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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zum Kühlen einer plasmabasierten Strahlungsquelle mit einem zu kühlenden umlaufenden Element, das an der Plasmaerzeugung beteiligt ist, und einem primären Kühlkreislauf mit einem Gefäß, das ein metallisches Kühlmittel enthält, in welches das umlaufende Element zumindest teilweise eingetaucht ist, einem Mittel zum Umwälzen des metallischen Kühlmittels in dem Gefäß und einer Heizung zum Temperieren des metallischen Kühlmittels auf eine Betriebstemperatur oberhalb seines Schmelzpunktes, insbesondere zur Anwendung in EUV-Strahlungsquellen für die Halbleiterlithographie.
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Mit plasmabasierten Strahlungsquellen kann extreme ultraviolette (EUV-)Strahlung mit Wellenlängen λ < 50 nm erzeugt werden, die insbesondere mit Wellenlängen λ ≤ 13,5 nm für die photolithographische Herstellung von integrierten Schaltungen der nächsten Generation benötigt wird. Die EUV-Strahlung kann durch Anregung eines geeigneten Quellenmaterials erzeugt werden, dessen Plasma Emissionslinien im EUV-Spektrum aufweist. Zur Plasmaerzeugung muss das Quellenmaterial innerhalb einer Strahlungsquelle angeregt werden, aus der die erzeugte EUV-Strahlung dann ausgekoppelt wird. Für die Plasmaerzeugung im Wellenlängenbereich um 13,5 nm haben sich zwei Methoden vornehmlich durchgesetzt, die Anregung mittels energiereicher Strahlung, z. B. mittels eines Laserstrahls (Laser-Produced Plasma – LPP), oder mittels einer Gasentladung (Discharge-Produced Plasma – DPP) sowie Mischformen davon, bei denen die laserunterstützte Gasentladung (Laser-Assisted Discharge Plasma – LDP) die größte Verbreitung gefunden hat. Die Plasmaerzeugung ist ein energieintensiver Prozess, bei dem ein Wirkungsgrad von etwa 0,1% erreicht wird. Der größte Teil der eingesetzten Energie fällt als Verlustleistung in Form von Abwärme an. Um die sehr große Menge an Abwärme abzuführen, benötigt eine solche Strahlungsquelle ein effektives Kühlsystem. Eine hohe Kühleffektivität kann durch die Verwendung eines metallischen Kühlmittels erreicht werden. Dieses weist eine hohe Wärmekapazität bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit auf, sodass große Wärmemengen schnell abgeführt werden können.
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Bei Strahlungsquellen, in denen die Plasmabildung mittels der Gasentladung erfolgt, stehen sich zwei Elektroden gegenüber, zwischen denen lokal ein starkes elektrisches Feld erzeugt wird. In das elektrische Feld wird das Quellenmaterial in einer Form eingebracht, die zur Gasentladung führt.
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Eine solche Strahlungsquelle ist in der
EP 1 804 556 A2 offenbart. Die beiden Elektroden sind dort als kreisrunde Scheibenelektroden um deren orthogonale Drehachsen rotierbar in einer Ebene angeordnet, sodass sie an einer Stelle ihres äußeren Umfangs einen Elektrodenspalt mit geringstem Abstand zueinander aufweisen. In diesem Elektrodenspalt findet die Gasentladung statt.
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Das Quellenmaterial liegt – für jede Scheibenelektrode getrennt – in Form eines Schmelzbades mit geeignetem Metall vor, in das die Scheibenelektrode mit einem Teil ihres Umfangs eingetaucht ist. Um das Metall flüssig zu halten, wird es in der Strahlungsquelle mindestens bis oberhalb seines Schmelzpunktes aufgeheizt. Bei der Rotation der Scheibenelektrode durch das Schmelzbad bildet sich am Umfang eine dünne Schicht des Metalls, die von der rotierenden Scheibenelektrode in den Elektrodenspalt befördert wird.
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Im Elektrodenspalt ist ein Laserstrahl auf eine der Scheibenelektroden gerichtet, mit dem das Quellenmaterial zunächst verdampft wird. Dadurch liegt im Elektrodenspalt verdampftes, teilweise ionisiertes Quellenmaterial vor, das durch eine darauf folgende Gasentladung in vollständig ionisiertes, heißes Plasma konvertiert wird (LDP). Das sich dabei ausbildende Plasma emittiert die gewünschte EUV-Strahlung.
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Bei kontinuierlichem Betrieb der Strahlungsquelle heizen sich die Scheibenelektroden sehr stark auf. Zur Abkühlung der Scheibenelektroden ist in der
EP 1 804 556 A2 offenbart, das Quellenmaterial auch als metallisches Kühlmittel zu verwenden. Dabei wird die Abwärme an das mit der rotierenden Scheibenelektrode in Kontakt kommende Schmelzbad abgegeben und durch die Rotation der Scheibenelektrode wird das metallische Kühlmittel zusätzlich in Bewegung versetzt, sodass im gesamten Volumen des Schmelzbades ein ständiger Austausch des unmittelbar mit den Scheibenelektroden in Kontakt stehenden flüssigen Metalls stattfindet. Es werden Maßnahmen dazu beschrieben, wie die Umwälzung des flüssigen Metalls durch Anbringung von radialen Rippen oder Löchern an den Scheibenelektroden verstärkt werden kann. Es sind jedoch keine Ausführungen darüber zu entnehmen, wie das Schmelzbad des flüssigen Metalls geeignet zu temperieren ist, um eine störungsfreie Arbeitsweise sowohl im Dauerbetrieb als auch bei prozessbedingten Strahlungspausen zu gewährleisten.
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Aus dem Stand der Technik der EUV-Quellen, die ein gasentladungsbasiertes Plasma (DPP) ausnutzen, sind weitere Lösungen mit rotierenden Scheibenelektroden bekannt. So offenbart die
DE 103 42 239 A1 eine Gasentladungsquelle mit zueinander geneigten Scheibenelektroden, die im schmalsten Abstandsbereich den Entladungsspalt aufweisen, wobei zur Wärmeableitung von den Elektroden das flüssige Metall in den beiden Tauchbädern genutzt wird. Zur Kühlung des flüssigen Metalls wird angegeben, entweder die Metallschmelze durch einen externen Wärmetauscher zu leiten oder konventionelle Kühlschlangen durch die Metallschmelze oder die Gefäßwände zu führen.
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In der
DE 10 2007 060 807 B4 wird eine DPP-Quelle beschrieben, die lediglich mit einer vertikal angeordneten Scheibenelektrode arbeitet, die als Kathodenrad in einem Kathodenkörper rotiert, wobei der Anodenkörper den Kathodenkörper mit einem gleichmäßigen Zwischenraum lateral umschließt und im Entladungsbereich einen Schlitz für das Kathodenrad aufweist. Auf den überstehenden Teil des Kathodenrades trifft der Verdampfungslaser, um Emittermaterial zur Bildung eines Entladungskanals zu verdampfen. Für die elektrische Kontaktierung des Elektrodenrades taucht dieses in ein Reservoir ein, das mit einer Kühlvorrichtung versehen ist, um das Elektrodenrad auf einer gewünschten Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur zu halten. Über die Art der Temperierung des Tauchbades ist nichts offenbart.
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Eine weitere Gasentladungsquelle für EUV-Strahlung ist in der
DE 10 2005 023 060 A1 offenbart, wobei gegenläufig rotierende Scheibenelektroden eine Raumposition geringsten Abstandes zur Zündung der Gasentladung aufweisen. Die Elektroden tauchen jeweils über einen Teilabschnitt ihres Umfangs in ein Verbindungselement ein, das mit einem Reservoir über einen Zulaufkanal in Kontakt steht, in den bei Elektrodenrotation das flüssige Metall aus dem Reservoir eindringt und von dem es anschließend über einen Rücklaufkanal in das Reservoir zurückgefördert wird. Das Temperierungssystem für das flüssige Metall wird durch einen die Elektroden, das Verbindungselement und das Reservoir einhausenden metallischen Block gebildet, der mit Heiz- und Kühlkanälen durchzogen ist. Weitere Einzelheiten der Kühlung sind nicht offenbart.
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Eine Möglichkeit zur Abkühlung des gleichzeitig als Quellenmaterial und Kühlmittel verwendeten flüssigen Metalls ist in der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2013 103 668 A1 offenbart, in der zusätzlich zu dem Schmelzbad für die Scheibenelektrode eine Handhabungseinrichtung für das flüssige Metall zur Herstellung eines Kühlkreislaufs beschrieben ist. Ein kompakt ausgebildetes Quellenmodul mit Scheibenelektrode und Schmelzbad ist über Zuführungs- und Rückführungsrohre mit der Handhabungseinrichtung in einem Kreislauf verbunden und sorgt für eine pumpengestützte Umwälzung. Wegen der kompakten Bauweise des Quellenmoduls weist die Handhabungseinrichtung ein Reservoir auf, in dem sich der größte Anteil des im Kreislauf vorhandenen flüssigen Metalls befindet. In der Handhabungseinrichtung kann das flüssige Metall auf eine optimale Temperatur knapp oberhalb ihres Schmelzpunkts temperiert werden. Dazu ist auch eine zusätzliche Kühleinrichtung an der Handhabungseinrichtung angeschlossen, um das im Kreislauf vom Reservoir zum Quellenmodul zurückgepumpte flüssige Metall durch aktive Kühlung eines Rückführungsrohres auf einem geeigneten Temperaturniveau zu halten. Beispielhaft ist eine Sprühkühlung (Spray Cooling) angegeben.
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Zur Anwendung von Sprühkühlungen wurde bereits eine Vielzahl wissenschaftlicher Artikel veröffentlicht. Einen Überblick gibt der Artikel von Jungho Kim: „Spray cooling heat transfer: The state of the art” (in: International Journal of Heat and Fluid Flow 28/2007). Der Artikel beschreibt Mechanismen und Einflussfaktoren der Sprühkühlung am Beispiel von Anwendungen in der Hochleistungselektronik, die zur flächigen Kühlung kleiner Oberflächen im Bereich weniger Quadratzentimeter untersucht wurden. Ferner ist ein weiterer Überblicksartikel bekannt, in dem unter anderem die Kühlleistung von Düsenarrays untersucht wurde (Yan, Z. B. et al.: „Large area spray cooling by inclined nozzles for electronic board”; 12th Electronics Packaging Technology Conference 2010).
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Allen Veröffentlichungen ist gemeinsam, dass außer einer grundsätzlichen Kühlung der Metallschmelze allenfalls eine Maximierung der Kühlleistung betrieben wird, ohne dass Maßnahmen für ein lastabhängiges Betreiben der Kühlung bei stark wechselndem Wärmeeintrag beschrieben sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Möglichkeit zum Kühlen einer plasmabasierten Strahlungsquelle unter Verwendung eines metallischen Kühlmittels zu finden, bei der die Temperatur des metallischen Kühlmittels für einen vom Standby-Betrieb bis zum Dauerbetrieb der Strahlungsquelle reichenden, stark variierenden Wärmeeintrag nahezu konstant gehalten werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zum Kühlen einer plasmabasierten Strahlungsquelle mit einem zu kühlenden umlaufenden Element, das an einer Plasmaerzeugung beteiligt ist, und einem primären Kühlkreislauf mit einem ersten Gefäß, das ein metallisches Kühlmittel enthält, in welches das umlaufende Element zumindest teilweise eingetaucht ist, einem Mittel zum Umwälzen des metallischen Kühlmittels in dem ersten Gefäß und Mitteln zum Temperieren des metallischen Kühlmittels auf eine gewünschte Betriebstemperatur oberhalb des Schmelzpunktes des metallischen Kühlmittels, dadurch gelöst, dass ein sekundärer Kühlkreislauf eine Kühlflüssigkeit, die eine bei der Betriebstemperatur des metallischen Kühlmittels verdampfende Flüssigkeit ist, mindestens ein zweites Gefäß, das wenigstens einen Kühlabschnitt des ersten Gefäßes umschließt, mindestens eine Zerstäubungseinrichtung für die Kühlflüssigkeit aufweist, die so angeordnet ist, dass ein definierter Wandbereich des wenigstens einen Kühlabschnitts des ersten Gefäßes in Abhängigkeit von einer für das metallische Kühlmittel ermittelten Temperatur mit der Kühlflüssigkeit besprühbar ist, eine Kühleinheit für die Kühlflüssigkeit aufweist, die zum Absaugen verdampfter Kühlflüssigkeit aus dem mindestens einen zweiten Gefäß, zum Kondensieren und zur druckbeaufschlagten Rückführung der Kühlflüssigkeit zu der mindestens einen Zerstäubungseinrichtung vorgesehen ist, und eine Steuereinheit zum Steuern der Mittel zum Temperieren des metallischen Kühlmittels aufweist, die zum differenzierten Kühlen durch Ansteuern der mindestens einen Zerstäubungseinrichtung in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur des metallischen Kühlmittels und zum selektiven Heizen durch Ansteuern einer Heizung, falls die ermittelte Temperatur unter eine minimale Betriebstemperatur des metallischen Kühlmittels fällt, ausgebildet ist.
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Vorteilhaft weist die Zerstäubungseinrichtung mehrere Kühldüsen auf, die jeweils auf einen definierten Wandbereich des umschlossenen Kühlabschnitts des ersten Gefäßes gerichtet sind und in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur des metallischen Kühlmittels einzeln ein- und ausschaltbar sind, und die Steuereinheit ist zum einzelnen Ansteuern der Kühldüsen in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur des metallischen Kühlmittels ausgebildet.
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Zweckmäßig ist mindestens ein Temperatursensor an einer Gefäßwand des ersten Gefäßes vorhanden ist, an der ein Wärmeeintrag vom umlaufenden Element über das metallische Kühlmittel zuerst zu verzeichnen ist.
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Bevorzugt sind ein erster Temperatursensor nach und ein zweiter Temperatursensor vor einem Bereich des ersten Gefäßes angeordnet, in dem das umlaufende Element eingetaucht ist, sodass eine Temperaturdifferenz für einen vom umlaufenden Element bewirkten Wärmeeintrag messbar ist.
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In einer anderen Variante sind vorteilhaft ein erster Temperatursensor vor und ein zweiter Temperatursensor nach dem wenigstens einen von der mindestens einen Zerstäubungseinrichtung besprühten Kühlabschnitt des ersten Gefäßes angeordnet, sodass eine Temperaturdifferenz für eine über den wenigstens einen Kühlabschnitt erfolgte Wärmeabfuhr messbar ist.
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Es erweist sich als zweckmäßig, dass der wenigstens eine Wandbereich des mindestens einen Kühlabschnitts in dem vom metallischen Kühlmittel durchflossenen primären Kühlkreislauf vor einer Zuleitung des metallischen Kühlmittels zum umlaufenden Element angeordnet ist.
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Vorzugsweise sind die Wandbereiche der mindestens zwei separierten Kühlabschnitte des ersten Gefäßes entweder von dem zweiten Gefäß oder einem dritten Gefäß umschlossen und jeder dieser mindestens zwei Kühlabschnitte weist jeweils eine Zerstäubungseinrichtung für die Kühlflüssigkeit auf, wobei einer der Kühlabschnitte in dem vom metallischen Kühlmittel durchflossenen primären Kühlkreislauf vor einer Zuleitung des metallischen Kühlmittels zum umlaufenden Element und ein weiterer der Kühlabschnitte in dem primären Kühlkreislauf nach einer Ableitung des metallischen Kühlmittels vom umlaufenden Element angeordnet ist.
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Vorzugsweise sind jedem Kühlabschnitt am primären Kühlkreislauf jeweils ein Temperatursensor zur Ermittlung der Temperatur vor und ein Temperatursensor nach dem jeweiligen Kühlabschnitt zugeordnet.
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In einer anderen Ausführung sind der eine Kühlabschnitt am primären Kühlkreislauf in dem einen Wandbereich des ersten Gefäßes vor der Zuleitung des metallischen Kühlmittels zum umlaufenden Element und ein weiterer Kühlabschnitt am primären Kühlkreislauf in einem weiteren Wandbereich des ersten Gefäßes nach einer Ableitung des metallischen Kühlmittels vom umlaufenden Element angeordnet.
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Zweckmäßig sind dabei der eine Kühlabschnitt an dem einen Wandbereich des ersten Gefäßes im Bereich eines Reservoirs des metallischen Kühlmittels und der weitere Kühlabschnitt an einem weiteren Wandbereich des ersten Gefäßes im Bereich des eingetauchten umlaufenden Elements angeordnet.
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Alternativ sind der eine Kühlabschnitt an dem einen Wandbereich des ersten Gefäßes an dem Zuführungskanal zu einem Bereich, in dem das umlaufende Element in das metallische Kühlmittel eingetaucht ist, und der weitere Kühlabschnitt an einem weiteren Wandbereich des ersten Gefäßes an einem Reservoir des metallischen Kühlmittels nach einem Rückführungskanal von dem Bereich des eingetauchten umlaufenden Elements angeordnet sind.
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Des Weiteren wird die Aufgabe bei einem Verfahren zum Kühlen einer plasmabasierten Strahlungsquelle, bei der ein zu kühlendes umlaufendes Element, das an einer Plasmaerzeugung beteiligt ist, in einem in einem ersten Gefäß aufgenommenen metallischen Kühlmittel eingetaucht ist, durch die folgenden Schritte gelöst:
- – Heizen des metallischen Kühlmittels auf eine Betriebstemperatur oberhalb seines Schmelzpunktes,
- – Umwälzen des metallischen Kühlmittels und Ausbilden eines primären Kühlkreislaufs, um dem zu kühlenden umlaufenden Element ständig abgekühltes und frisches metallisches Kühlmittel zuzuführen und
- – Kühlen des primären Kühlkreislaufs mit einer Kühlflüssigkeit in einem sekundären Kühlkreislauf mittels einer Sprühkühlung, bei der eine Kühlleistung abhängig von der ermittelten Temperatur des metallischen Kühlmittels gesteuert wird.
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Eine andere Ausführung des Verfahrens kann folgende vorteilhafte Schritte aufweisen:
- – Ermitteln der Temperatur des metallischen Kühlmittels vor und nach dem umlaufenden Element und Berechnen einer Temperaturdifferenz für einen vom umlaufenden Element verursachten Wärmeeintrag,
- – Steuern der Kühlleistung der Sprühkühlung in Abhängigkeit von der berechneten Temperaturdifferenz für den Wärmeeintrag und
- – angepasstes Kühlen des metallischen Kühlmittels durch selektives Ein- und Ausschalten mehrerer Kühldüsen, die jeweils die Kühlflüssigkeit auf unterschiedliche Wandbereiche eines Kühlabschnitts eines das metallische Kühlmittel enthaltenden ersten Gefäßes sprühen.
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Ferner weist eine modifiziertes Verfahren zweckmäßig die folgenden Schritte auf:
- – Ermitteln der Temperatur des metallischen Kühlmittels jeweils vor und nach einem Kühlabschnitt eines ersten Gefäßes des primären Kühlkreislaufs und Berechnen einer Temperaturdifferenz für eine über den Kühlabschnitt erzielte Wärmeabfuhr,
- – Steuern der Kühlleistung der Sprühkühlung in Abhängigkeit von der berechneten Temperaturdifferenz für die erzielte Wärmeabfuhr und
- – angepasstes Kühlen des metallischen Kühlmittels durch selektives Ein- und Ausschalten mehrerer Kühldüsen, die jeweils die Kühlflüssigkeit auf unterschiedliche Wandbereiche eines Kühlabschnitts eines das metallische Kühlmittel enthaltenden ersten Gefäßes sprühen.
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Schließlich kann das Verfahren alternativ auch mit nachfolgenden Schritten spezifiziert werden:
- – angepasstes Kühlen des metallischen Kühlmittels durch selektives Ein- und Ausschalten der mehreren Kühldüsen in mindestens zwei unterschiedlichen Kühlabschnitten, die in Bereichen mit unterschiedlichen Temperaturschwankungen des metallischen Kühlmittels betrieben werden,
- – Ermitteln der jeweiligen Temperaturdifferenz für die erzielte Wärmeabfuhr über den jeweiligen Kühlabschnitt des ersten Gefäßes und
- – Steuern der angepassten Kühlung in den jeweiligen Kühlabschnitten in Abhängigkeit von der jeweils berechneten Temperaturdifferenz für die erzielte Wärmeabfuhr.
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Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass für die effektive Kühlung eines an der Plasmaerzeugung direkt beteiligten Elements einer plasmabasierten Strahlungsquelle insbesondere in Betriebsphasen, die von mehreren oder längeren Impulspausen durchsetzt sind, ein anderes Kühlregime erforderlich ist als in quasi-kontinuierlichen Betriebsphasen, in denen lange Impulssequenzen (Bursts) höchste Wärmeeintrage verursachen. Die Lösung der Erfindung geht davon aus, dass ein so stark variierender Wärmeeintrag in das umlaufende Element nicht mit nur einem (wenn auch metallischen) ersten Kühlkreislauf kompensiert werden kann. Deshalb wird erfindungsgemäß ein zweiter Kühlkreislauf mit einer besonders hohen Kühleffizienz (Sprühkühlung) gewählt, der jedoch – wegen der Gefahr des Erstarrens des metallischen Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf – steuerbar sein muss. Die Steuerbarkeit wird dabei durch selektives Besprühen von unterschiedlichen Wandbereichen des Gefäßes, in dem sich das metallische Kühlmittel befindet, erreicht. Die bevorzugte Ausführung wird dabei durch den Einsatz von einzeln zu- und abschaltbaren Düsen erreicht, wodurch sowohl die versprühte Menge der Kühlflüssigkeit als auch die besprühte Fläche des Kühlabschnitts des das metallische Kühlmittel beinhaltenden Gefäßes steuerbar ist. Für längere Betriebspausen ist – zur Verhinderung des Erstarrens des metallischen Kühlmittels – zusätzlich eine Heizung vorgesehen, die das metallische Kühlmittel stets auf einer minimalen Betriebstemperatur hält, die moderat über der Schmelztemperatur des Kühlmittels (z. B. 10 bis 50 K über dem Schmelzpunkt) liegt
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Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Kühlung einer plasmabasierten Strahlungsquelle unter Verwendung eines metallischen Kühlmittels zu realisieren, bei der die Temperatur des metallischen Kühlmittels für einen vom Standby-Betrieb bis zum Dauerbetrieb der Strahlungsquelle reichenden, stark variierenden Wärmeeintrag nahezu konstant gehalten werden kann.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1: einen prinzipiellen Aufbau einer Anordnung zum Kühlen einer plasmabasierten Strahlungsquelle, bei der ein zu kühlendes umlaufendes Element partiell in eine metallische Schmelze eingetaucht ist und die metallische Schmelze in einem ersten Gefäß mit mindestens einem Kühlabschnitt für eine Sprühkühlung umgewälzt wird,
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2: eine gegenüber 1 modifizierte Ausführung der Anordnung mit einem ersten Gefäß und zwei gleichartigen Kühlabschnitten der Sprühkühlung, die in jeweils einem zweiten und einem dritten Gefäß untergebracht und in einen Kühlkreislauf eingebunden sind,
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3: eine weitere Ausführung der Erfindung mit einem ersten Gefäß, das in das Schmelzbad und eine Handhabungseinheit mit der Sprühkühlung unterteilt und als gepumpter Kühlkreislauf ausgebildet ist, wobei die Handhabungseinheit ein Reservoir und einen kanalförmigen Kühlabschnitt aufweist und
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4: eine gegenüber 3 modifizierte Ausführung der Erfindung mit zwei unterschiedlichen Kühlabschnitten der Sprühkühlung.
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Die Erfindung enthält in einer Grundvariante, wie sie in 1 schematisch dargestellt ist, ein zu kühlendes umlaufendes Element 1, das an einer Plasmaerzeugung in einer plasmabasierten Strahlungsquelle (nicht dargestellt) beteiligt ist und ein erstes Gefäß 2 mit einem metallischen Kühlmittel 3, in das das umlaufende Element 1 teilweise eingetaucht ist. Infolge der Umlaufbewegung des umlaufenden Elements 1 wird dieses einerseits mit dem metallischen Kühlmittel 3 beschichtet und gleichzeitig eine bei der Plasmaerzeugung aufgenommene Abwärme in das metallische Kühlmittel 3 übertragen sowie andererseits eine Umwälzbewegung innerhalb des ersten Gefäßes 2 erzeugt. Um die Temperatur des metallischen Kühlmittels 3 während der an dem umlaufenden Element 1 stattfindenden Plasmaerzeugung weitgehend konstant zu halten und eine ausreichende Kühlung des umlaufenden Elements 1 zu sichern, ist außen an dem ersten Gefäß 2 mindestens ein Kühlabschnitt 21 vorgesehen, der an einer langen Gefäßwand 23, an der das metallische Kühlmittel 3 durch dessen Umwälzung innen vorbeiströmt, derart eingerichtet ist, dass in einem sekundären Kühlkreislauf eine Zerstäubungseinrichtung 41 mit mehreren Kühldüsen N1, N2, ... jeweils einen Wandbereich 231, 232, ... mit einer Kühlflüssigkeit 4 besprühen. Die Kühlflüssigkeit 4 ist so ausgewählt, dass sie bei erhöhter Temperatur des metallischen Kühlmittels 3 verdampft und damit eine besonders effektive Kühlung erzielt wird.
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Um eine Kühlleistung in dem mindestens einen Kühlabschnitt 21 anpassen zu können, ist eine Steuereinheit 9 zum Ansteuern des sekundären Kühlkreislaufs vorgesehen, die auf Basis von mindestens einer Temperaturmessung die Anzahl der für die angepasste Kühlleistung erforderlichen Kühldüsen N1, N2, ... steuert.
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Für die Kühlflüssigkeit 4 ist ein zweites Gefäß 5 so angeordnet, dass dieses den Kühlabschnitt 21 am ersten Gefäß 2 einhaust und die Zerstäubungseinrichtung 41 mit auf die Gefäßwand 23 ausgerichteten Kühldüsen N1, N2, ... gehaltert ist. Das zweite Gefäß 5 steht unter Atmosphärendruck, weshalb es einen Luftzugang 53 nach außen aufweist. Das zweite Gefäß 5 wird mittels einer Kühleinheit 7 abgesaugt, um die mit den Kühldüsen N1, N2, ... zerstäubte und an der Gefäßwand 23 verdampfte Kühlflüssigkeit 4 einer Kühlung durch Kondensation zuzuführen. Die Kühleinheit 7 führt sowohl die Kondensationsfunktion als auch eine Pumpenfunktion zum Druckaufbau für die Kühldüsen N1, N2, ... aus, um den sekundären Kühlkreislauf für die Kühlflüssigkeit 4 bedarfsgerecht steuern zu können.
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Wie in 1 dargestellt, ist das umlaufende Element 1 um eine Drehachse 12 rotierend gelagert. Das umlaufende Element 1 ist an der Plasmaerzeugung in der plasmabasierten Strahlungsquelle (nicht genauer dargestellt) direkt beteiligt, wobei an seiner Oberfläche ein strahlungsemittierendes Plasma 16 generiert wird. Dabei wird häufig – aber ohne Beschränkung der Allgemeinheit – auf der Oberfläche des umlaufenden Elements 1 auch das Emittermaterial 14 (nur in 2 bezeichnet) für die EUV-Strahlungsemission bereitgestellt, sodass die Emission (Strahlung und Teilchen) aus dem Plasma 16 sowie die Energie zur Anregung des Plasmas 16 zu einem erheblichen Energieeintrag in das umlaufende Element 1 führen.
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Zur Plasmaerzeugung wird ein geeignetes Material verwendet, das ein Plasma 16 (nur in 2 gezeigt) in einem gewünschten Wellenlängenbereich emittiert (Emittermaterial 14). Das kann beispielsweise Zinn sein, dessen Plasma 16 Wellenlängen im extrem ultravioletten (EUV-)Spektralbereich um 13,5 nm emittiert. Durch einen hohen Energieeintrag wird das Emittermaterial 14 in das strahlungsemittierende Plasma 16 konvertiert. Dazu wird das Emittermaterial 14 als eine metallische Schmelze bereitgestellt und auf das umlaufende Element 1 aufgetragen. Diese Schmelze ist zugleich als das metallische Kühlmittel 3 verwendbar.
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Bei plasmabasierten Strahlungsquellen wird zur Erzeugung der hohen Energie ein Laserstrahl (LPP – Laser-Produced Plasma) oder der Laserstrahl in Verbindung mit einer anschließenden elektrischen Entladung (LDP – Laser-Assisted Discharge Plasma) verwendet.
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Bei der Erzeugung des LPP ist das umlaufende Element 1 ein Transportmittel für das in das Plasma 16 zu konvertierende Material, wobei durch Eintauchen in die metallische Schmelze das umlaufende Element 1 beschichtet und an einer anderen Stelle mit einem fokussierten Laserstrahl verdampft und in das die Strahlung emittierende Plasma 16 konvertiert wird.
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Bei der Erzeugung des LDP wird das umlaufende Element 1 als eine Elektrode verwendet, die einer zweiten Elektrode (nicht dargestellt), getrennt durch einen Elektrodenspalt, gegenüberstehend angeordnet ist. Im Elektrodenspalt wird impulsartig ein starkes elektrisches Feld für die elektrische Entladung aufgebaut. Zur Vorbereitung der elektrischen Entladung wird das Emittermaterial mittels des Lasers 15 verdampft.
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Aufgrund eines geringen Wirkungsgrades einer LDP-Strahlungsquelle (derzeit nur etwa 0,1% bezogen auf das gewünschte Spektralband) ist ein sehr hoher Energieeintrag erforderlich, um das Plasma 16 zu erzeugen. Dadurch fällt der größte Anteil des Energieeintrags in Form der Abwärme an, die hauptsächlich von den an der Plasmaerzeugung beteiligten Komponenten der LDP-Strahlungsquelle aufgenommen wird. Zum Abführen der Abwärme ist eine sehr effizient arbeitende Kühlung erforderlich. Dazu wird das metallische Kühlmittel 3 verwendet, das einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Außer der Plasmaerzeugung läuft auch der primäre Kühlkreislauf unter Vakuumbedingungen, um Veränderungen des metallischen Kühlmittels, z. B. durch Oxidation, möglichst gering zu halten.
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Zum Kühlen des umlaufenden Elements 1 ist dieses teilweise in das metallische Kühlmittel 3 eingetaucht. Das metallische Kühlmittel 3 wird dazu in dem nach oben hin offenen ersten Gefäß 2 aufgenommen. Das erste Gefäß 2 weist eine quaderförmige Form mit einer rechteckigen Grundfläche und zwei kurze und zwei lange Gefäßwände 23 auf. Zum Eintauchen ist das umlaufende Element 1 mit der im Wesentlichen horizontal orientierten Drehachse 12 aufrecht stehend in die Öffnung des ersten Gefäßes 2 eingebracht. Die Höhe des ersten Gefäßes 2 bzw. der Füllstand des metallischen Kühlmittels 3 im ersten Gefäß 2 ist so groß, dass der Umfang des umlaufenden Elements 1 so weit in das metallische Kühlmittel 3 eingetaucht ist, dass die vom umlaufenden Element 1 aufgenommene Abwärme optimal abgeführt werden kann.
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Bei einer LDP-Strahlungsquelle wird das umlaufende Element 1 beim Eintauchen in das metallische Kühlmittel 3 gleichzeitig für die Plasmaerzeugung beschichtet, indem als metallisches Kühlmittel 3 ein EUV-Emittermaterial 14 (z. B. Zinn, Lithium, Gadolinium, oder Terbium) verwendet wird. Aufgrund der Rotation des umlaufenden Elements 1 (d. h. Bewegung des Randbereichs durch das metallische Kühlmittel 3 hindurch) steht am Umfang des umlaufenden Elements 1 für jeden Laserstrahlimpuls frisch beschichtetes Emittermaterial 14 zur Plasmaerzeugung zur Verfügung. Dazu ist die Geschwindigkeit der Rotation an die gewünschte Impulsfrequenz des Laserstrahls angepasst. Nach der lokal stattfindenden Plasmaerzeugung rotiert das erhitzte Segment weiter, taucht in das metallische Kühlmittel 3 ein und wird von diesem gekühlt und wieder neu beschichtet. Dabei gibt das erhitzte Segment die aufgenommene Abwärme an das metallische Kühlmittel 3 ab, sodass es beim Auftauchen wieder abgekühlt ist.
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Um das in einer außer Betrieb gesetzten Strahlungsquelle erstarrte metallische Kühlmittel 3 in den flüssigen Zustand zu überführen, ist an der rechteckigen Grundfläche des ersten Gefäßes 2 eine Heizung 27 angebracht. Mit der Heizung 27 wird das metallische Kühlmittel 3 mindestens auf eine minimale Betriebstemperatur knapp oberhalb eines Schmelzpunktes des metallischen Kühlmittels 3 geheizt. Diese minimale Betriebstemperatur wird von der Heizung 27 auch dann gehalten, wenn sich die Strahlungsquelle bereits in Betrieb befindet, aber keine Plasmaerzeugung stattfindet, durch die das metallische Kühlmittel 3 geheizt wird. Dadurch wird gewährleistet, dass das metallische Kühlmittel 3 in Entladungspausen während des Betriebs der Strahlungsquelle nicht erstarren kann.
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Das umlaufende Element 1 ist in der Ausführung gemäß 1 weiterhin so angeordnet, dass es parallel zu einer der langen Gefäßwände 23 in das metallische Kühlmittel 3 eingetaucht ist und der langen Gefäßwand 23 bezüglich des umlaufenden Elements 1 gegenüberliegend eine Zwischenwand 24 im ersten Gefäß 2 angeordnet ist. Die Zwischenwand 24 ist am Boden des ersten Gefäßes 2 befestigt und lässt in Längsrichtung gegenüber den kurzen Gefäßwänden 23 jeweils einen Spalt, wodurch für das umlaufende Element 1 in einem Teil des ersten Gefäßes 2 ein Tauchbad 25 entsteht. Mit den Spalten an den Enden der Zwischenwand 24 ist ein Zufluss 251 und ein Abfluss 252 gebildet. Durch den Zufluss 251 und den Abfluss 252 wird bei der Rotation des umlaufenden Elements 1 ein Kreislauf des metallischen Kühlmittels 3 zwischen dem Tauchbad 25 und einem restlichen Teil des ersten Gefäßes 2 erzeugt. Beim Eintauchen in das Tauchbad 25 reißt das umlaufende Element 1 durch seine Rotation das metallische Kühlmittel 3 mit, sodass das mit dem umlaufenden Element 1 in Kontakt kommende metallische Kühlmittel 3 in Bewegung gesetzt wird. Dadurch bildet sich eine Strömung aus, sodass mit der Umwälzung ein primärer Kühlkreislauf innerhalb des ersten Gefäßes 2 entsteht. Das durch das umlaufende Element 1 im Tauchbad 25 lokal erwärmte und durch den Abfluss 252 austretende metallische Kühlmittel 3 kann sich mit dem im restlichen Teil des ersten Gefäßes 2 befindlichen kühleren metallischen Kühlmittel 3 vermischen bzw. die Abwärme abgeben. Danach wird es infolge der Rotation des umlaufenden Elements 1 wieder durch den Zufluss 251 in das Tauchbad 25 hinter die Zwischenwand 24 gesaugt und somit erneut der Kühlung des umlaufenden Elements 1 bzw. einer erneuten Erwärmung zugeführt.
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Bei einer kontinuierlichen Fortsetzung der Plasmaerzeugung, insbesondere bei einer hohen Leistungsabgabe der Strahlungsquelle, käme es durch einen anhaltenden Wärmeeintrag des umlaufenden Elements 1 zu einer zunehmenden Aufheizung des metallischen Kühlmittels 3. Dadurch würde sich die Kühlung des umlaufenden Elements 1 stetig verschlechtern. Im Dauerbetrieb der Strahlungsquelle ist es deshalb erforderlich, das metallische Kühlmittel 3 aktiv zu kühlen.
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Zur Kühlung des metallischen Kühlmittels 3 wird die Kühlflüssigkeit 4 verwendet. Die Kühlflüssigkeit 4 weist einen auf das metallische Kühlmittel 3 abgestimmten Siedepunkt auf, sodass sie ab Erreichen der minimalen Betriebstemperatur (vorzugsweise ca. 20 bis 30 Kelvin oberhalb des Schmelzpunktes) des metallischen Kühlmittels 3 verdampft. Wird als metallisches Kühlmittel 3 Zinn mit einem Schmelzpunkt von 232°C verwendet, liegt die minimale Betriebstemperatur vorzugsweise bei etwa 260°C. Sie kann aber auch einen Siedepunkt unterhalb des Schmelzpunktes des metallischen Kühlmittels 3 aufweisen, da das Kühlen mit der Zerstäubungseinrichtung 41, falls durch das umlaufende Element 1 keine Wärme eingetragen wird, einfach ausgeschaltet werden kann, wodurch eine Unterschreitung des Schmelzpunktes des metallischen Kühlmittels 3 verhindert wird.
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Für den Kühlabschnitt 21, in dem die Kühlung mit der Zerstäubungseinrichtung 41 und der Kühlflüssigkeit 4 stattfindet, ist die lange Gefäßwand 23 gewählt, die dem restlichen Teil des ersten Gefäßes 2 gegenüberliegt und an der der Wärmeaustausch zwischen metallischem Kühlmittel 3 und Kühlflüssigkeit 4 erfolgt.
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Zum Auftragen der Kühlflüssigkeit 4 ist die Zerstäubungseinrichtung 41 mit ihren Kühldüsen N1, N2, N3, ... auf diese Gefäßwand 23 gerichtet. Um einen effektiven Wärmeaustausch zwischen metallischem Kühlmittel 3 und Kühlflüssigkeit 4 zu erreichen, erfolgt das Auftragen der Kühlflüssigkeit 4 durch Versprühen bzw. Zerstäuben. Dazu weist die Zerstäubungseinrichtung 41 in diesem Beispiel drei Kühldüsen N1, N2, N3 auf. Die Kühldüsen N1, N2, N3 sind Einstoffdüsen, mit denen die Kühlflüssigkeit 4 ohne Zuhilfenahme weiterer Stoffe, wie beispielsweise Luft, zerstäubt wird. Die Kühldüsen N1, N2, N3 sind mittels der Steuereinheit 9 jeweils einzeln an- und ausschaltbar. Die von jeder der drei Kühldüsen N1, N2, N3 versprühte Kühlflüssigkeit 4 ist im Kühlabschnitt 21 jeweils auf einen eigenen der definierten Wandbereiche 231, 232 bzw. 233 der Gefäßwand 23 gerichtet, die sich auch überlappen können. Beim Auftragen der Kühlflüssigkeit 4 verdampft ein Großteil und ein weiterer Teil tropft von der Gefäßwand 23 ab. Zum Auffangen der verdampften, der abtropfenden und der als ungenutzter Sprühnebel vorliegenden Kühlflüssigkeit 4 ist der Kühlabschnitt 21 mit dem zweiten Gefäß 5 umschlossen.
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Das zweite Gefäß 5 weist, der Schwerkraft folgend, an seiner Unterseite einen Ablauf 51 für die Kühlflüssigkeit 4 auf. Der Ablauf 51 ist mit der Kühleinheit 7 verbunden, von der die verbrauchte Kühlflüssigkeit 4 aus dem zweiten Gefäß 5 abgepumpt wird. Damit beim Abpumpen kein Unterdruck entsteht, verfügt das zweite Gefäß 5 in dessen oberem Bereich über den Luftzugang 53.
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Der Ablauf 51 leitet die Kühlflüssigkeit 4 in die Kühleinheit 7, in der die verdampfte Kühlflüssigkeit 4 wieder kondensiert und über eine mit Pumpmitteln (nicht gezeichnet) ausgestattete Rückführung 52 wieder der Zerstäubungseinrichtung 41 zugeführt wird. In der Rückführung 52 wird ein zum Zerstäuben der Kühlflüssigkeit 4 in den Kühldüsen N1, N2, N3 benötigter Zerstäubungsdruck erzeugt. Die Zerstäubungseinrichtung 41 zusammen mit dem zweiten Gefäß 5, dem Ablauf 51, der Kühleinheit 7 und der Rückführung 52 bilden zusammen den sekundären Kühlkreislauf, mit dem das metallische Kühlmittel 3 gekühlt wird.
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Das Kühlen durch den sekundären Kühlkreislauf erfolgt in Abhängigkeit von mindestens einer im primären Kühlkreislauf gemessenen Temperatur. Für die erforderliche Temperaturmessung, die als Eingangsgröße der Steuereinheit 9 benötigt wird, ist im einfachsten Fall ein Temperatursensor T1 an der Gefäßwand 23 nahe dem Zufluss 251 zum Tauchbad 25 angeordnet. Damit wird sichergestellt, dass die Kühlung dann einsetzen kann, wenn das dem Tauchbad 25 zugeführte metallische Kühlmittel 3 die vorgegebene minimale Betriebstemperatur überschreitet, sodass die Betriebstemperatur des metallischen Kühlmittels 3 vor Erreichen des umlaufenden Elements 1 annähernd mit minimaler Betriebstemperatur zugeführt werden kann.
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Durch die Ermittlung der Temperatur kann die Steuereinheit 9 die erforderliche Kühlleistung (oder auch eine Heizleistung) ermitteln, die notwendig ist, um das metallische Kühlmittel 3 möglichst auf der minimalen Betriebstemperatur zu halten. Zur Beeinflussung der Betriebstemperatur sind die über Steuerleitungen mit der Steuereinheit 9 verbundenen Kühldüsen N1, N2, N3 einzeln ein- und ausschaltbar. Durch die Aufteilung der Kühlflüssigkeit 4 auf mehrere (hier drei) Kühldüsen N1, N2, N3 kann die Kühlleistung der Zerstäubungseinrichtung 41 sehr genau an die variierende und sich mitunter sehr schnell ändernde Abwärme des umlaufenden Elements 1 angepasst werden.
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In einer gegenüber 1 modifizierten Anordnung gemäß 2 weist das erste Gefäß 2 die Zwischenwand 24 auf, die nahe und parallel zu einer der langen Gefäßwände 23 angeordnet ist. Die Zwischenwand 24 ist wiederum am Boden des ersten Gefäßes 2 befestigt und teilt ein im ersten Gefäß 2 aufgenommenes Gesamtvolumen des metallischen Kühlmittels 3 etwa im Verhältnis 1:5 in ein kleines Volumen als das Tauchbad 25 für das umlaufende Element 1 und in ein großes Volumen 253 als eine Art Reservoir des metallischen Kühlmittels 3 auf. Die Zwischenwand 24 lässt zu den kurzen Gefäßwänden 23 wiederum – wie auch in 1 – einen Zufluss 251 und einen Abfluss 252 zum Tauchbad 25, sodass das metallische Kühlmittel 3 aus dem großen Volumen 253 in das Tauchbad 25 und von dort durch die Rotation des umlaufenden Elements 1 wieder in das große Volumen 253 getrieben wird. Das umlaufende Element 1 ist in diesem Fall als die kreisrunde Scheibe 11 um ihre Drehachse 12 rotierbar ausgebildet sowie parallel und mittig zwischen der Zwischenwand 24 und der nächstliegenden langen Gefäßwand 23 des ersten Gefäßes 2 in das metallische Kühlmittel 3 eingetaucht.
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In diesem Beispiel wird angenommen, dass die Scheibe 11 als Zufuhreinrichtung für das Emittermaterial 14 einer LPP-Strahlungsquelle dient, ohne dass die Strahlungsquelle selbst vollständig gezeigt ist. Wie in 2 schematisch dargestellt, ist zur Plasmaerzeugung ein Laser 15 auf die mit dem Emittermaterial 14 beschichtete Scheibe 11 fokussiert, wodurch mittels des gepulst betriebenen Lasers 15 das Emittermaterial 14 zunächst verdampft und anschließend mittels eines weiteren Impulses zu strahlungsemittierendem heißem Plasma 16 angeregt wird. Für die zwei genau getriggerten Laserimpulse können auch zwei unterschiedliche Laser verwendet werden (nicht gezeigt).
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Durch die kontinuierliche Rotation der Scheibe 11 bildet sich im Tauchbad 25 die bereits oben beschriebene Strömung aus, die zur Umwälzung des metallischen Kühlmittels 3 und zur Ausbildung des primären Kühlkreislaufs führt. Im primären Kühlkreislauf verlässt das durch die Scheibe 11 erhitzte metallische Kühlmittel 3 das Tauchbad 25 durch den Abfluss 252 als ein Durchlass zum großen Volumen 253 des ersten Gefäßes 2. Dort kann sich das erhitzte metallische Kühlmittel 3 mit dem im großen Volumen 253 gekühlten metallischen Kühlmittel 3 vermischen und abkühlen. Durch den der rotierenden Scheibe 11 vorgeordneten Zufluss 251 wird das kühlere metallische Kühlmittel 3 aus dem großen Volumen 253 wieder der rotierenden Scheibe 11 zur Kühlung zugeführt.
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In diesem Beispiel verfügt der sekundäre Kühlkreislauf der Kühlflüssigkeit 4 über zwei Zerstäubungseinrichtungen 41 und 42 mit jeweils drei Kühldüsen N1–N3 und N4–N6. Neben dem bereits zu 1 beschriebenen Kühlabschnitt 21, der an der dem Tauchbad 25 abgewandten Gefäßwand 23 gebildet wird, ist ein weiterer Kühlabschnitt 22 vorhanden, der an der anderen langen Gefäßwand 23 am Tauchbad 25 gebildet ist. Im weiteren Kühlabschnitt 22 sind die Kühldüsen N4, N5, N6 mit ihrem Sprühkegel auf jeweils einen separaten Wandbereich 234, 235 bzw. 236 des ersten Gefäßes 2 ausgerichtet und die weitere Zerstäubungseinrichtung 42 ist von einem dritten Gefäß 6 in gleicher Weise wie die Zerstäubungseinrichtung 41 mit dem zweiten Gefäß 5 umgeben. Beide Zerstäubungseinrichtungen 41 und 42 sowie das zweite Gefäß 5 und das dritte Gefäß 6 sind über den Ablauf 51 und die Rückführung 52 an dieselbe Kühleinheit 7 angeschlossen, können aber auch separaten Kühleinheiten (nicht gezeigt) zugeordnet sein.
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Zur Ermittlung der Temperatur für die Steuerung der Zerstäubungseinrichtungen 41 und 42 über die Steuereinheit 9 ist im primären Kühlkreislauf unmittelbar vor der rotierenden Scheibe 11 der Temperatursensor T1 angeordnet. Er ist in dem der rotierenden Scheibe 11 vorgeordneten Zufluss 251 an der der Zwischenwand 24 gegenüberliegenden kurzen Gefäßwand 23 befestigt. Mit ihm wird die Betriebstemperatur des metallischen Kühlmittels 3 vor der Scheibe 11 erfasst. Ein zweiter Temperatursensor T2 ist in dem der Scheibe 11 nachgeordneten Abfluss 252 an der anderen kurzen Gefäßwand 23 des ersten Gefäßes 2 befestigt. Mit ihm wird die Temperatur des metallischen Kühlmittels 3 direkt nach dem Wärmeeintrag durch die Scheibe 11 erfasst.
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Beide Temperatursensoren T1, T2 sind dem weiteren Kühlabschnitt 22 zugeordnet. Mit dem ersten Temperatursensor T1 wird die Einhaltung der minimalen Betriebstemperatur des metallischen Kühlmittels 3 überwacht. Außerdem kann die Steuereinheit 9 eine Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren T1 und T2 erfassen und einen Anstieg der Temperaturdifferenz auswerten. Aus der am ersten Temperatursensor T1 gemessenen Temperatur und dem Anstieg der Temperaturdifferenz ermittelt die Steuereinheit 9 die erforderliche Kühlleistung oder – in Entladungspausen – die Heizleistung der Heizung 27. Entsprechend der ermittelten Kühlleistung werden von der Steuereinheit 9 die einzeln ein- und ausschaltbaren Kühldüsen N4–N6 des weiteren Kühlabschnitts 22 aktiviert.
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Mit einem dritten Temperatursensor T3 wird die mittlere Betriebstemperatur des metallischen Kühlmittels 3 im großen Volumen 253 ermittelt. Der dritte Temperatursensor T3 ist möglichst mittig im großen Volumen 253 in das metallische Kühlmittel 3 eingetaucht und ist vorzugsweise mittig an der Zwischenwand 24, aber thermisch von dieser isoliert befestigt. Der Temperatursensor T3 ist dem Kühlabschnitt 21 zugeordnet. Entsprechend der gemessenen Temperatur werden von der Steuereinheit 9 in Verknüpfung mit mindestens der Messung des Temperatursensors T1 die einzelnen Kühldüsen N1–N3 des Kühlabschnitts 21 oder die Heizung 27 angesteuert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist, wie in
3 gezeigt, der primäre Kühlkreislauf in das Tauchbad
25 für das umlaufende Element
1 und in eine separierte Handhabungseinheit
26 für das metallische Kühlmittel
3 unterteilt, bei denen der Zufluss
251 und der Abfluss
252 des Tauchbads
25 über Rohrleitungen verlängert sind. Das umlaufende Element
1 ist in diesem Beispiel – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – als eine Scheibenelektrode
13 für eine reine DPP-(Discharge-Produced Plasma)Strahlungsquelle ausgebildet, wie sie beispielsweise aus der Patentschrift
EP 1 804 556 A2 bekannt ist. Die Strahlungsquelle kann aber auch als eine LDP-(Laser-Assisted Discharge Plasma)Strahlungsquelle ausgebildet sein, wie sie z. B. in der
WO 2005/025280 A2 beschrieben ist. Die Scheibenelektrode
13 wird vorzugsweise mit dem metallischen Kühlmittel
3 gekühlt, das zugleich auch eine Beschichtung als Emittermaterial
14 für die EUV-Emission des daraus erzeugten Plasmas
16 und als Elektrodenschutz gegen Erosion durch die elektrische Entladung liefert.
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Das Tauchbad 25 nimmt das metallische Kühlmittel 3 über den Zufluss 251 auf, sodass die Scheibenelektrode 13 darin eingetaucht ist. Der Abfluss 252 ist so angelegt, dass das erhitzte metallische Kühlmittel 3 der Schwerkraft folgend selbsttätig in die Handhabungseinheit 26 abfließen kann, d. h. die Handhabungseinheit 26 ist dafür tiefer als das Tauchbad 25 angeordnet.
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Die Handhabungseinheit 26 ist ein in mehrere Kammern unterteilter Behälter. Eine erste große Kammer bildet ein Reservoir 261 für das metallische Kühlmittel 3 aus. Im Reservoir 261 kann – ähnlich wie im Beispiel gemäß 2 das große Volumen 253 – das metallische Kühlmittel 3 aufgenommen und bevorratet werden. Das Reservoir 261 ist über den Abfluss 252 an das Tauchbad 25 angeschlossen, sodass das von der Scheibenelektrode 13 erhitzte metallische Kühlmittel 3 zuerst in das Reservoir 261 gelangt, sich dort zunächst mit dem im Reservoir 261 befindlichen metallischen Kühlmittel 3 vermischt und damit zumindest vorgekühlt wird. Je nach Füllstand des Reservoirs 261 werden dadurch große Temperaturänderungen abgepuffert. Das das Tauchbad 25 aufweisende Gefäß besteht wegen der hohen Wärmebelastung aus mindestens einem hochschmelzenden Metall, wie z. B. Titan, Vanadium, Molybdän, Wolfram oder Stahl (insbesondere Edelstahl), und kann zusätzlich oberflächenbeschichtet sein, vorzugsweise mit Titannitrid (TiN).
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Um das metallische Kühlmittel 3 bei Inbetriebnahme der Strahlungsquelle aus dem festen in den flüssigen Zustand zu überführen, ist im Inneren des Reservoirs 261, in das metallische Kühlmittel 3 eintauchend, die bereits in den vorigen Beispielen erwähnte Heizung 27 angeordnet.
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Die Handhabungseinheit 26 weist außer dem Reservoir 261 einen Kühlkanal 262 für das metallische Kühlmittel 3 auf, dessen Volumen gegenüber dem des Reservoirs 261 wesentlich kleiner ist und der in den Zufluss 251 zum Tauchbad 25 übergeht. Der Kühlkanal 262, der einen vergleichsweise kleinen, vorzugsweise rechteckigen Querschnitt aufweist, hat mindestens eine Kammerwand 263, die eine große Oberfläche zum Wärmeaustausch bereitstellt.
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In direkter Nachbarschaft zur Kammerwand 263 des Kühlkanals 262 weist die Handhabungseinheit 26 eine weitere Kammer auf, die als zweites Gefäß 5 des sekundären Kühlkreislaufs ausgebildet ist. Die gemeinsame Kammerwand 263 zum Kühlkanal 262 bildet in diesem Fall den Kühlabschnitt 21, auf den wiederum eine Mehrzahl von Kühldüsen N1, N2, N3, ... (ohne Beschränkung der Allgemeinheit – in diesem Beispiel drei Kühldüsen N1–N3) der Zerstäubungseinrichtung 41 gerichtet sind. Die Kammerwand 263 ist mit etwa 1 bis 3 mm Dicke möglichst dünn gehalten, um einen guten Wärmeaustausch zu realisieren.
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Durch den engen Querschnitt und die große Oberfläche des Kühlkanals 262 kann die Betriebstemperatur des im Kühlabschnitt 21 vorbeigeführten metallischen Kühlmittels 3 sehr schnell beeinflusst werden, sodass auf Temperaturschwankung des metallischen Kühlmittels 3 schnell reagiert werden kann.
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Das zweite Gefäß 5 ist über den Ablauf 51 mit der Kühleinheit 7 verbunden. Über den Ablauf 51 wird die verbrauchte Kühlflüssigkeit 4 aus dem zweiten Gefäß 5 abgesaugt. Andererseits ist die Kühleinheit 7 mit der Zerstäubungseinrichtung 41 verbunden, indem über die mit den Pumpmitteln ausgestattete Rückführung 52 der erforderliche Zerstäubungsdruck für die Kühldüsen N1–N3 bereitgestellt wird.
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Zwischen dem Kühlkanal 262 und dem Reservoir 261 ist eine Rohrleitung mit einer außerhalb der Handhabungseinheit 26 angeordneten Pumpeinheit 8 vorhanden, mit der das metallische Kühlmittel 3 aus dem Reservoir 261 heraus durch die Pumpeinheit 8, den Kühlkanal 262 und den Zufluss 251 hindurch zum Tauchbad 25 gepumpt wird. Die Pumpeinheit 8 bewegt das metallische Kühlmittel 3 mit einer variablen Strömungsgeschwindigkeit durch den Kühlkanal 262 hindurch, sodass die Kühlleistung durch das einzelne Ein- und Ausschalten der ansteuerbaren Kühldüsen N1–N3 gezielt in Abhängigkeit von der im primären Kühlkreislauf ermittelten Temperatur beeinflusst werden kann.
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Das dem Tauchbad 25 zugeführte metallische Kühlmittel 3 wird durch die Rotation der Scheibenelektrode 13 beschleunigt, sodass neben der von der Pumpeinheit 8 erzeugten Strömung auch die Scheibenelektrode 13 zur Umwälzung des im Tauchbad 25 befindlichen metallischen Kühlmittels 3 beiträgt.
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Die Ermittlung der erforderlichen Kühlleistung erfolgt durch Temperaturmessungen, in diesem Beispiel bevorzugt jeweils vor und hinter dem Kühlabschnitt 21. Der erste Temperatursensor T1, ist wie schon in den vorherigen Beispielen am Zufluss 251 zum Tauchbad 25 angeordnet, wofür die dem Kühlkanal 262 folgende Rohrleitung ausreichend Platz bietet. Mit ihm wird die minimale Betriebstemperatur (z. B. 10–50 K oberhalb des Schmelzpunktes) des metallischen Kühlmittels 3 überwacht. Der zweite Temperatursensor T2 ist vor dem Kühlabschnitt 21, gegebenenfalls noch vor der Pumpeinheit 8 im primären Kühlkreislauf angeordnet. Dadurch kann zusätzlich überwacht werden, dass der Pumpeinheit 8 das metallische Kühlmittel 3 stets annährend mit der vorgegebenen minimalen Betriebstemperatur zugeführt wird. Da dem Kühlkanal 262 das Reservoir 261 vorgeordnet ist, kann im Kühlkanal 262 ein plötzlicher Temperaturanstieg ausgeschlossen werden. Deshalb ist die Auswertung der Temperaturdifferenz zwischen den Temperatursensoren T1 und T2 nicht notwendig, aber gegebenenfalls sinnvoll, um die Kühleffektivität entlang des Kühlabschnitts 21 auszuwerten.
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Eine weitere Verbesserung der Kühlleistung kann mit der in 4 dargestellten Ausführung der Erfindung erreicht werden. Zusätzlich zu dem im vorhergehenden Ausführungsbeispiel beschriebenen Aufbau mit dem schnell kühlenden Kühlkanal 262 weist die Handhabungseinheit 26 hier eine weitere Kammer auf, die ebenfalls mit dem Reservoir 261 über eine gemeinsame Kammerwand 263 verfügt und dadurch mit dem im Reservoir 261 aufgenommenen metallischen Kühlmittel 3 in thermischem Kontakt steht. Diese vorzugsweise unter dem Reservoir 261 angeordnete Kammerwand 263 bildet – gegenüber der Ausführung nach 3 – den weiteren Kühlabschnitt 22. In ähnlicher Weise wie im Kühlabschnitt 21 am Kühlkanal 262 ist die weitere Zerstäubungseinrichtung 42 auf den weiteren Kühlabschnitt 22 gerichtet. Mit dem weiteren Kühlabschnitt 22 wird also das große Volumen 253 des metallischen Kühlmittels 3 im Reservoir 261 gekühlt, wodurch die Kühlung hier, im Gegensatz zum Kühlkanal 262, wesentlich träger erfolgt. Durch die Kühlung des Reservoirs 261 wird die puffernde Wirkung des großen Volumens 253 des im Reservoir 261 aufgenommenen metallischen Kühlmittel 3 gegenüber dem aus dem Tauchbad 25 kommenden erhitzten metallischen Kühlmittel 3 bei hohem Wärmeeintrag aufrechterhalten bzw. eine Vorkühlung erreicht.
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Zur Ermittlung der Kühlleistung ist dem weiteren Kühlabschnitt 22 der zweite Temperatursensor T2 und der dritte Temperatursensor T3 zugeordnet. Der dritte Temperatursensor T3 ist zwischen Tauchbad 25 und Reservoir 261 angeordnet. An beiden Temperatursensoren T2, T3 wird die Einhaltung der minimalen Betriebstemperatur des primären Kühlkreislaufs überwacht. Entsprechend der minimalen Betriebstemperatur werden, insbesondere bei länger anhaltender Leistungsabgabe der Strahlungsquelle während der Plasmaerzeugung an den Scheibenelektroden 13, die einzelnen Kühldüsen N4–N6 bedarfsgerecht angesteuert, d. h. ein- bzw. ausgeschaltet.
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In Anlehnung an die bereits beschriebenen Anordnungen soll das Verfahren zum Kühlen einer plasmabasierten Strahlungsquelle mit Bezug auf 1 näher erläutert werden.
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Bei dem Verfahren wird ein umlaufendes Element 1, das an einer Plasmaerzeugung in einer plasmabasierten Strahlungsquelle beteiligt ist, mittels eines metallischen Kühlmittels 3 temperiert, indem das umlaufende Element 1 in das in einem ersten Gefäß 2 befindliche metallische Kühlmittel 3 mindestens teilweise eingetaucht ist und darin bewegt, vorzugsweise rotiert wird.
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Dazu wird in einem ersten Verfahrensschritt ein Metall (beispielsweise Zinn, Lithium, Gadolinium, Terbium) als metallisches Kühlmittel 3 in einen flüssigen Aggregatzustand überführt, indem es bis auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes aufgeheizt (d. h. erschmolzen) wird. Diese Temperatur stellt die minimale Betriebstemperatur des metallischen Kühlmittels 3 dar, die während des gesamten Verfahrens mindestens aufrechterhalten wird, sodass es während des Betriebs der Strahlungsquelle nie zu einem Erstarren des metallischen Kühlmittels 3 kommen kann.
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Ist das metallische Kühlmittel 3 vollständig verflüssigt, kann die plasmabasierte Strahlungsquelle in Betrieb genommen werden. Dazu wird in einem zweiten Verfahrensschritt das an der Erzeugung eines kurzwellige Strahlung emittierenden Plasmas 16 beteiligte umlaufende Element 1 in Rotation versetzt. Im eingetauchten Zustand bewegt sich das umlaufende Element 1 mit einem peripheren Bereich durch das metallische Kühlmittel 3 hindurch, sodass das mit dem umlaufenden Element 1 in Kontakt kommende metallische Kühlmittel 3 vom umlaufenden Element 1 in Richtung des Umlaufs mitbewegt wird. Die Bewegung wird durch die fortlaufende Rotation des umlaufenden Elements 1 auf das gesamte metallische Kühlmittel 3 übertragen. Dadurch entsteht in dem das metallische Kühlmittel 3 beinhaltenden ersten Gefäß 2 ein primärer Kühlkreislauf, indem eine kontinuierliche Umwälzung des metallischen Kühlmittels 3 erfolgt.
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Das sich während des Betriebs der Strahlungsquelle infolge der Plasmaerzeugung erhitzende umlaufende Element 1 sorgt in dem Bereich, in dem es in das metallische Kühlmittel 3 eintaucht, für einen lokalen Wärmeeintrag. Der Wärmeeintrag kann je nach Intensität und Dauer der Plasmaerzeugung innerhalb kurzer Zeitintervalle stark variieren. Der prinzipbedingte Wirkungsgrad der Strahlungsquelle von etwa 0,1% kann beispielsweise eine Eingangsleistung von 15 kW erfordern, um bei der Plasmaerzeugung eine Strahlungsleistung von etwa 10–15 W zu erreichen. Während der Zeit der Plasmaerzeugung zur Belichtung von Substraten fällt deshalb eine enorme Menge an Abwärme an, die durch den primären Kühlkreislauf abgeführt werden muss. Wegen der hohen Effektivität der eingesetzten Spraykühlung muss in den während des Betriebs der Strahlungsquelle auftretenden Entladungspausen, z. B. ca. 20 s lange Pause beim Wechseln eines ca. 40 s lang belichteten Substrats zum nächsten zu belichtenden Substrat, die Kühlleistung erheblich gedrosselt werden, um ein Erstarren des metallischen Kühlmittels 3 zu verhindern.
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Der primäre Kühlkreislauf sorgt dafür, dass das bei hohem Wärmeeintrag erhitzte metallische Kühlmittel 3 vom umlaufenden Element 1 abgeführt wird und dem umlaufenden Element 1 erneut stetig frisches und kühles metallisches Kühlmittel 3 zugeführt wird.
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Die Abkühlung des metallischen Kühlmittels 3 im primären Kühlkreislauf erfolgt dann mittels einer Sprühkühlung, die in dem dafür vorgesehenen Kühlabschnitt 21 auf Wandbereiche 231, 232, 233 ... des ersten Gefäßes 2 gerichtet ist. Ein Einsatz der Sprühkühlung erfolgt nur bei Temperaturen, die oberhalb der minimalen Betriebstemperatur des metallischen Kühlmittels 3 liegen.
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Während des Betriebs der Strahlungsquelle treten auch Pausen in der Plasmaerzeugung auf. In den Pausen erfolgt kein weiterer Wärmeeintrag des umlaufenden Elements 1 in das metallische Kühlmittel 3. Um die Betriebstemperatur des metallischen Kühlmittels 3 stets oberhalb des Schmelzpunktes zu halten, wird in den Pausen die Sprühkühlung abgeschaltet, sodass keine Gefahr einer Erstarrung besteht. Fällt die Temperatur unter die minimale Betriebstemperatur, wird das metallische Kühlmittel 3 zusätzlich (wie auch vor Inbetriebnahme der Strahlungsquelle) beheizt.
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Die Sprühkühlung wird parallel zum primären Kühlkreislauf in einem sekundären Kühlkreislauf betrieben und verfügt über mehrere einzeln ansteuerbare Kühldüsen N1, N2, N3, .... Durch Ein- und Ausschalten einzelner Kühldüsen N1, N2, N3, ... ist die Sprühkühlung in einer abgegebenen Kühlleistung dosiert einstellbar (in Stufen von jeweils einer zu- oder abgeschalteten Kühldüse N(i), mit i = 1, ..., n, wobei n die vorhandene Düsenanzahl ist). Die Einstellung der Kühlleistung erfolgt in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur des metallischen Kühlmittels 3. Die Temperatur wird kontinuierlich, mindestens unmittelbar vor dem umlaufenden Element 1 gemessen und mit der minimalen Betriebstemperatur des metallischen Kühlmittels 3 verglichen.
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Die Kühldüse N1 der Sprühkühlung wird eingeschaltet, sobald die vor dem umlaufenden Element 1 ermittelte Temperatur die gewünschte minimale Betriebstemperatur überschreitet. Die Kühldüse N2 wird erst dann zugeschaltet, wenn die Betriebstemperatur auf Werte von etwa 20–30 Kelvin oberhalb der minimalen Betriebstemperatur angestiegen ist. Je größer eine Temperaturdifferenz zwischen der gemessenen Temperatur und der minimalen Betriebstemperatur ist, umso höher wird die eingesetzte Kühlleistung der Sprühkühlung durch einzelnes Einschalten weiterer Kühldüsen N2, N3, ... eingestellt und je geringer die Temperaturdifferenz ist, umso mehr wird die Kühlleistung durch Ausschalten einzelner Kühldüsen N1, N2, ... bis hin zur vollständigen Abschaltung der Sprühkühlung reduziert. Das Einschalten der Kühldüsen N2, N3, ... erfolgt progressiv, um schnellen Temperaturanstiegen mit zunehmender Kühlleistung zu begegnen.
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Die Kühldüsen N1, N2, N3, ... sind jeweils einem der separaten Wandbereiche 231, 232, 233, ... innerhalb des Kühlabschnitts 21 des ersten Gefäßes 2 zugeordnet, sodass jede Kühldüse N1, N2, N3, ... auch einen separaten Beitrag zur Kühlleistung einbringen kann. Bei einer Vielzahl von Kühldüsen N1, N2, N3, ... kann aber auch eine geringe Überlappung der besprühten Wandbereiche 231, 232, 233, ... zugelassen werden.
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Neben dem stark variierenden Wärmeeintrag durch das umlaufende Element 1 ist eine Temperaturänderung von einem Gesamtvolumen des metallischen Kühlmittels 3 im primären Kühlkreislauf abhängig. Je größer das vorhandene Gesamtvolumen ist, desto mehr werden die Temperaturänderungen durch eine bei der Umwälzung stattfindende Durchmischung des lokal erhitzten metallischen Kühlmittels 3 mit dem restlichen metallischen Kühlmittel 3 abgepuffert.
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Die Anpassung der Kühlleistung kann, neben der alleinigen Überwachung der Betriebstemperatur des metallischen Kühlmittels 3 vor dem umlaufenden Element 1, auch vorteilhaft durch Bildung von Temperaturdifferenzen zwischen verschiedenen Temperaturmessstellen erfolgen.
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Erfolgt die Temperaturmessung vor und nach dem umlaufenden Element 1, kann der unmittelbare Wärmeeintrag durch das umlaufende Element 1 in Form eines Temperaturanstiegs ermittelt werden. Die Kühlleistung der Sprühkühlung wird dann, zusätzlich zur Temperaturmessung vor dem umlaufenden Element 1, entsprechend der ermittelten Temperaturdifferenz gesteuert. Wird eine große Temperaturdifferenz ermittelt, erfolgt das gleichzeitige Einschalten von mehr als einer Kühldüse N1, N2, N3 ..., um eine schnellere Abkühlung zu bewirken. Ist die Temperaturdifferenz gering, erfolgt die Steuerung der Kühldüsen N1, N2, N3 ... wie bisher anhand der Temperaturmessung vor dem umlaufenden Element 1. Durch die Temperaturmessung unmittelbar vor und nach dem umlaufenden Element 1 kann sehr schnell auf starke Schwankungen des Wärmeeintrags reagiert werden.
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Die Temperaturdifferenz kann des Weiteren auch über den Kühlabschnitt 21 ermittelt werden, indem die Temperaturmessung vor und nach dem Kühlabschnitt 21 erfolgt. Die so ermittelte Temperaturdifferenz ist ein Ausdruck für die in diesem Kühlabschnitt 21 erreichte Kühlleistung (Wärmeabfuhr). Die Kühlleistung wird zunächst in Abhängigkeit von der nach dem Kühlabschnitt 21 ermittelten Temperatur gesteuert. Die erste Kühldüse N1 der Sprühkühlung wird eingeschaltet, wenn die nach dem Kühlabschnitt 21 ermittelte Temperatur über die minimale Betriebstemperatur ansteigt. Die Erhöhung bzw. Reduzierung der Kühlleistung durch Ein- oder Ausschalten weiterer Kühldüsen N2, N3, ... erfolgt, wenn die ermittelte Temperatur nach dem Kühlabschnitt 21 weiterhin ansteigt. Zusätzlich wird die Temperaturdifferenz ausgewertet. Übersteigt diese einen festgelegten Schwellwert, kann die Kühlleistung durch gleichzeitiges Ein- und Ausschalten mehrerer Kühldüsen N1, N2, N3, ... schneller an eine sich rasch ändernde Temperatur angepasst werden.
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Um die Kühlleistung weiter zu steigern und eine noch differenziertere Anpassung der Betriebstemperatur des metallischen Kühlmittels 3 zu erreichen, können mehrere Kühlabschnitte 21, 22 am ersten Gefäß 2 vorgesehen werden. Jeder dieser Kühlabschnitte 21, 22 verfügt über mehrere Kühldüsen N1, N2, ... bzw. N4, N5, ..., die im jeweiligen Kühlabschnitt 21, 22 jeweils einem separaten Wandbereich 231, 232, ... des ersten Gefäßes 2 zugeordnet sind. Die Ermittlung der Temperatur bzw. der Temperaturdifferenz erfolgt für jeden Kühlabschnitt 21, 22 getrennt, indem vor und nach dem jeweiligen Kühlabschnitt 21, 22 je eine Temperaturmessung durchgeführt wird. Die Anpassung der Kühlleistung erfolgt dann analog dem im vorhergehenden Absatz beschriebenen Verfahren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- umlaufendes Element
- 11
- (rotierende) Scheibe
- 12
- Drehachse
- 13
- (rotierende) Scheibenelektrode
- 14
- Emittermaterial
- 15
- Laser
- 16
- Plasma
- 2
- erstes Gefäß
- 21
- Kühlabschnitt
- 22
- weiterer Kühlabschnitt
- 23
- Gefäßwand
- 231, ..., 236
- Wandbereich
- 24
- Zwischenwand
- 25
- Tauchbad
- 251
- Zufluss
- 252
- Abfluss
- 253
- großes Volumen
- 26
- Handhabungseinheit
- 261
- Reservoir
- 262
- Kühlkanal
- 263
- Kammerwand
- 27
- Heizung
- 3
- metallisches Kühlmittel
- 4
- Kühlflüssigkeit
- 41
- Zerstäubungseinrichtung
- 42
- weitere Zerstäubungseinrichtung
- 5
- zweites Gefäß
- 51
- Ablauf
- 52
- Rückführung
- 53
- Luftzugang
- 6
- drittes Gefäß
- 7
- Kühleinheit
- 8
- Pumpeinheit
- 9
- Steuereinheit
- N1, N2, N3, ... (erste, zweite, dritte, ...)
- Kühldüse
- T1, T2, T3, ... (erster, zweiter, dritter, ...)
- Temperatursensor
