DE102010047832A1 - Optical element e.g. lens of microlithographic projection exposure system used in manufacture of integrated circuit, has excitation light mirror that is arranged to irradiate excitation light with respect to region of optical material - Google Patents

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Abstract

The optical element has an optical surface (314) consisting of to-be-cooled optical material, that is formed on the substrate (312). An excitation light mirror (360) is arranged to irradiate excitation light with respect to the region of to-be-cooled optical material. The intermediate regions (365,365A) are formed between the cooled optical material and excitation light mirror.

Description

HINTERGRUND UND STAND DER TECHNIKBACKGROUND AND PRIOR ART

Die Erfindung bezieht sich auf ein aktiv kühlbares optisches Element eines Objektivs oder eines anderen Strahlführungssystems einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage, insbesondere eine Linse oder einen Vorderflächenspiegel, sowie auf ein optisches System einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mit einem solchen optischen Element.The invention relates to an actively coolable optical element of a lens or other beam guidance system of a microlithography projection exposure apparatus, in particular a lens or a front surface mirror, and to an optical system of a microlithography projection exposure apparatus with such an optical element.

Optische Elemente, wie z. B. Spiegel und Linsen, werden in Objektiven und anderen Strahlführungssystemen verwendet, um Licht abzulenken bzw. umzulenken, zu fokussieren oder zu defokussieren. Unter anderem beim Einsatz innerhalb einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage werden hohe Anforderungen an die Qualität und optische Stabilität der optischen Elemente und der damit aufgebauten optischen Systeme gestellt.Optical elements, such. Mirrors and lenses are used in lenses and other beam guidance systems to deflect, refocus, focus or defocus light. Among other things, when used within a microlithography projection exposure system, high demands are placed on the quality and optical stability of the optical elements and the optical systems constructed therewith.

Bei mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlagen, wie sie beispielsweise bei der Herstellung hochintegrierter elektrischer Schaltkreise verwendet werden, stellt die Erwärmung der optischen Elemente durch das Nutzlicht manchmal eine nicht vernachlässigbare Ursache für optische Störungen der Anlagen dar. Der Begriff „Nutzlicht” bezeichnet hierbei dasjenige von einer primären Lichtquelle (Nutzlichtquelle) bereitgestellte Licht, das durch die optischen Elemente eines optischen Systems entsprechend dem Aufbau des optischen Systems im Hinblick auf einen bestimmungsgemäßen Zweck (z. B. Abbildung oder Beleuchtung) gezielt beeinflusst und in einem Nutzlichtstrahlengang geführt wird. Bei mikrolithograpischen Anwendungen liegen die Wellenlängen des Nutzlichts typischer Weise im Bereich des Ultraviolettlichts (UV), des tiefen Ultraviolettlichts (DUV) oder des extremen Ultraviolettlichts (EUV) bis an die Grenze zum Bereich weicher Röntgenstrahlung.In microlithographic projection exposure systems, as used for example in the production of highly integrated electrical circuits, the heating of the optical elements by the useful light is sometimes a non-negligible cause of optical disturbances of the plants. The term "useful light" here refers to that of a primary light source ( Useful light source), which is selectively influenced by the optical elements of an optical system according to the structure of the optical system with regard to an intended purpose (eg imaging or illumination) and guided in a Nutzlichtstrahlengang. In microlithographic applications, the wavelengths of useful light are typically in the range of ultraviolet (UV), deep ultraviolet (DUV), or extreme ultraviolet (EUV), to the limit of the soft X-ray range.

Bei den üblicherweise verwendeten Materialien für optische Elemente kann eine Erwärmung zu einer Volumenänderung der optischen Elemente und damit zu einer Formveränderung führen, die unmittelbar die optischen Eigenschaften der optischen Elemente verändern kann. Beispielsweise kann eine optische Fläche eines optischen Elements durch thermische Einflüsse deformiert werden. Thermisch induzierte Oberflächendeformationen können bei Spiegeln und Linsen auftreten und zu schwer kontrollierbaren Störungen des Nutzlichtstrahlengangs führen.In the case of the usually used optical element materials, heating can lead to a change in volume of the optical elements and thus to a change in shape which can directly change the optical properties of the optical elements. For example, an optical surface of an optical element may be deformed by thermal influences. Thermally induced surface deformations can occur in mirrors and lenses and lead to difficult-to-control disturbances of the useful light beam path.

Außerdem gehen mit der Formveränderung meist mechanische Spannungen im Material einher, die sich auf dessen Brechungsindex auswirken können. Auf mikroskopischer Ebene führt eine stärkere Wärmebewegung unmittelbar zu einer Veränderung des Brechungsindex. Diese Einflüsse verändern die Wirkung einer Linse und können sich z. B. in Abbildungssystemen als Abbildungsfehler bemerkbar machen.In addition, usually go with the change in shape associated with mechanical stresses in the material that can affect its refractive index. At the microscopic level, a stronger thermal motion leads directly to a change in the refractive index. These influences change the effect of a lens and can, for. B. make noticeable in imaging systems as aberrations.

Sofern die Abbildungsfehler bezüglich der optischen Achse eines abbildenden optischen Systems rotationssymmetrisch sind, ist häufig eine Kompensation möglich, z. B. mittels einer Nachjustierung einzelner optischer Elemente des Systems.If the aberrations with respect to the optical axis of an imaging optical system are rotationally symmetric, compensation is often possible, for. B. by means of a readjustment of individual optical elements of the system.

Schwieriger ist die Situation bei nicht rotationssymmetrischen Abbildungsfehlern. Diese können bei Projektionsbelichtungsanlagen beispielsweise durch die Verwendung schlitzförmiger Bildfelder hervorgerufen werden. Hierzu ist beispielsweise in der US 6,781,668 B2 vorgeschlagen worden, die örtliche Temperaturverteilung in einem optischen Element zu symmetrisieren und dann verbleibende rotationssymmetrische Abbildungsfehler auf an sich bekannte Weise zu kompensieren. Zu diesem Zweck wird ein kühlender Gasstrom auf das betreffende optische Element gerichtet. Dies ist jedoch aus Bauraumgründen nicht immer möglich.The situation is more difficult with non-rotationally symmetrical aberrations. These can be caused in projection exposure systems, for example, by the use of slit-shaped image fields. This is for example in the US 6,781,668 B2 have been proposed to symmetrize the local temperature distribution in an optical element and then compensate for remaining rotationally symmetric aberrations in a known per se. For this purpose, a cooling gas flow is directed to the relevant optical element. However, this is not always possible due to space limitations.

Bei optischen Systemen mit einem Spiegel oder mehreren Spiegeln, beispielsweise bei katadioptrischen oder katoptrischen Projektionsobjektiven, kann man der Erwärmung der Spiegel durch aktive Kühlung der Spiegelrückseite bzw. des Spiegelsubstrats entgegen wirken. Dies ist beispielsweise durch Kühlung mit Kühlflüssigkeiten möglich, die durch Kühlkanäle im Spiegelsubstrat geleitet werden (vgl. z. B. WO 2007 051638 A1 ).In optical systems with one or more mirrors, for example in catadioptric or catoptric projection objectives, it is possible to counteract the heating of the mirrors by active cooling of the mirror back or of the mirror substrate. This is possible, for example, by cooling with cooling liquids which are passed through cooling channels in the mirror substrate (cf. WO 2007 051638 A1 ).

Die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 10 2009 028 776.6 der Anmelderin vom 18. Juni 2009 beschreibt die Nutzung des sogenannten „optischen Kühlens” („Optical Refrigeration”) zum Kühlen von Linsen und/oder Vorderflächenspiegeln, wie sie z. B. in Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen genutzt werden. Das Phänomen des optische Kühlens ist beispielsweise aus dem Artikel „Optical Refrigeration” von Mansoor Sheik-Bahae und Richard I. Epstein, erschienen in Nature Photonics, VOL 1, Dezember 2007 oder dem Artikel „Laser cooling of solids” von Mansoor Sheik-Bahae und Richard I. Epstein in: Laser & Photon. Rev. (2008) Seiten 1–18 bekannt. Die DE 10 2009 028 776.6 beschreibt optische Elemente in Form von Linsen oder Vorderflächenspiegeln, die ein Substrat aufweisen, an dem mindestens eine optische Fläche (z. B. Linsenfläche oder Spiegelfläche) ausgebildet ist. Das Substrat besteht mindestens in einem Teil des Substratvolumens aus einem optisch kühlbaren Material, welches für Anregungslicht aus dem Infrarotbereich transparent und durch Bestrahlung mit dem Anregungslicht abkühlbar ist. Dabei wird ausgenutzt, dass es Materialien gibt, die nahezu monochromatisches Anregungslicht unter Ausnutzung der Anti-Stokes-Fluoreszenz in kurzwelligeres Fluoreszenzlicht umwandeln. Die dazu nötige Energie wird dem Material entzogen, das sich daraufhin abkühlt. Ein Vorteil des optischen Kühlens besteht darin, dass die Kühlung kontaktlos erfolgt, so dass für die Kühlung keine elektrischen, mechanischen oder fluidischen Verbindungen zu dem abzukühlenden optischen Element hergestellt werden müssen. Als optisch abkühlbare Substratmaterialen werden mit Seltenen Erden dotierte Gläser oder mit Seltenen Erden dotierte Kristalle angesprochen, insbesondere ZBLANP:Yb3+, ZBLAN:Yb3+, CNBZn:Yb3+, BIG:Yb3+, KGd(WO4):Yb3+, KY(WO4)2:Yb3+, YAG:Yb3+, Y2SiO5:Yb3+, KPb2Cl5:Yb3+, BaY2F8:Yb3+, ZBLANP:Tm3 +, BaY2F8:Tm3+, CNBZn:Er3+, oder KPb2Cl5:Er3+. Die räumliche Konzentrationsverteilung der Dotieratome kann homogen oder inhomogen sein.The not previously published German patent application DE 10 2009 028 776.6 The applicant of June 18, 2009 describes the use of the so-called "optical refrigeration"("OpticalRefrigeration") for cooling lenses and / or front surface mirrors, such as. B. be used in microlithography projection exposure equipment. The phenomenon of optical cooling is for example from the article "Optical Refrigeration" by Mansoor Sheik-Bahae and Richard I. Epstein, published in Nature Photonics, VOL 1, December 2007 or the article "Laser cooling of solids" by Mansoor Sheik-Bahae and Richard I. Epstein in: Laser & Photon. Rev. (2008) pages 1-18 known. The DE 10 2009 028 776.6 describes optical elements in the form of lenses or front surface mirrors having a substrate on which at least one optical surface (eg lens surface or mirror surface) is formed. The substrate consists at least in part of the substrate volume of an optically coolable material, which is transparent to excitation light from the infrared range and can be cooled by irradiation with the excitation light. It is exploited that there are materials that are almost monochromatic Using an anti-Stokes fluorescence, convert the excitation light into shorter-wave fluorescent light. The necessary energy is removed from the material, which then cools down. One advantage of the optical cooling is that the cooling takes place without contact, so that no electrical, mechanical or fluidic connections to the cooling optical element have to be made for the cooling. As optically coolable substrate materials, rare earth doped glasses or rare earth doped crystals are addressed, in particular ZBLANP: Yb 3+ , ZBLAN: Yb 3+ , CNBZn: Yb 3+ , BIG: Yb 3+ , KGd (WO 4 ): Yb 3+ , KY (WO 4 ) 2 : Yb 3+ , YAG: Yb 3+ , Y 2 SiO 5 : Yb 3+ , KPb 2 Cl 5 : Yb 3+ , BaY 2 F 8 : Yb 3+ , ZBLANP: Tm 3 +, BaY 2 F 8: Tm 3+, CNBZn: Er 3+, or KPb 2 Cl 5: Er 3+. The spatial concentration distribution of the doping atoms can be homogeneous or inhomogeneous.

Ein anderer Ansatz zur Begrenzung von thermisch induzierten Störungen in optischen Systemen besteht darin, bei der Herstellung der optischen Elemente Materialien mit äußerst geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden, so dass durch thermische Ausdehnung bedingte Störungen von Beginn auf ein tolerierbares Maß reduziert werden. Bekannt ist es beispielsweise, als Substratmaterial für Spiegel bestimmte Glaskeramiken zu verwenden. Eine zur Herstellung von Spiegelsubstraten für Mikrolithographie-Systeme geeignete Glaskeramik wird unter der Markenbezeichnung ZERODUR® (Schott AG) vertrieben. Für diese Glaskeramiken werden für den Temperaturbereich zwischen 0°C und 50°C thermische Ausdehnungskoeffizienten von 0 ± 0.10 × 10–6K–1 angegeben. Noch niedrigere thermische Ausdehnungskoeffizienten werden bei bestimmten Titan-Silikatgläsern erreicht, die auch als „Ultra Low Expansion Glass” bekannt sind. Für ein solches Titan-Silikatglas, das von Corning, Inc. unter der Markenbezeichnung ULE® vertrieben wird, wird für den Temperaturbereich zwischen 5°C und 35°C ein mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient von 0 ± 30·10–9K–1 angegeben.Another approach to limiting thermally-induced perturbations in optical systems is to use materials with extremely low thermal expansion coefficients in the fabrication of the optical elements so that thermal expansion-related perturbations are reduced from the beginning to a tolerable level. It is known, for example, to use glass ceramics as substrate material for mirrors. A suitable for the production of mirror substrates for microlithography systems glass ceramic is sold under the trade name ZERODUR ® (Schott AG). For these glass-ceramics, thermal expansion coefficients of 0 ± 0.10 × 10 -6 K -1 are specified for the temperature range between 0 ° C and 50 ° C. Even lower coefficients of thermal expansion are achieved with certain titanium silicate glasses, also known as "Ultra Low Expansion Glass". For such a titanium silicate glass, marketed by Corning, Inc. under the trade designation ULE ®, an average coefficient of thermal expansion of 0 ± 30 × 10 -9 K -1 is specified for the temperature range between 5 ° C and 35 ° C.

Aus US 6,378,321 und WO 2009/018558 sind Bauteile bekannt, die aufgrund von Anti-Stokes-Fluoreszenz durch Bestrahlung mit geeignetem Anregungslicht gekühlt werden.Out US 6,378,321 and WO 2009/018558 are known components which are cooled due to anti-Stokes fluorescence by irradiation with suitable excitation light.

AUFGABE UND LOSUNGTASK AND SOLUTION

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein aktiv kühlbares optisches Element eines Objektivs oder eines anderen Strahlführungssystems einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage bereitzustellen, das mittels optischer Kühlung effizient gekühlt werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe, ein optisches System mit mindestens einem solchen optischen Element bereitzustellen.It is an object of the invention to provide an actively coolable optical element of a lens or other beam guiding system of a microlithography projection exposure apparatus which can be efficiently cooled by means of optical cooling. It is a further object to provide an optical system having at least one such optical element.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein aktiv kühlbares optisches Element mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein optisches System mit einem solchen optischen Element mit den Merkmalen von Anspruch 10.This object is achieved by an actively coolable optical element having the features of claim 1 and an optical system having such an optical element having the features of claim 10.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.Advantageous developments are specified in the dependent claims. The wording of all claims is incorporated herein by reference.

Ein optisches Element gemäß der beanspruchten Erfindung hat ein Substrat, an dem mindestens eine optische Fläche ausgebildet ist. Das Substrat besteht mindestens in einem Teil des Substratvolumens aus einem optisch kühlbaren Material, welches für Anregungslicht transparent und durch Bestrahlung mit dem Anregungslicht abkühlbar ist. Eine für das Anregungslicht wirksame Verspiegelung ist in Bezug auf das optisch kühlbare Material derart angeordnet, dass Anregungslicht, welches das optisch kühlbare Material nach Durchstrahlung verlassen hat, durch die Verspiegelung mindestens einmal in dem Bereich des optisch kühlbaren Materials zurück reflektiert wird. Zwischen dem optisch kühlbaren Material und der Verspiegelung liegt ein von optisch kühlbarem Material freier Zwischenbereich bzw. ein Abstand. Hierdurch kann die Effizienz der Kühlung im Vergleich zu optischen Elementen ohne Abstand zwischen Verspiegelung und optisch kühlbarem Material gesteigert werden.An optical element according to the claimed invention has a substrate on which at least one optical surface is formed. The substrate consists at least in part of the substrate volume of an optically coolable material which is transparent to excitation light and can be cooled by irradiation with the excitation light. An effective for the excitation light mirroring is arranged with respect to the optically coolable material such that excitation light, which has left the optically coolable material after irradiation, is reflected by the mirroring at least once in the region of the optically coolable material back. Between the optically coolable material and the mirror coating is an intermediate region free from optically coolable material or a distance. As a result, the efficiency of the cooling can be increased in comparison to optical elements with no spacing between mirroring and optically coolable material.

Es wurde erkannt, dass der Austritt des Fluoreszenzlichts aus dem optisch kühlbaren Material für die Kühleffizienz eine wichtige Rolle spielt. Das Fluoreszenzlicht sollte das optisch kühlbare Material auf möglichst kurzem Wege endgültig verlassen, damit die Wahrscheinlichkeit einer Reabsorption im Substrat und damit die Wahrscheinlichkeit von wärmeerzeugenden Konkurrenzeffekten, wie beispielsweise die Generierung von Gitterschwingungen (Phononen), möglichst gering ist. Da zwischen den Wellenlängen des Anregungslichts und des Fluoreszenzlichts nur ein geringer Unterschied besteht, wirkt die Verspiegelung auch für das Fluoreszenzlicht reflektierend und kann den erwünschten Austritt des Fluoreszenzlichts blockieren. Wenn zwischen dem optisch kühlbaren Material und der Verspiegelung ein Zwischenbereich ohne optisch kühlbares Material vorgesehen wird, kann eine Reduzierung der Reabsorptionswahrscheinlichkeit erreicht werden.It has been recognized that the exit of the fluorescent light from the optically coolable material plays an important role in the cooling efficiency. The fluorescent light should finally leave the optically coolable material as short as possible, so that the probability of reabsorption in the substrate and thus the probability of heat-generating competition effects, such as the generation of lattice vibrations (phonons), is minimized. Since there is only a slight difference between the wavelengths of the excitation light and the fluorescent light, the mirror coating also has a reflective effect on the fluorescent light and can block the desired exit of the fluorescent light. If an intermediate region without optically coolable material is provided between the optically coolable material and the mirror coating, a reduction in the probability of reabsorption can be achieved.

Bei manchen Ausführungsformen besteht das optisch kühlbare Material aus einem für das Anregungslicht transparenten Basismaterial, in welchem Dotieratome aus der Klasse der Seltenen Erden (SE) verteilt sind. Der Zwischenbereich wird dadurch gebildet, dass zwischen den einer Verspiegelungsfläche am nächsten liegenden Dotieratomen und der zugehörigen Verspiegelung ein Mindestabstand ohne Dotieratome verbleibt.In some embodiments, the optically coolable material consists of a base material that is transparent to the excitation light, in which dopant atoms from the class of rare earths (SE) are distributed. The intermediate region is formed by the fact that between the doping atoms closest to a mirroring surface and the associated silvering remains a minimum distance without Dotieratome remains.

Die Größe des Mindestabstandes kann von Anwendung zu Anwendung variieren. Bei manchen Ausführungsformen hat die Verspiegelung eine ausgedehnte Reflexionsfläche, die in einer in der Reflexionsfläche liegenden Richtung eine Minimalausdehnung hat, wobei der Mindestabstand der Dotieratome von der Verspiegelung mindestens so groß wie die Minimalausdehnung ist. Der Mindestabstand kann auch mindestens doppelt oder mindestens dreifach oder mindestens viermal so groß wie die Minimalausdehnung sein. Je größer der Mindestabstand ist, desto kleiner wird der durch die Verspiegelung blockierte Raumwinkelbereich, in dem keine unmittelbare und endgültige Fluoreszenzlichtauskopplung stattfinden kann. Ein Maximalabstand sollte nicht überschritten werden, damit die gewünschte Rückreflexionswirkung für das Anregungslicht gewährleistet bleibt.The size of the minimum distance may vary from application to application. In some embodiments, the reflective coating has an extended reflection surface that has a minimum extension in a direction lying in the reflection surface, wherein the minimum distance of the doping atoms from the mirror coating is at least as large as the minimum dimension. The minimum distance may also be at least twice or at least three times or at least four times as large as the minimum extent. The larger the minimum distance, the smaller is the space angle range blocked by the mirroring, in which no immediate and final fluorescence light decoupling can take place. A maximum distance should not be exceeded so that the desired back reflection effect for the excitation light remains ensured.

Bei manchen Ausführungsformen hat das Substrat eine der Verspiegelung zugewandte Substratgrenzfläche und zwischen der Substratgrenzfläche und der Verspiegelung liegt ein von Substratmaterial freier Zwischenbereich. Dieser kann beispielsweise mit einem Gas gefüllt oder, beispielsweise bei Anwendungen im EUV-Bereich, evakuiert sein. Bei derartigen Ausführungsformen können die Dotieratome bis an den der Verspiegelung zugewandten Rand des Substrats, d. h. bis zur Substratgrenzfläche heranreichen, wodurch der gesamte Substratquerschnitt für die optische Kühlung zugänglich wird.In some embodiments, the substrate has a substrate interface facing the reflective coating, and between the substrate interface and the mirror coating is an intermediate region free of substrate material. This can for example be filled with a gas or evacuated, for example in applications in the EUV range. In such embodiments, the doping atoms may extend as far as the edge of the substrate facing the mirroring surface, i. H. reach to the substrate interface, making the entire substrate cross-section accessible for optical cooling.

Die Verspiegelung kann beispielsweise an einer Innenseite eines das Substrat umgebenden Spiegelrings angeordnet sein, der einen Innendurchmesser hat, der größer als ein Außendurchmesser des Substrats ist. Der Spiegelring kann im Wesentlichen zylindrisch geformt sein, es sind auch andere der Außenkontur des Substrats angepasste Formen möglich, beispielsweise elliptische Formen.The mirror coating may, for example, be arranged on an inner side of a mirror ring surrounding the substrate, which has an inner diameter that is larger than an outer diameter of the substrate. The mirror ring may be substantially cylindrically shaped, other shapes adapted to the outer contour of the substrate are possible, for example elliptical shapes.

Ein von optisch kühlbarem Material freier Zwischenbereich kann auch dann geschaffen werden, wenn die Verspiegelung direkt auf die der Verspiegelung zugewandte Substratgrenzfläche aufgebracht ist, beispielsweise in Form einer für das Anregungslicht reflektierenden Beschichtung einer Seitenfläche des Substrats. In solchen Fällen kann vorgesehen sein, dass die in einem Volumenbereich des Substrats verteilten Dotieratome in radialer Richtung nicht bis an die Verspiegelung heranreichen, sondern dass ein an die Verspiegelung angrenzender, beispielsweise ringförmiger Außenbereich frei von optisch kühlbarem Material bzw. frei von Dotieratomen bleibt. In dem Zwischenbereich liegt dann kein optisch kühlbares Material vor, sondern ein nicht mit Dotieratomen versehener Bereich des Basismaterials.An intermediate region which is free of optically coolable material can also be created if the mirror coating is applied directly to the substrate interface facing the silvering, for example in the form of a coating of a side surface of the substrate which is reflective for the excitation light. In such cases, it may be provided that the doping atoms distributed in a volume region of the substrate do not reach the mirroring in the radial direction, but that an annular region adjacent to the mirroring, for example, remains free of optically coolable material or free of doping atoms. In the intermediate region there is then no optically coolable material, but a region of the base material which is not provided with doping atoms.

Bei Ausführungsformen für makroskopische Optik, z. B. bei optischen Elementen für optische Systeme einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage, beträgt der Abstand der Dotieratome zur nächstliegenden Verspiegelung (gemessen senkrecht zur Reflexionsfläche) vorzugsweise in der Regel mindestens 100 μm, häufig auch 500 μm oder mehr und/oder 1 mm oder mehr. Entsprechende Mindestwerte gelten auch für die Breite bzw. die Ausdehnung des von optisch kühlbarem Material freien Zwischenbereichs. Bei Einhaltung dieser Abstandswerte ist in der Regel eine effiziente Rückreflexion des Anregungslichts ohne zu starke Blockierung des Austritts des Fluoreszenzlichts möglich.In embodiments for macroscopic optics, z. Example, in optical elements for optical systems of a microlithography projection exposure system, the distance of the doping atoms to the nearest reflective coating (measured perpendicular to the reflection surface) is preferably at least 100 microns, often 500 microns or more and / or 1 mm or more. Corresponding minimum values also apply to the width or the extent of the intermediate region which is free of optically coolable material. By adhering to these distance values, an efficient back reflection of the excitation light is generally possible without excessive blocking of the exit of the fluorescent light.

Eine Kombination von mehreren im Hinblick auf die Effizienz der Fluoreszenzlichtauskopplung günstige Maßnahmen ist möglich. Beispielsweise kann eine von einer äußeren Substratgrenzfläche beabstandete Verspiegelung vorgesehen sein und gleichzeitig können Dotieratome innerhalb des Basismaterials noch einen radialen Abstand von der Substratgrenzfläche haben, so dass derjenige Raumwinkelbereich, in welchem die Verspiegelung eine störende Blockierung gegen die Auskopplung von Fluoreszenzlicht darstellt, besonders klein gehalten werden kann.A combination of several measures which are favorable with regard to the efficiency of the fluorescent light extraction is possible. For example, a mirroring spaced from an outer substrate interface may be provided, and at the same time doping atoms within the base material may still have a radial distance from the substrate interface, so that the solid angle region in which the silvering constitutes a disturbing blockage against the outcoupling of fluorescent light, be kept particularly small can.

Die hier vorgestellten Maßnahmen der Steigerung der Fluoreszenzlichtauskopplung können bei optischen Elementen unterschiedlicher optischer Funktion vorgesehen sein. Bei einem optischen Element kann es sich beispielsweise um eine Linse oder um einen Vorderflächenspiegel handeln.The measures presented here for increasing the fluorescence light decoupling can be provided with optical elements of different optical function. An optical element may, for example, be a lens or a front surface mirror.

Die Maßnahmen sind auch unabhängig von der Art des optisch kühlbaren Materials. Als Substratmaterialien können alle in der vorliegenden Anmeldung näher beschriebenen Substratmaterialien, insbesondere solche mit extrem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, genutzt werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Basismaterial für das Substrat um ein Titan-Silikatglas oder um eine Glaskeramik handeln. Diese Materialien sind besonders für Spiegelsubstrate interessant.The measures are also independent of the type of optically coolable material. As substrate materials, all of the substrate materials described in more detail in the present application, in particular those with extremely low thermal expansion coefficients, can be used. For example, the base material for the substrate may be a titanium silicate glass or a glass ceramic. These materials are particularly interesting for mirror substrates.

Als optisch kühlbare Substratmaterialien für Linsen oder Spiegel können aber auch mit seltenen Erden dotierte Gläser oder mit seltenen Erden dotierte Kristalle genutzt werden, beispielsweise die Materialien ZBLANP:Yb3+, ZBLAN:Yb3+, CNBZn:Yb3+, BIG:Yb3+, KGd(WO4):Yb3+, KY(WO4)2:Yb3+, YAG:Yb3+, Y2SiO5:Yb3+, KPb2Cl5:Yb3+, BaY2F8:Yb3+, ZBLANP:Tm3+, BaY2F8:Tm3+, CNBZn:Er3+, oder KPb2Cl5:Er3+, die in der DE 10 2009 028 777.6 beschrieben sind. Der Inhalt dieser Patentanmeldung wird durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht.However, optically coolable substrate materials for lenses or mirrors can also be used with rare-earth-doped glasses or rare-earth-doped crystals, for example the materials ZBLANP: Yb 3+ , ZBLAN: Yb 3+ , CNBZn: Yb 3+ , BIG: Yb 3 + , KGd (WO 4 ): Yb 3+ , KY (WO 4 ) 2 : Yb 3+ , YAG: Yb 3+ , Y 2 SiO 5 : Yb 3+ , KPb 2 Cl 5 : Yb 3+ , BaY 2 F 8 : Yb 3+ , ZBLANP: Tm 3+ , BaY 2 F 8 : Tm 3+ , CNBZn: He 3+ , or KPb 2 Cl 5 : He 3+ , used in the DE 10 2009 028 777.6 are described. The content of this patent application is incorporated herein by reference.

Die beschriebenen Maßnahmen zur Steigerung der Effizienz der Fluoreszenzlichtauskopplung können weiterhin unabhängig davon vorgesehen sein, wie die räumliche Konzentrationsverteilung der Dotieratome innerhalb des Basismaterials ist. Die räumliche Konzentrationsverteilung kann homogen oder inhomogen sein.The measures described to increase the efficiency of Fluorescent light decoupling can furthermore be provided independently of how the spatial concentration distribution of the doping atoms is within the base material. The spatial concentration distribution can be homogeneous or inhomogeneous.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein optisches System mit mindestens einem optischen Element gemäß der beanspruchten Erfindung und mindestens einer Vorrichtung zum Einleiten von Anregungslicht in einen aus einem optisch kühlbaren Material bestehenden Teil des Substratvolumens.The invention also relates to an optical system having at least one optical element according to the claimed invention and at least one device for introducing excitation light into a part of the substrate volume consisting of an optically coolable material.

Die vorstehenden und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Dabei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte Ausführungsformen darstellen. Bevorzugte Ausführungsformen werden an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert.The foregoing and other features will become apparent from the claims and from the description and drawings. In this case, the individual features may be implemented individually or in the form of subcombinations in one embodiment of the invention and in other areas, and may represent advantageous embodiments. Preferred embodiments will be explained with reference to the accompanying drawings.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNSFIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

1 zeigt eine Schemadarstellung zur Erläuterung von Grundlagen des optischen Kühlens; 1 shows a schematic for explaining principles of optical cooling;

2 zeigt in 2A eine schematische Seitenansicht eines optischen Systems mit einem als Vorderflächenspiegel ausgeführten optischen Element, und in 2B das optische Element aus 2A in Aufsicht; 2 shows in 2A a schematic side view of an optical system having a front surface mirror designed as optical element, and in 2 B the optical element 2A in supervision;

3 zeigt in 3A eine schematische Seitenansicht eines anderen optischen Systems mit einem als Vorderflächenspiegel ausgeführten optischen Element, und in 3B das optische Element aus 3A in Aufsicht; 3 shows in 3A a schematic side view of another optical system with a surface mirror designed as an optical element, and in 3B the optical element 3A in supervision;

4 zeigt in 4A und 4B in den oberen kreisförmigen Teilfiguren jeweils schematisch unterschiedlich orientierte inhomogene Ortsverteilungen von Dotieratomen in zwei übereinander liegenden getrennten Volumenbereichen und in den darunter liegenden Teilfiguren schematische Konzentrationsdiagramme, die die Ortsabhängigkeit der lokalen Konzentration der Dotieratome in zueinander senkrechten Richtungen innerhalb der Volumenbereiche repräsentieren; 4 shows in 4A and 4B in the upper circular sub-figures each schematically differently oriented inhomogeneous local distributions of doping atoms in two superimposed separate volume areas and in the sub-figures below schematic concentration diagrams representing the location dependence of the local concentration of the doping atoms in mutually perpendicular directions within the volume ranges;

5 zeigt schematisch die Emission von Fluoreszenzphotonen von Dotieratomen, die in der Nähe einer Verspiegelung angeordnet sind; 5 schematically shows the emission of fluorescence photons from doping atoms, which are arranged in the vicinity of a Verspiegelung;

6 zeigt schematisch die Emission von Fluoreszenzphotonen aus den in 5 gezeigten Dotieratomen, wobei die Verspiegelung in größerer Entfernung von den Dotieratomen und mit Abstand zu der Seitenfläche des Substrats angeordnet ist; und 6 schematically shows the emission of fluorescence photons from the in 5 the doping atoms shown, wherein the reflective coating is arranged at a greater distance from the doping atoms and at a distance from the side surface of the substrate; and

7 zeigt die wesentlichen optischen Komponenten einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage, die optische Systeme gemäß dieser Anmeldung enthält. 7 shows the essential optical components of a microlithography projection exposure apparatus containing optical systems according to this application.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED EMBODIMENTS

Anhand von 1 werden zunächst einige Grundlagen des optischen Kühlens erläutert. Vereinfacht kann der Prozess des optischen Kühlens folgendermaßen verstanden werden: Das optisch kühlbare Material weist Energiebänder bzw. Energieniveaus E1 und E2 > E1 auf, die durch eine Bandlücke getrennt sind. Das zu kühlende Material wird mit weitgehend monochromatischem Anregungslicht, z. B. Laserstrahlung, der Frequenz νL bestrahlt. Die Frequenz des Anregungslichts ist idealer Weise auf die kleinste (= rötlichste) Frequenz der für den Übergang zwischen den beiden Energiebändern E1 und E2 erlaubten Energie abgestimmt.Based on 1 First, some basics of optical cooling are explained. Simplified, the process of optical cooling can be understood as follows: The optically coolable material has energy bands or energy levels E1 and E2> E1, which are separated by a band gap. The material to be cooled is with largely monochromatic excitation light, z. As laser radiation, the frequency ν L irradiated. The frequency of the excitation light is ideally tuned to the smallest (= reddish) frequency of the energy allowed for the transition between the two energy bands E1 and E2.

Werden Phononen dieser Frequenz (entsprechend einer Photonenenergie hνL) absorbiert, dann werden die oberen Niveaus im energetisch tiefer liegenden Energieband E1 entleert und die untersten Niveaus im energetisch höheren Energieband E2 gefüllt. Dadurch ist das Gleichgewicht der Verteilung in den Bändern gestört. Dieses Gleichgewicht wird durch Phononenabsorption in beiden Bändern wieder hergestellt.If phonons of this frequency are absorbed (corresponding to a photon energy hν L ), then the upper levels in the energetically lower energy band E1 are emptied and the lowest levels are filled in the energy higher energy band E2. This disturbs the balance of distribution in the bands. This balance is restored by phonon absorption in both bands.

Ein angeregter Zustand kann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit durch einen strahlenden Übergang unter Aussendung eines Fluoreszenzphotons, entsprechend einer Anti-Stokes-Emission, wieder in den Grundzustand übergehen. Die Energie hνL des Fluoreszenzphotons (hνf = hν + kT), ist dabei größer als die zur Anregung nötige Photonenenergie hν des Anregungslichts. Da in diesem Elementarprozess mehr Energie abgegeben als aufgenommen wird, ergibt sich eine optische Kühlung.An excited state can, with a certain probability, return to the ground state by a radiating transition with the emission of a fluorescence photon, corresponding to an anti-Stokes emission. The energy hν L of the fluorescence photon (hν f = hν + kT) is greater than the photon energy hν of the excitation light required for the excitation. Since more energy is emitted in this elementary process than is absorbed, optical cooling results.

Es besteht jedoch auch die Möglichkeit eines nicht-strahlenden (nicht-radiativen) Übergangs durch Multi-Phononen(MP)-Relaxation. Diese MP-Relaxation ist umso wahrscheinlicher, je größer die maximale Phononenenergie des Materials im Vergleich zur Energielücke des Übergangs ist, also je weniger Phononen für den Übergang benötigt werden. Ein strahlender Relaxationsübergang kann das Material um die Energie eines oder mehrerer Phononen kühlen, ein MP-Relaxationsübergang würde das Material hingegen um die volle Energie der Bandlücke erwärmen.However, there is also the possibility of a non-radiative (non-radiative) transition through multi-phonon (MP) relaxation. This MP relaxation is all the more likely the greater the maximum phonon energy of the material compared to the energy gap of the transition, that is, the fewer phonons needed for the transition. A bright relaxation transition can cool the material by the energy of one or more phonons, whereas an MP relaxation transition would heat the material by the full energy of the band gap.

In einem realen System sind die Bedingungen, unter denen eine effektive Kühlung stattfinden kann, wesentlich komplexer. Unter anderem besteht eine gewisse Wahrscheinlichkeit, dass Fluoreszenzphotonen nicht entweichen, sondern im Material reabsorbiert werden und dass andere Absorptionsprozesse den potentiellen Kühleffekt verringern. Um eine Kühlung zu erreichen, muss der Anteil (ηabs·ηext) an absorbierten Photonen des Anregungslichts, die als Fluoreszenzphoton dem zu kühlenden Körper entweichen, größer sein als (1 – kB·T/hνf), d. h. ηabs·ηext > 1 – kB·T/hνf In a real system are the conditions under which effective cooling takes place can, much more complex. Among other things, there is a certain likelihood that fluorescence photons do not escape, but are reabsorbed in the material and that other absorption processes reduce the potential cooling effect. In order to achieve cooling, the proportion (η abs · η ext ) of absorbed photons of the excitation light, which escape as a fluorescent photon from the body to be cooled, must be greater than (1-k B · T / hν f ), ie η abs · η ext > 1 - k B · T / hν f

Für das Verständnis dieser „Kühlbedingung” gelten im Rahmen dieser Anmeldung folgende Definitionen:

  • (1) Wrad ist der Anteil an Fluoreszenzphotonen.
  • (2) Wnr ist der Anteil an nicht-radiativen Zerfällen.
  • (3) Die Extraktionseffizienz (extraktion efficiency) ηe beschreibt den Anteil der Fluoreszenzphotonen, die dem Körper komplett entweichen können. Dieser Parameter hängt u. a. von der Geometrie und der Reabsorptionswahrscheinlichkeit ab.
  • (4) Die Quanteneffizienz (quantum efficiency) Wrad/(Wrad + Wnr) beschreibt den Anteil der angeregten Zustände, die als Fluoreszenzphotonen zerfallen. Dieser Parameter hängt u. a. von der maximalen Phononenenergie des Trägermaterial und der Energie des Fluoreszenzübergangs ab
  • (5) Die externe Quanteneffizienz (external quantum efficiency) ηext = ηeWradeWrad + Wnr) beschreibt den Anteil der Fluoreszenzphotonen, die dem Körper komplett entweichen können, an den insgesamt zerfallenden angeregten Zuständen
  • (6) Die Absorptionseffizienz (absoption efficiency) ηabs = αr/(αr + αp) ist das Verhältnis zwischen der resonanten/gewünschten Absorption und der gesamten Absorption. Dieser Parameter hängt vom resonanten Absorptionskoeffizienten αr und vom parasitären Absorptionskoeffizienten αp ab.
  • (7) Die Kühleffizienz (cooling efficiency) ηcool = Pkühl/Pabs beschreibt das Verhältnis zwischen der Kühlleistung und der absorbierten Leistung des Anregungslichts.
For the understanding of this "cooling condition", the following definitions apply in the context of this application:
  • (1) rad is the proportion of fluorescence photons.
  • (2) W nr is the proportion of non-radiative decays.
  • (3) The extraction efficiency η e describes the proportion of fluorescence photons that can completely escape the body. This parameter depends, among other things, on the geometry and the probability of reabsorption.
  • (4) The quantum efficiency Wrad / (W rad + W nr ) describes the proportion of excited states that decay as fluorescence photons. This parameter depends inter alia on the maximum phonon energy of the carrier material and the energy of the fluorescence transition
  • (5) External quantum efficiency η ext = η e W rade W rad + W nr ) describes the proportion of fluorescence photons that can completely escape the body from the total decaying excited states
  • (6) The absoption efficiency η abs = α r / (α r + α p ) is the ratio between the resonant / desired absorption and the total absorption. This parameter depends on the resonant absorption coefficient α r and on the parasitic absorption coefficient α p .
  • (7) The cooling efficiency η cool = P cool / P abs describes the relationship between the cooling power and the absorbed power of the excitation light.

Die Kühlbedingung für einen idealen Fall ohne unerwünschte Effekte kann dann wie folgt angegeben werden: ηcool = (hνf – hνL)/hνf = λLf – 1, wobei λL und λf die Wellenlängen von Anreguungsphoton bzw. Fluoreszenzphoton sind. Die Kühleffizienz hängt dann nur von der Frequenz des Anregungslichts, νL, und von der Frequenz der Fluoreszenz, νf, ab und es wird für ηcool > 0 gekühlt.The cooling condition for an ideal case without undesirable effects can then be stated as follows: η cool = (hv f - hv L) / hv f = λ L / λ f - 1, where λ L and λ f are the wavelengths of excitation photon and fluorescence photon, respectively. The cooling efficiency then depends only on the frequency of the excitation light, ν L , and on the frequency of the fluorescence, ν f , and it is cooled for η cool > 0.

Da aber unter anderem (i) nicht das gesamte Anregungslicht zur Anregung der Dotieratome führt, sondern ein Teil ungewünscht absorbiert wird, (ii) nicht alle angeregten Dotieratome durch Fluoreszenz sondern auch durch MP Prozesse zerfallen und (iii) auch nicht alle Fluoreszenzphotonen den zu kühlenden Körper verlassen, reduziert sich die Kühleffizienz auf ηcool = ηabs·ηext λLf – 1 Since, however, (i) not all the excitation light leads to the excitation of the doping atoms, but a part is undesirably absorbed, (ii) not all excited doping atoms decay by fluorescence but also by MP processes and (iii) not all fluorescence photons also to be cooled Leaving the body, the cooling efficiency is reduced η cool = η abs · η ext λ L / λ f - 1

Da weiterhin die Frequenz des Anregungslichts zur effektiven Absorption nicht zu weit unter der mittleren Fluoreszenzfrequenz verstimmt sein sollte gilt hνLf – kB·T. Mit ηcool > 0 erhält man dann die oben angesprochene Kühlbedingung ηabs·ηext > 1 – kB·T/hνf Furthermore, since the frequency of the excitation light for effective absorption should not be detuned too far below the mean fluorescence frequency, hν Lf -k B * T holds. With η cool > 0 you get the above mentioned cooling condition η abs · η ext > 1 - k B · T / hν f

Dies vorausgeschickt werden nun vorteilhafte Möglichkeiten zur Nutzung des optischen Kühlens im Bereich der Optik am Beispiel optischer Elemente für optische Systeme einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage erläutert.With this in mind, advantageous possibilities for the use of optical cooling in the field of optics are explained using the example of optical elements for optical systems of a microlithography projection exposure apparatus.

Das optisch kühlbare Material ist dabei jeweils ein für Anregungslicht aus dem Infrarotbereich (IR) transparentes Basismaterial, in welchem durch das Anregungslicht zu einer Anti-Stokes-Emission anregbare Dotieratome in geeigneter räumlicher Konzentrationsverteilung vorliegen. Obwohl die Dotieratome im Basismaterial in ionisierter Form vorliegen und daher auch als Dotierionen bezeichnet werden können, wird hier aus Gründen der Übersichtlichkeit durchgängig der Begriff „Dotieratome” verwendet. Der Begriff „transparent” bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Basismaterial für das Anregungslicht so durchlässig ist, dass das Anregungslicht unter möglichst geringer Abschwächung zu den Dotieratomen gelangen und die Dotieratome anregen kann. Durch die Anregung der Dotieratome ist eine gewisse Absorption des Anregungslichts gegeben, so dass das optisch kühlbare Material nicht zu 100% transparent ist, sondern eine Teilabsorption zumindest aufgrund der Dotieratome zeigt.The optically coolable material is in each case a base material which is transparent to excitation light from the infrared range (IR) and in which doping atoms which can be excited by the excitation light to give an anti-Stokes emission are present in a suitable spatial concentration distribution. Although the doping atoms in the base material are in ionized form and therefore can also be referred to as doping ions, the term "doping atoms" is used here for reasons of clarity. The term "transparent" in this context means that the base material for the excitation light is so permeable that the excitation light can reach the doping atoms with as little attenuation as possible and can excite the doping atoms. By the excitation of the doping atoms a certain absorption of the excitation light is given, so that the optically coolable material is not 100% transparent, but shows a partial absorption at least due to the doping atoms.

2A zeigt in schematischer Darstellung als Seitenansicht ein optisches System 200 mit einem optischen Element, das als Vorderflächenspiegel 210 ausgeführt ist. Der im Folgenden auch einfach als Spiegel 210 bezeichnete Vorderflächenspiegel hat ein Substrat 212, dessen konkav gekrümmte Vorderfläche 214 als eine mit optischer Qualität bearbeitete optische Fläche ausgebildet ist. Der Spiegel 210 ist für eine EUV-Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage vorgesehen und weist deshalb an seiner Vorderfläche 214 eine geeignete Multilayer-Beschichtung 216 auf, die für eine Nutzwellenlänge im Bereich von 5 bis 15 nm optimiert ist. Die Beschichtung kann beispielsweise mit Molybdän/Silizium-Wechselschichten aufgebaut sein. Sie kann gleichmäßige oder lokal variierende Schichtdicken haben. 2A shows a schematic representation as a side view of an optical system 200 with an optical element acting as a front surface mirror 210 is executed. The below also simply as a mirror 210 designated front surface mirror has a substrate 212 , whose concave curved front surface 214 is formed as an optical surface processed with optical quality. The mirror 210 is intended for an EUV microlithography projection exposure machine and therefore has its front surface 214 a suitable multilayer coating 216 which is optimized for a useful wavelength in the range of 5 to 15 nm. The coating can be constructed, for example, with molybdenum / silicon alternating layers. It can have uniform or locally varying layer thicknesses.

Das EUV-Nutzlicht 230 fällt im Betrieb von der dem Substrat abgewandten Seite auf die reflektierende Beschichtung und wird dabei an der beschichteten Vorderfläche reflektiert. Der Spiegel 210 ist beispielhaft als Konkav-Spiegel mit positiver Brechkraft ausgeführt. Er kann jedoch auch als Konvex-Spiegel mit negativer Brechkraft oder als Plan-Spiegel ohne Brechkraft ausgeführt sein. Die optische Fläche kann als sphärische oder asphärische rotationssymmetrische Fläche gestaltet sein, ggf. aber auch als nicht-rotationssymmetrische (rotationsasymmetrische) Freiformfläche. Der Durchmesser des Spiegels ist an die jeweilige Anwendung angepasst. In einem Projektionsobjektiv für eine Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage beträgt der Durchmesser typischerweise zwischen 100 mm und 300 mm. The EUV useful light 230 During operation, it falls on the reflective coating from the side facing away from the substrate and is thereby reflected on the coated front surface. The mirror 210 is exemplified as a concave mirror with positive refractive power. However, it can also be embodied as a convex mirror with negative refractive power or as a plan mirror without refractive power. The optical surface may be designed as a spherical or aspherical rotationally symmetrical surface, but possibly also as a non-rotationally symmetrical (rotationally asymmetric) free-form surface. The diameter of the mirror is adapted to the respective application. In a projection objective for a microlithography projection exposure apparatus, the diameter is typically between 100 mm and 300 mm.

Das Substrat 212 besteht aus einem Substratmaterial mit einem extrem geringen, thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der im Bereich um Raumtemperatur (bei 20°C) weniger als 0.1·10–6K–1 beträgt, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient vorzugsweise noch mindestens eine halbe Größenordnung niedriger liegt, z. B. bei maximal 5·10–8K–1. Derartige Werkstoffe werden gelegentlich auch als Ultra-Low-Expansion-Werkstoffe bezeichnet.The substrate 212 consists of a substrate material with an extremely low coefficient of thermal expansion, which is less than 0.1 · 10 -6 K -1 in the region around room temperature (at 20 ° C), the thermal expansion coefficient preferably being at least half an order of magnitude lower, e.g. B. at a maximum of 5 · 10 -8 K -1 . Such materials are sometimes referred to as ultra-low-expansion materials.

Beim Ausführungsbeispiel besteht das Substrat im Wesentlichen aus einem Titan-Silikatglas-Basiswerkstoff mit einem hohen Anteil von mindestens 90 Gew.-% SiO2 und einem überwiegend aus Titanoxid (TiO2) bestehenden Restanteil (z. B. ca. 7 Gew.-%). Als Basismaterial geeignete Glaswerkstoffe sind z. B. unter der Marke ULE®-Glas (Corning, Inc) erhältlich. In dieser Anmeldung wird der Basiswerkstoff aus Titan-Silikatglas auch mit (SiO2-TiO2)-Glas bezeichnet. Für den Temperaturbereich zwischen 5°C und 35°C wird ein mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient von 0 ± 30·10–9K–1 angegeben.In the exemplary embodiment, the substrate consists essentially of a titanium-silicate glass base material with a high proportion of at least 90% by weight of SiO 2 and a predominant proportion of titanium oxide (TiO 2 ) (for example about 7% by weight). ). As base material suitable glass materials are z. B. branded ULE ® glass (Corning, Inc) available. In this application, the base material of titanium-silicate glass is also referred to as (SiO 2 -TiO 2 ) glass. For the temperature range between 5 ° C and 35 ° C, a mean thermal expansion coefficient of 0 ± 30 · 10 -9 K -1 is given.

Bei einer nicht bildlich dargestellten Ausführungsform ist das Basismaterial des Substrats eine Glaskeramik, die in einer Glasmatrix verteilte, kristalline Phasenanteile enthält. Durch Kombination der thermischen Charakteristika der unterschiedlichen Phasen können extrem geringe thermische Ausdehnungskoeffizienten erzielt werden, die in einigen Temperaturbereichen sogar null oder leicht negativ werden können.In a non-illustrated embodiment, the base material of the substrate is a glass-ceramic containing crystalline phase portions distributed in a glass matrix. By combining the thermal characteristics of the different phases extremely low coefficients of thermal expansion can be achieved, which in some temperature ranges can even be zero or slightly negative.

Das Substrat 212 weist einen (in der Figur durch gestrichelte Linien begrenzten) Volumenbereich 220 auf, der überwiegend aus einem Material besteht, welches bei Anregung mit geeignetem Anregungslicht 245 Anti-Stokes-Fluoreszenz zeigt. Dieses Material wird dadurch gebildet, dass innerhalb des Volumenbereichs im Basismaterial Dotieratome 225 verteilt sind, die mittels des Anregungslichts zu einer Anti-Stokes-Fluoreszenz anregbar sind. Das glasartige Basismaterial ((SiO2-TiO2)-Glas) ist hier mit Ytterbiumionen Yb3+ dotiert. Das dadurch gebildete optisch kühlbare Material wird in dieser Anmeldung mit (SiO2-TiO2):Yb3+ bezeichnet. Die lokale Konzentration der Dotieratome (Yb3+) ist inhomogen und nimmt von der Mitte des Substrats zu den Rändern in alle Radialrichtungen ab.The substrate 212 has a (in the figure by dashed lines limited) volume range 220 on, which consists predominantly of a material which excites with suitable excitation light 245 Anti-Stokes fluorescence shows. This material is formed by doping atoms within the volume range in the base material 225 are distributed, which are excitable by means of the excitation light to an anti-Stokes fluorescence. The glassy base material ((SiO 2 -TiO 2 ) glass) is here doped with Ytterbiumionen Yb 3+ . The optically coolable material formed thereby is referred to in this application as (SiO 2 -TiO 2 ): Yb 3+ . The local concentration of dopant atoms (Yb 3+ ) is inhomogeneous and decreases from the center of the substrate to the edges in all radial directions.

Das optische System 200 umfasst eine Vorrichtung 240, welche das Anregungslicht 245 zur Verfügung stellt. Die Vorrichtung 240 umfasst einen durchstimmbaren Dioden-gepumpten Yb:YAG-Laser, welcher Laserlicht mit einer Wellenlänge in einem schmalen Unterbereich zwischen 950 nm und 1050 nm, insbesondere bei den langwelligeren Wellenlängen, erzeugt. Der schmalbandige Wellenlängenbereich ist an den Wellenlängen- bzw. Frequenzbereich angepasst, in dem das optisch kühlbare Material (SiO2-TiO2):Yb3+ einen Fluoreszenzübergang zeigt.The optical system 200 includes a device 240 which the excitation light 245 provides. The device 240 comprises a tunable diode-pumped Yb: YAG laser which generates laser light having a wavelength in a narrow sub-range between 950 nm and 1050 nm, in particular at the longer wavelengths. The narrow-band wavelength range is adapted to the wavelength or frequency range in which the optically coolable material (SiO 2 -TiO 2 ): Yb 3+ shows a fluorescence transition.

Die Seitenfläche 218 des Substrats ist zylinderförmig ausgeführt, wobei die Zylinderachse mit der Elementachse 213 (Symmetrieachse) des Spiegels zusammenfällt. Der Volumenbereich 220 hat die Form eines flachen Zylinders, dessen Mantelfläche auf der Seitenfläche bzw. Mantelfläche des Spiegelsubstrats liegt. Der zylinderförmige Volumenbereich 220 liegt vollständig innerhalb des Spiegelsubstrats, wobei Bereiche des Spiegelsubstrats zwischen dem Volumenbereich 220 und der Vorderfläche 214 bzw. zwischen dem Volumenbereich und der ebenen Rückfläche 215, also Bereiche außerhalb des mit Dotieratomen 225 dotierten Volumenbereichs, nicht aus dem dotierten Basismaterial, sondern aus dem Basismaterial ohne Dotieratome bestehen. Diese Bereiche zeigen daher bei Bestrahlung mit dem Anregungslicht 245 keine Anti-Stokes-Fluoreszenz.The side surface 218 of the substrate is cylindrical, wherein the cylinder axis with the element axis 213 (Symmetry axis) of the mirror coincides. The volume range 220 has the shape of a flat cylinder whose lateral surface lies on the side surface or lateral surface of the mirror substrate. The cylindrical volume area 220 lies completely within the mirror substrate, with areas of the mirror substrate between the volume area 220 and the front surface 214 or between the volume area and the flat rear area 215 , ie areas outside of the with doping atoms 225 doped volume range, not from the doped base material, but consist of the base material without doping atoms. These areas therefore show when irradiated with the excitation light 245 no anti-Stokes fluorescence.

Am äußeren Rand des Volumenbereichs 220 ist an der Seitenfläche des Spiegelsubstrats eine Verspiegelung 260 vorgesehen. Die Verspiegelung ist optimiert für die Wellenlänge des Anregungslichts. Die Verspiegelung kann aus Gold oder einer geeigneten dielektrischen Viellagen-Beschichtung bestehen, wodurch z. B. eine Reflektivität für das Anregungslicht von mehr als 99,5% erzielt wird. Die Verspiegelung 260 weist eine Eintrittsöffnung 262 auf, durch die das Anregungslicht 245 in den mit Dotieratome dotierten Volumenbereich eintreten kann.At the outer edge of the volume area 220 is a mirror coating on the side surface of the mirror substrate 260 intended. The mirroring is optimized for the wavelength of the excitation light. The mirror coating may consist of gold or a suitable dielectric multilayer coating, whereby z. B. a reflectivity for the excitation light of more than 99.5% is achieved. The mirroring 260 has an inlet opening 262 on, through which the excitation light 245 can enter the volume region doped with doping atoms.

2B zeigt das optische System der 2A in Aufsicht. Dabei wird deutlich, dass die Vorrichtung 240 eine Fokussiereinrichtung 242 aufweist, die das vom Laser 244 emittierte Anregungslicht 245 auf die Eintrittsöffnung 262 fokussiert, wodurch am Eintritt in den zylinderförmigen Volumenbereich eine vorgegebene Winkelaufweitung des Anregungslichts 220 erzeugt wird. In diesem Fall wird ein kontinuierliches Winkelspektrum zwischen dem Einfallswinkel 0° bei Einfall entlang der Flächennormalen der Seitenfläche an der Eintrittsöffnung 262 und einem maximalen Einfallswinkel erzeugt. Die Strahlen des Anregungslichts 245 werden an der Verspiegelung 260 mehrfach hin- und herreflektiert, bis sie von einem der Dotieratome 225 oder an anderer Stelle absorbiert werden. 2 B shows the optical system of 2A in supervision. It becomes clear that the device 240 a focusing device 242 that's the one from the laser 244 emitted excitation light 245 on the entrance opening 262 focused, whereby at the entrance to the cylindrical volume area a predetermined angular expansion of the excitation light 220 is produced. In this case, a continuous angle spectrum between the angle of incidence 0 ° at incidence along the surface normal of the side surface at the inlet opening 262 and generates a maximum angle of incidence. The rays of the excitation light 245 be at the mirroring 260 Reflected back and forth several times until it is from one of the doping atoms 225 or absorbed elsewhere.

Das optische System 200 weist nur eine einzige Vorrichtung 240 zur Einkopplung des Anregungslichtes 245 auf. Zur Verbesserung der homogenen Ausleuchtung des optisch kühlbaren Materials im Volumenbereich können eine oder mehrere weitere Vorrichtungen entlang des Umfangs des Substrats vorgesehen werden, die das Anregungslicht über eine entsprechende Anzahl von Eintrittsöffnungen in den gleichen Volumenbereich 220 strahlen. Einige mögliche Anordnungen sind in der DE 10 2009 028 776.6 beschrieben, deren Inhalt durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht wird.The optical system 200 has only a single device 240 for coupling the excitation light 245 on. In order to improve the homogenous illumination of the optically coolable material in the volume region, one or more further devices can be provided along the circumference of the substrate which directs the excitation light into the same volume region over a corresponding number of inlet openings 220 radiate. Some possible arrangements are in the DE 10 2009 028 776.6 the content of which is incorporated herein by reference.

Das auftreffende Nutzlicht 230 kann zu einer Erwärmung des optischen Elements 210 führen, vor allem durch Absorption des einfallenden Nutzlichtes in der reflektierenden Beschichtung 216. Zur Kühlung wird das optische Element bzw. der mit optisch kühlbarem Material versehene Volumenbereich 220 mit Anregungslicht 245 bestrahlt. Das Anregungslicht regt die Dotieratome 225 zur Anti-Stokes-Fluoreszenz an, wobei kurzwelligeres Fluoreszenzlicht erzeugt wird. Der Energiegewinn zwischen dem absorbierten Anregungs-Photon und dem reemittierten Fluoreszenz-Photon kann zur Kühlung des optischen Elements beitragen.The incident useful light 230 can cause heating of the optical element 210 lead, especially by absorption of the incident useful light in the reflective coating 216 , For cooling, the optical element or provided with optically coolable material volume range 220 with excitation light 245 irradiated. The excitation light excites the doping atoms 225 for anti-Stokes fluorescence, whereby short-wave fluorescent light is generated. The energy gain between the absorbed excitation photon and the re-emitted fluorescence photon can contribute to the cooling of the optical element.

Die Fluoreszenzstrahlung wird dabei in alle Richtungen abgegeben. Damit die Fluoreszenzstrahlung nicht wieder zur Erwärmung des optischen Elements oder anderer im Nutzstrahlengang vorausgehender oder nachfolgender optischen Elemente führt, ist es vorteilhaft, wenn die Fluoreszenzstrahlung mit geeigneten Maßnahmen wie z. B. Absorptionsfallen außerhalb des Nutzstrahlengangs so weitgehend wie möglich eliminiert wird.The fluorescence radiation is emitted in all directions. So that the fluorescence radiation does not lead again to the heating of the optical element or other in the useful beam path preceding or subsequent optical elements, it is advantageous if the fluorescent radiation with suitable measures such. B. absorption traps outside the Nutzstrahlengangs is eliminated as much as possible.

In Abhängigkeit von seiner Anordnung im Strahlengang eines optischen Systems und von Strahleigenschaften des verwendeten Nutzlichts (z. B. Intensitätsprofil) kann ein optisches Element, wie z. B. der Spiegel 210, sehr ungleichmäßigen thermischen Belastungen ausgesetzt sein, die sich je nach Anwendungsfall zeitlich auch ändern können. Dadurch können z. B. in einem Spiegel ausgehend von der mit der Reflexbeschichtung beschichteten Vorderfläche thermische Gradienten sowohl in die Tiefe, als auch in lateraler Richtung (senkrecht zur Elementachse bzw. Symmetrieachse) ausbilden. Diese können aufgrund thermischer Ausdehnung u. a. zu ungleichmäßigen Oberflächendeformationen führen.Depending on its arrangement in the optical path of an optical system and of the beam characteristics of the useful light used (eg intensity profile), an optical element, such as, for example, an optical element can be used. B. the mirror 210 , be exposed to very uneven thermal loads, which may vary depending on the application time. As a result, z. B. in a mirror, starting from the coated with the reflective coating front surface thermal gradient both in the depth, as well as in the lateral direction (perpendicular to the element axis or axis of symmetry) form. Due to thermal expansion, these can lead to uneven surface deformations, among other things.

Bei Substratmaterialien mit extrem niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind die Absolutgrößen von Dimensionsänderungen zwar in der Regel sehr gering. Da insbesondere im EUV-Bereich Genauigkeitsanforderungen an die Oberflächen der optischen Elemente im sub-Nanometerbereich liegen können, können sich dennoch störende Aberrationen aufgrund inhomogener Erwärmung ergeben.For substrate materials with extremely low coefficients of thermal expansion, the absolute values of dimensional changes are usually very small. Since precision requirements can be placed on the surfaces of the optical elements in the sub-nanometer range, in particular in the EUV range, disturbing aberrations due to inhomogeneous heating can still result.

Eine Analyse auf Basis teils verfügbarer, teils geschätzter Parameter zeigt, dass eine thermische Umverteilung zur wirksamen Eliminierung bzw. Verringerung von thermischen Gradienten mit Hilfe des optischen Kühlens möglich ist. Die Abschätzung wurde für einen zylindrischen Körper aus (SiO2-TiO2)-Glas mit 20 cm Radius und 5 cm Dicke durchgeführt. Diese Werte entsprechen typischen Größenordnungen von Spiegelsubstraten in EUV-Systemen.An analysis based on partly available, partly estimated parameters shows that a thermal redistribution is possible for the effective elimination or reduction of thermal gradients with the help of optical cooling. The estimation was made for a cylindrical body of (SiO 2 -TiO 2 ) glass with 20 cm radius and 5 cm thickness. These values correspond to typical magnitudes of mirror substrates in EUV systems.

Bei der Anti-Stokes-Emission ist die Energie des emittierten Fluoreszenzphotons größer als die zur Anregung nötige Photonenenergie des Anregungslichts. Dadurch ergibt sich ein Kühleffekt. Als für die Kühlung schädlicher konkurrierender Prozess kommt vor allem die Multi-Phononrelaxation in Betracht, die umso wahrscheinlicher ist, je größer die maximale Phononenenergie des Materials im Vergleich zur Energielücke des Übergangs ist.In the case of anti-Stokes emission, the energy of the emitted fluorescence photon is greater than the photon energy of the excitation light necessary for the excitation. This results in a cooling effect. In particular, multi-phonon relaxation, which is more likely the greater the maximum phonon energy of the material compared to the energy gap of the transition, is considered as a detrimental competitive process for cooling.

Für (SiO2-TiO2) lagen keine Angaben zur maximalen Phononenenergie vor. Daher wurde als Näherung SiO2 als Majoritätskomponente des Basismaterials betrachtet. SiO2 hat eine max. Phononenenergie von ca. 1100 cm–1. Weiterhin wurde davon ausgegangen, dass bei Erfüllung der Bedingung: Bandlücke < 8·max. Phononenenergie eine Multi-Phononen-Relaxation eine so hohe Wahrscheinlichkeit hat, dass praktische kein effektives Kühlen mehr zu erreichen ist.For (SiO 2 TiO 2) No information on the maximum phonon energy were available. Therefore, as an approximation, SiO 2 was considered as a majority component of the base material. SiO 2 has a max. Phonon energy of about 1100 cm -1 . Furthermore, it was assumed that if the condition was fulfilled: band gap <8 · max. Phonon energy a multi-phonon relaxation has such a high probability that practical no effective cooling can be achieved anymore.

Bei Beurteilung der als Dotieratome besonders in Frage kommenden Seltenen Erden Holmium (Ho), Thulium (Tm), Erbium (Er) und Ytterbium (Yb) bzw. deren Ionen hat sich Ytterbium wegen seiner relativ zur maximalen Phononenenergie des Basismaterials großen Bandlücke als geeignetes Dotieratom herausgestellt. Eventuell sind auch Thulium oder Erbium noch geeignet.When evaluating the rare earths holmium (Ho), thulium (Tm), erbium (Er) and ytterbium (Yb) or their ions, which are particularly suitable as doping atoms, ytterbium has a suitable doping atom because of its large band gap relative to the maximum phonon energy of the base material exposed. Maybe Thulium or Erbium are still suitable.

Bei einer Abschätzung von Einflüssen, die zu einer unerwünschten Reabsorption führen können, wurde unter anderem simuliert, welcher Teil der Fluoreszenzphotonen aufgrund von Totalreflexion an Substratgrenzflächen das Substrat nicht direkt bzw. nicht nach einer endlichen Zahl interner Reflexionen verlassen kann. Dadurch kann die Wahrscheinlichkeit für eine Reabsorption abgeschätzt werden. Für die Reabsorption spielt auch die Reinheit des Materials eine Rolle. Diese sollte möglicht hoch sein.In an estimation of influences that can lead to an undesired reabsorption, it was simulated, among other things, which part of the fluorescence photons can not leave the substrate directly or not after a finite number of internal reflections due to total reflection at substrate interfaces. This can be used to estimate the probability of reabsorption. For Reabsorption also plays a role in the purity of the material. This should be as high as possible.

Weiterhin sollte bei einem Spiegel die reflektive Beschichtung so dick ausgelegt werden, dass praktisch kein Nutzlicht durch diese Beschichtung hindurch in das Substratmaterial gelangt.Furthermore, in the case of a mirror, the reflective coating should be designed so thick that virtually no useful light passes through this coating into the substrate material.

Eine Abschätzung, bei der für die oben genannten Parameter Wrad, Wnr, ηe, αr und αp realistische Schätzwerte angenommen wurden, ergab für 1 W Leistung des Anregungslichts unter der Annahme vollständiger Absorption des Anregungslichtes eine Kühlleistung von ca. 58 mW.An estimate assuming realistic estimates for the above-mentioned parameters W rad , W nr , η e , α r and α p gave a cooling power of about 58 mW for 1 W power of the excitation light assuming complete absorption of the excitation light ,

Für eine Kühlung des gesamten Substrats wären danach bei dem optisch kühlbaren Material (SiO2-TiO2):Yb3+ extrem hohe Leistungen des Anregungslichts erforderlich. Bei geringeren Anregungslichtleistungen sind aber Kühlleistungen erzielbar, die mit Hilfe lokal unterschiedlich starker Kühlung eine effektive Umverteilung thermischer Energie im optischen Element bewirken können. Insbesondere für die Minimierung von Abbildungsfehlern, die durch Temperatur- und deshalb Volumen- bzw. Brechungsindexgradienten an Linsen oder Spiegeln auftreten können, kann eine optische Kühlung effektiv sein, auch wenn diese insgesamt, über den ganzen Körper integriert, fast keine Kühlwirkung verursacht.For cooling the entire substrate, extremely high powers of the excitation light would then be required for the optically coolable material (SiO 2 -TiO 2 ): Yb 3+ . At lower excitation light powers, however, cooling capacities can be achieved which, with the aid of locally different degrees of cooling, can effect an effective redistribution of thermal energy in the optical element. In particular, for the minimization of aberrations that can occur due to temperature and therefore volume or refractive index gradients on lenses or mirrors, an optical cooling can be effective, even if this total, integrated over the entire body, causing almost no cooling effect.

Der Wirkungsgrad der Kühlung kann ggf. durch Maßnahmen zur Senkung der Phononenenergie des Basismaterials verstärkt werden. Beispielsweise kann das Basismaterial noch mit Elementen versetzt werden, die die lokale Umgebung der Dotieratome im Sinne einer Senkung des Phononenenergie des Basismaterials verändern (vgl. z. B. US 7,003,981 B2 ).Optionally, cooling efficiency may be enhanced by measures to lower the phonon energy of the base material. For example, the base material can still be mixed with elements which change the local environment of the doping atoms in the sense of a reduction in the phonon energy of the base material (cf. US 7,003,981 B2 ).

Ein erstes Beispiel für eine räumlich inhomogene optische Kühlung ist in 2B gezeigt. 2B zeigt das optische System 200 in Aufsicht. In dem Volumenbereich 220 nimmt die Konzentration der Dotieratome 225 von der Mitte im Bereich der Elementachse 213 zum Rand hin in alle Radialrichtungen ab. Diese weitgehend rotationssymmetrische, radial nach außen abfallende Dotierung ist durch die radial abnehmende Dichte der Dotieratome 225 angedeutet. Diese Verteilung der Dotierung kann z. B. dann vorteilhaft sein, wenn sich der Spiegel 210 durch das EUV-Nutzlicht besonders in der Mitte, also um die Elementachse 213 herum, stärker als in den Randbereichen erwärmt. Da ein erheblicher Anteil, z. B. zirka 30%, des EUV-Nutzlichtes in der Multilayer-Beschichtung 216 absorbiert wird und sich gleichzeitig der Spiegel im betriebsfertig montierten Zustand im Hoch-Vakuum befindet, ist eine Kühlung von EUV-Spiegeln vorteilhaft. Bei homogener Einstrahlung des Anregungslichts ist die Kühlwirkung im Mittelbereich wegen der höheren räumlichen Dotieratomdichte größer als in den Randbereichen, so dass eventuell entstehende, allseitig in Radialrichtung verlaufende Temperaturgradienten mindestens zum Teil wieder ausgeglichen werden können. Thermisch induzierte Aberrationen treten dann weniger stark in Erscheinung, da sie mindestens zum Teil durch räumlich inhomogene optische Kühlung kompensiert werden.A first example of a spatially inhomogeneous optical cooling is in 2 B shown. 2 B shows the optical system 200 in supervision. In the volume area 220 takes the concentration of the doping atoms 225 from the middle in the area of the element axis 213 towards the edge in all radial directions. This largely rotationally symmetrical, radially outwardly sloping doping is due to the radially decreasing density of the doping atoms 225 indicated. This distribution of doping may, for. B. be advantageous if the mirror 210 due to the EUV useful light, especially in the middle, ie around the element axis 213 around, heated more than in the border areas. Since a significant proportion, z. B. about 30% of the EUV useful light in the multilayer coating 216 is absorbed and at the same time the mirror is in the ready-mounted state in high vacuum, a cooling of EUV mirrors is advantageous. With homogeneous irradiation of the excitation light, the cooling effect in the central region is greater because of the higher spatial Dotieratomdichte than in the edge regions, so that any resulting, all sides extending in the radial direction temperature gradients can be at least partially compensated again. Thermal induced aberrations are less pronounced, as they are at least partially compensated by spatially inhomogeneous optical cooling.

Je nach Anwendungsfall und Aufbau eines optischen Systems kann es sein, dass sich an einem optischen Element aufgrund von Wärmeentwicklung bestimmte charakteristische Fehler, beispielsweise Fehler an der Oberflächenform einer optischen Fläche (Linsenfläche oder Spiegelfläche), ergeben. Solche charakteristischen Fehler können manchmal, ähnlich wie die Aberrationen einer Wellenfront, mit Hilfe von Zernike-Polynomen oder einem anderen, idealer Weise vollständigen Polynomensatz beschrieben werden, welcher die betrachtende Optik beschreibt. Im Betrieb einer Projektionsbelichtungsanlage können sich auch zeitliche Veränderungen von thermisch induzierten Fehlern ergeben, beispielsweise durch Änderungen beim sogenannten Beleuchtungssetting.Depending on the application and the construction of an optical system, it is possible that certain characteristic defects, for example defects on the surface shape of an optical surface (lens surface or mirror surface), result on an optical element due to heat generation. Such characteristic errors can sometimes, like the aberrations of a wavefront, be described by means of Zernike polynomials or another ideally complete polynomial set describing the viewing optics. During operation of a projection exposure apparatus, temporal changes of thermally induced errors may also result, for example due to changes in the so-called illumination setting.

Beispielsweise kann ein optisches System je nach Anwendung einen mehr oder weniger stark störenden Astigmatismus aufweisen, eventuell mit zeitlich veränderlicher Symmetrieausrichtung. Mit Hilfe einer variablen ortsabhängig wirksamen optischen Kühlung kann diesen Störungen entgegengewirkt werden.For example, depending on the application, an optical system may have a more or less disturbing astigmatism, possibly with temporally variable symmetry alignment. With the help of a variable location-dependent effective optical cooling can be counteracted these disorders.

Es kann versucht werden, durch geeignete Steuerung der Winkelverteilung und/oder Intensitätsverteilung des von einem oder mehreren Lasern eingestrahlten Anregungslichtes eine räumlich variierende Leistung des Anregungslichtes einzukoppeln. Dies wird aber in der Regel relativ aufwendig sein und es können möglicherweise nicht alle nützlichen ortsabhängigen Kühlenergieverteilungen erzeugt werden. Anhand der nachfolgenden Figuren wird am Beispiel der Kompensation einer astigmatischen Deformation erläutert, wie eine kompensierende ortsabhängige Kühlung mit Hilfe inhomogen verteilter Dotieratome möglich ist.It can be attempted to couple a spatially varying power of the excitation light by suitable control of the angular distribution and / or intensity distribution of the excitation light irradiated by one or more lasers. However, this will usually be relatively expensive and it may not be possible to generate all the useful location-dependent cooling energy distributions. Based on the following figures, the example of the compensation of an astigmatic deformation explains how a compensating location-dependent cooling with the aid of inhomogeneously distributed doping atoms is possible.

3A zeigt hierzu in einer schematischen Seitenansicht einen als Konkavspiegel ausgelegten Vorderflächenspiegel 310. Das Substrat 312, dessen konkav gekrümmte Vorderfläche 314 in optischer Qualität präpariert und mit einer für EUV-Nutzlicht reflektierenden Beschichtung 316 belegt ist, hat eine der Vorderfläche gegenüberliegende Rückfläche 315 und eine zylindrische Seitenfläche bzw. Mantelfläche 318. Das Substrat kann das gleiche Basismaterial aufweisen wie das Spiegelsubstrat der Ausführungsform nach 2. Insoweit wird auf die dortige Beschreibung verwiesen. Es könnte sich auch um ein anderes für Infrarotlicht transparentes Material handeln, z. B. um eine Glaskeramik. Auch die optisch kühlbaren Materialien, die in der DE 10 2009 028 776.6 genannt sind, können verwendet werden. 3A shows this in a schematic side view designed as a concave mirror front surface mirror 310 , The substrate 312 , whose concave curved front surface 314 prepared in optical quality and with a reflective coating for EUV Nutzlicht 316 is occupied, has a front surface opposite the rear surface 315 and a cylindrical side surface 318 , The substrate may have the same base material as the mirror substrate according to the embodiment 2 , In that regard, reference is made to the description there. It could also be another transparent to infrared light material, for. B. a glass ceramic. Also the optically coolable materials used in the DE 10 2009 028 776.6 may be used.

Eine Besonderheit besteht darin, dass die im Basismaterial vorhandenen Dotieratome, die für die optische Kühlung genutzt werden, in zwei (bezogen auf die Elementachse 313) axial voneinander beabstandeten Volumenbereichen angeordnet sind. Ein erster flachzylindrischer Volumenbereich 320-1 liegt in einem relativ geringen Abstand zur beschichteten Vorderfläche 314. In dem ersten Volumenbereich sind in einer sehr dünnen, ebenen Schicht erste Dotieratome 325-1 räumlich inhomogen verteilt. Ein zweiter Volumenbereich 320-2 liegt mit etwas größerem Abstand zur Vorderfläche und auch mit Abstand zum ersten Volumenbereich 320-1 näher an der Rückfläche 315. Im zweiten Volumenbereich 320-2 sind zweite Dotieratome 325-2 in einer dünnen ebenen Schicht inhomogen verteilt. Im Beispielsfall sind die ersten Dotieratome 325-1 und die räumlich davon getrennt angeordneten zweiten Dotieratome 325-2 vom gleichen Typ, z. B. Ytterbium. Bei anderen Ausführungsbeispielen können in den unterschiedlichen Volumenbereichen Dotieratome unterschiedlichen Typs vorliegen.A special feature is that the doping atoms present in the base material, which are used for the optical cooling, in two (relative to the element axis 313 ) are arranged axially spaced-apart volume regions. A first flat cylindrical volume area 320-1 lies at a relatively small distance from the coated front surface 314 , In the first volume region, first doping atoms are in a very thin, planar layer 325-1 distributed spatially inhomogeneous. A second volume range 320-2 lies a little further away from the front surface and also at a distance from the first volume region 320-1 closer to the back surface 315 , In the second volume range 320-2 are second dopant atoms 325-2 inhomogeneously distributed in a thin, even layer. In the example, the first dopant atoms 325-1 and the spatially separated second doping atoms 325-2 of the same type, e.g. Ytterbium. In other embodiments, dopant atoms of different types may be present in the different volume regions.

Eine erste Vorrichtung 340-1 mit einer IR-Laserlichtquelle ist dafür vorgesehen, Anregungslicht in den ersten Volumenbereich 320-1 in Richtung senkrecht zur Seitenfläche einzustrahlen. Durch dieses Anregungslicht können nur die ersten Dotieratome 325-1, nicht aber die zweiten Dotieratome 325-2, angeregt werden. Eine zweite Vorrichtung 340-2, die vom Aufbau her mit der ersten Vorrichtung identisch sein kann, strahlt ihr Anregungslicht ausschließlich in den zweiten Volumenbereich 320-2 ein, um damit die zweiten Dotieratome 325-2, aber nicht erste Dotieratome 325-1 anzuregen. Durch diese Anordnung sind die ersten Dotieratome 335-1 unabhängig von den zweiten Dotieratomen 325-2 anregbar und damit für die optische Kühlung nutzbar.A first device 340-1 with an IR laser light source is provided, excitation light in the first volume range 320-1 to radiate in the direction perpendicular to the side surface. Only the first doping atoms can be excited by this excitation light 325-1 but not the second doping atoms 325-2 to be stimulated. A second device 340-2 , which may be identical in construction with the first device, emits its excitation light exclusively in the second volume range 320-2 to order the second doping atoms 325-2 but not first dopant atoms 325-1 to stimulate. By this arrangement, the first doping atoms 335-1 independent of the second dopant atoms 325-2 Excitable and thus usable for optical cooling.

Auch bei dieser Ausführungsform ist eine Verspiegelung 360 vorgesehen, die für die Wellenlänge des Anregungslichtes optimiert ist, um noch nicht absorbiertes Anregungslicht immer wieder in den anzuregenden Volumenbereich zurück zu reflektieren und auf diese Weise die Wahrscheinlichkeit für die Anregung einer kühleffektiven Anti-Stokes-Emission zu erhöhen. Die Verspiegelung ist hier jedoch nicht direkt auf die Seitenfläche (Mantelfläche) des Substrats aufgebracht, sondern hat einen radialen Abstand 365 dazu. Hierzu ist als Verspiegelung ein Ringspiegel vorgesehen, dessen Innenradius deutlich größer als der Außenradius des Substrats ist, so dass bei konzentrischer Anordnung von Substrat und Ringspiegel (3B) allseitig ein radialer Abstand 365 zwischen der reflektierenden Innenseite des Ringspiegels und der Seitenfläche des Substrats verbleibt. Der Ringspiegel hat zwei Eintrittsöffnungen 362, an denen der Strahl der Vorrichtung 340-1 bzw. 340-2 eingekoppelt werden kann.Also in this embodiment is a mirror coating 360 is provided, which is optimized for the wavelength of the excitation light, to reflect back not yet absorbed excitation light again in the volume region to be excited and in this way to increase the probability of exciting a cool-effective anti-Stokes emission. However, the reflective coating is not applied directly to the side surface (lateral surface) of the substrate, but has a radial distance 365 to. For this purpose, a ring mirror is provided as a reflective coating, whose inner radius is significantly larger than the outer radius of the substrate, so that in concentric arrangement of substrate and annular mirror ( 3B ) a radial distance on all sides 365 between the reflective inside of the annular mirror and the side surface of the substrate remains. The ring mirror has two inlet openings 362 at which the beam of the device 340-1 respectively. 340-2 can be coupled.

Für eine typische Anwendung eines EUV-Spiegels können beispielsweise folgende typischen Dimensionen gelten: Spiegeldurchmesser 20 cm; Mittenhöhe 5 cm; axialer Abstand der „Dotierebene” mit den ersten Dotieratome zur Reflexbeschichtung 5 mm; Abstand zwischen den Dotierebenen 5 mm. Der Begriff „Dotierebene” bezeichnet hierbei keine mathematischen Ebene, sondern einen schichtartigen ebenen Volumenteilbereich, der im Vergleich zu seiner lateralen Ausdehnung sehr flach ist. Die Dotierebenen können beispielsweise in vertikaler Richtung weniger als 1 mm dick sein, so dass Licht, welches in vertikaler Richtung ausgestrahlt wird, sie maximal zweimal durchläuft und so mit vernachlässigbarer Wahrscheinlichkeit absorbiert wird. Der Ringspiegel bzw. Spiegelring kann beispielsweise einen Abstand von 4 cm von der Seitenfläche des Substrats haben. Ein einziger Spiegelring kann beide Dotierbereiche abdecken. Es können jedoch auch zwei mit Abstand übereinander liegende Spiegelbänder vorgesehen sein, die beispielsweise jeweils 3 mm breit sein können. Zwar würde geometrisch optisch eine Breite in der Größenordnung von 1 mm genügen, aufgrund der Beugung ist aber eine größere Spiegelbreite vorteilhaft.For example, for a typical application of an EUV mirror, the following typical dimensions may apply: mirror diameter 20 cm; Center height 5 cm; axial distance of the "doping plane" with the first doping atoms to the reflective coating 5 mm; Distance between the doping planes 5 mm. The term "doping plane" does not refer to a mathematical plane, but to a layer-like, planar, voluminous part region which is very flat in comparison to its lateral extent. The doping planes may, for example, be less than 1 mm thick in the vertical direction, so that light emitted in the vertical direction passes through it a maximum of twice and is thus absorbed with negligible probability. The ring mirror or mirror ring may, for example, have a distance of 4 cm from the side surface of the substrate. A single mirror ring can cover both doping regions. However, it can also be provided with two spaced apart superimposed mirror bands, which may be, for example, each 3 mm wide. Although geometrically optically a width in the order of 1 mm would be sufficient, but due to the diffraction, a larger mirror width is advantageous.

Sowohl die ersten Dotieratome, als auch die zweiten Dotieratome sind in ihrem Volumenbereich bzw. ihrer Dotierebene nicht homogen, sondern inhomogen räumlich verteilt. Dabei unterscheidet sich die inhomogene erste Ortsverteilung der ersten Dotieratome 325-1 von der inhomogenen zweiten Ortsverteilung, mit der die zweiten Dotieratome 325-2 in zweitem Volumenbereich 320-2 untergebracht sind. Die inhomogenen örtlichen Verteilungen sind beispielhaft für die Korrektur einer astigmatischen Deformation mit einer zeitlich variablen Ausrichtung der Symmetrieachse des Astigmatismus ausgelegt. Zur Erläuterung zeigt 4A in der oberen Teilfigur schematisch die Ortsverteilung erster Dotieratome 325-1 im ersten Volumenbereich 320-1 und darunter schematisch die Konzentrationsprofile für die Dotieratome in der x-Richtung und der dazu senkrechten y-Richtung, die senkrecht zueinander und zur Symmetrieachse 313 des Spiegels verlaufen. Analog zeigt 4B in der oberen Teilfigur die schematische Ortsverteilung der zweiten Dotieratome 325-2 im zweiten Volumenbereich 320-2 und darunter die Konzentrationsprofile der zweiten Dotieratome in x- und y-Richtung.Both the first doping atoms and the second doping atoms are not homogeneous in their volume region or their doping plane, but are spatially distributed in an inhomogeneous manner. In this case, the inhomogeneous first spatial distribution of the first doping atoms differs 325-1 from the inhomogeneous second spatial distribution with which the second doping atoms 325-2 in second volume range 320-2 are housed. The inhomogeneous local distributions are designed by way of example for the correction of an astigmatic deformation with a time-variable alignment of the symmetry axis of the astigmatism. For explanation shows 4A schematically in the upper part of the figure, the spatial distribution of the first dopant atoms 325-1 in the first volume range 320-1 and below schematically the concentration profiles for the doping atoms in the x-direction and the y-direction perpendicular thereto, perpendicular to each other and to the axis of symmetry 313 of the mirror. Analog shows 4B in the upper part of the figure, the schematic spatial distribution of the second doping atoms 325-2 in the second volume range 320-2 and below that the concentration profiles of the second doping atoms in the x and y directions.

Die ersten Dotieratome 325-1 (siehe 4A) haben in der Mitte des Volumenbereiches im Bereich der Symmetrieachse 313 (x = 0, y = 0) eine mittlere Konzentration CM. Die Konzentration bzw. räumliche Dichte nimmt parallel zur x-Richtung zu beiden Rändern hin kontinuierlich ab bis auf einen Minimalwert, der bei 0% oder darüber liegen kann. In der dazu senkrechten y-Richtung nimmt die Konzentration der ersten Dotieratome von der Mitte in beide Richtungen zum Rand hin zu, so dass entlang der y-Richtung in den radial äußeren Bereichen die absolut größten Konzentrationen der ersten Dotieratome vorliegen. Der Maximalwert kann z. B. im Bereich mehrerer Prozent liegen, z. B. bei ca. 3%. In einer dreidimensionalen Darstellung würde die Konzentrationsverteilung als sattelförmige Fläche erscheinen.The first dopant atoms 325-1 (please refer 4A ) have in the middle of the volume range in the region of the axis of symmetry 313 (x = 0, y = 0) one mean concentration C M. The concentration or spatial density continuously decreases parallel to the x direction towards both edges, down to a minimum value which may be 0% or more. In the y-direction perpendicular thereto, the concentration of the first doping atoms increases from the center in both directions toward the edge, so that the absolutely largest concentrations of the first doping atoms are present along the y-direction in the radially outer regions. The maximum value can be z. B. in the range of several percent, z. B. at about 3%. In a three-dimensional representation, the concentration distribution would appear as a saddle-shaped surface.

Die zweiten Dotieratome 325-2 im zweiten Volumenbereich 320-2 (4B) sind im gleichen Raummuster relativ zueinander verteilt wie die ersten Dotieratome. Auch hier ergibt sich um die Mitte herum ein sattelförmiges astigmatisches räumliches Konzentrationsprofil. Die Verteilungen sind jedoch bezogen auf die Symmetrieachse um 90° gegeneinander verdreht orientiert. Daher ist es so, dass die zweiten Dotieratome ausgehend von einer mittleren Konzentration CM im Mittelbereich parallel zur x-Richtung nach radial außen immer dichter werden, so dass die Konzentration der Dotieratome nach radial außen ansteigt. Parallel zur y-Richtung ergibt sich dagegen ausgehend vom mittleren Wert CM zu beiden radialen Seiten hin ein kontinuierlicher Abfall der Konzentration.The second dopant atoms 325-2 in the second volume range 320-2 ( 4B ) are distributed in the same spatial pattern relative to each other as the first dopant atoms. Again, there is a saddle-shaped astigmatic spatial concentration profile around the center. However, the distributions are oriented 90 ° relative to each other with respect to the symmetry axis. It is therefore the case that the second doping atoms, starting from an average concentration C M in the middle region parallel to the x-direction, become increasingly denser radially outward, so that the concentration of the doping atoms increases radially outward. In contrast to the y-direction, on the other hand, starting from the mean value C M , there is a continuous decrease in the concentration towards both radial sides.

In beiden Volumenbereichen kann die ortsabhängige Verteilungsdichte bzw. Konzentration der Dotieratome (z. B. Ytterbiumionen) somit mit einer Funktion beschrieben werden, die innerhalb der jeweils mit Dotieratomen versehenen dünnen Schichten eine Winkelabhängigkeit (in Umfangsrichtung) und eine radiale Abhängigkeit aufweisen. Für die oberen ersten Dotieratome sei die Funktion durch A·r2cos(2θ) gegeben. Für die unteren zweiten Dotieratome durch A·r2sin (2θ). Hierbei stellt r den normierten Radius dar, A ist die maximale Dichte bei Radius 1 und θ ist der Winkel in Azimutalrichtung. Die erste und die zweite Ortsverteilung haben somit in Bezug auf die Symmetrieachse 313 eine 2-zählige Drehsymmetrie. Die erste und die zweite Ortsverteilung bzw. Konzentrationsverteilung von Dotieratome entsprechen dabei zwei linear unabhängigen astigmatischen Polynomen.In both volume regions, the location-dependent distribution density or concentration of the doping atoms (eg ytterbium ions) can thus be described by a function which has an angular dependence (in the circumferential direction) and a radial dependence within the thin layers each provided with doping atoms. For the upper first dopant atoms let the function be given by A · r 2 cos (2θ). For the lower second dopant atoms by A · r 2 sin (2θ). Here, r represents the normalized radius, A is the maximum density at radius 1 and θ is the angle in the azimuthal direction. The first and the second spatial distribution thus have with respect to the axis of symmetry 313 a 2-fold rotational symmetry. The first and the second spatial distribution or concentration distribution of doping atoms correspond to two linearly independent astigmatic polynomials.

Wird nun einer dieser Volumenbereiche weitgehend homogen mit Anregungslicht bestrahlt, so ergibt sich eine von der Ortsverteilung der Dotieratome abhängige räumlich inhomogene Kühlleistung, die als astigmatische Kühlverteilung bezeichnet werden kann. Bei homogener Beleuchtung der ersten Dotieratome 325-1 liegen die Bereiche maximaler Kühlleistung in der Nähe des äußeren Randes des dotierten Bereiches in y-Richtung. Eine mittlere Kühlleistung ergibt sich im Zentrum. In x-Richtung nimmt dagegen die Kühlleistung von der Mitte zu den beiden Rändern hin ab. Wird nur mit den ersten Dotieratomen gekühlt, würde sich dann die effektive Achse der Kühlgeometrie beispielsweise beim Winkel θ = 0°, d. h. entlang der y-Richtung ausbilden, wenn man als effektive Achse die Achse der stärkeren Kühlung bezeichnet.If now one of these volume regions is largely homogeneously irradiated with excitation light, the result is a spatially inhomogeneous cooling power which depends on the spatial distribution of the doping atoms and which can be referred to as astigmatic cooling distribution. With homogeneous illumination of the first doping atoms 325-1 The areas of maximum cooling power are in the vicinity of the outer edge of the doped region in the y direction. An average cooling capacity results in the center. In the x-direction, on the other hand, the cooling power decreases from the middle to the two edges. If cooling is effected only with the first doping atoms, the effective axis of the cooling geometry would then form, for example, at the angle θ = 0 °, ie along the y direction, if the axis of greater cooling is referred to as the effective axis.

Wird dagegen nur die untere, zweite Dotierebene bestrahlt, würde die Achse der Kühlgeometrie bei θ = 90° liegen. Durch Einstellung geeigneter Verhältnisse der Intensitäten des Anregungslichtes für die ersten und zweiten Dotieratome kann der effektive Kühlwinkel bzw. die Ausrichtung der Achse der Kühlgeometrie zwischen diesen Extremwerten stufenlos um die Symmetrieachse 313 gedreht werden. Werden beispielsweise beide Schichten von Dotieratomen mit gleicher Intensität homogen mit Anregungslicht beleuchtet, so stellt sich eine Ausrichtung der effektiven Achse der astigmatischen Kühlgeometrie bei θ = 45° ein.If, in contrast, only the lower, second doping plane is irradiated, the axis of the cooling geometry would be at θ = 90 °. By setting suitable ratios of the intensities of the excitation light for the first and second doping atoms, the effective cooling angle or the orientation of the axis of the cooling geometry between these extreme values can be steplessly about the symmetry axis 313 to be turned around. If, for example, both layers of doping atoms are uniformly illuminated with excitation light with the same intensity, an alignment of the effective axis of the astigmatic cooling geometry occurs at θ = 45 °.

Nach dem beispielhaft erläuterten Grundprinzip der Überlagerung der inhomogenen Kühlwirkung mehrerer Gruppen angeregter Dotieratome können auch andere charakteristische thermisch induzierte Deformationen korrigiert werden. Wenn sich beispielsweise durch die Bestrahlung mit Nutzlicht am optischen Element ein globaler Temperaturgradient ergibt, der quer über den ausgeleuchteten Bereich von einer zu anderen Seite der Elementachse verläuft, so können beispielsweise die erste Ortsverteilung und/oder die zweite Ortsverteilung in einer Richtung senkrecht zur Symmetrieachse einen Konzentrationsgradienten der Dotieratome aufweisen. Damit können charakteristische Deformationen vom Kipptyp (tilt) kompensiert werden. Entsprechend könnten auch andere einachsige Symmetriefehler korrigiert werden, beispielsweise komaartiger Fehler.According to the basic principle of the superposition of the inhomogeneous cooling effect of a plurality of groups of excited doping atoms, other characteristic thermally induced deformations can also be corrected. If, for example, the irradiation with useful light on the optical element yields a global temperature gradient that extends across the illuminated area from one side to the other of the element axis, the first spatial distribution and / or the second spatial distribution may, for example, be in a direction perpendicular to the axis of symmetry Have concentration gradient of the doping atoms. In this way, characteristic tilt-type deformations can be compensated. Correspondingly, other uniaxial symmetry errors could also be corrected, for example coma-type errors.

Im Folgenden werden einige, bei Ausführungsformen realisierte Maßnahmen erläutert, die dazu beitragen, die Effizienz der optischen Kühlung durch Steigerung der Fluoreszenzlichtauskopplung zu verbessern. Diese Maßnahmen können unabhängig von der Art des optisch kühlbaren Materials und/oder von der Verteilung von Dotieratomen innerhalb dieses Materials bei allen in dieser Anmeldung genannten optisch kühlbaren Materialien, aber auch bei anderen Materialien, z. B. den in der DE 10 2009 028 776.6 genannten Materialien genutzt werden.In the following, some measures implemented in embodiments will be explained, which help to improve the efficiency of the optical cooling by increasing the fluorescence light outcoupling. These measures can, regardless of the type of optically coolable material and / or the distribution of doping atoms within this material in all mentioned in this application optically coolable materials, but also in other materials, eg. B. in the DE 10 2009 028 776.6 used materials.

Eine wichtige Rolle beim optischen Kühlen spielt der Austritt des Fluoreszenzlichtes aus dem Festkörper. Das in das Substrat eingestrahlte Anregungslicht sollte idealer Weise zu 100% vom Substratmaterial absorbiert werden. Dazu ist bei den Ausführungsformen eine für das Anregungslicht wirksame Verspiegelung vorgesehen, die in Bezug auf das optisch kühlbare Material derart angeordnet ist, dass das Anregungslicht vor Austritt aus dem Substrat durch die Verspiegelung mindestens einmal in den Bereich des optisch kühlbaren Materials zurückreflektiert wird. Diese Mehrfachreflexion ist in 2B beispielhaft schematisch dargestellt. Das Fluoreszenzlicht soll das Substrat dagegen so schnell wie möglich, d. h. auf dem kürzest möglichen Weg, verlassen, damit die Wahrscheinlichkeit einer Reabsorption möglichst gering ist. Wie oben beschrieben, könnte eine Reabsorption nicht nur die Kühlung zum z. B. um einen Schwingungsquant reduzieren, sondern den Körper gegebenenfalls auch um ein Vielfaches davon erwärmen. Eine Reduktion der Reabsorptionswahrscheinlichkeit ist daher vorteilhaft.An important role in optical cooling is played by the exit of the fluorescent light from the solid. The excitation light radiated into the substrate should ideally be absorbed to 100% of the substrate material. For this purpose, an effective for the excitation light reflection is provided in the embodiments, with respect to the optically coolable material is arranged such that the excitation light is reflected back before exiting the substrate by the mirror coating at least once in the region of the optically coolable material. This multiple reflection is in 2 B illustrated schematically by way of example. The fluorescent light, on the other hand, should leave the substrate as quickly as possible, ie by the shortest possible route, so that the probability of reabsorption is as low as possible. As described above, reabsorption could not only be cooling for e.g. B. to reduce a Schwingungsquant, but possibly also heat the body by a multiple thereof. A reduction of the reabsorption probability is therefore advantageous.

Es wurde erkannt, dass die im Hinblick auf Steigerung der Absorptionsrate für das Anregungslicht vorteilhafte Verspiegelung im Hinblick auf die Reabsorptionswahrscheinlichkeit nachteilig sein kann. Da die Wellenlänge des Anregungslichts und des Fluoreszenzlichts einander sehr ähnlich sind, wirkt die Verspiegelung auch für das Fluoreszenzlicht reflektierend und kann den erwünschten Austritt des Fluoreszenzlichts blockieren.It has been recognized that the mirroring advantageous in terms of increasing the absorption rate for the excitation light may be disadvantageous in terms of the reabsorption probability. Since the wavelengths of the excitation light and the fluorescent light are very similar to each other, the reflective coating also has a reflective effect on the fluorescent light and can block the desired exit of the fluorescent light.

Eine erhebliche Verbesserung im Hinblick auf eine effizientere Fluoreszenzlichtauskopplung wird bei Ausführungsformen dadurch erreicht, dass zwischen dem optischen kühlbaren Material und der Verspiegelung ein von optisch kühlbarem Material freier Zwischenbereich bzw. ein Abstand liegt. Bei den Ausführungsformen besteht das optisch kühlbare Material aus dem für Anregungslicht transparenten Basismaterial, welches mit Seltenen Erden (SE) Atomen dotiert ist. Der genannte Zwischenbereich kann dann dadurch geschaffen werden, dass zwischen den einer Verspiegelungsfläche am nächsten liegenden Dotieratomen und der zugehörigen Verspiegelung ein geeigneter Mindestabstand ohne Dotieratome verbleibt.A significant improvement in terms of a more efficient extraction of fluorescent light is achieved in embodiments by the fact that between the optically coolable material and the mirroring is an intermediate region free of optically coolable material or a distance. In the embodiments, the optically coolable material is made of the excitation light transparent base material doped with rare earth (SE) atoms. The said intermediate region can then be created by leaving a suitable minimum distance without doping atoms between the doping atoms closest to a silvering surface and the associated silvering.

Wenn nämlich das Fluoreszenzlicht aus den im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Vorgängen der Anti-Stokes-Fluoreszenz stammt und das Licht von den Dotieratomen (Kühlzentren) in alle Raumrichtungen ausgestrahlt wird, dann wird Fluoreszenzlicht, welches von Dotieratomen stammt, die sich näher an der Verspiegelung befinden, mit geringerer Wahrscheinlichkeit auf einem direkten Weg das Material verlassen, als Fluoreszenzlicht, welches von einem Dotieratom stammt, das sich weiter entfernt von der Verspiegelung befindet.Namely, if the fluorescent light from the related 1 When the anti-Stokes fluorescence processes are described and the light is emitted from the doping atoms (cooling centers) in all spatial directions, then fluorescent light originating from doping atoms closer to the mirror will be less likely to directly strike the material leave, as fluorescent light, which comes from a doping atom, which is located farther away from the mirror coating.

Eine Verspiegelung habe beispielsweise eine ebene, eindimensional oder zweidimensional gekrümmte Reflexionsfläche, die in einer in der Fläche liegenden Richtung eine Minimalausdehnung habe. Beispielsweise kann die Reflexionsfläche die Form eines flachen Zylindermantels haben, dessen Höhe der Minimalausdehnung entspricht. Bei manchen Ausführungsformen ist der Mindestabstand der Dotieratome von der Verspiegelung mindestens so groß wie die Minimalausdehnung der Verspiegelung. Der Mindestabstand kann z. B. mindestens doppelt so groß oder mindestens dreimal so groß oder mindestens viermal so groß sein wie die Minimalausdehnung. Ein Maximalabstand sollte nicht überschritten werden, damit die gewünschte Rückreflexionswirkung für das Anregungslicht gewährleistet bleibt. Je größerer der Abstand bzw. je breiter der Zwischenbereich ist, desto kleiner wird der durch die Verspiegelung blockierte Raumwinkelbereich, in dem keine unmittelbare und endgültige Fluoreszenzlichtauskopplung stattfinden kann.For example, a reflective coating has a flat, one-dimensionally or two-dimensionally curved reflection surface which has a minimum extent in a direction lying in the surface. For example, the reflection surface may have the shape of a flat cylinder jacket whose height corresponds to the minimum extent. In some embodiments, the minimum distance of the doping atoms from the silver coating is at least as great as the minimum extent of the silver coating. The minimum distance can z. B. at least twice as large or at least three times as large or at least four times as large as the minimum extent. A maximum distance should not be exceeded so that the desired back reflection effect for the excitation light remains ensured. The larger the distance or the wider the intermediate area, the smaller the solid angle area blocked by the mirroring, in which no immediate and final fluorescence light decoupling can take place.

Anhand der 5 und 6 wird qualitativ erläutert, warum ein von Dotieratomen freier Zwischenbereich zwischen dem optisch kühlbaren Material und einer Verspiegelung im Hinblick auf eine effizientere Fluoreszenzlichtauskopplung günstig ist. 5 zeigt einen Ausschnitt aus einem radialen Randbereich eines Spiegels im Bereich einer Dotierschicht, deren zylindrische Seitenfläche 518 mit einer Verspiegelung 560 versehen ist. Die gekrümmte Vorderfläche 514 und die ebene Rückfläche 515 sind ebenfalls gezeigt. Zwei Dotieratome A, B befinden sich in einem dotierten Volumenbereich innerhalb des Substrats 512 in der Nähe der Verspiegelung 560. Von den angeregten Dotieratomen gehen in alle Richtungen Fluoreszenzlichtstrahlen ab, von denen einige ausgezeichnete Strahlen gezeigt sind. Der in Richtung der Seitenfläche 518 abgehende Strahl A1 kann das Spiegelsubstrat verlassen und trifft auf die Seitenfläche 518 in einem Winkel auf, der dem Grenzwinkel der Totalreflexion entspricht. Strahlen, die weiter in Richtung Vorderfläche 514 verlaufen treffen in flacherem Winkel auf die Seitenfläche und werden daher an der Seitenfläche totalreflektiert. Strahl A2 kann den Festkörper gerade noch verlassen, weil er am oberen Rand der Verspiegelung 560 vorbeiläuft. Strahl A3 verläuft Richtung Verspiegelung und wird dort reflektiert. Auch Strahl A4 wird an der Verspiegelung reflektiert.Based on 5 and 6 is qualitatively explained why a dopant-free intermediate region between the optically coolable material and a mirror coating in terms of a more efficient fluorescence light decoupling is favorable. 5 shows a section of a radial edge region of a mirror in the region of a doping layer, the cylindrical side surface 518 with a mirroring 560 is provided. The curved front surface 514 and the flat back surface 515 are also shown. Two dopant atoms A, B are in a doped volume region within the substrate 512 near the mirroring 560 , Of the excited doping atoms, fluorescent light rays emanate in all directions, of which some excellent rays are shown. The towards the side surface 518 outgoing beam A1 can leave the mirror substrate and strike the side surface 518 at an angle corresponding to the critical angle of total reflection. Rays that continue towards the front surface 514 run meet at a shallower angle on the side surface and are therefore totally reflected on the side surface. Beam A2 can just leave the solid because it is at the top of the mirroring 560 passes. Beam A3 runs in the direction of mirroring and is reflected there. Also beam A4 is reflected at the mirroring.

Für das untere Dotieratom B sind ebenfalls ausgezeichnete Strahlen B1 bis B4 gezeigt. Die Strahlen B1 und B2 treffen auf die Verspiegelung 560 und werden daher in das Substrat rückreflektiert. Strahl B3 verläuft am unteren Rand der Verspiegelung und kann das Substrat gerade verlassen. Strahl B4 trifft an der Rückfläche 515 unter dem Grenzwinkel für die Totalreflexion aus und kann das Substrat gerade noch verlassen. Strahlen, die mit flacherem Auftreffwinkel auftreffen, werden aufgrund Totalreflexion in das Substrat rückreflektiert. Es ist erkennbar, dass aufgrund der Nähe der Dotieratome zur Verspiegelung ein relativ großer Raumwinkelbereich für die unmittelbare Fluoreszenzphotonenemission blockiert ist.For the lower dopant B, excellent rays B1 to B4 are also shown. The rays B1 and B2 hit the mirroring 560 and are therefore reflected back into the substrate. Beam B3 runs at the bottom of the mirror coating and can just leave the substrate. Beam B4 hits the back surface 515 below the critical angle for total reflection and can just leave the substrate. Rays which strike with a flatter angle of incidence are reflected back into the substrate due to total reflection. It can be seen that due to the proximity of the doping atoms for mirroring, a relatively large solid angle range is blocked for the direct fluorescence photon emission.

6 zeigt die entsprechende Situation der beiden Dotieratome A und B, wobei hier jedoch die reflektierende Fläche der Verspiegelung einen Abstand 665 von der Seitenfläche 618 hat. Der Abstand ist mehrfach größer als die parallel zur Seitenfläche gemessene Höhe der Verspiegelung. Die Strahlen A1 bis A4 und B1 bis B4 entsprechen hinsichtlich ihrer Winkelorientierung denjenigen aus 5. Es ist unmittelbar erkennbar, dass aufgrund des größeren Abstandes zwischen den Dotieratomen und der Verspiegelung der Raumwinkelbereich, über den Fluoreszenzphotonen direkt endgültig entweichen können, wesentlich größer geworden ist bzw. der Raumwinkelbereich, der zu einer Rückreflexion in das Spiegelsubstrat führt, wesentlich geringer geworden ist. Beispielsweise kann Strahl A3, der im obigen Fall (5) noch auf die Verspiegelung trifft, das Substrat nun endgültig verlassen, weil er den unteren Rand der Verspiegelung 660 passieren kann. Auch Strahl A4 kann jetzt austreten. Strahlen, die in einem flacheren Winkel auf die Mantelfläche 618 treffen als Strahl A4, würden total reflektiert. Es ergibt sich somit für die vom Dotieratom A emittierten Strahlen ein gewonnener Raumwinkelbereich, der in der Darstellung mit α dargestellt ist. Für die vom Dotieratom B ausgehenden Fluoreszenzphotonen ergibt sich aufgrund der entsprechenden Überlegungen ein gewonnener Raumwinkelbereich, der mit β bezeichnet ist. Insgesamt können daher bei der Konfiguration von 6 mit vergrößertem Abstand zwischen Dotieratomen und Verspiegelung wesentlich mehr Fluoreszenzphotonen dem Substrat unmittelbar und endgültig entweichen, so dass die Extraktionseffizienz zunimmt. 6 shows the corresponding situation of the two doping atoms A and B, in which case, however, the reflective surface of the mirroring a distance 665 from the side surface 618 Has. The distance is several times greater than the measured parallel to the side surface height of the mirroring. The beams A1 to A4 and B1 to B4 correspond to those in terms of their angular orientation 5 , It can be seen immediately that due to the greater distance between the doping atoms and the mirroring, the solid angle range over which fluorescence photons can escape directly finally has become substantially larger, or the solid angle range which leads to a return reflection into the mirror substrate has become considerably smaller. For example, jet A3, which in the above case ( 5 ) still encounters the mirroring, finally leaving the substrate because it is the lower edge of the mirroring 660 can happen. Also beam A4 can now exit. Rays, at a shallower angle to the lateral surface 618 hit as beam A4, would be totally reflected. Thus, for the rays emitted by the doping atom A, a spatial solid angle range is obtained, which is represented by α in the illustration. For the fluorescence photons emanating from the doping atom B, a space angle range obtained, which is denoted by β, results on the basis of the corresponding considerations. Overall, therefore, in the configuration of 6 With increased distance between doping atoms and mirroring significantly more fluorescence photons the substrate immediately and finally escape, so that the extraction efficiency increases.

Bei den Ausführungsformen sind vor allem zwei Maßnahmen realisiert, die die Effizienz der Kühlung aufgrund der Fluoreszenzauskopplung im Vergleich zu Ausführungsformen erhöhen, bei denen die Dotieratome bis direkt zur Verspiegelung heranreichen.In the embodiments, in particular two measures are implemented, which increase the efficiency of the cooling due to the fluorescence decoupling in comparison to embodiments in which the doping atoms come close to directly to the mirroring.

Bei der Ausführungsform gemäß 3 ist, anders als bei der Ausführungsform gemäß 2, die Verspiegelung 360 nicht direkt auf die Seitenfläche des Substrats aufgebracht, sondern liegt in Form eines Spiegelrings bzw. Ringspiegels vor, dessen für Fluoreszenzlicht und Anregungslicht reflektierende Innenseite einen radialen Abstand 365 zur zylindrischen Seitenfläche des Substrats hat. Es ist also eine vom Material des Substrats beabstandete Verspiegelung für das Anregungslicht vorgesehen. Bei dieser Anordnung würde ein von optisch kühlbarem Material freier Zwischenbereich sogar dann vorliegen, wenn die Dotieratome in den Volumenbereichen 320-1 und 320-2 bis zu den radialen Seitenflächen, d. h. zur Mantelfläche des zylindrischen Substrats, reichen würden (vgl. auch Erläuterung zu 5 und 6).In the embodiment according to 3 is different from the embodiment according to 2 , the mirroring 360 is not applied directly to the side surface of the substrate, but is in the form of a mirror ring or ring mirror before, whose reflective surface for fluorescent light and excitation light inside a radial distance 365 to the cylindrical side surface of the substrate. It is therefore provided a spaced from the material of the substrate mirroring for the excitation light. In this arrangement, an intermediate region free of optically coolable material would be present even if the dopant atoms in the volume regions 320-1 and 320-2 to the radial side surfaces, ie to the lateral surface of the cylindrical substrate, would suffice (see also explanation to 5 and 6 ).

Bei der Ausführungsform von 2A ist eine andere Maßnahme realisiert, um einen von optisch kühlbarem Material freien Zwischenbereich zwischen diesem Material und der Verspiegelung zu schaffen. Bei dieser Ausführungsform wird die Verspiegelung 260 durch eine an die zylindrische Seitenfläche des Substrats aufgebrachte Spiegelbeschichtung gebildet. Die in dem flachzylindrischen Volumenbereich 220 verteilten Dotieratome 225 reichen jedoch in radialer Richtung nicht bis an die Verspiegelung heran, sondern es ist bei der Herstellung des Substrats bzw. bei der Einbringung der Dotieratome so vorgegangen worden, dass ein ringförmiger Außenbereich des Volumenbereiches 220 frei von Dotieratomen bleibt. In dem ringförmigen Zwischenbereich, dessen radiale Dicke dem Abstand 265 entspricht, besteht das Substrat nicht aus optisch kühlbarem Material, sondern aus dem undotierten Basismaterial des Substrats.In the embodiment of 2A Another measure is implemented to provide an optically coolable material free intermediate area between this material and the mirroring. In this embodiment, the mirror coating 260 formed by a mirror coating applied to the cylindrical side surface of the substrate. The in the flat-cylindrical volume range 220 distributed doping atoms 225 However, in the radial direction, they do not reach as far as the mirror coating, but in the production of the substrate or during the introduction of the doping atoms, the procedure has been such that an annular outer region of the volume region 220 remains free of doping atoms. In the annular intermediate region whose radial thickness is the distance 265 corresponds, the substrate is not made of optically coolable material, but from the undoped base material of the substrate.

Bei der Ausführungsform von 3A sind beide Maßnahmen kombiniert, da zwischen den radial am weitesten außen liegenden Dotieratonen und der zylindrischen Seitenfläche 318 ein erheblicher Abstand 365A liegt und außerdem die Verspiegelung 360 im Abstand 365 zur Seitenfläche liegt.In the embodiment of 3A Both measures are combined, as between the radially outermost dopant and the cylindrical side surface 318 a considerable distance 365A lies and also the mirroring 360 at a distance 365 lies to the side surface.

Um die Wirksamkeit dieser Maßnahmen qualitativ zu ermitteln, wurde mit einer Simulation des geometrisch optischen Strahlverlaufs ermittelt, nach welcher Weglänge lF im Substratmaterial ein Strahl des Fluoreszenzlichts, der in eine beliebigen Richtung von einem Dotieratom emittiert wurde, mit einer vorgebbaren Wahrscheinlichkeit, z. B. 95%, den Festkörper verlassen hat. Dabei wurde von einer isotropen Emission ausgegangen. Es wurden Simulationen für viele Dotieratome mit unterschiedlichen Positionen relativ zu den Außenflächen des Substrats (unter Beachtung von Totalreflexion) und relativ zu einer an einer Seitenfläche vorhandenen Verspiegelung durchgeführt, um quantitativ zu erfassen, um wie viel schlechter Dotieratome in der Nähe der Verspiegelung das Fluoreszenzlicht im Vergleich zu weiter entfernten Dotieratomen auskoppeln können. Unter Verwendung von Daten für Materialeigenschaften, wie dem Absorptionskoeffizienten für die Fluoreszenzwellenlänge, wurde jeweils ein Schwellwert für die Weglänge lF ermittelt, nach der beispielsweise 95% der Strahlung den Festkörper verlassen haben müssen, damit noch ein Kühleffekt vorliegt. Damit wurden dann diejenigen Positionen für Dotieratome berechnet, die diese Bedingung nicht erfüllen. An diesen Orten sollte der Festkörper dann dotierungsfrei bleiben.In order to qualitatively determine the effectiveness of these measures, it was determined by a simulation of the geometric optical beam path, according to which path length l F in the substrate material a beam of the fluorescence light emitted in any direction by a doping atom, with a predetermined probability, for. B. 95%, the solid has left. It was assumed that an isotropic emission. Simulations were performed on many dopant atoms with different positions relative to the outer surfaces of the substrate (considering total reflection) and relative to a mirror coating present on a side surface to quantify how much inferior dopant atoms near the mirror image the fluorescent light in the Can decouple compared to more distant Dotieratomen. Using data for material properties such as the absorption coefficient for the wavelength of fluorescence, a threshold for the path l F was determined in each case, according to the example, 95% of the radiation must have left the solids so that a cooling effect is still present. Thus, those positions were calculated for dopant atoms that do not fulfill this condition. At these locations, the solid should then remain free of doping.

Bei einer Beispielsimulation wurde als Festkörper (Substrat) ein flacher Zylinder mit Radius 10 cm und Dicke 3 cm angenommen, dessen zylindrische Seitenfläche (Mantelfläche) und eine Deckfläche verspiegelt sind. Positionen für Dotieratome befinden sich in einer dünnen ebenen Schicht in der Mitte der Zylinderhöhe. Für den Absorptionskoeffizient der Reabsorption des Fluoreszenzlichts wurde angenommen, dass dieser so klein ist, dass 100 interne Pfade oder 99 interne Spiegelungen (entsprechend einer Weglänge von ungefähr 7 m) toleriert werden können, so dass noch effektiv gekühlt werden kann. Die Simulation zeigte, dass der Zylinder nur bis zu einer Zylinderradius von ca. 6,5 cm dotiert werden sollte, um ungünstige hohe Reabsorptionsraten zu vermeiden. Die radiale Breite des von optisch kühlbarem Material freien Zwischenbereiches beträgt in diesem Beispielsfall somit 35% des Radius des Zylinders.In an example simulation, a flat cylinder with a radius of 10 cm and a thickness of 3 cm was assumed as the solid (substrate), whose cylindrical side surface (lateral surface) and a top surface are mirrored. Positions for dopant atoms are in a thin planar layer in the Middle of the cylinder height. The absorption coefficient of the reabsorption of the fluorescent light was assumed to be so small that 100 internal paths or 99 internal reflections (corresponding to a path length of about 7 m) can be tolerated, so that it is still possible to effectively cool. The simulation showed that the cylinder should only be doped up to a cylinder radius of approx. 6.5 cm to avoid unfavorable high reabsorption rates. The radial width of the intermediate region which is free of optically coolable material is thus 35% of the radius of the cylinder in this example case.

Die Abschätzung des Extraktionskoeffizienten μe wurde durch Simulationen unterstützt. Ausgegangen wurde von einem Konkavspiegel ähnlich 2A mit Dotieratomen in einer flachen ebenen Schicht mit Abstand von der mit Spiegelschicht versehenen Vorderfläche. Als Basismaterial des Substrats wurde das oben genannte, aus Titan-Silikatglas bestehende ultra-low-expansion Glas angenommen. Folgende Parameter wurden der Simulation zugrunde gelegt: Spiegeldurchmesser 20 cm; Spiegeldicke in der Mitte 5 cm; Krümmungsradius der konkaven Vorderfläche 100 cm; Dicke der Dotierschicht 2 mm; IR-Reflektivität der Vorderfläche 100%; IR-Absorption der Vorderfläche 0%; IR-Reflektivität der zylindrischen Seitenfläche (Mantelfläche) am Rande der Dotierschicht (entspricht Verspiegelung) 100%; IR-Absorption in anderen Bereichen der Mantelfläche 0%; Absorptionskoeffizient des Substratmaterials für Anregungslicht 0.0005/mm und Brechnungsindex des Substratmaterials für Anregungslicht 1.47.The estimation of the extraction coefficient μ e was supported by simulations. It was similar to a concave mirror 2A with dopant atoms in a flat planar layer spaced from the mirrored front surface. As the base material of the substrate, the above titanium-silicate glass ultra-low-expansion glass was adopted. The following parameters were used in the simulation: mirror diameter 20 cm; Mirror thickness in the middle 5 cm; Radius of curvature of the concave front surface 100 cm; Thickness of the doping layer 2 mm; IR reflectance of the front surface 100%; IR absorption of the front surface 0%; IR reflectivity of the cylindrical side surface (lateral surface) at the edge of the doping layer (corresponds to mirroring) 100%; IR absorption in other areas of the lateral surface 0%; Absorption coefficient of the substrate material for excitation light 0.0005 / mm and refractive index of the substrate material for excitation light 1.47.

Die Fluoreszenz der seltenen Erd-Dotieratome wurde ebenfalls simuliert. Wesentliche Ergebnisse können wie folgt zusammengefasst werden.The fluorescence of the rare earth dopant atoms was also simulated. Key results can be summarized as follows.

Für Dotieratome, die sich radial betrachtet im Zentrum der Dotierschicht befinden, zeigte sich qualitativ, dass der größte Teil der Strahlung (99.995%) nach spätestens 100 Reflexionen dem optischen Element entweichen kann. Für Dotieratome, die sich näher an der zylindrischen Seitenfläche befinden, fällt der Anteil der Fluroszenphotonen, der entweichen kann, zur Mantelfläche hin stark ab. Während noch 92,9% der Fluoreszenzstrahlung von Dotieratome, die sich 3 cm weit weg von der Mantelfläche befinden, nach spätestens 100 Reflexionen entweichen, sind es bei Dotieratomen, die sich nur 5 mm entfernt von der Mantelfläche befinden, nur noch 66.9% der Fluoreszenzphotonen.For doping atoms, which are located radially in the center of the doping layer, it was qualitatively shown that most of the radiation (99.995%) can escape the optical element after a maximum of 100 reflections. For dopant atoms, which are closer to the cylindrical side surface, the proportion of fluroszene photons, which can escape, falls sharply towards the lateral surface. While 92.9% of the fluorescence radiation of doping atoms located 3 cm away from the lateral surface escape after a maximum of 100 reflections, only 66.9% of the fluorescence photons are located at doping atoms which are only 5 mm away from the lateral surface ,

Diese simulierten Werte ergeben sich unter der Annahme verschwindender Absorption im Substratmaterial. Wird die Absorption im Substratmaterial mit berücksichtigt, ergeben sich leichte Veränderungen. Für einen Aborptionskoeffizienten von 0.005 cm–1 des Fluoreszenzlichts im Substratmaterial reduzieren sich die oben genannten Werte um den Faktor 0.995, für die Dotieratome aus dem Mittelbereich der Dotierschicht beispielsweise auf 99.49%.These simulated values are given assuming vanishing absorption in the substrate material. If the absorption in the substrate material is taken into account, slight changes occur. For an absorption coefficient of 0.005 cm -1 of the fluorescent light in the substrate material, the abovementioned values are reduced by the factor 0.995, for the doping atoms from the middle region of the doping layer, for example to 99.49%.

7 zeigt die wesentlichen optischen Komponenten einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage 700. Die Anlage umfasst ein Beleuchtungssystem 710 und ein Projektionsobjektiv 730 und wird mit der Strahlung einer Lichtquelle 714 betrieben. Die Lichtquelle 714 kann unter anderem eine Laser-Plasma-Quelle oder eine Entladungsquelle sein. Solche Lichtquellen erzeugen eine Strahlung 720 im EUV-Bereich, das heißt mit Wellenlängen zwischen 5 nm und 15 nm. In diesem Wellenlängenbereich hat ein Beleuchtungssystem und ein Projektionsobjektiv hauptsächlich reflektive Komponenten. 7 shows the essential optical components of a microlithography projection exposure apparatus 700 , The system includes a lighting system 710 and a projection lens 730 and becomes with the radiation of a light source 714 operated. The light source 714 may be, inter alia, a laser plasma source or a discharge source. Such light sources generate radiation 720 in the EUV range, that is to say with wavelengths between 5 nm and 15 nm. In this wavelength range, a lighting system and a projection objective have mainly reflective components.

Die von der Lichtquelle 714 ausgehende Strahlung 720 wird mittels eines Kollektors 715 gesammelt und in das Beleuchtungssystem 710 geleitet. Das Beleuchtungssystem umfasst hier eine Mischeinheit 712 bestehend aus zwei facettierten Spiegeln 713 und 714, eine Teleskopoptik 716 und einen feldformenden Spiegel 718. Das Projektionsobjektiv 730 dient dazu, ein Objektfeld 752 in der Objektebene 750 auf ein Bildfeld 762 in der Bildebene 760 abzubilden und weist hier 6 Spiegel M1, M2, M3, M4, M5 und M6 auf.The of the light source 714 outgoing radiation 720 is done by means of a collector 715 collected and into the lighting system 710 directed. The lighting system here comprises a mixing unit 712 consisting of two faceted mirrors 713 and 714 , a telescope optics 716 and a field-forming mirror 718 , The projection lens 730 serves to create an object field 752 in the object plane 750 on a picture frame 762 in the picture plane 760 Here, it has 6 mirrors M1, M2, M3, M4, M5 and M6.

Einzelne Spiegel der Mikrolithograpie-Projektionsbelichtungsanlage, insbesondere mindestens ein Spiegel des Beleuchtungssystems 710 und/oder mindestens ein Spiegel des Projektionsobjektivs 730, sind als optisch gekühlte optische Elemente gemäß Ausführungsformen dieser Offenbarung ausgeführt.Individual mirrors of the microlithography projection exposure apparatus, in particular at least one mirror of the illumination system 710 and / or at least one mirror of the projection lens 730 , are embodied as optically cooled optical elements according to embodiments of this disclosure.

Kritische Komponenten sind insbesondere die Spiegel der Projektionsobjektiv 730, welche aufgrund der Erwärmung durch das EUV-Nutzlicht ihre Form zwar nur in geringem Ausmaß verändern, wodurch jedoch die Abbildung des Objektes in die Bildebene 760 empfindlich gestört wird. Um wärmeinduzierte Deformationen der Spiegel zu minimieren, haben alle Spiegel M1 bis M6 ein Spiegelsubstrat aus einem Titan-Silikatglas mit einem thermische Ausdehnungskoeffizienten von wenigen 10–9K–1 (d. h. wenigen parts per billion pro Kelvin). Insbesondere kann ein Material verwendet werden, für das für den Temperaturbereich zwischen 5°C und 35°C ein mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient von 0 ± 30 10–9K–1 angegeben wird.Critical components are in particular the mirrors of the projection objective 730 which, due to the heating by the EUV useful light, change their shape only to a small extent, whereby, however, the image of the object in the image plane 760 is disturbed sensitively. In order to minimize heat-induced deformations of the mirrors, all mirrors M1 to M6 have a mirror substrate made of a titanium silicate glass with a thermal expansion coefficient of a few 10 -9 K -1 (ie few parts per billion per Kelvin). In particular, a material can be used for which a mean thermal expansion coefficient of 0 ± 30 10 -9 K -1 is given for the temperature range between 5 ° C and 35 ° C.

Die Erwärmung der Spiegel des Projektionsobjektives 730 hängt zum einen von ihrer Reihenfolge im Strahlengang ab. So nimmt die integrale Leistung des Nutzlichtes von Spiegel zu Spiegel aufgrund der Absorption in den Viellagen-Beschichtungen ab. Zum anderen hängt die Erwärmung aber auch vom Durchmesser des Spiegels ab. Handelt es sich um einen kleinen Spiegel, so trifft die integrale Lichtleistung auf eine kleinere Fläche wie bei einem großen Spiegel, so dass kleinere Spiegel stärker erwärmt werden. Dies ist insbesondere beim in Lichtrichtung dritten Spiegel M3 und fünften Spiegel M5 der Fall. Hier kann eine relativ starke großflächige effektive Kühlung entgegenwirken.The heating of the mirror of the projection lens 730 depends on the one hand on their order in the beam path. Thus, the integral power of the useful light decreases from mirror to mirror due to absorption in the multi-layer coatings. On the other hand, the heating also depends on the diameter of the mirror. If it is a small mirror, then the integral light output hits a smaller area like a large one Mirror, so that smaller mirrors are heated more. This is the case in particular in the case of the third mirror M3 in the light direction and the fifth mirror M5. Here can counteract a relatively strong large-scale effective cooling.

Des Weiteren erfolgt die Erwärmung der Spiegel nicht immer homogen über die Spiegelfläche. So wird insbesondere der in Lichtrichtung zweite Spiegel M2 des Projektionsobjektives 730, der in der Pupillenebene angeordnet ist, je nach sogenanntem Beleuchtungs-Setting in der Regel eine inhomogene Ausleuchtung aufweisen. Das Beleuchtungs-Setting legt das Winkelspektrum fest, mit dem ein abzubildendes Objekt innerhalb des Objektfeldes 752 vom Beleuchtungssystem 710 beleuchtet wird. Anders ausgedrückt: das Beleuchtungs-Setting beschreibt die örtliche Intensitätsverteilung der Ausleuchtung der Eintrittspupille des Projektionsobjektivs. Es kann sich dabei beispielsweise um ein konventionelles Beleuchtungs-Setting (entsprechend einem achszentrierten kreisrunden Beleuchtungsbereich in der Eintrittspupille), ein annulares, ein Dipol- ein Quadrupol- oder ein anderes Multipol-Beleuchtungssetting handeln.Furthermore, the heating of the mirrors does not always take place homogeneously over the mirror surface. Thus, in particular, the second mirror M2 of the projection objective in the light direction becomes 730 , which is arranged in the pupil plane, depending on the so-called lighting setting usually have a non-homogeneous illumination. The lighting setting defines the angle spectrum with which an object to be imaged within the object field 752 from the lighting system 710 is illuminated. In other words, the illumination setting describes the local intensity distribution of the illumination of the entrance pupil of the projection objective. This can be, for example, a conventional illumination setting (corresponding to an axis-centered circular illumination area in the entrance pupil), an annular, a dipole, a quadrupole or another multipole illumination setting.

Bei einem Dipol-Beleuchtungs-Setting ist die Ausleuchtung einer Pupillenebene durch zwei diametral gegenüberliegende, außerhalb der Referenzachse des optischen Systems liegende Intensitätsmaxima charakterisiert. Damit wird der in der Pupillenebene angeordnete Spiegel M2 durch Absorption in der Viellagen-Beschichtung hauptsächlich in zwei diametral gegenüberliegenden Bereichen erwärmt. Hierdurch kann sich eine astigmatische Deformation der Spiegeloberfläche ergeben, bei der die Orientierung der Verbindungslinie der besonders warmen Zonen von der Orientierung des Dipols abhängt. Die Wärmeverteilung kann daher im Wesentlichen eine 2-zählige Drehsymmetrie aufweisen.In a dipole illumination setting, the illumination of a pupil plane is characterized by two diametrically opposed intensity maxima lying outside the reference axis of the optical system. Thus, the mirror M2 arranged in the pupil plane is heated by absorption in the multilayer coating mainly in two diametrically opposite regions. This can result in an astigmatic deformation of the mirror surface, in which the orientation of the connecting line of the particularly warm zones depends on the orientation of the dipole. The heat distribution can therefore essentially have a 2-fold rotational symmetry.

Der Spiegel M2 kann prinzipiell ähnlich wie in 3 gezeigt aufgebaut sein und ähnlich wie im Zusammenhang mit 3 und 4 beschrieben betrieben werden. Die Dotieratome sind jeweils inhomogen in zwei schematisch gezeigten, voneinander getrennten, axial hintereinander liegenden Volumenbereichen 702-1 und 702-2 verteilt. Zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Laserquellen arbeiten in den Vorrichtungen zur Abgabe von Anregungslicht. Eine Steuereinrichtung 745 ist hierzu so konfiguriert, dass die erste Vorrichtung 740-1 zum Einleiten von Anregungslicht in den ersten Volumenbereich 702-1 unabhängig von der zweiten Vorrichtung 740-2 zum Einleiten von Anregungslicht in den zweiten Volumenbereich 702-2 gesteuert werden kann. Durch Einstellung eines geeigneten Verhältnisses der in die Volumenbereiche eingestrahlten Leistung des Anregungslichts wird die Orientierung der stärker gekühlten Zonen so eingestellt, dass in den Bereichen der Beleuchtungspole stärker als in anderen Bereichen gekühlt wird. Dadurch werden durch Temperaturgradienten im Bereich der Spiegeloberfläche abgebaut bzw. verringert, so dass die inhomogene Kühlung zu einer Reduzierung von thermisch bedingten Aberrationen führt.The mirror M2 can in principle be similar to 3 be shown constructed and similar as related to 3 and 4 be operated described. The doping atoms are inhomogeneous in each case in two schematically shown, mutually separated, axially successive volume areas 702-1 and 702-2 distributed. Two independently controllable laser sources operate in the devices for emitting excitation light. A control device 745 This is configured to be the first device 740-1 for introducing excitation light into the first volume region 702-1 independent of the second device 740-2 for introducing excitation light into the second volume region 702-2 can be controlled. By setting an appropriate ratio of the power of the excitation light radiated into the volume areas, the orientation of the more cooled zones is adjusted so that it is more strongly cooled in the areas of the illumination poles than in other areas. As a result, temperature gradients in the region of the mirror surface degrade or reduce, so that the inhomogeneous cooling leads to a reduction of thermally induced aberrations.

Stellt sich nach einem Wechsel des Beleuchtungs-Settings eine andere oder anders orientierte inhomogene Wärmebelastung der Spiegeloberfläche ein, so kann durch Änderung der Verhältnisse der Leistungen des Anregungslichts in den Volumenbereichen die Achse maximaler Kühlung im Substrat gedreht und der neuen Ausrichtung angepasst werden.If a different or differently oriented inhomogeneous heat load on the mirror surface occurs after a change in the illumination setting, the axis of maximum cooling in the substrate can be rotated in the substrate by changing the ratios of the powers of the excitation light in the volume regions and adapted to the new alignment.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (10)

Optisches Element eines Objektivs oder eines anderen Strahlführungssystems einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mit einem Substrat (212, 312), an dem mindestens eine optische Fläche (214, 314) ausgebildet ist, wobei das Substrat mindestens in einem Teil des Substratvolumens aus einem optisch kühlbaren Material besteht, welches für Anregungslicht transparent und durch Bestrahlung mit dem Anregungslicht abkühlbar ist, und einer für das Anregungslicht wirksamen Verspiegelung (260, 360), die in Bezug auf das optisch kühlbare Material derart angeordnet ist, dass Anregungslicht durch die Verspiegelung mindestens einmal in den Bereich des optisch kühlbaren Materials zurückreflektiert wird, wobei zwischen dem optisch kühlbaren Material und der Verspiegelung ein von optisch kühlbarem Material freier Zwischenbereich (265, 365, 365A) liegtOptical element of a lens or other beam guidance system of a microlithography projection exposure apparatus with a substrate ( 212 . 312 ), on which at least one optical surface ( 214 . 314 ), wherein the substrate consists of an optically coolable material at least in a part of the substrate volume, which is transparent to excitation light and can be cooled by irradiation with the excitation light, and a mirror coating () which acts on the excitation light ( 260 . 360 ), which is arranged in relation to the optically coolable material in such a way that excitation light is reflected back by the mirroring at least once in the region of the optically coolable material, wherein between the optically coolable material and the mirroring an intermediate area of optically coolable material ( 265 . 365 . 365A ) lies Optisches Element nach Anspruch 1, worin das optisch kühlbare Material ein für das Anregungslicht transparentes Basismaterial aufweist, in welchem Dotieratome aus der Klasse der Seltenen Erden verteilt sind, wobei der Zwischenbereich dadurch gebildet ist, dass zwischen den der Verspiegelung am nächsten liegenden Dotieratomen und der zugehörigen Verspiegelung ein Mindestabstand ohne Dotieratome verbleibt.An optical element according to claim 1, wherein the optically coolable material comprises a base material transparent to the excitation light, in which dopant atoms are distributed from the rare earth class, the intermediate region being formed by interposing between the dopant atoms nearest the mirror and the associated dopant Mirroring a minimum distance without Dotieratome remains. Optisches Element nach Anspruch 2, worin die Verspiegelung eine ausgedehnte Reflexionsfläche hat, die in einer in der Reflexionsfläche liegenden Richtung eine Minimalausdehnung hat, wobei der Mindestabstand der Dotieratome von der Verspiegelung mindestens so groß wie die Minimalausdehnung ist.An optical element according to claim 2, wherein the reflective coating has an extended reflection surface which has a minimum extension in a direction lying in the reflection surface, wherein the minimum distance of the doping atoms from the reflection is at least as large as the minimum extension. Optisches Element nach Anspruch 2 oder 3, worin ein Abstand der Dotieratome zur nächstliegenden Verspiegelung, gemessen senkrecht zur Reflexionsfläche der Verspiegelung, mindestens 1 mm beträgt.An optical element according to claim 2 or 3, wherein a distance of the doping atoms to the nearest reflective coating, measured perpendicular to the reflection surface of the mirror coating, is at least 1 mm. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Substrat (312) eine der Verspiegelung (360) zugewandte Substratgrenzfläche (318) aufweist und zwischen der Substratgrenzfläche und der Verspiegelung ein von Substratmaterial freier Zwischenbereich (365) liegt.An optical element according to any one of the preceding claims, wherein the substrate ( 312 ) one of the mirroring ( 360 ) facing substrate interface ( 318 ) and between the substrate interface and the mirroring an intermediate region ( 365 ) lies. Optisches Element nach Anspruch 5, worin die Verspiegelung (360) an der Innenseite eines das Substrat (312) umgebenden Spiegelrings angeordnet ist, der einen Innendurchmesser hat, der größer als ein Außendurchmesser des Substrats ist.An optical element according to claim 5, wherein the mirror coating ( 360 ) on the inside of a substrate ( 312 ) is disposed surrounding the mirror ring having an inner diameter which is larger than an outer diameter of the substrate. Optisches Element nach Anspruch 5 oder 6, worin der von Substratmaterial freie Zwischenbereich (365) eine Breite von mindestens 1 mm hat.An optical element according to claim 5 or 6, wherein the intermediate region ( 365 ) has a width of at least 1 mm. Optisches Element nach einem der Ansprüche 2 bis 7, worin die Dotieratome bis an die der Verspiegelung zugewandte Substratgrenzfläche des Substrats heranreichen.An optical element according to any one of claims 2 to 7, wherein the doping atoms extend as far as the substrate interface of the substrate facing the mirror coating. Optisches Element nach einem der Ansprüche 2 oder 3, worin die Verspiegelung (260) direkt auf die der Verspiegelung zugewandte Substratgrenzfläche (218) aufgebracht ist und die in einem Volumenbereich des Substrats verteilten Dotieratome (225) in radialer Richtung nicht bis an die Verspiegelung heranreichen, so dass ein an die Verspiegelung grenzender Außenbereich des Basismaterials frei von Dotieratomen ist.Optical element according to one of claims 2 or 3, wherein the mirror coating ( 260 ) directly on the mirror surface facing the substrate interface ( 218 ) is applied and distributed in a volume region of the substrate doping atoms ( 225 ) in the radial direction do not reach as close as possible to the silvering, so that an outer region of the base material adjacent to the silvering is free of doping atoms. Optisches System einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage mit mindestens einem optischen Element nach einem der Ansprüche 1 bis 9, und mit mindestens einer Vorrichtung (240, 340-1, 340-2) zum Einleiten von Anregungslicht in einen aus einem optisch kühlbaren Material bestehenden Teil des Substratvolumens.Optical system of a microlithography projection exposure apparatus with at least one optical element according to one of claims 1 to 9, and with at least one device ( 240 . 340-1 . 340-2 ) for introducing excitation light into a part of the substrate volume consisting of an optically coolable material.
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