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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein optisches System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
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Stand der Technik
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Mikrolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD's, angewendet. Der Mikrolithographieprozess wird in einer sogenannten Projektionsbelichtungsanlage durchgeführt, welche eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv aufweist. Das Bild einer mittels der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) wird hierbei mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z.B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.
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In für den EUV-Bereich ausgelegten Projektionsobjektiven, d.h. bei Wellenlängen von z.B. etwa 13 nm oder etwa 7 nm, werden mangels Verfügbarkeit geeigneter lichtdurchlässiger refraktiver Materialien Spiegel als optische Komponenten für den Abbildungsprozess verwendet. Ein in der Praxis auftretendes Problem ist, dass die EUV-Spiegel u.a. infolge Absorption der von der EUV-Lichtquelle emittierten Strahlung eine Erwärmung und eine damit einhergehende thermische Ausdehnung bzw. Deformation erfahren, welche wiederum eine Beeinträchtigung der Abbildungseigenschaften des optischen Systems zur Folge haben kann.
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Zur Vermeidung von durch Wärmeeinträge in einen EUV-Spiegel verursachten Oberflächendeformationen und damit einhergehenden optischen Aberrationen sind diverse Ansätze bekannt, z.B. der Einsatz eines Heizsystems auf Basis der Beaufschlagung des betreffenden EUV-Spiegels mit elektromagnetischer (Heiz-)Strahlung, wobei es sich z.B. um Strahlung im nahen bis mittleren Infrarotbereich oder auch um Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich handeln kann. Mit einem solchen Heizsystem kann in Phasen vergleichsweise geringer Absorption von EUV-Nutzstrahlung eine aktive Spiegelerwärmung erfolgen, wobei diese aktive Spiegelerwärmung mit steigender Absorption der EUV-Nutzstrahlung entsprechend zurückgefahren wird. Des Weiteren kann auch ein Vorwärmen der EUV-Spiegel vor dem eigentlichen Betrieb bzw. vor der Beaufschlagung mit EUV-Strahlung z.B. auf die sogenannte Nulldurchgangstemperatur (= „Zero-Crossing-Temperatur“) erfolgen, in deren Umgebung keine oder nur eine vernachlässigbare thermische Ausdehnung des Spiegelsubstratmaterials erfolgt.
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Die Einkopplung der elektromagnetischen Heizstrahlung in den betreffenden (EUV)-Spiegel erfolgt unter Einsatz einer das Heizsystem bildenden Optikeinheit, die unter Berücksichtigung der konkreten Gegebenheiten eine in örtlicher Hinsicht geeignete Spiegelerwärmung ermöglicht. Dabei wird die Heizstrahlung als Laserlicht über eine optische Faser von einer entfernt von der Beleuchtungsoptikeinheit positionierten Lasereinheit zur Beleuchtungsoptikeinheit transportiert.
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Ein in der Praxis auftretendes Problem ist, dass aufgrund unterschiedlicher Einflüsse (z.B. Einkopplung erheblicher Heizleistungen von größenordnungsmäßig 5 W bis 30 W) die optischen Elemente der das Heizsystem bildenden Optikeinheit hohen lokalen Bestrahlintensitäten bis zu mehreren 10 W/mm2 ausgesetzt werden, welche zu einer Degradation bis hin zur Zerstörung der zugehörigen optischen Elemente bzw. der in diesen Elementen vorhandenen Volumen- sowie Beschichtungsmaterialien führen können. Bei den zu einer solchen Degradation führenden Effekten kann es sich beispielsweise um Kompaktierungseffekte (d.h. lokale Dichteänderungen im Volumenmaterial und damit einhergehende Brechzahländerungen), ein Aufschmelzen des Optikmaterials, Transmissionsänderungen sowie nichtlineare Effekte wie selbstinduzierte Fokussierung handeln. Zudem können auch Verunreinigungspartikel, welche sich auf den optisch wirksamen Flächen der optischen Elemente in der das Heizsystem bildenden Optikeinheit niederschlagen, eine unerwünschte lokale Erhöhung der absorbierten Strahlungsintensität und eine damit einhergehende thermisch induzierte Degradation zur Folge haben.
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Im Ergebnis kann infolge der vorstehend beschriebenen Degradationseffekte ein Austausch des gesamten Heizsystems und damit eine Unterbrechung des Betriebs der mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage erforderlich werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein optisches System, insbesondere in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, bereitzustellen, welche eine Vermeidung oder Verringerung der strahlungsbedingten Degradation optischer Komponenten unter zumindest teilweiser Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch das optische System gemäß den Merkmalen des nebengeordneten Patentanspruchs 1 gelöst.
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Ein erfindungsgemäßes optisches System weist eine Laserlichtquelle, eine Optikeinheit und eine optische Faser-Anordnung zum Transport von Laserlicht der Laserlichtquelle zu der Optikeinheit auf, wobei die optische Faser-Anordnung aufweist:
- - wenigstens eine erste optische Faser; und
- - wenigstens eine mit der ersten optischen Faser über eine Spleißverbindung gekoppelte zweite optische Faser, wobei diese zweite optische Faser eine Multimodefaser ist;
- - wobei die Spleißverbindung einen endlichen Spleißwinkel zwischen den aneinandergrenzenden Abschnitten der ersten optischen Faser und der zweiten optischen Faser aufweist; und
- - wobei der Spleißwinkel so gewählt ist, dass die beim Übergang von der ersten optischen Faser zur zweiten optischen Faser in die Faserpropagationsmoden LP0,1 und LP0,2 eingekoppelte Leistung um wenigstens einen Faktor Zwei im Vergleich zu einer entsprechenden Spleißverbindung ohne endlichen Spleißwinkel zwischen den aneinandergrenzenden Abschnitten der ersten optischen Faser und der zweiten optischen Faser reduziert ist.
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Dabei bezeichnet hier und im Folgenden LPl,m jeweils den linear polarisierten Faserpropagationsmode mit der azimutalen Ordnung l und der radialen Ordnung m. Die Faserpropagationsmoden mit 1=0 sind rotationssymmetrische Faserpropagationsmoden. Somit bezeichnen LP0,1 und LP0,2 die beiden rotationssymmetrischen Faserpropagationsmoden mit der geringsten radialen Ordnung (d.h. m=0 bzw. m=1).
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Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, in einer optischen Faser-Anordnung einen Übergang von einer ersten optischen Faser (in Form einer Monomodefaser oder einer Multimodefaser) zu einer zweiten optischen Faser (in Form einer Multimodefaser) unter Realisierung einer abgewinkelten Spleißverbindung derart zu realisieren, dass gezielt solche Faserpropagationsmoden angeregt und für den Lichttransport genutzt werden, die im optischen Fernfeld der zweiten optischen Faser eine insofern günstige Intensitätsverteilung ergeben, als ausgeprägte Intensitätsspitzen bzw. besonders ausgeprägte Maxima in der lokalen Leistungsdichte im Vergleich zu einer zentrierten bzw. zentrischen und axial perfekt ausgerichteten (d.h. insbesondere keine Abwinkelung aufweisenden) Spleißverbindung signifikant reduziert werden. Dabei bleibt vorzugsweise die integrale optische Leistungsdichte im Vergleich zu einer zentrierten und exakt axial ausgerichteten Spleißverbindung unverändert.
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Die Erfindung beruht weiter auf der Überlegung, dass im Falle einer Nutzung der rotationssymmetrischen Faserpropagationsmoden mit der geringsten radialen Ordnung (d.h. m=0 bzw. m=1) im optischen Fernfeld eine unerwünschte Konzentration der Intensitätsverteilung bzw. der optischen Leistungsdichte auf einen Bereich mit vergleichsweise kleinem Radialwinkel auftritt, die bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gerade vermieden werden kann.
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Dabei wird hier und im Folgenden unter einer Spleißverbindung (engl.: „splice“) in Übereinstimmung mit der üblichen Terminologie ein durch Verschmelzen bzw. Verschweißen hergestellte Kopplung zwischen optischen (Monomode- oder Multimode-)Fasern einer optischen Faser-Anordnung verstanden.
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Die Erfindung geht zunächst von der seitens der Erfinder anhand von Simulationen sowie Messungen gewonnenen Erkenntnis aus, dass bei einer herkömmlicherweise über eine zentrische und axial ausgerichtete Spleißverbindung realisierten Kopplung zwischen einer ersten optischen Faser in Form einer Monomodefaser oder einer Multimodefaser und einer zweiten optischen Faser in Form einer Multimodefaser die im optischen Fernfeld der zweiten optischen Faser bzw. Multimodefaser erzeugte Intensitätsverteilung ausgeprägte Spitzen bzw. Maxima in der lokalen Leistungsdichte aufweist, wodurch eine nachfolgende Optikeinheit entsprechend hohen Bestrahlintensitäten ausgesetzt wird, die eine Degradation bis hin zu einer Zerstörung der in den jeweiligen optischen Elementen vorhandenen Volumen- sowie Beschichtungsmaterialien zur Folge haben können.
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Die Erfindung beruht weiter auf der Überlegung, dass eine Vermeidung solcher Degradationen durch Eliminierung ausgeprägter Intensitätsspitzen bzw. Maxima der lokalen Leistungsdichte erreicht werden kann (wobei eine vollständig homogene Intensitätsverteilung beim Lichteintritt in die betreffende Optikeinheit bzw. im optischen Fernfeld der zur Lichteinkopplung in die Optikeinheit dienenden optischen Multimodefaser weder realisierbar noch erforderlich ist) .
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Im Ergebnis kann mit der erfindungsgemäßen optischen Faser-Anordnung der Transport eines Laser-Lichtstrahls von einer Laserlichtquelle zu einer Optikeinheit (z.B. zu einem Heizsystem zum Heizen eines optischen Elements wie eines Spiegels) derart realisiert werden, dass unter verbesserter Ausnutzung sowohl der optischen Faser-Anordnung als auch der besagten Optikeinheit bzw. durch Vermeidung ausgeprägter Intensitätsspitzen bzw. besonders ausgeprägter Maxima in der lokalen Leistungsdichte das Risiko einer Degradation optischer Komponenten signifikant reduziert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Spleißwinkel derart gewählt, dass Licht beim Übergang von der ersten optischen Faser zur zweiten optischen Faser zu wenigstens 50% in Faserpropagationsmoden eingekoppelt wird, für welche der Öffnungswinkel der Intensitätsverteilung im optischen Fernfeld wenigstens die Hälfte des der numerischen Apertur der zweiten optischen Faser entsprechenden Winkels beträgt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Spleißwinkel derart gewählt, dass beim Übergang von der ersten optischen Faser zur zweiten optischen Faser auftretende Leistungseinkopplungsverluste nicht mehr als 10% betragen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Spleißwinkel derart gewählt, dass für eine vorgegebene Quellleistung der Laserlichtquelle ein im optischen Fernfeld der zweiten optischen Faser auftretender Maximalwert der lokalen Leistungsdichte weniger als die Hälfte, insbesondere weniger als ein Drittel des bei einer entsprechenden Spleißverbindung ohne endlichen Spleißwinkel zwischen den aneinandergrenzenden Abschnitten der ersten optischen Faser und der zweiten optischen Faser im optischen Fernfeld der zweiten optischen Faser auftretenden Maximalwerts der lokalen Leistungsdichte beträgt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Spleißwinkel derart gewählt, dass für eine vorgegebene Quellleistung der Laserlichtquelle ein im optischen Fernfeld der zweiten optischen Faser auftretender Maximalwert der lokalen Leistungsdichte weniger als die Hälfte, insbesondere weniger als ein Drittel der mittleren Leistungsdichte im optischen Fernfeld der zweiten optischen Faser beträgt.
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Des Weiteren wird die erfindungsgemäße Spleißverbindung vorzugsweise derart realisiert, dass bei unvermeidlichen Krümmungen der optischen Faser-Anordnung auftretende Lichtverluste ein akzeptables Maß nicht überschreiten. Dies ist insofern von Bedeutung, als derartige Lichtverluste wiederum mit einer unkontrollierten Strahlungseinkopplung und einem entsprechenden Wärmeeintrag in die nachfolgende Optikeinheit einhergehen können. Des Weiteren werden die erfindungsgemäß zum Lichttransport genutzten Faserpropagationsmoden vorzugsweise so gewählt, dass Überlagerungen von Intensitätsmaxima der jeweiligen im optischen Fernfeld für diese Faserpropagationsmoden erzeugten Intensitätsverteilungen so weit wie möglich vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Spleißverbindung einen Lateralversatz zwischen den aneinandergrenzenden Abschnitten der ersten und der zweiten optischen Faser auf.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die erste optische Faser eine Monomodefaser.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die erste optische Faser eine Multimodefaser.
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Gemäß einer Ausführungsform besitzt der Spleißwinkel einen Wert, welcher wenigstens einem Drittel, insbesondere wenigstens der Hälfte des Wertes des sich aus der numerischen Apertur (NA) der zweiten optischen Faser ergebenden (vom Brechungsindexkontrast zwischen Kern= „Core“ und Mantel= „Cladding“ abhängigen) Akzeptanzwinkels entspricht, bei dem der mit der Lichteinkopplung über diese Faser einhergehende Lichtverlust 50% beträgt. Des Weiteren besitzt der Spleißwinkel vorzugsweise einen Wert, welcher maximal dem Wert dieses sich aus der numerischen Apertur (NA) der zweiten optischen Faser ergebenden Akzeptanzwinkels entspricht. In einem konkreten Beispiel kann die zweite optische Faser eine numerische Apertur von NA= 0.22 (entsprechend einem Winkel von arcsin(NA)= 222 mrad) aufweisen, wobei der Spleißwinkel vorzugsweise wenigstens 75 mrad, insbesondere wenigstens 110 mrad, beträgt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die optische Faser-Anordnung eine solche Faserlänge auf, dass an dem der ersten optischen Faser abgewandten Ende der optischen Faser-Anordnung überwiegend inkohärente Überlagerung von Faserpropagationsmoden stattfindet.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Laserlicht eine Wellenlänge im Bereich von 0.4 µm bis 3 µm auf. In diesem Wellenlängenbereich weisen optische Fasern eine hinreichende Transmission auf, wobei ferner starke Faserlaser in diesem Wellenlängenbereich zur Verfügung stehen.
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Die erfindungsgemäße optische Faser-Anordnung kann insbesondere zur Verwirklichung des eingangs beschriebenen Heizkonzepts (d.h. beim Heizen eines optischen Elements zwecks Vermeidung thermisch induzierter Deformationen) bzw. zur Einkopplung von Laserlicht in eine das betreffende Heizsystem bereitstellende Optikeinheit dienen. Hierbei können die eingangs beschriebenen Degradationseffekte bei optischen Elementen innerhalb der das Heizsystem bildenden Optikeinheit wesentlich reduziert oder sogar vollständig vermieden und ein wesentlich stabileres und robusteres Heizsystem bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Optikeinheit somit ein Heizsystem zum Heizen eines optischen Elements durch Beaufschlagen mit elektromagnetischer Heizstrahlung.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das zu heizende optische Element ein Spiegel.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das zu heizende optische Element für eine Arbeitswellenlänge von weniger als 30 nm, insbesondere weniger als 15 nm, ausgelegt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das optische System ein optisches System einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, insbesondere eine Beleuchtungseinrichtung oder ein Projektionsobjektiv.
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Die Erfindung betrifft weiter auch eine mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage mit einem optischen System, welches die vorstehend beschriebenen Merkmale aufweist.
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Die Erfindung betrifft weiter auch ein Verfahren zum Heizen eines optischen Elements, wobei das optische Element über wenigstens ein Heizsystem mit elektromagnetischer Heizstrahlung beaufschlagt wird, wobei ein optisches System mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen verwendet wird.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Heizen des optischen Elements derart, dass eine örtliche und/oder zeitliche Variation einer Temperaturverteilung in dem optischen Element reduziert wird.
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Die Erfindung betrifft weiter auch ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Faser-Anordnung zum Transport von Laserlicht von einer Laserlichtquelle zu einer Optikeinheit, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Bereitstellen einer ersten optischen Faser und einer zweiten optischen Faser; und
- - Ausbilden einer Spleißverbindung zwischen der ersten optischen Faser und der zweiten optischen Faser unter Einstellen eines vorab ermittelten Wertes eines Spleißwinkels, wobei bei dieser Vorab-Ermittlung des Wertes des Spleißwinkels für eine Mehrzahl unterschiedlicher Werte des Spleißwinkels jeweils durch Simulation oder Messung eine Intensitätsverteilung ermittelt wird, die bei Einkopplung von Laserlicht von der ersten optischen Faser in die zweite optische Faser im optischen Fernfeld der zweiten optischen Faser erzeugt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform wird bei der Vorab-Ermittlung jeweils das Verhältnis zwischen Maximalwert und Mittelwert der lokalen Leistungsdichte der im optischen Fernfeld der zweiten optischen Faser erzeugten Intensitätsverteilung ermittelt.
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Zur praktischen Realisierung des o.g. Konzepts kann somit numerisch in einer Simulation und/oder messtechnisch ein „Winkel-Scan“ durchgeführt werden, bei dem jeweils in Abhängigkeit vom Spleißwinkel (d.h. dem in der Spleißverbindung zwischen erster und zweiter optischer Faser erzeugten Winkel) die sich im Fernfeld der zweiten optischen Faser in einer vorbestimmten Ebene (z.B. am Lichteintritt der nachfolgenden Optikeinheit wie etwa eines Heizsystems) einstellende Intensitätsverteilung ermittelt wird. Sodann können diese Intensitätsverteilungen hinsichtlich der Breite des jeweiligen Intensitätsprofils und der Höhe der auftretenden Intensitätsmaxima ausgewertet werden. Dabei kann insbesondere ein solcher Spleißwinkel ausgewählt bzw. als für den Übergang zwischen erster optischer Faser und zweiter optischer Faser in der erfindungsgemäßen optischen Faser-Anordnung geeignet festgelegt werden, welcher einem hinreichend breiten Intensitätsprofil mit hinreichend niedrigen bzw. sich möglichst wenig vom jeweiligen Intensitätsmittelwert der Intensitätsverteilung unterscheidenden Intensitätsmaxima entspricht.
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Dabei wird erfindungsgemäß bewusst der mit der Ermittlung von Intensitätsverteilungen für eine Mehrzahl unterschiedlicher Werte des Spleißwinkels durch Simulation oder Messung (entsprechend einem „Winkel-Scan“) einhergehende zusätzliche Aufwand in Kauf genommen, um im Gegenzug die zuvor beschriebenen Vorteile hinsichtlich geringerem Degradationsrisiko und erhöhter Robustheit des optischen Systems zu erzielen.
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Zu Vorteilen und weiteren bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens wird auf die o.g. Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen optischen System Bezug genommen.
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In Ausführungsformen können auch eine numerische Untersuchung und eine messtechnische Untersuchung insofern miteinander kombiniert werden, als zunächst numerisch per Simulation ein eingegrenzter Wertebereich für den Spleißwinkel ermittelt und dann für unterschiedliche Spleißwinkel innerhalb dieses eingegrenzten Wertebereichs die sich im optischen Fernfeld der zweiten optischen (Multimode-)Faser bzw. in einer vorbestimmten Ebene (z.B. am Eingang eines Heizsystems) einstellende Intensitätsverteilung messtechnisch erfasst wird.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1-2b schematische Darstellungen zur Erläuterung des möglichen Aufbaus eines eine erfindungsgemäße optische Faser-Anordnung aufweisenden optischen Systems;
- 3a-6c Diagramme zur Erläuterung eines der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Konzepts;
- 7 eine schematische Darstellung des möglichen Aufbaus eines Heizsystems zum Heizen eines optischen Elements in einer ersten Ausführungsform; und
- 8 eine schematische Darstellung des möglichen Aufbaus einer für den Betrieb im EUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 sowie 2a-2b zeigen zunächst in schematischer und vereinfachter Weise Darstellungen zur Erläuterung des möglichen Aufbaus eines eine erfindungsgemäße optische Faser-Anordnung aufweisenden optischen Systems.
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Gemäß 1 dient eine optische Faser-Anordnung zur Einkopplung von Laserlicht, welches durch eine in einem Lasermodul 110 vorhandene Laserlichtquelle erzeugt wird, in eine Optikeinheit 130. Bei der Optikeinheit 130 kann es sich beispielsweise (jedoch ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) um ein im Weiteren anhand konkreter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf 7 noch näher beschriebenes Heizsystem handeln.
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Die optische Faser-Anordnung weist eine Mehrzahl von jeweils über Spleißverbindungen miteinander gekoppelten optischen Fasern auf, wobei in 1 lediglich beispielhaft fünf solcher Spleißverbindungen 121-125 angedeutet sind. Ebenfalls in 1 angedeutet ist eine mit „126“ bezeichnete Vakuumdurchführung.
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2a zeigt in einer möglichen Ausgestaltung eine vergrößerte Ansicht, wobei hier das Lasermodul mit „210“ bezeichnet ist. Gemäß 2a geht von einer in dem Lasermodul 210 vorhandenen Laserlichtquelle 201 (z.B. einem IR-Laser zur Erzeugung von IR-Strahlung mit einer beispielhaften Wellenlänge von 1565 nm) zunächst eine Monomodefaser 202 aus, welche über eine Spleißverbindung 205 mit einer ersten Multimodefaser 203 gekoppelt ist. Ebenfalls noch angedeutet ist über eine weitere Spleißverbindung 206 mit der ersten Multimodefaser 204 gekoppelte zweite Multimodefaser 204.
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Wie in 2a angedeutet wird hier erfindungsgemäß die Spleißverbindung 205 zwischen der Monomodefaser 202 und der ersten Multimodefaser 203 mit einem endlichen Spleißwinkel ausgestaltet. Zusätzlich kann zwischen den aneinandergrenzenden Abschnitten von Monomodefaser 202 und Multimodefaser 203 auch ein Lateralversatz vorgesehen sein.
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2b zeigt eine weitere Ausführungsform, wobei im Vergleich zu 2a analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „50“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Ausführungsform gemäß 2b unterscheidet sich von derjenigen gemäß 2a dadurch, dass nicht die Spleißverbindung 255 zwischen der Monomodefaser 252 und der ersten Multimodefaser 253, sondern die Spleißverbindung 256 zwischen der ersten Multimodefaser 253 und der zweiten Multimodefaser 254 mit einem endlichen Spleißwinkel ausgestaltet ist. Ferner befindet sich gemäß 2b diese mit endlichem Spleißwinkel ausgestaltete Spleißverbindung 256 außerhalb des Lasermoduls 250.
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Die Ausgestaltung der Spleißverbindung 105 zwischen Monomodefaser 102 und Multimodefaser 103 gemäß 2a bzw. die Ausgestaltung der Spleißverbindung 256 zwischen erster Multimodefaser 253 und zweiter Multimodefaser 254 mit jeweils endlichem Spleißwinkel erfolgt in solcher Weise, dass gezielt Faserpropagationsmoden angeregt und für den Lichttransport genutzt werden, die im optischen Fernfeld der Multimodefaser 103 bzw. 254 eine insofern günstige Intensitätsverteilung ergeben, als ausgeprägte Intensitätsspitzen bzw. besonders ausgeprägte Maxima in der lokalen Leistungsdichte im Vergleich zu einer zentrierten und axial perfekt ausgerichteten (d.h. weder eine Abwinkelung noch einen Lateralversatz aufweisenden) Spleißverbindung signifikant reduziert werden. Dabei bleibt vorzugsweise die integrale optische Leistungsdichte im Vergleich zu einer zentrierten und axial perfekt ausgerichteten Spleißverbindung unverändert.
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Wenngleich im Weiteren bei der detaillierteren Betrachtung die Ausführungsform gemäß 2a (d.h. mit abgewinkelter Spleißverbindung 205 zwischen Monomodefaser 102 und Multimodefaser 103) zugrundegelegt ist, sind die betreffenden Überlegungen analog auch auf die Ausführungsform gemäß 2b (d.h. mit abgewinkelter Spleißverbindung 256 zwischen aneinander angrenzenden Multimodefasern 253 und 254) anwendbar.
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3a-3b zeigen zur Erläuterung eines der Erfindung zugrunde liegenden Konzepts und für eine vorgegebene Laserlicht-Einkopplung Amplitudenprofile des elektrischen Feldstärkevektors im optischen Nahfeld (= 3a) bzw. Intensitätsprofile im optischen Fernfeld (= 3b) der Multimodefaser 103 für die unterschiedlichen Faserpropagationsmoden entsprechend den unterschiedlichen Ordnungen bzw. den jeweiligen Kombinationen von Azimutalmodenindex l und Radialmodenindex m (wobei für die rotationssymmetrischen Faserpropagationsmoden 1=0 gilt). Es zeigt sich, dass bei Nutzung des rotationssymmetrischen Faserpropagationsmodes niedrigster Ordnung (d.h. 1=0, m=1) im optischen Nahfeld der korrespondierende Faserpropagationsmode im optischen Fernfeld zu einer starken Konzentration der Intensitätsverteilung bzw. der optischen Leistungsdichte auf einen Bereich mit vergleichsweise kleinem Radialwinkel (Bereich „F“ in 4) zeigt. 4 zeigt beispielhafte radiale Fernfeld-Intensitätsprofile für alle Moden der radialen Ordnung m=1, wobei sich die Skalierung der Leistungsdichte auf 1 W Leistung pro Mode bezieht.
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Da die o.g. Konzentration der Intensitätsverteilung in der nachfolgenden Optikeinheit zu unerwünscht hohen lokalen Spitzen in der optischen Leistungsdichte führt, erfolgt erfindungsgemäß eine bevorzugte Nutzung solcher Faserpropagationsmoden im optischen Nahfeld der Multimodefaser 103, welche im optischen Fernfeld der Multimodefaser 103 insofern günstigere Faserpropagationsmoden anregen, als die gemäß 3b zu diesen Faserpropagationsmoden gehörenden Intensitätsprofile eine breitere Verteilung bzw. weniger ausgeprägte lokale Maxima aufweisen, die optische Leistungsdichte also auf einen größeren Bereich des Radialwinkels verteilt ist (Bereich „G“ in 4).
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Dies bedeutet, dass Faserpropagationsmoden im optischen Nahfeld aus dem in 3a mit „A“ bezeichneten Bereich, welche im optischen Fernfeld der Multimodefaser 103 die Faserpropagationsmoden in dem in 3b mit „E“ bezeichneten Bereich anregen, vorzugsweise nicht zur Energieübertragung genutzt werden sollen.
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Die Erfindung beruht dabei auf der Überlegung, dass im Falle einer Nutzung derjenigen rotationssymmetrischen Faserpropagationsmoden mit der geringsten radialen Ordnung (d.h. m=0 bzw. m=1) im optischen Fernfeld eine unerwünscht starke Konzentration der Intensitätsverteilung bzw. der optischen Leistungsdichte auf einen Bereich mit vergleichsweise kleinem Radialwinkel auftritt, die bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gerade vermieden werden kann.
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In 5 ist die Abhängigkeit der Moden-Leistungseinkopplungseffizienz vom Kippwinkel bzw. Spleißwinkel der Spleißverbindung der optischen Faseranordnung aufgetragen.
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Für geringe Kippwinkel ergibt sich gemäß 5 eine vergleichsweise hohe Leistungseinkopplungseffizienz gerade für solche Faserpropagationsmoden, bei denen im optischen Fernfeld eine unerwünscht starke Konzentration der Intensitätsverteilung bzw. der optischen Leistungsdichte auf einen Bereich mit vergleichsweise kleinem Radialwinkel auftritt, nämlich die rotationssymmetrischen Faserpropagationsmoden von niedriger radialer Ordnung. Mit steigendem Wert des Kippwinkels bzw. Spleißwinkels nehmen die Leistungseinkopplungseffizienzen für diese unerwünschten Faserpropagationsmoden ab, wohingegen in vorteilhafter Weise die Leistungseinkopplungseffizienzen von Faserpropagationsmoden mit vergleichsweise günstigerer (weil relativ geringere Maximalwerte aufweisender) Verteilung der optischen Leistungsdichte im Fernfeld zunehmen.
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Berücksichtigt man weiter, dass auch Faserpropagationsmoden mit ausgeprägten lokalen Maxima der Intensitätsverteilung im optischen Nahfeld der Multimodefaser 103 unerwünscht sind, ergibt sich außerdem, dass die Faserpropagationsmoden aus dem in 3a mit „B“ bezeichneten Bereich ebenfalls nicht zur Energieübertragung genutzt werden sollen.
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Wie ebenfalls aus 5 ersichtlich fällt die über sämtliche Moden summierte Leistungseinkopplungseffizienz (nach anfänglichem Plateau bei nahezu 100%) für hohe Werte des Kipp- bzw. Spleißwinkels, also oberhalb eines Kipp- bzw. Spleißwinkels von im konkreten Beispiel etwa 140mrad ab, so dass aufgrund der entsprechenden Verluste höhere Werte des Kipp- bzw. Spleißwinkels nicht mehr bevorzugt sind.
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Berücksichtigt man, dass Faserpropagationsmoden mit ausgeprägten Biegeverlusten (d.h. Leistungsverlusten, die bei unvermeidlichen Krümmungen der Multimodefaser 103 auftreten) unerwünscht sind, ergibt sich außerdem, dass die Faserpropagationsmoden aus dem in 3a mit „C“ bezeichneten Bereich ebenfalls nicht zur Energieübertragung genutzt werden sollen.
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Im Ergebnis erweist sich eine Nutzung von Faserpropagationsmoden in dem in 3a mit „D“ bezeichneten Bereich insofern als vorteilhaft, als in diesem Falle bei der Energieübertragung über die optische Faser-Anordnung zum einen eine unter dem Aspekt der Vermeidung einer Degradation optischer Elemente in einer nachfolgenden Optikeinheit hinreichend breite Intensitätsverteilung bereitgestellt wird und zum anderen auch ausgeprägte lokale Maxima der Intensitätsverteilung im optischen Nahfeld der Multimodefaser 103 sowie starke Biegeverluste bei unvermeidlichen Krümmungen der Multimodefaser 103 vermieden werden.
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Im Weiteren wird anhand von 6a-6c der erfindungsgemäß erzielte Effekt auf die im optischen Fernfeld der Multimodefaser 103 erzeugte Intensitätsverteilung dargestellt.
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Die Abbildungen gemäß 6a-6c stellen den Fall der inkohärenten Überlagerungen von Faserpropagationsmoden dar. In diesem Fall ist die Länge der Faser so gewählt, dass die optische Weglängendifferenzen der beteiligten Faserpropagationsmoden größer als die Kohärenzlänge des Lasers sind. In dem Falle der inkohärenten Überlagerung addieren sich also die Intensitätsbeiträge der einzelnen Moden. Im Falle einer kohärenten oder teilkohärenten Überlagerung entsteht hingegen Modeninterferenz im Fernfeld, die auch zu ungünstigen Intensitätsspitzen führen kann. Deshalb ist der Fall der inkohärenten Überlagerung bevorzugt, und die Faserlänge wird in Kombination mit der Kohärenzlänge des Lasers so gewählt, dass am entfernten Faserende (d.h. dem der ersten optischen Faser abgewandten Ende der optischen Faser-Anordnung) vorwiegend inkohärente Überlagerung von Faserpropagationsmoden stattfindet.
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Dabei wird ausgehend von einem herkömmlichen Szenario gemäß 6a mit zentrierter und axial ausgerichteter Spleißverbindung zwischen einer erster optischer Faser (z.B. Monomodefaser 102) und zweiter optischer Faser (z.B. Multimodefaser 103) gemäß 6b lediglich ein Lateralversatz von 15 µm bzw. gemäß 6c eine Abwinkelung von im Ausführungsbeispiel 132 mrad eingestellt.
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Erfindungsgemäß kann in diesem Beispiel im Wege der Optimierung des Spleißwinkels zwischen den aneinandergrenzenden Abschnitten von Monomodefaser 102 und Multimodefaser 103 gemäß 6c das in der Intensitätsverteilung auftretende Intensitätsmaximum im Vergleich zur herkömmlichen Ausgestaltung von 6a um einen Faktor 14 reduziert werden. Durch Optimierung des Lateralversatzes (und ohne Abwinkelung) zwischen den aneinandergrenzenden Abschnitten von Monomodefaser 102 und Multimodefaser 103 kann das in der Intensitätsverteilung auftretende Intensitätsmaximum im Vergleich zur herkömmlichen Ausgestaltung von 6a um einen Faktor 1.8 reduziert werden.
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Die erfindungsgemäße optische Faser-Anordnung kann insbesondere zur Verwirklichung eines Heizkonzepts (d.h. beim Heizen eines optischen Elements zwecks Vermeidung thermisch induzierter Deformationen) bzw. zur Einkopplung von Laserlicht in eine das betreffende Heizsystem bereitstellende Optikeinheit dienen. Hierbei können Degradationseffekte bei optischen Elementen innerhalb der das Heizsystem bildenden Optikeinheit wesentlich reduziert oder sogar vollständig vermieden und ein wesentlich stabileres und robusteres Heizsystem bereitgestellt werden.
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7 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus eines Heizsystems 700 zum Heizen eines optischen Elements (z.B. einen EUV-Spiegel der mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage von 8). Gemäß 7 tritt ein von einer (nicht dargestellten) Laserlichtquelle erzeugter Strahl an einem mit „701“ bezeichneten Faserende aus und durchläuft einen optischen Kollimator 710. Der aus dem Kollimator 710 austretende, kollimierte Strahl durchläuft einen optischen Retarder 723, ein diffraktives optisches Element (DOE) 724 sowie ein optisches Teleskop 730. Der (optionale) optische Retarder 723 dient zur Einstellung eines gewünschten Polarisationszustandes. Das diffraktive optische Element 724 dient als Strahlformungseinheit zur Aufprägung eines individuellen Heizprofils in das zu heizende optische Element im Wege einer Strahlformung der auf das optische Element zu lenkenden elektromagnetischen Heizstrahlung (z.B. IR-Strahlung). Anstelle des diffraktiven optischen Elements 724 kann auch ein refraktives oder reflektives optisches Element eingesetzt werden. Das optische Teleskop 730 dient zur Bereitstellung einer geeigneten zusätzlichen Strahlablenkung vor Einkopplung der elektromagnetischen Heizstrahlung in das zu heizende optische Element bzw. den EUV-Spiegel.
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In Ausführungsformen können auch mehrere, unabhängig voneinander ansteuerbare Heizsysteme mit dem anhand von 7 beschriebenen Aufbau vorgesehen und ein- und demselben optischen Element zugeordnet sein, um je nach aktuell gewähltem Beleuchtungssetting ein geeignetes Heizprofil in dem optischen Element bzw. EUV-Spiegel einstellen zu können.
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In weiteren Ausführungsformen kann es sich bei dem zu heizenden optischen Element auch um einen für andere Arbeitswellenlängen (z.B. für den DUV-Bereich, d.h. für Wellenlängen kleiner als 250 nm, insbesondere kleiner als 200 nm) ausgelegten Spiegel oder auch um eine Linse handeln.
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8 zeigt schematisch im Meridionalschnitt den möglichen Aufbau einer für den Betrieb im EUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage. Gemäß 8 weist die Projektionsbelichtungsanlage 1 eine Beleuchtungseinrichtung 2 und ein Projektionsobjektiv 10 auf. Die Beleuchtungseinrichtung 2 dient dazu, ein Objektfeld 5 in einer Objektebene 6 mit Strahlung einer Strahlungsquelle 3 über eine Beleuchtungsoptik 4 zu beleuchten. Belichtet wird hierbei ein im Objektfeld 5 angeordnetes Retikel 7. Das Retikel 7 ist von einem Retikelhalter 8 gehalten. Der Retikelhalter 8 ist über einen Retikelverlagerungsantrieb 9 insbesondere in einer Scanrichtung verlagerbar. In 8 ist zur Erläuterung ein kartesisches xyz-Koordinatensystem eingezeichnet. Die x-Richtung verläuft senkrecht zur Zeichenebene hinein. Die y-Richtung verläuft horizontal und die z-Richtung verläuft vertikal. Die Scanrichtung verläuft in 8 längs der y-Richtung. Die z-Richtung verläuft senkrecht zur Objektebene 6.
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Das Projektionsobjektiv 10 dient zur Abbildung des Objektfeldes 5 in ein Bildfeld 11 in einer Bildebene 12. Abgebildet wird eine Struktur auf dem Retikel 7 auf eine lichtempfindliche Schicht eines im Bereich des Bildfeldes 11 in der Bildebene 12 angeordneten Wafers 13. Der Wafer 13 wird von einem Waferhalter 14 gehalten. Der Waferhalter 14 ist über einen Waferverlagerungsantrieb 15 insbesondere längs der y-Richtung verlagerbar. Die Verlagerung einerseits des Retikels 7 über den Retikelverlagerungsantrieb 9 und andererseits des Wafers 13 über den Waferverlagerungsantrieb 15 kann synchronisiert zueinander erfolgen.
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Bei der Strahlungsquelle 3 handelt es sich um eine EUV-Strahlungsquelle. Die Strahlungsquelle 3 emittiert insbesondere EUV-Strahlung, welche im Folgenden auch als Nutzstrahlung oder Beleuchtungsstrahlung bezeichnet wird. Die Nutzstrahlung hat insbesondere eine Wellenlänge im Bereich zwischen 5 nm und 30 nm. Bei der Strahlungsquelle 3 kann es sich zum Beispiel um eine Plasmaquelle, eine synchrotronbasierte Strahlungsquelle oder um einen Freie-Elektronen-Laser („Free-Electron-Laser“, FEL) handeln. Die Beleuchtungsstrahlung 16, die von der Strahlungsquelle 3 ausgeht, wird von einem Kollektor 17 gebündelt und propagiert durch einen Zwischenfokus in einer Zwischenfokusebene 18 in die Beleuchtungsoptik 4. Die Beleuchtungsoptik 4 weist einen Umlenkspiegel 19 und diesem im Strahlengang nachgeordnet einen ersten Facettenspiegel 20 (mit schematisch angedeuteten Facetten 21) und einen zweiten Facettenspiegel 22 (mit schematisch angedeuteten Facetten 23) auf.
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Das Projektionsobjektiv 10 weist eine Mehrzahl von Spiegeln Mi (i= 1, 2, ...) auf, welche gemäß ihrer Anordnung im Strahlengang der Projektionsbelichtungsanlage 1 durchnummeriert sind. Bei dem in der 8 dargestellten Beispiel weist das Projektionsobjektiv 10 sechs Spiegel M1 bis M6 auf. Alternativen mit vier, acht, zehn, zwölf oder einer anderen Anzahl an Spiegeln Mi sind ebenso möglich. Der vorletzte Spiegel M5 und der letzte Spiegel M6 weisen jeweils eine Durchtrittsöffnung für die Beleuchtungsstrahlung 16 auf. Bei dem Projektionsobjektiv 10 handelt es sich um eine doppelt obskurierte Optik. Das Projektionsobjektiv 10 hat eine bildseitige numerische Apertur, die größer ist als 0.5 und die auch größer sein kann als 0.6 und die beispielsweise 0.7 oder 0.75 betragen kann.
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Im Betrieb der mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage 1 wird die auf die optische Wirkfläche der Spiegel auftreffende elektromagnetische Strahlung zum Teil absorbiert und führt wie eingangs erläutert zu einer Erwärmung und einer damit einhergehenden thermischen Ausdehnung bzw. Deformation, welche wiederum eine Beeinträchtigung der Abbildungseigenschaften des optischen Systems zur Folge haben kann. Das anhand von 6 beschriebene Konzept zum Heizen eines optischen Elements kann somit insbesondere vorteilhaft auf einen beliebigen Spiegel der mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage 1 von 8 angewendet werden.
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Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017207862 A1 [0008]
