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Die
Erfindung betrifft ein optisches Bauelement, mit zumindest einem
optisch wirksamen Element, das sich bei Bestrahlung mit Licht erwärmt, und mit
zumindest einem Fassungselement zum Befestigen des zumindest einen
optisch wirksamen Elements an einer Haltestruktur, wobei das zumindest eine
optisch wirksame eine Element einen Körper aufweist, und mit einer
aktiven Kühlung,
die zumindest eine mit einem Kühlmedium
beaufschlagbare Kühlleitung
aufweist, die in oder an dem Körper
des zumindest einen optisch wirksamen Elements unmittelbar angeordnet
ist.
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Ein
derartiges optisches Bauelement ist aus dem Dokument WO 2005/054547
A2 bekannt.
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Die
Erfindung betrifft ohne Beschränkung
der Allgemeinheit insbesondere die Minimierung von Thermalgradienten
in einem Kollektor für
die EUV-Lithographie. Diese Art der Lithographie verwendet Licht
im extremen ultravioletten Spektralbereich, insbesondere Licht einer
Wellenlänge
von 13 nm zur Abbildung eines Retikels auf einen Wafer.
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Die
Simulationsergebnisse für
den Kollektor des EUV-Beleuchtungssystems zeigen auf, dass sich der
Kollektor im Betrieb stark erwärmt
und dadurch deformiert wird. Diese Deformation verändert sich während des
Betriebs zunehmend und verändert
das optische Verhalten des Systems. Dieses sich während des
Betriebs verändernde
optische Verhalten wird auch als so genannter "transienter Effekt" bezeichnet.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung insbesondere mit Bezug auf einen Kollektor
zur Verwendung in der EUV-Lithographie beschrieben wird, ist die
vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Es versteht sich, dass
die Erfindung auch auf andere optische Bauelemente allgemein anwendbar
ist.
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Mit
Bezug auf 1 der beigefügten Zeichnungen
wird das Erwärmen
eines allgemeinen optischen Bauelements kurz erläutert. 1 zeigt einen einfallenden Lichtstrahl 1,
der auf ein optisches Bauelement trifft. Das optische Bauelement
ist beispielsweise ein Spiegel, der ein optisch wirksames Element
aufweist, das ein Substrat 4, beispielsweise einen Substratkörper, und
eine optisch wirksame Schicht 3, beispielsweise eine reflektierende
Schicht, aufweist, an der der Lichtstrahl abgelenkt oder reflektiert
wird, wie durch das Bezugszeichen 2 angedeutet ist. Substrat 4 und
Schicht 3 bilden den Körper
des optisch wirksamen Elements. Andere optische Bauelemente, wie
Linsen, Prismen, Gitter, Strahlteiler usw., sind als weitere Anwendungsfälle denkbar.
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Ein
Teil der eintreffenden Energie 1 wird auf der optischen
Schicht 3 oder im Substrat 4 des optisch wirksamen
Elements absorbiert. Dadurch entsteht Wärme 5, die sich im
Substrat 4 ausbreitet. Diese Wärme wird in den meisten Fällen schlecht
abgeführt,
da die Fassungselemente 6 zur Haltestruktur 7 hin
und auch das Material des Substrats 4 des optisch wirksamen
Elements eine schlechte Wärmeleitung
besitzen. Der Körper
dehnt sich aus. Diese Ausdehnung wird durch die Fassungselemente 6 und
die Haltestruktur 7 behindert, was zu lokalen Verformungen
des optisch wirksamen Elements und somit zu Verschlechterungen des
optischen Leistungsvermögens
des Geräts
führt,
in dem das optische Bauelement verwendet wird.
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Zusammenfassend
treten folgende Probleme auf. Zum einen wird das optische Bauelement
zu heiß.
Dadurch könnte
das Substratmaterial des optisch wirksamen Elements und die optischen
Schichten, wie die Schicht 3, zerstört werden. Zum anderen wird
das optische Bauelement, insbesondere das optisch wirksame Element,
so stark deformiert, dass das optische Leistungsvermögen des
Systems außerhalb
der geforderten Spezifikation ist. Des Weiteren kann sich die Deformation
des optisch wirksamen Elements während
des Betriebs ("transiente
Effekte") verändern. Eine
einmalige (statische) Korrektur des sich ergebenden Fehlers im optischen
System, beispielsweise mit Hilfe anderer optischer Bauelemente, ist
somit nicht ausreichend.
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Das
Dokument WO 2005/054547 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung
metallischer Bauelemente, worunter nach diesem Dokument auch optische
Bauelemente, bspw. Spiegel, die in EUV-Systemen eingesetzt werden, zu verstehen
sind. Bei den dort beschriebenen Verfahren wird auf ein Substrat eine
erste Schicht galvanisiert, auf die wiederum eine Maskenschicht
aus einem schmelzbaren Material aufgetragen wird. In die Maskenschicht
werden Kanäle
eingebracht, und anschließend
wird die Maskenschicht einschließlich der zuvor herausgearbeiteten
Kanäle
mit einer weiteren Schicht übergalvanisiert.
Nach Ausschmelzen der Maskenschicht entstehen dann Kanäle, die
als Kühlleitungen
dienen.
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Der
Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Herstellung des
Kühlsystems
mit der Herstellung der optisch wirksamen Schicht einhergeht, was
zum einen die optisch wirksame Schicht beeinträchtigen kann, andererseits
aber auch das Herstellungsverfahren des Kühlsystems aufwändig werden
lässt.
Außerdem
ist die Dichtigkeit der Kühlleitungen
bei diesem Herstellungsprozess nicht leicht kontrollierbar.
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Das
Dokument
EP 1 387 054
A2 offenbart eine Kühlvorrichtung
und ein Kühlverfahren
zum Kühlen
eines optischen Bauelements, das in einer Vakuumatmosphäre betrieben
wird. Die Kühlvorrichtung
umfasst einen Kühlteil,
der durch Strahlung Wärme
vom optischen Bauelement aufnimmt und abführt. Das Kühlteil ist von dem optischen
Bauelement beabstandet angeordnet. Eine Steuereinrichtung zum Steuern
der Temperatur des Strahlungs-Kühlteils
ist vorgesehen.
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Diese
Kühlvorrichtung
ist kostenaufwendig, da sie eine beträchtliche Zahl an zusätzlichen
Teilen erfordert, wodurch außerdem
der Bauraum des optischen Bauelements nachteiligerweise erhöht wird. Außerdem ist
eine auf Strahlung basierende Kühlung wenig
effektiv.
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Das
Dokument US 2004/0051984 A1 offenbart Vorrichtungen und Verfahren
zum Kühlen
optischer Bauelemente, die in Vakuum-Umgebungen verwendet werden. Die Kühlvorrichtung
weist eine wärmeaufnehmende
Platte auf, die in der Nähe
eines optischen Bauelements entlang dessen Oberfläche angeordnet
ist, die der mit Licht beaufschlagten Oberfläche des optischen Bauelements
abgewandt ist. Auch bei dieser Kühlvorrichtung
wird die Wärme vom
optischen Bauelement durch Strahlung auf die Kühlvorrichtung abgeführt. Zusätzlich wird
dort ein Verfahren beschrieben, das optische Bauelement mittels
eines Kühlmediums
durch Konvektion zu kühlen.
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Bei
einem thermisch hoch belasteten optischen Bauelement, wie beispielsweise
dem Kollektor eines mit einer Hochleistungsquelle betriebenen EUV-Lithographiesystems,
ist eine derartige Kühlung in
den meisten Fällen
nicht ausreichend, weil sich zu hohe Temperaturen auf dem optischen
Bauelement einstellen, die zu einer starken Deformation führen oder
die optischen Schichten und die optischen Materialien, insbesondere
unter thermomechanischer Beanspruchung, beschädigen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein anderes Kühlkonzept
für ein
optisches Bauelement bereitzustellen, das einerseits weniger kostenaufwendig
und andererseits nichtsdestoweniger darin wirksam ist, Verschlechterungen
des Leistungsverhaltens des optischen Bauelements und damit des optischen
Systems, in dem das optische Bauelement verwendet wird, zu vermeiden
oder zumindest zu vermindern.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches
Bauelement bereitzustellen, an dem ein derartiges Kühlkonzept
verwirklicht ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe hinsichtlich des eingangs genannten Bauelements dadurch gelöst, dass
die zumindest eine Kühlleitung
an einem separaten Kühlkörper ausgebildet
ist, der mit dem Körper
des optischen wirksamen Elements fest verbunden oder in diesen integriert
ist.
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Das
erfindungsgemäße Kühlkonzept
beruht darauf, das optisch wirksame Element des optischen Bauelements
selbst zu kühlen,
und zwar mittels einer aktiven Kühlung,
die zumindest eine mit einem Kühlmedium
beaufschlagbare Kühlleitung
aufweist, die am optisch wirksamen Element unmittelbar angeordnet
ist oder in dieses integriert ist. Eine direkte Kühlung des
optisch wirksamen Elements des optischen Bauelements selbst stellt
eine effektivere Kühlung dar,
um eine möglichst
niedrige, konstante Temperatur des optischen Bauelements zu erreichen,
da die Kühlung
nun direkt an demjenigen Element angreift, das sich als erstes und
am stärksten
erwärmt,
nämlich
das optisch wirksame Element selbst.
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Die
Ausbildung der zumindest einen Kühlleitung
an einem separaten Kühlkörper, der
auf diese Weise vorzugsweise als solches vorgefertigt werden kann,
hat den Vorteil, dass die Herstellung des Kühlkörpers bis zur Fertigstellung
des Kühlkörpers zunächst unabhängig von
der Herstellung des optisch wirksamen Bauelements erfolgen kann,
und erst in einem späteren
Arbeitsgang dann der Kühlkörper mit dem
Körper
des optisch wirksamen Elements verbunden wird. Beeinträchtigungen
des optisch wirksamen Bereichs des optisch wirksamen Elements können so
vermieden bzw. zumindest verringert werden, und es ist ebenso möglich, wenn
der Kühlkörper bereits
kühlmediumdicht
hergestellt wird, die Dichtigkeit des Kühlsystems leichter zu kontrollieren.
Das Herstellungsverfahren des optischen Bauelements wird somit vereinfacht.
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Vorzugsweise
weist der Kühlkörper die
zumindest eine Kühlleitung
bereits kühlmediumdicht auf,
oder der Kühlkörper ist
erst durch die Verbindung mit dem Körper des optisch wirksamen
Elements kühlmediumdicht.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Körper eine
Grundschicht, die den optisch wirksamen Bereich des zumindest einen
optisch wirksamen Elements bildet oder zumindest aufweist, und zumindest
eine mit der Grundschicht verbundene Deckschicht auf, wobei der
Kühlkörper zwischen der
Grundschicht und der zumindest einen Deckschicht angeordnet ist.
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Ein
solch mehrschichtiger Aufbau des optisch wirksamen Elements stellt
eine Maßnahme
dar, die auf vorteilhaft kostengünstige
Weise die Integration des Kühlkörpers in
den Körper
des optisch wirksamen Elements ermöglicht.
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Wie
in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen ist, werden
die Grundschicht und die zumindest eine Deckschicht mittels Galvanoformung
oder Elektroformung gefertigt, d.h. die Grundschicht und die zumindest
eine Deckschicht werden sukzessive gefertigt, und beispielsweise nach
Herstellung der Grundschicht können
dann zunächst
die für
die Kühlung
vorgesehenen Teile auf der Grundschicht angebracht werden, bevor
die Deckschicht angalvanisiert oder auf andere Weise angebracht
wird.
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Alternativ
zu der zuvor genannten Ausgestaltung weist der Körper eine Grundschicht auf,
die den optisch wirksamen Bereich des zumindest einen optischen
wirksamen Elements bildet, und zumindest eine Deckschicht, wobei
der Kühlkörper durch
die zumindest eine Deckschicht gebildet ist, die so vorgeformt ist,
dass die zumindest eine Kühlleitung
als Hohlraum durch eine lokale Beabstandung der zumindest einen
Deckschicht von der Grundschicht zwischen der Grundschicht und Deckschicht
ausgebildet ist.
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Hierbei
bildet die Deckschicht selbst den Kühlkörper, und die Verbindung mit
dem Körper
dient im Wesentlichen der Abdichtung der die zumindest eine Kühlleitung
aufweisenden Kühleinrichtung.
Die Deckschicht ist zur Ausbildung der Hohlräume entsprechend vorgeformt.
Diese Ausgestaltung des optischen Bauelements hat den Vorteil einer
noch weiter vereinfachten und somit kostengünstigeren Herstellung des optischen
Bauelements, da die zumindest eine Kühlleitung nicht als separate
Kühlleitung ausgebildet
werden muss, sondern das Kühlmedium direkt
durch den Hohlraum zwischen der zumindest einen Deckschicht und
der Grundschicht durchgeleitet werden kann. Außerdem kann hier durch eine
besonders großflächige Wärmeabsorption
erreicht werden.
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Der
Hohlraum kann sich in Umfangs- und/oder axialer Richtung erstrecken.
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Alternativ
hierzu kann die zumindest eine Kühlleitung
des Kühlkörpers auch
als separate Kühlleitung
ausgebildet und auf einer Rückseite
des Körpers
angeordnet und mit diesem wärmeleitend
verbunden sein.
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Der
Vorteil dieser Maßnahme
besteht darin, dass insbesondere im Falle des Vorsehens einer Mehrzahl
von Kühlleitungen
diese bereits zu dem Kühlkörper vorgefertigt
werden können,
der dann anschließend
mit dem Körper
des optisch wirksamen Elements nur noch zu verbinden ist.
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Im
Falle der Ausgestaltung des Körpers
des optisch wirksamen Elements mit Grundschicht und zumindest einer
Deckschicht ist es ebenso bevorzugt, wenn die zumindest eine Kühlleitung
des Kühlkörpers als
separate Kühlleitung
ausgebildet ist, die zwischen der Grundschicht und der zumindest
einen Deckschicht angeordnet ist.
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Dabei
kann die zumindest eine separate Kühlleitung als Röhrchen mit
vollumfänglich
geschlossener Wand ausgebildet sein, oder die zumindest eine separate
Kühlleitung
kann als teilumfänglich
offenes Kanalelement ausgebildet sein, das mit seiner Offenseite
an der Grundschicht oder der zumindest einen Deckschicht dicht anliegt.
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Bei
letzterer Ausgestaltung wird somit die Abdichtung der zumindest
einen separaten Kühlleitung
durch die Grundschicht oder die zumindest eine Deckschicht bewerkstelligt.
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Als
weitere Alternative kann die zumindest eine separate Kühlleitung
als teilumfänglich
offenes Kanalelement ausgebildet sein, dessen Offenseite von dem
Körper
oder Grundschicht abgewandt angeordnet ist, und wobei die Offenseite
durch ein Deckelement geschlossen ist.
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Des
Weiteren ist es bevorzugt, wenn ein Füllstoff zur Ausfüllung von
Spalten zwischen der zumindest einen Kühlleitung und dem Körper des
zumindest einen optisch wirksamen Elements vorhanden ist.
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Der
Vorteil des Vorsehens eines Füllstoffs besteht
darin, dass der Füllstoff
Luftbrücken
zwischen dem Körper
und der Kühlleitung
auf Grund von Formungenauigkeiten des Körpers des optisch wirksamen
Elements und/oder der Kühlleitung
schließt, so
dass das erfindungsgemäße optische
Bauelement für
Vakuumanwendungen besonders geeignet ist, da Hohlräume vermieden
werden, die zu Ausgasungen Anlass geben.
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Eine
weitere Minimierung von Luftbrücken zwischen
der Kühlleitung
und dem Körper
des optisch wirksamen Elements ist die Kühlleitung vorzugsweise an die
Form des Körpers
des optisch wirksamen Elements so exakt wie möglich angepasst.
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Hierzu
kann bspw. die zumindest eine Kühlleitung,
bspw. wenn diese als Röhrchen
ausgebildet ist, vorgebogen werden, um sich an eine Biegung des Körpers des
optisch wirksamen Elements anzupassen. Alternativ oder zusätzlich kann
auch der Körper des
optisch wirksamen Elements zunächst
etwas dicker hergestellt werden, und anschließend auf das gewünschte Maß formgetreu
abgedreht werden. Auch hierdurch wird die Formgenauigkeit und somit die
formgetreue Anpassung der Kühlleitung
an den Körper
des optisch wirksamen Elements verbessert.
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Hierbei
ist von Vorteil, dass zunächst
das Kühlsystem,
insbesondere mit mehreren Kühlleitungen,
in einem separaten Arbeitsschritt vorgefertigt werden kann, und
der fertige Kühlkörper mit
der zumindest einen Kühlleitung
dann nur noch mit dem Körper
des optisch wirksamen Elements fest verbunden oder in diesen integriert
werden muss.
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Auch
hier kann es wieder im Fall, dass der Körper des optisch wirksamen
Elements eine Grundschicht und zumindest eine Deckschicht aufweist, vorgesehen
sein, den Kühlkörper zwischen
der Grundschicht und zumindest einen Deckschicht anzuordnen.
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Wie
bereits erwähnt,
kann der Kühlkörper die zumindest
eine Kühlleitung
bereits kühlmediumdicht aufweisen.
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Bei
dieser Ausgestaltung wird somit der Kühlkörper bereits als in sich kühlmediumdichtes System
vorgefertigt und dann mit dem Körper
des optisch wirksamen Elements verbunden, wodurch weitere Abdichtungsmaßnahmen
bei der Fertigung des optischen Bauelements nicht mehr erforderlich
sind.
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Wie
ebenfalls bereits oben erwähnt,
ist es bevorzugt, wenn die aktive Kühlung eine Mehrzahl von Kühlleitungen
aufweist, die in oder an dem Körper
des optisch wirksamen Elements angeordnet sind.
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Dabei
können
die Kühlleitungen
vorzugsweise über
einen gemeinsamen Verteilerkanal und/oder einen gemeinsamen Sammelkanal
parallel geschaltet sein.
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Das
Vorsehen eines gemeinsamen Verteilerkanals und/oder eines gemeinsamen
Sammelkanals hat den Vorteil, dass für die Zuleitung und/oder Ableitung
des Kühlmediums
insgesamt nur eine Zuleitung oder eine Ableitung vorgesehen werden
muss, wie dies in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Fall
ist. Ein weiterer Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass
der Druckabfall in den Kühlleitungen
gering gehalten wird, bzw. bei gleichem Druckabfall ein höherer Volumenstrom
des Kühlmediums
und damit eine bessere Kühlwirkung
erreicht werden kann.
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Um
eine möglichst
große
Fläche
des Körpers des
optisch wirksamen Elements wirksam zu kühlen, und somit innerhalb des
Körpers
des optisch wirksamen Elements Deformationen aufgrund von Thermalgradienten
zu vermeiden oder zumindest zu vermindern, ist die zumindest eine
Kühlleitung
vorzugsweise mäanderförmig, spiralförmig oder
geradlinig ausgebildet, wobei im letzteren Fall eine Mehrzahl von
Kühlleitungen
nebeneinander am oder im Körper des
optisch wirksamen Elements angeordnet sind, um eine große Fläche des
optisch wirksamen Elements zu kühlen.
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Der
Körper
des zumindest einen optisch wirksamen Elements ist vorzugsweise
durch Galvanoformung gefertigt, d.h. durch Abscheiden oder Wachsen
einer galvanischen Schicht auf einem Kern, der nach Fertigstellung
des Körpers
von diesem abgetrennt wird.
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Insbesondere
im Fall, dass der Körper
des optisch wirksamen Elements eine Grundschicht und zumindest eine
Deckschicht aufweist, sind auch diese beiden Schichten vorzugsweise
durch Galvanoformung gefertigt.
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Bei
der Galvanoformung besteht ein wesentlicher Vorteil darin, dass
das Kühlsystem
ohne Verwendung von Klebstoffen oder dergleichen abgedichtet werden
kann, da die Verwendung von Klebstoffen den Nachteil hat, dass diese
insbesondere aufgrund der wiederholten Wärmeeinwirkung altern und sich
die Klebung während
des Betriebs lösen kann.
Bei der Galvanoformung kann auf jegliche Klebung verzichtet werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist am oder im Körper des
zumindest einen optisch wirksamen Elements zumindest ein Temperatursensor
angeordnet.
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Mittels
des Temperatursensors kann die Temperatur des optisch wirksamen
Elements des optischen Bauelements während des Betriebs überwacht
und gegebenenfalls durch ein Regelsystem, das auf die Kühlung einwirkt,
geregelt werden.
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Im
Fall, dass der Körper
des optisch wirksamen Elements eine Grundschicht und zumindest eine
Deckschicht aufweist, ist der Temperatursensor zwischen der Grundschicht
und der zumindest einen Deckschicht eingebettet.
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Insbesondere
im Zusammenhang mit einer der zuvor genannten Ausgestaltungen, wonach
die Grundschicht und die zumindest eine Deckschicht als galvanische
Schichten gefertigt sind, kann somit der Temperatursensor ohne die
Verwendung von Klebstoffen in den Körper des optisch wirksamen
Elements integriert werden.
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In
vergleichbarer Weise ist auch das zumindest eine Fassungselement,
mit dem das optisch wirksame Element mit der Haltestruktur verbunden ist,
mit dem Körper
des zumindest einen optisch wirksamen Elements fest verbunden, indem
ein Abschnitt des Fassungselements zwischen der Grundschicht und
der zumindest einen Deckschicht eingebettet ist, wenn der Körper einen
Aufbau mit Grundschicht und zumindest einer Deckschicht aufweist.
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Auch
in diesem Fall besteht ein besonderer Vorteil darin, wenn die Grundschicht
und die zumindest eine Deckschicht galvanisch hergestellt sind, dass
das zumindest eine Fassungselement ohne Verwendung von Klebstoffen
mit dem Körper
des zumindest einen optisch wirksamen Elements fest verbunden werden
kann.
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Des
Weiteren kann vorzugsweise am oder im Körper des zumindest einen optisch
wirksamen Elements noch zumindest ein Heizelement angeordnet sein.
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Dieses
kann beispielsweise ein auf elektrischer Widerstandsheizung basierendes
Heizelement sein, wie in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung
vorgesehen ist.
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Das
Vorsehen zumindest eines Heizelements für das optisch wirksame Element
hat den Vorteil, dass das optisch wirksame Element mittels des Heizelements
schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden kann, und in Verbindung
mit der aktiven Kühlung
kann dann die Betriebstemperatur während des Betriebs des optischen
Bauelements möglichst
konstant gehalten werden, um transiente Effekte im optisch wirksamen
Element und damit im optischen Bauelement zu vermeiden oder zumindest
zu verringern.
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Anstelle
der Verwendung eines auf elektrischer Widerstandsheizung basierenden
Heizelements kann auch vorzugsweise die zumindest eine Kühlleitung
anstatt mit dem Kühlmedium
oder zusätzlich
dazu mit einem Heizmedium beaufschlagt werden, beispielsweise kann
zu Beginn des Betriebs des optischen Bauelements durch die zumindest eine
Kühlleitung
ein warmes Medium geleitet werden, bis das optische Bauelement auf
Betriebstemperatur ist, und anschließend wird die Temperatur des
wärmenden
Mediums im Sinne einer Kühlung verringert.
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Bevorzugtes
Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kühlkonzepts ist ein Spiegel
als das zumindest eine optisch wirksame Element, insbesondere eine
Spiegelschale eines Kollektors, insbesondere für die EUV-Lithographie, als
das optische Bauelement.
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Dabei
kann der Kollektor eine Mehrzahl von ineinander genesteten Spiegelschalen
aufweisen.
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Im
Falle des Vorsehens einer aktiven Kühlung gemäß einer oder mehrerer der oben
genannten Ausgestaltungen kann dies, insbesondere im Falle eines
Kollektors der Spiegelschalen, zu einer Dickenerhöhung der
einzelnen Spiegelschalen führen.
Um jedoch bei streifendem Lichteinfall eine Ausblendung eines Teils
des Lichts zu vermeiden, ist es in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung
vorgesehen, dass ein im Betrieb des Bauelements einer Lichtquelle
zugewandtes Ende des Körpers
der Spiegelschale verjüngt
bzw. dünner
ausgebildet ist als der übrige Körper der
Spiegelschale.
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Somit
wird auf der Strahleintrittsseite der jeweiligen Spiegelschale durch
die Verjüngung
oder Dickenverringerung eine Ausblendung eines Teils des Lichts
vermieden oder zumindest verringert, wodurch die optischen Eigenschaften
des Kollektors trotz Vorsehens einer aktiven Kühlung der Spiegelschalen nicht
beeinträchtigt
werden.
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Das
Ende des Körpers
der Spiegelschale kann dabei vorzugsweise spitz zulaufend abgedreht oder
separat als Keil gefertigt sein. Des Weiteren ist es bevorzugt,
wenn das Ende des Körpers
der Spiegelschale verspiegelt oder poliert ist, um den Wärmeeintrag
in die Spiegelschale am Ende des Körpers zu verringern.
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Weitere
Vorteile und Merkmale gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und
den beigefügten
Zeichnungen hervor.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden mit
Bezug auf diese hiernach näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines optischen Bauelements, an dem die technische
Problemstellung erläutert
wurde;
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2 einen
EUV-Kollektor in einer perspektivischen Darstellung;
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3 ein
allgemeines Ausführungsbeispiel zur
Erläuterung
eines Prinzips einer Kühlung
eines optischen Bauelements;
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4a) bis c) drei Hauptverfahrensschritte der
Fertigung einer Spiegelschale mittels Galvanoformung in schematischer
Halbdarstellung;
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5a) und b) zwei weitere Verfahrensschritte,
die die Implementierung einer aktiven Kühlung in eine Spiegelschale
in einer schematischen Halbdarstellung veranschaulichen;
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6a) und b) einen weiteren Verfahrensschritt
der Implementierung einer aktiven Kühlung in eine Spiegelschale
in einer schematischen Halbdarstellung, wobei 6a)
eine geschnittene Seitenansicht und 6b)
eine Draufsicht auf die Spiegelschale ist;
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7 eine
alternative Implementierung einer aktiven Kühlung in Abwandlung der Darstellung
in 6;
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8a) bis e) schematische Darstellungen einer
Spiegelschale in Seitenansicht, wobei verschiedene Verläufe einer
oder mehrerer Kühlleitungen
der aktiven Kühlung
veranschaulicht sind;
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9 eine
weitere Alternative einer Implementierung einer aktiven Kühlung in
eine nur ausschnittsweise dargestellte Spiegelschale;
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10a) und b) eine noch weitere Alternative
einer Implementierung einer aktiven Kühlung in eine in 10a) ausschnittsweise dargestellte Spiegelschale,
wobei 10b) die Spiegelschale in Seitenansicht
zeigt;
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11 eine
noch weitere Variante einer Implementierung einer aktiven Kühlung in
eine ausschnittsweise dargestellte Spiegelschale;
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12 eine
noch weitere Variante einer Implementierung einer aktiven Kühlung in
eine ausschnittsweise dargestellte Spiegelschale;
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13 eine
Implementierung eines Temperatursensors in eine ausschnittsweise
dargestellte Spiegelschale in einer Prinzipdarstellung;
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14 eine
weitere Prinzipdarstellung, die veranschaulicht, wie ein Fassungselement
in eine Spiegelschale integriert werden kann;
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15 eine
Halbdarstellung eines Fassungselements zur Befestigung einer Spiegelschale an
einer Haltestruktur in Alleinstellung;
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16 eine
Prinzipdarstellung eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung
zur Implementierung einer aktiven Kühlung in ein optisches Bauelement;
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17 die Übertragung
des Prinzips gemäß 16 auf
eine Spiegelschale;
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18a) und b) eine Variante der Implementierung
einer aktiven Kühlung
in eine Spiegelschale, wobei 18a)
die Spiegelschale in Seitenansicht im Längsschnitt in Halbdarstellung
und 18b) die Spiegelschale in einer
Volldarstellung und im Querschnitt darstellt;
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19 eine
Alternative der Implementierung einer aktiven Kühlung in eine Spiegelschale
in einer Darstellung analog zu 18b);
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20a) bis d) einen weiteren Aspekt der vorliegenden
Erfindung am Beispiel ausschnittsweise dargestellter Spiegelschalen.
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Mit
Bezug auf 3 wird zunächst ein prinzipieller Aspekt
der vorliegenden Erfindung erläutert.
In 3 ist ein mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehenes
optisches Bauelement dargestellt, das beispielsweise ein Spiegel
ist.
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Das
optische Bauelement 10 weist ein optisch wirksames Element 12 auf,
das einen Körper 14 aufweist,
der eine optisch wirksame Schicht 16, beispielsweise eine
reflektierende Schicht, und im Übrigen
ein Substrat aufweist. Der Körper 14 ist über Fassungselemente 18 mit
einer Haltestruktur 20 verbunden.
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Das
optische Bauelement 10 weist eine aktive Kühlung 22 auf,
die zumindest eine Kühlleitung 24 aufweist,
die mit einem Kühlmedium
beaufschlagt werden kann. Das Kühlmedium
kann beispielsweise Wasser sein. Die zumindest eine Kühlleitung 24 ist bei
dem erfindungsgemäßen Kühlkonzept
unmittelbar im oder am Körper 14,
im gezeigten Ausführungsbeispiel
im Körper 14 des
optisch wirksamen Elements 12, angeordnet. Die Kühlung des
optischen Bauelements 10 setzt somit unmittelbar am Körper 14 des
optisch wirksamen Elements 12 an.
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Das
Kühlmedium
kann gemäß einem
Pfeil 26 durch eine Eintrittsöffnung in die Kühlleitung 24 eingeleitet
und gemäß einem
Pfeil 28 durch eine Austrittsöffnung wieder abgeführt werden.
Das Kühlmedium
strömt
somit durch den Körper 14 des
optisch wirksamen Elements 12.
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Trifft
nun im Betrieb des optischen Bauelements 10 Licht 30 auf
die optisch wirksame Schicht 16 des optisch wirksamen Elements 12 und
wird an dieser gemäß 32 reflektiert,
wird Wärme 34 im
Körper 14 des
optisch wirksamen Elements 12 absorbiert, und diese Wärme wird
sofort an das Kühlmedium, das
durch die Kühlleitung 24 strömt, abgeführt. Dadurch
heizt sich das optisch wirksame Element 12 nur geringfügig auf,
und es kommt nur zu geringen Deformationen des optisch wirksamen
Elements 12. Durch die direkte aktive Kühlung des optisch wirksamen
Elements 12 erfahren die Fassungselemente 18 zudem
keine oder keine wesentlichen Temperaturänderungen, die des Weiteren
zu Deformationen des optisch wirksamen Elements 12 und
damit zur Verschlechterung des optischen Leistungsverhaltens führen könnten.
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Mit
Bezug auf 2 wird nun ein optisches Bauelement
beschrieben, bei dem das mit Bezug auf 3 beschriebene
Kühlkonzept
verwirklicht werden kann. In 2 und den
folgenden noch zu beschreibenden Figuren werden für gleiche
oder vergleichbare Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Das
in 2 dargestellte optische Bauelement 10 ist
ein EUV-Kollektor,
der im Rahmen der EUV-Lithographie verwendet wird. Als optisch wirksame
Elemente 12 weist der Kollektor eine Mehrzahl von Spiegelschalen 36 auf,
die jeweils für
sich rotationssymmetrisch bezüglich
einer Symmetrieachse 38 ausgebildet und konzentrisch zueinander
ineinander genestet sind. Die einzelnen Spiegelschalen 36 haben
eine Ausdehnung in Richtung der Symmetrieachse 38, wobei
ihre optisch wirksame Schicht jeweils durch die Oberfläche gebildet
wird, die der Symmetrieachse 38 zugewandt ist, also jeweils
ihre innere Oberfläche.
Im Betrieb des Kollektors 10 tritt Licht von einer Lichtquelle 40,
die auf der Symmetrieachse 38, jedoch außerhalb
der Spiegelschalen 36 angeordnet ist, in den Kollektor 10 ein
und wird an den der Symmetrieachse 38 zugewandten Oberflächen der
einzelnen Spiegelschalen 36 reflektiert. Der Einfall des
Lichts der Lichtquelle 40 auf die einzelnen Spiegelschalen 36 ist
dabei mehr oder weniger streifend.
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Als
Fassungselemente 18 weist der Kollektor 10 beispielhaft
eine Mehrzahl von Speichen 42 auf, im gezeigten Ausführungsbeispiel
insgesamt sechs Speichen. Die sechs Speichen gehen in ein gemeinsames
Speichenrad 44 über.
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Jede
einzelne der Spiegelschalen 36 weist eine im Wesentlichen
topfförmige
Struktur auf, die an beiden Längsenden
offen ist.
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Mit
Bezug auf 4a) bis 4c)
wird zunächst allgemein
und prinzipiell die Herstellung eines einzelnen optisch wirksamen
Elements 12 in Form einer Spiegelschale 36 beschrieben.
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Die
optisch wirksamen Elemente 12 in Form der Spiegelschalen 36 werden
durch Galvanoformung, was auch als Elektroformung bezeichnet wird, hergestellt.
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Dazu
wird ein Kern oder Mandrel 46 verwendet, dessen Außenumfangskontur
der gewünschten Kontur
des optisch wirksamen Bereichs bzw. der optisch wirksamen Schicht 16 entspricht.
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Zunächst wird
die optisch wirksame Schicht 16 auf den Kern 46 galvanisch
aufgebracht, wie in 4a) dargestellt
ist. Zur weiteren Ausbildung des Körpers 14 des optisch
wirksamen Elements 12 wird gemäß 4b)
eine Substratschicht 48 auf die optisch wirksame Schicht 16 galvanisch
aufgebracht. Die Substratschicht 48 ist üblicherweise
ein metallisches Substrat, beispielsweise Nickel, das galvanisch
auf die optisch wirksame Schicht 16 abgeschieden wird.
Neben Nickel sind auch andere Metalle, wie Kupfer, Silber, Wolfram
usw. verwendbar. Sobald die gewünschte
Dicke der Substratschicht 48 erreicht ist, wird die Gesamtschicht
aus optisch wirksamer Schicht 16 und Substratschicht 48 von
dem Kern 46 getrennt, wie in 4c)
dargestellt ist. Die optisch wirksame Schicht 16 ist nun
auf die Substratschicht 48 übertragen worden.
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Ausgehend
von 4b) wird nachfolgend mit Bezug
auf 5 und 6 beschrieben, wie eine aktive
Kühlung,
die bereits prinzipiell mit Bezug auf 3 beschrieben
wurde, in das optisch wirksame Element 12 in Form der Spiegelschale 36 implementiert
werden kann.
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Gemäß 5a) wird in die gemäß 4b) hergestellte
Substratschicht 48 zumindest ein Kanal 50 eingearbeitet,
beispielsweise durch Fräsen,
Erodieren, Schleifen oder andere geeignete Verfahren, wobei der
Kanal 50 mit einem elektrisch leitfähigen Material 52 ausgefüllt wird.
Es versteht sich, dass mehrere solcher Kanäle 50 in die Substratschicht 48 eingearbeitet
werden können,
die dann entsprechend mit dem leitfähigen Material 52 ausgefüllt werden.
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Im
Anschluss wird gemäß 5a) optional eine weitere Schicht 54 aufgebracht.
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Anschließend werden
die Bereiche der Substratschicht 48 an den Enden des Kanals 50,
also dessen Stirnseiten, entfernt, so dass die Stirnseiten des Kanals 50 offenliegen
und das leitfähige
Material, d.h. der Füllstoff 52,
wieder entfernt werden kann. Dies geschieht beispielsweise mit Lösungsmitteln oder
durch Erhitzen, so dass der Füllstoff 52 flüssig wird
und auslaufen kann. Als Füllstoffe
kommen elektrisch leitfähiges
Wachs, Metalle bzw. Metalllegierungen mit niedrigem Schmelzpunkt
in Frage. Alternativ kann man auch gummiartige Werkstoffe verwenden, die
mit einer Trennschicht versehen werden und nach dem Übergalvanisieren
und Öffnen
der Kanäle mechanisch
herausgezogen werden.
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Alternativ
zur Verwendung eines Füllstoffs 52 kann
der Kanal 50 mit einer dünnen Metallfolie, die beispielsweise
selbstklebend ist oder andersartig befestigt wird, abgedeckt werden,
bevor die weitere Schicht 54 auf galvanisiert wird.
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Nach
dem Entfernen des Füllstoffs 52 ist
der in 5b) dargestellte Zustand erreicht.
Der Kanal 50 bildet nunmehr die zumindest eine Kühlleitung 24, die
bereits prinzipiell mit Bezug auf 3 beschrieben
wurde, nunmehr in der Spiegelschale 36. Im nächsten Schritt
gemäß 6a) und 6b)
werden Zu- und Ableitungen für
die zumindest eine Kühlleitung 24 angebracht.
Hierzu werden in die gemäß 5b) offengelegten Enden des Kanals 50 bzw.
der daraus entstandenen Kühlleitung 24 ringförmige Teile 56 und 58 angeordnet,
die einen Verteilerkanal 60 und einen Sammelkanal 62 ausbilden,
die das Kühlmedium
in die in Längsrichtung
verlaufenden Kühlleitungen 24 verteilen
bzw. aus diesen wieder sammeln. In die ringförmigen Teile 56 und 58 werden
beispielsweise Rohrstutzen 64 für den Verteilerkanal 60 und 66 für den Sammelkanal 62 eingebracht,
beispielsweise eingeschweißt
oder eingelötet,
die als Zuleitung bzw. Ableitung für das Kühlmedium dienen.
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Auf
diese Weise weist die so hergestellte Spiegelschale 36 umfänglich verteilt
eine Mehrzahl von Kühlleitungen 24 auf,
die in Längsrichtung
der Spiegelschale 36 verlaufen, und die an ihrem einen Ende über den
Verteilerkanal 60 und am anderen Ende über den Sammelkanal 62 parallel
geschaltet sind, wie aus 6b) hervorgeht.
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Zum
Schluss wird eine weitere Galvanikschicht 68 über alle
Teile aufgebracht, die alle Spalte zwischen den Teilen abdeckt und
somit für
die Dichtheit des Kühlsystems
sorgt.
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Bei
dem bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel
bilden die optisch wirksame Schicht 16 und die Substratschicht 48 eine
Grundschicht des Körpers 14 des
optisch wirksamen Elements 12 in Form der Spiegelschale 36,
und die Schichten 54, 68 bilden zumindest eine
Deckschicht, so dass die zumindest eine Kühlleitung 24 zwischen
der Grundschicht und der Deckschicht als Hohlraum angeordnet ist.
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In 7 ist
eine Alternative zur Vorgehensweise in 6 dargestellt,
bei der die zumindest eine Kühlleitung 24 an
ihren Enden wiederum mit Rohrstutzen 64 und 66 versehen
ist, wobei die Rohrstutzen 64 und 66 jedoch hier
einen Flansch 70 bzw. 72 aufweisen, der zur besseren
Abdichtung der Kühlleitung 24 dient.
Vollständig
abgedichtet wird die Variante gemäß 7 wieder
vorzugsweise durch Übergalvanisieren
mit einer Galvanikschicht 68 wie in 6a),
alternativ durch Löten
oder andere Verfahren.
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Mit
Bezug auf 8a) bis 8e)
werden verschiedene mögliche,
jedoch nicht abschließende
Beispiele für
die Führung
einer oder mehrerer Kühlleitungen 24 bei
der Spiegelschale 36 näher
beschrieben.
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Mit
Bezug auf 6 wurde eine Parallelführung des
Kühlmediums
in einer Mehrzahl von Kühlleitungen 24 beschrieben,
bei der das Kühlmedium durch
einen Verteilerkanal 60 in die verschiedenen Kühlleitungen 24 verteilt
und über
einen Sammelkanal 62 wieder gesammelt wird. Diese Variante
ist in 8a) schematisch dargestellt.
Pfeil 26 zeigt die Richtung der Zufuhr und der Pfeil 28 die
Richtung der Abfuhr des Kühlmediums
aus den Kühlleitungen 24 an.
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8b) zeigt eine mäanderförmige Führung der zumindest einen Kühlleitung 24 vollumfänglich um
die Spiegelschale 36 herum, wobei die eine Kühlleitung 24 keine
Verzweigungen aufweist.
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8c) zeigt eine Variante mit einer Mehrzahl
mäanderförmiger Kühlleitungen 24,
die über Verzweigungen
oder T-Stücke
parallel geschaltet sind, wie bei 74 angedeutet ist.
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8d) zeigt eine Variante, bei der die eine Kühlleitung 24 spiralförmig und
ohne Verzweigung am bzw. im Körper 14 der
Spiegelschale 36 angeordnet ist, während 8e)
mehrere spiralförmige
Kühlleitungen 24 zeigt,
die wieder über
einen Ver teilerkanal 60 und einen Sammelkanal 62 parallel
geschaltet sind.
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Die
Wahl des geeigneten Layouts der zumindest einen Kühlleitung 24 fällt z.B.
nach bauraummäßigen Gesichtspunkten.
Während
eine Parallelschaltung besonders bei engem Bauraum günstig ist,
bietet sich eine Reihenschaltung dann an, wenn die zumindest eine
Kühlleitung
einen großen
Querschnitt haben kann.
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Die
Wahl des geeigneten Layouts der zumindest einen Kühlleitung 24 fällt aber
auch unter Berücksichtigung
des Druckabfalls und der damit zusammenhängenden Kühlungsleistung.
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Bei
allen zuvor beschriebenen Varianten des Verlaufs der Kühlleitungen
ist es bevorzugt, wenn die Kühlleitungen
an einem Kühlkörper ausgebildet
sind, der unabhängig
von dem Körper
bzw. der Grundschicht des Körpers
des optischen Bauelements vorgefertigt werden kann und dann mit
dem Körper
verbunden wird., wie später
näher beschrieben
wird.
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Mit
Bezug auf 9 ff. werden Ausgestaltungsvarianten
eines Kühlsystems
ebenfalls am Beispiel einer Spiegelschale 36 beschrieben,
bei denen die zumindest eine Kühlleitung
als separate Kühlleitung
am oder im Körper
der Spiegelschale ausgebildet ist, insbesondere durch Herstellung
eines separaten Kühlkörpers.
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Ausgangspunkt
für die
folgende Beschreibung kann wieder insbesondere 4b)
sein, wonach die optisch wirksame Schicht 16 und die Substratschicht 48 galvanisch
auf dem Kern 46 gebildet worden sind.
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Die
optisch wirksame Schicht 16 und die Substratschicht 48 bilden
hier wiederum die Grundschicht des Körpers 14 des optisch
wirksamen Elements 12 in Form der Spiegelschale 36.
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Gemäß 9 werden
auf die Grundschicht 16, 48 vollumfänglich geschlossene
Röhrchen 76 aufgebracht,
die eine entsprechende Anzahl an Kühlleitungen 24 darstellen.
Die Röhrchen 76 können vorgebogen
sein, um sich besser großflächig an
die Grundschicht 16, 48 anzulegen, was für einen
guten Wärmeübergang
von der Grundschicht 16, 48 in das durch die Röhrchen 76 strömende Kühlmedium
wichtig ist. Anstelle eines Vorbiegens der Röhrchen 76 können diese
in Längsrichtung
auch mehrteilig aufgebaut sein, d.h. aus mehreren Teilröhrchen bestehen,
die miteinander verschweißt
oder verlötet
werden. Insbesondere kann das gesamte System aus den Röhrchen 76 als
ein Kühlkörper vorgefertigt
werden, wobei dann der so hergestellte Kühlkörper einfach über die
Grundschicht 16, 48 gestülpt wird. Dies wird später noch
näher beschrieben.
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Die
Röhrchen 76 werden
gemäß 9 anschließend mit
einer Füllmasse 78 mit
der Grundschicht 16, 48 verbunden. Die Füllmasse 78 muss elektrisch
leitfähig
sein, oder, wenn sie dies nicht ist, kann sie anschließend mit
einer elektrisch leitfähigen Schicht,
beispielsweise, Silberleitlack, versehen werden.
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Die
Füllmasse 78 soll
Spalte zwischen den Röhrchen 76 und
der Grundschicht 16, 48 ausgleichen und thermischen
und elektrischen Kontakt herstellen. Die Füllmasse 78 sorgt außerdem für die Haftung
einer nachfolgend noch aufzubringenden galvanischen Deckschicht 80.
Durch die Füllmasse 78 werden
die Schatten bereiche aufgefüllt,
in die üblicherweise
nur wenig Material durch Galvanoformung gelangen kann.
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Anstelle
des Aufbringens der Deckschicht 80 können die Röhrchen 76 auch mit
der Grundschicht 16, 48 verlötet werden, wobei in diesem
Fall dann die Kühlleitungen 24 nicht
im Körper 14,
sondern am Körper 14 des
optisch wirksamen Elements 12 angeordnet sind.
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10 zeigt
eine weitere Alternative der Implementierung einer aktiven Kühlung in
Form separater Kühlleitungen,
die bei diesem Ausführungsbeispiel
nicht als umfänglich
geschlossene Rohre ausgebildet sind, sondern als teilumfänglich offene
Kanalelemente.
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Die
einzelnen, die Kühlleitungen 24 bildenden
Kanalelemente 76 sind zunächst an einer dem Körper 14 des
optisch wirksamen Elements 12 in Form der Spiegelschale 36 zugewandten
Umfangsseite offen, wie in 10a) dargestellt
ist. Die Kanalelemente 76 sind bereits an einem Kühlkörper 82 vormontiert,
auf dessen Innenseite die Kanalelemente 76 angeordnet sind.
Nach dem Überstülpen des Kühlkörpers 82 gemäß 10b) wird wieder eine Galvanik-Deckschicht 80 gemäß 10a) aufgebracht. Die Deckschicht 80 dient
vor allem der Abdichtung des Kühlsystems.
Alternativ zum Übergalvanisieren
des Kühlkörpers 82 mit
der Deckschicht 80 kann der Kühlkörper 82 auch mit der
Grundschicht 16, 48 verlötet werden.
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Der
Vorteil der Ausgestaltung des Kühlsystems
für das
optisch wirksame Element 12 in Form eines separaten Kühlkörpers 82 besteht
darin, dass der Kühlkörper 82 sehr
formgenau herge stellt werden kann. Als Herstellverfahren für den Kühlkörper 82 kommen
alle klassischen zerspanenden Verfahren, beispielsweise Drehen,
Fräsen
sowie Erodieren, in Frage. Um gleiche Materialien bei dem Kühlkörper 82 wie
die Grundschicht 16, 48 realisieren zu können, kommt
auch Elektroformung als Herstellverfahren des Kühlkörpers 82 in Frage.
Aufgrund des selben Ausdehnungskoeffizienten von Kühlkörper 82, Grundschicht 16, 48 und
Deckschicht 80 kommt es bei Erwärmung des Systems dadurch zu
keinen Thermalspannungen und daraus resultierenden Deformationen.
Die formgenaue Herstellung des Kühlkörpers 82 kann
dadurch ergänzt
werden, dass die Galvanik-Grundschicht 16, 48 passgenau überarbeitet
wird, vorzugsweise durch Drehen oder ein anderes Fertigungsverfahren,
wie beispielsweise Fräsen oder
Schleifen.
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Um
einen guten thermischen Kontakt zwischen der Grundschicht 16, 48 und
dem Kühlkörper 82 herzustellen,
kann der Kühlkörper 82 mit
einem thermisch leitenden Füllmaterial
bestrichen werden, beispielsweise einem Klebstoff, Wachs oder ähnlichem.
Gut eignen sich mit Metallpulver gefüllte Keramikkleber, die, falls
sie an die Oberfläche
gelangen, nicht ausgasen und für
Vakuumanwendungen daher nicht nachteilig sind.
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11 zeigt
eine weitere Variante einer Implementierung eines Kühlsystems
im Körper 14 des optisch
wirksamen Elements 12 eines optischen Bauelements in Abwandlung
des Ausführungsbeispiels
in 10. Während
bei dem Ausführungsbeispiel
in 10 die einzelnen Kanalelemente 76 auf einer
der Grundschicht 16, 48 zugewandten Umfangsseite
offen sind und durch Anlage an die Grundschicht 16, 48 abgedichtet
sind, sind die Kanalelemente 76 bei dem Ausführungsbeispiel
in 11 auf der der Grundschicht 16, 48 zugewandten
Seite geschlossen und auf ihrer der Grundschicht 16, 48 abgewandten
Umfangsseite zunächst
offen, dort aber durch Deckelemente 84 jeweils verschlossen.
Hierdurch wird das Risiko einer Leckage des Kühlsystems verringert. Die Kanalelemente 76 mit
den Deckelementen 84 können
wie bei dem Ausführungsbeispiel
in 10 als einheitlicher Kühlkörper 82 ausgebildet
sein, der dann ähnlich
wie mit Bezug auf 10 beschrieben auf die Grundschicht 16, 48 aufgestülpt und
mittels einer Galvanik-Deckschicht 80 befestigt wird. Die
Verbindung der Deckelemente 84 mit den Kanalelementen 76 kann
beispielsweise mittels Vakuumlöten,
Weichlöten
oder einem Schweißverfahren,
beispielsweise Laser- oder Elektronenstrahlschweißen, hergestellt
werden. Ebenso kann die Verbindung des so hergestellten Kühlkörpers 82 mit
der Grundschicht 16, 48 anstelle durch Übergalvanisieren,
d.h. durch die Deckschicht 80, durch beispielsweise Löten verbunden
werden.
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Eine
weitere Alternative ist in 12 dargestellt.
Hier sind die Röhrchen 76,
die wiederum vollumfänglich
geschlossen sind, in einer Trägerstruktur 86 eingebracht
und mit dieser bspw. verlötet,
verklebt oder verschweißt.
Die Verbindungsstellen befinden sich seitlich an den Röhrchen 76 in
Nuten 88 der Trägerstruktur.
Somit können
Fertigungstoleranzen beispielsweise durch das Biegen der Röhrchen 76 radial ausgeglichen
werden, und die Röhrchen 76 sind
weniger verspannt. Somit wird das Risiko einer Deformation des optisch
wirksamen Elements 12 (Spiegelschale 36) verringert.
Auch hier bilden die Röhrchen 76 und
die Basisstruktur 86 zusammen wieder einen Kühlkörper 82,
der auf die Grundschicht 16, 48 gestülpt und
mittels galvanischer Deckschicht 80 übergalvanisiert wird. Die Galvanik-Deckschicht 80 muss, wie
aus 12 hervorgeht, nur an den Flanken der Trägerstruktur 86 vorhanden
sein und kann an den Röhrchen 76 ausgespart
werden.
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Sowohl
bei dem Ausführungsbeispiel
in 12 als auch bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen
kann der Kühlkörper 82 einteilig
sein oder aus mehreren Segmenten bestehen.
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Mit
Bezug auf 13 wird nun ein weiterer Aspekt
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Üblicherweise werden Temperatursensoren
auf Optikteile aufgeklebt oder mechanisch geklemmt. Sowohl die Klebung
als auch die mechanische Klemmung haben Nachteile. Die Klebung kann
sich lösen,
und eine mechanische Klemmung kann das optische Bauelement lokal
deformieren.
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Demgemäß ist in
der vorliegenden Erfindung vorgesehen, einen Temperatursensor in
das optisch wirksame Element 12 einzugalvanisieren, beispielsweise
zwischen die Grundschicht 16, 48 und die Deckschicht 54 bei
dem Ausführungsbeispiel
in 5 oder die Deckschicht 80 in 9 bis 12. Vor
dem Aufbringen der Deckschicht 54 oder 80 wird der
Temperatursensor 90 vorzugsweise mittels eines Füllstoffes 92 fixiert.
Anschließend
wird dann die Galvanik-Deckschicht 54 bzw. 80 aufgebracht.
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Vorzugsweise
kann der Temperatursensor 90 in einem dünnen Metallröhrchen untergebracht sein,
das elektrisch leitfähig
ist und somit für
das Galvanoformungsverfahren geeignet ist.
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In
gleicher Weise können
im Rahmen der Elektro- oder Galvanoformung Heizelemente in den Körper des
optisch wirksamen Elements integriert werden. Hierbei sind Heizelemente
zu bevorzugen, die eine metallische Oberfläche besitzen, die elektrisch leitend
ist. Das Heizelement kann dann ähnlich wie
der Temperatursensor 90 in den Körper 14 des optisch
wirksamen Elements 12 eingebettet werden. Durch gezielte
Kühlung
und/oder Heizung, in Verbindung mit der entsprechenden Temperatursensorik und
-regelung, kann ein optisches Bauelement auf seine optimale Betriebstemperatur
eingestellt werden, ohne dass sich schädliche Thermalgradienten auf
dem optischen Bauelement, insbesondere dem optisch wirksamen Element,
einstellen.
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Um
das optische Bauelement auf seine Betriebstemperatur zu bringen,
kann durch die zuvor beschriebenen Kühlleitungen 24 auch
zu Beginn der Inbetriebnahme des optischen Bauelements 10 ein Wärmemedium
geleitet werden, bis die Betriebstemperatur erreicht ist. Bei Erreichen
der Betriebstemperatur kann dann anstelle eines Wärmemediums
ein Kühlmedium
durch die Kühlleitung
geleitet werden, um die Temperatur konstant zu halten.
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In 14 ist
dargestellt, dass auch die Fassungselemente 18, die den
Körper 14 des
optisch wirksamen Elements 12 an einer Haltestruktur 20 befestigen,
vorteilhafterweise in den Körper 14 zwischen
der Grundschicht 16, 48 und einer Deckschicht 54, 80 eingalvanisiert
werden können.
Die Fassungselemente 18 werden dazu auf die galvanisch
hergestellte Grundschicht 16, 48 aufgebracht, ähnlich wie zuvor
in Bezug auf den Temperatursensor 90 beschrieben wurde.
Anschließend
wird die Galvanik-Deckschicht 54, 80 aufgebracht,
wodurch das oder die Fassungselemente 18 dann fest mit
dem Körper 14 des
optisch wirksamen Elements 12 verbunden ist/sind. Die Fassungselemente 18 können dann
anschließend
mit der Haltestruktur 20 beispielsweise verschraubt werden.
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Statt
einzelner Haltewinkel, wie in 14 dargestellt,
können
die Fassungselemente 18 auch einen geschlossenen Ring 94 bilden,
der gemäß 14 in
den Körper 14 des
optisch wirksamen Elements 12 eingalvanisiert wird. Die
Fassungselemente 18 werden somit durch den Ring 94 und
vorzugsweise durch eine Mehrzahl von Federbeinchen 96 gebildet,
die zur Spannungsentkopplung beitragen. Die Spiegelschale 36 kann
dann zusammen mit den Fassungselementen 18 mit einem Aufnahmering (nicht
dargestellt) verschraubt oder anderweitig verbunden werden.
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Die
Fassungselemente 18 gemäß 14 und 15 können jedoch
auch auf den Körper 14 des
optisch wirksamen Elements 12 direkt aufgelötet werden,
oder in Verbindung mit den Ausführungsbeispielen
in 9 bis 12 auch mit dem jeweiligen Kühlkörper 82 verlötet werden.
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In 16 ist
entsprechend zu 3 ein optisches Bauelement 10 in
einer Prinzipdarstellung gezeigt, wobei hier für das optisch wirksame Element 12 folgendes
Kühlkonzept
vorgesehen ist.
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Der
Körper 14 des
optisch wirksamen Elements 12 weist eine Grundschicht auf,
die die optisch wirksame Schicht 16 und eine Substratschicht 48 umfasst.
Des Weiteren weist der Körper 14 des
optisch wirksamen Elements 12 eine Deckschicht 54 auf,
wobei zwischen der Grundschicht 16, 48 und der Deckschicht 54 ein
Hohlraum 53 ausgebildet ist, der die zumindest eine Kühlleitung
der aktiven Kühlung 22 des
optisch wirksamen Elements 12 bildet. Der Körper 14 des
optisch wirksamen Elements 12 wird somit durch zwei Hälften gebildet,
nämlich
die Grundschicht 16, 48 und die Deckschicht 54.
Die Deckschicht 54 bildet hier den Kühlkörper aufgrund der Vorformung
der Deckschicht 54 mit bspw. Bergen und Tälern. Das
Kühlmedium
wird in den Hohlraum 53 an einer oder mehreren Stellen
zugeführt
und an einer oder mehreren Stellen abgeführt, wobei in 16 durch
einen Einlassstutzen 64 das Kühlmedium gemäß einem
Pfeil 26 zugeführt
und durch den Auslassstutzen 66 gemäß einem Pfeil 28 abgeführt wird.
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Durch
die Ausbildung des Hohlraums 53 wird die absorbierte Wärmemenge 34 großflächig und sehr
direkt an das Kühlmedium
abgeführt.
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Da
das Kühlmedium
einen gewissen Druck benötigt,
um durch die Zu- und Abführungsleitungen strömen zu können, könnte sich
die Grundschicht 16, 48 deformieren, besonders
bei großen
optischen Bauelementen. Daher ist die hier beschriebene Ausgestaltung
besonders gut für
rotationssymmetrische optische Bauelemente geeignet, die in sich
ziemlich steif ausgebildet sind.
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In 17 ist
nun ein konkretes Anwendungsbeispiel des prinzipiellen Aufbaus gemäß 16 am
Beispiel einer Spiegelschale 36 für einen EUV-Kollektor gezeigt.
Die Spiegelschale 36 ist, wie bereits oben beschrieben,
rotationssymmetrisch bezüglich
der Symmetrieachse 38.
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Die
Spiegelschale 36 wird bevorzugt mittels Elektroformung
bzw. Galvanoformung gefertigt. Die Fertigung der Spiegelschale 36 durch
Galvanoformung umfasst die Fertigung der optisch wirksamen Schicht 16 und
der Substratschicht 48 als Grundschicht. Des Weiteren wird
eine weitere Schale in Form einer galvanischen Schicht 54 gefertigt,
die nicht nur durch Galvanoformung, son dern auch durch andere Fertigungsverfahren
hergestellt werden, beispielsweise durch Drehen, Biegen usw.
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Mögliche Hinterschnitte
können
bei der Herstellung durch Galvanoformung durch Verwendung so genannter
verlorener Kerne erzeugt werden.
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Beide
Schalen, also die Grundschicht 16, 48 und die
Schicht 54, werden zusammengefügt und übergalvanisiert, wobei letztere
Galvanik-Deckschicht 68 als Abdichtung der Schicht 54 gegen
die Grundschicht 16, 48 und der Zufluss- und Abflussstutzen 64 bzw. 66 dient.
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Das
Kühlmedium
strömt
durch den Hohlraum 53, beispielsweise in der 17 von
oben nach unten, und kann am Umfang auch über mehrere Zufluss- und Abflussstutzen 64, 66 zugeführt bzw.
abgeführt
werden.
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Die
Schicht 54 kann mit der Grundschicht 16, 48 anstelle
durch Übergalvanisierung
auch verlötet, verschweißt oder
verklebt werden.
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Während sich
bei dem in 17 gezeigten Ausführungsbeispiel
der Hohlraum 53 im Wesentlichen über die gesamte Länge in Richtung
der Symmetrieachse 38 der Spiegelschale 36 erstreckt,
kann, wie in 18 dargestellt ist, der Hohlraum 53 auch als
axial begrenzter Ringraum ausgebildet sein. Die Schicht 54 des
Körpers 14 der
Spiegelschale 36 ist entsprechend lediglich ein axial begrenzter
Ring, der über
die Grundschicht 16, 48 übergestülpt und mittels der Deckschicht 68 übergalvanisiert
wird.
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Der
Hohlraum 53 ist entsprechend als Ringraum ausgebildet,
wie aus 18a) und 18b)
hervorgeht.
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In 18b) ist dargestellt, dass die Strömung des
Kühlmediums
nach dem Eintritt des Kühlmediums
durch den Einlassstutzen 64 gemäß Pfeilen 98 verzweigt
und am Ende gemäß Pfeilen 100 wieder gesammelt
wird, um aus dem Auslassstutzen 66 abgeführt zu werden.
Im Unterschied zu 17 strömt das Kühlmedium bei dieser Ausgestaltung
somit in Umfangsrichtung der Spiegelschale 36, während sie in 17 in
dessen Längsrichtung
(bezogen auf die Symmetrieachse 38) erfolgt.
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Eine
gegenüber 18b) abgewandelte Ausführungsform ist in 19 dargestellt.
Bei dieser Ausgestaltung tritt das Kühlmedium durch den Einlassstutzen 64 in
den die Kühlleitung 24 bildenden Hohlraum 53 ein
und durchströmt
den Hohlraum 53 gemäß Pfeilen 98 in
stets gleicher Richtung, und tritt durch den Auslassstutzen 66 wieder
aus. Ein Sperrteil 102 zwischen der Grundschicht 16, 48 und
der Schicht 54 dient dazu, den Strom des Kühlmediums nach
Eintritt in den Hohlraum 53 in der vorgesehenen Richtung
gemäß den Pfeilen 98 zu
leiten.
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Mit
Bezug auf 20a) bis 20d)
wird nachfolgend ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung
beschrieben.
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In 20a) sind zwei ineinander genestete Spiegelschalen 36 und 36' eines EUV-Kollektors
ausschnittsweise und beispielhaft dargestellt. Sowohl die Spiegelschale 36 als
auch die Spiegelschale 36' weisen
jeweils zumindest eine Kühlleitung 24 bzw. 24' nach einer
oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen auf.
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Wie
bereits oben erwähnt,
werden die Spiegelschalen 36, 36' eines EUV-Kollektors (vgl. 2) unter
streifendem Lichteinfall betrieben, wobei in 20a)
das einfallende Licht mit dem Bezugszeichen 30 versehen
ist. Das von den optisch wirksamen Bereichen der Spiegelschalen 36 bzw. 36' reflektierte
Licht ist mit dem Bezugszeichen 32 versehen.
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Bei
ineinander genesteten Spiegelschalen 36, 36' besteht das
Problem, dass ein Teil des einfallenden Lichts 30 auf optisch
unwirksame Flächen
der Spiegelschalen trifft, wie in 20a)
für einen
Lichtstrahl 30a dargestellt ist, der auf eine optisch unwirksame
Stirnseite der Spiegelschale 36 trifft. Der Lichtstrahl 30a wird
somit von dem einfallenden Licht 30 ausgeblendet und erzeugt
darüber
hinaus Wärme
in der Spiegelschale 36.
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Dieser
Blendeneffekt ist umso stärker,
je dicker die Spiegelschale 36 ist. Insbesondere wenn Kühlleitungen 24, 24' in den Spiegelschalen 36, 36' vorgesehen
sind, um die Spiegelschalen 36, 36' im Betrieb zu kühlen, führen derartige
Kühlleitungen 24, 24' zu einer Dickenzunahme
der Spiegelschalen 36, 36'.
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Um
den Blendeneffekt zu vermeiden, ist in 20b)
die Spiegelschale 36 in einer modifizierten Ausgestaltung
dargestellt, bei der das dem einfallenden Licht 30 zugewandte
Ende 37 der Spiegelschale 36 dünner ausgebildet ist als der übrige Körper 14 der
Spiegelschale 36. Durch die Verdünnung des Endes 37 der
Spiegelschale 36 wird nunmehr der Teilstrahl 30a im
Unterschied zu 20a) nicht mehr ausgeblendet.
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Eine
Folge der Verdünnung
des Endes 37 der Spiegelschale 36 ist jedoch,
dass an diesem Ende keine direkte Kühlung mittels einer Kühlleitung 24 mehr
möglich
ist.
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Um
aber dennoch die thermischen Eigenschaften der Spiegelschale 36 bei
gleichzeitiger Eliminierung des Blendeneffekts wieder zu verbessern, ist
in 20c) eine weitere Modifikation
der Spiegelschale 36 dargestellt, bei der das Ende 37 sich
verjüngt
bzw. spitz zulaufend ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass genauso
wenig Strahlen ausgeblendet werden wie bei der Ausgestaltung gemäß 20b), jedoch wird die Wärmeleitung
der durch die Teilstrahlen 30b absorbierten Wärme 34 zu
der nächsten Kühlleitung 24 aufgrund
des größeren mittleren Querschnitts
des Endes 37 verbessert.
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Die
zuvor mit Bezug auf 20a) bis 20c) beschriebenen Ausgestaltungen sind
nicht auf die Anwendung bei Spiegelschalen eines EUV-Kollektors
beschränkt,
sondern können
auf alle optischen Bauelemente angewandt werden, bei denen aufgrund
beispielsweise schrägen
Lichteinfalls im Betrieb ein Abschattungs- bzw. Blendeneffekt auftritt.
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20d) zeigt nun ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Anwendung der Prinzipien aus 20b)
und c) bei einer Spiegelschale 36 eines EUV-Kollektors.
Bei einem EUV-Kollektor wird das einfallende Licht 30 auf
den innenliegenden Oberflächen
der Spiegelschalen 36 reflektiert, wie bereits oben mit
Bezug auf 2 beschrieben wurde. Der zuvor
beschriebene Blenden- oder Abschattungseffekt tritt an den Schalenanfangsseiten,
also im Bereich der Enden 37 der Spiegelschalen 36,
auf.
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In
einer der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele werden die
Schalen 36 vorzugsweise durch Galvanoformung hergestellt,
wobei auf eine Grundschicht 16, 48 zumindest eine,
vorzugsweise mehrere Kühlleitungen 24 ausgebildet
werden, vorzugsweise einen Kühlkörper, wie
oben beschrieben.
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Die
Fertigung von sich verjüngenden
bzw. spitz zulaufenden Enden 37 könnte beispielsweise durch Abdrehen
einer dicken Schicht erfolgen oder durch andere zerspanende Fertigungsmethoden. Galvanotechnisch
könnten
durch Abblenden des elektrischen Feldes beliebige Formen wie eine
spitz zulaufende Kontur hergestellt werden, oder durch spezielle
Formgebung der Anoden.
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Schließlich könnten noch
gemäß 20d) spitz zulaufende Füllkörper 104 eingebracht
werden, die aus einem gut wärmeleitenden
Material, wie Kupfer, bestehen oder aus dem selben Material sind,
wie die Grundschicht 16, 48.
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Füllkörper 104,
Kühlleitungen 24 und
Grundschicht 16, 48 werden in einem darauffolgenden
Arbeitsgang mit einer Deckschicht 68 übergalvanisiert.
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Des
Weiteren kann die Wärmeabsorption
im Bereich des Endes der Spiegelschalen 36 bzw. der Stirnseiten
der Enden 37 weiterhin dadurch minimiert werden, dass die
Enden 37 so spitz zulaufen, dass die Stirnseiten keine
nennenswerte Dicke mehr besitzen. Dies ist jedoch meistens fertigungstechnisch nicht
möglich.
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Eine
andere Möglichkeit
besteht darin, die restliche plane Stirnfläche eben zu fertigen und eine gute
Rauhigkeit zu erreichen, beispielsweise durch Plandrehen, Polieren,
Schleifen, Läppen
oder andere Fertigungsverfahren. Dadurch kann ein höherer Reflexionsgrad
auftreffender optischer Strahlen erreicht werden. Dieser Reflexionsgrad
kann zudem dadurch gesteigert werden, dass die Stirnseiten der Enden 37 der
Spiegelschalen 36 mit einer Spiegelschicht versehen werden,
die die dort auftreffenden Strahlen zurück reflektieren. Hierdurch
wird eine Wärmeabsorption
an den Stirnseiten verringert.
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Als
weitere Option könnte
die optisch nicht wirksame Rückseite
der Spiegelschalen 36 bearbeitet bzw. beschichtet werden,
um Wärmeabsorption durch
Streustrahlung zu minimieren.