DE102009045171A1 - Thermally stressed elements tempering device for e.g. illumination system of extreme UV-projection exposure apparatus, has gas chamber provided between thermally stressed and tempering elements, where heat flow takes place between elements - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur wenigstens annähernd kontaktlosen bzw. mechanisch entkoppelten Kühlung eines thermisch belasteten Elements. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Projektionsobjektiv und ein Beleuchtungssystem, insbesondere einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie für die Herstellung von Halbleiterbauelementen im EUV-Bereich.The The invention relates to a device for at least approximately contactless or mechanically decoupled cooling of a thermally loaded element. The invention further relates a projection lens and a lighting system, in particular a projection exposure system for microlithography for the manufacture of semiconductor devices in the EUV sector.
Bei Hochleistungsobjektiven, wie sie beispielsweise als Beleuchtungssysteme oder Projektionsobjektive für die Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere im EUV-Bereich, eingesetzt werden, unterliegen die dort verwendeten optischen Elemente wie beispielsweise Spiegelelemente und dergleichen, hohen thermischen Belastungen durch das eingestrahlte Licht. Durch eine mögliche Erwärmung des optischen Elements können dessen optische Eigenschaften verändert werden, so dass die Abbildungseigenschaften des Objektivs insgesamt in der Regel negativ beeinträchtigt werden.at High-performance lenses, such as lighting systems or projection objectives for microlithography Production of semiconductor devices, in particular in the EUV sector, are used, subject to the optical elements used there such as mirror elements and the like, high thermal Loads from the incident light. By a possible Heating of the optical element can its optical properties are changed, so that the imaging properties Overall, the lens generally negatively affected become.
Des Weiteren sind als thermisch belastete Elemente auch sogenannte mikromechanische Elemente, insbesondere flexible oder schwenkbare Mikrospiegel bekannt, welche insbesondere in einer Vielzahl in einem Feld (Multi Mirror Array/MMA) angeordnet sein können. In der Regel werden die mikromechanischen Elemente durch eine Kühleinrichtung gekühlt, um Veränderungen der Spiegelelemente durch den Wärmeeintrag zu vermeiden.Of Furthermore, as thermally loaded elements also so-called micromechanical Elements, in particular flexible or pivotable micromirrors are known, which in particular in a variety in a field (Multi Mirror Array / MMA) can be arranged. In general, will be the micromechanical elements by a cooling device cooled to reflect changes in the mirror elements to avoid by the heat input.
Aus der Praxis bekannt sind Kühlsysteme, welche im direkten Kontakt zu den vorstehend angeführten thermisch belasteten Elementen angeordnet sind. Diese sind in ihrem Wirkungsgrad über die Anpresskraft und den sich einstellenden Wärmeübergang definiert. Nachteilig ist dabei, dass unerwünschte mechanische Schwingungen auf das thermisch belastete Element übertragen werden können. Des Weiteren können sich insbesondere bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen Kühl element und thermisch belastetem Element Bimetalleffekte einstellen, welche auf das zu kühlende thermisch belastete insbesondere optische Element Spannungen, Drift und Oberflächendeformationen einbringen können. Aufgrund des anzupassenden Wärmeausdehnungskoeffizienten steht für das Kühlelement dementsprechend nur eine beschränkte bzw. limitierte Anzahl an Materialien zur Verfügung. Des Weiteren muss die Form des Kühlelements häufig an das zu kühlende thermisch belastete Element angepasst werden, was ebenfalls nicht ideal ist.Out the practice are known cooling systems, which in the direct Contact with the above-mentioned thermally stressed Elements are arranged. These are over in their efficiency the contact pressure and the heat transfer Are defined. The disadvantage here is that unwanted mechanical vibrations can be transferred to the thermally loaded element. Furthermore, especially at different Thermal expansion coefficient (CTE) between cooling element and thermally loaded element set bimetallic effects, which on the thermally stressed, in particular optical, to be cooled Element stresses, drift and surface deformations can contribute. Due to the thermal expansion coefficient to be adjusted stands for the cooling element accordingly only a limited or limited number of materials to disposal. Furthermore, the shape of the cooling element often to the thermally stressed to be cooled Element, which is also not ideal.
Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Kühlsysteme bekannt, welche Kühlmedien, insbesondere Fluide zur Kühlung an die thermisch belasteten Elemente heranführen oder, insbesondere mittels Mikrokanälen über laminare oder turbulente Strömungen durch die thermisch belasteten Elemente hindurchführen. Dabei können jedoch auch unerwünschte Schwingungsanregungen entstehen.About that In addition, cooling systems are known from the prior art, which cooling media, in particular fluids for cooling introduce to the thermally stressed elements or, in particular by means of microchannels via laminar or turbulent flows through the thermally loaded Pass elements through. But you can do that as well unwanted vibration excitations arise.
In
der
Des
Weiteren ist aus der
Aus
der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche eine Übertragung von Schwingungen, Anregungen bzw. Spannungen auf das zu kühlende thermisch belastete Element vermeidet, wobei zusätzlich eine hinsichtlich Form und Wärmeausdehnungskoeffizienten unabhängige optimale Materialauswahl für das Kühlelement ermöglicht werden soll.The present invention has for its object to provide a device of the type mentioned, which is a transmission of vibrations, excitations or voltages to be cooled thermally loaded element avoids, in addition, an independent in terms of shape and coefficients of thermal expansion optimum material selection for the cooling element is to be made possible.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung Temperierung, z. B. Kühlung, eines thermisch belasteten Elements einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage gelöst, wobei wenigstens ein von dem thermisch belasteten Element räumlich getrenntes und davon beabstandetets Tempereierelement, z. B. ein Kühlelement, vorgesehen ist, wobei zwischen dem thermisch belasteten Element und dem Tempereierelement, z. B. dem Kühlelement, ein Gasraum vorgesehen ist, wobei der Gasraum ein Gas mit einem einstellbaren Druck aufweist, und wobei der Wärmefluss zwischen dem thermisch belasteten Element und dem Temperierelement, z. B. dem Kühlelement, über das Gas mittels Konduktion erfolgt.According to the invention this task by a device temperature, z. B. cooling, a thermally loaded element of an EUV projection exposure system solved, wherein at least one of the thermally loaded Element spatially separated and spaced therefrom, the annealing element, z. B. a cooling element is provided, wherein between the thermally loaded element and the Tempereierelement, z. B. the Cooling element, a gas space is provided, wherein the gas space a gas having an adjustable pressure, and wherein the heat flow between the thermally loaded element and the tempering element, z. B. the cooling element, via the gas by means of conduction he follows.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden auf das thermisch belastete Element übertragene mechanische Schwingungen bzw. Anregungen, sowie Spannungen über Bimetalleffekte durch das zur Kühlung des thermisch belasteten Elements benötigte Kühlsystem in vorteilhafter Weise vermieden. Es erfolgt eine mechanisch entkoppelte, d. h. (bis auf das Gas) kontaktlose Temperierung des thermisch belasteten Elements. Es ergibt sich somit z. B. ein in mindestens zwei Freiheitsgraden entkoppeltes Gaskühlsystem für thermisch hochbelastete Komponenten. Ebenso ergibt sich ein entsprechendes in zwei Freiheitsgraden entkoppeltes Gasheizsystem für thermisch hochbelastete Komponenten. Systeme, bei denen die Temperiereinrichtung, das Temperierelement, sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen eingesetzt wird sind ebenfalls möglich. Des Weiteren ist eine von den Wärmeausdehnungskoeffizienten unabhängige optimale Materialauswahl für den Kühler, bzw. das Kühlelement möglich, bzw. für die Temperiereinrichtung. Sonach kann ein Einheitskühler, bzw. ein Standardkühler eingesetzt werden, der eine hohe Flexibilität aufgrund der nicht auf die Geometrie des zu kühlenden thermisch belasteten Elements anzupassenden Form erlaubt. Die Kühlwirkung erfolgt innerhalb des Gasraums zwischen thermisch belastetem Element und Kühlelement durch Druck, d. h. einen einstellbaren, insbesondere steuer- bzw. regelbaren Partialdruck, wodurch eine unkritische Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms eingestellt werden kann. Deshalb erfolgt auch keine Anregung des thermisch belasteten Elements durch den Gasstrom. Die Wärmeübertragung erfolgt durch Konduktion, wobei ein möglichst kleiner Massenstrom vorliegt. Eine bei herkömmlichen Lösungen vorhandene Wärmabführung durch Konvektion ist bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Lösung nicht von Relevanz, da der Massenstrom lediglich zur Erzeugung des benötigten einstellbaren Drucks, bzw. partiellen Drucks notwendig ist. Unter Partialdruck wird ein Druck verstanden, der in einem Gasgemisch, wie beispielsweise Luft, einem bestimmten Gas zugeordnet werden kann. Er entspricht dabei dem Gesamtdruck, den die Komponente des Gasgemischs beim alleinigen Ausfüllen des gesamten Volumens ausüben würde. Unter Konduktion wird die Wärmeleitung bzw. der Wärmefluss in einem Kontinuum, wie z. B. in einem im Wesentlichen ruhenden Gas in Folge von Temperaturdifferenzen verstanden, wobei beim Wärmefluss kein effektiver Teilchenfluss oder Massenfluss erfolgt.By the measures according to the invention are on the thermally loaded element transmitted mechanical Vibrations or suggestions, as well as voltages via bimetallic effects by cooling the thermally stressed element required cooling system avoided in an advantageous manner. There is a mechanically decoupled, d. H. (except for the gas) contactless temperature control of the thermally loaded element. It results thus z. B. a decoupled in at least two degrees of freedom Gas cooling system for thermally highly stressed components. Likewise, a corresponding results in two degrees of freedom decoupled gas heating system for thermally highly stressed components. Systems in which the tempering, the tempering, both for heating as well as used for cooling are also possible. Furthermore, one of the coefficients of thermal expansion independent optimal choice of material for the cooler, or the cooling element possible, or for the tempering device. Sonach can be a unit cooler, or a standard cooler can be used, the high Flexibility due not to the geometry of the too Cooling thermally charged element mold to be adapted allowed. The cooling effect takes place within the gas space between thermally loaded element and the cooling element Pressure, d. H. an adjustable, in particular controllable or controllable Partial pressure, creating an uncritical flow rate of the gas flow can be adjusted. Therefore, none occurs Excitation of the thermally loaded element by the gas flow. The Heat transfer takes place by conduction, whereby the smallest possible mass flow is present. One in conventional Solutions existing heat dissipation through Convection is in the present invention Solution not relevant because the mass flow only for generating the required adjustable pressure, or partial pressure is necessary. Partial pressure is understood to mean a pressure in a gas mixture, such as air, a certain Gas can be assigned. It corresponds to the total pressure, the component of the gas mixture when only filling the entire volume. Under conduction is the heat conduction or the heat flow in one Continuum, such as B. in a substantially static gas in a row understood by temperature differences, wherein the heat flow no effective particle flow or mass flow occurs.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn das Gas ein Gasgemisch ist, welches wenigstens zwei Gase umfasst, deren jeweilige Partialdrücke sich zum Druck (P) addieren. Ferner, kann damit die Stärke des Wärmeabflusses bzw. der Kühlleistung über den einstellbaren Partialdruck der Gase geregelt werden.Very It is advantageous if the gas is a gas mixture which at least comprises two gases whose respective partial pressures are for Add pressure (P). Furthermore, so that the strength of the heat flow or the cooling capacity over the adjustable partial pressure the gases are regulated.
Der sich einstellende Gasdruck bestimmt den Wärmeübergang und ist somit regelbar und kann der Anwendung bzw. thermischen Belastung angepasst werden. Die Gaskühlleistung bzw. die abgeführte Wärmeleistung kann druckabhängig eingestellt werden. Die partiell regelbare Kühlleistung kann in vorteilhafter Weise zum Beispiel blendenabhängig oder belastungsabhängig gewählt werden.Of the self-adjusting gas pressure determines the heat transfer and is thus adjustable and can the application or thermal load be adjusted. The gas cooling capacity or the discharged Heat output can be adjusted depending on pressure. The partially controllable cooling capacity can be in an advantageous For example, depending on the aperture or load-dependent to get voted.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Partialdruck und/oder der Massenstrom des Gases über eine Gasdüse einstellbar sind.According to the invention be provided that the partial pressure and / or the mass flow of the gas via a gas nozzle are adjustable.
Vorteilhaft ist es, wenn als Gas ein Gas mit einer höheren Wärmeleitfähigkeit bzw. mit einem höheren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten als Luft, insbesondere Helium verwendet wird. Anstatt der üblicherweise vorhandenen Luft kann ein Gas verwendet werden, welches einen höheren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten insbesondere als Luft aufweist. Dabei kommen neben Helium oder Wasserstoff selbstverständlich auch weitere Medien bzw. Gase in Betracht.Advantageous it is, if as gas a gas with a higher thermal conductivity or with a higher coefficient of thermal conductivity is used as air, in particular helium. Instead of the usual Existing air can be used with a higher gas Thermal conductivity coefficients in particular as air. In addition to helium or hydrogen, of course also other media or gases into consideration.
Das thermisch belastete Element kann ein optisches Element sein. Als optische Elemente kommen reflektive optische Elemente wie Spiegel bzw. Spiegelanordnungen oder Multi-Mirror-Arrays mit einer Vielzahl kleiner verstellbarer bzw. flexibler Mikrospiegel in Betracht. Selbstverständlich können auch andere optische Elemente wie Blenden oder dergleichen gekühlt werden.The thermally loaded element may be an optical element. When optical elements come reflective optical elements such as mirrors or mirror arrays or multi-mirror arrays with a large number smaller adjustable or flexible micromirror into consideration. Of course may also be other optical elements such as apertures or the like be cooled.
Das optische Element kann auch auswechselbar und/oder austauschbar ausgebildet sein.The optical element can also be exchangeable and / or interchangeable be.
Das erfindungsgemäße entkoppelte Kühlsystem ist insbesondere für geregelte und bewegliche Komponenten geeignet, da kein Kontakt zwischen dem Kühlelement und dem thermisch belasteten Element bzw. dem optischen Element besteht. Wechselbare, thermisch hochbelastete Komponenten, welche insbesondere im Vakuum betrieben werden, wobei der Kühlkreislauf während des Wechselvorgangs nicht geöffnet werden muss, insbesondere bei Revolversystemen, Blendwechslern oder dergleichen, können ebenfalls mit dem erfin dungsgemäßen Kühlsystem gekühlt werden.The inventive decoupled cooling system is especially for regulated and moving components suitable because no contact between the cooling element and consists of the thermally loaded element or the optical element. Changeable, thermally highly stressed components, which are particularly in the Vacuum operated, the cooling circuit during of the change process does not have to be opened, in particular in turret systems, Blendwechslern or the like also with the inventions to the invention cooling system be cooled.
Das thermisch belastete Element kann auch ein mechatronisches Element sein.The thermally loaded element can also be a mechatronic element be.
Ein Projektionsobjektiv bzw. ein Beleuchtungssystem, insbesondere einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen im EUV-Bereich, sind in den Ansprüchen 9 bzw. 10 angegeben.One Projection objective or a lighting system, in particular one Projection exposure machine for microlithography for the production of semiconductor devices in the EUV sector, are in the claims 9 and 10 specified.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachfolgend sind anhand der Zeichnung prinzipmäßig Ausführungsbeispiele der Erfindung angegeben.advantageous Refinements and developments of the invention will become apparent the dependent claims. Below are based on the drawing in principle embodiments of the Invention specified.
Es zeigt:It shows:
In
In
Der
im Gasraum
Da
bei der Wärmeleitung oder Konduktion mittels Gase beim
auftreten von Temperaturgradienten im Gas häufig auch Wärme
zusätzlich mittels Konvektion transportiert wird, sind
die Vorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung so ausgestaltet,
dass der Wärmefluss zwischen dem thermisch belasteten Element
(Spiegel
Die
Kühlvorrichtung bzw. Vorrichtung
- L
- die Länge der Gasspalte
- A
- die Fläche, durch die die Wärme strömt (L und A sind sogenannte geometrische Parameter) und
- K
- die effektive Wärmeleitfähigkeit [W/mK] des Gases ist.
- L
- the length of the gas column
- A
- the area through which the heat flows (L and A are so-called geometric parameters) and
- K
- the effective thermal conductivity [W / mK] of the gas is.
Dabei ist vorausgesetzt, dass die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle und/oder Gasatome größer ist als die Länge der Gasspalte. Dies ist bei den niedrigen Drücken in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage üblicherweise gegeben.there It is assumed that the mean free path of the Gas molecules and / or gas atoms is greater as the length of the gas column. This is at the low Press in an EUV projection exposure equipment usually given.
Die Modellierung der Gasatmosphäre erfolgt über die Gasparameter maximale bzw. zu senkende Temperatur Tmax, Kühlertemperatur Tmin, Länge der Gasspalte und dem Druck P des Gases, bzw. den Partialdrücken Pi der Gase i des Gasgemisches.The modeling of the gas atmosphere via the gas parameters maximum or to be lowered temperature T max , cooler temperature T min , length of the gas column and the pressure P of the gas, or the partial pressures P i of the gases i of the gas mixture.
Wie
weiter aus
Stark
vereinfacht sind Gasmoleküle
Des Weiteren kommen beispielsweise folgende Gase und etwaige Mischungen in Betracht, die bezüglich ihrer etwaigen Reaktionen so gemischt werden, dass die jeweilige Mischung außerhalb ihrer jeweiligen Reaktionsgrenzen bei den jeweiligen Temperaturen und Drücken sind: Ethan, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, Ethylalkohol (Ethanol), Propan, Methylalkohol (Methanol), Ethylen, Distickstoffoxid, Schwefeldioxid, Wasser, Kohlenstoffdioxid, Ammoniak, Methan, Stickstoffdioxid, Brom, Chlor, Stickstoffmonoxid, Benzen, Fluor, Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Chlorwasserstoff, Bromwasserstoff, Neon, Helium, Xenon, Argon, M-Xylen, 1,3-Butadien, Guten, Anilin, Butylenoxid, Chlorbenzen, Chloropren, Cumol, Cyclobutan, Cyclohexan, Cyclopentan, Cyclopropan, Ethylbenzen, Ehtylenoxid, Hydrazin, Fluorwasserstoff, Jodwasserstoff, Wasserstoffperoxid, Jod, Isobutylen, Isopren, Methylchlorid, Methylenchlorid, Naphthalin, n-Butanol, o-Xylol, Phenol, Propanol-n, Propylen, Propylenoxid, p-xylol, Styrol, Schwefeltrioxid und Toluol.Furthermore, for example, the following gases and any mixtures come into consideration, the bezüg their respective reactions are mixed so that the respective mixture outside their respective reaction limits at the respective temperatures and pressures are: ethane, chloroform, carbon tetrachloride, ethyl alcohol (ethanol), propane, methyl alcohol (methanol), ethylene, nitrous oxide, sulfur dioxide, water, Carbon dioxide, ammonia, methane, nitrogen dioxide, bromine, chlorine, nitrogen monoxide, benzene, fluorine, oxygen, nitrogen, hydrogen, hydrogen chloride, hydrogen bromide, neon, helium, xenon, argon, M-xylene, 1,3-butadiene, good, aniline, Butylene oxide, chlorobenzene, chloroprene, cumene, cyclobutane, cyclohexane, cyclopentane, cyclopropane, ethylbenzene, ethylene oxide, hydrazine, hydrogen fluoride, hydrogen iodide, hydrogen peroxide, iodine, isobutylene, isoprene, methyl chloride, methylene chloride, naphthalene, n-butanol, o-xylene, phenol, Propanol-n, propylene, propylene oxide, p-xylene, styrene, sulfur trioxide and toluene.
Wie
aus
Im
Hochdruckbereich H ist die Wärmeleitfähigkeit
K ein konstanter Wert. Dieser wird nicht mehr durch den Druck P
beschränkt, sondern durch die Viskosität η.
Die Bewegung der Gasmoleküle
In dem Übergangsbereich U ist die Konduktivität der Gasphase eine Kombination der Prozesse in den Bereichen N und H und wird durch Addition der parallel auftretenden thermischen Widerstände in den Bereichen N und H berechnet: In the transition region U, the conductivity of the gas phase is a combination of the processes in the ranges N and H and is calculated by adding the parallel occurring thermal resistances in the ranges N and H:
Es können auch mechatronische Komponenten durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gekühlt werden.It can also mechatronic components by the invention Device to be cooled.
Selbstverständlich können die Kühlelemente ebenfalls thermisch belastete Elemente sein, welche durch weitere Kühlelemente mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gekühlt werden.Of course The cooling elements can also thermally loaded Be elements by means of other cooling elements the device of the invention cooled become.
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