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Die
Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit mindestens einem
optischen Element, wobei kinematische Komponenten zur Manipulation
beziehungsweise Positionsbestimmung des mindestens einen optischen
Elementes vorgesehen sind. Bei den genannten kinematischen Komponenten
kann es sich um Aktuatoren oder Sensoren handeln. Ferner betrifft
die Erfindung eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie.
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Manipulierbare
optische Elemente sind in einer Vielzahl – auch ausgesprochen komplexer – optischer
Vorrichtungen ein wesentlicher Bestandteil. Dabei zeigen die optischen
Vorrichtungen, in denen die genannten manipulierbaren optischen
Elemente Verwendung finden, oftmals einen derart hohen Grad an Komplexitat,
dass sich die Wartung der zur Manipulation beziehungsweise Positionsbestimmung
der optischen Elemente verwendeten kinematischen Komponenten ausgesprochen
aufwändig
gestaltet. Im allgemeinen werden die genannten Komponenten aus den
oben genannten Gründen
so ausgelegt, dass sie eine Lebensdauer von mehreren Jahren erreichen.
Innerhalb dieser Zeit sollte sich die Performance der Aktuatoren
oder Sensoren nicht wesentlich verschlechtern bzw. sollte es zu
keinem Ausfall kommen, was sich dahingehend auswirkt, dass die Anforderungen
an die kinematischen Komponenten ausgesprochen hoch sind. Als Stand
der Technik sei in diesem Zusammenhang die US-Patentanmeldung US
2005/190462, die auf die Anmelderin zurückgeht, genannt.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Vorrichtung
anzugeben, die kinematische Komponenten aufweist, wobei die Vorrichtung
in ihrer Funktionalität
eine erhöhte
Robustheit gegenüber
dem Ausfall einzelner kinematischer Komponenten zeigt.
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Diese
Aufgabe wird durch die Vorrichtungen mit den in den Pa tentansprüchen 1 und
10 aufgeführten
Merkmalen gelöst.
Die Unteransprüche
beziehen sich auf vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der
Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße optische
Vorrichtung weist mindestens ein optisches Element, beispielsweise
eine in einer Fassung angeordnete Linse oder auch einen Spiegel,
auf. Dabei ist eine Mehrzahl von kinematischen Komponenten zur Manipulation
beziehungsweise Bestimmung der Position des optischen Elementes
vorgesehen. Die kinematischen Komponenten lassen sich also in die
Sorten „Aktuatoren" oder „Sensoren" klassifizieren.
Die Anzahl m der kinematischen Komponenten mindestens einer Sorte übersteigt
die Anzahl der Freiheitsgrade n, in denen das optische Element manipulierbar
ist. Mit anderen Worten sind für
mindestens einen Freiheitsgrad zwei oder mehr kinematische Komponenten
einer Sorte vorgesehen. Idealerweise ist für jeden der möglichen Freiheitsgrade,
nämlich
Bewegung in x-, y-, und z-Richtung sowie Verkippung mehr als eine
kinematische Komponente vorgesehen. Damit wird gewährleistet,
dass beispielsweise auch beim Ausfall eines Aktuators noch eine
Manipulation des optischen Elementes möglich ist und die Funktionalität der optischen
Vorrichtung nicht soweit beeinträchtigt
ist, dass eine komplette Demontage zur Sicherstellung der Funktionalität notwendig
ist.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung sind einem Angriffspunkt an dem optischen Element
mindestens zwei kinematische Komponenten einer Sorte zugeordnet.
Auf diese Weise wird sichergestellt, dass auch beim Ausfall einer
der kinematischen Komponenten an dem jeweiligen Angriffspunkt eine
Manipulation beziehungsweise eine Bestimmung der Position des optischen
Elementes – gegebenenfalls
mit Einschränkungen – möglich bleibt.
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Eine
Variante der Zuordnung von mindestens zwei kinematischen Komponenten
zu einem Angriffspunkt besteht darin, dass für einen bestimmten Freiheitsgrad
mindestens eine erste kinematische Komponente in der Weise in Bezug
zu einer weiteren kine matischen Komponente angeordnet ist, dass
bei einer Aktivierung, insbesondere bei einer Bewegung der ersten
kinematischen Komponente die weitere kinematische Komponente mit
aktiviert, insbesondere mitbewegt wird. Dies kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, dass es sich bei den kinematischen Komponenten
um Piezoaktuatoren handelt, die als Stapel in ihrer Wirkrichtung übereinander
angeordnet sind. Der besondere Vorteil der Verwendung von Piezoaktuatoren
besteht dabei darin, dass diese Aktuatoren in bekannter Weise als
Sensoren verwendet werden können,
so dass eine Doppelfunktionalität mit
den Vorteilen der Einsparung von Bauraum und Kosten erreicht werden
kann. Beim Ausfall eines der Piezoaktuatoren ist aufgrund der gestapelten
Anordnung noch eine – wenn
auch etwas eingeschränkte – Funktionalität der gesamten
Anordnung dahingehend gegeben, dass nach wie vor durch eine Ansteuerung
der verbliebenen funktionierenden Aktuatoren eine Bewegung realisiert
werden kann, wenn auch gegebenenfalls eine Einschränkung des
maximalen Verfahrbereiches hingenommen werden muss.
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Selbstverständlich sind
als Aktuatoren auch alle anderen Arten von Aktuatoren denkbar, insbesondere
Lorentzaktuatoren, Spindelantriebe oder hydraulische oder pneumatische
Druckzylinder.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Realisation der erfindungsgemäßen kinematischen Komponenten besteht
darin, dass es sich bei der ersten und der weiteren kinematischen
Komponente um die einzelnen Piezostapel eines so genannten Piezokrabblers handelt.
Bei einem Piezokrabbler handelt es sich um eine lineare Anordnung
von miteinander verbundenen Piezoaktuatoren bzw. Piezostapel, die
sich durch abwechselnde Aktivierung der Piezoaktuatoren in der Art
einer Raupe auf einer Oberfläche
fortbewegen. Beispiele für
derartige Komponenten finden sich in der US Patentschrift
US 6 150 750 B2 und
in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 25 266 A1 . Dabei kann der Piezokrabbler
mit einem optischen Element fest verbunden sein und sich beispielsweise auf
einer Oberfläche
eines Gehäuses
zusammen mit dem optischen Element fortbewegen und auf diese Weise
eine Ma nipulation des optischen Elementes bewirken. Im allgemeinen
wird in diesem Fall der Ausfall eines einzelnen Aktuators bzw. Piezostapels zu
einer Verringerung der maximalen Verfahrgeschwindigkeit oder zu
einer Reduzierung der maximalen Kraft, die von dem Piezokrabbler
ausgeübt werden
kann, führen.
Der Vorteil der Verwendung des Piezokrabblers liegt dabei darin,
dass der Ausfall eines einzelnen Aktuators bzw. Piezostapels nicht
zu einer Reduzierung des maximalen Verfahrbereiches führt.
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Eine
Alternative der Anordnung der beiden kinematischen Komponenten aneinander
besteht darin, dass für
einen bestimmten Freiheitsgrad die mindestens erste kinematische
Komponente in der Weise in Bezug zu der weiteren kinematischen Komponente
angeordnet ist, dass bei einer Aktivierung der ersten kinematischen
Komponente die weitere kinematische Komponente nicht aktiviert,
insbesondere nicht mitbewegt wird. Mit anderen Worten sind die beiden
kinematischen Komponenten hinsichtlich ihres Angriffspunktes parallel
geschaltet.
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Ein
bevorzugtes Anwendungsgebiet für
den Einsatz der oben beschriebenen Vorrichtung und deren Varianten
besteht in der Verwendung in einer Projektionsbelichtungsanlage
für die
Halbleiterlithographie. Die in den genannten Projektionsbelichtungsanlagen
verwendeten optischen Systeme zeichnen sich einerseits dadurch aus,
dass sie eine enorme Komplexität
zeigen. Darüber
hinaus sind manipulierbare optische Elemente in derartigen Anlagen weit
verbreitet, so dass gerade in dieser Anwendung ein erhöhter Bedarf
für eine
robuste und ausfallsichere Sensorik und Aktuatorik besteht.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung an Hand dreier Figuren näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
Ausführungsform
der Erfindung, bei der die kinematischen Komponenten parallel angeordnet
sind;
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2 eine
weitere Ausführungsform,
bei der bei der Bewegung einer der kinematischen Komponenten die
andere mitbewegt wird und
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3 eine
Prinzipdarstellung einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie,
die in erfindungsgemäßer Weise
mit kinematischen Komponenten ausgestattet ist.
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1 zeigt
eine parallele Anordnung der als Piezoaktuatoren 1a und 1b ausgebildeten
kinematischen Komponenten. Dabei sind die Hebel 2a und 2b der
beiden Piezoaktuatoren 1a und 1b über die
Gelenke 3a und 3b und die Verbindungsstange 6 miteinander
verbunden. Bei einer Aktivierung des Piezoaktuators 1a bewegt
sich der Hebel 2a in Richtung des Doppelpfeils 7a.
Für den
Fall, dass der Piezoaktuator 1b während der Aktivierung des Piezoaktuators 1a inaktiv
bleibt, ergibt sich eine Bewegung der Verbindungsstange 6 um
das Gelenk 3b. Im Ergebnis erfolgt eine Bewegung des über die
Gelenke 9 und 10 und den Stellhebel 4 mit
der Verbindungsstange 6 verbundenen optischen Elementes 5 in
Richtung des Doppelpfeils 8. Entsprechendes gilt bei einer
Aktivierung des Piezoaktuators 1b in Verbindung mit dem Hebel 2b in
Richtung des Doppelpfeils 7b bei inaktivem Piezoaktuator 1a.
Hier ergibt sich eine Bewegung der Verbindungsstange 6 um
das Gelenk 3a.
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Aus
der Figur wird unmittelbar klar, dass bei einer gleichzeitigen Aktivierung
der beiden Piezoaktuatoren 1a und 1b im Vergleich
zu den vorstehend geschilderten Fall der doppelte Verfahrweg erreicht werden
kann. Hieraus ergeben sich zwei Alternativen für die Realisation der in 1 dargestellten
Ausführungsform:
Zum einen kann die Anordnung von Anfang an so ausgelegt werden,
dass der gewünschte Verfahrweg
des optischen Elementes 5 durch die Aktivierung lediglich
eines der beiden Piezoaktuatoren 1a bzw. 1b erreicht
werden kann. In diesem Fall wird beim Ausfall eines der beiden Aktuatoren
nach der Detektion des Ausfalls der noch funktionierende Aktuator
ange steuert; dies kann beispielsweise mittels eines Multiplexers
erfolgen. Ebenso ist es denkbar, die Anordnung in der Weise auszulegen,
dass der gewünschte
Verfahrweg des optischen Elementes 5 dadurch erreicht wird,
dass beide Piezoaktuatoren 1a und 1b gleichzeitig
angesteuert werden; auf diese Weise kann ein gegenüber dem
ersten geschilderten Fall doppelter Verfahrweg realisiert werden.
Damit stünde
nach dem Ausfall eines der beiden Piezoaktuatoren 1a oder 1b immer
noch ein funktionierender Aktuator zur Verfügung, so dass die Anordnung
insgesamt noch eine – wenn
auch eingeschränkte – Funktionalität aufweisen
würde.
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2 zeigt
als alternative Ausgestaltung eine Anordnung der beiden Piezoaktuatoren 1a und 1b aufeinander
in der Art einer seriellen Schaltung. Dabei ist der Piezoaktuator 1b über den
Hebel 2a mit dem Piezoaktuator 1a verbunden, das
heißt
bei einer Aktivierung des Piezoaktuators 1a bewegt sich
der Piezoaktuator 1b mit und wirkt über den Hebel 2b auf das
optische Element 5. Selbstverständlich können die beiden Piezoaktuatoren 1a und 1b alternativ
angesteuert werden; in diesem Fall wirkt der jeweils inaktive Piezoaktuator
als passives Hebelteil.
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Für die in
den beiden vorstehend beschriebenen Figuren gezeigten Konfigurationen
ist es vorteilhaft, wenn die Anordnung in der Weise ausgelegt ist,
dass bei einem Ausfall eines der Piezoaktuatoren 1a oder 1b in
einer beliebigen Position das optische Element 5 noch in
dem vorgesehenen Bereich bewegt werden kann. Gegebenenfalls kann
der Bewegungsbereich des optischen Elementes 5 nach dem Ausfall
eines der beiden Piezoaktuatoren 1a oder 1b auch
dadurch angepasst werden, dass eine (nicht dargestellte) gut zugängliche
Justiereinrichtung vorgesehen ist, mittels derer eine Veränderung
des Bewegungsbereiches des optischen Elementes 5 vorgenommen
werden kann.
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In 3 ist
eine entsprechend der Erfindung mit kinematischen Komponenten ausgestattete
Projektionsbelichtungsanlage 11 für die Mikrolithographie dargestellt.
Diese dient zur Belichtung von Strukturen auf ein mit photosensitiven
Materia lien beschichtetes Substrat, welches im allgemeinen überwiegend
aus Silizium besteht und als Wafer 12 bezeichnet wird,
zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie z.B. Computerchips.
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Die
Projektionsbelichtungsanlage 11 besteht dabei im wesentlichen
aus einer Beleuchtungseinrichtung 13, einer Einrichtung 14 zur
Aufnahme und exakten Positionierung einer mit einer gitterartigen Struktur
versehenen Maske, einem sogenannten Reticle 15, durch welches
die späteren
Strukturen auf dem Wafer 12 bestimmt werden, einer Einrichtung 16 zur
Halterung, Bewegung und exakten Positionierung eben dieses Wafers 12 und
einer Abbildungseinrichtung, nämlich
einem Projektionsobjektiv 17, mit mehreren optischen Elementen 5,
die über
Fassungen 19 in einem Objektivgehäuse 20 des Projektionsobjektives 17 gelagert
sind.
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Das
grundsätzliche
Funktionsprinzip sieht dabei vor, dass die in das Reticle 15 eingebrachten Strukturen
auf den Wafer 12 verkleinert abgebildet werden.
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Nach
einer erfolgten Belichtung wird der Wafer 12 in Pfeilrichtung
weiterbewegt, so dass auf dem selben Wafer 12 eine Vielzahl
von einzelnen Feldern, jeweils mit der durch das Reticle 15 vorgegebenen Struktur,
belichtet wird. Aufgrund der schrittweisen Vorschubbewegung des
Wafers 12 in der Projektionsbelichtungsanlage 11 wird
diese häufig
auch als Stepper bezeichnet.
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Die
Beleuchtungseinrichtung 13 stellt einen für die Abbildung
des Reticles 15 auf dem Wafer 12 benötigten Projektionsstrahl 21 bereit.
Als Quelle für diese
Strahlung kann ein Laser oder dergleichen Verwendung finden. Die
Strahlung wird in der Beleuchtungseinrichtung 13 über optische
Elemente so geformt, dass der Projektionsstrahl 21 beim
Auftreffen auf das Reticle 15 die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich
Durchmesser, Polarisation, Form der Wellenfront und dergleichen
aufweist.
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Über den
Projektionsstrahl 21 wird ein Bild des Reticles 15 erzeugt
und von dem Projektionsobjektiv 17 entsprechend verkleinert
auf den Wafer 12 übertragen,
wie bereits vorstehend erläutert
wurde. Das Projektionsobjektiv 17 weist eine Vielzahl von einzelnen
refraktiven, diffraktiven und/oder reflexiven optischen Elementen 5,
wie z.B. Linsen, Spiegeln, Prismen, Abschlussplatten und dergleichen
auf.
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Im
vorliegenden Beispiel ist das optische Element 5 über einen
so genannten Piezokrabbler 23 mit der Fassung 19 verbunden.
Dabei ist der Piezokrabbler 23 mit dem optischen Element 5 fest
verbunden und bewegt sich auf der Oberfläche der Fassung 19 zusammen
mit dem optischen Element 5 in Richtung der optischen Achse
des Projektionsobjektives 17.
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Zur
Erhöhung
der Zuverlässigkeit
der optischen Vorrichtungen oder auch zur Anpassung an besondere
Anforderungen können
selbstverständlich die
geschilderten Konzepte in beliebiger Weise kombiniert werden. Darüber hinaus
ist eine Anwendung des geschilderten Konzeptes über das Feld kinematischer
Komponenten hinaus, insbesondere beispielsweise auch für thermische
Manipulatoranordnungen, ohne weiteres denkbar.