DE102011005840A1 - A controllable multi-mirror arrangement, optical system with a controllable multi-mirror arrangement and method for operating a controllable multi-mirror arrangement - Google Patents
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Abstract
Eine Mehrfachspiegelanordnung hat eine Trägerstruktur (120), die eine Vielzahl von individuellen Spiegelelementen (110) trägt. Ein Spiegelelement hat ein Spiegelsubstrat (112), welches eine mit einer Reflexionsbeschichtung (118) beschichtete Vorderfläche (114) und eine der Vorderfläche in einem Abstand gegenüberliegende Rückfläche (116) aufweist, die der Trägerstruktur zugewandt ist. Es ist eine Temperiereinrichtung zur Erzeugung eines lateralen stationären Temperaturgradienten in einer zwischen der Vorderfläche und der Rückfläche liegenden temperierbaren Zone (150) des Substrats als Antwort auf Signale einer Steuereinrichtung vorgesehen.A multiple mirror arrangement has a support structure (120) which supports a plurality of individual mirror elements (110). A mirror element has a mirror substrate (112) which has a front surface (114) coated with a reflective coating (118) and a rear surface (116) opposite the front surface at a distance and facing the carrier structure. A temperature control device is provided for generating a lateral, stationary temperature gradient in a temperature-controllable zone (150) of the substrate located between the front surface and the rear surface in response to signals from a control device.
Description
HINTERGRUNDBACKGROUND
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung bezieht sich auf eine steuerbare Mehrfachspiegelanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, ein optisches System mit einer steuerbaren Mehrfachspiegelanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 12 sowie auf ein Verfahren zum Betreiben einer steuerbaren Mehrfachspiegelanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 14.The invention relates to a controllable multiple mirror arrangement according to the preamble of claim 1, an optical system with a controllable multiple mirror arrangement according to the preamble of claim 12 and to a method for operating a controllable multiple mirror arrangement according to the preamble of claim 14.
Beschreibung des Standes der TechnikDescription of the Prior Art
Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen und anderen feinstrukturierten Bauteilen werden heutzutage überwiegend mikrolithographische Projektionsbelichtungsverfahren eingesetzt. Dabei werden Masken (Retikel) oder andere Mustererzeugungseinrichtungen verwendet, die das Muster einer abzubildenden Struktur tragen oder bilden, z. B. ein Linienmuster einer Schicht (Lager) eines Halbleiterbauelementes. Das Muster wird in einer Projektionsbelichtungsanlage zwischen einem Beleuchtungssystem und einem Projektionsobjektiv im Bereich der Objektfläche des Projektionsobjektivs positioniert und mit einer vom Beleuchtungssystem bereitgestellten Beleuchtungsstrahlung beleuchtet. Die durch das Muster veränderte Strahlung läuft als Projektionsstrahlung durch das Projektionsobjektiv, welches das Muster auf das zu belichtende, mit einer strahlungsempfindlichen Schicht beschichtete Substrat abbildet.For the production of semiconductor components and other finely structured components, predominantly microlithographic projection exposure methods are used today. In this case, masks (reticles) or other pattern generating means are used, which carry or form the pattern of a structure to be imaged, for. B. a line pattern of a layer (bearing) of a semiconductor device. The pattern is positioned in a projection exposure apparatus between a lighting system and a projection lens in the region of the object surface of the projection lens and illuminated with an illumination radiation provided by the illumination system. The radiation changed by the pattern passes through the projection lens as projection radiation, which images the pattern onto the substrate to be exposed coated with a radiation-sensitive layer.
Das Muster wird mit Hilfe eines Beleuchtungssystems beleuchtet, welches aus der Strahlung einer primären Strahlungsquelle eine auf Muster gerichtete Beleuchtungsstrahlung formt, die durch bestimmte Beleuchtungsparameter gekennzeichnet ist und innerhalb eines Beleuchtungsfeldes definierter Form und Größe auf das Muster auftrifft.The pattern is illuminated by means of an illumination system which forms from the radiation of a primary radiation source a pattern directed illumination radiation characterized by certain illumination parameters and impinging on the pattern within an illumination field of defined shape and size.
In der Regel werden je nach Art der abzubildenden Strukturen unterschiedliche Beleuchtungsmodi (sogenannte Beleuchtungssettings) verwendet, die durch unterschiedliche örtliche Intensitätsverteilung der Beleuchtungsstrahlung in einer Pupillenfläche des Beleuchtungssystems charakterisiert werden können.As a rule, different illumination modes (so-called illumination settings) are used, which can be characterized by different local intensity distribution of the illumination radiation in a pupil surface of the illumination system, depending on the type of structures to be imaged.
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, die gewünschte Intensitätsverteilung der Beleuchtungsstrahlung in einer Pupillenfläche des Beleuchtungssystems bzw. eine entsprechende Winkelverteilung des Beleuchtungslichts im Beleuchtungsfeld einzustellen. Im Allgemeinen hat ein Beleuchtungssystem eine Pupillenformungseinheit zum Empfang von Strahlung einer primären Strahlungsquelle und zur Erzeugung einer Variabel einstellbaren zweidimensionalen Intensitätsverteilung in der Pupillenfläche des Beleuchtungssystems.There are different possibilities to set the desired intensity distribution of the illumination radiation in a pupil surface of the illumination system or a corresponding angular distribution of the illumination light in the illumination field. In general, an illumination system has a pupil shaping unit for receiving radiation from a primary radiation source and for generating a variably adjustable two-dimensional intensity distribution in the pupil surface of the illumination system.
Einige Konzepte sehen vor, in der Pupillenformungseinheit eine steuerbare Spiegelanordnung in Form einer Mehrfachspiegelanordnung (Multi-Mirror-Arrays (MMA)) einzusetzen, die eine Vielzahl einzelner Spiegelelemente aufweist, die von einer gemeinsamen Trägerstruktur getragen sind und die unabhängig voneinander verkippt werden können, um die Winkelverteilung der auf die Gesamtheit der Spiegelelemente fallenden Strahlung gezielt so zu verändern, dass sich in der Pupillenfläche die gewünschte räumliche Beleuchtungsintensitätsverteilung ergibt.Some concepts envisage using in the pupil shaping unit a multi-mirror array (MMA) controllable mirror assembly having a plurality of discrete mirror elements carried by a common support structure that can be independently tilted to selectively change the angular distribution of the radiation incident on the entirety of the mirror elements in such a way that the desired spatial illumination intensity distribution results in the pupil surface.
Um die geometrischen Reflexionseigenschaften einer steuerbaren Spiegelanordnung gezielt einstellen zu können, hat eine steuerbare Spiegelanordnung in der Regel für jedes Spiegelelement eine mit dem Spiegelelement gekoppelte Aktuatoranordnung zur steuerbaren Veränderung der Lage des Spiegelelements relativ zu der die Spiegelelemente tragenden Trägerstruktur. Weiterhin ist eine Steuereinrichtung zur Steuerung von Stellbewegungen der Aktuatoranordnung vorgesehen. In Abwesenheit von Steuersignalen nehmen die Spiegelelemente ihre jeweilige Nullstellung ein. Unter der Kontrolle der Steuereinrichtung kann die Orientierung und/oder die Position der Spiegelfläche des Spiegelelements ausgehend von der Nullstellung gezielt verändert werden. Eine Aktuatoranordnung hat ein oder mehrere gezielt aktivierbare Aktuatorelemente, deren Aktuierung bzw. Aktivierung zur Stellbewegung der Aktuatoranordnung führen.In order to be able to set the geometric reflection properties of a controllable mirror arrangement in a targeted manner, a controllable mirror arrangement generally has, for each mirror element, an actuator arrangement coupled to the mirror element for controllably changing the position of the mirror element relative to the support structure carrying the mirror elements. Furthermore, a control device for controlling actuating movements of the actuator assembly is provided. In the absence of control signals, the mirror elements assume their respective zero position. Under the control of the control device, the orientation and / or the position of the mirror surface of the mirror element can be selectively changed starting from the zero position. An actuator arrangement has one or more selectively activatable actuator elements whose actuation or activation lead to the adjusting movement of the actuator arrangement.
Aus der
Auch im Patent
Die Patentanmeldung US 2008/0100816 A1 zeigt Beleuchtungssysteme für die Mikrolithographie, in denen eine Mehrfachspiegelanordnung eingesetzt wird, deren einzelne Spiegelelemente mit Hilfe piezoelektrischer oder elektrostatischer Aktuatoren verkippt werden können.The patent application US 2008/0100816 A1 shows illumination systems for microlithography, in which a multiple mirror arrangement is used, whose individual mirror elements can be tilted with the aid of piezoelectric or electrostatic actuators.
Die Patentanmeldung US 2006/0103908 A1 zeigt Mehrfachspiegelanordnungen, deren einzelne Spiegelelemente mit Hilfe magnetischer Aktuatoren oder Lorentz-Aktuatoren verkippt werden können.The patent application US 2006/0103908 A1 shows multiple mirror arrays, the individual Mirror elements using magnetic actuators or Lorentz actuators can be tilted.
Das Patent
Die Patentanmeldung
Die
Die Verwendung von Mehrfachspiegelanordnungen in Beleuchtungssystemen für Strahlung aus den extremen Ultraviolettbereich (EUV) ist beispielsweise im Patent
Die Anforderungen an die Genauigkeit der Orientierung der einzelnen Spiegelflächen einer Spiegelanordnung sind besonders bei Anwendungen im Bereich der Mikrolithographie sehr hoch. Typische Anforderungen an die Genauigkeit der Orientierung können sowohl bei Raumtemperatur als auch im erwärmten Zustand während des Betriebs in der Größenordnung von einem oder wenigen Mikroradiant (μrad) liegen (1 Radiant = 1 rad = 180°/π). Diese Winkelgenauigkeit entspricht typischerweise geforderten Positioniergenauigkeiten im Bereich von wenigen Nanometern, wobei diese Genauigkeiten vorzugsweise auch unter dem Einfluss von Temperaturvariationen eingehalten werden sollten, wie sie beispielsweise während des Betriebs einer Projektionsbelichtungsanlage durch die bei der Projektionsbelichtung verwendete elektromagnetische Strahlung erzeugt werden können. Eine Fehlorientierung einzelner oder mehrerer Spiegelflächen einer Spiegelanordnung kann unterschiedliche Ursachen haben. Fehlorientierungen können beispielsweise schon bei der Montage einer Spiegelanordnung innerhalb eines optischen Systems auftreten. Über die Lebensdauer des optischen Systems kann es außerdem aufgrund von wiederholter thermischer Wechselbeanspruchung zu Relaxationseffekten kommen, die eine irrreversible Veränderung der Orientierung bewirken. Während des Betriebs kann es zu reversiblen Fehlorientierungen beispielsweise aufgrund von Temperaturwechseln kommen. Fehlorientierungen der Spiegelflächen beeinflussen das geometrische Reflexionsverhalten der Spiegelanordnung und können sich z. B. nachteilig auf die Winkelverteilung der Strahlung in dem von der Spiegelanordnung reflektierten Strahlbündel auswirken.The requirements for the accuracy of the orientation of the individual mirror surfaces of a mirror arrangement are very high, especially in applications in the field of microlithography. Typical requirements for the accuracy of the orientation can be on the order of one or a few microradians (μrad) both at room temperature and in the heated state during operation (1 radian = 1 rad = 180 ° / π). This angular accuracy typically corresponds to required positioning accuracies in the range of a few nanometers, wherein these accuracies should preferably also be maintained under the influence of temperature variations, such as may be generated during the operation of a projection exposure apparatus by the electromagnetic radiation used in the projection exposure. A misorientation of one or more mirror surfaces of a mirror arrangement can have different causes. Misorientations may already occur, for example, during assembly of a mirror arrangement within an optical system. Also, over the life of the optical system, due to repetitive thermal cycling, relaxation effects can occur which cause an irreversible change in orientation. During operation, there may be reversible misalignments, for example due to temperature changes. Misorientations of the mirror surfaces affect the geometrical reflection behavior of the mirror arrangement and can, for. B. adversely affect the angular distribution of the radiation in the reflected beam from the mirror array.
Es besteht daher ein Bedarf nach steuerbaren Spiegelanordnungen, die auf Dauer eine möglichst exakte Einstellung der geometrisch-optischen Eigenschaften eines durch die Spiegelanordnung beeinflussten Strahlbündels erlauben.There is therefore a need for controllable mirror arrangements which permit, in the long term, the most exact possible adjustment of the geometric-optical properties of a beam bundle influenced by the mirror arrangement.
AUFGABE UND LOSUNGTASK AND SOLUTION
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine steuerbare Mehrfachspiegelanordnung bereitzustellen, bei der die oben beschriebenen Probleme vermindert oder vermieden werden können. Insbesondere sollen Nachteile vermieden oder vermindert werden, die sich aus Fehlstellungen von Spiegelelementen ergeben können.It is an object of the invention to provide a multi-mirror controllable arrangement in which the problems described above can be reduced or avoided. In particular, disadvantages should be avoided or reduced, which may result from misalignments of mirror elements.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung eine steuerbare Mehrfachspiegelanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Weiterhin wird ein optisches System mit einer steuerbaren Mehrfachspiegelanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 12 und ein Verfahren zum Betreiben einer steuerbaren Mehrfachspiegelanordnung mit den Merkmalen von Anspruch 14 bereitgestellt.To achieve this object, the invention provides a controllable multi-mirror arrangement with the features of claim 1. Furthermore, an optical system with a controllable multi-mirror arrangement with the features of claim 12 and a method for operating a controllable multi-mirror arrangement with the features of claim 14 are provided.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.Advantageous developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated herein by reference.
Eine steuerbare Mehrfachspiegelanordnung gemäß der beanspruchten Erfindung hat eine Trägerstruktur, die eine Vielzahl von individuellen Spiegelelementen trägt. Ein Spiegelelement hat ein Spiegelsubstrat, welches eine mit einer Reflexionsbeschichtung beschichtete Vorderfläche und eine der Vorderfläche in einem Abstand gegenüberliegende Rückfläche aufweist, die der Trägerstruktur zugewandt ist. Die mit Reflexionsbeschichtung beschichtete Vorderfläche bildet die (reflektierende) Spiegelfläche des einzelnen Spiegelelements. Die Vorderfläche bzw. Spiegelfläche kann eben sein, so dass das Spiegelelement einen Planspiegel bildet. Die Vorderfläche kann auch in einer oder mehreren Richtungen konvex oder konkav gekrümmt sein. Die Vorderfläche ist mit optischer Qualität präpariert und trägt die Reflexionsbeschichtung, deren Material bzw. Materialkombination und Aufbau die optischen Reflexionseigenschaften des Spiegelelements, insbesondere dessen Reflexionsgrad, bestimmt. Die Reflexionsbeschichtung kann beispielsweise so aufgebaut sein, dass sie für Strahlung aus dem extremen Ultraviolettbereich (EUV) einen hohen Reflexionsgrad besitzt. Es kann sich auch um eine im tiefen Ultraviolettbereich (DUV) reflektierend wirkende Reflexionsbeschichtung handeln.A multi-level controllable mirror assembly according to the claimed invention has a support structure supporting a plurality of individual mirror elements. A mirror element has a mirror substrate having a front surface coated with a reflective coating and a rear surface spaced from the front surface at a distance facing the support structure. The reflection-coated front surface forms the (reflective) mirror surface of the single mirror element. The front surface or mirror surface may be flat, so that the mirror element forms a plane mirror. The front surface may also be convex or concave in one or more directions. The front surface is prepared with optical quality and carries the reflection coating whose material or material combination and structure determines the optical reflection properties of the mirror element, in particular its reflectance. For example, the reflective coating may be constructed to have a high reflectance for extreme ultraviolet (EUV) radiation. It may also be a deep ultraviolet (DUV) reflection reflective coating.
Zur Spiegelanordnung gehört eine Temperiereinrichtung zur Erzeugung eines lateralen, stationären Temperaturgradienten in einer zwischen der Vorderfläche und der Rückfläche liegenden temperierbaren Zone des Substrats als Antwort auf Signale einer Steuereinrichtung. Der Begriff „lateraler Temperaturgradient” bezeichnet hierbei einen Temperaturgradienten bzw. ein Temperaturgefälle, dessen wesentliche Komponente bzw. dessen Temperaturgradientenvektor zumindest näherungsweise senkrecht zu einer Flächennormalen der Vorderfläche gerichtet ist. Der Temperaturgradient kann durch einen Wärmestrom erzeugt und/oder aufrecht erhalten werden, dessen Stromrichtung im Wesentlichen parallel zur Vorderfläche verläuft. Die Temperiereinrichtung ist dabei so ausgelegt, dass innerhalb des Spiegelsubstrats ein thermisches Ungleichgewicht in Lateralrichtung (Querrichtung) aktiv aufrecht erhalten werden kann. Hierzu kann beispielsweise eine Seite des Spiegelsubstrats stark aufgeheizt werden, während die gegenüberliegende Seite nur schwach oder gar nicht aufgeheizt oder sogar abgekühlt wird. In diesem Fall stellt sich ein Temperaturgefälle bzw. ein Temperaturgradient von der wärmeren zur kälteren Seite ein. Aufgrund der thermischen Ausdehnung des Substratmaterials ergibt sich innerhalb der temperierbaren Zone auf der wärmeren Seite eine stärkere thermische Ausdehnung als auf der kälteren Seite, wobei das Ausmaß der thermischen Ausdehnung von der wärmeren zur kälteren Seite ohne Sprünge kontinuierlich abnimmt. Die ungleichmäßige thermische Ausdehnung im Bereich der temperierbaren Zone bewirkt, dass sich die Gestalt des Spiegelsubstrats in einer durch Vorgabe des Temperaturgradienten definierbaren Weise verändert, wobei sich in erster Näherung eine globale Verkippung der Vorderfläche des Spiegelsubstrats gegenüber der Rückfläche um eine (virtuelle) Kippachse ergibt, die im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Wärmestroms und mehr oder weniger senkrecht zu einer Flächennormalen der Vorderfläche verläuft. Diese thermisch induzierte Gestaltänderung des Spiegelsubstrats ist vollständig reversibel und prinzipiell mit reproduzierbarem Ergebnis beliebig oft wiederholbar.The mirror arrangement includes a tempering device for generating a lateral, stationary temperature gradient in a temperature-controllable zone of the substrate lying between the front surface and the rear surface in response to signals of a control device. The term "lateral temperature gradient" here denotes a temperature gradient or a temperature gradient whose essential component or its temperature gradient vector is directed at least approximately perpendicular to a surface normal of the front surface. The temperature gradient can be generated and / or maintained by a heat flow whose current direction is substantially parallel to the front surface. The tempering device is designed so that within the mirror substrate, a thermal imbalance in the lateral direction (transverse direction) can be actively maintained. For this purpose, for example, one side of the mirror substrate can be strongly heated, while the opposite side is only slightly or not heated or even cooled. In this case, a temperature gradient or a temperature gradient sets in from the warmer to the colder side. Due to the thermal expansion of the substrate material results within the temperature-controlled zone on the warmer side, a greater thermal expansion than on the colder side, the extent of thermal expansion from the warmer to the colder side without cracks decreases continuously. The non-uniform thermal expansion in the region of the temperature-controllable zone causes the shape of the mirror substrate to change in a manner that can be defined by specifying the temperature gradient, resulting in a first approximation global tilting of the front surface of the mirror substrate with respect to the rear surface about a (virtual) tilting axis, which is substantially perpendicular to the direction of heat flow and more or less perpendicular to a surface normal of the front surface. This thermally induced change in shape of the mirror substrate is completely reversible and, in principle, repeatable as often as desired with a reproducible result.
Durch Einstellung eines stationären Temperaturgradienten innerhalb des Spiegelsubstrats können somit räumlich getrennte Bereiche unterschiedlich stark thermisch expandieren, so dass sich eine effektive Verkippung bzw. Rotation der als Spiegelfläche dienenden Vorderfläche in Bezug auf die Rückfläche ergibt. Die Korrelation zwischen der Orientierung des Temperaturgradienten und der daraus resultierenden Verkippung der Vorderfläche gegenüber der Rückfläche ist im Wesentlichen durch die Systemgeometrie, durch das Substratmaterial und durch und die Art der asymmetrischen Einbringung von Wärmeenergie in das Spiegelsubstrat bestimmt.By setting a stationary temperature gradient within the mirror substrate, spatially separated areas can thus thermally expand to different extents, resulting in effective tilting or rotation of the front surface serving as a mirror surface with respect to the rear surface. The correlation between the orientation of the temperature gradient and the resulting tilt of the front surface relative to the back surface is determined essentially by the system geometry, by the substrate material and by and the type of asymmetric introduction of heat energy into the mirror substrate.
Um auch bei moderaten Temperaturgradienten eine ausreichend starke Verkippung der Spiegelfläche gegenüber der Rückfläche zu erreichen, ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, dass das Spiegelsubstrat mindestens im Bereich der temperierbaren Zone aus einem Substratmaterial besteht, welches bei Raumtemperatur (20°C) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von mindestens 1·10–6K–1 hat. Vorzugsweise werden Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von mindestens 10·10–6K–1 verwendet. Als Substratmaterial kann beispielsweise ein Halbleiterwerkstoff, wie z. B. Silizium, oder Siliziumkarbid, oder ein metallischer Werkstoff, wie z. B. Aluminium, Wolfram oder Kupfer, verwendet werden. Bei Verwendung gut wärmeleitungsfähiger Materialien kann erreicht werden, dass bei Aufheizung von Temperierelementen die Temperatur an der mit einer ggf. temperaturempfindlichen Reflexionsbeschichtung belegten Vorderfläche nicht über eine tolerierbare Temperaturgrenze von z. B. 200°C steigt. Hohe thermische Ausdehnungskoeffizienten tragen dazu bei, dass auch bei relativ moderaten Temperaturdifferenzen Verkippungen ausreichender Größe erzielbar sind.In order to achieve a sufficiently strong tilting of the mirror surface with respect to the rear surface even at moderate temperature gradients, it is provided in some embodiments that the mirror substrate consists at least in the region of the temperature-controllable zone of a substrate material which at room temperature (20 ° C) has a thermal expansion coefficient of at least 1 · 10 -6 K -1 . Preferably, materials having good thermal conductivity and a thermal expansion coefficient of at least 10 × 10 -6 K -1 are used. As a substrate material, for example, a semiconductor material, such. As silicon, or silicon carbide, or a metallic material such. As aluminum, tungsten or copper can be used. When using materials with good thermal conductivity can be achieved that when heating of tempering the temperature at the occupied with a possibly temperature-sensitive reflection coating front surface does not exceed a tolerable temperature limit of z. B. 200 ° C increases. High thermal expansion coefficients contribute to the fact that tilting of sufficient size can be achieved even at relatively moderate temperature differences.
Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Substratdimensionen, das Substratmaterial und die Temperiereinrichtung derart aufeinander abgestimmt, dass für die thermisch induzierte Verkippung eine Sensitivität S in der Größenordnung von 1 μrad/K erzielt wird. Bei einer Sensitivität S = 1 μrad/K erzeugt eine Temperaturdifferenz ΔT = 1 K zwischen gegenüberliegenden Seiten des Substrats eine Verkippung der Vorderfläche um 1 μrad. Vorzugsweise liegt die Sensitivität S im Bereich zwischen 0.3 μrad/K und 90 μrad/K, insbesondere zwischen 1 μrad/K und 30 μrad/K.In preferred embodiments, the substrate dimensions, the substrate material and the tempering device are matched to one another such that a sensitivity S of the order of magnitude of 1 μrad / K is achieved for the thermally induced tilting. At a sensitivity S = 1 μrad / K, a temperature difference ΔT = 1 K between opposite sides of the substrate produces a tilt of the front surface of 1 μrad. The sensitivity S is preferably in the range between 0.3 μrad / K and 90 μrad / K, in particular between 1 μrad / K and 30 μrad / K.
Vorzugsweise liegt zwischen der temperierbaren Zone und der Vorderfläche ein durch die Temperiereinrichtung im Wesentlichen nicht temperierbarer Zwischenbereich. Der durch die Temperiereinrichtung erzeugte Wärmestrom läuft bei Abwesenheit weiterer Wärmequellen oder Wärmesenken im Wesentlichen innerhalb der temperierbaren Zone, so dass kaum Wärme in benachbarte Zonen abfließt. Wenn zwischen der temperierbaren Zone und der Vorderfläche ein ausreichend großer Zwischenbereich liegt, dessen Seitenflächen nicht beheizt werden, kann erreicht werden, dass die Form der Vorderfläche durch die Temperierung praktisch nicht verändert wird. Es kommt also nicht zu thermisch induzierten Deformationen der als Spiegelfläche dienenden Vorderfläche, so dass sich die Veränderung der Wirkung des erwärmten Spiegelelementes ausschließlich aus der Änderung der Orientierung der verspiegelten Vorderfläche ergibt. Die temperierbare Zone kann z. B. mittig zwischen der Vorderfläche und der Rückfläche liegen, ggf. auch näher an der Rückfläche als an der Vorderfläche.Preferably, between the temperature-controllable zone and the front surface is not substantially by the tempering temperature-controlled intermediate area. The heat flow generated by the tempering device runs in the absence of further heat sources or heat sinks substantially within the temperature-controlled zone, so that hardly any heat flows into adjacent zones. If there is a sufficiently large intermediate region between the temperature-controllable zone and the front surface, the side surfaces of which are not heated, it can be achieved that the shape of the front surface is practically unchanged by the temperature control. It does not come to thermally induced deformations of serving as a mirror surface front surface, so that the change in the effect of the heated mirror element exclusively results from the change in the orientation of the mirrored front surface. The temperature-controlled zone can, for. B. located centrally between the front surface and the rear surface, possibly also closer to the rear surface than on the front surface.
Bei manchen Ausführungsformen ist eine Kühleinrichtung zur aktiven Kühlung der Trägerstruktur vorgesehen. Die Trägerstruktur kann beispielsweise Kühlmittelkanäle enthalten, durch die ein flüssiges oder gasförmiges Kühlfluid geleitet wird, um Wärme aus der Trägerstruktur abzuleiten. Auch eine elektrische Kühlung mittels Peltier-Elementen oder dergleichen ist möglich. Bei ausreichend gutem Wärmeleitungskontakt zwischen dem Spiegelsubstrat und der Trägerstruktur wirkt die Trägerstruktur damit als Wärmesenke und es wird Wärme aus dem Spiegelsubstrat von der Vorderfläche weg in Richtung Rückfläche abgeleitet. Die Kühleinrichtung bewirkt im Zusammenspiel mit der Temperiereinrichtung, dass die durch die Temperiereinrichtung gegebenenfalls eingebrachte Wärme vorwiegend in Richtung Rückfläche des Spiegelsubstrats abfließt, so dass die asymmetrische Deformation der Vorderfläche durch die Temperiereinrichtung vernachlässigbar ist. Außerdem trägt die Kühleinrichtung dazu bei, aus dem Spiegelsubstrat Wärme abzuziehen, die sich aufgrund von Absorption der auf die Reflexionsbeschichtung auftreffenden Strahlung im Bereich der spiegelnden Vorderseite des Spiegelelementes ergeben kann. Dies kann zur Langzeitstabilität der optischen Eigenschaften des Spiegelelementes beitragen.In some embodiments, a cooling device is provided for actively cooling the support structure. The support structure may include, for example, coolant channels through which a liquid or gaseous cooling fluid is passed to dissipate heat from the support structure. An electric cooling by means of Peltier elements or the like is possible. With sufficiently good heat conduction contact between the mirror substrate and the support structure, the support structure thus acts as a heat sink and heat is dissipated from the mirror substrate away from the front surface toward the rear surface. The cooling device, in interaction with the tempering device, causes the heat optionally introduced by the tempering device to flow away predominantly in the direction of the rear surface of the mirror substrate, so that the asymmetrical deformation of the front surface by the tempering device is negligible. In addition, the cooling device helps to remove heat from the mirror substrate, which may result from absorption of the radiation incident on the reflective coating in the region of the reflective front side of the mirror element. This can contribute to the long-term stability of the optical properties of the mirror element.
Das Spiegelsubstrat kann direkt mit der Trägerstruktur verbunden sein, vorzugsweise flächig. Es kann aus dem gleichen Material wie die Trägerstruktur bestehen und ggf. einstückig (integral) mit dieser ausgebildet sein. Eine integrale Ausgestaltung erlaubt einen besonders guten Wärmeübergang zwischen Spiegelsubstrat und Trägerstruktur. Die Spiegelanordnung kann beispielsweise durch einen Lithographieprozess hergestellt sein. Bei manchen Ausführungsformen ist zwischen der Trägerstruktur und dem Spiegelsubstrat eine thermisch leitende Zwischenstruktur angeordnet. Diese kann als thermisch/mechanische Schnittstelle zwischen dem Material der Trägerstruktur und dem ggf. davon abweichenden Material des Spiegelsubstrats dienen. Die Zwischenstruktur sollte einen möglichst guten Wärmeübergang zwischen Spiegelsubstrat und Trägerstruktur erlauben, sie ist daher bevorzugt flächig ausgedehnt. Mit Hilfe einer Zwischenstruktur ist bei manchen Ausführungsformen bei der Herstellung der Spiegelanordnung eine Justage der Orientierung des Spiegelsubstrats relativ zur Trägerstruktur möglich, bevor das Spiegelsubstrat an der Trägerstruktur fixiert wird. Die Zwischenstruktur kann z. B. eine Klebeschicht oder eine Lotschicht enthalten oder durch eine solche gebildet sein. Es kann auch eine mechanische Fixierungsstruktur vorgesehen sein, die die Kontaktfläche zur Trägerstruktur maximiert. Die Zwischenstruktur kann alternativ oder zusätzlich eine justierbare mechanische Gelenkanordnung aufweisen.The mirror substrate can be connected directly to the carrier structure, preferably flat. It may be made of the same material as the support structure and possibly integrally formed therewith. An integral design allows a particularly good heat transfer between mirror substrate and support structure. The mirror arrangement can be produced for example by a lithography process. In some embodiments, a thermally conductive intermediate structure is disposed between the support structure and the mirror substrate. This can serve as a thermal / mechanical interface between the material of the support structure and the possibly deviating material of the mirror substrate. The intermediate structure should allow the best possible heat transfer between mirror substrate and support structure, it is therefore preferably extended flat. With the aid of an intermediate structure, in some embodiments during the production of the mirror arrangement, an adjustment of the orientation of the mirror substrate relative to the carrier structure is possible before the mirror substrate is fixed to the carrier structure. The intermediate structure may, for. As an adhesive layer or a solder layer or be formed by such. It may also be provided a mechanical fixation structure that maximizes the contact surface to the support structure. The intermediate structure may alternatively or additionally comprise an adjustable mechanical hinge arrangement.
Die Temperiereinrichtung kann auf unterschiedliche Weise aufgebaut sein. Bei manchen Ausführungsformen hat das Spiegelsubstrat Seitenflächen und an mindestens einer der Seitenflächen ist im Bereich der temperierbaren Zone ein elektrothermischer Wandler vorgesehen. Der Begriff „elektrothermischer Wandler” bezeichnet hierbei ein mit Hilfe von elektrischem Strom aufheizbares oder abkühlbares Temperierelement. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Widerstandsheizelement oder um ein Peltier-Element handeln. Während bei einem Widerstandsheizelement ein hindurchgeleiteter Gleich- oder Wechselstrom zu einer Aufheizung (Temperaturerhöhung) führt, kann ein Peltier-Element je nach Polung der anliegenden Spannung wahlweise als Heizelement (zur Temperaturerhöhung) oder als Kühlelement (zur Temperaturerniedrigung) dienen. Vorzugsweise besteht zwischen dem elektrothermischen Wandler und der Seitenfläche des Spiegelsubstrats ein flächiger Kontakt, so dass über die Kontaktfläche pro Zeiteinheit große Wärmemengen in das Spiegelsubstrat eingeleitet werden beziehungsweise aus dem Spiegelsubstrat abgezogen werden können.The tempering device can be constructed in different ways. In some embodiments, the mirror substrate has side surfaces and at least one of the side surfaces in the region of the temperature-controlled zone, an electrothermal transducer is provided. The term "electrothermal transducer" refers to a tempering element which can be heated or cooled by means of electric current. This may be, for example, a resistance heating element or a Peltier element. Whereas in a resistance heating element a direct or alternating current passed through leads to heating (temperature increase), a Peltier element can optionally serve as a heating element (for increasing the temperature) or as a cooling element (for lowering the temperature), depending on the polarity of the applied voltage. Preferably, there is a flat contact between the electrothermal transducer and the side surface of the mirror substrate, so that large amounts of heat are introduced into the mirror substrate per unit time or can be removed from the mirror substrate via the contact surface.
Vorzugsweise sind elektrothermische Wandler paarweise am Spiegelsubstrat angebracht, wobei ein erster elektrothermischer Wandler eines ersten Paares an einer ersten Seitenfläche und ein zweiter elektrothermischer Wandler des ersten Paares an einer in einer ersten Richtung gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche angeordnet ist. Hierdurch ist der Wärmefluss im Bereich zwischen den elektrothermischen Wandlern besonders gut steuerbar und es können durch gezielte Aufheizung und/oder Abkühlung der elektrothermischen Wandler eines Paares verschieden starke Temperaturgradienten entlang der ersten Richtung eingestellt werden.Preferably, electrothermal transducers are mounted in pairs on the mirror substrate, wherein a first electrothermal transducer of a first pair is disposed on a first side surface and a second electrothermal transducer of the first pair is disposed on a second side surface opposite in a first direction. As a result, the heat flow in the region between the electrothermal transducers is particularly well controlled and it can be adjusted by targeted heating and / or cooling of the electrothermal transducer of a pair different degrees of temperature along the first direction.
Vorzugsweise ist mindestens ein zweites Paar elektrothermischer Wandler vorgesehen, die an gegenüberliegenden Seitenflächen des Spiegelsubstrats angeordnet sind in einer zweiten Richtung, die quer, insbesondere senkrecht zu der durch das erste Paar von elektrothermischen Wandlern definierten ersten Richtung verläuft. Die Wandler der Paare sind unabhängig voneinander ansteuerbar. Hierdurch sind zwei oder mehr unterschiedlich orientierte virtuelle Kippachsen möglich, so dass die Vorderfläche praktisch in beliebige Richtungen gegenüber der Rückfläche schräg gestellt werden kann.Preferably, at least a second pair of electrothermal transducers are provided on opposite side surfaces of the Mirror substrate are arranged in a second direction which is transverse, in particular perpendicular to the first direction defined by the first pair of electrothermal transducers. The converters of the pairs can be controlled independently of each other. As a result, two or more differently oriented virtual tilting axes are possible, so that the front surface can be tilted in virtually any direction relative to the rear surface.
Bei manchen Ausführungsformen ist die Wirkung der Kühleinrichtung der Trägerstruktur ausreichend, um die Orientierung des Spiegelsubstrats ausschließlich durch die Verwendung von elektrothermischen Wandlern ohne Wärmesenkefunktionalität zu ermöglichen. Bei solchen Ausführungsformen ist eine paarweise Anordnung der Wandler nicht erforderlich. Für eine beliebige Kontrolle der Orientierung der Spiegelsubstrate können drei oder mehr Wandler verwendet werden.In some embodiments, the effect of the cooling means of the support structure is sufficient to allow the orientation of the mirror substrate solely by the use of electrothermal transducers without heat sink functionality. In such embodiments, a paired arrangement of the transducers is not required. For any control of the orientation of the mirror substrates, three or more transducers can be used.
Die Temperiereinrichtung kann die einzige Manipulatoreinrichtung zur Beeinflussung der Orientierung der reflektierenden Vorderflächen der Spiegelelemente der Spiegelanordnung sein. Bei Aktivierung der Temperiereinrichtung kann für jede Spiegelfläche deren Orientierung mit hoher Genauigkeit im μrad-Bereich eingestellt werden. Hierdurch ist beispielsweise eine Feinjustage der einzelnen Spiegelflächen der Spiegelanordnung relativ zueinander möglich. Auf diese Weise kann beispielsweise eine gewünschte Reflexionsgeometrie der gesamten Spiegelanordnung eingestellt und auf Dauer aufrecht erhalten werden. Es ist auch möglich, mit Hilfe der Temperiereinrichtung die relativen Orientierungen der Spiegelflächen der Spiegelelemente dynamisch zu verändern. Beispielsweise sind bei Spiegelsubstraten mit typischen lateralen Dimensionen zwischen 1 mm und 10 mm Relaxationszeiten bzw. Schaltzeiten zwischen 1 sec und 10 sec bei Bedarf ohne weiteres realisierbar.The tempering device may be the only manipulator device for influencing the orientation of the reflective front surfaces of the mirror elements of the mirror arrangement. Upon activation of the tempering device, its orientation can be adjusted with high accuracy in the μrad range for each mirror surface. This makes it possible, for example, a fine adjustment of the individual mirror surfaces of the mirror assembly relative to each other. In this way, for example, a desired reflection geometry of the entire mirror arrangement can be set and maintained for a long time. It is also possible, with the aid of the tempering device, to dynamically change the relative orientations of the mirror surfaces of the mirror elements. For example, in the case of mirror substrates having typical lateral dimensions of between 1 mm and 10 mm, relaxation times or switching times of between 1 sec and 10 sec can easily be achieved if necessary.
Bei manchen Ausführungsformen reicht es zur Erzielung der geforderten Orientierungsgenauigkeiten aus, die Temperiereinrichtung auf Basis von Vorgabewerten, beispielsweise aus einer lookup-Tabelle, zu steuern (open loop control). Bei anderen Ausführungsformen ist die Mehrfachspiegelanordnung in einen Regelkreis eingebunden, mit dem die Einstellung der gewünschten Orientierung einzelnen Spiegelflächen der Spiegelelemente überwacht und reguliert werden kann. Hierzu ist bei manchen Ausführungsformen eine mit der Steuereinrichtung verbundene Messeinrichtung zur Bestimmung der Orientierung der Vorderfläche und zur Erzeugung von die Orientierung der Vorderfläche repräsentierenden Messsignalen vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung dafür konfiguriert ist, die Temperiereinrichtung auf Basis der Messsignale zu steuern. Hierdurch ist eine exakte Orientierung der einzelnen Spiegelelemente auch unter wechselnden Betriebsbedingungen möglich.In some embodiments, to achieve the required orientation accuracies, it is sufficient to control the tempering device on the basis of default values, for example from a lookup table (open loop control). In other embodiments, the multi-mirror assembly is incorporated into a control loop with which the adjustment of the desired orientation of individual mirror surfaces of the mirror elements can be monitored and regulated. For this purpose, in some embodiments, a measuring device connected to the control device is provided for determining the orientation of the front surface and for generating measurement signals representing the orientation of the front surface, wherein the control device is configured to control the tempering device on the basis of the measurement signals. As a result, an exact orientation of the individual mirror elements is possible even under changing operating conditions.
Die Mehrfachspiegelanordnung kann insgesamt als Planspiegel ausgelegt sein. In diesem Fall liegen die Spiegelflächen aller Spiegelelemente bei ausgeschalteter Temperiereinrichtung möglichst genau in einer gemeinsamen Ebene. Die Trägerstruktur kann eine Planfläche zum Tragen der Spiegelelemente haben. Es ist auch möglich, die Mehrfachspiegelanordnung insgesamt als gekrümmten Spiegel auszulegen, bei dem die Gesamtheit alle Spiegelflächen nominell auf einer gemeinsamen konkav oder konvex gekrümmten Fläche liegt. In jedem Fall können Dejustagen aus der Soll-Orientierung mittels der Temperiereinrichtung korrigiert werden.The multiple mirror arrangement can be designed overall as a plane mirror. In this case, the mirror surfaces of all mirror elements are as accurately as possible in a common plane when the tempering device is switched off. The support structure may have a plane surface for supporting the mirror elements. It is also possible to design the multi-mirror arrangement as a whole as a curved mirror, in which the entirety of all the mirror surfaces is nominally on a common concave or convex curved surface. In any case, misalignments can be corrected from the desired orientation by means of tempering.
Die Erfindung betrifft auch ein optisches System mit einer Vielzahl optischer Elementen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das optische System mindestens eine Mehrfachspiegelanordnung der in dieser Anmeldung beschriebenen Art enthält. Das optische System kann z. B. ein optisches System für eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie sein. Insbesondere kann es sich um das Beleuchtungssystem einer Projektionsbelichtungsanlage handeln. Die Spiegelanordnung kann als Element einer Pupillenformungseinheit als ortsauflösende Lichtmodulationseinrichtung dazu beitragen, in einer Pupillenfläche des Beleuchtungssystems eine vorgebbare örtliche Beleuchtungsintensitätsverteilung einzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann die Spiegelanordnung z. B. auch als Facettenspiegel mit nominell unveränderlicher relativer Orientierung der Einzelspiegel genutzt werden.The invention also relates to an optical system having a plurality of optical elements, characterized in that the optical system includes at least one multiple mirror array of the type described in this application. The optical system can, for. Example, be an optical system for a projection exposure system for microlithography. In particular, it may be the illumination system of a projection exposure apparatus. The mirror arrangement, as an element of a pupil shaping unit as a spatially resolving light modulating device, can contribute to setting a predefinable local illumination intensity distribution in a pupil surface of the illumination system. Alternatively or additionally, the mirror arrangement z. B. also be used as a facet mirror with nominally invariable relative orientation of the individual mirror.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer steuerbaren Spiegelanordnung, die eine Trägerstruktur aufweist, welche eine Vielzahl von individuellen Spiegelelementen trägt, wobei ein Spiegelelement ein Spiegelsubstrat aufweist, das eine mit einer Reflexionsbeschichtung beschichtete Vorderfläche und eine der Vorderfläche in einem Abstand gegenüberliegende Rückfläche aufweist, die der Trägerstruktur zugewandt ist. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Erzeugung eines lateralen stationären Temperaturgradienten in einer zwischen der Vorderfläche und der Rückfläche liegenden temperierbaren Zone des Substrats als Antwort auf Signale einer Steuereinrichtung.The invention also relates to a method of operating a steerable mirror assembly having a support structure supporting a plurality of individual mirror elements, a mirror element comprising a mirror substrate having a front surface coated with a reflective coating and a rear surface spaced from the front surface, which faces the support structure. The method is characterized by the creation of a lateral stationary temperature gradient in a temperature-controllable zone of the substrate located between the front surface and the back surface in response to signals from a controller.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.These and other features will become apparent from the claims but also from the description and drawings, wherein the individual features each alone or more in the form of sub-combinations in an embodiment of the invention and in other fields be realized and advantageous and protectable Can represent versions. embodiments are shown in the drawings and are explained in more detail below.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS
In
Jedes der Spiegelelemente hat ein quaderförmiges Spiegelsubstrat
Die Vorderfläche ist mit optischer Qualität, d. h. mit sehr geringer Rautiefe bearbeitet und mit einer Mehrlagen-Reflexionsbeschichtung
Die Spiegelsubstrate sind im Beispielsfall nicht direkt an der Trägerstruktur
Die Trägerstruktur
Die mit Reflexionsbeschichtung versehenen Vorderflächen der Spiegelsubstrate bilden die jeweils quadratischen Spiegelflächen der Spiegelanordnung. Diese Spiegelflächen sind nach Art einer zweidimensionalen Matrix in Form von Reihen und Spalten weitgehend flächenfüllend über eine größere Fläche verteilt, wobei jeweils zwischen benachbarten Spiegelflächen kleine Abstände in der Größenordnung von einigen Mikrometern verbleiben können. Die verspiegelten Vorderflächen (Spiegelflächen) bilden in ihrer Gesamtheit eine facettierte Spiegeloberfläche bzw. einen Facettenspiegel, dessen geometrische Reflexionseigenschaften durch die Orientierung der einzelnen Spiegelflächen bestimmt werden.The reflective surfaces provided with the front surfaces of the mirror substrates form the respective square mirror surfaces of the mirror assembly. These mirror surfaces are distributed in the manner of a two-dimensional matrix in the form of rows and columns largely full-surface over a larger area, each between adjacent mirror surfaces small distances on the order of a few micrometers can remain. The mirrored front surfaces (mirror surfaces) in their entirety form a faceted mirror surface or a facet mirror whose geometrical reflection properties are determined by the orientation of the individual mirror surfaces.
Die Anzahl der Spiegelelemente (Einzelspiegel bzw. Facetten) kann abhängig von der Anwendung variieren. Es können z. B. zwischen 1000 und 10000 individuelle Spiegelelemente vorgesehen sein, ggf. aber auch wesentlich mehr, z. B. zwischen 50000 und 1 Million oder mehr, oder weniger als 1000, z. B. zwischen 100 und 1000.The number of mirror elements (individual mirrors or facets) may vary depending on the application. It can z. B. between 1000 and 10000 individual mirror elements may be provided, but possibly much more, z. B. between 50000 and 1 million or more, or less than 1000, z. B. between 100 and 1000.
Die Orientierung der einzelnen ebenen Spiegelflächen kann im Beispielsfall durch die Orientierung ihrer jeweiligen Flächennormalen
Bei jedem der Spiegelelemente kann die Orientierung der reflektierenden Vorderfläche relativ zu der der Trägerstruktur
Die Temperiereinrichtung ist eine thermoelektrische Einrichtung, die in der Lage ist, in einer zwischen der Vorderfläche
An den beiden entlang einer ersten Richtung (x-Richtung) gegenüberliegenden Seitenflächen sind jeweils Widerstandsheizelemente WX1 bzw. WX2 aufgebracht, die ein erstes Paar von elektrothermischen Wandlern bilden. An den senkrecht dazu orientierten, entlang einer zweiten Richtung (y-Richtung) gegenüberliegenden Spiegelflächen sind zwei weitere elektrothermische Wandler in Form von flächigen Widerstandsheizelementen WY1 bzw. WY2 aufgebracht, die gemeinsam ein zweites Paar von elektrothermischen Wandlern bilden. Die großflächig auf den Seitenflächen aufgebrachten Widerstandsheizelemente haben im Beispielsfall jeweils eine flache Rechteckform und erstrecken sich jeweils im Wesentlichen über die gesamte Breite der Seitenflächen, während die Höhe der elektrothermischen Wandler (gemessen parallel zur z-Richtung) nur einem Bruchteil der Höhe des Spiegelsubstrats entspricht, beispielsweise maximal 50% oder maximal 30%. Die elektrothermischen Wandler sind im Beispielsfall etwa mittig zwischen der Vorderfläche und der Rückfläche angebracht. Die temperierbare Zone
Zwischen der temperierbaren Zone
Die Funktion dieser Anordnung wird nun vor allem im Zusammenhang mit
Bei dem links gezeigten Spiegelelement
Soll nun die Orientierung der reflektierenden Vorderfläche eines Spiegelelements relativ zur Rückfläche geändert werden, so wird das Spiegelsubstrat dieses Spiegelelements mit Hilfe der zugeordneten Temperiereinrichtung asymmetrisch aufgeheizt. Im Beispielsfall des rechts gezeigten Spiegelelementes
Der laterale Temperaturgradient innerhalb der temperierbaren Zone führt zu einer asymmetrischen thermischen Ausdehnung des Substratmaterials im Bereich der temperierbaren Zone. Dabei ist das Ausmaß an thermischer Ausdehnung in der Nähe des heißeren elektrothermischen Wandlers WX1 besonders stark und nimmt in Richtung der gegenüberliegenden Seite kontinuierlich ab. Durch die in alle Raumrichtungen wirkende thermisch induzierte Ausdehnung des Substratmaterials wird die der wärmeren Seite (nahe WX1) zugeordnete Seite der reflektierenden Spiegelfläche gegenüber der gegenüberliegenden Seite angehoben, so dass sich eine Verkippung der spiegelnden Vorderfläche gegenüber der ortsfest verbleibenden Rückfläche einstellt. Die zu dieser Verkippung gehörende virtuelle Kippachse verläuft im Wesentlichen senkrecht zu dem erzeugten Temperaturgradienten, d. h. parallel zur y-Richtung.The lateral temperature gradient within the temperature-controllable zone leads to an asymmetric thermal expansion of the substrate material in the region of the temperature-controllable zone. In this case, the amount of thermal expansion in the vicinity of the hotter electrothermal transducer WX1 is particularly strong and decreases continuously in the direction of the opposite side. By acting in all spatial directions thermally induced expansion of the substrate material of the warmer side (near WX1) associated side of the reflective mirror surface is raised relative to the opposite side, so that adjusts a tilting of the reflective front surface relative to the stationary remaining rear surface. The virtual tilt axis associated with this tilt substantially perpendicular to the generated temperature gradient, d. H. parallel to the y-direction.
In entsprechender Weise kann auch eine Verkippung der spiegelnden Vorderfläche in die Gegenrichtung erzeugt werden. Es ist auch möglich, eine Verkippung der Spiegelfläche um eine parallel zur x-Richtung gerichtete virtuelle Kippachse erzeugt werden. Hierzu werden mit Hilfe der Steuereinrichtung die beiden in y-Richtung einander gegenüberliegenden Wandlerelemente WY1, WY2 asymmetrisch mit Strom beaufschlagt, so dass sich beispielsweise das Substrat in der Nähe des in
Jeder der an einem Spiegelsubstrat angebrachten Wandler ist unabhängig von den anderen am Spiegelsubstrat angebrachten Wandlern mit Hilfe der Steuereinrichtung
Die Temperiereinrichtung ist bei dem Ausführungsbeispiel in einen Regelkreis eingebunden, der es erlaubt, die gewünschte Kippstellung der einzelnen Spiegelflächen unabhängig von Umgebungsbedingungen sehr exakt einzustellen und aufrecht zu erhalten. Der Regelkreis umfasst eine nach dem Autokollimationsprinzip arbeitende optische Messeinrichtung
Das hier beispielhaft erläuterte Aktuierungsprinzip ermöglicht es, die Orientierung der Spiegelflächen mit einer Genauigkeit im Bereich von 1 Mikrorad (μrad) oder weniger einzustellen, wobei Aktuierungszeiten im Bereich weniger Sekunden, z. B. von weniger als 10 s, erzielbar sind.The actuation principle explained here by way of example makes it possible to set the orientation of the mirror surfaces with an accuracy in the range of 1 microrad (μrad) or less, wherein actuation times in the range of a few seconds, eg. B. of less than 10 s, can be achieved.
Folgende Angaben können bei der Auslegung von Spiegelanordnungen nützlich sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die Substratdimensionen, das Substratmaterial und die Temperiereinrichtung derart aufeinander abgestimmt, dass für die thermisch induzierte Verkippung eine Sensitivität S in der Größenordnung von 1 μrad/K erzielt wird. Bei einer Sensitivität S = 1 μrad/K erzeugt eine Temperaturdifferenz ΔT = 1 K zwischen gegenüberliegenden Seiten des Substrats eine Verkippung der Vorderfläche um 1 μrad. Vorzugsweise liegt die Sensitivität S im Bereich zwischen 0.3 μrad/K und 90 μrad/K, insbesondere zwischen 1 μrad/K und 30 μrad/K. Temperaturdifferenzen bis hinunter in die Größenordnung von ΔT = 1 K sind steuerungstechnisch mit ausreichender Genauigkeit und vertretbarem Aufwand kontrollierbar. Temperaturen bis in die Größenordnung von T = 200°C bzw. sind mit verschiedenen Temperierelementen, z. B. SMD oder SMC-Widerständen oder -Heizbändern leicht erzeugbar und sind ausreichend gering, um Überhitzung der Reflexionsschicht zu vermeiden. Dementsprechend sind laterale Temperaturdifferenzen zwischen den Seitenflächen bis in die Größenordnung von ΔT = 100 K gut realisierbar. Betrachtet man weiterhin typische Substratdimensionen mit einem Verhältnis von Substrathöhe zu Substratbreite in der Nähe von 1, so ist die Sensitivität S in erster Näherung gleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten α. Unter diesen Bedingungen würde für ein Substratmaterial mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1·10–6K–1 bei einem lateralen Temperaturgradienten von ΔT = 1 K eine Verkippungen von 1 μrad erzeugt. Der Justagebereich für Silizium (α = 2.6 10–6K–1) und ΔT = 200 K beträgt dann ungefähr 520 μrad. Für Metalle, wie z. B. Aluminium (α ≈ 23 10–6K–1) wären Verkippungen bis in den mrad-Bereich möglich, wobei dann die Genauigkeit der Temperaturkontrolle ggf. unterhalb von 1 K liegen sollte. The following information may be useful in designing mirror arrays. In preferred embodiments, the substrate dimensions, the substrate material and the tempering device are matched to one another such that a sensitivity S of the order of magnitude of 1 μrad / K is achieved for the thermally induced tilting. At a sensitivity S = 1 μrad / K, a temperature difference ΔT = 1 K between opposite sides of the substrate produces a tilt of the front surface of 1 μrad. The sensitivity S is preferably in the range between 0.3 μrad / K and 90 μrad / K, in particular between 1 μrad / K and 30 μrad / K. Temperature differences down to the order of .DELTA.T = 1 K are control technology controlled with sufficient accuracy and reasonable effort. Temperatures up to the order of T = 200 ° C or are with different tempering, z. B. SMD or SMC resistors or -Heizbändern easily generated and are sufficiently low to prevent overheating of the reflective layer. Accordingly, lateral temperature differences between the side surfaces up to the order of ΔT = 100 K are well feasible. Considering further typical substrate dimensions with a ratio of substrate height to substrate width in the vicinity of 1, the sensitivity S is in a first approximation equal to the thermal expansion coefficient α. Under these conditions, for a substrate material with a thermal expansion coefficient of 1 · 10 -6 K -1, a tilting of 1 μrad would be produced at a lateral temperature gradient of ΔT = 1 K. The adjustment range for silicon (α = 2.6 10 -6 K -1 ) and ΔT = 200 K is then approximately 520 μrad. For metals, such as. As aluminum (α ≈ 23 10 -6 K -1 ) tilting up to the mrad range would be possible, in which case the accuracy of the temperature control should possibly be below 1 K.
Bei einem experimentellen Ausführungsbeispiel hatte die Mehrfachspiegelanordnung eine kühlbare Trägerstruktur, auf der annähernd würfelförmige Spiegelsubstrate mit Kantenlängen von ca. 5 mm aufgebracht waren. An einigen Spiegelsubstraten wurden, ähnlich wie in
Der zeitliche Verlauf der Kippstellungen ist
In
Das hier beispielhaft dargestellte Aktuationsprinzip, das auf einer gezielt einstellbaren Gestaltänderung des Spiegelsubstrats basiert, ermöglicht Einstellungen der Orientierung einer Spiegelfläche relativ zur Rückfläche eines Spiegelsubstrats mit höchster Genauigkeit im Bereich von μrad. Die erzielbaren Kippwinkel lagen bei dem experimentellen Beispiel in der Größenordnung von einigen Zehn μrad, z. B. bei bis zu ca. 40 μrad. Eine eingestellte Kippposition konnte mit einer Genauigkeit von weniger als 15%, insbesondere von weniger als 10% des eingestellten Kippwinkels eingestellt und auf Dauer aufrechterhalten werden. In absoluten Werten betrug die Einstellgenauigkeit typischerweise weniger als 10 μrad (bei den höchsten absoluten Kippwinkeln), in der Regel sogar von weniger als 5 μrad oder sogar von weniger als 2 μrad. Diese Genauigkeit der Einstellung wird hier auch als Auflösungsvermögen der Mehrfachspiegelanordnung im Winkelraum bezeichnet.The actuation principle exemplified here, which is based on a specifically adjustable shape change of the mirror substrate, allows adjustments of the orientation of a mirror surface relative to the back surface of a mirror substrate with highest accuracy in the range of μrad. The achievable tilt angles in the experimental example were on the order of a few tens of μrad, e.g. B. up to about 40 μrad. A set tilt position could be set and maintained at an accuracy of less than 15%, in particular less than 10% of the set tilt angle. In absolute terms, the adjustment accuracy was typically less than 10 μrad (at the highest absolute tilt angles), typically even less than 5 μrad, or even less than 2 μrad. This accuracy of adjustment is also referred to herein as resolution of the multi-mirror arrangement in the angular space.
Eine Mehrfachspiegelanordnung der hier beispielhaft beschriebenen Art kann auf unterschiedliche Weise genutzt werden.A multiple mirror arrangement of the type described here by way of example can be used in different ways.
Bei manchen Ausführungsformen wird die Einstellmöglichkeit ausschließlich für Justagezwecke genutzt. Ein Ziel dieser Nutzungsmöglichkeit ist es, für jeden der Einzelspiegel einer Spiegelanordnung zu jeder Zeit die für den Einzelspiegel gewünschte Nullstellung, d. h. seine Soll-Orientierung, mit höchster Genauigkeit einzustellen und aufrechtzuerhalten. Dies kann beispielsweise bei einem Facettenspiegel genutzt werden, der eine definierte und während des Betriebs (im Idealfall) unveränderliche relative Orientierung seiner einzelnen Spiegelfacetten haben soll. Wird ein solcher Facettenspiegel in ein optisches System eingebaut, so kann es durch den Einbau zu Dejustierungen einzelner Spiegelelemente kommen. Diese Dejustierungen können mit Hilfe der hier dargestellten Temperiereinrichtung korrigiert werden, indem einzelne Spiegel relativ zu anderen Spiegeln durch ungleichmäßige Aufheizung der entsprechenden Spiegelsubstrate so verkippt werden, dass sie wieder ihre Soll-Orientierung (Nullstellung) einnehmen. Die Temperiereinrichtung dient dabei als Steuersystem zur variablen Einstellung der Referenzstellung bzw. Nullstellung jedes einzelnen Spiegelelementes. Die thermisch eingestellten Verkippungen können praktisch zeitlich unbegrenzt über große Zeitintervalle aufrechterhalten und im Bedarfsfall weiter korrigiert werden.In some embodiments, the adjustment is used exclusively for adjustment purposes. A goal of this possibility of use is for each of the individual mirrors of a mirror assembly at any time desired for the individual level zero position, d. H. its target orientation, with the highest accuracy set and maintain. This can be used, for example, in the case of a facet mirror, which should have a defined relative orientation of its individual mirror facets that is invariable during operation (ideally). If such a facet mirror is installed in an optical system, the installation can lead to misalignments of individual mirror elements. These misalignments can be corrected with the aid of the tempering device shown here by individual mirrors are tilted relative to other mirrors by uneven heating of the corresponding mirror substrates so that they again assume their desired orientation (zero position). The tempering device serves as a control system for variable adjustment of the reference position or zero position of each individual mirror element. The thermally adjusted tilting can be maintained virtually indefinitely over long time intervals and further corrected if necessary.
Insbesondere bei Anwendungen, bei denen dynamische Verkippungen einzelner Spiegelelemente im Bereich von maximal 50 bis 1400 μrad gewünscht sind, kann eine Spiegelanordnung mit Temperiereinrichtung auch zur dynamischen Änderung der geometrischen Reflexionseigenschaften einer Mehrfachspiegelanordnung genutzt werden.In particular, in applications where dynamic tilting of individual mirror elements in the range of a maximum of 50 to 1400 μrad are desired, a mirror assembly with tempering can also be used for the dynamic change of the geometric reflection properties of a multi-mirror arrangement.
Die von der Lichtquelle
Die Mischeinheit besteht im Wesentlichen aus zwei Facettenspiegeln
Jeder der Facettenspiegel hat eine Trägerstruktur, die eine Vielzahl einzelner Spiegelelemente, also Einzelspiegel, trägt. Deren spiegelnde Vorderflächen bilden die Facetten (Spiegelflächen) des Facettenspiegels.Each of the facet mirrors has a support structure which carries a multiplicity of individual mirror elements, ie individual mirrors. Their reflecting front surfaces form the facets (mirror surfaces) of the facet mirror.
Mindestens einer der Facettenspiegel
Im Beispielsfall ist nur der Pupillenfacettenspiegel
Bei anderen Ausführungsformen ist nur der Feldfacettenspiegel mit einer Temperiereinrichtung ausgestattet. Ebenso können sowohl der Feldfacettenspiegel als auch der Pupillenfacettenspiegel mit einer Temperiereinrichtung ausgestattet sein.In other embodiments, only the field facet mirror is equipped with a tempering device. Likewise, both the field facet mirror and the pupil facet mirror can be equipped with a tempering device.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
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| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |