DE102016202127A1 - Damping arrangement and projection exposure system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsanordnung (200) zur Dissipation mechanischer Schwingungsenergie, wobei die Dämpfungsanordnung (200) ein Dämpfungselement (4), welches eine Magnetic-Shape-Memory-Legierung enthält, sowie Mittel (6, 7), welche geeignet sind, das Dämpfungselement (4) einem magnetischen Feld auszusetzen, umfasst. Ferner betrifft die Erfindung eine mit der genannten Dämpfungsanordnung (200) ausgestattete Projektionsbelichtungsanlage.The invention relates to a damping arrangement (200) for dissipating mechanical vibration energy, wherein the damping arrangement (200) comprises a damping element (4) which contains a magnetic shape-memory alloy, and means (6, 7) which are suitable, the damping element (4) to suspend a magnetic field comprises. Furthermore, the invention relates to a projection exposure system equipped with said damping arrangement (200).
Description
Die Erfindung betrifft eine Dämpfungsanordnung zur Dissipation mechanischer Schwingungsenergie, insbesondere einen Schwingungstilger, zur Dämpfung von Schwingungen ausgesetzten Komponenten sowie eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie, welche mit einer Dämpfungsanordnung ausgestattet ist. In einer Vielzahl technischer Disziplinen ist es erforderlich, Schwingungen einzelner Elemente in übergeordneten Systemen zu unterbinden bzw. wirksam zu dämpfen. So werden beispielsweise im Bauwesen Schwingungen hoher Bauwerke oder auch von Brücken dadurch verringert, dass die Bauwerke mit einer Tilgermasse, beispielsweise einem schweren Pendel versehen werden, welches einen Teil der bei einer Schwingungsanregung des Bauwerkes beispielsweise durch Wind anfallenden kinetischen Energie aufnimmt und damit die Schwingung des Bauwerkes selbst reduziert. The invention relates to a damping arrangement for the dissipation of mechanical vibration energy, in particular a vibration damper, for damping components exposed to vibration and a projection exposure apparatus for semiconductor lithography, which is equipped with a damping arrangement. In a large number of technical disciplines, it is necessary to prevent or effectively dampen oscillations of individual elements in higher-level systems. Thus, for example, in construction vibrations of high buildings or bridges are reduced by the fact that the structures are provided with an absorber mass, such as a heavy pendulum, which absorbs part of the resulting in a vibrational excitation of the building, for example by wind kinetic energy and thus the vibration of the Building itself reduced.
Ebenso werden im Fahrzeugbau, beispielsweise in Verbrennungsmotoren, Schwingungstilger zur Verringerung von Massenkräften verwendet. Likewise, in vehicle construction, for example in internal combustion engines, vibration absorbers are used to reduce mass forces.
Der Schwingungstilger weist typischerweise eine Tilgermasse auf, welche über eine Tilgerfeder an das zu dämpfende Objekt mechanisch angekoppelt ist. Zur Dämpfung der Schwingung bzw. zur Dissipation der Schwingungsenergie können zusätzliche Dämpfungselemente vorhanden sein. Die Eigenschaften der genannten Komponenten Tilgermasse, Tilgerfeder und ggf. Dämpfungselement bestimmen dabei die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers. Diejenige Frequenz des zu dämpfenden Systems, welche durch den Schwingungstilger besonders effektiv gedämpft wird, hängt von der Eigenfrequenz des Schwingungstilgers ab. The vibration damper typically has an absorber mass, which is mechanically coupled to the object to be damped via a Tilgerfeder. To dampen the vibration or to dissipate the vibration energy additional damping elements may be present. The properties of said components damper mass, Tilgerfeder and possibly damping element determine the natural frequency of the vibration. The frequency of the system to be damped which is damped particularly effectively by the vibration damper depends on the natural frequency of the vibration damper.
Auch in Projektionsbelichtungsanlagen für die Halbleiterlithographie, welche hochgenaue gefertigte und positionierte optische Komponenten enthalten, finden Dämpfungsanordnungen, insbesondere Schwingungstilger, Verwendung. Es versteht sich von selbst, dass sich jegliche Form von Vibrationen oder Stößen, sei es während des Transportes einer derartigen Anlage oder auch in deren Betrieb, beispielsweise durch seismische Ereignisse, ausgesprochen negativ auf die Abbildungsqualität der Anlage und damit auf deren gesamte Leistungsfähigkeit auswirkt. Die herkömmliche Fassungstechnik für optische Komponenten allein reicht in der Regel nicht aus, um eingebrachte Schwingungen hinreichend schnell zu dämpfen, da sie eher auf präzise und stabile Lagerung und nicht etwa auf Schwingungsdämpfung ausgelegt ist. In der Vergangenheit wurden verschiedene Ansätze unternommen, um Schwingungen, insbesondere optischer Komponenten in Projektionsbelichtungsanlagen, entweder wirksam zu unterbinden oder – falls dennoch auftretend – in vertretbarer Zeit auf ein akzeptables Maß zu dämpfen. Damping arrangements, in particular vibration dampers, are also used in projection exposure apparatuses for semiconductor lithography, which contain highly accurately manufactured and positioned optical components. It goes without saying that any form of vibration or shock, either during the transport of such a plant or in its operation, for example by seismic events, has a very negative effect on the imaging quality of the plant and thus on its overall performance. The conventional socket technique for optical components alone is usually not sufficient to attenuate introduced vibrations sufficiently fast, as it is designed for precise and stable storage rather than vibration damping. Various approaches have been taken in the past to either effectively inhibit vibrations, particularly optical components in projection exposure equipment, or to mitigate them to an acceptable level in a reasonable amount of time, if they do occur.
In der internationalen Patentanmeldung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Dämpfungsanordnungen zu schaffen, welche eine Anpassung ihres Dämpfungsverhaltens, insbesondere für verschiedene zu dämpfende Frequenzen, erlauben. Object of the present invention is to provide damping arrangements which allow an adaptation of their damping behavior, in particular for different frequencies to be damped.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung. This object is achieved by a device having the features of
Die erfindungsgemäße Dämpfungsanordnung zur Dissipation mechanischer Schwingungsenergie umfasst ein Dämpfungselement, welches eine Magnetic-Shape-Memory Legierung enthält, sowie Mittel, welche geeignet sind, das Dämpfungselement einem magnetischen Feld auszusetzen. The damping arrangement according to the invention for dissipating mechanical vibration energy comprises a damping element which contains a magnetic shape-memory alloy, and means which are suitable for exposing the damping element to a magnetic field.
Elemente, welche die genannte Magnetic-Shape-Memory Legierung enthalten, besitzen eine Kraft-Weg-Kennlinie mit einer ausgeprägten Hysterese. Diese ausgeprägte Hysterese führt dazu, dass während eines durch die jeweilige Hysterese beschriebenen Stauchungs-/Dehnungszyklus ein hoher Energieanteil dissipiert, d. h. in der Regel in Wärme umgewandelt wird. Dieser auch von konventionellen Formgedächtnismaterialien her bekannte Effekt wird auch als Pseudoelastizität bezeichnet. Im Unterschied zu diesen Materialien beruht die Pseudoelastizität von Magnetic-Shape-Memory Legierungen jedoch nicht auf einem Phasenübergang zwischen einer martensitischen und einer austenitischen Phase, sondern vielmehr auf einem Übergang zwischen zwei martensitischen Phasen unterschiedlicher magnetischer Konfiguration. Ein entsprechend beschaffenes Dämpfungselement zeigt somit ausgesprochen vorteilhafte Dämpfungseigenschaften. Die Dämpfungseigenschaften wie auch die Steifigkeit des Dämpfungselementes werden dabei einerseits durch die Wahl der verwendeten Legierung, andererseits aber auch durch ein anliegendes magnetisches Feld beeinflusst. Damit wird es möglich, eine Dämpfungsanordnung insbesondere im Hinblick auf die elastischen Eigenschaften des verwendeten Dämpfungselementes einstellbar zu gestalten, so dass die Dämpfungsanordnung flexibel auf sich ändernde Anforderungen eingestellt werden kann. Elements containing said magnetic shape-memory alloy have a force-displacement characteristic with pronounced hysteresis. This pronounced hysteresis means that during a compression / expansion cycle described by the respective hysteresis, a high proportion of energy dissipates, ie is usually converted into heat. This effect, which is also known from conventional shape memory materials, is also referred to as pseudoelasticity. Unlike these materials, however, the pseudo-elasticity of magnetic shape-memory alloys does not rely on a phase transition between a martensitic and an austenitic phase, but rather on a transition between two martensitic phases of different magnetic configurations. A suitably obtained damping element thus shows pronounced advantageous damping properties. The Damping properties as well as the stiffness of the damping element are influenced on the one hand by the choice of the alloy used, on the other hand, but also by an applied magnetic field. This makes it possible to make a damping arrangement, in particular with regard to the elastic properties of the damping element used adjustable, so that the damping arrangement can be flexibly adjusted to changing requirements.
Die Verwendung einer Magnetic-Shape-Memory-Legierung bietet darüber hinaus noch den Vorteil, dass entstehende Partikel in der Regel ferromagnetisch sind und damit von Magneten angezogen werden, so dass sich im Ergebnis eine deutliche Reduzierung kontaminierender Partikel erreichen lässt. Im Vergleich zu ebenfalls für Dämpfungsanordnungen verwendeten Elastomeren neigen die genannten Legierungen auch in einem weit geringeren Maß dazu, auszugasen, so dass sich auch hierdurch eine Verringerung der mit der Verwendung von Dämpfern einhergehenden Kontamination ergibt. The use of a magnetic shape-memory alloy also offers the advantage that resulting particles are usually ferromagnetic and thus attracted by magnets, so that in the result a significant reduction of contaminating particles can be achieved. Compared with elastomers also used for damping arrangements, the abovementioned alloys also tend to degas to a much lesser extent, thereby also resulting in a reduction of the contamination associated with the use of dampers.
Ferner besteht die Möglichkeit, das genannte Material vorteilhafterweise zur Sensierung von Schwingungen zu verwenden. Dabei kann eine schwingungsinduzierte Änderung der Magnetisierung des Dämpfungselementes beispielsweise mit einem Hallsensor gemessen und ausgewertet werden. It is also possible to use said material advantageously for the sensing of vibrations. In this case, a vibration-induced change in the magnetization of the damping element can be measured and evaluated, for example, with a Hall sensor.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist die Dämpfungsanordnung als Schwingungstilger ausgebildet, wobei der Schwingungstilger mindestens eine Tilgermasse und eine Tilgerfeder als Dämpfungselement aufweist. Da jedoch die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers unter anderem von der Dämpfung der verwendeten Tilgerfeder abhängt, wird es durch die erfindungsgemäße Anordnung möglich, die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers und damit die bevorzugt gedämpfte Frequenz der zu dämpfenden Komponente zu verändern und damit an die jeweiligen Erfordernisse anzupassen. Weiterhin erlaubt es die Erfindung, den Dämpfer unmittelbar in die Tilgerfeder zu integrieren und damit eine ausgesprochen kompakte und einfache Bauform eines – darüber hinaus einstellbaren – Schwingungstilgers zu schaffen. In an advantageous variant of the invention, the damping arrangement is designed as a vibration absorber, wherein the vibration damper has at least one absorber mass and a Tilgerfeder as a damping element. However, since the natural frequency of the vibration absorber depends inter alia on the damping of the Tilgerfeder used, it is possible by the arrangement according to the invention to change the natural frequency of the vibration and thus the preferred damped frequency of the component to be damped and thus adapted to the respective requirements. Furthermore, it allows the invention to integrate the damper directly into the Tilgerfeder and thus to create a very compact and simple design of - adjustable beyond - vibration damper.
Als Magnetic-Shape-Memory Legierung kommt insbesondere eine Legierung in Frage, welche Nickel, Mangan und Gallium enthält. Elemente aus derartigen Legierungen sind zwischenzeitlich in reproduzierbarer Qualität konfektioniert verfügbar und lassen sich damit leicht in einer entsprechenden Anordnung verwenden. As a magnetic shape-memory alloy is particularly an alloy in question, which contains nickel, manganese and gallium. Elements of such alloys are available in the meantime in reproducible quality and can thus be easily used in a corresponding arrangement.
Weiterhin kann eine einfache und kostengünstige Realisierung der Erfindung dadurch erreicht werden, dass es sich bei den Mitteln, das Dämpfungselement, insbesondere die Tilgerfeder einem magnetischen Feld auszusetzen, um mindestens einen Permanentmagneten handelt. Dadurch, dass ein Permanentmagnet verwendet wird, entfällt das ansonsten insbesondere bei einem Elektromagneten bestehende Erfordernis einer elektrischen Kontaktierung und einer dadurch erforderlichen Verkabelung der Anordnung. Furthermore, a simple and cost-effective implementation of the invention can be achieved in that the means for exposing the damping element, in particular the absorber spring, to a magnetic field is at least one permanent magnet. The fact that a permanent magnet is used eliminates the need for an electrical contact, which is otherwise required in particular in the case of an electromagnet, and the wiring of the arrangement required thereby.
Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Veränderung des Magnetfeldes im Bereich des Dämpfungselementes besteht darin, dass der mindestens eine Permanentmagnet relativ zu diesem bewegbar ist. Durch eine Verringerung bzw. Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Permanentmagneten und dem Dämpfungselement kann erreicht werden, dass sich der magnetische Fluss im Bereich des Dämpfungselementes und damit dessen pseudoelastische Eigenschaften, insbesondere dessen Dämpfung, ändern. Auf diese Weise kann vergleichsweise einfach beispielsweise die Eigenfrequenz eines Schwingungstilgers und damit der Bereich seiner größten Dämpfungswirkung verändert werden. An advantageous possibility for changing the magnetic field in the region of the damping element is that the at least one permanent magnet is movable relative thereto. By reducing or increasing the distance between the permanent magnet and the damping element can be achieved that the magnetic flux in the region of the damping element and thus its pseudoelastic properties, in particular its damping, change. In this way, the natural frequency of a vibration absorber and thus the range of its greatest damping effect can be changed relatively simply, for example.
Eine vorteilhafte Möglichkeit zur Veränderung des Abstandes zwischen dem Dämpfungselement und dem Permanentmagneten besteht beispielsweise darin, den Permanentmagneten auf einer arretierbaren Linearführung, beispielsweise einer Schwalbenschwanzführung, anzuordnen. An advantageous possibility for changing the distance between the damping element and the permanent magnet is, for example, to arrange the permanent magnet on a lockable linear guide, such as a dovetail guide.
Eine Verstärkung des magnetischen Einflusses auf die pseudoelastischen Eigenschaften des Dämpfungselementes kann dadurch erreicht werden, dass das Dämpfungselement zwischen zwei Permanentmagneten angeordnet ist. Dabei können insbesondere ungleichnamige Pole der Permanentmagneten einander gegenüber liegen. An amplification of the magnetic influence on the pseudoelastic properties of the damping element can be achieved in that the damping element is arranged between two permanent magnets. In particular, unlike poles of the permanent magnets may face each other.
In einer Variante der Erfindung, bei welcher auf eine mechanische Relativbewegung zwischen dem Dämpfungselement und den Mitteln zum Erzeugen eines Magnetfeldes verzichtet werden kann, sind die Mittel als mindestens ein Elektromagnet ausgebildet. Das Magnetfeld kann in diesem Fall über die Wahl der Stromstärke durch den Elektromagneten angepasst werden. Umgekehrt kann die Spule des Elektromagneten zur Sensierung der Änderung des Magnetfeldes im Falle einer externen Schwingungsanregung verwendet werden. In a variant of the invention, in which a mechanical relative movement between the damping element and the means for generating a magnetic field can be dispensed with, the means are designed as at least one electromagnet. The magnetic field can be adjusted in this case by the choice of the current through the electromagnet. Conversely, the coil of the electromagnet can be used to sense the change in the magnetic field in the case of external vibration excitation.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Dämpfungselement, insbesondere die Tilgerfeder derart ausgebildet sein, dass es bzw. sie im Betrieb der Dämpfungsanordnung einer Stauchung unterliegt. In a further advantageous embodiment of the invention, the damping element, in particular the Tilgerfeder be designed such that it or in the operation of the damping arrangement is subject to a compression.
Wenn im Falle eines Schwingungstilgers die Mittel zur Erzeugung des Magnetfeldes mindestens teilweise als Bestandteil der Tilgermasse ausgebildet sind, kann eine besonders einfache Bauform der Erfindung realisiert werden. So kann beispielsweise die Tilgerfeder in der Art einer Gewindestange ausgebildet sein oder mit einem Gewinde versehene Abschnitte aufweisen. Auf das Gewinde aufgeschraubt ist mindestens ein mit einem passenden Innengewinde versehener Permanentmagnet als Tilgermasse. Durch eine relative Drehung von Permanentmagnet und Tilgerfeder werden zwei Effekte erreicht. Zum einen ändert sich die Geometrie des Schwingungstilgers und zum anderen das Magnetfeld im Bereich der Tilgerfeder. Selbstverständlich würde bereits die Änderung der Geometrie des Schwingungstilgers ausreichen, um die Eigenfrequenz des Schwingungstilgers zu ändern. Es sind jedoch durchaus Fälle denkbar, in welchen es wünschenswert ist, diesen Effekt durch das sich am Ort der Tilgerfeder ändernde Magnetfeld weiter zu verstärken. In diesem Fall kann bei einer geeigneten Wahl der Geometrie und der Materialparameter eine Erhöhung des einstellbaren adressierbaren Frequenzbereiches des Schwingungstilgers erreicht werden. If in the case of a vibration absorber, the means for generating the magnetic field at least partially as part of the absorber mass are formed, a particularly simple design of the invention can be realized. Thus, for example, the Tilgerfeder be formed in the manner of a threaded rod or having threaded portions. Screwed onto the thread is at least one provided with a matching internal thread permanent magnet as absorber mass. By a relative rotation of permanent magnet and Tilgerfeder two effects are achieved. On the one hand changes the geometry of the vibration damper and on the other hand the magnetic field in the area of the Tilgerfeder. Of course, even the change in the geometry of the vibration absorber would be sufficient to change the natural frequency of the vibration absorber. However, there are definitely cases conceivable in which it is desirable to further enhance this effect by changing the magnetic field at the location of the Tilgerfeder. In this case, with a suitable choice of the geometry and the material parameters, an increase of the adjustable addressable frequency range of the vibration absorber can be achieved.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Anordnung mehrere auf einem gemeinsamen Trägerkörper angeordnete Tilgermassen auf, welche mit dem Trägerkörper über jeweils mindestens eine Tilgerfeder mechanisch verbunden sind. Dabei sind mindestens zwei Tilgerfedern in der Weise angeordnet, dass sie ihre Dämpfungswirkung bei einer Deformation in unterschiedlichen Raumrichtungen entfalten. Auf diese Weise kann eine Dämpfungsanordnung realisiert werden, welche bei geeigneter Auslegung Schwingungen in allen 6 mechanischen Freiheitsgraden zu dämpfen vermag. In an advantageous embodiment of the invention, the arrangement has a plurality of absorber masses arranged on a common carrier body, which are mechanically connected to the carrier body via at least one Tilgerfeder. At least two Tilgerfedern are arranged in such a way that they develop their damping effect in a deformation in different directions in space. In this way, a damping arrangement can be realized, which is able to damp vibrations in all 6 mechanical degrees of freedom with a suitable design.
Insbesondere für die Anwendung zur Schwingungsdämpfung von Komponenten von Projektionsbelichtungsanlagen für die Halbleiterlithographie bietet die erfindungsgemäße Anordnung erhebliche Vorteile. Derartige Anlagen unterliegen während ihrer Lebensdauer erheblichen Veränderungen. So werden beispielsweise im Rahmen von Wartungsarbeiten oder Upgrades optische oder mechanische Komponenten modifiziert, was zu einer Änderung der dynamischen Eigenschaften des Gesamtsystems und damit zu einer Änderung des Spektrums der auftretenden mechanischen Schwingungen führt. Ebenso finden Änderungen in der Umgebung der entsprechenden Anlagen statt, beispielsweise die Installation anderer Anlagen, von welche ebenfalls Schwingungsanregungen ausgehen. In particular for the application for vibration damping of components of projection exposure apparatuses for semiconductor lithography, the arrangement according to the invention offers considerable advantages. Such systems are subject to significant changes during their lifetime. For example, as part of maintenance or upgrades optical or mechanical components are modified, resulting in a change in the dynamic properties of the overall system and thus to a change in the spectrum of mechanical vibrations occurring. Likewise, there are changes in the environment of the corresponding facilities, such as the installation of other facilities, which also vibrational excitations go out.
Bei der Projektionsbelichtungsanlage kann es sich beispielsweise um eine EUV-Projektionsbelichtungsanlage handeln. The projection exposure apparatus may, for example, be an EUV projection exposure apparatus.
Bei der zu dämpfenden Komponente kann es sich insbesondere um einen Teil der Tragstruktur der Anlage oder auch um eine Fassung eines optischen Elementes, beispielsweise einer Linse oder eines Spiegels, handeln. The component to be damped may in particular be a part of the support structure of the system or else a socket of an optical element, for example a lens or a mirror.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung exemplarisch erläutert. Es zeigt: The invention will be explained by way of example with reference to the drawing. It shows:
Anstatt der in der Figur dargestellten verschiebbaren Permanentmagnete
Ebenfalls gut zu erkennen in der
Im Unterschied hierzu ist in
Analog zeigt
In
Im Unterschied hierzu ist in der
In
Nicht gezeigt in den
Eine mittels der Lichtquelle
Exemplarisch ist in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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