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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein optisches Element mit mindestens zwei Komponenten,
die durch Temperaturbehandlung stoffschlüssig miteinander
verbunden sind, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung
eines derartigen optischen Elements und Mikrolithographieanlagen
mit entsprechenden optischen Elementen.
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STAND DER TECHNIK
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Für
hochwertige optische Apparaturen und Anordnungen, wie sie beispielsweise
bei der Mikrolithographie in Beleuchtungssystemen und Projektionsobjektiven
Anwendung finden, sind optische Elemente, wie optische Linsen, Spiegel,
Prismen, Strahlteiler und dergleichen erforderlich, die im Hinblick
auf die optischen Eigenschaften höchsten Anforderungen
genügen müssen. Dazu ist es erforderlich, Material
mit engen Spezifikationen und großer Homogenität
sowie niedrigen Verunreinigungen oder Einschlüssen einzusetzen.
Dies macht naturgemäß die Herstellung derartiger
optischer Element aufwändig und teuer. Es ist deshalb erstrebenswert,
möglichst wenig dieses teuren Materials zu verwenden.
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Darüber
hinaus beschränken diese hohen Anforderungen an die Eigenschaften
des Materials die Designmöglichkeiten für die
optischen Elemente da unter Umständen keine geeigneten
Herstellungsverfahren vorliegen, die die Herstellung entsprechender
optischer Elemente ermöglichen würden. So ist es
beispielsweise für optische Linsen nicht möglich, Material
höchster Güte mit Dicken im Bereich von mehr als
150 bis 160 mm zu vertretbaren Preisen herzustellen, da aufgrund
der Dicke die Gewährleistung der Homogenität über
das gesamte optische Element und/oder die Vermeidung von Einschlüssen und
dergleichen äußerst aufwändig wird. Entsprechend
ist es erforderlich, für ein entsprechendes optisches Element
eine Vielzahl von Halbzeugen zu fertigen, bis ein entsprechendes
Halbzeug mit den geforderten Eigenschaften in der entsprechenden
Dicke zur Verfügung steht. Auch dies macht die Herstellung
aufwändig und teuer, da viel überschüssiges Material
produziert werden muss.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es
ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung
von optischen Elementen sowie entsprechende optische Elemente, insbesondere
für die Mikrolithographie, bereitzustellen, bei welchen
materialsparend entsprechend hochwertige und für die Anforderungen
geeignete optische Elemente hergestellt werden können.
Außerdem soll die Designvariabilität für
die optischen Elemente erweitert werden. Dabei soll das Verfahren
selbst einfach anwendbar sein und die hergestellten optischen Elemente
ihren übrigen Spezifikationen entsprechen.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen
der Ansprüche 1 oder 3 sowie einem optischen Element mit
den Merkmalen der Ansprüche 20 oder 21 und einer Mikrolithographieanlage
mit den Merkmalen des Anspruchs 26. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt zur Lösung oben
genannter Aufgaben vor, optische Elemente aus mehreren Komponenten,
mindestens zwei Komponenten, aufzubauen, die durch stoffschlüssiges
Verbinden zu einer Einheit zusammengefügt werden. Ein entsprechendes
stoffschlüssiges Verbinden kann bei optischen Materialien,
wie Quarzglas, Kalziumfluorid oder Siliziumdioxid durch Aneinanderlegen
von möglichst ebenen Flächen und eine entsprechende
Temperaturbehandlung erfolgen. Die Flächen werden zunächst
durch die Van-der-Waals-Kräfte gehalten. Durch Erwärmen lässt
sich der Verbindungsgrad steigern, es kann zur Ionenbindung kommen.
Dieses Verfahren, welches auch als Ansprengen bezeichnet wird, ermöglicht das
feste Verbinden von unterschiedlichen aber auch identischen oder
nahezu identischen Stoffen.
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Ein
derartiges Verfahren ist beispielsweise in der
WO 2005/054953 A2 für
die Verbindung eines optischen Elements mit einem Verstärkungselement einer
Halterung für das optische Element beschrieben worden.
Darüber hinaus gibt es im Stand der Technik Anwendungen,
bei denen das Abschlusselement eines Immersionsobjektivs mit einer
schützenden Quarzglasplatte versehen wird (
DE 10 2007 039 407 ). In diesem
Dokument wird auch beschrieben, dass die stoffschlüssige
Verbindung durch Ansprengen mittels nasschemischer Aktivierung der
zu verbindenden Oberflächen oder durch ein entsprechendes
Vakuumverfahren erfolgen kann. Entsprechend wird der Offenbarungsgehalt
der
DE 10 2007 039 407 durch
Verweis vollständig hierin mit aufgenommen.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem das durch stoffschlüssige
bzw. atomare Verbinden am optischen Element vorgesehene Element entweder
als separates Bauteil der Halterung oder als planparallele Platte
mit lediglich einer Verbindungsfläche quer zur optischen
Achse vorgesehen ist, geht die vorliegende Erfindung einen Schritt
weiter. Gemäß der Erfindung wird die stoffschlüssige bzw.
atomare Verbindung von Komponenten für die Herstellung
eines einzelnen optischen Elements an sich eingesetzt wird. Es wurde
nämlich gefunden, dass durch die Herstellung von optischen
Elementen aus mindestens zwei oder auch mehreren Komponenten mittels
einer stoffschlüssigen bzw. atomaren Verbindung für
viele Einsatzzwecke nutzbare optische Elemente erzeugt werden können
und gleichzeitig eine große Materialersparnis an teuren
und aufwändig herzustellenden optischen Materialien möglich
ist.
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Bei
einem derartigen Verfahren bzw. entsprechend hergestellten Komponenten
ist es im Gegensatz zum Stand der Technik möglich, dass
die Verbindungsfläche zwischen den stoffschlüssig
verbundenen Komponenten eine kontinuierlich, über die Verbindungsfläche
verlaufende, von den verbundenen Komponenten gemeinsam gebildete
optisch nutzbare Fläche schneidet, also mindestens zwei Komponenten,
aus denen das optische Element zusammengefügt ist, an mindestens
einer der optisch nutzbaren Fläche vorliegen. Entsprechend
kann die Verbindungsfläche oder Teile davon der mindestens zwei
Komponenten sowohl quer als auch parallel zu einer optischen Achse
des optischen Elements bzw. in entsprechenden Winkelbereich dazwischen
vorliegen.
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Alternativ
oder zusätzlich können zwei Verbindungsflächen
von miteinander verbundenen Komponenten so im Bezug zur optisch
nutzbaren Fläche angeordnet werden, dass die Ver bindungsflächen zumindest
teilweise von einem Strahlenbündel, welches die optisch
nutzbare Fläche durchstrahlt, ebenfalls durchstrahlt werden.
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Mit
den vorgeschlagenen Strukturen für den Aufbau eines optischen
Elements gibt es eine Vielfalt von Gestaltungsmöglichkeiten,
die eine effektive Einsparung von teurem optischem Material ermöglicht.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren können
für den Aufbau eines optischen Elements gleiche oder unterschiedliche
Komponenten verwendet werden, wobei sich die Unterschiedlichkeit
auf die Zusammensetzung, beispielsweise im Bezug auf den Gehalt
von Verunreinigungen, den Gehalt von H2- oder
OH-Gruppen oder auf die chemische Grundzusammensetzung beziehen
kann. Darüber hinaus können auch entsprechende
Eigenschaften wie Homogenität des Materials, Brechungsindex,
Spannungsdoppelbrechung, Strahlungsresistenz und dergleichen mit
einbezogen werden.
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Die
stoffschlüssige Verbindung bzw. der Aufbau einer atomaren
Verbindung zwischen den Komponenten an einer Verbindungsfläche
kann neben dem bereits vorgestellten Ansprengen auch durch andere
geeignete stoffschlüssige Verbindungsverfahren erzielt
werden.
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Das
vorliegende Verfahren kann insbesondere derart angewandt werden,
dass mehrere Komponenten zu einem Stapel verbunden werden, aus welchem
mehrere optische Elemente herausgetrennt werden können.
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In
dem Stapel können unterschiedliche Komponenten vorgesehen
werden, beispielsweise Komponenten, die unterschiedliche Brechungsindices aufweisen.
In einem derartigen Fall können die Stapel so gebildet
werden, dass die Platten sortiert in einer Reihenfolge angeordnet
werden, so dass sie in der Stapelfolge aufsteigende oder absteigende
Brechungsindizes aufweisen, um die Unterschiede zwischen den einzelnen
Komponenten hinsichtlich des Brechungsindex gering zu halten.
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Die
Komponenten können durch planparallele oder keilförmige
Platten, Ringe oder sonstige an den entsprechenden Stoßflächen
vollflächig anliegende Elemente gebildet werden. Die Komponenten, die
vorzugsweise als Platten oder kreisförmige Scheiben ausgebildet
sein können, können Dicken von weniger als 150
bis 160 mm aufweisen, da dies eine Dicke ist, mit der optische Materialien,
wie Quarzglas, Siliziumdioxid oder Kalziumfluorid in einfacher Weise
in hoher Qualität hergestellt werden können. Entsprechende
Platten oder Scheiben können bis zu einer Stapelhöhe
von 175 mm oder mehr, insbesondere 250 mm oder mehr, vorzugsweise
500 mm oder mehr, oder höchst vorzugsweise 700 mm oder
mehr gestapelt werden.
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Vorzugsweise
können die im Stapel angeordneten Komponenten bzw. allgemein
die Komponenten, die zur Verwendung für die Herstellung
des optischen Elements verwendet werden, aus demselben Rohling gewonnen
werden, um möglichst gleiche Eigenschaften aufzuweisen.
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Der
Stapel kann durch eine Temperaturbehandlung zu einem einstückigen
Stapel fest verbunden werden, wobei sich die einzelnen Komponenten bzw.
Platten stoffschlüssig bzw. atomar verbinden. Die Temperaturbehandlung
kann dreistufig mit einer definierten Aufwärmzeit, einer
Haltezeit und einer definierten Abkühlzeit vorgesehen sein.
Innerhalb der Aufwärmphase und der Abkühlphase
können vorbestimmte Aufwärmraten und Abkühlraten
eingestellt werden. Die Aufwärmzeit kann eine Stunde bis
10 Tage, insbesondere 3 Stunden bis 3 Tage betragen, während
die Haltezeit zwischen einer Stunde und 20 Stunden, insbesondere
2 Stunden bis 15 Stunden betragen kann. Die Abkühlzeit
kann in einem Zeitraum von 1 Tag bis 15 Tage, insbesondere 2 Tage
bis 10 Tage liegen, um durch eine besonders langsame Abkühlung
eine spannungsfreie Erzeugung des optischen Elements zu gewährleisten.
Die Temperatur während der Haltezeit kann 700 bis 900°C,
insbesondere 750 bis 850°C, vorzugsweise ca. 800°C
betragen.
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Nach
dem Verbinden kann der Stapel durch entsprechende Trennschnitte
in unterschiedliche oder gleiche optische Elemente zertrennt werden, wobei
gerade oder gewölbte Trennflächen erzeugt werden
können. Die gewölbten Trennflächen können überdies
eindimensional oder zweidimensional gekrümmt sein. Bei
gekrümmten Trennschnitten bzw. Trennschnitten mit gekrümmten
Trennflächen ergibt sich der Vorteil, dass das verwendete
Material besonders gut genutzt werden kann. So können die
gekrümmten Trennschnitte bereits entsprechend der späteren
Grundform der optischen Elemente, beispielsweise von Bikonvexlinsen
oder Meniskenlinsen ausgeführt werden, so dass der nachfolgende
Materialabtrag durch Schleifen und Polieren gering gehalten werden
kann.
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Durch
das Zusammenfügen mehrerer Komponenten zu einem optischen
Element ist es möglich, aus Komponenten bzw. Platten, Ringen
oder dergleichen, die alleine für die Bildung eines bestimmten
optischen Elementes von ihrer Dimension her nicht mehr ausreichen
würden, gleichwohl vielfach einsatzfähige optische
Elemente zu erzeugen. Damit wird vermieden, dass hochwertiges optisches
Material, welches ansonsten keine Verwendung mehr finden würde,
weiter verwendet werden kann. Darüber hinaus bietet das
vorliegende Verfahren die Möglichkeit, optische Element
in Dimensionen herzustellen, die ansonsten nicht oder nur schwer
möglich wären. So ist es, wie bereits erwähnt,
bekannt, bestimmte optische Materialien in einer bestimmten Güte üblicherweise
mit vertretbarem Aufwand nur in bestimmten Dicken herstellen zu
können. Bei optischen Elementen, die diese Dicken überschreiten,
müssen nach dem Stand der Technik große Aufwendungen unternommen
werden, um entsprechende Rohlingen bereitstellen zu können.
Auch diesem Problem kann mit der vorliegenden Erfindung abgeholfen
werden.
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Darüber
hinaus bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass bei optischen
Elementen, die bei ihrem Einsatz lediglich teilweise optisch genutzt werden,
durch eine Kombination von verschiedenen Komponenten ein gezielter
Materialeinsatz für den optisch genutzten Bereich hergestellt
werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die Herstellung
und die Gestaltung des entsprechenden optischen Elements aus mehreren
Komponenten so erfolgt, dass der optische Nutzbereich lediglich
innerhalb des Bereichs einer Komponente liegt, also insbesondere
keine Verbindungsfläche zwischen einzelnen Komponenten
im optischen Nutzbereich liegt und/oder keine Überschneidung
des optischen Nutzbereichs mit einer Schnittlinie einer Verbindungsfläche
mit der optisch nutzbaren Fläche vorliegt.
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Damit
können optische Elemente geschaffen werden, bei denen in
denjenigen Bereichen, in denen bei der Anwendung keine optische
Nutzung erfolgen soll, qualitativ niederwertigeres Material eingesetzt werden
kann oder das Material zum Teil ganz weggelassen werden kann, während
in den optisch genutzten Bereichen gezielt erforderliche optische
Materialien vorgesehen werden können. Damit ist die Herstellung
von sog. tailored optical elements, also individuell auf die Anwendung
zugeschnittenen bzw. angepassten optischen Elementen möglich.
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Derartige
optische Elemente lassen sich besonders gut bei der Mikrolithographie
und hier insbesondere in der Beleuchtungsoptik, aber auch in der Projektionsoptik
einsetzen. Insbesondere in der Beleuchtungsoptik gibt es eine Anzahl
von optischen Elementen, die aufgrund der Beleuchtungseinstellung,
beispielsweise einer Dipol- oder Quadrupolbeleuchtungseinstellung
lediglich in Teilbereichen genutzt werden, sodass eine entsprechende
Einsparung möglich ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Weitere
Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden
bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der beigefügten Zeichnungen deutlich. Die Zeichnungen
zeigen hierbei in rein schematischer Weise in
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Stapels aus mehreren Platten zur
Bildung eines Halbzeugs für die Fertigung von optischen
Elementen;
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2 eine
Seitenansicht eines Stapels gemäß 1 mit
Darstellung der herzustellenden optischen Elemente und möglicher
Trennlinien;
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3 einen
Stapel gemäß der Darstellung der 1 mit
einer Darstellung möglicher gekrümmter Trennschnitte;
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4 einen
Stapel zur Herstellung eines Halbzeugs für die Fertigung
von optischen Elementen, bei welchen der Stapel aus keilförmigen
Platten gebildet ist;
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5 eine
perspektivische Darstellung eines Rohlings, aus welchem die Platten
für die Stapel der 1 bis 4 gewonnen
werden können;
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6 ein
Diagramm bzgl. des Verlaufs des Brechungsindex in einem ersten Stapel;
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7 ein
Diagramm zur Veranschaulichung des Verlaufs des Brechungsindex in
einem zweiten Stapel;
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8 ein
Temperatur-Zeit-Diagramm zur Verdeutlichung der Wärmebehandlung
bei der Verbindung der Komponenten in einem Stapel;
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9 eine
Darstellung der Bearbeitung eines Halbzeugs aus zwei verbundenen
Komponenten zu einem optischen Element;
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10 in
den Teilbildern a) und b) eine seitliche Schnittansicht b) und eine
Draufsicht a) auf ein optisches Element aus zwei verbundenen Komponenten
mit Darstellung des genutzten optischen Bereichs;
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11 eine
Seitenansicht eines optischen Elements aus zwei verbundenen Komponenten;
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12 in
den Teilbildern a) und b) ein weiteres Ausführungsbeispiel
für die Herstellung eines optischen Elements b) aus einem
Halbzeug mit zwei verbundenen Komponenten a);
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13 eine
seitliche Darstellung eines optischen Elements aus zwei verbundenen
Komponenten;
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14 eine
perspektivische Darstellung eines optischen Elements aus zwei verbundenen
Komponenten mit der Darstellung des optischen Nutzbereichs; und
in
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15 eine
Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines
erfindungsgemäßen optischen Elements aus drei
verbundenen Komponenten.
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Die 1 zeigt
einen Stapel aus kreisrunden Platten 1 bis 6 bzw.
Scheiben von etwa gleicher Dicke d, die übereinander angeordnet
sind, um einen Stapel 7 zu bilden. Ein derartiger Stapel 7 kann
durch einen Wärmebehandlungsprozess, wie er später noch
detailliert beschrieben werden wird, zu einem einstückigen
Stapel 7 verbunden werden. Dies erfolgt durch eine atomare
Verbindung an den Verbindungsflächen 8 zwischen
den Platten 1 bis 6. Eine derartige Verbindung
von vollflächig eben aneinander liegenden Kristallstrukturen
ist auch unter dem Begriff „Ansprengen" bekannt. In der
vorliegenden Anmeldung wird dies auch unter dem Begriff „stoffschlüssige
Verbindung" subsumiert. Über das explizit hier angesprochene
Ansprengen hinaus wird unter dem Begriff „stoffschlüssige
Verbindung" auch jede andere geeignete feste Verbindung zwischen
optischen Materialien verstanden, welche nicht auf Kraftschluss
oder Formschluss beruht. Besonders geeignet ist jedoch das Ansprengen.
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Die 2 zeigt,
wie ein derartiger Stapel 7 für die Herstellung
von optischen Elementen 9 bis 11 genutzt werden
kann. Der Stapel 7 ist wiederum aus Platten bzw. Scheiben 1 bis 6 aufgebaut,
die sich jedoch in ihrer Dicke d unterscheiden. Im Gegensatz zu dem
Stapel der 1 weist der Stapel 7 der 2 Platten 1 bis 6 auf,
die eine unterschiedliche Dicke d aufweisen.
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Zwischen
den Platten 1 bis 6 liegen wieder Verbindungsflächen 8 vor,
an denen die atomare bzw. stoffschlüssige Verbindung zwischen
den einzelnen Platten erfolgt. Über die Verbindungsflächen 8 hinweg
können aus dem Stapel 7 optische Elemente 9 bis 11 in
Form von Konvexlinsen gefertigt werden. Zu diesem Zweck wird der
Stapel 7 entlang der gestrichelt dargestellten Trennungslinien 12 getrennt, wobei
die Trennflächen 12 gerade und eben verlaufen.
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Während
das optische Element 9 und das optische Element 11 jeweils
aus einem Bereich gefertigt werden, welcher zwei Platten 1 und 2 bzw. 5 und 6 umfasst,
erstreckt sich das optische Element 10 über einen
Bereich, der insgesamt drei Platten 3 bis 5 umfasst.
Entsprechend sind in den späteren optischen Elementen 9 und 11 jeweils
eine Verbindungsfläche 8 vorgesehen, während
in dem optischen Element 10 zwei Verbindungsflächen 8 vorgesehen sind.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 verlaufen
die Verbindungsflächen 8 quer und im Wesentlichen
senkrecht zu der optischen Achse 13 der optischen Elemente 9 bis 11.
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Die
Verbindungsflächen 8 innerhalb der optischen Elemente 9 und 11 schneiden
das jeweilige optische Element 9 bzw. 11 an dessen
Stirnseite, die parallel zur optischen Achse 13 verläuft.
Die Verbindungsflächen 8 der optischen Elemente 9 bzw. 11 schneiden
jedoch nicht deren optisch nutzbaren Flächen 14 und 15 (optisches
Element 9) bzw. 18 und 19 (optisches
Element 11). Lediglich beim optischen Element 10 schneiden
die Verbindungsflächen 8 die optisch nutzbaren
Flächen 16 und 17 in den Randbereichen.
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Die
3 zeigt
in einer Seitenansicht ein weiteres Beispiel eines Stapels mit verbundenen Platten
1 bis
6,
bei denen jedoch die Trennflächen
12, die wiederum
strichliniert dargestellt sind, gekrümmt verlaufen. Die
Krümmung der Trennflächen
12 kann hierbei
eindimensional gekrümmt oder zweidimensional gekrümmt
sein, so dass sich beispielsweise eine Zylinderfläche oder
eine sphärische oder asphärische oder allgemein
3-dimensionale Fläche ergibt. Durch Trennschnitte
12,
wie sie in der
3 gezeigt sind, können
beispielsweise sehr materialsparend Meniskenlinsen (nicht dargestellt)
aus dem Stapel
7 gewonnen werden, ohne dass es zu einem
großen Materialverschnitt kommt. Die gekrümmten
Trennflächen lassen sich beispielsweise durch das Kugeltrennschleifen,
welches genauer in der
DE
102 33 777 A1 beschrieben ist oder durch andere Trennverfahren,
bei denen gekrümmte Trennflächen erzeugt werden
können, wie beispielsweise durch entsprechende Ätzverfahren.
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Die 4 zeigt
noch ein Beispiel für einen Stapel aus Platten 1 bis 6,
die über Verbindungsflächen 8 atomar
bzw. stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Die bisherigen
Platten 1 bis 6 der Ausführungsbeispiele
der 1 bis 3 waren jeweils planparallele
Platten, während die Platten 1 bis 6 der Ausführungsform
der 4 keilförmig sind. Auch derartige Platten
können zu einem Stapel 7 verbunden werden, sofern
die Platten 1 bis 6 vollflächig an den Verbindungsflächen 8 aufeinander
zu liegen kommen, so dass sich eine vollflächige atomare
bzw. stoffschlüssige Verbindung ohne Fehlstellen ergibt.
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Durch
die unterschiedlich dicken Platten, wie sie in dem Ausführungsbeispiel
der 2 dargestellt sind, bzw. die nicht planparallelen
Platten 1 bis 6, wie sie in dem Ausführungsbeispiel
der 4 Verwendung finden, oder allgemein dünne
Platten, können Stapel 7 gebildet werden, bei
denen Material eingesetzt werden kann, aus welchem für
sich alleine entsprechende optische Elemente nicht mehr gefertigt werden
könnten. Damit ergibt sich ein viel effektiverer Materialeinsatz,
da die entsprechenden Platten für die Herstellung von optischen
Elementen weiter zur Verfügung stehen, während
sie ansonsten möglicherweise als Abfall entsorgt werden
müssten.
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Darüber
hinaus zeigt das Ausführungsbeispiel der 2 auch,
dass aus entsprechenden Platten 1 bis 6 mit einer
Dicke d, die für die Herstellung bestimmter optischer Elemente 9 bis 11 nicht
ausreichend wäre, durch das Verbinden entsprechender Platten
eine Dicke erreicht werden kann, die für die Herstellung
bestimmter optischer Elemente ausreicht.
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Während
die Platten 1 bis 6 aus unterschiedlichem Material
gebildet sein können, was beispielsweise die Zusammensetzung
anbelangt, den Grad der Verunreinigung, die Dichte, die Anfälligkeit
für Degradation während Lichtbestrahlung bzw.
allgemein Bestrahlung elektromagnetischer Wellen, Inhomogenitäten,
Brechzahl oder andere optische Eigenschaften, etc., kann es vorteilhaft
sein, möglichst Platten identischen Materials zu verwenden.
Zu diesem Zweck können die einzelnen Platten beispielsweise
aus demselben Rohling 20 stammen. Damit wird gewährleistet,
dass die Platten 1 bis 4, die aus dem Rohling 20 entnommen
werden, weitestgehend identische Eigenschaften aufweisen. Dies ist
in 5 gezeigt.
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Sollte
eine Verwendung von Platten aus demselben Rohling nicht möglich
sein, so bietet es sich an, die Platten entsprechend ihren Eigenschaften
in dem Stapel 7 zu sortieren.
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Die 6 und 7 zeigen
Beispiele hierfür, wie in einem Stapel aus vier Platten 1 bis 4 diese entsprechend
ihrer Brechzahl n in aufsteigender Weise, also mit zunehmender Brechzahl,
oder in absteigender Weise, also mit abnehmender Brechzahl n (siehe 7)
angeordnet werden können. Entsprechend ist in dem Stapel,
wie in den 6 und 7 darstellt
ist, über die Gesamtdicke des Pakets bzw. Stapels, die
auf der x-Achse aufgetragen ist, eine stufenarti ge Zunahme des Brechungsindex
n, der auf der y-Achse aufgetragen ist (siehe 6)
bzw. eine stufenweise Abnahme des Brechungsindex n (siehe 7)
festzustellen.
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Dies
gewährleistet, dass die Brechzahlunterschiede gering gehalten
werden und große Brechzahlsprünge vermieden werden
können.
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Die 8 zeigt
in einem Temperatur-Zeit-Diagramm eine typische Temperatur- bzw.
Wärmebehandlung für die atomare bzw. stoffschlüssige
Verbindung von optischen Materialien, wie z. B. Kalziumfluorid oder
Siliziumdioxid.
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Der
Stapel 7 wird hierbei zunächst in einer ersten
Phase aufgewärmt und zwar von der Umgebungstemperatur,
also typischerweise Raumtemperatur, bei ca. 20°C bis auf
die sog. Ansprengtemperatur von ca. 800°C. Diese erste
Phase des Aufwärmens dauert mehrere Stunden bis wenige
Tage, so dass die Aufwärmzeit zwischen einer Stunde und
10 Tagen, vorzugsweise 3 Stunden bis 3 Tage liegt. Typischerweise
liegt die Aufwärmzeit im Bereich von 2 bis 5 Stunden. Danach
schließt sich die Haltezeit an, bei der der zu verbindende
Stapel bei der Ansprengtemperatur von ca. 800°C für
2 bis 10 Stunden gehalten wird. Die Haltezeit wird im Wesentlichen
davon beeinflusst, inwieweit eine vollflächige Anlage der Verbindungsflächen
gegeben ist. Je rauer und unebener die aneinander anliegenden Oberflächen
sind, desto länger ist die Haltezeit zu wählen,
so dass in Extremfällen auch Haltezeiten zwischen 1 und
20 Stunden möglich sind.
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An
die Haltezeit schließt sich die dritte Phase, nämlich
die Abkühlzeit an, die allgemein mehrere Tage, insbesondere
1 bis 10 Tage, vorzugsweise 2 bis 5 Tage betragen kann. Durch die
entsprechend langsame Abkühlung von der Ansprengtemperatur auf
die Umgebungstemperatur, also Raumtemperatur bei ca. 20°C
wird gewährleistet, dass der Stapel vollständig
relaxieren kann und keine inneren Spannungen verbleiben.
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Die 9 zeigt
in den beiden Teilbildern ein Beispiel für die Herstellung
eines optischen Elementes 21 in Form einer Meniskenlinse,
welche aus zwei Komponenten 22 und 23 besteht,
die entlang einer Verbindungsfläche 8 atomar bzw.
stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Im linken Teilbild
der 9 ist beispielsweise ein Halbzeug 24 gezeigt,
wie es nach dem Durchführen eines Trennschnitts entlang der
Trennfläche 12 aus einem Stapel 7, beispielsweise
durch Kugeltrennschleifen, entstanden ist. Das entsprechende Halbzeug 24 wird durch
eine weitere mechanische Bearbeitung mittels Schleifen oder sonstigem
geeigneten Materialabtrag in die Form der Meniskenlinse 21 des
rechten Teilbildes gebracht.
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Wie
sich aus dem rechten Teilbild ergibt, kommt es durch die Materialbearbeitung
zur Ausbildung von zwei optisch nutzbaren Flächen 25 und 26, wobei
die eine optisch nutzbare Fläche 26 alleine durch
die Komponente 23 gebildet ist. Bei der zweiten optisch
nutzbaren Fläche 25 werden Teile der optisch nutzbaren
Fläche 25 durch die Komponente 23 und
andere Teile durch die Komponente 22 gebildet. Entsprechend
gibt es an den Punkten 27 und 28 Schnittpunkte
der optisch nutzbaren Fläche 25 mit der Verbindungsfläche 8 der
Komponenten 22 und 23.
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Die
Komponente 22 weist beispielsweise einen Brechungsindex
n1 auf, während die Komponente 23 einen Brechungsindex
n2 aufweist. Durch die Form der Meniskenlinse 21 ergibt
sich, dass in den Randbereichen der Meniskenlinse, also in Form
eines umlaufenden Ringes, die Komponente 22 mit dem Brechungsindex
n1 vorliegt, während im Zentralbereich der Meniskenlinse 21 lediglich
die Komponente 23 mit dem Brechungsindex n2 vorliegt. Sofern
die Meniskenlinse 21 lediglich in dem Zentralbereich optisch
genutzt wird, in welchem die Komponente 23 mit dem Brechungsindex
n2 vorliegt, hat die Verbindungsfläche 8 und der
unterschiedliche Brechungsindex n1 im Randbereich keinerlei Auswirkung
auf die optischen Eigenschaften. Allerdings ist es durch das Verbinden
der Komponenten 22 und 23 ermöglicht
worden, dass aus der Komponente 23 eine entsprechende Meniskenlinse 21 gefertigt
werden konnte, da ansonsten im Randbereich die Komponente 23 für
die Herstellung der Meniskenlinse 21 keine ausreichende
Dicke aufgewiesen hätte, was zu Problemen bei der Herstellung,
insbesondere beim Schleifen und Polieren der optisch nutzbaren Fläche 25,
geführt hätte.
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Die 10 zeigt
in den Teilbildern a) und b) die Meniskenlinse 21 in einer
seitlichen Schnittansicht und in einer Schnittansicht entlang der
Verbindungslinie 8 aus Teilbild b). Die Schnittansicht
a) verdeutlicht, dass ein innerer Bereich 29 gegeben ist,
in dem lediglich die Komponente 23 vorliegt, während im äußeren
Bereich 30 die Komponenten 22 und 23 mit
der Verbindungsfläche 8 vorliegen, die an den Punkten 27 und 28 im
Teilbild b) bzw. der Kreislinie mit den Punkten 27 und 28 im
Teilbild a) die optisch nutzbare Fläche 25 schneidet.
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Ist
beispielsweise die Meniskenlinse 21 in einer Pupillenebene
oder einer pupillennahen Ebene eines Beleuchtungssystems oder eines
Projektionsobjektivs einer Mikrolithographieanlage vorgesehen, so
kann eine Intensitätsverteilung der elektromagnetischen
Strahlung bzw. des benutzten Lichtes vorliegen, bei welcher lediglich
bestimmte Bereiche 31 der Meniskenlinse 21 mit
Licht beaufschlagt werden. Bei einer derartigen Pol-Beleuchtung
ist es vorteilhaft, bei Komponenten 22 und 23 mit
zumindest leicht unterschiedlichen Eigenschaften die Beleuchtungseinstellung
so einzustellen, dass die optisch genutzten Bereiche 31 nicht
die Bereiche der Schnittlinie zwischen optisch nutzbarer Fläche 25 und
Verbindungsfläche 8, also der Kreislinie 27, 28 überschneiden. Auf
diese Weise wird vermieden, dass beispielsweise innerhalb eines
Beleuchtungspols unterschiedliche Eigenschaften beim Durchtritt
des Strahlenbündels durch die Meniskenlinse 21 auftreten.
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Während
in der 10 gezeigt worden ist, dass
der optische Nutzbereich auf den Randbereich einer Meniskenlinse 21 beschränkt
ist, in dem nacheinander die Komponenten 22 und 23 durchstrahlt werden,
zeigt die 11 eine Meniskenlinse 21,
bei welcher der Nutzbereich im Zentrum vorliegt, also in dem Bereich,
in dem lediglich die Komponente 23 vorliegt. Die zweite
Komponente 22 im Randbereich der Meniskenlinse 21 der 11 dient
lediglich zur Herstellung der optisch nutzbaren Fläche 25,
so dass die Komponente 22 Polierüberläufe 32 am
Randbereich der optisch nutzbaren Fläche 25 bereitstellt.
Zusätzlich kann die Komponente 22 eine Radiusfase 33 ermöglichen.
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Da
bei der Meniskenlinse 21 der Ausführungsform der 11 die
Komponente 22 lediglich dazu dient, die Herstellung der
Meniskenlinse 21 aus der Komponente 23 mit einem
dünneren Ausgangsmaterial herzustellen, kann in diesem
Fall die Komponente 22 unterschiedlich zur Komponente 23 gewählt
werden und beispielsweise eine schlechtere Qualität aufweisen,
da der Bereich der Meniskenlinse 21, in der die Komponente 22 vorliegt,
nicht für die optische Nutzung vorgesehen ist. Auf diese
Weise lässt sich insbesondere teueres Material einsparen.
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Die 12 zeigt
in den Teilbildern a) und b) die Herstellung der Meniskenlinse 21,
wie sie in der 11 dargestellt ist, aus einer
ringförmigen Komponente 22 und einer plattenförmigen
Komponente 23. In 12a)
ist eine Schnittansicht eines Rings 22 dargestellt, bei
dem durch die strichlinierte Darstellung die Aussparung im Zentralbereich
deutlich wird. Der Ring 22 ist mit einer seiner Stirnseiten
vollflächig an der Scheibe bzw. Platte 23 angelegt
und über die entsprechende Verbindungsfläche 8 mit
der Komponente 23 beispielsweise durch Ansprengen verbunden.
Durch Materialbearbeitung wird aus dem Halbzeug des Teilbilds a)
der 12 die Meniskenlinse 21 des Teilbilds
b) der 12 gefertigt, wobei die Komponente 22 im
Randbereich zur Hilfestellung bei der Bearbeitung der nutzbaren
optischen Fläche 25, also als Polierüberlauf
dient. Im Zentrum der Meniskenlinse 21 ist ein optisch
nutzbarer Bereich vorgesehen, dessen Durchmesser mit N bezeichnet
ist. In diesem Bereich liegt weder eine Verbindungsfläche 8 noch
ein Schnittbereich einer Verbindungsfläche 8 mit
einer optisch nutzbaren Fläche 25, 26 vor,
so dass in diesem Bereich die Meniskenlinse, obwohl aus zwei Komponenten 22 und 23 gefertigt,
für das Licht bzw. die elektromagnetische Strahlung wie
eine einstückige Meniskenlinse 21 erscheint.
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Die 13 zeigt
in einer Seitenansicht ein weiteres Beispiel für ein optisches
Element, welches erfindungsgemäß aus zwei Komponenten
gefertigt ist. Die in 13 dargestellte Bikonvexlinse
weist die beiden Komponenten 41 und 42 auf, welche über
die Verbindungsfläche 8 miteinander verbunden
sind, wobei die Verbindungsfläche 8 wie in den
vorangegangenen Beispielen nicht quer zur optischen Achse des entsprechenden
optischen Elements verläuft, sondern parallel oder schräg
zu der optischen Achse (nicht gezeigt) des optischen Elements 40.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel der 13 entsprechen
die Bereiche der unterschiedlichen Komponenten 41 und 42 des
optischen Elements 40 auch den Bereichen der optischen
Nutzung und Nichtnutzung. Dies ist in 14 in
einer perspektivischen Darstellung des optischen Elements 40 gezeigt.
Der optische Nutzbereich 43 ist auf die Komponente 41 beschränkt
bzw. einen Teilbereich davon, ohne die Verbindungsfläche 8 zwischen
den Komponenten 41 und 42 zu überschneiden.
Entsprechend kann die Komponente 41 aus einem Material
mit hoher Qualität beispielsweise bzgl. der Zusammensetzung,
Verunreinigungen, Homogenität, Wasserstoff-, OH-Gehalt
usw. sein, die den Anforderungen an die optischen Eigenschaften
für das optische Element 40 genügt, während
die Komponente 42 eine geringere Qualität aufweisen
kann, da die Komponente 42 lediglich zur Vervollständigung
des optischen Elements 40 gemäß einer
aus dem optischen Nutzbereich erwarteten Form dient. Eine derartige
Ergänzung durch eine Komponente 42 minderer Qualität
ist insbesondere im Hinblick auf die vereinfachte Herstellung bei der
Materialbearbeitung und der Oberflächenbearbeitung durch
Schleifen, Polieren usw. vorteilhaft. Allerdings zeigt das Ausführungsbeispiel
der 15, dass es auch möglich ist mit dem
vorgestellten Konzept der Erfindung ein optisches Element 50 herzustellen,
bei welchem die Materialeinsparung dahingehend optimiert ist, dass
lediglich die für die optische Nutzung erforderlichen Bereiche
vorgesehen sind. So besteht das optische Element 50 in
Form einer Meniskenlinse aus drei Komponenten 52, 53 und 54. Die
Komponenten 52 und 54 stellen die optisch nutzbaren
Flächen 55 und 56 bereit, die gleichzeitig
im Wesentlichen dem optischen Nutzbereich entsprechen. Der optische
Nutzbereich kann geringfügig kleiner sein als die Größe
der optisch nutzbaren Flächen 55 und 56,
um Randeffekte zu vermeiden.
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Der übrige
Teil der Meniskenlinse 50, deren fiktive Außenkontur
strichliniert dargestellt ist, ist eingespart, da für die
optische Nutzung sowieso nicht erforderlich. Stattdessen ist eine
planparallele Platte 53 als dritte Komponente vorgesehen,
die lediglich einen Teil der Meniskenlinse 50 gemäß der
zu erwartenden Außenkontur 51 abdeckt, um beispielsweise in
eine Halterung eines Objektivs oder einer sonstigen Optik aufgenommen
werden zu können.
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Die
beschriebenen optischen Elemente können insbesondere in
Mirkolithographieanlagen und dort insbesondere in Beleuchtungssystemen
aber auch in Projektionsobjektiven Verwendung finden. Entsprechende
Mikrolithographieanlagen können vielfältige Formen
aufweisen und sind dem Fachmann allgemein bekannt, so dass auf eine
explizite Darstellung einer Mikrolithographieanlage auch in schematischer
Form verzichtet wird.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen
detailliert im Bezug auf Ausführungsbeispiele beschrieben
worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich,
dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele
beschränkt ist, sondern dass vielmehr Änderungen oder
Abwandlungen, beispielsweise durch unterschiedliche Kombination
aller vorgestellter Einzelmerkmale oder Weglassen bestimmter Merkmale möglich
sind, ohne den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche
zu verlassen.
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Insbesondere
beansprucht die vorliegende Erfindung die Kombination aller vorgestellten
Einzelmerkmale einschließlich der Kombination unterschiedlicher
Ausführungsbeispiele.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/054953
A2 [0007]
- - DE 102007039407 [0007, 0007]
- - DE 10233777 A1 [0045]