DE102017212773A1

DE102017212773A1 - Gewichtskraftkompensationseinrichtung

Info

Publication number: DE102017212773A1
Application number: DE102017212773.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Erath
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2017-07-25
Publication date: 2019-01-31
Also published as: CN111133385B; US11537052B2; US20200159131A1; CN111133385A; WO2019020315A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1), umfassend einen Stator (3) und einen Translator (2), wobei der Translator (2) relativ zu dem Stator (3) entlang einer Bewegungsachse (A) beweglich ist, und wobei der Translator (2) eine erste Permanentmagnetanordnung (10) mit einer axialen Magnetisierung aufweist, und der Stator (3) eine zweite Permanentmagnetanordnung (11) aufweist, die die erste Permanentmagnetanordnung (10) radial umgibt. Der Stator (3) weist ferner eine dritte Permanentmagnetanordnung (12) auf, die koaxial unterhalb der ersten Permanentmagnetanordnung (10) angeordnet ist und eine axiale Magnetisierung aufweist, welche invers zu der axialen Magnetisierung der ersten Permanentmagnetanordnung (10) ausgerichtet ist. Ferner weist der Stator (3) eine Magnetkörperanordnung (13) auf, die koaxial oberhalb der ersten Permanentmagnetanordnung (10) angeordnet ist. Die erste Permanentmagnetanordnung (10), die zweite Permanentmagnetanordnung (11), die dritte Permanentmagnetanordnung (12) und die Magnetkörperanordnung (13) bilden eine Magneteinheit (14) aus und erzeugen in Wechselwirkung miteinander eine Kompensationskraft (F_M), die der auf den Translator (2) wirkenden Gewichtskraft (F_G) entgegenwirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gewichtskraftkompensationseinrichtung, umfassend einen Stator und einen Translator, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einem Beleuchtungssystem mit einer Strahlungsquelle sowie einer Optik, welche wenigstens ein optisches Element aufweist, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 19.
In Projektionsbelichtungsanlagen für die Halbleiterlithographie werden üblicherweise eine Vielzahl von Aktuatoren, beispielsweise Tauchspulenaktuatoren, eingesetzt, um Bauteile, insbesondere optische Elemente im Beleuchtungssystem der Projektionsbelichtungsanlagen, mechanisch zu beeinflussen, zu manipulieren und/oder zu deformieren, um beispielsweise den Strahlengang einer Strahlungsquelle zu steuern.
Aus der WO 2005/026801 A2 ist es bekannt, optische Elemente für EUV-Projektionsbelichtungsanlagen, wie Spiegel, unter Einsatz von ansteuerbaren Bewegungsachsen durch Betätigungseinrichtungen in Form von Lorentz-Aktuatoren in mehreren Freiheitsgraden zu verstellen. Hierzu können Tauchspulenaktuatoren verwendet werden, wobei ein linear bewegliches Betätigungselement, ein Translator, durch elektromagnetische Wechselwirkung mit einer statisch montierten und den Translator umgebenden Spule bewegt werden kann. Der Translator ist dabei über ein Führungsglied mit dem optischen Element verbunden, auf das sich eine ausgeführte Bewegung überträgt.
Es ist von Vorteil, wenn die Aktuatoren zur Verstellung der optischen Elemente und die optischen Elemente selbst so weit wie möglich von Gewichtskräften entkoppelt sind. Vorzugsweise verstellen die Aktuatoren die optischen Elemente im gewichtsfreien bzw. scheinbar kräftefreien Zustand. Hierzu werden meist sogenannte Gewichts- bzw. Gravitationskompensationseinrichtungen auf Basis von Permanentmagneten („Magnetic Gravity Compensators“) eingesetzt, die die Gewichtskräfte - zumindest einen großen Teil der Gewichtskräfte - der optischen Elemente aufnehmen. Dadurch wird die Betätigung der optischen Elemente durch die Aktuatoren vereinfacht und es ist ein geringerer Energieeintrag in die Aktuatoren erforderlich. Dies hat wiederum positive Auswirkungen auf das Gesamtverhalten der Projektionsbelichtungsanlage, da beispielsweise keine zusätzlichen Wärmelasten aufgrund des hohen Energieverbrauchs der Aktuatoren in die Anlage eingeführt werden.
Eine derartige Gewichtskraftkompensationseinrichtung ist beispielsweise in der DE 10 2011 088 735 A1 beschrieben und umfasst ein mit Tragarmen gekoppeltes Gehäuse und ein gegenüber dem Gehäuse bewegliches, mit einem Spiegel gekoppeltes Halteelement. An dem beweglichen Halteelement sind beispielsweise zwei Ringmagnete befestigt, welche zusammen mit einem an dem Gehäuse fest angeordneten Ringmagnet, welcher die zwei Ringmagnete radial umgibt, eine Kompensationskraft entgegen der Gewichtskraft des Spiegels erzeugen. Der am Gehäuse angeordnete Ringmagnet weist eine radiale Magnetisierung auf. Die Kompensationskraft, die die Ringmagnete zusammen erzeugen, kann somit der Gewichtskraft eines optischen Bauteils, insbesondere einer optischen Einrichtung einer Projektionsbelichtungsanlage, entgegenwirken bzw. entspricht dieser im Wesentlichen betragsmäßig.
Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung von Halbleiterschaltungen erhöhen sich die Anforderungen an Auflösung und Genauigkeit von Projektionsbelichtungsanlagen gleichermaßen. Entsprechend hohe Anforderungen werden auch an die Aktuatoren, die die optischen Elemente im Beleuchtungssystem mechanisch steuern, die notwendige Sensorik und die Steuerungselektronik gestellt.
Problematisch beim Einsatz von Gewichtskraftkompensationseinrichtungen ist dabei insbesondere, dass deren Magnetkreise ein relativ großes Streufeld generieren, was zu unerwünschtem elektromagnetischem Übersprechen („Crosstalk“) mit anderen Bauteilen führt. Beispielsweise können in der Projektionsbelichtungsanlage vorhandene weichmagnetische Teile, beispielsweise Eisenteile, das Verhalten der Gewichtskraftkompensationseinrichtungen verändern. Ferner können verwendete Sensoren von den generierten Streufeldern störend beeinflusst werden. Insbesondere aufgrund der immer höheren Kraftanforderungen der Gewichtskraftkompensationseinrichtungen, bedingt durch immer größere und schwerere optische Elemente, beispielsweise Spiegel, werden die parasitär verursachten Effekte bzw. Streufelder immer größer.
Aus der Praxis ist es bekannt, die Streufelder durch weichmagnetische Abschirmungen zu minimieren. Hierdurch werden allerdings gleichzeitig unerwünschte Hysterese-Effekte in der Gewichtskraftkompensationseinrichtung erzeugt bzw. das Ansprechverhalten der Gewichtskraftkompensationseinrichtung und/oder den hiermit kombinierten Aktuatoren wird verschlechtert.
Es ist ferner aus der Praxis bekannt, das Streufeld durch Verwendung weiterer Permanentmagnete zu reduzieren. Die hierfür bekannten Lösungen sind allerdings fertigungstechnisch aufwändig und erfordern eine hohe Zahl von zusätzlichen Permanentmagneten, um eine ausreichend gute Schirmung zu erreichen. Somit kann beispielsweise eine um den Faktor 3 größere Anzahl an Permanentmagneten erforderlich werden, wodurch die Komplexität des Systems deutlich erhöht wird.
Ein weiterer Nachteil der Gewichtskraftkompensationseinrichtungen des Standes der Technik ist, dass für die notwendigen radial magnetisierten Permanentmagnetringe ein hoher Herstellungsaufwand betrieben werden muss. Typischerweise können die Ringmagnete im üblichen Rahmen nur durch die Verwendung einer Vielzahl axial magnetisierter Ringsegmente hergestellt werden, die anschließend nebeneinander gelegt zu einem umlaufenden Ring zusammengesetzt und verklebt werden. Um eine ausreichend hohe Qualität eines solchen „Ringmagneten“ zu erreichen, sind die Anforderungen an die notwendigen Prozesstoleranzen sehr hoch, zudem sollten die Ringsegmente möglichst klein sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gewichtskraftkompensationseinrichtung bereitzustellen, deren Streufeld möglichst gering ist, und die einen einfachen Aufbau aufweist.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit Gewichtskraftkompensationseinrichtungen zu schaffen, deren Streufeld möglichst gering ist.
Die Aufgabe wird für die Gewichtskraftkompensationseinrichtung durch die in Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Ferner wird die Aufgabe für eine Projektionsbelichtungsanlage mit den in Anspruch 19 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die abhängigen Ansprüche und die nachfolgend beschriebenen Merkmale betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Gewichtskraftkompensationseinrichtung umfasst einen Stator und einen Translator, wobei der Translator relativ zu dem Stator entlang einer Bewegungsachse beweglich ist.
Bei dem Translator kann es sich um das Betätigungselement eines Linearmotors, beispielsweise eines Lorentz-Aktuators in Form eines Tauchspulenaktuators, handeln. Es kann allerdings vorgesehen sein, dass der Translator lediglich zur gewichtsfreien Lagerung eines Bauteils verwendet wird und hierzu quasi frei schwebend im Optimalfall in einer Mittelstellung bzw. Nullstellung entlang der Bewegungsachse gehalten wird. Der Translator kann grundsätzlich einen beliebigen Aufbau aufweisen. Typischerweise wird der Translator einen geraden bzw. linear verlaufenden Abschnitt aufweisen. Eine derartige Ausgestaltung eignet sich besonders um Kräfte zu übertragen bzw. aufzunehmen. Der Translator kann hohl bzw. rohrförmig ausgebildet sein, um zusätzlich Gewicht einzusparen. Die Längsachse des Translators kann vorzugsweise koaxial mit der Bewegungsachse verlaufen.
Die Gewichtskraftkompensationseinrichtung ist vorzugsweise zur gewichtsfreien bzw. im Wesentlichen gewichtsfreien Lagerung eines Bauteils ausgebildet. Bei dem Bauteil kann es sich beispielsweise um ein optisches Element, insbesondere eine Linse oder einen Spiegel einer Projektionsbelichtungsanlage, handeln. Hierauf ist die Erfindung jedoch nicht beschränkt. Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann ein beliebiges Bauteil gelagert werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Translator eine erste Permanentmagnetanordnung mit einer axialen Magnetisierung aufweist, und der Stator eine zweite Permanentmagnetanordnung aufweist, die die erste Permanentmagnetanordnung radial umgibt.
Mit einer axialen Magnetisierung ist gemeint, dass die Polarisierung bzw. Ausrichtung der magnetischen Pole von magnetischen Einzelkomponenten bzw. Permanentmagneten der Permanentmagnetanordnung achsparallel zu der Bewegungsachse bzw. Längsachse des Translators verläuft. Das heißt, eine jeweilige Verbindungslinie zwischen einem ersten magnetischen Pol und einem zweiten magnetischen Pol von Permanentmagneten der Permanentmagnetanordnung verläuft achsparallel zu der Bewegungsachse.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass der Stator eine dritte Permanentmagnetanordnung aufweist, die koaxial unterhalb der ersten Permanentmagnetanordnung angeordnet ist und eine axiale Magnetisierung aufweist, welche invers zu der axialen Magnetisierung der ersten Permanentmagnetanordnung ausgerichtet ist.
Mit einer Position unterhalb der ersten Permanentmagnetanordnung ist eine axiale Position entlang der Bewegungsachse gemeint, die sich entlang der Richtung der Gewichtskraft weiter von dem Bauteil, dessen Gewicht kompensiert werden soll, entfernt befindet, als die erste Permanentmagnetanordnung. Das heißt, die dritte Permanentmagnetanordnung befindet sich auf der Seite der ersten Permanentmagnetanordnung, die dem Bauteil, dessen Gewichtskraft kompensiert werden soll, abgewandt ist. Die dritte Permanentmagnetanordnung ist somit näher an einem Mittelpunkt der Gravitationsquelle, insbesondere dem Erdmittelpunkt, angeordnet.
Die in der Erfindung verwendeten Begriffe „oberhalb“ / „über“ / „oben“ etc. und „unterhalb“ / „unter“ / „unten“ etc. sind entsprechend der vorigen Definition zu verstehen.
Mit einer axialen Magnetisierung der dritten Permanentmagnetanordnung, die invers zu der axialen Magnetisierung der ersten Permanentmagnetanordnung ausgerichtet ist, ist gemeint, dass axial polarisierte magnetische Einzelkomponenten bzw. Permanentmagnete der jeweiligen Permanentmagnetanordnungen einander gegensätzlich ausgerichtet sind. Das heißt, die erste Permanentmagnetanordnung und die dritte Permanentmagnetanordnung sind derart axial magnetisiert, dass sich die beiden Permanentmagnetanordnungen magnetisch voneinander abstoßen.
Insofern die erste Permanentmagnetanordnung und die dritte Permanentmagnetanordnung nur jeweils durch einen axial magnetisierten Permanentmagneten gebildet sind, sind die Permanentmagnete derart angeordnet, dass sich diese gegenseitig abstoßen, d. h. dass die Permanentmagnete der beiden Permanentmagnetanordnungen so angeordnet sind, dass gleiche Pole aufeinander ausgerichtet sind, zum Beispiel ein magnetischer Nordpol der ersten Permanentmagnetanordnung einem magnetischen Nordpol der dritten Permanentmagnetanordnung gegenüberliegt. Wenn die Permanentmagnetanordnungen jeweils durch mehrere Permanentmagnete gebildet sind, beispielsweise mehrere Ringmagnete, sind die beiden Permanentmagnetanordnungen vorzugsweise derart abgestimmt, dass sich jeweils gleichpolig aufeinander ausgerichtete Permanentmagnete bzw. Ringmagnete gegenüberliegen und sich somit voneinander abstoßen. Insgesamt kann es jedoch bereits genügen, wenn die Permanentmagnete bzw. die Ringmagnete derart zusammengesetzt sind, dass sich insgesamt eine abstoßende Kraft zwischen den beiden Permanentmagnetanordnungen ergibt, wobei es selbstverständlich zu bevorzugen ist, wenn sich auch alle magnetischen Einzelkomponenten der beiden Permanentmagnetanordnungen voneinander abstoßen und entsprechend invers polarisiert bzw. magnetisiert ausgerichtet sind.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass der Stator eine Magnetkörperanordnung aufweist, die koaxial oberhalb der ersten Permanentmagnetanordnung angeordnet ist.
Bei einem Magnetkörper kann es sich um einen Permanentmagneten, ein magnetisierbares Teil, z. B. ein Weicheisen, oder ein magnetisches Teil handeln, welches unter dem Einfluss eines Magneten magnetisch reagiert. Bei der Magnetkörperanordnung kann es sich auch um einen oder mehrere Elektromagnete und/oder Elektropermanentmagnete handeln.
Vorgesehen ist, dass die Magnetkörperanordnung und die erste Permanentmagnetanordnung derart zusammenwirken, dass sich eine magnetische Anziehungskraft auf beide Teile durch ein magnetisches Feld ergibt.
Mit einer Anordnung oberhalb der ersten Permanentmagnetanordnung ist eine Position entlang der Bewegungsachse gemeint, die sich näher an dem Bauteil, dessen Gewichtskraft kompensiert werden soll, befindet als die erste Permanentmagnetanordnung. Das heißt, die Magnetkörperanordnung befindet sich auf der Seite der ersten Permanentmagnetanordnung, die dem Bauteil, dessen Gewichtskraft kompensiert werden soll, zugewandt ist bzw. die Magnetkörperanordnung ist somit entlang der Bewegungsachse an einer axialen Position angeordnet, die von dem Mittelpunkt des Gravitationsfeldes, insbesondere dem Mittelpunkt der Erde, weiter entfernt ist, als die erste Permanentmagnetanordnung.
Die erste Permanentmagnetanordnung befindet sich folglich entlang der Bewegungsachse (in axialer Richtung) zwischen der dritten Permanentmagnetanordnung und der Magnetkörperanordnung.
Die zweite Permanentmagnetanordnung kann neben der ersten Permanentmagnetanordnung und dem Translator auch die dritte Permanentmagnetanordnung und/oder die Magnetkörperanordnung teilweise oder vollständig radial umgeben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die erste Permanentmagnetanordnung, die zweite Permanentmagnetanordnung, die dritte Permanentmagnetanordnung und die Magnetkörperanordnung eine Magneteinheit ausbilden und in Wechselwirkung miteinander eine Kompensationskraft erzeugen, die der auf den Translator wirkenden Gewichtskraft entgegenwirkt.
Die Gewichtskraftkompensationseinrichtung kann mittels des Translators somit dazu verwendet werden, die Gewichtskräfte eines Bauteils durch die Kompensationskraft aufzunehmen bzw. teilweise aufzunehmen und gegebenenfalls auch das Bauteil auszurichten, wenn zusätzlich ein Aktuator vorgesehen ist. Der Translator ist dazu entlang bzw. am Ende der Bewegungsachse mit dem Bauteil mechanisch verbunden. Die Gewichtskraft des Bauteils wirkt somit entlang der Bewegungsachse nach unten, d. h. in Richtung auf die dritte Permanentmagnetanordnung, während die Kompensationskraft der Gewichtskraft entgegenwirkt, d. h. entlang der Bewegungsachse nach oben wirkt.
Die Gewichtskraftkompensationseinrichtung kann zusätzlich zum Gewicht des Bauteils auch das Gewicht von mit dem Bauteil verbundenen Komponenten, beispielsweise von Teilen einer Aktuatorik oder der Gewichtskraftkompensationseinrichtung selbst, kompensieren bzw. aufnehmen.
Die erfindungsgemäße Gewichtskraftkompensationseinrichtung eignet sich zur Gewichtskraftkompensation für nahezu beliebige Anwendungen. Besonders bevorzugt kann die Gewichtskraftkompensationseinrichtung allerdings innerhalb einer Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie, und ganz besonders bevorzugt für eine EUV-Projektionsbelichtungsanlage, eingesetzt werden.
Unter der Kompensationskraft ist vorliegend eine Kraft zu verstehen, die der Gewichtskraft des Bauteils im Wesentlichen entgegengerichtet ist und der Gewichtskraft vorzugsweise im Wesentlichen betragsmäßig entspricht derart, dass die Kompensationskraft die Gewichtskraft möglichst vollständig ausgleicht, wodurch das Bauteil im Wesentlichen gewichtsfrei entlang der Bewegungsachse gelagert und gegebenenfalls bewegt werden kann.
Unter einer Permanentmagnetanordnung ist eine Anordnung bestehend aus einem oder mehreren Permanentmagneten zu verstehen.
Es können zusätzlich zu der ersten, zweiten und/oder dritten Permanentmagnetanordnung und/oder der Magnetkörperanordnung noch weitere Permanentmagnetanordnungen und/oder Magnetkörperanordnungen vorgesehen sein, die gemeinsam die Kompensationskraft erzeugen.
Ferner können weitere Magneteinheiten, welche die genannten Permanentmagnetanordnungen und die Magnetkörperanordnung aufweisen, vorgesehen sein, die gemeinsam die Kompensationskraft erzeugen.
Die Erfinder haben erkannt, dass ein Aufbau bestehend aus wenigstens einer erfindungsgemäß ausgebildeten Magneteinheit ein deutlich geringeres Streufeld erzeugt als dies mit dem bekannten Stand der Technik bisher erreichbar war. Gleichzeitig kann ein kompaktes Design, d. h. ein geringes Bauvolumen, beibehalten werden, da nur wenige Permanentmagnete benötigt werden.
Ein weiterer Vorteil eines verringerten Streufelds ist eine Erhöhung der Performanz der Gewichtskraftkompensationseinrichtung, da die Verluste des magnetischen Kreises reduziert werden.
Durch die erfindungsgemäße Kombination einer ersten, zweiten und dritten Permanentmagnetanordnung mit der Magnetkörperanordnung kann die Charakteristik der Gewichtskraftkompensationseinrichtung durch Überlagerung von zwei gegenläufigen Steifigkeiten verbessert sein.
Da lediglich die erste Permanentmagnetanordnung an dem Translator, d. h. der beweglichen Einheit der Gewichtskraftkompensationseinrichtung, angeordnet ist, sind die zu bewegenden Massen vergleichsweise gering. Dies kann insbesondere von Vorteil sein, wenn an der Gewichtskraftkompensationseinrichtung gleichzeitig eine Aktuatorik vorgesehen ist, die insbesondere schnelle Bewegungen des Translators entlang der Bewegungsachse verursachen soll. Die Massenträgheit des Translators kann dann besonders vorteilhaft, d. h. gering, sein.
Dadurch, dass eine magnetische Abschirmung im Wesentlichen durch Verwendung von Permanentmagneten erreicht wird, ist ein nahezu hysteresefreies Ansprechverhalten der Gewichtskraftkompensationseinrichtung bzw. eines Aktuators mit einer erfindungsgemäß ausgestatteten Gewichtskraftkompensationseinrichtung zu erwarten.
Da vorzugsweise alle, zumindest aber die erste und die dritte Permanentmagnetanordnung axial magnetisierte Permanentmagnete aufweisen bzw. als axial magnetisierte Permanentmagnetanordnungen ausgebildet sind, ist der technische und wirtschaftliche Aufwand zur Herstellung der Permanentmagnetanordnungen und schließlich der Gewichtskraftkompensationseinrichtung vergleichsweise gering.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht es grundsätzlich, die erste, die zweite und die dritte Permanentmagnetanordnung und auch die Magnetkörperanordnung durch axial magnetisierte Permanentmagnete auszubilden. Dies ist, verglichen mit dem Stand der Technik, bei dem zumindest die zweite Permanentmagnetanordnung am Stator, welche die erste Permanentmagnetanordnung umgibt, durch einen radial polarisierten Ringmagneten gebildet war, d. h. dessen Innenseite einen ersten magnetischen Pol ausgebildet hat und dessen Außenseite einen zweiten magnetischen Pol ausgebildet hat, vergleichsweise gering. Ein Zusammensetzen aus einer Vielzahl von radialen bzw. „kuchenförmigen“ Einzelsegmenten, die jeweils alle in deren Axialrichtung magnetisiert werden mussten, kann dadurch entfallen.
Vorzugsweise ist ein rotationssymmetrischer Magnetkreis bzw. eine rotationssymmetrische Magneteinheit zur Gewichtskraftkompensation vorgesehen, wobei die Rotationsachse der Längsachse des Translators bzw. der Bewegungsachse entspricht.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Magnetkörperanordnung als vierte Permanentmagnetanordnung ausgebildet ist, die eine axiale Magnetisierung aufweist, welche entsprechend der axialen Magnetisierung der ersten Permanentmagnetanordnung ausgerichtet ist.
Mit einer axialen Magnetisierung, die der ersten Permanentmagnetanordnung entspricht, ist gemeint, dass axial polarisierte Einzelkomponenten bzw. Permanentmagnete der vierten Permanentmagnetanordnung gegenpolig zu entsprechenden Einzelkomponenten bzw. Permanentmagneten der ersten Permanentmagnetanordnung ausgerichtet sind, so dass sich deren magnetische Pole magnetisch anziehen. Vorgesehen ist, dass sich die vierte Permanentmagnetanordnung und die erste Permanentmagnetanordnung gegenseitig magnetisch anziehen. Insofern die erste Permanentmagnetanordnung und die Magnetkörperanordnung in ihrer Ausbildung als vierte Permanentmagnetanordnung nur jeweils aus einem Permanentmagneten bestehen, sind deren Pole derart aufeinander ausgerichtet, dass sich die erste Permanentmagnetanordnung und die vierte Permanentmagnetanordnung anziehen. Insofern die Permanentmagnetanordnungen durch jeweils mehrere Permanentmagnete gebildet sind, ist es von Vorteil, wenn die Permanentmagnete jeweils derart angeordnet sind, dass sich die einzelnen Permanentmagnete der ersten Permanentmagnetanordnung und die Permanentmagnete der vierten Permanentmagnetanordnung jeweils entsprechend anziehen. Es kann aber auch genügen, wenn die Permanentmagnete derart angeordnet bzw. polarisiert sind, dass sich die erste Permanentmagnetanordnung und die vierte Permanentmagnetanordnung insgesamt anziehen, dies jedoch nicht für alle Permanentmagnete der beiden Permanentmagnetanordnungen gilt.
Erfindungsgemäß kann es sich bei der Magnetkörperanordnung beispielsweise auch um ein weichmagnetisches Material, zum Beispiel um Eisen, handeln. Auch in diesem Fall würden sich die Magnetkörperanordnung des Stators und die erste Permanentmagnetanordnung des Translators magnetisch anziehen.
Der Erfinder hat erkannt, dass die Kraft-Weg-Kurve bei Verwendung einer vierten Permanentmagnetanordnung verbessert ist, d. h. flacher verläuft. Die Kompensationskraft kann somit bei einer Bewegung bzw. Auslenkung des Translators entlang der Bewegungsachse konstant oder zumindest im Wesentlichen konstant sein. Es ist daher zu bevorzugen, dass auch die Magnetkörperanordnung als Permanentmagnetanordnung, d. h. vorliegend als vierte Permanentmagnetanordnung, ausgebildet ist.
Der Erfinder hat außerdem erkannt, dass bei Verwendung einer vierten Permanentmagnetanordnung die magnetische Abschirmung noch weiter verbessert sein kann, während gleichzeitig das Ansprechverhalten der Gewichtskraftkompensationseinrichtung bzw. einer mit einem Aktuator ausgestatteten Gewichtskraftkompensationseinrichtung noch besser ist.
Es ist denkbar, vollständig auf eine Magnetkörperanordnung bzw. die vierte Permanentmagnetanordnung zu verzichten. Die sich aus einer derartigen Anordnung ergebende Kraft-Weg-Kurve ist allerdings nicht besonders vorteilhaft für eine Gewichtskraftkompensation geeignet.
Vorzugsweise kann die Steifigkeit bzw. die Ableitung der Kraft-Weg-Kurve der Gewichtskraftkompensationseinrichtung kleiner sein als 20 N/mm, besonders bevorzugt viel kleiner sein als 20 N/mm, und ganz besonders bevorzugt wenigstens annähernd 0 N/mm betragen, idealerweise 0 N/mm betragen.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann außerdem vorgesehen sein, dass sich die erste Permanentmagnetanordnung, die dritte Permanentmagnetanordnung und die Magnetkörperanordnung in einer jeweiligen radialen Ebene orthogonal und symmetrisch zu der Bewegungsachse erstrecken.
Die Permanentmagnetanordnungen und die Magnetkörperanordnung können somit planparallel zueinander ausgerichtet sein bzw. planparallel zueinander verlaufen.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann außerdem vorgesehen sein, dass die erste Permanentmagnetanordnung, die dritte Permanentmagnetanordnung und/oder die vierte Permanentmagnetanordnung jeweils aus wenigstens einem axial magnetisierten Ringmagnet ausgebildet ist bzw. sind.
Eine Ausbildung der Permanentmagnetanordnung(en) aus wenigstens einem axial magnetisierten Ringmagnet eignet sich in besonderer Weise, da sich dadurch ein gleichmäßiges bzw. rotationssymmetrisches Magnetfeld ergibt und außerdem Ringmagnete besonders gut geeignet sind, einen Translator mittig aufzunehmen bzw. zu umfassen.
Die Permanentmagnetanordnungen können zwar vorzugsweise als Ringmagnete, aber auch auf andere Art und Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein axial magnetisierter Permanentmagnet mit rechteckigem Querschnitt und einer mittigen Bohrung oder eckigen Aussparung, beispielsweise zur Aufnahme des Translators, vorgesehen sein. Es kann auch vorgesehen sein, mehrere axial entlang der Bewegungsachse magnetisierte Stabmagnete ringförmig um die Bewegungsachse herum anzuordnen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Permanentmagnetanordnungen unterschiedlich ausgebildet sind, vorzugsweise werden allerdings die gleichen Arten von axial magnetisierten Permanentmagneten verwendet.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann außerdem vorgesehen sein, dass die erste Permanentmagnetanordnung, die dritte Permanentmagnetanordnung und/oder die Magnetkörperanordnung (bzw. die vierte Permanentmagnetanordnung) aus jeweils einer Mehrzahl ineinander angeordneter axial magnetisierter Ringmagnete ausgebildet ist bzw. sind.
Es können axial magnetisierte Ringmagnete mit verschiedenen Radien bzw. Durchmessern verwendet werden. Beispielsweise können die ineinander angeordneten Ringmagnete einer Permanentmagnetanordnung formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig aneinander befestigt sein. Vorzugsweise werden die benachbarten axial magnetisierten Ringmagnete wenigstens einer der Permanentmagnetanordnungen bzw. der Magnetkörperanordnung miteinander verklebt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Ringmagnete mit ihren Innen- bzw. Außenflächen nicht direkt aneinander anliegen, sondern durch weitere Bauteile auf Abstand gehalten werden. Bevorzugt liegen die ineinander angeordneten, benachbarten Ringmagnete allerdings aneinander an.
Es kann vorgesehen sein, dass die ineinander angeordneten axial magnetisierten Ringmagnete wenigstens einer der Permanentmagnetanordnungen bzw. der Magnetkörperanordnung eine identische Querschnittsfläche aufweisen und sich bezüglich ihrer Geometrie lediglich in ihrem Außenradius und Innenradius unterscheiden. Vorzugsweise weisen alle Ringmagnete der ersten Permanentmagnetanordnung, der dritten Permanentmagnetanordnung und der Magnetkörperanordnung eine identische Querschnittsfläche auf.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die einander benachbarten und ineinander angeordneten Ringmagnete wenigstens einer der Permanentmagnetanordnungen bzw. der Magnetkörperanordnung jeweils axial gegenpolig polarisiert sind.
Das heißt, die axiale Ausrichtung der magnetischen Pole benachbarter axial magnetisierter Ringmagnete der jeweiligen Permanentmagnetanordnung kann vorzugsweise jeweils vertauscht sein. Vorzugsweise sind alle Ringmagnete der ersten Permanentmagnetanordnung, der dritten Permanentmagnetanordnung und der Magnetkörperanordnung jeweils entsprechend axial gegenpolig zu ihren benachbarten Ringmagneten polarisiert.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass die ineinander angeordneten Ringmagnete einer jeweiligen Permanentmagnetanordnung und/oder der Magnetkörperanordnung jeweils in derselben radialen Ebene orthogonal und symmetrisch zur Bewegungsachse angeordnet sind.
Vorzugsweise weisen die Ringmagnete der jeweiligen Permanentmagnetanordnung bzw. der Magnetkörperanordnung jeweils dieselbe axiale Höhe auf. Die ineinander angeordneten Ringmagnete einer Permanentmagnetanordnung bzw. der Magnetkörperanordnung können dementsprechend zwei gemeinsame koplanare stirnseitige Oberflächen ausbilden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Permanentmagnetanordnung, die dritte Permanentmagnetanordnung und/oder die Magnetkörperanordnung identische Sätze von Ringmagneten aufweisen, wobei die Ringmagnete der ersten Permanentmagnetanordnung, die Ringmagnete der dritten Permanentmagnetanordnung und die Magnetkörperanordnung bzw. die Ringmagnete der Magnetkörperanordnung jeweils identisch angeordnet sind und deren Mittelachsen jeweils koaxial zu der Bewegungsrichtung bzw. zu der Längsachse des Translators verlaufen.
Sind beispielsweise in der ersten Permanentmagnetanordnung drei Ringmagnete vorgesehen, ist es zu bevorzugen, in der dritten Permanentmagnetanordnung und gegebenenfalls in der Magnetkörperanordnung ebenfalls drei Ringmagnete vorzusehen. Besonders bevorzugt sind die Abmessungen und/oder der Aufbau und/oder die Anzahl der Ringmagnete der Permanentmagnetanordnungen bzw. der Magnetkörperanordnung identisch, was insbesondere die Herstellungskosten und das magnetische Ansprechverhalten verbessern kann.
Vorzugsweise sind die Sätze von Ringmagneten der Permanentmagnetanordnungen bzw. der Magnetkörperanordnung jeweils auch identisch angeordnet, vorzugsweise symmetrisch um den Translator angeordnet, derart, dass die Mittelachsen der jeweiligen Ringmagnete koaxial zur Achse des Translators bzw. der Bewegungsachse verlaufen. Von Vorteil ist es dabei, wenn die durch die Sätze von Ringmagneten gebildeten Permanentmagnetanordnungen bzw. die Magnetkörperanordnung identisch aufgebaut und um den Translator herum angeordnet sind. Die Anordnung der Ringmagnete der Permanentmagnetanordnungen bzw. der Magnetkörperanordnung kann dabei spiegelbildlich erfolgen derart, dass in Axialrichtung über bzw. untereinander jeweils identische Ringmagnete angeordnet sind, die sich gegebenenfalls nur durch eine unterschiedliche axiale Polarisierung unterscheiden. Die axiale Polarisierung wird dabei derart ausgewählt, wie dies vorstehend und nachfolgend bezüglich der Permanentmagnetanordnungen bzw. der Magnetkörperanordnung als vorteilhaft beschrieben ist. Ansonsten sind die in Axialrichtung über bzw. untereinander angeordneten Ringmagnete der Permanentmagnetanordnungen bzw. der Magnetkörperanordnung jeweils identisch ausgebildet und positioniert.
In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass jeweils zwei bis zehn Ringmagnete, vorzugsweise drei bis fünf Ringmagnete, und ganz besonders bevorzugt drei Ringmagnete zur Ausbildung der ersten Permanentmagnetanordnung, der dritten Permanentmagnetanordnung und/oder der Magnetkörperanordnung vorgesehen sind.
Beispielsweise kann bei Verwendung von drei Ringmagneten zur Ausbildung der ersten Permanentmagnetanordnung vorgesehen sein, dass ein radial innerster Ringmagnet eine axiale Magnetisierung aufweist, derart, dass ein erster magnetischer Pol entlang der Bewegungsachse unten und ein zweiter magnetischer Pol entlang der Bewegungsachse oben an dem Ringmagnet ausgebildet ist. Zur Vereinfachung wird der erste magnetische Pol nachfolgend als Nordpol und der zweite magnetische Pol nachfolgend als Südpol bezeichnet. Die Bezeichnungen können allerdings auch vertauscht sein, wonach der erste magnetische Pol als Südpol und der zweite magnetische Pol als Nordpol ausgebildet ist.
Es kann schließlich vorgesehen sein, dass ein mittlerer Ringmagnet der ersten Permanentmagnetanordnung zu dem innersten Ringmagnet gegensätzlich polarisiert ist, wonach der Südpol in Bewegungsrichtung unten und der Nordpol in Bewegungsrichtung oben angeordnet ist. Ein radial äußerster Ringmagnet der ersten Permanentmagnetanordnung kann wiederum hierzu gegensätzlich polarisiert sein. Die drei ineinander angeordneten Ringmagnete bilden somit mit ihren jeweiligen magnetischen Polarisierungen insgesamt die axiale Magnetisierung der ersten Permanentmagnetanordnung aus. Erfindungsgemäß weist die dritte Permanentmagnetanordnung hierzu eine inverse Magnetisierung auf. Demnach kann ein radial innerster Ringmagnet der dritten Permanentmagnetanordnung einen Südpol aufweisen, der in Bewegungsrichtung weiter unten angeordnet ist, und einen Nordpol aufweisen, der entlang der Bewegungsachse weiter oben angeordnet ist. Ein mittlerer Ringmagnet der dritten Permanentmagnetanordnung kann wiederum hierzu gegensätzlich ausgerichtet sein. Ein radial äußerster Ringmagnet der dritten Permanentmagnetanordnung kann schließlich wieder gegensätzlich zu dem mittleren Ringmagnet der dritten Permanentmagnetanordnung bzw. entsprechend dem radial innersten Ringmagnet der dritten Permanentmagnetanordnung ausgerichtet sein.
Die Verwendung von drei Ringmagneten in der ersten Permanentmagnetanordnung, der dritten Permanentmagnetanordnung und gegebenenfalls der Magnetkörperanordnung hat sich als besonders geeignet herausgestellt, um ein sehr geringes Streufeld zu erzeugen, wobei der fertigungstechnisch Aufwand und die an dem Translator angebrachten und folglich zu bewegenden Massen im Verhältnis hierzu vergleichsweise gering sind. Das Kosten-Nutzen-Verhältnis ist bei Verwendung von jeweils drei Ringmagneten besonders gut.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zweite Permanentmagnetanordnung eine axiale Magnetisierung aufweist.
Obwohl bei einer entsprechenden Abgleichung der Anordnung, Geometrie und Magnetisierung der Magneteinheit auch eine radiale Magnetisierung der zweiten Permanentmagnetanordnung vorgesehen sein kann, hat sich eine axiale Magnetisierung als vorteilhaft herausgestellt, da die Herstellungskosten bzw. der Herstellungsaufwand eines axial magnetisierten Ringmagneten geringer ist als für einen radial magnetisierten Ringmagneten.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann außerdem vorgesehen sein, dass die zweite Permanentmagnetanordnung eine Mehrzahl, vorzugsweise zwei Ringmagnete, axial übereinander angeordneter Ringmagnete aufweist.
Die axial übereinander angeordneten Ringmagnete können formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Vorzugsweise sind die Ringmagnete der zweiten Permanentmagnetanordnung allerdings voneinander beabstandet übereinander angeordnet.
In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die zweite Permanentmagnetanordnung zwei axial magnetisierte Ringmagnete aufweist, die gleichpolig aufeinander ausgerichtet sind und sich daher magnetisch abstoßen.
In Simulationen hat sich gezeigt, dass eine derartige Ausgestaltung und Ausrichtung der zweiten Permanentmagnetanordnung besonders vorteilhaft ist, um das magnetische Streufeld zu reduzieren.
In einer Weiterbildung kann außerdem vorgesehen sein, dass der radial außenliegende Ringmagnet der ersten Permanentmagnetanordnung eine axiale Polarisierung aufweist, deren Ausrichtung der Polarisierung des Ringmagneten der zweiten Permanentmagnetanordnung entspricht, der der dritten Permanentmagnetanordnung benachbart ist.
Das heißt, die axiale Polarisierung bzw. axiale Ausrichtung und Anordnung der magnetischen Pole des entlang der Bewegungsrichtung untersten Ringmagneten der zweiten Permanentmagnetanordnung kann vorzugsweise der magnetischen Polarisierung des äußersten Ringmagneten der ersten Permanentmagnetanordnung entsprechen.
Wenn somit beispielsweise der radial äußerste Ringmagnet der ersten Permanentmagnetanordnung derart ausgerichtet ist, dass dessen erster magnetischer Pol (beispielsweise der Nordpol) entlang der Bewegungsrichtung weiter unten angeordnet ist, als dessen zweiter magnetischer Pol (beispielsweise der Südpol), kann der entlang der Bewegungsrichtung unterste Ringmagnet der zweiten Permanentmagnetanordnung dieselbe Ausrichtung der magnetischen Pole aufweisen.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die axiale Erstreckung der zweiten Permanentmagnetanordnung größer ist als oder gleich groß ist wie ein axialer Abstand zwischen der dritten Permanentmagnetanordnung und der Magnetkörperanordnung.
Die axiale Erstreckung der zweiten Permanentmagnetanordnung kann allerdings auch kleiner sein als der axiale Abstand zwischen der dritten Permanentmagnetanordnung und der Magnetkörperanordnung. Der Erfinder hat erkannt, dass die magnetische Abschirmung am größten ist bzw. das von der Gewichtskraftkompensationseinrichtung erzeugte Streufeld am geringsten ist, wenn die axiale Erstreckung der zweiten Permanentmagnetanordnung dem axialen Abstand zwischen der dritten Permanentmagnetanordnung und der Magnetkörperanordnung im Wesentlichen entspricht. Ferner lässt sich dadurch auch die zu erzeugende Kompensationskraft optimieren.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann schließlich vorgesehen sein, dass der axiale Abstand zwischen den Ringmagneten der zweiten Permanentmagnetanordnung, der Abstand zwischen der dritten Permanentmagnetanordnung und der Magnetkörperanordnung und/oder die axiale Position entlang der Bewegungsachse der ersten Permanentmagnetanordnung, der zweiten Permanentmagnetanordnung, der dritten Permanentmagnetanordnung und/oder der Magnetkörperanordnung justierbar ist, um die Kompensationskraft einzustellen.
Innerhalb eines optischen Moduls einer Projektionsbelichtungsanlage werden typischerweise viele unterschiedliche optische Bauteile, zumeist Spiegel, mit unterschiedlichen Geometrien benötigt, die unterschiedliche Anforderungen an die Gewichtskraftkompensationseinrichtung stellen. Beispielsweise sind Spiegel einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage teilweise asymmetrisch gestaltet, was zu unterschiedlichen Kompensationsanforderungen führt. Es sind somit eine Vielzahl von Gewichtskraftkompensationseinrichtungen erforderlich, wobei üblicherweise alle Gewichtskraftkompensationseinrichtungen voneinander (leicht) abweichende Gewichtskräfte kompensieren müssen. Ferner kann sich die von der Gewichtskraftkompensationseinrichtung erzeugte Kompensationskraft über die Zeit ändern, beispielsweise aufgrund eines alterungsbedingten Nachlassens der Magnetkräfte oder aufgrund thermischer Effekte. Die benötigte Kompensationskraft kann sich außerdem je nach Standort der Projektionsbelichtungsanlage verändern.
Die aufgrund von veränderten Anforderung oder aufgrund von standardisierten Gewichtskraftkompensationseinrichtungen nicht ideal kompensierte Gewichtskraft muss daher mittels der (Tauchspulen)aktuatoren ausgeglichen werden, was zu einem ständigen zusätzlichen Stromfluss in der oder den Aktuatorspulen führt. Der somit erhöhte Stromfluss hat eine unerwünschte Wärmeentwicklung mit potenziell negativen Konsequenzen für die Positionierung des entsprechenden Bauteils bzw. Spiegels zur Folge.
Um dieses Problem zu vermeiden, kann eine Justierung der Gewichtskraftkompensationseinrichtung bzw. der Magneteinheit von Vorteil sein. Die Positionen von Permanentmagneten, Permanentmagnetanordnungen und/oder der Magnetkörperanordnung kann bzw. können beispielsweise über Gewinde und/oder Abstandsringe eingestellt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann außerdem vorgesehen sein, dass eine Halbach-Anordnung (auch Halbach-Array genannt) in der ersten Permanentmagnetanordnung, der dritten Permanentmagnetanordnung und/oder der Magnetkörperanordnung vorgesehen ist. Ggf. kann auch eine Halbach-Anordnung in der zweiten Permanentmagnetanordnung vorgesehen sein.
Eine Halbach-Anordnung kann die Performanz der Gewichtskraftkompensationseinrichtung erhöhen. Hierzu können beispielsweise radial magnetisierte Ringmagnete zwischen axial magnetisierten Ringmagneten der ersten Permanentmagnetanordnung, der zweiten Permanentmagnetanordnung, der dritten Permanentmagnetanordnung und/oder der Magnetkörperanordnung vorgesehen sein. Insbesondere kann für eine Permanentmagnetanordnung bestehend aus jeweils drei axial magnetisierten Ringmagneten eine Halbach-Anordnung mit zwei radial magnetisierten Ringmagneten vorgesehen sein, wobei die radial magnetisierten Ringmagnete der Halbach-Anordnung vorzugsweise gegenpolig zueinander ausgerichtet sind. Die beiden radial magnetisierten Ringmagnete sind vorzugsweise jeweils zwischen zwei axial magnetisierten Ringmagneten angeordnet, wobei zwischen den radial magnetisierten Ringmagneten jeweils ein axial magnetisierter Ringmagnet angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Magnetisierung der radial magnetisierten Ringmagnete sowie die Anordnung der radial magnetisierten Ringmagnete zur Ausbildung der Halbach-Anordnung bei der ersten Permanentmagnetanordnung, der dritten Permanentmagnetanordnung und/oder der Magnetkörperanordnung identisch. Vorzugsweise sind insgesamt zwei Halbach-Anordnungen vorgesehen, wobei entweder jeweils eine Halbach-Anordnung in der ersten Permanentmagnetanordnung und der dritten Permanentmagnetanordnung oder jeweils eine Halbach-Anordnung in der ersten Permanentmagnetanordnung und der vierten Permanentmagnetanordnung angeordnet sein kann. Grundsätzlich kann es vorteilhaft sein, immer zwei aneinander angrenzende Permanentmagnetanordnungen mit Halbach-Anordnungen auszustatten.
Durch die Verwendung einer Halbach-Anordnung kann sich die Komplexität des Magnetkreises aber auch dessen Effizienz erhöhen. Es kann erforderlich sein, den Einfluss der zweiten Permanentmagnetanordnung bei Verwendung einer Halbach-Anordnung zu berücksichtigen und die Ausrichtung und/oder Polarisierung einzelner Ringmagnete hieran anzugleichen.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann an dem Stator wenigstens eine Aktuatorspule angeordnet sein, die in Wechselwirkung mit der ersten Permanentmagnetanordnung einen Aktuator zum Auslenken des Translators ausbildet.
Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass die beschriebene Gewichtskraftkompensationseinrichtung in einfacher Weise mit einem Aktuator, insbesondere einem Tauchspulenaktuator, kombinierbar ist. Vorzugsweise können dabei eine oder mehrere Ringspulen an dem Stator, d. h. an einem festen Gehäuseteil der Gewichtskraftkompensationseinrichtung, angeordnet sein. Infolge findet nicht nur eine magnetische Wechselwirkung der Permanentmagnetanordnungen und der Magnetkörperanordnung, sondern auch zwischen der wenigstens einen Spule und der ersten Permanentmagnetanordnung des Translators statt. Die Wechselwirkung zwischen der wenigstens einen Spule und der ersten Permanentmagnetanordnung kann somit zur gezielten Auslenkung des Translators genutzt werden.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass an dem Stator und an dem Translator entlang der Bewegungsachse mehrere Magneteinheiten ausgebildet sind, die gemeinsam die Kompensationskraft erzeugen.
Es können also jeweils mehrere erste Permanentmagnetanordnungen, zweite Permanentmagnetanordnungen, dritte Permanentmagnetanordnungen und/oder Magnetkörperanordnungen vorgesehen sein, vorzugsweise jeweils in einer vorstehend beschriebenen Anordnung bzw. Ausrichtung bzw. Gruppierung als einzelne Magneteinheiten.
Der Erfinder hat erkannt, dass das Streufeld bei Verwendung mehrerer kleiner Magneteinheiten weiter verbessert werden kann, da sich hierdurch eine Vielzahl geschlossener magnetischer Kreise ausbildet.
Beispielsweise können zwei, vorzugsweise drei, oder beispielsweise auch vier, fünf, sechs oder mehr erfindungsgemäße Magneteinheiten vorgesehen sein.
Die Ausbildung mehrerer Magneteinheiten, insbesondere mehrerer kleiner Magneteinheiten anstelle einer großen bzw. starken Magneteinheit, kann auch für die aus dem Stand der Technik vorbekannte Verwendung mit Gewichtskraftkompensationseinrichtungen von Vorteil sein. Insbesondere gilt dies auch für die Gewichtskraftkompensationseinrichtungen nach dem Stand der Technik, die in der Beschreibungseinleitung dieser Erfindung und in der nachfolgend noch beschriebenen 4 dargestellt sind. Eine Verbesserung bzw. Verkleinerung des Streufeldes kann durch eine entlang der Bewegungsachse axial verteilte Anordnung mehrerer Magneteinheiten bzw. einzelner kleiner Magnetkreise also generell von Vorteil sein. Grundsätzlich kann eine Mehrfachanordnung ein geringeres Streufeld bei ähnlicher Kraft-Weg-Kurve und ähnlicher Steifigkeit erzeugen. Die Gewichtskraftkompensationseinrichtung kann somit beispielsweise Permanentmagnetanordnungen aufweisen, die bereits aus dem Stand der Technik bekannt sind, allerdings entlang der Bewegungsachse mehrfach, beispielsweise zweifach, dreifach, vierfach, fünffach, sechsfach oder öfter vorgesehen sind.
Es kann vorgesehen sein, drei Gewichtskraftkompensationseinrichtungen an einem optischen Element einer Projektionsbelichtungsanlage, insbesondere einem Spiegel, anzuordnen. Das optische Element kann dadurch nahezu kräftefrei gehalten werden, wobei eine Manipulation des optischen Elements durch bis zu sechs Aktuatoren - vorzugsweise ein Aktuator für jeden Freiheitsgrad - erfolgen kann. Die Gewichtskräfte müssen infolge nicht von den Aktuatoren aufgenommen werden, sondern können durch die Gewichtskraftkompensationseinrichtung vorteilhaft und stromlos kompensiert werden.
Es kann vorgesehen sein, Permanentmagnete wenigstens einer Permanentmagnetanordnung aus einer Samarium-Kobalt-Legierung oder Neodym-Legierung auszubilden. Aufgrund des besseren Temperatur- und Langzeitverhaltens ist eine Samarium-Kobalt-Legierung besonders zu bevorzugen.
Die Erfindung betrifft auch eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einem Beleuchtungssystem mit einer Strahlungsquelle sowie einer Optik, welche wenigstens ein optisches Element umfasst, wobei Gewichtskraftkompensationseinrichtungen zur Kompensation der Gewichtskraft wenigstens eines der optischen Elemente vorgesehen sind. Erfindungsgemäß ist dabei wenigstens eine der Gewichtskraftkompensationseinrichtungen gemäß den vorstehenden Ausführungen ausgebildet.
Merkmale und Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Gewichtskraftkompensationseinrichtung beschrieben wurden, können in beliebiger Kombination auch bei der Projektionsbelichtungsanlage zum Einsatz kommen.
Es sei darauf hingewiesen, dass Begriffe, wie „umfassend“, „aufweisend“ oder „mit“, keine anderen Merkmale ausschließen. Ferner schließen Begriffe, wie „ein“ oder „das“, die auf eine Einzahl von Merkmalen hinweisen, keine Mehrzahl von Merkmalen aus.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen einzelne Merkmale der vorliegenden Erfindung in Kombination miteinander dargestellt sind. Merkmale eines Ausführungsbeispiels sind auch losgelöst von den anderen Merkmalen des gleichen Ausführungsbeispiels umsetzbar und können dementsprechend von einem Fachmann ohne Weiteres zu weiteren sinnvollen Kombinationen und Unterkombinationen mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele verbunden werden.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Es zeigen schematisch:

1 eine EUV-Projektionsbelichtungsanlage;
2 eine weitere Projektionsbelichtungsanlage;
3 eine isometrische Darstellung eines optischen Elements mit drei Gewichtskraftkompensationseinrichtungen;
4 eine Anordnung zur Halterung eines optischen Elements mit einer Gewichtskraftkompensationseinrichtung in einer nicht ausgelenkten Position gemäß dem Stand der Technik;
5a eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gewichtskraftkompensationseinrichtung in einer ausgelenkten Position;
5b eine Variante der ersten Ausführungsform der 5a mit einer radial magnetisierten zweiten Permanentmagnetanordnung;
6 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gewichtskraftkompensationseinrichtung in einer nicht ausgelenkten Position;
7 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gewichtskraftkompensationseinrichtung mit einer Halbach-Anordnung in einer nicht ausgelenkten Position;
8 eine erfindungsgemäße Gewichtskraftkompensationseinrichtung mit drei entlang der Bewegungsachse axial versetzt angeordneten Magneteinheiten; und
9 eine beispielhafte Kraft-Weg-Kurve.

1 zeigt exemplarisch den prinzipiellen Aufbau einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage 400 für die Halbleiterlithographie, in welcher die Erfindung Anwendung finden kann. Ein Beleuchtungssystem 401 der Projektionsbelichtungsanlage 400 weist neben einer Strahlungsquelle 402 eine Optik 403 zur Beleuchtung eines Objektfeldes 404 in einer Objektebene 405 auf. Beleuchtet wird ein im Objektfeld 404 angeordnetes Retikel 406, das von einem schematisch dargestellten Retikelhalter 407 gehalten ist. Eine lediglich schematisch dargestellte Projektionsoptik 408 dient zur Abbildung des Objektfeldes 404 in ein Bildfeld 409 in einer Bildebene 410. Abgebildet wird eine Struktur auf dem Retikel 406 auf eine lichtempfindliche Schicht eines im Bereich des Bildfeldes 409 in der Bildebene 410 angeordneten Wafers 411, der von einem ebenfalls ausschnittsweise dargestellten Waferhalter 412 gehalten ist. Die Strahlungsquelle 402 kann EUV-Strahlung 413, insbesondere im Bereich zwischen 5 Nanometer und 30 Nanometer, emittieren. Zur Steuerung des Strahlungswegs der EUV-Strahlung 413 werden optisch verschieden ausgebildete und mechanisch verstellbare optische Elemente 415, 416, 418, 419 und 420 eingesetzt. Die optischen Elemente sind bei der in 1 dargestellten EUV-Projektionsbelichtungsanlage 400 als verstellbare Spiegel in geeigneten und nachfolgend nur beispielhaft erwähnten Ausführungsformen ausgebildet.
Die mit der Strahlungsquelle 402 erzeugte EUV-Strahlung 413 wird mittels eines in der Strahlungsquelle 402 integrierten Kollektors derart ausgerichtet, dass die EUV-Strahlung 413 im Bereich einer Zwischenfokusebene 414 einen Zwischenfokus durchläuft, bevor die EUV-Strahlung 413 auf einen Feldfacettenspiegel 415 trifft. Nach dem Feldfacettenspiegel 415 wird die EUV-Strahlung 413 von einem Pupillenfacettenspiegel 416 reflektiert. Unter Zuhilfenahme des Pupillenfacettenspiegels 416 und einer optischen Baugruppe 417 mit Spiegeln 418, 419 und 420 werden Feldfacetten des Feldfacettenspiegels 415 in das Objektfeld 404 abgebildet.
In 2 ist eine weitere Projektionsbelichtungsanlage 100, beispielsweise eine DUV („Deep Ultra Violet“) - Projektionsbelichtungsanlage, dargestellt. Die Projektionsbelichtungsanlage 100 weist ein Beleuchtungssystem 103, eine Retikelstage 104 genannten Einrichtung zur Aufnahme und exakten Positionierung eines Retikels 105, durch welches die späteren Strukturen auf einem Wafer 102 bestimmt werden, eine Einrichtung 106 zur Halterung, Bewegung und exakten Positionierung des Wafers 102 und eine Abbildungseinrichtung, nämlich ein Projektionsobjektiv 107, mit mehreren optischen Elementen 108, die über Fassungen 109 in einem Objektivgehäuse 140 des Projektionsobjektivs 107 gehalten sind, auf.
Die optischen Elemente 108 können als einzelne refraktive, diffraktive und/oder reflexive optische Elemente 108, wie z. B. Linsen, Spiegel, Prismen, Abschlussplatten und dergleichen ausgebildet sein.
Das grundsätzliche Funktionsprinzip der Projektionsbelichtungsanlage 100 sieht vor, dass die in das Retikel 105 eingebrachten Strukturen auf den Wafer 102 abgebildet werden.
Das Beleuchtungssystem 103 stellt einen für die Abbildung des Retikels 105 auf den Wafer 102 benötigten Projektionsstrahl 111 in Form elektromagnetischer Strahlung bereit. Als Quelle für diese Strahlung kann ein Laser, eine Plasmaquelle oder dergleichen Verwendung finden. Die Strahlung wird in dem Beleuchtungssystem 103 über optische Elemente so geformt, dass der Projektionsstrahl 111 beim Auftreffen auf das Retikel 105 die gewünschten Eigenschaften hinsichtlich Durchmesser, Polarisation, Form der Wellenfront und dergleichen aufweist.
Mittels des Projektionsstrahls 111 wird ein Bild des Retikels 105 erzeugt und von dem Projektionsobjektiv 107 entsprechend verkleinert auf den Wafer 102 übertragen. Dabei können das Retikel 105 und der Wafer 102 synchron verfahren werden, so dass praktisch kontinuierlich während eines sogenannten Scanvorganges Bereiche des Retikels 105 auf entsprechende Bereiche des Wafers 102 abgebildet werden.
2 zeigt die Anordnung eines Manipulators 200 im Bereich zwischen Retikelstage 104 und dem ersten optischen Element 108 des Projektionsobjektivs 107. Der Manipulator 200 dient zur Korrektur von Bildfehlern, wobei ein enthaltenes optisches Element durch Aktuatorik mechanisch deformiert wird.
Zur Verstellung bzw. zur Manipulation der optischen Elemente 415, 416, 418, 419, 420, 108 der in den 1 und 2 dargestellten Projektionsbelichtungsanlagen 400, 100 und der Wafer 411, 102 ist die Verwendung von Aktuatoren unterschiedlicher Bauweise bekannt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere, um die Gewichtskraft der einzelnen optischen Elemente 108, 418, 419, 420, Teile dieser optischen Elemente 108, 418, 419, 420 oder beliebige andere optische Elemente einer Projektionsbelichtungsanlage 400, 100 zu kompensieren.
Die Verwendung der Erfindung ist nicht auf den Einsatz in Projektionsbelichtungsanlagen 100, 400, insbesondere auch nicht mit dem beschriebenen Aufbau, beschränkt.
Die Erfindung sowie das nachfolgende Ausführungsbeispiel sind ferner nicht auf eine spezifische Bauform beschränkt zu verstehen.
Die 3 zeigt eine stark schematisierte, isometrische Ansicht eines optischen Elements, beispielsweise eines Spiegels 418, einer Projektionsbelichtungsanlage 400. Die Anordnung kann allerdings bei allen optischen Elementen beliebiger Projektionsbelichtungsanlagen eingesetzt werden. Die Anordnung weist drei Gewichtskraftkompensationseinrichtungen 1 an der Rückseite des Spiegels 418 auf. Eine jeweilige Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 umfasst einen Translator 2. Der Translator 2 ist Ausführungsbeispiel als rohrförmiges Element, welches innerhalb eines Stators 3 angeordnet ist, ausgeführt. Der Translator 2 überträgt die Kompensationskraft F_M auf den Spiegel 418. Der Stator 3 kann an einem nicht gezeigten Tragrahmen der Projektionsbelichtungsanlage 400 befestigt sein.
Ferner kann eine Auslenkung des Spiegels 418 durch Aktuatoren, insbesondere Tauchspulenaktuatoren, vorgesehen sein. Die (nicht näher bezeichneten) Tauchspulenaktuatoren können dabei mit den Gewichtskraftkompensationseinrichtungen 1 kombiniert ausgebildet sein.
4 zeigt eine schematische Schnittansicht einer Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 aus 3 gemäß dem Stand der Technik. Die Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 ist rotationssymmetrisch bezüglich einer Bewegungsachse A aufgebaut. Der Translator 2 der Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 erstreckt sich entlang der Bewegungsachse A. Der Translator 2 ist dabei über Verbindungselemente 4 mit dem umgehenden Stator 3 verbunden, so dass der Translator 2 entlang der Bewegungsachse A zwangsgeführt ist. Die Richtung der Bewegungsachse A ist ebenfalls die Richtung, in der die Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 die Kompensationskraft F_M in Bewegungsrichtung z auf den Spiegel 418 ausübt, um den Spiegel 418 zu halten.
Die Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 gemäß dem Stand der Technik umfasst einen radial magnetisierten Ringmagneten 5 und zwei axial magnetisierte Ringmagnete 6. Die Magnetisierungsrichtung bzw. die Polarisierung bzw. die Ausrichtung der magnetischen Pole ist dabei jeweils durch Pfeile in den Figuren angedeutet, wobei der Pfeil ausgehend von einem der ersten magnetischen Pol auf einen zweiten magnetischen Pol zeigt. Bei dem ersten magnetischen Pol kann es sich, gemäß der üblichen Darstellung von Feldlinien, insbesondere um einen magnetischen Nordpol und bei dem zweiten magnetischen Pol um einen magnetischen Südpol handeln. Die Zusammenhänge können aber auch vertauscht sein.
Der Ringmagnet 5, der an dem Stator 3 befestigt ist, umgibt die Ringmagnete 6 des Translators 2. Der Translator 2 ist im Ausführungsbeispiel als Rohr ausgebildet. Die beiden axial magnetisierten Ringmagnete 6 sind um den Translator 2 voneinander axial, d. h. entlang der Bewegungsachse A, beabstandet angeordnet. Die Ringmagnete 5, 6 sind dabei derart angeordnet und magnetisiert, dass die magnetische Wechselwirkung dafür sorgt, dass beiden axial magnetisierten Ringmagnete 6 entlang der Bewegungsachse A (in der Darstellung nach oben) aus dem radial magnetisierten Ringmagneten 5 herausgedrückt werden.
Der Translator 2 ist mit dem Spiegel 418 verbunden, um die Kompensationskraft F_M auf den Spiegel 418 auszuüben. Die Verbindung wird über eine der Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 zugeordnete Kopplungseinrichtung 7 (in 4 lediglich schematisch angedeutet) hergestellt. Die Kopplungseinrichtung 7 lagert den Spiegel 418 in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsachse A frei bewegbar. In Richtung der Gewichtskraft F_G , d. h. entlang der Bewegungsachse A, wird der Spiegel 418 dagegen durch die Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 gehalten.
Ferner zeigt 4 eine Kombination der Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 mit einem Aktuator in Ausführung eines Tauchspulenaktuators.
Hierfür sind zwei Aktuatorspulen 8 (nur schematisch und gestrichelt als Blöcke dargestellt) an dem Stator 3 vorgesehen, die bei entsprechender Bestromung eine magnetisehe Wechselwirkung mit den axial magnetisierten Ringmagneten 6 des Translators 2 verursachen, wodurch der Translator 2 gezielt ausgelenkt werden kann. Dadurch, dass die Gewichtskraft F_G des Spiegels 418 - wie beschrieben - bereits kompensiert wurde, muss der Aktuator die Gewichtskraft F_G nicht durch zusätzliche Bestromung der Aktuatorspulen 8 ausgleichen. Die Anordnung weist damit eine hohe Effizienz und insbesondere eine geringe Wärmeabgabe auf.
Die Erfindung kann allerdings auch für eine Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 verwendet werden, die keinen zusätzlichen Aktuator bzw. keine Aktuatorspulen 8 aufweist.
Die vorstehend beschriebene Anordnung des Standes der Technik weist den Nachteil eines relativ großen Streufelds 9 auf, das gegebenenfalls benachbarte Komponenten, beispielsweise einer Projektionsbelichtungsanlage 100, 400, negativ beeinflussen kann. Beispielsweise können Sensoren und Aktuatoren sowie angrenzende Elektronik durch das bzw. die austretenden Streufelder 9 der Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 negativ beeinflusst werden. Zur Verdeutlichung des Problems ist in 4 eine schematische Darstellung der Verteilung der magnetischen Feldlinien einer derartigen Anordnung in Bildfeld IV abgebildet. Dabei wird zur Vereinfachung lediglich das Streufeld 9 des rechten Teils der rotationssymmetrischen Anordnung gezeigt.
5a zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 und 5b zeigt eine Variante hiervon. Dabei handelt es sich um eine minimalistische Ausführung der Erfindung. Gezeigt ist aus Gründen der Anschaulichkeit und zur besserten Darstellung lediglich ein Ausschnitt, der die Anordnung entlang des Stators 3 und des Translators 2 darstellt. Der grundsätzliche Aufbau, d. h. die Anbindung des Translators 2 an das zu lagernde Bauteil 418 etc., kann grundsätzlich dem bekannten Stand der Technik entsprechen (vgl. 4) und wird nicht abermals im Detail beschrieben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Translator 2 relativ zu dem Stator 3 entlang der Bewegungsachse A beweglich ist, wie dies bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zur Veranschaulichung ist in den Figuren ein deutlich sichtbares Spiel zwischen dem Translator 2 und den umgebenden unbeweglichen Bauteilen, die an dem Stator 3 angeordnet sind, dargestellt. Der Translator 2 weist eine erste Permanentmagnetanordnung 10 mit einer axialen Magnetisierung auf. Ferner weist der Stator 3 eine zweite Permanentmagnetanordnung 11 auf, die die erste Permanentmagnetanordnung 10 radial umgibt.
Erfindungsgemäß ist weiter eine dritte Permanentmagnetanordnung 12 vorgesehen, die koaxial unterhalb der ersten Permanentmagnetanordnung 10 angeordnet ist und eine axiale Magnetisierung aufweist, welche invers zu der axialen Magnetisierung der ersten Permanentmagnetanordnung 10 ausgerichtet ist. Schließlich weist der Stator 3 eine Magnetkörperanordnung 13 auf, die koaxial oberhalb der ersten Permanentmagnetanordnung 10 angeordnet ist.
Die erste Permanentmagnetanordnung 10, die zweite Permanentmagnetanordnung 11, die dritte Permanentmagnetanordnung 12 und die Magnetkörperanordnung 13 bilden eine Magneteinheit 14 aus und erzeugen in Wechselwirkung miteinander eine Kompensationskraft F_M , die der auf den Translator 2 wirkenden Gewichtskraft F_G entgegenwirkt.
In den 5 bis 7 ist jeweils eine kräftefreie Mittelstellung zo bzw. Nullstellung angedeutet, bei der die erste Permanentmagnetanordnung 10 zentriert zwischen der dritten Permanentmagnetanordnung 12 und der Magnetkörperanordnung 13 ausgerichtet ist. In den 5a, 5b ist der Translator 2 zur Verdeutlichung von seiner Mittelstellung zo ausgelenkt (zur Veranschaulichung übertrieben dargestellt).
Die erste Permanentmagnetanordnung 10 und die dritte Permanentmagnetanordnung 12 sind im Ausführungsbeispiel nach der 5 jeweils aus einem axial magnetisierten Ringmagnet 10.1, 12.1 ausgebildet. Die Ringmagnete 10.1, 12.1 der ersten und dritten Permanentmagnetanordnung 10, 12 sind dabei einander gegenpolig magnetisiert, d. h. die Ringmagnete 10.1, 12.1 stoßen sich magnetisch ab.
Bei der Magnetkörperanordnung 13 handelt es sich bei der Ausführungsform der 5 um einen weichmagnetischen Ringkörper 13, insbesondere aus Eisen.
Durch diese Anordnung entsteht eine Wechselwirkung innerhalb der Magneteinheit 14 derart, dass die an dem Translator 2 befestigte erste Permanentmagnetanordnung 10 von der unter ihr angeordneten dritten Permanentmagnetanordnung 12 magnetisch abgestoßen und gleichzeitig von der Magnetkörperanordnung 13 magnetisch angezogen wird.
Im Ausführungsbeispiel nach der 5a ist die zweite Permanentmagnetanordnung 11 ebenfalls axial magnetisiert. Die zweite Permanentmagnetanordnung 11 weist hierzu zwei axial übereinander angeordnete, axial polarisierte Ringmagnete 11.1, 11.2 auf. Die beiden Ringmagnete 11.1, 11.2 der zweiten Permanentmagnetanordnung 11 sind dabei gleichpolig aufeinander ausgerichtet, d. h. deren magnetische Südpole (oder alternativ deren magnetische Nordpole) sind aufeinander ausgerichtet.
Wie zuvor ist die Ausrichtung der magnetischen Pole auch in den 5a, 5b und in den nachfolgenden Figuren durch Pfeile in den jeweiligen magnetischen Einzelkomponenten dargestellt.
Die Ringmagnete 11.1, 11.2 der zweiten Permanentmagnetanordnung 11 des Ausführungsbeispiels der 5a üben somit eine magnetisch abstoßende Kraft aufeinander aus.
Grundsätzlich kann die axiale Magnetisierung (5a) der zweiten Permanentmagnetanordnung 11 beliebig sein, die Erfinder haben allerdings erkannt, dass insbesondere eine gegenpolig aufeinander ausgerichtete Polarisierung von zwei axial magnetisierten Ringmagneten 11.1, 11.2 zu einem vorteilhaften, insbesondere auch einem streufeldoptimierten Ergebnis führt. Dies gilt insbesondere, wenn ein radial äußerster Ringmagnet 10.1 der ersten Permanentmagnetanordnung 10 eine axiale Polarisierung aufweist, deren Ausrichtung der Polarisierung des untersten Ringmagneten 11.2 der zweiten Permanentmagnetanordnung 11, der der dritten Permanentmagnetanordnung 12 benachbart ist, entspricht.
Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass die zweite Permanentmagnetanordnung 11 radial magnetisiert ist, wie in 5b dargestellt. In 5b ist die zweite Permanentmagnetanordnung 11 aus einem einzigen, radial magnetisierten Ringmagneten 11.1 gebildet. Die Abmessungen des Ringmagneten 11.1 können dabei durch Simulationen und/oder Berechnungen bestimmt werden und sind in der 5b nur exemplarisch dargestellt. Ferner kann die radiale Magnetisierung des Ringmagneten 11.1 auch gegenpolig zu der in 5b dargestellten Magnetisierung eingestellt sein. Es können auch mehrere radial magnetisierte Ringmagnete vorgesehen sein - oder Kombinationen von radial und axial magnetisierten Ringmagneten. In den nachfolgenden Figuren ist die zweite Permanentmagnetanordnung 11 durchgängig ausgebildet wie im Ausführungsbeispiel der 5a - dies ist allerdings nicht beschränkend zu verstehen. Grundsätzlich kann die zweite Permanentmagnetanordnung 11 aller nachfolgenden Ausführungsbeispiele beispielsweise auch radial magnetisiert sein, wie dies in 5b dargestellt ist.
Durch die in den 5a, 5b dargestellte Magneteinheit 14 werden kleine, geschlossene magnetische Kreise gebildet. Aus diesem Grund wird nur ein geringes Streufeld 9 emittiert, wobei gleichzeitig eine für die Gewichtskraftkompensation geeignete Kraft-Weg-Kurve bereitgestellt werden kann.
Eine bezüglich der magnetischen Abschirmung und Kraft-Weg-Kurve noch verbesserte Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 ist in 6 dargestellt.
Dabei ist die Magnetkörperanordnung 13 als vierte Permanentmagnetanordnung 13 ausgebildet, die eine axiale Magnetisierung aufweist, welche entsprechend der axialen Magnetisierung der ersten Permanentmagnetanordnung 10 ausgebildet ist. Die Magnetisierung der ersten Permanentmagnetanordnung 10 und die Magnetisierung der vierten Permanentmagnetanordnung 13 ist folglich derart gewählt, dass sich die erste Permanentmagnetanordnung 10 und die vierte Permanentmagnetanordnung 13 magnetisch anziehen.
Nachfolgend wird die Magnetkörperanordnung 13 durchgängig als vierte Permanentmagnetanordnung 13 dargestellt, wobei im Rahmen der Erfindung auch weiterhin vorgesehen sein kann, dass bei der vierten Permanentmagnetanordnung 13 nicht (ausschließlich) Permanentmagnete, sondern (auch) Magnetkörper, beispielsweise aus einem Weicheisen, vorgesehen sind.
Die erste Permanentmagnetanordnung 10 ist in dieser Ausführung aus drei ineinander angeordneten axial magnetisierten Ringmagneten 10.1, 10.2, 10.3 ausgebildet. Analog hierzu ist die dritte Permanentmagnetanordnung 12 aus drei Ringmagneten 12.1, 12.2, 12.3 und die vierte Permanentmagnetanordnung 13 aus drei Ringmagneten 13.1, 13.2, 13.3 ausgebildet.
Grundsätzlich kann eine beliebige Anzahl an Ringmagneten, insbesondere ineinander angeordneter Ringmagnete, vorgesehen sein, beispielsweise zwei bis zehn Ringmagnete, vorzugsweise drei bis fünf Ringmagnete, und ganz besonders bevorzugt die im Ausführungsbeispiel dargestellten jeweiligen drei Ringmagnete 10.1, 10.2, 10.3, 12.1, 12.2, 12.3, 13.1, 13.2, 13.3.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch Verwendung einer vierten Permanentmagnetanordnung 13 eine noch flachere Kraft-Weg-Kurve bzw. noch geringere Steifigkeit bereitgestellt werden kann, als bei Verwendung eines weichmagnetischen Materials.
Die einander benachbarten Ringmagnete 10.1 und 10.2 sowie 10.2 und 10.3 der ersten Permanentmagnetanordnung 10 sind jeweils axial gegenpolig polarisiert bzw. ausgerichtet. Die erste Permanentmagnetanordnung 10 weist dabei eine axiale Magnetisierung auf, bei der der innerste Ringmagnet 10.3 in Richtung der Kompensationskraft F_M , der mittlere Ringmagnet 10.2 entgegen der Kompensationskraft F_M und der äußere Ringmagnet 10.3 wiederum in Richtung der Kompensationskraft F_M polarisiert ist. Die Ringmagnete 12.1, 12.2, 12.3 der darunter liegenden dritten Permanentmagnetanordnung 12 sind hierzu invers magnetisiert und die über der ersten Permanentmagnetanordnung 10 angeordnete vierte Permanentmagnetanordnung 13 ist hierzu entsprechend bzw. analog magnetisiert.
Die erste Permanentmagnetanordnung 10, die dritte Permanentmagnetanordnung 12 und die vierte Permanentmagnetanordnung 13 erstrecken sich in einer radialen Ebene jeweils orthogonal und symmetrisch zu der Bewegungsachse A und verlaufen demnach planparallel zueinander. Ferner sind die ineinander angeordneten Ringmagnete der entsprechenden Permanentmagnetanordnungen 10, 12, 13 jeweils in derselben axialen Position entlang der Bewegungsachse A angeordnet. Schließlich sind Anzahl, Abmessungen (abgesehen von den radialen Abmessungen), d. h. insbesondere die Querschnittsfläche, und Aufbau der Ringmagnete 10.1, 10.2, 10.3, 12.1, 12.2, 12.3, 13.1, 13.2, 13.3 der ersten, dritten und vierten Permanentmagnetanordnung 10, 12, 13 identisch. Dies kann fertigungstechnisch von Vorteil sein, da hierdurch ein modularer Baukasten von Ringmagneten bereitgestellt werden kann.
In 6 sind ferner einige geometrische Maßangaben dargestellt, die vorzugsweise zur Abstimmung der Magneteinheit 14 herangezogen werden können. Dabei ist erkennbar, dass die axiale Erstreckung d_2b der zweiten Permanentmagnetanordnung 11, d. h. der beiden axial zueinander angeordneten Ringmagnete 11.1, 11.2, geringfügig größer ist als der axiale Abstand d₃₄ zwischen der dritten Permanentmagnetanordnung 12 und der vierten Permanentmagnetanordnung 13. Es ist allerdings auch ein Aufbau möglich, bei dem die axiale Erstreckung d_2b der zweiten Permanentmagnetanordnung 11 gleich groß ist wie oder kleiner ist als der axiale Abstand d₃₄ zwischen der dritten Permanentmagnetanordnung 12 und der vierten Permanentmagnetanordnung 13.
Um eine Justierung der Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass der axiale Abstand d_2a zwischen den Ringmagneten 11.1, 11.2 der zweiten Permanentmagnetanordnung 11, der Abstand d₃₄ zwischen der dritten Permanentmagnetanordnung 12 und der Permanentmagnetanordnung 13 und/oder die axiale Position entlang der Bewegungsachse A der ersten, zweiten, dritten und/oder vierten Permanentmagnetanordnung 10, 11, 12, 13 einstellbar ist, wodurch die Kompensationskraft F_M angepasst werden kann.
Zur Verdeutlichung der verbesserten Eigenschaften bezüglich eines verringerten Streufelds 9 ist in 6 eine weitere schematische Darstellung eines Kennlinienverlaufs in Bildfeld VI dargestellt. Dabei ist, analog zu der Darstellung der 4, lediglich der rechte Teil der rotationssymmetrischen Anordnung abgebildet. Es ist erkennbar, dass die Magneteinheit 14 kleinere, geschlossene Magnetkreise ausbildet als die Magnetanordnung des Standes der Technik. Hierdurch werden die Magnetfeldlinien bzw. das Streufeld 9 auf die Magneteinheit 14 selbst begrenzt (zumindest im Wesentlichen).
Gegebenenfalls kann das Magnetfeld der Magneteinheit 14 bzw. der Magnetkreis weiter verbessert bzw. fokussiert sein, indem eine Halbach-Anordnung 15 eingesetzt wird. Dies ist in 7 beispielhaft dargestellt. 7 zeigt dabei grundsätzlich eine Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1, die bezüglich der axial magnetisierten Ringmagnete 10.1, 10.2, 10.3, 11.1, 11.2, 12.1, 12.2, 12.3, 13.1, 13.2, 13.3 aufgebaut ist wie die Ausführungsform, die in 6 dargestellt ist. Zur Fokussierung des Magnetfeldes sind allerdings zwischen den jeweiligen drei axial magnetisierten Ringmagneten 10.1, 10.2, 10.3, 12.1, 12.2, 12.3 der ersten und dritten Permanentmagnetanordnungen 10, 12 jeweils zwei radial magnetisierte Ringmagnete 15.1, 15.2 zur Ausbildung einer grundsätzlich bekannten Halbach-Anordnung vorgesehen.
Alternativ (nicht dargestellt) kann auch jeweils eine Halbach-Anordnung zwischen den Ringmagneten 10.1, 10.2, 10.3 der ersten Permanentmagnetanordnung 10 und den Ringmagneten 13.1, 13.2, 13.3 der vierten Permanentmagnetanordnung 13 vorgesehen sein.
Da vorzugsweise nicht gleichzeitig in allen inneren Permanentmagnetanordnungen 10, 12, 13 Halbach-Anordnungen vorgesehen sind, sondern immer nur in zwei aneinander angrenzenden bzw. einem Paar von Permanentmagnetanordnungen, können Position bzw. Ausrichtung und/oder Abmessungen der Ringmagnete der Permanentmagnetanordnung, die nicht mit einer Halbach-Anordnung ausgestattet ist, entsprechend angepasst werden. Im Ausführungsbeispiel der 7 sind die Ringmagnete 13.1, 13.2, 13.3 der vierten Permanentmagnetanordnung 13 hierzu vergrößert, wobei Lücken zwischen den Ringmagneten 13.1, 13.2, 13.3 vermieden wurden. Alternativ und/oder zusätzlich zu einer Vergrößerung können Dummy-Elemente zwischen den Ringmagneten 13.1, 13.2, 13.3 vorgesehen sein, wobei die Dummy-Elemente vorzugsweise aus einem nicht magnetischen Werkstoff, z. B. einem Kunststoff bestehen können. Die Dummy-Elemente können aber auch aus einem magnetischen Werkstoff, z. B. Eisen, bestehen. Die Dummy-Elemente können beispielsweise derart ausgebildet und/oder positioniert werden, dass die Ringmagnete der inneren Permanentmagnetanordnungen 10, 12, 13 in ihren Abmessungen unverändert bleiben können. Zur Optimierung des magnetischen Kreises und zur Auswahl der Dummy-Elemente bzw. Bestimmung von Position und/oder Abmessungen der Ringmagnete der Permanentmagnetanordnung, die nicht mit einer Halbach-Anordnung ausgestattet ist, können Simulationen und Berechnungen dienen. Gegebenenfalls kann auch auf Dummy-Elemente verzichtet werden, d. h. es kann sich zwischen eventuellen Lücken der Ringmagnete auch Luft bzw. ein Gas, eine Flüssigkeit oder ein Vakuum befinden.
Eine weitere Verbesserung des Streufelds 9 kann auch dadurch erreicht werden, dass die Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 mehrere Magneteinheiten 14 vorsieht. Dies ist in 8 beispielhaft dargestellt. In 8 ist dabei eine Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 mit drei Magneteinheiten 14 dargestellt, die in ihrem Aufbau im Wesentlichen der Ausführungsform der 5a entsprechen, wobei allerdings die Magnetkörperanordnung 13 der 5a als vierte Permanentmagnetanordnung 13 mit einem Ringmagneten 13.1 ausgeführt ist.
Die einzelnen, kleineren Magneteinheiten 14 bilden in Summe die Kompensationskraft F_M , die der auf den Translator 2 wirkenden Gewichtskraft F_G entgegenwirkt. Dadurch, dass die Einzelkomponenten der Magneteinheiten 14 jeweils kleiner ausgebildet werden können, da sich die Kompensationskraft F_M nun auf mehreren Magneteinheiten 14 verteilt, kann eine weiter verbesserte Streufeldcharakteristik erreicht werden, da sich die Magnetfeldlinien untereinander noch direkter kurzschließen können bzw. weniger intensiv streuen. Grundsätzlich kann eine beliebige Anzahl an Magneteinheiten 14 in der Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 vorgesehen sein.
Es kann auch vorgesehen sein, eine Magneteinheit gemäß dem Stand der Technik (vgl. zum Beispiel 4) mehrfach in einer Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 des Standes der Technik vorzusehen, um die Streufeldcharakteristik zu verbessern.
Grundsätzlich kann bei der erfindungsgemäßen Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1, wie bereits zum Stand der Technik beschrieben, an dem Stator 3 wenigstens eine Aktuatorspule 8 angeordnet sein, die in Wechselwirkung mit der ersten Permanentmagnetanordnung 10 einen Aktuator zum Auslenken des Translators 2 ausbildet.
Schließlich ist in 9 eine beispielhafte Kraft-Weg-Kurve dargestellt. Grundsätzlich ist die magnetisch erzeugte Kompensationskraft F_M abhängig von der Auslenkung z des Translators 2 von der Nullstellung zo. Um die Gewichtskraft F_G möglichst ideal über einen großen Bereich bzw. innerhalb eines erwarteten Auslenkungsbereichs Δz_max kompensieren zu können, sollte die Kraft-Weg-Kurve innerhalb dieses Bereichs maximaler Auslenkung Δz_max möglichst flach und linear verlaufen. Eine Kraftänderung ΔF_M sollte über den maximalen Auslenkungsbereich Δz_max möglichst vernachlässigbar sein. In 9 sind die Zusammenhänge zur Verdeutlichung stark übertrieben (und damit eigentlich unvorteilhaft) dargestellt.
Der Erfinder hat erkannt, dass durch eine erfindungsgemäße Magneteinheit 14, insbesondere bei Verwendung einer vierten Permanentmagnetanordnung 13, eine besonders flache bzw. lineare Kraft-Weg-Kurve erreichbar ist. Die Steifigkeit einer derartigen Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 kann verglichen mit dem bekannten Stand der Technik deutlich verbessert sein. Gleichzeitig weist eine erfindungsgemäße Gewichtskraftkompensationseinrichtung 1 ein geringes Streufeld 9 und einen einfachen Aufbau auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2005/026801 A2 [0004]
DE 102011088735 A1 [0006]

Claims

Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1), umfassend einen Stator (3) und einen Translator (2), wobei der Translator (2) relativ zu dem Stator (3) entlang einer Bewegungsachse (A) beweglich ist, und wobei der Translator (2) eine erste Permanentmagnetanordnung (10) mit einer axialen Magnetisierung aufweist, und der Stator (3) eine zweite Permanentmagnetanordnung (11) aufweist, die die erste Permanentmagnetanordnung (10) radial umgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) eine dritte Permanentmagnetanordnung (12) aufweist, die koaxial unterhalb der ersten Permanentmagnetanordnung (10) angeordnet ist und eine axiale Magnetisierung aufweist, welche invers zu der axialen Magnetisierung der ersten Permanentmagnetanordnung (10) ausgerichtet ist, und wobei der Stator (3) eine Magnetkörperanordnung (13) aufweist, die koaxial oberhalb der ersten Permanentmagnetanordnung (10) angeordnet ist, wobei die erste Permanentmagnetanordnung (10), die zweite Permanentmagnetanordnung (11), die dritte Permanentmagnetanordnung (12) und die Magnetkörperanordnung (13) eine Magneteinheit (14) ausbilden und in Wechselwirkung miteinander eine Kompensationskraft (F_M) erzeugen, die der auf den Translator (2) wirkenden Gewichtskraft (F_G) entgegenwirkt.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkörperanordnung (13) als vierte Permanentmagnetanordnung ausgebildet ist, die eine axiale Magnetisierung aufweist, welche entsprechend der axialen Magnetisierung der ersten Permanentmagnetanordnung (10) ausgerichtet ist.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die erste Permanentmagnetanordnung (10), die dritte Permanentmagnetanordnung (12) und die Magnetkörperanordnung (13) in einer jeweiligen radialen Ebene orthogonal und symmetrisch zu der Bewegungsachse (A) erstrecken.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Permanentmagnetanordnung (10), die dritte Permanentmagnetanordnung (12) und/oder die Magnetkörperanordnung (13) jeweils aus wenigstens einem axial magnetisierten Ringmagneten (10.1, 10.2, 10.3, 11.1, 11.2, 12.1, 12.2, 12.3, 13.1, 13.2, 13.3) ausgebildet ist bzw. sind.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Permanentmagnetanordnung (10), die dritte Permanentmagnetanordnung (12) und/oder die Magnetkörperanordnung (13) aus jeweils einer Mehrzahl ineinander angeordneter axial magnetisierter Ringmagnete (10.1, 10.2, 10.3, 12.1, 12.2, 12.3, 13.1, 13.2, 13.3) ausgebildet ist bzw. sind.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einander benachbarten und ineinander angeordneten Ringmagnete (10.1, 10.2, 10.3, 12.1, 12.2, 12.3, 13.1, 13.2, 13.3) wenigstens einer der Permanentmagnetanordnungen (10, 12) bzw. der Magnetkörperanordnung (13) jeweils axial gegenpolig polarisiert sind.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ineinander angeordneten Ringmagnete (10.1, 10.2, 10.3, 12.1, 12.2, 12.3, 13.1, 13.2, 13.3) einer jeweiligen Permanentmagnetanordnung (10, 12) und/oder der Magnetkörperanordnung (13) jeweils in derselben radialen Ebene orthogonal und symmetrisch zu der Bewegungsachse (A) angeordnet sind.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Permanentmagnetanordnung (10), die dritte Permanentmagnetanordnung (12) und/oder die Magnetkörperanordnung (13) identische Sätze von Ringmagneten (10.1, 10.2, 10.3, 12.1, 12.2, 12.3, 13.1, 13.2, 13.3) aufweisen, wobei die Ringmagnete (10.1, 10.2, 10.3) der ersten Permanentmagnetanordnung (10), die Ringmagnete (12.1, 12.2, 12.3) der dritten Permanentmagnetanordnung (12) und die Magnetkörperanordnung (13) bzw. die Ringmagnete (13.1, 13.2, 13.3) der Magnetkörperanordnung (13) jeweils identisch angeordnet sind und deren Mittelachsen jeweils koaxial zu der Bewegungsachse (A) verlaufen.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei bis zehn Ringmagnete, vorzugsweise drei bis fünf Ringmagnete, und ganz besonders bevorzugt drei Ringmagnete (10.1, 10.2, 10.3, 12.1, 12.2, 12.3, 13.1, 13.2, 13.3) zur Ausbildung der ersten Permanentmagnetanordnung (10), der dritten Permanentmagnetanordnung (12) und/oder der Magnetkörperanordnung (13) vorgesehen sind.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Permanentmagnetanordnung (11) eine axiale Magnetisierung aufweist.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Permanentmagnetanordnung (11) eine Mehrzahl, vorzugsweise zwei, axial übereinander angeordneter Ringmagnete (11.1, 11.2) aufweist.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Permanentmagnetanordnung (11) zwei axial magnetisierte Ringmagnete (11.1, 11.2) aufweist, die gleichpolig aufeinander ausgerichtet sind.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der radial außenliegende Ringmagnet (10.1) der ersten Permanentmagnetanordnung (10) eine axiale Polarisierung aufweist, deren Ausrichtung der Polarisierung des Ringmagneten (11.2) der zweiten Permanentmagnetanordnung (11) entspricht, der der dritten Permanentmagnetanordnung (12) benachbart ist.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung (d_2b) der zweiten Permanentmagnetanordnung (11) größer ist als oder gleich groß ist wie ein axialer Abstand (d₃₄) zwischen der dritten Permanentmagnetanordnung (12) und der Magnetkörperanordnung (13).
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Abstand (d_2a) zwischen den Ringmagneten (11.1, 11.2) der zweiten Permanentmagnetanordnung (11), der Abstand (d₃₄) zwischen der dritten Permanentmagnetanordnung (12) und der Magnetkörperanordnung (13) und/oder die axiale Position entlang der Bewegungsachse (A) der ersten Permanentmagnetanordnung (10), der zweiten Permanentmagnetanordnung (11), der dritten Permanentmagnetanordnung (12) und/oder der Magnetkörperanordnung (13) justierbar ist, um die Kompensationskraft (F_M) einzustellen.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Halbach-Anordnung (15) in der ersten Permanentmagnetanordnung (10), der dritten Permanentmagnetanordnung (12) und/oder der Magnetkörperanordnung (13) vorgesehen ist.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Stator (3) wenigstens eine Aktuatorspule (8) angeordnet ist, die in Wechselwirkung mit der ersten Permanentmagnetanordnung (10) einen Aktuator zum Auslenken des Translators (2) ausbildet.
Gewichtskraftkompensationseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Stator (3) und an dem Translator (2) entlang der Bewegungsachse (A) mehrere Magneteinheiten (14) ausgebildet sind, die gemeinsam die Kompensationskraft (F_M) erzeugen.
Projektionsbelichtungsanlage (400, 100) für die Halbleiterlithographie mit einem Beleuchtungssystem (401, 103), mit einer Strahlungsquelle (402) sowie einer Optik (403, 107), welche wenigstens ein optisches Element (415, 416, 418, 419, 420, 108) umfasst, wobei Gewichtskraftkompensationseinrichtungen (1) zur Kompensation einer Gewichtskraft (F_G) wenigstens eines der optischen Elemente (415, 416, 418, 419, 420, 108) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Gewichtskraftkompensationseinrichtungen (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18 ausgebildet ist.