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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Kühlung eines mit Wärme beaufschlagten Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, sowie ein entsprechendes Verfahren zur Einstellung einer gewünschten Temperatur des zu kühlenden Bauteils.
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STAND DER TECHNIK
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In Projektionsbelichtungsanlagen für die Mikrolithographie und insbesondere Projektionsbelichtungsanlagen für die EUV-Mikrolithographie, also Projektionsbelichtungsanlagen, die ein Arbeitslicht mit Wellenlängen im Spektrum des extrem Ultravioletten (EUV) verwenden, werden Bauteile, wie beispielsweise Spiegel, hohen Strahlungsbelastungen ausgesetzt, sodass sich die Bauteile stark erwärmen können. Durch die strake Erwärmung kann es zu unerwünschten Veränderungen der Eigenschaften, wie beispielsweise der Form kommen, oder die Temperaturbelastung kann das Bauteil an sich beschädigen.
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Darüber hinaus ist es aufgrund der erforderlichen hohen Abbildungsgenauigkeit bei Projektionsbelichtungsanlagen wünschenswert, möglichst gleichbleibende Temperaturverhältnisse an den Bauteilen einer Projektionsbelichtungsanlage vorliegen zu haben, um Einflüsse auf das optische Abbildungsverhalten durch Temperaturänderungen weitgehend zu vermeiden.
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Entsprechend sind bereits Maßnahmen ergriffen worden, um temperaturbelastete Bauteile von Projektionsbelichtungsanlagen zu kühlen bzw. in ihrer Temperatur möglichst konstant zu halten. Allerdings bestehen durch die Randbedingungen in einer Projektionsbelichtungsanlage Schwierigkeiten, eine entsprechende Kühlung und/oder Temperaturregelung zu verwirklichen.
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So werden derartige Projektionsbelichtungsanlagen bzw. Teile davon üblicherweise im technischen Vakuum oder bei einem sehr geringen Umgebungsdruck betrieben, sodass eine Kühlung durch Konvektion aufgrund des fehlenden Mediums nicht möglich ist.
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Darüber hinaus muss bei derartigen Projektionsbelichtungsanlagen auch darauf geachtet werden, dass möglichst keine Erschütterungen und Vibrationen entstehen, die ebenfalls das optische Abbildungsverhalten negativ beeinflussen. Entsprechend ist auch die Wärmeableitung durch kontaktierende Kühlelemente schwierig zu realisieren.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strahlungskühleinrichtung bereitzustellen, die eine berührungslose, aber effektive Kühlung eines mit Wärme beaufschlagten Bauteils, insbesondere eines Bauteils einer Projektionsbelichtungsanlage, über im Wesentlichen Wärmestrahlung zu ermöglichen. Darüber hinaus soll die Vorrichtung es ermöglichen, die Temperatur des zu kühlenden Bauteils einzustellen, also zu steuern bzw. zu regeln. Ferner soll die Vorrichtung einfach aufgebaut sein und ein zuverlässiger und einfacher Betrieb gewährleistet werden.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung schlägt vor, zur berührungslosen Kühlung eines mit Wärme beaufschlagten Bauteils einen Kühlkörper vorzusehen, der auf eine niedrigere Temperatur als das zu kühlende Bauteil einstellbar ist und mindestens eine Kühlfläche aufweist, die komplementär zu einer zu kühlenden Oberfläche des Bauteils ausgebildet ist, damit der Kühlkörper mit veränderlichen Abstand zu der zu kühlenden Oberfläche des zu kühlenden Bauteils angeordnet werden kann und eine möglichst große Fläche zur Aufnahme der Wärmestrahlung von dem zu kühlendem Bauteil vorhanden ist, die insbesondere der zu kühlenden Oberfläche entspricht. Durch die Veränderung des Abstands zwischen zu kühlender Oberfläche und der Kühlfläche kann die Kühlleistung eingestellt und somit die Temperatur des zu kühlenden Bauteils gesteuert und/oder geregelt werden.
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Die Kühlfläche kann zur Vergrößerung der aktiven Fläche insbesondere eine Vielzahl hervorstehender Kühlrippen aufweisen, wobei die zu kühlende Oberfläche in entsprechender Weise Kühlrippen aufweisen kann. Sollte das zu kühlende Bauteil an sich keine Kühlrippen besitzen, so kann an der zu kühlenden Oberfläche eine entsprechende Anordnung von Kühlrippen vorgesehen werden.
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Der Kühlkörper kann mit einer Kühleinrichtung verbunden sein, sodass der Kühlkörper gekühlt werden kann. Beispielsweise kann der Kühlkörper mit einer Kühlflüssigkeit durchflossen werden, die in einem Kälteaggregat auf eine bestimmte Temperatur gebracht wird.
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Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflussung der Kühlleistung, die zusätzlich oder alternativ zur Veränderung der Kühlkörpertemperatur über eine Kühleinrichtung eingesetzt werden kann, besteht in dem Vorsehen eines Strahlungsschutzschilds, welches zwischen Kühlfläche und zu kühlender Oberfläche des Bauteils angeordnet werden kann. Der Strahlungsschutzschild kann Wärmestrahlung von dem zu kühlenden Bauteil absorbieren und/oder reflektieren, sodass die Kühlleistung reduziert wird.
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Insbesondere können verschiedene Strahlungsschutzschilde mit unterschiedlichen Eigenschaften vorgesehen sein, wie beispielsweise mit unterschiedlicher Absorption von Wärmestrahlung, unterschiedlicher Reflexion von Wärmestrahlung und unterschiedlicher Wärmekapazität, unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit, verschiedenen Formen und Dimensionen. Je nach gewünschter Variation der Kühlleistung kann dann ein entsprechendes Strahlungsschutzschild Verwendung finden.
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Die Vorrichtung kann ferner ein Heizelement umfassen, welches im Bereich zwischen Kühlfläche und zu kühlendem Bauteil Wärme abgeben kann, um zumindest teilweise die Kühlfläche und/oder die zu kühlende Fläche zu erwärmen und dadurch die Kühlleistung zu beeinflussen. Beispielsweise könnte auch in einem Strahlungsschutzschild ein entsprechendes Heizelement vorgesehen sein. Alternativ können die Heizelemente durch separate Heizdrähte, Heizrohre, Wärmestrahler und dergleichen realisiert werden.
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Bei der Steuerung und/oder Regelung der Temperatur des zu kühlenden Bauteils kann nun zunächst der Abstand des Kühlkörpers mit der Kühlfläche von der zu kühlenden Oberfläche des Bauteils variiert werden, um so die Kühlleistung zu beeinflussen. Darüber hinaus können weitere Maßnahmen, wie beispielsweise stärkere oder weniger starke Kühlung des Kühlkörpers oder Einbringen eines Strahlungsschutzschildes zwischen Kühlfläche und zu kühlender Oberfläche vorgenommen werden. Auch eine zusätzliche Erwärmung über separate Heizelemente ist denkbar, um die gewünschte Temperatur einzustellen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die beigefügten Zeichnungen zeigen in rein schematischer Weise in
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1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;
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2 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;
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3 eine perspektivische Darstellung der Ausführungsform der 2;
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4 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung;
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5 eine perspektivische Darstellung der Kühlvorrichtung aus 4;
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6 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung; und in
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7 eine Schnittdarstellung der Ausführungsform der 6 mit einer Draufsicht von oben.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele deutlich. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung zur Kühlung eines Bauteils 1, welches beispielsweise ein Bauteil einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie sein kann und durch Strahlungsbelastung eine Erwärmung erfährt. Um ein derartiges Bauteil berührungslos und somit ohne Übertragung von Erschütterungen kühlen zu können, wobei zudem zu berücksichtigen ist, dass sich ein derartiges Bauteil in einem technischen Vakuum befinden kann, ist ein Kühlkörper 2 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, welcher auf eine niedrigere Temperatur als das zu kühlende Bauteil 1 gebracht werden kann. Beispielsweise kann der Kühlkörper 2 von einem Kühlmedium durchflossen sein, welches in einer Kühleinrichtung auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt wird. Der Kühlkörper 2 weist eine Kühlfläche 3 auf, die benachbart zu der zu kühlenden Oberfläche des Bauteils 1 angeordnet wird. Im vorliegenden Fall sind an der Kühlfläche zur Vergrößerung derselben eine Vielzahl von Kühlrippen 4 vorgesehen.
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An dem Bauteil 1 sind ebenfalls Kühlrippen 5 vorgesehen, sodass sich eine komplementäre Ausbildung der Kühlfläche 3 und der zu kühlenden Fläche des Bauteils 1 ergibt. Sofern an dem zu kühlenden Bauteil 1 nur eine kleine Oberfläche zur Kühlung bereitsteht, kann an dem Bauteil 1 eine entsprechende Vergrößerung der zu kühlenden Oberfläche vorgenommen werden, indem Kühlrippen 5 zusätzlich angeordnet werden.
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Da die Kühlwirkung bei der vorliegenden Erfindung aufgrund des fehlenden Kontakts und der Vakuumumgebung ausschließlich über Wärmestrahlung erfolgt, ist es vorteilhaft, die Kühlfläche 3 und die zu kühlende Fläche des Bauteils 1 möglichst komplementär auszubilden, sodass die von dem zu kühlenden Bauteil 1 abgestrahlte Wärmestrahlung von einer entsprechenden Kühlfläche 3 des Kühlkörpers 2 aufgenommen werden kann.
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Durch die komplementäre Ausbildung von Kühlfläche 3 und zu kühlender Fläche in Form der hervorstehenden Kühlrippen 4 und 5 ist es möglich, entsprechend dem Doppelpfeil die Kühlleistung zu vergrößern, indem der Abstand zwischen dem zu kühlenden Bauteil 1 und dem Kühlkörper 2 verringert wird oder dementsprechend die Kühlleistung zu verringern, indem der Abstand vergrößert wird. Durch ein Einschieben der Kühlrippen 4 in die Zwischenräume zwischen den Kühlrippen 5 des zu kühlenden Bauteils 1 wird somit eine verstärkte Kühlung bewirkt und die zu erzielende Temperatur des Bauteils 1 kann entsprechend gesteuert bzw. geregelt werden, indem der Abstand zwischen dem zu kühlenden Bauteil 1 und dem Kühlkörper 2 verändert wird. Hierzu kann mit entsprechenden Sensoren eine geeignete Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung verwirklicht werden.
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Eine weitere Möglichkeit des Einflusses auf die Kühlleistung besteht darin die Kühlung des Kühlkörpers zu verändern, indem beispielsweise die Kühlung eines Kühlmediums, das den Kühlkörper durchfließt, verändert wird.
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Um zusätzliche eine Möglichkeit der Steuerung der Kühlleistung zu erhalten, die insbesondere in kurzer Zeit anspricht, ohne die Temperatur des Kühlkörpers 2 entsprechend verändern zu müssen, kann ein Strahlungsschutzschild 6 vorgesehen werden, welches in den Zwischenraum zwischen dem zu kühlenden Bauteil 1 und dem Kühlkörper 2 bzw. dessen Kühlfläche 3 geschoben werden kann. Das Strahlungsschutzschild 6 absorbiert und/oder reflektiert die Wärmestrahlung von dem zu kühlenden Bauteil 1, sodass die Kühlleistung des Kühlkörpers 2 verringert wird. Entsprechend kann durch eine gezielte Verwendung des Strahlungsschutzschilds 6 die Temperatur des Bauteils 1 gesteuert bzw. geregelt werden. Beispielsweise kann das Strahlenschutzschild 6 nur teilweise zwischen dem zu kühlenden Bauteil 1 und dem Kühlkörper 2 angeordnet werden oder es können verschiedene Strahlungsschutzschilde 6 zum Einsatz kommen, die unterschiedliche Abschirmungen ermöglichen, beispielsweise dadurch, dass unterschiedliches Material für das Strahlungsschutzschild verwendet wird, dass das Strahlungsschutzschild aus mehreren Schichten aufgebaut ist oder dass im Strahlungsschutzschild Öffnungen vorgesehen werden usw..
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Die 3 zeigt die Ausführungsform der 2 in einer perspektivischen Darstellung, wobei zu erkennen ist, dass das Strahlungsschutzschild 6 entsprechend dem in der 3 gezeichneten Pfeil in den Zwischenraum zwischen dem zu kühlenden Bauteil 1 und Kühlkörper 2 eingeschoben werden kann.
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Eine weitere Möglichkeit, die Kühlleistung zu beeinflussen und damit die Temperatur des zu kühlenden Bauteils einzustellen, besteht darin, zusätzlich eine Wärmequelle vorzusehen, die somit entgegen der Kühlleistung des Kühlkörpers 2 arbeitet. So könnte beispielsweise das Strahlungsschutzschild 6 beheizbar ausgebildet sein, beispielsweise durch eine Widerstandsheizung, die in dem Strahlungsschutzschild angeordnet ist.
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Alternativ dazu können separate Heizelemente vorgesehen sein, wie sie in den Ausführungsbeispielen der 4 bis 7 beschrieben sind.
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Die 4 zeigt in einer Darstellung ähnlich der 1 und 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher in dem Zwischenraum zwischen zu kühlendem Bauteil 1 und Kühlkörper 2 Heizdrähte 7 vorgesehen sind, um durch Abgabe von Wärme im Zwischenraum zwischen zu kühlendem Bauteil 1 und Kühlkörper 2 die Kühlleistung des Kühlkörpers 2 zu variieren. Die 5 ist eine perspektivische Darstellung der Ausführungsform der 4 und zeigt, wie die Heizdrähte 7 durch den Zwischenraum zwischen zu kühlendem Bauteil 1 und Kühlkörper 2 geführt sind.
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Eine weitere Variante einer zusätzlichen Wärmequelle in Verbindung mit dem Kühlkörper 2 ist in den 6 und 7 gezeigt. Hier wird Infrarotstrahlung zur Wärmeabgabe im Zwischenraum zwischen zu kühlendem Bauteil 1 und Kühlkörper 2 verwendet. Die Infrarotstrahlung 8, 10, die in den Zwischenraum zwischen zu kühlendem Bauteil 1 und Kühlkörper 2 eingestrahlt wird, erwärmt den Kühlkörper 2 und/oder das zu kühlende Bauteil 1, um so wiederum die Kühlleistung des Kühlkörpers 2 zu variieren.
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Die Infrarotstrahlung 8, 10 kann auf unterschiedliche Weise eingestrahlt werden, und zwar einerseits entlang der Kühlrippen 4, 5 oder durch separat vorgesehene Öffnungen 9, um direkt bestimmte Bereiche des zu kühlenden Bauteils 1 und/oder des Kühlkörpers 2 erwärmen zu können. Beispielsweise ist in 7 zu sehen, dass durch die Öffnung 9 im Kühlkörper bzw. einer entsprechenden Kühlrippe sowie durch weitere nachfolgende Öffnungen in den benachbarten Kühlrippen Infrarotstrahlung 8 bis zu einer Kühlrippe des zu kühlenden Bauteils 1 vordringen kann, um diese gezielt zu erwärmen. Damit ist eine definierte Temperatureinstellung des zu kühlenden Bauteils 1 in einer berührungslosen Weise unter Vakuumbedingungen möglich.
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Obwohl die Erfindung so dargestellt worden ist, dass das Bauteil 1 gekühlt werden soll und der Kühlkörper 2 eine Temperaturabsenkung des Bauteils 1 bewirkt, ist selbstverständlich auch ein genau umgekehrter Prozess in gleicher Weise möglich, dass nämlich mit einem Heizkörper anstatt eines Kühlkörpers 2 ein Bauteil 1 beheizt werden kann. Entsprechend wären die zusätzlichen Heizelemente als Kühlelemente auszuführen. Eine derartige umgekehrte Verwirklichung ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung und wird mit beansprucht, auch wenn dies in den Ansprüchen noch nicht definiert ist.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist somit klar, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen verwirklicht werden, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Die Offenbarung der vorliegenden Erfindung schließt insbesondere sämtliche Kombinationen der vorgestellten Einzelmerkmale mit ein.
