DE10301818A1

DE10301818A1 - Piezo-Linearantrieb mit einer Gruppe von Piezostapelaktuatoren

Info

Publication number: DE10301818A1
Application number: DE10301818A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Ing. Rief; Jürgen Dipl.-Ing. Fischer
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-07-29
Also published as: WO2004066405A1

Abstract

In einem Piezo-Linearantrieb (12) mit einer Gruppe von Piezostapelaktuatoren, welche einen in einer Führung befindlichen Läufer (17) antreiben, weisen die Aktuatoren mehrere auf einem gemeinsamen Trägerelement (13) befindliche Stapel (14) auf. Innerhalb eines Stapels (14) ist ein erstes Stapelteil (15), ausgehend vom Trägerelement (13), als Longitudinal- und wenigstens ein zweites Stapelteil (16) als Scheraktor ausgebildet. Die einzelnen Stapel (14) stehen in Klemm- und/oder Scherkontakt mit dem Läufer (17), wobei die einzelnen Stapel (14) in einem Schrittbetrieb wechselseitig Klemm- und Vorschubbewegungen ausführen. Zwischen dem ersten Stapelteil (15), welcher als Longitudinalaktor ausgebildet ist, und dem wenigstens einen zweiten Stapelteil (16), welcher als Scheraktor ausgebildet ist, ist wenigstens ein Verbindungselement (18) angeordnet. Das Verbindungselement (18) verbindet jeweils zumindest einen Teil der Stapel (14) untereinander, wobei die Verbindung in Aktorrichtung der Longitudinalaktoren (15) weich und in Bewegungsrichtung des Läufers (17) steif ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Piezo-Linearantrieb mit einer Gruppe von Piezostapelaktuatoren, welche einen in einer Führung befindlichen Läufer antreiben.
Aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Anmeldung mit dem Titel "Piezo-Linearantrieb mit einer Gruppe von Piezostapelaktuatoren sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Antriebs" und dem Aktenzeichen 101 28 497.7 sind derartige Piezo-Linearantriebe bekannt. Dabei ist innerhalb eines solchen Stapels, von einem für mehrere der Stapel gemeinsamen Substrat als Trägermaterial ausgehend, ein erstes Stapelteil als Longitudinal- und eine zweites Stapelteil als Scheraktor ausgebildet.
In einer idealen Ausgestaltung dieses Piezo-Linearantriebes sind nun jeweils mehrere der Stapel auf einem der Trägerelemente angeordnet sind, z.B. jeweils vier der Stapel auf einem gemeinsamen Trägerelement auf jeder Seite eines anzutreibenden geführten Läufers. Für die Funktionsweise der Piezo-Linearantriebe ist dabei ein Abstand zwischen den benachbarten Stapeln auf jedem der Trägerelemente erforderlichen. Bei sehr hohen mechanischen Anforderungen können durch die vergleichsweise große longitudinale Ausdehnung der Stapel parasitäre Bewegungen in Richtung der gewünschten Antriebsrichtung durch eine Verformung der Stapel auftreten. Für spezielle Anwendungsfälle mit sehr hohen Anforderungen an die Aktuatoren können diese parasitären Bewegungen störend sein.
Aus der deutschen Patentanmeldung 102 25 266.1, welche ebenfalls nicht vorveröffentlicht ist, gehen entsprechende Anwendungsfälle für derartige Aktuatortypen hervor. Diese speziellen Anwendungsfälle, welche entsprechend hohe Anforderungen an die Aktuatoren stellen, sind dabei im Bereich der Manipulation von optischen Elementen in der Mikrolithographie zu suchen und unterstreichen die oben geäußerten Anwendungen mit hohen An- Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, einen Piezo-Linearantrieb mit einer Gruppe von Piezostapelaktuatoren, welche nach dem oben genannten Funktionsprinzip einen in einer Führung befindlichen Läufer antreiben, dahingehend zu optimieren, dass das Auftreten von parasitären Bewegungen, insbesondere von parasitären Bewegungen in Antriebsrichtung, minimiert wird.
Die oben genannte Aufgabe wird durch einen Piezo-Linearantrieb gelöst, bei welchem zwischen dem ersten Stapelteil, welcher als Longitudinalaktor ausgebildet ist, und dem wenigstens einen zweiten Stapelteil, welcher als Scheraktor ausgebildet ist, wenigstens ein Verbindungselement angeordnet ist, welches jeweils zumindest einen Teil der Stapel untereinander verbindet, wobei die Verbindung in Aktorrichtung der Longitudinalaktoren weich und in Bewegungsrichtung des Läufers steif ausgebildet ist.
Durch das erfindungsgemäße Verbindungselement wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass die Verformungen der einzelnen Stapel minimiert werden. Durch die steife Anbindung im Bereich zwischen dem Scheraktor und dem Longitudinalaktor, bei der Verwendung von zwei Stapelteilen also in etwa in der Mitte eines jeden Stapels, wird die Neigung der Stapel zur Verformung minimiert und somit die Steifigkeit des gesamten Piezo-Linearantriebs in der Bewegungsrichtung des Läufers verbessert.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen entnehmen und sind in den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt:
1 eine Prinzipdarstellung einer Projektionsbelichtungs anlage für die Mikrolithographie, welche zur Belichtung von Strukturen auf mit photosensitiven Materialien beschichtete Wafer verwendbar ist;
2 einen Piezo-Linearantrieb in einer schematischen Darstellung, mit stark überzeichneten Problemen hinsichtlich der Steifigkeit;
3 einen Piezo-Linearantrieb mit dem erfindungsgemäßen Verbindungselement;
4 eine Möglichkeit der Ausführung eines Verbindungselements; und
5 einen Piezo-Linearantrieb mit dem erfindungsgemäßen Verbindungselement in einer alternativen Ausführungsform.
In 1 ist eine Projektionsbelichtungsanlage 1 für die Mikrolithographie dargestellt. Diese dient zur Belichtung von Strukturen auf mit photosensitiven Materialien beschichtetes Substrat, welches im allgemeinen überwiegend aus Silizium besteht und als Wafer 2 bezeichnet wird, zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie z.B. Computerchips.
Die Projektionsbelichtungsanlage 1 besteht dabei im wesentlichen aus einer Beleuchtungseinrichtung 3, einer Einrichtung 4 zur Aufnahme und exakten Positionierung einer mit einer gitterartigen Struktur versehenen Maske, einem sogenannten Reticle 5, durch welches die späteren Strukturen auf dem Wafer 2 bestimmt werden, einer Einrichtung 6 zur Halterung, Bewegung und exakten Positionierung eben dieses Wafers 2 und einer Abbildungseinrichtung nämlich einem Projektionsobjektiv 7 mit mehreren optischen Elementen, wie z.B. Linsen 8, die über Fassungen 9 in einem Objektivgehäuse 10 des Projektionsobjektives 7 gelagert sind.
Das grundsätzliche Funktionsprinzip sieht dabei vor, dass die in das Reticle 5 eingebrachten Strukturen auf den Wafer 2 mit einer Verkleinerung der Strukturen belichtet werden.
Nach einer erfolgten Belichtung wird der Wafer 2 in Pfeilrichtung weiterbewegt, so dass auf demselben Wafer 2 eine Vielzahl von einzelnen Feldern, jeweils mit der durch das Reticle 5 vorgegebenen Struktur, belichtet wird. Aufgrund der schrittweisen Vorschubbewegung des Wafers 2 in der Projektionsbelichtungsanlage 1 wird diese häufig auch als Stepper bezeichnet.
Die Beleuchtungseinrichtung 3 stellt einen für die Abbildung des Reticles 5 auf dem Wafer 2 benötigten Projektionsstrahl 11, beispielsweise Licht oder eine ähnliche elektromagnetische Strahlung, bereit. Als Quelle für diese Strahlung kann ein Laser oder dergleichen Verwendung finden. Die Strahlung wird in der Beleuchtungseinrichtung 3 über optische Elemente so geformt, dass der Projektionsstrahl 11 beim Auftreffen auf das Reticle 5 die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Durchmesser, Polarisation, Form der Wellenfront und dergleichen aufweist.
Über den Projektionsstrahl 11 wird ein Bild des Reticles 5 erzeugt und von dem Projektionsobjektiv 7 entsprechend verkleinert auf den Wafer 2 übertragen, wie bereits vorstehend erläutert wurde. Das Projektionsobjektiv 7 weist eine Vielzahl von einzelnen refraktiven und/oder diffraktiven optischen Elementen, wie z.B. Linsen, Spiegeln, Prismen, Abschlussplatten und dergleichen auf.
Die oben bereits angesprochene Lagerung der optischen Elemente, wie z.B. den Linsen 8, in den Fassungen 9, kann in dem Projektionsobjektiv 7 dabei so ausgeführt sein, dass über entsprechende Antriebseinrichtungen eine Manipulation der optischen Elemente 8 möglich wird. Diese Manipulation der optischen Elemente 8 ist in vielfältigen Anwendungsbeispielen durch die oben bereits erwähnte, nicht vorveröffentlichte deutschen Anmeldung mit dem Aktenzeichen 102 25 266.1 beschrieben. Die dafür eingesetzten Antriebseinrichtungen sind in idealer Weise Piezo-Linearantriebe 12, wie sie beispielsweise durch die US 6,150,750 oder in einer verbesserten Ausführung davon durch die oben bereits erwähnte, nicht vorveröffentlichte deutsche Anmeldung mit dem Aktenzeichen 101 28 497.7 beschrieben sind.
In 2 ist nun ein derartiger Piezo-Linearantrieb 12 in einer Ausführung gemäß der 101 28 497.7 dargestellt. Dabei zeigt der Piezo-Linearantrieb 12 mehrere auf einem gemeinsamen Trägerelement 13 befindliche Piezostapelaktuatoren 14 bzw. Stapel 14, von welchen lediglich einer mit Bezugszeichen versehen ist.
Jeder dieser Stapel 14 setzt sich in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Longitudinalaktor 15 und einem Scheraktor 16 zusammen. Durch das gezielte Zusammenspiel der einzelnen Stapel 14 wird ein Läufer 17 gemäß dem durch die oben genannte Patentanmeldung 101 28 497.7 beschriebenen Prinzip bewegt.
In der Darstellung gemäß 2 ist die eingangs bereits angesprochene Problematik hinsichtlich der mangelnden Steifigkeit der einzelnen Stapel 14 in sich in einer extrem überzeichneten Form dargestellt. Die Problematik ist jedoch nur so zu erkennen. Gemäß der Darstellung in 2 und auch in der Praxis ergeben sich Steifigkeitseinbußen aufgrund von Bewegungen bzw. Verformungen der einzelnen Stapel 14 in sich und aufgrund von einer sich durch die Bewegungen der Stapel 14 verringernden Reibfläche zwischen den Scherpiezos 16 und dem Läufer 17.
In 3 ist nun eine Variante des Piezo-Linearantriebs 12 dargestellt, bei welcher zwischen den Scheraktoren 16 und den Longitudinalaktoren 15 Verbindungselemente 18 angeordnet sind. Die Verbindungselemente 18 sind dabei in Richtung der Bewegungsrichtung des Läufers 17 vergleichsweise steif und in Richtung der Bewegungsrichtung bzw. Aktorrichtung der Longitudinalaktoren 15 vergleichsweise weich ausgebildet. Somit wird die Tätigkeit der Longitudinalaktoren 15 nicht eingeschränkt und die Funktionsweise des Piezo-Linearantriebs 12 bleibt weiterhin aufrecht erhalten. Durch die höhere Steifigkeit der Verbindungselemente 18 in Bewegungsrichtung des Läufers 17 wird jedoch ein Verformen der einzelnen Stapel 14 minimiert, so dass die Steifigkeit des Piezo-Linearantriebs 12 insgesamt ansteigt.
In 4 ist nun ein derartiges Verbindungselement 18 nochmals dargestellt. Das Verbindungselement 18 kann direkt zwischen die Scheraktoren 16 und die Longitudinalaktoren 15 eingebracht, z.B. eingeklebt, werden. Das Verbindungselement 18 wird dabei entweder aus einem dünnen Blech oder einer Keramikscheibe bestehen. Über die in 4 erkennbaren Entlastungsschnitte 19 lässt sich das Verhältnis von Steifigkeit in Bewegungsrichtung des Läufers 17 und Weichheit in Bewegungsrichtung der Longitudinalaktoren 15 gezielt beeinflussen, so dass die Steifigkeit des Piezo-Linearantriebs 12 über das Verbindungselement 18 ideal ausgelegt werden kann.
Selbstverständlich sind auch Aufbauten denkbar, bei denen die Stapel 14 mehrere der Stapelteile aufweisen, wobei dann jeweils eins oder mehrere der Verbindungselemente 18 eingesetzt werden können.
Eine weitere Ausgestaltung des Piezo-Linearantriebs 12 ist in 5 dargestellt. Dabei ist das Verbindungselement 18 jeweils in Bewegungsrichtung des Läufers 17 steif mit dem Trägerelement 13 bzw. gemäß der schematischen Darstellung gemäß der 5 mit einem Teil des Trägerelementes 13' verbunden. Durch diese in Bewegungsrichtung des Läufers 17 steifen Anbindungen des Verbindungselements 18 an dem Trägerelement 13 bzw. 13' kann die Steifigkeit des Piezo-Linearantriebs 12 gemäß dem oben genannten Prinzip weitergesteigert werden, da hierdurch vermieden wird, dass sich der gesamte Aufbau aus mehreren der Stapel 14 gegenüber dem Trägerelement 13 verformt.
Das Verbindungselement 18 kann, wie in der prinzipmäßigen Dar stellung gemäß der 3 und 5 gezeigt, über spezielle Zwischenelemente zwischen den einzelnen Stapelteilen befestigt sein, es ist jedoch auch denkbar, dass das Verbindungselement 18 einfach zwischen die beiden Stapelteile eingeklebt ist. Bei der Verwendung eines Verbindungselements 18 aus Keramik wäre es auch denkbar, dass bei der Herstellung der Piezostapel eine durchgehende Keramikschicht eingebracht wird, welche dann als Verbindungselement 18 Verwendung finden kann. Dieses dann als dünne Keramikscheibe ausgebildete Verbindungselement 18 kann entweder so dimensioniert sein, dass die Bewegungen der einzelnen Stapel ungehindert stattfinden können, oder es kann in einer derartigen Dicke ausgebildet sein, dass die Weichheit in Richtung der Bewegung der Longitudinalaktoren 15 über die oben bereits angesprochenen Entlastungsschnitte 19 in der gewünschten Weise hergestellt werden kann.

Claims

Piezo-Linearantrieb (12) mit einer Gruppe von Piezostapelaktuatoren, welche einen in einer Führung befindlichen Läufer (17) antreiben, wobei die Aktuatoren mehrere auf einem gemeinsamen Trägerelement (13) befindliche Stapel (14) aufweisen, wobei innerhalb eines Stapels (14) ausgehend vom Trägerelement (13) ein erstes Stapelteil (15) als Longitudinal- und wenigstens ein zweites Stapelteil (16) als Scheraktor ausgebildet ist, wobei die einzelnen Stapel (14) in Klemm- und/oder Scherkontakt mit dem Läufer (17) stehen, wobei die einzelnen Stapel (14) in einem Schrittbetrieb wechselseitig Klemm- und Vorschubbewegungen ausführen, und wobei zwischen dem ersten Stapelteil (15), welcher als Longitudinalaktor ausgebildet ist, und dem wenigstens einen zweiten Stapelteil (16), welcher als Scheraktor ausgebildet ist, wenigstens ein Verbindungselement (18) angeordnet ist, welches jeweils zumindest einen Teil der Stapel (14) untereinander- verbindet, wobei die Verbindung in Aktorrichtung der Longitudinalaktoren (15) weich und in Bewegungsrichtung des Läufers (17) steif ausgebildet ist.
Piezo-Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (18) eine Verbindung mit dem Trägerelement (13) in Bewegungsrichtung des Läufers (17) aufweist.
Piezo-Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (18) als dünnes Blech mit seiner flächigen Ausdehnung im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Longitudinalaktoren (15) ausgebildet ist.
Piezo-Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (18) als dünne Keramikscheibe mit ihrer flächigen Ausdehnung im wesentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Longitudinalaktoren (15) ausgebildet ist.
Piezo-Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (18) Entlastungsschnitte (19) im Bereich zwischen und neben den einzelnen Stapeln (14) aufweist.
Piezo-Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapel (14) mit dem Verbindungselement (18) verklebt sind.
Piezo-Linearantrieb nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (18) zwischen die Stapelteile (15, 16) eingeklebt ist.