DE102020204669A1

DE102020204669A1 - Baugruppe eines optischen Systems

Info

Publication number: DE102020204669A1
Application number: DE102020204669.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Kestel; Matthias Müller; Roland Gischa; Philipp Weishaupt; Thomas Stübler
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2020-04-14
Filing date: 2020-04-14
Publication date: 2021-10-14
Also published as: KR20220167373A; US20230023575A1; WO2021209165A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe eines optischen Systems mit einem optischen Element (100, 200, 400, 500, 600, 700), einem von einem Kühlfluid durchströmbaren ersten Kanalsystem (110, 210, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 1010, 1110), wobei im Betrieb des optischen Systems durch auf das optische Element auftreffende elektromagnetische Strahlung generierte Wärme über das Kühlfluid im ersten Kanalsystem aufgenommen und abgeführt wird, und einem von einem Kühlfluid durchströmbaren zweiten Kanalsystem (120, 220, 420, 520, 620, 720, 820, 920, 1020, 1120) zur wenigstens teilweisen thermischen Abschirmung eines Bereichs der Baugruppe von der vom Kühlfluid im ersten Kanalsystem aufgenommen Wärme.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Baugruppe eines optischen Systems.
Stand der Technik
Mikrolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD's, angewendet. Der Mikrolithographieprozess wird in einer sogenannten Projektionsbelichtungsanlage durchgeführt, welche eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv aufweist. Das Bild einer mittels der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) wird hierbei mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z.B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.
In für den EUV-Bereich ausgelegten Projektionsobjektiven, d.h. bei Wellenlängen von z.B. etwa 13,5 nm oder geringer, werden mangels Verfügbarkeit geeigneter lichtdurchlässiger refraktiver Materialien Spiegel als optische Komponenten für den Abbildungsprozess verwendet.
In der Beleuchtungseinrichtung einer für den Betrieb im EUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage ist insbesondere der Einsatz von Facettenspiegeln in Form von Feldfacettenspiegeln und Pupillenfacettenspiegeln als bündelführende Komponenten z.B. aus DE 10 2008 009 600 A1 bekannt. Derartige Facettenspiegel sind aus einer Vielzahl von Spiegelelementen bzw. Spiegelfacetten aufgebaut, welche jeweils zum Zwecke der Justage oder auch zur Realisierung bestimmter Beleuchtungswinkelverteilungen über Festkörpergelenke kippbar ausgelegt sein können. Diese Spiegelfacetten können wiederum ihrerseits eine Mehrzahl von Mikrospiegel umfassen. Des Weiteren ist auch in einer Beleuchtungseinrichtung einer für den Betrieb bei Wellenlängen im VUV-Bereich ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage zur Einstellung definierter Beleuchtungssettings (d.h. Intensitätsverteilungen in einer Pupillenebene der Beleuchtungseinrichtung) der Einsatz von Spiegelanordnungen, z.B. aus WO 2005/026843 A2 , bekannt, welche eine Vielzahl unabhängig voneinander einstellbarer Mikrospiegel umfassen.
Ein in der Praxis auftretendes Problem ist, dass die EUV-Spiegel bzw. Spiegelelemente u.a. infolge Absorption der von der EUV-Lichtquelle emittierten Strahlung eine Erwärmung und eine damit einhergehende thermische Ausdehnung bzw. Deformation erfahren, welche wiederum eine Beeinträchtigung der Abbildungseigenschaften des optischen Systems zur Folge haben kann. Zur Vermeidung von durch Wärmeeinträge in einen EUV-Spiegel verursachten Oberflächendeformationen und damit einhergehenden optischen Aberrationen sind diverse Ansätze bekannt.
Unter anderem ist es bekannt, als Spiegelsubstratmaterial ein Material mit ultraniedriger thermischer Expansion („Ultra-Low-Expansion-Material“), z.B. ein unter der Bezeichnung ULE™ von der Firma Corning Inc. vertriebenes Titanium-Silicatglas, zu verwenden und in einem der optischen Wirkfläche nahen Bereich die sogenannte Nulldurchgangstemperatur (= „Zero-Crossing-Temperatur“) einzustellen. Bei dieser Zero-Crossing-Temperatur, welche z.B. für ULE™ bei etwa 9= 30°C liegt, weist der thermische Ausdehnungskoeffizient in seiner Temperaturabhängigkeit einen Nulldurchgang auf, in dessen Umgebung keine oder nur eine vernachlässigbare thermische Ausdehnung des Spiegelsubstratmaterials erfolgt. Weitere Ansätze zur Vermeidung von durch Wärmeeinträge in einen EUV-Spiegel verursachten Oberflächendeformationen beinhalten ein aktives direktes Kühlen oder auch ein unmittelbares elektrisches Heizen.
Ein bei aktiver Kühlung der vorstehend genannten Spiegel bzw. Spiegelelemente in der Praxis auftretendes Problem ist, dass mit zunehmender Leistung der Lichtquelle die Erzielung einer hinreichend effizienten Wärmeableitung bei weiterhin zu gewährleistender hoher Präzision der Spiegel bzw. Spiegelelemente eine anspruchsvolle Herausforderung darstellt.
So führt etwa bei einem zwecks Wärmeabfuhr erfolgenden Einsatz eines von einem Kühlfuid (z.B. Kühlwasser) durchströmbaren Kühlkanals die unvermeidbare Erwärmung des Kühlfluids letzlich dazu, dass Bereiche des den jeweiligen Spiegel aufweisenden optischen Systems (z.B. eine Halterung des betreffenen Spiegels oder auch eine Tragstruktur des optischen Systems) die Temperatur des erwärmten Kühlfluids annehmen. Dies bedeutet wiederum, dass die betreffenden Bereiche des optischen Systems sich nicht mehr bei der Referenztemperatur befinden, für welche sie ausgelegt sind und die typischerweise der Kühlmitteleintrittstemperatur entspricht. Dies kann wiederum unerwünschte thermisch induzierte Deformationen in den entsprechenden Bereichen zur Folge haben.
12a-12d zeigen schematische Darstellungen zur Veranschaulichung dieses Problems. Dabei ist gemäß 12a-12b ein optisches Element 1200 in Form eines Spiegels in Draufsicht bzw. im Schnitt gezeigt, wobei mit „1205“ eine Halterung bzw. äußere Einfassung dieses optischen Elements 1200 bezeichnet ist. Die Baugruppe gemäß 12a-12b weist ein Kanalsystem 1210 auf, welches zur Aufnahme von Wärme, die durch auf das optische Element 1200 auftreffende elektromagnetische Strahlung generiert wird, von einem Kühlfluid (wie durch die in 12a eingezeichneten Pfeile angedeutet) durchströmt wird. Hierbei wärmt sich das Kühlfluid, während es das optische Element 1200 im Kanalsystem 1210 umströmt, kontinuierlich auf.
Gemäß 12c-12d hat eine strahlungsbedingte Erwärmung des optischen Elements 1200 von einer Anfangstemperatur von 22°C auf eine Temperatur von 25°C im Beispiel eine Erwärmung des im Kanalsystem 1210 strömenden Kühlfluids von einer ursprünglichen Eintrittstemperatur von T₁=22°C auf eine Temperatur von T₂=23°C zur Folge (wobei diese Erwärmung von dem vom optischen Element 1200 ausgehenden Wärmestrom, dem Kühlfluiddurchsatz im Kühlkanal 1210 und der spezifischen Wärmekapazität des Kühlfluids abhängig ist). Dies führt wiederum im Beispiel schließlich zu einer Erwärmung auch des äußeren (d.h. des auf der dem optischen Element 1200 abgewandten Seite des Kanalsystems 1210 befindlichen) Bereichs der Baugruppe bzw. der Halterung 1205 auf eine Temperatur von T₂=23°C und damit zu unerwünschten Deformationen. Gemäß 12b wird der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass zwischen der Halterung 1205 und einer (nicht dargestellten) äußeren Tragstruktur eine optimale Wärmesolation vorliegt, so dass von der (adiabaten) Halterung 1205 kein Wärmeaustausch nach außen mehr erfolgt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Baugruppe eines optischen Systems bereitzustellen, welche auch bei vergleichsweise hohen thermischen Lasten eine wirksame Vermeidung von thermisch induzierten Deformationen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Baugruppe gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine Baugruppe eines optischen Systems weist auf

- ein optisches Element;
- ein von einem Kühlfluid durchströmbares erstes Kanalsystem, wobei im Betrieb des optischen Systems durch auf das optische Element auftreffende elektromagnetische Strahlung generierte Wärme über das Kühlfluid im ersten Kanalsystem aufgenommen und abgeführt wird; und
- ein von einem Kühlfluid durchströmbares zweites Kanalsystem zur wenigstens teilweisen thermischen Abschirmung eines Bereichs der Baugruppe von der vom Kühlfluid im ersten Kanalsystem aufgenommen Wärme.

Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, in einem ein optisches Element (z.B. ein Spiegel) aufweisenden optischen System zusätzlich zu einem zur Wärmeaufnahme und - abfuhr von einem Kühlfluid durchströmbaren ersten Kanalsystem wenigstens ein ebenfalls von Kühlfluid durchströmbares zweites Kanalsystem einzusetzen, welches dazu dient, einen (z.B. auf der dem optischen Element abgewandten Seite des ersten Kanalsystems befindlichen) Bereich von der vom Kühlfluid im ersten Kanalsystem aufgenommenen Wärme abzuschirmen. Mit diesem zweiten Kanalsystem kann erfindungsgemäß verhindert werden, dass der betreffende thermisch abgeschirmte Bereich der (im Betrieb des optischen Systems infolge Beaufschlagung des optischen Elements mit elektromagnetischer Strahlung ansteigenden) Temperatur des das erste Kanalsystem durchströmenden Kühlfluids folgt.
Mit anderen Worten kann erfindungsgemäß erreicht werden, dass besagter, durch das zweite Kanalsystem thermisch abgeschirmter Bereich auf einer im Vergleich zur Temperatur des erwärmten Kühlfluids geringeren Temperatur, und insbesondere auf der ursprünglich beim Eintritt des Kühlfluids in das erste Kanalsystem vorliegenden Temperatur (= Kühlfluid-Eintrittstemperatur,) gehalten wird.
Im Ergebnis können so die eingangs beschriebenen, mit einer Erwärmung des Kühlfluids einhergehenden thermisch induzierten Deformationen z.B. innerhalb einer Halterung des optischen Elements oder einer Tragstruktur des optischen Systems vermieden oder zumindest verringert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der wenigstens teilweise thermisch abgeschirmte Bereich auf der dem optischen Element abgewandten Seite des ersten Kanalsystems angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform ist das zweite Kanalsystem bezogen auf ein Zentrum des optischen Elements in radialer Richtung außerhalb des ersten Kanalsystems (und somit in Wärmestromrichtung bezogen auf den vom optischen Element ausgehenden Wärmestrom hinter dem ersten Kanalsystem) angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform sind das erste Kanalsystem und das zweite Kanalsystem bezogen auf ein Zentrum des optischen Elements konzentrisch angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der durch das zweite Kanalsystem thermisch abgeschirmte Bereich der Baugruppe eine Halterung des optischen Elements oder eine Tragstruktur des optischen Systems.
Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen dem ersten Kanalsystem und dem zweiten Kanalsystem ein Bereich erhöhter Wärmeisolation angeordnet. Dieser Bereich kann insbesondere wenigstens einen Spalt umfassen. Über einen solchen Bereich erhöhter Wärmeisolation und dem damit bereitgestellten zusätzlichen thermischen Widerstand zwischen erstem und zweitem Kanalsystem kann durch thermale Entkopplung von erstem und zweitem Kanalsystem voneinander auch bei signifikantem Temperaturanstieg innerhalb des ersten Kanalsystems eine Erwärmung des Kühlfuids im zweiten Kanalsystem zumindest weitgehend unterbunden werden (so dass ein unerwünschter „Wärmetauscher-Effekt“ verhindert werden kann).
Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen dem ersten Kanalsystem und dem zweiten Kanalsystem wenigstens ein weiteres Kanalsystem angeordnet. Hierdurch kann ein Wärmefluss zwischen dem ersten und dem zweiten Kanalsystem weiter reduziert und somit eine Beibehaltung der Kühlmitteleintrittstemperatur auf Seiten des (zur thermischen Abschirmung dienenden) zweiten Kanalsystems noch effizienter gewährleistet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Kanalsystem und/oder das zweite Kanalsystem als Kanalarray aus einer Mehrzahl von Kanälen ausgebildet.
Gemäß einer Ausführungsform stehen das erste Kanalsystem und das zweite Kanalsystem in fluidleitender Verbindung.
Gemäß einer Ausführungsform ist diese fluidleitende Verbindung durch eine Mehrzahl von Düsen realisiert. Auf diese Weise kann effektiv eine Prallkühlung vom vergleichsweise kälteren zweiten Kanalsystem zum vergleichsweise wärmeren ersten Kanalsystem realisiert werden
Gemäß einer Ausführungsform ist die fluidleitende Verbindung derart ausgestaltet, dass Kühlfluid nach Durchströmen des zweiten Kanalsystems in das erste Kanalsystem eintritt.
Gemäß einer Ausführungsform sind das erste Kanalsystem und das zweite Kanalsystem derart separat ausgestaltet, dass beide Kanalsysteme unabhängig voneinander von Kühlfluid durchströmbar sind.
Gemäß einer Ausführungsform weist das erste Kanalsystem und/oder das zweite Kanalsystem wenigstens eine Verzweigung in simultan von Kühlmittel durchströmbare Bereiche auf.
Gemäß einer Ausführungsform ist das erste Kanalsystem an einen volumetrischen Kühler zur Kühlung des optischen Elements angeschlossen.
Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element ein Spiegel oder ein Spiegelarray mit einer Mehrzahl Spiegelelementen.
Die Erfindung betrifft weiter auch ein optisches System, insbesondere einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit einer erfindungsgemäßen Baugruppe.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Figurenliste
Es zeigen:

1a-1d schematische Darstellungen zur Erläuterung des der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Prinzips;
2-6 schematische Darstellungen zur Erläuterung von Aufbau und Funktionsweise weiterer Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Baugruppe;
7a-7c schematische Detail-Darstellungen zur Erläuterung unterschiedlicher Ausführungsformen eines in einer erfindungsgemäßen Baugruppe vorhandenen ersten bzw. zweiten Kanalsystems;
8 eine schematische perspektivische Ansicht zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer Baugruppe auf Basis der Ausführungsform von 7a;
9a-9c schematische Darstellungen zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer Baugruppe gemäß der Ausführungsform von 7b;
10a-10c schematische Darstellungen zur Erläuterung des Aufbaus einer Baugruppe gemäß der Ausführungsform von 7b;
11a-11b schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Realisierung der Erfindung in Verbindung mit einer volumetrischen Kühlung eines optischen Elements;
12a-12d schematische Darstellungen zur Erläuterung eines im Betrieb einer herkömmlichen Baugruppe eines optischen Systems auftretenden Problems; und
13 eine schematische Darstellung des möglichen Aufbaus einer für den Betrieb im EUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
13 zeigt zunächst eine schematische Darstellung einer für den Betrieb im EUV ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage 1300, in der die Erfindung beispielsweise realisierbar ist.
Gemäß 13 weist eine Beleuchtungseinrichtung der Projektionsbelichtungsanlage 1300 einen Feldfacettenspiegel 1303 und einen Pupillenfacettenspiegel 1304 auf. Auf den Feldfacettenspiegel 1303 wird das Licht einer Lichtquelleneinheit, welche im Beispiel eine EUV-Lichtquelle (Plasmalichtquelle) 1301 und einen Kollektorspiegel 1302 umfasst, gelenkt. Im Lichtweg nach dem Pupillenfacettenspiegel 1304 sind ein erster Teleskopspiegel 1305 und ein zweiter Teleskopspiegel 1306 angeordnet. Im Lichtweg nachfolgend ist ein Umlenkspiegel 1307 angeordnet, der die auf ihn treffende Strahlung auf ein Objektfeld in der Objektebene eines sechs Spiegel 1321-1326 umfassenden Projektionsobjektivs lenkt. Am Ort des Objektfeldes ist eine reflektive strukturtragende Maske 1331 auf einem Maskentisch 1330 angeordnet, die mit Hilfe des Projektionsobjektivs in eine Bildebene abgebildet wird, in welcher sich ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes Substrat 1341 auf einem Wafertisch 1340 befindet.
Im Betrieb des optischen Systems bzw. der mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage wird die auf die optische Wirkfläche der Spiegel auftreffende elektromagnetische Strahlung zum Teil absorbiert und führt wie eingangs erläutert zu einer Erwärmung und einer damit einhergehenden thermischen Deformation, welche wiederum eine Beeinträchtigung der Abbildungseigenschaften des optischen Systems zur Folge haben kann. Die Erfindung kann zur Kühlung eines oder mehrerer Spiegel der mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage eingesetzt werden.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung in einer für den Betrieb im EUV ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage beschränkt. Insbesondere kann die Erfindung auch in einer für den Betrieb im DUV (d.h. bei Wellenlängen kleiner als 250nm, insbesondere kleiner als 200nm) ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage oder auch in einem anderen optischen System vorteilhaft angewendet werden.
Wenngleich es sich bei den im Weiteren beschriebenen Ausführungsformen bei dem optischen Element jeweils um einen Spiegel handelt, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. In weiteren Anwendungen kann es sich bei dem optischen Element auch z.B. um eine Linse handeln.
Den im Weiteren beschriebenen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass in einer Baugruppe mit einem sich infolge Beaufschlagung mit elektromagnetischer Strahlung erwärmenden optischen Element zusätzlich zu einem zur Wärmeabfuhr dienenden und von einem Kühlfluid durchströmbaren ersten Kanalsystem ein zweites Kanalsystem eingesetzt wird, welches dazu dient, einen Bereich der Baugruppe von der vom Kühlfuid im ersten Kanalsystem aufgenommenen Wärme wenigstens teilweise thermisch abzuschirmen.
Im Weiteren werden Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Baugruppe zunächst unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in 1a-1d erläutert.
1a zeigt schematisch in Draufsicht eine Baugruppe mit einem optischen Element 100 in Form eines (z.B. EUV-) Spiegels, wobei mit „105“ eine Halterung bzw. äußere Einfassung des optischen Elements 100 bezeichnet ist. Die Baugruppe gemäß 1a weist - insoweit analog zu dem anhand von 12a beschriebenen herkömmlichen Aufbau - ein erstes Kanalsystem 110 auf, welches zur Aufnahme von durch auf das optische Element 100 auftreffende elektromagnetische Strahlung generierter Wärme von einem Kühlfluid durchströmt wird.
Zusätzlich zu diesem ersten Kanalsystem 110 weist die Baugruppe gemäß 1a ein zweites Kanalsystem 120 auf, welches bezogen auf ein Zentrum des optischen Elements 100 in radialer Richtung außerhalb des ersten Kanalsystems 110 und im Ausführungsbeispiel (jedoch ohne dass die Erfindung darauf beschränkt wäre) konzentrisch mit diesem angeordnet ist und den auf der dem optischen Element 100 abgewandten Seite des ersten Kanalsystems 110 befindlichen Außenbereich der Baugruppe (d.h. den entsprechenden äußeren Bereich der Halterung 105) von der vom Kühlfluid im ersten Kanalsystem 110 aufgenommenen Wärme abschirmt.
Gemäß 1a sind das erste und das zweite Kanalsystem 110, 120 lediglich beispielhaft derart ausgestaltet, dass das (in 1a von rechts eintretende) Kühlfluid zunächst das äußere zweite Kanalsystem 120 durchströmt und hierbei im Uhrzeigersinn um das optische Element 100 herum geführt wird, woraufhin das Kühlfluid in das erste Kanalsystem 110 übertritt und dieses durchströmt, wobei es entgegen dem Uhrzeigersinn um das optische Element 100 herumgeführt wird, bis es schließlich (in 1a wiederum rechts) austritt. Dabei wärmt sich das Kühlfluid kontinuierlich auf. Während jedoch diese Erwärmung bei Umströmung des optischen Elements 100 im ersten Kanalsystem 110 analog zu 12a ist, findet im äußeren zweiten Kanalsystem 120 nur eine vergleichsweise geringe Erwärmung statt, da der zwischen erstem Kanalsystem 110 und zweitem Kanalsystem 120 auftretende Wärmestrom im Vergleich zu dem Wärmstrom, welcher vom optischen Element 100 zum ersten Kanalsystem 110 auftritt, bei geeigneter Auslegung des Systems im Hinblick auf den Wärmewiderstand zwischen den Kanalsystemen 110 und 120, das verwendete Kühlfluid und die verwendete Kühlfluidmenge, gering ist.
Die o.g. thermische Abschirmungswirkung des zweiten Kanalsystems 120 hat zur Folge, dass - im Gegensatz zu dem anhand von 12b beschriebenen Szenario im Betrieb einer herkömmlichen Baugruppe - der äußere Bereich der Halterung 105 nicht etwa der Temperatur des im ersten Kanalsystem 110 strömenden Kühlfluids folgt, sondern vielmehr unterhalb dieser (strahlungsbedingt angestiegenen) Kühlfluidtemperatur gehalten werden kann. Dieser Effekt ist in 1b angedeutet, wobei die (strahlungsbedingt angestiegene) Temperatur des Kühlfluids (Kühlfluidaustrittstemperatur) innerhalb des ersten Kanalsystems 110 mit T_Aus und die Endtemperatur im zweiten Kanalsystem 120 mit T_Ein ΔT bezeichnet ist, und wobei die Endtemperatur T_Ein + ΔT im zweiten Kanalsystem 120 aufgrund der erfindungsgemäßen Abschirmung im Außenbereich der Halterung 105 näherungsweise mit der Kühlfluideintrittstemperatur T_Ein + übereinstimmen kann.

Es folgt für das in 1a dargestellte System eine lediglich beispielhafte wärmebilanzbasierte Herleitung zur groben Bestimmung des Temperaturanstiegs ΔT im zweiten Kanalsystem 120, wobei unter Bezugnahme auf 1c, 1d und Tabelle 1 folgende Bezeichnungen verwendet werden: Tabelle 1:

T_I	mittlere Temperatur im ersten Kanalsystem
T_II	mittlere Temperatur im zweiten Kanalsystem
T_Ein +	Kühlfluideintrittstemperatur zweites Kanalsystem
T_Aus	Kühlfluidaustrittstemperatur erstes Kanalsystem
ΔT	Temperaturanstieg im zweiten Kanalsystem
T_Ein + ΔT	Kühlfluidaustrittstemperatur zweites Kanalsystem
c_p	spezifische Wärmekapazität des Kühlfluids bei konstantem Druck
ṁ	Kühlfluidmassestrom
R_I-II	thermischer Gesamtwiderstand der Widerstandskette zwischen dem Kühlfluid des ers-
	ten Kanalsystems und dem Kühlfluid des zweiten Kanalsystems
Q_OE	vom optischen Element zum ersten Kanalsystem ausgehender Wärmestrom
Q_I-II	Wärmestrom vom ersten Kanalsystem zum zweiten Kanalsystem

Dabei sind die Darstellungen von 1c und 1d wie folgt zu verstehen: 1c zeigt die Kühlgeometrie aus 1a, wobei zusätzlich eine umlaufend gekrümmte x-Koordinate dargestellt ist, sowie Temperaturbezeichnungen gemäß Tabelle 1. 1d zeigt die Temperaturverläufe in den beiden Kanalsystemen entlang der gekrümmten x-Achse aus 1c, sowie insbesondere an den Punkten [1], [2] und [3], welche in 1c explizit markiert sind.
Es können folgende Grundgleichungen gelten: ${\dot{Q}}_{I - I I} = \frac{T_{I} - T_{I I}}{R_{I - I I}}$
${\dot{Q}}_{I - I I} = \dot{m} \cdot c_{p} \cdot Δ T$
$T_{I} = \frac{T_{A u s} + (T_{E i n} + Δ T)}{2}$
$T_{I I} = \frac{T_{E i n} + (T_{E i n} + Δ T)}{2} = T_{E i n} + \frac{Δ T}{2}$
$T_{A u s} = T_{E i n} + \frac{{\dot{Q}}_{O E}}{\dot{m} \cdot c_{p}}$
Dabei wird von den vereinfachenden Annahmen ausgegangen, dass die Halterung 105 insofern adiabat ist, als von der Halterung 1205 kein Wärmeaustausch nach außen mehr erfolgt, und dass der Temperaturanstieg aufgrund des Wärmeeintrags in den beiden Kanalsystemen in Strömungsrichtung des Kühlfluids linear erfolgt, wie in 1d dargestellt.
Gleichsetzen von (1) und (2) ergibt zunächst: $\frac{T_{I I} - T_{I}}{R_{I - I I}} = \dot{m} \cdot c_{p} \cdot Δ T$
Nach Einsetzen von Gleichung (3) und (4) ergibt sich durch einfache mathematische Umformungen Gleichung (7): $\frac{T_{A u s} - T_{E i n}}{2 \cdot R_{I - I I}} = \dot{m} \cdot c_{p} \cdot Δ T$
Einsetzen von Gleichung (5) führt zu: $\frac{{\dot{Q}}_{O E}}{2 \cdot \dot{m} \cdot c_{p} \cdot R_{I - I I}} = \dot{m} \cdot c_{p} \cdot Δ T$
und somit $Δ T = \frac{{\dot{Q}}_{O E}}{2 \cdot {\dot{m}}^{2} \cdot c_{p}^{2} \cdot R_{I - I I}}$
Der Gesamtwiderstand R_I-II kann in für den Fachmann bekannter Weise berechnet werden als Funktion aus den Wärmeübergangskoeffizienten an den Wänden des ersten und zweiten Kanalsystems 110, 120 sowie dem Wärmewiderstand zwischen den Kanalsystemen 110, 120, welcher wiederum eine Funktion der Wärmeleitfähigkeiten der eingesetzten Materialien, dem Abstand der Kanalsysteme 110, 120 voneinander und der Geometrie zwischen den Kanalsystemen 110, 120 ist.
Lediglich beispielhaft (und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) können Abmessungen des Stegabschnitts zwischen erstem und zweitem Kanalsystem 110, 120 im Bereich von 2mm bis 50mm liegen. Die Kanalsysteme 110, 120 selbst können - ebenfalls lediglich beispielhaft - bei einem Durchmesser des optischen Elements bzw. Spiegels 100 von 400mm z.B. eine Höhe von 50mm, eine Breite von 10mm und einen relativen Abstand zueinander von 20mm aufweisen.
Die Durchströmung des ersten Kanalsystems 110 bzw. des zweiten Kanalsystems 120 mit Kühlfluid kann in unterschiedlicher Weise realisiert werden, wie im Weiteren anhand unterschiedlicher Ausführungsformen unter Bezugnahme auf 2-11b beschrieben wird.
2 und 3a-3c zeigen zunächst schematische Darstellungen zur Erläuterung einer Ausführungsform, wobei im Vergleich zu 1a analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „100“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Gemäß 2 weisen sowohl das erste Kanalsystem 210 als auch das zweite Kanalsystem 220 eine Verzweigung derart auf, dass jeweils auf einander gegenüberliegenden Seiten des optischen Elements 200 befindliche Bereiche des jeweiligen Kanalsystems 210 bzw. 220 simultan vom Kühlmittel durchströmt werden.
Konkret tritt Kühlmittel (gemäß 2 von rechts) zunächst in das äußere zweite Kanalsystem 220 ein und durchströmt gemäß der dargestellten Abzweigung simultan die einander zu beiden Seiten des optischen Elements 200 gegenüberliegend verlaufenden Bereiche des zweiten Kanalsystems 220, woraufhin es (wie in 2 links dargestellt) in das erste Kanalsystem 210 übertritt und wiederum beidseitig zum optischen Element 200 zurückverläuft, bis es (wie in 2 rechts dargestellt) austritt. 3a-3c zeigen schematische Darstellungen der jeweiligen Kanalgeometrie. Gemäß 3c weist hierbei das (äußere) zweite Kanalsystem 220 Ausparungen 220a zur Ermöglichung des Kühlfluidabflusses aus dem (inneren) ersten Kanalsystem 210 sowie Aussparungen 220b zur gleichmäßigen Verteilung des Kühlfluids auf die in 2 obere Seite des Kanalsystems 220 und die in 2 untere Seite des Kanalsystems 220 auf.
Effektiv sind in der Ausführungsform von 2 sowohl das äußere zweite Kanalsystem 220 als auch das innere erste Kanalsystem 210 durchgängig umlaufend (so dass insoweit Unterbrechungen für den Einlass und des Auslass des Kühlfluids vermieden werden). Des Weiteren kann in der Ausführungsform von 2 erreicht werden, dass die in y-Richtung einander gegenüberliegenden Seiten (d.h. die in 2 obere Seite des optischen Elements 200 und die in 2 untere Seite des optischen Elements 200) über das innere erste Kanalsystem 210 gleichermaßen gut gekühlt werden.
Den zuvor anhand von 1a und 2 (sowie auch den im Weiteren noch in 5 und 6) beschriebenen Ausführungsformen ist gemeinsam, dass insgesamt lediglich eine Kühlfluid-Zufuhr und eine Kühlfluid-Abfuhr verwendet werden. Dabei macht sich die Erfindung den Umstand zunutze, dass gleichwohl der angestrebte Effekt bei geeigneter thermischer Isolation zwischen erstem und zweitem Kanalsystem erreicht werden kann (wie im Weiteren unter Bezug auf 6 noch näher beschrieben wird).
4 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform, wobei wiederum im Vergleich zu 2 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „200“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Gemäß 4 weisen die Kanalsysteme 410, 420 im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen keine fluidleitende Verbindung auf, so dass beide Kanalsysteme 410, 420 unabhängig voneinander von Kühlfluid durchströmbar sind. Infolgedessen können auch für beide Kanalsysteme 410, 420 von vornherein unterschiedliche Temperaturen des jeweiligen Kühlfluids eingestellt werden mit der Folge, dass auch die Anforderungen an die thermische Isolation zwischen den beiden Kanalsystemen 410, 420 reduziert sind. Die Durchströmung der Kanalsysteme 410, 420 erfolgt dabei gemäß 4 gegenläufig, wobei lediglich beispielhaft das Kühlfluid im äußeren zweiten Kanalsystem 420 das optische Element 400 im Uhrzeigersinn umströmt, wohingegen das Kühlfluid im ersten Kanalsystem 410 das optische Element 400 entgegen dem Uhrzeigersinn umströmt.
5 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform, wobei wiederum im Vergleich zu 4 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „100“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Ausführungsform von 5 unterscheidet sich von denjenigen aus 1-4 dadurch, dass das äußere zweite Kanalsystem 520 mit dem inneren ersten Kanalsystem 510 über Düsen 515 in fluidleitender Verbindung steht, wobei diese Düsen 515 bezogen auf das optische Element 500 entlang der Umfangsrichtung angeordnet sind. Über die Düsen 515 kann effektiv eine Prallkühlung vom vergleichsweise kälteren, bezogen auf das optische Element 500 äußeren zweiten Kanalsystem 520 zum vergleichsweise wärmeren, bezogen auf das optische Element 500 inneren ersten Kanalsystem 510 realisiert werden, wodurch ein besonders guter Wärmeübergang zwischen dem Kühlfluid im inneren ersten Kanalsystem 510 und Kanalwand zum optischen Element 500 hin erzielt wird. Im Gegenzug werden neben einem erhöhten Fertigungsaufwand ggf. Turbulenzen im Kühlfluid in Kauf genommen, welche wiederum Vibrationen hervorrufen können.
6 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform, wobei wiederum im Vergleich zu 5 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „100“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Ausführungsform von 6 ähnelt hinsichtlich der Durchströmung von erstem bzw. zweitem Kanalsystem 610, 620 derjenigen von 1a, wobei jedoch gemäß 6 zusätzlich ein Bereich erhöhter Wärmeisolation in Form eines Spalts 630 zwischen erstem Kanalsystem 610 und zweitem Kanalsystem 620 angeordnet ist. Über den durch diesen Bereich bereitgestellten zusätzlichen thermischen Widerstand zwischen erstem und zweitem Kanalsystem 610, 620 kann eine thermale Entkopplung von erstem und zweitem Kanalsystem 610, 620 auch bei signifikantem Anstieg der Temperatur des Kühlfluids im ersten Kanalsystem 610 zumindest weitgehend gewährleistet und eine Erwärmung des Kühlfuids im äußeren zweiten Kanalsystem 620 reduziert oder unterbunden werden. Dabei kann der Wärmestrom vom inneren ersten zum äußeren zweiten Kanalsystem im Idealfall nahezu auf Null reduziert werden mit der Folge, dass der Temperaturgradient zwischen erstem Kanalsystem 610 und zweitem Kanalsystem 620 maximal ist und die Temperatur des Kühlfluids im zweiten Kanalsystem 620 gerade der Kühlfluid-Eintrittstemperatur entspricht.
Wie im Weiteren anhand der schematischen Darstellungen von 7a bis 10c beschrieben, können das erste Kanalsystem und/oder das zweite Kanalsystem auch als Kanal-Array aus einer Mehrzahl von Kanälen ausgebildet sein.
Zur Veranschaulichung dienen die Schnittansichten von 7a-7c. Dabei zeigt 7a zum Vergleich die Ausgestaltung sowohl des inneren ersten Kanalsystems 710 wie auch des äußeren zweiten Kanalsystems 720 mit jeweils nur einem Kanal analog zu den zuvor anhand von 1-6 beschriebenen Ausführungsformen, wobei gemäß 7b das innere erste Kanalsystem 711 und das äußere zweite Kanalsystem 721 jeweils als Array aus drei Kanälen aufgebaut sind. 7c zeigt eine Ausgestaltung des inneren ersten Kanalsystems 712 als Array aus drei Kanälen, wohingegen das äußere zweite Kanalsystem 722 analog zu 7a mit nur einem Kanal aufgebaut ist.
Die schematischen Darstellungen von 8 bis 10c zeigen geeignete Kanal-Geometrien zur Realisierung der Ausführungsformen von 7a-7c. Dabei dient die Geometrie gemäß 8 zur Realisierung der Ausführungsform von 7a, und die Kanal-Geometrien 9a-9c bzw. 10a-10c dienen jeweils zur Realisierung der Ausführungsform von 7b.
11a-11b zeigen in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform, wobei im Vergleich zu 6 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „500“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Gemäß 11a ist das erste Kanalsystem 1110 an einen volumetrischen Kühler 1101 zur Kühlung des (in 11a nicht dargestellten) optischen Elements angeschlossen. Mit dieser volumetrischen Kühlung kann in für sich bekannter Weise z.B. der zwischen benachbarten Komponenten zur mechanischen Anbindung von Spiegelelementen eines Spiegelmoduls verbleibende Bereich von Kühlfluid durchströmt werden, um eine besonders effektive Kühlung der betreffenden Spiegelelemente zu erzielen.
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008009600 A1 [0004]
WO 2005/026843 A2 [0004]

Claims

Baugruppe eines optischen Systems, mit • einem optischen Element (100, 200, 400, 500, 600, 700); • einem von einem Kühlfluid durchströmbaren ersten Kanalsystem (110, 210, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 1010, 1110), wobei im Betrieb des optischen Systems durch auf das optische Element auftreffende elektromagnetische Strahlung generierte Wärme über das Kühlfluid im ersten Kanalsystem aufgenommen und abgeführt wird; und • einem von einem Kühlfluid durchströmbaren zweiten Kanalsystem (120, 220, 420, 520, 620, 720, 820, 920, 1020, 1120) zur wenigstens teilweisen thermischen Abschirmung eines Bereichs der Baugruppe von der vom Kühlfluid im ersten Kanalsystem aufgenommen Wärme.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Bereich auf der dem optischen Element (100, 200, 400, 500, 600, 700) abgewandten Seite des ersten Kanalsystems (110, 210, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 1010, 1110) angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kanalsystem (120, 220, 420, 520, 620, 720, 820, 920, 1020, 1120) bezogen auf ein Zentrum des optischen Elements in radialer Richtung außerhalb des ersten Kanalsystems (110, 210, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 1010, 1110) angeordnet ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kanalsystem (110, 210, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 1010, 1110) und das zweite Kanalsystem (120, 220, 420, 520, 620, 720, 820, 920, 1020, 1120) bezogen auf ein Zentrum des optischen Elements (100, 200, 400, 500, 600, 700) konzentrisch angeordnet sind.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durch das zweite Kanalsystem (120, 220, 420, 520, 620, 720, 820, 920, 1020, 1120) thermisch abgeschirmte Bereich der Baugruppe eine Halterung des optischen Elements (100, 200, 400, 500, 600, 700) oder eine Tragstruktur des optischen Systems umfasst.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Kanalsystem (110, 210, 410, 510, 610, 710, 810, 910, 1010, 1110) und dem zweiten Kanalsystem (120, 220, 420, 520, 620, 720, 820, 920, 1020, 1120) ein Bereich erhöhter Wärmeisolation angeordnet ist.
Baugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Bereich erhöhter Wärmeisolation wenigstens einen Spalt (630) umfasst.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Kanalsystem und dem zweiten Kanalsystem wenigstens ein weiteres Kanalsystem angeordnet ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kanalsystem (711, 712, 810, 910, 1010) und/oder das zweite Kanalsystem (721, 820, 920, 1020) als Kanalarray aus einer Mehrzahl von Kanälen ausgebildet ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kanalsystem (110, 210, 510, 610, 710, 810, 910, 1010, 1110) und das zweite Kanalsystem (120, 220, 520, 620, 720, 820, 920, 1020, 1120) in fluidleitender Verbindung stehen.
Baugruppe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese fluidleitende Verbindung durch eine Mehrzahl von Düsen (515) realisiert ist.
Baugruppe nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese fluidleitende Verbindung derart ausgestaltet ist, dass Kühlfluid nach Durchströmen des zweiten Kanalsystems (120, 220, 620, 820, 920, 1020, 1120) in das erste Kanalsystem (110, 210, 610, 810, 910, 1010, 1110) eintritt.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kanalsystem (410) und das zweite Kanalsystem (420) derart separat ausgestaltet sind, dass beide Kanalsysteme (410, 420) unabhängig voneinander von Kühlfluid durchströmbar sind.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kanalsystem (210, 1010) und/oder das zweite Kanalsystem (220, 1020) wenigstens eine Verzweigung in simultan von Kühlmittel durchströmbare Bereiche aufweist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kanalsystem (1110) an einen volumetrischen Kühler (1101) zur Kühlung des optischen Elements angeschlossen ist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (100, 200, 400, 500, 600, 700) ein Spiegel oder ein Spiegelarray mit einer Mehrzahl Spiegelelementen ist.
Optisches System, insbesondere einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit einer Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche.