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Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für Projektionsbelichtungsanlagen der Halbleiterlithographie, insbesondere für EUV-Projektionsbelichtungsanlagen.
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Ein stets wiederkehrendes Problem beim Betrieb von Projektionsbelichtungsanlagen der Halbleiterlithographie, insbesondere von EUV-Projektionsbelichtungsanlagen, besteht darin, die beim Betrieb der Anlage entstehende Wärme effizient abzuführen bzw. die an der Abbildung beteiligten Komponenten definiert auf einem bestimmten Temperaturniveau zu halten. Damit verbunden ist in der Regel eine vergleichsweise aufwändige Temperaturregelung, bei welcher Kühleinrichtungen häufig an den Außenwänden von Aktuatoren oder auch anderen Komponenten der Anlage installiert werden. Allerdings muss für eine effiziente Wärmeabfuhr ein gewisser Kühlmitteldurchfluss erzeugt werden, wodurch sich mechanische Störungen des Gesamtsystems ergeben, was sich wiederum nachteilig auf die optische Leistungsfähigkeit der Projektionsbelichtungsanlage auswirkt.
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Die angesprochenen mechanischen Störungen durch Vibrationen der Kühlmittelleitungen können auf mehrere Ursachen zurückgehen: sie können durch mechanische Vibrationen der Bauelemente des Leitungssystems wie z. B. Pumpen oder Ventile hervorgerufen werden oder auch durch Druckschwankungen im Kühlsystem selbst entstehen (hydraulische Vibrationsquellen). Die erstgenannte Vibrationsquelle lässt sich durch eine gezielte Optimierung der Bauelemente verringern, während druckschwankungsbedingte Vibrationen der Leitungen nur schwer zu kontrollieren sind. So können die Strömungseigenschaften in den Leitungen nur in einem sehr eingeschränkten Maß beeinflusst werden, da die Parameter der Leitungen wie z. B. der Leitungsquerschnitt, die Leitungslänge oder auch das Leitungsmaterial sowie sonstige Charakteristika von dem mechanischen Aufbau abhängen und auch der Durchfluss durch die Leitungen im Wesentlichen durch die erforderliche Kühlleistung weitestgehend vorgegeben ist. Damit ergibt sich in der Regel aufgrund des erforderlichen hohen Durchflusses eine turbulente Strömung, das heißt Reynoldszahlen weit oberhalb der kritischen Reynoldszahl. Hierdurch ergeben sich regelmäßig unerwünschte Vibrationen des Rohrsystems, die sich unmittelbar nachteilig auf die Abbildungsqualität der Projektionsbelichtungsanlage auswirken. Daneben steigt durch die langandauernden mechanischen Vibrationen im Leitungssystem das Risiko einer Leckage und von mechanischem Abrieb, was eine ausgesprochen kritische Kontaminationsquelle darstellt.
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Ausgehend von der hier geschilderten Problematik stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem Kühlsystem anzugeben, bei welcher Vibrationen aufgrund dem das Kühlsystem durchströmenden Mediums gegenüber dem Stand der Technik reduziert sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung mit den in Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausführungsformen und Varianten der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie weist eine Kühlvorrichtung mit mindestens einer Kühlleitung auf, in welcher ein Kühlmittel geführt ist. Dabei ist dem Kühlmittel ein turbulenzminderndes Additiv zugesetzt. Unter einem turbulenzmindernden Additiv im Sinne der vorliegenden Erfindung wird ein Stoff verstanden, der die Reynoldszahl des Kühlmittels im Vergleich zu dem Fall, dass das Kühlmittel kein Additiv enthält, bei gegebenen sonstigen Strömungsparametern reduziert. Damit wird dem Entstehen von Turbulenzen bei einer gegebenen Durchflussmenge entgegen gewirkt und im Ergebnis die mechanische Vibrationsleistung reduziert; ferner wird der Strömungswiderstand – da es sich vorwiegend um eine laminare Strömung handelt – erheblich, beispielsweise bis auf ca. 30% gegenüber dem Fall eines Kühlmittels ohne Additive, reduziert.
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Insbesondere kann das Additiv langkettige Polymere, insbesondere mit molaren Massen zwischen 104 und 107 g/mol enthalten. So kann beispielsweise Polyacrylamid, Polyethylenoxid oder Polyisobutylen zur Anwendung kommen.
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Die Polymerkonzentration im Kühlmittel kann bevorzugt zwischen 1 und 104 ppm betragen. Eine bevorzugte Konzentration der Polymere liegt im Bereich von ca. 800 ppm, wodurch der Strömungswiderstand mindestens halbiert wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Kühlvorrichtung mindestens ein Messinstrument zur Bestimmung der Polymerkonzentration auf, um so jederzeit, insbesondere auch während des Betriebes der Anlage die Polymerkonzentration überprüfen zu können.
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Die Bestimmung der Polymerkonzentration kann dabei bevorzugt durch Streulichtanalyse, Brechungsindexanalyse oder mit Hilfe von massenspektrometrischen Analysen erfolgen, da es sich hier um nicht invasive Methoden handelt. Ebenfalls denkbar ist die Bestimmung der Polymerkonzentration durch beispielsweise rheologische Messungen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Kühlvorrichtung mindestens eine Vorrichtung zur Verringerung der Polymerkonzentration im Kühlmittel auf. Alternativ oder zusätzlich kann die Kühlvorrichtung mindestens eine Vorrichtung zur Erhöhung der Polymerkonzentration im Kühlmittel aufweisen, so dass nach erfolgter Bestimmung der Polymerkonzentration eine eventuell zu hohe oder zu niedrige Konzentration einfach und effektiv auch während des Betriebs auf einen bestimmten Sollwert eingestellt werden kann. Dabei kann der Sollwert durchaus von der momentan erforderlichen Kühlleistung abhängen, also ein dynamischer Wert sein.
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Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung von turbulenzmindernden Additiven kann es auch von Vorteil sein, wenn die Rohre der Kühlvorrichtung segmentiert ausgebildet sind, eine Reduzierung der Reynoldszahl also durch die Wahl der durchströmten Geometrie erfolgt. Auch auf diese Weise kann wirksam eine Reduktion der Vibrationsleistung im System erfolgen.
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Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn die Rohre mittels einer oder mehrerer Trennwände segmentiert sind oder koaxiale Rohre verwendet werden. Dabei können die Trennwände entlang der Strömungsrichtung verlaufen. Unter koaxialen Rohren wird der Fall verstanden, dass in einem ersten Rohr ein zweites Rohr koaxial verläuft. Das zweite Rohr kann dabei mit dem ersten mittels insbesondere radial verlaufenden Wänden oder Stegen verbunden sein. Beide Rohre werden üblicherweise von dem Kühlmittel durchströmt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine erste schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Kühlkreislaufes,
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Kühlkreislaufes mit einer Messvorrichtung,
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3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Ausgleichsbehälters mit Polymerzuleitung, einem Filtersystem zur Erniedrigung der Konzentration sowie einer Konzentrationsüberwachung,
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4 schematische Darstellungen verschiedener Rohrsysteme und ihre Querschnitte; und
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5 eine schematische Darstellung einer EUV-Projektionsbelichtungs-anlage, in welcher die Erfindung verwirklicht sein kann
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In 1 ist ein möglicher Kühlkreislauf zum Kühlen beispielsweise von Teilen einer Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einem Kühlmittelschematisch abgebildet. Das Kühlmittel kann dabei mit turbulenzmindernden Additiven, insbesondere langkettigen Polymeren, versehen sein. Bei der Projektionsbelichtungsanlage kann es sich insbesondere um eine Anlage der in 5 dargestellten Bauart, also um eine EUV-Projektionsbelichtungsanlage, handeln. Der in 1 dargestellte Kühlkreislauf weist einen Druckmesser 1 und ein Konditionierelement 2, welches zur Regulierung des Druckes, der Temperatur oder ähnlichem dienen kann, auf. Das Konditionierelement 2 kann insbesondere zum Abführen von Wärme aus dem Kühlmittel in die Umgebung dienen. Weiterhin ist eine Pumpe 3, beispielsweise eine Flügel- oder Kolbenpumpe, und ein Ausgleichsbehälter 6 dargestellt, welcher zum Ausgleich von Volumenschwankungen des Kühlmittels oder auch zum Zuführen oder Ablassen von Kühlmittel in den bzw. aus dem Kühlkreislauf dient. Der Ausgleichsbehälter 6 verfügt über ein Kühlmitteleinlassventil 4, einen Druckmesser 5 sowie über ein Kühlmittelablassventil 7, welches unter anderem zur Gewinnung von Proben zur Bestimmung der Polymerkonzentration verwendet werden kann. Weiterhin weist der in 1 abgebildete Kühlkreislauf Kühlschlangen 8 auf, die beispielsweise im Beleuchtungssystem oder im Projektionsobjektiv angeordnet sein können, um diese Systeme bzw. Komponenten der genannten Systeme zu kühlen. Diese Kühlschlangen 8 sind in 1 lediglich schematisch angedeutet – es versteht sich von selbst, dass je nach Einsatzort im System eine entsprechend angepasste Führung von Kühlschlangen bzw. Kühlkanälen zur Anwendung kommen kann. So können beispielsweise Verzweigungen in mehrere insbesondere parallel laufende Kühlkanäle vorhanden sein, die nach dem Passieren des zu kühlenden Elementes wieder zu einem Kühlkanal zusammengeführt werden können.
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2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kühlkreislaufs mit einem Kühlmittel, welches mit Additiven wie bspw. langkettigen Polymeren versetzt ist. Wie der in 1 gezeigte Kühlkreislauf weist auch dieser einen Druckmesser 1, ein Konditionierelement 2, eine Pumpe 3, einen Ausgleichsbehälter 6 sowie Kühlschlangen 8, für eine Kühlung von beispielsweise eines Beleuchtungssystems oder eines Projektionsobjektives bzw. Komponenten der genannten oder anderer Systeme einer Projektionsbelichtungsanlage auf. Der Ausgleichsbehälter 6 verfügt hier ebenfalls über ein Kühlmitteleinlassventil 4 und ein Kühlmittelablassventil 7 sowie über einen Druckmesser 5. Weiterhin zeigt das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eines Kühlkreislaufs ein Filterelement 9, welches die Polymerkonzentration im Kühlmittel senken kann. Insbesondere kann das Filterelement 9 dazu verwendet werden, degradierte Polymerketten aus dem Kühlkreislauf zu entfernen. An das Filterelement 9 schließt sich ein Messsensor 10 an, mittels welchem die Konzentration der Polymere im Kühlmittel bestimmt werden kann. Weiterhin ist eine Injektionsvorrichtung 11 gezeigt, welche geeignet ist, die Polymerkonzentration in dem vorhandenen Kühlmittel zu erhöhen. Diese Injektionsvorrichtung 11 kann beispielsweise eine oder mehrere Düsen aufweisen. Die Injektionsvorrichtung 11 sowie das Filterelement 9 sind mit einer Steuer- bzw. Regelvorrichtung 12 verbunden, mittels welcher die Polymerkonzentration auf einen gewünschten Wert eingestellt werden kann. In Abhängigkeit von der Abweichung der gemessenen Polymerkonzentration von einem Sollwert kann dann mittels der Injektionsvorrichtung 11 die Polymerkonzentration erhöht oder mittels des Filterelementes 9 verringert werden. Der Messsensor 10 kann insbesondere als optische Messvorrichtung ausgebildet sein, beispielsweise indem mittels einer Lichtquelle das in der Rohrleitung befindliche Kühlmittel durchstrahlt wird. Anhand der im Kühlmittel auftretenden Streuung kann dann die Konzentration der Polymerketten im Kühlmittel bestimmt werden. Alternativ kann auch die etwas aufwendigere Methode der Massenspektrometrie zur Anwendung kommen.
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3 zeigt ein mögliches Ausführungsbeispiel eines aus den 1 und 2 bekannten Ausgleichsbehälters 6. Dieser hier schematisch dargestellte Ausgleichsbehälter 6 verfügt über einen Kühlmittelzu- 13 und rücklauf 14. Eine zugehörige Messeinheit 15 kontrolliert die Polymerkonzentration im Kühlmittel. Weiterhin weist der Ausgleichsbehälter 6 ein Filtersystem 16 für die Verringerung der Polymerkonzentration im Kühlmittel sowie eine Polymerzuleitung 17, zur Erhöhung der Polymerkonzentration auf, so dass eine optimale Polymerkonzentration im Kühlmittel gewährleistet werden kann und dadurch der Turbulenzgrad so gering wie möglich gehalten wird.
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Die Leitungen oder Rohre 18, welche für einen vorher beschriebenen Kühlkreislauf verwendet werden, können in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein, was in 4 schematisch dargestellt ist.
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Die Leitungen oder Rohre 18 des Kühlsystems können entweder ohne Segmentierung 18 oder in mehrere Segmente 19 und 19a mittels einer oder mehrerer Trennwände 20 ausgebildet sein. Eine Segmentierung 19 und 19a des Rohres 18 verkleinert die Reynoldszahl der jeweiligen Strömung im Rohrsegment 19, 19a und somit auch den Turbulenzgrad. Weiterhin ist es möglich, als Rohr 18 ein koaxiales Rohr 18.1 zu verwenden, was ebenfalls die Reynoldszahl der jeweiligen Strömung im Rohrsegment 19, 19a und somit den Turbulenzgrad verringert.
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In 5 ist rein schematisch eine EUV-Projektionsbelichtungsanlage 111 dargestellt, bei welcher das erfindungsgemäße Konzept verwirklicht ist. Die Projektionsbelichtungsanlage 111 zeigt eine Lichtquelle 112, ein EUV-Beleuchtungssystem 113 zur Ausleuchtung eines Feldes in einer Objektebene 114, in welcher eine strukturtragende Maske angeordnet ist, sowie ein Projektionsobjektiv 115 mit einem Gehäuse 116 und einem Strahlenbündel 120 zur Abbildung der strukturtragenden Maske in der Objektebene 114 auf ein lichtempfindliches Substrat 117 zur Herstellung von Halbleiterbauelementen. Das Projektionsobjektiv 115 weist zur Strahlformung als Spiegel 118 ausgebildete optische Elemente auf. Auch das Beleuchtungssystem 113 weist derartige optische Elemente zur Strahlformung bzw. Strahlleitung auf. Diese sind jedoch in 5 nicht näher dargestellt.
