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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Aufnahme von Messinstrumenten, insbesondere von Interferometern,
gebildet aus mehreren untereinander verbundenen Strukturelementen
aus wenigstens einem Material, wobei das wenigstens eine Material einen
sehr geringen thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten α aufweist,
insbesondere eine Glaskeramik oder eine Metalllegierung.
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Außerdem betrifft die hier vorliegende
Erfindung auch eine Vorrichtung zum spannungsfreien Verbinden von
wenigstens zwei Bauteilen.
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Bei optischen Systemen, welche zur
Erzeugung von optischen Abbildungen mit einer sehr hohen Genauigkeit
geeignet sein sollen, beispielsweise optische Systeme für die Lithographie,
müssen
die einzelnen optischen Elemente hinsichtlich ihrer Ausrichtung
in allen sechs Freiheitsgraden möglichst
exakt positioniert werden.
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Derartige optische Systeme weisen
häufig Sensoren
auf, welche die Lage des optischen Elementes überwachen können und Weglängenmessungen
bzw. Messungen zur Weglängenänderung durchführen.
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Werden derartige optische Systeme
in der Praxis eingesetzt, kann es zu Belastungen des optischen Systems
selbst durch Temperaturschwankungen, die durch Umwelteinflüsse auftreten
können, kommen.
Diese Temperaturschwankungen können die
Ergebnisse, speziell bei Objektiven in der Halbleiterlithographie,
gravierend beeinflussen, wobei zum Erzielen einer sehr hohen Messgenauigkeit
der Einfluss von thermischer Ausdehnung minimiert werden sollte.
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In der nicht vorveröffentlichten
DE 101 34 387.6 wird ein
Objektiv, insbesondere für
die Halbleiterlithographie, beschrie ben, welches zwei getrennte Strukturen
aufweist. Eine Laststruktur ist zur Aufnahme von optischen Elementen,
insbesondere von Spiegeln vorgesehen, wobei eine weitere Struktur
als Mess- bzw. Referenzrahmen ausgebildet ist. Die Laststruktur
trägt dabei
die gesamte Last des optischen Elementes und die bei entsprechenden
Bewegungen auftretenden Reaktionskräfte. Die Messstruktur trägt hingegen
nur ihr eigenes Gewicht, so dass eine hohe Stabilität der Messstruktur
erreichbar ist.
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Ein derartiger Messrahmen lässt sich
aus dem Stand der Technik bekannten Materialien mit einer sehr kleinen
Wärmeausdehnung,
wie beispielsweise ZERODUR®, ULE oder dergleichen
herstellen. Größere Messrahmen
müssen
jedoch aus mehreren Strukturteilen aus derartigen Materialien zusammengesetzt
und verbunden werden. Die eingesetzten Materialien weisen zwar eine
kleine Wärmeausdehnung
auf, aber sie sind aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften jedoch
nicht zur Herstellung von zur Montage notwendigen Verbindungselementen
geeignet. Im Bereich der Verbindungen zwischen den einzelnen Strukturelementen
werden aufgrund der dort eingesetzten Materialien der Verbindungselemente also
sehr viel höhere
Wärmeausdehnungen
auftreten. Der gesamte Messrahmen wird sich also mit auftretenden
Temperaturschwankungen in seinen geometrischen Abmessungen insoweit ändern, dass eine
geforderte Genauigkeit im Nanometerbereich nicht mehr gegeben ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, einen derartigen die Messinstrumente
tragenden Messrahmen zu realisieren, um die vorstehend genannten
Nachteile zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Strukturelemente, auf welchen die Messinstrumente angeordnet
sind, so zwischen wenigstens zwei Strukturseitenteilen befestigt
sind, dass die thermischen Ausdehnungen der Strukturseitenteile
und der Verbindungen in Messrichtung der Messinstrumente ohne Wirkung
sind.
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Die Strukturelemente werden aus dem
an sich bekannten und in diesem Bereich der Technik üblichem
Material mit sehr geringem thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten α, wie beispielsweise
Glaskeramik, hier insbesondere ZERODUR®, gefertigt. Die Anordnung und
Verbindung der einzelnen Strukturelemente erfolgt so, dass die thermische Wärmeausdehnung
der Verbindungen zwischen den Strukturelementen sich nur in einer
Richtung auswirken, welche nicht zu der für die Positionierung der Messinstrumente
verantwortliche Richtung bzw. senkrecht zu den die Messinstrumente
tragenden Strukturelementen steht.
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Durch diese erfindungsgemäße Lösung kann
sich nun die Vorrichtung bei Temperaturschwankungen nur in bestimmten
Richtungen, welche für
die Messaufgaben im Nanometerbereich nicht relevant sind, ausdehnen.
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Dadurch ist ein sehr steifes System
möglich, welches
temperaturunabhängig
seine Form und Position beibehält.
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In besonders vorteilhafter Weise
kann vorgesehen sein, dass alle Verbindungen über Verbindungselemente realisierbar
sind, wobei bei Temperaturschwankungen nur Strukturelemente beeinflussbar
sind, die keine Messinstrumente tragen und für Positionsbestimmungen in
einem anderen Bauteil unzuständig
sind.
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Dadurch, dass keine direkten Verbindungen der
Strukturelemente vorhanden sind, sondern die Verbindungen über Verbindungselemente
vorgenommen werden, treten nur Ausdehnungen, welche unweigerlich
bei Temperaturänderungen
zustande kommen, nur in Richtungen auf, die keinen Einfluss auf
die Messposition haben. Somit kann eine sehr hohe Messgenauigkeit
erreicht werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausbildung
der Erfindung ist durch den Anspruch 7 gekennzeichnet.
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Hierbei werden zum spannungsfreien
Verbinden von zwei Struk turteilen Verbindungselemente und Befestigungsmittel
eingesetzt, wobei die thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten α der Strukturelemente
und der Verbindungselemente bzw. dem Befestigungsmittel nicht den
gleichen Wert aufweisen. Jedes Strukturelement ist über ein
symmetrisch zu dem Strukturelement ausgebildetes Verbindungselement
gefasst. Die Verbindungselemente werden mit den jeweiligen Strukturelementen
in vorteilhafterweise über
ein Klebemittel verbunden. Der Vorteil dieser Befestigung der Strukturelemente über die Verbindungselemente
liegt darin, dass bei eventuellen Temperaturschwankungen die Position
der Strukturelemente erhalten bleibt. Durch eine Vielfachklebung
der Strukturelemente mit den Verbindungselementen wird garantiert,
dass kein Abschälen
möglich ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen sowie
aus dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Es zeigt:
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1 eine
prinzipmäßige Darstellung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Aufnahme von Messinstrumenten in der Draufsicht;
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2 der
Aufbau gemäß 1 in einer prinzipmäßigen Seitenansicht;
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3 eine
prinzipmäßige Darstellung
einer Vorrichtung zum spannungsfreien Verbinden von Bauteilen;
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4 der
Aufbau gemäß 3 in einer prinzipmäßigen Seitenansicht;
und
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5 eine
perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Messinstrumenten.
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1 zeigt
eine prinzipmäßige Darstellung einer
erfindungs gemäßen Vorrichtung 1,
welche zur Aufnahme von Messinstrumenten 2, hier insbesondere
von Interferometern, dient bei Draufsicht in der Einbaulage. In
dem hier stark vereinfachten Ausführungsbeispiel wird die Vorrichtung
1, im nachfolgenden auch als Messstruktur bezeichnet, als temperaturstabile
Konstruktion zur Aufnahme der Messmittel (Interferometer 2)
ausgeführt.
Um eine Temperaturstabilität
zu erreichen, ist die Anordnung von Verbindungselementen 3 für Strukturelemente 4, 5, 6 und 7 so
zu wählen,
dass Ausdehnungen der Verbindungselemente 3 wie auch der
Strukturelemente 4, 5, 6 und 7 akzeptiert
werden können,
jedoch die Ausdehnungen nicht in der Messrichtung der Interferometer
2 wirksam werden. Um nur minimal kleine Ausdehnungen zu erzielen,
ist der thermische Wärmeausdehnungskoeffizient α der Strukturelemente 4, 5, 6 und 7 so
gering wie möglich
zu halten, was bedeutet, dass Materialien, wie Glaskeramik oder
Metalllegierungen, für
die Strukturelemente 4, 5, 6 und 7 eingesetzt
werden sollten. Da nach dem heutigen Stand der Technik Glaskeramiken
nicht verschraubbar, klemmbar oder derartige Verbindungen machbar
sind, müssen
die Verbindungselemente 3 diese Aufgabe übernehmen. Die
Verbindungselemente 3 sollten dabei ebenfalls aus einem
Material mit sehr geringem thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten α gefertigt
werden, um größere Wärmeausdehnungen
zu vermeiden. Das hier verwendete Material für die Verbindungselemente 3 ist
INVAR, wobei auch andere Materialien mit einem entsprechend kleinen
thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten α eingesetzt
werden können.
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Die Interferometer 2 sind
auf den Strukturelementen 4 angeordnet. Die Strukturelemente 4 werden
so mit den Strukturseitenteilen 5 über die Verbindungselemente 3 befestigt,
dass die thermischen Ausdehnungen der Strukturseitenteile 5 und
der Verbindungselemente 3 sich nicht zur Messrichtung der Interferometer 2 auswirken.
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Insgesamt gesehen bilden die Strukturelemente 4 mit
den Strukturseitenteilen 5 einen Quader, wobei die Strukturseitenteile 5 über ein
dazwischen angeordnetes Strukturrückenteil 6, welches
in diesem Ausführungsbeispiel
nicht dargestellt ist, be festigt sind. Das Strukturrückenteil 6 ist
nicht mit den Strukturelementen 4, auf welchen die Interferometer 2 angeordnet
sind, direkt verbunden.
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Die Strukturseitenteile 5 und
die Strukturelemente 4 sind mit einer Strukturvorderplatte 7 ebenfalls über die
Verbindungselemente 3 verbunden. Je nach Temperaturschwankungen
können
sich die Strukturseitenplatten 5 über die Verbindungselemente 3 nach
innen bzw. nach außen
bewegen, aber die Strukturelemente 4 sollen zur Strukturvorderplatte 7 stabil
stehen. Dies ist Voraussetzung, damit eine höchstgenaue Messung durch die
Interferometer 2 erfolgen kann.
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Die 1 zeigt
deutlich, dass sich die Strukturseitenteile 5 über die
Verbindungselemente 3 bei Temperaturänderungen bewegen können, jedoch
ein Abstand a sich nur entsprechend dem thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten α des Strukturmaterials,
hier insbesondere ZERODUR®,
bewegt.
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Eine Seitenansicht der in 1 dargestellten Messstruktur 1 ist
in 2 dargestellt. Die
Strukturelemente 4 sind in z-Richtung weiter ausgeführt, um die
Interferometer 2 direkt aufnehmen zu können und so eine Messung innerhalb
eines Freiraumes 8, wobei in diesem Freiraum 8 ein
Messobjekt, insbesondere ein optisches Element, eingebracht werden kann,
durchführen
zu können.
In die Strukturseitenteile 5 sind Aussparungen 9 eingebracht.
Die Aussparungen 9 können
selbstverständlich
auch in allen anderen Strukturelementen 4, 6 und 7 eingebracht werden.
Die Aussparungen 9 dienen im allgemeinen zur Gewichtserleichterung,
da die Messstruktur 1 bei einer größeren Bauweise ein relativ
hohes Gewicht aufweisen würde.
Ebenfalls dienen die Aussparungen 9 zur gleichmäßigen Temperierung
einer Einrichtung, in welche die Messstruktur 1 eingebracht
werden kann. Die Aussparungen 9 gewährleisten deshalb die Durchlüftung, da
ansonsten Wärmestaus
innerhalb der Messstruktur 1 zustande kommen könnten und
sich dadurch die ganze Rahmenstruktur verziehen würde. Auch
gezielte Durchströmung
ist damit möglich.
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Wie in den 1 und 2 deutlich
zu erkennen ist, werden die Strukturelemente 4, 5, 6 und 7 nur über die
Verbindungselemente 3 miteinander verbunden, was bedeutet,
dass eine direkte Anbindung der Strukturelemente 4 (Plattform
für die
Messmittel) und des Strukturvorderteiles 7 (Plattform für die Befestigung
in einer Vorrichtung) nicht gegeben ist und somit das Ausdehnungsverhalten
der Verbindungselemente 3 zwischen diesen beiden oder weiteren Strukturelementen 4 nicht
zum tragen kommt.
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In 3 wie
auch in 4 ist die Verbindungsvorrichtung 3 näher dargestellt.
Die Verbindungsvorrichtung 3 ist jeweils in diesem Ausführungsbeispiel
mit dem Strukturseitenteil 5 und mit dem Strukturvorderteil 7 verbunden.
Verbindungselemente 10 und 10' sind im Querschnitt H-förmig ausgebildet.
In eine Öffnung
oder Aussparung der Strukturelemente 5 und 7 sind
die Verbindungselemente 10 und 10' so eingebracht, dass das Material
der Strukturelemente 5 und 7 jeweils zwischen
Schenkeln der H-förmigen
Verbindungselemente 10 und 10' angeordnet ist. Dies gewährleistet
eine symmetrisch zu den Strukturelementen 5 und 7 ausgebildete Verbindungsvorrichtung 3.
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An den Verbindungselementen 10 und 10' sind Bohrungen 11 vorgesehen,
in denen Klebemittel zur Befestigung der Verbindungselemente 10 und 10' mit den Strukturelementen 5 und 7 eingebracht
ist. Das Klebemittel ist ein der den Materialien entsprechender
Kleber.
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Die Strukturelemente 5 und 7 werden
mit Hilfselementen, wie Winkeln oder Stützen, auf ihre Position gebracht
und danach die verschraubte und vorgespannte Verbindungsvorrichtung 3 eingefügt und an
den vorgesehenen Stellen 11 mit Klebemittel befestigt.
Hierbei kann die Verbindungsvorrichtung 3 in ihrer Position
durch weitere Hilfselemente (weiche Anbindung) gehalten werden.
Somit ist nach Aushärten
des Klebemittels eine weitestgehend spannungsfreie Verbindung entstanden.
Die ein zelnen Strukturelemente 5 und 7 können nach
dem Verkleben demontiert werden, wobei an jedem Strukturelement 5 und 7 das
entsprechende Verbindungselement 10 oder 10' bestehen bleibt,
da die Teile 5, 7, 10 und 10' durch das Klebemittel
miteinander fest verbunden sind.
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Die einzelnen Verbindungselemente 10 und 10' werden durch
ein Befestigungsmittel, hier insbesondere eine Schraube 12,
miteinander verbunden. Das Verbindungselement 10' dient hierbei
für die Schraube 12 als
Zentrierung und Mutter, da in dem Verbindungselement 10' ein Innengewinde
vorgesehen ist. Bei der Demontage der Strukturelemente 5 und 7 können durch
Lockern und Entfernen der Schraube 12 die Strukturelemente 5 und 7 mit
den Verbindungselementen 10 und 10' voneinander getrennt werden. Dieser
Aufbau erleichtert den Einbau in eine Einrichtung bzw. Maschine.
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Der Hauptvorteil der Verbindungselemente 10 und 10' liegt darin,
dass sie immer symmetrisch zur Strukturebene liegen, wobei die Anordnung
kein Abschälen
zulässt.
Dies wird gewährleistet
dadurch, da an den Schenkeln der Verbindungselemente 10 und 10' jeweils eine
Klebestelle vorhanden ist und die Klebungen sich dabei aufeinander
abstützen.
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In 4 ist
die in 3 dargestellte
Verbindungsvorrichtung 3 in Seitenansicht aufgezeigt, wobei
hier noch einmal deutlich der H-förmige Querschnitt der Verbindungselemente 10 und 10' zu erkennen
ist.
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In 5 ist
die Messstruktur 1 in perspektivischer Ansicht dargestellt,
wobei hier nun ebenfalls der quaderförmige Aufbau, wie unter 2 bereits erwähnt, erkennbar
ist. Am oberen Teil des Quaders befindet sich ein Verbindungsteil 13,
welches in X-Form ausgeführt
ist. Das Verbindungsteil 13 wird jeweils nur an den Strukturseitenteilen 5 befestigt.
Im Inneren des Quaders sowie am unteren Teil der Messstruktur 1 können sich
weitere Verbindungsteile 13 befinden. Diese dienen zur
Aussteifung der gesamten Messstruktur 1.
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Ebenfalls sind an der Messstruktur 1 Anlegepunkte 14 vorhanden.
Die Anlegepunkte 14 sind fest mit der Strukturvorderplatte 7 zur
Aufhängung
in einer Einrichtung oder Maschine verbunden.
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In diesem Ausführungsbeispiel (5) sind mehrere Interferometer 2 dargestellt.
Da die Messstruktur 1 besonders vorteilhaft für Messungen
in einer Abbildungsvorrichtung für
die Mikrolithographie eingesetzt werden kann, können hiermit insbesondere Objektive
in ihrer Einbaulage geprüft
werden. Oberhalb des Objektives dann ist ein Reticle angeordnet,
wobei die Reticlestruktur in eine Objektebene, speziell auf einen
Sensor, abgebildet wird. Um das Reticle genau regeln zu können, muss
die Position des Reticles genau bestimmt werden. Dies kann mit derartigen
Interferometern 2, welche hier vorteilhafterweise als Laserinterferometer
ausgebildet sind, vorgenommen werden. Über die Laserinterferometer 2,
wobei hier jeweils drei Laserinterferometer 2 auf einem
Strukturelement 4 angeordnet sind, können Messstrecken zur Bestimmung
der Position der optischen Elemente aufgebaut werden. Die hierbei
ermittelten Werte können
in einer elektronischen Datenverarbeitungseinheit in absolute Positionswerte
des jeweiligen optischen Elementes umgewandelt bzw. umgerechnet
werden.
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Da hier eine möglichst hohe Genauigkeit der Messwerte
erforderlich ist, werden die Messungen im Nanometerbereich durchgeführt. Die
Messstruktur 1 kann ebenfalls für Messungen in der mechanischen Präzisionsmesstechnik,
welche hauptsächlich
nach heutigen Anforderungen im Nanometerbereich durchgeführt wird,
eingesetzt werden. Ebenfalls wären
auch andere Einsatzzwecke denkbar.
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Durch den Aufbau der Messstruktur 1 aus Materialien
mit sehr geringem thermischen Wärmeausdehnungskoeffizienten α kann die
Abbildungsqualität
von optischen Elementen durch die genaue exakte Vermessung durch
die Interferometer 2 wesentlich genauer bestimmt werden.