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Die
Erfindung betrifft einen Facettenspiegel mit Spiegelfacetten, insbesondere
in Beleuchtungseinrichtungen für
Projektionsbelichtungsanlagen in der Mikrolithographie unter Verwendung
von Strahlung im extremen ultravioletten Bereich unter UHV-Bedingungen,
wobei die Spiegelfacetten jeweils in einem Spiegeltragkörper gelagert
sind, und wobei die Spiegeltragkörper
eine Spiegelinnenkalotte und die Spiegelfacetten jeweils eine Spiegelaußenkalotte
aufweisen.
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Spiegelfacetten
für Facettenspiegel
sind bereits allgemein aus dem Stand der Technik bekannt.
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Es
ist allgemein aus der Praxis bekannt, dass zur Fixierung von Spiegelfacetten
in einem Spiegeltragkörper
das Richtkleben eingesetzt wird. Nach der Justage der Spiegelfacetten
wird durch Wärmebehandlung oder
UV-Bestrahlung die Klebung fixiert. Als Kleber werden hierbei bevorzugt
Metallpartikel enthaltende Kleber wie Leitsilber, Leit-C oder H-20-E
von Polytec verwendet, also hauptsächlich weltraumtaugliche Kleber.
Für EUV-Applikationen im
Ultrahochvakuum (UHV) kommt jedoch diese Technik nicht in Betracht,
da durch eine erhöhte
Emission von Kohlenwasserstoffen die aufwändigen Multilayerschichten,
welche auf die jeweiligen Spiegeloberflächen aufgebracht werden, durch
Kontamination degradieren.
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Mechanische
Lösungen,
wie beispielsweise das bereits genannte Richtkleben, können daher
nicht eingesetzt werden.
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Daher
ist es Aufgabe der Erfindung, die oben aufgeführten Nachteile des Standes
der Technik zu vermeiden und einen Facettenspiegel mit Spiegelfacetten
zu schaffen, wobei mechanische und thermische Eigenschaften der
Spiegelfacetten im EUV-Bereich
unter UHV-Bedingungen optimiert werden können, insbesondere eine gute
Fixierung der Spiegelfacetten im Spiegel tragkörper und im Bedarfsfalle auch
einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten
aufweist, um einen guten Wärmeabtransport
zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass die Spiegelinnenkalotte und die Spiegelaußenkalotte jeweils mit einer
Beschichtung versehen sind, wobei chemische Elemente der Beschichtungen
unterschiedliche Normalpotentiale aufweisen.
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Die
Spiegelfacetten bzw. die Spiegel besitzen an der nicht mit der Spiegeloberfläche versehenen
Seite eine sphärische
Kugelfläche,
welche in einen Spiegeltragkörper
eingebracht wird. Der Spiegeltragkörper weist mehrere Spiegelinnenkalotten
zur Aufnahme der Spiegelfacetten auf. Im weiteren wird nur von einer
in den Spiegeltragkörper
eingelassenen Spiegelfacette bzw. Spiegel ausgegangen. Die Spiegelinnenkalotte
des Spiegeltragkörpers
und die Spiegelaußenkalotte
des Spiegelsubstrates bzw. der Spiegelfacette weisen jeweils eine
Beschichtung auf. Die chemischen Elemente der beiden Beschichtungen
sollten dabei möglichst
weit in der elektrochemischen Spannungsreihe entfernt voneinander
stehen, damit eine Dauerfixierung bzw. eine stoffinnige Verbindung
zwischen der Spiegelinnenkalotte und der Spiegelaußenkalotte
im atomaren Interfacebereich zustande kommt. Das bedeutet, dass über wenige
Atomlagen eine dauerhafte Bindung aufgebaut wird. Die daraus entstehende
Interfaceschicht besteht jeweils aus den Elementen beider Stoffe,
welche für
die Beschichtung eingesetzt werden. Somit können stoffinnige Verbindungen
selbst in Vakuum unter weitestgehendem Verzicht von Sauerstoff entstehen.
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Hierbei
wird nicht wie beim Galvanisieren eine elektrische Spannung an die
Beschichtungen angelegt, sondern die innere Potentialdifferenz der
chemischen Elemente ausgenutzt. Somit ist es besonders vorteilhaft, dass
mit Hilfe von Elementen der elektrochemischen Spannungsreihe die
Spiegelfacette in dem Spiegeltragkörper hochgenau unter UHV-Bedingungen
positioniert und fixiert werden kann.
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Des
weiteren ist von Vorteil, dass die beiden dünnen aufgebrachten Schichten
auf der Spiegelinnenkalotte und auf der Spiegelaußenkalotte
in einem Zeitraum, während
die beiden chemischen Elemente der Beschichtungen eine Redox-Reaktion
miteinander eingehen, als Gleitlager dienen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
weiteren Unteransprüchen sowie
aus dem anhand der Zeichnung nachfolgend prinzipmäßig beschriebenen
Ausführungsbeispiel.
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Es
zeigt:
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1 eine Prinzipdarstellung
einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, welche
zur Belichtung von Strukturen auf mit fotosensitiven Materialien
beschichtete Wafer verwendbar ist;
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2 eine Prinzipdarstellung
einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, wie
sie bei der Verwendung mit Strahlung im Bereich des extremen Ultraviolett
einsetzbar ist;
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3 einen Querschnitt durch
eine Ausführungsform
einer Spiegelfacette in einem Spiegeltragkörper, vor einer endgültigen Fixierung,
und
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4 einen Querschnitt durch
eine Ausführungsform
der Spiegelfacette in einem Spiegeltragkörper nach 1, nach der Fixierung.
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In 1 ist eine Projektionsbelichtungsanlage 1 für die Mikrolithographie
dargestellt, wobei diese zur Belichtung von Strukturen auf mit fotosensitiven
Materialien beschichtetes Substrat, welches im allgemeinen überwiegend
aus Silizium besteht, und als Wafer 2 bezeichnet wird,
zur Herstellung von Halbleiterbauelementen dient.
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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, ein sogenanntes Reticle 5, durch
welche die späteren
Strukturen auf dem Wafer 2 bestimmt werden, einer Einrichtung 6 zur
Halterung, Fortbewegung und exakten Positionierung des Wafers 2 und
einem Projektionsobjektiv 7.
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Das
grundsätzliche
Funktionsprinzip sieht dabei vor, dass die in das Reticle 5 eingebrachten
Strukturen auf dem Wafer 2 belichtet werden, insbesondere
mit einer Verkleinerung der Strukturen auf ein Drittel oder weniger
der ursprünglichen
Größe. Die
an die Projektionsbelichtungsanlage 1, insbesondere an
das Projektionsobjektiv 7, zu stellenden Anforderungen
hinsichtlich der Auflösungen
liegen dabei im Bereich von wenigen Nanometern.
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Nach
einer erfolgten Belichtung wird der Wafer 2 weiterbewegt,
so dass auf demselben Wafer 2 eine Vielzahl von einzelnen
Feldern, jeweils mit der durch das Reticle 5 vorgegebenen
Struktur, belichtet werden. Wenn die gesamte Fläche des Wafers 2 belichtet
ist, wird dieser aus der Projektionsbelichtungsanlage 1 entnommen
und einer Mehrzahl chemischer Behandlungsschritte, im allgemeinen
einer ätzenden
Abtragung von Material, unterzogen. Gegebenenfalls werden mehrere
dieser Belichtungs- und Behandlungsschritte nacheinander durchlaufen,
bis auf dem Wafer 2 eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen,
wie Computerchips, entstanden ist. Aufgrund der schrittweisen Bewegung
des Wafers 2 in der Projektionsbelichtungsanlage 1 wird dieser
auch als Stepper bezeichnet.
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Die
Beleuchtungseinrichtung 3 stellt ein für die Abbildung des Reticles 5 auf
dem Wafer 2 benötigtes Projektionsstrahlenbündel 8,
beispielsweise Licht oder eine ähnliche
elektromagnetische Strahlung, bereit. Die Strahlung wird in der
Beleuchtungseinrichtung 3 über optische Elemente so geformt,
dass das Projektionsstrahlenbündel 8 beim
Auftreffen auf das Reticle 5 die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich
Durchmesser, Polarisation und dergleichen aufweist.
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Über das
Projektionsstrahlenbündel 8 wird
ein Bild des Reticles 5 erzeugt und von dem Projektionsobjektiv 7 entsprechend
verkleinert auf den Wafer 2 übertragen. Das Projektionsobjektiv 7 besteht
dabei aus einer Vielzahl von einzelnen refraktiven und/oder diffraktiven
optischen Elementen, wie beispielsweise Linsen, Spiegel, Prismen,
Abschlussplatten oder dergleichen.
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2 zeigt eine prinzipmäßige Darstellung
eines Aufbaus analog zu 1,
hier jedoch für
die Verwendung mit einem Projektionsstrahlenbündel 8, dessen Wellenlänge im Bereich
des extremen Ultraviolett (EUV) liegt. Bei diesen Wellenlängen, im
allgemeinen ca. < 20
nm, ist die Verwendung von refraktiven optischen Elementen nicht
mehr möglich,
so dass sämtliche
Elemente als reflektierende Elemente ausgebildet sein müssen. Dies
wird hier durch die zahlreichen Spiegel 9 dargestellt.
Die gleichen Vorrichtungselemente weisen dabei die gleichen Bezugszeichen
auf, so dass auf nähere
Erläuterungen
an dieser Stelle verzichtet wird.
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Im
gestrichelten Bereich der Beleuchtungseinrichtung 3 sind
zwei Spiegel 9A und 9B angeordnet, welche für die vorliegende
Erfindung von Bedeutung sind. Das nachfolgende Ausführungsbeispiel
und die Erläuterungen
beziehen sich speziell auf den Aufbau eines derartigen Facettenspiegels 9A und/oder 9B,
wie er in der Mikrolithographie, insbesondere jedoch in der Beleuchtungseinrichtung 3 für die EUV-Lithographie,
eingesetzt werden kann. Speziell jedoch beziehen sich die nachfolgenden
Erläuterungen
auf eine einzelne Spiegelfacette in einem Spiegeltragkörper.
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3 zeigt beispielhaft eine
Ausführungsform
einer Spiegelfacette 11 in einem Spiegeltragkörper 12 vor
einer endgültigen
Fixierung. Die Spiegelfacette 11 weist eine Spiegeloberfläche 13 auf,
welche die auf der Spiegeloberfläche 13 auftreffende Lichtstrahlung
reflektiert. Die Spiegeloberfläche 13 kann
je nach eingesetzter Strahlung, wie beispielsweise UV-Strahlung,
Röntgenstrahlung
oder dergleichen, variieren.
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Die
Spiegelfacette 11 ist in einer Öffnung, welche auch als Spiegelinnenkalotte 14 bezeichnet
wird, des Spiegeltragkörpers 12 eingebracht.
Die Spiegeloberfläche 13 kann
sphärisch,
plan, asphärisch
oder als Freiformfläche
ausgestaltet sein, je nach Einsatzzweck des Facettenspiegels 9A und/oder 9B.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist eine plane Spiegeloberfläche 13 vorgesehen.
Dabei weist die der Spiegeloberfläche 13 gegenüberliegende
Spiegeloberfläche
eine Kugelform auf, welche auch als Spiegelaußenkalotte 15 definiert
werden kann.
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Des
weiteren sind auf der Spiegelinnenkalotte 14 des Spiegeltragkörpers 12 und
der Spiegelaußenkalotte 15 der
Spiegelfacette 11 Beschichtungen 16 und 17 vorgesehen,
welche aus chemischen Elementen der elektrochemischen Spannungsreihe
bestehen. Hierbei sind insbesondere stromleitende chemische Elemente
vorgesehen, wie dies beispielsweise Metalle sind. Erfindungsgemäß sollten
die Elemente der Beschichtungen 16 und 17 möglichst
weit in der elektrochemischen Spannungsreihe voneinander entfernt
angeordnet und gleichzeitig UHV-tauglich sein. Hierbei wird bevorzugt
Gold (Au) als Element für
die eine Beschichtung 16 oder 17 eingesetzt. Kupfer
(Cu), Silber (Ag), Platin (Pt), Titan (Ti) oder Titanplatin (Ti-Pt)
können
aber auch Schichten sein, welche hierfür geeignet wären. Für die gegenüberliegende
Beschichtung 16 oder 17 können beispielsweise Aluminium
(Al) oder Magnesium (Mg) als Elemente der Beschichtung geeignet
sein. Es können selbstverständlich auch
Verbindungen der aufgeführten
Elemente als Beschichtungen eingesetzt werden. Natrium (Na) oder
Lithium (Li) kommen aus Gründen
des Bedampfens bzw. der Giftigkeit nicht in Frage, obwohl Natrium
in Verbindung mit einem anderen Element wohl denkbar wäre, da Natrium
ein sehr guter Wärmeleiter ist.
Die Differenz der Normalpotentiale der chemischen Elemente, welche
für die
beiden Beschichtungen 16 und 17 eingesetzt werden
sollen, sollten eine Differenz D > 1,0
V aufweisen, damit mittels einer Redox-Reaktion eine stoffinnige
Verbindung zwischen den beiden Beschichtungen 16 und 17 erfolgen
kann, und somit die Spiegelfacette 11 in dem Spiegeltragkörper 12 fixiert
wäre. Bei
einer derartigen Redox-Reaktion wird nicht wie beim Galvanisieren
Spannung zwischen einer Anode und einer Kathode angelegt, sondern
die innere Potentialdifferenz der chemischen eingesetzten Elemente
ausgenutzt. Somit kann mit Hilfe von Elementen, welche in der elektrochemischen
Spannungsreihe aufgezeigt sind, welche im nachfolgenden Teil der
Beschreibung dargestellt ist, dauerhafte Fixierungen von derartigen
Spiegelfacetten 11 in dem Spiegeltragkörper 12, nach erforderlicher
und genauer Positionierung der Spiegelfacette 11 in dem
Spiegeltragkörper 12,
wie dies deutlich in 4 dargestellt
ist, ermöglicht
werden.
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Nach
der Reaktion der beiden Beschichtungen 16 und 17,
beispielsweise aus Au und Al, bildet sich eine wenige Atomlagen
dicke Interfaceschicht, die aus Elementen beider Stoffe besteht.
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Die
Spiegelinnenkalotte 14 und/oder die Spiegelaußenkalotte 15 sollten
eine Beschichtungsdicke von < 100
nm aufweisen, wobei die Beschichtungen 16 und 17 durch
Galvanisierung, Besputtern, Bedampfen oder ähnlichen Aufbringungsverfahren
erfolgen kann. Werden die Beschichtungen 16 und/oder 17 durch
Bedampfen aufgebracht, vorteilhafterweise auf die Spiegelaußenkalotte 15,
so liegt die Beschichtungsdicke bei < 0,5 μm. Die Beschichtungsdicke der
Beschichtungen 16 und/oder 17 durch Galvanisieren,
vorteilhafterweise auf die Spiegelinnenkalotte 14, sollte
zwischen 1–10 μm betragen.
Die Beschichtungen 16 und 17 können mit Haftvermittlerschichten,
beispielsweise Ti-Pt oder ähnliche
Verbindungen, aufgebracht werden, wobei, wenn Haftvermittlerschichten
eingesetzt werden sollten, diese eine Dicke von mindestens 50 nm
aufweisen sollten.
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Somit
können
stoffinnige Verbindungen selbst im Vakuum unter weitestgehendem
Verzicht von Sauerstoff erreicht werden. Die eigentliche Fixierung
erfolgt somit nicht klassisch im μm-Bereich, sondern
im einige Nanometer-Bereich (typ. 1–100 nm). Alle Metalle außer Quecksilber
(Hg) und Gallium (Ga) sind im vorgesehenen Temperaturbereich fest.
In Verbindungen besitzen Metalle bekanntlich immer positive Oxidationszahlen,
da sie die wenigen Außenelektronen
mehr oder weniger leicht abgeben. Wie leicht Metalle Elektronen
abgeben können,
zeigt die folgende, in gekürzter
Form aufgeführte,
elektrochemische Spannungsreihe, wobei gegen die Normalwasserstoff-Elektrode
bei 25°C
gemessen wird:
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Je
edler ein Metall ist, desto weniger leicht reagiert es bzw. desto
weniger leicht gibt es Elektronen ab. Unedlere Metalle geben dahingehend
Elektronen leichter ab. Wenn Ionen von edle ren Metallen neben unedleren
Metallen vorliegen, so gibt das unedlere Metall Elektronen an das
edlere ab.
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Das
bedeutet auch, dass je höher
das Redox-Potential ist, desto edler ist das Metall und je niedriger das
Redox-Potential ist, desto unedler ist das Metall (siehe Tabelle).
Au, Ag, Hg und Pt zählen
zu den Edelmetallen, wobei Cu, Ni, Sn und einige andere mitunter
als Halbedelmetalle bezeichnet werden. Die anderen aufgeführten Elemente
sind unedel. Edelmetalle kommen in der Natur elementar vor, wobei
unedle Metalle nur in Verbindungen zu finden sind.
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Je
weiter die chemischen Elemente in der elektrochemischen Spannungsreihe
auseinander stehen, desto besser reagieren sie chemisch miteinander.
Hierbei ist weiterhin als Beispiel eine verrostete Mutter auf einer
Schraube genannt, welche aus einem anderen Material hergestellt
wurde als die Mutter, wobei diese sich im Laufe der Zeit nicht mehr
von der Schraube lösen
lässt,
da hier eine chemische Verbindung bzw. stoffinnige Verbindung erfolgte.
Von der vorstehenden Erkenntnis wird somit bei der Erfindung Gebrauch
gemacht.
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Um
einen großen
Wärmeübergangskoeffizienten
zu erhalten, sollte insbesondere auf wenigstens eine Spiegelkalotte,
entweder die Spiegelinnenkalotte 14 oder die Spiegelaußenkalotte 15,
vorteilhafterweise eine Goldschicht aufgebracht werden. Die Goldschicht
sollte galvanisch aufgebracht werden, da die Schichtdicke der Beschichtung
mindestens so groß wie
die Radiusabweichung von der Sollform sein sollte, so dass sich daraus
eine bessere Verschiebbarkeit der Schichten 16 und 17 miteinander
ergibt. Daher ist es von Vorteil, dass die Schichtdicke mindestens
1–10 μm betragen
sollte. Die Goldschicht kann beispielsweise auf allgemeine Haftvermittlerschichten,
wie Ti-Pt, aufgebracht werden, wie bereits oben erwähnt. Die
Goldschichten sind nicht einkristallin und lassen sich dadurch im
jungfräulichen
Zustand sehr leicht verformen. Beim Justageprozess wird die Goldschicht
verformt und schmiegt sich so an die gewünschte Form an. Somit kann
die Wärmeübergangsfläche vergrö ßert und
der Wärmeübergangskoeffizient
wesentlich erhöht
werden.
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Es
ist auf jeden Fall sehr sinnvoll, die Spiegelinnenkalotte 14 des
Spiegeltragkörpers 12 immer
zu beschichten. Die Spiegelaußenkalotte 15 der
Spiegelfacette 11 sollte eigentlich deshalb beschichtet
werden, um eine größere Interfaceschicht
und damit eine stoffinnigere Verbindung zu schaffen. Selbstverständlich können auch
hier andere Elemente außer
Gold, wie beispielsweise Hg, Ag oder Cu, für die Beschichtung eingesetzt werden.
Es ist auch möglich,
eine Natriumbeschichtung in Verbindung mit einer Goldbeschichtung
auf eine Spiegelkalotte 14 oder 15 aufzubringen.
Bei dieser Variante wäre
es auch möglich,
beide Spiegelkalotten 14, 15 mit einer derartigen
Goldverbindungsschicht zu beschichten, um daraus einen größeren Wärmeübergangskoeffizienten
zu erzeugen. Damit können
nun die Fertigungstoleranzen sehr gut entspannt werden. Des weiteren
kann somit ein Kühlkreislauf
thermisch mit der Spiegelaußenkalotte 15 verbunden
werden, wobei durch die größere Wärmeübergangsfläche die
Wärme leichter
in den Spiegeltragkörper 12 abgeführt werden
kann. Daher ist das Anbringen von Wärmeleitbändern, wie es aus dem Stand
der Technik bekannt ist, direkt an einen Silizium-Spiegelkörper 11 nicht
mehr notwendig, und damit die Gefahr einer Dejustage beim Anbringen
der Wärmeleitbänder gebannt.
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Für den Spiegeltragkörper 12 wäre es sehr
sinnvoll, ein Material bzw. ein chemisches Element einzusetzen,
welches sich sehr gut bearbeiten bzw. polieren lässt. Hierfür wäre Aluminium (Al) vorteilhaft,
da hierbei eine sehr große
Spannungsdifferenz zustande kommt, wenn Gold (Au) als Beschichtung
eingesetzt wird. Ist dies der Fall, dass der Spiegeltragkörper 12 aus
Aluminium besteht, muss die Spiegelinnenkalotte 14 nicht
unbedingt beschichtet werden, da die Beschichtung 17 auf
der Spiegelaußenkalotte 15 der
Spiegelfacette 11, beispielsweise eine Goldbeschichtung,
durch diesen enormen großen
Unterschied der Normalpotentiale, mit dem Aluminium auch ohne Beschichtung
der Spiegelinnenkalotte 14 eine Redox-Reaktion eingehen
würde bzw.
eingeht.
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Als
besonders vorteilhaft kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die
Goldbeschichtung jeweils galvanisch auf die Spiegelinnenkalotte 14 und
auf die Spiegelaußenkalotte 15 aufgebracht
wird, wenn der Spiegeltragkörper 12 beispielsweise
aus ULE oder Stahl besteht. Zwischen den beiden Goldbeschichtungen 16 und 17 befindet
sich eine Aluminiumschicht, welche durch Aufdampfen aufgebracht
ist. Die Aluminiumschicht sollte dabei eine Schichtdicke von 10–50 nm,
vorteilhafterweise 20 nm, aufweisen, um "Inselbildungen" zu vermeiden. Die Goldbeschichtungen 16 und 17 sollten
jeweils eine Schichtdicke von 2 μm,
vorteilhafterweise > 2 μm, aufweisen.
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Erfindungsgemäß kann folglich
ein Facettenspiegel 9A und/oder 9B mit Spiegelfacetten 11 geschaffen werden,
wobei die Spiegelfacetten 11 chemisch im Spiegeltragkörper 12 fixiert
werden können
und ebenfalls mit Hilfe der Beschichtungen 16 und 17 das
Wärmeübertragungsverhalten
wesentlich verbessert wird. Dadurch können long-term drifts im EUV-Bereich
unter UHV-Bedingungen
wesentlich reduziert bzw. vermieden werden.
