WO2024052151A1 - Verfahren zum betreiben eines optischen bauelements, optisches bauelement - Google Patents

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WO2024052151A1
WO2024052151A1 PCT/EP2023/073561 EP2023073561W WO2024052151A1 WO 2024052151 A1 WO2024052151 A1 WO 2024052151A1 EP 2023073561 W EP2023073561 W EP 2023073561W WO 2024052151 A1 WO2024052151 A1 WO 2024052151A1
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WO
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mirror element
electrodes
tilt angle
actuator
optical component
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Application number
PCT/EP2023/073561
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French (fr)
Inventor
Ralf Noltemeyer
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Carl Zeiss Smt Gmbh
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    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
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    • G02B26/0841—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting element being moved or deformed by electrostatic means
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    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/0891—Ultraviolet [UV] mirrors

Definitions

  • the invention relates to a method for operating an optical component with a mirror element, a substrate for supporting the mirror element, an actuator device for tilting the mirror element and a sensor device with a sensor electrode structure for detecting a tilt angle of the mirror element based on changes in capacitance.
  • the invention further relates to an optical component and a mirror array with a plurality of such optical components.
  • the invention also relates to lighting optics and a lighting system for a projection exposure system and a projection exposure system.
  • micromirrors can be used in different applications, such as: B. Projectors on a smartphone, head-up displays, barcode readers, etc.
  • adjustable optical paths up to the reticle also known as a mask, are advantageous, which can be implemented by a micromirror array in the optical path.
  • the micromirrors can be provided with a Bragg coating that reflects the central wavelengths well. Wavelengths outside the reflection range are absorbed and generate heat in the micromirror, which must be specifically dissipated with the lowest possible temperature resistance.
  • the positioning accuracy of the micromirror depends on how well the micromirror position sensor system works.
  • the micromirror position sensor system depends on the manufacturing tolerances, the temperature stability in conjunction with the temperature variance and the long-term stability in conjunction with the product lifespan or the times when the device needs to be recalibrated.
  • the document DE 10 2015 204874 A1 relates to an actuator device for tilting a mirror element.
  • the document DE 10 2016 213 026 A1 relates to a sensor device for detecting a tilt angle of a mirror element.
  • the two documents each describe an optical component that includes an actuator device for tilting a mirror element with two tilting degrees of freedom and a sensor device for detecting a tilt angle of the mirror element.
  • the actuator device comprises an actuator electrode structure with actuator electrodes, which are designed as comb electrodes and form a direct drive for pivoting the mirror element.
  • the sensor device comprises a sensor electrode structure with sensor electrodes, which are also designed as comb electrodes.
  • the optical component further comprises a gimbal solid-state joint for supporting the mirror element, the solid-state joint having joint springs and defining two tilting axes of the mirror element.
  • the sensor electrode structure includes sensor stator electrodes attached to a substrate for supporting the mirror element and sensor mirror electrodes attached to the mirror element.
  • the sensor mirror electrodes are set up to lead to a variable shielding of an electric field in the area of the sensor stator electrodes depending on the detected tilt angle of the mirror element.
  • the sensor mirror electrodes are subjected to the same voltage. In other words, the sensor mirror electrodes have the same potential as, for example, the ground potential.
  • the optical component comprises a mirror element, a substrate for supporting the mirror element, which is in particular a micro-mirror element, an actuator device for tilting the mirror element and a sensor device with a sensor electrode structure for detecting a tilt angle of the mirror element based on changes in capacitance.
  • a tilt angle of the mirror element corresponds to a polar angle of a spherical coordinate system. The tilt angle can be azimuth-dependent.
  • the sensor electrode structure includes a plurality of active sensor electrodes, such as two, four, six or even more, and a plurality of passive sensor electrodes, such as two, four, six or even more.
  • the active and passive sensor electrodes are preferably designed as comb electrodes.
  • the number of active sensor electrodes is equal to the number of passive sensor electrodes.
  • the passive sensor electrodes are each assigned to an active sensor electrode.
  • the active sensor electrodes include sensor transmitter electrodes and sensor receiver electrodes, each of which is preferably designed as comb electrodes.
  • the sensor transmitter electrodes are subjected to an alternating voltage to detect the tilt angle of the mirror element.
  • the passive sensor electrodes can be subjected to the same bias voltage, which preferably assumes a constant value.
  • the passive sensor electrodes can be grounded or kept at a voltage of 0 V.
  • the passive sensor electrodes are preferably designed to lead to a variable shielding of an electric field in the area of the active sensor electrodes depending on a detected tilt angle of the mirror element.
  • the passive sensor electrodes are subjected to different voltages during operation of the optical component. This allows, for example, the actuator force used to tilt the mirror element to be increased.
  • the actuator device preferably comprises an actuator electrode structure with a plurality of active actuator electrodes, such as two, four, six or more, and at least one passive actuator electrode.
  • the active actuator electrodes and the at least one passive actuator electrode are designed to exert electrostatic force to tilt the mirror element.
  • the active actuator electrodes and the at least one passive actuator electrode are preferably designed as comb electrodes. All active actuator electrodes are arranged in a common plane, which is also referred to as the actuator plane.
  • the actuator device can form a direct drive for tilting the mirror element.
  • Active actuator electrodes are understood to mean the actuator electrodes which are subjected to a variable, in particular a controllable, in particular regulatable, actuator voltage in order to tilt the mirror element.
  • Actuator electrodes that are subjected to a fixed, i.e. constant, voltage are also referred to as passive actuator electrodes.
  • the passive actuator electrodes can in particular be grounded or kept at a voltage of 0 V.
  • a direct drive is understood to mean a drive in which the actuator device can directly exert a force on the mirror to be displaced.
  • no force transmission mechanism is required.
  • the drive is force transmission mechanism-free.
  • the active actuator electrodes are attached to the substrate and the at least one passive actuator electrode is attached to the mirror element.
  • the active actuator electrodes are also referred to as actuator stator electrodes, while the passive actuator electrode is also referred to as actuator mirror electrode.
  • the active sensor electrodes are attached to the substrate and the passive sensor electrodes are attached to the mirror element.
  • the active sensor electrodes are also referred to as sensor stator electrodes, while the passive sensor electrode is also referred to as sensor mirror electrode.
  • the active sensor electrodes are preferably arranged in the common plane in which the active actuator electrodes are arranged.
  • the active sensor electrodes are preferably each assigned to an active actuator electrode.
  • the number of active sensor electrodes can be equal to the number of active actuator electrodes.
  • each active actuator electrode can be assigned to an active sensor electrode.
  • the number of active sensor electrodes can also be unequal to the number of active actuator electrodes.
  • the number of active actuator electrodes can be greater than the number of active sensor electrodes.
  • the actuator device can be part of a displacement device for displacing the mirror element or the displacement device itself.
  • the sensor device can also be part of the displacement device. In other words, the sensor electrode structure is integrated into the actuator electrode structure.
  • the actuator device can be set up to tilt the mirror element with a single tilting degree of freedom.
  • the mirror element is tilted about a tilt axis.
  • the tilt axis can be used to divide the common level into two sectors.
  • the actuator and sensor electrodes are arranged symmetrically about the tilt axis.
  • the actuator device is preferably set up to tilt the mirror element with two tilting degrees of freedom.
  • the mirror element can be tilted about two tilting axes simultaneously or one after the other.
  • the two tilting axes can be used to divide the common plane into four sectors, also known as a quadrant.
  • the actuator and sensor electrode structures can have radial symmetry.
  • the actuator or sensor electrodes can be arranged symmetrically around a center point, which is also referred to as the tipping point of the mirror element.
  • displacement is generally understood to mean a displacement with regard to a certain degree of freedom.
  • the displacement can in particular be a pivoting, which is also referred to as a tilting.
  • the displacement can also include linear displacements and/or rotations of the mirror element in a mirror plane.
  • the optical component can have a cardanic solid-state joint for supporting the mirror element, the solid-state joint having joint springs and defining two tilting axes of the mirror element.
  • the passive sensor electrodes can also be in a first sector or a first quadrant with a first voltage, while the passive sensor electrodes in other sectors or others Quadrants are subjected to a second voltage.
  • the method according to the invention must be applied accordingly or adapted to the passive sensor electrodes of other sectors or quadrants.
  • the passive sensor electrodes are subjected to the same bias voltage, which preferably assumes a constant value, and during operation of the optical component, at least one of the passive sensor electrodes is subjected to an offset voltage in addition to the bias voltage.
  • the application of the offset voltage to the at least one of the passive sensor electrodes is determined depending on a comparison result between a target tilt angle of the mirror element and a reference value.
  • the offset voltage is applied to the at least one of the passive sensor electrodes when the target tilt angle of the mirror element is greater than the reference value. This increases the force for tilting the mirror element.
  • the offset voltage preferably assumes a predetermined constant value.
  • the offset voltage can be calculated depending on a difference between the target tilt angle of the mirror element and the detected tilt angle of the mirror element.
  • a further aspect of the invention is the provision of an optical component that is set up to carry out the method according to the invention.
  • the optical component comprises a mirror element, a substrate for supporting the mirror element, an actuator device for tilting the mirror element and a sensor device for detecting a tilt angle of the mirror element.
  • the method according to the invention is preferably carried out using the optical component proposed according to the invention. Accordingly, features described in the context of the optical component apply to the method and, conversely, features described in the context of the method apply to the optical component.
  • a mirror array which comprises a plurality of optical components according to the invention.
  • an illumination optics for a projection exposure system for guiding illumination radiation to an object field which comprises at least one mirror array according to the invention.
  • An illumination system for a projection exposure system which comprises illumination optics according to the invention and a radiation source, in particular an EUV radiation source.
  • a projection exposure system for microlithography which has an illumination optics according to the invention and a Projection optics for projecting a reticle arranged in an object field into an image field.
  • the force for tilting the mirror element which is generated by the actuator device, is increased by an additional offset voltage on at least one sensor mirror electrode.
  • Electrical softening is understood to mean a modification of a spring constant of a restoring spring of the joint device by applying a voltage to the passive sensor electrodes.
  • a force generated in this way can, for example, act in the opposite direction to the spring force.
  • the temperature resistance of the spring is also improved, so that better mirror temperature dissipation is possible.
  • the actuator device can be operated, for example at a small tilt angle.
  • the actuator device is operated with a “booster actuator”, which is formed by the sensor device. There can be an overlap between the two operating modes, so that regulation in the respective area is possible.
  • the increase in the force for tilting the mirror element can be used to reduce the maximum supply voltage of the actuator device or to increase the spring stiffness and thus to reduce the thermal resistance.
  • Figure 1 is a side view of an optical component according to the invention
  • Figure 2 is a schematic sectional view of the optical component according to Figure 1,
  • Figure 3.1 is a diagram of tilt signals
  • Figure 3.2 shows a time course of the target tilt angle of the mirror element
  • Figure 3.3 shows a time course of a first voltage that is applied to an active actuator electrode
  • Figure 3.4 shows a time course of a second voltage that is applied to a passive sensor electrode
  • Figure 3.5 shows a time course of the detected tilt angle of the mirror element.
  • Figure 1 shows a side view of an optical component 100 according to the invention, which is set up to carry out the method according to the invention.
  • the optical component 100 includes a mirror element 20 and a substrate 30 for supporting the mirror element 20.
  • the mirror element 20 is mounted on a joint device 80.
  • the optical component 100 includes a displacement device 200, which has an actuator device 40 for tilting the mirror element 20 and a sensor device 50 for detecting a tilt angle 0 of the mirror element 20.
  • the optical component 100 is arranged in a three-dimensional Cartesian coordinate system 90 for illustration.
  • the Cartesian three-dimensional coordinate system 90 includes an x-axis, a y-axis and a z-axis.
  • the x-axis in Figure 1 runs perpendicular to the plane of the drawing towards the viewer.
  • the y-axis runs to the right in Figure 1.
  • the z-axis runs upwards in Figure 1.
  • the mirror element 20 includes a reflection surface 22 with a surface normal 24 which is perpendicular to the reflection surface 22.
  • the mirror element 20 is in a non-pivoted or non-tilted state.
  • the substrate 30 is arranged on an xy plane 92 (see FIG. 2), which is determined by the x and y axes.
  • an angle is created between the surface normal 24 and the z-axis in its direction of extension, which is defined as the tilt angle 0 of the mirror element 20 and is illustrated in the right-hand illustration of Figure 1. This angle is also called the polar angle in a spherical coordinate system.
  • the mirror element 20 can be tilted about the x-axis.
  • the mirror element 20 can also be tilted about the y-axis.
  • the mirror element 20 can also be tilted simultaneously about the x and y axes in order to achieve an azimuth-dependent tilt angle 0.
  • the actuator device 40 includes an actuator electrode structure 42 with two active actuator electrodes 421 (see FIG. 2), which in the present case are designed as actuator stator electrodes and are attached to the substrate 30.
  • the actuator electrode structure 42 has two passive actuator electrodes 422 (see FIG. 2), which in the present case are designed as an actuator mirror electrode are attached to a surface 26 of the mirror element 20 facing away from the reflection surface 22.
  • the passive actuator electrodes 422 are each assigned to an active actuator electrode 421.
  • the actuator electrode structure 42 can also have a single passive actuator electrode 422 or more than two passive actuator electrodes 422.
  • the actuator electrodes 421, 422 are set up to exert electrostatic force. They are preferably designed as comb electrodes.
  • the active actuator electrodes 421 and the passive actuator electrode 422 each include several comb fingers. From Figure 1 it can be seen that all active actuator electrodes 422 are arranged in a common plane 70, which lies parallel to the xy plane 92 and is also referred to as an actuator plane.
  • the actuator device 40 or the active actuator electrodes 421 and the passive actuator electrodes 422 form a direct drive for tilting the mirror element 20.
  • the sensor device 50 includes a sensor electrode structure 52.
  • Figure 1 shows that the sensor electrode structure 52 has two active sensor electrodes 521 (see Figure 2) and two passive sensor electrodes 522 (see Figure 2).
  • the active sensor electrodes 521 are designed as sensor stator electrodes and are attached to the substrate 30.
  • Figure 1 can also be seen that the active sensor electrodes 521 are also arranged in the common plane 70.
  • the passive sensor electrodes 522 are designed as sensor mirror electrodes and are attached to the surface 26 of the mirror element 20 facing away from the reflection surface 22.
  • the sensor electrodes 521, 522 are preferably designed as comb electrodes.
  • the active sensor electrodes 521 and the passive sensor electrodes 522 each include several comb fingers.
  • the joint device 80 for supporting the mirror element 20 is arranged centrally. It can be designed as a solid-state joint, such as a gimbal solid-state joint.
  • a mechanical tilting axis 28 (see FIG. 2) of the mirror element 20 is defined.
  • two mechanical tilting axes 28 are defined by the joint device 80, which intersect at a central point, which is also referred to as the tilting point of the mirror element 20. This tipping point lies in particular on the surface normal 24 through a central point of the mirror element 20 in the non-tilted state.
  • Figure 2 shows a schematic sectional view of the optical component 100 according to Figure 1 along a sectional plane A to illustrate further aspects of the actuator and sensor device 40, 50.
  • the optical component 100 is presently arranged in the three-dimensional Cartesian coordinate system 90 in FIG.
  • the x-axis runs downwards in Figure 2.
  • the y-axis runs to the right in Figure 2.
  • the z-axis runs perpendicular to the plane of the drawing towards the viewer.
  • the substrate 30 is arranged on the xy plane 92.
  • the common plane 70 lies parallel to the xy plane 90.
  • the actuator device 40 or the actuator electrode structure 42 comprises two active actuator electrodes 421, which are arranged on the substrate 30.
  • the sensor device 50 or the sensor electrode structure 52 comprises two active sensor electrodes 521, which are designed as sensor stator electrodes and are arranged on the substrate 30. All actuator and sensor stator electrodes 421, 521 are arranged in the common plane 70.
  • the joint device 80 defines a tilt axis 28 of the mirror element 20, which is aligned parallel to the common plane 70 and corresponds to the x-axis.
  • the common plane 70 is divided into two sectors by the tilt axis 28, namely a first sector 32 and a second sector 34.
  • An active actuator electrode 421 and an active sensor electrode 521 are arranged in each sector 32, 34.
  • Each active sensor electrode 522 is assigned an active actuator electrode 421 in the same sector 32, 34.
  • the tilt axis 28 divides the active actuator and sensor electrodes 421, 521 into two pairs of electrodes, each of which is arranged in a sector 32, 34.
  • a first pair of electrodes 202 includes an active actuator electrode 421a in the first sector 32 and an active sensor electrode 521a in the first sector 32
  • a second pair of electrodes 204 includes an active actuator electrode 421b in the second sector 34 and an active sensor electrode 521b in the second sector 34 includes.
  • Figure 2 can also be seen that the first and second electrode pairs 202, 204 are arranged symmetrically to the tilt axis 28.
  • the active sensor electrode is in the respective sector 32, 34
  • the active actuator electrode 421 and the active actuator electrode 421 are arranged outwards in this order from the tilt axis 28 or the joint device 80.
  • a different order of arrangement of the active actuator and sensor electrodes 421, 521 is also possible.
  • the two passive sensor electrodes 521 can be subjected to different voltages.
  • the active actuator electrode 421a in the first sector 32 and the active actuator electrode 421b in the second sector 34 can be controlled differentially.
  • the active sensor electrode 521a in the first sector 32 and the active sensor electrode 521b in the second sector 34 can be connected differentially. They serve to determine the tilt angle relative to the tilt axis 28.
  • control electronics for controlling the optical component 100 are provided for the optical component 100.
  • FIG. 3.1 shows a diagram of tilt signals 1 to 5
  • FIG. 3.2 shows a time profile 10 of the target tilt angle 0s of the mirror element 20
  • FIG 3.4 a time profile 14 of a second voltage U2, which is applied to the passive sensor electrode 522a (see Figure 1) in the first sector 32
  • Figure 3.5 a time profile 16 of the detected tilt angle 0i of the mirror element 20.
  • the control electronics for controlling the optical component 100 receives a first tilt signal 1, by which it is requested to tilt the mirror element 20 from a current tilt angle 0a to a first target tilt angle 0sl.
  • the first voltage Ul has a current value Ula
  • the passive sensor electrode 522a in the first sector 32 is supplied with the second voltage U2.
  • the second voltage U2 corresponds to a bias voltage Ub, which has a current value Uba.
  • the current value Uba of the bias voltage Ub can, for example, be equal to the ground potential.
  • the passive sensor electrode 522b (see FIG. 1) in the second sector 34 is also subjected to the bias voltage Ub.
  • the bias voltage Ub can assume a constant value, such as 0 V.
  • the bias voltage Ub can also be designed as a variable voltage.
  • the first target tilt angle 0sl is compared with a reference value 0r.
  • Figure 3.2 shows that the first target tilt angle 0sl is smaller than the reference value 0r.
  • the second voltage U2 which corresponds to the bias voltage Ub of the passive sensor electrodes 522 in the two sectors 32, 34, remains unchanged at the current value Uba.
  • the first target tilt angle 0sl is reached within a mirror movement phase 18.
  • the tilt angle 0 of the mirror element 20 remains constant after the mirror movement phase 18 and is maintained until a new mirror position or a new tilt angle 0 has to be approached.
  • the control electronics receive a second tilt signal 2, which requests it to tilt the mirror element 20 to a second target tilt angle 0s2.
  • the second target tilt angle 0s2 is compared with the reference value 0r. From Figure 3.2 it can be seen that the second target tilt angle 0s2 is greater than the reference value 0r.
  • the passive sensor electrode 522a in the first sector 32 is subjected to an offset voltage Uos in addition to the bias voltage Ub, while the passive Sensor electrode 522b in the second sector 34 continues to be subjected to the same bias voltage Ub.
  • the second voltage U2 represents a voltage resulting from the bias voltage Ub and the offset voltage Uos.
  • the offset voltage Uos assumes a predetermined constant value.
  • the offset voltage Uos can also be calculated as a function of a difference between the target tilt angle 0s of the mirror element 20 and the detected tilt angle 0i. Since the application of the additional offset voltage Uos generates an additional force for tilting the mirror element 20, the first voltage Ul is reduced to a second value U22, as shown in Figure 3.3.
  • the control electronics receive a third tilt signal 3, which requests it to tilt the mirror element 20 to a third target tilt angle 0s3.
  • the third target tilt angle 0s3 is compared with the reference value 0r. From Figure 3.2 it can be seen that the third target tilt angle 0s3 is greater than the reference value 0r.
  • the passive sensor electrode 522a in the first sector 32 continues to be subjected to the offset voltage Uos in addition to the bias voltage Ub, while the passive sensor electrode 522b in the second sector 34 continues to be subjected to the same bias voltage Ub.
  • a third value U13 of the first voltage Ul is calculated and the first voltage Ul is set to this third value U13.
  • the control electronics receive a fourth tilt signal 4, which requests it to tilt the mirror element 20 to a fourth target tilt angle 0s4.
  • the fourth target tilt angle 0s4 is compared with the reference value 0r. From Figure 3.2 it can be seen that the fourth target tilt angle 0s4 is smaller than the reference value 0r.
  • the offset voltage Uos which is applied to the passive sensor electrode 522a in the first sector 32 in addition to the bias voltage Ub, is no longer required.
  • the passive sensor electrode 522a in the first sector 32 is therefore only subjected to the bias voltage Ub. In other words, the passive sensor electrode 522a in the first sector 32 and the passive sensor electrode 522b in the second sector 34 are subjected to the same bias voltage Ub.
  • a fourth value U24 of the first voltage Ul is calculated.
  • the control electronics receive a fifth tilt signal 5, which requests it to tilt the mirror element 20 to a fifth target tilt angle 0s5.
  • the fifth target tilt angle 0s5 is compared with the reference value 0r. From Figure 3.2 it can be seen that the fifth target tilt angle 0s5 is smaller than the reference value 0r.
  • the offset voltage Uos which is applied to the passive sensor electrode 522a in the first sector 32 in addition to the bias voltage Ub, is also not required.
  • the passive sensor electrode 522a in the first sector 32 is therefore still only subjected to the bias voltage Ub.
  • the two passive sensor electrodes 522 continue to be subjected to the same bias voltage Ub.
  • a fifth value U15 of the first voltage Ul is calculated.
  • the method according to the invention is carried out using an optical component 100, the displacement device 200 of which is set up to tilt the mirror element 20 about a tilt axis 28, namely with a tilting degree of freedom.
  • the execution of the method according to the invention using a first pair of electrodes 202 in the first sector 32 will be discussed.
  • the joint device 80 can also provide a further tilting axis 28, which is aligned parallel to the common plane 70 and corresponds to the y-axis.
  • the two tilting axes 28 defined by the joint device 80 then each correspond to one of the tilting degrees of freedom.
  • the two tilt axes 28 intersect at a central point, which is also referred to as the tipping point of the mirror element 20.
  • the common plane 70 is divided into four sectors 32, 34, which is also referred to as a quadrant, by the two tilt axes 28.
  • a first active actuator electrode 421, a second active actuator electrode 441 and an active sensor electrode 521 can be arranged in each sector or quadrant.
  • the first and second actuator and sensor electrode structures 42, 44, 52 can each have radial symmetry.
  • the displacement device 200 of the optical component 100 can be set up to tilt the mirror element 20 about two tilt axes 28.
  • the active actuator electrodes 421 of the electrode pairs opposite the tipping point can be controlled differentially.
  • the active sensor electrodes The pairs of electrodes opposite each other with respect to the tipping point can be connected differentially.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Bauelements (100) mit einem Spiegelelement (20), einem Substrat (30) zum Tragen des Spiegelelements (20), einer Aktuatoreinrichtung (40) zum Verkippen des Spiegelelements (20) um eine oder zwei Kippachsen (28) und einer Sensoreinrichtung (50) mit einer Sensor-Elektrodenstruktur (52) zum Erfassen eines Kippwinkels (θ) des Spiegelelements (20) anhand von Kapazitätsänderungen. Die Sensor-Elektrodenstruktur (52) umfasst dabei eine Mehrzahl von aktiven Sensorelektroden (521) und eine Mehrzahl von passiven Sensorelektroden. Erfindungsgemäß werden die passiven Sensorelektroden (522) während des Betreibens des optischen Bauelements (100) mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt.

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben eines optischen Bauelements, optisches Bauelement
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Bauelements mit einem Spiegelelement, einem Substrat zum Tragen des Spiegelelements, einer Aktuatoreinrichtung zum Verkippen des Spiegelelements und einer Sensoreinrichtung mit einer Sensor- Elektrodenstruktur zum Erfassen eines Kippwinkels des Spiegelelements anhand von Kapazitätsänderungen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein optisches Bauelement sowie ein Spiegelarray mit einer Mehrzahl derartiger optischer Bauelemente. Außerdem betrifft die Erfindung eine Beleuchtungsoptik und ein Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage sowie eine Projektionsbelichtungsanlage.
Stand der Technik
Mikrospiegel können je nach Anwendungsfall in unterschiedliche Applikationen eingesetzt werden, wie z. B. Projektoren eines Smartphones, Headup-Displays, Barcodeleser usw.
Für EUV-Lithographie-Anlagen sind verstellbare optische Pfade bis zum Retikel (engl.: Reticle), das auch als Maske bezeichnet wird, vorteilhaft, die durch ein Mikrospiegelarray im optischen Pfad verwirklicht werden können.
Die Mikrospiegel können mit einer Bragg- Beschichtung versehen sein, die die Zentralwellenlängen gut reflektiert. Wellenlängen außerhalb des Reflexionsbereiches werden absorbiert und erzeugen Wärme im Mikrospiegel, die gezielt mit einem möglichst geringen Temperaturwiderstand abgeführt werden muss. Die Positionsgenauigkeit von dem Mikrospiegel hängt davon ab, wie gut das Mikrospiegel-Positionssensorsystem funktioniert. Das Mikrospiegel- Positionssensorsystem ist abhängig von den Fertigungstoleranzen, der Temperaturstabilität in Zusammenspiel mit der Temperaturvarianz und der Langzeitstabilität in Zusammenspiel mit der Produktlebenszeit bzw. den Zeitpunkten, wann das Gerät neu kalibriert werden muss.
Das Dokument DE 10 2015 204874 Al bezieht sich auf eine Aktuatoreinrichtung zum Verkippen eines Spiegelelements.
Das Dokument DE 10 2016 213 026 Al bezieht sich auf eine Sensoreinrichtung zur Erfassung eines Kippwinkels eines Spiegelelements.
Die beiden Dokumente beschreiben jeweils ein optisches Bauelement, das eine Aktuatoreinrichtung zum Verkippen eines Spiegelelements mit zwei Kipp- Freiheitsgraden und eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Kippwinkels des Spiegelelements umfasst. Die Aktuatoreinrichtung umfasst eine Aktuator- Elektrodenstruktur mit Aktuatorelektroden, die als Kammelektroden ausgebildet sind und einen Direktantrieb zur Verschwenkung des Spiegelelements bilden. Die Sensoreinrichtung umfasst eine Sensor-Elektrodenstruktur mit Sensor- Elektroden, die ebenfalls als Kammelektroden ausgebildet sind. Das optische Bauelement umfasst ferner ein kardanisches Festkörpergelenk zur Lagerung des Spiegelelements, wobei das Festkörpergelenk Gelenkfedern aufweist und zwei Kippachsen des Spiegelelements definiert.
Die beiden Dokumente beschreiben ferner, dass die Sensor-Elektrodenstruktur dabei Sensor- Statorelektroden, die an einem Substrat zum Tragen des Spiegelelements befestigt sind, und Sensor-Spiegelelektroden, die an dem Spiegelelement befestigt sind, umfasst. Zur Berechnung des Kippwinkels des Spiegelelements sind die Sensor-Spiegelelektroden dazu eingerichtet, in Abhängigkeit des erfassten Kippwinkels des Spiegelelements zu einer variablen Abschirmung eines elektrischen Felds im Bereich der Sensor- Statorelektroden zu führen. Dabei sind die Sensor-Spiegelelektroden mit einer gleichen Spannung beaufschlagt. Mit anderen Worten, die Sensor-Spiegelelektroden haben das gleiche Potential, wie beispielsweise das Erdpotential.
Offenbarung der Erfindung Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Bauelements vorgeschlagen. Das optische Bauelement umfasst dabei ein Spiegelelement, ein Substrat zum Tragen des Spiegelelements, das insbesondere ein Mikro- Spiegelelement ist, eine Aktuatoreinrichtung zum Verkippen des Spiegelelements und eine Sensoreinrichtung mit einer Sensor-Elektrodenstruktur zum Erfassen eines Kippwinkels des Spiegelelements anhand von Kapazitätsänderungen. Dabei entspricht ein Kippwinkel des Spiegelelements einem Polarwinkel eines Kugelkoordinatensystems. Der Kippwinkel kann dabei azimutabhängig sein.
Die Sensor- Elektrodenstruktur umfasst dabei eine Mehrzahl von aktiven Sensorelektroden, wie beispielsweise zwei, vier, sechs oder noch mehr, und eine Mehrzahl von passiven Sensorelektroden, wie beispielsweise zwei, vier, sechs oder noch mehr. Die aktiven und passiven Sensorelektroden sind vorzugsweise als Kammelektroden ausgebildet. Vorzugsweise ist die Anzahl der aktiven Sensorelektroden gleich der Anzahl der passiven Sensorelektroden. Vorzugsweise sind die passiven Sensorelektroden jeweils einer aktiven Sensorelektrode zugeordnet. Die aktiven Sensorelektroden umfassen dabei Sensor-Senderelektroden und Sensor- Empfängerelektroden, die jeweils vorzugsweise als Kammelektroden ausgebildet sind. Dabei werden die Sensor- Senderelektroden zum Erfassen des Kippwinkels des Spiegelelements mit einer Wechselspannung beaufschlagt. Die passiven Sensorelektroden können mit einer gleichen Biasspannung, die vorzugsweise einen Konstantwert annimmt, beaufschlagt werden. Insbesondere können die passiven Sensorelektroden geerdet sein, beziehungsweise auf einer Spannung von 0 V gehalten werden. Die passiven Sensorelektroden sind vorzugsweise dazu eingerichtet, in Abhängigkeit eines erfassten Kippwinkels des Spiegelelements zu einer variablen Abschirmung eines elektrischen Felds im Bereich der aktiven Sensorelektroden zu führen.
Erfindungsgemäß werden die passiven Sensorelektroden während des Betreibens des optischen Bauelements mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt. Dadurch kann beispielsweise die zum Verkippen des Spiegelelements dienende Aktuator- Kraft erhöht werden.
Vorzugsweise umfasst die Aktuatoreinrichtung eine Aktuator- Elektrodenstruktur mit einer Mehrzahl von aktiven Aktuatorelektroden, wie beispielsweise zwei, vier, sechs oder noch mehr, und mindestens einer passiven Aktuatorelektrode. Die aktiven Aktuatorelektroden und die mindestens eine passive Aktuatorelektrode sind dabei dazu eingerichtet, elektrostatische Kraft zum Verkippen des Spiegelelements auszuüben. Vorzugsweise sind die aktiven Aktuatorelektroden und die mindestens eine passive Aktuatorelektrode als Kammelektroden ausgebildet. Sämtliche aktiven Aktuatorelektroden sind in einer gemeinsamen Ebene, welche auch als Aktuatorebene bezeichnet wird, angeordnet. Dabei kann die Aktuatoreinrichtung einen Direktantrieb zum Verkippen des Spiegelelements bilden.
Unter aktiven Aktuatorelektroden sind hierbei die Aktuatorelektroden verstanden, welche zum Verkippen des Spiegelelements mit einer variablen, insbesondere einer steuerbaren, insbesondere regelbaren, Aktuatorspannung beaufschlagt werden. Aktuatorelektroden, welche mit einer fixen, das heißt konstanten Spannung beaufschlagt werden, werden auch als passive Aktuatorelektroden bezeichnet. Die passiven Aktuatorelektroden können insbesondere geerdet sein, beziehungsweise auf einer Spannung von 0 V gehalten werden.
Unter einem Direktantrieb sei hierbei ein Antrieb verstanden, bei welchem die Aktuatoreinrichtung direkt eine Kraft auf den zu verlagernden Spiegel ausüben kann. Es wird insbesondere kein Kraft-Transmissionsmechanismus benötigt. Der Antrieb ist mit anderen Worten Kraft-Transmissionsmechanismus-frei.
Vorzugsweise sind die aktiven Aktuatorelektroden an dem Substrat befestigt und die mindestens eine passive Aktuatorelektrode ist an dem Spiegelelement befestigt. In diesem Fall werden die aktiven Aktuatorelektroden auch als Aktuator- Statorelektroden bezeichnet, während die passive Aktuatorelektrode auch als Aktuator-Spiegelelektrode bezeichnet wird.
Vorzugsweise sind die aktiven Sensorelektroden an dem Substrat befestigt und die passiven Sensorelektroden an dem Spiegelelement befestigt. In diesem Fall werden die aktiven Sensorelektroden auch als Sensor- Statorelektroden bezeichnet, während die passive Sensorelektrode auch als Sensor- Spiegelelektrode bezeichnet wird. Vorzugsweise sind die aktiven Sensorelektroden in der gemeinsamen Ebene, in der die aktiven Aktuatorelektroden angeordnet sind, angeordnet. Bevorzugt sind die aktiven Sensorelektroden jeweils einer aktiven Aktuatorelektrode zugeordnet.
Die Anzahl der aktiven Sensorelektroden kann gleich der Anzahl der aktiven Aktuatorelektroden sein. Beispielsweise können jede aktive Aktuatorelektrode einer aktiven Sensorelektrode zugeordnet sein. Die Anzahl der aktiven Sensorelektroden kann auch ungleich der Anzahl der aktiven Aktuatorelektroden sein. Beispielsweise kann die Anzahl der aktiven Aktuatorelektroden größer als die Anzahl der aktiven Sensorelektroden sein.
Die Aktuatoreinrichtung kann Teil einer Verlagerungseinrichtung zum Verlagern des Spiegelelements oder die Verlagerungseinrichtung selbst sein. Die Sensoreinrichtung kann ebenfalls Teil der Verlagerungseinrichtung sein. Mit anderen Worten, die Sensor- Elektrodenstruktur ist in die Aktuator- Elektrodenstruktur integriert.
Die Aktuatoreinrichtung kann dazu eingerichtet sein, das Spiegelelement mit einem einzigen Kipp- Freiheitsgrad zu verkippen. Das Spiegelelement wird dabei um eine Kippachse verkippt. Durch die Kippachse kann die gemeinsame Ebene in zwei Sektoren aufgeteilt werden. Dabei sind die Aktuator- und die Sensorelektroden symmetrisch um die Kippachse angeordnet sein. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in diesem Fall kann beispielsweise die passiven Sensorelektroden in einem ersten Sektor mit einer ersten Spannung und die passiven Sensorelektroden in einem zweiten Sektor mit einer zweiten Spannung beaufschlagt.
Vorzugsweise ist die Aktuatoreinrichtung dazu eingerichtet, das Spiegelelement mit zwei Kipp- Freiheitsgraden zu verkippen. In diesem Fall kann das Spiegelelement um zwei Kippachsen gleichzeitig oder zeitlich nacheinander verkippt werden. Durch die beiden Kippachsen kann die gemeinsame Ebene in diesem Fall in vier Sektoren, der auch als Quadrant bezeichnet wird, aufgeteilt werden. Dabei können die Aktuator- und die Sensor- Elektrodenstruktur eine Radiärsymmetrie aufweisen. In anderen Worten, die Aktuator- beziehungsweise die Sensorelektroden können dabei symmetrisch um einen Mittelpunkt, welcher auch als Kipppunkt des Spiegelelements bezeichnet wird, angeordnet sein. Durch ein derartiges Design lässt sich die Verlagerung des Spiegelelements verbessern. Unter Verlagerung sei im Folgenden allgemein eine Verlagerung im Hinblick auf einen bestimmten Freiheitsgrad verstanden. Bei der Verlagerung kann es sich insbesondere um eine Verschwenkung, welche auch als Verkippung bezeichnet wird, handeln. Prinzipiell kann die Verlagerung auch lineare Verlagerungen und/oder Verdrehungen des Spiegelelements in einer Spiegelebene umfassen. Das optische Bauelement kann dabei ein kardanisches Festkörpergelenk zur Lagerung des Spiegelelements aufweisen, wobei das Festkörpergelenk Gelenkfedern aufweist und zwei Kippachsen des Spiegelelements definiert.
Für Details bezüglich einer Aktuatoreinrichtung zum Verkippen des Spiegelelements mit zwei Kipp- Freiheitsgraden und einer Sensoreinrichtung zum Erfassen des Kippwinkels des Spiegelelements sei auf die DE 10 2015 204 874 Al und die DE 10 2016 213 026 Al verwiesen, die hiermit vollständig als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung in diese integriert ist.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Falle, in dem die Aktuatoreinrichtung zum Verkippen des Spiegelelements um zwei Kippachsen eingerichtet ist, kann ebenfalls die passiven Sensorelektroden in einem ersten Sektor beziehungsweise einem ersten Quadranten mit einer ersten Spannung, währende die passiven Sensorelektroden in anderen Sektoren beziehungsweise anderen Quadranten mit einer zweiten Spannung beaufschlagt werden. In diesem Fall ist das erfindungsgemäße Verfahren entsprechend beziehungsweise auf die passiven Sensorelektroden anderer Sektoren beziehungsweise Quadranten angepasst anzuwenden.
Vorzugsweise werden die passiven Sensorelektroden mit einer gleichen Biasspannung, die vorzugsweise einen Konstantwert annimmt, beaufschlagt und während des Betreibens des optischen Bauelements wird mindestens eine der passiven Sensorelektroden mit einer Offsetspannung zusätzlich zu der Biasspannung beaufschlagt.
Vorzugsweise wird das Beaufschlagen der mindestens einen der passiven Sensorelektroden mit der Offsetspannung in Abhängigkeit von einem Vergleichsergebnis zwischen einem Zielkippwinkel des Spiegelelements und einem Referenzwert bestimmt. Vorzugsweise wird die mindestens eine der passiven Sensorelektroden mit der Offsetspannung beaufschlagt, wenn der Zielkippwinkel des Spiegelelements größer als der Referenzwert ist. Dadurch wird die Kraft zum Verkippen des Spiegelelements vergrößert.
Vorzugsweise nimmt die Offsetspannung einen vorbestimmten Konstantwert an. Alternativ kann die Offsetspannung in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem Zielkippwinkel des Spiegelelements und dem erfassten Kippwinkel des Spiegelelements berechnet werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Bereitstellung eines optischen Bauelements, das eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Das optische Bauelement umfasst dabei ein Spiegelelement, ein Substrat zum Tragen des Spiegelelements, eine Aktuatoreinrichtung zum Verkippen des Spiegelelements und eine Sensoreinrichtung zum Erfassen eines Kippwinkels des Spiegelelements.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt unter Verwendung des erfindungsgemäß vorgeschlagenen optischen Bauelements ausgeführt. Entsprechend gelten im Rahmen des optischen Bauelements beschriebene Merkmale für das Verfahren und umgekehrt gelten im Rahmen des Verfahrens beschriebene Merkmale für das optische Bauelement.
Ferner wird ein Spiegelarray vorgeschlagen, das eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen optischen Bauelementen umfasst.
Weiterhin wird eine Beleuchtungsoptik für eine Projektionsbelichtungsanlage zur Führung von Beleuchtungsstrahlung zu einem Objektfeld vorgeschlagen, die mindestens ein erfindungsgemäßes Spiegelarray umfasst.
Es wird auch ein Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage vorgeschlagen, das eine erfindungsgemäße Beleuchtungsoptik und eine Strahlungsquelle, insbesondere eine EUV-Strahlungsquelle, umfasst.
Darüber hinaus wird eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie vorgeschlagen, die eine erfindungsgemäße Beleuchtungsoptik und eine Projektionsoptik zur Projizierung eines in einem Objektfeld angeordneten Retikels in ein Bildfeld umfasst.
Für Details bezüglich einer möglichen Projektionsbelichtungsanlage sei auf die DE 10 2015 204 874 Al und die DE 10 2016 213 026 Al verwiesen, die hiermit vollständig als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung in diese integriert ist.
Vorteile der Erfindung
Mittels des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens wird die Kraft zum Verkippen des Spiegelelements, die durch die Aktuatoreinrichtung erzeugt wird, durch eine zusätzliche Offsetspannung auf mindestens eine Sensor- Spiegelelektrode erhöht.
Dadurch kann ein elektrisches Erweichen (engl.: electrical softening) mit den Sensor-Spiegelelektroden realisiert werden, so dass fertigungsrelevante Schwankungen der Federsteifigkeit ausgeglichen werden können. Unter dem elektrischen Erweichen wird eine Modifikation einer Federkonstante einer rückstellenden Feder der Gelenkeinrichtung mittels Anlegens einer Spannung an die passiven Sensorelektroden verstanden. Eine so generierte Kraft kann beispielsweise entgegengesetzt der Federkraft wirken.
Ebenfalls wird der Temperaturwiderstand der Feder dadurch verbessert, so dass eine bessere Spiegeltemperaturabführung möglich ist.
Je nach gewünschtem Zielkippwinkel des Spiegelelements kann nur die Aktuatoreinrichtung betrieben werden, wie beispielsweise bei kleinem Kippwinkel. Bei größeren Kippwinkeln wird die Aktuatoreinrichtung mit einem „Booster-Aktuator“, der von der Sensoreinrichtung gebildet ist, betrieben. Es kann ein Überlappen der beiden Betriebsmodi geben, so dass eine Regelung in dem jeweiligen Bereich ermöglicht wird.
Die Erhöhung der Kraft zum Verkippen des Spiegelelements kann zu einer Verringerung der maximalen Versorgungsspannung der Aktuatoreinrichtung genutzt werden oder zur Erhöhung der Federsteifigkeit und damit zur Verringerung des thermischen Widerstandes. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen optischen Bauelements,
Figur 2 eine schematische Schnittdarstellung des optischen Bauelements gemäß Figur 1,
Figur 3.1 ein Diagramm von Kippsignalen,
Figur 3.2 einen zeitlichen Verlauf des Zielkippwinkels des Spiegelelements,
Figur 3.3 einen zeitlichen Verlauf einer ersten Spannung, die an eine aktive Aktuatorelektrode angelegt ist,
Figur 3.4 einen zeitlichen Verlauf einer zweiten Spannung, die an eine passive Sensorelektrode angelegt ist, und
Figur 3.5 einen zeitlichen Verlauf des erfassten Kippwinkels des Spiegelelements.
Ausführungsformen der Erfindung
In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
Figur 1 ist eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen optischen Bauelements 100, das dazu eingerichtet ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, zu entnehmen. Das optische Bauelement 100 umfasst dabei ein Spiegelelement 20 und ein Substrat 30 zum Tragen des Spiegelelements 20. Das Spiegelelement 20 ist dabei auf einer Gelenkeinrichtung 80 gelagert. Zum Verlagern des Spiegelelements 20 umfasst das optische Bauelement 100 eine Verlagerungseinrichtung 200, die eine Aktuatoreinrichtung 40 zum Verkippen des Spiegelelements 20 und eine Sensoreinrichtung 50 zum Erfassen eines Kippwinkels 0 des Spiegelelements 20 aufweist.
Das optische Bauelement 100 ist zur Veranschaulichung in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem 90 angeordnet. Das kartesische dreidimensionale Koordinatensystem 90 umfasst eine x-Achse, eine y-Achse sowie eine z-Achse. Die x-Achse verläuft in der Figur 1 senkrecht zur Zeichenebene auf den Betrachter zu. Die y-Achse verläuft in der Figur 1 nach rechts. Die z-Achse verläuft in der Figur 1 nach oben.
Das Spiegelelement 20 umfasst dabei eine Reflexionsfläche 22 mit einer Flächennormale 24, die senkrecht zu der Reflexionsfläche 22 steht. Vorliegend in der linken Darstellung von Figur 1 steht das Spiegelelement 20 in einem unverschwenkten beziehungsweise unverkippten Zustand.
Dabei ist das Substrat 30 auf einer x-y- Ebene 92 (vgl. Figur 2), die durch die x- und die y-Achse bestimmt ist, angeordnet. In einem verkippten Zustand entsteht ein Winkel zwischen der Flächennormalen 24 und der z-Achse in ihrer Verlaufsrichtung, der als Kippwinkel 0 des Spiegelelements 20 definiert und in der rechten Darstellung von Figur 1 veranschaulicht ist. Dieser Winkel wird auch als Polarwinkel in einem Kugelkoordinatensystem bezeichnet. Das Spiegelelement 20 kann dabei um die x-Achse verkippt werden.
Selbstverständlich kann das Spiegelelements 20 auch um die y-Achse verkippt werden. Das Spiegelelement 20 kann ebenfalls gleichzeitig um x- und y-Achse verkippt werden, um einen azimutabhängigen Kippwinkel 0 zu erreichen.
Die Aktuatoreinrichtung 40 umfasst dabei eine Aktuator- Elektrodenstruktur 42 mit zwei aktiven Aktuatorelektroden 421 (vgl. Figur 2), die vorliegend als Aktuator- Statorelektroden ausgebildet und an dem Substrat 30 befestigt sind. Die Aktuator- Elektrodenstruktur 42 weist dabei zwei passive Aktuatorelektroden 422 (vgl. Figur 2) auf, die vorliegend als Aktuator-Spiegelelektrode ausgebildet und an einer der Reflexionsfläche 22 abgewandten Fläche 26 des Spiegelelements 20 befestigt sind. Vorliegend in Figur 1 sind die passiven Aktuatorelektroden 422 jeweils einer aktiven Aktuatorelektrode 421 zugeordnet. Die Aktuator- Elektrodenstruktur 42 kann aber auch eine einzige passive Aktuatorelektrode 422 oder mehr als zwei passive Aktuatorelektroden 422 aufweisen.
Die Aktuatorelektroden 421, 422 sind zur Ausübung elektrostatischer Kraft eingerichtet. Sie sind vorzugsweise als Kammelektroden ausgebildet. Dabei umfassen die aktiven Aktuatorelektroden 421 und die passive Aktuatorelektrode 422 jeweils mehrere Kammfinger. Aus Figur 1 geht hervor, dass sämtliche aktive Aktuatorelektroden 422 in einer gemeinsamen Ebene 70, die parallel zu der x-y- Ebene 92 liegt und auch als eine Aktuatorebene bezeichnet wird, angeordnet sind. Die Aktuatoreinrichtung 40 beziehungsweise die aktiven Aktuatorelektroden 421 sowie die passiven Aktuatorelektroden 422 bilden dabei einen Direktantrieb zum Verkippen des Spiegelelements 20.
Die Sensoreinrichtung 50 umfasst dabei eine Sensor-Elektrodenstruktur 52. Figur 1 ist zu entnehmen, dass die Sensor-Elektrodenstruktur 52 zwei aktive Sensorelektroden 521 (vgl. Figur 2) und zwei passive Sensorelektroden 522 (vgl. Figur 2) aufweist. Dabei sind die aktiven Sensorelektroden 521 als Sensor- Statorelektroden ausgebildet und am Substrat 30 befestigt. Figur 1 ist ferner zu entnehmen, dass die aktiven Sensorelektroden 521 ebenfalls in der gemeinsamen Ebene 70 angeordnet sind. Die passiven Sensorelektroden 522 sind dabei als Sensor-Spiegelelektroden ausgebildet und an der der Reflexionsfläche 22 abgewandten Fläche 26 des Spiegelelements 20 befestigt. Die Sensorelektroden 521, 522 sind vorzugsweise als Kammelektroden ausgebildet. Dabei umfassen die aktiven Sensorelektroden 521 und die passiven Sensorelektroden 522 jeweils mehrere Kammfinger.
Aus Figur 1 geht hervor, dass die Gelenkeinrichtung 80 zur Lagerung des Spiegelelements 20 zentral angeordnet ist. Sie kann als ein Festkörpergelenk, wie beispielsweise ein kardanisches Festkörpergelenk, ausgebildet sein. Mittels dieser Gelenkeinrichtung 80 wird eine mechanische Kippachse 28 (siehe Figur 2) des Spiegelelements 20 definiert. Vorzugsweise werden zwei mechanische Kippachsen 28 durch die Gelenkeinrichtung 80 definiert, die sich in einem zentralen Punkt, welcher auch als Kipppunkt des Spiegelelements 20 bezeichnet wird, schneiden. Dieser Kipppunkt liegt insbesondere auf der Flächennormalen 24 durch einen zentralen Punkt des Spiegelelements 20 in unverkipptem Zustand.
Figur 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des optischen Bauelements 100 gemäß Figur 1 entlang einer Schnittebene A zur Veranschaulichung weiterer Aspekte der Aktuator- und Sensoreinrichtung 40, 50.
Das optische Bauelement 100 ist vorliegend in Figur 2 in dem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem 90 angeordnet. Die x-Achse verläuft in der Figur 2 nach unten. Die y-Achse verläuft in der Figur 2 nach rechts. Die z-Achse verläuft in der Figur 2 senkrecht zur Zeichenebene auf den Betrachter zu. Dabei ist das Substrat 30 auf der x-y- Ebene 92 angeordnet. Die gemeinsame Ebene 70 liegt dabei parallel zu der x-y-Ebene 90.
Wie in Figur 2 dargestellt, umfasst die Aktuatoreinrichtung 40 beziehungsweise die Aktuator- Elektrodenstruktur 42 zwei aktive Aktuatorelektroden 421, die am Substrat 30 angeordnet sind. Die Sensoreinrichtung 50 beziehungsweise die Sensor- Elektrodenstruktur 52 umfasst dabei zwei aktive Sensorelektroden 521, die als Sensor-Statorelektroden ausgebildet und am Substrat 30 angeordnet sind. Dabei sind sämtliche Aktuator- sowie Sensor- Statorelektroden 421, 521 in der gemeinsamen Ebene 70 angeordnet.
Aus Figur 2 geht hervor, dass die Gelenkeinrichtung 80 eine Kippachse 28 des Spiegelelements 20 definiert, die parallel zur gemeinsamen Ebene 70 ausgerichtet ist und der x-Achse entspricht. Vorliegend in Figur 2 wird die gemeinsame Ebene 70 durch die Kippachse 28 in zwei Sektoren aufgeteilt, und zwar einen ersten Sektor 32 und einen zweiten Sektor 34. In jedem Sektor 32, 34 sind eine aktive Aktuatorelektrode 421 und eine aktive Sensorelektrode 521 angeordnet. Jeder aktiven Sensorelektrode 522 ist eine aktive Aktuatorelektrode 421 in demselben Sektor 32, 34 zugeordnet.
Durch die Kippachse 28 werden die aktiven Aktuator- und Sensorelektroden 421, 521 somit in zwei Elektrodenpaare aufgeteilt, die jeweils in einem Sektor 32, 34 angeordnet sind. Ein erstes Elektrodenpaar 202 umfasst dabei eine aktive Aktuatorelektrode 421a im ersten Sektor 32 und eine aktive Sensorelektrode 521a im ersten Sektor 32, während ein zweites Elektrodenpaar 204 eine aktive Aktuatorelektrode 421b im zweiten Sektor 34 und eine aktive Sensorelektrode 521b im zweiten Sektor 34 umfasst. Figur 2 ist ferner zu entnehmen, dass das erste und das zweite Elektrodenpaar 202, 204 symmetrisch zu der Kippachse 28 angeordnet sind. In dem jeweiligen Sektor 32, 34 sind die aktive Sensorelektrode
521 und die aktive Aktuatorelektrode 421 in dieser Reihenfolge von der Kippachse 28 beziehungsweise der Gelenkeinrichtung 80 nach außen angeordnet. Eine andere Reihenfolge der Anordnung der aktiven Aktuator- und Sensorelektroden 421, 521 ist auch möglich.
Die in Figur 2 nicht dargestellten, passiven Aktuator- und Sensorelektroden 422,
522 sind gleich aufgeteilt.
Während des Betreibens des optischen Bauelements 100 gemäß den Figuren 1 und 2 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können die beiden passiven Sensorelektroden 521 mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt werden.
Die aktive Aktuatorelektrode 421a im ersten Sektor 32 und die aktive Aktuatorelektrode 421b im zweiten Sektor 34 können differenziell angesteuert sein. Die aktive Sensorelektrode 521a im ersten Sektor 32 und die aktive Sensorelektrode 521b im zweiten Sektor 34 können differenziell verschaltet sein. Sie dienen der Bestimmung des Kippwinkels relativ zu der Kippachse 28.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Figuren 3.1 bis 3.5 erläutert. Dabei wird auf das erste Elektrodenpaar 202 im ersten Sektor 32 Bezug genommen. Zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist für das optische Bauelement 100 eine nicht dargestellte Steuerelektronik zum Ansteuern des optischen Bauelements 100 vorgesehen.
Es zeigen Figur 3.1 ein Diagramm von Kippsignalen 1 bis 5, Figur 3.2 einen zeitlichen Verlauf 10 des Zielkippwinkels 0s des Spiegelelements 20, Figur 3.3 einen zeitlichen Verlauf 12 einer ersten Spannung Ul, die an die aktive Aktuatorelektrode 421a im ersten Sektor 32 angelegt ist, Figur 3.4 einen zeitlichen Verlauf 14 einer zweiten Spannung U2, die an die passive Sensorelektrode 522a (vgl. Figur 1) im ersten Sektor 32 angelegt ist, und Figur 3.5 einen zeitlichen Verlauf 16 des erfassten Kippwinkels 0i des Spiegelelements 20. Zu einem ersten Zeitpunkt tl erhält die Steuerelektronik zum Ansteuern des optischen Bauelements 100 ein erstes Kippsignal 1, durch welches sie aufgefordert wird, das Spiegelelement 20 von einem aktuellen Kippwinkel 0a zu einem ersten Zielkippwinkel 0sl zu verkippen.
Bei dem aktuellen Kippwinkel 0a weist die erste Spannung Ul einen aktuellen Wert Ula auf, während die passive Sensorelektrode 522a im ersten Sektor 32 mit der zweiten Spannung U2 beaufschlagt wird. Bei dem aktuellen Kippwinkel 0a, wie aus Figur 3.4 hervorgeht, entspricht die zweite Spannung U2 einer Biasspannung Ub, die einen aktuellen Wert Uba aufweist. Der aktuelle Wert Uba der Biasspannung Ub kann beispielsweise gleich dem Erdpotential sein. Dabei ist die passive Sensorelektrode 522b (vgl. Figur 1) im zweiten Sektor 34 ebenfalls mit der Biasspannung Ub beaufschlagt. Die Biasspannung Ub kann einen Konstantwert, wie beispielsweise von 0 V, annehmen. Die Biasspannung Ub kann aber auch als eine variable Spannung ausgebildet sein.
Der erste Zielkippwinkel 0sl wird dabei mit einem Referenzwert 0r verglichen. Figur 3.2 ist zu entnehmen, dass der erste Zielkippwinkel 0sl kleiner als der Referenzwert 0r ist. Somit wird zum Erreichen des ersten Zielkippwinkels 0sl nur die erste Spannung Ul von dem aktuellen Wert Ula auf einen zum Erreichen des ersten Zielkippwinkels 0sl erforderlichen ersten Wert Ull eingestellt, welcher z. B. von der Steuerelektronik anhand der Sensordaten berechnet wird. Die zweite Spannung U2, die der Biasspannung Ub der passiven Sensorelektroden 522 in den beiden Sektoren 32, 34 entspricht, bleibt auf dem aktuellen Wert Uba unverändert. Innerhalb einer Spiegelbewegungsphase 18 wird der erste Zielkippwinkel 0sl erreicht. Der Kippwinkel 0 des Spiegelelements 20 bleibt nach der Spiegelbewegungsphase 18 konstant und wird so lange beibehalten, bis eine neue Spiegelposition beziehungsweise ein neuer Kippwinkel 0 angefahren werden muss.
Zu einem zweiten Zeitpunkt t2 erhält die Steuerelektronik ein zweites Kippsignal 2, durch welches sie aufgefordert wird, das Spiegelelement 20 zu einem zweiten Zielkippwinkel 0s2 zu verkippen. Dabei wird der zweite Zielkippwinkel 0s2 mit dem Referenzwert 0r verglichen. Aus Figur 3.2 geht hervor, dass der zweite Zielkippwinkel 0s2 größer als der Referenzwert 0r ist. Somit wird die passive Sensorelektrode 522a im ersten Sektor 32 mit einer Offsetspannung Uos zusätzlich zu der Biasspannung Ub beaufschlagt, während die passive Sensorelektrode 522b im zweiten Sektor 34 weiterhin mit der gleichen Biasspannung Ub beaufschlagt wird. Dabei stellt die zweite Spannung U2 eine aus der Biasspannung Ub und der Offsetspannung Uos resultierende Spannung dar. Vorliegend in Figur 3.4 nimmt die Offsetspannung Uos einen vorbestimmten Konstantwert an. Die Offsetspannung Uos kann aber auch in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem Zielkippwinkel 0s des Spiegelelements 20 und dem erfassten Kippwinkel 0i berechnet werden. Da durch das Beaufschlagen der zusätzlichen Offsetspannung Uos eine zusätzliche Kraft zum Verkippen des Spiegelelements 20 erzeugt wird, wird die erste Spannung Ul auf einen zweiten Wert U22 reduziert, wie in Figur 3.3 dargestellt.
Zu einem dritten Zeitpunkt t3 erhält die Steuerelektronik ein drittes Kippsignal 3, durch welches sie aufgefordert wird, das Spiegelelement 20 zu einem dritten Zielkippwinkel 0s3 zu verkippen. Dabei wird der dritte Zielkippwinkel 0s3 mit dem Referenzwert 0r verglichen. Aus Figur 3.2 geht hervor, dass der dritte Zielkippwinkel 0s3 größer als der Referenzwert 0r ist. Somit wird die passive Sensorelektrode 522a im ersten Sektor 32 weiterhin mit der Offsetspannung Uos zusätzlich zu der Biasspannung Ub beaufschlagt, während die passive Sensorelektrode 522b im zweiten Sektor 34 weiterhin mit der gleichen Biasspannung Ub beaufschlagt wird. Zum Erreichen des dritten Zielkippwinkels 0s3 wird ein dritter Wert U13 der ersten Spannung Ul berechnet und die erste Spannung Ul wird auf diesen dritten Wert U13 eingestellt.
Zu einem vierten Zeitpunkt t4 erhält die Steuerelektronik ein viertes Kippsignal 4, durch welches sie aufgefordert wird, das Spiegelelement 20 zu einem vierten Zielkippwinkel 0s4 zu verkippen. Dabei wird der vierte Zielkippwinkel 0s4 mit dem Referenzwert 0r verglichen. Aus Figur 3.2 geht hervor, dass der vierte Zielkippwinkel 0s4 kleiner als der Referenzwert 0r ist. Somit ist die Offsetspannung Uos, die zusätzlich zu der Biasspannung Ub an die passive Sensorelektrode 522a im ersten Sektor 32 angelegt wird, nicht mehr erforderlich. Die passive Sensorelektrode 522a im ersten Sektor 32 wird daher nur mit der Biasspannung Ub beaufschlagt. Mit anderen Worten, die passive Sensorelektrode 522a im ersten Sektor 32 und die passive Sensorelektrode 522b im zweiten Sektor 34 sind dabei mit der gleichen Biasspannung Ub beaufschlagt. Dabei wird ein vierter Wert U24 der ersten Spannung Ul berechnet. Zu einem fünften Zeitpunkt t5 erhält die Steuerelektronik ein fünftes Kippsignal 5, durch welches sie aufgefordert wird, das Spiegelelement 20 zu einem fünften Zielkippwinkel 0s5 zu verkippen. Dabei wird der fünfte Zielkippwinkel 0s5 mit dem Referenzwert 0r verglichen. Aus Figur 3.2 geht hervor, dass der fünfte Zielkippwinkel 0s5 kleiner als der Referenzwert 0r ist. Somit ist die Offsetspannung Uos, die zusätzlich zu der Biasspannung Ub an die passive Sensorelektrode 522a im ersten Sektor 32 angelegt wird, ebenfalls nicht erforderlich. Die passive Sensorelektrode 522a im ersten Sektor 32 wird daher weiterhin nur mit der Biasspannung Ub beaufschlagt. Die beiden passiven Sensorelektroden 522 sind weiterhin mit der gleichen Biasspannung Ub beaufschlagt. Dabei wird ein fünfter Wert U15 der ersten Spannung Ul berechnet.
Wie oben erörtert, wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines optischen Bauelements 100, dessen Verlagerungseinrichtung 200 zum Verkippen des Spiegelelements 20 um eine Kippachse 28, nämlich mit einem Kipp- Freiheitsgrad, eingerichtet ist, ausgeführt. Insbesondere wird die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels eines ersten Elektrodenpaars 202 im ersten Sektor 32 erörtert.
Durch die Gelenkeinrichtung 80 kann auch eine weitere Kippachse 28, die parallel zur gemeinsamen Ebene 70 ausgerichtet ist und der y-Achse entspricht. Die durch die Gelenkeinrichtung 80 definierten zwei Kippachsen 28 korrespondieren dann jeweils zu einem der Kipp- Freiheitsgrade. Die beiden Kippachsen 28 schneiden sich in einem zentralen Punkt, welcher auch als Kipppunkt des Spiegelelements 20 bezeichnet wird. In diesem Fall wird die gemeinsame Ebene 70 durch die beiden Kippachsen 28 in vier Sektoren 32, 34, der auch als Quadrant bezeichnet wird, aufgeteilt. In jedem Sektor beziehungsweise Quadranten können eine erste aktive Aktuatorelektrode 421, eine zweite aktive Aktuatorelektrode 441 und eine aktive Sensorelektrode 521 angeordnet sein. In diesem Fall können die erste sowie die zweite Aktuator- und die Sensor- Elektrodenstruktur 42, 44, 52 jeweils eine Radiärsymmetrie aufweisen. In diesem Fall ist die Verlagerungseinrichtung 200 des optischen Bauelements 100 entsprechend dazu eingerichtet sein, das Spiegelelement 20 um zwei Kippachsen 28 zu verkippen. Dabei können die aktiven Aktuatorelektroden 421 der bezüglich des Kipppunkts gegenüberliegenden Elektrodenpaare differenziell angesteuert werden. Die aktiven Sensorelektroden der bezüglich des Kipppunkts gegenüberliegenden Elektrodenpaare können dabei differenziel I verschaltet sein.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die
Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines optischen Bauelements (100) mit
- einem Spiegelelement (20),
- einem Substrat (30) zum Tragen des Spiegelelements (20),
- einer Aktuatoreinrichtung (40) zum Verkippen des Spiegelelements (20) um eine oder zwei Kippachsen (28) und
- einer Sensoreinrichtung (50) mit einer Sensor- Elektrodenstruktur (52) zum Erfassen eines Kippwinkels (0) des Spiegelelements (20) anhand von Kapazitätsänderungen umfassend:
- eine Mehrzahl von aktiven Sensorelektroden (521) und
- eine Mehrzahl von passiven Sensorelektroden (522) dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Sensorelektroden (522) während des Betreibens des optischen Bauelements (100) mit unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Sensorelektroden (522) mit einer gleichen Biasspannung (Ub) beaufschlagt werden und während des Betreibens des optischen Bauelements (100) mindestens eine der passiven Sensorelektroden mit einer Offsetspannung (Uos) zusätzlich zu der Biasspannung (Ub) beaufschlagt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Beaufschlagen der mindestens einen der passiven Sensorelektroden (522) mit der Offsetspannung (Uos) in Abhängigkeit von einem Vergleichsergebnis zwischen einem Zielkippwinkel (0s) des Spiegelelements (20) und einem Referenzwert (0r) bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenn der Zielkippwinkel (0s) des Spiegelelements (20) größer als der Referenzwert (0r) ist, die mindestens eine der passiven Sensorelektroden (522) mit der Offsetspannung (Uos) beaufschlagt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Offsetspannung (Uos) einen vorbestimmten Konstantwert annimmt oder in Abhängigkeit von einer Differenz zwischen dem Zielkippwinkel (0s) des Spiegelelements (20) und dem erfassten Kippwinkels (0i) des Spiegelelements (20) berechnet wird. Optisches Bauelement (100), umfassend
- ein Spiegelelement (20),
- ein Substrat (30) zum Tragen des Spiegelelements (20),
- eine Aktuatoreinrichtung (40) zum Verkippen des Spiegelelements (20) um eine oder zwei Kippachsen (28) und
- eine Sensoreinrichtung (50) zum Erfassen eines Kippwinkels (0) des Spiegelelements (20), dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauelement (100) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchzuführen. Spiegelarray, umfassend eine Mehrzahl optischer Bauelemente (100) nach Anspruch 6. Beleuchtungsoptik für eine Projektionsbelichtungsanlage zur Führung von Beleuchtungsstrahlung zu einem Objektfeld, umfassend mindestens ein Spiegelarray nach Anspruch 7. Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage, umfassend
- eine Beleuchtungsoptik nach Anspruch 8 und
- eine Strahlungsquelle. Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, umfassend
- eine Beleuchtungsoptik nach Anspruch 8 und
- eine Projektionsoptik zur Projizierung eines in einem Objektfeld angeordneten Retikels in ein Bildfeld.
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