DE102005017262B3

DE102005017262B3 - Kollektorspiegel für plasmabasierte kurzwellige Strahlungsquellen

Info

Publication number: DE102005017262B3
Application number: DE102005017262A
Authority: DE
Inventors: Istvan Balogh; Kai Dr. Gäbel
Original assignee: Xtreme Technologies GmbH
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2005-04-12
Filing date: 2005-04-12
Publication date: 2006-10-12
Anticipated expiration: 2025-04-13
Also published as: US20060227826A1; JP2006317913A; JP4292193B2; US7329014B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kollektorspiegel für kurzwellige Strahlungsquellen auf Basis eines Plasmas. DOLLAR A Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zum Temperieren eines Kollektorspiegels (1; 5) für die Fokussierung von aus einem Plasma (2) erzeugter kurzwelliger Strahlung zu finden, die die Herstellung einer leistungsfähigen thermischen Verbindung der optisch aktiven Spiegeloberfläche (12) mit einem Thermostatsystem ohne Nachteile bei Raumbedarf oder hochpräziser Fertigung des Kollektorspiegels (1; 5) gestattet, wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Kollektorspiegel (1; 5) ein massives rotationssymmetrisches Substrat (11; 51) aufweist, das aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit von mehr als 50 W/m K besteht und in das direkt Kanäle (13; 53) zur Kühlung und Temperierung eingearbeitet sind, die zur unmittelbaren Durchströmung mit einem Wärmetransportmedium (4) und zum schnellen definierten Temperieren der optisch aktiven Spiegeloberfläche (12) vorgesehen sind, wobei Wärme von transienten Temperaturspitzen, die im gepulsten Regime der Plasmaerzeugung an der Spiegeloberfläche (12) auftreten und kurzzeitig den Temperaturmittelwert um ein Vielfaches überschreiten, schneller abgeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kollektorspiegel für kurzwellige Strahlungsquellen auf Basis eines Plasmas, der eine optisch aktive Spiegeloberfläche mit hohem Reflexionsvermögen für die gewünschte kurzwellige Strahlung aufweist und bei dem aufgrund der Position des Kollektorspiegels in unmittelbarer Nähe des Plasmas, das eine extrem hohe Temperatur aufweist, Mittel zur Kühlung des Spiegelkörpers vorhanden sind. Die Erfindung findet vorzugsweise in Strahlungsquellen für die Massenproduktion in der Halbleiterlithographie Anwendung, die im extrem ultravioletten Spektralbereich (EUV-Bereich) emittieren.
Plasmabasierte Strahlungsquellen für die Halbleiter-Lithographie (vor allem EUV-Quellen) sind im Wesentlichen thermische Strahler, die ihre Leistung in einen Raumwinkel von 4π sr abstrahlen. Die Abstrahlung ist im Allgemeinen nicht isotrop. Der Anregungsprozess, der entweder durch eine Gasentladung (GDPP-Quellen) oder durch einen Laserstrahl (LPP-Quellen) erfolgen kann, hat eine Effizienz von wenigen Prozent in einem 2% schmalen EUV-Spektrum mit zentraler Wellenlänge zwischen 12,4 nm und 14 nm, das für die Anwendung nutzbar ist. Die Konversion der Anregungsleistung in ein breitbandiges Extrem-Ultraviolett-Spektrum hat dagegen eine Effizienz von mehreren 10%. Die EUV-Strahlung im Bereich von 1 nm bis 100 nm hat einen großen Wechselwirkungsquerschnitt mit Materie, d.h. diese Strahlung wird bereits über sehr kleine Weglängen vollständig absorbiert. Für Größenordnungsabschätzungen kann man davon ausgehen, dass im Wesentlichen die gesamte Anregungsleistung plasmabasierter EUV-Strahlungsquellen durch Strahlungstransport an Komponenten der Strahlungsquelle gelangt und dort als thermische Leistung anfällt.
Der Kollektorspiegel sammelt einen signifikanten Anteil der im Raumwinkel von 4π sr austretenden Strahlung der Quelle (Plasma) und projiziert die Strahlung im Anwendungsbandbereich (Wellenlängenbereich um 13,5 nm) in einen Zwischenfokus. Gläser sind zur Herstellung von Kollektorspiegeln für plasmabasierte Strahlungsquellen zwar prinzipiell geeignet, da sie mit hervorragender Oberflächengüte herstellbar sind, allerdings ist deren Wärmeleitwert (≈1 W/m K) zu gering, um sie als Substrat eines Kollektorspiegels in einer EUV-Quelle für die Halbleiter-Lithographie einsetzen zu können.
Insbesondere für Wechselschicht-Spiegel bei direkter (nicht streifender) Strahlungsreflexion stellt die Abführung dieser Strahlungs- und Wärmelast eine technische Herausforderung dar, da der Temperaturmittelwert der Wechselschichtspiegels einige 10°C nicht überschreiten darf. Bereits bei einer (nur kurzzeitigen) Aufheizung der Spiegel über etwa 200°C findet eine Degradation im Wechselschichtsystem statt, die zu einer wesentlichen Verringerung des Reflexionsvermögens führt. Durch den gepulsten Betrieb der plasmabasierten Quellen treten transiente Temperaturverläufe mit kurzzeitigen Temperaturspitzen auf, die deutlich über dem zeitlichen Temperaturmittelwert der Reflexionsschicht liegen.
Überwiegend werden im Stand der Technik Kollektorspiegel aus Substraten mit deutlich höherer Wärmeleitung als Glas, z.B. aus Silizium, gefertigt und das Substrat – wie in 3 dargestellt – auf einen Kühlkörper gepresst, wobei häufig Kontaktfolien, z.B. aus Indium, verwendet werden. Bei den Leistungen einer EUV-Quelle für die Massenproduktion in der Halbleiterlithographie, bei denen einige 10 kW Anregungsleistung umgesetzt werden, reicht eine derartige Kühlung nicht aus, um eine hohe Lebensdauer des Reflexionsbeschichtung des Kollektorspiegels zu gewährleisten.
Des Weiteren sind auch Optik-Kühlungen mit Flüssigkeits-Kühlkreislauf bekannt geworden.

So ist beispielsweise in der DE 100 50 125 A1 eine Vorrichtung zum Temperaturausgleich für thermisch belastete Körper beschrieben, bei der zwischen dem Körper geringer thermischer Leitfähigkeit (z.B. Glasprisma) und einem Wärmeverteilungskörper ein Spalt verbleibt, der mit einem flüssigen Kühlmittel durchströmt wird. Je mächtiger der Körper ist, desto weniger effektiv wird die strahlungsbelastete Oberfläche gekühlt.

Aus der EP 1 376 185 A2 ist ein EUV-Spiegel bekannt, der im Spiegelkörper durchgehende parallele Kanäle aufweist, durch die Kühlröhren mit geringerem Durchmesser hindurchgeführt sind, wobei durch den verbleibenden Spalt ein gut wärmeleitendes Gas strömt. Nachteilig ist hierbei das doppelte Durchströmungssystem sowie die nicht zentralsymmetrische Kanalverteilung.

In der WO 2004/003982 A1 ist eine Spiegelvorrichtung offenbart, bei der über der Spiegeloberfläche Strahlungskühlungs-Platten so angeordnet sind, dass für die zu reflektierende Strahlung eine Reflexionsfläche zwischen zwei solchen Platten zur Verfügung steht. Von Nachteil ist hierbei die begrenzte wirksame Spiegelfläche, die im übrigen auch keine homogene Temperaturverteilung aufweist.

Ferner ist aus der DE 101 02 969 A1 eine Spiegelvorrichtung für Lasersysteme im Infrarotbereich bekannt, wobei der Spiegelkörper abweichend von seiner üblichen Beschaffenheit aus optimal spektral reflektierendem Kupfer zwecks Masseverringerung aus Aluminium mit aufgedampfter Kupferoberfläche hergestellt wird. Der Spiegelkörper wird aus einem Grundkörper und einem mit diesem starr verbundenen Spiegeldeckel zusammengesetzt, um in einem oder beiden Teilen des Spiegels flüssigkeitsdurchströmte Kühlvorrichtungen zu integrieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Temperierung eines Kollektorspiegels für die Fokussierung von aus einem Plasma erzeugter kurzwelliger Strahlung zu finden, die die Herstellung einer leistungsfähigen thermischen Verbindung der optisch aktiven Spiegeloberfläche mit einem Thermostatsystem gestattet, ohne dass Nachteile bei Raumbedarf oder Erfordernissen der hochpräzisen Fertigung des Kollektorspiegels in Kauf genommen werden müssen. Ferner sollen auch Prozesse zur zusätzlichen oder nachträglichen Oberflächenvergütung des Kollektorspiegels ohne größeren Aufwand möglich sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Kollektorspiegel für kurzwellige Strahlungsquellen auf Basis eines Plasmas, der eine optisch aktive Spiegeloberfläche mit hohem Reflexionsvermögen für die gewünschte kurzwellige Strahlung aufweist und bei dem aufgrund der Position des Kollektorspiegels in unmittelbarer Nähe des heißen Plasmas Mittel zur Temperierung des Spiegelkörpers vorhanden sind, dadurch gelöst, dass der Kollektorspiegel ein massives rotationssymmetrisches Substrat aufweist, das aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit von mehr als 100 W/mK besteht, und dass direkt in das Substrat Strömungskanäle zur Kühlung und Temperierung eingearbeitet sind, die zur unmittelbaren Durchströmung mit einem Wärmetransportmedium zum schnellen Temperieren der optisch aktiven Spiegeloberfläche auf definiertem Niveau vorgesehen sind, wobei Wärme von transienten Temperaturspitzen, die im gepulsten Regime der Plasmaerzeugung auftreten und kurzzeitig den an der Spiegeloberfläche herrschenden Temperaturmittelwert um ein Vielfaches überschreiten, schneller abgeleitet wird.

Vorteilhaft sind die Kanäle des Wärmetransportmediums eng benachbart zur optisch aktiven Spiegeloberfläche angeordnet und weisen hauptsächlich eine radiale Strömungsrichtung innerhalb des Substrats auf.

Die Kanäle sind vorzugsweise in radialer Richtung zur optischen Achse des Kollektorspiegels gleichverteilt angeordnet, wobei Anschlüsse für die Zu- und Abführung des Wärmetransportmediums im Zentrum und an der Peripherie des Substrats vorhanden sind. Dabei können die Kanäle orthogonal zur Symmetrieachse des Substrats angeordnet werden. Zweckmäßig sind sie aber parallel zu einer mittleren Tangente an die erzeugende Kurve der optisch aktiven Spiegeloberfläche und somit entlang einer Kegelmantelfläche angeordnet.

Die Kanäle für das Wärmetransportmedium haben vorzugsweise die Form von zylindrischen Bohrungen, in die sich die Anschlüsse für die Zuführung des Wärmetransportmediums vorteilhaft in Gewindebohrungen im Substrat einfach einschrauben lassen.

In einer anderen Gestaltungsvariante sind die Kanäle in Form fein strukturierter Kanäle für eine im Wesentlichen radiale Strömung des Wärmetransportmediums von der Rückseite des Kollektorspiegels in das Substrat eingebracht, wobei sie bis auf einen konstanten Abstand von wenigen Millimetern an die optisch aktive Spiegeloberfläche heranreichen.

Die Kanäle sind dabei zweckmäßig in mehreren um die Symmetrieachse des Substrats gleichverteilt angeordneten mäanderförmigen Strukturen ausgeführt.

Es erweist sich ferner als vorteilhaft, wenn das Substrat zweiteilig ausgeführt ist, wobei der erste Teil als Substrat die optisch aktive Spiegelfläche und rückseitig eingebrachte feinstrukturierte Kanäle aufweist und der zweite Teil als Deckel zur mediendichten Abdeckung der Kanäle ausgebildet ist.

Zur kanalabdichtenden Verbindung von Substrat und Deckel ist zweckmäßig eine Bearbeitung zum formschlüssigen Aufeinanderlegen beider Oberflächen und deren kraftschlüssige Arretierung vorzusehen. Dabei kann zur kanalabdichtenden Verbindung von Substrat und Deckel eine strukturierte Dichtung zwischen beiden Teilen vorhanden sein.

Der Deckel des zweiteiligen Substrats wird vorzugsweise mittels Schrauben über mehrere Gewindebohrungen im Substrat an das Substrat angepresst. Er kann aber auch zweckmäßig mittels peripher angebrachter Klammern an das Substrat angepresst werden.

Weitere Möglichkeiten für die Befestigung des Deckels bestehen in einem Materialschluss mit dem Substrat, der vorteilhaft eine Lotverbindung oder durch Kitten oder Kleben erreicht werden kann.

Bei nicht streifendem Einfall der erwünschten Strahlung unter großen Winkeln auf den Kollektorspiegel ist das Substrat aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/mK in asphärischer Form gefertigt und die optisch aktive Spiegelfläche mit einer Reflexionsbeschichtung versehen, die im Wellenlängenbereich um 13,5 nm ein Reflexionsvermögen von mehr als 40 % aufweist.

Dabei ist das Substrat vorzugsweise aus Silizium und die Reflexionsbeschichtung als Wechselschichtsystem unter Beteiligung von Silizium gefertigt. Das Wechselschichtsystem ist zweckmäßig aus abwechselnden Schichten von Si und Molybdän aufgebaut, jedoch nicht auf diesen Schichtaufbau beschränkt.

Bei streifendem Einfall der erwünschten Strahlung auf den Kollektorspiegel ist das Substrat zweckmäßig aus einem Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/m K (z.B. Molybdän, Wolfram, Kupfer etc.) und einer direkt integrierten optisch aktiven Spiegelfläche, die bei streifendem Strahlungseinfall im Wellenlängenbereich um 13,5 nm ein Reflexionsvermögen von mehr als 50 % aufweist, gefertigt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung für streifenden Strahlungseinfall ist das Substrat aus einem Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/m K gefertigt und die optisch aktive Spiegelfläche mit einer zusätzlichen Reflexionsbeschichtung, z.B. aus Palladium, versehen, die bei streifendem Strahlungseinfall im Wellenlängenbereich um 13,5 nm ein Reflexionsvermögen von mehr als 50 % aufweist.

In beiden Fällen erweist es sich von Vorteil, dass das Substrat an der optisch aktiven Spiegelfläche mit einer oberflächenvergütende Schicht versehen ist.

Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass sich die Lebensdauer eines Kollektorspiegels, insbesondere bei Verwendung eines hochreflektierenden Wechselschichtsystem bereits bei einer Aufheizung über etwa 200°C, durch Degradation der Reflexionsschicht, die zur Verringerung der Reflexionsvermögens führt, erheblich verkürzt. Durch den gepulsten Betrieb der plasmabasierten EUV-Quellen treten transiente Temperaturverläufe auf, die kurzzeitige Temperaturspitzen aufweisen; die deutlich über dem zeitlichen Mittelwert liegen. Um diese kurzzeitigen Temperaturspitzen schnellstmöglich zu kompensieren, wird von der üblichen externen Thermostatkopplung abgegangen und der Wärmeaustausch (Temperierung) direkt in das Spiegelsubstrat integriert, indem geeignete Strömungskanäle für ein Wärmetransportmedium in das Substrat eingebracht werden. Dabei müssen einerseits die Strömungskanäle geeignet eingebracht werden, damit die üblichen Bearbeitungsschritte zur Spiegelherstellung, wie Schleifen, Polieren und Bedampfen von asphärischen Reflexionsoberflächen nicht aufwändiger oder unmöglich werden. Andererseits sind aber auch die Anschlüsse des Thermostatkreises für die Zuführung des Wärmetransportmediums einfach und vakuumtauglich auszuführen. Das geschieht vorzugsweise durch Verschraubung im Zentrum (bzw. dem seiner Achse nächstgelegenen Teil des Kollektors) und an der Peripherie des rotationssymmetrischen Spiegelsubstrats. Durch diese erfindungsgemäße im Wesentlichen radial von außen nach innen ausgeführte Direkttemperierung werden lange Wärmeleitstrecken von der optischen Reflexionsschicht zum Wärmetransportmedium sowie Wärmeübergangsbarrieren zu einem extern angepressten Wärmetauscher (Kühlkörper) vermieden.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich, eine zuverlässige Kühlung und Temperierung eines Kollektorspiegels zur Fokussierung von aus einem Plasma erzeugter kurzwelliger Strahlung zu realisieren, die die Herstellung einer leistungsfähigen thermischen Verbindung der optisch aktiven Spiegeloberfläche mit einem Thermostatsystem gestattet, ohne dass Nachteile bei Raumbedarf oder Erfordernissen der hochpräzisen Fertigung des Kollektorspiegels in Kauf genommen werden müssen. Ferner werden auch Prozesse zur zusätzlichen oder nachträglichen Oberflächenvergütung des Kollektorspiegels ohne größeren Aufwand ermöglicht.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kollektorspiegels (in geschnittener Draufsicht und geschnittener Seitenansicht) mit Strömungskanälen für die integrierte Direkttemperierung, wobei sich der Kollektorspiegel in unmittelbarer Nähe eines Plasmas befindet, das in einer (nicht dargestellten) Vakuumkammer aus einem zugeführten Target mittels eines gepulsten Lasers erzeugt wird,
2: eine schematische Darstellung eines Kollektorspiegels (in Draufsicht und geschnittener Seitenansicht) mit Strömungskanälen, die nahezu parallel zur optisch aktiven Oberfläche verlaufen,
3: Stand der Technik für die Halterung und Kühlung eines Kollektorspiegels, bei der der Spiegel über eine gut wärmeleitende Folie an einen Kühlkörper, der von einem Kühlmittel durchströmt wird, gedrückt wird,
4: eine schematische Darstellung von fein strukturierten Strömungskanälen im Substrat, die bis auf wenige Millimeter an die optisch aktive Oberfläche heranreichen, wobei das Substrat rückseitig mit einer separaten Deckplatte verschlossen ist, wobei ein kraftschlüssiger Verschluss der Kanäle im Substrat erreicht wird,
5: eine schematische Darstellung eines Kollektorspiegels für eine GDPP-Quelle, bei der mehrere Spiegelschalen, die ein metallisches Substrat mit entsprechenden Strömungskanälen für das Wärmetransportmedium aufweisen, für eine streifende Strahlungsreflexion angeordnet sind.
Ein Kollektorspiegel 1 in einer plasmabasierten kurzwelligen Strahlungsquelle, die beispielsweise intensiv im EUV-Bereich um 13,5 nm emittiert, erfüllt allgemein und herkömmlich die Aufgabe, die für den lithographischen Prozess benötigte Strahlung aus einem großen Raumwinkel um den Quellort (Plasma 2) zu sammeln und in einen, sogenannten Zwischenfokus 3 zu projizieren. Diese Konstellation ist 3 dargestellt und zeigt die gemäß dem Stand der Technik übliche Kühlung des Kollektorspiegels 1 mit einem Kühlkörper 17, der die auf der optisch aktiven Oberfläche aufgebrachte Reflexionsschicht 12 vor Überhitzung schützen soll. Dabei sind mittels einer Halterung 18 großformatige ebene Oberflächen von Kühlkörper 17 und Substrat 11 (an der Rückseite des Kollektorspiegels 1) kraftschlüssig aneinander gepresst. Der Wärmeübergang zwischen beiden Teilen wird regelmäßig durch eine Wärmeleitschicht 19, die meist eine Wärmeleitfolie (z.B. aus Indium) oder eine Wärmeleitpaste ist, unterstützt.
Der Kühlkörper 17 ist üblicherweise in einen Kühlkreislauf (nicht dargestellt) eingebunden und wird von einem Wärmetransportmedium 4 durchströmt.
Gemäß der Erfindung ist – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – für eine EUV-Quelle auf Basis eines Laserplasmas (LPP-Quelle), wie sie in 1 (ohne detaillierte Darstellung der Laseranregung eines Targets) angegeben sein soll, das favorisierte Spiegeldesign ein rotationssymmetrischer Wechselschichtspiegel (multi-layer mirror), entlang dessen Symmetrieachse sich sowohl das Plasma 2 als Quellort als auch der Zwischenfokus 3 befinden. Die wellenlängenangepasste Reflexionsbeschichtung 12 des Kollektorspiegels 1 ist auf dem Substrat 11 auf einer geeignet geformten optisch aktiven Oberfläche aufgebracht und wird vorzugsweise von abwechselnden, einige Nanometer dicken Schichten aus Molybdän und Silizium gebildet. Die Reflexionsbeschichtung 12 ist aber keineswegs auf ein solches Wechselschicht-Design beschränkt. Ferner sind auch andere hochreflektierende Schichtsysteme als Reflexionsbeschichtung 12 auf der optisch aktiven Oberfläche des Substrats 11 einsetzbar.
Mit seiner Reflexionsbeschichtung 12, die sich an die optisch aktive Oberfläche anschmiegt, sammelt der Kollektorspiegel 1 einen signifikanten Anteil der im Raumwinkel von 4π sr austretenden Strahlung des Plasmas 2, das als laserproduziertes Plasma (LPP) durch Wechselwirkung eines Lasers mit einem Targetstrom (beide nicht gezeigt) erzeugt sein soll, und projiziert vorrangig Strahlung im für die Halbleiterlithographie anwendbaren Bandbereich (Wellenlängenbereich um 13,5 nm) in den Zwischenfokus 3.
Zur Aufbringung eines Wechselschichtsystems als hochwertige Reflexionsbeschichtung 12 (mit einem hohen Reflexionsvermögen von > 40 % für die aus dem Plasma 2 emittierte In-Band-Strahlung im Wellenlängenbereich um 13,5 nm) wird ein optisches Substrat 11 benötigt, das sich mit hoher Präzision zu einer – wegen des großen Öffnungswinkels der EUV-Quelle – asphärischen Oberflächengestalt bearbeiten lässt. Mit den heute verfügbaren Technologien ist die geforderte Oberflächengüte auf metallischen Asphären nicht zu vertretbaren Preisen oder nicht ohne zusätzliche Aufbringung oberflächenvergütender Substanzen erreichbar.
Wie 1 weiter zeigt, sind im Substrat 11, das vorzugsweise aus Silizium (mit einer Wärmeleitfähigkeit von ≈ 150 W/m K) besteht, Kanäle 13 eingebracht, die im Wesentlichen radial von der Spiegelperipherie zum Zentrum ausgerichtet sind. An der Peripherie sind in die Kanäle 13 Gewindebohrungen 14 eingebracht, so dass die Zuführungen für das Wärmetransportmedium 4 aus einem Thermostatkreislauf (nicht dargestellt) einfach eingeschraubt werden können. Dieselbe Verbindungstechnik wird im Zentrum ebenfalls in einer (größeren) Gewindebohrung 14 bewerkstelligt. Mit Hilfe der im Substrat 11 eingearbeiteten Gewindebohrungen 14 an den Ein- und Ausläufen der Kanäle 13 können die Zuführungen für das Wärmetransportmedium 4 direkt mit dem Substrat 11 verschraubt werden. Dadurch werden unter den für EUV-Quellen typischen Vakuumbedingungen – trotz einfach lösbarer Leitungskupplungen des Thermostatkreislaufes – kritische Kontaminationsquellen, wie sie z.B. durch Ausgasen aus Klebeverbindungen oder Wärmeleitpasten entstehen können, vermieden.
Die in 1 dargestellte Substrattemperierung ist dadurch besonders effizient, da das Wärmetransportmedium 4 direkt durch das Substrat 11 geführt wird und damit ein Wärmeübergang zu einem separaten Kühlkörper 17 (wie gemäß dem Stand der Technik nach 3) vermieden wird. Ein Substrat 11 aus Silizium lässt die Ausarbeitung einer optisch aktiven Oberfläche des Substrats mit der notwendigen Güte für Präzisionsoptiken zu. Die im Substrat 11 gemäß der Erfindung als radial ausgerichtete Bohrungen eingebrachten Kanäle 13, durch die das Wärmetransportmedium 4 in eine zentrale Gewindebohrung 14 geleitet wird, sind bei diesen üblichen Schleif-, Polier- und Beschichtungsprozessen in keiner Weise hinderlich. Andererseits wird das Substrat 11 durch den „Einbau" (durch Einbringung von Kanälen 13) des Thermostatsystems kaum merklich vergrößert, so dass alle erforderlichen Bearbeitungsschritte für die optischen Formgebungs- und Vergütungsprozesse sowie für die Aufbringung eines Wechselschichtsystems (als Reflexionsbeschichtung 12) genauso wie für herkömmliche Multilayerspiegel durchlaufen werden können.
In einer weiteren bevorzugten Realisierung, wie sie in 2 dargestellt ist, sind die Kanäle 13 nahezu parallel zur optisch aktiven Oberfläche angeordnet, die eine Reflexionsbeschichtung 12 trägt. Dieses Ausführungsbeispiel veranschaulicht die mögliche Beeinflussung radialer Temperaturgradienten in der Reflexionsbeschichtung 12, die durch oberflächennahe Kanäle 13 erzielt wird. Bei Verwendung externer Kühlkörper 17 (gemäß dem Stand der Technik nach 3) besteht diese Möglichkeit infolge der radial nach außen zunehmenden Wärmetransportwege innerhalb des Substrats 11 nur deutlich eingeschränkt.
Die Verläufe der Kanäle 13, die vorzugsweise wieder als zylindrische Bohrungen ins Substrat 11 eingebracht werden, sind dabei entlang einer Kegelmantelfläche vorgesehen, wobei die Kegelmantelfläche durch Rotation einer Parallelen zu einer mittleren Tangente t_m an die mathematisch erzeugende Kurve der optisch aktiven Oberfläche entsteht.
In 4 ist eine weitere bevorzugte Realisierung dargestellt, in der fein strukturierte Kanäle 13 mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt bis in unmittelbare Nähe (< 10 mm) zur optisch aktiven Oberfläche des Substrats 11 eingefräst sind. Mittels mehrerer Schrauben 15, die in Gewinde im Substrat 11 eingreifen, wird ein Deckel 16 über den gefrästen Kanälen 13 druckdicht (bezüglich des Wärmetransportmediums 4) mit dem Substrat 11 verbunden. Der Deckel 16 muss dabei nicht aus demselben Material wie das eigentliche Substrat 11 gefertigt sein; er muss lediglich einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
Die in 4 gestrichelt dargestellten Halterungen 18 stellen eine optional mögliche Alternative für die kraftschlüssige Verbindung von Substrat 11 und Deckel 16 dar. Andere Verbindungsmöglichkeiten wären z.B. durch Kleben, Kitten oder Löten gegeben. Die in 4 angegebene Ausführung der Kanäle 13 in symmetrischen Mäanderformen ist nur eine von vielen Möglichkeiten eines möglichst radialsymmetrisch und zirkular gleichmäßig verteilten Kanalsystems.
Alle bisherigen Zeichnungen bezogen sich auf normale direkt reflektierende Kollektorspiegel 1 für die Anwendung in LPP-Quellen. Bei Gasentladungsquellen (GDPP-Quellen) werden als Kollektoren 5 regelmäßig Metallsubstrate 51 oder metallische Beschichtungen für streifenden Lichteinfall (gracing incidence) verwendet. Die Reflexionsschichten 52 sind in diesen Fällen deutlich temperaturbeständiger.
Aber auch für einen solchen Kollektor 5 kann eine substratintegrierte Temperierung bei hoher thermischer Last zu einer Erhöhung der Lebensdauer bzw. zu einer Stabilisierung der optischen Eigenschaften führen.
Dabei werden – wie es in 5 skizziert ist – oberflächennahe Kanäle 53 in ein rotationssymmetrisches Substrat 51 eingebracht, das aus Ellipsoid- und Hyperboloid- oder Paraboloid-Mantelflächen besteht und deshalb eine Knickebene 56 aufweist.
Der Kollektor 5 besteht bei streifendem Strahlungseinfall aus vorzugsweise zwei oder mehr konzentrisch ineinander geschachtelten Spiegelflächen 54, 55 (in 5 nur zwei gezeichnet), die jeweils einzelne Substrate 51 mit Kanälen 53 darstellen. Die Kanäle 53 sind in gleicher Art wie bei dem oben beschriebenen Substrat 11 aus Silizium eingebracht und ermöglichen eine gleichverteilte Durchströmung des Substrats 51 mit dem Wärmetransportmediums 4. Vorzugsweise werden die Kanäle 53 durch Epitaxieoder Lithographieverfahren erzeugt.
Die Substrate 51 des (mehrteiligen) Kollektors 5 weisen eine sehr gute thermische Leitfähigkeit (> 100 W/m K) auf, z.B. durch Verwendung eines Metalls, wie Molybdän, Wolfram oder Kupfer, und sind zur Erreichung von mehr als 50 % Reflexionsvermögen (bei streifendem Einfall von Strahlung im Wellenlängenbereich um 13,5 nm) mit einer Reflexionsbeschichtung 52 (beispielsweise aus aufgedampftem Palladium) versehen.

1: Kollektorspiegel
11: Substrat
12: Reflexionsbeschichtung
13: Kanäle
14: Gewindebohrung
15: Schrauben
16: Deckel (Kanalabdeckung)
17: Kühlkörper
18: Halterung
19: Wärmeleitschicht
2: Plasma
3: Zwischenfokus
4: Wärmetransportmedium
5: Kollektor
51: Substrat
52: Reflexionsbeschichtung
53: Kanäle
54, 55: Spiegelflächen
56: Knickebene (der Spiegelschalen)
t_m: Tangente

Claims

Kollektorspiegel für kurzwellige Strahlungsquellen auf Basis eines Plasmas, der eine optisch aktive Spiegeloberfläche mit hohem Reflexionsvermögen für die gewünschte kurzwellige Strahlung aufweist und bei dem aufgrund der Position des Kollektorspiegels in unmittelbarer Nähe des Plasmas, das eine extrem hohe Temperatur aufweist, Mittel zur Temperierung des Spiegelkörpers vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kollektorspiegel (1; 5) ein massives rotationssymmetrisches Substrat (11; 51) aufweist, das aus einem Material hoher thermischer Leitfähigkeit von mehr als 50 W/m K besteht, und – direkt in das Substrat (11; 51) Kanäle (13; 53) zur Kühlung und Temperierung eingearbeitet sind, die zur unmittelbaren Durchströmung mit einem Wärmetransportmedium (4) zum schnellen Temperieren der optisch aktiven Spiegeloberfläche (12) auf definiertem Niveau vorgesehen sind, wobei Wärme von transienten Temperaturspitzen, die im gepulsten Regime der Plasmaerzeugung auftreten und kurzzeitig den an der Spiegeloberfläche (12) herrschenden Temperaturmittelwert um ein Vielfaches überschreiten, schneller abgeleitet wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (13) des Wärmetransportmediums (4) eng benachbart zur optisch aktiven Spiegeloberfläche (12) angeordnet sind und hauptsächlich eine radiale Strömungsrichtung innerhalb des Substrats (11) aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (13) in radialer Richtung zur optischen Achse des Kollektorspiegels gleichverteilt angeordnet sind, wobei Anschlüsse (14) für die Zu- und Abführung des Wärmetransportmediums (4) im Zentrum und an der Peripherie des Substrats (11) vorhanden sind.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (13) orthogonal zur Symmetrieachse des Substrats (11J angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (13) parallel zu einer mittleren Tangente (t_m) an die erzeugende Kurve der optisch aktiven Spiegeloberfläche (12) entlang einer Kegelmantelfläche angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (13) für das Wärmetransportmedium (4) in Form von zylindrischen Bohrungen ausgeführt sind.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlüsse für die Zuführung des Wärmetransportmediums (4) in Gewindebohrungen (14) im Substrat (11) eingeschraubt sind.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (13) in Form fein strukturierter Kanäle für eine im Wesentlichen radiale Strömung des Wärmetransportmediums (4) von der Rückseite des Kollektorspiegels (1) in das Substrat (11) eingebracht sind, wobei die Kanäle (13) bis auf einen konstanten Abstand von weniger als 10 mm an die optisch aktive Spiegeloberfläche (12) heranreichen.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (13) in mehreren um die Symmetrieachse des Substrats (11) gleichverteilt angeordneten mäanderförmigen Strukturen ausgeführt sind.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (11) zweiteilig ausgeführt ist, wobei der erste Teil als Substrat (11) die optisch aktive Spiegelfläche (12) und rückseitig eingebrachte feinstrukturierte Kanäle aufweist und der zweite Teil als Deckel (16) zur mediendichten Abdeckung der Kanäle (13) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur kanalabdichtenden Verbindung von Substrat (11) und Deckel (16) eine formschlüssige Bearbeitung der aufeinander liegenden Oberflächen und deren kraftschlüssige Arretierung vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur kanalabdichtenden Verbindung von Substrat (11) und Deckel (16) eine strukturierte Dichtung zwischen beiden Teilen vorhanden ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (16) an das Substrat (11) über mehrere Gewindebohrungen im Substrat (11) mittels Schrauben (15) angepresst ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (16) mittels peripher angebrachter Klammern (18) an das Substrat (11) angepresst ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (16) über einen Materialschluss mit dem Substrat (11) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (16) mit dem Substrat (11) mittels Kittung verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (16) mit dem Substrat (11) mittels Lotverbindung verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (11) bei nicht streifendem Einfall der erwünschten Strahlung aus einem Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/m K in asphärischer Form gefertigt und die optisch aktive Spiegelfläche mit einer Reflexionsbeschichtung (12), die im Wellenlängenbereich um 13,5 nm ein Reflexionsvermögen von mehr als 40 % aufweist, versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (11) aus Silizium und die Reflexionsbeschichtung (12) als Wechselschichtsystem unter Beteiligung von Silizium gefertigt ist.
Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Wechselschichtsystem (12) aus abwechselnden Schichten von Silizium und Molybdän aufgebaut ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (51) bei streifendem Einfall der erwünschten Strahlung aus einem Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit 50 W/m K und gleichzeitig hohem Reflexionsvermögen für eine direkt integrierte Spiegelfläche, die bei streifendem Strahlungseinfall im Wellenlängenbereich um 13,5 nm ein Reflexionsvermögen von mehr als 50 % aufweist, gefertigt ist.
Anordnung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (51) für eine direkt integrierte Spiegelfläche aus einem der Metalle Palladium, Ruthenium oder Gold gefertigt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (51) bei streifendem Einfall der erwünschten Strahlung aus einem Metall mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 100 W/m K gefertigt und die optisch aktive Oberfläche mit einer Reflexionsbeschichtung (12) versehen ist, die bei streifendem Strahlungseinfall im Wellenlängenbereich um 13,5 nm ein Reflexionsvermögen von mehr als 50 % aufweist.
Anordnung nach Anspruch 21 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (51) an der optisch aktiven Oberfläche mit einer oberflächenvergütenden Schicht (12) versehen ist.
Anordnung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsbeschichtung (12) aus einem der Metalle Palladium oder Ruthenium gefertigt ist.