WO2016000833A1 - Elektrische spule - Google Patents

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WO2016000833A1
WO2016000833A1 PCT/EP2015/025040 EP2015025040W WO2016000833A1 WO 2016000833 A1 WO2016000833 A1 WO 2016000833A1 EP 2015025040 W EP2015025040 W EP 2015025040W WO 2016000833 A1 WO2016000833 A1 WO 2016000833A1
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heat
coil
projection exposure
exposure apparatus
conducting element
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PCT/EP2015/025040
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Inventor
Stacy Figueredo
Tilman Schwertner
Original Assignee
Carl Zeiss Smt Gmbh
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    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
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    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets

Definitions

  • the invention relates to a projection exposure apparatus for semiconductor lithography with an electrical coil according to the preamble of claim 1.
  • the electric coil can be, for example, part of an actuator, preferably an electromagnet, in particular for a deflecting mirror in an EUV illumination system for semiconductor lithography.
  • an actuator may also contain a plurality of electric coils.
  • the heat loads generated by the actuator are transferred by means of heat transfer into a cooling block, which can then be cooled further by a cooling system.
  • the heat is typically preferably removed from the outer regions, for example a coil, so that the efficiency of such a cooling is essentially limited by the quality of the heat transfer at the surface of the coil.
  • a local, unwanted excess of heat in principle has a detrimental effect on the performance of the associated projection exposure apparatus and often also adversely on the life of the coils used.
  • the present invention thus has the task of dissipating the heat which arises in an electric coil during operation comparatively quickly and thus to ensure the performance of an associated projection exposure apparatus for semiconductor lithography.
  • This object is achieved by the projection exposure apparatus with the features listed in the independent claim 1.
  • the subclaims relate to advantageous variants and embodiments of the invention.
  • the projection exposure apparatus according to the invention for semiconductor lithography shows at least one electrical coil and a thermally conductive, tubular or tubular element for dissipating heat from the coil, wherein the heat-conducting element is at least partially disposed in the interior of the coil.
  • a cooling medium can be guided inside the tubular or tubular element.
  • the ohmic heat in the coil can be better dissipated at the place of their formation.
  • deformations of optical surfaces caused by the heat loads induced by the actuators can thus be avoided.
  • the emergence of so-called hot spots which can adversely affect the life and performance of optical coatings of the associated element, can be effectively prevented.
  • Due to the improved cooling, in particular inside the coil it is also possible to prevent the enamel insulation of the coil wires from melting, which would lead to short-circuits and thus reduced performance of the coil.
  • the improved cooling offers the possibility of using stronger actuators, which allows design degrees of freedom to be obtained in the design of the associated projection exposure apparatus.
  • the at least one heat-conducting element may in particular be connected, on its side facing away from the spool, to at least one heat sink, which serves to further dissipate the heat out of the system.
  • the said heat sink in turn is thermally in communication with one or more further heat sinks.
  • a cascade of heat sinks can be realized.
  • heat sink is to be understood as meaning all components which are suitable for forming a heat sink. Heat exchangers would thus be seen as a heat sink in the sense of the present embodiments.
  • the heat-conducting element can be at least one component of the winding of the coil or run parallel to the coil turns.
  • the coolant line can be used as a heat-conducting element itself as the outermost winding layer or a part thereof and acts in this case in the manner of a cooling jacket. Since in this case the coolant line can be regarded as a coil component and thus the coil ends only on the outside of the coolant line or the outermost winding layer, the coolant line runs in this case at least partially in the interior of the coil.
  • a hollow spooled wire can itself be used for the production of at least parts of the coil winding, ie as a heat-conducting element, in particular in such a way to be connected to a current source, that it can contribute to the generation of the coil magnetic field.
  • the required cooling effect can be increased in a simple and cost-effective manner.
  • a plurality of tubular or tubular thermally conductive the elements are wound in parallel, so that reduces the total length to be flowed through by the coolant, which reduces the required pump power and also opens the possibility to work with smaller tube / hose cross-sections.
  • This variant is conceivable both for the case that the heat-conducting elements are used in addition to the electrically contact coil turns, as well as for the case that the heat-conducting elements is part of - electrically contacted - winding of the coil.
  • a separate electrical driving ng of the respective partial windings produced as described above could additionally be achieved. This opens up new possibilities with regard to the regulation / control of the associated actuator.
  • a separate control of the parallel lines by the cooling system is conceivable, so that in the result a very flexible, spatially resolved cooling is possible.
  • a control / regulation of the cooling can be accomplished, for example, by the one hand, the temperature, on the other hand, the volume flow of the cooling medium for the respective cooling circuit is selected according to the respective requirements.
  • the parameters mentioned can also be used simultaneously as manipulated variables of a control / regulation.
  • the cooling medium may be liquid or gaseous or combined liquid / gaseous.
  • a low viscosity of the cooling medium in the range of 100 Pa s - 25 000pPa s is advantageous in order to keep the required pumping power low.
  • a cooling medium with a higher specific heat capacity in particular in the range of 1000 J / (kg * K) - 6500 J / (kg * K) is advantageous in order to limit the volume flow required for adequate cooling.
  • an inner diameter of the tubular or tubular element in the range of less than 1 mm, for example in the range of 0.05mm - 0.1mm is an advantageous choice.
  • the cooling medium may in particular be water, carbon dioxide, R134A, methanol or ethanol.
  • it serves the durability and reliability of the associated system when a chemically inert coolant is used.
  • the heat-conducting element can be realized as a heat-conducting element with a closed two-phase cooling circuit (hereinafter: "two-phase element").
  • Such elements are designed, in particular, as heat pipes, also called heat pipes.
  • the heat-conducting element can be configured as a two-phase thermosyphon or as a loop heat pipe.
  • the two-phase element can be used as the coil wire of the actuator, wherein the two-phase elements can run in series or parallel to each other.
  • An arrangement "in series” is to be understood in particular as the case where that part of a two-phase element at which the condensation of the working fluid takes place (hereinafter referred to as “cooling zone”) is in thermal contact with that part of a further two-phase element on which the Evaporation of the working fluid takes place (hereinafter called “heating zone”).
  • cooling zone that part of a two-phase element at which the condensation of the working fluid takes place
  • heatating zone that part of a further two-phase element on which the Evaporation of the working fluid takes place
  • a use of the two-phase element as an electrical component of the coil, that is, as part of the current-carrying coil turns, is not mandatory, although quite possible; It is also conceivable to use the two-phase element parallel to an already existing winding of a coil.
  • An advantage of the use of two-phase elements, in which heat is transported or removed in particular by a phase transformation of a liquid medium at the location to be cooled into a gaseous medium and a subsequent transport to a region in which the gaseous medium condenses, is that in this case it is not necessary to actively pump the medium.
  • a two-phase element with the same cooling capacity and usually smaller required cross-section usually less mechanical disturbances than from a liquid-flowed tubular or tubular element.
  • the two-phase element can be introduced from the outside of the coil into the latter and can be arranged with its heating zone in the region of a hot spot.
  • the two-phase element can also be integrated in the core, preferably the iron core, of the electrical coil become.
  • the two-phase element could be located between the iron core and a portion of a hot spot within the iron core. It is also conceivable that two-phase elements are arranged in the vicinity of the coil or on the outer regions of the coil or of the core. In this way, heat can be dissipated defined from the environment of the coil.
  • the two-phase elements may be disposed between the coil core and the environment in any combination and orientation other than those described herein.
  • the two-phase elements can in particular be in thermal connection with a second cooler outside the coil in order to dissipate heat from the drive or actuator or the coil. For this purpose, a conventional single-phase cooler with larger channels or alternatively designed cooling device can be used.
  • An advantage of using a two-phase element is that in this case the mechanical disadvantages of a pipeline or a hose through which a cooling medium is actively pumped-in particular vibrations caused by the flow of the medium-occur very rarely with the heat-conducting element.
  • Other working fluids are also conceivable, depending on the working range or the cooler temperature.
  • working fluids which have a specific heat of vaporization in the range from 60 kJ / kg to 2600 kJ / kg are advantageous for two-phase systems or two-phase elements.
  • the heat-conducting element may be configured in one piece.
  • the heat-conducting element can be produced inexpensively as a soldering assembly.
  • the heat-conducting element can be exchangeable. It is advantageous that, after removal of the heat-conducting element, an on-site repair or adaptation of the electrical coil or of the associated actuator is possible.
  • the individual components can be arranged to be pulled out on the bobbin, so that the corresponding component from the side of the winding of the electrical could pull out the coil and then replace or repair on site.
  • the heat sink can be operated with liquid cooling, preferably water cooling, and / or the heat sink can be designed as a plate or ingot cooler.
  • the advantage of water is that it has a comparatively high specific heat capacity and dissipates the heat very effectively.
  • the heat sink may alternatively be treated with one of the aforementioned liquids, e.g. a chemically inert coolant, carbon dioxide, R134A, methanol or ethanol.
  • the heat sink can be operated as a single-phase or two-phase system.
  • the heat sink can also be operated in the range below 0 ° C, preferably with a glycol water cooling.
  • the electrical coil may be part of an actuator of a multilayer mirror for EUV lithography.
  • the electrical coil of an actuator can be cooled to different degrees in different areas.
  • a heat sink with a plurality of locally adapted cooling zones can be used, wherein the cooling zones are assigned different heat-conducting elements. In both cases, as a result, a locally adaptable and / or adjustable cooling of the electrical coil is made possible.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a projection exposure apparatus in which the invention can be used
  • Figure 2 is a schematic cross-sectional view of an electrical coil, with a heat conducting element according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of an alternative embodiment of an electrical coil with an inserted heat-conducting element, a schematic cross-sectional representation of a further alternative embodiment of an electrical coil with a heat pipe as a heat-conducting element,
  • FIG. 5 shows a variant of the invention, in which a heat pipe as part of a
  • Coil winding is formed
  • FIG. 6 in tabular form an overview of suitable cooling media.
  • FIG. 1 shows an example of the basic structure of an EUV projection exposure apparatus 400 for microlithography, in which the invention can be applied.
  • An illumination system 401 of the projection exposure apparatus 400 has, in addition to a light source 402, an illumination optics 403 for illuminating an object field 404 in an object plane 405.
  • Illuminated is a reticle 406 arranged in the object field 404, which is held by a schematically illustrated reticle holder 407.
  • a structure on the reticle 406 is shown on a photosensitive layer in the image plane 410 in the region of the image field 409 Wafers 411, which is held by a wafer holder 412 also partially shown.
  • the light source 402 can emit useful radiation, in particular in the range between 5 nm and 30 nm.
  • An EUV radiation 413 generated by means of the light source is aligned by means of a collector integrated in the light source 402 in such a way that it passes through an intermediate focus in the region of an intermediate focus plane 414 before it encounters a field facet mirror 415. After the field facet mirror 415, the EUV radiation 413 is reflected by a pupil facet mirror 416. With the aid of the pupil facet mirror 416 and an optical assembly 417 with mirrors 418, 419 and 420, field facets of the field facet mirror 415 are imaged into the object field 404.
  • the mirrors 418, 419 and 420 are held in position by means of so-called Lorentz actuators, the Lorentz actuators being equipped with coils by means of which a magnetic mounting of the mirrors can be achieved.
  • FIG. 2 shows, in a first exemplary embodiment of the invention, a coil 1 which is connected to the heat sink 3 via the heat-conducting element 2 in order to dissipate heat into a cooling body 3.
  • a coil can be used, for example, in one of the above-mentioned Lorentz actuators.
  • the heat transfer from the electric coil 1 into the cooling body 3 takes place via the heat-conducting element 2, which in the example shown is tubular or tubular, so that the cooling medium 4 can be guided in its interior.
  • the heat-conducting element 2 is part of a - in the figure shown as a detail enlargement - current-carrying coil 5 of the coil 1 and thus can contribute to the generation of the coil magnetic field.
  • the thermally conductive element 2 With the thermally conductive element 2, a homogeneous temperature distribution can be achieved while avoiding hot spots HS in the coil 1.
  • the cooling medium 4 enters the heat sink 3 at an entrance, wherein the flow direction is shown by the arrow E, and exits at an exit from the heat sink 3, wherein the flow direction is shown by the arrow A.
  • the heat sink 3 can - not shown in detail - be designed as a plate or ingot cooler.
  • the heat sink 3 may be made of a material which may preferably contain copper, aluminum, stainless steel or their alloys.
  • Fig. 3 shows a sectional view of a coil 1 ', which has an annular heat sink 3' in the example shown, which is placed around the coil 1 'around.
  • the heat sink 3 ' is integrally formed with the heat-conducting element 2', which is introduced into the coil 1 'and dissipates heat therefrom.
  • the heat-conducting element 2 ' is formed in the example shown as a simple heat conductor, introduced from the outside of the coil V ago in this and arranged in the region of the hot spot HS. It is also conceivable that the heat-conducting element 2 'is also arranged in the vicinity of the coil V or on the outer regions of the coil V or the core of the coil V, not shown in the figure.
  • the heat-conducting element 2 ' may be disposed between the core of the coil 1' and the environment in any combination and in a different orientation than described herein.
  • the coil winding of the coil 1 ' is formed by the electrical conductor 7.
  • FIG. 4 shows, in a further variant of the invention, a sectional view of a coil 1 "which, in contrast to the heat-conducting element 2 'shown in FIG. 3, has a heat pipe 2" (heat pipe) between the coil 1 "and the heat sink 3".
  • a heat pipe 2 heat pipe
  • FIG. 4a shows a first variant of the arrangement shown in FIG. 4 in a sectional view along the line II.
  • the heat sink is designed such that it extends in the manner of a circular disk into the interior of the coil.
  • the Heat Pipes 2 "are embedded in the material of the heat sink and it is also conceivable to shape the Heat Pipes 2" directly from the material during the production of the heat sink. This makes it possible to a variety of different possible geometric characteristics of the heat pipes 2 "to realize.
  • a two-part main body of a heat sink could first be produced, which is cut along the section line II shown in the figure.
  • both the heat pipes 2 "and the material of the heat sink 3" contribute to the heat transport from the interior of the coil.
  • FIG. 4b an embodiment of the invention is also shown with reference to a sectional view along the line II shown in FIG. 4, in which only the heat pipes 2 "extend inside the coil V and, on their end remote from the coil interior, into correspondingly formed blind holes
  • This variant represents a comparatively cost-effective option, since in this case already available heat pipes can be used in the market 4a to integrate arrangement shown.
  • FIG. 5 shows a variant of the invention in which a heat pipe 2 "'is used as part of the coil winding, wherein the heat pipe is designed as a comparatively long hollow wire of which a first coil-shaped winding is integrated in the coil 1"' and connected to a power source 8.
  • the current source 8 can be realized as a separately controllable current source; it can also be that current source with which the remaining part of the coil V "formed with conventional wires is formed, and above the winding integrated in the coil V", the heat pipe 2 "'is likewise guided helically in a water cooler Coil 1 "'heats up the medium present in the heat pipe 2", which is located in the region of the coil 1 "', and evaporates.
  • FIGS. 2-5 Mixed forms or combinations of the concepts shown in FIGS. 2-5 are also conceivable.
  • FIG. 6 shows a tabular overview of suitable cooling media.
  • both cooling media are included, which are suitable for a single-phase cooling, as well as cooling media, which are preferably for a two-phase cooling in question.
  • the thermophysical properties shown in FIG. 5 are the saturation temperature at an operating pressure of 1 bar; the saturation pressure at a temperature of 22 ° C, which is a preferred operating temperature for EUV projection exposure equipment; the triple point; the critical temperature; the critical pressure; the density ratio, which reflects the relationship between the density of the liquid phase and the density of the gas phase; the viscosity with 40% gas content in a two-phase state; the liquid viscosity; the liquid density; the specific heat capacity at a temperature of 25 ° C; the dielectric strength for a gap of 0.25 cm; the dielectric constant and the Global Warming Potential (GWP).
  • GWP Global Warming Potential

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einer elektrischen Spule (1) und mit wenigstens einem röhren- oder schlauchförmigem wärmeleitenden Element (2) zum Abführen von Wärme aus der Spule (1), wobei das wärmeleitende Element (2) mindestens teilweise im Innenbereich der Spule (1) angeordnet ist.

Description

Beschreibung: Elektrische Spule Die Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einer elektrischen Spule nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die elektrische Spule kann dabei bspw. Teil eines Aktuators, vorzugsweise eines Elektromagneten, insbesondere für einen Umlenkspiegel in einem EUV- Beleuchtungssystem für die Halbleiter-Lithographie sein. Dabei kann ein Aktuator auch mehrere elektrische Spulen enthalten.
Nach dem Stand der Technik werden die von dem Aktuator erzeugten Wärmelasten mittels Wärmeübertragung in einen Kühlblock abgegeben, der dann weiter von ei- nem Kühlsystem gekühlt werden kann. Dabei wird die Wärme jedoch typischerweise bevorzugt aus den äußeren Bereichen beispielsweise einer Spule abgeführt, so dass die Effizienz einer derartigen Kühlung im Wesentlichen durch die Qualität des Wärmeübergangs an der Oberfläche der Spule limitiert ist. Erschwerend kommt hinzu, dass in einer Hochvakuum-Umgebung, wie sie insbesondere in einem EUV-Beleuchtungssystem für die Halbleiter-Lithographie erforderlich ist, als Wärmeübertragungsmechanismen lediglich Strahlung und Wärmeleitung zur Verfügung stehen, da kein umgebendes Medium vorhanden ist, welches durch Kon- vektion zum Abführen der Wärme beitragen könnte. Ein lokaler, nicht gewünschter Wärmeüberschuss wirkt sich jedoch prinzipiell nachteilig auf die Leistungsfähigkeit der zugehörigen Projektionsbelichtungsanlage und oftmals auch nachteilig auf die Lebensdauer der verwendeten Spulen aus.
Die vorliegende Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, die Wärme, welche in einer elektrischen Spule im Betrieb entsteht, vergleichsweise schnell abzuführen und damit die Leistungsfähigkeit einer zugehörigen Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie sicher zu stellen. Diese Aufgabe wird durch die Projektionsbelichtungsanlage mit den im unabhängigen Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Varianten und Ausführungsformen der Erfindung. Die erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie zeigt wenigstens eine elektrische Spule sowie ein wärmeleitendes, röhren- oder schlauchförmiges Element zum Abführen von Wärme aus der Spule, wobei das wärmeleitende Element mindestens teilweise im Innenbereich der Spule angeordnet ist. Dabei kann im Inneren des röhren- oder schlauchförmigen Elementes ein Kühl- medium geführt werden. Auf diese Weise kann die ohmsche Wärme in der Spule am Ort ihrer Entstehung besser abgeführt werden. Damit können beispielsweise Deformationen von optischen Oberflächen, die durch die Wärmelasten, die von den Aktua- toren induziert werden, entstehen, vermieden werden. Insbesondere kann das Entstehen von sogenannten Hot Spots, die sich negativ auf die Lebensdauer und Leis- tung von optischen Beschichtungen des zugehörigen Elementes auswirken können, wirksam unterbunden werden. Durch die verbesserte Kühlung insbesondere im Inneren der Spule kann auch vermieden werden, dass die Lackisolierung der Spulendrähte aufschmilzt, was zu Kurzschlüssen und damit einer verringerten Leistungsfähigkeit der Spule führen würde. Aufgrund der verbesserten Kühlung eröffnet sich darüber hinaus die Möglichkeit, stärkere Aktuatoren zu verwenden, wodurch Designfreiheitsgrade bei der Auslegung der zugehörigen Projektionsbelichtungsanlage gewonnen werden können.
Das wenigstens eine wärmeleitende Element kann insbesondere auf seiner der Spu- le abgewandten Seite mit wenigstens einem Kühlkörper verbunden sein, welcher dem weiteren Abführen der Wärme aus dem System dient. Für eine verbesserte Wärmeabfuhr je nach Systemanforderungen ist es auch denkbar, dass der genannte Kühlkörper seinerseits thermisch mit einem oder mehreren weiteren Kühlkörpern in Verbindung steht. Mit anderen Worten kann eine Kaskade von Kühlkörpern realisiert sein. Unter "Kühlkörper" sind vorliegend alle Komponenten zu verstehen, welche geeignet sind, eine Wärmesenke zu bilden. Auch Wärmetauscher wären somit als Kühlkörper im Sinne der vorliegenden Ausführungen zu sehen. In einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann das wärmeleitende Element wenigstens ein Bestandteil der Wicklung der Spule sein oder parallel zu den Spulenwindungen verlaufen. Mit anderen Worten besteht die Möglichkeit, eine separate Kühlmittelleitung als wärmeleitendes Element mit der elektrisch kontaktierten Wicklung der Spule mindestens abschnittsweise parallel zu wickeln, so dass in den betroffenen Bereichen eine praktisch homogene Kühlung möglich wird. Ebenso ist es denkbar, das Verhältnis Kühlmittelleitung zu Spulendraht entsprechend einer erwarteten ohmschen Wärmeleistungsdichte in der Spule anzupassen, so dass im Ergeb- nis eine homogene Temperaturverteilung unter Vermeidung von Hot Spots in der Spule erreicht werden kann. Insbesondere kann die Kühlmittelleitung als wärmeleitendes Element selbst als äußerste Wicklungsschicht oder ein Teil derselben verwendet werden und wirkt in diesem Fall in der Art eines Kühlmantels. Da in diesem Fall die Kühlmittelleitung als Spulenbestandteil angesehen werden kann und damit die Spule erst auf der Außenseite der Kühlmittelleitung bzw. der äußersten Wicklungsschicht endet, verläuft die Kühlmittelleitung auch in diesem Fall mindestens teilweise im Innenbereich der Spule.
Daneben kann in einer weiteren Variante der Erfindung ein hohl ausgebildeter Spu- lendraht selbst für die Herstellung mindestens von Teilen der Spulenwicklung verwendet werden, also als wärmleitendes Element insbesondere derart mit einer Stromquelle verbunden werden, dass er zur Erzeugung des Spulenmagnetfeldes beitragen kann. Mittels der damit erreichten Doppelfunktionalität der hohlen Leitungen bzw. Wicklungen einerseits als Kühlung und andererseits als Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes, kann in einfacher und kostengünstiger Weise die erforderliche Kühlwirkung gesteigert werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, ein elektrisch nicht leitfähiges Kühlmittel zu verwenden, um die Gefahr elektrischer Kurzschlüsse zu reduzieren. Um die Leitungslänge kurz zu halten und damit die erforderliche Pumpleistung gering halten zu können, kann es sinnvoll sein, die Leitungen parallel zu betreiben. Mit anderen Worten kann eine Mehrzahl von röhren- oder schlauchförmigen wärmeleiten- den Elementen parallel gewickelt werden, so dass sich die von dem Kühlmittel zu durchströmende Gesamtlänge reduziert, was die erforderliche Pumpleistung verringert und ferner die Möglichkeit eröffnet, mit kleineren Röhren/Schlauchquerschnitten zu arbeiten. Diese Variante ist sowohl für den Fall denkbar, dass die wärmeleitenden Elemente zusätzlich zu den elektrisch kontaktieren Spulenwindungen verwendet werden, wie auch für den Fall, dass die wärmeleitenden Elemente Bestandteil der - elektrisch kontaktierten - Wicklung der Spule ist. In diesem Fall könnte zusätzlich noch eine separate elektrische Ansteuern ng der jeweiligen wie oben beschrieben erzeugten Teilwicklungen erreicht werden. Hierdurch eröffnen sich neue Möglichkeiten im Hinblick auf die Regelung/Steuerung des zugehörigen Aktuators. Auch eine separate Ansteuerung der parallelen Leitungen durch das Kühlsystem ist denkbar, so dass im Ergebnis eine ausgesprochen flexible, ortsaufgelöste Kühlung möglich wird. Ein Steuerung/Regelung der Kühlung kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass einerseits die Temperatur, andererseits der Volumenstrom des Kühl- mediums für den jeweiligen Kühlkreislauf entsprechend den jeweiligen Anforderungen gewählt wird. Selbstverständlich können die genannten Parameter auch gleichzeitig als Stellgrößen einer Regelung/Steuerung verwendet werden.
Das Kühlmedium kann flüssig oder gasförmig oder kombiniert flüssig/gasförmig aus- gebildet sein. Eine geringe Viskosität des Kühlmediums im Bereich von 100 Pa s- 25 OOOpPa s ist von Vorteil, um die erforderliche Pumpleistung gering halten zu können. Zudem ist ein Kühlmedium mit höherer spezifischer Wärmekapazität, insbesondere im Bereich von 1000 J/(kg*K) - 6500 J/(kg*K) vorteilhaft, um den für eine ausreichende Kühlung erforderlichen Volumenstrom zu begrenzen.
Insbesondere für den Fall flüssiger Kühlmittel stellt ein Innendurchmesser des röhren- oder schlauchförmigen Elementes im Bereich von weniger als 1 mm, beispielsweise im Bereich von 0,05mm - 0,1mm eine vorteilhafte Wahl dar. Das Kühlmedium kann insbesondere Wasser, Kohlendioxid, R134A, Methanol oder Ethanol enthalten. Darüber hinaus dient es der Haltbarkeit und der Betriebssicherheit des zugehörigen Systems, wenn ein chemisch inertes Kühlmittel verwendet wird. Das wärmeleitende Element kann als wärmeleitendes Element mit geschlossenem Zwei-Phasen-Kühlkreislauf (nachfolgend: "Zweiphasenelement") realisiert sein. Derartige Elemente sind insbesondere als Wärmeleitrohre, auch als Heat-Pipe bezeich- net, ausgestaltet. Alternativ kann das wärmeleitende Element als Zwei-Phasen- Thermosiphon oder als Loop Heat Pipe ausgestaltet sein. Das Zweiphasenelement kann als solches als Spulendraht des Aktuators verwendet werden, wobei die Zweiphasenelemente in Reihe oder parallel zu einander verlaufen können. Unter einer Anordnung "in Reihe" ist dabei insbesondere der Fall zu verstehen, dass derjenige Teil eines Zweiphasenelementes, an welchem die Kondensation der Arbeitsflüssigkeit erfolgt (nachfolgend "Kühlzone" genannt), in thermischen Kontakt mit demjenigen Teil eines weiteren Zweiphasenelementes steht, an welchem die Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit erfolgt (nachfolgend "Heizzone" genannt). Eine Verwendung des Zweiphasenelementes als elektrischer Bestandteil der Spule, also als Teil der stromdurchflossenen Spulenwindungen, ist jedoch nicht zwingend, wenn auch durchaus möglich; es ist ebenso denkbar, das Zweiphasenelement parallel zu einer ohnehin vorhandenen Wicklung einer Spule einzusetzen.
Ein Vorteil der Verwendung von Zweiphasenelementen, bei welchen Wärme insbe- sondere durch eine Phasenumwandlung eines flüssigen Mediums an dem zu kühlenden Ort in ein gasförmiges Medium und einen nachfolgenden Transport zu einem Bereich, in welchem das gasförmige Medium kondensiert, transportiert, bzw. abgeführt wird, ist, dass es in diesem Fall nicht erforderlich ist, das Medium aktiv zu pumpen. Dadurch gehen von einem Zweiphasenelement bei gleicher Kühlleistung und in der Regel geringerem erforderlichen Querschnitt in der Regel weniger mechanische Störungen aus als von einem flüssigkeitsdurchströmten röhren- oder schlauchförmigem Element.
Das Zweiphasenelement kann in einer weiteren Variante der Erfindung von der Au- ßenseite der Spule in diese eingeführt sein und mit seiner Heizzone im Bereich eines Hot Spots angeordnet sein. Ebenso oder zusätzlich kann das Zweiphasenelement auch in dem Kern, vorzugsweise dem Eisenkern, der elektrischen Spule integriert werden.
Ferner könnte sich das Zweiphasenelement zwischen dem Eisenkern und einem Bereich eines Hot Spots innerhalb des Eisenkerns befinden. Es ist ferner denkbar, dass Zweiphasenelemente in der Umgebung der Spule oder an den Außenbereichen der Spule oder des Kerns angeordnet sind. Auf diese Weise kann Wärme definiert aus der Umgebung der Spule abgeführt werden. Die Zweiphasenelemente können zwischen dem Spulenkern und der Umgebung in beliebiger Kombination und in einer anderen Ausrichtung als hier beschrieben angeordnet sein. Die Zweiphasenelemente können insbesondere mit einem zweiten Kühler außerhalb der Spule in thermischer Verbindung stehen, um Wärme aus dem Antrieb bzw. Aktu- ator bzw. der Spule abzuführen. Hierzu kann ein üblicher Einphasen-Kühler mit größeren Kanälen oder eine alternativ ausgestaltete Kühleinrichtung verwendet werden. Ein Vorteil der Verwendung eines Zweiphasenelementes besteht darin, dass in diesem Fall die mechanischen Nachteile einer Rohrleitung oder eines Schlauchs, durch welche aktiv ein Kühlmedium gepumpt wird - insbesondere durch die Strömung des Mediums verursachte Schwingungen - beim Wärmeleitelement sehr selten auftreten. Auch andere Arbeitsflüssigkeiten sind - abhängig vom Arbeitsbereich bzw. der Küh- lertemperatur - denkbar.
Insgesamt sind für Zweiphasensysteme bzw. Zweiphasenelemente Arbeitsflüssigkeiten vorteilhaft, welche eine spezifische Verdampfungswärme im Bereich von 60kJ/kg bis 2600kJ/kg aufweisen.
Das wärmeleitende Element kann einteilig ausgestaltet sein. Dabei kann das wärmeleitende Element als Lötbaugruppe kostengünstig hergestellt werden.
Insbesondere kann das wärmeleitende Element austauschbar sein. Vorteilhaft ist, dass nach dem Entfernen des wärmeleitenden Elements eine Vor-Ort-Reparatur o- der eine Anpassung der elektrischen Spule oder des zugehörigen Aktuators möglich ist. Die einzelnen Bauteile können herausziehbar am Spulenkörper angeordnet sein, so dass man das entsprechende Bauteil von der Seite der Wicklung der elektrischen Spule herausziehen könnte und dann vor Ort auswechseln oder reparieren kann.
Der Kühlkörper kann mit einer Flüssigkeitskühlung, vorzugsweise Wasserkühlung, betrieben sein und/oder der Kühlkörper kann als Platten- oder Leistenkühler ausge- führt sein. Vorteil von Wasser ist, dass dieses eine vergleichsweise hohe spezifische Wärmekapazität aufweist und die Wärme sehr effektiv abtransportiert. Der Kühlkörper kann alternativ auch mit einer der vorstehend genannten Flüssigkeiten, z.B. einem chemisch inerten Kühlmittel, Kohlendioxid, R134A, Methanol oder Ethanol betrieben werden. Der Kühlkörper kann als Einphasen- oder Zweiphasensystem betrie- ben werden. Der Kühlkörper kann auch im Bereich unter 0°C betrieben werden, vorzugsweise mit einer Glykol-Wasserkühlung. Somit kann die Betriebstemperatur des Systems insgesamt verringert werden, so dass sich insbesondere das Auftreten unerwünschter Deformationen reduzieren lässt. Die elektrische Spule kann Teil eines Aktuators eines Multilayer-Spiegels für die EUV-Lithographie sein.
Insgesamt ist eine Vielzahl von Anwendungen des erfindungsgemäßen Konzeptes in Projektionsbelichtungsanlagen für die Halbleiterlithographie denkbar, beispielsweise im Bereich des Beleuchtungssystems, dort insbesondere im Bereich der Lichtquelle, des Kollektors, oder der Beleuchtungsoptik, der Projektionsoptik, des Retikelhalters oder auch des Waferhalters .
Des Weiteren kann die elektrische Spule eines Aktuators in unterschiedlichen Berei- chen unterschiedlich stark gekühlt werden. Hierzu ist es insbesondere denkbar, mit einzelnen Wärmeleitelementen unterschiedliche regel- und/oder steuerbare Kühlkörper zu verbinden, wobei die Kühlkörper einzeln ansteuerbar sind. Ebenso kann ein Kühlkörper mit mehreren lokal angepassten Kühlzonen zur Anwendung kommen, wobei den Kühlzonen unterschiedliche Wärmeleitelemente zugeordnet sind. In bei- den Fällen wird im Ergebnis eine lokal adaptierbare und/oder einstellbare Kühlung der elektrischen Spule ermöglicht. Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage, in welcher die Erfindung zum Einsatz kommen kann,
Figur 2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Spule, mit einem Wärmeleitelement nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung
Figur 3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer alternativen Ausführungsform einer elektrischen Spule mit einem eingeschobenen wärmeleitenden Element, eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform einer elektrischen Spule mit einer Heat-Pipe als wärmeleitendes Element,
Figur 5 eine Variante der Erfindung, bei welcher eine Heat Pipe als Teil einer
Spulenwicklung ausgebildet ist; und
Figur 6 in tabellarischer Form eine Übersicht geeigneter Kühlmedien.
Fig. 1 zeigt exemplarisch den prinzipiellen Aufbau einer EUV- Projektionsbelichtungsanlage 400 für die Mikrolithographie, in welcher die Erfindung Anwendung finden kann. Ein Beleuchtungssystem 401 der Projektionsbelichtungsanlage 400 weist neben einer Lichtquelle 402 eine Beleuchtungsoptik 403 zur Beleuchtung eines Objektfeldes 404 in einer Objektebene 405 auf. Beleuchtet wird ein im Objektfeld 404 angeordnetes Retikel 406, das von einem schematisch dargestellten Retikelhalter 407 gehalten ist. Eine lediglich schematisch dargestellte Projektionsop- tik 408 dient zur Abbildung des Objektfeldes 404 in ein Bildfeld 409 in eine Bildebene 410. Abgebildet wird eine Struktur auf dem Retikel 406 auf eine lichtempfindliche Schicht eines im Bereich des Bildfeldes 409 in der Bildebene 410 angeordneten Wafers 411 , der von einem ebenfalls ausschnittsweise dargestellten Waferhalter 412 gehalten ist. Die Lichtquelle 402 kann Nutzstrahlung insbesondere im Bereich zwischen 5 nm und 30 nm emittieren. Eine mittels der Lichtquelle erzeugte EUV-Strahlung 413 wird mittels eines in der Lichtquelle 402 integrierten Kollektors derart ausgerichtet, dass sie im Bereich einer Zwischenfokusebene 414 einen Zwischenfokus durchläuft, bevor sie auf einen Feldfacettenspiegel 415 trifft. Nach dem Feldfacettenspiegel 415 wird die EUV-Strahlung 413 von einem Pupillenfacettenspiegel 416 reflektiert. Unter Zuhilfenahme des Pupil- lenfacettenspiegels 416 und einer optischen Baugruppe 417 mit Spiegeln 418, 419 und 420 werden Feldfacetten des Feldfacettenspiegels 415 in das Objektfeld 404 abgebildet.
Im Betrieb der in Figur 1 dargestellten Projektionsbelichtungsanlage 400 werden bei- spielsweise die Spiegel 418, 419 und 420 mittels sogenannter Lorentzaktuatoren in ihrer Position gehalten, wobei die Lorentzaktuatoren mit Spulen ausgestattet sind, mittels derer eine magnetische Lagerung der Spiegel erreicht werden kann.
Figur 2 zeigt in einer ersten exemplarischen Ausführungsform der Erfindung eine Spule 1 , welche zum Abführen von Wärme in einen Kühlkörper 3 über das wärmeleitende Element 2 mit dem Kühlkörper 3 verbunden ist. Eine derartige Spule kann beispielsweise in einem der oben genannten Lorentzaktuatoren Verwendung finden. Der Wärmeübertrag aus der elektrischen Spule 1 in den Kühlkörper 3 erfolgt über das wärmeleitende Element 2, welches im gezeigten Beispiel röhren- oder schlauch- förmig ausgebildet ist, so dass in seinem Inneren das Kühlmedium 4 geführt werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das wärmeleitende Element 2 Bestandteil einer - in der Figur als Ausschnittsvergrößerung dargestellten - stromdurchflossenen Wicklung 5 der Spule 1 und kann somit zur Erzeugung des Spulenmagnetfeldes beitragen. Mit dem wärmeleitenden Element 2 kann eine homogene Temperaturvertei- lung unter Vermeidung von Hot Spots HS in der Spule 1 erreicht werden.
Das Kühlmedium 4 tritt an einem Eingang in den Kühlkörper 3 ein, wobei die Fließ- richtung durch den Pfeil E dargestellt ist, und tritt an einem Ausgang aus dem Kühlkörper 3 aus, wobei die Fließrichtung durch den Pfeil A dargestellt ist. Der Kühlkörper 3 kann - nicht näher dargestellt - als Platten- oder Leistenkühler ausgeführt sein. Der Kühlkörper 3 kann aus einem Werkstoff hergestellt sein, welcher vorzugsweise Kup- fer, Aluminium, Edelstahl oder deren Legierungen enthalten kann.
Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer Spule 1 ', die einen im gezeigten Beispiel ringförmigen Kühlkörper 3' aufweist, welcher um die Spule 1 ' herum gelegt ist. Dabei ist der Kühlkörper 3' einstückig mit dem wärmeleitenden Element 2' ausgebildet, wel- ches in die Spule 1 ' eingeführt ist und Wärme aus dieser abführt. Das wärmeleitende Element 2' ist im gezeigten Beispiel als einfacher Wärmeleiter ausgebildet, von der Außenseite der Spule V her in diese eingeführt und im Bereich des Hot Spots HS angeordnet. Es ist ferner denkbar, dass das wärmeleitende Element 2' auch in der Umgebung der Spule V oder an den Außenbereichen der Spule V oder des in der Figur nicht gezeigten Kerns der Spule V angeordnet ist. Auf diese Weise kann Wärme definiert aus der Umgebung der Spule V abgeführt werden. Das wärmeleitende Element 2' kann zwischen dem Kern der Spule 1 ' und der Umgebung in beliebiger Kombination und in einer anderen Ausrichtung als hier beschrieben angeordnet sein. Die Spulenwicklung der Spule 1 ' ist durch den elektrischen Leiter 7 gebildet.
Fig. 4 zeigt in einer weiteren Variante der Erfindung eine Schnittdarstellung einer Spule 1 ", welche im Unterschied zu dem in Figur 3 dargestellten wärmeleitenden Element 2' ein Wärmeleitrohr 2" (Heat Pipe) zwischen der Spule 1 " und dem Kühlkörper 3" aufweist.
Figur 4a zeigt eine erste Variante der in Figur 4 gezeigten Anordnung in einer Schnittdarstellung entlang der Linie l-l. In der gezeigten Variante ist der Kühlkörper derart ausgebildet, dass er sich in der Art einer Kreisscheibe bis in das Spuleninnere erststreckt. Die Heat Pipes 2" sind in diesem Fall in das Material des Kühlkörpers eingebettet. Es ist ebenso denkbar, die Heat Pipes 2" im Laufe der Herstellung des Kühlkörpers direkt aus dessen Material auszuformen. Hierdurch wird es möglich, eine Vielzahl unterschiedlicher möglicher geometrischer Verläufe der Heat Pipes 2" zu realisieren. So könnte beispielsweise zur Fertigung der gezeigten Anordnung zunächst ein zweiteiliger Grundkörper eines Kühlkörpers gefertigt werden, welcher entlang der in der Figur gezeigten Schnittlinie l-l geschnitten ist. Nachfolgend kann dann - beispielsweise durch ein Fräsverfahren - der gewünschte Verlauf der Heat Pipes auf einer oder auch auf beiden der Schnittflächen realisiert werden. Nach dem Befüllen der so realisierten Ausnehmungen mit dem entsprechenden Kühlmedium können die beiden Hälften beispielsweise durch Kleben oder Löten mit einander verbunden werden. Im gezeigten Bespiel tragen also sowohl die Heat Pipes 2" als auch das Material des Kühlkörpers 3" zum Wärmetransport aus dem Spuleninneren bei.
In Figur 4b ist - ebenfalls anhand einer Schnittdarstellung entlang der in Figur 4 gezeigten Linie l-l - eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei welcher sich lediglich die Heat Pipes 2" ins Innere der Spule V erstrecken und auf ihrem dem Spuleninneren abgewandten Ende in entsprechend ausgebildete Sacklöcher in den kreisringförmigen Kühlkörper eingesteckt, insbesondere eingelötet, sind. Diese Variante stellt eine vergleichsweise kostengünstig zu fertigende Möglichkeit dar, da in diesem Fall am Markt bereits verfügbare Heat Pipes zur Anwendung kommen können. Grundsätzlich ist es auch denkbar, derartige Heat Pipes in die in Figur 4a gezeigte Anordnung zu integrieren.
In Figur 5 ist eine Variante der Erfindung dargestellt, bei welcher eine Heat Pipe 2"' als Teil der Spulenwicklung zur Anwendung kommt. Dabei ist die Heat Pipe als vergleichsweise langer Hohldraht ausgebildet, von welchem eine erste spulenförmige Wicklung in der Spule 1 "' integriert und mit einer Stromquelle 8 verbunden ist. Die Stromquelle 8 kann dabei als separat ansteuerbare Stromquelle realisiert sein; sie kann ebenso diejenige Stromquelle sein, mit welcher der restliche, mit konventionellen Drähten ausgebildete Teil der Spule V" gebildet ist. Oberhalb der in der Spule V" integrierten Wicklung ist die Heat Pipe 2"' ebenfalls wendeiförmig in einem Wasserkühler geführt. Im Betrieb der Spule 1 "' erwärmt sich das in der Heat Pipe 2"' vor- handene Medium, welches sich im Bereich der Spule 1 "' befindet, und verdampft. Es nimmt dabei neben der zu seiner Erwärmung erforderlichen Wärme auch die für den Phasenübergang benötigte latente Wärme auf und kühlt damit den Innenbereich der Spule 1"' effektiv. Das dampfförmige Medium kondensiert nachfolgend in demjenigen Bereich der Heat Pipe 2"', welcher in dem Wasserkühler geführt ist und fließt dann aufgrund der Wirkung der Gravitation zurück in denjenigen Teil der Heat Pipe 2"', welcher in der Spule 1"' angeordnet ist, wo es für einen erneuten Phasenübergang zur Verfügung steht. Durch die in der Figur gezeigte Anordnung wird somit eine ausgesprochen effiziente und einfache Möglichkeit geschaffen, den Innenbereich einer Spule zu kühlen.
Auch Mischformen bzw. Kombinationen der in den Figuren 2-5 gezeigten Konzepte sind denkbar.
Figur 6 zeigt eine tabellarische Übersicht geeigneter Kühlmedien. Dabei sind sowohl Kühlmedien enthalten, welche sich für eine Einphasenkühlung eignen, als auch Kühlmedien, die bevorzugt für eine Zweiphasenkühlung in Frage kommen. Die in Fi- gur 5 aufgezeigten thermophysikalischen Eigenschaften sind die Sättigungstemperatur bei einem Betriebsdruck von 1 bar; der Sättigungsdruck bei einer Temperatur von 22 °C, welche eine bevorzugte Betriebstemperatur bei EUV- Projektionsbelichtungsanlagen darstellt; der Tripelpunkt; die kritische Temperatur; der kritische Druck; das Dichteverhältnis, welches das Verhältnis zwischen der Dich- te der flüssigen Phase und der Dichte der Gasphase widerspiegelt; die Viskosität mit 40% Gasanteil in einem zweiphasigen Zustand; die Flüssigkeitsviskosität; die Flüssigkeitsdichte; die spezifische Wärmekapazität bei einer Temperatur von 25°C; die Durchschlagsfestigkeit für einen Spalt von 0,25 cm; die Dielektrizitätskonstante und das Global Warming Potential (GWP).
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2014 212 667.3 in Anspruch, deren Offenbarungsgehalt hiermit vollständig aufgenommen wird.

Claims

Patentansprüche:
1. Projektionsbelichtungsanlage (400) für die Halbleiterlithographie mit einer elektrischen Spule (1 , 1 ', 1 ", 1 "') und mit wenigstens einem röhren- oder schlauch- förmigem wärmeleitenden Element (2, 2', 2",2'") zum Abführen von Wärme aus der Spule (1 , V, 1", 1 "'),
dadurch gekennzeichnet, dass
das wärmeleitende Element (2, 2', 2",2"') mindestens teilweise im Innenbereich der Spule (1 , 1 ', 1", 1 "') angeordnet ist.
2. Projektionsbelichtungsanlage (400) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wärmeleitende Element eine Heat-Pipe (2",2"') aufweist. 3. Projektionsbelichtungsanlage (400) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wenigstens eine wärmeleitende Element (2, 2', 2", 2"') mit wenigstens einem Kühlkörper (3, 3', 3",
3"') verbunden ist.
4. Projektionsbelichtungsanlage (400) nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass
das wärmeleitende Element (2, 2', 2",2"') wenigstens ein Bestandteil der Wicklung der Spule (1 , 1 ', 1 ", 1 '") ist.
5. Projektionsbelichtungsanlage nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wärmeleitende Element (2, 2', 2",2"') derart mit einer Stromquelle (8) verbunden ist, dass es zur Erzeugung eines Magnetfeldes der Spule (1 , 1', 1 ", 1 "') beitragen kann.
6. Projektionsbelichtungsanlage (400) nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass
das wärmeleitende Element (2, 2', 2",2"') wenigstens abschnittsweise parallel zu den Spulenwindungen verläuft.
7. Projektionsbelichtungsanlage (400) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl von röhren- oder schlauchförmigen wärmeleitenden Elementen (2, 2', 2", 2"') parallel gewickelt sind.
8. Projektionsbelichtungsanlage (400) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
das wärmeleitende Element (2, 2', 2",2"') ein flüssiges oder gasförmiges, oder ein kombiniert flüssig/gasförmiges Kühlmedium (4) enthält.
9. Projektionsbelichtungsanlage (400) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kühlmedium (4) Kohlendioxid, R134a, Methanol oder Ethanol enthält.
10. Projektionsbelichtungsanlage (400) nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kühlmedium (4) eine Viskosität im Bereich von 100pPa s - 25 OOOpPa s auf- weist.
1 1 . Projektionsbelichtungsanlage (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Spule (1 , 1 ', 1 ", 1 "') Teil eines Aktuators eines Multilayer-Spiegels für die EUV-Lithographie ist.
12. Projektionsbelichtungsanlage (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das wärmeleitende Element (2, 2', 2",2"') zumindest annähernd an oder wenigstens unterhalb oder oberhalb oder neben einem Hot Spot (HS) angeordnet ist.
13. Projektionsbelichtungsanlage (400) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die elektrische Spule (1 , 1', 1",1'") im Bereich des Beleuchtungssystems (401), insbesondere im Bereich der Lichtquelle (402), des Kollektors, oder der Beleuchtungsoptik (403), der Projektionsoptik (408), des Retikelhalters (407) oder auch des Waferhalters (412) angeordnet ist.
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