DE102015206114A1

DE102015206114A1 - Kühler zur Verwendung in einer Vorrichtung im Vakuum

Info

Publication number: DE102015206114A1
Application number: DE102015206114.0A
Authority: DE
Inventors: Willi Anderl; Bernhard Weigl; Ann-Kathrin Wandner; Holger Kierey; Arno Schmittner; Markus Bauer; Marcus Schmelzeisen; Andreas Kolloch
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2015-04-07
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2016-05-25
Also published as: US10303067B2; US20160299443A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühler (34) zur Verwendung in einer Vorrichtung im Vakuum, wobei der Partialdruck des Kühlmediums in der Vakuumumgebung im Betrieb des Kühlers (34) kleiner als 10–3 mbar beträgt, umfassend: einen Kühlkörper (36), wobei im Kühlkörper (36) ein vom Kühlmedium durchströmter Hohlraum (35) ausgebildet ist, und wobei der Kühlkörper (36) ein Anschlusselement (42) umfasst, welches ein Ende des vom Kühlmedium durchströmten Hohlraums (35) umgibt; und ein Verbindungsstück (40) zur Anbindung einer Kühlmittelleitung (38) an den Hohlraum (35). Dabei umfasst das Verbindungsstück (40) einen Mantel (44), welcher durch einen thermischen Verbindungsprozess an dem Anschlusselement (42) befestigt ist, wobei zwischen dem Mantel (44) und dem Anschlusselement (42) eine zwischenliegende Schicht (46) angeordnet ist, und wobei der Mantel (44) in Richtung auf das Anschlusselement (42) eine Kraft derart ausübt, dass die zwischenliegende Schicht (46) bei Betrieb des Kühlers in radialer Richtung unter Druckspannung steht.

Description

Hintergrund
Die Erfindung betrifft einen Kühler zur Verwendung im Vakuum, wie beispielsweise in einer Plasmaerzeugungskammer einer Strahlungsquelle für den extremen ultravioletten Wellenlängenbereich, bei einer Synchrotronquelle oder bei einem Freie-Elektronen-Laser. Der Kühler umfasst einen Kühlkörper, wobei in dem Substratmaterial ein vom Kühlmittel durchströmter Hohlraum ausgebildet ist. Ferner beinhaltet der Kühler ein Anschlussstück aus einem Metall oder einer Metalllegierung zum Anschluss einer Kühlmittelleitung an den Kühlmittelkanal und ein Verbindungselement zur Verbindung des Anschlussstückes mit dem Kühlkörper, so dass bei Verbindung des Anschlussstücks mit dem Kühlkörper durch den Kühlmittelkanal und die Kühlmittelleitung eine durchgängige Leitung gebildet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein optisches Element, insbesondere ein reflektives optisches Element, mit einem solchen Kühler und ein Verfahren zur Anbindung einer Kühlmittelleitung an einen Kühlmittelkanal bei einem Kühler einer Vorrichtung im Vakuum.
Nano- und mikrostrukturierte Bauteile der Elektrotechnik und der Mikrosystemtechnik werden in der Regel mit Hilfe lithographischer Prozesse hergestellt, in denen die zu erzeugenden Strukturen von einer Maske, welche die Strukturen aufweist, mittels einer Projektionsbelichtungsanlage in verkleinertem Maßstab auf das Bauteil abgebildet werden.
Um Anforderungen nach immer kleineren Strukturen mit ausreichender Auflösung nachkommen zu können, werden Lithographie-Projektionsbelichtungsanlagen zunehmend mit Licht im ultravioletten Wellenlängenbereich betrieben, mit dem Ziel, auch Lithographie-Projektionsbelichtungsanlagen im extremen ultravioletten (EUV) Wellenlängenbereich zu betreiben. Solche EUV-Projektionsbelichtungsanlagen stellen besondere Anforderungen an die optischen Elemente zur Strahlbeeinflussung. So stehen zum Beispiel praktisch keine Materialien für die Herstellung von refraktiven optischen Elementen zur Verfügung, die für EUV-Wellenlängenbereiche einen hinreichenden Transmissionsgrad aufweisen. Aus diesem Grunde kommen in EUV-Projektionsbelichtungsanlagen vorrangig reflektive optische Elemente zur Strahlbeeinflussung zum Einsatz. EUV-Projektionsbelichtungsanlagen mit reflektiven optischen Elementen sind beispielsweise in der US 2006/0227826 A1 und in der DE 10 2007 052 885 A1 offenbart.
EUV-Projektionsbelichtungsanlagen benötigen Vorrichtungen zur Erzeugung einer elektromagnetischen Strahlung im extremen ultravioletten Wellenlängenbereich (im Folgenden als „EUV-Strahlungsquellen“ bezeichnet). Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, solche EUV-Strahlungsquellen als LPP-Strahlungsquellen (Laser Produced Plasma, lasererzeugtes Plasma) oder als DPP-Strahlungsquellen (Discharged Produced Plasma, gasentladungserzeugtes Plasma) auszuführen. LPP-Strahlungsquellen sind beispielsweise in den Druckschriften US 2008/0073598 A1 und DE 10 2011 086 565 A1 offenbart.
Das zur Strahlungsgenerierung erforderliche Plasma wird in EUV-Strahlungsquellen in der Regel in einer Plasmaerzeugungskammer generiert, in der außer Mitteln zur Plasmaerzeugung auch optische Elemente angeordnet sein können. Zum Schutz der optischen Elemente in der Plasmaerzeugungskammer wird häufig ein Spül- oder Reinigungsgas durch die Plasmaerzeugungskammer geleitet. Ferner verfügen EUV-Strahlungsquellen über eine Unterdruckeinrichtung, mit der ein Unterdruck (Vakuum) in der Plasmaerzeugungskammer einstellbar ist. Für die Plasmaqualität ist es insbesondere wichtig, dass möglichst geringe Mengen an O₂ und H₂O in der Plasmakammer vorhanden sind, so dass insbesondere wasserführende Leitungen in der Plasmakammer eine hohe Dichtigkeit aufweisen sollten. EUV-Strahlungsquellen mit Plasmaerzeugungskammern, Spülvorrichtungen und Unterdruckeinrichtungen sind beispielsweise aus den oben bereits erwähnten US 2008/0073598 und DE 10 2011 086 565 A1 bekannt.
Beim Betrieb einer EUV-Strahlungsquelle sind die Bauteile in der Plasmaerzeugungskammer und die Plasmaerzeugungskammer selbst hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Aus diesem Grund sind häufig Kühlvorrichtungen zur Temperierung von Bauteilen in der Plasmaerzeugungskammer angeordnet, die mit einem Kühlmedium versorgt werden.
In der US 2006/0227826 A1 ist ein Kollektorspiegel mit einem Kühler zur Verwendung in einer Plasmaerzeugungskammer einer EUV-Strahlungsquelle offenbart. Der Kollektorspiegel weist ein Substrat auf, in das Kanäle eingearbeitet sind, die von einem Wärmetransportmedium durchströmt sein können. An den Stellen, an denen die Kanäle in eine Oberfläche des Kollektorspiegels ausmünden, sind die Kanäle mit Anschlussstücken mit Gewinden versehen, in die eine Zuleitung für das Wärmetransportmedium einfach eingeschraubt werden kann.
Nachteilig an dem in der US 2006/0227826 A1 offenbarten Kühler des Kollektorspiegels ist, dass die Gefahr besteht, dass an der Anschlussstelle zwischen dem Kanal im Substrat und der Zuleitung ein Teil des Wärmetransportmediums in die Plasmaerzeugungskammer entweicht, diese kontaminiert und sich dort auf optisch wirksame Oberflächen der optischen Elemente niederschlägt oder anlagert, wodurch die Funktion der EUV-Strahlungsquelle und der EUV-Projektionsbelichtungsanlage beeinträchtigt ist oder das für den Betrieb nötige Vakuum dadurch verschlechtert wird.
Aus der DE 10 2009 039 400 A1 ist ein weiterer Kollektorspiegel für EUV-Anwendungen bekannt, der einen Kühler mit Kühlkanälen aufweist. Bei diesem Kühler werden Anschlüsse für Kühlmittelleitungen angeklebt, angelötet oder angeschweißt. Da die Anschlussstücke für die Kühlmittelleitungen und der Kühler beziehungsweise Kollektorspiegel jedoch häufig aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind, weisen sie in der Regel unterschiedliche thermale Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass bei Temperaturänderungen während der Herstellung oder im Betrieb des Kühlers Spannungen in der Verbindungsschicht und den Bauteilen auftreten, die zu einer plastischen Deformation, Mikrorissen in der Verbindungsschicht oder im Extremfall zu einem Versagen der Verbindung führen können. Zug- und Scherspannungen im Kleber oder in der Lot- oder Schweißschicht können zudem dazu führen, dass minimale in der Verbindungsschicht vorhandene Schwachstellen oder Leckagekanäle aufgeweitet werden, so dass sich eine Leckrate bei fortlaufendem Betrieb des Kühlers (insbesondere bei wechselnden Thermallasten) verschlechtert. Nachteilig an einer Klebeverbindung ist weiterhin, dass ein Teil des Kühlmittels oder von im Kühlmittel gelösten Gasen durch Permeation in die Umgebung entweichen kann. Im schlimmsten Fall kann dies dazu führen, dass ein Kühler, der bei einer Endkontrolle nach der Herstellung nicht beanstandet wurde, im Betrieb undicht wird und versagt.
Überblick über die Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Kühler zur Verwendung im Vakuum bereitzustellen, der sich durch eine verbesserte und langzeitstabile Abdichtung auszeichnet.
Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein optisches Element mit einem Kühler zur Verwendung in einer Plasmaerzeugungskammer einer Strahlungsquelle für einen extremen ultravioletten Wellenlängenbereich bereitzustellen, wobei sich der Kühler durch eine verbesserte und langzeitstabile Abdichtung auszeichnet.
Eine dritte Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Anbindung einer Kühlmittelleitung an einen Kühlmittelkanal bei einem Kühler einer Vorrichtung im Vakuum bereitzustellen, wobei sich der Kühler durch eine verbesserte Abdichtung auszeichnet.
Die Aufgaben werden durch einen Kühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein optisches Element mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Ein Kühler zur Verwendung in einer Vorrichtung im Vakuum, wobei der Partialdruck des Kühlmediums in der Vakuumumgebung im Betrieb des Kühlers kleiner als 10^–3 mbar beträgt, umfasst einen Kühlkörper, wobei im Kühlkörper ein vom Kühlmedium durchströmter Hohlraum ausgebildet ist, und wobei der Kühlkörper mindestens ein Anschlusselement umfasst, welches mindestens ein Ende des vom Kühlmedium durchströmten Hohlraums umgibt. Das Anschlusselement des Kühlkörpers kann dabei beispielsweise als ein Stutzen, der aus dem Kühlkörper herausragt, oder als eine Öffnung im Kühlkörper ausgebildet sein. Dieser Kühler kann bei einer Vielzahl von Vorrichtungen im Vakuum verwendet werden, wie beispielsweise bei einer Plasmaerzeugungskammer einer Strahlenquelle für den extremen ultravioletten Wellenlängenbereich, bei einer Synchrotron-Strahlenquelle, bei einem Freie-Elektronen-Laser oder bei anderen Anwendungen, bei denen eine hohe Dichtigkeit des Kühlers erforderlich ist. Weiterhin umfasst der Kühler ein Verbindungsstück zur Anbindung einer Kühlmittelleitung an den Hohlraum.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verbindungsstück einen Mantel, welcher durch einen thermischen Verbindungsprozess an dem Anschlusselement befestigt ist. Der thermische Verbindungsprozess kann dabei Aufschrumpfen des Mantels bei elastischer, oder bei elastischer und plastischer Verformung des Mantels umfassen. Der thermische Verbindungsprozess umfasst auch Verbindungen, wobei Mantel und Anschlusselement bereits vor dem Erwärmen aneinander gepasst werden können und durch das Erwärmen der Mantel und/oder das Anschlusselement elastisch und plastisch verformt werden. Der Mantel kann dabei entweder das Anschlusselement umschließen, oder er kann innerhalb des Anschlusselements angeordnet sein. Der Mantel und das Anschlusselement können dabei jeweils unterschiedliche Formen und Querschnitte aufweisen, z.B. zylinderförmig, konisch, oder nicht-rotationssymmetrisch. Zwischen dem Mantel und dem Anschlusselement ist eine zwischenliegende Schicht angeordnet, und der Mantel übt in Richtung auf das Anschlusselement eine Kraft derart aus, dass die zwischenliegende Schicht bei Betrieb des Kühlers hauptsächlich in radialer Richtung unter Druckspannung steht. Die radiale Richtung ist hierbei, unabhängig von der Form des Mantels und des Anschlusselements, als eine Richtung vom Mantel zum Anschlusselement definiert.
Durch die vom Mantel auf das Anschlusselement ausgeübte Druckspannung werden Mikrokanäle und -risse in der zwischenliegenden Schicht verhindert oder geschlossen, so dass die Dichtigkeit des Kühlers verbessert werden kann. Insbesondere kann die Dichtigkeit auch bei Temperaturänderungen im Betrieb des Kühlers sichergestellt werden, da die zwischenliegende Schicht auch bei Temperaturänderungen des Kühlers unter Druckspannung steht, und somit trotz möglicherweise unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten des Anschlusselements und des Mantels sichergestellt wird, dass sich keine Mikrokanäle und -risse in der zwischenliegenden Schicht bilden.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Mantel aus einem ersten Material hergestellt ist, und dass das Anschlusselement aus einem zweiten Material hergestellt ist, wobei die Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, und wobei der Mantel und das Anschlusselement derart angeordnet sind, dass das außen liegende Material einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das innen liegende Material. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das jeweils außen liegende Material bei Temperaturschwankungen bei Betrieb des Kühlers konstant eine Druckspannung auf die zwischenliegende Schicht ausübt.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Mantel bei dem Verbindungsprozess mit dem Anschlusselement elastisch verformt worden ist oder elastisch und plastisch verformt worden ist, dass die zwischenliegende Schicht elastisch und plastisch verformt worden ist und dass das Anschlusselement elastisch verformt worden ist. Alternativ, falls das Material des Anschlusselements einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Mantels, kann vorgesehen sein, dass das Anschlusselement bei dem Verbindungsprozess mit dem Mantel elastisch verformt worden ist oder elastisch und plastisch verformt worden ist, dass die zwischenliegende Schicht elastisch und plastisch verformt worden ist und dass der Mantel elastisch verformt worden ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Mantel aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung hergestellt ist, wie beispielsweise aus nicht gehärtetem Edelstahl, der eine gute Umformbarkeit aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Anschlusselement aus einem spröd-harten Werkstoff, wie beispielsweise aus einem Keramikmaterial, Glas, Glaskeramik oder Silizium hergestellt ist. Das Anschlusselement kann hierbei integral mit dem Kühler geformt sein, oder das Anschlusselement kann am Kühler befestigt sein. Insbesondere können der Kühlkörper und das Anschlusselement aus einem Keramikmaterial geformt sein, wie beispielsweise aus siliziuminfiltrierten Siliziumkarbid (SiSiC), Zerodur oder aus Glaskeramik wie beispielsweise ULE (Ultra Low Expansion Glass). Manche dieser Materialien, wie beispielsweise SiSiC, zeichnen sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus und eignet sich daher besonders für einen Einsatz bei einem Kühlkörper. Andere Materialien, wie beispielsweise Zerodur oder Glaskeramik, weisen einen besonders niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aus, so dass sie sich auch bei starken Temperaturschwankungen im Betrieb des Kühlers nur geringfügig verformen.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die zwischenliegende Schicht eine Lotschicht umfasst. Hierbei können Weichlote verwendet werden, welche typischerweise bei Temperaturen um 190–250°C schmelzen, und welche üblicherweise auf Zinn/Blei oder Zinn/Silber-Legierungen basieren. Alternativ können auch Hartlote verwendet werden, wie beispielsweise Nickel-Legierungen, welche typischerweise bei Temperaturen um 600–900°C verarbeitet werden, oder Aktivlote, welche bei Temperaturen bis über 1000°C verarbeitet werden. Alternativ kann die zwischenliegende Schicht auch eine Kleberschicht, wie beispielsweise Epoxidkleber oder Keramikkleber, umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die vorliegende Erfindung ein optisches Element mit einem Kühler zur Verwendung in einer Plasmaerzeugungskammer einer Strahlungsquelle für einen extremen ultravioletten Wellenlängenbereich, wobei der Kühler wie voranstehend beschrieben ausgestaltet ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anbindung einer Kühlmittelleitung an einen von Kühlmittel durchströmten Hohlraum bei einem Kühler einer Vorrichtung im Vakuum, umfassend:

– Aufbringen einer Lotschicht auf ein Anschlusselement des Kühlkörpers, wobei das Anschlusselement ein Ende des Hohlraums umgibt;
– Bereitstellen eines Verbindungsstücks zur Anbindung der Kühlmittelleitung an den Hohlraum, wobei das Verbindungsstück einen Mantel umfasst;
– Erwärmen der Lotschicht und des Mantels;
– Positionieren des Mantels derart, dass der Mantel an der Lotschicht anliegt, und
– Abkühlen der Lotschicht und des Mantels, so dass der Mantel eine Kraft in radialer Richtung auf die Lotschicht ausübt und diese unter Druckspannung setzt. Hierbei verbindet die Lotschicht den Mantel und das Anschlusselement.

Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Mantel aus einem ersten Material und das Anschlusselement aus einem zweiten Material hergestellt sind, wobei die Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, und wobei der Mantel und das Anschlusselement derart angeordnet sind, dass das außen liegende Material einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das innen liegende Material.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Lotschicht und der Mantel auf eine Temperatur erwärmt werden, welche größer ist als die Schmelztemperatur des in der Lotschicht vorhandenen Lots, und dass der Mantel beim Abkühlen elastisch verformt wird oder elastisch und plastisch verformt wird und dass die Lotschicht elastisch und plastisch verformt wird.
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:
1: eine schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage für EUV-Anwendungen;
2: eine schematische Darstellung einer Plasmaerzeugungskammer mit einem erfindungsgemäßen Kühler;
3: eine Ausführungsform einer Anbindung eines Verbindungsstücks an einen Anschlussstutzen eines Kühlkörpers;
4: eine weitere Ausführungsform einer Anbindung eines Verbindungsstücks an einen Anschlussstutzen eines Kühlkörpers;
5: eine weitere Ausführungsform einer Anbindung eines Verbindungsstücks an einen Anschlussstutzen eines Kühlkörpers;
6: eine weitere Ausführungsform einer Anbindung eines Verbindungsstücks an einen Anschlussstutzen eines Kühlkörpers;
7: eine weitere Ausführungsform einer Anbindung eines Verbindungsstücks an einen Anschlussstutzen eines Kühlkörpers;
8: eine weitere Ausführungsform einer Anbindung eines Verbindungsstücks an einen Anschlussstutzen eines Kühlkörpers; und
9: eine Ausführungsform, bei der ein Mantel eines Verbindungsstücks innerhalb eines Anschlusselements eines Kühlkörpers angeschlossen ist.
Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 der prinzipielle Aufbau einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie beschrieben. Eine derartige Projektionsbelichtungsanlage 1 weist eine EUV-Strahlungsquelle 2 auf, in der elektromagnetische Strahlung in einem EUV-Wellenlängenbereich, das heißt mit einer Wellenlänge zwischen 10 und 15 nm, insbesondere mit einer Wellenlänge von 13,5 nm erzeugt, gebündelt und in Richtung eines Beleuchtungssystems 4 emittiert wird. Das Beleuchtungssystem 4 beinhaltet eine erste Gruppe von Spiegeln 5, mit deren Hilfe der EUV-Strahl geformt wird, so dass eine Maske 17 ausleuchtet ist. Die Maske 17 trägt eine Mikrostruktur, welche auf einen Wafer 18 in verkleinertem Maßstab abgebildet wird. Die Abbildung der Maske 17 auf den Wafer 18 erfolgt mit Hilfe einer Projektionsoptik 16, die aus einer zweiten Gruppe von Spiegeln 6 aufgebaut ist.
In 2 ist exemplarisch der Aufbau einer EUV-Strahlungsquelle 2 dargestellt. Die EUV-Strahlungsquelle ist als LPP-Strahlungsquelle aufgebaut und umfasst eine Plasmaerzeugungskammer 20, in der das Plasma gebildet wird. Mit Hilfe einer Vakuumpumpe 21 lässt sich in der Plasmaerzeugungskammer 20 ein Unterdruck erzeugen, der beispielsweise 1 mbar absolut oder weniger betragen kann. Hierbei ist der Partialdruck von Bestandteilen, die kein Wasserstoff sind, üblicherweise noch deutlich niedriger als 1mbar. Dadurch wird die Bildung eines Plasmas erleichtert. Der Unterdrucks führt darüber hinaus zu einer geringeren Absorption der EUV-Strahlung.
In die Plasmaerzeugungskammer kann ein Plasmaerzeugungsmaterial 23 mit Hilfe einer Einspritzvorrichtung 22 bevorzugt tröpfchenweise eingebracht werden. Als Plasmaerzeugungsmaterial 23 kann beispielsweise Zinn (Sn), Gadolinium (Gd) oder Xenon (Xe) verwendet werden. Die Einspritzvorrichtung 22 ist dabei so ausgebildet und ausgerichtet, dass die von der Einspritzvorrichtung 22 abgegebenen Tröpfchen 26 des Plasmaerzeugungsmaterials 23 in einen ersten Brennpunkt 25 eines beispielsweise ellipsoidal ausgestalteten Kollektors 24 befördert werden.
Außerhalb der Plasmaerzeugungskammer ist ein bevorzugt gepulst arbeitender Laser 28 angeordnet, mit dessen Hilfe ein Laserstrahl 27 erzeugbar ist, der durch ein Eintrittsfenster 29 in die Plasmaerzeugungskammer 20 einleitbar ist. Nach dem Eintritt in die Plasmaerzeugungskammer 20 wird der Laserstrahl 27 an einem Spiegel 30 in Richtung des ersten Brennpunkts des Kollektors 24 umgelenkt. Die Taktraten und die Ausrichtungen des Lasers 28 und der Einspritzvorrichtung 22 sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass der Laserstrahl im ersten Brennpunkt oder möglichst nahe am ersten Brennpunkt auf ein Tröpfchen 26 des Plasmaerzeugungsmaterials 23 trifft. Durch die Laserbestrahlung verdampft das Tröpfchen 26 schlagartig und verwandelt sich in ein Plasma, wobei eine EUV-Strahlung 3 entsteht.
Die auf diese Weise erzeugte EUV-Strahlung 3 ist zunächst ungerichtet. Ein großer Teil der EUV-Strahlung wird durch den Kollektorspiegel gebündelt und nach Durchtritt durch ein Austrittsloch 32 der Plasmaerzeugungskammer 20 in einem zweiten Brennpunkt 31 des beispielsweise ellipsoidal ausgestalteten Kollektors 24 fokussiert.
Insbesondere der Kollektor 24, in dessen unmittelbarer Nähe das Plasma erzeugt wird, ist einer hohen thermischen Belastung sowie einer hohen Strahlungsbelastung und einem möglichen Beschuss durch Tröpfchen oder Tröpfchenresten des Plasmaerzeugungsmaterial oder chemischer Reaktionskomponenten desselben ausgesetzt, so dass es zu Überhitzung und Beschädigungen insbesondere an der Oberfläche des Kollektors und zu Ablagerungen kommen kann. In abgeschwächter Form gilt dies auch für die anderen in der Plasmaerzeugungskammer angeordneten optischen Elemente wie den Spiegel 30. Solche Beschädigungen oder Ablagerungen beeinträchtigen das Reflexionsverhalten der optischen Elemente und führen zu einer Wirkungsgradverschlechterung der EUV-Projektionsbelichtungsanlage. Um diese Gefahr zu verringern, verfügt die EUV-Strahlungsquelle 2 über Spülvorrichtungen 33, die eine Zuführung eines Spülgases zum Schutz der optischen Komponenten ermöglichen. Als Spülgas können beispielsweise reaktionsträge, inaktive Gase wie Argon Ar, Helium He, Stickstoff N2 oder Krypton Kr oder aber reaktionsaktive Gase wie H₂, mit deren Hilfe insbesondere eine reinigende chemische Reaktion mit den auf den Oberflächen der optischen Elemente vorhandenen Ablagerungen hervorgerufen werden kann, eingesetzt werden.
Aufgrund der hohen thermischen Belastung umfassen optische Elemente in einer Plasmaerzeugungskammer häufig einen Kühler oder sie sind mit einem Kühler über wärmeleitende Verbindungen gekoppelt. In diesem Ausführungsbeispiel beinhaltet der Kollektor 24 einen Kühler 34 mit einem Kühlkörper 37 aus einem Substratmaterial 36, in dem ein Kühlkanal 35 eingearbeitet ist. Der Kühler 34 ist dazu ausgelegt, Wärmemengen von 5 kW und mehr abzuführen. Als Substratmaterial 36 wird bevorzugt ein Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 50 W/mK verwendet, um einen guten Wärmetransport von einer reflektiven Oberfläche des Kollektors zu dem Kühlkanal 35 im Substratmaterial 36 zu gewährleisten. Insbesondere kann das Substratmaterial ein keramisches Material wie Siliziumkarbid SiC oder siliziuminfiltriertes Siliziumkarbid SiSiC umfassen. Allgemein werden gemäß einer Ausführungsform spröd-harte Werkstoffe mit geringer thermischer Ausdehnung verwendet, wie beispielsweise Keramikmaterial, Glas, Glaskeramik oder Silizium. Alternativ kann, wie unten in Zusammenhang mit 9 beschrieben, der Kühler 34 auch aus Metall oder aus einem anderen Material mit hoher thermischer Ausdehnung hergestellt sein.
Der Kühlkanal 35 ist mit einem Kühlmedium durchströmbar, welches dem Kühler über Kühlmittelleitungen 38, 39 zu- beziehungsweise abgeführt wird. Als Kühlmedium ist in diesem Ausführungsbeispiel Wasser vorgesehen. Die Kühlmittelleitungen 38, 39 sind bevorzugt aus Edelstahl hergestellt und können verschiedene strömungsleitende Elemente wie Rohre, Vakuumdurchführungen oder Bälge umfassen.
Die Kühlmittelleitungen 38, 39 sind über Verbindungsstücke 40 mit dem Kühlkörper 36 verbunden, wobei die Verbindungsstücke 40 entweder als separates Verbindungselement mit einem ersten Anschluss zur Verbindung mit dem Kühlkörper und einem zweiten Anschluss zur Verbindung mit der Kühlmittelleitung 38, 39 oder als integraler Bestandteil der Kühlmittelleitung 38, 39 ausgeführt sind. Wenn das Verbindungsstück als separates Verbindungselement ausgebildet ist, können die Kühlmittelleitungen 38, 39 zum Beispiel über eine VCR-Verbindung aus Edelstahl angebunden werden.
Wenn der Kühler und das reflektive optische Element als ein integrales Bauteil ausgeführt sind, sind Ein- und Austrittsöffnungen des Kühlkanals sowie die den Ein- und Austrittsöffnungen zugeordneten Verbindungsstücke bevorzugt wie in 2 gezeigt an den Seiten des Kühlers 34 angeordnet, die der reflektiven Seite abgewandt sind. Damit werden Anschlusskräfte, die an den Verbindungsstellen der Kühlmittelleitung mit dem Kühlkörper entstehen können, von der optisch wirksamen Seite des optischen Elements ferngehalten, so dass die Gefahr von Deformationen verringert ist.
Dabei müssen alle Anschlüsse vakuumdicht sein, damit verhindert werden kann, dass Kühlmittel austritt und sich auf den optischen Oberflächen niederschlägt oder das Vakuum verschlechtert.
3 zeigt eine Detailansicht einer Ausführungsform des Kühlers 34. Hierbei ist das Substratmaterial 36 an einem Ende des Kühlkanals 35 derart geformt, dass ein Anschlussstutzen 42 als ein Anschlusselement gebildet wird, an dem das Verbindungsstück 40 befestigbar ist. Mittels des Verbindungsstücks 40 ist dann die Kühlmittelleitung 38, 39 an den Kühlkanal 35 anschließbar.
Das Verbindungsstück 40 umfasst einen Mantel 44, welcher zumindest einen Abschnitt des Anschlussstutzens 42 krempenartig umschließt. Zwischen dem Mantel 44 und dem Anschlussstutzen 42 ist eine Lotschicht 46 angeordnet. Die Kühlmittelleitung 38, 39 ist an den Mantel 44 angebunden, beispielsweise über eine VCR-Verbindung aus Edelstahl. Der Mantel 44 ist aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung, beispielsweise aus Edelstahl, gefertigt und ist durch Aufschrumpfen auf dem Anschlussstutzen 42 befestigt. Beim Aufschrumpfen auf den Anschlussstutzen 42 wird der Mantel 44 bis in den plastischen Verformungsbereich aufgeweitet, so dass der Mantel 44 nach dem Erkalten eine Druckspannung auf den Anschlussstutzen 42 überträgt, wobei die zwischen dem Anschlussstutzen 42 und dem Mantel 44 angeordnete Lotschicht komprimiert wird.
Der Innendurchmesser D_i des Anschlussstutzens 42 liegt bei der in 3 beispielhaft gezeigten Ausführungsform im Bereich zwischen 4 und 20 mm, die Wanddicke b beträgt mindestens 3 mm und die Länge l, auf der der Mantel 44 den Anschlussstutzen 42 überlappt, liegt zwischen 5 und 20 mm.
Das Lot im zylindrischen Spalt zwischen Mantel 44 und Anschlussstutzen 42 erfährt beim Abkühlen von Löt- auf Raumtemperatur Druckspannungen, die durch den Lötprozess eingebrachte Leckagekanäle eher einengen als aufweiten und somit nicht zu einer Verschlechterung der Leckrate führen. Der vom Mantel 44 umgebene Abschnitt des Anschlussstutzens 42 erfährt durch den aufgeschrumpften Mantel Druckspannungen, wie weiter unten detailliert erläutert werden wird. Keramikmaterialien sind üblicherweise unempfindlich gegenüber Druckspannungen bis zu einer Maximalgrenze von 200MPa. Allerdings treten bei der in 3 gezeigten Ausführungsform im Bereich unmittelbar unterhalb des Mantels 44 Zugspannungen an der Oberfläche auf, welche bei Keramikmaterialien minimiert werden sollten. Diese Zugspannungen sind umso höher, je höher die Prozesstemperatur (z.B. beim Löten) ist, je höher die Streckgrenze des Metalls des Mantels 44 ist und je höher der Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) von Mantel 44 und Anschlussstutzen 42 ist. Durch geeignete Wahl der Parameter kann die maximale Spannung im Anschlussstutzen 42 beeinflusst werden.
Ein beispielhafter Wert für die maximale Zugspannung, welcher einer Ausfallwahrscheinlichkeit von < 10^–5 entspricht beträgt etwa 50 MPa für SiSiC als Substratmaterial. Diese maximale Spannung wird beispielsweise für einen Anschlusssutzen 42 mit einem Außendurchmesser von 25 mm und einer Wanddicke von ca. 5 mm und für einen Mantel mit einer Wanddicke von 1 mm, bei einer Löttemperatur von 220°C, einem CTE des Metallmantels von 16·10^–6 K^–1, einem CTE des Keramikmaterials von 2,5·10^–6 K^–1 und der Streckgrenze des als Mantelmaterial gewählten Edelstahls von 220 MPa erreicht. Beim Abkühlen von Löttemperatur auf Raumtemperatur erfährt hierbei der Edelstahl, aus dem der Mantel 44 geformt ist, bereits plastische Deformation. Wenn ein Metallmaterial mit einer höheren Streckgrenze für den Mantel 44 gewählt wird, ist auch die maximale Zugspannung in dem Keramikmaterial des Anschlussstutzens 42 nach dem Aufschrumpfen des Mantels 44 größer. Um die maximalen Zugspannungen im Anschlussstutzen 42 gering zu halten, können daher duktile, verformbare Edelstähle verwendet werden, deren Streckgrenze Rp 0,2 im Bereich zwischen 200 und 250 MPa liegt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Anbindung des Verbindungsstücks 40 an den Anschlussstutzen 42, wobei im Anschlussstutzen eine Aussparung 48 zur Deformationsentkopplung und zur Entlastung von Scherspannungen im Anschlussstutzen 42 und in der Lotschicht vorgesehen ist. Der Bereich maximaler Zugspannung im Anschlussstutzen 42 liegt bei dem in 3 gezeigten Beispiel im Übergangsbereich zwischen dem vom Mantel 44 umschlossenen Abschnitt und dem nicht vom Mantel 44 umschlossenen Abschnitt des Anschlussstutzens 42. Um in diesem Bereich eine Entlastung zu erreichen, kann zunächst sichergestellt werden, dass der Bereich maximaler Zugspannung in guter Qualität (beispielsweise mit einem Mittenrauwert Ra < 1,6) geschliffen und frei von Mikrorissen ist. Eine weitere Entlastung kann durch einen Entlastungsschlitz oder durch die Aussparung 48 erzielt werden. Die Aussparung 48 kann hierbei beispielsweise durch einen einfachen Radius in Form eines Kreisabschnitts ausgeführt sein, so dass der Außendurchmesser des Anschlussstutzens 42 in dem nicht vom Mantel 44 umschlossenen Abschnitt kleiner ist als in dem vom Mantel 44 umschlossenen Abschnitt.
Wie in 5 gezeigt, kann alternativ auch eine Deformationsentkopplung durch Ausbilden eines Kragens 50 im Anschlussstutzen erzielt werden, so dass der der Außendurchmesser des Anschlussstutzens 42 in dem nicht vom Mantel 44 umschlossenen Abschnitt größer ist als in dem vom Mantel 44 umschlossenen Abschnitt.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der zur Spannungsentkopplung des auf den Anschlussstutzen 42 aufgeschrumpften Bereichs des Mantels 44 und der Verbindung zwischen dem Mantel 44 und der daran angeschlossenen Kühlmittelleitung 38 ein Spalt 52 vorgesehen ist, welcher zwischen einem Endbereich des Anschlussstutzens 42 und einer Schulter 54 des Mantels 44 gebildet ist. Dieser Spalt 52 dient als Übergang von einem größeren Durchmesser im Anschlussstutzen 42 auf einen kleineren Durchmesser der Kühlmittelleitung im Mantel 44.
In der Ausführungsform, die in 7 dargestellt ist, ist statt des voranstehend beschriebenen Spaltes 52 eine weitere Lotschicht 56 zwischen der Schulter 54 des Mantels 44 und dem planaren Endbereich des Anschlussstutzens 42 vorgesehen. Diese zusätzliche Lotschicht kann insbesondere dann verwendet werden, wenn der Kühlkanal keine Durchmesseränderung beim Übergang in die Kühlmittelleitung erfahren soll. Dabei kann zur Spannungsentkopplung der beiden Lotschichten ein flexibler Bereich 58 (siehe 8), wie beispielsweise eine Membran oder allgemein ein verjüngter Abschnitt des Mantels 44 vorgesehen sein, damit die Lotschicht 56 auf der Stirnfläche des Anschlussstutzens 42 möglichst geringe Scherspannungen erfährt, die zum Abschälen des Lots in diesem Bereich führen könnten.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das Anschlusselement 42 des Kühlkörpers einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Mantels 44. Diese Situation tritt auf, wenn beispielsweise der Kollektor 24 einen Kühler 34 mit einem Kühlkörper 37 aus Metall umfasst, um eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers 37 zu erreichen.
In diesem Fall wird das Anschlusselement 42 auf den Mantel 44 aufgeschrumpft, so dass die Lotschicht 46 auch bei diesem Ausführungsbeispiel konstant unter Druckspannung steht. Die Druckspannung wird hierbei dadurch erzeugt, dass das außen liegende Anschlusselement 42 eine Kraft in radialer Richtung auf den Mantel 44 ausübt und dabei die Lotschicht 46 komprimiert.
In der voranstehenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind jeweils eine oder mehrere Lotschichten beschrieben, welche zwischen dem Mantel 44 und dem Anschlussstutzen 42 angeordnet sind. Diese Lotschichten können mittels gängiger Lötverfahren, wie beispielsweise Weichlöten, Hartlöten oder Aktivlöten, aufgebracht werden. Als Alternative zum Löten können auch andere stoffschlüssige Verfahren wie beispielsweise Kleben eingesetzt werden, so dass anstelle der voranstehend beschriebenen Lotschicht dann eine Klebstoffschicht zwischen dem Mantel 44 und dem Anschlussstutzen 24 angeordnet ist.
Die in Plasmaerzeugungskammern von EUV-Projektionsbelichtungsanlagen auftretenden hohen Thermallasten erfordern häufig einen Einsatz von Kühlern, um die Wärme abzuführen. Die Kühler sollen dabei wechselnden Thermallasten sowie einem Beschuss mit Teilchen und Partikel standhalten und trotzdem in der vorherrschenden Vakuumumgebung eine allenfalls geringe Leckrate aufweisen. Um einen sicheren Betrieb der Plasmaerzeugungskammer zu gewährleisten, ist insbesondere darauf zu achten, dass kein oder nur wenig Kühlmittel oder Kühlmittelbestandteile in die Vakuumumgebung gelangen. Deshalb sind besonders hohe Anforderungen an die Ausgestaltung der Verbindungen der Kühler mit den Anschlussleitungen zu stellen.
Der erfindungsgemäße Kühler zeichnet sich durch eine besonders hohe Qualität und Langlebigkeit der Abdichtung unter den in Plasmaerzeugungskammern herrschenden Bedingungen aus. Die Qualität einer Abdichtung kann mit Hilfe der Leckrate bei Befüllung mit Helium bestimmt werden. Die Leckrate Q_l ist dabei definiert als Q_l = (Δp·V)/Δt mit Δp = Druckdifferenz, V = Füllvolumen und Δt = Messzeit. Der erfindungsgemäße Kühler ermöglicht Leckraten von weniger als 10^–5 mbar·l/s, insbesondere auch von weniger als 10^–6 mbar·l/s. Darüber hinaus zeichnet sich der erfindungsgemäße Kühler durch eine sehr geringe Permeation von Wasser und Sauerstoff aus.
Die Verwendung eines plastisch verformten Mantels aus einem Metall oder einer Metalllegierung, welcher durch Aufschrumpfen auf einem Anschlussstutzen des Kühlkörpers befestigt ist, stellt sicher, dass der Mantel im Betrieb des Kühlers eine konstante Druckspannung auf den Anschlussstutzen aufbringt. Eine zwischenliegende Lotschicht oder Klebstoffschicht verbessert die Dichtigkeit des Kühlers, da vorhandene Mikrokanäle in der zwischenliegenden Schicht durch den Mantel ebenfalls unter Druckspannung gesetzt und dadurch verringert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/0227826 A1 [0003, 0007, 0008]
DE 102007052885 A1 [0003]
US 2008/0073598 A1 [0004]
DE 102011086565 A1 [0004, 0005]
US 2008/0073598 [0005]
DE 102009039400 A1 [0009]

Claims

Kühler (34) zur Verwendung in einer Vorrichtung im Vakuum, wobei der Partialdruck des Kühlmediums in der Vakuumumgebung im Betrieb des Kühlers (34) kleiner als 10^–3 mbar beträgt, umfassend: einen Kühlkörper (36), wobei im Kühlkörper ein vom Kühlmedium durchströmter Hohlraum (35) ausgebildet ist, und wobei der Kühlkörper (36) ein Anschlusselement (42) umfasst, welches ein Ende des vom Kühlmedium durchströmten Hohlraums (35) umgibt; und ein Verbindungsstück (40) zur Anbindung einer Kühlmittelleitung (38) an den Hohlraum (35), dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück (40) einen Mantel (44) umfasst, welcher durch einen thermischen Verbindungsprozess an dem Anschlusselement (42) befestigt ist, wobei zwischen dem Mantel (44) und dem Anschlusselement (42) eine zwischenliegende Schicht (46) angeordnet ist, und wobei der Mantel (44) in Richtung auf das Anschlusselement (42) eine Kraft derart ausübt, dass die zwischenliegende Schicht (46) bei Betrieb des Kühlers (34) in radialer Richtung unter Druckspannung steht.
Kühler (34) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (44) aus einem ersten Material hergestellt ist, und dass das Anschlusselement (42) aus einem zweiten Material hergestellt ist, wobei die Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, und wobei der Mantel (44) und das Anschlusselement (42) derart angeordnet sind, dass das außen liegende Material einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das innen liegende Material.
Kühler (34) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (44) bei dem Verbindungsprozess mit dem Anschlusselement (42) elastisch verformt worden ist oder elastisch und plastisch verformt worden ist, dass die zwischenliegende Schicht (46) elastisch und plastisch verformt worden ist und dass das Anschlusselement (42) elastisch verformt worden ist.
Kühler (34) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (44) aus einem Metall oder aus einer Metalllegierung hergestellt ist.
Kühler (34) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (42) aus einem spröd-harten Werkstoff, wie beispielsweise aus einem Keramikmaterial, Glas, Glaskeramik oder Silizium hergestellt ist.
Kühler (34) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischenliegende Schicht (46) eine Lotschicht umfasst.
Kühler (34) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischenliegende Schicht (46) eine Kleberschicht, beispielsweise Epoxidkleber oder Keramikkleber, umfasst.
Optisches Element mit einem Kühler (34) zur Verwendung in einer Plasmaerzeugungskammer einer Strahlungsquelle für einen extremen ultravioletten Wellenlängenbereich, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (34) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgestaltet ist.
Verfahren zur Anbindung einer Kühlmittelleitung (38) an einen von Kühlmittel durchströmten Hohlraum (35) bei einem Kühler (34) einer Vorrichtung im Vakuum, umfassend: – Aufbringen einer Lotschicht (46) auf ein Anschlusselement (42) eines Kühlkörpers (36), wobei das Anschlusselement (42) ein Ende des Hohlraums (35) umgibt; – Bereitstellen eines Verbindungsstücks (40) zur Anbindung der Kühlmittelleitung (38) an den Hohlraum (35), wobei das Verbindungsstück (40) einen Mantel (44) umfasst; – Erwärmen der Lotschicht (46) und des Mantels (44); – Positionieren des Mantels (44) derart, dass der Mantel (44) an der Lotschicht (46) anliegt, und – Abkühlen der Lotschicht (46) und des Mantels (44), so dass der Mantel (44) eine Kraft in radialer Richtung auf die Lotschicht (46) ausübt und diese unter Druckspannung setzt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (44) aus einem ersten Material und das Anschlusselement (42) aus einem zweiten Material hergestellt sind, wobei die Materialien unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, und wobei der Mantel (44) und das Anschlusselement (42) derart angeordnet sind, dass das außen liegende Material einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das innen liegende Material.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotschicht (46) und der Mantel (44) auf eine Temperatur erwärmt werden, welche größer ist als die Schmelztemperatur des in der Lotschicht (46) vorhandenen Lots, so dass der Mantel (44) beim Abkühlen elastisch verformt wird oder elastisch und plastisch verformt wird, und dass die Lotschicht (46) beim Abkühlen elastisch und plastisch verformt wird und den Mantel und das Anschlusselement verbindet.