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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung, beispielsweise
eine, welche verwendbar ist, um einen beweglichen Objekttisch in drei
Freiheitsgraden zu positionieren. Insbesondere betrifft die Erfindung
die Verwendung der Positioniervorrichtung in einer lithographischen
Projektionsvorrichtung, welche aufweist:
ein Beleuchtungssystem
zum Liefern eines Projektionsstrahls einer Strahlung;
einen
ersten Objekttisch zum Halten einer Maske;
einen zweiten beweglichen
Objekttisch zum Halten eines Substrats; und
ein Projektionssystem
zum Abbilden eines bestrahlten Abschnitts der Maske auf einen Zielabschnitt
des Substrats.
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Aus
Gründen
der Einfachheit sei das Projektionssystem nachfolgend als „Linse" bezeichnet; dieser
Begriff sei jedoch breit interpretiert und soll verschiedene Typen
von Projektionssystemen umfassen, einschließlich beispielsweise refraktive
Optiken, reflektive Optiken, katadioptrische Systeme und Optiken
für geladenen
Partikel. Das Beleuchtungssystem kann auch Elemente beinhalten,
welche nach einem dieser Prinzipien arbeiten, um den Projektionsstrahl
der Strahlung zu richten, zu formen oder zu steuern. Zusätzlich können die
ersten und zweiten Objekttische als „Maskentisch" bzw. „Substrattisch" bezeichnet werden.
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Ein
lithographischer Projektionsapparat kann beispielsweise bei der
Herstellung von integrierten Schaltkreisen (ICs) verwendet werden.
In einem solchen Fall kann die Maske (Strichplatte) ein Schaltkreismuster
entsprechend einer einzelnen Schicht des IC enthalten und dieses
Muster kann auf einen Zielabschnitt (der einen oder mehrere Rohwafer
aufweist) auf einem Substrat (Siliciumwafer) abgebildet werden,
welches mit einer Schicht aus strahlungsempfindlichen Material (Resist) überzogen
wurde. Für
gewöhnlich
enthält
ein einzelnes Substrat ein ganzes Netzwerk von Zielabschnitten,
welche aufeinanderfolgend durch die Maske jeweils einzeln bestrahlt
werden. Bei einem Typ von lithographischer Projektionsvorrichtung
wird jeder Zielabschnitt bestrahlt, indem das gesamte Maskenmuster
in einem Durchgang auf den Zielabschnitt belichtet wird; eine derartige
Vorrichtung wird allgemein als Waferstepper bezeichnet. Bei einer
anderen Vorrichtung – welche üblicherweise
als Step-and-Scan-Vorrichtung bezeichnet
ist – wird
jeder Zielabschnitt bestrahlt, indem progressiv das Maskenmuster
unter dem Projektionsstrahl in einer gegebenen Referenzrichtung (der „Abtastrichtung") abgetastet wird,
während
synchron der Substrattisch parallel oder antiparallel zu dieser
Richtung abgetastet wird; da für
gewöhnlich das
Projektionssystem einen Vergrößerungsfaktor
M (üblicherweise < 1) hat, ist die
Geschwindigkeit V, mit der der Substrattisch abgetastet wird, um
einen Faktor M mal größer als
diejenige, mit der der Maskentisch abgetastet wird. Nähere Informationen
bezüglich
lithographischen Vorrichtungen, wie sie hier beschrieben werden,
lassen sich der internationalen Patentanmeldung WO 97/33205 entnehmen.
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Für gewöhnlich enthält eine
Vorrichtung dieses Typs einen einzelnen ersten Objekt-(Masken-)Tisch und
einen einzelnen zweiten Objekt-(Sustrat-)Tisch. Es werden jedoch
Maschinen verfügbar, bei
denen es wenigstens zwei unabhängig
voneinander bewegliche Substrattische gibt; siehe beispielsweise
die mehrstufige Vorrichtung, wie sie in den internationalen Patentanmeldungen
WO 98/28665 und WO 98/40791 beschrieben ist. Das grundlegende Arbeitsprinzip
hinter einer derartigen mehrstufigen Vorrichtung ist, dass, während ein
erster Substrattisch unterhalb des Projektionssystems ist, um die
Belichtung eines ersten Substrats zu ermöglichen, welches auf diesem
Tisch liegt, ein zweiter Substrattisch in eine Ladeposition fahren
kann, ein belichtetes Substrat abgeben kann, ein neues Substrat
aufnehmen kann, einige anfängliche
Messschritte am neuen Substrat durchführen kann und dann in Bereitschaft stehen
kann, um dieses neue Substrat in die Belichtungsposition unter dem
Projektionssystem zu überführen, sobald
die Belichtung des ersten Substrates abgeschlossen ist, wonach sich
dieser Zyklus wiederholt; auf diese Weise ist es möglich, einen
wesentlich erhöhten
Maschinendurchsatz zu erreichen, was wiederum die Betriebskosten
der Maschine verbessert.
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Bei
einer bekannten lithographischen Vorrichtung weist die Antriebseinheit
des Positioniermechanismus für
den Substrattisch zwei lineare Y-Motoren auf, von denen jeder einen
Stator aufweist, der sich parallel zur Y-Richtung erstreckt und
an einer Basis des Positioniermechanismus festgelegt ist, sowie
einen Translator (Y-Gleiter), der entlang des Stators bewegbar ist.
Die Basis ist an dem Rahmen der lithographischen Vorrichtung festgelegt.
Die Antriebseinheit weist weiterhin einen linearen X-Motor auf, der einen
Stator enthält,
der sich parallel zur X-Richtung erstreckt, und einen Translator
(X-Gleiter), der entlang des Stators bewegbar ist. Der Stator ist
an einem X-Träger
angeordnet, der nahe seinen jeweiligen Enden an den Translatoren
der linearen Y-Motoren festgelegt ist. Diese Anordnung ist daher H-förmig mit
den beiden Y-Motoren, welche die „Schenkel" bilden und dem X-Motor, der das „Querstück" bildet und diese
Anordnung wird oftmals als H-Antrieb oder Brücke bezeichnet. Die
US 4,655,594 beschreibt
eine derartige Anordnung, welche hydraulische Linearmotoren verwendet
und die Möglichkeit erwähnt, elektrische
Linearmotoren zu verwenden.
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Das
angetriebene Objekt, in diesem Fall der Substrattisch, ist mit einem
sogenannten Luftsockel versehen. Der Luftsockel weist ein Gaslager
auf, mittels dem der Substrattisch so getragen wird, dass er entlang
einer Führungsoberfläche auf
der Basis bewegbar ist, welche sich rechtwinklig zu der Z-Richtung
erstreckt.
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Um
es einem solchen H-Antrieb zu ermöglichen, eine Gierbewegung
(Drehung um die Z-Achse) des angetriebenen Objekts aktiv zu steuern,
werden die beiden linearen Y-Motoren unabhängig angetrieben und der X-Träger ist
für gewöhnlich an
den Y-Translatoren
mittels Schwenklagern angeordnet (obgleich die
US 4,655,594 vorschlägt, dass
eine steife Verbindung verwendet werden kann). Bei dieser Anordnung
zeigen sich jedoch sehr hohe Lasten an den Schwenkpunkten zwischen
dem X-Träger und
den Y-Gleitern. Die Schwenkpunkte müssen nicht nur Schubkräfte vom
X-Motor über
die Seitenlager auf die umgebende Struktur aufnehmen, sondern auch
die Stellkräfte
vom Y-Motor. Dies stellt sehr hohe Anforderungen an die üblicherweise
für solche Schwenkverbindungen
verwendeten elastischen Scharniere, insbesondere wenn der Gierbewegungsbereich
relativ hoch ist.
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Weitere
Probleme ergeben sich, da die Schwenkverbindungen an dem X-Träger nicht
immer auf der Kraftlinie für
die Y-Motoren positioniert werden können, so dass das Seitendrucklager
des Y-Gleiters sowohl die X-Reaktionskräfte als auch das Moment aufzunehmen
hat, welches von den Y-Stellkräften
und dem Versatz zwischen den Schwenkpunkten und der Y-Kraftlinie
erzeugt wird. Die sich ergebenden hohen Lasten bei der bekannten
Anforderung führen
daher zu einer Auslegung, welche umständlich und schwer ist.
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Die
US 4,655,594 beschreibt
eine Verstellvorrichtung, welche in einer lithographischen Vorrichtung
verwendbar ist und hydraulische Linearmotoren in einer H-förmigen Anordnung verwendet.
Die
US 5,760,564 beschreibt
einen dualen Führungsträger-Stufenmechanismus,
bei dem zwei Träger
in Kreuzform angeordnet sind.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Positioniervorrichtung
zu schaffen, welche die Probleme bekannter Positioniervorrichtungen
vermeidet oder mindert.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Positioniervorrichtung zur translatorischen
und drehenden Positionierung eines beweglichen Objekts in einer
Ebene geschaffen, wobei die Vorrichtung aufweist:
erste und
zweite im wesentlichen parallele seitliche Träger, auf denen entsprechende
erste und zweite Gleiter gleitbeweglich angeordnet sind;
erste
und zweite Motorvorrichtungen, welche die ersten und zweiten Gleiter
entlang ihrer jeweiligen seitlichen Träger zu bewegen vermögen;
einen
Querträger,
der nahe seiner ersten und zweiten Enden entsprechend an den ersten
und zweiten seitlichen Trägern
angeordnet ist und auf dem ein dritter Gleiter angeordnet ist, wobei
der Querträger
und die ersten und zweiten Gleiter so miteinander verbunden sind,
dass sie einen Körper
bilden, der bei einer Translation in der Ebene und bei einer Drehung
um die Achse senkrecht zu der Ebene im wesentlichen starr ist;
eine
dritte Motorvorrichtung, welche den dritten Gleiter entlang des
Querträgers
zu bewegen vermag, wobei der dritte Gleiter einen Objekthalter aufweist,
um das bewegliche Objekt zu halten;
ein Axiallager, welches
schwenkbeweglich an dem ersten Gleiter angeordnet ist, um Kräfte in der
Ebene und senkrecht zu dem ersten seitlichen Träger zwischen dem Querträger und
dem ersten seitlichen Träger
zu übertragen.
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Durch
Anordnen des Querträgers
(X-Trägers)
und der ersten und zweiten (Y-)Gleiter drehsteif um eine Achse (der
Z-Achse) senkrecht zur Bewegungsebene des beweglichen Objekts (XY-Ebene), sowie
gegenüber
Translationen in besagter Ebene, bilden der X-Träger und die Y-Gleiter in der
XY-Ebene einen steifen Körper.
Dies beseitigt die Notwendigkeit für Schwenklager, die in der
Lage sind, die Y-Stellkräfte
und X-Reaktionskräfte auf
und von dem X-Träger
zu übertragen
und vereinfacht den Aufbau der Vorrichtung.
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Weiterhin überträgt das schwenkbeweglich zwischen
dem Gleiter und dem seitlichen Träger angeordnete Axiallager
Kräfte
in der (nominalen) X-Richtung auf den seitlichen Träger, ohne
dass irgendwelche Kräfte
in Y-Richtung aufgenommen werden, was den Aufbau von Lager und Schwenkpunkt vereinfacht.
Es findet auch kein „Übersprechen" zwischen X- und
Y-Kräften
statt; die Übertragung
der Kräfte
in X-Richtung verursacht
keine Kräfte
in Y-Richtung.
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Die
Motoren, welche die ersten und zweiten (Y-)Gleiter antreiben, können Linearmotoren
sein mit einem Stator, der am Träger
angeordnet ist und einem Anker, der im Gleiter ist. Die Motoren
können
so sein, dass sie im wesentlichen konstante Charakteristiken unabhängig von
der Winkel-(Gier-)Position der Y-Gleiter liefern, beispielsweise
durch einen Anker aus Magneten, die in einem Fischgrätmuster
angeordnet sind oder die Antriebssoftware oder -hardware vermag,
gierabhängige
Eigenschaften des Motors zu kompensieren.
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Ein
Beschädigungsschutz
kann vorteilhafterweise durch einen Gier- und/oder Gierratensensor und
eine Unterbrechung vorgesehen sein, welche eine Energiezufuhr an
den Motoren für
den Fall eines überhohen
Gierens oder einer überhohen
Gierrate des X-Trägers
zu unterbrechen vermag. Nachgiebige Puffer, welche die Y-Träger für den Fall
von außerhalb
eines Bereichs liegenden Gierbewegungen zu kontaktieren vermögen, können zusätzlichen
Schutz liefern.
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Die
vorliegende Erfindung schafft auch eine lithographische Projektionsvorrichtung
zur Abbildung eines Maskenmusters in einer Maske auf ein Substrat,
das mit einer strahlungsempfindlichen Schicht versehen ist, wobei
die Vorrichtung aufweist:
ein Beleuchtungssystem zur Bereitstellung
des Projektionsstrahls einer Strahlung;
einen ersten Objekttisch
zum Halten einer Maske;
einen zweiten Objekttisch zum Halten
eines Substrats;
ein Projektionssystem zum Abbilden bestrahlter
Abschnitte auf der Maske auf Zielabschnitte auf dem Substrattisch;
eine
Positioniervorrichtung zur Positionierung wenigstens eines der Objekttische
in einer Ebene, wobei die Positioniervorrichtung wie oben beschrieben ausgebildet
ist.
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Gemäß noch einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung
einer Vorrichtung unter Verwendung einer lithographischen Projektionsvorrichtung
geschaffen, aufweisend:
ein Beleuchtungssystem zur Lieferung
eines Projektionsstrahls einer Strahlung;
einen ersten beweglichen
Objekttisch mit einem Maskenhalter zum Halten einer Maske;
einen
zweiten beweglichen Objekttisch mit einem Substrathalter zum Halten
eines Substrats; und
ein Projektionssystem zum Abbilden bestrahlter
Abschnitte auf der Maske auf Zielabschnitte auf dem Substrat, wobei
das Verfahren die Schritte aufweist von:
Bereitstellen einer
Maske, die ein Muster trägt,
an dem ersten beweglichen Objekttisch;
Bereitstellen eines
Substrats mit einer strahlungsempfindlichen Schicht an dem zweiten
beweglichen Objekttisch;
Bestrahlen von Abschnitten der Maske
und Abbilden der bestrahlten Abschnitte auf der Maske auf die Zielabschnitte
des Substrats;
Positionieren eines der beweglichen Objekttische
vor oder während
der Schritte des Bestrahlens und Abbildens mit einer Positioniervorrichtung,
wie sie oben beschrieben ist.
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Bei
einem Herstellungsprozess unter Verwendung einer erfindungsgemäßen lithographischen Projektionsvorrichtung
wird ein Muster in einer Maske auf ein Substrat abgebildet, welches
zumindest teilweise mit einer Schicht aus strahlungsempfindlichem
Material (Resist) bedeckt ist. Vor diesem Abbildungsschritt kann
das Substrat verschiedene Behandlungen durchlaufen, beispielsweise
Priming, Resistbeschichten und Weichbacken. Nach der Belichtung
kann das Substrat anderen Behandlungen unterworfen werden, beispielsweise
Nachbelichtungsbacken (PEB), Entwicklung, Hartbacken und Messung/Überprüfung der
abgebildeten Merkmale. Diese Reihe von Behandlungen wird als Grundlage zur
Musterung einer individuellen Schicht einer Vorrichtung, z. B. eines
IC verwendet. Eine derartig gemusterte Schicht kann dann verschiedenen
Prozessen unterworfen werden, wie Ätzen, Ionenimplantation (Dotierung),
Metallisierung, Oxidation, chemisch-mechanisches Polieren etc.,
welche alle beabsichtigen, eine einzelne Schicht endzubearbeiten. Wenn
mehrere Schichten notwendig sind, wird der gesamte Ablauf oder eine
Variante hiervon für
jede neue Schicht wiederholt. Schließlich ist ein Feld von Vorrichtungen
auf dem Substrat (Wafer) vorhanden. Diese Vorrichtungen werden dann
voneinander durch eine Technik wie Trennschneiden oder Sägen getrennt,
wonach die individuellen Vorrichtungen auf einem Träger angeordnet
werden können,
mit Stiften verbunden werden können
etc. Weitere Informationen betreffend diese Vorgänge lassen sich beispielsweise
dem Buch „Microchip
Fabrication: A Practical Guide to Semiconductor Processing", Third Edition, bei
Peter van Zant, McGraw Hill Publishing Co., 1997, ISBn 0-07-067250-4
entnehmen.
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Obgleich
in diesem Text konkreter Bezug genommen wird auf die Verwendung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bei der Herstellung ICs, sei ausdrücklich festgehalten, dass eine
derartige Vorrichtung viele andere Anwendungsmöglichkeiten hat. Beispielsweise
kann sie bei der Herstellung von integrierten optischen Systemen,
Lenk- und Richtmustern für
Magnetic-Domain-Speichern, Flüssigkristallanzeigeschirmen,
Dünnfilmmagnetköpfen etc.
verwendet werden. Der Fachmann auf dem Gebiet erkennt, dass im Zusammenhang
mit solch anderen Anwendungsfällen
jegliche Verwendung der Begriffe „Strichplatte", „Wafer" oder „Rohchip" in diesem Text durch
die allgemeineren Begriffe „Maske", „Substrat" und „Zielabschnitt" oder „Belichtungsbereich" ersetzbar ist.
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In
der vorliegenden Beschreibung werden die Begriffe Strahlung und
Projektionsstrahl verwendet, um alle Arten von elektromagnetischer
Strahlung oder Partikelfluss zu umfassen, einschließlich, jedoch
nicht ausschließlich
ultraviolette Strahlung (z. B. mit einer Wellenlänge von 365, 248, 139, 157
oder 126 nm), EUV, Röntgenstrahlen,
Elektronen und Ionen.
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf beispielhafte
Ausführungsformen
und die beigefügte
schematische Zeichnung beschrieben, in der:
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1 eine
lithographische Projektionsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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2 eine
Draufsicht auf die Waferstufe ist, aufweisend den Substrattisch
und eine Antriebseinheit in der Vorrichtung von 1;
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3 eine
vergrößerte Seitenansicht
des X-Trägers
der Waferstufe von 2 ist;
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4 eine
vergrößerte Draufsicht
auf den X-Träger
der Waferstufe von 2 ist;
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5 eine
Draufsicht auf einen Teil einer Waferstufe gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung ist;
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6 eine
Seitenansicht eines Teils der Waferstufe von 5 ist;
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7 eine
vergrößerte teilweise
geschnittene Ansicht von Überfahrschutzstiften
in der Waferstufe von 5 ist;
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8 eine
vergrößerte Seitenansicht
eines Teils der Waferstufe von 2 ist;
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9 eine
Draufsicht auf den Teil der Waferstufe von 8 ist;
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10 eine
Draufsicht auf eine Lageranordnung ist, die in einer dritten Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird;
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11 eine
Seitenansicht der Lageranordnung von 10 ist;
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12 eine
Seitenansicht eines Endes des X-Trägers einer vierten Ausführungsform
der Erfindung ist und einen Zusammenstoßverhinderungsmechanismus zeigt;
und
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13 und 14 Ansichten
von unten auf das Ende des X-Auslegers der vierten Ausführungsform
in einer normalen Position bzw. einer Position mit exzessiver Gierbewegung
sind.
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In
der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.
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Ausführungsform 1
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1 zeigt
schematisch eine lithographische Projektionsvorrichtung gemäß der Erfindung. Die
Vorrichtung weist auf:
- • ein Bestrahlungssystem LA,
IL zur Lieferung eines Projektionsstrahls PB einer Strahlung (z.
B. UV- oder EUV-Strahlung);
- • einen
ersten Objekttisch (Maskentisch) MT mit einem Maskenhalter zum Halten
einer Maske MA (z. B. einer Strichplatte) und in Verbindung mit ersten
Positioniermitteln zum genauen Positionieren der Maske gegenüber dem
Gegenstand PL;
- • einen
zweiten Objekttisch (Substrattisch) WT mit einem Substrathalter
zum Halten eines Substrates W (z. B. einem resistbeschichteten Siliciumwafer)
in Verbindung mit zweiten Positioniermitteln zum genauen Positionieren
des Substrats gegenüber
dem Gegenstand PL;
- • ein
Projektionssystem („Linse") PL (z. B. ein refraktives
oder katadioptrisches System, eine Spiegelgruppe oder eine Anordnung
von Feldablenkern) zur Abbildung eines bestrahlten Abschnittes der
Maske MA auf einen Zielabschnitt C des Substrats W.
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Wie
hier dargestellt ist die Vorrichtung von transmissivem Typ (d. h.
hat eine durchlässige
Maske). Sie kann jedoch allgemein auch beispielsweise vom reflektiven
Typ sein.
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Im
hier dargestellten Beispiel weist das Bestrahlungssystem eine Quelle
LA (z. B. eine Hg-Lampe, einen Excimerlaser, eine Laser- oder Entladungsplasmaquelle
oder einen Undulator um den Pfad einen Elektronenstrahls in einem
Speicherring oder Synchrotron herum oder eine Elektronen- oder Ionenstrahlquelle)
auf, welche einen Strahl von Strahlung erzeugt. Dieser Strahl wird
entlang verschiedener optischer Bauteile geführt, die im Beleuchtungssystem
IL vorhanden sind – z.
B. eine strahlformende Optik Ex, einen Integrierer IL und einen
Kondensor CO – so
dass der sich ergebende Strahl PB eine gewünschte Form und Intensitätsverteilung
hat.
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Der
Strahl PB durchtritt nachfolgend die Maske MA, die in einem Maskenhalter
auf einem Maskentisch MT gehalten ist. Nach dem Durchlaufen der
Maske MA läuft
der Strahl PB durch die Linse PL, die den Strahl PB auf einen Zielabschnitt
C auf dem Substrat W fokussiert. Unter Zuhilfenahme der interferometrischen
Verschiebungsmessmittel IF kann der Substrattisch WT genau durch
die zweiten Positioniermittel bewegt werden, beispielsweise um unterschiedliche
Zielabschnitte C im Pfad des Strahls PB zu positionieren. Auf ähnliche
Weise können
die ersten Positioniermittel mit Zuhilfenahme der interferometrischen
Verschiebungsmessmittel verwendet werden, um die Maske MA genau
gegenüber
dem Pfad des Strahls PB zu positionieren, z. B. nach der mechanischen
Entnahme der Maske MA aus einer Maskenbibliothek. Allgemein gesagt,
eine Bewegung der Objekttische MT und WT erfolgt unter Zuhilfenahme
eines langhubigen Moduls (Grobpositionierung) und eines kurzhubigen
Moduls (Feinpositionierung), welche in 1 nicht
näher dargestellt
sind.
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Die
dargestellte Vorrichtung kann in zwei unterschiedlichen Betriebsarten
verwendet werden:
- 1. Im Step-Modus wird der
Maskentisch MT im wesentlichen ortsfest gehalten und ein gesamtes Maskenbild
wird in einem Durchgang (d. h. einem einzelnen „Flash") auf einen Zielabschnitt C projiziert.
Der Substrattisch WT wird dann in x- und/oder y-Richtung verschoben, so
dass ein unterschiedlicher Zielabschnitt C durch den Strahl PB bestrahlt
werden kann;
- 2. Im Scan-Modus trifft im wesentlichen das gleiche Szenario
zu, mit der Ausnahme, dass ein gegebener Zielabschnitt C nicht in
einem einzelnen „Flash" belichtet wird.
Anstelle hiervon ist der Maskentisch MT in einer bestimmten Richtung (der
sogenannten „Abtastrichtung", beispielsweise
der x-Richtung) mit einer Geschwindigkeit v bewegbar, so dass der
Projektionsstrahl PB veranlasst wird, ein Maskenbild abzutasten;
gleichzeitig wird der Substrattisch WT simultan in gleiche oder
entgegen gesetzte Richtung mit einer Geschwindigkeit V = Mv bewegt,
wobei M die Vergrößerung der
Linse PL ist (typischerweise M = 1/4 oder 1/5). Auf diese Weise
kann ein relativ großer
Zielabschnitt C belichtet werden, ohne dass Kompromisse bei der
Auflösung
gemacht werden müssen.
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2 zeigt
die Waferstufe der lithographischen Vorrichtung der ersten Ausführungsform
in Draufsicht. Der Wafer W ist auf einem Substrattisch (Wafertisch)
WT angeordnet, der durch einen Grobpositioniermechanismus (langhubiges
Modul) positioniert ist, der insgesamt mit 10 bezeichnet
ist. Der Grobpositioniermechanismus hat im wesentlichen H-förmige Ausgestaltung,
wobei der Querstrich von einem X-Träger 11 gebildet
wird und die aufrechten Striche durch Y-Träger 12a, 12b.
Diese Träger
werden so genannt, da sie im wesentlichen parallel zu zueinander
senkrechten X- und Y-Achsen eines Referenz-Koordinatensystems sind,
welches für
die Vorrichtung definiert ist.
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Es
sei festzuhalten, dass der Wafertisch WT weitere Positioniersysteme
enthalten kann, welche dem Grobpositioniermechanismus nachgeschaltet sind,
um die Position des Wafers in einem oder allen sechs möglichen
Freiheitsgraden zu steuern. Die Arbeitsweise eines solchen Feinpositioniersystems
ist nicht besonders relevant für
die vorliegende Erfindung und eine Beschreibung hiervon wird daher
aus Gründen
der Kürze
weggelassen.
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Der
Wafertisch WT wird auf dem X-Träger 11 durch
einen X-Gleiter 111 gelagert, der einen Linearmotor enthält, der
gegen eine Magnetspur 112 wirkt, was es ermöglicht,
dass der Wafertisch WT linear entlang des X-Trägers 11 verschoben
wird. In alternativen Ausführungsformen
der Erfindung kann der Wafertisch WT einfach in X, Y und Rz durch
den X-Gleiter 111 angetrieben werden und in Z, Rx und Ry
separat gelagert sein, beispielsweise durch einen Luftsockel über einer
Führungsoberfläche aus
dem Maschinenrahmen oder dem X-Träger 11. Der X-Träger 11 ist
nahe seiner Enden mit entsprechenden Y-Gleitern 121a, 121b angeordnet,
welche ähnlich zum
X-Gleiter 111 Linearmotoren enthalten, welche gegen Magnetspuren 122a und 122b wirken,
was es ermöglicht,
dass der Träger
entlang der Y-Richtung verschoben wird.
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Die
Verschiebung des X-Gleiters 111 längs des X-Trägers 11 und
die Verschiebung des X-Trägers 11 in
Y-Richtung erlaubt, dass der Wafertisch WT in der X-Y-Ebene grobpositioniert
wird.
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Eine
unabhängige
Steuerung der Y-Gleiter 121a und 121b erlaubt,
dass die Drehposition des Wafertisches WT um die Z-Achse (Gierbewegung) innerhalb
eines gewissen Bereichs gesteuert wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist der X-Träger
mit den Y-Gleitern 121a, 121b zumindest in X-
und Y-Richtungen und gegen eine Drehung Rz um die Z-Achse steif
verbunden, um in der X-Y-Ebene einen steifen Körper zu bilden. Dies beseitigt
die Notwendigkeit für
Rz-Schwenklager zwischen dem X-Träger 11 und den Y-Gleitern 121a, 121b und
stellt eine direkte Ankopplung der Betätigungskräfte in Y-Richtung an den X-Träger 11 sicher.
Wie nachfolgend noch beschrieben wird, kann die Verbindung des X-Trägers mit
den Y-Gleitern auch in Z steif sein und eine Seite kann auch in
Rx steif sein. Bevorzugt ist keine Seite steif in Ry verbunden.
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Der
X-Gleiter 111 ist schachtelförmig und umgibt den X-Träger 11.
Alternativ kann er die Form eines auf dem Kopf stehenden U haben,
das über
der Oberseite des X-Trägers 11 angeordnet
ist. Der X-Gleiter 111 wird von Luft-(Gas-)Lagern mit gegenüber liegenden
Kissen getragen, um längs
des X-Trägers 11 (in
nominaler X-Richtung)
im wesentlichen reibungsfrei verschiebbar zu sein, ist jedoch relativ
zu X-Träger derart
begrenzt, dass er sich weder in Y- und Z-Richtungen bewegen kann,
noch eine Gierbewegung ausführen
kann. Der X-Träger 11 selbst
ist ein mehrzelliger hohler Träger
mit wenigstens drei sich in Längsrichtung
erstreckenden Zellen, deren mittlere asymmetrisch in Z-Richtung
versetzt ist, um den ortsfesten Teil, z. B. die Magnetspur 112 oder eine
Spulenanordnung des X-Motors aufzunehmen, so dass die Antriebskraft
des X-Motors so nahe als möglich
am Massenschwerpunkt der beweglichen Masse liegt. Der X-Gleiter 111 und
der X-Träger 11 können aus
einem technischen Keramikmaterial sein, beispielsweise Al2O3, SiC, SiSiC,
CSiC, etc., um sicherzustellen, dass sie relativ hohe Eigenfrequenzen
haben.
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Die
Reaktionskräfte
in nominaler X-Richtung, d.h. die X-Komponente von Reaktionskräften, die
durch eine Verschiebung des X-Gleiters 111 und des Wafertischs
WT entlang des X-Trägers 11 erzeugt
werden, werden dem Y-Träger 12a übertragen. Dies
erfolgt durch ein seitliches Axiallager 123a, welches mittels
eines Schwenkpunkts 124a mit dem Y-Gleiter 121a verbunden
ist und sich an einer aufrechten Wand 125a abstützt, die
an äußeren Rand des
Y-Trägers 12a ausgebildet
ist. Das seitliche Axiallager 123a kann ein einseitiges
aerostatisches Axiallager aufweisen mit einer magnetischen Vorlast oder
Unterdruck-Vorlast einer Größe ausreichend größer – einschließlich Sicherheitsfaktoren – als die bei
der Verwendung des Positioniermechanismus zu erwartende maximale
Reaktionskraft. Eine Alternative wäre ein doppelseitiges Luftlager
(Luftlager mit gegenüber
liegenden Kissen), welches auf gegenüber liegende Flächen der
Wand 125a wirkt.
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Ein
zweites Axiallager 123b ist am Y-Gleiter 121b angeordnet,
um einen Encoder-Lesekopf 127b zu
tragen, der nachfolgend noch erläutert
wird. Das Axiallager 123b ist am Y-Gleiter 121b über einen Schwenkpunkt 124b angeordnet,
der eine Blattfederanordnung oder ein Linearlager enthält, beispielsweise
eine Kreuzrollenführung,
um Freiheit für
eine Bewegung in X-Richtung zu haben. Dies nimmt eine Verringerung
der effektiven Länge
des X-Trägers 11 in
X-Richtung auf, wenn der Gierwinkel zunimmt (sogenannte Kosinusverkürzung) und
stellt sicher, dass das Axiallager 123b in Kontakt mit
der Wand 125b bleibt.
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Wie
in 8 gezeigt, welche eine Seitenansicht auf ein Ende
des X-Trägers 11,
Y-Gleiters 121 und
Axiallager 123 ist und 9 gezeigt,
welche eine Draufsicht auf diese Bauteile ist, weist das Axiallager 123 ein
Jochteil 30 auf, welches am Y-Gleiter 121 über den
Schwenkpunkt 124 angeordnet ist und Lager 31 trägt. Das
Jochteil 30 weist Holme 30a, 30b auf,
die sich horizontal von den oberen Ecken einer Platte 30c zum
Schwenkpunkt 124 erstrecken. Die Platte 30c erstreckt
sich zwischen dem Y-Gleiter 121 und
der Wand 125 am Y-Träger 12 aus
vertikal nach unten und trägt
Lager 31, die sich an der Wand 125 abstützen. Die
Mittellinie der Lager 31 ist hierbei in Fluchtung mit den
X-Reaktionskräften
angeordnet, die von Verschiebungen des X-Gleiters (nicht gezeigt) entlang des
X-Trägers 11 erzeugt
werden.
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Da
der X-Träger 11 und
die Y-Gleiter 121a, 121b in der XY-Ebene einen
steifen Körper
bilden, werden, wenn der X-Träger 11 aus
der Parallelität
zur X-Achse verschoben wird, um eine Gierpositionierung des Wafertischs
WT zu bewirken, die Linearmotoren der Y-Gleiter 121a und 121b entsprechend
relativ zu ihren Magnetspuren 122a, 122b gedreht. Wenn
die Y-Motoren vom herkömmlichen
Typ mit Eisenankern und einer einfach schräg gestellten Anordnung von
Magneten in der Spur sind, lassen sich die sich ergebenden Änderungen
in der Motorkonstante und Versatzkraft mittels Software kompensieren.
Alternativ können
mehrphasige eisenlose Linearmotoren des Lorentz-Typs verwendet werden,
welche mit dem Gierwinkel keine merklichen Änderungen in der Motorleistung
zum Ergebnis haben. Eine weitere Alternative ist die Verwendung
von Magnetspuren, bei denen die Magnete ein Fischgrätmuster bilden.
Bei einer derartigen Anordnung heben Änderungen der Motorkonstante
und der Verzahnungskraft auf einer Seite des Fischgrätmusters
annähernd exakt
diejenigen auf der gegenüber
liegenden Seite auf, was zu einer Motoranordnung führt, welche
im wesentlichen unempfindlich gegenüber Gierbewegungen ist.
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Wie
in 4 gezeigt, ist der X-Träger 11 mit den Y-Gleiters 121a, 121b an
Schwenkpunkten 126a, 126b verbunden. Die Schwenkpunkte 126a, 126b sind
so angeordnet, dass sie eine Rollbewegung (Drehung Ry) zwischen
dem X-Träger 11 und den
Y-Gleitern 121a, 121b ermöglichen,
um jegliche Abweichungen in der Parallelität in den oberen Lagerflächen der
Y-Träger 12a, 12b aufzunehmen.
Derartige Abweichungen können
aufgrund einer Höhendifferenz
oder Fehlausrichtung zwischen den beiden Trägern auftreten. Der Winkelbereich
für die
notwendige Freiheit ist begrenzt und kann durch elastische Verbindungen
(sogenannte Kreuzschwenkverbinder) oder durch normale Drehlager
(beispielsweise Rollen oder Kugellager) geschaffen werden.
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Eine
der Verbindungen 126a, 126b, bei der vorliegenden
Ausführungsform
die Verbindung 126a, ist steif gegenüber einer Drehung (Rx) um eine
Achse parallel zur X-Richtung,
so dass der X-Träger 11 gegenüber Nickbewegungen
gelagert ist. Die andere, bei dieser Ausführungsform die Verbindung 126b, hat
für Nickbewegungen zwischen
dem X-Träger 11 und
dem Y-Gleiter 121b erhebliche Freiheit. Dies vermeidet
jegliche Torsionskräfte
im X-Träger 11,
welche ansonsten durch Abweichungen der Parallelität der beiden
Y-Träger 12a, 12b verursacht
werden würden.
Die Rx-Freiheit
in der Verbindung 126b wird durch einen einfachen Schwenkpunkt,
ein elastisches Teil oder andere Mittel zwischen dem X-Träger 11 und
dem Y-Gleiter 121b geschaffen, so dass die beiden Y-Gleiter 121a, 121b im
wesentlichen identisch sind und sicherstellen, dass der Encoderkopf 127b parallel
zu dem linearen Grating 128b verbleibt. Eine Alternative
zum Schwenklager wäre
eine vertikale Lageranordnung, welche den Y-Gleiter 121b an dem
Axiallager 12b trägt,
welches eine Lastaufnahmekapazität
in vertikaler Richtung hat, jedoch vernachlässigbare Steifigkeit gegenüber Nicken
und Rollen.
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Um
die Positionen der Y-Gleiter 121a, 121b zu bestimmen,
sind inkrementierende Encoder 127a, 127b und lineare
Gratings 128a, 128b auf den Y-Trägern 12a, 12b vorgesehen.
Die inkrementierenden Encoder 127a, 127b können auf übliche Weise
an den Axiallagern 123a, 123b angeordnet sein,
und somit verbleibt ihre Ausrichtung relativ zu den Gratings 128a, 128b.
Alternativ können
sie an den Y-Gleitern 121a, 121b angeordnet werden
und die durch Gierbewegungen des X-Trägers 11 verursachte
Kosinusverkürzung
wird durch die Bereitstellung eines Mechanismus, beispielsweise
eines Linearlagers oder einer Blattfederanordnung kompensiert.
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Zum
Zweck der Motor-Kommutation ist es notwendig, die Y-Positionen der
Y-Gleiter 121a, 121b entlang der Mittellinien
der Motoren zu kennen. Mittels der Encoder 127a, 127b,
die an den Axiallagern 123a, 123b angeordnet sind,
lassen sich die Mittellinienpositionen direkt erhalten, indem die
Schwenkpunkte 124a, 124b exakt auf den Mittellinien
positioniert werden. Alternativ können die Mittellinienpositionen
aus einem Hardware- oder Software-Interpolationsalgorithmus erhalten
werden, wenn die Abstände
zwischen den Motormittelpunkten und den Schwenklagerpunkten bekannt
sind. Diese Alternative schafft wesentliche zusätzliche Flexibilität bei der mechanischen
Ausgestaltung der Axiallageranordnungen.
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Ein Überfahrschutz
in X- und Y-Richtung wird durch einfache elastische (z. B. vorgespannte Schrauben
oder Konusfedern) oder Viskositätsvorrichtung
(z. B. hydraulische Dämpfer)
oder durch eine Kombination hiervon geschaffen.
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Der Überfahrschutz
bei der Gierbewegung macht nötig,
dass hohe Momentlasten in der gesamten Positioniervorrichtung durch
ein System von Kräften
begrenzt werden, welche zwischen den Y-Gleitern 121a, 121b und
den Y-Trägern 12a, 12b wirken, da
letztere die alleinige Verbindung zur äußeren Umgebung bilden. Um zu
verhindern, dass überhohe Gierkorrekturkräfte in X-Richtung
bewirken, dass die Axiallager 123a, 123b von ihren
Lagerflächen
weggezogen werden, ist ein Gierratensensor 113 am X-Träger 11,
X-Gleiter 111 oder Wafertisch WT angeordnet. Wenn erkannt
wird, dass eine Gierrate eine festgesetzte Sicherheitsgrenze übersteigt,
wird ein fest verdrahteter Schutzschaltkreis ausgelöst, um alle
Motoren abzuschalten, so dass ein weiterer Anstieg der kinetischen
Rotationsenergie verhindert wird. Die kinetische Rotationsenergie,
die vor der Motorabschaltung vorhanden ist, kann durch ein kontrolliertes
Auflaufen mittels elastischer und/oder viskoser Dämpfer 114 am
X-Träger 11 aufgenommen
werden, so dass an den Seiten der Y-Träger 12a, 12b aufgelaufen
wird.
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Alternativ
können
die inkrementierenden Encoder 127a, 127b und linearen
Gratings 128a, 128b verwendet werden, um die Gierbewegung
und Gierrate zu bestimmen. Wenn die Gierbewegung, die Gierrate oder
eine Kombination hiervon erkannt wird, welche eine vorher gesetzte
Sicherheitsgrenze übersteigt,
können
alle Motoren abgeschaltet werden, um einen weiteren Anstieg der
Rotationsenergie zu verhindern.
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Ausführungsform 2
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Die 5 bis 7 zeigen
einen Teil einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung, der zusätzliche
Anordnungen für
einen Überfahrschutz
hat. Es ist nur eine Seite der Vorrichtung gezeigt; die andere ist ähnlich.
Nicht gezeigte oder nachfolgend nicht konkret beschriebene Teile
können ähnlich zu
den entsprechenden Teilen der ersten Ausführungsform sein.
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Wie
in den 5 und 6 gezeigt, ist eine Überfahrschutzstange 20 unterhalb
dem Y-Gleiter 121 benachbart der Verbindung zum X-Träger 11 angeordnet.
Die Überfahrschutzstange 20 erstreckt sich
in Y-Richtung zu jeder Seite des X-Trägers 11 und trägt an jedem
Ende zwei Überfahrschutzstifte 21.
Die Überfahrschutzstifte 21 stehen
von der Überfahrschutzstange 20 in
Richtung des Y-Trägers 12 und
liegen in Y-Richtung
Seite an Seite. In anderen Ausführungsformen
können
sie übereinander
oder diagonal angeordnet sein.
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7 zeigt
eine vergrößerte Teilschnittdarstellung
der beiden Überfahrschutzstifte 121.
Man sieht, dass jeder Überfahrschutzstift 21 einen
im wesentlichen zylindrischen Kopfabschnitt 21a, einen Flansch 21b um
das proximale Ende eines jeden Kopfabschnittes 21a herum
und einen Stababschnitt 21c aufweist, der sich koaxial
vom Kopfabschnitt 21a weg erstreckt. Eine zylindrische
Bohrung 22 ist durch jede Überfahrschutzstange 20 für jeden Überfahrschutzstift 21 ausgebildet.
Jede Bohrung 22 erstreckt sich im wesentlichen in X-Richtung
und hat einen Abschnitt 22a von relativ kleinem Durchmesser
benachbart dem Y-Träger 12,
der an einer Schulter 22b in einen Abschnitt 22c relativ
großen
Durchmessers auf der Seite entfernt vom Y-Träger 12 übergeht.
Der Überfahrschutzstift 21 ist
von der Seite entfernt vom Y-Träger 12 so
in die Bohrung 22 eingeführt, dass der Kopfabschnitt 21a durch
den Abschnitt 22a in Richtung des Y-Trägers 12 vorsteht,
jedoch daran gehindert ist, die Bohrung 22 vollständig zu
durchlaufen, da der Flansch 21b an der Schulter 22b anliegt.
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Ein
elastisches Bauteil 23, beispielsweise eine Schraubenfeder,
ist um den Stababschnitt 21c herum angeordnet und das Ende
der Bohrung 22 ist von einem Stopfen 24 verschlossen,
der eine mittige Durchgangsöffnung 24a hat,
durch welche der Stababschnitt 21c vorsteht. Das elastische
Bauteil 23 wirkt auf den Stopfen 24, so dass der
Stift 21 normalerweise in Richtung Y-Träger 12 vorgespannt
ist. Die unkomprimierte Länge
des elastischen Bauteils 23 und die Abmessungen der Bohrung 21 sind
so gewählt,
dass eine gewünschte
Vorlast auf den Überfahrschutzstift
wirkt.
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Die
Abmessungen der Überfahrschutzstange 20,
die Anordnung der Überfahrschutzstifte 21 und
die Vorstehlänge
des Kopfabschnittes 21a sind so gewählt, dass, wenn eine Gierbewegung
des X-Trägers 11 einen
Sicherheits- oder Zulässigkeitsbetrag überschreitet,
die Überfahrschutzstifte
in Kontakt mit der Seite des Y-Trägers 12 gelangen,
bevor irgendein anderes Teil der gierenden Anordnung, d. h. der
X-Träger 11,
der Y-Gleiter 121 oder die anderen Bauteile hieran auf
ein Hindernis treffen. Die Überfahrschutzstifte 21 werden
bei einer fortlaufenden Gierbewegung des X-Trägers 11 entgegen der Nachgiebigkeit
des elastischen Bauteils 23 eingedrückt, so dass die Überfahrschutzstifte
als Puffer wirken, so dass die gierende Anordnung weich aufschlägt.
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Das
elastische Bauteil 23 kann im wesentlichen elastisch sein
oder kann einen merklichen Betrag an Plastizität oder Reibung aufweisen, um
ein Rückprallen
zu verringern. Viskose oder andere Formen von Dämpfern können ebenfalls enthalten sein. Die
relativen Anordnungen und Längen
der Stifte an jedem Ende der Überfahrschutzstange 20,
die Elastizitätsmodule
der elastischen Bauteile 23 und der Grad der Vorspannung
können
verändert
werden, so dass die Stifte mit den Y-Trägern 12 gleichzeitig
oder sequentiell in Kontakt gelangen, um so einen gleichförmigen oder
progressiven Widerstand gegen die Gierbewegung zu erzeugen, sobald
der Kontakt erfolgt ist.
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Ausführungsform 3
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Die 10 und 11 zeigen
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung, die sich von den ersten und zweiten Ausführungsformen
hinsichtlich der Anordnung des seitlichen Axiallagers unterscheidet. Nur
eine Seite von Ausführungsform
3 ist gezeigt und die andere kann ähnlich sein oder das Axiallager kann
fehlen oder sie kann einen X-Translationsmechanismus zur Aufnahme
der Kosinusverkürzung
haben, wie oben erläutert.
In den 10 und 11 nicht
gezeigte oder nachfolgend nicht konkret beschriebene Teile können ähnlich zu
entsprechenden Teilen aus den ersten und zweiten Ausführungsformen
sein.
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In
der Ausführungsform
3 sind die Axiallager 122 mit den Y-Gleitern 121 durch
eine Blattfederanordnung 150 verbunden. Die Blattfedern
in der Anordnung 150 sind im wesentlichen vertikal, so
dass sie in Z im wesentlichen steif sind und sie sind angewinkelt,
so dass sie einen effektiven virtuellen Schwenkpunkt 124' definieren.
Der virtuelle Schwenkpunkt 124' ist bevorzugt so angeordnet, dass
er über
der Mittellinie der Y-Motor-Spur 122 liegt.
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Ausführungsform 4
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Die
vierte Ausführungsform,
welche gleich zu einer der ersten bis dritten Ausführungsformen
mit den nachfolgenden Ausnahmen sein kann, hat einen Überfahrschutzmechanismus 200 gemäß den 12 bis 14,
der einen Torsionsstab verwendet, um im Fall einer überhohen
Gierbewegung Energie aufzunehmen.
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Wie
in 12 gezeigt, ist der X-Träger 11 der vierten
Ausführungsform
mit dem Y-Gleiter 121 über ein
Kupplungsteil 201 verbunden, welches unterhalb des Y-Trägers 12 vorsteht.
Ein Rahmenwerk 202 erstreckt sich horizontal vom Kupplungsteil 201 unterhalb
des Y-Trägers 12,
um einen Torsionsstab 204 zu tragen, der in Y-Richtung
langgestreckt ist. Der Torsionsstab 204 hat an jedem Ende
ein Lager 205 und diese Lager 205 sind mit dem
Torsionsstab steif verbunden und stehen in eine Ausnehmung 206 vor,
die an der unteren Oberfläche
des Y-Trägers 12 ausgebildet
ist.
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Wenn
die Gierung (Rz-Position) des X-Trägers 11 innerhalb
annehmbarer Grenzen ist, besteht ein Abstand zwischen den Lagern 205 und
den Seitenwänden
der Ausnehmung 206; dies ist in 13 dargestellt.
Wenn jedoch die Gierung des X-Trägers 11 zu
hoch wird, gelangen die Lager 205 in Kontakt mit den Seitenwänden der
Ausnehmung 206, wie in 14 gezeigt.
Ein weiteres Gieren Rz des X-Trägers 11 verursacht
Reaktionskräfte
F1 und F2, die auf die
Lager 205 wirken. Die Reaktionskräfte F1,
F2 sind in entgegen gesetzten Richtungen
gerichtet, so dass auf den Torsionsstab 204 ein Drehmoment
ausgeübt wird.
Der Torsionsstab 204 kann sich zumindest bis zu einem bestimmten
Grad relativ zu dem Rahmenwerk 202, 203 verdrehen
und nimmt hierdurch Energie auf und wirkt der Rz-Bewegung
des X-Trägers 11 entgegen.
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Die 12 bis 14 zeigen
einen Kollisionsverhinderungsmechanismus 200 an einem Ende des
X-Trägers 11.
Abhängig
von den im Gebrauch zu erwartenden Massen und Gierraten kann ein
zweiter ähnlicher
Kollisionsverhinderungsmechanismus auch an dem anderen Ende angeordnet
sein.
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In
den verschiedenen Ausführungsformen der
Erfindung ist es bevorzugt, dass die Massenschwerpunkte der sich
bewegenden Körper,
die Wirklinien der verschiedenen Antriebskräfte und die Schwenkpunkte in
den verschiedenen Kupplungen alle nahe, beispielsweise innerhalb ± 20 mm
einer einzelnen XY-Ebene liegen.
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Obgleich
eine bestimmte Ausführungsform der
Erfindung oben beschrieben wurde, versteht sich, dass die Erfindung
auch anders als beschrieben umgesetzt werden kann. Die Beschreibung
beabsichtigt nicht, die Erfindung, welche durch die Ansprüche definiert
ist, zu beschränken.
Insbesondere versteht sich, dass die Erfindung auch dafür verwendet
werden kann, entweder Masken- oder Substrattische einer lithographischen
Vorrichtung oder beide zu positionieren.