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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gravitationskompensator zur
Kompensation der Gewichtskraft von optischen Elementen in einer
Projektionsbelichtungsanlage bzw. zur Lagerung derselben sowie eine
entsprechende Projektionsbelichtungsanlage und ein Verfahren zum
Betrieb sowohl des Kompensators als auch der Projektionsbelichtungsanlage.
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STAND DER TECHNIK
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In
modernen Projektionsbelichtungsanlagen der Mikrolithographie für
die Herstellung von kleinsten Strukturen im Bereich der Elektrotechnik
bzw. der Mikromechanik, wie insbesondere EUV (extrem ultraviolett)-Projektionsbelichtungsanlagen,
die mit extrem ultraviolettem Licht betrieben werden, sind optische
Elemente notwendig, die entsprechend exakt positioniert werden müssen.
Insbesondere kann es erforderlich sein, die Position der entsprechenden
optischen Elemente verändern zu müssen, so dass
Aktoren vorgesehen werden müssen, die die Positionsänderungen
der optischen Elemente, wie insbesondere von Spiegeln in EUV-Projektionsbelichtungsanlagen
ermöglichen. Solche Projektionsbelichtungsanlagen mit Aktoren
zur Positionsänderung von optischen Elementen sind beschrieben
in
DE 102006 038455
A1 ,
WO
2008/122313 A1 ,
DE 102005 057860 A1 ,
DE 60126103 T2 ,
DE 10339362 A1 ,
DE 10140608 A1 ,
DE 10053899 A1 ,
WO 2008/012336 A1 ,
EP 1503246 A2 ,
EP 1720068 A1 ,
US 7,046,335 B2 ,
EP 1321823 A2 ,
WO 2007/010011 A1 Aufgrund
der Größe und des Gewichts der zu positionierenden
optischen Elemente kann es erforderlich sein, Gravitationskompensatoren
einzusetzen, die die Gewichtskraft der entsprechenden optischen
Elemente kompensieren, so dass die Aktoren bei der Bewegung der
optischen Elemente nicht gleichzeitig die gesamte Stützlast
zu tragen haben. Dadurch wird die Betätigung der optischen
Elemente durch die Aktoren vereinfacht und es ist ein geringerer
Energieeintrag in die Aktoren erforderlich. Dies hat wiederum positive
Auswirkungen auf das Gesamtverhalten der Projektionsbelichtungsanlage,
da beispielsweise keine zusätzlichen Wärmelasten aufgrund
des hohen Energieverbrauchs der Aktoren in die Anlage eingeführt
werden. Solche Gravitationskompensatoren sind z. B. in
EP 1475669 A1 und
WO 2009/093907 A1 beschrieben.
Des Weiteren sind magnetische Lagervorrichtungen aus
DE 69825747 T2 ,
US 2004/0212794 A1 ,
WO 2006/087463 A1 ,
JP 55060719 A und
JP 58137618 A bekannt.
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Allerdings
bedingt die Bewegung der optischen Elemente durch die Betätigung
der Aktoren, dass auch die Gravitationskompensatoren eine entsprechende
Bewegung ermöglichen. Insbesondere bei großen
und schweren optischen Elementen, wie beispielsweise entsprechenden
Spiegeln in EUV-Projektionsbelichtungsanlagen, kann dies jedoch
auf Grund der hohen Kompensationskräfte bzw. Kompensationslasten
zu Problemen führen.
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Bei
bisherigen Gravitationskompensatoren stellte man insbesondere fest,
dass die Positioniergenauigkeit der optischen Elemente bei Verwendung
von Gravitationskompensatoren beeinträchtigt werden kann und
dass die Positioniergenauigkeit insbesondere bei bestimmten Atmosphären,
die in EUV-Projektionsbelichtungsanlagen eingesetzt werden, wie
wasserstoffhaltigen Atmosphären, nachteilig beeinflusst
werden kann. Auch die Positionierstabilität über
einen längeren Zeitraum kann beeinträchtigt sein.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es
ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Gravitationskompensatoren
für die Kompensation der Schwerkraft von optischen Elementen
bzw. für die Lagerung von optischen Elementen in Projektionsbelichtungsanlagen
für die Mikrolithographie bereitzustellen, die die oben
genannten Nachteile nicht aufweisen.
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Insbesondere
ist es deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Gravitationskompensatoren
für den Einsatz in einer Projektionsbelichtungsanlage sowie
entsprechende Projektionsbelichtungsanlagen bereitzustellen, bei
denen die Positioniergenauigkeit der optischen Elemente durch die
Gravitationskompensatoren nicht negativ beeinflusst und die Lagestabilität
für einen langen Zeitraum auch bei ungünstiger
Atmosphäre, z. B. bei wasserstoffhaltigen Atmosphären,
aufrecht erhalten werden kann.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen Gravitationskompensator
zur Lagerung von optischen Elementen in einer Projektionsbelichtungsanlage,
welcher bei zumindest teilweiser Kompensation der Gewichtskraft eines
gelagerten optischen Elements gleichzeitig eine Positionsänderung
des optischen Elements ermöglicht, wobei die kompensierte
Gewichtskraft bei der Positionsveränderung annähernd
konstant bleibt und bei kompensierten Gewichtskräften ≥ 100
N oder gar ≥ 200 N die Veränderung der kompensierten
Kraft bei einer Positionsänderung ≥ 250 μm
und/oder Lagerung in überwiegend Wasserstoff haltigen Atmosphären
und/oder über Lagerungszeiten ≥ 10 h kleiner oder
gleich 0,5 N beträgt. Vorzugsweise aber nicht notwendigerweise
ist die kompensierte Gewichtskraft ≥ 250 N oder ≥ 300
N und die Positionsänderung ≥ 500 μm
oder ≥ 750 μm. Dabei ist vorzugsweise die Veränderung
der kompensierten Kraft ≤ 0,2 N oder ≤ 0,1 N.
Unter annähernd konstant soll verstanden werden, dass die
Kraft-Weg-Kennlinie des Gravitationskompensators bei Positionsänderungen
von weniger als 250 μm, vorzugsweise von weniger als 500 μm
um eine Gleichgewichtslage, um weniger als 0,25% des Kraftwertes
in der Gleichgewichtslage abweicht.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Gravitationskompensator
mindestens zwei magnetische Kompensatorelemente (1, 2; 111, 112,
sehe 1, 2, 13)
mit unterschiedlichen Kraft-Weg-Kennlinien, die hintereinander und/oder
nebeneinander angeordnet sind. Eine weitere Ausführungsform
der Erfindung eines Gravitationskompensators zur Lagerung von optischen
Elementen in einer Projektionsbelichtungsanlage umfasst mindestens
ein ersten magnetischen Kompensatorelement (1, 111,
siehe 1, 13), wobei mindestens ein zweites
magnetisches Kompensatorelement (2, 112, siehe 1, 13)
mit einer zum ersten magnetischen Kompensatorelement unterschiedlichen
Kraft-Weg-Kennlinie in Reihe und/oder parallel zum oder winkelig
neben dem ersten magnetischen Kompensatorelement angeordnet ist.
Dabei kann in einer Ausführungsform das erste und das zweite
magnetische Kompensatorelement 1, 2 bei Serienschaltung
mittels einer starren, unmagnetischen Kopplung 11 verbunden
sein, wobei im Bereich zwischen den magnetischen Kompensatorelementen
mindestens ein Flussleitelement oder ferromagnetisches Flussleitelement 12 vorgesehen
sein kann.
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Durch
die starre, unmagnetische Kopplung 11 und das Flussleitelement 12 wird
erreicht, dass die beiden Kompensatorelemente einander möglichst
wenig hinsichtlich ihrer jeweiligen Kraft-Weg-Kennlinien so beeinflussen,
dass sich diese für den jeweiligen Kompensator aufgrund
der Anwesenheit des anderen Kompensators verändert. Dadurch
kann die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie der beiden in Reihe und/oder
parallel oder winkelig nebeneinander angeordneten und mechanisch
miteinander gekoppelten Kompensatorelemente als Summe der einzelnen
Kraft-Weg-Kennilinien in sehr guter Näherung dargestellt
werden. Durch solche Maßnahmen werden z. B. die Dimensionierungsprozesse
der Kompensatoren stark vereinfacht.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Gravitationskompensator
mindestens ein mechanisches Federelement (27, siehe 3)
als Kompensatorelement, wobei das mindestens eine mechanische Federelement
und das mindestens eine magnetische Kompensatorelement mit ihren
Kraft-Weg-Kennlinien so aufeinander abgestimmt sein können,
dass über einen vorbestimmten Wegbereich die Kompensationskraft
im technischen Maßstab, z. B. besser als 0,25%, konstant
ist.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Gravitationskompensator
zur Lagerung von optischen Elementen in einer Projektionsbelichtungsanlage
mindestens ein erstes magnetisches Kompensatorelement, wobei der
Gravitationskompensator mindestens ein mechanisches Federelement
(27, siehe 3) als Kompensatorelement umfasst,
und wobei das oder die mechanischen Federelemente und der mindestens eine
magnetische Kompensator mit ihren Kraft-Weg-Kennlinien so aufeinander
abgestimmt sind, dass über einen vorbestimmten Wegbereich
die Kompensationskraft im technischen Maßstab konstant
ist. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise umfasst das mechanische
Federelement eine Feder mit linearer Kraft-Weg-Kennlinie (siehe 4),
oder das mechanische Federelement (62, siehe 8, 9)
umfasst eine Feder mit mindestens einem annähernd konstanten
Bereich in der Kraft-Weg-Kennlinie. Ein solches Federelement kann
z. B. ein Knickstab sein, der auch als Knickfeder bezeichnet wird.
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In
einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Gravitationskompensator
nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen ein
magnetisches Kompensatorelement mit mindestens zwei innere Magneten
(91, 92, siehe 11) und
mindestens einen äußeren Magneten, wobei mindestens
einer der inneren Magneten (102, siehe 12)
bezüglich der örtlichen Lage im Bezug zum anderen
inneren Magneten veränderbar ist und/oder die Magnetstärke
verstellbar ist. Ferner kann bei einem Gravitationskompensator nach
einer der oben beschriebenen Ausführungsformen wenigstens
einer der Magnete eines magnetischen Kompensatorelements von der
in der Umgebung des Gravitationskompensators vorliegenden Atmosphäre
abgetrennt angeordnet sein, wobei z. B. die Abtrennung durch eine
gasdichte Kapselung (132, siehe 14), eine
gasdichte Beschichtung (141, siehe 15) und/oder
eine Gasspülung (154, siehe 16)
verwirklicht sein kann. Optional kann ein Gravitationskompensator
nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen mindestens
ein auswechselbares, das Magnetfeld beeinflussendes Justierelement
(164, siehe 17) umfassen.
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Weitere
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators umfassen alternativ oder zusätzlich
zu den oben bereits beschriebenen Merkmalen wenigstens ein Kompensatorelement,
welches mindestens ein Gegengewicht (32, 42, 52, 53,
siehe 5, 6, 7) umfasst,
das über mindestens ein Umlenkelement mit dem zu lagernden
optischen Element verbunden ist, wobei das Umlenkelement mindestens
ein Festkörpergelenk oder mindestens einen Seilzug mit
einer Rolle umfassen kann.
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Weitere
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators umfassen alternativ oder zusätzlich
zu den oben bereits beschriebenen Merkmalen mindestens ein Kompensatorelement
dem mindestens ein Positionierelement (78, 79,
siehe 10) zugeordnet ist welches unabhängig
vom Kompensatorelement eine Positionsänderung des zu lagernden
optischen Elements bewirken kann.
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Damit
umfasst die vorliegende Erfindung auch eine Projektionsbelichtungsanlage
für die Mikrolithographie mit mindestens einem Gravitationskompensator
nach einer oben beschriebenen Ausführungsform. Dabei kann
die mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlage eine Gasspülvorrichtung
umfassen, welche den Bereich des Gravitationskompensators oder der
Gravitationskompensatoren mit Gas zur Einstellung einer vordefinierten
Atmosphäre umspült, wobei die Gasspülvorrichtung
derart hergerichtet sein kann, dass im Bereich eines Gravitationskompensators
eine gegenüber dem Rest oder anderen Teilen der Projektionsbelichtungsanlage
unterschiedliche Gasatmosphäre eingestellt werden kann.
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Ferner
umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Gravitationskompensators,
bzw. einer Projektionsbelichtungsanlage, wobei wenigstens ein Gravitationskompensator,
bzw. eine Projektionsbelichtungsanlage mit den oben beschriebenen
Merkmalen bereitgestellt und wenigstens ein optisches Elements mit dem
Gravitationskompensator gelagert wird.
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Die
Erfindung geht aus von der Erkenntnis, dass es entscheidend ist,
dass der Gravitationskompensator die Kompensationskraft auch bei
größeren Positionsänderungen und größeren
zu kompensierenden Gewichtskräften weitgehend stabil hält,
so dass die Aktoren bzw. die übrige Lagerkonstruktion nicht
durch eine unerwartete Veränderung der zu stützenden
Last aufgrund der Veränderung der Gravitationskompensation
negativ beeinflusst werden. Dies gilt auch für Veränderungen
der Kompensationskraft aufgrund von Umgebungseinflüssen
und/oder durch Alterung. Dadurch wird insbesondere auch eine etwaige
Deformation von den gelagerten optischen Elementen, wie z. B. Spiegel
in EUV-Projektionsbelichtungsanlagen, insbesondere innerhalb des
EUV-Projektionsobjektivs, durch eine (unerwartete) Veränderung
der zu stützenden Last aufgrund der Veränderung
der Gravitationskompensation vermieden, bzw. sehr stark reduziert,
womit die Formgenauigkeit des optischen Elements im wesentlichen
auch z. B. bei Justage und/oder Positionierung beibehalte. Diese Formgenauigkeit
ist bei einigen EUV-Spiegeln besser als 0.1 nm über einen
Bereich von mehr als 10 cm.
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Entsprechend
wird, wie oben ausgeführt, ein Gravitationskompensator
vorgeschlagen, der bei zu kompensierenden Gewichtskräften ≥ 100
N oder gar 200 N, insbesondere ≥ 250 N, vorzugsweise ≥ 300
N sowohl bei insbesondere linearen Positionsänderung des
zu lagernden Elements, also des optischen Elements ≥ 250 μm,
insbesondere ≥ 500 μm, vorzugsweise ≥ 750 μm
entlang einer Raumrichtung und/oder bei Lagerung in überwiegend
wasserstoffhaltigen Atmosphären und/oder über
Lagerungszeiten ≥ 10 Stunden, insbesondere ≥ 20
Stunden, insbesondere ≥ 100 Stunden Veränderungen
der kompensierten Kraft im Bereich von ≤ 0,5 N, insbesondere ≤ 0,2
N, vorzugsweise ≤ 0,1 N aufweist. Solange diese Grenzen
der Veränderung der kompensierten Kraft eingehalten werden,
können die übrige Lagerkonstruktionen und/oder
die Aktoren diese Änderungen aufnehmen, ohne dass die Positioniergenauigkeit,
die Formgenauigkeit des optischen Elements, bzw. die innerhalb der
für Projektionsbelichtungsanlagen geltenden Toleranzbereiche übermäßig
nachteilig beeinflusst werden.
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Bei
der Nachführung der Gravitationskompensatoren zum Ausgleich
der durch die Aktoren herbeigeführten Positionsveränderung
der optischen Elemente kann es beispielsweise zu einer Veränderung
der Kompensationslast bzw. der Kompensationskraft kommen. Diese
Kraftveränderung, bzw. Kraftvarianz ist nachteilig, da
sie zu Überbelastungen der Aktoren führen kann,
was wiederum negativen Einfluss auf die Positioniergenauigkeit hat
und zusätzlich die Einhaltung der Formgenauigkeit bei Positionsänderung
gefährden kann. Es wird deshalb angestrebt, Gravitationskompensatoren
einzusetzen, bei denen es insbesondere bei hohen zu kompensierenden
Schwerkräften über einen möglichst großen
Bewegungsbereich des zu lagernden Elements, also des optischen Elements,
zu keiner nennenswerten Veränderung der Kompensationskraft
kommt. Eine entsprechende Stabilität der Kompensationskraft
wird auch über lange Lagerzeiten, insbesondere in entsprechenden
Atmosphären der Projektionsbelichtungsanlagen angestrebt.
Damit wird vorteilhaft auch sichergestellt, dass etwaige Spiegeldeformationen,
oder allgemein, Deformationen des zu haltenden (optischen) Elements
ebenfalls in einem akzeptablen Toleranzbereich sind.
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Ein
derartiger Gravitationskompensator, der die als Voraussetzung für
ausreichende Positioniergenauigkeit gefundene und oben angegebene
Spezifikation erfüllen kann, kann z. B. durch die oben
beschriebenen unterschiedlichen Gestaltungsvarianten realisiert
werden.
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Nach
einem ersten Aspekt kann ein Gravitationskompensator vorgesehen
werden, bei dem mindestens zwei magnetische Kompensatorelemente
mit unterschiedlichen Kraft-Weg-Kennlinien in Reihe und/oder parallel
zueinander bzw. winklig nebeneinander angeordnet werden.
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Durch
die Kombination von Kompensatorelementen mit unterschiedlichen Kraft-Weg-Kennlinien,
die die Veränderung der Kompensationskraft mit Veränderung
der Position des zu lagernden Elements angeben, können
die oben angegebenen Grenzwerte durch entsprechend geschickte Kombination
der Kompensatorelemente erreicht werden.
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Obwohl
dies für die Kombination beliebiger Kompensatorelemente
gilt, ist die Kombination von magnetischen Kompensationselementen
bzw. Kompensatorelementen besonders bevorzugt, da magnetische Gravitationskompensatoren
durch ihren strukturellen Aufbau grundsätzlich eine sehr
gute Konstanz der Kompensationskraft über einen weiten
Bereich der Positionierveränderung aufweisen, wobei insbesondere
ein großer Bereich der zu kompensierenden Last abdeckbar
ist. Durch eine Kombination von zwei oder mehreren magnetischen
Kompensatorelementen können die Eigenschaften der magnetischen
Kompensatorelemente noch weiter verbessert und optimiert werden.
Insbesondere kann die Kraft-Weg-Kennlinie des mehrere magnetische Kompensationselemente
umfassenden Gravitationskompensators den Anforderungen besser angepasst
werden, wie z. B., dass die Kraft-Weg-Kennlinie über einen
vorgegebenen Weg, d. h. über eine vorgegebene Verschiebung
des optischen Elements, eine nahezu konstante Kraft aufweist, die
im Toleranzbereich der oben angegeben Daten liegt. Damit wird eine
sehr niedrige Lagersteifigkeit des Gravitationskompensators in Richtung der
vorgegebenen Verschiebung erreicht, die üblicherweise mit
der Richtung der zu kompensierenden Gravitationskraft zusammenfallt.
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Magnetische
Kompensatoren können so aufgebaut sein, dass zwei magnetisch
gleich orientierte Magnete entlang einer Achse im Abstand zueinander
angeordnet sind. Im zentralen Bereich dieser axialen Magnetanordnung
ist ein äußerer umlaufender Magnetring vorgesehen,
der die inneren Magnete zumindest teilweise einschließt.
Der äußere Magnetring weist eine magnetische Orientierung
quer zu den inneren Magneten auf, so dass der innere Pol des äußeren
Magneten benachbart zu einem gleichnamigen Pol des ersten inneren Magneten
und zu einem ungleichnamigen Pol des zweiten inneren Magneten ist.
Dadurch ergibt sich eine magnetische Kraft entlang der Längsachse
zwischen den inneren und äußeren Magneten, die
trotz relativer Verschiebung des äußeren Magneten
zu den inneren Magneten in einem weiten Verschiebungsbereich nahezu konstant
bleibt. Diese magnetische Kraft kann als Kompensationskraft genutzt
werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von entlang einer Achse
im Abstand zueinander angeordneten gleich orientierter inneren Magnete
ist, dass bei einer etwa symmetrischen Positionierung dieser Magnete
relativ zum äußeren Magnetring eine maximale Kraft
erzeugt wird, die z. B. als Stützkraft zur Lagerung eines
optischen Elements eingesetzt werden kann. Im Falle der Verwendung
von zwei entgegengesetzt orientierter innerer Magnete würde
bei der genannten symmetrischen Positionierung die Kraft Null erzeugt,
so dass in dieser Position keine Stützkraft vorhanden wäre.
Diese wurde sich erst bei deutlicher Relativverschiebung der entgegengesetzt
orientierten inneren Magnete gegenüber dem äußeren
Magnetring ergeben, wodurch sich nachteilig der Bauraum vergrößert
und ferner bei Verwendung gleicher Magnetdimensionen die Stutzkraft
im Vergleich zu gleich orientierten Magneten deutlich reduziert
ist. Weiter Vor- und Nachteile dieser beiden Ausführungsvarianten
der eben beschriebenen magnetischen Kompensatorelemente werden im
Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Für
die Kombination von magnetischen Kompensatoren können ein
erstes und zweites magnetisches Kompensatorelement bzw. weitere
Kompensatorelemente in einer Serienschaltung hintereinander geschaltet werden,
wobei sie z. B. mittels einer starren unmagnetischen Kopplung miteinander
verbunden sein können. Dabei soll unter Serienschaltung
ein Verbinden, z. B. ein mechanisches Verbinden, der beweglichen
Teile der magnetischen Kompensatoren (nachfolgend auch als Anker
bezeichnet) verstanden werden, so dass diese im Wesentlichen eine
gemeinsame Bewegung ausführen. Die unmagnetische Kopplung
weist den bereits beschriebenen Vorteil auf, dass die jeweilige
Kraft-Weg-Kennlinie des einzelnen magnetischen Kompensatorelements
möglichst wenig durch die Anwesenheit des anderen magnetischen
Kompensatorelements beeinflusst wird. Um eine solche Beeinflussung
weiter zu reduzieren können im Bereich zwischen den magnetischen Kompensatorelementen
Flussleitelemente, insbesondere ferromagnetische Flussleitelemente
vorgesehen sein, die den Kurzschluss zwischen den magnetischen Kompensatorelementen
verhindern und die Magnetfelder in gewünschter Weise beeinflussen
können.
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Neben
der Kombination von magnetischen Kompensatorelementen können
zusätzliche oder alternativ auch mechanische Kompensatorelemente
in Form von Federelementen eingesetzt werden, sei es zusätzlich zur
Kombination von magnetischen Kompensatorelementen oder als Kombination
mit einem einzigen magnetischen Kompensatorelement. Es sind auch
Kombinationen von mehreren mechanischen Kompensatorelementen, wie
z. B. Federelementen mit einem oder mehreren magnetischen Kompensatorelementen
denkbar. Wesentlich ist auch hier, dass die Kraft-Weg-Kennlinien
so aufeinander abgestimmt sind, dass über einen vorbestimmten
Wegbereich, also eine entsprechende Positionsveränderung
des zu lagernden optischen Elements, die Kompensationskraft konstant
bzw. nahezu konstant bleibt. Hier ist insbesondere von einem technischen
Maßstab auszugehen, d. h. eine Kostanz, die innerhalb des
Toleranzbereichs für die typischerweise für Projektionsbelichtungsanlagen
zu erzielende Positioniergenauigkeit liegt.
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Ein
mechanische Federelement, welches als mechanisches Kompensatorelement
eingesetzt werden kann, kann eine Feder mit Linearer Kraft-Weg-Kennlinie
gemäß dem Hookschen Gesetz sein oder ein Federelement,
welches mindestens einen annähernd konstanten Bereich hinsichtlich
des Kraftverlaufs in der Kraft-Weg-Kennlinie aufweist.
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Ein
derartiges mechanisches Federelement kann dann auch alleine als
Gravitationskompensator eingesetzt werden. Ein mögliches
mechanisches Element ist ein elastischer Knickstab, der in einem
bestimmten Bereich der Durchbiegung eingesetzt wird, in dem die
Kraft-Weg-Kennlinie für die angestrebten Positionsveränderungen,
d. h. die entsprechenden Durchbiegungen des Knickstabs, eine Konstanz
bzw. nahezu Konstanz der Kompensationskraft ermöglicht.
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Die
magnetischen Kompensatorelemente bzw. magnetischen Gravitationskompensatoren
können so ausgebildet sein, dass sie einstellbar oder veränderbar
sind. Beispielsweise kann die Position mindestens eines Magneten,
insbesondere von einem der inneren Magneten bzgl. der örtlichen
Lage, z. B. im Bezug zum anderen inneren Magneten veränderbar
sein, und/oder die Magnetstärke, d. h. die magnetische
Feldstärke oder der magnetische Fluss, mindestens eines
Magneten. insbesondere von einem der inneren Magneten kann verstellbar
sein. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass an den
entsprechenden Magneten ein Joch mit einer Spule angeordnet wird,
so dass durch die entsprechende Beaufschlagung der Spule mit elektrischem
Storm die Magnetfeldstärke bzw. der magnetische Fluss veränderbar
ist.
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Für
magnetische Kompensatorelemente bzw. magnetische Gravitationskompensatoren
kann insbesondere auch ein auswechselbares, das Magnetfeld beeinflussendes
Justierelement vorgesehen sein, wie beispielsweise ferromagnetische
Elemente, die in die entsprechende Nähe der Magnete des
magnetischen Kompensators gebracht werden können.
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Durch
die Einstellbarkeit bzw. Veränderbarkeit der Gravitationskompensatoren
bzw. der entsprechenden Kompensatorelemente kann Veränderungen
der Kompensationskraft durch angepasste Einstellung entgegen gewirkt
werden, so dass Lageveränderungen oder Alterungserscheinungen
bzw. Umwelteinflüsse unkritisch werden. Insbesondere kann
mit entsprechenden Sensoren auch ein Regelkreis installiert werden,
der eine automatische Steuerung (Regelung) mit Rückkopplung
im Regelkreis ermöglicht.
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Um
bzgl. des Einflusses der Umgebungsatmosphäre die entsprechende
Konstanz zu erhalten, kann insbesondere für magnetische
Kompensatorelemente vorgesehen werden, dass die Magnete des magnetischen
Kompensatorelements von der in der Umgebung des Gravitationskompensators
vorliegenden Atmosphäre abgetrennt angeordnet werden.
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Die
Abtrennung kann hierbei durch eine gasdichte Kapselung, eine gasdichte
Beschichtung und/oder eine entsprechende Gasspülung realisiert
werden, wobei bei der Gasspülung unkritisches, beispielsweise
inertes Gas, Verwendung finden kann, welches das Kompensatorelement
umspült, so dass die ansonsten vorliegende schädliche
Atmosphäre aus dem Bereich um den Gravitationskompensator
verdrängt wird.
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Neben
magnetischen Kompensatoren sind auch mechanische Gravitationskompensatoren
denkbar, die beispielsweise mindestens ein Gegengewicht aufweisen,
welches über mindestens ein Umlenkelement mit dem zu lagernden
optischen Element verbunden ist, so dass das Gegengewicht und das
Gewicht des optischen Elements sich gegenseitig aufheben.
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Als
Umlenkelemente kommen hierbei beispielsweise Festkörpergelenke
oder Seilzüge mit entsprechenden Rollen oder dergleichen
in Betracht.
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Als
weitere Möglichkeit, den Einfluss der Positionsänderung
auf die zu kompensierende Kraft zu beschränken, besteht
darin, die Positionsänderung für das Kompensatorelement
bzw. für den Gravitationskompensator zu minimieren. Entsprechend
kann ein Positionierelement vorgesehen sein, welches dazu beiträgt, dass
das zu lagernde optische Element in seiner Position verändert
werden kann, ohne dass das Kompensatorelement diese Positionsveränderung
ausgleichen muss. Entsprechend kann das Positionierelement unabhängig
vom Kompensatorelement die Positionsänderung unterstützen.
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Ein
weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, die obige Erkenntnis,
dass der Gravitationskompensator die Kompensationskraft auch bei
größeren Positionsänderungen und größeren
zu kompensierenden Gewichtskräften weitgehend stabil, d.
h. konstant halten soll, dadurch zu erreichen, dass etwaige Führungsmittel
vorteilhaft zur Reduktion der Lagersteifigkeit des Gewichtskraft-
oder Gravitationskompensators herangezogen werden können.
Unter Führungsmittel sollen technische Ausführungsformen
verstanden werden, die es erlauben, dass der Gewichtskraftkompensator
bei Bewegungen einer Kompensationselements oder eines Teiles eines
Kompensationselements in Richtung der zu kompensierenden Kraft eine
Führung dieses bewegten Elements senkrecht zu dieser Richtung
erfährt, um Bewegungen senkrecht zu dieser Richtung auf
ein Minimum zu reduzieren. Dies ist insbesondere bei der Lagerung
von EUV-Spiegeln in EUV-Projektionsbelichtungsanlagen mittels Gravitationskompensatoren
von Bedeutung, da dadurch die EUV-Spiegel mittels zusätzlicher
Aktoren präziser positioniert werden können.
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Damit
umfasst die vorliegende Erfindung zusätzlich einen Gewichtskraftkompensator
zur Lagerung von optischen Elementen und zur Kompensation einer
in eine Richtung z wirkenden, an einem Kraftangriffspunkt angreifenden
Kraft F in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
Vorzugsweise wir die Richtung z in Richtung der Gravitationskraft
des optischen Elements gewählt. Die an einem Kraftangriffspunkt angreifende
Kraft umfasst wenigstens einen Teil der Gewichtskraft des optischen
Elements oder wird durch diese oder einen Teil dieser gebildet.
Der erfindungsgemäße Gewichtskraftkompensator
umfasst ferner einen in Richtung z der Kraftlinie der Kraft F beweglichen,
den Kraftangriffspunkt umfassenden Anker eines Kompensationselements,
welches eine erste Kraft-Weg-Kennlinie in Richtung z der Kraft F
aufweist. Dabei kann der Anker aus einem beweglichen magnetischen
bzw. magnetisierten Material bestehen, wie beispielweise einem Permanentmagneten,
oder er kann ein derartiges Material umfassen. Der Anker kann ferner
durch eine bewegliche Feder oder allgemein ein elastisches Element
bestehen, welches eine Bewegung des Kraftangriffspunktes wenigstens
in Richtung der Kraft erlaubt, oder er kann ein solches Element
umfassen. Dabei kann das elastische Element z. B. eine Feder mit
linearer Kraft-Weg-Kennlinie sein, oder aber auch eine Knickfeder
oder ein Knickstab mit einer Kraft-Weg-Kennlinie, die in wenigstens
einem Wegbereich eine von anderen Wegbereichen abweichende Steigung,
vorzugsweise eine reduzierte Steigung, d. h. einen flachen Verlauf,
aufweist. Der erfindungsgemäße Gewichtskraftkompensator
weist zusätzlich eine erste Lagersteifigkeit S1 des Kompensationselements
auf, gegeben durch den Quotient aus der Differenz ΔFF1
einer maximalen und einer minimalen Kraft eines die Kraft F umfassenden
ersten Kraftintervalls ΔF1 und dem Betrag eines dem ersten
Kraftintervall ΔF1 über die erste Kraft-Weg-Kennlinie
zugeordneten ersten Wegintervalls Δz1 um einen ersten Punkt
z0, dem über die erste Kraft-Weg-Kennlinie die Kraft F
zugeordnet ist. Dabei charakterisiert die Lagersteifigkeit allgemein
die mögliche maximale Kraftänderung, die durch
den Gewichtskraftkompensator auf das optische Element bei Lageverschiebung
des optischen Elements einwirkt. Idealerweise sollte die Kraftänderung
Null sein, um möglichst wenig parasitäre Kräfte
oder Drehmomente über den Kraftangriffspunkt auf das optische
Element einzutragen. Damit wird eine Deformation des optischen Elements
im Falle seiner Lageverschiebung vermieden.
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Der
erfindungsgemäße Gewichtskraftkompensator kann
zusätzliche Führungsmittel umfassen, mit einer
zweiten Kraft-Weg-Kennlinie in Richtung der Kraft F zur Führung
des Ankers des Kompensationselements und mit einer zweiten Lagersteifigkeit
S2, gegeben durch den Quotient aus der Differenz ΔFF2 einer
maximalen und einer minimalen Kraft eines durch die zweite Kraft-Weg-Kennlinie
durch das erste Wegintervall Δz1 um den ersten Punkt z0
zugeordneten zweiten Kraftintervalls ΔF2 und dem Betrag
des ersten Wegintervalls Δz1. Bei Anwesenheit solcher Führungsmittel
wird sichergestellt, dass der Anker im Wesentlichen auf einen Bewegungsfreiheitsgrad
in Richtung der zu kompensierenden Kraft eingeschränkt
ist, und Bewegungen z. B. in Richtung senkrecht zu dieser Kraft
unterbunden werden. Ferner ergibt sich dabei die Kraft des Kraftkompensators
aus der Addition der Kräfte aus der ersten und aus der
zweiten Kraft-Weg-Kennlinie. Dabei resultiert durch die Kräfteaddition
eine resultierende Kraft-Weg-Kennlinie und der Gewichtskraftkompensator
weist eine dritte Lagersteifigkeit S3 auf, die sich als Quotient
aus der Differenz ΔFF3 einer maximalen und einer minimalen
Kraft wenigstens eines die Kraft F umfassenden dritten Kraftintervalls ΔF3
und dem Betrag des ersten Wegintervalls Δz1 um wenigstens
einen Punkt z0* ergibt, wobei durch die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie mittels
des ersten Wegintervalls Δz1 um den wenigstens einen Punkt
z0* das wenigstens eine dritte Kraftintervall ΔF3 definiert
ist und dabei der wenigstens eine Punkt z0* über die resultierende
Kraft-Weg-Kennlinie der Kraft F zugeordnet ist. Dabei zeichnet sich
der erfindungsgemäße Gewichtskraftkompensator
dadurch aus, dass die Lagersteifigkeit S3 gleich oder geringer als
die Lagersteifigkeit S1 ist und/oder die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie
wenigstens zwei Punkte z0* aufweist, die mehr als das erste Wegintervall Δz1
voneinander beabstandet sind und/oder wobei in der resultierenden
Kraft-Weg-Kennlinie die Differenz ΔFF1 um die Kraft F einem
Wegintervall größer als Δz1 zugeordnet
ist.
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Der
Vorteil des oben beschriebenen zusätzlichen Gewichtskraftkompensators
besteht darin, dass eine reduzierte Lagersteifigkeit bei besserer
Führung des Ankers erreicht wird. Ferner kann bei geeigneter
Auslegung der ersten und der zweiten Kraft-Weg-Kennlinie auch der
Bewegungsbereich des Ankers und damit des optischen Elements erhöht
werden, wobei die Lagersteifigkeit nicht notwendigerweise zunimmt
und sogar reduziert werden kann.
-
Weitere
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
zusätzlichen Gewichtskraftkompensators werden nachfolgend
ausgeführt. Dabei können insbesondere für
das Kompensationselement und das Führungsmittel die im
Zusammenhang mit den oben beschrieben Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Gravitationskompensators
die dort genannten Kompensatorelemente und Federelemente eingesetzt
werden. Des Weiteren können Merkmale aus den oben beschriebenen
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators in die zusätzliche Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gewichtskraftkompensators aufgenommen
werden. Allgemein fallen auch Ausführungsformen unter die
Erfindung, welche sich durch Kombination und Austausch von Merkmalen
der oben beschriebenen Gravitationskompensatoren und des zusätzlichen
erfindungsgemäßen Gewichtskraftkompensators, sowie
dessen nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ergeben.
-
Der
zusätzliche Gewichtskraftkompensator ist vorzugsweise so
ausgelegt, dass der Anker in Richtung der Kraft um ein erstes Wegintervall Δz1
um den Punkt z0* bewegbar ist, wobei das erste Wegintervall Δz1 vorzugsweise
kleiner als 3 mm und größer als 250 μm
ist. Alternativ oder zusätzlich ist die dritte Lagersteifigkeit kleiner
2 N/mm, vorzugsweise kleiner 0.2 N/mm.
-
Ebenfalls
alternativ oder zusätzlich ist die Bewegung des Ankers
senkrecht zur Kraft F durch von den Führungsmitteln generierten
Querkräften in Richtung senkrecht zur Kraft F auf weniger
als 10% des Betrags der Bewegung des Ankers in Richtung der Kraft
eingeschränkt. Ferner kann das optische Element am Kraftangriffspunkt
des Ankers direkt oder indirekt wenigstens teilweise mit einer Abstützvorrichtung
abgestützt sein. Dabei weist die Abstützvorrichtung
im Allgemeinen in Richtung der Kraft eine hohe Steifigkeit auf.
Dabei ist die Steifigkeit von der Lagersteifigkeit zu unterscheiden,
da sich diese im einfachsten Falle der Dehnsteifigkeit, wenn z.
B. die Abstützvorrichtung stabförmig ausgebildet
ist, aus dem Produkt des Elastizitätsmoduls der Abstützvorrichtung
und der Querschnittsfläche der Abstützvorrichtung
bestimmt. Neben der Dehnsteifigkeit weist die Abstützvorrichtung
ferner auch eine Biege- und Torsionssteifigkeit auf. Die Dehnsteifigkeit
in Richtung der Kraft wird vorzugsweise mehr als das 100-fache bis
mehr als das 1000-fache der Differenz ΔFF3 gewählt,
welche der maximalen Kraftvariation der Kraft F in der dritten Kraft-Weg-Kennlinie
bei maximal zulässiger Verschiebung des Kraftangriffspunktes
in Richtung z, z. B. um den Betrag Δz1, entspricht. Damit
wird sichergestellt, dass zwischen dem Kraftangriffspunkt am Anker
des Gewichtskraftkompensators und dem optischen Element eine möglichst
starre Verbindung herrscht, um das optische Element möglichst
exakt positionieren zu können.
-
Ferner
weist die Abstützvorrichtung in einer Richtung senkrecht
zur Richtung der Kraft F eine geringere Steifigkeit (Dehnsteifigkeit)
auf, das Führungsmittel in dieser Richtung, vorzugsweise
wenn das Führungsmittel eine Steifigkeit von mehr als 200
N aufweist. Die Abstützvorrichtung weist alternativ in
einer Richtung senkrecht zur Richtung der Kraft F eine höhere
Steifigkeit auf als die Führungsmittel in dieser Richtung,
vorzugsweise wenn das Führungsmittel eine Steifigkeit von
weniger als 200 N aufweist.
-
Vorzugsweise
ist das optische Element ein Spiegel einer lithographischen EUV-Projektionsbelichtungsanlage
wobei die Kraft F die Gewichtskraft oder ein Teil der Gewichtskraft
des Spiegels ist.
-
Alternativ
oder zusätzlich ist der zusätzliche Gewichtskraftkompensator
nach einem der obigen Ausführungsformen so ausgebildet,
dass das Kompensationselement wenigstens ein Element aus einer ersten Gruppe
umfasst, und die erste Gruppe aus
- – Kompensationselementen
für eine zu kompensierenden Gewichtskraft ≥ 200
N oder ≥ 300 N,
- – Kompensationselementen die eine Positionsänderung
des optischen Elements ≥ 500 μm bis zu 3 mm zulassen,
- – magnetischen Kompensatoren,
- – magnetischen Kompensatorelementen mit wenigstens
einem magnetischen Kompensatorelement welches von der in der Umgebung
des Gewichtskraftkompensators vorliegenden Atmosphäre z.
B. durch gasdichte Kapselung und/oder gasdichte Beschichtung und/oder
Gasspülung abgetrennt angeordnet ist,
- – magnetischen Kompensatoren mit wenigstens einem auswechselbaren
das Magnetfeld beeinflussenden Justierelement,
- – wenigstens zwei magnetischen Kompensatorelementen
mit unterschiedlichen Kraft-Weg-Kennlinien die hintereinander und/oder
nebeneinander angeordnet sind,
- – Kompensatorelementen mit einem ersten und einem zweiten
magnetischen Kompensationselement die mittels einer starren und
unmagnetischen Kopplung miteinander verbunden sind,
- – magnetischen Kompensationselementen mit mindestens
einem Flussleitelement oder einem ferromagnetischen Flussleitelement,
- – magnetischen Kompensatoren mit wenigstens zwei inneren
Magneten wobei wenigstens einer der inneren Magnete bezüglich
der örtlichen Lage im Bezug auf den anderen inneren Magneten
veränderbar ist und/oder die Magnetstärke einstellbar
ist,
- – mechanischen Kompensatorelemente die dem Hookschen
Gesetzt folgen,
- – mechanische Federelemente mit einem Bereich annähernd
konstanter Kraft in der Kraft-Weg-Kennlinie,
- – Kompensatorelementen die Aktoren umfassen,
- – Federelementen,
- – Knickstäben,
- – Kompensatorelementen welche wenigstens ein Gegengewicht
umfassen das über wenigstens einem Umlenkelement z. B.
einem Seilzug oder einer Rolle mit dem zu lagernden optischen Element
verbunden sind und
- – Kompensatorelementen mit wenigstens einem Positionierelement
das unabhängig vom Kompensatorelement eine Positionsänderung
des zu lagernden optischen Elements ermöglicht besteht.
Damit ergeben sich weitgehend die im Zusammenhang mit den oben beschriebenen
Ausführungsformen des Gravitationskompensators dargelegten
Vorteile auch für den zusätzlichen Gewichtskraftkompensator.
-
Ferner
ist der zusätzliche Gewichtskraftkompensator nach einem
der obigen Ausführungsformen so ausgebildet, dass die Führungsmittel
alternativ oder zusätzlich wenigstens ein Element aus einer
zweiten Gruppe umfasst, und die zweite Gruppe aus
- – magnetischen
Führungsmittel,
- – magnetischen Führungsmittel mit wenigstens
einem magnetischen Führungsmittel welches von der in der Umgebung
des Gewichtskraftkompensators vorliegenden Atmosphäre z.
B. durch gasdichte Kapselung und/oder gasdichte Beschichtung und/oder
Gasspülung abgetrennt angeordnet ist,
- – magnetischen Führungsmittel mit wenigstens
einem auswechselbaren das Magnetfeld beeinflussenden Justierelement,
- – wenigstens zwei magnetischen Führungsmittel
mit unterschiedlichen Kraft-Weg-Kennlinien die hintereinander und/oder
nebeneinander angeordnet sind,
- – magnetischen Führungsmittel mit wenigstens
zwei inneren Magneten wobei wenigstens einer der inneren Magnete
bezüglich der örtlichen Lage im Bezug auf den
anderen inneren Magneten veränderbar ist und/oder die Magnetstärke
einstellbar ist,
- – mechanischen Führungsmittel die dem Hookschen
Gesetzt folgen,
- – mechanische Federelemente mit einem Bereich annähernd
konstanter Kraft in der Kraft-Weg-Kennlinie,
- – Führungsmittel die Aktoren umfassen,
- – Federelementen,
- – Knickstäben,
- – Membrane,
- – mechanisch mittels Kräften vorgespannte
Federelementen oder Knickstäben oder Membranen und
- – Führungsmittel mit wenigstens einem Positionierelement
das eine Positionsänderung des zu lagernden optischen Elements
ermöglicht besteht.
-
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
Weitere
Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen
zeigen hierbei in rein schematischer Weise in
-
1 eine
Ansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators;
-
2 in den Teilbildern a) bis c) Kraft-Weg-Kennlinien
der magnetischen Kompensatorelemente aus 1 (Teilbildern
a) und b)) sowie die entsprechende Kraft-Weg-Kennlinie des gesamten
Gravitationskompensators aus 1;
-
3 eine
zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators;
-
4 ein
Diagramm, welches die Kraft-Weg-Kennlinien der Kompensatorelemente
sowie des gesamten Gravitationskompensators aus 3 zeigt;
-
5 eine
Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators;
-
6 eine
vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators;
-
7 eine
fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators;
-
8 eine
sechste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators;
-
9 ein
Diagramm, welches die Kraft-Weg-Kennlinie des Gravitationskompensators
aus 8 zeigt;
-
10 eine
siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators;
-
11 eine
achte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators;
-
12 eine
neunte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators;
-
13 eine
zehnte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators;
-
14 eine
Querschnittsansicht eines eingekapselten Magneten;
-
15 eine
Querschnittsansicht eines beschichteten Magneten für die
Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Gravitationskompensator;
-
16 die
Darstellung einer Gasspülvorrichtung für den Einsatz
bei einem erfindungsgemäßen Gravitationskompensator
bzw. in einer erfindungsgemäßen Projektionsbelichtungsanlage;
und in
-
17 eine
elfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators,
-
18 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines
weiteren erfindungsgemäßen Gewichtskraftkompensators;
-
19 ein
schematisches Kraft-Weg-Kennlinienfeld für den Gewichtskraftkompensator
nach 18;
-
20 ein
schematisches Kraft-Weg-Kennlinienfeld für einen gegenüber 18 leicht
abgewandelten Gewichtskraftkompensator;
-
21 ein
schematisches Kraft-Weg-Kennlinienfeld für einen weiteren
gegenüber 18 leicht abgewandelten Gewichtskraftkompensator;
-
22 ein
schematisches Ausführungsbeispiel eines magnetischen Kompensatorelements
mit zwei gleichpolig angeordneten inneren Magneten,
-
23 Magnetfeldkennlinien
der Ausführung nach 22 in
Vertikalschnitt,
-
24 berechnete
Kraft-Weg-Kennlinien eines magnetischen Kompensatorelements mit
zwei gleichpoligen inneren Magneten
-
25 berechnete
Kraft-Weg-Kennlinien zweier mechanisch gekoppelter magnetischen
Kompensatorelemente und
-
26 berechnete
Kraft-Weg-Kennlinien eines magnetischen Kompensatorelements mit
zwei gegenpoligen inneren Magneten.
-
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Die 1 zeigt
eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators, welcher zwei magnetische Kompensatorelemente 1 und 2 umfasst.
Jedes dieser magnetischen Kompensatorelemente 1, 2 könnte
als eigener magnetischer Gravitationskompensator Verwendung finden.
-
Das
magnetische Kompensatorelement 1 umfasst einen ersten inneren
Magneten 3 sowie einen zweiten inneren Magneten 4,
die mit ihrer magnetischen Orientierung gleichgerichtet über
ein steifes Verbindungselement 6 fest miteinander verbunden
sind. Neben den inneren Magneten 3 und 4 gibt
es einen äußeren Magneten 5, der als
Magnetring ausgebildet ist und die inneren Magneten 3 und 4 koaxial
umgibt. In der Schnittdarstellung der 1 sind die
beiden Schnittflächen des Magnetrings 5 links
und rechts von der zentralen Mittelachse, an der die inneren Magneten 3 und 4 angeordnet
sind, zu erkennen.
-
Die
Orientierung der Magneten ist nun so, dass die magnetische Orientierung
des äußeren Magnetrings 5 quer zur magnetischen
Orientierung der inneren Magneten 3 und 4 ausgerichtet
ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 1 sind
die Nordpole der inneren Magnete 3 und 4 oben
angeordnet, während die Südpole der inneren Magneten 3 und 4 nach
unten gerichtet sind. Die magnetische Orientierung des äußeren
Magnetrings 5 ist so eingestellt, dass an der Innenseite
des Magnetrings 5 der Nordpol vorgesehen ist, während an
der äußeren Seite der Südpol angeordnet
ist. Durch diese Anordnung kommt es zu einer Abstoßung
des äußeren Magnetrings 5 vom inneren
Magneten 4 entlang der zentralen Längsachse parallel
zum Verbindungselement 6 sowie zu einer Anziehung des äußeren
Magnetrings 5 in Richtung des inneren Magnetrings 3,
wobei die Anziehungskraft nach oben gerichtet ist. Entsprechend
kann diese magnetische Kraft bzw. Anziehungskraft genutzt werden,
um die Schwerkraft eines zu lagernden Elements, insbesondere eines
optischen Elements (nicht gezeigt) zu kompensieren. Hierbei bleibt
die nach oben gerichtete Kraftkomponente auch bei einer Verschiebung
des äußeren Magnetrings 5 gegenüber
den inneren Magneten 3 und 4 in einem engen Bereich gleich
oder annähernd gleich, da beispielsweise bei einer Verschiebung
in Richtung der z-Achse, also parallel der Längsachse des
Verbindungselement 6, eine stärke Anziehungskraft
zwischen äußerem Magneten 5 und innerem
Magneten 3 durch eine schwächere Abstoßungskraft
zwischen äußerem Magneten 5 und innerem Magneten 4 kompensiert
wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann z. B. ein optisches
Element an dem inneren Magneten 3 abgestützt werden,
wobei die äußeren Magnete 5, 98 mit
einer Halterung verbunden sind. Die inneren Magnete 3, 4 nehmen
die Abstützung des optischen Elements so vor, dass die
durch die Magnete erzeugte Kraft mit der abgestützten Gewichtskraft
des optischen Elements im Gleichgewicht ist.
-
Alternativ
können die Magnete 3, 4, 7, 9 bezüglich
ihrer Pole so vertauscht sein, dass die Pölzungen des jeweiligen
Kompensatorelements 1, 2 innerhalb eines Kompensatorelements
jeweils entgegengesetzt zueinander ist. Die inneren Magnete 3, 4, 7, 8 stützen
dabei das optische Element ebenfalls ab und sind relativ zu den äußeren
Magneten beweglich. Allgemein werden die relativ zum äußeren
Magnetring beweglichen inneren Magnete und deren Verbindungselemente
als Anker bezeichnet.
-
Die
Vor- und Nachteile der Anordnungen mit verschiedenen Polungen innerhalb
eines magnetischen Kompensatorelements werden nachfolgend anhand
der 22 bis 26 erläutert.
-
In 22 ist
ein magnetisches Kompensationselement 1 entsprechend dem
aus 1 in einer leicht modifizierten und etwa in maßstäblichen
Verhältnissen mit dem zugehörigen magnetischen
Kraftlinienfeld dargestellt, welches in 23 wiedergegeben
wird. Die inneren Magneten sind in gleicher Richtung nach oben (in
positive z-Richtung) gepolt. Es ergibt sich für den Anker
bestehend aus den inneren Magneten 3, 4 und dem Verbindungselement 6 eine
Kraft nach oben in z-Richtung. Dabei erkennt man die Wirkung des
Verbindungselements 6, welches die inneren Magnete 3 und 4 auf
gegenseitigen Abstand hält, und welches zwischen dem Nordpol
des unteren und dem Südpol des oberen inneren Magneten 3, 4 eine
Art magnetischer Kurzschluss bildet.
-
In 24 ist
für die Anordnung nach 22 und 23 die
Kraft-Weg-Kennlinie 2000 aus der nachfolgenden Tabelle
1, die als Table 1 bezeichnet ist, dargestellt, welche mittels FE-Methode
berechnet wurde. Dabei wird die Kraft Fz in Richtung z als Funktion
der Ankerverschiebung in z dargestellt, wobei Steps die Rechenintervalle.
Z Pos die z-Position in Millimeter und Fz in Spalte #1 die Kraft
in Newton angibt. Gemessen wird die Ankerverschiebung relativ zu
einer in der xy-Ebene durch den äußeren Magneten 5 gelegene
Symmetrieebene, die in 23 mit 5* gekennzeichnet
ist, und einer Symmetrieebene des Ankers die mittig zwischen den
beiden inneren Magneten liegt. Es zeigt sich, dass bei gleichpoliger
Anordnung der inneren Magnete 3, 4 ein Kraftmaximum
dann erreicht wird, wenn die inneren Magnete etwa symmetrisch zum äußeren Magneten 5 angeordnet
sind. Ferner zeigt sich, dass die Kraft in z-Richtung, also nach
oben gerichtet ist und damit eine maximale Stützkraft zur
Aufnahme eines optischen Elements bildet. Ferner zeigt sich, dass
mit zunehmender Verschiebung nach oben oder nach unten (in Richtung
negativer z-Werte), die Kraft Fz abnimmt und bei etwa 18 mm z-Verschiebung
den Wert Null erreicht. Bei weiterer Verschiebung kehrt sich die
Kraft Fz um, d. h. sie wirkt in Richtung der Gravitationskraft und
erreicht hinsichtlich ihres Betrags bei etwa 26 mm ihr Maximum.
Bei weiteren Verschiebungen geht die Kraft Fz dann gegen Null. Für
die Berechnung wurden Magnete mit 26 mm Höhe und einer
Ringdicke von 11 mm, sowie einem Ringaußendurchmesser von
32 mm für den Magnetring 5 zu Grunde gelegt. Die
beiden inneren Magnete haben die gleiche Form und weisen eine Höhe
von 12 mm und einen Dicke von 6 mm auf. Dabei sind die beiden inneren
Magnete an ihren jeweiligen einander zugewandten Seiten 2 mm voneinander
durch das Verbindungselement 6 beabstandet.
-
In
Tabelle 1 ist ferner in der Spalte #2 die Kraft berechnet, wenn
anstelle der beiden inneren Magnete
3,
4 nur ein
Magnet
3 oder
4 mit gleicher Geometrie innerhalb
des gleichen äußeren magnetischen Ringes
5 gelagert
wird. Die zugehörige Kraft-Weg-Kennlinie ist in
24 mit
2010 bezeichnet. Diese Kennlinie zeigt ein ähnliches Verhalten
wie die Kennlinie
2000, jedoch weist sie um z = 0 ein wesentlich
ausgeprägteres Plateau auf. Dies bedeutet, dass in diesem
Bereich von etwa plus-minus 5 mm um z = 0 die Kraft im Bereich von
ca. 83 N und 78 N variiert. Dies entspricht etwa einer Kraftkonstanz
von 5 N über einen Bereich der Ankerverschiebung von ca.
12 mm. Nachteilig ist jedoch, dass die Kraft bei z = 0 nur etwa
halb so groß ist, wie im Falle von zwei Magneten.
| | Table
1 | #1 | #2 |
| Steps | ( mm ) | Fz(N) | Fz(N) |
| | | | |
| 1 | –36 | –33,63 | –13,44 |
| 2 | –34 | –40,67 | –16,22 |
| 3 | –32 | –49,02 | –19,64 |
| 4 | –30 | –58,36 | –23,85 |
| 5 | –28 | –66,96 | –28,98 |
| 6 | –26 | –68,79 | –35,13 |
| 7 | –24 | –57,14 | –42,16 |
| 8 | –22 | –38,72 | –49,18 |
| 9 | –20 | –19,24 | –52,70 |
| 10 | –18 | –0,45 | –44,26 |
| 11 | –16 | 16,22 | –23,81 |
| 12 | –14 | 26,81 | 0,70 |
| 13 | –12 | 31,62 | 26,14 |
| 14 | –10 | 45,15 | 51,13 |
| 15 | –8 | 66,69 | 72,35 |
| 16 | –6 | 92,34 | 81,91 |
| 17 | –4 | 120,36 | 81,04 |
| 18 | –2 | 147,19 | 78,49 |
| 19 | 0 | 160,74 | 77,60 |
| 20 | 2 | 147,15 | 79,05 |
| 21 | 4 | 120,25 | 82,15 |
| 22 | 6 | 92,13 | 83,41 |
| 23 | 8 | 66,34 | 73,79 |
| 24 | 10 | 44,71 | 52,04 |
| 25 | 12 | 31,34 | 26,33 |
| 26 | 14 | 26,95 | 0,07 |
| 27 | 16 | 16,32 | –25,31 |
| 28 | 18 | –0,76 | –46,52 |
| 29 | 20 | –20,15 | –55,09 |
| 30 | 22 | –40,37 | –51,13 |
| 31 | 24 | –59,57 | –43,61 |
| 32 | 26 | –71,68 | –36,17 |
| 33 | 28 | –69,54 | –29,72 |
| 34 | 30 | –60,34 | –24,37 |
| 35 | 32 | –50,47 | –20,01 |
| 36 | 34 | –41,71 | –16,48 |
| 37 | 36 | –34,36 | –13,62 |
-
Da
in der EUV-Lithographie die EUV-Spiegel des EUV-Projektionsobjektives
aufgrund zunehmender Durchmesser immer massereicher werden, und
die Ankerwege kleiner als 3 mm sind, bietet sich dennoch eine Lösung
mit zwei inneren Magneten 3 und 4 an, da hierdurch
ohne nennenswerte Bauraumzunahme die Lagerkraft des Gravitationskompensators
deutlich erhöht werden kann. Damit auch bei Verwendung
eines derartigen Kompensatorelements 1 ein Plateau in der
Kraft-Weg-Kennlinie ausbildbar wird, werden wenigstens zwei solcher
Kompensatoren z. B. wie in 1 dargestellt
mechanisch miteinander verbunden.
-
Für
ein solches Kompensatorelement ergibt sich eine Kraft-Weg-Kennlinie,
wie sie in dem Diagramm der 2a) schematisch
gezeigt ist, oder wie es in 24 für
ein Ausführungsbeispiel 2000 konkret berechnet wurde.
Der Weg ist hierbei die relative Verschiebung des inneren Teils
des magnetischen Kompensators 1, auch als Anker bezeichnet,
also der inneren Magnete 3 und 4, mit dem Verbindungselement 6 gegenüber
dem äußeren Magneten 5.
-
Wie
sich aus dem Diagramm der 2a) ergibt,
ergibt sich in einer Nullposition bzw. leicht versetzt dazu eine
maximale Kraft, die zur Kompensation von Gravitation bzw. Schwerkraft
eingesetzt werden kann, während sich bei einer Verschiebung
positiv in Richtung der z-Achse oder entgegengesetzt die Kraft entsprechend
verringert.
-
Insbesondere
bei der Kompensation der Schwerkraft für schwere Komponenten,
wie beispielsweise schwere Spiegel bei EUV (extrem ultraviolett)-Projektionsbelichtungsanlagen,
die mit Licht der Wellenlänge im extrem ultravioletten
Wellenlängenbereich arbeiten, kommt es bei den entsprechend
hohen zu kompensierenden Kräften zu einer starken Veränderung
der kompensierbaren Kraft bei einer Verschiebung der inneren und äußeren
Komponenten des magnetischen Kompensatorelements 1. Dies
ist jedoch unerwünscht, da bei entsprechenden Ausrichtungen
des Spiegels, bei denen es zu entsprechenden Verschiebungen entlang
der z-Achse kommen kann, die entsprechenden Aktoren zu große
Lasten bewegen müssen und dadurch ein höherer
Energieeintrag mit entsprechender Wärmeentwicklung in die
Apparatur eingebracht wird, was für Projektionsbelichtungsanlagen
für die dort erforderliche Präzision nachteilig
ist. Weiter nachteilig ist, dass eine Veränderung der Kraft
eine Deformation des Spiegels zur Folge haben kann. Die üblichen
Formgenauigkeiten bei EUV-Spiegel sind im Bereich von 0,1 nm oder
10–10 m über einen Bereich
von bis zu 30 cm. Bereits geringste Kraftänderungen können
den Spiegel so deformieren, dass diese Formgenauigkeit nicht mehr
gewährleistet ist. Aus diesem Grund sollten die Gewichtskraftkompensatoren
auch bei Positionsänderung des Spiegels entlang der z-Achse
(in Richtung der Gravitationskraft) eine möglichst konstante
Kraft aufweisen.
-
Entsprechend
sieht die Ausführungsform der 1 ein zweites
magnetisches Kompensatorelement 2 vor, welches über
ein vorzugsweise nicht magnetisches Verbindungselement 11,
welches z. B. starr ausgebildet ist, in Reihe mit dem ersten magnetischen
Kompensatorelement 1 geschaltet ist. Dabei soll unter Reihen- oder
Serienschaltung ein Verbinden, z. B. ein mechanisches Verbinden,
der beweglichen Teile der magnetischen Kompensatoren (nachfolgend
auch als Anker bezeichnet) verstanden werden, so dass diese im Wesentlichen
eine gemeinsame Bewegung ausführen. Durch die Verbindung
der Kompensationselemente 1 und 2 mittels eines
nichtmagnetischen Verbindungselements 11 ergibt sich der
Vorteil, dass die Kompensationselemente 1, 2 hinsichtlich
ihrer jeweiligen Kraft-Weg-Kennlinie nahezu unbeeinflusst durch
die Anwesenheit eines weiteren Kompensationselements 1, 2 bleiben.
Damit kann die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie eines solchen Gravitationskompensators
in guter Näherung mittels Addition der einzelnen Kennlinien
berechnet werden.
-
Das
zweite magnetische Kompensatorelement 2 ist vom Aufbau
z. B. aber nicht notwendigerweise identisch zum ersten magnetischen
Kompensatorelement 1 und weist somit ebenfalls einen ersten
inneren Magneten 7, einen zweiten inneren Magneten 8,
einen äußeren Magnetring 9 sowie ein
Verbindungselement 10 zwischen erstem inneren Magneten 7 und
zweitem inneren Magneten 8 auf. Allerdings ist das zweite
magnetische Kompensatorelement 2 vorzugsweise aber nicht
notwendigerweise so ausgebildet, dass die Kraft-Weg-Kennlinie unterschiedlich
zur Kraft-Weg-Kennlinie des ersten magnetischen Kompensatorelements 1 ist.
-
Die
Kraft-Weg-Kennlinie des zweiten magnetischen Kompensatorelements 2 ist
in 2b) gezeigt, sie weist z. B. bezüglich
ihres Maximums eine Verschiebung in z-Richtung relativ zum Maximum
der Kraft-Weg-Kennlinie des ersten Kompensatorelements 1 (2a))
auf.
-
Durch
die Kombination zweier magnetischer Kompensatorelemente 1 und 2 mit
unterschiedlichen Kraft-Weg-Kennlinien ist es möglich,
einen Gravitationskompensator zu schaffen, der eine Kraft-Weg-Kennlinie
aufweist, die sich aus der Überlagerung der Kraft-Weg-Kennlinien
der magnetischen Kompensatorelemente 1 und 2 ergibt.
Dies ist in dem Diagramm der 2c) gezeigt.
Das Ergebnis ist, dass höhere Lasten mit geringeren Veränderungen
der kompensierbaren Last bei Positionsverschiebungen des gelagerten
Elements, wie beispielsweise eines entsprechenden Spiegels, gegeben
sind. Dadurch kann bei entsprechend ausgestatteten Projektionsbelichtungsanlagen,
insbesondere den entsprechenden Beleuchtungssystemen oder Projektionsobjektiven,
die Positionsänderung der entsprechenden optischen Elemente
ohne großen Kraftaufwand und somit ohne großen
Energieeintrag mit hoher Präzision und Positioniergenauigkeit
vorgenommen werden. Insgesamt zeigt 2c, dass
die Kraft-Weg-Kennlinie der kombinierten Kompensatorelemente 1, 2 eine
um ihr Maximum weniger stark gekrümmte Form aufweist, als
die jeweiligen Kraft-Weg-Kennlinien der einzelnen Kompensatorelemente.
Damit kommt die Kraft-Weg-Kennlinie der kombinierten Kompensatorelemente
der idealen Kraft-Weg-Kennlinie mit Steigung Null sehr nahe. Die
ideale Kraft-Weg-Kennlinie mit Steigung Null hätte vorteilhaft
zur Folge, dass das optische Element, z. B. der EUV-Spiegel, unabhängig
von seiner Position in z-Richtung eine in diese Richtung wirkende
konstante Kraft erfährt. Diese Kraft kann bei der Auslegung
der Spiegelform auf 0,1 nm (oder gar besser) berücksichtigt
werden, so dass der EUV-Spiegel in seiner Betriebsposition die geforderte
Form aufweist. Abweichungen der Spiegelform durch Positionsänderungen
des Spiegel in z-Richtung sind damit ausgeschlossen.
-
Alternativ
kann die oben beschriebene ideale Kraft-Weg-Kennlinie des Kompensationselements
auch dadurch angenähert werden, dass die Magnete 3, 4, 5 geometrisch
so verändert werden, dass z. B. der äußere Magnet 5 einen
größeren Volumenbereich einnimmt, wie dies z.
B. bei einem größeren Durchmesser der Fall ist.
Damit wird das durch diesen Magneten erzeugte Magnetfeld homogener
und damit die Kraft-Weg-Kennlinie um ihr Maximum weniger stark gekrümmt.
Weitere Alternativen um der idealen Kraft-Weg-Kennlinie möglichst nahe
zu kommen bestehen in der geometrischen Ausgestaltung von Anker
und Stator (z. B. Magnetring 5), indem z. B. mit den Enden,
im allgemeinen mit den Oberflächen der Magneten, der Verlauf
und die Dichte der magnetischen Feldlinien so beeinflusst werden,
dass bei einer relativen Verschiebung zwischen Anker und Stator
eine nahezu verschiebungsunabhängige Kraft resultiert.
Die genannten Alternativen weisen jedoch die Nachteile auf, dass
die Kompensationselemente schwieriger herzustellen sind, wodurch
solche Elemente wesentlich teurer sind, oder aber sie sind aufgrund
der größeren Geometrie in dem begrenzten Bauraum
einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage nicht oder nur mit erhöhtem
Raumaufwand einzusetzen, welcher ebenfalls in höheren Kosten
resultiert.
-
Bei
der Ausführungsform, die in 1 gezeigt
ist, ist im Bereich des Verbindungselements zwischen dem ersten
magnetischen Kompensatorelement 1 und dem zweiten magnetischen
Kompensatorelement 2 eine Einrichtung 12 zur Beeinflussung
des magnetischen Feldes bzw. zur Leitung des magnetischen Flusses vorgesehen.
Die Einrichtung umfasst ferromagnetisches Material in Form von Platten 12,
die verhindern, dass es zwischen den inneren Magneten 4 und 7 der
beiden magnetischen Kompensatorelemente 1 und 2 zu
einem magnetischen Kurzschluss, bzw. zur Beeinflussung der Magnetfelder
der einzelnen Kompensatorelemente 1, 2 durch das
jeweilige andere kommt. Neben den schematisch dargestellten Platten 12 können
natürlich auch Elemente in anderen Formen, die entsprechend
geeignet sind, zur Anwendung kommen. Damit kann die resultierende
Kraft-Weg-Kennlinie eines solchen Gravitatioriskompensators in noch
besserer Näherung mittels Addition der einzelnen Kennlinien
berechnet werden.
-
Um
das bisher anhand von 2a bis 2c qualitativ
Diskutierte quantitativ darzustellen, sei auf 25 und
Tabelle 2 verwiesen, die mit Table 2 bezeichnet ist. Analog
zur Tabelle 1 sind die Rechenschritte mit Steps bezeichnet in welchen
in 2 mm-Schritten die Kräfte Fz für die entsprechende
z-Position berechnet wurde. Dabei wurde die Rechnung für
die oben angegebenen Magnetgeometrien durchgeführt, wobei
ein magnetisches Kompensatorelement 1, 2, entsprechend
wie in 1 und 22 dargestellt,
zwei innere Magnete mit gleicher Polrichtung umfasst. Beide Kompensatorelemente 1, 2 sind
identisch dimensioniert. Die Spalte #1 gibt die Kraft für
das oben bereits in Tabelle 1 dargestellte Kompensatorelement mit
zwei inneren Magneten an. Mittels des Verbindungselements 11 können
nun die beiden magnetischen Kompensatorelemente 1, 2 so miteinander
verbunden werden, dass die inneren Magneten 3, 4 und 7, 8 der
jeweiligen Kompensatorelemente 1, 2 jeweils symmetrisch
zum jeweiligen äußeren Magneten 5, 9 angeordnet
sind. Die Auslenkung des aus den inneren Magneten 3, 4, 7, 8 und
den Verbindungselementen 6, 11, 10 bestehenden
Ankers wird bezüglich einer parallel zur xy-Ebene verlaufenden
Ebene in z-Richtung gemessen, wobei diese Ebene bei z = 0 das die
Länge des Verbindungselement 11 zwischen den beiden
Kompensatorelementen halbiert. In diesem Falle sind lediglich die
Werte der Spalte #1 zu verdoppeln, um die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie
zu erhalten. Dies resultiert bei z = 0 in einer Kraft Fz von ca.
321 N. Bei einer derartigen Ausführungsform ergibt sich
die maximale Kraft Fz, allerdings mit dem Nachteil, dass um den
Bereich z = 0 die Kraft-Weg-Kennlinie nicht sonderlich flach ausgebildet
ist.
-
Um
diesen Nachteil zu beheben, wird das Verbindungselement 11 so
dimensioniert. dass es in seiner Nullposition bei z = 0 (wobei in
der Position z = 0 das Verbindungselement in Richtung der inneren
Magnete halbiert wird) die inneren Magnete relativ zu den jeweiligen äußeren
Magneten unsymmetrisch bezogen auf das jeweilige Kompensationselement 1, 2 positioniert.
Dies kann durch entsprechende Anordnung der äußeren
Magnete 5, 9 erzielt werden. In einem Ausführungsbeispiel
werden die inneren Magneten z. B. um 6 mm relativ zur symmetrischen
Lage innerhalb eines Kompensatorelements 1, 2 so
verschoben, dass die Verschiebung in den beiden Kompensatorelementen
in Gegenrichtung erfolgt. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, das die
Verbindungselement 11 im Vergleich zur symmetrischen Auslegung
um 12 mm verlänger oder verkürzt wird. Dadurch
ergibt sich für jedes Kompensationselement 1, 2 eine
um 6 mm in z-Richtung verschobene Kennlinie, die in der Tabelle
2 in den Spalten F(z + 6) und F(z – 6) die entsprechenden
Kraftwerte zur Position z aufweist. Die resultierende Kennlinie
ergibt sich dann wieder mittels Addition, deren Werte in Tabelle
2 in Spalte sum 6 dargestellt sind. In 25 ist
die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie durch 2030 bezeichnet.
Die jeweiligen Kennlinien der einzelnen Kompensatorelemente sind
mit 2031 und 2032 bezeichnet.
-
In
einem weiteren Beispiel wurde das Verbindungselement 11 so
dimensioniert, dass lediglich eine Verschiebung der inneren Magnete 3, 4, 7, 8 um
2 mm gegenüber ihrer symmetrischen Anordnung zum jeweiligen äußeren
Magneten 5, 9 erfolgt. Dies lässt sich
durch entsprechende Verkürzung oder Verlängerung
des Verbindungselements 11 um 4 mm erzielen. Die jeweiligen
Kennlinien der Kompensatorelemente 1, 2 sind in Tabelle
2 in den Spalten F(z + 2) und F(z – 2) aufgeführt
und in 25 ebenfalls durch die Kurven 2021 und 2022 dargestellt.
die Resultierende Kennlinie erhält man aus der Spalte sum
2, sie ist in 25 mit 2020 bezeichnet.
-
Aus
25 lasst
sich erkennen, dass sich bei einer Verschiebung der inneren Magnete
durch das Verbindungselement
11 ein Plateau ausbilden kann.
So ergibt sich, dass bei jeweils 6 mm Verschiebung auf einem Intervall
von [–6 mm; +6 mm] lediglich eine Kraftvariation um etwa
8 N erfolgt.
| Table
2 | | #1 | F(z
+ 6) | F(z – 6) | sum
6 | F(z
+ 2) | F(z – 2) | sum
2 |
| Steps | Z
Pos | Fz(N) | Fz(N) | Fz(N) | Fz(N) | Fz(N) | Fz(N) | |
| 1 | –36 | –33,63 | –58,36 | | –58,36 | –40,67 | | –40,67 |
| 2 | –34 | –40,67 | –66,96 | | –66,96 | –49,02 | –33,63 | –82,65 |
| 3 | –32 | –49,02 | –68,79 | | –68,79 | –58,36 | –40,67 | –99,03 |
| 4 | –30 | –58,36 | –57,14 | –33,63 | –90,77 | –66,96 | –49,02 | –115,98 |
| 5 | –28 | –66,96 | –38,72 | –40,67 | –79,40 | –68,79 | –58,36 | –127,15 |
| 6 | –26 | –68,79 | –19,24 | –49,02 | –68,26 | –57,14 | –66,96 | –124,10 |
| 7 | –24 | –57,14 | –0,45 | –58,36 | –58,81 | –38,72 | –68,79 | –107,52 |
| 8 | –22 | –38,72 | 16,22 | –66,96 | –50,74 | –19,24 | –57,14 | –76,38 |
| 9 | –20 | –19,24 | 26,81 | –68,79 | –41,99 | –0,45 | –38,72 | –39,18 |
| 10 | –18 | –0,45 | 31,62 | –57,14 | –25,52 | 16,22 | –19,24 | –3,02 |
| 11 | –16 | 16,22 | 45,15 | –38,72 | 6,43 | 26,81 | –0,45 | 26,35 |
| 12 | –14 | 26,81 | 66,69 | –19,24 | 47,46 | 31,62 | 16,22 | 47,84 |
| 13 | –12 | 31,62 | 92,34 | –0,45 | 91,88 | 45,15 | 26,81 | 71,96 |
| 14 | –10 | 45,15 | 120,36 | 16,22 | 136,57 | 66,69 | 31,62 | 98,31 |
| 15 | –8 | 66,69 | 147,19 | 26,81 | 173,99 | 92,34 | 45,15 | 137,49 |
| 16 | –6 | 92,34 | 160,74 | 31,62 | 192,36 | 120,36 | 66,69 | 187,05 |
| 17 | –4 | 120,36 | 147,15 | 45,15 | 192,31 | 147,19 | 92,34 | 239,52 |
| 18 | –2 | 147,19 | 120,25 | 66,69 | 186,95 | 160,74 | 120,36 | 281,10 |
| 19 | 0 | 160,74 | 92,13 | 92,34 | 184,46 | 147,15 | 147,19 | 294,34 |
| 20 | 2 | 147,15 | 66,34 | 120,36 | 186,70 | 120,25 | 160,74 | 281,00 |
| 21 | 4 | 120,25 | 44,71 | 147,19 | 191,90 | 92,13 | 147,15 | 239,28 |
| 22 | 6 | 92,13 | 31,34 | 160,74 | 192,09 | 66,34 | 120,25 | 186,60 |
| 23 | 8 | 66,34 | 26,95 | 147,15 | 174,11 | 44,71 | 92,13 | 136,84 |
| 24 | 10 | 44,71 | 16,32 | 120,25 | 136,58 | 31,34 | 66,34 | 97,69 |
| 25 | 12 | 31,34 | –0,76 | 92,13 | 91,37 | 26,95 | 44,71 | 71,66 |
| 26 | 14 | 26,95 | –20,15 | 66,34 | 46,20 | 16,32 | 31,34 | 47,67 |
| 27 | 16 | 16,32 | –40,37 | 44,71 | 4,34 | –0,76 | 26,95 | 26,19 |
| 28 | 18 | –0,76 | –59,57 | 31,34 | –28,23 | –20,15 | 16,32 | –3,82 |
| 29 | 20 | –20,15 | –71,68 | 26,95 | –44,73 | –40,37 | –0,76 | –41,13 |
| 30 | 22 | –40,37 | –69,54 | 16,32 | –53,22 | –59,57 | –20,15 | –79,72 |
| 31 | 24 | –59,57 | –60,34 | –0,76 | –61,10 | –71,68 | –40,37 | –112,05 |
| 32 | 26 | –71,68 | –50,47 | –20,15 | –70,62 | –69,54 | –59,57 | –129,11 |
| 33 | 28 | –69,54 | –41,71 | –40,37 | –82,08 | –60,34 | –71,68 | –132,02 |
| 34 | 30 | –60,34 | –34,36 | –59,57 | –93,93 | –50,47 | –69,54 | –120,01 |
| 35 | 32 | –50,47 | | –71,68 | –71,68 | –41,71 | –60,34 | –102,05 |
| 36 | 34 | –41,71 | | –69,54 | –69,54 | –34,36 | –50,47 | –84,83 |
| 37 | 36 | –34,36 | | –60,34 | –60,34 | | –41,71 | –41,71 |
-
Eine
weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Gravitationskompensators 20 ist in 3 wiederum
schematisch dargestellt. Der Gravitationskompensator 20 umfasst
ebenfalls zwei Kompensatorelemente 23 und 27,
wobei es sich diesmal um die Kombination von einem magnetischen
Kompensatorelement 23 und einem mechanischen Kompensatorelement 27 in
Form einer mechanischen Feder oder eines vergleichbar elastischen
Elements handelt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
der 3 sind die beiden Kompensatorelemente hintereinander
in Reihe geschaltet, so dass das zu lagernde optische Element 21 über entsprechende
Verbindungselemente 22 unmittelbar auf dem magnetischen Kompensatorelement 23 gelagert ist
und mittelbar über dieses auch auf dem mechanischen Kompensatorelement 27.
Der Gravitationskompensator 20 ist wiederum an einem entsprechenden
Gehäuse 28 oder dergleichen gelagert.
-
Das
magnetische Kompensatorelement 23 umfasst wiederum zwei
innere Magneten 24 und 25 sowie einen äußeren
Magnetring 26, der entsprechend wieder in einer Schnittdarstellung
gezeigt ist. Das optische Element 21 ist in z-Richtung
beweglich, so dass sich eine entsprechende Kraft-Weg-Kennlinie,
wie sie in 4 dargestellt ist, für
die Kompensatorelemente 23 und 27 sowie für
den Gravitationskompensator 20 darstellen lässt.
Dabei können die inneren Magnete gleich- oder gegenpolig
entsprechend mit Kraft-Weg-Kennlinien nach 24 angeordnet
werden.
-
Das
magnetische Kompensatorelement 23 stellt dabei die Kompensationskraft
Fm zur Kompensation der Gewichtskraft des
optischen Elements 21 bereit, während das mechanische
Kompensatorelement 27 die Kraftkomponente FF hierfür
bereitstellt.
-
Die
Kraft-Weg-Kennlinie des mechanischen Kompensatorelementes 27 folgt
dem Hookschen Gesetz, so dass sich ein linearer Zusammenhang zwischen
Kompensationskraft in z-Richtung FZ und
dem Weg z ergibt.
-
Das
magnetische Kompensatorelement 23 stellt ähnlich
der Darstellung in 2 eine Kraft-Weg-Kennlinie
mit einem Maximum in der Nähe der Nullstellung zur Verfügung.
Durch die Überlagerung der Kraft-Weg-Kennlinien der beiden
kombinierten Kompensatorelemente ergibt sich die Kennlinie des Gravitationskompensators 20,
die mit Fm + FF gekennzeichnet
ist. Es ist zu erkennen, dass eine höhere Last kompensiert
werden kann, während gleichzeitig über den Verstellweg
z des optischen Elements 21 geringere relative Kraftunterschiede
zu beobachten sind.
-
Die 5, 6 und 7 sowie 8 stellen
weitere Ausführungsformen von Gravitationskompensatoren
vor, die jedoch auf mechanischen Prinzipien beruhen.
-
Der
Gravitationskompensator 30, der in 5 schematisch
gezeigt ist, bedient sich zweier Festkörpergelenke 33 und 34,
die über entsprechende Verbindungselemente (nicht näher
bezeichnet) mit dem optischen Element 31 einerseits und
einem Gegengewicht 32 verbunden sind. Die Festkörpergelenke 33 und 34 können
wiederum an einem Gehäuse 35 oder dergleichen
gelagert sein. Durch die Umlenkung der Gewichtskraft, die das optische
Element 31 verursacht, über die Festkörpergelenke 33 und 34 in
eine nach oben geachtete Kraft kann durch das Gegengewicht 32 eine
entsprechende Kompensation erzielt werden.
-
Ein ähnliches
Prinzip zeigt die Ausführungsform des Gravitationskompensators 40 in 6,
bei welchem das Prinzip einer Balkenwaage eingesetzt wird. Auf dem
einen Hebelarm der Waagenvorrichtung 43 ist das zu lagernde
optische Element 41, beispielsweise ein Spiegel einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage,
angeordnet, während auf dem anderen Hebelarm das Gegengewicht 42 vorgesehen
ist. Erst wenn die Verschiebung des optischen Elements 41 einen
bestimmten Grenzwert überschreitet, wird durch die Veränderung
der Hebelverhältnisse eine entsprechend massive Veränderung
der zu kompensierenden Gewichtskraft eintreten. Innerhalb eines
gewissen Bewegungsbereichs um den Gleichgewichtszustand ist jedoch
nur eine geringe Veränderung der Kompensationskraft zu
beobachten.
-
Die 7 zeigt
eine Ausführungsform eines Gravitationskompensators 50,
der ebenfalls zwei Gegengewichte 52 und 53 zur
Kompensation der Gewichtskraft des optischen Elements 51 einsetzt.
Die Gegengewichte 52 und 53 sind über
Seilzüge 59 und 58, die über
Umlenkrollen 54 und 55 geführt sind,
mit dem optischen Element verbunden, wobei hier wiederum eine Bewegung
des optischen Element 51 entlang der z-Achse möglich
ist, ohne dass eine Änderung der kompensierbaren Kraft
auftritt. Die entsprechenden Umlenkrollen 55 und 54 sind
wiederum beispielsweise am Gehäuse 56, 57 einer
entsprechenden optischen Anordnung einer Projektionsbelichtungsanlage,
wie beispielsweise in einem Beleuchtungssystem oder einem Projektionsobjektiv,
angeordnet.
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Die 8 zeigt
einen Gravitationskompensator 60, welcher ein mechanisches
Federelement 62 nutzt, dessen Kraft-Weg-Kennlinie, die
in 9 gezeigt ist, einen Bereich aufweist, in dem über
den Dehnungsbereich des mechanischen Federelements 62 ein
konstanter Kraftverlauf bzw. nahezu konstanter Kraftverlauf zu beobachten
ist. Dies ist beispielsweise für Knickstäbe in
bestimmten Bereichen zu beobachten, so dass bei einem entsprechend
geeignet gewählten Betriebsbereich der Knickstab 62 im
durchgebogenen Zustand (siehe 63) den gewünschten
Kraft-Weg-Verlauf aufweist, so dass bei einer Verschiebung des optischen
Elements 64 entlang der z-Achse die entsprechende Veränderung
der Durchbiegung des Knickstabs 62, 63 nicht mit
einer wesentlichen Veränderung der kompensierbaren Kraft
einhergeht.
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Die 10 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines Gravitationskompensators 70,
der die Verschiebemöglichkeit des optischen Elements 71,
also die entsprechende Positionierung des optischen Elements 71 entlang
der z-Achse bei gleichbleibender Kompensationskraft dadurch realisiert,
dass ein Kompensatorelement, wie beispielsweise ein magnetisches
Kompensatorelement 72, in Kombination mit Aktoren 78, 79 zur Verschiebung
des optischen Elements in z-Richtung vorgesehen ist. Das magnetische
Kompensatorelement ist hierbei über Lagerelement 76, 77 mit
den Aktoren 78, 79 verbunden, die wiederum an
einem Gehäuse 80 oder dergleichen gelagert sind.
Die Aktoren 78 und 79 stellen die Bewegung des
optischen Elements 71 in z-Richtung zur Verfügung,
so dass das magnetische Kompensatorelement 72 an sich selbst
keine oder nur geringfügige Wegänderungen aufnehmen
muss. Entsprechend können die inneren Magnete 73 und 74 gegenüber
dem äußeren Magnetring 75 nahezu fixiert
gehalten werden, so dass von daher keine Änderung der kompensierbaren
Kraft auftritt.
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Die 11 zeigt
in einer schematischen Darstellung einen magnetischen Gravitationskompensator 90 mit
inneren Magneten 91 und 92 sowie dem äußeren
Magnetring 93. Zur Kompensation von Alterungseffekten sind
die inneren Magneten 91, 92 verstellbar, insbesondere
verstellbar zueinander bzw. auch zum äußeren Magnetring 93 ausgebildet,
so dass durch die Verstellung der Magnete eine Nachjustierung vorgenommen werden
kann. Damit lassen sich Änderungen bzgl. der kompensierbaren
Kraft aufgrund von Alterungserscheinungen eliminieren.
-
Die
Ausführungsform des Gravitationskompensators 100,
die in 12 gezeigt ist, weist eine Verstellbarkeit
der magnetischen Gravitationskompensation in der Form auf, dass
den inneren Magneten 102 ein Joch 105 mit einer
Spule 104 zugeordnet ist, so dass die Stärke des Magnetfelds
ausgedrückt in der magnetischen Feldstärke bzw.
der magnetischen Flussdichte des inneren Magneten 102 veränderbar
ist, so dass der gesamte magnetische Gravitationskompensator 100 bzgl.
der kompensierbaren Gewichtskraft durch Veränderung des
Stromflusses durch die Spule 104 einstellbar ist. Selbstverständlich
ist es auch möglich, anstelle des inneren Magneten 102 den
inneren Magneten 101 und/oder den äußeren
Magneten 103 bzw. alle diese Magneten oder unterschiedliche
Kombinationen davon entsprechend manipulierbar zu gestalten. Auch
mit dieser Anordnung ist also eine Nachjustierung möglich,
so dass sowohl Alterungseffekte als auch Veränderungen
der kompensierbaren Kraft durch Positionierbewegungen des zu lagernden
optischen Elements ausgeglichen werden können.
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Die 13 zeigt
einen Gravitationskompensator 110, der zugleich auch als
Antrieb für ein zu lagerndes optisches Element 113 eingesetzt
werden kann.
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Der
Gravitationskompensator 110 umfasst zwei magnetische Kompensatorelemente 111 und 112,
die jeweils innere Magneten 114, 115 und 119, 120 sowie äußere
Magnetringe 117 und 122 umfassen. Die magnetischen
Kompensatorelemente 111 und 112 sind über
entsprechend starre Verbindungselemente 118 und 123 mit
dem zu lagernden optischen Element 113 verbunden. Ähnlich
wie bei der Ausführungsform der 12 ist
den inneren Magneten 115 und 120 jeweils ein Joch
mit einer Spule 116 bzw. 121 zugeordnet, so dass
die Stärke des Magnetfelds der entsprechenden inneren Magnete 115 und 120 veränderbar
ist. Durch die parallele Anordnung bzw. Ausgestaltung mit winklig
nebeneinander angeordneten Kompensatorelementen 111 und 112 ist
sowohl eine entsprechende Manipulation des optischen Elements 113 als
auch eine entsprechende Gravitationskompensation mit gleich bleibend
eingestellter Kompensationskraft möglich.
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Die
Darstellungen der 14 und 15 zeigen
einzelne Magnete und entsprechende Maßnahmen zum Schutz
der Magnete vor Umgebungseinflüssen. Beispielsweise kann
es in Projektionsbelichtungsanlagen, die mit EUV-Licht arbeiten,
erforderlich sein, wasserstoffhaltige Atmosphären bzw.
Atmosphären mit überwiegend Wasserstoff vorzusehen,
wobei eine entsprechende Atmosphäre mit molekularem Wasserstoff
bzw. Wasserstoffatomen zu einer Beeinträchtigung der Magnete
führen kann. Dies führt wiederum dazu, dass in entsprechenden
Atmosphären mit der Zeit die kompensierbare Gewichtskraft
bei magnetischen Kompensatorelementen nachteilig verändert
wird.
-
Bei
einer Ausführungsform eines Magneten 130, wie
sie in 14 dargestellt ist, ist der
Magnet 131 in einem Gehäuse aus einem dünnen
Blech mit einer Dicke ungefähr ≤ 1 mm gasdicht
gekapselt, so dass innerhalb der Kapselung eine andere Atmosphäre
eingestellt werden kann. Die Kapselung 132 besteht aus
zwei Teilen 133 und 134, die an den Schweißnähten 135 und 136 zusammengefügt
sind, so dass sich insbesondere ein symmetrischer Aufbau ergibt.
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Eine
andere Möglichkeit der Abtrennung des Magneten von der
umgebenden Atmosphäre ist mit dem Ausführungsbeispiel
der 15 gezeigt. Der Magnet 140 weist eine
gasdichte Beschichtung 141 auf, die verhindert, dass Gase,
wie beispielsweise Wasserstoff, in das Material des Magneten eindringen
und dort zu Schädigungen führen können.
Die Beschichtung kann eine Dicke von bis zu 0,5 mm aufweisen.
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Eine
weitere Möglichkeit, den schädlichen Einfluss
der Umgebung, wie beispielsweise einer Wasserstoffatmosphäre,
auf einen Gravitationskompensator zu verhindern, ist in 16 gezeigt.
Der Gravitationskompensator 153, der das optische Element 151 hält,
wird bei der Anordnung 150 mittels einer Düse 154 mit einem
Gas beblasen, welches für den Gravitationskompensator unschädlich
ist, während über die Düse 152 die
für das optische Element 151 erforderliche Gastatmosphäre
bereitgestellt wird, wie beispielsweise eine wasserstoffhaltige
oder überwiegend Wasserstoff enthaltende Atmosphäre.
Entsprechend weist die Anordnung 150 eine Spülvorrichtung 154 auf,
mit der Schutzgas für den Gravitationskompensator 153 zugeführt
werden kann.
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Die 17 zeigt
eine weitere Ausführungsform 160 eines magnetischen
Gravitationskompensators, der wiederum innere Magnete 161 und 162 sowie
einen äußeren Magnetring 163 aufweist.
Um gezielt die magnetischen Verhältnisse zu ändern
und so Veränderungen an dem Gravitationskompensator 160 als
Folge von Alterungseinflüssen, Umgebungseinflüssen
oder Veränderungen der Kompensationskraft durch Positioniervorgänge
auszugleichen, kann ein auswechselbares ferromagnetisches Material 164 vorgesehen
sein, welches zum entsprechenden Nachjustieren eingesetzt wird.
Bei der schematischen Darstellung der 17 ist eine
plattenförmige Form des ferromagnetischen Materials 164 seitlich
zum äußeren Magnetring 163 dargestellt,
wobei auch jede andere Gestaltung hinsichtlich der Form des magnetischen
Materials 164 und/oder dem Ort der Anbringung denkbar ist.
Der Doppelpfeil 165 symbolisiert die Auswechselbarkeit
bzw. die Veränderbarkeit, mit der die Justierung vorgenommen
werden kann.
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18 zeigt
eine zusätzliche Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in Form eines Gewichtskraftkompensators 1000 zur
Lagerung von optischen Elementen 21 und zur Kompensation
einer in eine Richtung z wirkenden, an einem Kraftangriffspunkt 1018 angreifenden
Kraft F in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage
(nicht dargestellt). Der Gravitationskompensator weist einen Anker 1020 auf,
der im dargestellten Ausführungsbeispiel analog zum Ausführungsbeispiel
nach 1 zwei innere Magnete 1003 und 1004 umfasst,
die mit einem Verbindungselement 1006 verbunden sind, wobei
das Verbindungselement analog dem in 1 dargestellten
Verbindungselement 6 ausgeführt sein kann. Im
Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 1 sind
die Polungen der inneren Magnete 1003 und 1004 umgekehrt.
Damit wirkt die Kraft F in die umgekehrte Richtung. Der Anker 1020 lässt
sich in Richtung z der Kraft F um ein Wegintervall Δz1
bewegen. Ferner weist der Gewichtskraftkompensators 1000 einen äußeren
Magnetring 1005 auf, der analog zu dem in 1 ausgebildet
sein kann, und der an einem Gehäuse 1100 vorzugsweise
fest aber auch aktuierbar (nicht dargestellt) abgestützt
wird. Bei den inneren und äußeren Magneten 1003, 1004 und 1005 handelt
es sich vorzugsweise um Permanentmagnete, die eine mögliche
Ausführungsform eines Kompensationselements bilden. Dem
in Richtung z der Kraft F beweglichen, den Kraftangriffspunkt 1018 umfassenden Anker 1020 des
dargestellten Kompensationselements weist eine erste Kraft-Weg-Kennlinie 1020' in
Richtung z der Kraft F auf. Diese ist in 19 als
eine durch Addition zweier Kraft-Weg-Kennlinien 1003' und 1004' dargestellt.
Die beiden Kraft-Weg-Kennlinien 1003' und 1004' zeigen
schematisch jeweils (bis auf eine Verschiebung in z-Richtung) die
Kraft-Weg-Kennlinie, wenn der Anker nur den inneren Magneten 1003 oder 1004 umfassen
würde. Diese Kennlinien sind vereinfacht dargestellt und
können z. B. auch die Form der Kennlinie 2010 aus 24 haben.
Da beide inneren Magnete 1003 und 1004 durch das
Verbindungselement starr in einem Verbindungsabstand miteinander
verbunden sind, werden die Positionen der Kraft-Weg-Kennlinien 1083' und 1004' entlang
der z-Achse durch diesen Verbindungsabstand mitbestimmt, wodurch
sich die Breite (und auch Höhe) der resultierenden Kraft-Weg-Kennlinie 1020' bestimmt.
Wie 19 schematisch zeigt, wird durch die Verwendung
von zwei in Kraftrichtung z beabstandete innere Magnete des Ankers 1020 die
Breite und Form des plateauähnlichen Bereichs zwischen
den z-Koordinaten z1 und z2 bestimmt. Durch zusätzliche
Magnete, die am Anker angeordnet werden, kann die Kraft-Weg-Kennlinie
weiter geformt werden. Ebenso kann durch zusätzliche äußere
Magnete, wie dies z. B. bereits im Zusammenhang mit 1 mit
den dort beschriebenen Vorteilen dargestellt wurde, die Kraft-Weg-Kennlinie
weiter vorteilhaft beeinflusst werden, z. B. indem sich der plateauförmige
Bereich zwischen z1 und z2 verbreitert und/oder die Schwankungen
der Kraft in diesem Bereich reduziert werden können.
-
Das
durch die inneren und äußeren Magneten 1003, 1004 und 1005 gebildete
Kompensationselement weist eine erste Lagersteifigkeit S1 auf. Diese
ist gegeben durch den Quotient aus der Differenz ΔFF1 einer maximalen
und einer minimalen Kraft eines die Kraft F umfassenden ersten Kraftintervalls ΔF1
und dem Betrag eines dem ersten Kraftintervall ΔF1 über
de erste Kraft-Weg-Kennlinie zugeordneten ersten Wegintervalls Δz1 um
einen ersten Punkt z0, dem über die erste Kraft-Weg-Kennlinie
die Kraft F zugeordnet ist (siehe 19).
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Der
Gewichtskraftkompensator nach 18 umfasst
ferner- Führungsmitteln 1014, 1015, 1016, 1017 mit
einer zweiten Kraft-Weg-Kennlinie 1014' (siehe 19)
in Richtung der Kraft F zur Führung des Ankers 1020 des
Kompensationselements. Diese Führungsmittel können
starr oder aktuierbar (nicht dargestellt) mit einem Gehäuse 1100 verbunden
sein. Ferner weisen diese Führungsmittel eine zweite Lagersteifigkeit
S2 auf, gegeben durch den Quotient aus der Differenz ΔFF2
einer maximalen und einer minimalen Kraft eines durch die zweite
Kraft-Weg-Kennlinie 1014' durch das erste Wegintervall Δz1
um den ersten Punkt z0 zugeordneten zweiten Kraftintervalls ΔF2
und dem Betrag des ersten Wegintervalls Δz1. Dabei ergibt
sich die zur Kompensation der Gegenkraft Fr erzeugte Kraft F des
Kraftkompensators aus der Addition der Kräfte aus der ersten und
aus der zweiten Kraft-Weg-Kennlinie 1020', 1014',
wobei die durch die Kräfteaddition resultierenden Kraft-Weg-Kennlinie 1021' eine
dritten Lagersteifigkeit S3 aufweist. Diese ergibt sich als Quotient
aus der Differenz ΔFF3 einer maximalen und einer minimalen
Kraft wenigstens eines die Kraft F umfassenden dritten Kraftintervalls ΔF3
und dem Betrag des ersten Wegintervalls Δz1 um wenigstens
einen Punkt z0*, wobei durch die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie 1021' mittels
des ersten Wegintervalls Δz1 um den wenigstens einen Punkt
z0* das wenigstens eine dritte Kraftintervall ΔF3 definiert
ist und dabei der wenigstens eine Punkt z0* über die resultierende
Kraft-Weg-Kennlinie 1021' der Kraft F zugeordnet ist. In 19 liegen
die Koordinaten z0 und z0* sehr dicht zusammen, da sich die erste
und die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie 1020', 1021' im Bereich
um z0 nur geringfügig in ihrer Kraft unterscheiden. Ferner
ist in 19 die zweite Kraft-Weg-Kennlinie linear,
sie entspricht also dem Hookschen Gesetz. Dies ist dann zumindest
näherungsweise gegeben, wenn die Führungsmittel 1014 bis 1017 blattfederartig
ausgebildet sind. Damit ist die Bewegung des Ankers 1020 in y-Richtung
sehr eingeschränkt. Werden in x-Richtung ebenfalls analoge
Blattfedern als Führungsmittel eingesetzt, so erfolgt auch
in diese Richtung eine wesentliche Einschränkung der Ankerbewegung.
Dadurch wird vorteilhaft der Anker in x-y-Richtung geführt,
so dass bei einer z-Bewegung des Ankers, z. B. durch Stoß oder Justage
am Spiegel 21, die xy-Position des Kraftangriffspunktes 1018 und
damit die xy-Position des Spiegels 21 im Wesentlichen beibehalten.
Dies vereinfacht regelungstechnisch die Positionierung des Spiegels.
Bei dem zusätzlichen Gewichtskraftkompensator 1000 nach 18 ergibt
sich vorteilhaft, dass die Lagersteifigkeit S3 gleich oder geringer
als die Lagersteifigkeit S1 ist, d. h. als die Lagersteifigkeit
ohne Führungsmittel, und/oder dass die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie 1021' wenigstens
zwei Punkte z0* aufweist, die mehr als das erste Wegintervall Δz1
voneinander beabstandet sind. Damit kann vorteilhaft das Wegintervall
vergrößert werden, so dass der Anker über
einen größeren Wegbereich, bei geschickter Dimensionierung
der Steifigkeit des Führungsmittels sogar mit geringer
Lagersteifigkeit S3 verfahrbar ist. Dies ist in 20 dargestellt.
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20 bezieht
sich auf eine Ausführungsform eines Gewichtskraftkompensators
nach 18, bei dem der innere Magnet 1004, die
Führungsmittel 1016, 1017, sowie das
Verbindungselement 1006 entfernt wurde. Damit ergibt sich
eine durch den inneren Magneten 1003 gegebene erste Kraft-Weg-Kennlinie 1003', die
zugleich auch die Kennlinie 1020' des Anker ist, wenn keine
Führungsmittel 1014 und 1015 vorhanden
wären. Diese Führungsmittel weisen jedoch wie
in 19 einen lineare zweite Kraft-Weg-Kennlinie 1014' nach dem
Hookschen Gesetz auf, wodurch sich durch Addition die resultierende
Kraft-Weg-Kennlinie 1021' ergibt. Diese Kennlinie weist
nun zwei der Kraft F zugeordnete Punkte z0* auf, die um mehr als
das Wegintervall Δz1 voneinander beabstandet sind. Dadurch
ergibt sich ein Nutzbereich des Gewichtskraftkompensators um zwei Punkte
z0*. In diesem Ausführungsbeispiel ist dies allerdings
mit einer größeren Lagersteifigkeit um die jeweiligen
Punkte z0* verbunden, wenn der jeweilige Nutzbereich eine Verschiebung
des Ankers 1020 um das erste Wegintervall zulassen soll.
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Die
Kraft-Weg-Kennlinien in 21 beziehen
sich auf obige Ausführungsform nach 20, jedoch
mit dem Unterschied, dass die zweite Kraft-Weg-Kennlinie 1014' des
Führungsmittels 1014, 1015 einen nichtlinearen
Verlauf aufweist. Die resultierende Kraft-Weg-Kennlinie weist einen
plateauförmigen Bereich um den Punkt z0* auf, an welchem
die Kraft F herrscht. Das Intervall Δz1 um den Punkt z0*
bestimmt die Differenz ΔFF3 der maximalen und der minimalen
Kraft des die Kraft F umfassenden dritten Kraftintervalls ΔF3,
wobei die Differenz im Wesentlichen der Differenz ΔFF1
entspricht, so dass trotz Führung des Ankers 1020 durch
die Führungsmittel die Lagersteifigkeit nahezu unverändert
bleibt. Vorteilhaft ergibt sich jedoch, dass das Wegintervall des
Ankers 1020 deutlich erhöht werden kann, ohne
dass sich die Differenz der maximalen und der minimalen Kraft in
diesem Intervall erhöht. Dies resultiert in einer deutlich
geringeren mittleren Lagersteifigkeit des Gewichtskraftkompensators.
Durch weitere Anpassung der ersten und der zweiten Kraft-Weg-Kennlinien 1003', 1014' kann
ein noch flacheres Plateau in der resultierenden Kennlinie 1021' ausgebildet
werden, so dass die Lagersteifigkeit S3 bezogen auf das erste Wegintervall Δz1
deutlich reduziert wird und ferner das Wegintervall des Ankers 1020 deutlich
erhöht wird, ohne dass sich die Differenz der maximalen
und der minimalen Kraft in diesem Intervall erhöht, d.
h., dass in der resultierenden Kraft-Weg-Kennlinie die Differenz ΔFF1 um
die Kraft F einem Wegintervall größer als Δz1
zugeordnet ist.
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Die
in der EUV-Lithographie eingesetzten Gewichtskraftkompensatoren
zur Lagerung von EUV-Spiegeln nach den oben beschriebenen Ausführungsformen
sind häufig so dimensioniert, dass das erste Wegintervall Δz1
kleiner als 3 mm ist, und dass die dritte Lagersteifigkeit kleiner
2 N/mm ist.
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Häufig
ist die Bewegung des Ankers senkrecht zur Kraft F durch von den
Führungsmitteln generierten Querkräfte in Richtung
senkrecht zur Kraft F auf weniger als 10% des Betrags der Bewegung
des Ankers in Richtung der Kraft eingeschränkt. Dies resultiert
in maximalen Querbewegungen von ca. 0.3 mm oder weniger.
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In 18 ist
zu sehen, dass das optische Element, z. B. ein Spiegel einer lithographischen
EUV-Projektionsbelichtungsanlage, durch den Gewichtskraftkompensator
nur teilweise hinsichtlich der Gewichtskraft abgestützt
wird. Häufig stützen wenigstens drei Gewichtskraftkompensatoren
das optische Element hinsichtlich seiner Gewichtskraft ab. Dabei
umfasst der Begriff „abstützen” auch
den Fall, dass das optische Element an dem Gewichtskraftkompensator
hängend gehalten wird. Ferner ist das optische Element
am Kraftangriffspunkt 1018 des Ankers 120 direkt
oder indirekt wenigstens teilweise mit einer Abstützvorrichtung 1013 abgestützt.
Dabei hat die Abstützvorrichtung 1013 in einer
Richtung senkrecht zur Richtung der Kraft F, also in x- und/oder
y-Richtung, eine geringere Steifigkeit als die Führungsmittel 1014 bis 1018 in
dieser Richtung. Alternativ hat die Abstützvorrichtung 1018 in
einer Richtung senkrecht zur Richtung der Kraft F eine höhere
Steifigkeit als die Führungsmittel in dieser Richtung.
Welcher Fall vorliegt hängt von der Steifigkeit des Führungselements
in x- und/oder y-Richtung ab, so dass jeweils immer hohe und niedrige
Steifigkeiten für Führungsmittel 1014 bis 1018 und
Abstützvorrichtung 1018 gepaart werden. Zusätzlich
weist die Abstützvorrichtung 1013 in Richtung
der Kraft F eine höhere Steifigkeit als das 100-fache der
Differenz ΔFF3 auf, was z. B. in einer Steifigkeit von
mehr als 200 N resultiert.
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Die
bisherigen Ausführungsbeispiele und Ausführungsformen
machten wesentlich davon Gebrauch, dass die inneren Magnete eines
Kompensationselements gleichpolig angeordnet sind, bzw. auch nur
einen Magneten umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann
wenigstens ein magnetisches Kompensatorelement auch wenigstens zwei
Magnete umfassen, die eine gegenpolige Ausrichtung haben. Dies wäre
z. B. in einem nach 19 entsprechenden Ausführungsbeispiel
dadurch zu erzielen, dass z. B. die Polung des oberen Magneten 1003 umgekehrt
wird, d. h. dass bei diesem Magneten Nord oben wäre. Bei
derartiger Polung der inneren Magnete 1003, 1004 ergibt
sich z. B. eine in 26 dargestellte Kennlinie 2100.
Ist der Anker nicht ausgelenkt, so ergibt sich aufgrund der Symmetrie
die Kraft Null. Bei Auslenkung nimmt die Kraft zunächst
entgegen der Richtung der Auslenkung zu, wobei sich die Anordnung
nahezu wie eine Feder mit näherungsweiser linearer Kennlinie
verhält. Nach Erreichen einer Maximalkraft nimmt die Kraft
dann wieder ab bis auf Null. Bei Überschreiten des Nulldurchgangs
und zunehmender Auslenkung des Ankers kehrt sich die Kraft um und
wirkt in Richtung der Auslenkung. Die oben beschriebenen Ausführungsformen
magnetischer Kompensationselemente lassen sich auch mit gegenpoligen
inneren Magneten betreiben. Allerdings muss der Anker deutlich ausgelenkt
werden, damit die maximale Kraft erzeugt wird. Dies bedingt üblicherweise
einen größeren Bauraum. Ferner ist die maximale
Kraft ca. 20% bis 30% geringer als bei gleicher Polung der Magnete.
Ms weitere Ausführungsform der Erfindung können
als magnetische Kompensationselemente auch solche mit gegenpoligen
inneren Magneten verwendet werden, insbesondere in Kombination mit
den oben beschriebenen Komensationselementen und Führungseirichtungen.
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Bei
den vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist klar ersichtlich,
dass die für einzelne Komponenten beschriebenen Merkmale
für den Fachmann in offensichtlicher Weise in bestimmten
Fällen auch in umgekehrter Weise eingesetzt werden können,
wobei dies vom Offenbarungsgehalt mit umschlossen ist. Beispielsweise
können Gravitationskompensatoren, die als Druck belastete
Kompensatoren dargestellt sind, in entsprechend geeigneten Fällen
auch als auf Zug belastete Kompensatoren eingesetzt werden, so dass
also das zu lagernde optische Element nicht mehr auf den entsprechenden
Kompensatoren aufliegt, sondern von diesen hängend gehalten
wird.
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Sofern
einzelne Komponenten als verstellbar oder manipulierbar dargestellt
sind, ist es für den Fachmann selbstverständlich,
dass auch gleichwertige Komponenten in ähnlicher Weise
einstellbar oder manipulierbar ausgestaltet sein können.
Dies gilt insbesondere für manipulierbare Magnete der magnetischen
Kompensatorelemente.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Ausführungsbeispiele
detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann
selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese
Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass
vielmehr Abwandlungen oder Änderungen im Rahmen der beigefügten Schutzansprüche
möglich sind ohne den Schutzbereich zu verlassen. Insbesondere
können unterschiedliche Kombinationen aller vorgestellten
Merkmale vorgenommen werden oder einzelne Merkmale bei Ausführungsbeispielen
weggelassen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006038455
A1 [0002]
- - WO 2008/122313 A1 [0002]
- - DE 102005057860 A1 [0002]
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- - DE 10053899 A1 [0002]
- - WO 2008/012336 A1 [0002]
- - EP 1503246 A2 [0002]
- - EP 1720068 A1 [0002]
- - US 7046335 B2 [0002]
- - EP 1321823 A2 [0002]
- - WO 2007/010011 A1 [0002]
- - EP 1475669 A1 [0002]
- - WO 2009/093907 A1 [0002]
- - DE 69825747 T2 [0002]
- - US 2004/0212794 A1 [0002]
- - WO 2006/087463 A1 [0002]
- - JP 55060719 A [0002]
- - JP 58137618 A [0002]