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Die
Erfindung betrifft eine optische Baugruppe mit wenigstens einem
optischen Element und mit einer Haltevorrichtung für das
optische Element, welche mehrere um den Umfang des optischen Elements
verteilt angeordnete Haltelemente aufweist, mit denen das optische
Element zumindest mittelbar in Kontakt ist. Des weiteren betrifft
die Erfindung ein Lithographieobjektiv, eine Projektionsbelichtungsanlage
und ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen.
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Aus
der
US 6,552,862 B2 ist
eine Vorrichtung zur Lagerung eines optischen Elements bekannt,
bei der das optische Element mit Federbeinen gelagert ist, die bei
einer relativen Ausdehnung des optischen Elements zu der Fassung
das optische Element nur minimal verformen sollen.
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In
der
US 7,193,794 B2 sind ähnliche
Federbeine bei einer Vorrichtung zur Justage eines optischen Elements
beschrieben.
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Die
zu der Fassung für das optische Element gehörenden
Füßchen bzw. Federbeine können zum Beispiel
durch Verlöten mit dem optischen Element verbunden werden,
was zu einem teilweise erheblichen Wärmeeintrag in die
Federbeine führt. Durch die insbesondere in Richtung der
optischen Achse hohe Steifigkeit der Federbeine ergeben sich beim Abkühlen
des Lotes aufgrund der thermoelastischen Deformation derselben verhältnismäßig
große Bewegungen an der Lotfläche, die zu einer
Deformation des optischen Elements führen können.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das optische Element bereits
mit drei Federbeinen verlötet wurde und damit an sich statisch
bestimmt ist. Der Grund für diese thermoelastische Deformation
der Federbeine ist darin zu sehen, dass sich das jeweilige Federbein
durch die Erhitzung und Verflüssigung des Lots ausdehnt und
nach der Erstarrung des Lots und der anschließenden Abkühlung
des Federbeins wieder in seine Ausgangsposition zurückdrängt.
Da dies aufgrund des erstarrten Lots nicht möglich ist, übt
das Federbein über das Lot eine Kraft auf das optische
Element aus, welches dadurch lokal verformt werden kann. Aufgrund
der hohen Genauigkeit, die an die Positionierung von optischen Elementen,
insbesondere in Lithographieobjektiven, gestellt wird, können
bereits kleinste Verformungen des optischen Elements zu einer verschlechterten
Abbildungsleistung des Lithographieobjektivs führen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Baugruppe
mit wenigstens einem optischen Element und mit einer Haltevorrichtung
für das optische Element zu schaffen, bei welcher eine
Verformung des optischen Elements während der Anbringung
desselben an der Haltevorrichtung vermieden wird.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe gelöst durch eine optische Baugruppe mit
wenigstens einem optischen Element und mit einer Haltevorrichtung
für das optische Element, welche mehrere um den Umfang
des optischen Elements verteilt angeordnete Haltelemente aufweist,
mit denen das optische Element zumindest mittelbar in Kontakt ist,
wobei die Halteelemente jeweils zwei Abschnitte aufweisen, die im
Wesentlichen in Gegenrichtung zueinander ausgerichtet sind, und
wobei der thermische Widerstand der beiden Abschnitte derart gewählt
ist, dass bei Auftreten eines Temperaturgradienten in dem Halteelement
der Punkt, an dem das Halteelement mit dem optischen Element in
Kontakt ist, im Wesentlichen an demselben Ort bleibt.
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Durch
die erfindungsgemäße Konstruktion der Halteelemente
ist sichergestellt, dass der Ort bzw. der Punkt, an dem das optische
Element mit dem jeweiligen Halteelement und somit an einer Vielzahl
von Orten mit der Haltevorrichtung verbunden ist, bei Vorherrschen
eines Temperaturgradienten bis zu dessen Abklingen, also bis zur
Einstellung eines Gleichgewichtszustands, im wesentlichen an seinem Ort
und damit positionsstabil bleibt. Durch diese Positionsstabilität
wird das Einbringen von Kräften durch die Halteelemente
auf das optische Element verhindert und dasselbe kann weitgehend
spannungsfrei mit der Haltevorrichtung verbunden werden.
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Auf
diese Weise ist es möglich, das optische Element durch
Löten mit der Haltevorrichtung zu verbinden, wodurch die
Nachteile des bei Lösungen gemäß dem
Stand der Technik häufig eingesetzten Klebens, wie beispielsweise
die fehlende Langzeitstabilität, das hygroskopische Verhalten
und damit die fehlende Dichtigkeit, die insbesondere bei Immersionsobjektiven
zu großen Problemen führen kann, umgangen werden.
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Eine
konstruktiv verhältnismäßig einfach zu beherrschende
Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn die Längen
der beiden Abschnitte der Halteelemente derart gewählt
sind, dass sich bei Auftreten eines Temperaturgradienten in den
Halteelementen die Längenänderungen der beiden
Abschnitte kompensieren. Mit anderen Worten, die beiden Abschnitte
dehnen sich stets gleich stark aus.
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Alternativ
oder zusätzlich ist es auch möglich, dass die
Querschnittsflächen der beiden Abschnitte der Halteelemente
derart gewählt sind, dass sich bei Auftreten eines Temperaturgradienten
in den Halteelementen die Längenänderungen der
beiden Abschnitte kompensieren.
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Besonders
vorteilhaft kann es sein, wenn die beiden Abschnitte der Halteelemente
mäanderförmig zueinander angeordnet und mit einem
Steg verbunden sind.
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Um
eine besonders flüssigkeitsbeständige Verbindung
des optischen Elements mit der Haltevorrichtung zu erreichen, kann
des weiteren vorgesehen sein, dass die Halteelemente mit dem optischen
Element verlötet sind.
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Vorzugsweise
bestehen die Halteelemente aus Stahl.
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Wenn
in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen
ist, dass die beiden Abschnitte der Halteelemente im wesentlichen
in Richtung der optischen Achse des optischen Elements ausgerichtet
sind, so führt dies ebenfalls zu einer fertigungstechnisch
verhältnismäßig einfachen Lösung,
da die Halteelemente beispielsweise durch Drahterodieren hergestellt
werden können. Durch die beschriebene Ausrichtung der beiden
Abschnitte der Halteelemente ergibt sich des weiteren eine erhöhte Steifigkeit
derselben und damit der gesamten Konstruktion in Richtung der optischen
Achse, also in z-Richtung, bei gleichzeitig hoher Flexibilität
in x-Richtung, also in der Richtung der Ebene des optischen Elements.
Dies führt zu einer steiferen Anbindung des optischen Elements
an die Haltevorrichtung sowie zu höheren Eigenfrequenzen
und einer besseren Entkopplung bei einer Temperaturerhöhung.
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Wenn
in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen
ist, dass die Halteelemente mit wenigstens einem Aktuator zum Manipulieren
des optischen Elements verbunden sind, so kann das optische Element
für die verschiedensten Zwecke relativ zu der Haltevorrichtung
bewegt werden. Hierbei wirkt sich die oben beschriebene erhöhte
Steifigkeit in Richtung der optischen Achse ebenfalls positiv aus.
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Eine
sehr steife Ausführungsform der Haltevorrichtung ergibt
sich, wenn die Halteelemente einstückig mit einem sämtliche
Halteelemente verbindenden Fassungsgehäuse verbunden sind.
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Ein
Lithographieobjektiv mit wenigstens einer erfindungsgemäßen
optischen Baugruppe ist in Anspruch 11 angegeben.
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Aus
Anspruch 12 ergibt sich eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem
Beleuchtungssystem und einem derartigen Lithographieobjektiv.
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Anspruch
13 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen
unter Verwendung einer solchen Projektionsbelichtungsanlage.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend sind
Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung
prinzipmäßig dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 eine
sehr schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage
mit einem erfindungsgemäßen Lithographieobjektiv;
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2 eine
perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen
optischen Baugruppe;
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3 eine
erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Halteelemente;
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4 eine
zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Halteelemente; und
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5 eine
dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Halteelemente.
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Ein
in 1 äußerst schematisch dargestelltes
Lithographieobjektiv 1 weist ein Gehäuse 2 auf,
in dem mehrere optische Elemente 3 angeordnet sind, die
aus einem für den nachfolgend beschriebenen Zweck üblichen
Material bestehen können. Das Lithographieobjektiv 1 ist
Teil einer Projektionsbelichtungsanlage 4, welche zur Herstellung
von Halbleiterbauelementen dient und ein an der Oberseite des Lithographieobjektivs 1 angebrachtes
Beleuchtungssystem 5 mit einer Lichtquelle 6 aufweist,
die einen Strahlengang 7 durch das Lithographieobjektiv 1 sendet,
mit welchem ein Reticle 8 in an sich bekannter Weise auf
einen sich unterhalb des Lithographieobjektivs 1 befindlichen
Wafer 9 abgebildet wird. Die optischen Elemente 3,
die im vorliegenden Fall allesamt als Linsen ausgeführt
sind, sind mittels jeweiliger, auch als Fassungen bezeichneter Haltevorrichtungen 10 in
dem Gehäuse 2 des Lithographieobjektives 1 gehalten.
Statt wie in sämtlichen Figuren der Einfachheit halber
dargestellt als Linsen könnten die optischen Elemente 3 auch
als Spiegel, als sogenannte Beamsplitter oder als andersartige optische Elemente 3 ausgebildet
sein. Die optischen Elemente 3 bilden mit der jeweiligen
Haltevorrichtung 10 eine optische Baugruppe 11.
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In 2 ist
die optische Baugruppe 11 mit der Haltevorrichtung 10 und
dem optischen Element 3 detaillierter dargestellt. Hierbei
ist erkennbar, dass die Haltevorrichtung 10 mehrere um
den Umfang des optischen Elements 3 verteilt angeordnete
Halteelemente 12 aufweist, auf denen das optische Element 3 aufliegt.
Um den Umfang des optischen Elements 3 können
je nach Durchmesser desselben beispielsweise 30 bis 50 der Halteelement 12 vorgesehen sein,
die in relativ geringem Abstand zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise
ist das optische Element 3 mit den Halteelementen 12 verlötet,
wozu ein nicht dargestelltes Lot auf die Halteelemente 12 aufgelegt
und dann mittels eines ebenfalls nicht dargestellten, vorzugsweise
durch das optische Element 3 verlaufenden Laserstrahls
aufgeschmolzen wird. Nach dem Aufschmelzen erstarrt das Lot und
sorgt so für eine Verbindung zwischen dem optischen Element 3 und
dem jeweiligen Halteelement 12. Da die Verbindung des optischen
Elements 3 mit den einzelnen, um den Umfang desselben verteilt
angeordneten Halteelementen 12 nacheinander erfolgt, kann durch
das Erstarren des Lots über eines der Halteelemente 12 eine
Spannung auf das optische Element 3 aufgebracht werden.
Um dies zu verhindern, sind die Halteelemente 12 wie unter
Bezugnahme auf die 3, 4 oder 5 ausgebildet.
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Aus
der Darstellung von 3, bei der das optische Element
an den Halteelementen 12 ”aufgehängt” ist,
ist erkennbar, dass die Halteelemente 12 jeweils zwei Abschnitte 13 und 14 aufweisen,
die im wesentlichen in Gegenrichtung zueinander ausgerichtet sind.
Des weiteren ist der thermische Widerstand der beiden Abschnitte 13 und 14 derart
gewählt, dass bei Auftreten eines Temperaturgradienten
in dem Halteelement 12, insbesondere bei einer durch den
Lötvorgang hervorgerufenen Temperaturerhöhung
des Halteelements 12, der Punkt, an dem das Halteelement 12 mit
dem optischen Element 3 in Kontakt ist, im wesentlichen
an demselben Ort bleibt. Die Formulierung ”in Kontakt sein” im
Bezug auf das optische Element 3 und die Halteelemente 12 wird
so verstanden, dass das optische Element 3 mit den Halteelementen 12 auch
dann in Kontakt ist, wenn sich das Lot dazwischen befindet.
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Unabhängig
von der Veränderung der Temperatur bleibt also der Ort
der Verbindung zwischen dem optischen Element 3 und dem
jeweiligen Halteelement 12 stets positionsstabil, wodurch
keinerlei Spannungen in das optische Element 3 eingetragen werden
können. Bei der Ausführungsform des Halteelements 12 gemäß 3 wird
diese Positionsstabilität dadurch erreicht, dass die Längen
der beiden Abschnitte 13 und 14 des Halteelements 12 derart
gewählt sind, dass sich bei Auftreten eines Temperaturgradienten
in dem Halteelement 12 die Längenänderungen
der beiden Abschnitte 13 und 14 kompensieren.
Hierbei verlängert sich der kürzere Abschnitt 13 infolge
seines höheren mittleren Temperaturniveaus trotz seiner
geringeren Länge so wie der längere Abschnitt 14.
Alternativ wäre es auch möglich, dass die Querschnittsflächen
der beiden Abschnitte 13 und 14 des Halteelements 12 derart
gewählt werden, dass sich bei Auftreten eines Temperaturgradienten
in dem Halteelement 12 die Längenänderungen
der beiden Abschnitte 13 und 14 kompensieren,
wobei beispielsweise bei einem dickeren Abschnitt 13 dieser
infolge der verbesserten Wärmeleitung ein zum vorherigen
Fall zusätzlich erhöhtes mittleres Temperaturniveau
aufweist. Selbstverständlich ist auch eine Mischung aus
einer Anpassung der Längen und der Querschnittsflächen
der beiden Abschnitte 13 und 14 möglich.
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Die
beiden Abschnitte 13 und 14 des Halteelements 12 sind
im vorliegenden Fall mäanderförmig zueinander
angeordnet und mit einem Steg 15 an ihrer Unterseite miteinander
verbunden. Des weiteren sind die beiden Abschnitte 13 und 14 des
beispielsweise aus Stahl bestehenden Halteelements 12 im wesentlichen
in Richtung der mit dem Bezugszeichen ”z” bezeichneten
optischen Achse des optischen Elements 3 ausgerichtet bzw.
verlaufen in einem relativ spitzen Winkel dazu.
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Die
Halteelemente 12 können vorzugsweise durch Erodieren,
z. B. durch Draht- oder Senkerodieren hergestellt werden und sind
vorzugsweise einstückig mit einem sämtliche Halteelemente 12 verbindenden,
einen Teil der Haltevorrichtung 10 bildenden Fassungsgehäuse 16 verbunden.
In einer nicht dargestellten Ausführungsform könnten
die Halteelemente 12 des weiteren mit wenigstens einem
Aktuator zum Manipulieren des optischen Elements 3 verbunden
sein.
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In 4 ist
eine weitere Ausführungsform der Halteelemente 12 dargestellt,
wobei im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß 3 das
optische Element 3 auf den Halteelementen 12 aufliegt. Auch
mit einem derart ausgebildeten Halteelement 12 kann, wie
bei allen hierin beschriebenen Ausführungsformen eine Reduktion
der Biegespannung in dem mit der Linie A-A bezeichneten Schnitt
bei einer Relativdehnung der Haltevorrichtung 10 in radialer Richtung
relativ zu dem optischen Element 3 erreicht werden.
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Eine
Ausführungsform, bei der auch in x-Richtung, also in Richtung
der Ebene des optischen Elements 3, eine Kompensation erreicht
wird, ist in 5 dargestellt. Im Gegensatz
zu den mit relativ geringem Fertigungsaufwand herstellbaren Halteelementen 12 der 3 und 4 ist
diese Ausführungsform jedoch verhältnismäßig
aufwändig. Wie aus 5 erkennbar
ist, müssen die beiden Abschnitte 13 und 14 also
nicht notwendigerweise parallel, sondern nur im wesentlichen in
Gegenrichtung zueinander ausgerichtet sein.
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Anhand
der Ausführungsform des Halteelements 12 gemäß 3 wird
nun das Verhalten desselben beim Verlöten des optischen
Elements 3 mit dem Halteelement 12 erläutert.
Beim Lötvorgang wird an einem mit dem Bezugszeichen 17 bezeichneten
Punkt Wärmeenergie in das Halteelement 12 eingebracht,
um ein nicht dargestelltes, sich auf dem Halteelement 12 befindliches
Lot aufzuschmelzen. Diese Wärmeeinbringung hat eine im
wesentlichen linear abfallende Temperatur entlang eines mittels
einer gestrichelten Linie dargestellten, mit dem Bezugszeichen 18 bezeichneten
Pfades zur Folge. Bei dem Punkt 17 handelt es sich um den
Ort, an dem das optische Element 3 mit dem Halteelement 12 verbunden
ist, wobei um den Umfang des optischen Elements 3 also
eine Vielzahl solcher Punkte 17 vorgesehen ist. Folglich
wird ein mit 19 bezeichneter Bereich des Halteelements 12 in
der Nähe des Punktes 17 stärker erwärmt
als ein mit 20 bezeichneter Bereich, der wiederum stärker
erwärmt wird als ein mit 21 bezeichneter Bereich.
Wenn sich das Halteelement 12 in Folge seiner Erwärmung
ausdehnt, verschieben die Bereiche 19 und 20 den
Punkt 17 in z-Richtung nach oben, während der
Bereich 21 den Punkt 17 in z-Richtung nach unten
verschiebt. Für den Fall, dass die mittlere Temperaturerhöhung
in dem Bereich 19 + 20 doppelt so hoch ist wie
in dem Bereich 21, müsste der Bereich 21 entlang
des gestrichelten Pfades 18 die doppelte Länge
wie die Bereiche 19 und 20 aufweisen, um die oben
beschriebene Verschiebung des Punktes 17 in z-Richtung
zu kompensieren, so dass der Punkt 17 während
des Lötvorgangs in z-Richtung keine Bewegung erfährt. Möglicherweise
ergeben sich geringfügige Verschiebungen in x-Richtung,
was jedoch wesentlich weniger kritisch ist, da die Längenausdehnung
des Halteelements 12 in x-Richtung erheblich geringer ausfällt als
in z-Richtung und das Halteelement 12 außerdem in
x-Richtung eine erheblich größere Flexibilität
aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6552862
B2 [0002]
- - US 7193794 B2 [0003]