DE102007039407A1

DE102007039407A1 - Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, Ansprengvorrichtung, und Verbundkörper

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Publication number: DE102007039407A1
Application number: DE102007039407A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Schuster
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2006-08-28
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2008-03-06

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, umfasst die folgenden Schritte: Bereitstellen eines ersten Körpers 1 und eines zweiten Körpers 2 mit jeweils einer für die Verbindung vorgesehenen Kontaktfläche 1', 2'; Behandeln der Kontaktflächen 1', 2' derart, dass die Kontaktflächen von einer monomolekularen der mehrlagigen Schicht von Wassermolekülen befreit werden; und Zusammenbringen der von Wassermolekülen befreiten Kontaktflächen 1', 2' zum Ansprengen des ersten Körpers 1 an den zweiten Körper 2 zur Herstellung eines Verbundkörpers aus dem ersten Körper 1 und dem zweiten Körper 2. Die Entfernung der Wasserschicht kann beispielsweise durch die Durchführung des Ansprengens in einem Vakuum bewerkstelligt werden. Durch die "trockene" Ansprengung können Verbundkörper mit fester Verbindung hergestellt werden. Eine Korrosion, beispielsweise eines Kalziumfluorid (CaF<SUB>2</SUB>)-Kristalls, der mit einer Quarzlinse für die Immersionslithographie verbunden wird, ist ausgeschlossen. Weitere Verfahren werden vorgestellt, bei denen eine zunächst nasse Ansprengung in eine trockene Ansprengung umgewandelt wird, beispielsweise durch Lösen der nassen Ansprengung der Kontaktflächen, und Entfernen der zwischen den Kontaktflächen 1', 2' bzw. an den voneinander gelösten Kontaktflächen 1', 2' angeordneten Wassermolekülen. Ein entsprechend hergestellter Verbundkörper aus einem ersten Körper 1 und einem zweiten Körper 2, wobei der erste Körper 1 und der zweite Körper 2 aneinander angesprengt ...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, eine Ansprengvorrichtung zur Durchführung einer Ansprengung, und einen Verbundkörper aus einem ersten Körper und einem zweiten Körper, wobei der erste Körper und der zweite Körper aneinander angesprengt sind.
STAND DER TECHNIK
In bekannten Lithographieoptiken, auch auf dem Gebiet der Immersionslithographie, werden in vielen Fällen Kristalle, beispielsweise Kalzium-Fluorid-(CaF₂-) Kristalle, eingesetzt. Als Immersionsflüssigkeit wird in herkömmlichen Immersionslithographie-Systemen hochreines Wasser zwischen den zu belichtenden Wafer und das Objektiv eingebracht.
Hochreines Wasser greift jedoch bekanntermaßen die Oberflächen optischer Komponenten, insbesondere Kristall- und Glasoberflächen, stark an. Kommen also die eingesetzten Kristalle in Kontakt mit dem hochreinen Wasser, so werden sie innerhalb kürzester Zeit derart geschädigt, dass die lithographische Einrichtung außer Betrieb genommen werden muss.
Aus diesem Grund wird häufig ein Schutzelement zum Schutz vor einem direkten Kontakt des Kristalls mit der Immersionsflüssigkeit zwischen den Kristall und das Wasser gebracht. Als Material für das Schutzelement kommt beispielsweise reines Quarzglas in Form einer Linse oder einer Platte in Frage, da Quarzglas zum einen eine im Vergleich zu anderen nicht doppelbrechenden Materialien relativ hohe Widerstandfähigkeit gegen die chemischen Einflüsse des Wassers aufweist, und zum anderen für die in der Lithographie häufig verwendeten Wellenlängern 193 nm und 248 nm transparent ist. Quarzglas besteht lediglich aus einer einzigen Verbindung, nämlich dem Glasgerüst, das eine hohe Beständigkeit aufweist. Bei anderen Gläsern werden dagegen die Glasbildner chemisch angegriffen, da das Glasgerüst aus SiO₂ besteht.
Zur Herstellung eines optischen Kontakts zwischen dem Schutzelement und dem optischen Element aus Kristall kann beispielsweise eine chemisch weniger aggressive Immersion verwendet werden. Alternativ dazu kann das Schutzelement mit dem Kristallelement fest verbunden werden.
Ein herkömmliches Verbindungsverfahren ist beispielsweise in der Druckschrift US 2003/0079823 A1 offenbart. Bei dem Verbindungsverfahren wird die Oberfläche des Kristalls mittels einer Hydroxidlösung aktiviert, so dass sich reaktive Endgruppen an den gegenüberliegenden Oberflächen ausbilden. Anschließend werden die beiden Oberflächen in Kontakt gebracht. Beim Verbinden der Oberflächen entstehen kovalente Bindungen zwischen den aktivierten Oberflächen.
Eine weitere Verbindungsmethode besteht im Ansprengen des Schutzelements an das optische Kristallelement. Unter einer Ansprengung wird ein spontanes Verbinden oder Anhaften zweier Körper verstanden. Die Verbindung durch Ansprengen kann zwischen zwei Körpern aus gleichem Material oder aus unterschiedlichen Materialien stattfinden. Beim Ansprengen werden zwei Oberflächen aneinander angenähert, um eine Verbindung herzustellen. Eine derartige Verbindung erfolgt mittels intermolekularer Wechselwirkungen, nämlich mittels von van-der-Waals-Kräften. Im Gegensatz dazu bilden sich bei der oben genannten Druckschrift US 2003/0079823 A1 kovalente Bindungen zwischen den Oberflächenmolekülen der zu verbindenden Körper aus. Kovalente Bindungen unterscheiden sich in ihrer Stärke um Größenordnungen von van-der-Waals-Wechselwirkungen.
Die größten Probleme bei Verbundkörpern, die durch Ansprengen zweier Körper aus unterschiedlichen Materialien hergestellt wurden, sind auf die voneinander abweichenden Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien zurückzuführen. Während beispielsweise der mittlere thermische Ausdehnungskoeffizient von Quarzglas 0,54·10^–6/°C beträgt, weist Kalzium-Fluorid einen mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 18,4·10⁶/°C auf. Die Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden sich demnach um einen Faktor 34.
Beispielsweise ergibt sich bei einer Verbindungsfläche mit einem Durchmesser von 100 mm zwischen diesen beiden Materialien eine Scherung von 1,8 μm/°C über die gesamte Länge bzw. 0,9 μm/°C radial von der Mitte der Verbindungsfläche bis zum Rand hin.
Da bei der Herstellung (z.B. bei einer Wärmebehandlung des Verbundkörpers) und beim Einsatz der Lithographieoptik hohe Temperaturdifferenzen auftreten können, führen die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zu hohen Scherkräften, die sich bis hin zur Ablösung der Ansprengung auswirken können. Ein wiederholtes Durchfahren einer Temperaturänderung verschlechtert die Ansprengung unter Umständen so sehr, dass in letzter Konsequenz die optische Kristallkomponente zerstört wird.
TECHNISCHE AUFGABE
Ausgehend davon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sichere und dauerhafte Verbindung zwischen zwei Bauelementen, insbesondere zwischen einem Bauelement aus einem Kalzium-Fluorid-(CaF₂-) Kristall, und einem Bauelement aus Quarzglas herzustellen. Insbesondere soll eine verbesserte Ansprengung vorgeschlagen werden, durch die in einem Verbundkörper trotz unterschiedlicher Temperaturkoeffizienten und hoher in der Übergangsschicht auftretender Scherkräfte die atomaren Verbindungskräfte für eine sichere und dauerhafte Verbindung ausreichen.
TECHNISCHE LÖSUNG
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 15, 21, durch die Bereitstellung einer Ansprengvorrichtung nach Anspruch 27, und durch einen Verbundkörper nach Anspruch 29.
Eines der erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines ersten Körpers und eines zweiten Körpers mit jeweils einer für die Verbindung vorgesehenen Kontaktflache;
b) Behandeln der Kontaktflächen derart, dass die Kontaktflächen von einer monomolekularen oder mehrlagigen Schicht von Wassermolekülen befreit werden; und
c) Zusammenbringen der von Wassermolekülen befreiten Kontaktflachen zum Ansprengen des ersten Körpers an den zweiten Körper zur Herstellung eines Verbundkörpers aus dem ersten Körper und dem zweiten Körper.

Bei herkömmlichen Ansprengverfahren sind die Oberflächen der zu verbindenden Komponenten, auch wenn die Ansprengung in trockenen Räumen durchgeführt wird, gleichwohl mit einer monomolekularen Schicht aus Wasser benetzt, da unter den üblichen Bedingungen jede trockene Oberfläche innerhalb kürzester Zeit benetzt wird. Nach der Ansprengung stehen die beiden Partner stellenweise in Kontakt. Zwischen den Kontaktstellen bilden sich jedoch Hohlräume aus, in denen sich das vorher als monomolekulare Schicht vorhandene, bei der Ansprengung verdrängte Wasser, sammelt. Dieses eingeschlossene Wasser führt zu chemischen Reaktionen mit dem Kristall, insbesondere zu einer Korrosion der Kristalloberfläche.
Erfindungsgemäß wird auf diese Weise eine Verbindung zwischen zwei Komponenten durch eine wasserfreie Ansprengung hergestellt. In diesem Zusammenhang kann man auch von einer „trockenen" Ansprengung sprechen. Dadurch wird eine dauerhafte Verbindung zwischen den Komponenten, auch unter Anwesenheit hoher Scherkräfte und dem Einfluss von UV-Laserstrahlung erreicht.
Da beim Ansprengen bekanntermaßen van-der-Waals-Kräfte zwischen den Oberflächen der zu verbindenden Körper wirken, sind die negativen Auswirkungen von Wassermolekülen, die zwischen den Schichten vorhanden sind, erheblich. Van-der-Waals-Kräfte sind in ihrer Stärke um Größenordnungen geringer als die Kräfte, die bei kovalenten Bindungen auftreten (wie beispielsweise in der US 2003/0079823 A1 beschrieben), so dass der Einfluss der störenden Wassermoleküle größer ist. Die Verbindungsqualität wird somit durch eine trockene Ansprengung wesentlich verbessert.
Ein auf diese Weise hergestellter Verbundkörper kann beispielsweise in der Immersionslithographie eingesetzt werden. Bin erster Körper, beispielsweise ein optischer Kristall kann mit einem zweiten Körper, beispielsweise einer Quarzlinse verbunden werden, um den Kristall vor einer chemischen Reaktion mit der Immersionsflüssigkeit (i.d.R. Wasser) zu schützen.
Nach der Entfernung der monomolekularen Wasserschicht von den Verbindungsoberflächen der Verbindungspartner werden die beiden aneinander anzusprengenden Partner vereinigt. Dies geschieht erfindungsgemäß unter Bedingungen, unter denen es zu keiner Neubildung einer Wasserschicht auf den Oberflächen kommt. Das Ansprengen wird also unter Abwesenheit von Wasser, selbst unter Vermeidung der Bildung einer monomolekularen Wasserdampfschicht auf den Kontaktflächen durchgeführt.
Die Entfernung der Wasserschicht vor dem Ansprengvorgang soll natürlich möglichst vollständig sein. Selbstverständlich ist es jedoch unvermeidbar, dass einzelne Wassermoleküle oder Bereiche mit Wassermolekülen auf der Oberfläche zurückbleiben. Eine Entfernung der Wasserschicht im erfindungsgemäßen Sinn bedeutet, dass sich keine Wasserschicht über einen erheblichen Bereich der zu verbindenden Flächen erstreckt, und nach der Verbindung keine größeren Wasserreservoirs, die sich bei einer herkömmlichen Ansprengung ausbilden, entstehen.
Insbesondere wird als erster Körper ein Kristall, insbesondere ein Kalziumfluorid (CaF₂)-Kristall), als optisches Element bereitgestellt.
Der erste Körper kann vorzugsweise einen Lutetium-Aluminiumgranat (LuAG, Lu₃Al₅O₁₂)-Kristall umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der erste Körper ein Material umfassend Spinell (MgAl₂O₄), insbesondere polykristallinen Spinell oder Spinell-Keramik.
Der erste Körper kann in einer anderen Ausführungsform Quarzglas umfassen.
Als zweiter Körper kann ein Schutzelement aus Quarz zum Schutz des ersten Körpers vor dem Kontakt mit einer Flüssigkeit, insbesondere mit Wasser, bereitgestellt werden. Quarz weist günstige optische Eigenschaft und hohe chemische Stabilität gegenüber Wasser auf und kann so den Kristall wirksam vor dem Kontakt mit Wasser schützen. Die als Kristall-Quarz-Verbundkörper gebildete optische Komponente kann beispielsweise in der Immersionslithographie eingesetzt werden. Der Quarzkörper kann z.B. als Linse oder Platte ausgebildet sein.
Das Zusammenbringen der Kontaktfläche des ersten Körpers mit der Kontaktfläche des zweiten Körpers wird bevorzugt in einem Vakuum durchgeführt. Dies ist eine erfindungsgemäße Möglichkeit, eine auf den Kontaktoberflächen ausgebildete monomolekulare Wasserschicht zu entfernen, die Neubildung einer monomolekularen Wasserschicht und so den Einschluss von Wasser zwischen den Kontaktflächen zu verhindern. Ein Vakuum im Bereich einiger mbar sorgt dafür, dass das Wasser sowohl von der Oberfläche des Kristallkörpers als auch von der Oberfläche des Quarzglaskörpers entfernt wird.
Vor der Durchführung des Schritts c) wird bevorzugt wenigstens eine der Kontaktflächen des ersten Körpers und des zweiten Körpers wenigstens über einen Teilbereich der Kontaktfläche mit einer Beschichtung versehen. Insbesondere wird vor dem Ansprengen eine Aufdampfschicht auf die Kristallfläche aufgebracht, mit der ein weiteres optisches Element, z.B. das Schutzelement, anschließend verbunden wird.
Dadurch wird der Effekt erreicht, dass zwischen den Kontaktflächen eingefangenes Restwasser gebunden wird. Keine aufgebrachte Schicht ist vollkommen kompakt, sondern weist Fehler auf, wie beispielsweise ca. 0,3–3 vol% Hohlräume. Diese Hohlräume neigen jedoch selbst stark dazu, eine monomolekulare Wasserschicht aufzubauen oder Gase aufzunehmen. So wird Restwasser durch die Porosität der Schicht in den Hohlräumen aufgenommen und die Kontaktfläche bei der Ansprengung trocken gehalten. In der Folge sind die das optische Element und den Schutzkörper verbindenden atomaren Kräfte dominant und halten die Komponenten bei Temperaturschwankungen in Kontakt.
Vorzugsweise wird die Beschichtung als Quarzschicht, insbesondere auf den ersten Körper, aufgebracht. Beide Kontaktflächen sollen beim Ansprengen möglichst trocken, d.h. möglichst auch von der monomolekularen Wasserschicht auf den Kontaktflächen befreit sein. Kleine Spuren Wasser die dennoch vorhanden sein können, werden durch die Porosität der aufgebrachten Schicht aufgenommen bzw. eingefangen.
Insbesondere weist die Beschichtung eine Dicke von 30 nm bis 50 nm auf.
Die Beschichtung kann durch Bedampfung in einem Vakuumrezipienten auf den Körper aufgebracht werden. Die Kontaktfläche kann z.B. eine praktisch kalte Beschichtung erhalten. Der Rezipient kann anschließend, z.B. mit N₂, geflutet werden.
Bevorzugt wird eine Abdichtung im Randbereich der Kontaktflächen zur Abdichtung gegen das Eindringen von Wassermolekülen am Rand der Kontaktflächen in den Verbindungsbereich zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper angeordnet. Die Porosität der aufgebrachten Schicht wirkt sich am Rand der Kontaktfläche dahin gehend negativ aus, dass sie durch die Tendenz, Wasser zu binden, eine Diffusion von Wasserdampf und ein Eindringen des Wasserdampfes in den Verbindungsbereich zwischen dem optischen Element und dem Schutzkörper fördert.
Die Abdichtung kann, um eine Scherung zwischen dem Schutzkörper und dem Kristall zu erlauben, elastisch ausgebildet sein. Für eine Bewegungsfreiheit der verbundenen Körper zueinander kann auch ein elastisches monolithisches Gelenk innerhalb des Verbundkörpers sorgen.
Der Verfahrensschritt c) kann erfindungsgemäß auch in einer Atmosphäre aus einem inerten Gas oder einem Gasgemisch durchgeführt werden, welches im Wesentlichen frei von Wassermolekülen ist. Selbstverständlich müssen die Kontaktflächen vorher von Wasser befreit worden sein und dürfen vor dem Einbringen in die Gasatmosphäre nicht mehr benetzen. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Helium-Sauerstoffgemisch mit einem Wasserdampfdruck von höchstens 5·10^–6 mbar, der durch den Einsatz des Trocknungsmittels auf einen Wert von beispielsweise 1·10^–6 mbar gebracht werden kann.
Während der Durchführung des Schritts c) kann wenigstens zeitweise UV-Strahlung und/oder ein ionisierter Gasstrom auf wenigstens einem Teilbereich der Kontaktflächen (1', 2') einwirken. Die Einstrahlung erfolgt zunächst senkrecht auf die Kontaktflächen, die anschließend zur Ansprengung einander zugewandt und in Kontakt gebracht werden.
Bevorzugt herrscht in der Atmosphäre aus dem inerten Gas oder Gasgemisch ein Wasser-Dampfdruck von weniger als 5 × 10^–6 mbar, insbesondere von weniger als 1 × 10^–6 mbar. Zur Erzeugung sehr niedriger Dampfdrücke kann ein Trocknungsmittel wie P₂O₅ eingesetzt werden.
Der Verfahrensschritt c) wird insbesondere in einem evakuierten Rezipienten unter wenigstens zeitweisem Beschuss wenigstens eines Bereichs der Kontaktflächen des ersten Körpers und/oder des zweiten Körpers mit Ionen durchgeführt.
Das Zusammenbringen der Kontaktfläche des ersten Körpers mit der Kontaktfläche des zweiten Körpers kann mittels einer mechanischen Dreheinrichtung bewerkstelligt werden.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines ersten Körpers und eines zweiten Körpers mit jeweils einer für die Verbindung vorgesehenen ersten bzw. zweiten Kontaktfläche;
b) Durchführung einer nassen Ansprengung zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche zur Bildung eines Verbundkörpers;
c) Einbringen des Verbundkörpers in ein Volumen einer Kammer, das mit einem inerten Gas oder Gasgemisch, das im Wesentlichen von Wassermolekülen frei ist, gefüllt ist;
d) teilweises Lösen der nassen Ansprengung in einem ersten Teilbereich der Kontaktflächen; und
e) Entfernen der im ersten Teilbereich zwischen den Kontaktflächen bzw. an den voneinander gelösten Kontaktflächen angeordneten Wassermoleküle.

Bevorzugt wird die Ansprengung in Schritt d) durch Betätigung einer Mikrometerschraube, die in einem Außenbereich an dem ersten Körper oder dem zweiten Körper angreift, gelöst.
In Schritt e) können die Wassermoleküle durch den Durchfluss eines Trockengases, insbesondere von Stickstoff, durch den Zwischenraum der voneinander gelösten Kontaktflächen im ersten Teilbereich entfernt werden.
Nach Durchführung des Schritts e) kann der Schritt

f) Wiederansprengung der getrockneten Kontaktflächen (1', 2') im ersten Teilbereich (1b, 2b) der Kontaktflächen

Nach dem Schritt f) können die Schritte

g) teilweises Lösen der Ansprengung über einen zweiten Teilbereich der Kontaktflächen; und
h) Entfernung der zwischen den Kontaktflächen im gelösten zweiten Teilbereich bzw. an den im zweiten Teilbereich voneinander gelösten Kontaktflächen angeordneten Wassermolekülen

Die Schritte g) und h) werden bevorzugt mehrmals wiederholt, um Wassermoleküle und eine Wasserschicht aus dem Zwischenbereich zwischen den Kontaktflächen vollständig zu entfernen. So wird die nasse Ansprengung schrittweise eine trockene Ansprengung umgewandelt.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen eines ersten Körpers und eines zweiten Körpers mit jeweils einer für die Verbindung vorgesehenen ersten bzw. zweiten Kontaktfläche;
b) Durchführung einer nassen Ansprengung zwischen der ersten Kontaktfläche und der zweiten Kontaktfläche zur Bildung eines Verbundkörpers;
c) Einbringen des Verbundkörpers in ein Volumen einer Kammer, das mit einem inerten Gas oder Gasgemisch, das im Wesentlichen von Wassermolekülen frei ist, gefüllt ist;
d) Vollständiges Lösen der Ansprengung über die gesamte Kontaktfläche zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper; und
e) Entfernen der zwischen den Kontaktflächen bzw. an den voneinander gelösten Kontaktflächen angeordneten Wassermolekülen.

Nach dem Schritt d) kann der Abstand zwischen den voneinander abgesprengten Kontaktflächen eingestellt werden.
Insbesondere wird ein Abstand zwischen 0,25 mm und 0,75 mm, insbesondere von ungefähr 0,5 mm, eingestellt. Dadurch wird verhindert, dass Staub und sonstige Verunreinigungen auf die Kontaktflächen gelangen.
Der Abstand wird beispielsweise mittels wenigstens eines Abstandshalters eingestellt.
In Schritt e) können die Wassermoleküle durch den Durchfluss eines trockenen Gases, insbesondere durch den Durchfluss von Stickstoff, durch den Zwischenraum der voneinander gelösten Kontaktflächen entfernt werden.
Nach dem Schritt e) kann der Schritt

f) Wiederansprengung des ersten Körpers an dem zweiten Körper durch Kontaktherstellung zwischen den getrockneten Kontaktflächen;

Eine erfindungsgemäße Ansprengvorrichtung zur Durchführung einer trockenen Ansprengung, insbesondere zur Durchführung einer trockenen Ansprengung, insbesondere nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfasst einen nach oben/unten abgeschlossenen Hohlraum mit einem Flutungsvolumen im oberen/unteren Bereich des Hohlraums, wenigstens einen im Flutungsvolumen angeordneten Ansprengbereich zum Ansprengen eines ersten Körpers an einen zweiten Körper, und wenigstens eine Zuleitung zum Zuleiten eines Flutungsgases zur Befüllung des Flutungsvolumens.
Die Ansprengvorrichtung weist in einer bevorzugten Ausführungsform einen UV-Bestrahler auf, der die während einer Ansprengung in Kontakt zu bringenden Kontaktflächen wenigstens zeitweise vor und während des Ansprengvorgangs bestrahlt. Insbesondere werden die Flächen zunächst senkrecht bestrahlt, dann zueinander gewandt und in Kontakt gebracht.
Ein erfindungsgemäßer Verbundkörper umfasst einen ersten Körper und einen zweiten Körper, wobei der erste Körper und der zweite Körper aneinander angesprengt sind. Der Bereich der Kontaktfläche zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper ist im Wesentlichen frei von Wassermolekülen.
Zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper ist insbesondere eine Schicht angeordnet, die Hohlräume zum Einfangen von im Kontaktbereich zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper angeordneten, den Kontaktbereich verunreinigenden Wassermolekülen aufweist.
Im Randbereich der Verbindungsfläche zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper kann eine Dichtung zur Abdichtung des Verbindungsbereichs vor dem Eindringen von Wassermolekülen in den Verbindungsbereich angeordnet sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele und den zugehörigen Zeichnungen. Die Figuren zeigen:
1a: zwei gemäß dem Stand der Technik aneinander anzusprengende Oberflächen;
1b: zwei gemäß dem Stand der Technik aneinander angesprengte Oberflächen;
2: einen Verbundkörper gemäß der vorliegenden Erfindung;
3: eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Arbeitsplatzes;
4: eine Ansicht des erfindungsgemäßen Arbeitsplatzes aus 3 von oben;
5a–5c: eine zeitliche Abfolge eines Ansprengvorgangs;
6: eine vertikale Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Arbeitsplatzes;
7: eine vertikale Schnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Arbeitsplatzes;
8: eine seitliche Schnittansicht eines ergonomischen erfindungsgemäßen Arbeitsplatzes;
9: eine Frontansicht des ergonomischen erfindungsgemäßen Arbeitsplatzes aus 8;
10a–10c: einen zeitlichen Ablaufeines erfindungsgemäßen Ansprengvorgangs;
11: einen Aufbewahrungsbehälter gemäß der vorliegenden Erfindung;
12a: eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
12b: eine Ansicht auf einen Verbundkörper während der Durchführung des anhand der 12a illustrierten Verfahrens; und
13: eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die 1a zeigt stark vergrößert einen Kalzium-Fluoridkristall 1 mit einer Oberfläche 1' und eine Quarzlinse 2 mit einer Oberfläche 2'. Die Oberflächen 1' und 2', die mikroskopische Unebenheiten aufweisen, sind für eine herkömmliche Ansprengung präpariert worden. Im getrennten Zustand ist jede der Oberflächen 1', 2' des Kalzium-Fluoridkristalls 1 bzw. der Quarzlinse 2 mit einer monomolekularen Schicht 3 aus Wasserdampf benetzt.
Durch Kontaktierung der für eine herkömmliche Ansprengung vorbereiteten Oberflächen 1', 2' können die Körper 1' und 2' miteinander verbunden werden, um einen Verbundkörper 1, 2 zu bilden, wie in der 1b dargestellt.
Die 1b verdeutlicht jedoch auch die Probleme bei herkömmlichen Ansprengverfahren zur Verbindung eines Kalzium-Fluoridkristalls 1 mit einer Quarzlinse 2. Nach dem Zusammenfügen stehen die Verbindungspartner 1 und 2, bedingt durch die mikroskopischen Unebenheiten der Oberflächen, nicht durchgehend, sondern lediglich an bestimmten Kontaktbereichen miteinander in Kontakt. Zwischen den Kontaktbereichen entstehen Wassereinschlüsse 4, 4', 4'' durch Verdrängung des Wasserdampfs der monomolekularen Schichten 3. Die Wassereinschlüsse 4, 4', 4'' können zu einer Korrosion des Kristalls 1 führen. Beim Einsetzen starker Scherkräfte, beispielsweise ausgelöst durch Temperaturschwankungen, kann sich die Verbindung zwischen den Partnern 1 und 2 lösen.
Wegen des Vorhandenseins der monomolekularen Wasserschicht 3 auf den Oberflächen 1' und 2' der Verbindungspartner, die zu den Wassereinschlüssen 4, 4', 4'' führt, wird die herkömmliche Ansprengung im Folgenden auch als „nasse" Ansprengung bezeichnet. Da die Wassermoleküle die bei der Ansprengung zwischen den Oberflächen auftretenden, relativ schwachen van-der-Waals-Kräfte erheblich stört, ist eine zufrieden stellende Verbindung in der Regel nicht zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird daher die monomolekulare Wasserdampfschicht 3 von den Verbindungsoberflächen 1' und 2' der Verbindungspartner 1 bzw. 2 vor dem Ansprengvorgang entfernt. Dies kann auf unterschiedliche Weise bewerkstelligt werden.
Eine erste Möglichkeit besteht in der Erzeugung eines Vakuums vor und während des Ansprengprozesses, das dafür sorgt, dass die Oberflächen 1' und 2' von Wasserdampf weitgehend befreit werden und frei bleiben.
Auf diese Weise werden Wassereinschlüsse 4, 4', 4'' und deren negative Auswirkungen auf die Verbindung der Partner 1 und 2 vermieden. Die Verbindung ist auch beim Auftreten von Scherkräften oder beim Einfluss von UV-Laserstrahlung sicher und dauerhaft.
Im Folgenden wird eine Ansprengung, bei der die Wasserdampfschicht 3 vor der Ansprengung wenigstens zu einem Großteil von den Oberflächen entfernt wurde als „trockene" Ansprengung bezeichnet.
Eine erfindungsgemäße „trockene" Ansprengung lässt sich jedoch auch ohne die Erzeugung eines Vakuums realisieren. Zunächst wird eine Quarzplatte, die später an einen Kristall zum Schutz des Kristalls vor Wasser angesprengt werden soll, gereinigt. Dazu werden beispielsweise wasserfreies Aceton, Alkohol, Äther oder andere geeignete, absolut wasserfreie Reinigungsmittel verwendet. Anschließend wird die Platte in einer wasserdampffreien Umgebung, z.B. in einer absolut trockenen Luftatmosphäre, z.B. in einer Atmosphäre von synthetischer Luft, in einer Stickstoffatmosphäre, Heliumatmosphäre oder einer Mischung der entsprechenden Gase auf Temperaturen von ungefähr 150–200°C erhitzt. Bei diesen Temperaturen wird die monomolekulare Schicht aus Wasser von der Oberfläche der Quarzplatte entfernt, ohne dass sich die inneren Eigenschaften der Quarzstruktur ändern.
Anschließend wird die Quarzplatte in ihrer wasserdampffreien Umgebung auf Zimmertemperatur, beispielsweise auf ungefähr 22°C, abgekühlt. Die abgekühlte Platte wird in einer gasdichten und wasserfreien Box oder in einem wasserdampffreien Raum aufbewahrt, so dass es zu keiner Neubildung einer monomolekularen Wasserdampfschicht auf der Oberfläche kommt.
Anschließend muss die Oberfläche des Kalzium-Fluoridelements, das für den Einsatz in der Immersionslithographie vorgesehen ist, vorgenommen werden Allerdings reagieren Kalzium-Fluoridkristalle wesentlich empfindlicher auf hohe Temperaturen und Temperaturwechsel als Quarzkristalle. Aus diesem Grund wird das optische Element in einer Bedampfungsanlage mittels Innenbeschuss gereinigt.
Danach wird das optische Kalzium-Fluoridelement erfindungsgemäß mit einer Haftschicht, beispielsweise mit einer 30 bis 50 nm dicken Quarzschicht, praktisch kalt bedampft. Nach der Abkühlung des beschichteten optischen Elements wird die Bedampfungsanlage mit einem trockenen Gas oder Gasgemisch, beispielsweise mit Stickstoff, geflutet. Das optische Element wird anschließend in eine wasserdampffreie Umgebung, wie etwa eine Trockenbox, gebracht. Im besten Fall wird die Bedampfungsanlage in einer wasserdampffreien Umgebung, d.h. in einem Raum mit absolut trockener Luft, betrieben, so dass das optische Element beim Öffnen der Bedampfungsanlage nach Möglichkeit nicht mit Wasserdampf benetzt wird.
Anschließend werden die Quarzplatte und die beschichtete Oberfläche des Kalzium-Fluoridelements mit ihren trockenen Oberflächen durch eine „trockene" Ansprengung miteinander verbunden. In den Hohlräumen zwischen der auf das optische Element gebrachten Quarzschicht, im optischen Element selbst und im Verbindungsbereich zwischen der Quarzplatte und dem optischen Element entstehen somit (bis auf unvermeidbare Verunreinigungen) keine Wassereinschlüsse, die die Verbindung, insbesondere beim Auftreten von Scherkräften und UV-Lasereinstrahlung, negativ beeinflussen.
Die Porosität der Quarzschicht sorgt dafür, dass noch im Verbindungsbereich als Verunreinigungen vorhandene Wasserreste in den Hohlräumen der Quarzschicht gesammelt werden, da die Tendenz besteht, dass eingeschlossenes Wasser in den Hohlräumen der Quarzschicht eine monomolekulare Wasserschicht ausbildet.
Statt eines optischen Elements aus Kalzium-Fluorid und/oder einem Schutzelement aus Quarz können auch andere Materialien eingesetzt werden. Wenn beispielsweise das Potential von Immersionsflüssigkeiten mit hohen Brechungsindizes voll verwertet werden soll, sind Linsen mit hohem Brechungsindex hilfreich. Eines der verwendeten Materialien mit sehr hohem Brechungsindex ist LuAG.
Ein Ausführungsbeispiel für die trockene Ansprengung mit wenigstens einem Körper aus LuAG bezieht sich auf die Fertigung von Projektionsobjektiven für die Mikrolithographie. Es wird eine erste Linse bereitgestellt, die auf der Bildseite das vorletzte gekrümmte optische Element darstellt und auf der Bildseite eine beispielsweise konkave Oberfläche aufweist. Die erste Linse umfasst einen ersten intrinsisch doppelbrechenden Kristall mit einer ersten Orientierung der Kristallachsen. Eine zweite Linse, die das letzte gekrümmte optische Element auf der Bildseite darstellt, weist eine entsprechend zur Objektseite hin konvexe Oberfläche auf und umfasst einen zweiten intrinsisch doppelbrechenden Kristall. Die Kristallachsen der Linsen sind so ausgerichtet, dass eine intrinsische Doppelbrechung durch den ersten Kristall zusammen mit einer intrinsischen Doppelbrechung durch den zweiten Kristall insgesamt zu einer wenigstens annähernd achsensymmetrischen Verteilung der gesamten Doppelbrechung führt.
Die Berührungsflächen der hintereinander angeordneten Kristalle sind nicht planar, sondern gekrümmt, so dass Lichtstrahlen, die durch diese Grenzfläche wandern, eine Totalreflexion erfahren, sogar dann, wenn sie aus der ersten Linse in sehr großen Winkeln hinsichtlich der optischen Achse des Projektionsobjektivs austreten.
Die Linsen werden an ihren Kontaktflächen mit der erfindungsgemäßen trocknen Ansprengung verbunden.
Außerdem kann in dem System zwischen der Immersionsflüssigkeit und dem System aus den beiden Linsen, von denen wenigstens eine aus LuAG besteht, eine Abdeckplatte vorgesehen sein. Diese Abdeckplatte kann an einer der LuAG-Linsen ebenfalls mittels einer trocknen Ansprengung befestigt werden. Insbesondere kann die Schutzplatte selbst aus LuAG bestehen.
Ein weiterer Anwendungsfall für das sich das erfindungsgemäße Verbindungsverfahren eignet, ist die Herstellung transmittierender optischer Elemente, die aus zwei Unterelementen zusammengesetzt sind. Diese Unterelemente sind durch eine optische Kontaktverbindung zwischen ihren Kontaktoberflächen miteinander verbunden, wobei die optische Verbindung einen möglichst nahtlosen Übergang bilden soll. Das erste Unterelement kann beispielsweise eine Planar-Konvexlinse, das zweite Unterelement ein planares Element sein, wobei die Kontaktflächen planar sind. Die Verbindungsfläche kann jedoch auch eine sphärische Fläche sein. Auch diese Flächen müssen vor einer trocknen Ansprengung gereinigt und von Wassermolekülen befreit werden.
Wenigstens eins der verbundenen Teilelemente kann als Spinell vorliegen, insbesondere als polykristalliner Spinell MgAl₂O₄ bzw. Spinell-Keramik. Polykristalliner Magnesiumspinell weist unterschiedlich orientierte Körner oder Kristallite mit unterschiedlichen Kristallorientierungen auf. Bei der Verwendung dieses Materials kann ein Linsenformling direkt in einer sphärischen Form hergestellt werden, beispielsweise durch Sintern und anschließendes heiß-isostatisches Pressen. Der Wert der intrinsischen Doppelbrechung ist in allen Raumrichtungen im Wesentlichen 0. Auf diese Weise wird die intrinsische Doppelbrechung unterdrückt. Folglich kann auf Anordnungen zur Kompensation einer intrinsischen Doppelbrechung verzichtet werden.
Ein Nachteil der angegebenen Methode besteht darin, dass auch am Rand des Verbindungsbereichs zwischen der Linse und dem Quarzglaselement durch die Porosität der aufgedampften Quarzschicht Wasser angezogen wird und sich dieses in den Hohlräumen sammelt. Durch Diffusion dringt im Verlauf der Zeit Wasserdampf in die Verbindungsschicht zwischen der Linse und dem Quarzglaselement ein.
Aus diesem Grund wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung, die in der 2 dargestellt ist, am Rand des Verbindungsbereichs 7 zwischen einer Kristalllinse 5 und einer Quarzplatte 6 eine beispielsweise ringförmige Abdichtung 8 vorgesehen. Ein ringförmiger Hohlraum 9 kann mit einem trockenen Gas gerillt sein.
Um Scherkräfte bei einer Temperaturschwankung aufnehmen zu können, muss auch die Abdichtung entweder elastisch oder als monolithisches Gelenk in den Bauteilen selbst ausgebildet sein.
Da bei dem genannten erfindungsgemäßen Verfahren die Ansprengung in einer trockenen Atmosphäre stattfindet, die in üblichen Fertigungsräumen praktisch nicht erreicht wird, werden für die Durchführung der „trockenen" Ansprengung anhand der 3, 4, 6, 7, 8 und 9 Vorrichtungen vorgeschlagen, die als Arbeitsplatz für eine „trockene" Ansprengung dienen können.
Die 3 illustriert einen Arbeitsplatz 10 mit zwei in einer Box 12 vorgesehenen Durchgriffen 11 für die Hände und Arme eines Benutzers. An ihrer Oberfläche weist die Box 12 eine für UV-Strahlung undurchlässige Glasschicht 13 zur Beobachtung des Ansprengvorgangs auf. Im unteren Bereich der Box 12 ist eine Durchreiche 14 zum Einbringen der aneinander anzusprengenden optischen Elemente vorgesehen.
Seitlich in den Innenraum der Box 12 erstreckt sich eine Anschlussleitung 15 zur Zufuhr eines Trockengases in den Innenraum der Box 12. Nach einer Spülung mit einem Gas bzw. Gasgemisch wird die Box 12 komplett mit einem absolut wasserdampffreien Gas, beispielsweise Helium, Sauerstoff, usw. oder einem Gemisch befüllt. Da das Füllgas im vorliegenden Fall leichter als Luft ist, verbleibt das Gas von sich aus innerhalb der Box 12, da durch die Durchreiche 14 möglicherweise eindringende Luft nicht in bzw. über das leichtere Gasgemisch aufsteigen kann.
In der 4 ist der Arbeitsplatz 10 schematisch von oben skizziert. Links und rechts sind jeweils Liegeplätze 16a und 16b angeordnet, auf denen jeweils eines der zu verbindenden Elemente abgelegt wird. In der Nähe der Liegeplätze 16a und 16b ist ein Trocknungsmittel 17 angeordnet. Zur Mitte in Richtung zum Ansprengplatz 19 hin ist jeweils ein wasserfreies oder hygroskopisches Reinigungsbad 18a bzw. 18b (beispielsweise Acetonbad) vorgesehen.
Im zentralen Bereich des Arbeitsplatzes 10 ist der Ansprengplatz 19 angeordnet. Auf diesem liegen, wie in der 4 angedeutet, die beiden aneinander anzusprengenden Elemente 1 und 2. Während des Ansprengens werden die zu verbindenden Oberflächen der Partner 1 und 2 aneinander angenähert und unter Bestrahlung mit durch einen UV-Brenner 20 erzeugter UV-Strahlung in Kontakt gebracht. Auf diese Weise kann eine „trockene" Ansprengung realisiert werden, so dass eine sichere und dauerhafte Verbindung zwischen den Elementen 1 und 2 ohne erhebliche Wassereinschlüsse entsteht.
Es sei jedoch angemerkt, dass die oben und unten beschriebenen Arbeitsplätze auch anderweitig, insbesondere für jede andere Art von „nasser" Ansprengung, eingesetzt werden können.
Der Ansprengvorgang ist detailliert in den 5a bis 5c skizziert.
Sobald die Elemente 1 und 2 von ihrem Reinigungsbad aus an dem UV-Bestrahlungsplatz bzw. Ansprengplatz 19 ankommen, werden sie durch den UV-Brenner 20 mit UV-Strahlung zunächst senkrecht bestrahlt (vgl. 5a).
Anschließend werden die Teile 1 und 2 unter laufender UV-Strahlung einander zugewandt, wobei sich die zu verbindenden Flächen 1' bzw. 2' aneinander annähern.
Ein Ansprengpapier kann eingelegt, wieder ausgezogen und die Ansprengung durchgeführt werden.
In der 5c ist der Verbundkörper aus den Elementen 1 und 2 nach der Ansprengung gezeigt. Der Verbundkörper kann nun aus der Flowbox 12 entfernt werden.
Statt einer starken UV-Bestrahlung kann im Übrigen auch ein ionisierter Gasstrom über die Oberflächen der Elemente 1 und 2 geleitet werden, wobei selbstverständlich der ionisierte Gasstrom ebenfalls absolut wasserfrei sein muss.
Das Bedienungspersonal muss bei der Durchführung einer „trockenen" Ansprengung von optischen Bauelementen mit später zu erwartenden temperaturbedingten Schereffekten in jedem Augenblick besondere Sorgfalt walten lassen, um die Abwesenheit von Feuchtigkeit während der Ansprengung zu gewährleisten. Neben einer möglichst geringen Anzahl von Wassermolekülen soll selbstverständlich auch die Anwesenheit anderer Verunreinigungen, beispielsweise das Vorhandensein von Staubpartikeln, minimiert werden.
In der 6 ist der Arbeitsplatz 10 in einer vertikalen Schnittansicht gezeigt. Die bereits vorher beschriebenen Komponenten des Arbeitsplatzes 10 sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
Insbesondere wird aus der 6 deutlich, dass ein durch die Grenzlinie 21 angedeuteter oberer Bereich des Innenraums der Box 12 mit einem absolut trockenen Helium-Sauerstoffgemisch gefüllt ist, während in einem unterhalb der Grenzfläche 21 liegenden Bereich Raumluft vorhanden ist. Die Durchreiche 14 erstreckt sich in den Bereich des Innenraums der Box 12 unterhalb der Grenzfläche 21.
Um das Helium-Sauerstoffgemisch während des Arbeitsbetriebs absolut trocken zu halten, wird ein Trocknungsmittel 17, beispielsweise P₂O₅, eingesetzt. Der Wasserdampfdruck, der bei 22°C nicht höher als 5·10^–6 mbar sein sollte, kann durch den Einsatz des Trocknungsmittels auf einen Wert von beispielsweise 1·10^–6 mbar oder weniger gebracht werden, da P₂O₅ auch geringste Spuren von Wasserdampf entfernen kann.
Eine alternative Ausführungsform in einer Schnittansicht ist in der 7 skizziert. Bereits beschriebene Komponenten des Arbeitsplatzes 10 sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Der Unterschied zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen liegt im Wesentlichen darin, dass statt eines Schutzgases, das leichter als Luft ist (beispielsweise ein Helium-Sauerstoffgemisch), ein Schutzgas verwendet wird, das schwerer als Luft ist und den unteren Bereich des Innenraums der Box 12 unterhalb der Grenzfläche 21 füllt. In dem mit dem Schutzgas befüllten unteren Bereich befinden sich die bereits beschriebenen Komponenten des Arbeitsplatzes 10, nämlich die Liegeplätze 16a und 16b, die Reinigungsbäder 18a und 18b, der Ansprengplatz 19, die UV-Quelle 20 und evtl. Trocknungsmittel zum Trockenhalten des Schutzgases.
Das Schutzgas wird über eine Öffnung 22, die sich in den unteren Bereich der Box 12 unterhalb der Grenzfläche 21 erstreckt, eingeleitet, bevor der Ansprengvorgang initiiert wird.
Die Ausführungsform bietet die Möglichkeit, die zu verbindenden optischen Elemente über eine oberhalb der Grenzfläche 21 befindliche Durchreiche in den Innenraum der Box 12 einzubringen und von oben her auf den Liegeplätzen 16a bzw. 16b abzulegen. Die Verfahrensschritte des Ansprengvorgangs können im Wesentlichen in Bodennähe der Box 12 von oben her durchgeführt werden.
Die 8 zeigt einen weiteren, ergonomisch gestalteten, erfindungsgemäßen Arbeitsplatz 10, an dem sitzend der Ansprengvorgang vorgenommen werden kann. Die Box 12 ist über ein mit einer UV-Sperre versehenes, schräg angeordnetes Beobachtungsfenster 23 einsehbar. Auf diese Weise können die durchgeführten Verfahrensschritte vom Benutzer verfolgt werden. Nach oben hin ist die Box durch ein UV-durchlässiges SiO₂-Fenster 24 abgeschlossen. Ein UV-Brenner 20 ist in einem Raum oberhalb des SiO₂-Fensters angeordnet.
In der 9 ist der Arbeitsplatz 10 der 8 von vorne dargestellt. Frontal nach vorne ist die Box 12 durch das Beobachtungsfenster 23 abgeschlossen, nach oben hin durch das UV-Fenster 24. In den Seitenbereichen der Box 12 sind, schräg nach vorne ausgerichtet, Durchgriffsöffnungen für die Hände und Arme einer Bedienperson vorgesehen. Der Durchgriff der Hände wird mit Gummihandschuhen vorgenommen, welche am Rand der Öffnungen 11 befestigt sein können, so dass zwischen der Außenseite der Gummihandschuhe und dem Rand der Öffnungen 11 keine Feuchtigkeit in den Innenraum der Box 12 eindringen kann.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur „trockenen" Ansprengung wird anhand der 10a–10c beschrieben. Bei dem Verfahren werden die aneinander anzusprengenden Teile 1 und 2 zunächst entsprechend vorbehandelt, bevor sie in eine Vakuum-Ionenstrahlkammer 25 eingebracht werden. Die Vorbehandlung umfasst dabei folgende Schritte:

1. Mechanisches Abreiben der Oberflächen, insbesondere der am Kristallelement vorgesehenen Verbindungsfläche. Diese Verbindungsfläche kann entsprechend einem der oben beschriebenen Verfahren eine bedampfte Fläche sein. Die Fläche ist gründlich zu reinigen, da auch Defekte der Aufdampfung entfernt werden müssen. Das mechanische Abreiben erfolgt beispielsweise durch Reiben der Oberfläche mit einem Mikrofasertuch.
2. Wasserfreies Reinigen von Hand oder in einem Ultraschallbad.
3. Als optionaler Schritt eine wasserentziehende Behandlung in schwacher H₃PO₄-Säure, beispielsweise in 5%iger H₃PO₄-Säure.

Die vorbehandelten, aneinander anzusprengen Teile 1 und 2 mit ihren weitgehend wasserfreien Verbindungsoberflächen 1' und 2' werden anschließend in einen Vakuumrezipienten 25 eingebracht, in dem eine Innenquelle 26 angeordnet ist. Im Vakuum werden die Oberflächen 1' und 2' gereinigt, beispielsweise durch den Beschuss mit Argon-Ionen über eine Zeitspanne zwischen 2 und 5 Minuten (vgl. 10a).
Anschließend werden die aneinander anzusprengenden Teile 1 und 2 unter laufendem Innenbeschuss mechanisch aufeinander zu bewegt, wie dies in der 10b durch Pfeile angedeutet ist. Die Bewegung kann durch eine mechanische Dreheinrichtung bewerkstelligt werden.
Den durch den Ansprengvorgang entstandenen Verbundkörper aus den Teilen 1 und 2 zeigt die 10c.
Nach der Ansprengung sollte eine Versiegelung durchgeführt werden. Der Zeitraum zwischen Ansprengung und Versiegelung sollte möglicht kurz sein, um eine Diffusion von Feuchtigkeit über den Rand der Kontaktfläche zwischen den Teilen 1 und 2 in den Verbindungsbereich weitgehend zu verhindern.
Zu diesem Zweck sollten spezielle Aufbewahrungsmethoden und/oder spezielle Aufbewahrungseinrichtungen eingesetzt werden. Wirkungsvoll ist in jedem Fall eine Aufbewahrung in einer möglichst trockenen, d.h. von Wassermolekülen weitgehend freien Gasatmosphäre. Als wirkungsvoll erweist sich auch eine Aufbewahrung in einer Aufbewahrungsvorrichtung (Trockenbehälter) 27, wie in der 11 illustriert.
In dem Aufbewahrungsbehälter wird das Verbundbauteil aus einer Kalzium-Fluorid (CaF₂)-Linse 1 und einer Quarzglasplatte 2 auf einer Halterung 28 aufliegend direkt über einem Trocknungsmittel, beispielsweise einer Schicht aus P₂O₅, aufbewahrt.
Alternativ dazu ist es auch möglich, den Verbundkörper in einer Flüssigkeit aufzubewahren, deren Zähigkeit so groß ist, dass die Flüssigkeit nicht in den Verbindungsbereich zwischen dem optischen Element und dem Schutzelement kriecht. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Flüssigkeit, die stark wasseranziehend ist. In diesem Fall kann eine Ansprengung möglicherweise sogar vom Rand her teilweise geheilt werden, indem im Kontaktbereich zwischen dem optischen Element und dem daran angesprengten Schutzelement eingelagertes Wasser entzogen wird.
Im Folgenden wird ein weiteres Verfahren zur Ansprengung eines optischen Elements an ein Schutzelement beschrieben, für das unabhängig Schutz begehrt wird. Die Ansprengung erfolgt bei diesem. Verfahren im Wesentlichen in zwei Schritten.
Zunächst wird eine „nasse" Ansprengung eines Schutzelements an ein optisches Element, beispielsweise eine Kristalllinse, durchgeführt. Diese Ansprengung erfolgt in herkömmlicher Weise in einem staubfreien Raum und/oder in einer Flowbox.
Vor der Durchführung der „nassen" Ansprengung werden die Ansprengpartner sorgfältig gereinigt, um sie für die „nasse" Ansprengung vorzubereiten. Dabei werden die Elemente mit frisch gereinigten Baumwolltüchern und/oder Mikrofasertüchern abgerieben. Gleichzeitig wird durch die Reinigung eine hohe Transmission des optischen Elements für Lichtstrahlung, insbesondere für die in Lithographieverfahren häufig verwendeten Laserwellenlängen 193 nm und 157 nm, erreicht.
Nach dem Abreiben beider Partner werden diese von Reststaub bereit, beispielsweise mittels eines Gasstroms, oder mechanisch mit Hilfe eines Pinsels. Die Ansprengung erfolgt durch das Abziehen eines stets nur einmal zu verwendenden Abziehvlieses. Für extreme Anforderungen wird kann das Abziehvlies vorher in Analysenaceton gereinigt werden.
Die „nasse" Ansprengung erfolgt in herkömmlicher Art durch Andrücken beider Partner aneinander. Es versteht sich von selbst, dass unter diesen Bedingungen nach der Ansprengung Wassermoleküle zwischen den Ansprengpartnern eingeschlossen sind. Die Ursache dafür ist eine monomolekulare Wasserschicht, die auf den Oberflächen der Reaktionspartner vor der Ansprengung ausgebildet ist. Wie im Zusammenhang mit den 1a und 1b beschrieben, werden die Wassermoleküle beim Ansprengvorgang zwischen den Kontaktflächen eingeschlossen.
Anschließend werden die Teile in einer Transportkiste mit einem einfachen Trockenmittel zum Schutz der fertig polierten offenen (evtl. schon belegten) Kristalllinse aufbewahrt.
In einem zweiten Verfahrensabschnitt erfolgt die Überführung der „nassen" Ansprengung in eine „trockene" Ansprengung. Dieser Verfahrensabschnitt wird in einer möglichst wasserdampffreien Atmosphäre durchgeführt. Beispielsweise kann der Verfahrensabschnitt in einer der bereits vorher beschriebenen Bearbeitungsstationen durchgeführt werden. Der Vorgang kann jedoch auch in einer bereits bekannten herkömmlichen Manipulationskammer, welche mit trockenem Gas, beispielsweise mit Stickstoff, geflutet und befüllt ist, durchgeführt werden. Neben einem Durchbruch für die Hände mit luftdichten Gummihandschuhen zur weist eine derartige bekannte Manipulationskammer einen an ihrer Oberseite befindlichen Glaseinblick auf.
Nach dem Einbringen des Verbundkörpers mit der noch „nassen" Ansprengung in die trockene Kammer wird die vorhandene Ansprengung stellenweise wieder gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrensschritts ist in der 12a illustriert. Mittels Zustellung einer Mikrometerschraube 30a, die eine Kunststoffkappe 31 aufweist, wird eine lokale Teilabsprengung 1b, 2b des Schutzglases 2 von einer Kristalllinse 1 erzeugt. In der 12a ist der noch „nass" angesprengte Bereich links mit den Bezugszeichen 1a, 2a, der abgelöster Bereich rechts mit den Bezugszeichen 1b, 2b bezeichnet.
Der nass angesprengte Bereich 2a und der gelöste Bereich 2b sind in der 12b in einer Draufsicht auf die Platte 2 dargestellt, wobei im Übergangbereich vom gelösten Bereich 2b zum angesprengten Bereich 2a ein Bereich 2c mit Interferenzstreifen erkennbar ist. Im vorliegenden Fall wird mehr als die Hälfte der Kontaktfläche wieder abgesprengt.
Anschließend wird die monomolekularen Wasserschicht im Spalt zwischen der Linse 1 und der Schutzplatte 2, beispielsweise durch Austrocknung mit Stickstoff, optional unter UV-Bestrahlung, entfernt. Der Zwischenraum zwischen den Komponentenoberflächen 1b, 2b wird getrocknet.
Nach Abschluss des Trocknungsprozesses wird die Mikrometerschraube 30a zurückgedreht. Der getrocknete Spalt im Bereich 1b, 2b wird dadurch wieder geschlossen. Durch die Herstellung eines Kontakts des Bereichs 2b des Schutzelements 2 mit der Kontaktfläche 1b der Linse 1 werden die Kontaktflächen wieder aneinander angesprengt, diesmal allerdings „trocken", d.h. ohne Einschluss von Wassermolekülen (abgesehen von zurückbleibenden Verunreinigungen).
Eine zweite Mirkometerschraube 30b wird dann zugezogen, um den bisher noch „nass" angesprengten Bereich 2a der Schutzplatte 2 von der Linse 1 zu lösen. Der „nasse" Bereich wird anschließend ebenfall getrocknet.
Durch die lokale und abwechselnde Loslösung einer Ansprengung und anschließendes Trocknen des durch die Absprengung gebildeten Spalts ist es möglich, mittels einfacher Manipulation die „nasse" Ansprengung von ihrer einmolekularen Wasserschicht zu befreien und auf diese Weise die „nasse" Ansprengung Schritt für Schritt ganzflächig in eine „trockene" Ansprengung umzuwandeln, ohne dass zu einem Zeitpunkt die Quarzplatte 2 vollständig von der Linse 1 abgesprengt wäre.
Eine alternative Möglichkeit, eine „nasse" Ansprengung einer Schutzplatte 2 an eine Kristalllinse 1 in eine „trockene" Ansprengung umzuwandeln wird anhand der 13 verdeutlicht. Demnach wird die Schutzplatte 2 von der Kristalllinse 1 in einem Trockenraum vollständige abgesprengt. Nach der Absprengung wird die Platte jedoch nicht angehoben, sondern in einem vorgegebenen Abstand d gehalten, beispielsweise in einem kleinen Abstand von d = 0,5 mm. Der Abstand kann beispielsweise mit Hilfe von Abstandhaltern 31 eingestellt werden.
Anschließend wird, analog zum bereits vorher geschilderten Verfahren, die Wasserschicht zwischen den Elementen 1 und 2 durch den Durchfluss extrem trockenen Gases, evtl. bei gleichzeitiger UV-Bestrahlung von oben her, durchgeführt. Nachdem die Wassermoleküle aus dem Zwischenraum weitgehend entfernt sind, erfolgt die endgültige, diesmal „trockene" Ansprengung, d.h. eine Ansprengung der Kontaktflächen der Linse 1 und der Platte 2 aneinander, ohne zwischen den Kontaktflächen liegende Wassermoleküle bzw. Wassereinschlüsse.
Der im Wesentlichen in zwei Verfahrensabschnitten durchgeführte Prozess weist mehrere Vorteile auf. Zum einen kann die Vorbereitung der Oberflächen, beispielsweise das Reinigen durch Reiben, in der freien Umgebung, und damit leichter als in einer verschlossenen Box, durchgeführt werden. Der notwendige Prozess, die Flächen ansprengfähig zu machen, kann somit in einem deutlich günstigeren Umfeld ausgeführt werden. Lediglich die Trocknung erfolgt in einer praktisch wasserfreien Umgehung.
Die zweistufigen Methoden weisen darüber hinaus den Vorteil auf, dass durch die Ausbildung eines nur engen Spalts zur Entfernung des Wassers mittels Trockengas kein Staub in den Zwischenraum eindringen und diesen verschmutzen kann. Auf diese Weise können annähernd absolut saubere „trockene" Ansprengungen realisiert werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines ersten Körpers (1) und eines zweiten Körpers (2) mit jeweils einer für die Verbindung vorgesehenen Kontaktfläche (1', 2'); b) Behandeln der Kontaktflächen (1', 2') derart, dass die Kontaktflächen von einer monomolekularen oder mehrlagigen Schicht von Wassermolekülen (3) befreit werden; und c) Zusammenbringen der von Wassermolekülen (3) befreiten Kontaktflächen (1', 2') zum Ansprengen des ersten Körpers (1) an den zweiten Körper (2) zur Herstellung eines Verbundkörpers aus dem ersten Körper (1) und dem zweiten Körper (2).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper einen Kristall, insbesondere einen Kalziumfluorid (CaF₂)-Kristall, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper einen Lutetium-Aluminiumgranat (LuAG, Lu₃Al₅O₁₂)-Kristall umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper ein Material umfassend Spinell (MgAl₂O₄), insbesondere polykristallinen Spinell oder Spinell-Keramik, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper Quarzglas umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Körper ein optisches Element ist.
Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zweiter Körper (2) ein Schutzelement, insbesondere ein Schutzelement umfassend Quarz, zum Schutz des ersten Körpers (1) vor dem Kontakt mit einer Flüssigkeit, insbesondere mit Wasser, bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusammenbringen der Kontaktflächen (1', 2') des ersten Körpers (1) mit dem zweiten Körper (2) in einem Vakuum durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung des Schritts c) wenigstens eine der Kontaktflachen (1', 2') des ersten Körpers (1) oder des zweiten Körpers (2) wenigstens über einen Teilbereich der Kontaktflache (1', 2') mit einer Beschichtung versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung als Quarzschicht, insbesondere auf den ersten Körper, aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 109, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Dicke von 30 nm bis 50 nm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Bedampfung in einem Vakuumrezipienten auf dem Körper aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdichtung (8) im Randbereich der Kontaktflächen (1', 2') zur Abdichtung gegen das Eindringen von Wassermolekülen am Rand der Kontaktflächen (1', 2') in den Verbindungsbereich zwischen dem ersten Körper (1) und dem zweiten Körper (2) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) in einer Atmosphäre aus einem inerten Gas oder einem Gasgemisch durchgeführt wird, welches im Wesentlichen frei von Wassermolekülen ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass während der Durchführung des Schritts c) wenigstens zeitweise UV-Strahlung und/oder ein ionisierter Gasstrom auf wenigstens einem Teilbereich der Kontaktflächen (1', 2') einwirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Atmosphäre aus dem inerten Gas oder Gasgemisch ein Wasser-Dampfdruck von weniger als 5 × 10^–6, insbesondere von weniger als 1 × 10^–6, herrscht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt c) in einem evakuierten Rezipienten (25) unter wenigstens zeitweisem Beschuss wenigstens eines Bereichs der Kontaktflächen (1', 2') des ersten Körpers (1) und/oder des zweiten Körpers (2) mit Ionen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusammenbringen der Kontaktfläche (1') des ersten Körpers (1) mit der Kontaktfläche (2') des zweiten Körpers (2) mittels einer mechanischen Dreheinrichtung bewerkstelligt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, umfassend die folgenden Schritte: a. Bereitstellen eines ersten Körpers (1) und eines zweiten Körpers (2) mit jeweils einer für die Verbindung vorgesehenen Kontaktfläche (1', 2'); b. Durchführung einer nassen Ansprengung zwischen der ersten Kontaktfläche (1') des ersten Körpers (1) und der zweiten Kontaktfläche (2') des zweiten Körpers (2) zur Bildung eines Verbundkörpers; c. Einbringen des Verbundkörpers in ein Volumen einer Kammer, die mit einem inerten Gas oder Gasgemisch, das im Wesentlichen von Wassermolekülen frei ist; d. teilweises Lösen der nassen Ansprengung bei einem ersten Teilbereich (2b) der Kontaktflächen (1', 2'); und e. Entfernen der zwischen den Kontaktflächen (1', 2') bzw. an den voneinander gelösten Kontaktflächen (1', 2') angeordneten Wassermolekülen (3).
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansprengung in Schritt d) durch Betätigung einer Mikrometerschraube, die in einem Außenbereich an dem ersten Körper (1) oder dem zweiten Körper (2) angreift, gelöst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassermoleküle in Schritt e) durch den Durchfluss eines Trockengases, insbesondere von Stickstoff, durch den Zwischenraum im ersten Teilbereich der voneinander gelösten Kontaktflächen (1', 2') entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass nach Durchführung des Schritts e) der Schritt f. Wiederansprengung der getrockneten Kontaktflächen (1', 2') im ersten Teilbereich (1b, 2b) der Kontaktflächen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt f) die Schritte g) teilweises Lösen der Ansprengung über einen zweiten Teilbereich (1a, 2a) der Kontaktflächen (1', 2'); und h) Entfernung der zwischen den Kontaktflächen (1', 2') im gelösten zweiten Teilbereich (1a, 2a) bzw. an den im zweiten Teilbereich (1a, 2a) voneinander gelösten Kontaktflächen (1', 2') angeordneten Wassermolekülen.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte g) und h) mehrmals wiederholt werden, um Wassermoleküle und eine Wasserschicht aus dem Zwischenbereich zwischen den Kontaktflächen (1', 2') vollständig zu entfernen.
Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines ersten Körpers (1) und eines zweiten Körpers (2) mit jeweils einer für die Verbindung vorgesehenen Kontaktfläche (1', 2'); b) Durchführung einer nassen Ansprengung zwischen der ersten Kontaktfläche (1') des ersten Körpers (1) und der zweiten Kontaktfläche (2') des zweiten Körpers (2) zur Bildung eines Verbundkörpers; c) Einbringen des Verbundkörpers in ein Volumen einer Kammer, die mit einem inerten Gas oder Gasgemisch, das im Wesentlichen von Wassermolekülen frei ist; d) Vollständiges Lösen der Ansprengung über die gesamte Kontaktfläche (1', 2') zwischen dem ersten Körper (1) und dem zweiten Körper (2); und e) Entfernen der zwischen den Kontaktflächen (1', 2') bzw. an den voneinander gelösten Kontaktflächen (1', 2') angeordneten Wassermolekülen (3).
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt d) der Abstand (d) zwischen den voneinander abgesprengten Kontaktflächen (1', 2') eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (d) zwischen 0,25 mm und 0,75 mm, insbesondere von ungefähr 0,5 mm, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d) mittels wenigstens eines Abstandshalters eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassermoleküle in Schritt e) durch den Durchfluss eines trockenen Gases, insbesondere durch den Durchfluss von Stickstoff, durch den Zwischenraum der voneinander gelösten Kontaktflächen (1', 2') entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Schritt e) der Schritt f) Wiederansprengung des ersten Körpers (1) an dem zweiten Körper (2) durch Kontaktherstellung zwischen den getrockneten Kontaktflächen (1', 2'); durchgeführt wird.
Ansprengvorrichtung (10) zur Durchführung einer trockenen Ansprengung, insbesondere zur Durchführung einer trockenen Ansprengung, insbesondere nach einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen nach oben/unten abgeschlossenen Hohlraum mit einem Flutungsvolumen im oberen/unteren Bereich des Hohlraums, wenigstens einen im Flutungsvolumen angeordneten Ansprengbereich (19) zum Ansprengen eines ersten Körpers (1) an einen zweiten Körper (2), und wenigstens eine Zuleitung zum Zuleiten des Flutungsgases zur Befüllung des Flutungsvolumens.
Ansprengvorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansprengvorrichtung einen UV-Bestrahler (20) aufweist, der die während einer Ansprengung in Kontakt zu bringenden Kontaktflächen (1', 2') wenigstens zeitweise vor und während des Ansprengvorgangs bestrahlt.
Verbundkörper aus einem ersten Körper (1) und einem zweiten Körper (2), wobei der erste Körper (1) und der zweite Körper (2) aneinander angesprengt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Kontaktfläche (1', 2') zwischen dem ersten Körper (1) und dem zweiten Körper (2) im Wesentlichen frei von Wassermolekülen ist.
Verbundkörper nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Körper (1) und dem zweiten Körper (2) eine Schicht angeordnet ist, die Hohlräume zum Einfangen von im Kontaktbereich zwischen dem ersten Körper (1) und dem zweiten Körper (2) angeordneten, den Kontaktbereich verunreinigenden Wassermolekülen aufweist.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, dass im Randbereich der Verbindungsfläche zwischen dem ersten Körper (1) und dem zweiten Körper (2) eine Dichtung zur Abdichtung des Verbindungsbereichs vor dem Eindringen von Wassermolekülen in den Verbindungsbereich angeordnet ist.