JP4818340B2

JP4818340B2 - 低い熱伝導性の熱負荷を受ける本体に対する温度補償装置

Info

Publication number: JP4818340B2
Application number: JP2008262211A
Authority: JP
Inventors: トーマス・ディーケル
Original assignee: カール・ツァイス・エスエムティー・ゲーエムベーハー
Priority date: 2000-10-11
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2021-10-11
Also published as: DE10050125A1; US6768600B2; US20020074115A1; EP1197776A2; EP1197776A3; DE50103964D1; JP2009021633A; EP1197776B1; JP2002198305A; KR100831496B1; KR20020028816A; JP4658418B2

Description

本発明は、光学分野、特に、マイクロリソグラフィ用プロジェクションレンズシステムに用いられるミラー支持体用装置における低い熱伝導性の熱負荷を受ける本体(thermally loaded body)の温度差を補償するための装置に関する。

熱分配装置は一般的にマイクロリソグラフィにおいて公知である。従って、例えば、米国特許第５,２２０,１７１号、及び米国特許第５,４１３,１６７号は熱伝達媒体としてチャンネル内で案内される液体を用いることによって、ウエハを冷却させるための熱分配装置を開示している。

米国特許第５,３１３,３３３号は、光組立体内の温度偏差を補償するためのデバイスに関する。

日本特開平第８-３１８８１８号公報は、反射層を有する被覆板と、その下方に配列され、それから隔てられて配置された下側板とを備え、二つの部品はそれらの間に位置したウェブとチヤンバーによって互いに連結されたミラーを開示する。

マイクロリソグラフィ用プロジェクションレンズにおけるミラー支持体は吸収された有効輻射エネルギーによって加熱される。これは互いに区別される二つの温度の問題を引き起こす。

一つの問題は、過度に大きい平均温度の増加である。これは光学表面の性質に悪影響を及ぼす基板と層材料の微細組織(micro-structure)の偏差をもたらし得る。もう一つの問題は、ミラー基板内の不均一な温度分布である。熱膨張に起因して、不均一な温度分布はそれと略類似し、ミラー基板及び光学表面を変形させる膨張分布をもたらす。

前記両熱的な問題に対し、特に、不均一な温度分布の問題点に対して解決策が設けられなければならない。不均一な温度分布の問題は特定の作動モードに対する更なる理解のために詳しく後述する。

基板内の不均一な温度分布は本質的に次の二つの原因に起因する。

熱入力は実際に光学表面を通じるだけ生じる反面、熱の出力は主にミラーのエッジ及び後方における放射により、又部分的に装着を通じた熱伝導によって達成される。熱入力の個所などが熱出力の個所以外のところに位置するため、基板材料の熱抵抗によって熱勾配が形成される。

二番目の原因は、光学表面のだいたい不均一な照明であるが、これは第一に輻射領域が全光学表面を占めておらず、第二に放射光学部品(projection optics)によって投射された回路パターンが照射領域内で不均一な強度分布を引き起こすためである。光学表面の強く照射された領域は、弱く照射された領域より強くウオーミングアップされる。不均一な温度分布によって引き起された基板変形の問題を解決することが求められる場合、熱膨張係数が非常に小さい基板材料を用いることが明らかである。このような接近はしばしば精密な光学部品において、石英、ゼロデュアー(Zerodur)、又はULEのような基板材料を選択することによって採用され、多くの適用に対して基材変形が十分に少なくなる。しかしながら、このような材料の短所は金属材料に比べて熱伝導性は低いため、熱負荷を受けるミラー支持体内で比較的に大きい温度差をもたらし、低い熱膨張係数の変形減少の効果を部分的に相殺することである。このような事実は１３nm技術(EUVL)に対するマイクロリソグラフィレンズにおけるミラー支持体の場合に特に悪影響を及ぼすが、これは１３nmバンドにおける略４０％の各々の光学表面の高い吸収度によってミラー支持体の熱流束(heat flux)が極めて大きくなり、それによって基材内に次第に大きい温度差が生じるためである。同時に、EUVLレンズによって代表されるミラーシステムにおいて、表面形状の精確度に対する要求は現在マイクロリソグラフィに主に用いられるようなレンズ光学部品の場合より実質的に厳格である。

したがって、本発明の目的は、熱負荷を受ける本体(thermally loaded body)内の熱分布が、熱変形のリスクがなく、かつ、低い熱膨張係数の効果を劣化させることなく向上され得る装置を提供することである。

前記目的は、熱負荷を受ける本体と熱分配体との間に、機械的な分離と共に、熱負荷を受ける本体と熱分配体との熱的な結合のために、流体で充填されるギャップが存在するように、熱負荷を受ける本体の表面に適合するようになる一つ以上の熱分配体を有する熱分配デバイスによって達成される。

本発明の温度補償装置によれば、熱負荷を受ける本体内の熱分布が、熱変形のリスクがなく、かつ、低い熱膨張係数の効果を劣化させることなく向上できる。

本発明によれば、熱負荷を受ける本体に関して、機械的結合及び熱的結合の間に分離が起こる。結合流体は適宜に形成されたギャップ又は熱を分配して熱を消散させ、例えば、熱負荷を受ける本体内に埋め込まれるか、又はその上に配列される熱分配デバイスと熱負荷を受ける本体との間の中間ギャップ内へ導入される。結合流体は、熱分配デバイスに対する熱的な結合を確実にするものの、かつ熱分配デバイスを熱負荷を受ける本体から機械的に分離される。これにより、熱分配デバイスの変形は熱負荷を受ける本体、例えばミラー基板又はミラー支持体上に伝えられない。

この場合において、例えば、Cu、Al、Ag等のような高い特定の熱伝導性の材料で製造された固形体が熱分配体として用いられることができる。熱分配体の他の実施例は毛細管によって貫通され、この毛細管を通って第２流体が流れる薄壁固形体、例えば管から構成される。ここで、熱分配は流動流体の熱の運搬によって発生される。

基板、即ち、熱負荷を受ける本体と熱分配体との間のギャップを充填する結合流体は十分に低い粘性の液体、気体又は他の物質であり得る。例えば、水、水銀、又は常温において液体である金属合金のような優れた熱伝導性の液体であることが好ましい。

熱負荷を受ける本体に対する結合流体の圧力の変形影響を除くため、熱分配デバイスは結合流体と熱負荷を受ける本体の外部周りとの間の圧力補償のためのデバイスを含み得る。このデバイスは上昇パイプ又は弾性容器、例えば金属ダイヤフラムベローズの形態に設計され得る。金属ダイヤフラムベローズで製造された弾性容器を有するデザインが好ましいが、これは基板の周りに対して結合流体を封入して結合流体が漏れることを防止できるためである。

本発明に係る装置は熱負荷を受ける本体内の温度差を相当減少させることを保障し、これによって光学表面の寸法安定性に対する、マイクロリソグラフィによって定められる高い要求条件を鑑みる時、熱によって引き起こされる光学表面の変形を減少させ、熱分配デバイスと熱負荷を受ける本体の機械的な分離程度を大きくする。

本発明に係る装置は熱負荷を受ける本体内の温度差を相当減少させることを保障し、これによって光表面の寸法安定性に対する、マイクロリソグラフィによって定められる高い要求条件を鑑みる時、熱によって引き起こされる光表面の変形を減少させ、熱分配デバイスと熱負荷を受ける本体の機械的な分離程度を大きくする。

本発明の良好な変形例において、熱分配デバイスは一つ以上の温度制御機に連結される。このような変形例によって、熱負荷を受ける本体の平均温度を減少させつつ、安定化させることができる。例えば、温度制御機としてペルチエ要素が使用できるが、ペルチエ要素の低温側が熱分配デバイスの熱分配体に直接結合され、その高温側が熱負荷を受ける本体によって吸収された熱、及びペルチエ要素の作動中生じる損失エネルギーを出力し、これは熱輻射によって行われる。他の実施例において、熱分配体の外へガイドされ、熱分配デバイスの外側に配置する温度制御機によって冷却される冷却液体が熱分配体を介して流れる。

圧力補償デバイス１９は熱結合の表面の境界を形成すると共に、熱負荷を受ける本体１と熱分配体１１とを互いに連結する金属ダイヤフラムベローズ２０として設計される。圧力補償デバイス１９は略同一な支持圧力が熱負荷を受ける本体の全表面に対して作用するように外部周り部９と結合流体１７との間の圧力補償を保障する。また、圧力補償デバイス１９は熱分配体１１の形状が変更された場合、結合流体１７の圧力変化を防ぎ止める。金属ダイヤフラムベローズ２０はまた、外部周り部９に対して結合流体１７を封入し、熱分配デバイスを熱負荷を受ける本体１に固定させる低剛性の固定要素として作用する。

圧力補償デバイス１９は熱結合の表面の境界を形成すると共に、熱負荷を受ける本体１と熱分配体１１とを互いに連結する金属ダイヤフラムベローズ２０として設計される。圧力補償デバイス１９は略同一な支持圧力が熱負荷を受ける本体の全表面に対して作用するように外部周り部９と結合流体１７との間の圧力補償を保障する。また、圧力補償デバイス１９は熱分配体１１の形状が変更された場合、結合流体１７の圧力変化を防ぎ止める。金属ダイヤフラムベローズ２０はまた、外部周り部９に対して結合流体１７を封入し、熱分配デバイスを熱負荷を受ける本体１に固定させる抵剛性の固定要素として作用する。

熱分配デバイスは、ギャップ１８を結合流体１７で充填するために、熱分配体１１上に結合した充填デバイス２１を備える。充填デバイス２１はギャップの容積と外部周り部９との間を密封可能に連結する機能をする。充填デバイスは外側への充填開口又は流入開口２３及びギャップ１８への連結チャンネル２４を有する筐体２２とバルブネジ２５を含む。

図２は、熱分配デバイスを有する装置を示すが、この場合、熱分配体１１は熱負荷を受ける本体１の内側表面６に適合するようになる。熱負荷を受ける本体１は二つの部品、即ち上側部品２と下側部品３とを含むが、これらは上側と下側の部品の組立後に熱負荷を受ける本体１内に位置する容積が存在するように構成される。上側と下側の部品２、３が、例えばボンディングによって互いに結合する前に、熱分配体１１は生成された内部容積内へ挿し込まれる。組立後、容積補償チャンネル８のみを通じて、内部容積と外部周り部９との間に連結が存在するが、そうでないと、内部容積は上側と下側の部品２、３との間の結合表面によって外部回り部９から封じられる。

図１に係る実施例のように、熱分配デバイスは熱分配体１１、結合流体１７、圧力補償デバイス１９、及び充填デバイス２１から構成される。熱分配体１１は高い特定の熱伝導性の材料で製造され、熱負荷を受ける本体と熱分配体１１との間の熱的結合のために、結合流体１７で充填される狭いギャップ１８が熱負荷を受ける本体１と熱分配体１１との間にあるように形成され、配列される固形体として設計される。ギャップの容積を結合流体１７で充填し、結合流体１７で充填されたギャップ１８の容積変化を補償するために、容積補償チャンネル８が内部容積から圧力補償デバイス１９内へ連結されるが、圧力補償デバイス１９は金属ダイヤフラムベローズ２０によって形成され、熱負荷を受ける本体の下側部品３に連結される。システムを結合流体１７で充填するための充填デバイス２１は圧力補償デバイス１９に連結される。

熱分配体１１がその自重で熱負荷を受ける本体１の下側部品３に対して加圧するため、加圧力によって引き起こされた熱負荷を受ける本体１の変形状態は変わらない状態で残っているように固定加圧点を形成することが長所である。このため、熱分配体１１は熱負荷を受ける本体１の下側部品３のセンタリングボア７内へ到達する三つの支持ピン１２を備えることができる。これは回転及び変位に対して固定される熱分配体１１の靜的支持(statically determined bearing)をもたらす。

図３は、図２に係る実施例に対応する熱分配デバイスを有する装置を示すが、相違点は熱負荷を受ける本体１の下側部品３に対する支持の代わりに、熱分配体１１が支持体２６(これも、熱分配デバイスに属する)を介して外部支持構造体２７に連結され、これによって、熱負荷を受ける本体１から十分に独立的に保持されることである。図２に係る実施例に対して、圧力補償デバイス１９は支持体２６に適合するようになり、支持体を通じて延長される容積補償チャンネル８を介して流体充填ギャップ１８に連結される。

熱負荷を受ける本体１と支持体２６との間に直接結合はなく、両部品は流体充填ギャップ４１によって互いに隔てられている。ギャップの容積内に位置する流体は熱負荷を受ける本体の下側部品３と支持体２６との間に配列された低剛性のシール弾性要素２８、例えば金属ダイヤフラムベローズの助けで外部周り部から密封される。低剛性のシール弾性要素２８は支持体２６と熱負荷を受ける本体１との間の相対運動が発生する場合、この要素を通じて伝えられる力を極めて少なくするため、これによって光学表面の変形がほぼ発生しない。

熱負荷を受ける本体１と支持体２６との間に直接結合はなく、両部品は流体充填ギャップ４１によって互いに隔てられている。ギャップの容積内に位置する流体は熱負荷を受ける本体の下側部品３と支持体２６との間に配列された抵剛性のシール弾性要素２８、例えば金属ダイヤフラムベローズの助けで外部周り部から密封される。抵剛性のシール弾性要素２８は支持体２６と熱負荷を受ける本体１との間の相対運動が発生する場合、この要素を通じて伝えられる力を極めて少なくするため、これによって光表面の変形がほぼ発生しない。

図７は、図２に係る実施例に対応する熱分配デバイスを有する装置を示すが、その相違点は熱分配体１１が優れた熱伝導性を有し、熱負荷を受ける本体１の上側部品２内の対応するボア４２を介して光学表面４０の付近に達する多数のフィンガ１６を有するということである。このような実施例の変形は、特に光学表面に垂直に整列され、これによって、いわゆる上方から下方へ延長する温度勾配を減少させることができる。

図７は、図２に係る実施例に対応する熱分配デバイスを有する装置を示すが、その相違点は熱分配体１１が優れた熱伝導性を有し、熱負荷を受ける本体１の上側部品２内の対応するボア４２を介して光表面４０の付近に達する多数のフィンガ１６を有するということである。このような実施例の変形は、特に光表面に垂直に整列され、これによって、いわゆる上方から下方へ延長する温度勾配を減少させることができる。

図８及び図９は、図１に係る実施例に対応する熱分配デバイスの変形例を示す。熱分配デバイスは、この場合に付加的に一つ以上のペルチエ(Peltier)の要素３２を有する温度制御機３１と、温度センサ３６と、温度調節ユニット３８とを備える。この変形例は、熱負荷を受ける本体１の平均温度を単位時間当り吸収された有効輻射エネルギーのレベルと十分に独立的に一定に保持されることができるようにする。温度を安定化するには、主に熱負荷を受ける本体１の外側へ熱が導出されることが求められるため、ペルチエ要素３２はその低温側３３が平らな形態で熱分配体１１に連結され、高温側３４は自由な状態でこの表面によって出力される熱が輻射状で回りの構造的な周り部に出力されるように配列される。温度センサ３６は温度の測定のために熱分配体１１内に埋め込まれる。ペルチエ要素３２及び温度センサ３６の電気供給導線３５、３７は温度調節ユニット３８に連結されて閉鎖された制御ループを形成する。

図１０は、図４、図５及び図６に係る実施例に対応する熱分配デバイスを有する装置を示すが、温度制御機３１は流動流体の温度が熱負荷を受ける本体１によって単位時間当り吸収された流動輻射エネルギーと独立的に温度制御機３１によって制御されるように流動流体３０の回路３９内へ挿し込まれる。

熱分配デバイスの熱分配体が熱負荷を受ける本体の外部側に適合している場合の実施例の断面図である。熱分配体が熱負荷を受ける本体内に埋め込まれた場合の実施例の断面図である。熱分配体が熱負荷を受ける本体内に埋め込まれて、外側に位置した支持構造体によって保持される場合の実施例の断面図である。熱分配体が管構造体から形成され、それを介して液体が流れる場合の実施例の断面図である。図４のV-V線に沿って切断された断面図である。図５のX部の部分拡大図である。熱分配体が優れた熱伝導性を有し、ボアを介して光学表面の付近まで達する多数のフィンガを備えた場合の実施例の断面図である。ペルチエ要素が温度制御機の一部として熱分配体に接合している場合の実施例の断面図である。図８のY部の部分拡大図である。熱分配デバイスの外側へガイドされ外側に位置した温度制御機の温度制御を受ける流体が熱分配体を介して流れる場合の実施例の断面図である。

符号の説明

１熱負荷を受ける本体
１１熱分配体
１７結合流体
１８ギャップ
１９圧力補償デバイス
２０金属ダイヤフラムベローズ
２１充填デバイス

Claims

光学分野で用いられる温度補償装置であって、
熱応力を受ける本体と、
前記熱応力を受ける本体の表面に適合し、該表面とギャップを形成する熱分配体と、
少なくとも前記ギャップに充填される流体と、
前記熱応力を受ける本体と前記熱分配体との間を連結して、前記流体を密封する弾性連結部と
を備え、
前記熱応力を受ける本体は、反射層支持体またはミラー基板であり、
前記熱分配体の熱伝導性は前記熱応力を受ける本体よりも高く、
前記弾性連結部は、外部環境と前記流体との間の圧力を補償し、
前記流体は、前記熱応力を受ける本体と前記熱分配体との間の熱伝達を確実にするとともに、前記熱分配体の変形が前記熱応力を受ける本体に伝達されないようにすることを特徴とする温度補償装置。
前記熱分配体は固形であり、実質的に前記熱応力を受ける本体を構成する材料のものより少なくとも１０倍以上高い熱伝導性を有する材料で製造される、請求項１に記載の温度補償装置。
前記熱分配体は、前記ギャップを前記流体で充填するための充填デバイスが結合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の温度補償装置。
前記熱分配体が温度制御機の熱交換要素に連結される、請求項１〜３の何れか一項に記載の温度補償装置。
前記熱交換要素がペルチエ要素から形成される、請求項４に記載の温度補償装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の温度補償装置を備えるマイクロリソグラフィのプロジェクション露出対物ミラー装置。