DE102006060088A1

DE102006060088A1 - Optische Baugruppe und optische Komponente

Info

Publication number: DE102006060088A1
Application number: DE200610060088
Authority: DE
Inventors: Knut Hage; Dirk Dr. Schaffer
Original assignee: Carl Zeiss SMS GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2008-06-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Komponente (1), die ein um eine optische Achse rotationssymmetrisches optisches Element, welches einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur optischen Achse aufweist, umfasst, sowie eine rotationssymmetrische Halterung (3) zur Aufnahme des optischen Elementes, wobei Halterung (3) und optisches Element an mindestens drei Verbindungspunkten (4) über Verbindungsmittel verbunden sind. Bei einer solchen optischen Komponente weist die Halterung (3) an den Verbindungspunkten (4) Stege (5) auf, die tangential am Umfang des optischen Elements liegen und radial federnd ausgebildet sind. Die Erfindung betrifft außerdem eine optische Baugruppe, die eine rotationssymmetrische Fassung sowie eine rotationssymmetrische Fassungshalterung umfasst, wobei die Fassungshalterung mindestens ein erstes und ein zweites Fassungshalterungsteil aufweist. Das erste Fassungshalterungsteil umschließt die Fassung an ihrem Umfang, erstes und zweites Fassungshalterungsteil sind an mindestens drei Kontaktstellen verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Komponente für eine optische Baugruppe, umfassend ein um eine optische Achse rotationssymmetrisches optisches Element, welches einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur optischen Achse aufweist, eine rotationssymmetrische Halterung zur Aufnahme des optischen Elements, wobei Halterung und optisches Element an mindestens drei Verbindungspunkten über Verbindungsmittel verbunden sind. Die Erfindung betrifft auch eine optische Baugruppe zur Aufnahme einer oder mehrerer solcher Komponenten und bezieht sich auf das Problem einer spannungsfreien Lagerung.
Im Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen bekannt, um Linsen spannungsarm zu lagern. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn eine genaue Ausrichtung der optischen Achse – wie beispielsweise in der Photolithograpie und bei der Qualitätsprüfung von Photolithographiemasken – notwendig ist. Üblicherweise werden die optischen Baugruppen, die eine oder mehrere Linsen umfassen, senkrecht gelagert, d.h. im wesentlichen parallel zur Erdbeschleunigung, um Spannungen und Abweichungen, die durch die Gravitationskraft auftreten können, von vornherein auszuschließen.
In der EP 1 094 348 wird beispielsweise ein elastischer Linsenträger beschrieben. Mit diesem ist eine elastische Klemmung der Linse möglich, die besonders für Temperatur- und Stoßbelastungen geeignet ist. Die Fassung weist mehrere Segmente auf, die in eine Ringnut am Randzylinder des optischen Elements, der Linse, eingreifen. Die Segmente sind vorgespannt, um das Gewicht der Linse form- und kraftschlüssig zu halten. Werden jedoch höchste Genauigkeiten gefordert, so können durch diese Vorspannungen entstehende Verspannungen schon über die akzeptablen Toleranzen hinausgehen. Gegenüber der üblichen Klebung von Linsen in den Fassungen führt der Verzicht auf eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Segmenten und der Linse dazu, daß die optische Achse in ihrer Position nicht gegen Radialkräfte gesichert ist und Stick-Slip-Effekte, d.h. Ruck-Gleit-Effekte, Verlagerungen bewirken können.
Bei neueren Anwendungen in der Photolithographie, bei der die Masken mit einer Wellenlänge von 193 nm erzeugt und kontrolliert werden, sind zur Überprüfung der Maskenstrukturen Genauigkeiten von weniger als 0,5 nm erforderlich. Die optische Achse des Linsensystems, mit dem die Photolithographiemaske, die untersucht wird, ggf. im Auflicht beleuchtet wird, und durch die Licht von der Maske auf einen Detektor abgebildet wird, muß daher höchst präzise vor Einflüssen durch Verspannungen, die durch Temperaturschwankungen auftreten können, geschützt werden. Die vorangehend beschriebene Linsenhalterung ist dazu jedoch nicht in der Lage.
Eine andere Möglichkeit der Linsenhalterung wird in der US 6,859,337 beschrieben. Dort wird eine spannungsreduzierte Hochleistungsfassung mit spannungsentkoppelter Dreipunktlagerung offenbart. An jedem der Punkte ist die Linse mit einem zentralen Verbindungselement gekoppelt, das wiederum mit einer Fassung verbunden ist. An den Verbindungspunkten ist die Linse mit den Verbindungselementen durch Adhäsion verbunden. Die Verbindungsmittel selbst sind mehrteilig aufgebaut, sie gestatten eine radiale und eine tangentiale Verkippung der Linse. Sie sind ausschließlich in axialer Richtung, d.h. parallel zur Schwerkraft, steif. Der Aufbau dieser Hochleistungsfassung ist sehr aufwendig, die tangentiale Flexibilität kann sich darüber hinaus ungünstig auf die exakte Positionierung der optischen Achse mit der geforderten Genauigkeit auswirken.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, optische Komponenten und optische Baugruppen, die die optischen Komponenten aufnehmen können, zu entwickeln, welche zum einen möglichst einfach aufgebaut sein sollen, zum anderen aber eine hohe radiale Flexibilität in Verbindung mit hoher Positionskonstanz aufweisen sollen, um Temperaturschwankungen kompensieren zu können, sowie tangential und axial steif sind um eine möglichst genaue Positionierung und eine hohe Stabilität der Position zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Baugruppe gelöst, die eine rotationssymmetrische Fassung mit im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt zur Aufnahme von optischen Komponenten umfaßt, sowie eine rotationssymmetrische Fassungshalterung zur Aufnahme der Fassung, wobei die Fassungshalterung mindestens ein erstes und ein zweites Fassungshalterungsteil aufweist und das erste Fassungshalterungsteil die Fassung an ihrem Umfang umschließt, wobei erstes und zweites Fassungshalterungsteil an mindestens drei Kontaktstellen verbunden sind.
Zunächst wird sicherer Halt gewährleistet, indem das erste Fassungshalterungsteil die Fassung selbst an ihrem Umfang umschließt. Die Fassung selbst nimmt mehrere optische Komponenten auf, in axialer Richtung wird sie daher in der Regel länger sein als die Fassungshalterung. Indem die Fassungshalterung aus zwei Teilen aufgebaut ist, die nur an wenigen Kontaktstellen gekoppelt sind, lassen sich Ausdehnungen der Fassung infolge von Temperaturschwankungen gut kompensieren. Bei drei Kontaktstellen liegen diese auf den Umfang bezogen in einem Abstand von jeweils 120° zum nächsten Nachbarn am Umfang verteilt. Sind die drei Kontaktstellen z.B. nach Art eines Scharniers ausgebildet, so kann eine Wärmeausdehnung der Fassung kompensiert werden, indem sich das erste Fassungshalterungsteil gegenüber dem zweiten Fassungshalterungsteil entlang dieser Scharniere ausdehnt. Die Fassung selbst sowie die darin enthaltenen optischen Komponenten bleiben auf diese Weise spannungsfrei. Auch Anpassungen der Fassungshalterung an Fassungen mit nicht kreisförmigen Querschnitten sind denkbar. Die optische Baugruppe aus Fassungshalterung und Fassung ist – trotz symmetrischer Ausdehnungsmöglichkeit – durch die tangential steife Verbindung der Fassungsteile auch gegen Radialkräfte stabil.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das erste Fassungshalterungsteil an den Kontaktstellen tangential in bezug auf den Umfang der Fassung liegende Stege auf, die radial federnd ausgebildet sind. Die Stege können beispielsweise durch Materialaussparungen im ersten Fassungshalterungsteil erzeugt werden. Werden Stege verwendet, so können erstes und zweites Fassungshalterungsteil auch fest miteinander verbunden werden, was eine erhöhte Stabilität garantiert. Zudem tritt keine Haft- oder Gleitreibung auf, die eventuell eine Ausdehnung bei der Verwendung von Scharnieren behindern könnte. Die Stege haben die Wirkung von Blattfedern an den Kontaktstellen, so daß eine gleitende Anpassung an Temperaturschwankungen möglich ist. Je länger und dünner die Stege sind, desto besser ist die Federwirkung. Allerdings muß darauf geachtet werden, daß eine axiale und tangentiale Stabilität gewährleistet bleibt, so daß die Stege nicht zu lang ausgeführt werden dürfen.
Das erste Fassungsteil kann aus Edelstahl und das zweite Fassungsteil aus Cerodur gefertigt sein. Eine Wärmeausdehnung einer ebenfalls metallenen Fassung wird in diesem Fall vollständig vom ersten Fassungshalterungsteil aufgenommen und kompensiert. Bei tieferen Temperaturen biegt sich der Steg nach innen durch, bei höheren Temperaturen verjüngen sich die stegförmigen Aussparungen an den Kontaktstellen. Beide Teile sind bevorzugt einstückig gefertigt, so daß eine gleichmäßige Verteilung der aufgenommen bzw. abgegebenen Wärme gewährleistet ist.
Für eine optische Komponente der eingangs beschriebenen Art, die insbesondere auch in der vorangehend beschriebenen optischen Baugruppe verwendet werden kann, jedoch nicht ausschließlich dort verwendet werden muß, wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Halterung an den Verbindungspunkten Stege aufweist, die tangential am Umfang des optischen Elements liegen und radial federnd ausgebildet sind.
Bei dem optischen Element handelt es sich beispielsweise um einen Spiegel oder eine Linse. Dieses ist in der Regel kreisförmig im Querschnitt. Die Halterung zur Aufnahme des optischen Elements weist ebenfalls eine Rotationssymmetrie auf, ist jedoch nicht kreisförmig. Bei der Verwendung von drei Verbindungspunkten beispielsweise besitzt die Halterung und damit auch die optische Komponente die Symmetrie der Gruppe C₃, in der Regel sogar die Symmetrie der Gruppe C_3v. Durch die Stege, die entsprechend dünn ausgefertigt sind, können Radialkräfte, die durch Fertigungstoleranzen bei der Herstellung der Verbindung entstehen, oder durch Temperaturänderung verursachte Ausdehnungsunterschiede kompensiert werden. Die Stege haben die Wirkung einer Blattfeder. Dabei ist es vorteilhaft, so wenig Verbindungspunkte wie möglich zu verwenden. Bei der Verwendung von drei Punkten und fester Verbindung des optischen Elementes mit den Federn – beispielsweise stoffschlüssig durch Klebung – ist die Anordnung gegen seitliche Stöße vorteilhaft steif. Aufgrund der Rotationssymmetrie liegen die Verbindungspunkte auf dem Umfang des optischen Elements im Abstand von 120° jeweils zum nächsten Nachbarn.
Die Halterung ist sehr einfach herzustellen, bevorzugt ist sie einstückig gefertigt. Dadurch wird vermieden, daß andere Materialien und andere Verbindungen die Kompensationsfähigkeit der Halterung bzgl. des Auftretenes von Temperaturschwankungen beeinflussen.
Bevorzugt ist das optische Element aus einem Material mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 0,5·10^–6 K^–1 gefertigt, bevorzugt aus Quarz, d.h. SiO₂-Verbindungen. Die Wärmeausdehnung ist in diesem Fall relativ gering. Die Halterung ist dabei bevorzugt aus Edelstahl gefertigt, was eine gewisse Elastizität der federnden Stege gewährleistet. Auch andere Materialien mit ähnlichen Eigenschaften, die diese Elastizität gewährleisten, sind geeignet.
Bevorzugt haben die Stege dabei eine Länge von mehr als 1/√3 des Durchmessers des optischen Elements. Für solche Längen ist die federnde Wirkung besonders gut, ohne jedoch die Stabilität der Konstruktion in axialer Richtung zu beeinträchtigen.
Mit der erfindungsgemäßen optischen Komponente, die bevorzugt in einer optischen Baugruppe gemäß der Erfindung eingebaut wird, ist es möglicht, die Abweichungen der optischen Achse von der Mittellage so gering zu halten, daß beispielsweise bei der Untersuchung von Strukturen auf Photolithographiemasken eine Genauigkeit von 0,48 nm erreicht werden kann.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dabei zeigt
1 eine erfindungsgemäße optische Komponente und
2 eine erfindungsgemäße optische Baugruppe, die zur Aufnahme der optischen Komponente geeignet ist.
In 1 ist eine optische Komponenten 1 dargestellt. Die optische Komponente 1 umfaßt ein optisches Element 2, welches hier als Linse ausgestaltet ist, und eine Halterung 3. Halterung 3 und Linse sind an drei Verbindungspunkten 4 verbunden. Als Verbindungsmittel kann Klebstoff verwendet werden. Die Verbindungspunkte 4 liegen gleichmäßig auf dem Umfang der Linse. Die Halterung 3 selbst ist einstückig gefertigt und an den Verbindungspunkten 4 in Form von Stegen 5 ausgebildet. Diese Stege 5 sind so dünn, daß sie radial federn können. Auf diese Weise können Ausdehnungen der Linse und/oder der Halterung 3, die durch Temperaturschwankungen verursacht werden, ausgeglichen werden.
Für Linsen mit einem Durchmesser von etwa 50 mm lassen sich die Stege 5 beispielsweise mit einer axialen Ausdehnung von 0,8 mm und einer radialen Ausdehnung von 0,3 mm ausfertigen. Während die Linse in der Regel aus Glas, Quarz oder Flußspat gefertigt ist, so verwendet man für die Halterung 3 üblicherweise Edelstahl, nicht zuletzt, um eine gewisse Elastizität der Stege 5 zu gewährleisten. An den Verbindungspunkten 4 selbst ist die Linse mit der Halterung 3 adhäsiv verbunden. Im in 1 gezeigten Beispiel weist ein jeder Steg 5 daher entsprechende Erhebungen auf, die bevorzugt eine Breite von 1,5 mm. Die Erhebungen dienen nur der sauberen Abgrenzung des zu verklebenden Materials, sind jedoch für die Funktionsweise nicht zwingend notwendig. Die Erhebungen werden mit dem Adhäsionsmittel, in der Regel einem Klebstoff, flächig bestrichen, dann wird die Linse eingesetzt. Dort, wo der Steg 5 mit seinen Verbindungspunkten 4 an der Linse tangential anliegt, liegt diese entweder direkt am Steg 5 an, oder aber es befindet sich eine dünne Klebstoffschicht zwischen Linse und Steg 5. Diese Klebstoffschicht sollte nicht dicker als 0,1 mm sein. Durch die Ausbildung der Halterung 3 an den Verbindungspunkten 4 als Stege 5 ist eine in radialer Richtung elastische Lagerung der Linse gewährleistet. Da die Anzahl der Verbindungspunkte so gering wie möglich gehalten wird, kommt es bei Temperaturänderungen nicht zu Verspannungen im System aus Linse und Halterung 3. die Lage der optischen Achse ändert sich daher nicht.
In 2 ist eine optische Baugruppe 6 gezeigt, die zur Halterung einer oder mehrerer der vorangehend beschriebenen optischen Komponenten 1 dienen kann. Sie besteht aus einer rotationssymmetrischen Fassung 7 sowie einer Fassungshalterung aus zwei Teilen, einem ersten Fassungshalterungsteil 8 und einem zweiten Fassungshalterungsteil 9. Alle Bestandteile der optischen Baugruppe 6 sind rotationssymmetrisch. In der Fassung 7 können eine oder mehrere optische Komponenten 1 untergebracht sein. Das erste Fassungshalterungsteil 8 umschließt die Fassung 7 an ihrem Umfang. Fassung 7 und erstes Fassungshalterungsteil 8 sind aus Edelstahl gefertigt, das zweite Fassungshalterungsteil 9 kann beispielsweise aus Cerodur gefertigt sein. An Kontaktstellen 10 sind erstes und zweites Fassungshalterungsteil 8 bzw. 9 verschraubt. Das erste Fassungshalterungsteil 8 weist an den Kontaktstellen tangential im bezug auf den Umfang der Fassung liegenden Stege 11 auf. Ist das erste Fassungshalterungsteil 8 einstückig gefertigt, so können die Stege 11 beispielsweise durch Materialabtrag, der zur Aussparungen 12 führt, erzeugt werden, beispielsweise durch Drahterodieren. Die Stege 11 haben dann eine federnde Wirkung und sind in der Lage, durch Temperaturänderungen verursachte Ausdehnungen oder Zusammenziehungen von Fassung 7 und erstem Fassungshalterungsteil 8 zu kompensieren, so daß an den Kontaktstellen 10 keine Verspannungen auftreten. Die optische Achse der in der Fassung 7 eingespannten optischen Elemente bleibt dadurch unverändert.
Optische Komponenten 1 und optische Baugruppen 6 müssen nicht zwingend miteinander verwendet werden. Werden Sie jedoch miteinander verwendet, so läßt sich eine sehr hohe Genauigkeit erzielen, die den Einsatz solcher Baugruppen bei der Untersuchung von Strukturen auf Photolithographiemasken zur Qualitätskontrolle mit einer Genauigkeit von weniger als 0,5 nm möglich macht. Dazu werden die optischen Komponenten 1 beispielsweise in die Fassung 7 eingesetzt. Sowohl die optischen Komponenten 1 als auch die optischen Baugruppen 6 sind rotationssymmetrisch ausgebildet, jedes der beiden Element weist drei Verbindungspunkte bzw. drei Kontaktstellen auf. Für eine besonders gute Kräfteverteilung ist es vorteilhaft, wenn die optischen Komponenten 1 so in die Fassung 7 eingesetzt werden, daß die Stege 5 der optischen Komponente 1 mit den Stegen 11 des ersten Fassungshalterungsteils 8 einen Winkel von 60° in bezug auf benachbarte Stege und gegenüber einer parallelen Ausrichtung der Stege 5 und 11 bilden.

1: optische Komponente
2: optisches Element
3: Halterung
4: Verbindungspunkt
5: Steg
6: optische Baugruppe
7: Fassung
8: erstes Fassungshalterungsteil
9: zweites Fassungshalterungsteil
10: Kontaktstelle
11: Steg
12: Aussparung

Claims

Optische Baugruppe (6), umfassend – eine rotationssymmetrische Fassung (7) mit im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt zur Aufnahme von optischen Komponenten (1), – eine rotationssymmetrische Fassungshalterung zur Aufnahme der Fassung (7), – wobei die Fassungshalterung zumindest ein erstes und ein zweites Fassungshalterungsteil (8, 9) aufweist und das erste Fassungshalterungsteil (8) die Fassung an ihren Umfang umschließt und – wobei erstes und zweites Fassungshalterungsteil (8, 9) an mindestens drei Kontaktstellen (10) verbunden sind.
Optische Baugruppen (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fassungshalterungsteil (8) an den Kontaktstellen (10) tangential in bezug auf den Umfang der Fassung (7) liegende Stege (11) aufweist, die radial federnd ausgebildet sind.
Optische Baugruppe (6) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fassungshalterungsteil (8) aus Edelstahl und das zweite Fassungshalterungsteil (9) aus Cerodur, gefertigt ist.
Optische Baugruppe (6) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite Fassungshalterungsteil (8, 9) einstückig ausgebildet ist.
Optische Komponente (1), insbesondere zur Verwendung in einer optischen Baugruppe (6) nach den vorbenannten Ansprüchen, umfassend – ein um eine optische Achse rotationssymmetrisches optisches Element, welches einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zur optischen Achse aufweist, – eine rotationssymmetrische Halterung (3) zur Aufnahme des optischen Elements, – wobei Halterung (3) und optisches Element an mindestens drei Verbindungspunkten (4) über Verbindungsmittel verbunden sind, – dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung an den Verbindungspunkten (4) Stege (5) aufweist, die tangential am Umfang des optischen Elements liegen und radial federnd ausgebildet sind.
Optische Komponente (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (3) aus einem Stück gefertigt ist.
Optische Komponente (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Halterung (3) drei Verbindungspunkte (4) vorgesehen sind.
Optische Komponente (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element aus einem Material mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 0,5·10^–6 K^–1, bevorzugt aus Quarz, gefertigt ist.
Optische Komponente (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung (3) aus Edelstahl gefertigt ist.
Optische Komponente (1), nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (5) eine Länge von mehr als 1√3 des Durchmessers des optischen Elements haben.