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Dokumentenidentifikation DE102005018766A1 02.11.2006
Titel Vorrichtung zum Verbinden von zwei Teilen unterschiedlicher Wärmeausdehnung
Anmelder Carl Zeiss SMT AG, 73447 Oberkochen, DE
Erfinder Petasch, Thomas, 73431 Aalen, DE
Vertreter Lorenz und Kollegen, 89522 Heidenheim
DE-Anmeldedatum 22.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005018766
Offenlegungstag 02.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.11.2006
IPC-Hauptklasse G02B 7/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G02B 7/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine Vorrichtung zum Verbinden von zwei Teilen unterschiedlicher Wärmeausdehnung, insbesondere eines Objektivs (1) in der Halbleiter-Lithographie mit einer äußeren Aufnahmestruktur (2), ist mit einem Adapter (3) versehen. Der Adapter (3) ist mit einem wenigstens annähernd geschlossenen Ring (4) versehen, über den er mit einem der beiden Teile (1) verbunden ist. Eine Vielzahl von Federelementen (5) erstreckt sich von dem geschlossenen Ring (4) aus zu einer Vielzahl von gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Ringsegmenten (6), die mit dem anderen Teil (2) verbunden sind. Die Federelemente (5) können als Blattfedern ausgebildet sein, die wenigstens annähernd tangential oder in Umfangsrichtung verlaufen und sich von dem geschlossenen Ring (4) aus in Richtung auf die Ringsegmente (6) erstrecken.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verbinden von zwei Teilen mit unterschiedlicher Wärmeausdehnung, insbesondere eines Objektives in der Halbleiter-Lithographie mit einer äußeren Aufnahmestruktur für das Objektiv.

Wenn z.B. ein zylinderförmiges Teil, wie ein Objektivtubus, mit einem Gehäuse bzw. einer äußeren Aufnahmestruktur, in der das Objektiv aufgenommen ist, verbunden werden soll, treten Spannungen im Betrieb auf, wenn unterschiedliche Materialien zwischen dem einen Teil, z.B. dem Objektivtubus, und dem anderen Teil, z.B. der äußeren Aufnahmestruktur, vorhanden sind, welche unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Objektive werden im allgemeinen aus Stahl gefertigt, während die äußere Aufnahmestruktur aus einem keramischen Werkstoff besteht. Die dabei auftretenden unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten können zu so hohen Spannungen im Betrieb führen, dass dies zu ungenauen Messungen und sogar zu Zerstörungen von Bauteilen führen kann.

Wenn man Ausgleichsmaßnahmen zum Ausgleichen der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten vornehmen möchte, besteht die Problematik unter anderem darin, dass sehr hohe Anforderungen an die Steifigkeit der Lagerung gestellt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungstechnik zwischen zwei Teilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu schaffen, mit der einerseits ein Spannungsaufbau vermieden wird, andererseits jedoch eine hohe Steifigkeit der Lagerung gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die Verbindung der Federelemente mit dem geschlossenen Ring auf einer Seite und den Ringsegmenten auf der anderen Seite ergibt sich ein sehr steifer Verbund, insbesondere dann, wenn die Federelemente aus Blattfedern gebildet sind, die tangential bzw. in Umfangsrichtung an dem geschlossenen Ring angeordnet sind und sich in Richtung auf die Ringsegmente erstrecken und die jeweils dann an einem Ringsegment enden. Der geschlossene Ring stellt einen steifen Flansch dar und durch die tangentiale Anordnung der Blattfederelemente können in tangentialer Richtung Kräfte übertragen werden. Andererseits sind sie in radialer Richtung sehr weich und lassen damit Wärmeausdehnungen zu. Wenn sich z.B. der geschlossene Ring mehr oder weniger ausdehnt, wird damit auch der aus den Blattfedern gebildete Kreis auseinandergedrückt. In Verbindung mit den einzelnen Ringsegmenten ergibt sich jedoch keine Ringspannung, denn diese Teile können in radialer Richtung nachgeben bzw. besitzen radiales Spiel.

Trotz der Möglichkeit, Wärmeausdehnungen in radialer Richtung zuzulassen, ist durch die erfindungsgemäße Anordnung der Blattfedern eine Steifigkeit gegeben, so dass keine Querbewegungen zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Teilen möglich sind. Auch in axialer Richtung liegt eine hohe Steifigkeit vor.

Mit besonderem Vorteil läßt sich die Erfindung bei einem Objektiv in der Halbleiter-Lithographie einsetzen, welches im allgemeinen aus Stahl besteht. Der Adapter kann mit seinem geschlossenen Ring an einem Flansch des Objektives befestigt sein, während die Ringsegmente mit der äußeren Aufnahmestruktur, welche im allgemeinen aus keramischen Werkstoffen besteht, verbunden sind.

Die erfindungsgemäße Objektivlagerung kann dabei in tangentialer Richtung und auch in axialer Richtung gehende Kräfte übertragen, während sie hingegen zum Ausgleich von unterschiedlichen Wärmeausdehnungen in radialer Richtung entsprechend weich ist. Auf diese Weise sind die beiden Teile bezüglich ihrer axialen Lage, Dezentrierung und Verkippung, fixiert, während jedoch radiale Ausdehnungen zugelassen sind.

In einer sehr vorteilhaften konstruktiven Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Ringsegmente aus einem geschlitzten Ring gebildet sind, welcher z.B. durch ein Erodierverfahren hergestellt ist.

In einer weiteren sehr vorteilhaften und nicht naheliegenden Ausgestaltung der Erfindung kann bei längeren zylinderförmigen Teilen eine zusätzliche Abstützung durch einen zweiten Adapterring vorgesehen werden. Der zweite Adapterring liegt dann auf Abstand zu dem Adapter, wobei der Adapterring einen Innenringteil aufweist, mit dem er mit einem der beiden zu verbindenden Teilen verbunden ist, und ein oder mehrere von dem Innenring ausgehende radial sich erstreckende Ausdehnungsglieder in Wellenform aufweist, welche in lappenartigen Erweiterungen enden, die mit dem anderen Teil verbunden sind.

Aufgrund der wellenförmigen Ausdehnungsglieder können unterschiedliche Wärmeausdehnungen aufgefangen werden, weil sich diese in radialer Richtung dehnen können. Der Adapterring ist jedoch auch in axialer Richtung weich, damit keine Überbestimmung gegeben ist. Die Lagerung über dem Adapter stellt nämlich ein Festlager dar, während die zweite Lagerung über den Adapterring eine Art Loslager darstellt. Insgesamt gesehen ergibt sich jedoch für die Lagerung eine hohe Steifigkeit in axialer Richtung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel:

Es zeigt:

1 einen Längsschnitt durch ein Objektiv (teilweise dargestellt) als ein Teil und dessen Verbindung mit einer äußeren Aufnahmestruktur als anderem Teil;

2 einen Schnitt (entsprechend der 1) durch einen Adapter in vergrößerter Darstellung nach der Linie II-II der 3;

3 einen Schnitt nach der Linie III-III nach der 2;

4 eine Draufsicht auf den in der 1 im Schnitt dargestellten Adapterring; und

5 einen Querschnitt durch den Adapterring nach der 4.

Obwohl nachfolgend die Erfindung nur anhand der Verbindung eines Objektives in der Halbleiter-Lithographie mit einer äußeren Aufnahmestruktur für das Objektiv beschrieben ist, ist selbstverständlich klar, dass die nachfolgend beschriebene Verbindungsart zum Verbinden von beliebigen zylinderförmigen Teilen geeignet ist, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.

Ein nur schematisch dargestelltes Objektiv 1, welches mit einem Flansch 1a versehen ist, ist über einen Adapter 3 mit einer äußeren Aufnahmestruktur 2 für das Objektiv 1 verbunden. Da das Objektiv 1 im allgemeinen aus Stahl besteht und die Aufnahmestruktur 2 aus Keramik, treten im Betrieb deutlich unterschiedliche Wärmeausdehnungen auf. Diese unterschiedlichen Wärmeausdehnungen werden durch den Aufbau und die Ausgestaltung des Adapters 3 aufgenommen. Aus den 2 und 3 ist der Aufbau des Adapters 3 deutlicher ersichtlich. Er weist einen geschlossenen Ring 4 auf, über den der Adapter 3 mit dem Flansch 1a des Objektives 1 verbunden ist, was z.B. durch eine nicht näher dargestellte Verschraubung erfolgen kann.

Von dem geschlossenen Ring 4 aus erstrecken sich eine Vielzahl von Federelementen 5 in Form von Blattfedern in axialer Richtung. Wie aus der 3 ersichtlich ist, verlaufen dabei die Federelemente 5 tangential an dem geschlossenen Ring 4 bzw. erstrecken sich segmentweise in Umfangsrichtung des Ringes 4 und enden an Ringsegmenten 6. Dabei endet jedes Federelement 5 an einem Ringsegment 6. Die Ringsegmente 6 sind in Ring- bzw. Kreisform angeordnet. Sie können aus einem geschlossenen Ring hergestellt werden, der hierzu dann mit entsprechenden Schlitzen zur Ausbildung von einzelnen Ringsegmenten 6 versehen wird. Mit entsprechend hoher Genauigkeit und mit einer großen Vielzahl von Ringsegmenten 6 lässt sich das ganze z.B. im Erodierverfahren herstellen.

In dem Ausführungsbeispiel sind sechs über den Umfang verteilt angeordnete Ringsegmente 6 mit den dazugehörigen Federelementen 5 dargestellt. In der Praxis wird man im allgemeinen hier eine höhere Anzahl verwenden, um eine entsprechend hohe Steifigkeit zu erreichen. Eine gerade Anzahl von Federelementen 5 hat den Vorteil, dass die Kraftverteilung symmetrisch ist.

Über die Ringsegmente 6 ist der Adapter 3 und damit auch das Objektiv 1 mit der Aufnahmestruktur 2 verbunden. Dies kann ebenfalls über entsprechende Schraubverbindungen (nicht dargestellt) erfolgen.

Der Adapter 3 mit seinem geschlossenen Ring 4, den Federelementen 5 und den Ringsegmenten 6 ist vorzugsweise einstückig bzw. monolythisch ausgebildet und aus Stahl. Selbstverständlich sind für den Adapter 3 jedoch auch noch andere Materialien möglich.

Wie aus der 1 weiterhin ersichtlich ist, ist zusätzlich zu dem Adapter 3 noch ein weiterer Adapterring 7 zwischen dem Objektiv 1 und der Aufnahmestruktur 2 vorgesehen, welcher in axialer Richtung auf Abstand zu dem Adapter 3 liegt. Im Vergleich zu dem Adapter 3 stellt der Adapterring 7 ein Loslager dar.

Der Adapterring 7 weist einen geschlossenen Innenringteil 8auf, der mit dem Objektiv 1, z.B. durch eine Schraubverbindung, verbunden ist. Von dem Innenringteil 8 aus erstrecken sich radial nach außen Ausdehnungsglieder 9 in Wellenform (siehe 5). Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel (siehe insbesondere 4) stellen die Ausdehnungsglieder 9 mehr oder weniger einen einzigen Ringabschnitt dar, welcher in einer Vielzahl von lappenartigen Erweiterungen 10 endet. Die Vielzahl von lappenartigen Erweiterungen 10 werden durch vom äußeren Umfang her in die Ausdehnungsglieder bzw. das ringförmige Ausdehnungsglied 9 eingebrachten Aussparungen bzw. Schlitze 11 in Zungenform gebildet. Wie aus der 1 ersichtlich ist, wird die Wellenform des ringförmigen Ausdehnungsgliedes 9 durch entsprechende axial verlaufende Erhöhungen und Vertiefungen gebildet. Die Wellenform endet jeweils im Bereich der lappenartigen Erweiterungen 10. Über die lappenartigen Erweiterungen 10 erfolgt die Verbindung des Adapterringes 7 mit der Außenstruktur 2. Hierzu können ebenfalls Schraubverbindungen 12 vorgesehen sein, wie sie in der 4 angedeutet sind.

Der Adapterring 7 kann ebenfalls einstückig bzw. monolithisch sein und aus Stahl bestehen. Aufgrund der Wellenform des Ausdehnungsgliedes 9 ergibt sich eine radiale Ausdehnungsmöglichkeit zum Ausgleich von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie dies in der 4 gestrichelt für einen Teil der lappenartigen Erweiterungen 10 (übertrieben vergrößert) angedeutet ist.

Anstelle eines einzigen Ringabschnittes als Ausdehnungsglied 9, wie in der 4 dargestellt, können selbstverständlich im Rahmen der Erfindung auch mehrere sich strahlenförmig von dem Innenringteil 8 aus nach außen erstreckende einzelne Ausdehnungsglieder 9 in Wellenform vorgesehen sein, die jeweils in einer lappenartigen Erweiterung 10 enden.

Durch den Adapterring 7 mit der daraus resultierenden zweiten Abstützung wird die Steifigkeit der Lagerung noch erhöht. Insbesondere werden damit Pendelschwingungen und Kippungen zwischen dem Objektiv 1 und der Aufnahmestruktur 2 vermieden.


Anspruch[de]
Vorrichtung zum Verbinden von zwei Teilen unterschiedlicher Wärmeausdehnung, insbesondere zur Verbindung eines Objektives in der Halbleiter-Lithographie mit einer äußeren Aufnahmestruktur für das Objektiv, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (1, 2) über einen Adapter (3) miteinander verbunden sind, der

a) einen wenigstens annähernd geschlossenen Ring (4), über den er mit einem der beiden Teile (1, 2) verbunden ist,

b) mehrere gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Ringsegmente (6), die mit dem anderen Teil (2, 1) verbunden sind, und

c) eine Vielzahl von Federelementen (5), die die Verbindung zwischen dem geschlossenen Ring (4) und den Ringsegmenten (6) herstellen,

aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringsegmente (6) aus einem geschlitzten Ring gebildet sind. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (5) als Blattfedern ausgebildet sind, die wenigstens annähernd tangential oder in Umfangsrichtung verlaufen und sich von dem geschlossenen Ring (4) aus in Richtung auf die Ringsegmente (6) erstrecken, und die jeweils an einem Ringsegment (6) enden. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens sechs über den Umfang verteilt angeordnete Blattfedern (5) vorgesehen sind. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von Blattfedern (5) über den Umfang verteilt angeordnet sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (3) mit dem geschlossenen Ring (4), den Ringsegmenten (6) und den Federelementen (5) einstückig ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das eine der beiden miteinander zu verbindenden Teile (1) insbesondere als Objektiv, aus Metall und das andere Teil, insbesondere als Aufnahmestruktur (2) aus Nichtmetall, besteht. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das eine der beiden miteinander zu verbindenden Teile (1) aus Metall und dass das andere Teil (2) aus einem keramischem Werkstoff besteht. Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (3) aus Stahl besteht. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei länglichen Teilen (1, 2) zusätzlich ein weiterer Adapterring (7) vorgesehen ist, der auf Abstand zu dem Adapter (3) liegt, wobei der Adapterring (7) ein Innenringteil (8), mit dem er mit einem der beiden zu verbindenden Teile (1) verbunden ist, und ein oder mehrere von dem Innenringteil (8) ausgehenden radial sich erstreckenden Ausdehnungsglieder (9) in Wellenform, welche in lappenartigen Erweiterungen (10) enden, die mit dem anderen Teil (2) verbunden sind, aufweist. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnungsglieder (9) und die mit diesen verbundenen lappenartigen Erweiterungen (10) aus einem Ring mit Wellenform gebildet sind, der mit einer Vielzahl von über den Umfang verteilt angeordneten radialen Schlitzen (11) versehen ist, wobei die Verbindung mit dem anderen Teil (2) im äußeren Bereich der durch die radialen Schlitze (11) gebildeten lappenartigen Erweiterungen (10) erfolgt. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die lappenartigen Erweiterungen (10) über Schraubverbindungen mit dem anderen Teil (2) verbunden sind. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapterring (7) einstückig ausgebildet ist.






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