DE102022212904A1

DE102022212904A1 - Einzelspiegel eines Facettenspiegels einer Beleuchtungsoptik einer Projektionsbelichtungsanlage

Info

Publication number: DE102022212904A1
Application number: DE102022212904.0A
Authority: DE
Inventors: Yanko Sarov; Markus Hauf
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2022-11-30
Filing date: 2022-11-30
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Ein Einzelspiegel (20) für einen Facettenspiegel (13, 14) einer Beleuchtungsoptik (4) einer Projektionsbelichtungsanlage (1) weist eine Aktuator-Einrichtung (31) zur Verschwenkung des Einzelspiegels (20) und eine Sensor-Einrichtung (41) zur Erfassung der Verschwenkung auf, wobei die Aktuator-Einrichtung (31) und die Sensor-Einrichtung (41) Rotationssymmetrien mit unterschiedlichen Zähligkeiten aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Einzelspiegel eines Facettenspiegels einer Beleuchtungsoptik einer Projektionsbelichtungsanlage sowie ein Facettenmodul mit einer Mehrzahl derartiger Einzelspiegel und einen Feldfacettenspiegel für eine Beleuchtungsoptik. Weiter betrifft die Erfindung eine Beleuchtungsoptik und ein Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage sowie eine Projektionsbelichtungsanlage mit einer derartigen Beleuchtungsoptik. Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines mikro-oder nanostrukturierten Bauelements.
Aus der DE 10 2015 204 874 A1 sind verschwenkbare Einzelspiegel für einen Facettenspiegel einer Beleuchtungsoptik einer Projektionsbelichtungsanlage bekannt. Es besteht fortwährend Bedarf, derartige Einzelspiegel, Module mit solchen Spiegeln, Beleuchtungsoptiken für Projektionsbelichtungsanlagen und Projektionsbelichtungsanlagen zu verbessern.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der vorliegenden Erfindung gelöst.
Gemäß einem Aspekt weist ein Einzelspiegel eines Facettenspiegels einer Beleuchtungsoptik einer Projektionsbelichtungsanlage eine Reflexionsfläche, eine Aktuator-Einrichtung zur Verschwenkung des Einzelspiegel und eine Sensor-Einrichtung zur Erfassung der Verschwenkposition des Einzelspiegel auf, wobei die Sensor-Einrichtung und die Aktuator-Einrichtung und/oder die Sensor-Einrichtung und die Reflexionsfläche des Einzelspiegel oder das Substrat, auf welchem die Reflexionsfläche ausgebildet ist, jeweils Rotationssymmetrien mit unterschiedlichen Zähligkeiten aufweisen.
Als Einzelspiegel wird hierbei das gesamte Bauelement umfassend den eigentlichen Spiegel sowie dessen Lagerung und die elektrischen/elektronischen Bestandteile zur Steuerung beziehungsweise Regelung der Verschwenkposition bezeichnet.
Ein Einzelspiegel bildet einen Spezialfall eines optischen Bauelements. Anstelle eines Einzelspiegels kann dieses auch durch eine Linse, insbesondere eine Micro-Linse, oder ein diffraktives Bauelement gebildet sein. Anstelle der Reflexionsfläche tritt in diesem Fall die optisch wirksame Fläche, insbesondere die strahlführende und/oder die strahlgeformte Fläche.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es zu unterschiedlichen Vorteilen führen kann, wenn die Sensor-Einrichtung und die Aktuator-Einrichtung und/oder die Sensor-Einrichtung und die Reflexionsfläche des Einzelspiegels unterschiedliche Drehsymmetrie-Eigenschaften aufweisen. Dies wird nachfolgend noch näher erläutert.
Gemäß einem Aspekt kann die Reflexionsfläche des Einzelspiegels hexagonal ausgebildet sein. Sie kann insbesondere als regelmäßiges, gleichseitiges Sechseck oder als unregelmäßiges Sechseck ausgebildet sein.
Eine sechseckige Ausbildung hat sich für eine möglichst lückenlose Parkettierung der Spiegelfläche des Facettenspiegels als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Bei den Einzelspiegeln kann es sich insbesondere um Mikrospiegel handeln.
Die Reflexionsfläche der Einzelspiegel kann insbesondere einen maximalen Durchmesser von höchstens 10 mm, insbesondere höchstens 5 mm, insbesondere höchstens 3 mm, insbesondere höchstens 2 mm, insbesondere höchstens 1 mm aufweisen.
Bei dem Einzelspiegel handelt es sich insbesondere um einen Einzelspiegel für einen Feldfacettenspiegel einer Beleuchtungsoptik einer Projektionsbelichtungsanlage.
Es kann sich auch um einen Einzelspiegel für einen Pupillenfacettenspiegel einer Beleuchtungsoptik einer Projektionsbelichtungsanlage handeln.
Der Einzelspiegel kann insbesondere eine Reflexionsfläche aufweisen, deren Form eine Parkettierung, insbesondere eine monohedrale Parkettierung, der Ebene ermöglicht.
Gemäß einem Aspekt weist die Aktuator-Einrichtung eine dreizählige Rotationssymmetrie auf.
Unter dreizählig fällt hierbei allgemein eine 3m-zählige (m ganzzahlig) Rotationssymmetrie, das heißt insbesondere auch eine sechszählige. Die Aktuator-Einrichtung kann insbesondere auch eine sechszählige Rotationssymmetrie aufweisen.
Die einzelnen Segmente der Aktuator-Einrichtung können unabhängig voneinander angesteuert werden.
Die Symmetrieeigenschaften der Aktuator-Einrichtung können insbesondere an die Symmetrieeigenschaften der Reflexionsfläche des Einzelspiegels angepasst sein. Die Reflexionsfläche und die Aktuator-Einrichtung können insbesondere Rotationssymmetrien aufweisen, deren Zähligkeiten ganzzahlige Vielfache voneinander sind. Sie können insbesondere identische Rotationssymmetrien aufweisen.
Hierdurch kann der konstruktive Aufbau des Einzelspiegels erleichtert werden.
Die Segmente der Aktuator-Einrichtung können insbesondere entlang der Diagonalen des Einzelspiegels beziehungsweise dessen Substrats oder entlang der Seitenhalbierenden der Reflexionsfläche des Einzelspiegels beziehungsweise dessen Substrats ausgerichtet sein. Sie können auch um einen Winkel, beispielsweise von 30°, 45° oder 60°, rotiert zu den Diagonalen oder den Seitenhalbierenden der Reflexionsfläche des Einzelspiegels beziehungsweise dessen Substrats ausgerichtet sein.
Gemäß einem Aspekt weist die Sensor-Einrichtung eine zweizählige Rotationssymmetrie auf.
Unter zweizählig fällt hierbei allgemein eine 2n-zählige (n ganzzahlig) Rotationssymmetrie, das heißt insbesondere auch eine vierzählige Radiärsymmetrie. Die Sensor-Einrichtung kann insbesondere eine vierzählige Rotationssymmetrie aufweisen.
Die Sensor-Einrichtung kann insbesondere eine Rotationssymmetrie aufweisen, welche an die geometrischen Eigenschaften des Objektfeldes, insbesondere die Symmetrieeigenschaften desselben, insbesondere dessen Rotationssymmetrie, angepasst ist. Das Objektfeld und die Sensor-Einrichtung können insbesondere identische Rotationssymmetrie-Eigenschaften aufweisen. Diesbezüglich wurde erkannt, dass es für die Erfassung der Verschwenkposition des Einzelspiegels insbesondere auf die Wirkung derselben auf die Abbildung des Einzelspiegels ins Objektfeld ankommt.
Gemäß einem weiteren Aspekt können die Elektroden der Sensor-Einrichtung und/oder der Aktuator-Einrichtung jeweils paarweise differenziell geschaltet sein. Es ist insbesondere möglich, zu einer oder mehreren, insbesondere sämtlichen der Elektroden der Sensor-Einrichtung und/oder der Aktuator-Einrichtung jeweils eine weitere Elektrode spiegelsymmetrisch zum Schnittpunkt der beiden Verschwenkachsen des Einzelspiegels anzuordnen. Diese beiden Elektroden können jeweils differenziell miteinander verschaltet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt weist die Lagerung des Einzelspiegels ein Kardangelenk mit zwei quer zur Flächennormalen verlaufenden Schwenkachsen auf. Die Schwenkachsen können insbesondere senkrecht aufeinander stehen. Sie können beispielsweise durch Blattfedern gebildet sein.
Allgemein kann die Lagerung ein Festkörpergelenk aufweisen.
Die Schwenkachsen und das Festkörpergelenk können in derselben Ebene liegen.
Die Schwenkachsen können im Bereich der Reflexionsfläche geordnet sein. Sie können auch beanstandet, insbesondere unter beziehungsweise unterhalb der Reflexionsfläche angeordnet sein.
Gemäß einem Aspekt weist die Aktuator-Einrichtung und/oder die Sensor-Einrichtung eine Mehrzahl von Kammelektroden mit radial zur Flächennormalen der Reflexionsfläche des Einzelspiegels verlaufenden Kammfingern auf. Die Kammfinger können insbesondere jeweils in einer radial zur Flächennormalen laufenden Ebene angeordnet sein.
Die Kammfinger können insbesondere in einem, zwei oder mehreren Ringbereichen angeordnet sein.
Die Kammfinger können insbesondere in zwei oder mehr konzentrisch angeordneten Ringbereichen angeordnet sein. Hierbei kann ein Ringbereich die Elektroden der Sensor-Einrichtung umfassen, während ein anderer Ringbereich die Elektroden der Aktuator-Einrichtung umfasst. Auch eine intermittierende Anordnung von Elektroden der Sensor-Einrichtung und der Aktuator-Einrichtung in ein und demselben Ringbereich ist möglich.
Die Anordnung der Elektroden der Aktuator-Einrichtung und der Sensor-Einrichtung in separaten Ringbereichen führt dazu, dass ihre Ausbildung und Anordnung im Wesentlichen unabhängig voneinander ist. Außerdem lassen sich unerwünschte Kopplungen zwischen den Aktuator-Elektroden und den Sensor-Elektroden hierbei zuverlässig vermeiden.
Die Ringbereiche können konzentrisch zueinander angeordnet sein.
Es können auch drei, vier oder mehr Ringbereiche mit Elektroden der Sensor- und/oder Aktuator-Einrichtung vorgesehen sein.
Die Elektroden der Sensor-Einrichtung können insbesondere im inneren Ringbereich angeordnet sein. Sie können insbesondere in einem nach au-ßen elektrisch abgeschirmten Bereich angeordnet sein.
Die Elektroden der Aktuator können insbesondere im äußeren Ringbereich angeordnet sein.
Alternative Anordnungen der Sensor- und/oder der Aktuator-Elektroden sind möglich.
Ein Facettenmodul für einen Facettenspiegel einer Beleuchtungsoptik einer Projektionsbelichtungsanlage weist eine Mehrzahl von Einzelspiegeln gemäß der vorhergehenden Beschreibung auf, wobei die Einzelspiegel nach Art einer regelmäßigen Parkettierung angeordnet sind.
Der Abstand zwischen benachbarten Einzelspiegeln liegt vorzugsweise im Bereich von höchstens 100 µm, insbesondere höchstens 50 µm, insbesondere höchstens 30 µm, insbesondere höchstens 20 µm, insbesondere höchstens 10 µm.
Der Abstand zwischen benachbarten Einzelspiegeln kann vorzugsweise höchstens 1/10, insbesondere höchstens 1/20, insbesondere höchstens 1/25 der Seitenlänge der Einzelspiegel betragen.
Gemäß einem Aspekt ist das Facettenmodul selbst derart ausgebildet, dass es eine Kachel zur monohedralen regelmäßigen Parkettierung einer Ebene bildet.
Das Facettenmodul kann einen glatten Rand aufweisen. Es kann insbesondere streng konvex ausgebildet sein.
Das Facettenmodul kann auch einen gezackten Rand aufweisen. Hierbei kann die Berandung des Facettenmoduls abschnittsweise der Berandung der Einzelspiegel folgen.
Das Facettenmodul kann 7, 19, 31, 331 oder mehr Einzelspiegel aufweisen. Es kann insbesondere über 100, insbesondere über 1000, insbesondere über 10.000 Einzelspiegel aufweisen. Üblicherweise beträgt die Anzahl der Einzelspiegel des Facettenmoduls höchstens eine Million.
Gemäß einem Aspekt kann das Facettenmodul einen Verschwenkbarkeitsbereich der Einzelspiegel von mindestens 120 mrad um jede der Schwenkachsen einen Füllfaktor von mindestens 91 % aufweisen. Dies stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber bisher bekannten Facettenmodulen dar.
Ein Feldfacettenspiegel für eine Beleuchtungsoptik einer Projektionsbelichtungsanlage weist eine Mehrzahl von Einzelspiegeln gemäß der vorhergehenden Beschreibung und/oder eine Mehrzahl von Facettenmodulen gemäß der vorhergehenden Beschreibung auf.
Hierbei kann jeweils eine Mehrzahl von Einzelspiegeln eine virtuelle Facette bilden, das heißt zu einer Kassette oder einem Teil davon zusammengeschaltet werden.
Eine Beleuchtungsoptik für eine Projektionsbelichtungsanlage umfasst einen Feldfacettenspiegel gemäß der vorhergehenden Beschreibung und einen Pupillenfacettenspiegel, mittels welchem die Feldfacetten des Feldfacettenspiegels in ein Objektfeld abgebildet werden können.
Gemäß einem Aspekt sind die Facettenmodule des Feldfacettenspiegels derart angeordnet, dass die Randkonturen der Einzelspiegel bei einer Abbildung ins Objektfeld einen Winkel mit einer Scanrichtung von mindestens 10°, insbesondere mindestens 20°, insbesondere mindestens 30° einschließen.
Im Falle von Einzelspiegeln in Form von regelmäßigen Sechsecken können die Winkel ihrer Seiten mit der Scanrichtung jeweils 90°, 30° und -30° betragen.
Eine Orientierung der Einzelspiegel derart, dass ihre Randkonturen nicht parallel zur Scanrichtung ins Objektfeld abgebildet werden, hat sich für die homogene Beleuchtung des Objektfeldes als besonders vorteilhaft erwiesen.
Ein Beleuchtungssystem für eine Projektionsbelichtungsanlage weist neben einer Beleuchtungsoptik gemäß der vorhergehenden Beschreibung eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von Beleuchtungsstrahlung auf. Bei der Strahlungsquelle kann es sich insbesondere um eine EUV-Strahlungsquelle, das heißt um eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von Beleuchtungsstrahlung im EUV-Bereich, insbesondere im Wellenlängenbereich von weniger als 13,5 nm, handeln.
Ein optisches System für eine Projektionsbelichtungsanlage weist neben einer Beleuchtungsoptik gemäß der vorhergehenden Beschreibung eine Projektionsoptik zur Abbildung eines im Objektfeld angeordneten Retikels in ein Bildfeld auf.
Eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie weist eine Beleuchtungsoptik gemäß der vorhergehenden Beschreibung, eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von Beleuchtungsstrahlung und eine Projektionsoptik zur Abbildung eines im Objektfeld angeordneten Retikels in ein Bildfeld auf.
Bei der Strahlungsquelle kann es sich wiederum um eine EUV-Strahlungsquelle handeln.
Zur Herstellung eines mikro-oder nanostrukturierten Bauelements wird eine Projektionsbelichtungsanlage bereitgestellt. Sodann wird ein Retikel mit abzubildenden Strukturen im Objektfeld angeordnet und das Retikel auf eine strahlungsempfindliche Schicht eines im Bildfeld angeordneten Wafers abgebildet.
Weitere Details und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage und ihrer Bestandteile,
2 eine schematische Darstellung eines optischen Bauelements mit einer Aktuator- und einer Sensoreinrichtung,
3 eine alternative Darstellung des optischen Bauelements gemäß 2 bei welcher der Spiegelkörper mit den daran angeordneten Gegenelektroden bzw. Abschirm-Elementen zur Seite geklappt ist,
4 schematisch einen Horizontalschnitt durch eine Ausführung eines optischen Bauelements zur Verdeutlichung einer möglichen Anordnung der Elektroden einer Aktuator- und einer S ensor-Einrichtung,
5 schematisch die Anordnung von unterschiedlichen Sensor- und Aktuator-Bereichen relativ zu einem optischen Bauelement in Form eines Einzelspiegels mit einer sechseckigen Reflexionsfläche,
6 eine Darstellung wie 5 einer Alternative,
7 eine Darstellung wie 5 gemäß einer weiteren Alternative,
8 schematisch eine Draufsicht auf die Reflexionsflächen eines Spiegel-Arrays gemäß einer Variante,
9 schematisch eine Draufsicht auf die Reflexionsflächen eines Spiegel-Arrays gemäß einer weiteren Variante,
10 schematisch eine Draufsicht auf die Reflexionsflächen eines Spiegel-Arrays gemäß einer weiteren Variante,
11 schematisch eine Draufsicht auf die Reflexionsflächen eines Spiegel-Arrays gemäß einer weiteren Variante,
12 schematisch eine Aufstellung eines Spiegel-Arrays mit einer Mehrzahl von modularen Spiegel-Arrays gemäß einer Variante,
13 schematisch eine Aufstellung eines Spiegel-Arrays mit einer Mehrzahl von modularen Spiegel-Arrays gemäß einer weiteren Variante und
14 schematisch eine Aufstellung eines Spiegel-Arrays mit einer Mehrzahl von modularen Spiegel-Arrays gemäß einer weiteren Variante.

Zunächst wird der allgemeine Aufbau einer Projektionsbelichtungsanlage 1 und deren Bestandteile beschrieben. Für Details diesbezüglich sei auf die WO 2010/049076 A 2 und die WO 2016/146 541 A1 verwiesen, die hiermit vollständig als Bestandteil der vorliegenden Anmeldung in diese integriert ist. Die Beschreibung des allgemeinen Aufbaus der Projektionsbelichtungsanlage 1 ist ausschließlich exemplarisch zu verstehen. Sie dient der Erläuterung einer möglichen Anwendung des Gegenstands der vorliegenden Erfindung. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung kann auch in anderen optischen Systemen, insbesondere in alternativen Varianten von Projektionsbelichtungsanlagen eingesetzt werden.
1 zeigt schematisch in einem Meridionalschnitt eine Projektionsbelichtungsanlage 1 für die Mikrolithografie. Ein Beleuchtungssystem 2 der Projektionsbelichtungsanlage 1 hat neben einer Strahlungsquelle 3 eine Beleuchtungsoptik 4 zur Belichtung eines Objektfeldes 5 in einer Objektebene 6. Das Objektfeld 5 kann rechteckig oder bogenförmig mit einem x/y-Aspektverhältnis von beispielsweise 13/1 gestaltet sein. Belichtet wird hierbei ein im Objektfeld 5 angeordnetes und in der 1 nicht dargestelltes reflektierendes Retikel, das eine mit der Projektionsbelichtungsanlage 1 zur Herstellung mikro- bzw. nanostrukturierter Halbleiter-Bauelemente zu projizierende Struktur trägt. Eine Projektionsoptik 7 dient zur Abbildung des Objektfeldes 5 in ein Bildfeld 8 in einer Bildebene 9. Abgebildet wird die Struktur auf dem Retikel auf eine lichtempfindliche Schicht eines im Bereich des Bildfeldes 8 in der Bildebene 9 angeordneten Wafers, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
Das Retikel, das von einem nicht dargestellten Retikelhalter gehalten ist, und der Wafer, der von einem nicht dargestellten Waferhalter gehalten ist, werden beim Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage 1 synchron in der y-Richtung gescannt. Abhängig vom Abbildungsmaßstab der Projektionsoptik 7 kann auch ein gegenläufiges Scannen des Retikels relativ zum Wafer stattfinden.
Bei der Strahlungsquelle 3 handelt es sich um eine EUV-Strahlungsquelle mit einer emittierten Nutzstrahlung im Bereich zwischen 5 nm und 30 nm. Es kann sich dabei um eine Plasmaquelle, beispielsweise um eine GDPP-Quelle (Plasmaerzeugung durch Gasentladung, Gas Discharge Produced Plasma), oder um eine LPP-Quelle (Plasmaerzeugung durch Laser, Laser Produced Plasma) handeln. Auch andere EUV-Strahlungsquellen, beispielsweise solche, die auf einem Synchrotron oder auf einem Free Electron Laser (Freie Elektronenlaser, FEL) basieren, sind möglich.
EUV-Strahlung 10, die von der Strahlungsquelle 3 ausgeht, wird von einem Kollektor 11 gebündelt. Ein entsprechender Kollektor ist beispielsweise aus der EP 1 225 481 A2 bekannt. Nach dem Kollektor 11 propagiert die EUV-Strahlung 10 durch eine Zwischenfokusebene 12, bevor sie auf einen Feldfacettenspiegel 13 trifft. Der Feldfacettenspiegel 13 ist in einer Ebene der Beleuchtungsoptik 4 angeordnet, die zur Objektebene 6 optisch konjugiert ist. Der Feldfacettenspiegel 13 kann beabstandet zu einer zur Objektebene 6 konjugierten Ebene angeordnet sein. Er wird in diesem Fall allgemein als erster Facettenspiegel bezeichnet.
Die EUV-Strahlung 10 wird nachfolgend auch als Nutzstrahlung, Beleuchtungsstrahlung oder als Abbildungslicht bezeichnet.
Nach dem Feldfacettenspiegel 13 wird die EUV-Strahlung 10 von einem Pupillenfacettenspiegel 14 reflektiert. Der Pupillenfacettenspiegel 14 liegt entweder in der Eintrittspupillenebene der Projektionsoptik 7 oder in einer hierzu optisch konjugierten Ebene. Er kann auch beabstandet zu einer derartigen Ebene angeordnet sein.
Der Feldfacettenspiegel 13 und der Pupillenfacettenspiegel 14 sind aus einer Vielzahl von Einzelspiegeln aufgebaut, die nachfolgend noch näher beschrieben werden. Dabei kann die Unterteilung des Feldfacettenspiegels 13 in Einzelspiegel derart sein, dass jede der Feldfacetten, die für sich das gesamte Objektfeld 5 ausleuchten, durch genau einen der Einzelspiegel repräsentiert wird. Alternativ ist es möglich, zumindest einige oder alle der Feldfacetten durch eine Mehrzahl derartiger Einzelspiegel aufzubauen. Entsprechendes gilt für die Ausgestaltung der den Feldfacetten jeweils zugeordneten Pupillenfacetten des Pupillenfacettenspiegels 14, die jeweils durch einen einzigen Einzelspiegel oder durch eine Mehrzahl derartiger Einzelspiegel gebildet sein können.
Die EUV-Strahlung 10 trifft auf die beiden Facettenspiegel 13, 14 unter einem definierten Einfallswinkel auf. Die beiden Facettenspiegel werden insbesondere im Bereich eines normal incidence-Betriebs, d. h. mit einem Einfallswinkel, der kleiner oder gleich 25° zur Spiegelnormalen ist, mit der EUV-Strahlung 10 beaufschlagt. Auch eine Beaufschlagung unter streifendem Einfall (grazing incidence) ist möglich. Der Pupillenfacettenspiegel 14 ist in einer Ebene der Beleuchtungsoptik 4 angeordnet, die eine Pupillenebene der Projektionsoptik 7 darstellt bzw. zu einer Pupillenebene der Projektionsoptik 7 optisch konjugiert ist. Mithilfe des Pupillenfacettenspiegels 14 und einer abbildenden optischen Baugruppe in Form einer Übertragungsoptik 15 mit in der Reihenfolge des Strahlengangs für die EUV-Strahlung 10 bezeichneten Spiegeln 16, 17 und 18 werden die Feldfacetten des Feldfacettenspiegels 13 einander überlagernd in das Objektfeld 5 abgebildet. Der letzte Spiegel 18 der Übertragungsoptik 15 ist ein Spiegel für streifenden Einfall („Grazing incidence Spiegel“). Die Übertragungsoptik 15 wird zusammen mit dem Pupillenfacettenspiegel 14 auch als Folgeoptik zur Überführung der EUV-Strahlung 10 vom Feldfacettenspiegel 13 hin zum Objektfeld 5 bezeichnet. Das Beleuchtungslicht 10 wird von der Strahlungsquelle 3 hin zum Objektfeld 5 über eine Mehrzahl von Ausleuchtungskanälen geführt. Jedem dieser Ausleuchtungskanäle ist eine Feldfacette des Feldfacettenspiegels 13 und eine dieser nachgeordnete Pupillenfacette des Pupillenfacettenspiegels 14 zugeordnet. Die Einzelspiegel des Feldfacettenspiegels 13 und des Pupillenfacettenspiegels 14 können aktuatorisch verkippbar sein, sodass ein Wechsel der Zuordnung der Pupillenfacetten zu den Feldfacetten und entsprechend eine geänderte Konfiguration der Ausleuchtungskanäle erreicht werden kann. Es resultieren unterschiedliche Beleuchtungssettings, die sich in der Verteilung der Beleuchtungswinkel des Beleuchtungslichts 10 über das Objektfeld 5 unterscheiden.
Zur Erleichterung der Erläuterung von Lagebeziehungen wird nachfolgend unter anderem ein globales kartesisches xyz-Koordinatensystem verwendet. Die x-Achse verläuft in der 1 senkrecht zur Zeichenebene auf den Betrachter zu. Die y-Achse verläuft in der 1 nach rechts. Die z-Achse verläuft in der 1 nach oben.
Unterschiedliche Beleuchtungssettings können über eine Verkippung der Einzelspiegel des Feldfacettenspiegels 13 und einen entsprechenden Wechsel der Zuordnung dieser Einzelspiegel des Feldfacettenspiegels 13 zu den Einzelspiegeln des Pupillenfacettenspiegels 14 erreicht werden. Abhängig von der Verkippung der Einzelspiegel des Feldfacettenspiegels 13 werden die diesen Einzelspiegeln neu zugeordneten Einzelspiegel des Pupillenfacettenspiegels 14 so durch Verkippung nachgeführt, dass wiederum eine Abbildung der Feldfacetten des Feldfacettenspiegels 13 in das Objektfeld 5 gewährleistet ist.
Im Folgenden werden weitere Aspekte der Beleuchtungsoptik 4 beschrieben.
Der eine Feldfacettenspiegel 13 in Form eines Multi- bzw. Mikrospiegel-Arrays (MMA) bildet ein Beispiel für eine optische Baugruppe zur Führung der Nutzstrahlung 10, also des EUV-Strahlungsbündels. Der Feldfacettenspiegel 13 ist als mikroelektromechanisches System (MEMS) ausgebildet. Er weist eine Vielzahl von matrixartig zeilen- und spaltenweise in einem Spiegel-Array 19 angeordneten Einzelspiegeln 20 auf. Die Spiegel-Arrays 19 sind modular ausgeführt. Sie können auf einer als Grundplatte ausgebildeten Tragestruktur angeordnet werden. Hierbei können im Wesentlichen beliebig viele der Spiegel-Arrays 19 nebeneinander angeordnet sein. Die Gesamt-Reflexionsfläche, welche durch die Gesamtheit sämtlicher Spiegel-Arrays 19, insbesondere deren Einzelspiegel 20, gebildet wird, ist somit beliebig erweiterbar. Die Spiegel-Arrays sind insbesondere derart ausgebildet, dass sie eine im Wesentlichen lückenlose Parkettierung einer Ebene ermöglichen. Das Verhältnis der Summe der Reflexionsflächen 26 der Einzelspiegel 20 zu der Gesamtfläche, welche von Spiegel-Arrays 19 abgedeckt wird, wird auch als Integrations-Dichte bezeichnet. Diese Integrations-Dichte beträgt insbesondere mindestens 0,5, insbesondere mindestens 0,6, insbesondere mindestens 0,7, insbesondere mindestens 0,8, insbesondere mindestens 0,9.
Die Spiegel-Arrays 19 werden mittels Fixier-Elementen 29 auf der Grundplatte fixiert. Für Details sei beispielsweise auf die WO 2012/130768 A2 verwiesen.
Die Einzelspiegel 20 sind aktuatorisch verkippbar ausgelegt, wie nachfolgend noch erläutert wird. Insgesamt weist der Feldfacettenspiegel 13 etwa 100000 der Einzelspiegel 20 auf. Je nach Größe der Einzelspiegel 20 kann der Feldfacettenspiegel 13 auch eine andere Anzahl an Einzelspiegeln 20 aufweisen. Die Anzahl der Einzelspiegel 20 des Feldfacettenspiegels 13 beträgt insbesondere mindestens 1000, insbesondere mindestens 5000, insbesondere mindestens 10000. Sie kann bis zu 100000, insbesondere bis zu 300000, insbesondere bis zu 500000, insbesondere bis zu 1000000 betragen.
Vor dem Feldfacettenspiegel 13 kann ein Spektralfilter angeordnet sein, der die Nutzstrahlung 10 von anderen, nicht für die Projektionsbelichtung nutzbaren Wellenlängenkomponenten der Emission der Strahlungsquelle 3 trennt. Der Spektralfilter ist nicht dargestellt.
Der Feldfacettenspiegel 13 wird mit Nutzstrahlung 10 mit einer Leistung von beispielsweise 840 W und einer Leistungsdichte von 6,5 kW/m² beaufschlagt.
Das gesamte Einzelspiegel-Array des Facettenspiegels 13 hat beispielsweise einen Durchmesser von 500 mm und ist dicht gepackt mit den Einzelspiegeln 20 ausgelegt. Die Einzelspiegel 20 repräsentieren, soweit eine Feldfacette durch jeweils genau einen Einzelspiegel realisiert ist, bis auf einen Skalierungsfaktor die Form des Objektfeldes 5. Der Facettenspiegel 13 kann aus 500 jeweils eine Feldfacette repräsentierenden Einzelspiegeln 20 mit einer Dimension im Bereich von etwa 5 mm bis etwa 50 mm in der y-Richtung und im Bereich von etwa 100 mm bis etwa 300 mm in der x-Richtung gebildet sein. Alternativ zur Realisierung jeder Feldfacette durch genau einen Einzelspiegel 20 kann jede der Feldfacetten durch Gruppen von kleineren Einzelspiegeln 20 approximiert werden. Eine Feldfacette mit Dimensionen von 5 mm in der y-Richtung und von 100 mm in der x-Richtung kann z. B. mittels eines 1 x 20-Arrays von Einzelspiegeln 20 der Dimension 5 mm x 5 mm bis hin zu einem 10 x 200-Array von Einzelspiegeln 20 mit den Dimensionen 0,5 mm x 0,5 mm aufgebaut sein.
Zum Umstellen der Beleuchtungssettings werden die Kippwinkel der Einzelspiegel 20 verstellt. Die Kippwinkel weisen insbesondere einen Verlagerungsbereich von ± 50 mrad, insbesondere ± 100 mrad, insbesondere ± 150 mrad auf. Bei der Einstellung der Kippposition der Einzelspiegel 20 wird eine Genauigkeit von besser als 0,2 mrad, insbesondere besser als 0,1 mrad erreicht.
Die Einzelspiegel 20 des Feldfacettenspiegels 13 und des Pupillenfacettenspiegels 14 bei der Ausführung der Beleuchtungsoptik 4 nach 1 tragen Multilayer-Beschichtungen zur Optimierung ihrer Reflektivität bei der Wellenlänge der Nutzstrahlung 10. Die Temperatur der Multilayer-Beschichtungen sollte 425 K beim Betreiben der Projektionsbelichtungs-anlage 1 nicht überschreiten. Dies wird durch einen geeigneten Aufbau der Einzelspiegel 20 erreicht. Für Details wird auf DE 10 2013 206 529 A1 verwiesen, die hiermit vollständig in die vorliegende Anmeldung integriert ist.
Die Einzelspiegel 20 der Beleuchtungsoptik 4 sind in einer evakuierbaren Kammer 21 untergebracht, von der in den 2 und 6 eine Begrenzungswand 22 angedeutet ist. Die Kammer 21 kommuniziert über eine Fluidleitung 23, in der ein Absperrventil 24 untergebracht ist, mit einer Vakuumpumpe 25. Der Betriebsdruck in der evakuierbaren Kammer 21 beträgt einige Pascal, insbesondere 3 Pa bis 5 Pa (Partialdruck H₂). Alle anderen Partialdrücke liegen deutlich unterhalb von 1 x 10^-7 mbar.
Der die Mehrzahl von Einzelspiegeln 20 aufweisende Spiegel bildet zusammen mit der evakuierbaren Kammer 21 eine optische Baugruppe zur Führung eines Bündels der EUV-Strahlung 10.
Jeder der Einzelspiegel 20 kann eine Reflexionsfläche 26 mit Abmessungen von 0,1 mm x 0,1 mm, von bis zu 0,5 mm x 0,5 mm, von bis zu 1,0 mm x 1,0 mm oder auch von bis zu 5 mm x 5 mm und größer aufweisen. Die Reflexionsfläche 26 kann auch kleinere Abmessungen aufweisen. Sie weist insbesondere Seitenlängen im µm- oder unteren mm-Bereich auf. Die Einzelspiegel 20 werden daher auch als Mikrospiegel bezeichnet. Die Reflexionsfläche 26 ist Teil eines Spiegelkörpers 27 des Einzelspiegels 20. Der Spiegelkörper 27 trägt die Mehrlagen-(Multilayer)-Beschichtung.
Mit Hilfe der Projektionsbelichtungsanlage 1 wird wenigstens ein Teil des Retikels auf einen Bereich einer lichtempfindlichen Schicht auf dem Wafer zur lithografischen Herstellung eines mikro- bzw. nanostrukturierten Bauelements, insbesondere eines Halbleiterbauelements, z.B. eines Mikrochips abgebildet. Je nach Ausführung der Projektionsbelichtungsanlage 1 als Scanner oder als Stepper werden das Retikel und der Wafer zeitlich synchronisiert in der y-Richtung kontinuierlich im Scannerbetrieb oder schrittweise im Stepperbetrieb verfahren.
Die y-Richtung wird auch als Scanrichtung bezeichnet. Die x-Richtung wird auch als Cross-Scan-Richtung bezeichnet.
Im Folgenden werden weitere Details und Aspekte der Spiegel-Arrays 19, insbesondere der optischen Bauelemente, welche die Einzelspiegel 20 umfassen, beschrieben.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf die 2 bis 3 eine erste Variante eines optischen Bauelements 30 mit einem Einzelspiegel 20 sowie insbesondere der Verlagerungs-Einrichtung 31 zur Verlagerung, insbesondere zur Verschwenkung des Einzelspiegels 20, und einer Sensor-Einrichtung 41 zur Erfassung der Verlagerungsposition, insbesondere der Verschwenkposition des Einzelspiegels 20, beschrieben.
Die Darstellung gemäß 3 entspricht der gemäß 2, wobei in der 3 der Spiegelkörper 27 des Einzelspiegels 20 zur Seite weggeklappt ist. Hierdurch werden die Strukturen der Verlagerungs-Einrichtung 31 sowie der Sensor-Einrichtung besser sichtbar.
Das optische Bauelement umfasst den Einzelspiegel 20, welcher insbesondere als Mikrospiegel ausgebildet ist. Der Einzelspiegel 20 umfasst den vorgehend beschriebenen Spiegelkörper 27, auf dessen Vorderseite die Reflexionsfläche 26 ausgebildet ist. Die Reflexionsfläche 26 ist insbesondere durch eine Viellagenstruktur gebildet. Sie ist insbesondere strahlungsreflektierend für die Beleuchtungsstrahlung 10, insbesondere für EUV-Strahlung.
Gemäß der in den Figuren dargestellten Variante ist die Reflexionsfläche 26 quadratisch ausgebildet, jedoch teilweise angeschnitten dargestellt, um auch die Aktuatorik zu zeigen. Sie ist allgemein rechteckig ausgebildet. Sie kann auch dreieckig oder sechseckig ausgebildet sein. Sie ist insbesondere derart kachelartig ausgebildet, dass eine lückenlose Parkettierung einer Ebene mit den Einzelspiegeln 20 möglich ist. Der Einzelspiegel 20 ist mittels eines nachfolgend noch näher beschriebenen Gelenks 32 gelagert. Er ist insbesondere derart gelagert, dass er zwei Kipp-Freiheitsgrade aufweist. Das Gelenk 32 ermöglicht insbesondere die Verkippung des Einzelspiegels 20 um zwei Kippachsen 33, 34. Die Kippachsen 33, 34 stehen senkrecht aufeinander. Sie schneiden sich in einem zentralen Schnittpunkt, welcher als effektiver Schwenkpunkt 35 bezeichnet wird.
Sofern sich der Einzelspiegel 20 in einer unverschwenkten Neutralposition befindet, so liegt der effektive Schwenkpunkt 35 auf einer Flächenormalen 36, welchen durch einen zentralen Punkt, insbesondere den geometrischen Schwerpunkt der Reflexionsfläche 26 verläuft.
Sofern nichts anderes angegeben ist, wird im Folgenden unter der Richtung der Flächennormalen 36 stets die Richtung derselben in der unverkippten Neutralstellung des Einzelspiegels 20 verstanden.
Im Folgenden wird zunächst die Verlagerungs-Einrichtung 31 näher beschrieben.
Die Verlagerungs-Einrichtung 31 umfasst eine Elektrodenstruktur mit Aktuator-Elektroden, insbesondere in Form von Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; und Aktuator-Wandler-Spiegelelektroden 42. Gemäß der in den 2 bis 3 dargestellten Variante umfasst die Elektrodenstruktur vier Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37₁,37₂,37₃ und 37₄. Die Anzahl der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; beträgt allgemein mindestens 2. Sie kann insbesondere 2, 3, 4, 6 oder mehr betragen (s. 5 bis 7).
Sämtliche Aktuator-Wandlerelektroden 37i, 42 sind als Kamm-Elektroden mit einer Mehrzahl von Kammfingern 38 ausgebildet. Die jeweils komplementären Kammfinger von Spiegel und Stator greifen hierbei ineinander. Die Kämme der einzelnen Aktuator-Elektroden 37; umfassen jeweils 30 Aktuator-Wandler Stator Kammfinger 38, welche im Folgenden verkürzt auch als Statorkammfinger oder lediglich als Kammfinger bezeichnet werden. Eine jeweils andere Anzahl ist ebenso möglich. Die Anzahl der Kammfinger 38 der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; beträgt insbesondere mindestens 2, insbesondere mindestens 3, insbesondere mindestens 5, insbesondere mindestens 10. Sie kann bis zu 50, insbesondere bis zu 100 betragen.
Die Kämme der Aktuator-Wandler-Spiegelelektroden 42 umfassen entsprechend Aktuator-Wandler-Spiegelkammfinger 43, welche im Folgenden verkürzt auch als Spiegelkammfinger oder lediglich als Kammfinger bezeichnet werden. Die Anzahl der Spiegelkammfinger 43 entspricht der Anzahl der Statorkammfinger. Sie kann auch jeweils um eins von der Anzahl der Statorkammfinger abweichen.
Die Kammfinger 38 sind derart angeordnet, dass sie in Bezug auf die Flächennormale 36 bzw. den effektiven Schwenkpunkt 35 in radialer Richtung verlaufen. Gemäß einer in den Figuren nicht dargestellten Variante können die Kammfinger 38, 43 auch tangential zu Kreisen um den effektiven Schwenkpunkt 35 angeordnet sein. Sie können auch eine Ausbildung aufweisen, welche Ausschnitten aus konzentrischen Kreiszylinder-Mantelflächen um die Flächennormale 36 entsprechen.
Sämtliche der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; sind auf einer Tragestruktur in Form eines Substrats 39 angeordnet. Sie sind insbesondere ortsfest auf dem Substrat 39 angeordnet. Sie sind insbesondere in einer einzigen, durch die Vorderseite des Substrats 39 definierten Ebene angeordnet. Diese Ebene wird auch als Aktuator-Ebene oder als Kamm-Ebene bezeichnet.
Als Substrat 39 dient insbesondere ein Wafer. Das Substrat 39 wird auch als Grundplatte bezeichnet.
Die Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; sind jeweils in einem Bereich auf dem Substrat 39 angeordnet, welcher einerseits eine äußere Einhüllende, andererseits eine innere Einhüllende aufweist.
Die äußere Einhüllende kann geometrisch ähnlich zur Reflexionsfläche 26 sein.
Die innere Einhüllende kann kreisförmig sein.
Alternativ hinzu können die Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; auch in einem kreisringförmigen Bereich auf dem Substrat 39 angeordnet sein. Hierbei ist auch die äußere Einhüllende kreisförmig ausgebildet. Die einzelnen Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; sind insbesondere jeweils in kreisringabschnittförmigen Bereichen angeordnet. Die Elektrodenstruktur insgesamt, das heißt sämtliche Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; sind in einem Bereich angeordnet, welcher eine äußere Einhüllende aufweist, die gerade derjenigen der Reflexionsfläche des Einzelspiegels 20 entspricht. Sie kann auch in einen etwas kleineren, insbesondere etwa 5 % bis 25 % kleineren Bereich angeordnet sein.
Die Elektrodenstruktur weist eine Rotationssymmetrie auf. Sie weist insbesondere eine zweizählige, dreizählige, vierzählige oder sechszählige Rotationssymmetrie auf. Die Elektrodenstruktur kann auch eine andere Rotationssymmetrie aufweisen. Sie weist insbesondere eine k-zählige Rotationssymmetrie auf, wobei k die Anzahl der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; angibt. Abgesehen von der Unterteilung der Elektrodenstruktur in die unterschiedlichen Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; weist die Elektrodenstruktur eine n-zählige Rotationssymmetrie auf, wobei n gerade der Gesamtzahl der Kammfinger 38 sämtlicher Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; entspricht.
Die einzelnen Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; sind abgesehen von ihrer unterschiedlichen Anordnung auf dem Substrat 39 identisch ausgebildet. Dies ist nicht zwingend notwendig. Sie können auch unterschiedlich ausgebildet sein. Sie können insbesondere in Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften des Gelenks 32 ausgebildet sein.
Die Kammfinger 38 sind radial zum effektiven Schwenkpunkt 35, bzw. radial zur Ausrichtung der Flächennormalen 36 im unverschwenkten Neutralzustand des Einzelspiegels 20 angeordnet.
Bei Einzelspiegeln 20, deren Spiegelkörper 27 Abmessungen von 1 mm · 1 mm aufweisen, weisen die Kammfinger 38 an ihrem in radialer Richtung äußeren Ende eine Dicke d von höchstens 5 µm auf. Allgemein liegt die maximale Dicke d der Kammfinger 38 an ihrem in Radialrichtung äußeren Ende im Bereich von 1 µm bis 20 µm, insbesondere im Bereich 3 µm bis 10 µm.
Die Kammfinger 38 weisen eine Höhe h, das heißt eine Erstreckung in Richtung der Flächennormalen 36, im Bereich von 10 µm bis 200 µm, insbesondere im Bereich von 75 µm bis 150 µm auf. Andere Werte sind ebenfalls denkbar. Die Höhe h ist in Radialrichtung konstant. Sie kann auch in Radialrichtung abnehmen. Hierdurch können größere Kippwinkel ermöglicht werden, ohne dass dies dazu führt, dass die Kammfinger der Aktuator-Spiegelelektrode 42 auf die Grundplatte auftreffen.
Benachbarte Kammfinger 38, 43 der Aktuatorelektroden 37; einerseits und der Aktuator-Spiegelelektroden 42 andererseits weisen im unverschwenkten Zustand des Einzelspiegels 20 einen Mindestabstand im Bereich von 1 µm bis 10 µm, insbesondere im Bereich von 3 µm bis 7 µm, insbesondere von etwa 5 µm auf. Für Einzelspiegel 20 mit kleineren oder größeren Abmessungen können diese Werte entsprechend skaliert werden.
Bei diesem Mindestabstand handelt es sich um den minimalen Abstand benachbarter Spiegel- und Statorkammfinger gemessen im neutralen, unverschwenkten Zustand des Einzelspiegels 20. Bei einer Verkippung des Einzelspiegels 20 können sich die Kammfinger aneinander annähern. Der Mindestabstand ist derart gewählt, dass es auch bei einer maximalen Verkippung des Einzelspiegels 20 nicht zu einer Kollision benachbarter Spiegel- und Statorkammfinger kommt. Hierbei sind auch Fertigungstoleranzen berücksichtigt. Derartige Fertigungstoleranzen liegen bei wenigen Mikrometern, insbesondere bei höchstens 5 µm, insbesondere höchstens 3 µm, insbesondere höchstens 2 µm, insbesondere höchstens 1 µm.
Die maximal mögliche Annäherung benachbarter Kammfinger 38, 43 lässt sich aus den geometrischen Details derselben und deren Anordnung sowie der maximal möglichen Verkippung des Einzelspiegels 20 auf einfache Weise bestimmen. Bei der vorliegenden Ausführungsform beträgt die maximale Annäherung benachbarter Kammfinger 38, 43 bei einer Verkippung des Einzelspiegels 20 um 100 mrad etwa 2 µm. Die maximale Annäherung beträgt insbesondere weniger als 10 µm, insbesondere weniger als 7 µm, insbesondere weniger als 5 µm, insbesondere weniger als 3 µm.
Die Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37_i wirken jeweils mit einer Aktuator-Spiegelelektrode 42 zusammen. Die Aktuator-Spiegelelektrode 42 ist mit dem Spiegelkörper 27 verbunden. Die Aktuator-Spiegelelektrode 42 ist insbesondere mechanisch fix mit dem Spiegelkörper 27 verbunden. Die Aktuator-Wandler-Spiegelelektroden 42 bilden eine Gegenelektrode zu den Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37i. Sie werden daher auch einfach als Gegenelektrode bezeichnet.
Die Aktuator-Spiegelelektrode 42 bildet eine passive Elektrodenstruktur. Hierunter sei verstanden, dass die Aktuator-Spiegelelektrode 42 mit einer fixen, konstanten Spannung beaufschlagt wird.
Die Aktuator-Spiegelelektrode 42 ist komplementär zu den Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; ausgebildet. Sie bildet insbesondere einen Ring mit Aktuator-Wandler Spiegel Kammfingern 43, welche im Folgenden vereinfachend auch als Spiegel-Kammfinger oder lediglich als Kammfinger 43 bezeichnet werden. Die Spiegel-Kammfinger 43 der Aktuator-Spiegelelektrode 42 entsprechen in ihren geometrischen Eigenschaften im Wesentlichen den Stator-Kammfingern 38 der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37_i.
Sämtliche der Kammfinger 38, 43 können dieselbe Höhe h, d. h. identische Abmessungen in Richtung der Flächennormalen 36 aufweisen. Dies erleichtert den Herstellungsprozess.
Die Spiegel-Kammfinger 43 der Aktuator-Spiegelelektrode 42 können in Richtung der Flächennormalen 36 auch eine andere Höhe aufweisen als die Stator-Kammfinger 38 der aktiven Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37i.
Die Kammfinger 38, 43 können eine in Radialrichtung abnehmende Höhe h aufweisen. Es ist auch möglich, die Kammfinger 38, 43 im Bereich der Ecken des optischen Bauelements 30 kürzer auszubilden als die übrigen Kammfinger 38, 43. Hierdurch kann ein größerer Kippwinkel des Einzelspiegels 20 ermöglicht werden.
Die Aktuator-Spiegelelektrode 42 ist insbesondere derart ausgebildet, dass jeweils einer der Kammfinger 43 der Aktuator-Spiegelelektrode 42 in einem Zwischenraum zwischen zwei der Kammfinger 38 der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; eintauchen kann.
Die Aktuator-Spiegelelektrode 42 ist elektrisch leitfähig mit dem Spiegelkörper 27 verbunden. Ihre Kammfinger 43 sind daher äquipotential. Der Spiegelkörper 27 ist über eine elektrisch leitfähige Gelenkfeder niederohmig mit den Grundplatte verbunden. Prinzipiell kann man auch das Spiegelsubstrat, das heißt den Spiegelkörper 27, die Aktuator-Spiegelelektroden 42 und Sensor-Spiegelelektroden 45 über getrennte Zuleitungen über das Festkörpergelenk 32 individuell elektrisch anbinden und so beispielsweise auf unterschiedliche Potentiale legen oder bezüglich Störungen und/oder Übersprechen entkoppeln. Die Grundplatte kann auf Erde liegen muss aber nicht. Alternativ kann man der Spiegel über leitfähige Gelenkfeder auf einem anderen mit einer Spannungsquelle verbunden jedoch von der Spiegelplatte galvanische entkoppelt sein. Hierdurch ist es möglich den Spiegel mit einer festen oder variablen Bias Spannung zu beaufschlagen.
Die Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; sind zur Verschwenkung des Einzelspiegels 20 mit einer Aktuator-Spannung U_A beaufschlagbar. Die Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; werden daher auch als aktive Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; bezeichnet. Zur Beaufschlagung der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; mit der Aktuator-Spannung U_A ist eine in den Figuren nicht dargestellte Spannungsquelle vorgesehen. Die Aktuator-Spannung U_A, beträgt höchstens 200 Volt, insbesondere höchstens 100 Volt. Durch geeignete Beaufschlagung einer Auswahl der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; mit der Aktuator-Spannung U_A kann der Einzelspiegel 20 um bis zu 50 mrad, insbesondere bis zu 100 mrad, insbesondere bis 150 mrad aus einer Neutralstellung verkippt werden. Alternativ können die Aktuoren auch mit einer Ladungsquelle (Stromquelle) angesteuert werden.
Die unterschiedlichen Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; können zur Verschwenkung des Einzelspiegels 20 mit unterschiedlichen Aktuator-Spannungen U_Ai beaufschlagt werden. Zur Steuerung der Aktuator-Spannungen U_Ai ist eine in den Figuren nicht dargestellte Steuer-Einrichtung vorgesehen.
Zur Verkippung eines der Einzelspiegel 20 wird an eine der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; eine Aktuator-Spannung U_A angelegt. Gleichzeitig wird an der bezüglich der Flächennormalen 36 gegenüberliegenden Aktuator-Wandler-Statorelektrode 37_j eine hiervon abweichende Aktuator-Spannung U_A2 ≠ U_A1 angelegt. Hierbei kann U_A2 = 0 Volt sein. Es ist insbesondere möglich, ausschließlich eine der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; mit der Aktuator-Spannung U_A1 zu beaufschlagen, während sämtliche anderen Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37_j auf einer Spannung von 0 Volt gehalten werden.
Bei einer Verkippung des Einzelspiegels 20 tauchen die Kammfinger der Aktuator-Spiegelelektrode 42 auf einer Seite, insbesondere im Bereich der mit der Aktuator-Spannung U_A beaufschlagten Aktuator-Wandler-Statorelektrode 37; tiefer zwischen die Kammfinger 38 dieser Aktuator-Wandler-Statorelektrode 37; ein. Auf der gegenüberliegenden Seite der Kippachse 33 taucht die Aktuator-Spiegelelektrode 42 weniger tief in die Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37_j ein. Es kann sogar zu einem zumindest bereichsweisen Austauchen der Aktuator-Spiegelelektrode 42 aus den Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37_j kommen.
Der Kammüberlapp, das heißt die Eintauchtiefe der Aktuator-Spiegelelektrode 42 zwischen die Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; beträgt bei einer Spiegeldimension von etwa 0.5mm x 0.5mm in der Neutralstellung des Einzelspiegels 20 30 µm.
In der Neutralposition eine Verkippung des Spiegels 20 um 100 mrad zu einer maximalen Verringerung des Abstands zwischen den Kammfingern 43 der Aktuator-Spiegelelektrode 42 und den Kammfingern 38 der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; um 1,1 µm kommt. Die Kammfinger 43 der Aktuator-Spiegelelektrode 42 und die Kammfinger 38 der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; sind somit in jeder Verschwenkposition des Spiegels 20 beabstandet zueinander, insbesondere berührungsfrei. Die Eintauchtiefe, das heißt der Kammüberlapp, ist insbesondere derart gewählt, dass dies sichergestellt ist.
Gemäß einer Alternative sind die Kammfinger 38, 43 im äußeren Bereich etwas kürzer und weisen daher einen geringeren Überlapp, das heißt eine geringere Eintauchtiefe, auf. Die Eintauchtiefe im äußersten Bereich kann beispielsweise etwa halb so groß sein wie die Eintauchtiefe im inneren Bereich. Auch diese Angaben beziehen sich auf die Neutralposition des Spiegels 20.
Durch eine Abhängigkeit der Eintauchtiefe der Kammfinger 38, 43 von deren Radialposition lässt sich auch die Charakteristik, insbesondere die Linearität der Aktuierung, beeinflussen. Da sämtliche der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; in einer einzigen Ebene, der Aktuator-Ebene, angeordnet sind, kann auf eine komplexe, serielle Kinematik verzichtet werden. Die Verlagerungs-Einrichtung 31 zeichnet sich durch eine Parallelkinematik aus. Die Verlagerungs-Einrichtung 31 weist insbesondere keine beweglich angeordneten aktiven Komponenten auf. Sämtliche der mit der Aktuator-Spannung U_A beaufschlagbaren Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; sind unbeweglich ortsfest auf dem Substrat 39 angeordnet. Zur Erfassung der Verschwenkposition des Einzelspiegels 20 ist eine Sensor-Einrichtung 41 vorgesehen. Die Sensor-Einrichtung 41 kann einen Bestandteil der Verlagerungs-Einrichtung 31 bilden.
Die Sensor-Einrichtung 41 umfasst Sensor-Elektroden, insbesondere in Form von Sensor-Wandlerspiegelelektroden 45 und Sensor-Wandlerstatorelektroden 44_i.
Die Sensor-Einheit umfasst insbesondere vier Sensor-Wandlerstatorelektroden 44₁ bis 44₄. Die Sensor-Wandlerstatorelektroden 44i werden vereinfachend auch lediglich als Sensor-Elektroden bezeichnet. Die Anzahl der Sensor-Wandlerstatorelektroden 44; kann von der Anzahl der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; abweichen.
Die Sensor-Wandlerstatorelektroden 44₁ bis 44₄ sind bei der Variante gemäß der 2 bis 3 jeweils entlang der Diagonalen des Substrats 39 angeordnet. Bei der in den 2 bis 3 dargestellten Variante sind die Sensor-Wandlerstatorelektroden 44₁ bis 44₄ relativ zu den Kippachsen 33, 34 des Gelenks 32 um 45° versetzt angeordnet.
Die Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; sind jeweils in Quadranten 54₁ bis 54₄ auf dem Substrat 39 angeordnet. Die Sensor-Wandlerstatorelektroden 44i sind jeweils in demselben Quadranten 54₁ bis 54₄ angeordnet wie jeweils eine der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37i. Die Aktuator-Einrichtung 31, insbesondere die Anordnung und Ausbildung der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; kann im Wesentlichen dieselben Symmetrieeigenschaften aufweisen wie die Reflexionsfläche 26 des Einzelspiegels 20.
Die Sensor-Einrichtung 41, insbesondere die Sensor-Wandlerstatorelektroden 44i, kann dieselben Symmetrieeigenschaften aufweisen wie das Objektfeld 5.
Vorzugsweise sind jeweils zwei einander bezüglich des effektiven Schwenkpunkts 35 gegenüberliegende Sensor-Wandlerstatorelektroden 44; differenziell verschaltet. Eine derartige Verschaltung ist jedoch nicht zwingend notwendig. Allgemein ist es vorteilhaft, wenn jeweils zwei einander bezüglich des effektiven Schwenkpunkts 35 gegenüberliegende Sensor-Elektroden 44i derart ausgebildet und angeordnet sind, dass sie differenziell auslesbar sind.
Die Sensor-Wandlerstatorelektroden 44; sind als Kamm-Elektroden ausgebildet. Die Sensor-Wandlerstatorelektroden 44i können insbesondere entsprechend den Aktuator-Wandlerstatorelektroden 37i, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird, ausgebildet sein. Die Sensor-Wandlerstatorelektroden 44; umfassen jeweils eine Sensor-Wandlerstatorsenderelektrode 47, im Folgenden auch kurz Sender-Elektrode, und eine Sensor-Wandlerstatorempfängerelektrode, im Folgenden auch kurz Empfänger-Elektrode, 48. Sowohl die sensor-Wandlerstatorsenderelektrode 47 als auch die Sensor-Wandlerstatorempfängerelektrode 48 weisen eine Kammstruktur auf. Sie umfassen insbesondere eine Mehrzahl von Kammfingern. Die Kammfinger der Sensor-Wandlerstatorsenderelektrode 47 sind insbesondere alternierend zu den Kammfingern der Sensor-Wandlerstatorempfängerelektrode 48 angeordnet.
Die Sensor-Einrichtung 41 umfasst für jede der Sensor-Wandlerstatorelektroden 44; eine Sensor-Wandlerspiegelelektrode 45. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform bilden die Sensor-Wandlerspiegelelektroden 45 jeweils eine Abschirm-Einheit der Sensor-Wandlerstatorelektroden 44i. Die Sensor-Wandlerspiegelelektrode 45 umfasst jeweils Kammelemente mit einer Mehrzahl von Kammfingern 46. Die Sensor-Wandlerspiegelelektrode 45 ist entsprechend einer Gegenelektrode passend zu den Sensor-Wandlerstatorelektroden 44; ausgebildet. Die Sensor-Wandlerspiegelelektroden 45 können insbesondere entsprechend den Aktuator-Wandlerspiegelelektroden 42, auf deren Beschreibung hiermit verwiesen wird, ausgebildet sein.
Die Sensor-Wandlerspiegelelektroden 45 sind jeweils fix mit dem Spiegelkörper 27 verbunden. Sie sind im Bereich der Diagonalen des Spiegelkörpers 27 angeordnet. Bei einer Verkippung des Einzelspiegels 20 kann die Sensor-Wandlerspiegelelektrode 45 jeweils unterschiedlich tief zwischen die Kammfinger der Sensor-Wandlerstatorelektroden 44i, insbesondere zwischen die Sender-Elektrode 47 und die Empfänger-Elektrode 48 eintauchen. Hierdurch kommt es zu einer variablen Abschirmung benachbarter Kammfinger, insbesondere zu einer variablen Abschirmung der Empfänger-Elektrode 48 von der Sender-Elektrode 47. Dies führt dazu, dass sich die Kapazität zwischen den benachbarten Kammfingern der Sensor-Wandlerstatorelektroden 44; bei einer Verschwenkung des Einzelspiegels 20 ändert. Die Kapazitätsänderung kann gemessen werden. Hierzu sind die Eingänge eines Messgeräts, wie schematisch in 4 dargestellt ist, alternierend mit den Kammfingern der Sensor-Wandlerstatorelektroden 44; verbunden.
Die Eintauchtiefe der Sensor-Wandlerspiegelelektroden 45 zwischen die Sensor-Wandlerstatorelektroden 44i, insbesondere zwischen die Sender-Elektroden 47 und die Empfänger-Elektroden 48 beträgt 20 µm bis 40 µm. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Kammfinger 46 auch in der maximal verkippten Verschwenkposition überall noch eine Resteintauchtiefe zwischen die Sender-Elektroden 47 und die Empfänger-Elektroden 48 aufweisen, das heißt nie vollständig austauchen. Hierdurch wird der differenzielle Sensorbetrieb über den vollständigen Verkippungsbereich gewährleistet. Andererseits ist die Eintauchtiefe der Sensor-Wandlerspiegelelektrode 45 derart gewählt, dass es auch in der maximal verkippten Verschwenkposition des Einzelspiegels 20 nicht zu einer Kollision derselben mit dem Substrat 39 kommt.
Zur Messung der Kapazität zwischen der Sender-Elektrode 47 und der Empfänger-Elektrode 48 der Sensor-Wandlerstatorelektroden 44; wird an die Sender-Elektrode 47 eine elektrische Spannung, insbesondere eine Sensor-Spannung Us angelegt. Als Sensor-Spannung Us dient insbesondere eine Wechselspannung.
Die Sensor-Einrichtung 41 ist insbesondere sensitiv im Hinblick auf die Eintauchtiefe der Kammfinger 46 zwischen benachbarten Kammfingern der Sensor-Wandlerstatorelektroden 44; (6).
Die Sensor-Einrichtung 41 ist insbesondere insensitiv gegenüber einer reinen Verschwenkung des Kammfingers 46 relativ zu der Sender-Elektrode 47 und der Empfänger-Elektrode 48 (7).
Die Sensor-Einrichtung 41 ist insbesondere insensitiv gegenüber einer lateralen Verschiebung des Abschirm-Elements, welche den Abstand desselben zur Sender-Elektrode 47 und zur Empfänger-Elektrode 48 ändert, die Eintauchtiefe des Kammfingers 46 zwischen den benachbarten Sender- und Empfänger-Elektroden 47, 48 jedoch unverändert lässt.
Im Folgenden werden weitere Details die Sensoreinrichtung näher beschrieben.
Die Sensor-Wandlerstatorelektroden 44i sind vorzugsweise innerhalb des Rings der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; angeordnet. In diesem Bereich sind die absoluten Bewegungen der Kammfinger 46 in Richtung parallel zur Flächennormalen 36 geringer als außerhalb des Rings der Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37i. Der absolute Bewegungsumfang hängt mit dem Abstand zum effektiven Schwenkpunkt 37 zusammen.
Bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsformen stehen die Sensor-Wandlerstatorelektroden 44; in Radialrichtung nach innen über die innere Einhüllende der Aktuator-Wandlerstatorelektroden 37; hinaus. Es ist auch möglich, die Sensor-Wandlerstatorelektroden 44; derart auszubilden, dass sie nicht über die innere Einhüllende der Aktuator-Wandlerstatorelektroden 37; hinausstehen.
Die Sensor-Wandlerstatorelektroden 44i sind radial relativ zum effektiven Schwenkpunkt 35 ausgebildet und angeordnet. Sie weisen insbesondere in Radialrichtung verlaufenden Kammfinger auf. Hierdurch wird die Sensitivität in Bezug auf eine mögliche thermische Ausdehnung des Einzelspiegels 20 verringert.
Wie bereits vorhergehend erläutert wurde, weist die Sensor-Einrichtung 41 konstruktionsbedingt höchstens eine minimale Sensitivität im Hinblick auf parasitäre Bewegungen des Einzelspiegels 20, insbesondere im Hinblick auf Verlagerungen senkrecht zur Flächennormalen 36 und/oder Rotationen um die Flächennormale 36 auf. Aufgrund des Abschirm-Prinzips der Sensor-Einrichtung 41 weist diese auch höchstens eine minimale Sensitivität im Hinblick auf eine mögliche thermische Ausdehnung des Einzelspiegels 20 auf. Des weiteren weißt das Sensorprinzip eine minimale Sensitivität hinsichtlich thermischer Verbiegung des Spiegels auf.
Jeweils zwei einander bezüglich des effektiven Schwenkpunkts 35 gegenüberliegende Sensor-Einheiten mit jeweils einer Sender-Elektrode 47 und einer Empfänger-Elektrode 48 sind differenziell verschaltet oder zumindest differenziell auslesbar. Dies ermöglicht es, Störungen der Messung der Position des Spiegels 20, insbesondere aufgrund von Eigenmoden des Einzelspiegels 20, zu eliminieren.
Die aktiven Bestandteile der Sensor-Einrichtung 41 sind auf dem Substrat 39 angeordnet. Dies ermöglicht es, den Kippwinkel des Einzelspiegels 20 direkt relativ zum Substrat 39 zu messen. Außerdem kann aufgrund der Anordnung Sender-Elektroden 47 und der Empfänger-Elektroden 48 auf dem Substrat 39 die Länge der Signalleitung und/oder der Versorgungsleitungen reduziert, insbesondere minimiert, werden. Hierdurch werden mögliche Störeinflüsse verringert. Hierdurch werden konstante Betriebsbedingungen sichergestellt.
Die Sender-Elektroden 47 können jeweils als aktive Abschirmung, insbesondere als Abschirm-Ring um die Empfänger-Elektroden 48 herum ausgebildet sein. Hierdurch wird ein kapazitives Übersprechen zwischen den Aktuator-Wandler-Statorelektroden 37; und der Sensor-Einrichtung 41 verringert, insbesondere minimiert, insbesondere verhindert.
Das Gelenk 32 ist insbesondere als kardanisches Festkörpergelenk ausgebildet.
Gemäß einer Variante ist das Gelenk 32 als Torsionsfederelement-Struktur ausgebildet. Es kann insbesondere zwei Torsionsfedern 50, 51 umfassen. Die beiden Torsionsfedern 50, 51 sind einteilig ausgebildet. Sie sind insbesondere senkrecht zueinander ausgerichtet und bilden eine kreuzförmige Struktur 49.
Die eine Torsionsfeder 50 erstreckt sich in Richtung der Kippachse 33. Die Torsionsfeder 50 ist mechanisch mit dem Substrat 39 verbunden. Zur Verbindung der Torsionsfeder 50 mit dem Substrat 39 dienen Verbindungsblöcke 52. Die Verbindungsblöcke 52 sind jeweils quaderförmig ausgebildet. Sie können auch zylinderförmig, insbesondere kreiszylinderförmig ausgebildet sein. Andere geometrische Formen sind ebenso möglich.
Die Verbindungsblöcke 52 sind jeweils in einem Endbereich der Torsionsfeder 50 angeordnet.
Die Verbindungsblöcke 52 dienen außer der Verbindung des Gelenks 32 mit dem Substrat 39 auch als Distanzstücke zwischen der Torsionsfeder 50 und dem Substrat 39.
Entsprechend der Verbindung der Torsionsfeder 50 mit dem Substrat 39 ist die Torsionsfeder 51 mit dem Spiegelkörper 27 des Einzelspiegels 20 mechanisch verbunden. Hierfür sind Verbindungsblöcke 53 vorgesehen. Die Verbindungsblöcke 53 entsprechen in ihrer Ausbildung den Verbindungsblöcken 52. Die Verbindungsblöcke 53 sind jeweils in einem Endbereich der Torsionsfeder 51 angeordnet.
Die Verbindungsblöcke 53 und die Verbindungsblöcken 52 sind in Richtung der Flächennormalen 36 auf entgegengesetzten Seiten der kreuzförmigen Struktur 49 angeordnet.
Die Torsionsfedern 50, 51 des Gelenks 32 weisen in dem an den Mittenbereich anschließenden Bereich der Schenkel der kreuzförmigen Struktur 49 ein T-förmiges Profil auf. Die Torsionsfedern 50, 51 sind hierdurch versteift, insbesondere in Bezug auf Auslenkungen in Richtung der Flächennormalen 36. Hierdurch wird erreicht, dass die Eigenfrequenz des Spiegels 20 in Vertikalrichtung zu hohen Frequenzen hin verschoben und somit eine Modenseperation der geregelten Kippmoden und der parasitären vertikalen Schwingungsmode von mehr als einer Dekade im Frequenzraum erreicht wird, was regelungstechnisch vorteilhaft ist. Außerdem kann durch das kreuzförmige Versteifungselement die Wärmeleitfähigkeit des Gelenks 32 vergrößert werden.
Prinzipiell ist es möglich, ein entsprechendes Versteifungselement auch auf der gegenüberliegenden Seite der kreuzförmigen Struktur 49 anzuordnen. In diesem Fall weisen die Schenkel der Torsionsfedern 50, 51 einen kreuzförmigen Querschnitt auf.
Das Gelenk 32 ist steif im Hinblick auf Drehungen um die Flächennormale 36. Das Gelenk 32 ist steif im Hinblick auf lineare Verlagerung in Richtung der Flächennormalen 36. Steif bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Eigenfrequenz der Rotationsschwingungen um die Flächennormale 36 beziehungsweise die Eigenfrequenz der Schwingungen in Richtung der Flächennormalen um mehr als eine Frequenzdekade oberhalb der aktuierten Moden liegt. Die aktuierten Kippmoden des Einzelspiegels liegen insbesondere bei Frequenzen unterhalb von 1 kHz, insbesondere unterhalb von 600 Hz. Die Eigenfrequenz der Rotationsschwingungen um die Flächennormale 36 liegt bei mehr als 10 kHz, insbesondere mehr als 30 kHz.
Das Gelenk 32 hat eine bekannte Flexibilität im Hinblick auf Verschwenkungen um die beiden Kippachsen 33, 34. Die Steifigkeit des Gelenks 32 im Hinblick auf Verschwenkungen um die Kippachsen 33, 34 kann durch eine gezielte Ausbildung der Torsionsfedern 50, 51 beeinflusst werden.
Das Gelenk 32, insbesondere die Verbindungsblöcke 52, 53 sowie die Torsionsfedern 50, 51 dienen der Wärmeabfuhr aus dem Spiegelkörper 27. Die Bestandteile des Gelenks 32 bilden Wärmeleitungsabschnitte.
Das Gelenk 32 inklusive der Verbindungsblöcke 52, 53 hat mehrere Funktionen. Erstens: Fesselung der nicht aktuierten Freiheitsgrade, zweitens, Wärmetransport von Spiegel 20 zur Grundplatte 39 und drittens die elektrische Verbindung des Spiegels 20 zur Grundplatte 39. Der Zweck der Blöcke 52, 53 ist primär Platz zu schaffen für die Vertikalbewegung des Gelenkelements. Natürlich müssen dann die Blöcke 52, 53 ebenso die mechanischen, thermischen und elektrischen Funktionen der Federn 50, 51 weitergeben.
Die Torsionsfedern 50, 51 sind aus einem Material mit einem Wärmeleitkoeffizienten von mindestens 50 W/(mK), insbesondere mindestens 100 W/(mK), insbesondere mindestens 140 W/(mK).
Die Torsionsfedern 50, 51 können aus Silizium oder einer Silizium-Verbindung sein. Das Gelenk 32 ist bevorzugt aus hochdotiertem monokristallinem Silizium hergestellt. Dies eröffnet eine Prozesskompatibilität des Herstellungsprozesses mit etablierten MEMS-Fertigungsprozessen. Außerdem führt dies zu einer vorteilhaft hohen thermischen Leitfähigkeit und einer guten elektrischen Leitfähigkeit.
Bei einer absorbierten Leistungsdichte im Bereich von 5 kW/(m²) bis 20 kW/m², beispielsweise 10 kW/m², und einer Spiegelgröße von 600 µm x 600 µm ergibt sich mit den angegebenen Werten der Abmessungen, insbesondere mit einer Dicke der Torsionsfedern 50, 51 von 4 µm, und der Wärmeleitfähigkeit der Torsionsfedern 50, 51 ein Temperaturunterschied zwischen dem Spiegelkörper 27 und dem Substrat 39 von etwa 11 K.
Die Torsionsfedern 50, 51 können auch eine geringere Dicke aufweisen. Bei einer Dicke der Torsionsfedern 50, 51 von 2,4 µm ergibt sich - bei ansonsten gleichen Parameterwerten - ein Temperaturunterschied zwischen dem Spiegelkörper 27 und dem Substrat 39 von 37 K.
Bei einer Variante des Gelenks 32 sind anstelle der Torsionsfedern 50, 51 zwei Paare von Biegefedern vorgesehen. Auch bei dieser Alternative weist das Gelenk 32 eine große Steifigkeit in den horizontalen Freiheitsgraden auf. Diesbezüglich wird auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen.
Die Designaspekte im Hinblick auf die Horizontalsteifigkeit sowie im Hinblick auf die Modenseparation der parasitären Eigenmoden entsprechen ebenfalls den vorhergehend beschriebenen.
Bei einer Variante des Gelenks 32 handelt es sich um ein kardanisches Festkörpergelenk mit orthogonal angeordneten, horizontalen, als Blattfedern ausgeführten Biegefedern. Jeweils zwei der Biegefedern sind mittels einer plattenförmigen Struktur, welche auch als Zwischenplatte bezeichnet wird, miteinander verbunden.
Horizontale Blattfedern sind prozesstechnisch günstig. Sie erleichtern insbesondere die Herstellung des Gelenks 32.
Bei dieser Variante können die Verbindungsblöcke 52, 53 jeweils länglich, stabförmig ausgebildet sein. Sie können sich im Wesentlichen über die gesamte Ausdehnung des Gelenks 32 in Richtung der Kippachsen 33, 34 erstrecken.
Zwischen zwei der Verbindungsblöcke 52, 53 kann jeweils ein Trennschlitz vorgesehen sein. Das Gelenk 32 ist somit zweiteilig ausgebildet.
Das Gelenk 32 ist vorzugsweise achsensymmetrisch zur Flächennormalen 36 ausgebildet. Es weist somit eine zweizählige Drehsymmetrie auf. Insbesondere die Biegefedern können jeweils spiegelsymmetrisch zur Flächennormalen 36 ausgebildet sein.
Bei einer ist das Versteifungselement 55 in Form von zwei plattenförmigen Strukturen ausgebildet. Die plattenförmigen Strukturen können insbesondere parallel zu der durch die Schwenkachsen 33, 34 definierten Ebene angeordnet sein. Die plattenförmigen Strukturen verbinden die durch die Biegefedern realisierten Schwenkachsen 33, 34. Die Schwenkachsen 33, 34 sind insbesondere orthogonal zueinander ausgerichtet.
Im Folgenden werden weitere Details der Einzelspiegel 20, insbesondere deren Verlagerungs-Einrichtung 31 (Aktuator-Einrichtung) und der Sensor-Einrichtung 41 beschrieben.
Die nachfolgend beschriebenen Details können entsprechend auch bei den vorhergehenden beschriebenen Ausführungsformen verwirklicht sein und/oder mit Details derselben kombiniert werden. Bezüglich im Nachfolgenden nicht im einzelnen beschriebener Details sei insbesondere auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen.
Bei den Einzelspiegeln 20 und bei dem Spiegel-Array 19 handelt es sich insbesondere um ein Mikrospiegel-Array. Es handelt sich insbesondere um ein mikroelektromechanisches System (MEMS).
Die Einzelspiegel 20, besondere das Spiegel-Array19, kann ein Bestandteil des Feldfacettenspiegels 13 oder des Pupillenfacettenspiegels 14 bilden.
Der Feldfacettenspiegel 13 und/oder der Pupillenfacettenspiegel 14 können jeweils eine Mehrzahl derartiger Spiegel-Arrays 19 aufweisen. Sie können insbesondere mehrere 100 derartiger Spiegel-Arrays aufweisen.
Die Reflexionsfläche 26 der Einzelspiegel 20 kann wie vorhergehend beschrieben quadratisch sein. Sie kann auch eine Form aufweisen, welche näher an einer Kreisform ist. Die Reflexionsfläche 26 kann insbesondere hexagonal, insbesondere als regelmäßiges Sechseck, ausgebildet sein. Hierdurch können richtungsabhängige Unterschiede bei der Verkippung der Einzelspiegel 20 reduziert werden. Außerdem kann hierdurch das Umfang zu Flächen-Verhältnis reduziert werden. Dies kann zu einem erhöhten FüllFaktor führen. Insgesamt kann das mechatronische Verhalten der Einzelspiegel 20 dadurch verbessert werden.
Die Einzelspiegel 20 können eine Verlagerungsgenauigkeit von mindestens 50 µrad aufweisen.
Wie in der 4 exemplarisch dargestellt ist, können die Kammfinger der Verlagerungs-Einrichtung 31 und/oder der Sensor-Einrichtung 41 jeweils in einem ringförmigen Bereich 61, 62 angeordnet sein.
Die ringförmigen Bereiche 61, 62 können konzentrisch zueinander, insbesondere konzentrisch zur Flächennormalen 36, angeordnet sein.
Wie insbesondere in den 5 bis 7 exemplarisch dargestellt ist, kann die Reflexionsfläche 26 hexagonal ausgebildet sein. Dies führt zu einer etwa 15 % Reduzierung des Abstandes zwischen dem Zentrum (effektiver Schwenkpunkt 35) des Einzelspiegels 20 und der am weitesten hiervon entfernten Ecke des Einzelspiegels 20 im Vergleich zu einer quadratischen Ausbildung der Reflexionsfläche 26 gleicher Fläche. Ein geringerer Abstand führt zu einer geringeren seitlichen Verlagerung des Einzelspiegels 20 bei einer Verschwenkung. Dies führt wiederum dazu, dass der Abstand zwischen benachbarten Einzelspiegeln 20 reduziert werden kann, was einen höheren Füllfaktor und damit eine höhere Transmission zur Folge hat.
Ein hexagonaler Einzelspiegel 20 führt außerdem zu einem um etwa 5 % reduzierten Umfang im Vergleich zu einem quadratischen Einzelspiegel 20 gleicher Fläche. Auch dies führt zu einem höheren Füllfaktor und damit zu einer höheren Transmission.
Außerdem können bei einem hexagonalen Einzelspiegel 20 die Höhen der Kammfinger 38, 43 reduziert werden. Aufgrund des geringeren Abstands vom Schwenkpunkt 35 zu den Ecken des Einzelspiegels 20 kommt es zu einer verringerten vertikalen Verlagerung des Einzelspiegels 20 bei einer Verschwenkung.
Bei hexagonalem Spiegel können die Ecken besser mit radialen Kammstrukturen abgedeckt werden. Dies führt zu einer verbesserten Nutzung der Fläche hinter dem Einzelspiegel 20 für die Aktuaktorik. Im Ergebnis kann bei gleicher Fläche eine höhere Kraft beziehungsweise ein höheres Drehmoment erzeugt werden.
Aufgrund einer vergrößerten verbleibenden Lücke zwischen den längsten Kammfingern können richtungsabhängige Parasitär-Bewegungen reduziert werden.
Die Lücke zwischen Kammfingern kann reduziert werden. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Anzahl der Kammfinger je Flächeneinheit vergrößert werden kann. Auch hierdurch kann die erzeugbare Kraft/das erzeugbaren Drehmoment vergrößert werden. Dies führt dazu, dass das Gelenk 32 steifer ausgebildet werden kann. Dies ermöglicht eine bessere Wärmeleitfähigkeit des Gelenks 32.
Im Falle einer dreizähligen Rotationssymmetrie der Verlagerung-Einrichtung 31 kann die Fläche der Frontend-Aktuatoren-Treiber im Vergleich zu der für eine vierzählige Symmetrie vergrößert werden. Hierdurch kann die Kraft und das Drehmoment vergrößert werden, insbesondere um einen Faktor von fast 2.
Die hexagonale x-y-Asymmetrie passt gut zum elliptischen Verlagerungsbereich.
Wie in der 5 exemplarisch dargestellt ist, kann die Verlagerungs-Einrichtung 31 eine dreizählige Rotationssymmetrie mit 3 Aktuatorbereichen A1, A2, A3 aufweisen.
Die Sensor-Einrichtung 41 kann eine vierzählige Rotationssymmetrie mit vier Sensorbereichen S1, S2, S3, S4 aufweisen.
Allgemein können die Verlagerungs-Einrichtung 31 und die Sensor-Einrichtung 41 unterschiedliche, insbesondere unterschiedlich-zählige Rotationssymmetrien aufweisen.
Die Symmetrieeigenschaften der Verlagerungs-Einrichtung 31 können insbesondere an die Symmetrieeigenschaften der Reflexionsfläche 26 angepasst sein. Die Rotationssymmetrien der Reflexionsfläche 26 und der Verlagerungs-Einrichtung 31 können insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches voneinander sein.
Die Sensor-Einrichtung 41 kann insbesondere eine Rotationssymmetrie aufweisen, welche an die Rotationssymmetrie-Eigenschaften des Objektfeldes 5 angepasst ist. Die Sensor-Einrichtung 41 kann insbesondere eine zweizählige oder eine vierzählige Rotationssymmetrie aufweisen.
Die Sensor-Einrichtung 41 kann insbesondere eine Rotationssymmetrie aufweisen, deren Zähligkeit an die das Gelenks 32 angepasst ist, insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches der Zähligkeit der Rotationssymmetrie des Gelenks 32 ist.
Die Sensor-Einrichtung 41 und das Gelenk 32 können insbesondere Rotationssymmetrien mit identischer Zähligkeit aufweisen.
In der in 6 schematisch dargestellten Variante weist die Verlagerungs-Einrichtung 31 eine vierzählige Rotationssymmetrie auf. Die Verlagerungs-Einrichtung 31 weist insbesondere vier Aktuator-Bereiche A1 bis A4 auf.
Die Sensor-Einrichtung 41 weist eine vierzählige Rotationssymmetrie auf. Die Reflexionsfläche 26 weist eine sechszählige Rotationssymmetrie auf.
Bei der in der 7 schematisch dargestellten Variante weist die Verlagerungs-Einrichtung 31 ebenso wie die Reflexionsfläche 26 eine sechszählige Rotationssymmetrie auf. Die Verlagerungs-Einrichtung 31 weist insbesondere sechs Aktuator-Bereiche A1 bis A6 auf.
Die Sensor-Einrichtung 41 weist eine vierzählige Rotationssymmetrie auf. Das Gelenk 32 weist ebenso wie bei den Varianten gemäß den 5 und 6 eine zweizählige Radiärsymmetrie auf.
Es konnte gezeigt werden, dass eine Verschwenkung des Einzelspiegels 20 bei einer hexagonalen Reflexionsfläche 26 entsprechend einer der in den 5 bis 7 dargestellten Varianten um 120 mrad bei gleicher Größe der Reflexionsfläche 26 zu einer um etwa 10 µm reduzierten vertikalen Verlagerung des Spiegelkörpers 27 führt im Vergleich zu einem Einzelspiegel 20 mit einer quadratischen Reflexionsfläche 26 gleicher Fläche von 1 mm².
Dies führt dazu, dass der Abstand zwischen dem Spiegelkörpers 27 und dem Substrat 39 reduziert werden kann. Der Spiegelkörpers 27 kann somit näher zum Zentrum der Verschwenkung angeordnet werden. Dies führt zu einer Verringerung der parasitären Auslenkung des Spiegelkörpers 27 bei einer Verschwenkung. Eine Reduzierung der parasitären Auslenkung des Spiegelkörpers 27 kann wiederum dahingehend ausgenutzt werden, dass der Abstand zwischen benachbarten Spiegeln und/oder der Abstand zwischen benachbarten Aktuatorfingern reduziert werden kann. Durch Letzteres lässt sich die erzeugbare Kraft und das erzeugbare Drehmoment vergrößern. Dies wiederum erlaubt den Einsatz steiferer Federn für das Gelenk 32, was zu einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit führt.
Weiter konnte gezeigt werden, dass die verbleibende Lücke zwischen benachbarten Kammfingern bei einer maximalen Verschwenkung des Einzelspiegels 20 im Falle von hexagonalen Reflexionsflächen 26 um über 10 % größer ist als bei quadratischen Reflexionsflächen 26 (Reflexionsfläche: 1 mm²; Verschwenkung 120 mrad).
Bei einer hexagonalen Reflexionsfläche 26 kann die Höhe der Kammfinger um etwa 10 % reduziert werden. Aufgrund der verringerten vertikalen Verlagerung der Kammfinger relativ zum Schwenkpunkt 35 kommt es auch zu einer geringeren seitlichen Verlagerung der Spiegelkörpers 27, insbesondere deren Ecken und Kanten. Daher kann der Abstand zwischen benachbarten Reflexionsflächen 26 reduziert werden und damit der Füllfaktor und die Transmission vergrößert werden.
Weiter konnte gezeigt werden, dass der Abstand zwischen benachbarten Reflexionsflächen 26 beziehungsweise Spiegelkörpern 27 bei einer hexagonalen Ausbildung derselben um etwa 7 % im Vergleich zu quadratischen Spiegeln reduziert werden konnte. Der Füllfaktor konnte um mehr als 1 % gesteigert werden.
Wie in der 8 schematisch dargestellt ist, kann eine Mehrzahl von Einzelspiegeln 20 mit hexagonalen Reflexionsflächen 26 zu einem Spiegelmodul 65 zusammengefasst werden. Das Spiegelmodul 65 kann einen gezackten Rand 66 aufweisen. Der Rand 66 des Spiegelmoduls 65 kann abschnittsweise der Behandlung der äußeren Einzelspiegel 20 folgen.
Vorzugsweise werden die Einzelspiegel 20 derart in der Beleuchtungsoptik 4 angeordnet, dass ihre Begrenzungskanten bei der Abbildung der Einzelspiegel 20 ins Objektfeld 5 einen Winkel von mindestens 10°, insbesondere mindestens 20°, insbesondere mindestens 30° mit der Scanrichtung einschließen. Sie können insbesondere derart angeordnet sein, dass das Bild ihrer Begrenzungskanten folgende Winkel mit der Scanrichtung einschließt: (90°, 30°, -30°).
Wie in der 9 exemplarisch dargestellt ist, kann das Spiegelmodul 65 auch einen glatten Rand 66 aufweisen. Dies erleichtert die Herstellung der Spiegel-Arrays 19. Die Spiegelmodule 65 können insbesondere sehr einfach aus größeren Arrays ausgesägt werden.
Wie exemplarisch in den 10 und 11 dargestellt ist, können die Spiegelmodule 65 auch im Wesentlichen viereckig, insbesondere rechteckig oder parallelogrammförmig (nicht-rechteckig) ausgebildet sein. Sie können auch in diesem Fall einen gezackten Rand 66 (siehe 10) oder einen glatten Rand 66 (siehe 11) aufweisen.
Wie in der 12 exemplarisch dargestellt ist, können mehrere Spiegelmodule 65 im Wesentlichen lückenlos aneinandergesetzt werden.
Vorzugsweise weisen die Spiegelmodule 65 selbst jeweils eine Form auf, welche eine Parkettierung, insbesondere eine monohedrale Parkettierung, der Ebene ermöglichen.
Spiegelmodule 65 mit glattem Rand 66 führen zu einer besonders einfachen Anordnung der Spiegelmodule 65 relativ zueinander.
Spiegelmodule 65 mit einem gezackten Rand 66 ermöglichen einen größeren Füllfaktor.
Wie in der 13 exemplarisch dargestellt ist kann ein Spiegelmodul 65 331 hexagonale Einzelspiegel 20 umfassen. Die Einzelspiegel 20 können in 11 Ringen angeordnet sein. Die Anordnung der einzelnen Spiegel 20 und ihr wechselseitiger Abstand kann bei einer geeigneten Anordnung der Spiegelmodule 65 über die Ränder der einzelnen Spiegelmodule 65 hinweg fortgesetzt werden. Hierbei kann eine Lücke einer Breite von einem Einzelspiegel 20 zwischen benachbarten Spiegelmodulen 65 verbleiben.
Wie in der 14 exemplarisch dargestellt ist, können die Verluste aufgrund aneinanderstoßender Spiegelmodule 65 bei einer gezackten Ausbildung der Ränder 66 weiter reduziert werden. Dies ermöglicht einen höheren Füllfaktor.
Zum Schneiden von Spiegelmodulen 65 mit einem gezackten Rand 66 kann beispielsweise ein Laser-Schneidverfahren verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015204874 A1 [0002]
WO 2010049076 A [0058]
WO 2016146541 A1 [0058]
EP 1225481 A2 [0062]
WO 2012130768 A2 [0071]
DE 102013206529 A1 [0077]

Claims

Einzelspiegel (20) eines Facettenspiegels (13, 14) einer Beleuchtungsoptik (4) einer Projektionsbelichtungsanlage (1) 1.1. mit einer Reflexionsfläche (26) mit einer Flächennormalen (36), 1.2. mit einer Lagerung, welche eine Verschwenkung der Flächennormalen (36) des Einzelspiegels (20) ermöglicht, 1.3. mit einer Aktuator-Einrichtung (31) zur Verschwenkung des Einzelspiegels (20) und 1.4. mit einer Sensor-Einrichtung (41) zur Erfassung der Verschwenkposition des Einzelspiegels (20), 1.5. dadurch gekennzeichnet, dass 1.5.1. die Sensor-Einrichtung (41) und die Aktuator-Einrichtung (31) Rotationssymmetrien mit unterschiedlichen Zähligkeiten aufweisen und/oder 1.5.2. die Sensor-Einrichtung (41) und die Reflexionsfläche (26) oder ein Substrat, auf welchem die Reflexionsfläche ausgebildet ist, Rotationssymmetrien mit unterschiedlichen Zähligkeiten aufweisen.
Einzelspiegel (20) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsfläche (26) hexagonal ausgebildet ist.
Einzelspiegel (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuator-Einrichtung (31) eine 3-zählige oder eine 6-zählige Rotationssymmetrie aufweist.
Einzelspiegel (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-Einrichtung (41) eine 2-zählige oder eine 4-zählige Rotationssymmetrie aufweist.
Einzelspiegel (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung ein Kardangelenk (32) mit zwei quer zur Flächennormalen verlaufende Schwenkachsen (33, 34) aufweist.
Einzelspiegel (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuator-Einrichtung (31) und/oder die Sensor-Einrichtung (41) eine Mehrzahl von Kammelektroden mit radial zur Flächennormalen der Reflexionsfläche (26) des Einzelspiegels (20) verlaufenden Kammfingern aufweist.
Facettenmodul () für einen Facettenspiegel (13, 14) einer Beleuchtungsoptik (4) einer Projektionsbelichtungsanlage (1) aufweisend 7.1. eine Mehrzahl von Einzelspiegeln (20) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 7.2. wobei die Einzelspiegel (20) nach Art einer regelmäßigen Parkettierung angeordnet sind.
Facettenmodul gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es derart ausgebildet ist, dass es eine Kachel zur monohedralen regelmäßigen Parkettierung einer Ebene bildet.
Facettenmodul gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einem Verschwenkbarkeitsbereich der Einzelspiegel von mindestens 120 mrad um jede der Schwenkachsen (33, 34) einen Füllfaktor von mindestens 91% aufweist.
Feldfacettenspiegel (13) für eine Beleuchtungsoptik (4) einer Projektionsbelichtungsanlage (1) mit einer Mehrzahl von Einzelspiegeln (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder einer Mehrzahl von Facettenmodulen gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9.
Beleuchtungsoptik (4) für eine Projektionsbelichtungsanlage (1) mit 11.1. einem Feldfacettenspiegel (13) gemäß Anspruch 1 und 6 11.2. einem Pupillenfacettenspiegel (14), mittels welchem Feldfacetten in ein Objektfeld (5) abgebildet werden können.
Beleuchtungsoptik (4) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Facettenmodule des Feldfacettenspiegels (13) derart angeordnet sind, dass die Randkonturen der Einzelspiegel (20) bei einer Abbildung ins Objektfeld (4) einen Winkel mit einer Scanrichtung von mindestens 10° einschließen.
Beleuchtungssystem (2) für eine Projektionsbelichtungsanlage (1) aufweisend 13.1. eine Beleuchtungsoptik (4) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 12 und 13.2. eine Strahlungsquelle (3) zur Erzeugung von Beleuchtungsstrahlung (10).
Projektionsbelichtungsanlage (1) für die Mikrolithographie aufweisend 14.1. eine Beleuchtungsoptik (4) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 12, 14.2. eine Strahlungsquelle (3) zur Erzeugung von Beleuchtungsstrahlung (10) und 14.3. eine Projektionsoptik (7) zur Abbildung eines im Objektfeld (5) angeordneten Retikels in ein Bildfeld (8).
Verfahren zur Herstellung eines mikro- oder nanostrukturierten Bauelements umfassend die folgenden Schritte: 15.1. Bereitstellen einer Projektionsbelichtungsanlage (1) gemäß Anspruch 14, 15.2. Anordnen eines Retikels mit abzubildenden Strukturen im Objektfeld (5), 15.3. Abbilden des Retikels auf eine strahlungsempfindliche Schicht eines im Bildfeld (8) angeordneten Wafers.