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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionierung einer Stelleinrichtung
gegenüber
einem Trägerelement,
wobei wenigstens ein Messsystem vorgesehen ist. Weiterhin betrifft
die Erfindung auch ein Verfahren zur Positionierung einer Stelleinrichtung
gegenüber
einem Trägerelement.
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In
verschiedenen Anwendungen werden Einrichtungen zur Positionierung
von Körpern
benötigt. Eine
derartige Einrichtung weist beispielsweise ein Trägerelement,
ein Messsystem, einen Aktuator und ein zu stellendes Maschinenteil
bzw. eine Stelleinrichtung auf. Üblicherweise
wird die Position der Stelleinrichtung mit dem Messsystem gegen
das Trägerelement
oder ein Maschinenteil, das mit dem Trägerelement fest verbunden ist,
in Differenz gemessen. Bei Stelleinrichtungen z. B. für den Nanometerbereich,
wie sie in der Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterelementen
erforderlich sind, werden erreichbare Stellstabilitäten und
Genauigkeiten von einem Störungsinput
aus der Umgebung und einem Energieeintrag der Aktuatoren in das
Gerät beeinflusst.
Die Störungen
können
auf verschiedenen Wirkpfaden auf die Stelleinrichtung einwirken.
Es kann auch vorkommen, dass schon das Trägerelement mit Störungen beaufschlagt
ist. Besonders bei extrem steifen und wenig gedämpften Aufbauten werden Strukturmoden
des Trägerelementes
mit dem Messsystem durch kleine Störungen aus der Umgebung oder
durch Reaktionskräfte
aufgrund von Aktuatortätigkeit
angeregt. Das kann zur Folge haben, dass selbst bei sehr guter Entkopplung
der Stelleinrichtung von der Umgebung keine zufriedenstellende Positionierung
der Stelleinrichtung erreicht werden kann.
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Die
Stelleinrichtung kann häufig
nicht ruhig gestellt werden, da ein an dem Trägerelement angebrachtes Messsystem
gestörte
Differenzbewegungen zwischen dem Trägerelement und der Stelleinrichtung
erkennt, die im Lageregelkreis zu entsprechenden Sollwerten führen. Typisch
sind hierbei erste Eigenmoden der Träger-Struktur im Bereich von einigen
10 Hz bis 500 Hz. Die gewünschte
Bandbreite der Lageregelung der Stelleinrichtung befindet sich ebenfalls
in dieser Größenordnung.
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Der
Versuch, das Problem durch steifere Konstruktion zu lösen, führt häufig nicht
zu wesentlichen Verbesserungen. Man ist in der Auswahl der Werkstoffe
und damit im Elastizitätsmodul
beschränkt.
Wegen Bauraumrestriktionen können
auch durch Geometrieänderungen
von Bauteilen, beispielsweise durch Querschnittsvergrößerungen
im Lastweg, häufig
keine wesentlich steiferen Strukturen realisiert werden. Besonders,
wenn weitere Forderungen wie Temperaturstabilität hinzukommen, können die
modalen Eigenschaften nur schwer verbessert werden.
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Aus
der
EP 0 468 547 B1 ist
ein Schwingungsisolationssystem bekannt, welches ein passives Feder-Dämpfer-System
und zusätzlich
ein aktives Teil aufweist. Das passive, mit einer Nutzlast beaufschlagte
Feder-Dämpfer-System
hat eine natürliche
Resonanz. In der Umgebung der Resonanz werden Bewegungen des Aufstellorts
mit Verstärkung
an die Nutzlast weitergegeben. Das beschriebene System misst die
Schnelle der Nutzlast gegen ein Inertialsystem (ein Bezugssystem,
in dem sich ein Körper ohne
Einfluss von Kräften
bewegt; in einem Inertialsystem gilt das erste Newtonsche Axiom,
welches besagt, dass jeder Körper,
auf den keine Kraft wirkt, in geradlinig gleichförmiger Bewegung oder im Ruhezustand
verharrt) für
alle Frequenzen ab einer sehr niedrigen Grenzfrequenz, bei der der
benutzte Sensor nicht empfindlich ist. Insbesondere wird auch die Geschwindigkeit
in der Umgebung der natürlichen Resonanzfrequenz
des Masse-Feder-Dämpfer-Systems
gegen ein Inertialsystem gemessen. In einer Rückkopplungsschleife (feedback
loop) wird mit Hilfe geeigneter Aktuatoren eine Gegenkraft erzeugt,
die die Geschwindigkeit der Nutzlast in allen Frequenzen reduziert
bzw. möglichst
auf 0 bringt.
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Aus
der
JP 11102858 A ist
eine Positioniereinrichtung für
eine Stelleinrichtung, welche als Waferträger ausgebildet ist, be kannt.
In einer Lithographiemaschine (Stepper oder Scanner) führt die
Stelleinrichtung schnelle Positionierbewegungen auf einer Grundplatte
aus. Aufgrund der Reaktionskräfte führt die
Grundplatte dabei Schwingungen aus. Da eine interferometrische Messtechnik
ebenfalls auf der Grundplatte angeordnet ist, führt dies zu einer Fehlpositionierung
der Stelleinrichtung gegenüber dem
Bild. Um dies zu verhindern, wird die störende Schwingung der Grundplatte
mit Beschleunigungssensoren gemessen. Die daraus abgeleitete Störbewegung
wird zur Korrektur der Interferometermesswerte benutzt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Positionieren einer Stelleinrichtung
gegenüber
einem Trägerelement
mit einer geforderten Stabilität
und Genauigkeit im Nanometerbereich zu schaffen, wobei die oben
erwähnten
Nachteile des Standes der Technik vermieden werden sollen.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1, des
Anspruches 12 und des Anspruches 16 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird zur
Kontrolle der Bewegung der Stelleinrichtung und zur Messung der Ist-Position
der Stelleinrichtung wenigstens eine Kombination eines Bewegungsdifferenzen
messenden Messsystems und eines gegen ein Inertialsystem messenden
Messsystems vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist, dass die begrenzten
Möglichkeiten
die Eigenfrequenzen des Trägerelements
zu erhöhen,
nicht ausgeschöpft
werden müssen,
bzw. die Bandbreite der Lageregelung bei gegebener Steifigkeit erhöht werden
kann.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass zur Messung der Position der Stelleinrichtung in einem
niederfrequenten Bereich das Bewegungsdifferenzen messende Messsystem
vorgesehen ist, wobei in einem hochfrequenten Bereich das gegen
ein Inertialsystem messende Messsystem vorgesehen ist.
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Erfindungsgemäß kann hier
beispielsweise eine Kombination eines Laserinterferometers (ein Bewegungsdifferenzen
messendes Messsystem) und eines Beschleunigungssensors bzw. Inertialsensors
(ein gegen ein Inertialsystem messendes Messsystem) eingesetzt werden.
Möglich
ist auch eine Kombination eines Maßstabes oder eines kapazitiven
Sensors mit einem Geophon (inertial messender Sensor, vorzugsweise
ausgelegt zur Messung tiefer Frequenzen). Hierbei wird die Position
der Stelleinrichtung zu dem Trägerelement
oder einem mit dem Trägerelement
verbundenen Träger,
welcher selber wieder besondere Merkmale, z. B. Temperaturstabilität besonders
gut realisiert, in vorteilhafter Weise nur im niederfrequenten und
statischen Bereich mit dem Bewegungsdifferenzen messenden Messsystem
ermittelt. Des weiteren kann in vorteilhafter Weise im höher- und
hochfrequenten Bereich die Position der Stelleinrichtung gegenüber einem
Inertialsystem mit Beschleunigungssensor bzw. Inertialsensor oder
Geophon gemessen werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1 eine
prinzipmäßige Darstellung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Positionierung einer Stelleinrichtung gegenüber einem Trägerelement
in einem Freiheitsgrad;
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2 eine
graphische Darstellung des Regelungsprinzips mittels eines Flussdiagramms;
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3 eine
graphische Darstellung einer möglichen
erfindungsgemäßen Kombination
bezüglich
eines Frequenzbereichs; und
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4 eine
perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 zur
Positionierung in 6 Freiheitsgraden.
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In 1 ist
prinzipmäßig eine
Vorrichtung 1, welche als Positioniervorrichtung für eine Stelleinrichtung 2 in
der Halbleiterlithographie ausgebildet ist, dargestellt. Die Stelleinrichtung 2,
beispielsweise ein optisches Element, insbesondere ein Spiegel, eine
Linse, optische Sensoren oder eine Stelleinrichtung für ein Reticle
oder einen Wafer, ist auf einem Trägerelement 3, welches
als Grundstruktur ausgebildet ist, gelagert und über ein Federelement 4,
einer Dämpfereinrichtung 5 und
Lorentz-Aktuatoren 9 mit diesem verbunden. Das Trägerelement 3 nimmt
ein Messsystem 6 auf.
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In
einer nicht dargestellten Ausführung
der Vorrichtung 1 kann das Messsystem 6 von einer
weiteren Struktur, die mit dem Trägerelement 4 fest
verbunden ist, aufgenommen werden. Das Federelement 4 weist
dabei vorzugsweise eine Steifigkeit von annähernd 0 N/m auf, wobei die
Federsteifigkeit frequenz- und massenabhängig ist. Die Dämpfereinrichtung 5 weist
typischerweise einen sehr kleinen Reibbeiwert von ca. 0 N/(m/s)
auf, so dass die durch die Dämpfereinrichtung 5 infolge
der Relativbewegung zwischen dem Trägerelement 3 und der
Stelleinrichtung 2 wirkenden Kräfte in einem interessierenden
Frequenzbereich von gleicher Größenordnung
sind wie die durch das Federelement 4 übertragenden Kräfte. Ein
Aktuator 7 und z. B. die Lorentz-Aktuatoren 9 entwickeln Kräfte zwischen
dem Trägerelement 3 und
der Stelleinrichtung 2, so dass die Stelleinrichtung 2 auf
dem Trägerelement 3 verschoben
werden kann. Dabei werden die Lagerkräfte durch die Lorentz-Aktuatoren 9 aufgebracht,
die Stellkräfte
im Lageregelkreis nach 2 durch den Aktuator 7.
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Zur
Messung der Ist-Position der Stelleinrichtung 2 und zur
Kontrolle der Bewegung der Stelleinrichtung 2 gegenüber dem
Trägerelement 3 wird das
Messsystem 6, welches ein Bewegungsdifferenzen messendes
Messsystem ist, und ein gegen ein Inertialsystem messendes Messsystem 8 vorgesehen.
Hierbei können
je nach Anforderung verschiedene Kombinationen der beiden Messsysteme 6 und 8 ausgeführt werden.
In 1 ist dies die Kombination beispielsweise eines
Laserinterferometers als Bewegungsdifferenzen messendes Messsystem 6 und eines
Beschleunigungssensors bzw. Inertialsensors als gegen ein Inertialsystem
messendes Messsystem 8. Es ist aber ebenfalls für das Bewegungsdifferenzen
messende Messsystem 6 der Einsatz eines Maßstabes
oder eines kapazitiven Sensors und für das gegen ein Inertialsystem
messende Messsystem 8 ein Geophon möglich. Zur Ermittlung der Position der
Stelleinrichtung 2 muss die Beschleunigung, welche die
Stelleinrichtung 2 erfährt,
zweimal integriert werden.
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Wichtig
ist die Empfindlichkeit des Sensors 8 zur Bewegungsmessung
gegen ein Inertialsystem. In derartigen Sensoren 8 wird
eine seismische Masse eingesetzt, gegen die die Bewegungen eines
zu messenden Körpers
gemessen werden. Auf diese Weise kann die Geschwindigkeit oder Beschleunigung
beispielsweise eines einzigen Maschinenteils ohne Bezug auf andere
Maschinenteile gemessen werden. Im Geophon beispielsweise kann dazu
ein kapazitives Messsystem eingesetzt werden. Es ist allgemein bekannt,
dass mit derartigen Messsystemen 8 Bewegungen bis in den
Bereich weniger Pikometer (pm) mit einer Dynamik z. B. von 1,6 kHz
gemessen werden können.
Somit ist der Einsatz eines Geophons mit der notwendigen Empfindlichkeit
prinzipiell möglich.
Alternativ können
auch Beschleunigungsaufnehmer eingesetzt werden. In jedem Fall werden
die eingesetzten bzw. benutzten Sensoren 8 einen nutzbaren
Frequenzbereich aufweisen, der durch eine untere und eine obere
Grenzfrequenz beschrieben wird.
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Um
Stellbewegungen mit der Stelleinrichtung 2 auszuführen, sollte
die erste Eigenfrequenz der Stelleinrichtung 2 möglichst
weit über
der gewünschten
Stelldynamik zu finden sein. Außerdem sollte
eine passive Dämpfung/
Materialdämpfung vorhanden
sein, so dass auch potentiell angeregte Moden möglichst gut gedämpft werden
können.
Hierbei wird versucht, die erste Eigenfrequenz der Stelleinrichtung 2 so
hoch zu legen, dass im Frequenzbereich beispielsweise eine Dekade
zwischen einer Reglerbandbreite und einer ersten Eigenfrequenz liegt.
Da die Stelleinrichtung 2 häufig eine kleinere Struktur
ist bzw. bildet, kann dies sehr einfach erreicht werden. Entsprechende
Steifigkeiten können durch
Auswahl von Strukturmaterialien und Design sehr gut erreicht werden.
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Es
ist von besonderem Vorteil, wenn die Stelleinrichtung 2 im
unteren Frequenzbereich, in dem noch keine störenden Resonanzen sowohl des
Trägerelements 3 als
auch der Stelleinrichtung 2 selber liegen, den Bewegungen
des Trägerelements 3 folgt. In
höheren
Frequenzbereichen soll aber die Stelleinrichtung 2 gegenüber Inertialsystem
ruhig stehen oder Stellsignalen aus dem Inertialsensor folgen. Somit
wird die Position der Stelleinrichtung 2 zu dem Trägerelement 3 oder
einer mit dem Trägerelement 3 verbundenen
Struktur, die selber wieder besondere Merkmale, wie z. B. Temperaturstabilität, besonders gut
realisiert, vorzugsweise nur im niederfrequenten und statischen
Bereich mit dem Bewegungsdifferenzen messenden Messsystem 6 ermittelt.
Im höher- und
hochfrequenten Bereich wird die Position der Stelleinrichtung 2 gegenüber einem
Inertialsystem mit einem Beschleunigungssensor bzw. Inertialsensor
oder einem Geophon (gegen Inertialsystem messende Messsysteme 8)
gemessen. Der Inertialsensor bzw. Beschleunigungssensor ist zur
Messdatenerfassung der Stelleinrichtung 2 gegenüber einem
Inertialsystem auf der Stelleinrichtung 2 gelagert. Durch
die Positionsmessung im niederfrequenten Bereich mit dem Bewegungsdifferenzen
messenden Messsystem 6 wird auch die Integrationskonstante für die Geschwindigkeits-
bzw. Beschleunigungsmessung festgelegt. Die Veränderung im hoch- und niederfrequenten
Bereich richtet sich nach den Eigenschaften des das Bewegungsdifferenzen
messende Messsystem 6 tragenden Trägerelements 3. Die
erste Eigenfrequenz des Trägerelements 3 sollte fünf- bis
zehnmal höher
liegen als die Übergangsfrequenz
von dem Bewegungsdifferenzen messenden Messsystems 6 zu
dem gegen ein Inertialsystem messenden Messsystem.
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Da
im oberen Frequenzbereich mit Inertialsensoren bzw. Beschleunigungssensoren
gemessen wird, werden Störungen,
die insbesondere auf das an dem Trägerelement 3 befestigte
Bewe gungsdifferenzen messende Messsystem wirken, aus dem Positionsregelkreis
der Stelleinrichtung 2 ausgekoppelt. In Folge dieser Entkopplung
können
die Anforderungen an die Steifigkeit des Trägerelements 3 und/oder
der Trägerelemente
reduziert werden. Mechanismen zur Reduktion des Störungseintrags
in die Vorrichtung 1 müssen
nicht weiter vorgesehen werden. Besonders Ausgleichsmassen zur Begrenzung
der Reaktionskräfte
können
nun entfallen.
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In
einer weiteren Ausführung
kann die Anzahl der Frequenzbänder
weiter erhöht
und jedem Frequenzband entweder ein geeigneter Inertialsensor 8 oder
ein differentiell messendes Messsystem 6 zugeordnet werden.
Somit können
verschiedene Kombinationen der beiden Messsysteme 6 und 8 ausgeführt werden.
Es können
aber auch Frequenzbereiche auftreten, in denen die zu positionierende Stelleinrichtung 2 zu
dem Trägerelement 3 einfach nur
ihrer eigenen trägen
Masse überlassen
wird.
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Der
Aufbau der Vorrichtung 1 mit der Stelleinrichtung 2 und
dem Trägerelement 3 ist
in 1 und ein Flussdiagramm zur Regelung in 2 dargestellt.
Die Position der Stelleinrichtung 2 wird, wie bereits erwähnt, mit
dem Bewegungsdifferenzen messenden Messsystem 6, z. B.
einem Interferometer, gemessen, wobei das Bewegungsdifferenzen messende
Messsystem 6 selbst Bestandteil des Trägerelements 3 ist.
Das Messsignal enthält
Störungen,
die das Trägerelement 3 erfährt. Das
gegen Inertialsystem messende Messsystem 8, wie z. B. ein
Inertialsensor, welches in die Stelleinrichtung 2 integriert
ist, misst die Bewegungen der Stelleinrichtung 2 gegen ein
Inertialsystem. Es gehen daher keine Störungen der Umgebung ein, die
nicht auch auf die Stelleinrichtung 2 wirken.
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3 zeigt
graphisch eine mögliche
Kombination der Arbeitsbereiche über
der Frequenz des Bewegungsdifferenzen messenden Messsystems 6 und
des gegen ein Inertialsystem messenden Systems 8. Somit
werden die Anforderungen an das Stellverhalten der Stelleinrichtung 2 in
zwei Frequenzbereiche aufgeteilt. Die Übergangsfrequenz kann je nach
Anforderungen zwischen ei nigen 10 Hz und 100 Hz liegen. Im niederfrequenten
Bereich werden die Messsignale von dem Bewegungsdifferenzen messenden
Messsystems 6, wie dem Interferometer, mit entsprechender
Auflösung
erzeugt, wobei die Kennlinie des Messsystems 6 mit dem
Bezugszeichen 6',
wie in 3 erkenntlich, dargestellt ist. Das Messsystem 6 wird
durch einen Tiefpassfilter bandbegrenzt, wobei somit nur bis zu
einer bestimmten Frequenz niederfrequente Anteile eines Signals verstärkt und
die höherfrequenten
Anteile eines Signals gedämpft
werden. Im oberen bzw. höheren
Frequenzbereich jedoch wird mit dem Bewegungsdifferenzen messenden
Messsystem 8 die Beschleunigung nur der Stelleinrichtung 2 relativ
zu einem Inertialsystem gemessen. Die Kennlinie des Messsystems 8 ist
mit dem Bezugszeichen 8' in 3 versehen.
Durch eine derartige Messanordnung können die hochfrequenten Störungen,
die insbesondere auf das am Trägerelement 3 befestigte
Messsystem 6 wirken, aus dem Positionsregelkreis der Stelleinrichtung 2 ausgekoppelt
werden.
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Die
Stelleinrichtung 2 kann in ihrer Lagerung Bewegungen in
allen 6 Freiheitsgraden ausführen. Hierzu
wird auf die Darstellung der Vorrichtung 1 gemäß 4 verwiesen.
Um eine Bewegung der Stelleinrichtung 2 in 6 Freiheitsgraden
zu ermöglichen, können mit
sechs geeignet angeordneten Lorentz-Aktuatoren 9 Kräfte zwischen
dem Trägerelement 3 und
der Stelleinrichtung 2 eingeleitet werden. Zur Positionsbestimmung
der Stelleinrichtung 2 sind wenigstens sechs Bewegungsdifferenzen
messende Messsysteme 6 bzw. Längenmesssysteme, z. B. wenigstens
sechs Interferometer, vorgesehen. Entsprechend sind zur Messung
gegenüber
einem Inertialsystem wenigstens sechs geeignet angeordnete gegen
ein Inertialsystem messende Messsysteme 8 bzw. Inertialsensoren
auf der Stelleinrichtung 2 angeordnet. Da nur Starrkörpermoden
der Stelleinrichtung 2 gegenüber dem Trägerelement 3 in der
Regelung berücksichtigt
werden müssen,
entsteht mindestens für
eine schwache Kopplung zwischen der Stelleinrichtung 2 und
dem Trägerelement 3 ein
entkoppelbares System, auf das das oben aufgeführte Ausführungsbeispiel einer Bewegung
mit einem Freiheitsgrad nach 1 6-Mal
isoliert angewandt werden kann.