WO2010066873A1 - Gravitationskompensation für optische elemente in projektionsbelichtungsanlagen - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gravitationskompensator (1, 2) zur Lagerung von optischen Elementen in einer Projektionsbelichtungsanlage sowie eine entsprechende Projektionsbelichtungsanlage, wobei der Gravitationskompensator (1, 2), der zumindest teilweise die Gewichtskraft eines gelagerten optischen Elements kompensiert, gleichzeitig eine Positionsänderung des optischen Elements ermöglicht, ohne dass die kompensierte Gewichtskraft bei der Positionsveränderung in unzulässiger Weise verändert wird. Dies gilt insbesondere für hohe zu kompensierende Gewichtskräfte. Darüber hinaus ermöglicht der erfindungsgemäße Gravitationskompensator die Verwendung in verschiedenen Atmosphären sowie den Ausgleich entsprechender Alterungseffekte.
Description
GRAVITATIONSKOMPENSATION FÜR OPTISCHE ELEMENTE IN PROJEKTIONSBELICHTIiNGSANLAGEN
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gravitationskompεnsator zur Kompensation der Gewichtskraft von optischen Elementen in einer Projektionsbelichtungsanlage bzw. zur Lagerung derselben sowie eine entsprechende Projektionsbelichtungsanlage und ein Verfahren zum Betrieb sowohl des Kompensators als auch der Projektionsbelichtungsanlage.
STAND DER TECHNIK
In modernen Projektionsbelichtungsanlagen der Mikrolithographie für die Herstellung von kleinsten Strukturen im Bereich der Elektrotechnik bzw. der Mikromechanik, wie insbesondere EUV (extrem ultraviolett)-ProjektionsbeUchtungsanlagen, die mit extrem ultraviolettem Licht betrieben werden, sind optische Elemente notwendig, die entsprechend exakt positioniert werden müssen. Insbesondere kann es erforderlich sein, die Position der entsprechenden optischen Elemente verändern zu müssen, so dass Aktoren vorgesehen werden müssen, die die Positionsänderungen der optischen Elemente, wie insbesondere von Spiegeln in EUV-Projektionsbelichtungsanlagen ermöglichen. Solche Projektionsbelichtungsanlagen mit Aktoren zur Positionsänderung von optischen Elementen sind beschrieben in DE 102006 038455 Al, WO 2008/122313 Al, DE 102005 057860 Al, DE 60126103 T2, DE 10339362 Al, DE 10140608 Al, DE 10053899 Al, WO 2008/012336 Al, EP 1503246 A2, EP 1720068 Al, US 7,046,335 B2, EP 1321823 A2, WO 2007/010011 A2.
Aufgrund der Größe und des Gewichts der zu positionierenden optischen Elemente kann es erforderlich sein, Gravitationskompensatoren einzusetzen, die die Gewichtskraft der entsprechenden optischen Elemente kompensieren, so dass die Aktoren bei der Bewegung der optischen Elemente nicht gleichzeitig die gesamte Stützlast zu tragen haben. Dadurch wird die Betätigung der optischen Elemente durch die Aktoren vereinfacht und es ist ein geringerer Energieeintrag in die Aktoren erforderlich. Dies hat wiederum positive Auswirkungen auf das Gesamtverhalten der Projektionsbelichtungsanlage, da beispielsweise keine zusätzlichen Wärmelasten aufgrund des hohen Energieverbrauchs der Aktoren in die Anlage eingeführt werden. Solche Gravitationskompensatoren sind z.B. in EP 1475669 Al und WO 2009/093907 Al beschrieben. Des Weiteren sind magnetische Lagervorrichtungen aus DE 69825747 T2, US 2004/0212794 Al, WO 2006/087463 Al. JP 55060719 A und JP 58137618 A bekannt.
Allerdings bedingt die Bewegung der optischen Elemente durch die Betätigung der Aktoren, dass auch die Gravitationskompensatoren eine entsprechende Bewegung ermöglichen. Insbesondere bei großen und schweren optischen Elementen, wie beispielsweise entsprechenden Spiegeln in EUV-Projektionsbelichtungsanlagen, kann dies jedoch auf Grund der hohen Kompensationskräfte bzw. Kompensationslasten zu Problemen führen.
Bei bisherigen Gravitationskompensatoren stellte man insbesondere fest, dass die Positioniergenauigkεit der optischen Elemente bei Verwendung von Gravitationskompensatoren beeinträchtigt werden kann und dass die Positioniergenauigkeit insbesondere bei bestimmten Atmosphären, die in EUV-Projektionsbelichtungsanlagen eingesetzt werden, wie wasserstofflialtigεn Atmosphären, nachteilig beeinflusst werden kann. Auch die PositioniεrstabiHtät über einen längeren Zeitraum kann beeinträchtigt sein.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Gravitationskompensatoren für die Kompensation der Schwerkraft von optischen Elementen bzw. für die Lagerung von optischen Elementen in Projektionsbelichtungsanlagen für die Mikrolithographie bereitzustellen, die die oben genannten Nachteile nicht aufweisen.
Insbesondere ist es deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
Gravitationskompensatoren für den Einsatz in einer Projektionsbelichtungsanlage sowie entsprechende Projektionsbelichtungsanlagen bereitzustellen, bei denen die Positioniergenauigkeit der optischen Elemente durch die Gravitationskompensatoren nicht negativ beeinflusst und die Lagestabilität für einen langen Zeitraum auch bei ungünstiger Atmosphäre, z.B. bei wasserstoffhaltigen Atmosphären, aufrecht erhalten werden kann.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Gravitationskompensator zur Lagerung von optischen Elementen in einer Projektionsbelichtungsanlage, welcher bei zumindest teilweiser Kompensation der Gewichtskraft eines gelagerten optischen Elements gleichzeitig eine
Positionsänderung des optischen Elements ermöglicht, wobei die kompensierte Gewichtskraft bei der Positionsveränderung annähernd konstant bleibt und bei kompensierten Gewichtskräften > 100 N oder gar > 200 N die Veränderung der kompensierten Kraft bei einer Positionsänderung > 250 μm und/oder Lagerung in überwiegend Wasserstoffhaltigen Atmosphären und/oder über Lagerungszeiten > 10 h kleiner oder gleich 0,5 N beträgt.
Vorzugsweise aber nicht notwendigerweise ist die kompensierte Gewichtskraft > 250 N oder > 300 N und die Positionsänderung > 500 μm oder > 750 μm. Dabei ist vorzugsweise die Veränderung der kompensierten Kraft < 0,2 N oder < 0,1 N. Unter annähernd konstant soll verstanden werden, dass die Kraft-Weg-Kennlinie des Gravitationskompensators bei Positionsänderungen von weniger als 250 μm, vorzugsweise von weniger als 500 μm um eine
Gleichgewichtslage, um weniger als 0,25% des Kraftwertes in der Gleichgewichtslage abweicht.
In einer Ausfuhrungsform der Erfindung umfasst der Gravitationskompensator mindestens zwei magnetische Kompensatorelemente (1,2; 111,112, siehe Fig. 1, 2, 13) mit unterschiedlichen Kraft- Weg-Kennlinien, die hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung eines Gravitationskompensators zur Lagerung von optischen Elementen in einer Projektionsbelichtungsanlage umfasst mindestens ein ersten magnetischen Kompensatorelement (1,1 11, siehe Fig. 1, 13), wobei mindestens ein zweites magnetisches Kompensatorelement (2,112, siehe Fig. 1, 13) mit einer zum ersten magnetischen Kompensatorelement unterschiedlichen Kraft- Weg-Kennlinie in Reihe und/oder parallel zum oder winkelig neben dem ersten magnetischen Kompensatorelement angeordnet ist. Dabei kann in einer Ausführungsform das erste und das zweite magnetische Kompensatorelement 1,2 bei Serienschaltung mittels einer starren, unmagnetischen Kopplung 11 verbunden sein, wobei im Bereich zwischen den magnetischen Kompensatorelementen mindestens ein Flussleitelement oder ferromagnetisches Flussleitelement 12 vorgesehen sein kann.
Durch die starre, unmagnetische Kopplung 11 und das Flussleitelement 12 wird erreicht, dass die beiden Kompensatorelemente einander möglichst wenig hinsichtlich ihrer jeweiligen Kraft-Weg-Kennlinien so beeinflussen, dass sich diese für den jeweiligen Kompensator aufgrund der Anwesenheit des anderen Kompensators verändert. Dadurch kann die resultierende Kraft- Weg-Kennlinie der beiden in Reihe und/oder parallel oder winkelig nebeneinander angeordneten und mechanisch miteinander gekoppelten Kompensatorelemente als Summe der einzelnen Kraft-Weg-Kennlinien in sehr guter Näherung dargestellt werden. Durch solche Maßnahmen werden z.B. die Dimensionierungsprozesse der Kompensatoren stark vereinfacht.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Gravitationskompensator mindestens ein mechanisches Federelement (27, siehe Fig. 3) als Kompensatorelement, wobei das mindestens eine mechanische Federelement und das mindestens eine magnetische Kompensatorelement mit ihren Kraft-Weg-Kennlinien so aufeinander abgestimmt sein können, dass über einen
vorbestimmten Wegbereich die Kompensationskraft im technischen Maßstab, z.B. besser als 0,25%, konstant ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Gravitationskompensator zur Lagerung von optischen Elementen in einer Projektionsbdichtungsanlage mindestens ein erstes magnetisches Kompensatorelement, wobei der Gravitationskompensator mindestens ein mechanisches Federelement (27, siehe Fig. 3) als Kompensatorelement umfasst, und wobei das oder die mechanischen Federelemente und der mindestens eine magnetische Kompensator mit ihren Kraft- Weg-Kennlinien so aufeinander abgestimmt sind, dass über einen vorbestimmten Wegbereich die Kompensationskraft im technischen Maßstab konstant ist. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise umfasst das mechanische Federelement eine Feder mit linearer Kraft- Weg-Kennlinie (siehe Fig. 4), oder das mechanische Federelement (62, siehe Fig.8, 9) umfasst eine Feder mit mindestens einem annähernd konstanten Bereich in der Kraft-Weg-Kennlinie. Ein solches Federelement kann z.B. ein Knickstab sein, der auch als Knickfeder bezeichnet wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Gravitationskompensator nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen ein magnetisches Kompensatorelement mit mindestens zwei innere Magneten (91, 92, siehe Fig. 11 ) und mindestens einen äußeren Magneten, wobei mindestens einer der inneren Magneten (102, siehe Fig. 12) bezüglich der örtlichen Lage im Bezug zum anderen inneren Magneten veränderbar ist und/oder die Magnetstärke verstellbar ist. Ferner kann bei einem Gravitationskompensator nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen wenigstens einer der Magnete eines magnetischen Kompensatorelements von der in der Umgebung des Gravitationskompensators vorliegenden Atmosphäre abgetrennt angeordnet sein, wobei z.B. die Abtrennung durch eine gasdichte Kapselung (132, siehe Fig. 14), eine gasdichte Beschichtung (141, siehe Fig. 15) und/oder eine Gasspülung (154, siehe Fig. 16) verwirklicht sein kann. Optional kann ein Gravitationskompensator nach einer der oben beschriebenen Ausfuhrungsformen mindestens ein auswechselbares, das Magnetfeld beeinflussendes Justierelement (164, siehe Fig. 17) umfassen.
Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gravitationskompensators umfassen alternativ oder zusätzlich zu den oben bereite beschriebenen Merkmalen wenigstens ein Kompensatorelement, welches mindestens ein Gegengewicht (32,42,52,53, siehe Fig. 5, 6, 7) umfasst, das über mindestens ein Umlenkelement mit dem zu lagernden optischen Element verbunden ist, wobei das Umlenkelement mindestens ein Festkörpergelenk oder mindestens einen Seilzug mit einer Rolle umfassen kann.
Weitere Ausrührungsformen des errlndungsgemäßen Gravitationskompensators umfassen alternativ oder zusätzlich zu den oben bereits beschriebenen Merkmalen mindestens ein Kompensatorelement dem mindestens ein Positionierelement (78,79, siehe Fig. 10) zugeordnet ist welches unabhängig vom Kompensatorelement eine Positionsänderung des zu lagernden optischen Elements bewirken kann.
Damit umfasst die vorliegende Erfindung auch eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie mit mindestens einem Gravitationskompensator nach einer oben beschriebenen Ausfύhrungsform. Dabei kann die mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage eine Gasspülvorrichtung umfassen, welche den Bereich des Gravitationskompensators oder der Gravitationskompeasatoren mit Gas zur Einstellung einer vordefinierten Atmosphäre umspült, wobei die Gasspülvorrichtung derart hergerichtet sein kann, dass im Bereich eines Gravitationskompensators eine gegenüber dem Rest oder anderen Teilen der Projektionsbelichtungsanlage unterschiedliche Gasatmosphäre eingestellt werden kann.
Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Gravitationskompensators, bzw. einer Projektionsbelichtungsanlage, wobei wenigstens ein Gravitationskompensator, bzw. eine Projektionsbelichtungsanlage mit den oben beschriebenen Merkmalen bereitgestellt und wenigstens ein optisches Elements mit dem Gravitationskompensator gelagert wird.
Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass es entscheidend ist, dass der Gravitationskompensator die Kompensationskraft auch bei größeren Positionsänderungen und größeren zu kompensierenden Gewichtskräften weitgehend stabil hält, so dass die Aktoren
bzw. die Übrige Lagerkonstruktion nicht durch eine unerwartete Veränderung der zu stützenden Last aufgrund der Veränderung der Gravitationskompensation negativ beeinflusst werden. Dies gilt auch für Veränderungen der Kompensationskraft aufgrund von Umgebungseinflüssen und/oder durch Alterung. Dadurch wird insbesondere auch eine etwaige Deformation von den gelagerten optischen Elementen, wie z.B. Spiegel in EUV- Projektionsbelichtungsanlagen, insbesondere innerhalb des EUV-Projektionsobjektivs, durch eine (unerwartete) Veränderung der zu stützenden Last aufgrund der Veränderung der Gravitationskompensation vermieden, bzw. sehr stark reduziert, womit die Formgenauigkeit des optischen Elements im wesentlichen auch z.B. bei Justage und/oder Positionierung beibehalte. Diese Formgenauigkeit ist bei einigen EU V-Spiεgeln besser als 0.1 um über einen Bereich von mehr als 10 cm.
Entsprechend wird, wie oben ausgeführt, ein Gravitationskompensator vorgeschlagen, der bei zu kompensierenden Gewichtskräften ≥ 100 N oder gar 200 N, insbesondere > 250 N, vorzugsweise > 300 N sowohl bei insbesondere linearen Positionsänderung des zu lagernden Elements, also des optischen Elements > 250 um, insbesondere > 500 μm, vorzugsweise > 750 μm entlang einer Raumrichtung und/oder bei Lagerung in überwiegend wasserstoffhaltigen Atmosphären und/oder über Lagerungszeiten > 10 Stunden, insbesondere > 20 Stunden, insbesondere > 100 Stunden Veränderungen der kompensierten Kraft im Bereich von < 0,5 N, insbesondere ≤0,2 N, vorzugsweise < 0,1 N aufweist. Solange diese Grenzen der Veränderung der kompensierten Kraft eingehalten werden, können die übrige Lagerkonstruktionen und/oder die Aktoren diese Änderungen aufnehmen, ohne dass die Positioniergenauigkeit, die Formgenauigkeit des optischen Elements, bzw. die innerhalb der für Projektionsbelichtungsanlagen geltenden Toleranzbereiche übermäßig nachteilig beeinflusst werden.
Bei der Nachführung der Gravitationskompensatoren zum Ausgleich der durch die Aktoren herbeigeführten Positionsveränderung der optischen Elemente kann es beispielsweise zu einer Veränderung der Kompensationslast bzw. der Kompensationskraft kommen. Diese Kraftveränderung, bzw. Kraftvarianz ist nachteilig, da sie zu Überbelastungen der Aktoren fuhren kann, was wiederum negativen Einfluss auf die Positioniergenauigkeit hat und zusätzlich die Einhaltung der Formgenauigkeit bei Positionsänderung gefährden kann. Es
wird deshalb angestrebt, Gravitationskompensatoren einzusetzen, bei denen es insbesondere bei hohen zu kompensierenden Schwerkräften über einen möglichst großen Bewegungsbereich des zu lagernden Elements, also des optischen Elements, zu keiner nennenswerten Veränderung der Kompensationskraft kommt. Eine entsprechende Stabilität der Kompensationskraft wird auch über lange Lagerzeiten, insbesondere in entsprechenden Atmosphären der Projεktionsbelichtungsanlagen angestrebt. Damit wird vorteilhaft auch sichergestellt, dass etwaige Spiegeldeformationen, oder allgemein, Deformationen des zu haltenden (optischen) Elements ebenfalls in einem akzeptablen Toleranzbereich sind.
Ein derartiger Gravitationskompensator, der die als Voraussetzung für ausreichende
Positioniergenauigkeit gefundene und oben angegebene Spezifikation erfüllen kann, kann z.B. durch die oben beschriebenen unterschiedlichen Gestaltungsvarianten realisiert werden.
Nach einem ersten Aspekt kann ein Gravitationskompensator vorgesehen werden, bei dem mindestens zwei magnetische Kompensatorclemcnte mit unterschiedlichen Kraft- Weg- Kennlinien in Reihe und/oder parallel zueinander bzw. winklig nebeneinander angeordnet werden.
Durch die Kombination von Kompensatorelementen mit unterschiedlichen Kraft- Weg- Kennlinien, die die Veränderung der Kompensationskraft mit Veränderung der Position des zu lagernden Elements angeben, können die oben angegebenen Grenzwerte durch entsprechend geschickte Kombination der Kompensatorelemente erreicht werden.
Obwohl dies für die Kombination beliebiger Kompensatorelemente gilt, ist die Kombination von magnetischen Kompensationselementen bzw. Kompensatorelementen besonders bevorzugt, da magnetische Gravitationskompensatoren durch ihren strukturellen Aufbau grundsätzlich eine sehr gute Konstanz der Kompensationskraft über einen weiten Bereich der Positionierveränderung aufweisen, wobei insbesondere ein großer Bereich der zu kompensierenden Last abdeckbar ist. Durch eine Kombination von zwei oder mehreren magnetischen Kompensatorelementen können die Eigenschaften der magnetischen
Kompensatorelemente noch weiter verbessert und optimiert werden. Insbesondere kann die
Kraft- Weg-Kennlinie des mehrere magnetische Kompensationselemente umfassenden Gravitationskompεnsators den Anforderungen besser angepasst werden, wie z.B., dass die Kraft- Weg-Kennlinie über einen vorgegebenen Weg, d.h. über eine vorgegebene Verschiebung des optischen Elements, eine nahezu konstante Kraft aufweist, die im Toleranzbereich der oben angegeben Daten liegt. Damit wird eine sehr niedrige Lagersteifigkeit des Gravitationskompensators in Richtung der vorgegebenen Verschiebung erreicht, die üblicherweise mit der Richtung der zu kompensierenden Gravitationskraft zusammenfällt.
Magnetische Kompensatoren können so aufgebaut sein, dass zwei magnetisch gleich orientierte Magnete entlang einer Achse im Abstand zueinander angeordnet sind. Im zentralen Bereich dieser axialen Magnetanordnung ist ein äußerer umlaufender Magnetring vorgesehen, der die inneren Magnete zumindest teilweise einschließt. Der äußere Magnetring weist eine magnetische Orientierung quer zu den inneren Magneten auf, so dass der innere Pol des äußeren Magneten benachbart zu einem gleichnamigen Pol des ersten inneren Magneten und zu einem ungleichnamigen Pol des zweiten inneren Magneten ist. Dadurch ergibt sich eine magnetische Kraft entlang der Längsachse zwischen den inneren und äußeren Magneten, die trotz relativer Verschiebung des äußeren Magneten zu den inneren Magneten in einem weiten Verschiebungsbereich nahezu konstant bleibt. Diese magnetische Kraft kann als Kompensationskraft genutzt werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von entlang einer Achse im Abstand zueinander angeordneten gleich orientierter inneren Magnete ist, dass bei einer etwa symmetrischen Positionierung dieser Magnete relativ zum äußeren Magnetring eine maximale Kraft erzeugt wird, die z.B. als Stützkraft zur Lagerung eines optischen Elements eingesetzt werden kann. Im Falle der Verwendung von zwei entgegengesetzt orientierter innerer Magnete würde bei der genannten symmetrischen Positionierung die Kraft Null erzeugt, so dass in dieser Position keine Stützkraft vorhanden wäre. Diese wurde sich erst bei deutlicher Relatiwerschiebung der entgegengesetzt orientierten inneren Magnete gegenüber dem äußeren Magnetring ergeben, wodurch sich nachteilig der Bauraum vergrößert und femer bei Verwendung gleicher Magnetdimensionen die Stutzkraß im Vergleich zu gleich orientierten Magneten deutlich reduziert ist. Weiter Vor- und Nachteile dieser beiden Ausführungsvarianten der eben beschriebenen magnetischen Kompensatorelεmente werden im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschrieben.
Für die Kombination von magnetischen Kompensatoren können ein erstes und zweites magnetisches Kompensatorelement bzw. weitere Kompensatorelemente in einer Serienschaltung hintereinander geschaltet werden, wobei sie z.B. mittels einer starren unmagnetischen Kopplung miteinander verbunden sein können. Dabei soll unter Serienschaltung ein Verbinden, z.B. ein mechanisches Verbinden, der beweglichen Teile der magnetischen Kompensatoren (nachfolgend auch als Anker bezeichnet) verstanden werden, so dass diese im Wesentlichen eine gemeinsame Bewegung ausfuhren. Die unmagnetische Kopplung weist den bereits beschriebenen Vorteil auf, dass die jeweilige Kraft- Weg- Kennlinie des einzelnen magnetischen Kompensatorelements möglichst wenig durch die Anwesenheit des anderen magnetischen Kompensatorelements beeinflusst wird. Um eine solche Beeinflussung weiter zu reduzieren können im Bereich zwischen den magnetischen Kompensatorelementen Flussleitelemente, insbesondere ferromagnetische Flussleitelemente vorgesehen sein, die den Kurzschluss zwischen den magnetischen Kompensatorelementen verhindern und die Magnetfelder in gewünschter Weise beeinflussen können.
Neben der Kombination von magnetischen Kompensatorelementen können zusätzliche oder alternativ auch mechanische Kompensatorelemente in Form von Federelementen eingesetzt werden, sei es zusätzlich zur Kombination von magnetischen Kompensatorelementen oder als Kombination mit einem einzigen magnetischen Kompensatorelement. Es sind auch Kombinationen von mehreren mechanischen Kompensatorelementen, wie z.B.
Federelementen mit einem oder mehreren magnetischen Kompensatorelementen denkbar. Wesentlich ist auch hier, dass die Kraft- Weg-Kennlinien so aufeinander abgestimmt sind, dass über einen vorbestimmten Wegbereich, also eine entsprechende Positionsveränderung des zu lagernden optischen Elements, die Kompensationskraft konstant bzw. nahezu konstant bleibt. Hier ist insbesondere von einem technischen Maßstab auszugehen, d. h. eine Kostanz, die innerhalb des Toleranzbereichs für die typischerweise für Projektionsbelichtungsanlagen zu erzielende Positioniergenauigkeit liegt.
Ein mechanische Federelement, welches als mechanisches Kompensatorelement eingesetzt werden kann, kann eine Feder mit linearer Kraft- Weg-Kennlinie gemäß dem Hookschen Gesetz sein oder ein Federelement, welches mindestens einen annähernd konstanten Bereich hinsichtlich des Kraftverlaufs in der Kraft- Weg-Kennlinie aufweist.
Ein derartiges mechanisches Federelement kann dann auch alleine als Gravitationskompensator eingesetzt werden. Ein mögliches mechanisches Element ist ein elastischer Knickstab, der in einem bestimmten Bereich der Durchbiegung eingesetzt wird, in dem die Kraft-Weg-KennJinie für die angestrebten Positionsvεränderungen, d. h. die entsprechenden Durchbiegungen des Knickstabs, eine Konstanz bzw. nahezu Konstanz der Kompensationskraft ermöglicht.
Die magnetischen Kompensatorelemente bzw. magnetischen Gravitationskompensatoren können so ausgebildet sein, dass sie einstellbar oder veränderbar sind. Beispielsweise kann die Position mindestens eines Magneten, insbesondere von einem der inneren Magneten bzgl. der örtlichen Lage, z.B. im Bezug zum anderen inneren Magneten veränderbar sein, und/oder die Magnetstärke, d. h. die magnetische Feldstärke oder der magnetische Fluss, mindestens eines Magneten, insbesondere von einem der inneren Magneten kann verstellbar sein. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass an den entsprechenden Magneten ein Joch mit einer Spule angeordnet wird, so dass durch die entsprechende Beaufschlagung der Spule mit elektrischem Storm die Magnetfeldstärke bzw. der magnetische Fluss veränderbar ist.
Für magnetische Kompensatorelemente bzw. magnetische Gravitationskompensatoren kann insbesondere auch ein auswechselbares, das Magnetfeld beeinflussendes Justierelement vorgesehen sein, wie beispielsweise ferromagnetische Elemente, die in die entsprechende Nähe der Magnete des magnetischen Kompensators gebracht werden können.
Durch die Einstellbarkeit bzw. Veränderbarkeit der Gravitationskompensatoren bzw. der entsprechenden Kompensatorelemente kann Veränderungen der Kompensationskraft durch angepasste Einstellung entgegen gewirkt werden, so dass Lageveränderungen oder Alterungserscheinungen bzw. Umwelteinflüsse unkritisch werden. Insbesondere kann mit entsprechenden Sensoren auch ein Regelkreis installiert werden, der eine automatische Steuerung (Regelung) mit Rückkopplung im Regelkreis ermöglicht.
Um bzgl. des Einflusses der Umgebungsatmosphäre die entsprechende Konstanz zu erhalten, kann insbesondere für magnetische Kompensatorelemente vorgesehen werden, dass die Magnete des magnetischen Kompensatorelements von der in der Umgebung des Gravitationskompensators vorliegenden Atmosphäre abgetrennt angeordnet werden.
Die Abtrennung kann hierbei durch eine gasdichte Kapselung, eine gasdichte Beschichtung und/oder eine entsprechende Gasspülung realisiert werden, wobei bei der Gasspülung unkritisches, beispielsweise inertes Gas, Verwendung finden kann, welches das Kompensatorelemεnt umspült, so dass die ansonsten vorliegende schädliche Atmosphäre aus dem Bereich um den Gravilationskompensator verdrängt wird.
Neben magnetischen Kompensatoren sind auch mechanische Gravitationskompensatoren denkbar, die beispielsweise mindestens ein Gegengewicht aufweisen, welches über mindestens ein Umlenkelement mit dem zu lagernden optischen Element verbunden ist, so dass das Gegengewicht und das Gewicht des optischen Elements sich gegenseitig aufheben.
Als Umlenkelemente kommen hierbei beispielsweise Festkörpergelenke oder Seilzüge mit entsprechenden Rollen oder dergleichen in Betracht.
Als weitere Möglichkeit, den Einfluss der Positionsänderung auf die zu kompensierende Kraft zu beschränken, besteht darin, die Positionsänderung für das Kompensatorelement bzw. für den Gravitationskompensator zu minimieren. Entsprechend kann ein Positionierelement vorgesehen sein, welches dazu beiträgt, dass das zu lagernde optische Element in seiner Position verändert werden kann, ohne dass das Kompensatorelement diese Positionsveränderung ausgleichen muss. Entsprechend kann das Positionierelement unabhängig vom Kompensatorelement die Positionsänderung unterstützen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, die obige Erkenntnis, dass der Gravitationskompensator die Kompensationskraft auch bei größeren Positionsänderungen und größeren zu kompensierenden Gewichtskräften weitgehend stabil, d.h. konstant halten soll, dadurch zu erreichen, dass etwaige Führungsmittel vorteilhaft zur Reduktion der
Lagerstεifigkeit des Gewichtskraft- oder Gravitationskompensators herangezogen werden können. Unter Führungsmittel sollen technische Ausfuhrungsformen verstanden werden, die es erlauben, dass der Gewichtskraftkompensator bei Bewegungen einer Kompensationselements oder eines Teiles eines Kompensationselements in Richtung der zu kompensierenden Kraft eine Führung dieses bewegten Elements senkrecht zu dieser Richtung erfährt, um Bewegungen senkrecht zu dieser Richtung auf ein Minimum zu reduzieren. Dies ist insbesondere bei der Lagerung von EUV-Spiegeln in EUV-Projektionsbelichtungsanlagen mittels Gravitationskompensatoren von Bedeutung, da dadurch die EUV-Spiegel mittels zusätzlicher Aktoren präziser positioniert werden können.
Damit umfasst die vorliegende Erfindung zusätzlich einen Gewichtskraftkompensator zur Lagerung von optischen Elementen und zur Kompensation einer in eine Richtung z wirkenden, an einem Kraftangriffspunkt angreifenden Kraft F in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlagε. Vorzugsweise wir άk Richtung z in Richtung der Gravitationskraft des optischen Elements gewählt. Die an einem Kraftangriffspunkt angreifende Kraft umfasst wenigstens einen Teil der Gewichtskraft des optischen Elements oder wird durch diese oder einen Teil dieser gebildet. Der erfindungsgemäße Gewichtskraftkompensator umfasst ferner einen in Richtung z der Kraftlinie der Kraft F beweglichen, den Kraftangriffspunkt umfassenden Anker eines Kompensationselements, welches eine erste Kraft- Weg-Kennlinie in Richtung z der Kraft F aufweist. Dabei kann der Anker aus einem beweglichen magnetischen bzw. rnagnetisiεrten Material bestehen, wie beispielweise einem Permanentmagneten, oder er kann ein derartiges Material umfassen. Der Anker kann femer durch eine bewegliche Feder oder allgemein ein elastisches Element bestehen, welches eine Bewegung des Kraftangriffspunktes wenigstens in Richtung der Kraft erlaubt, oder er kann ein solches Element umfassen. Dabei kann das elastische Element z.B. eine Feder mit linearer Kraft- Weg-Kennlinie sein, oder aber auch eine Knickfeder oder ein Knickstab mit einer Kraft- Weg-Kennlinie, die in wenigstens einem Wegbereich eine von anderen Wegbereichen abweichende Steigung, vorzugsweise eine reduzierte Steigung, d.h. einen flachen Verlauf, aufweist. Der erfindungsgemäße Gewichtskraftkompensator weist zusätzlich eine erste Lagersteifigkeit Sl des Kompensationselements auf, gegeben durch den Quotient aus der Differenz ΔFF1 einer maximalen und einer minimalen Kraft eines die Kraft F umfassenden ersten Kraftintervalls ΔF1 und dem Betrag eines dem ersten Kraftintervall ΔF1 über die erste Kraft- Weg-Kennlinie zugeordneten ersten Wegintervalls Δzl um einen
ersten Punkt zθ, dem über die erste Kraft- Weg-Kennlinie die Kraft F zugeordnet ist. Dabei charakterisiert die Lagersteifϊgkeit allgemein die mögliche maximale Kraftänderung, die durch den Gewichlskraftkompensator auf das optische Element bei Lageverschiebung des optischen Elements einwirkt. Idealerweise sollte die Kraftänderung Null sein, um möglichst wenig parasitäre Kräfte oder Drehmomente über den Kraftangriffspunkt auf das optische Element einzutragen. Damit wird eine Deformation des optischen Elements im Falle seiner Lageverschiebung vermieden.
Der erfindungsgemäße Gewichtskraflkompensator kann zusätzliche Führungsmittel umfassen, mit einer zweiten Kraft-Weg-Kennlinie in Richtung der Kraft F zur Führung des Ankers des Kompensationselements und mit einer zweiten Lagersteifϊgkeit S2, gegeben durch den Quotient aus der Differenz ΔFF2 einer maximalen und einer minimalen Kraft eines durch die zweite Kraft-Weg-Kennlinie durch das erste Wegintervall Δzl um den ersten Punkt zθ zugeordneten zweiten Kraftintervalls ΔF2 und dem Betrag des ersten Wegintervalls Δzl. Bei Anwesenheit solcher Führungsmittel wird sichergestellt, dass der Anker im Wesentlichen auf einen Bewegungsfreiheitsgrad in Richtung der zu kompensierenden Kraft eingeschränkt ist, und Bewegungen z.B. in Richtung senkrecht zu dieser Kraft unterbunden werden. Femer ergibt sich dabei die Kraft des Kraftkompensators aus der Addition der Kräfte aus der ersten und aus der zweiten Kraft- Weg-Kennlinie. Dabei resultiert durch die Kräfteaddition eine resultierende Kraft- Weg-Kennlinie und der Gewichtskraftkompensator weist eine dritte Lagersteifϊgkeit S3 auf, die sich als Quotient aus der Differenz ΔFF3 einer maximalen und einer minimalen Kraft wenigstens eines die Kraft F umfassenden dritten Kraftintervalls ΔF3 und dem Betrag des ersten Wegintervalls Δzl um wenigstens einen Punkt zθ* ergibt, wobei durch die resultierende Kraft- Weg-Kennlinie mittels des ersten Wegintervalls Δzl um den wenigstens einen Punkt zθ* das wenigstens eine dritte Kraftintervall ΔF3 definiert ist und dabei der wenigstens eine Punkt zθ* über die resultierende Kraft- Weg-Kennlinie der Kraft F zugeordnet ist. Dabei zeichnet sich der erfindungsgemäße Gewichtskraftkompensator dadurch aus, dass die Lagersteifigkeit S 3 gleich oder geringer als die Lagersteifigkeit Sl ist und/oder die resultierende Kraft- Weg-Kennlinie wenigstens zwei Punkte zθ* aufweist, die mehr als das erste Wegintervall Δzl voneinander beabstandet sind und/oder wobei in der resultierenden Kraft- Weg-Kennlinie die Differenz ΔFF1 um die Kraft F einem Wegintervall größer als Δzl zugeordnet ist.
Der Vorteil des oben beschriebenen zusätzlichen Gewichtskraftkompensators besteht darin, dass eine reduzierte Lagersteifigkeit bei besserer Führung des Ankers erreicht wird. Femer kann bei geeigneter Auslegung der ersten und der zweiten Kraft- Weg-Kennlinie auch der Bewegungsbereich des Ankers und damit des optischen Elements erhöht werden, wobei die Lagersteifigkeit nicht notwendigerweise zunimmt und sogar reduziert werden kann.
Weitere Ausfuhrungsformen des erfindungsgemäßen zusätzlichen
Gewichtskraftkompensators werden nachfolgend ausgeführt. Dabei können insbesondere für das Kompensationselement und das Führungsmittel die im Zusammenhang mit den oben beschrieben Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gravitationskompensators die dort genannten Kompensatorelemente und Federelemente eingesetzt werden. Des Weiteren können Merkmale aus den oben beschriebenen Ausftihrungsformen des erfindungsgemäßen Gravitationskompensators in die zusätzliche Ausfuhrungsform des erfindungsgemäßen Gewichtskraftkompensators aufgenommen werden. Allgemein fallen auch Ausführungsformen unter die Erfindung, welche sich durch Kombination und Austausch von Merkmalen der oben beschriebenen Gravitationskompensatoren und des zusätzlichen erfindungsgemäßen Gewichtskraftkompensators, sowie dessen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ergeben.
Der zusätzliche Gewichtskraftkompensator ist vorzugsweise so ausgelegt, dass der Anker in Richtung der Kraft um ein erstes Wegintervall Δzl um den Punkt zθ* bewegbar ist, wobei das erste Wegintervall Δzl vorzugsweise kleiner als 3 mm und größer als 250 μm ist. Alternativ oder zusätzlich ist die dritte Lagersteifigkeit kleiner 2N/mm, vorzugsweise kleiner 0.2 N/mm.
Ebenfalls alternativ oder zusätzlich ist die Bewegung des Ankers senkrecht zur Kraft F durch von den Führungsmitteln generierten Querkräften in Richtung senkrecht zur Kraft F auf weniger als 10% des Betrags der Bewegung des Ankers in Richtung der Kraft eingeschränkt. Ferner kann das optische Element am Kraftangriffspunkt des Ankers direkt oder indirekt wenigstens teilweise mit einer Abstützvorrichtung abgestutzt sein. Dabei weist die Abstützvorrichtung im Allgemeinen in Richtung der Kraft eine hohe Steifigkeit auf. Dabei ist die Steifigkeit von der Lagersteifigkeit zu unterscheiden, da sich diese im einfachsten Falle der Dehnsteifigkeit, wenn z.B. die Abstützvorrichtung stabförmig ausgebildet ist, aus dem
Produkt des Elastizitätsmoduls der Abstützvorrichtung und der Querschnittsfläche der Abstützvorrichtung bestimmt. Neben der Dehnsteifigkεit weist die Abstützvorrichtung ferner auch eine Biege- und Torsionssteifigkeit auf. Die Dehnsteifigkeit in Richtung der Kraft wird vorzugsweise mehr als das 100-fache bis mehr als das 1000-fache der Differenz ΔFF3 gewählt, welche der maximalen Kraftvariation der Kraft F in der dritten Kraft- Weg- Kennlinie bei maximal zulässiger Verschiebung des Kraftangriffspunktes in Richtung z, z.B. um den Betrag Δzl, entspricht. Damit wird sichergestellt, dass zwischen dem Kraftangriffspunkt am Anker des Gewichtskraftkompεnsators und dem optischen Element eine möglichst starre Verbindung herrscht, um das optische Element möglichst exakt positionieren zu können.
Ferner weist die Abstützvorrichtung in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Kraft F eine geringere Steifigkeit (Dehnstεifigkeit) auf, das Führungsmittel in dieser Richtung, vorzugsweise wenn das Führungsmittel eine Steifigkeit von mehr als 200N aufweist. Die Abstützvorrichtung weist alternativ in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Kraft F eine höhere Steifigkeit auf als die Führungsmittel in dieser Richtung, vorzugsweise wenn das Führungsmittel eine Steifigkeit von weniger als 200N aufweist.
Vorzugsweise ist das optische Element ein Spiegel einer lithographischen EUV- Projektionsbelichtungsanlage wobei die Kraft F die Gewichtskraft oder ein Teil der Gewichtskraft des Spiegels ist.
Alternativ oder zusätzlich ist der zusätzliche Gewichtskraftkompensator nach einem der obigen Ausführungsformen so ausgebildet, dass das Kompensationselement wenigstens ein Element aus einer ersten Gruppe umfasst, und die erste Gruppe aus
- Kompensationselementen für eine zu kompensierenden Gewichtskraft > 200 N oder > 300
N5
- Kompensationselementen die eine Positionsänderung des optischen Elements > 500 μm bis zu 3 mm zulassen, - magnetischen Kompensatoren,
- magnetischen Kompensatorelementen mit wenigstens einem magnetischen Kompensatorelement welches von der in der Umgebung des Gewichtskraftkompensators vorliegenden Atmosphäre z.B. durch gasdichte Kapselung und/oder gasdichte Beschichtung und/oder Gasspülung abgetrennt angeordnet ist, - magnetischen Kompensatoren mit wenigstens einem auswechselbaren das Magnetfeld beeinflussenden Justierelement,
- wenigstens zwei magnetischen Kompensatorelementen mit unterschiedlichen Kraft- Weg- Kennlinien die hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind,
- Kompensatorelementen mit einem ersten und einem zweiten magnetischen Kompensationselement die mittels einer starren und unmagnetischen Kopplung miteinander verbunden sind,
- magnetischen Kompensationselementen mit mindestens einem Flussleitelement oder einem ferromagnetischεn Flussleitelement,
- magnetischen Kompensatoren mit wenigstens zwei inneren Magneten wobei wenigstens einer der inneren Magnete bezüglich der örtlichen Lage im Bezug auf den anderen inneren
Magneten veränderbar ist und/oder die Magnetstärke einstellbar ist,
- mechanischen Kompensatorelementc die dem Hookschen Gesetzt folgen,
- mechanische Federelemente mit einem Bereich annähernd konstanter Kraft in der Kraft- Weg-Kennlinie, - Kompensatorelementen die Aktoren umfassen,
- Federelementen,
- Knickstäben,
- Kompensatorelementen welche wenigstens ein Gegengewicht umfassen das über wenigstens einem Umlenkelement z.B. einem Seilzug oder einer Rolle mit dem zu lagernden optischen Element verbunden sind und
- Kompensatorelementen mit wenigstens einem Positionierelement das unabhängig vom Kompensatorelement eine Positionsänderung des zu lagernden optischen Elements ermöglicht besteht. Damit ergeben sich weitgehend die im Zusammenhang mit den oben beschriebenen Ausruhrungsformen des Gravitationskompensators dargelegten Vorteile auch für den zusätzlichen Gewichtskraftkompensator.
Ferner ist der zusätzliche Gewichtskraftkompensator nach einem der obigen Ausfuhrungsformen so ausgebildet, dass die Führungsrαittel alternativ oder zusätzlich wenigstens ein Element aus einer zweiten Gruppe umfasst, und die zweite Gruppe aus - magnetischen Führungsmittel,
- magnetischen Führungsmittel mit wenigstens einem magnetischen Führungsmittel welches von der in der Umgebung des Gεwichtskraftkompensators vorliegenden Atmosphäre z.B. durch gasdichte Kapselung und/oder gasdichte Beschichtung und/oder Gasspülung abgetrennt angeordnet ist, - magnetischen Führungsmittel mit wenigstens einem auswechselbaren das Magnetfeld beeinflussenden Justierelement,
- wenigstens zwei magnetischen Führungsmittel mit unterschiedlichen Kraft- Weg-Kennlinien die hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind,
- magnetischen Führungsmittel mit wenigstens zwei inneren Magneten wobei wenigstens einer der inneren Magnete bezüglich der örtlichen Lage im Bezug auf den anderen inneren Magneten veränderbar ist und/oder die Magnetstärke einstellbar ist,
- mechanischen Führungsmittel die dem Hooksehen Gesetzt folgen,
- mechanische Federelemente mit einem Bereich annähernd konstanter Kraft in der Kraft- Weg-Kennlinie, - Führungsmittel die Aktoren umfassen,
- Federelementen,
- Knickstäben,
- Membrane,
- mechanisch mittels Kräften vorgespannte Federelementen oder Knickstäben oder Membranen und
- Führungsmittel mit wenigstens einem Positionierelement das eine Positionsänderung des zu lagernden optischen Elements ermöglicht besteht.
KURZBESCHREFBUNG DER FIGUREN
Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen zeigen hierbei in rein schematischer Weise in
Figur 1 eine Ansicht einer ersten Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Gravitationskompensators;
Figur 2 in den Teilbildern a) bis c) Kraft- Weg-Kennlinien der magnetischen
Kompensatorelemente aus Figur 1 (Teilbildern a) und b)) sowie die entsprechende Kraft- Weg-Kennlinie des gesamten Gravitationskompensators aus Figur 1; Figur 3 eine zweite Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators;
Figur 4 ein Diagramm, welches die Kraft- Weg-Kennlinien der Kompensatorelemente sowie des gesamten Gravitationskompensators aus Figur 3 zeigt;
Figur S eine Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gravitationskompensators;
Figur 6 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators;
Figur 7 eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators; Figur 8 eine sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators;
Figur 9 ein Diagramm, welches die Kraft- Weg-Kennlinie des
Gravitationskompensators aus Figur 8 zeigt;
Figur 10 eine siebte Ausfuhrungsform eines erfmdungsgemäßen CJravitatioTiskompensators;
Figur 11 eine achte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gravitationskompensators; Figur 12 eine neunte Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Gravitationskompensators;
Figur 13 eine zehnte AusfÜhrungsform eines erfϊndungsgemäßen Gravitationskompensators;
Figur 14 eine Querschnittsansicht eines eingekapselten Magneten; Figur 15 eine Querschnittsansicht eines beschichteten Magneten für die Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Gravitationskompensator;
Figur 16 die Darstellung einer Gasspülvorrichtung für den Einsatz bei einem erfϊndungsgemäßen Gravitationskompensator bzw. in einer erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungsanlage; und in Figur 17 eine elfte Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Gravitationskompensators, Figur 18 eine schematische Ansicht einer ersten AusfÜhrungsform eines weiteren erfindungsgemäßen Ge wichtskraftkompensators;
Figur 19 ein schematisches Kraft- Weg-Kennlinienfeld für den Gewichtskraftkompensator nach Fig. 18;
Figur 20 ein schematisches Kraft- Weg-Kennlinienfeld für einen gegenüber Fig. 18 leicht abgewandelten Gewichtskraftkompensator;
Figur 21 ein schematisches Kraft- Weg-Kennlinienfeld für einen weiteren gegenüber Fig. 18 leicht abgewandelten Gewichtskraftkompensator; Figur 22 ein schematisches Ausfuhrungsbeispiel eines magnetischen Kompensatorelements mit zwei gleichpolig angeordneten inneren Magneten,
Figur 23 Magnetfeldkennlinien der Ausführung nach Fig. 22 in Vertikalschnitt, Figur 24 berechnete Kraft- Weg-Kennlinien eines magnetischen Kompensatorelements mit zwei gleichpoligen inneren Magneten
Figur 25 berechnete Kraft-Weg-Kennlinien zweier mechanisch gekoppelter magnetischen Kompensatorelemente und
Figur 26 berechnete Kraft- Weg-Kennlinien eines magnetischen Kompensatorelements mit zwei gegenpoligen inneren Magneten.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die Figur 1 zeigt eine erste Ausfϋhrungsform eines erfindungsgernäßen Gravitationskompensators, welcher zwei magnetische Kompensatorelemente 1 und 2 umfasst. Jedes dieser magnetischen Kompensatorelemente 1 , 2 könnte als eigener magnetischer Gravitationskompensator Verwendung finden.
Das magnetische Kompensatorelement 1 umfasst einen ersten inneren Magneten 3 sowie einen zweiten inneren Magneten 4, die mit ihrer magnetischen Orientierung gleichgerichtet über ein steifes Verbindungselement 6 fest miteinander verbunden sind. Neben den inneren Magneten 3 und 4 gibt es einen äußeren Magneten S, der als Magnetring ausgebildet ist und die inneren Magneten 3 und 4 koaxial umgibt. In der Schnittdarstellung der Figur 1 sind die beiden Schnittflächen des Magnetrings 5 links und rechts von der zentralen Mittelachse, an der die inneren Magneten 3 und 4 angeordnet sind, zu erkennen.
Die Orientierung der Magneten ist nun so, dass die magnetische Orientierung des äußeren Magnetrings 5 quer zur magnetischen Orientierung der inneren Magneten 3 und 4 ausgerichtet ist. Im gezeigten Ausfuhrungsbeispiel der Figur 1 sind die Nordpole der inneren Magnete 3 und 4 oben angeordnet, während die Südpole der inneren Magneten 3 und 4 nach unten gerichtet sind. Die magnetische Orientierung des äußeren Magnetrings 5 ist so eingestellt, dass an der Innenseite des Magnetrings 5 der Nordpol vorgesehen ist, während an der äußeren Seite der Südpol angeordnet ist. Durch diese Anordnung kommt es zu einer Abstoßung des äußeren Magnetrings 5 vom inneren Magneten 4 entlang der zentralen Längsachse parallel zum Verbindungselement 6 sowie zu einer Anziehung des äußeren Magnetrings 5 in Richtung des inneren Magnetrings 3, wobei die Anziehungskraft nach oben gerichtet ist. Entsprechend kann diese magnetische Kraft bzw. Anziehungskraft genutzt
werden, um die Schwerkraft eines zu lagernden Elements, insbesondere eines optischen Elements (nicht gezeigt) zu kompensieren. Hierbei bleibt die nach oben gerichtete Kraftkomponente auch bei einer Verschiebung des äußeren Magnetrings 5 gegenüber den inneren Magneten 3 und 4 in einem engen Bereich gleich oder annähernd gleich, da beispielsweise bei einer Verschiebung in Richtung der z-Achse, also parallel der Längsachse des Verbindungselement 6, eine stärke Anziehungskraft zwischen äußerem Magneten S und innerem Magneten 3 durch eine schwächere Abstoßungskraft zwischen äußerem Magneten 5 und innerem Magneten 4 kompensiert wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann z.B. ein optisches Element an dem inneren Magneten 3 abgestützt werden, wobei die äußeren Magnete S, 98 mit einer Halterung verbunden sind. Die inneren Magnete 3, 4 nehmen die
Abstützung des optischen Elements so vor, dass die durch die Magnete erzeugte Kraft mit der abgestützten Gewichtskraft des optischen Elements im Gleichgewicht ist.
Alternativ können die Magnete 3, 4, 7, 9 bezüglich ihrer Pole so vertauscht sein, dass die Pölzungen des jeweiligen Kompensatorelements 1 , 2 innerhalb eines Kompensatorelements jeweils entgegengesetzt zueinander ist. Die inneren Magnete 3, 4, 7, 8 stützen dabei das optische Element ebenfalls ab und sind relativ zu den äußeren Magneten beweglich. Allgemein werden die relativ zum äußeren Magnetring beweglichen inneren Magnete und deren Verbindungselemente als Anker bezeichnet.
Die Vor- und Nachteile der Anordnungen mit verschiedenen Polungen innerhalb eines magnetischen Kompensatorelements werden nachfolgend anhand der Fig. 22 bis 26 erläutert.
In Fig. 22 ist ein magnetisches Kompensationselement 1 entsprechend dem aus Fig. 1 in einer leicht modifizierten und etwa in maßstäblichen Verhältnissen mit dem zugehörigen magnetischen Kraftlinienfeld dargestellt, welches in Fig. 23 wiedergegeben wird. Die inneren Magneten sind in gleicher Richtung nach oben (in positive z-Richtung) gepolt. Es ergibt sich für den Anker bestehend aus den inneren Magneten 3, 4 und dem Verbindungselement 6 eine Kraft nach oben in z-Richtung. Dabei erkennt man die Wirkung des Verbindungselements 6, welches die inneren Magnete 3 und 4 auf gegenseitigen Abstand hält, und welches zwischen dem Nordpol des unteren und dem Südpol des oberen inneren Magneten 3, 4 eine Art magnetischer Kurzschluss bildet.
In Fig. 24 ist für die Anordnung nach Fig. 22 und 23 die Kraft- Weg-Kennlinie 2000 aus der nachfolgenden Tabelle 1, die als Table 1 bezeichnet ist, dargestellt, welche mittels FE- Methode berechnet wurde. Dabei wird die Kraft Fz in Richtung z als Funktion der Ankerverschiebung in z dargestellt, wobei Steps die Rechenintervalle, Z Pos die z-Position in Millimeter und Fz in Spalte #1 die Kraft in Newton angibt. Gemessen wird die
Ankerverschiebung relativ zu einer in der xy-Ebene durch den äußeren Magneten 5 gelegene Symmetrieebene, die in Fig. 23 mit S* gekennzeichnet ist, und einer Symmetrieebene des Ankers die mittig zwischen den beiden inneren Magneten liegt. Es zeigt sich, dass bei gleichpoliger Anordnung der inneren Magnete 3, 4 ein Kraftmaximum dann erreicht wird, wenn die inneren Magnete etwa symmetrisch zum äußeren Magneten S angeordnet sind. Ferner zeigt sich, dass die Kraft in z-Richtung, also nach oben gerichtet ist und damit eine maximale Stützkraft zur Aufnahme eines optischen Elements bildet. Ferner zeigt sich, dass mit zunehmender Verschiebung nach oben oder nach unten (in Richtung negativer z-Werte), die Kraft Fz abnimmt und bei etwa 18 mm z-Verschiebung den Wert Null erreicht. Bei weiterer Verschiebung kehrt sich die Kraft Fz um, d.h. sie wirkt in Richtung der
Gravitationskraft und erreicht hinsichtlich ihres Betrags bei etwa 26 mm ihr Maximum. Bei weiteren Verschiebungen geht die Kraft Fz dann gegen Null. Für die Berechnung wurden Magnete mit 26 mm Höhe und einer Ringdicke von 11 mm, sowie einem Ringaußendurchmesser von 32 mm für den Magnetring 5 zu Grunde gelegt. Die beiden inneren Magnete haben die gleiche Form und weisen eine Höhe von 12 mm und einen Dicke von 6 mm auf. Dabei sind die beiden inneren Magnete an ihren jeweiligen einander zugewandten Seiten 2 mm voneinander durch das Verbindungselement 6 beabstandet.
In Tabelle 1 ist femer in der Spalte #2 die Kraft berechnet, wenn anstelle der beiden inneren Magnete 3, 4 nur ein Magnet 3 oder 4 mit gleicher Geometrie innerhalb des gleichen äußeren magnetischen Ringes 5 gelagert wird. Die zugehörige Kraft- Weg-Kennlinie ist in Fig. 24 mit 2010 bezeichnet. Diese Kennlinie zeigt ein ähnliches Verhalten wie die Kennlinie 2000, jedoch weist sie um z=0 ein wesentlich ausgeprägteres Plateau auf. Dies bedeutet, dass in diesem Bereich von etwa plus-minus S mm um z=0 die Kraft im Bereich von ca. 83 N und 78 N variiert. Dies entspricht etwa einer Kraftkonstanz von S N über einen Bereich der
Ankerverschiebung von ca. 12 mm. Nachteilig ist jedoch, dass die Kraft bei z=0 nur etwa halb so groß ist, wie im Falle von zwei Magneten.
Da in der EUV-Lithographie die EUV-Spiege! des EUV-Projektionsobjektives aufgrund zunehmender Durchmesser immer massereicher werden, und die Ankerwege kleiner als 3 mm sind, bietet sich dennoch eine Lösung mit zwei inneren Magneten 3 und 4 an, da hierdurch ohne nennenswerte Bauraumzunahme die Lagerkraft des Gravitationskompensators deutlich erhöht werden kann. Damit auch bei Verwendung eines derartigen Kompensatorelements 1
ein Plateau in der Kraft- Weg-Kennlinie ausbildbar wird, werden wenigstens zwei solcher Kompensatoren z.B. wie in Fig. 1 dargestellt mechanisch miteinander verbunden.
Für ein solches Kompensatorelement ergibt sich eine Kraft-Weg-Kennlinie, wie sie in dem Diagramm der Figur 2a) schematisch gezeigt ist, oder wie es in Fig. 24 für ein Ausfuhrungsbeispiel 2000 konkret berechnet wurde. Der Weg ist hierbei die relative Verschiebung des inneren Teils des magnetischen Kompensators 1, auch als Anker bezeichnet, also der inneren Magnete 3 und 4, mit dem Verbindungselement 6 gegenüber dem äußeren Magneten 5.
Wie sich aus dem Diagramm der Figur 2a) ergibt, ergibt sich in einer Nullposition bzw. leicht versetzt dazu eine maximale Kraft, die zur Kompensation von Gravitation bzw. Schwerkraft eingesetzt werden kann, während sich bei einer Verschiebung positiv in Richtung der z-Achse oder entgegengesetzt die Kraft entsprechend verringert.
Insbesondere bei der Kompensation der Schwerkraft für schwere Komponenten, wie beispielsweise schwere Spiegel bei EUV (extrem ultraviolett)-Projektionsbεlichtungsanlagen, die mit Licht der Wellenlänge im extrem ultravioletten Wellenlängenbereich arbeiten, kommt es bei den entsprechend hohen zu kompensierenden Kräften zu einer starken Veränderung der kompensierbaren Kraft bei einer Verschiebung der inneren und äußeren Komponenten des magnetischen Kompensatoreiements 1. Dies ist jedoch unerwünscht, da bei entsprechenden Ausrichtungen des Spiegels, bei denen es zu entsprechenden Verschiebungen entlang der z- Achse kommen kann, die entsprechenden Aktoren zu große Lasten bewegen müssen und dadurch ein höherer Energieeintrag mit entsprechender Wärmeentwicklung in die Apparatur eingebracht wird, was für Projektionsbelichtungsanlagen für die dort erforderliche Präzision nachteilig ist. Weiter nachteilig ist, dass eine Veränderung der Kraft eine Deformation des Spiegels zur Folge haben kann. Die üblichen Formgenauigkeiten bei EUV-Spiegel sind im Bereich von 0,1 nm oder 10'10 m über einen Bereich von bis zu 30 cm. Bereits geringste Kraftänderungen können den Spiegel so deformieren, dass diese Formgenauigkeit nicht mehr gewährleistet ist. Aus diesem Grund sollten die Gewichtskraftkompensatoren auch bei Positionsänderung des Spiegels entlang der z-Achse (in Richtung der Gravitationskraft) eine möglichst konstante Kraft aufweisen.
Entsprechend sieht die Ausführungsform der Figur 1 ein zweites magnetisches Kompensatorelement 2 vor, welches über ein vorzugsweise nicht magnetisches Verbindungselement 11, welches z.B. starr ausgebildet ist, in Reihe mit dem ersten magnetischen Kompensatorelement 1 geschaltet ist. Dabei soll unter Reihen- oder Serienschaltung ein Verbinden, z.B. ein mechanisches Verbinden, der beweglichen Teile der magnetischen Kompensatoren (nachfolgend auch als Anker bezeichnet) verstanden werden, so dass diese im Wesentlichen eine gemeinsame Bewegung ausfuhren. Durch die Verbindung der Kompensationselemente 1 und 2 mittels eines nichtmagnetischen Verbindungselements 11 ergibt sich der Vorteil, dass die Kompensationselemente 1, 2 hinsichtlich ihrer jeweiligen Kraft- Weg-Kennlinie nahezu unbeeinflusst durch die Anwesenheit eines weiteren
Kompensationselements 1 ,2 bleiben. Damit kann die resultierende Kraft- Weg-Kennlinie eines solchen Gravitationskompensators in guter Näherung mittels Addition der einzelnen Kennlinien berechnet werden.
Das zweite magnetische Kompensatorelement 2 ist vom Aufbau z.B. aber nicht notwendigerweise identisch zum ersten magnetischen Kompensatorelement 1 und weist somit ebenfalls einen ersten inneren Magneten 7. einen zweiten inneren Magneten 8, einen äußeren Magnetring 9 sowie ein Verbindungselement 10 zwischen erstem inneren Magneten 7 und zweitem inneren Magneten 8 auf. Allerdings ist das zweite magnetische Kompensatorelement 2 vorzugsweise aber nicht notwendigerweise so ausgebildet, dass die Kraft- Weg- Kennlinie unterschiedlich zur Kraft- Weg-Kennlinie des ersten magnetischen Kompensatorelements 1 ist.
Die Kraft- Weg-Kennlinie des zweiten magnetischen Kompensatorelements 2 ist in Figur 2b) gezeigt, sie weist z.B. bezüglich ihres Maximums eine Verschiebung in z-Richtung relativ zum Maximum der Kraft- Weg-Kennlinie des ersten Kompensatorelements 1 (Fig. 2a)) auf.
Durch die Kombination zweier magnetischer Kompensatorelemente 1 und 2 mit unterschiedlichen Kraft- Weg-Kennlinien ist es möglich, einen Gravitationskompensator zu schaffen, der eine Kraft- Weg-Kennlinie aufweist, die sich aus der Überlagerung der Kraft- Weg-Kennlinien der magnetischen Kompensatorelemente 1 und 2 ergibt. Dies ist in dem Diagramm der Figur 2c) gezeigt. Das Ergebnis ist, dass höhere Lasten mit geringeren
Veränderungen der kompensierbaren Last bei Positionsverschiebungen des gelagerten Elements, wie beispielsweise eines entsprechenden Spiegels, gegeben sind. Dadurch kann bei entsprechend ausgestatteten Projektionsbelichtungsanlagen, insbesondere den entsprechenden Beleuchtungssystemεn oder Projektionsobjektiven, die Positionsänderung der entsprechenden optischen Elemente ohne großen Kraftaufwand und somit ohne großen Energieeintrag mit hoher Präzision und Positioniergenauigkeit vorgenommen werden. Insgesamt zeigt Fig. 2c, dass die Kraft- Weg-Kennlinie der kombinierten Kompensatorelemente 1 , 2 eine um ihr Maximum weniger stark gekrümmte Form aufweist, als die jeweiligen Kraft- Weg-Kennlinien der einzelnen Kompensatorelemente. Damit kommt die Kraft- Weg-Kennlinie der kombinierten Kompensatorelemente der idealen Kraft- Weg-Kennlinie mit Steigung Null sehr nahe. Die ideale Kraft- Weg-Kennlinie mit Steigung Null hätte vorteilhaft zur Folge, dass das optische Element, z.B. der EUV-Spiegel, unabhängig von seiner Position in z-Richtung eine in diese Richtung wirkende konstante Kraft erfährt. Diese Kraft kann bei der Auslegung der Spiegelform auf 0,1 nm (oder gar besser) berücksichtigt werden, so dass der EUV-Spiegel in seiner Betriebsposition die geforderte Form aufweist. Abweichungen der Spiegelform durch Positionsänderungen des Spiegel in z-Richtung sind damit ausgeschlossen.
Alternativ kann die oben beschriebene ideale Kraft- Weg-Kennlinie des Kompensationselements auch dadurch angenähert werden, dass die Magnete 3, 4, S geometrisch so verändert werden, dass z.B. der äußere Magnet 5 einen größeren
Volumenbereich einnimmt, wie dies z.B. bei einem größeren Durchmesser der Fall ist. Damit wird das durch diesen Magneten erzeugte Magnetfeld homogener und damit die Kraft- Weg- Kennlinie um ihr Maximum weniger stark gekrümmt. Weitere Alternativen um der idealen Kraft- Weg-Kennlinie möglichst nahe zu kommen bestehen in der geometrischen Ausgestaltung von Anker und Stator (z.B. Magnetring 5), indem z.B. mit den Enden, im allgemeinen mit den Oberflächen der Magneten, der Verlauf und die Dichte der magnetischen Feldlinien so beεinflusst werden, dass bei einer relativen Verschiebung zwischen Anker und Stator eine nahezu verschiebungsunabhängige Kraft resultiert. Die genannten Alternativen weisen jedoch die Nachteile auf, dass die Kompensationselemente schwieriger herzustellen sind, wodurch solche Elemente wesentlich teurer sind, oder aber sie sind aufgrund der größeren Geometrie in dem begrenzten Bauraum einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage nicht oder nur mit erhöhtem Raumaufwand einzusetzen, welcher ebenfalls in höheren Kosten resultiert.
Bei der Ausführungsform, die in Figur 1 gezeigt ist, ist im Bereich des Verbindungselements zwischen dem ersten magnetischen Kompεnsatorelemεnt 1 und dem zweiten magnetischen Kompensatorelement 2 eine Einrichtung 12 zur Beeinflussung des magnetischen Feldes bzw. zur Leitung des magnetischen Flusses vorgesehen. Die Einrichtung umfasst ferromagnetiscb.es Material in Form von Platten 12, die verhindern, dass es zwischen den inneren Magneten 4 und 7 der beiden magnetischen Kompensatorelemente 1 und 2 zu einem magnetischen Kurzschluss, bzw. zur Beeinflussung der Magnetfelder der einzelnen Kompensatorelemente 1, 2 durch das jeweilige andere kommt Neben den schematisch dargestellten Platten 12 können natürlich auch Elemente in anderen Formen, die entsprechend geeignet sind, zur Anwendung kommen. Damit kann die resultierende Kraft- Weg-Kennlinie eines solchen Gravitationskompensators in noch besserer Näherung mittels Addition der einzelnen Kennlinien berechnet werden.
Um das bisher anhand von Fig. 2a bis 2c qualitativ Diskutierte quantitativ darzustellen, sei auf Fig. 25 und Tabelle 2 verwiesen, die mit Table 2 bezeichnet ist. Analog zur Tabelle 1 sind die Rechenschritte mit Steps bezeichnet in welchen in 2 mm-Schritten die Kräfte Fz für die entsprechende z-Position berechnet wurde. Dabei wurde die Rechnung für die oben angegebenen Magnetgeometrien durchgeführt, wobei ein magnetisches Kompensatorelement 1, 2, entsprechend wie in Fig. 1 und Fig. 22 dargestellt, zwei innere Magnete mit gleicher Polrichtung umfasst. Beide Kompensatorelemente 1, 2 sind identisch dimensioniert. Die
Spalte #1 gibt die Kraft für das oben bereits in Tabelle 1 dargestellte Kompensatorelement mit zwei inneren Magneten an. Mittels des Verbindungselements 11 können nun die beiden magnetischen Kompensatorelemente 1, 2 so miteinander verbunden werden, dass die inneren Magneten 3, 4 und 7, 8 der jeweiligen Kompensatorelemente 1, 2 jeweils symmetrisch zum jeweiligen äußeren Magneten 5, 9 angeordnet sind. Die Auslenkung des aus den inneren Magneten 3, 4, 7, 8 und den Verbindungselementen 6, 11, 10 bestehenden Ankers wird bezüglich einer parallel zur xy-Ebene verlaufenden Ebene in z-Richtung gemessen, wobei diese Ebene bei z=0 das die Länge des Verbindungselement 11 zwischen den beiden Kompensatorelementen halbiert. In diesem Falle sind lediglich die Werte der Spalte #1 zu verdoppeln, um die resultierende Kraft- Weg-Kennlinie zu erhalten. Dies resultiert bei z=0 in einer Kraft Fz von ca. 321 N. Bei einer derartigen Ausführungsform ergibt sich die maximale Kraft Fz, allerdings mit dem Nachteil, dass um den Bereich z=0 die Kraft- Weg-Kennlinie nicht sonderlich flach ausgebildet ist.
Um diesen Nachteil zu beheben, wird das Verbindungselement 11 so dimensioniert, dass es in seiner Nullposition bei z=0 (wobei in der Position z==0 das Verbindungselement in Richtung der inneren Magnete halbiert wird) die inneren Magnete relativ zu den jeweiligen äußeren Magneten unsymmetrisch bezogen auf das jeweilige Kompensationselement 1, 2 positioniert. Dies kann durch entsprechende Anordnung der äußeren Magnete 5, 9 erzieh werden. In einem Ausfuhrungsbeispiel werden die inneren Magneten z.B. um 6 mm relativ zur symmetrischen Lage innerhalb eines Kompensatorelements 1 , 2 so verschoben, dass die Verschiebung in den beiden Kompensatorelementen in Gegenrichtung erfolgt. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, das die Verbindungselement 11 im Vergleich zur symmetrischen Auslegung um 12 mm verlänger oder verkürzt wird. Dadurch ergibt sich fiir jedes Kompensationselement 1 , 2 eine um 6 mm in z-Richtung verschobene Kennlinie, die in der Tabelle 2 in den Spalten F(z+6) und F(z-6) die entsprechenden Kraftwεrte zur Position z aufweist. Die resultierende Kennlinie ergibt sich dann wieder mittels Addition, deren Werte in Tabelle 2 in Spalte sum 6 dargestellt sind. In Fig. 25 ist die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie durch 2030 bezeichnet. Die jeweiligen Kennlinien der einzelnen Kompensatorelemente sind mit 2031 und 2032 bezeichnet.
In einem weiteren Beispiel wurde das Verbindungselement 11 so dimensioniert, dass lediglich eine Verschiebung der inneren Magnete 3, 4, 7, 8 um 2 mm gegenüber ihrer symmetrischen Anordnung zum jeweiligen äußeren Magneten 5, 9 erfolgt. Dies lässt sich durch entsprechende Verkürzung oder Verlängerung des Verbindungselements 11 um 4 mm erzielen. Die jeweiligen Kennlinien der Kompensatorelemente 1, 2 sind in Tabelle 2 in den Spalten F(z+2) und F(z-2) aufgeführt und in Fig. 25 ebenfalls durch die Kurven 2021 und 2022 dargestellt, die Resultierende Kennlinie erhält man aus der Spalte sum 2, sie ist in Fig. 25 mit 2020 bezeichnet.
Aus Fig. 25 lässt sich erkennen, dass sich bei einer Verschiebung der inneren Magnete durch das Verbindungselement 11 ein Plateau ausbilden kann. So ergibt sich, dass bei jeweils 6 mm Verschiebung auf einem Intervall von [-6 mm; +6 mm] lediglich eine Kraftvariation um etwa 8 N erfolgt.
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gravitationskompensators 20 ist in Figur 3 wiederum schematisch dargestellt. Der Gravitationskompensator 20 umfasst ebenfalls zwei Kompensatorelεmentε 23 und 27, wobei es sich diesmal um die Kombination von einem magnetischen Kompensatorelement 23 und einem mechanischen Kompensatorelement 27 in Form einer mechanischen Feder oder eines vergleichbar elastischen Elements handelt. Bei dem gezeigten Ausiuhrungsbeispiel der Figur 3 sind die beiden Kompensatorelemente hintereinander in Reihe geschaltet, so dass das zu lagernde optische Element 21 über entsprechende Verbindungselemente 22 unmittelbar auf dem magnetischen
Kompensatorεlemεnt 23 gelagert ist und mittelbar über dieses auch auf dem mechanischen Kompensatorelement 27. Der Gravitationskompensator 20 ist wiederum an einem entsprechenden Gehäuse 28 oder dergleichen gelagert.
Das magnetische Kompensatorelement 23 umfasst wiederum zwei innere Magneten 24 und 25 sowie einen äußeren Magnetring 26, der entsprechend wieder in einer Schnittdarstellung gezeigt ist. Das optische Element 21 ist in z-Richtung beweglich, so dass sich eine entsprechende Kraft-Weg-Kennlinie, wie sie in Figur 4 dargestellt ist, für die Kompensatorelemente 23 und 27 sowie für den Gravitationskompensator 20 darstellen lässt. Dabei können die inneren Magnete gleich- oder gegenpolig entsprechend mit Kraft- Weg- Kennlinien nach Fig. 24 angeordnet werden.
Das magnetische Kompensatorelement 23 stellt dabei die Kompensationskraft Fn, zur Kompensation der Gewichtskraft des optischen Elements 21 bereit, während das mechanische Kompensatorelement 27 die Kraftkomponente FF hierfür bereitstellt.
Die Kraft- Weg-Kennlinie des mechanischen Kompcnsatorelementes 27 folgt dem Hookschen Gesetz, so dass sich ein linearer Zusammenhang zwischen Kompensationskraft in z-Richtung F2 und dem Weg z ergibt.
Das magnetische Kompensatorelement 23 stellt ähnlich der Darstellung in Figur 2 eine Kraft- Weg-Kennlinie mit einem Maximum in der Nähe der Nullstellung zur Verfügung. Durch die Überlagerung der Kraft- Weg-Kennlinien der beiden kombinierten Kompensatorelemente ergibt sich die Kennlinie des Gravitationskompensators 20, die mit Fm + FF gekennzeichnet ist. Es ist zu erkennen, dass eine höhere Last kompensiert werden kann, während gleichzeitig über den Verstellweg z des optischen Elements 21 geringere relative Kraftunterschiede zu beobachten sind.
Die Figuren 5, 6 und 7 sowie 8 stellen weitere Ausführungsformen von Gravitationskompensatoren vor, die jedoch auf mechanischen Prinzipien beruhen.
Der Gravitationskompensator 30, der in Figur 5 schematisch gezeigt ist, bedient sich zweier Festkörpergelenke 33 und 34, die über entsprechende Verbindungselemente (nicht näher bezeichnet) mit dem optischen Element 31 einerseits und einem Gegengewicht 32 verbunden sind. Die Festkörpergelenke 33 und 34 können wiederum an einem Gehäuse 3 S oder dergleichen gelagert sein. Durch die Umlenkung der Gewichtskraft, die das optische Element 31 verursacht, über die Festkörpergelenke 33 und 34 in eine nach oben gerichtete Kraft kann durch das Gegengewicht 32 eine entsprechende Kompensation erzielt werden.
Ein ähnliches Prinzip zeigt die Ausführungsforrn des Gravitationskompensators 40 in Figur 6, bei welchem das Prinzip einer Balkenwaage eingesetzt wird. Auf dem einen Hebelarm der Waagenvorrichtung 43 ist das zu lagernde optische Element 41, beispielsweise ein Spiegel einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage, angeordnet, während auf dem anderen Hebelarm das Gegengewicht 42 vorgesehen ist. Erst wenn die Verschiebung des optischen Elements 41 einen bestimmten Grenzwert überschreitet, wird durch die Veränderung der Hebelverhältnisse eine entsprechend massive Veränderung der zu kompensierenden Gewichtskraft eintreten. Innerhalb eines gewissen Bewegungsbereichs um den Gleichgewichtszustand ist jedoch nur eine geringe Veränderung der Kompensationskraft zu beobachten.
Die Figur 7 zeigt eine Ausfuhrungsform eines Gravitationskompensators 50, der ebenfalls zwei Gegengewichte 52 und 53 zur Kompensation der Gewichtskraft des optischen Elements 51 einsetzt. Die Gegengewichte 52 und 53 sind über Seilzüge 59 und 58, die über Umlenkrollen 54 und 55 geführt sind, mit dem optischen Element verbunden, wobei hier wiederum eine Bewegung des optischen Element 51 entlang der z- Achse möglich ist, ohne dass eine Änderung der kompensierbaren Kraft auftritt. Die entsprechenden Umlenkrollen 55 und 54 sind wiederum beispielsweise am Gehäuse 56, 57 einer entsprechenden optischen Anordnung einer Projektionsbelichtungsanlage, wie beispielsweise in einem Beleuchtungssystem oder einem Projektionsobjektiv, angeordnet.
Die Figur 8 zeigt einen Gravitationskompensator 60, welcher ein mechanisches Federelement 62 nutzt, dessen Kraft- Weg-Kennlinie, die in Figur 9 gezeigt ist, einen Bereich aufweist, in dem über den Dεhnungsbereich des mechanischen Federelements 62 ein konstanter Kraftverlauf bzw. nahezu konstanter Kraftverlauf zu beobachten ist. Dies ist beispielsweise
für Knickstäbe in bestimmten Bereichen zu beobachten, so dass bei einem entsprechend geeignet gewählten Betriebsbereich der Knickstab 62 im durchgebogenen Zustand (siehe 63) den gewünschten Kraft- Weg- Verlauf aufweist, so dass bei einer Verschiebung des optischen Elements 64 entlang der z- Achse die entsprechende Veränderung der Durchbiegung des Knickstabs 62, 63 nicht mit einer wesentlichen Veränderung der kompensierbaren Kraft einhergeht.
Die Figur 10 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Gravitationskompensators 70, der die Verschiebemöglichkeit des optischen Elements 71, also die entsprechende Positionierung des optischen Elements 71 entlang der z- Achse bei gleichbleibender Kompensationskraft dadurch realisiert, dass ein Kompensatorelement, wie beispielsweise ein magnetisches Kompensatorelement 72, in Kombination mit Aktoren 78, 79 zur Verschiebung des optischen Elements in z-Richtung vorgesehen ist. Das magnetische Kompensatorelement ist hierbei über Lagerelement 76, 77 mit den Aktoren 78, 79 verbunden, die wiederum an einem Gehäuse 80 oder dergleichen gelagert sind. Die Aktoren 78 und 79 stellen die Bewegung des optischen Elements 71 in z-Richtung zur Verfügung, so dass das magnetische Kompensatorelement 72 an sich selbst keine oder nur geringfügige Wegänderungen aufnehmen muss. Entsprechend können die inneren Magnete 73 und 74 gegenüber dem äußeren Magnetring 75 nahezu fixiert gehalten werden, so dass von daher keine Änderung der kompensierbaren Kraft auftritt.
Die Figur 11 zeigt in einer schematischen Darstellung einen magnetischen Gravitationskompensator 90 mit inneren Magneten 91 und 92 sowie dem äußeren Magnetring 93. Zur Kompensation von Alterungseffekten sind die inneren Magneten 91, 92 verstellbar, insbesondere verstellbar zueinander bzw. auch zum äußeren Magnetring 93 ausgebildet, so dass durch die Verstellung der Magnete eine Nachjustierung vorgenommen werden kann. Damit lassen sich Änderungen bzgl. der kompensierbaren Kraft aufgrund von Alterungserscheinungen eliminieren.
Die Ausführungsform des Gravitationskompensators 100, die in Figur 12 gezeigt ist, weist eine Verstellbarkeit der magnetischen Gravitationskompensation in der Form auf, dass den inneren Magneten 102 ein Joch 105 mit einer Spule 104 zugeordnet ist, so dass die Stärke des
Magnetfelds ausgedrückt in der magnetischen Feldstärke bzw. der magnetischen Flussdichte des inneren Magneten 102 veränderbar ist, so dass der gesamte magnetische Gravitationskompensator 100 bzgl. der kompensierbaren Gewichtskraft durch Veränderung des Stromflusses durch die Spule 104 einstellbar ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle des inneren Magneten 102 den inneren Magneten 101 und/oder den äußeren Magneten 103 bzw. alle diese Magneten oder unterschiedliche Kombinationen davon entsprechend manipulierbar zu gestalten. Auch mit dieser Anordnung ist also eine Nachjustierung möglich, so dass sowohl Alterungseffekte als auch Veränderungen der kompensierbaren Kraft durch Positionierbewegungen des zu lagernden optischen Elements ausgeglichen werden können.
Die Figur 13 zeigt einen Gravitationskompensator 110. der zugleich auch als Antrieb für ein zu lagerndes optisches Element 113 eingesetzt werden kann.
Der Gravitationskompensator 110 umfasst zwei magnetische Kompensatorelemente 111 und 112, die jeweils innere Magneten 114, 115 und 119, 120 sowie äußere Magnetringe 117 und 122 umfassen. Die magnetischen Kompensatorelemente 111 und 112 sind über entsprechend starre Verbindungselemente 118 und 123 mit dem zu lagernden optischen Element 113 verbunden. Ähnlich wie bei der Ausführungsform der Figur 12 ist den inneren Magneten 115 und 120 jeweils ein Joch mit einer Spule 116 bzw. 121 zugeordnet, so dass die Stärke des Magnetfelds der entsprechenden inneren Magnete 115 und 120 veränderbar ist. Durch die parallele Anordnung bzw. Ausgestaltung mit winklig nebeneinander angeordneten Kompensatorelementen 111 und 112 ist sowohl eine entsprechende Manipulation des optischen Elements 113 als auch eine entsprechende Gravitationskompensation mit gleich bleibend eingestellter Kompensationskraft möglich.
Die Darstellungen der Figuren 14 und 15 zeigen einzelne Magnete und entsprechende Maßnahmen zum Schutz der Magnete vor Umgebungseinflüssen. Beispielsweise kann es in Projektionsbelichtungsanlagen, die mit EUV-Licht arbeiten, erforderlich sein, wasserstoffhaltige Atmosphären bzw. Atmosphären mit überwiegend Wasserstoff vorzusehen, wobei eine entsprechende Atmosphäre mit molekularem Wasserstoff bzw. Wasserstoffatomen zu einer Beeinträchtigung der Magnete fuhren kann. Dies führt wiederum
dazu, dass in entsprechenden Atmosphären mit der Zeit die kompensierbare Gewichtskraft bei magnetischen Kompensatorelementen nachteilig verändert wird.
Bei einer Ausfuhrungsform eines Magneten 130, wie sie in Figur 14 dargestellt ist, ist der Magnet 131 in einem Gehäuse aus einem dünnen Blech mit einer Dicke ungefähr < 1 mm gasdicht gekapselt, so dass innerhalb der Kapselung eine andere Atmosphäre eingestellt werden kann. Die Kapselung 132 besteht aus zwei Teilen 133 und 134, die an den Schweißnähten 135 und 136 zusammengefügt sind, so dass sich insbesondere ein symmetrischer Aufbau ergibt.
Eine andere Möglichkeit der Abtrennung des Magneten von der umgebenden Atmosphäre ist mit dem Ausfuhrungsbeispiel der Figur 15 gezeigt. Der Magnet 140 weist eine gasdichte Beschichtung 141 auf, die verhindert, dass Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, in das Material des Magneten eindringen und dort zu Schädigungen führen können. Die Beschichtung kann eine Dicke von bis zu 0,5 mm aufweisen.
Eine weitere Möglichkeit, den schädlichen Einfluss der Umgebung, wie beispielsweise einer Wasserstoffatmosphäre, auf einen Gravitationskompensator zu verhindern, ist in Figur 16 gezeigt. Der Gravitationskompensator 153, der das optische Element 151 hält, wird bei der Anordnung 150 mittels einer Düse 154 mit einem Gas beblasen, welches für den
Gravitationskompensator unschädlich ist, während über die Düse 152 die für das optische Element 151 erforderliche Gastatmosphäre bereitgestellt wird, wie beispielsweise eine wasserstoffhaltige oder überwiegend Wasserstoff enthaltende Atmosphäre. Entsprechend weist die Anordnung 150 eine Spülvorrichtung 154 auf, mit der Schutzgas für den Gravitationskompensator 153 zugeführt werden kann.
Die Figur 17 zeigt eine weitere Ausführungsform 160 eines magnetischen Gravitationskompensators, der wiederum innere Magnete 161 und 162 sowie einen äußeren Magnetring 163 aufweist. Um gezielt die magnetischen Verhältnisse zu ändern und so Veränderungen an dem Gravitationskompensator 160 als Folge von Alterungseinflüssen, Umgebungseinflüssen oder Veränderungen der Kompensationskraft durch
Positioniervorgänge auszugleichen, kann ein auswechselbares ferromagnetisches Material 164 vorgesehen sein, weiches zum entsprechenden Nachjustieren eingesetzt wird. Bei der schematischen Darstellung der Figur 17 ist eine plattenförmige Form des ferromagnetischen Materials 164 seitlich zum äußeren Magnetring 163 dargestellt, wobei auch jede andere Gestaltung hinsichtlich der Form des magnetischen Materials 164 und/oder dem Ort der Anbringung denkbar ist. Der Doppelpfeil 165 symbolisiert die Auswechselbarkeit bzw. die Veränderbarkeit, mit der die Justierung vorgenommen werden kann.
Fig. 18 zeigt eine zusätzliche Ausruhrungsform der vorliegenden Erfindung in Form eines Gewichtskraftkompensators 1000 zur Lagerung von optischen Elementen 21 und zur Kompensation einer in eine Richtung z wirkenden, an einem Kraftangriffspunkt 1018 angreifenden Kraft F in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage (nicht dargestellt). Der Gravitationskompensator weist einen Anker 1020 auf, der im dargestellten Ausführungsbeispiel analog zum Ausfuhrungsbeispiel nach Fig. 1 zwei innere Magnete 1003 und 1004 umfasst, die mit einem Verbindungselement 1006 verbunden sind, wobei das Verbindungselement analog dem in Fig. 1 dargestellten Verbindungselement 6 ausgeführt sein kann. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Polungen der inneren Magnete 1003 und 1004 umgekehrt. Damit wirkt die Kraft F in die umgekehrte Richtung. Der Anker 1020 lässt sich in Richtung z der Kraft F um ein Wegintervall Δzl bewegen. Ferner weist der Gewichtskraftkompensators 1000 einen äußeren Magnetring 1005 auf, der analog zu dem in Fig. 1 ausgebildet sein kann, und der an einem Gehäuse 1100 vorzugsweise fest aber auch aktuiεrbar (nicht dargestellt) abgestutzt wird. Bei den inneren und äußeren Magneten 1003, 1004 und 1005 handelt es sich vorzugsweise um Permanentmagnete, die eine mögliche Ausführungsform eines Kompensationselements bilden. Dem in Richtung z der Kraft F beweglichen, den Kraftangriffspunkt 1018 umfassenden Anker 1020 des dargestellten Kompensationselements weist eine erste Kraft- Weg-Kennlinie 1020' in Richtung z der Kraft F auf. Diese ist in Fig. 19 als eine durch Addition zweier Kraft- Weg-Kennlinien 1003' und 1004' dargestellt. Die beiden Kraft-Weg- Kennlinien 1003' und 1004' zeigen schematisch jeweils (bis auf eine Verschiebung in z- Richtung) die Kraft-Weg-Kennlinie, wenn der Anker nur den inneren Magneten 1003 oder 1004 umfassen würde. Diese Kennlinien sind vereinfacht dargestellt und können z.B. auch die Form der Kennlinie 2010 aus Fig. 24 haben. Da beide inneren Magnete 1003 und 1004 durch das Verbindungselement starr in einem Verbindungsabstand miteinander verbunden sind,
werden die Positionen der Kraft- Weg-Kennlinien 1003' und 1004' entlang der z-Achse durch diesen Vεrbindungsabstand mitbestimmt, wodurch sich die Breite (und auch Höhe) der resultierenden Kraft- Weg-Kennlinie 1020' bestimmt. Wie Fig. 19 schematisch zeigt, wird durch die Verwendung von zwei in Kraftrichtung z beabstandete innere Magnete des Ankers 1020 die Breite und Form des plateauähnlichen Bereichs zwischen den z-Koordinaten zl und z2 bestimmt. Durch zusätzliche Magnete, die am Anker angeordnet werden, kann die Kraft- Weg-Kennlinie weiter geformt werden. Ebenso kann durch zusätzliche äußere Magnete, wie dies z.B. bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 mit den dort beschriebenen Vorteilen dargestellt wurde, die Kraft- Weg-Kennlinie weiter vorteilhaft beeinflusst werden, z.B. indem sich der plateauförmige Bereich zwischen zl und z2 verbreitert und/oder die Schwankungen der Kraft in diesem Bereich reduziert werden können.
Das durch die inneren und äußeren Magneten 1003, 1004 und 100S gebildete Kompensationselement weist eine erste Lagersteüϊgkeit Sl auf. Diese ist gegeben durch den Quotient aus der Differenz ΔFF1 einer maximalen und einer minimalen Kraft eines die Kraft F umfassenden ersten Kraftintervalls ΔF1 und dem Betrag eines dem ersten Kraftintervall ΔF1 über die erste Kraft- Weg-Kennlinie zugeordneten ersten Wegintervalls Δzl um einen ersten Punkt zθ, dem über die erste Kraft- Weg-Kennlinie die Kraft F zugeordnet ist (siehe Fig. 19).
Der Gewichtskraftkompensator nach Fig. 18 umfasst ferner- Ftihrungsmitteln 1014, 1015, 1016, 1017 mit einer zweiten Kraft-Weg-Kennlinie 1014' (siehe Fig. 19) in Richtung der Kraft F zur Führung des Ankers 1020 des Kompensationselements. Diese Führungsmittel können starr oder aktuierbar (nicht dargestellt) mit einem Gehäuse 1100 verbunden sein. Ferner weisen diese Führungsmittel eine zweite Lagersteifigkeit S2 auf, gegeben durch den Quotient aus der Differenz ΔFF2 einer maximalen und einer minimalen Kraft eines durch die zweite Kraft- Weg-Kennlinie 1014' durch das erste Wegintervall Δzl um den ersten Punkt zθ zugeordneten zweiten Kraftintervalls ΔF2 und dem Betrag des ersten Wegintervalls Δzl . Dabei ergibt sich die zur Kompensation der Gegenkraft Fr erzeugte Kraft F des Kraftkompensators aus der Addition der Kräfte aus der ersten und aus der zweiten Kraft- Weg- Kennlinie 1020' , 1014', wobei die durch die Kräfteaddition resultierenden Kraft- Weg- Kennlinie 1021 ' eine dritten Lagersteifigkeit S3 aufweist. Diese ergibt sich als Quotient aus
der Differenz ΔFF3 einer maximalen und einer minimalen Kraft wenigstens eines die Krau F umfassenden dritten Kraftintervalls ΔF3 und dem Betrag des ersten Wegintervalls Δzl um wenigstens einen Punkt zθ*, wobei durch die resultierende Kraft- Weg-Kennlinie 1021' mittels des ersten Wegintervalls Δzl um den wenigstens einen Punkt zθ* das wenigstens eine dritte Kraftintervall ΔF3 definiert ist und dabei der wenigstens eine Punkt zθ* über die resultierende Kraft- Weg-Kennlinie 1021 ' der Kraft F zugeordnet ist. In Fig. 19 liegen die Koordinaten zθ und zθ* sehr dicht zusammen, da sich die erste und die resultierende Kraft- Weg-Kennlinie 1020', 1021 ' im Bereich um zθ nur geringfügig in ihrer Kraft unterscheiden. Ferner ist in Fig. 19 die zweite Kraft-Weg-Kennlinie linear, sie entspricht also dem Hookschen Gesetz. Dies ist dann zumindest näherungsweise gegeben, wenn die
Führungsmittel 1014 bis 1017 blattfederartig ausgebildet sind. Damit ist die Bewegung des Ankers 1020 in y-Richtung sehr eingeschränkt. Werden in x-Richtung ebenfalls analoge Blattfedern als Führungsmittel eingesetzt, so erfolgt auch in diese Richtung eine wesentliche Einschränkung der Ankerbewegung. Dadurch wird vorteilhaft der Anker in x-y-Richtung geführt, so dass bei einer z-Bewegung des Ankers, z.B. durch Stoß oder Justage am Spiegel 21, die xy-Position des Kraftangriffspunktes 1018 und damit die xy-Position des Spiegels 21 im Wesentlichen beibehalten. Dies vereinfacht regelungstechnisch die Positionierung des Spiegels. Bei dem zusätzlichen Gεwichtskraftkompensator 1000 nach Fig. 18 ergibt sich vorteilhaft, dass die Lagersteifigkeit S3 gleich oder geringer als die Lagersteifigkeit Sl ist, d.h. als die Lagersteifigkeit ohne Führungsmittel, und/oder dass die resultierende Kraft-Weg- Kennlinie 1021' wenigstens zwei Punkte zθ* aufweist, die mehr als das erste Wegintervall Δzl voneinander beabstandet sind. Damit kann vorteilhaft das Wegintervall vergrößert werden, so dass der Anker über einen größeren Wegbereich, bei geschickter Dimensionierung der Steifigkeit des Führungsmittels sogar mit geringer Lagersteifigkeit S3 verfahrbar ist. Dies ist in Fig. 20 dargestellt.
Fig. 20 bezieht sich auf eine Ausführungsform eines Gewichtskraftkompensators nach Fig. 18, bei dem der innere Magnet 1004, die Führungsmittel 1016, 1017, sowie das Verbindungselement 1006 entfernt wurde. Damit ergibt sich eine durch den inneren Magneten 1003 gegebene erste Kxaft-Weg-Kennlinie 1003', die zugleich auch die Kennlinie 10204 des Anker ist, wenn keine Führungsmittel 1014 und 1015 vorhanden wären. Diese Führungsmittel weisen jedoch wie in Fig. 19 einen lineare zweite Kraft-Weg-Kennlinie 1014' nach dem Hookschen Gesetz auf, wodurch sich durch Addition die resultierende Kraft- Weg-Kennlinie
1021' ergibt. Diese Kennlinie weist nun zwei der Kraft F zugeordnete Punkte zθ* auf, die um mehr als das Wegintervall Δzl voneinander beabstandet sind. Dadurch ergibt sich ein Nutzbereich des Gewichtskraftkompensators um zwei Punkte zθ*. In diesem Ausführungsbeispiel ist dies allerdings mit einer größeren Lagersteifϊgkeit um die jeweiligen Punkte zθ* verbunden, wenn der jeweilige Nutzbereich eine Verschiebung des Ankers 1020 um das erste Wegintervall zulassen soll.
Die Kraft-Weg-Kennlinien in Fig. 21 beziehen sich auf obige Ausfuhrungsform nach Fig. 20, jedoch mit dem Unterschied, dass die zweite Kraft- Weg-Kennlinie 1014' des Führungsmittels 1014, 1015 einen nichtlinearen Verlauf aufweist. Die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie weist einen plateauförmigen Bereich um den Punkt zθ* auf, an welchem die Kraft F herrscht. Das Intervall Δzl um den Punkt zθ* bestimmt die Differenz ΔFF3 der maximalen und der minimalen Kraft des die Kraft F umfassenden dritten Kraftintervalls ΔF3, wobei die Differenz im Wesentlichen der Differenz ΔFF1 entspricht, so dass trotz Führung des Ankers 1020 durch die Führungsmittel die Lagersteifigkeit nahezu unverändert bleibt. Vorteilhaft ergibt sich jedoch, dass das Wegintervall des Ankers 1020 deutlich erhöht werden kann, ohne dass sich die Differenz der maximalen und der minimalen Kraft in diesem Intervall erhöht. Dies resultiert in einer deutlich geringeren mittleren Lagersteifigkeit des Gεwichtskraftkompensators. Durch weitere Anpassung der ersten und der zweiten Kraft- Weg-Kennlinien 1003', 1014' kann ein noch flacheres Plateau in der resultierenden Kennlinie 1021 ' ausgebildet werden, so dass die Lagersteifigkeit S3 bezogen auf das erste Wegintervall Δzl deutlich reduziert wird und ferner das Wegintervall des Ankers 1020 deutlich erhöht wird, ohne dass sich die Differenz der maximalen und der minimalen Kraft in diesem Intervall erhöht, d.h., dass in der resultierenden Kraft-Weg-Kennlinie die Differenz ΔFF1 um die Kraft F einem Wegintervall größer als Δzl zugeordnet ist.
Die in der EUV-Lithographie eingesetzten Gewichtskraftkompensatoren zur Lagerung von EtJV-Spiegeln nach den oben beschriebenen Ausfuhrungsformen sind häufig so dimensioniert, dass das erste Wegintervall Δzl kleiner als 3 mm ist, und dass die dritte Lagersteifϊgkeit kleiner 2N/mm ist.
Häufig ist die Bewegung des Ankers senkrecht zur Kraft F durch von den Führungsmitteln generierten Querkräfte in Richtung senkrecht zur Kraft F auf weniger als 10% des Betrags der Bewegung des Ankers in Richtung der Kraft eingeschränkt. Dies resultiert in maximalen Querbewegungen von ca. 0.3 mm oder weniger.
In Fig. 18 ist zu sehen, dass das optische Element, z.B. ein Spiegel einer lithographischen EUV-Projektionsbelichtungsanlage, durch den Gewichtskraftkompensator nur teilweise hinsichtlich der Gewichtskraft abgestützt wird. Häufig stützen wenigstens drei Gewichtskraftkompensatoren das optische Element hinsichtlich seiner Gewichlskraft ab. Dabei umfasst der Begriff „abstützen" auch den Fall, dass das optische Element an dem Gewichtskraftkompensator hängend gehalten wird. Ferner ist das optische Element am Kraftangriffspunkt 1018 des Ankers 120 direkt oder indirekt wenigstens teilweise mit einer Abstützvorrichtung 1013 abgestützt. Dabei hat die Abstützvorrichtung 1013 in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Kraft F, also in x~ und/oder y-Richtung, eine geringere Steifigkeit als die Führungsmittel 1014 bis 1018 in dieser Richtung. Alternativ hat die
Abstützvorrichtung 1018 in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Kraft F eine höhere Steifigkeit als die Führungsmittel in dieser Richtung. Welcher Fall vorliegt hängt von der Steifigkeit des Führungselements in x- und/oder y-Richtung ab, so dass jeweils immer hohe und niedrige Steifigkeiten für Führungsmittel 1014 bis 1018 und Abstützvorrichtung 1018 gepaart werden. Zusätzlich weist die Abstützvorrichtung 1013 in Richtung der Kraft F eine höhere Steifigkeit als das 100-fache der Differenz ΔFF3 auf, was z.B. in einer Steifigkeit von mehr als 200N resultiert.
Die bisherigen Ausführungsbeispiele und Ausführungsformen machten wesentlich davon Gebrauch, dass die inneren Magnete eines Kompensationselements gleichpolig angeordnet sind, bzw. auch nur einen Magneten umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein magnetisches Kompensatorelement auch wenigstens zwei Magnete umfassen, die eine gegenpolige Ausrichtung haben. Dies wäre z.B. in einem nach Fig. 19 entsprechenden Ausfuhrungsbeispiel dadurch zu erzielen, dass z.B. die Polung des oberen Magneten 1003 umgekehrt wird, d.h. dass bei diesem Magneten Nord oben wäre. Bei derartiger Polung der inneren Magnete 1003, 1004 ergibt sich z.B. eine in Fig. 26 dargestellte Kennlinie 2100. Ist der Anker nicht ausgelenkt, so ergibt sich aufgrund der Symmetrie die Kraft Null. Bei
Auslenkung nimmt die Kraft zunächst entgegen der Richtung der Auslenkung zu, wobei sich die Anordnung nahezu wie eine Feder mit näherungsweiser linearer Kennlinie verhält. Nach Erreichen einer Maximalkraft nimmt die Kraft dann wieder ab bis auf Null. Bei Überschreiten des Nulldurchgangs und zunehmender Auslenkung des Ankers kehrt sich die Kraft um und wirkt in Richtung der Auslenkung. Die oben beschriebenen Ausfuhrungsformen magnetischer Kompensationselemente lassen sich auch mit gegenpoligen inneren Magneten betreiben. Allerdings muss der Anker deutlich ausgelenkt werden, damit die maximale Kraft erzeugt wird. Dies bedingt üblicherweise einen größeren Bauraum. Ferner ist die maximale Kraft ca. 20% bis 30 % geringer als bei gleicher Polung der Magnete. Als weitere Ausführungsform der Erfindung können als magnetische Kompensationselemente auch solche mit gegenpoiigen inneren Magneten verwendet werden, insbesondere in Kombination mit den oben beschriebenen Komensationselementen und Führungseirichtungen.
Bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist klar ersichtlich, dass die für einzelne Komponenten beschriebenen Merkmale für den Fachmann in offensichtlicher Weise in bestimmten Fällen auch in umgekehrter Weise eingesetzt werden können, wobei dies vom Offenbarungsgehalt mit umschlossen ist. Beispielsweise können Gravi tationskompensatoren, die als Druck belastete Kompensatoren dargestellt sind, in entsprechend geeigneten Fällen auch als auf Zug belastete Kompensatoren eingesetzt werden, so dass also das zu lagernde optische Element nicht mehr auf den entsprechenden Kompensatoren aufliegt, sondern von diesen hängend gehalten wird.
Sofern einzelne Komponenten als verstellbar oder manipulierbar dargestellt sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass auch gleichwertige Komponenten in ähnlicher Weise einstellbar oder manipulierbar ausgestaltet sein können. Dies gilt insbesondere für manipulierbare Magnete der magnetischen Kompensatorelemente.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen oder Änderungen im Rahmen der beigefügten Schutzansprüche möglich sind ohne den Schutzbereich zu verlassen. Insbesondere können unterschiedliche Kombinationen aller
vorgestellten Merkmale vorgenommen werden oder einzelne Merkmale bei Ausfuhrungsbeispielen weggelassen werden.
Claims
1. Gewichtskraftkompensator zur Lagerung von optischen Elementen und zur Kompensation einer in eine Richtung z wirkenden, an einem Kraftangriffspunkt angreifenden Kraft F in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit
- einem in Richtung z der Kraft F beweglichen, den Kraftangriffspunkt umfassenden Anker eines Kompensationselements, welches eine erste Kraft- Weg-Kennlinie in Richtung z der Kraft F aufweist, mit einer ersten Lagersteifigkeit Sl des Kompensationselements, gegeben durch den Quotient aus der Differenz ΔFF1 einer maximalen und einer minimalen Kraft eines die Kraft F umfassenden ersten Kraftintervalls ΔF1 und dem Betrag eines dem ersten
Kraftintervall ΔF1 über die erste Kraft- Weg-Kennlinie zugeordneten ersten Wegintervalls Δzl um einen ersten Punkt zθ, dem über die erste Kraft- Weg-Kennlinie die Kraft F zugeordnet ist,
- Führungsmitteln mit einer zweiten Kraft- Weg-Kennlinie in Richtung der Kraft F zur Führung des Ankers des Kompensationselements und mit einer zweiten Lagersteifigkeit S2, gegeben durch den Quotient aus der Differenz. ΛFF2 einer maximalen und einer minimalen Kraft eines durch die zweite Kraft- Weg-Kennlinie durch das erste Wegintervall Δzl um den ersten Punkt zθ zugeordneten zweiten Kraftintervalls ΔF2 und dem Betrag des ersten Wegintervalls Δzl,
- wobei die Kraft des Kraftkompensators sich aus der Addition der Kräfte aus der ersten und aus der zweiten Kraft-Weg-Kennlinie ergibt, und wobei
- die durch die Kräfteaddition resultierenden Kraft- Weg-Kennlinie eine dritten Lagersteifigkeit S3 aufweist, die sich als Quotient aus der Differenz ΔFF3 einer maximalen und einer minimalen Kraft wenigstens eines die Kraft F umfassenden dritten Kraftintervalls ΔF3 und dem Betrag des ersten Wegintervalls Δzl um wenigstens einen Punkt zθ* ergibt, wobei durch die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie mittels des ersten Wegintervalls Δzl um den wenigstens einen Punkt zθ* das wenigstens eine dritte Kraftintervall ΔF3 definiert ist und dabei der wenigstens eine Punkt zθ* über die resultierende Kraft- Weg-Kennlinie der Kraft F zugeordnet ist, und wobei
- die Lagersteifigkeit S 3 gleich oder geringer als die Lagersteifigkeit Sl ist und/oder wobei die resultierende Kraft- Weg-Kennlinie wenigstens zwei Punkte zθ* aufweist, die mehr als das erste Wegintervall Δzl voneinander beabstandet sind und/oder wobei in der resultierenden Krafl-Weg-Kennlinie die Differenz ΔFF1 um die Kraft F einem Wegintervall größer als Δzl zugeordnet ist.
2 . Gewichtskraftkompensator nach Anspruch 1, wobei der Anker in Richtung der Kraft um ein erstes Wegintervall Δzl um den Punkt zθ* bewegbar ist,
3. Gewichtskraftkompensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Wegintervall Δzl kleiner als 3 mm ist.
4. Gewichtskraftkompensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dritte Lagersteifigkeit kleiner 2N/mm ist.
5. Gewichtskraftkompensator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bewegung des Ankers senkrecht zur Kraft F durch von den Führungsmitteln generierten Querkräfte in Richtung senkrecht zur Kraft F auf weniger als 10% des Betrags der Bewegung des Ankers in Richtung der Kraft eingeschränkt ist.
6. Gewichtskraftkornpensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Element am Kraftangriffspunkt des Ankers direkt oder indirekt wenigstens teilweise mit einer Abstützvorrichtung abgestützt ist.
7. Gewichtskraftkompensator nach Anspruch 6, wobei das optische Element ein Spiegel einer lithographischen EUV-Projektionsbelichtungsanlage ist, und wobei die Kraft F die Gewichlskraft oder ein Teil der Gewichtskraft des Spiegels ist.
8. Gewichtskraftkompensator nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Abstützvorrichtung in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Kraft F eine geringere Steifigkeit aufweist als die Führungsmittel in dieser Richtung.
9. Gewichtskraftkompensator nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Abstützvorrichtung in einer Richtung senkrecht zur Richtung der Kraft F eine höhere Steifigkeit aufweist als die Führungsmittel in dieser Richtung.
10. Gewichtskraftkompensator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die
Abstützvorrichtung in Richtung der Kraft F eine höhere Steifigkeit als das 100-fache der Differenz ΔFF3 aufweist.
11. Gewichtskraftkompensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kompensationselement wenigstens ein Element aus einer ersten Gruppe umfasst und die erste Gruppe aus
- Kompensationselementen für eine zu kompensierenden Gewichtskraft > 200 N oder > 300
N,
- Kompensationselεmenten die eine Positionsänderung des optischen Elements > SOO μm bis zu 3 mm zulassen,
- magnetischen Kompensatoren,
- magnetischen Kompensatorelemenlen mit wenigstens einem magnetischen Kompensatorelement welches von der in der Umgebung des Gewichtskraftkompensators vorliegenden Atmosphäre abgetrennt angeordnet ist, - magnetischen Kompensatorelementen mit wenigstens einem magnetischen
Kompensatorelement welches von der in der Umgebung des Gewichtskraftkompensators vorliegenden Atmosphäre durch gasdichte Kapselung und/oder gasdichte Beschichtung und/oder Gasspülung abgetrennt angeordnet ist,
- magnetischen Kompensatoren mit wenigstens einem auswechselbaren das Magnetfeld beeinflussenden Justierelement,
- wenigstens zwei magnetischen Kompensatorelementen mit unterschiedlichen Kraft- Weg- Kenniinien die hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind,
- Kompensatorelementen mit einem ersten und einem zweiten magnetischen Kompensationselement die mittels einer starren und unmagnetischen Kopplung miteinander verbunden sind, - magnetischen Kompensationselementen mit mindesten einem Flussleitelement oder einem ferromagnetischen Flussleitelement,
- magnetischen Kompensatoren mit wenigstens zwei inneren Magneten wobei wenigstens einer der inneren Magnete bezüglich der örtlichen Lage im Bezug auf den anderen inneren Magneten veränderbar ist und/oder die Magnetstärke einstellbar ist,
- mechanischen Kompensatorelemente die dem Hookschen Gesetzt folgen,
- mechanische Federelemente mit einem Bereich annähernd konstanter Kraft in der Kraft- Weg-Kennlinie,
- Kompensatorelementen die Aktoren umfassen, - Federelementen,
- Knickstäben,
- Kompensatorelementen welche wenigstens ein Gegengewicht umfassen das über wenigstens ein Umlenkelement mit dem zu lagernden optischen Element verbunden ist,
- Kompensatorelementen welche wenigstens ein Gegengewicht umfassen das über einen Seilzug oder einer Rolle mit dem zu lagernden optischen Element verbunden ist und
- Kompensatorelementen mit wenigstens einem Positionierelement das unabhängig vom Kompensatorelement eine Positionsänderung des zu lagernden optischen Elements ermöglicht besteht.
12. Gewichtskraftkompensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Führungsmittel wenigstens ein Element aus einer zweiten Gruppe umfasst und die zweite Gruppe aus
- magnetischen Führungsmittel,
- magnetischen Führungsmittel mit wenigstens einem magnetischen Führungsmittel welches von der in der Umgebung des Gewichtskraftkompensators vorliegenden Atmosphäre abgetrennt angeordnet ist,
- magnetischen Führungsmittel mit wenigstens einem magnetischen Führungsmittel welches von der in der Umgebung des Gewichtskraftkompensators vorliegenden Atmosphäre durch gasdichte Kapselung und/oder gasdichte Beschichtung und/oder Gasspülung abgetrennt angeordnet ist,
- magnetischen Führungsmittel mit wenigstens einem auswechselbaren das Magnetfeld beeinflussenden Justierelement, - wenigstens zwei magnetischen Führungsniittel mit unterschiedlichen Kraft- Weg-Kennlinien die hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sind,
- magnetischen Führungsmittel mit wenigstens zwei inneren Magneten wobei wenigstens einer der inneren Magnete bezüglich der örtlichen Lage im Bezug auf den anderen inneren Magneten veränderbar ist und/oder die Magnetstärke einstellbar ist, - mechanischen Führungsmittel die dem Hookschen Gesetzt folgen,
- mechanische Federelemente mit einem Bereich annähernd konstanter Kraft in der Kraft- Weg-Kennlinie,
- Führungsmittel die Aktoren umfassen,
- Federelementen, - Knickstäben,
- Membrane,
- mechanisch mittels Kräften vorgespannte Federelementen oder Knickstäben oder Membranen und
- Führungsmittel mit wenigstens einem Positionierelement das eine Positionsänderung des zu lagernden optischen Elements ermöglicht besteht.
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