Haltepunkt für den Spiegel nur eine radiale Kraft und kein tangentiales Drehmoment auf den Spiegel übertragen.
8 veranschaulicht die Wirkungsweise des Hauptachsenbipoden bei einer tangentialen Verkippung. Wird die Kontaktfläche zwischen Bipod und Spiegel im Haltepunkt 40 tangential verkippt, bilden der Haltepunkt 40, die Gelenke 34.2 und 34.3 auf den Bipodschenkeln 35.1 und 35.2 (Schenkel 35.2 wird von Schenkel 35.1 verdeckt) ein gleichschenkliges Dreieck mit der Geraden von den Gelenken 34.3 zu den Gelenken 34.2 als Basis, da der Haltepunkt 40 im unausgelenkten Zustand auf der Mitte zwischen den Gelenken 34.3 und den Gelenken 34.2 liegt. In dem gleichschenkligen Dreieck sind die Biegewinkel α in den Gelenken 34.2 und 34.3 gleich gerichtet und gleich groß. Damit wirkt in den Gelenken 34.3 und in den Gelenken 34.2 überall ein gleich großes Biegemoment, wodurch der Biegemomentenverlauf konstant ist. Am Haltepunkt 40 wird dadurch ein rein tangentiales Drehmoment ohne Radialkraft übertragen.
Somit werden durch den erfindungsgemäßen Hauptachsenbipod sowohl ein radiales Drehmoment beim Verfahren eines Aktuators nach 6, ein tangentiales Drehmoment bei einer radialen Auslenkung des Bipod nach 7 und eine radiale Kraft beim tangentialen Verkippen des Bipod nach 8 vermieden.
Auch beim Hauptachsenbipod verbleiben geringe Deformationen, die eventuell noch weiter reduziert werden müssen (Koma, sekundäre Zweiwelligkeit etc.) insbesondere bei einer Verwendung des Bipoden bei dünnen schalenförmigen optischen Elementen, die besonders leicht deformiert werden können. Diese Deformationen rühren aus der Eigensteifigkeit des Bipoden in Aktuierungsrichtung. In den nachfolgend beschriebenen 9 und 10 wird eine Möglichkeit beschrieben, auch diese Deformationen zu verringern oder sogar vollständig zu eliminieren. Der gewünschte Effekt kann dadurch erreicht werden, dass der Bipod mit einem vorgespannten System versehen wird, welches denjenigen Kräften und Momenten, die seitens des Bipod selbst ausgeübt werden, über einen gewissen Bewegungsbereich hinweg bis hin zu einer vollständigen Kompensation der Kräfte und Momente entgegenwirkt. Im Idealfall kann dann das mittels des Bipod gelagerte optische Element in Aktuierungsrichtung des Bipoden über einen bestimmten Bereich hinweg kräfte- und momentenfrei bewegt werden.
9 zeigt in einer schematischen Darstellung einen mit der festen Welt verbundenen Bipoden 39 in nicht ausgelenkter Stellung. In dieser Stellung übt der Bipod 39 keine Kräfte oder Momente auf ein mit ihm am Haltepunkt 40 verbundenes, in der Figur nicht dargestelltes Element aus, welche auf die Eigensteifigkeit bzw. Eigenelastizität des Bipoden 39 zurück zu führen wären. Neben dem Bipoden 39 greift am Haltepunkt 40 der Hebel 38 an, welcher ferner über ein Entkopplungsgelenk 41 mit dem Kompensationselement 36 verbunden ist. Auch das Kompensationselement 36 ist mit der festen Welt über zwei Parallelogrammführungen 42 verbunden, an welchen zwei Außenplatten 43 bewegbar angeordnet sind. Die Außenplatten werden mittels der durch die beiden Pfeile angedeuteten Vorspannkraft jeweils nach innen über in Kraftrichtung verlaufende Blattfedern 37 gegen ein Zentralelement 44 gedrückt, welches seinerseits über das bereits erwähnte Entkopplungsgelenk 41 mit dem Hebel 38 verbunden ist. In der in 9 dargestellten Konfiguration befindet sich der Bipod 39 in seiner Nulllage.
10 veranschaulicht nun die Wirkungsweise des Kompensationselementes 36 bei einer Auslenkung aus der Nulllage. Der Haltepunkt 40 hat sich - beispielsweise aufgrund einer Aktuierung des gehaltenen Elementes an anderer Stelle - gegenüber der festen Welt etwas nach rechts bewegt. Daraus resultiert die in der 10 gut erkennbare Deformation des Bipoden 39, der nunmehr aufgrund seiner Eigensteifigkeit eine Rückstellkraft und ein Rückstellmoment am Haltepunkt 40 ausübt, wie durch die beiden Pfeile am Haltepunkt 40 angedeutet ist. Die Auslenkung des Haltepunktes 40 führt jedoch auch zu einer Auslenkung des Hebels 38 und damit zu einer Auslenkung des Zentralelementes 44 des Kompensationselementes 36, was wiederum in einer Auslenkung der Blattfedern 37 resultiert. Während der Bipod 39, das Entkopplungsgelenk 41 und die Blattfedern 37 zunehmend verformt werden und somit Verformungsenergie aufnehmen, werden die vorgespannten Parallelogrammführungen 42 durch die radiale Bewegung des Zentralelementes 44 und der damit verbundenen „Biegeverkürzung“ der Blattfedern 37 entspannt (die Außenplatten 43 bewegen sich zum Zentralelement 44 hin), beziehungsweise weniger deformiert, so dass die Blattfedern 37 Verformungsenergie an das System abgeben. Stehen die abgegebene Verformungsenergie der vorgespannten Parallelogrammführungen 42 mit der aufgenommenen Verformungsenergie des Bipod 39, der Entkopplungsfeder 41 und der Blattfedern 37 im Gleichgewicht, kann der Bipod 39 ohne über den Spiegel 50 eingeleitete Kräfte ausgelenkt werden. Aufgrund der in den vorgespannten Parallelogrammführungen 42 frei werdenden Verformungsenergie übt nun das Kompensationselement 36 die durch den Pfeil angedeutete Kraft auf den Hebel 38 aus, welche erstens zu einer kompensierenden Kraft und zweitens aufgrund des Hebelarmes zwischen Zentralelement 44 und dem Haltepunkt 40 auch zu einem kompensierenden Moment führt, welche der Kraft und dem Moment, welche aus der Eigensteifigkeit des Bipoden 39 resultieren, entgegenwirken. Bei geeigneter Auslegung des Kompensationselementes 36 kann so eine vollständige Kompensation der parasitären Kräfte und Momente erreicht werden.
Bezugszeichenliste

1: Projektionsbelichtungsanlage
2: Feldfacettenspiegel
3: Lichtquelle
4: Beleuchtungsoptik
5: Objektfeld
6: Objektebene
7: Reticle
8: Reticlehalter
9: Projektionsoptik
10: Bildfeld
11: Bildebene
12: Wafer
13: Waferhalter
14: EUV-Strahlung
15: Zwischenfokusebene
16: Pupillenfacettenspiegel
17: Baugruppe
18: Spiegel
19: Spiegel
20: Spiegel
30: Kinematik, Manipulatoreinheit
32: Tragstruktur, Basis
33.1, 33.2: Aktuatoren
34.1, 34.2, 34.3, 34.4: Kippgelenke
35.1, 35.2: Schenkel
36: Kompensationselement
37: Blattfeder
38: Hebel
39: Bipod
40: Haltepunkt
41: Entkopplungsgelenk
42: Parallellogrammführung
43: Außenplatten
44: Zentralelement
50: Komponente, Spiegel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5986827 A [0003, 0004]
DE 10344178 A1 [0005]

Claims

Projektionsbelichtungsanlage (1) für die Halbleiterlithographie, mit einer Kinematik (30) zur geführten Bewegung der Komponente (50) in einer bestimmten Anzahl von Freiheitsgraden, welche an mindestens einem Haltepunkt (40) mit einer Komponente (50) der Projektionsbelichtungsanlage (1) verbunden ist und welche die Komponente (50) mit einer Tragstruktur (32) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass sich für die Steifigkeitsmatrix der Kinematik (30) ein Hauptachsensystem bestimmen lässt, dessen Ursprung mit dem Haltepunkt (40) zusammenfällt.
Projektionsbelichtungsanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Kinematik (30) zwei Teilkinematiken mit jeweils einer Klasse von Gelenken umfasst - die erste Klasse eine Bewegung in j Freiheitsgraden zulässt und die zweite Klasse eine Bewegung in k davon unabhängigen Freiheitsgraden zulässt - die Freiheitsgrade beider Klassen jeweils von einander entkoppelt sind - sich für jede Steifigkeitsmatrix der Teilkinematiken ein Hauptachsensystem bestimmen lässt - die Ursprünge der beiden Hauptachsensysteme im Haltepunkt (40) zusammenfallen.
Projektionsbelichtungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch Gelenke (34.1, 34.2, 34.3, 34.4) und Form der Schenkel (35.1, 35.2) der Kinematik (30) bestimmten Steifigkeiten punktsymmetrisch bezüglich des Haltepunktes (40) ausgebildet sind.
Projektionsbelichtungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gelenke (34.1, 34.2, 34.3, 34.4) und Schenkel (35.1, 35.2) der Kinematik (30) bei gleicher Geometrie und Orientierung punktsymmetrisch bezüglich des Haltepunktes (40) angeordnet sind.
Projektionsbelichtungsanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kompensationselement (36) vorhanden ist, welches eine Bewegung der Kinematik (30) derart unterstützt, dass Kräfte oder Momente, welche aufgrund der Eigensteifigkeit der Kinematik (30) am Haltepunkt (40) auf die Komponente (50) einwirken, reduziert werden.
Projektionsbelichtungsanlage (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (36) mindestens eine vorgespannte Blattfeder (37) umfasst.
Projektionsbelichtungsanlage (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (36) über einen Hebel (38) mechanisch mit der Kinematik (30) verbunden ist.