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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Manipulators einer Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie sowie eine Projektionsbelichtungsanlage.
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Derartige Anlagen werden verwendet, um Strukturen auf einer Maske, einem sogenannten Retikel, auf einem Halbleitermaterial abzubilden und auf diese Weise Halbleiterbauelemente herzustellen.
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Zur Verringerung von Abbildungsfehlern werden in den genannten Anlagen üblicherweise sogenannte Manipulatoren verwendet. Aufgabe dieser Manipulatoren ist es unter anderem, üblicherweise über einen bestimmten Flächenbereich hinweg die Eigenschaften, insbesondere das Wellenfrontprofil von für die Abbildung verwendeter elektromagnetischer Strahlung einzustellen. Solche Manipulatoren können insbesondere flächige optische Elemente umfassen, die in den Strahlengang der Projektionsbelichtungsanlage eingebracht werden und in denen eine bestimmte lokale Temperaturverteilung eingestellt wird. In Verbindung mit der Temperatursensitivität des Brechungsindex und einer temperaturinduzierten lokalen Geometrieänderung des optischen Elementes kann dann ein gewünschter Verlauf einer Wellenfront eingestellt werden.
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In der Vergangenheit wurden verschiedene Ansätze vorgeschlagen, um das genannte Temperaturprofil in einem optischen Element einzustellen. So ist beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung
WO2009/026970 A1 , welche auf die Anmelderin zurückgeht, ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, bei welchen mittels eines Arrays von extrem dünnen Heizdrähten über eine Quarzglasplatte hinweg durch geeignete Gestaltung und Ansteuerung der Heizdrähte ein Temperaturprofil eingestellt wird. Daneben ist in der ebenfalls auf die Anmelderin zurückgehenden internationalen Patentanmeldung
WO2013/044936 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren gezeigt, bei welchen mittels gezielter lokaler Absorption von Heizstrahlung (üblicherweise im infraroten Bereich) das gewünschte Temperaturprofil erreicht wird. Die Heizstrahlung wird dabei in Form einer Vielzahl von Einzelstrahlen seitlich in das optische Element eingekoppelt und tritt auf der gegenüberliegenden Seite wieder aus. Die Heizwirkung wird dabei dadurch erreicht, dass die Heizstrahlung im Material des optischen Elementes teilweise absorbiert wird. Zur Erzeugung und Einkopplung der Heizstrahlung kann insbesondere ein Laser beziehungsweise ein Array von Laserdioden als Strahlungsquelle verwendet werden.
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Für die Reproduzierbarkeit und die zeitliche Stabilität des eingestellten bzw. gewünschten Temperaturprofils über das optische Element hinweg ist es dabei von Bedeutung, dass die Strahlungsquelle hinsichtlich ihrer Emissionscharakteristik zeitlich stabil bleibt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mittels dessen über einen längeren Zeitraum hinweg ein reproduzierbares, stabiles Temperaturprofil in einem optischen Element eines Manipulators der oben beschriebenen Art sichergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmalen. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Varianten und Ausführungsformen der Erfindung.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren geht aus von einer Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einem Manipulator, der auf die optische Nutzstrahlung der Projektionsbelichtungsanlage einwirkt. Der Manipulator umfasst ein optisches Element, das sich im Strahlengang der optischen Nutzstrahlung befindet, so dass die optische Nutzstrahlung das optische Element zumindest teilweise durchtritt. Mittels einer Strahlungsquelle wird eine Heizstrahlung erzeugt, die in das optische Element des Manipulators eingekoppelt wird und in dem optischen Element ein Temperaturprofil erzeugt. Erfindungsgemäß wird die Strahlungsquelle in einer solchen Weise betrieben, dass eine unerwünschte Drift des Temperaturprofils unterbunden oder zumindest reduziert wird.
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Die Erfindung löst die Problematik eines zeitlich driftenden Temperaturprofils des optischen Elements im Manipulator (und somit eines zeitlich instabilen Verlaufs der Wellenfront in der Projektionsbelichtungsanlage) dadurch, dass die Strahlungsquelle, die das Temperaturprofil im optischen Element erzeugt, in einer geeigneten Weise eingestellt bzw. geregelt bzw. gesteuert wird. Dies kann in unterschiedlicher Weise realisiert werden.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Stabilisierung des Temperaturprofils mit Hilfe einer Regelschleife. Dabei wird das aktuell vorliegende Temperaturprofil des optischen Elements direkt oder indirekt gemessen, z.B. mittels Temperatursensoren, Infrarotkamera, Wellenfrontmessung etc. Alternativ wird das von der Strahlungsquelle emittierte Spektrum mit einem Spektrometer vor Eintritt in das oder nach Austritt aus dem optischen Element gemessen. Die auf diese Weise gewonnenen Messdaten werden zur Nachregelung des Spektrums bzw. der Leistung der Strahlungsquelle verwendet. Falls keine Information über das Spektrum vorliegt, ist es vorteilhaft, nur die Leistung der Strahlungsquelle zu regeln.
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Zur Ansteuerung der Strahlungsquelle ist zweckmäßigerweise eine Kontrolleinheit vorgesehen. Die Strahlungsquelle ist in einen Regelkreis eingebunden, in dem bestimmte Parameter, die für das Temperaturprofil des optischen Elements relevant sind, gemessen werden, Abweichungen dieser Parameter von vorbestimmten Sollwerten ermittelt und anschließend die Strahlungsquelle in Abhängigkeit dieser Abweichungen in einer solchen Weise nachgeregelt wird, dass die charakteristischen Parameter innerhalb vorgegebener Schwellwerte mit den Sollwerten übereinstimmen. Durch eine solche Regelschleife kann eine zeitliche Drift des Temperaturprofils des optischen Elements im Manipulator kompensiert und ein reproduzierbares, stabiles Temperaturprofil erzeugt werden.
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Als geeigneter Parameter für die Regelung der Strahlungsquelle hat sich insbesondere die Intensität der zur Beheizung des optischen Elements verwendeten Heizstrahlung herausgestellt. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Intensität der Heizstrahlung nach ihrem Austritt aus dem optischen Element zu messen. Alternativ oder zusätzlich kann die Intensität der Heizstrahlung vor ihrem Eintritt in das optische Element gemessen werden.
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Ein weiterer geeigneter Parameter zur Regelung der Strahlungsquelle ist die spektrale Charakteristik der Heizstrahlung. Diese spektrale Charakteristik kann insbesondere vor ihrem Eintritt in das optische Element bestimmt werden. Weiterhin kann mit Hilfe einer Wärmebildkamera die Temperaturverteilung über das optische Element hinweg ermittelt werden.
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In einer alternativen Ausgestaltung wird eine Kalibrierung des Manipulators mit Hilfe eines Wellenfrontsensors durchgeführt und die dabei gewonnenen Kalibrationsdaten zur Regelung der Strahlungsquelle verwendet.
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Alternativ oder zusätzlich zur der oben beschriebenen Stabilisierung des Temperaturprofils mittels einer Regelschleife kann das Emissionsspektrum der Strahlungsquelle in einer solchen Weise auf das Absorptionsspektrum des Werkstoffs des optischen Elements abgestimmt werden, dass eine zeitliche Drift des Emissionsspektrums nur eine geringe Auswirkung auf die im optischen Element absorbierte Leistung hat. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass das Emissionsspektrum der Strahlungsquelle wesentlich breiter ist als seine zu erwartende zeitliche spektrale Drift.
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Es kann ferner günstig sein, für das optische Element einen Werkstoff mit einem breiten Absorptionsbereich zu wählen und das Emissionsspektrum der Strahlungsquelle auf einen schmalen Spektralbereich zu zentrieren, der innerhalb des Absorptionsbereiches des Absorptionsspektrums liegt. Wenn die Strahlungsquelle spektralen Schwankungen unterliegt, dann überlappt auch das spektral verschobene schmale Emissionsspektrum nahezu unverändert stark mit dem breiten Absorptionsbereich des optischen Elements, so dass die vom optischen Element absorbierte Leistung nur in sehr geringem Maße verändert wird.
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So kann es beispielsweise sinnvoll sein, das Absorptionsspektrum des Materials des optischen Elements und das Emissionsspektrum der Strahlungsquelle so zu wählen, dass ein Peak eines Signals der Strahlungsquelle mit einer spektralen Breite von weniger als 10nm (FWHM), bevorzugt von weniger als 5nm (FWHM) in einem Bereich eines spektral breiteren Absorptionsspektrums des Materials des optischen Elementes liegt, in welchem der Minimal- und der Maximalwert weniger als um einen Faktor 5, bevorzugt um weniger als einen Faktor 2 auseinander liegen.
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Dabei kann der Bereich des spektral breiteren Absorptionsspektrums eine Breite im Bereich von 35nm bis 75nm, bevorzugt im Bereich von 50nm aufweisen.
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Umgekehrt kann es günstig sein, für das optische Element einen Werkstoff mit einem Absorptionsspektrum zu wählen, das einen ausgeprägten, schmalen Peak aufweist, und das Emissionsspektrum der Strahlungsquelle im Wesentlichen auf diesen Peak des Absorptionsspektrums zu zentrieren; die spektrale Breite des Emissionsspektrums der Strahlungsquelle sollte dann in einer solchen Weise eingestellt werden, dass das Emissionsspektrum die spektrale Breite des Peaks des Absorptionsspektrums im Wesentlichen überdeckt. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass spektrale Schwankungen der Strahlungsquelle die vom optischen Element absorbierte Leistung nur in sehr geringem Maße beeinflussen.
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Dabei kann der Peak des Absorptionsspektrums eine Breite im Bereich von 20nm–30nm (FWHM) oder auch im Bereich von 60nm–80nm (FWHM) aufweisen; das spektral breite Emissionsspektrum kann dann mindestens um den Faktor 2, bevorzugt um den Faktor 3 breiter sein als der Peak des Absorptionsspektrums.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische perspektivische Ansicht einer Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie, bei welcher die Erfindung Anwendung findet;
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2 eine schematische Schnittansicht der Projektionsbelichtungsanlage der 1 in einer ersten Variante der Erfindung;
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3 eine schematische Schnittansicht der Projektionsbelichtungsanlage der 1 in einer zweiten Variante der Erfindung;
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4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kalibrierung eines Manipulators der Projektionsbelichtungsanlage der 3;
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5 eine weitere Variante der Erfindung, und
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6 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage 10 mit einem Beleuchtungssystem 12, welches elektromagnetische Strahlung emittiert. Das Beleuchtungssystem 12 beleuchtet ein Beleuchtungsfeld 14 auf einer auch Retikel genannten Maske 16, welche ein Muster 18 feiner Strukturen 19 enthält. In der hier gezeigten Ausgestaltung hat das Beleuchtungsfeld 14 eine rechteckige Form, es sind jedoch auch andere Formen denkbar, beispielsweise ringförmige Segmente.
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Ein Projektionsobjektiv 20 mit einer optischen Achse OA und einer Mehrzahl von Linsen L1 bis L4 projiziert das im Beleuchtungsfeld 14 befindliche Muster 18 auf eine lichtempfindliche Schicht 22, beispielsweise einen lichtempfindlichen Lack (Photoresist), welche auf ein Substrat 24 aufgebracht ist. Das Substrat 24 ist beispielsweise ein Siliziumwafer und ist in einem (in 1 nicht gezeigten) Waferhalter in einer solchen Weise angeordnet, dass die Oberfläche der lichtempfindlichen Schicht 22 sich in der Bildebene des Projektionsobjektivs 20 befindet. Die Maske 16 wird mit Hilfe eines (in 1 nicht gezeigten) Maskenhalters in der Objektebene des Projektionsobjektivs 20 positioniert. Da Letzteres eine Vergrößerung β mit |β| < 1 aufweist, projiziert es ein verkleinertes Bild 18‘ des Musters 18 im Beleuchtungsfeld 14 auf die lichtempfindliche Schicht 22.
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Während der Projektion bewegen sich die Maske 16 und das Substrat 24 entlang einer Scanrichtung, die der in 1 angedeuteten Y-Richtung entspricht. Das Beleuchtungsfeld 14 scannt dann über die Maske 16, so dass auch Musterbereiche, die über das Beleuchtungsfeld 14 hinausragen, auf der lichtempfindlichen Schicht 22 abgebildet werden können. Das Verhältnis zwischen den Geschwindigkeiten des Substrats 24 und der Maske 16 entspricht dem Vergrößerungsfaktor β des Projektionsobjektivs 20. In Fällen, in denen das Projektionsobjektiv 20 keine Inversion des Bildes durchführt (β > 0), bewegen sich die Maske 16 und das Substrat 24 in dieselbe Richtung, wie in 1 durch die Pfeile A1 und A2 angedeutet. Die vorliegende Erfindung kann auch bei katadioptrischen Projektionsobjektiven mit Objekt- und Bildfeldern außerhalb der Achse Anwendung finden sowie in Stepper-Anlagen, bei denen sich Maske 16 und Substrat 24 während der Projektion nicht bewegen.
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2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Projektionsbelichtungsanlage 10 der 1. Diese Figur zeigt weiterhin einen Maskenhalter 26, durch den die Maske 16 in der Objektebene 28 des Projektionsobjektivs 20 gehalten wird, sowie einen Waferhalter 32, der das Substrat 24 in der Bildebene 30 des Projektionsobjektivs 20 fixiert.
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In der vorliegenden Ausgestaltung enthält das Projektionsobjektiv 20 eine Zwischenbildebene 34 und eine erste Pupillenebene 36, die zwischen der Objektebene 28 und der Zwischenbildebene 34 angeordnet ist. Eine zweite Pupillenebene 38 ist zwischen der Zwischenbildebene 34 und der Bildebene 30 der Projektionsobjektivs 20 angeordnet. Alle Lichtstrahlen, die unter demselben Winkel durch eine der Feldebenen (d.h. der Objektebene 28, der Zwischenbildebene 34 und der Bildebene 30) aus- bzw. eintreten, schneiden sich in den Pupillenebenen 36, 38 in einem einzigen Punkt, wie in 2 angedeutet. Weiterhin schneiden alle Lichtstrahlen, die eine Feldebene parallel zur optischen Achse OA durchdringen (wie z.B. der durch eine gestrichelte Linie angedeutete Lichtstrahl 40), in den Pupillenebenen 36, 38 die optische Achse.
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Das Projektionsobjektiv 20 enthält weiterhin einen Manipulator 42 zur Korrektur von Wellenfrontfehlern. Der Manipulator 42 befindet sich in der ersten Pupillenebene 36 und umfasst ein refraktives optisches Element 44, das von der zur Abbildung verwendeten Strahlung bei der Projektion der Maske 16 auf die lichtempfindliche Schicht 22 durchleuchtet wird. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel hat das refraktive optische Element 44 die Form einer flächigen Scheibe mit einer ersten optische Oberfläche 46, die sich auf einer dem Beleuchtungssystem 12 zugewandten Seite des optischen Elements 44 befindet und einer zweiten optischen Oberfläche 48, die sich auf der gegenüberliegenden, der lichtempfindlichen Schicht 22 zugewandten Seite befindet. Weiterhin weist das refraktive optische Element 44 umfangsseitig eine Randfläche 50 auf, die sich zwischen den beiden optischen Oberflächen 46, 48 erstreckt. In der hier gezeigten Ausführungsform sind die optischen Oberflächen 46, 48 des refraktiven optischen Elements 44 planar und parallel zueinander, und die Randfläche 50 hat eine zylindrische Form.
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Der Manipulator 42 umfasst eine erste Strahlungsquelle OS1 für elektromagnetische Strahlung, mit deren Hilfe eine erste Heizstrahlung HL1 auf einen ersten Bereich der Randfläche 50 gerichtet werden kann, so dass zumindest ein Teil der ersten Heizstrahlung HL1 in das refraktive optische Element 44 eingeleitet werden kann. Eine weitere Strahlungsquelle OS2 für elektromagnetische Strahlung ist in einer solchen Weise positioniert, dass eine zweite Heizstrahlung HL2 auf einen anderen Bereich der Randfläche 50 gerichtet und ein Teil der zweiten Heizstrahlung HL2 in das refraktive optische Element 44 eingeleitet werden kann. Der Manipulator 42 kann weitere Strahlungsquellen zur Einleitung von Heizstrahlung umfassen, die allerdings in 2 nicht dargestellt sind. Die Strahlungsquellen OS1, OS2 sind mit einer Kontrolleinheit 52 gekoppelt, mittels derer die Emission der Heizstrahlung HL1, HL2 gesteuert bzw. geregelt werden kann.
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Ebenfalls in 2 erkennbar ist ein Wellenfrontsensor 60, mit dessen Hilfe bei Abwesenheit eines Substrats 24 die in der Bildebene 20 ankommende Wellenfront der vom Beleuchtungssystem 12 abgestrahlten Nutzstrahlung bestimmt werden kann. Der Wellenfrontsensor 60 dient dazu, im Rahmen einer gezielten Ansteuerung einzelner Strahlungsquellen OS1, OS2 etc. und einer entsprechenden Einleitung von Heizstrahlung HL1, HL2 etc. eine Kalibrierung des Manipulators 42 vorzunehmen. Hierzu werden die von dem Wellenfrontsensor 60 ermittelten Ergebnisse in einer Auswertevorrichtung 62 hinsichtlich der Amplituden der einzelnen Heizzonen ausgewertet, worauf die erhaltenen Ergebnisse in einem Ergebnisspeicher 64 gespeichert werden. In einer Kalibriervorrichtung 66, die auf die im Ergebnisspeicher 64 hinterlegten Ergebnisse zugreift, werden daraus Kalibrierdaten berechnet, die dann von der Kontrolleinheit 52 zur Ansteuerung der Strahlungsquellen OS1, OS2 des Manipulators 42 herangezogen werden können.
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3 zeigt eine Variante der Projektionsbelichtungsanlage 10 der 2, bei welcher die Strahlleistungen einzelner Heizstrahlen HL1 (oder auch einer vorteilhaften Kombination mehrerer Heizstrahlen) des Manipulators 42 nach dem Austritt aus dem optischen Element 44 mittels eines Dosissensors 70 ermittelt werden. Im Interesse einer klaren Darstellung ist in 3 nur eine einzige Strahlungsquelle OS1 mit einer von ihr ausgesandten Heizstrahlung HL1 gezeigt, obwohl selbstverständlich – analog zu 2 – auch weitere Strahlungsquellen vorhanden sein können. Die mittels des Dosissensors 70 gewonnenen Messergebnisse werden in einer Auswertevorrichtung 62‘ in Bezug auf die einzelnen Heizzonen bzw. die einzelnen Heizprofile ausgewertet und in einem Ergebnisspeicher 64‘ gespeichert. Dieser Kalibriervorgang wird mittels einer Kalibriervorrichtung 66‘ gesteuert, und die auf diese Weise ermittelten Daten werden in der Kontrolleinheit 52 des Manipulators 42 dazu verwendet, eine korrekte Ansteuerung des Manipulators 42 zu erreichen.
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4 zeigt anhand eines schematischen Ablaufdiagramms ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 zur Kalibrierung des in 3 gezeigten Manipulators 42. Hierzu wird im ersten Schritt 102 eines Kalibriervorganges ein bestimmtes Basisprofil der Heizstrahlung HL1 eingestellt, woraufhin im nächsten Schritt 104 die von dem Dosissensor 70 erfassten Messwerte ausgelesen werden. Nachfolgend wird in der Auswertevorrichtung 62‘ ein Vergleich der Dosismessung mit gewünschten Zielwerten vorgenommen (Schritt 106) und die zu dem jeweiligen Profil ermittelten Ergebnisse werden gespeichert (Schritt 108). Daraufhin wird das nächste Basisprofil eingestellt (Schleife 110). Bei Erreichen der gewünschten Maximalzahl zu vermessener Basisprofile werden die erhaltenden Ergebnisse im nächsten Schritt 112 zu Kalibrierdaten verrechnet, wobei eine Unterscheidung bzgl. einzeln ansteuerbarer Freiheitsgrade vorgenommen wird. Nachfolgend werden in einem Schritt 114 die auf diese Weise erhaltenden Kalibrierdaten in dem Ergebnisspeicher 64‘ hinterlegt (siehe 3), so dass sie bei einer nachfolgenden Ansteuerung des Manipulators 42 im Betrieb verwendet werden können.
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Anhand der 5 und 6 sollen nun Überlegungen zu einer geeigneten Gestaltung des Emissionsspektrums der Strahlungsquelle OS1, OS2 (beispielsweise eines Halbleiterlasers) veranschaulicht werden, mit der eine gute zeitliche Stabilität des im refraktiven optischen Element 44 eingestellten Temperaturprofils erreicht werden kann. 5 zeigt einen Ausschnitt eines Absorptionsspektrums 80 eines Glaswerkstoffs (Quarzglas), der typischerweise in dem optischen Element 44 der 2 und 3 zum Einsatz kommt. Der in 5 dargestellte Ausschnitt des Absorptionsspektrums 80 zeigt einen ausgeprägten Peak 82 bei einer Wellenlänge von etwa 1.38 μm.
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Um möglichst viel Leistung in das refraktive optische Element 44 einzuspeisen, muss das Spektrum 87 der mittels der Strahlungsquellen OS1, OS2 abgegebenen Heizstrahlung HL1, HL2 auf das Absorptionsspektrum 80 des optischen Elements 44 abgestimmt werden. Hierzu ist es prinzipiell vorteilhaft, eine Strahlungsquelle mit einem möglichst schmalen Emissionsspektrum 87 im Bereich des Peaks 82 des Absorptionsspektrums 80, also bei etwa 1.38 μm zu wählen, wie in 5 dargestellt. Aufgrund der gezeigten relativen spektralen Lage der beiden Spektren 80 und 87 ist bei geringen Schwankungen der spektralen Lage des Emissionsspektrums 87 lediglich mit geringen Abweichungen der im optischen Element 44 absorbierten Leistung zu rechnen.
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6 veranschaulicht eine Variante der Erfindung, bei welcher ein gegenüber 5 umgekehrter Ansatz verwendet wird. In der anhand 6 gezeigten Lösung wird das Emissionsspektrum 87‘ der verwendeten Strahlungsquelle derart breit gewählt, dass ein Peak 82 des Absorptionsspektrums 80 des optischen Elementes 44 zentral in dem Emissionsspektrum 87‘ der Strahlungsquelle liegt. Auch in diesem Fall wirken sich Schwankungen in der spektralen Lage des Emissionsspektrums 87‘ nur geringfügig auf die im optischem Element 44 absorbierte Leistung aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/026970 A1 [0004]
- WO 2013/044936 A1 [0004]