DE102005055686B3

DE102005055686B3 - Anordnung zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung auf Basis eines Gasentladungsplasmas sowie Verfahren zur Herstellung von kühlmitteldurchströmten Elektrodengehäusen

Info

Publication number: DE102005055686B3
Application number: DE102005055686A
Authority: DE
Inventors: Sven Götze; Harald Ebel; Jürgen Dr. Kleinschmidt; Imtiaz Dr. Ahmad
Original assignee: Xtreme Technologies GmbH
Current assignee: Ushio Denki KK
Priority date: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-19
Also published as: US20070114946A1; US7541604B2; NL1032863A1; JP4328798B2; NL1032863C2; JP2007142432A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung auf Basis eines durch Gasentladung erzeugten heißen Plasmas sowie Verfahren zur Herstellung von kühlmitteldurchströmten Elektrodengehäusen dafür. DOLLAR A Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit für gasentladungsbasierte kurzwellige Strahlungsquellen mit hoher durchschnittlicher Strahlungsleistung im quasikontinuierlichen Entladungsbetrieb zu finden, die mit preiswerten, einfachen Mitteln effektive Kühlungsprinzipien realisieren, um ein temporäres Erschmelzen der Elektrodenoberflächen zu verhindern und somit eine große Lebensdauer der Elektroden zu gestatten, wird erfindungsgemäß gelöst, indem in Elektrodenkragen (12, 22) der Elektrodengehäuse spezielle Kühlkanäle (83) zur Durchströmung mit einem Kühlmittel integriert sind, die Kühlkanäle (83) radial bis auf wenige Millimeter an thermisch hoch belastete Oberflächenbereiche herangeführt, durch koaxial zur Symmetrieachse (6) angeordnete, verengte Kanalabschnitte (84) verbunden sind, die durch geeignete Oberflächenbearbeitung mit Kanalstrukturen (85) zur Vergrößerung der inneren Oberfläche und zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels versehen sind.

Description

Anordnung zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung auf Basis eines Gasentladungsplasmas sowie Verfahren zur Herstellung von kühlmitteldurchströmten Elektrodengehäusen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung auf Basis eines durch Gasentladung erzeugten heißen Plasmas sowie Verfahren zur Herstellung von kühlmitteldurchströmten Elektrodengehäusen für die Gasentladung, insbesondere für eine Strahlungsquelle zum Erzeugen von extrem ultravioletter (EUV-)Strahlung im Wellenlängenbereich von 11–14 nm.
In der Halbleiterindustrie wird Strahlung mit immer kürzeren Wellenlängen benötigt, um zukünftig noch kleinere Strukturen von integrierten Schaltungen auf die Chips zu belichten. Zurzeit sind Lithographiemaschinen mit Excimerlasern im Einsatz, die mit 157 nm ihre kürzeste Wellenlänge erreichen werden und bei denen noch Transmissionsoptiken oder katadioptrische Systeme verwendet werden. Nach dem Moore'schen Gesetz müssen zukünftig neue Strahlungsquellen mit noch kürzeren Wellenlängen zur Verfügung stehen, um die Auflösung der Abbildung im lithographischen Prozess der Halbleiterchip-Herstellung zu erhöhen.
Da für diese neuen Strahlungsquellen mit Wellenlängen unterhalb von 157 nm keine Transmissionsoptiken mehr zur Verfügung stehen, müssen Reflexionsoptiken eingesetzt werden, für die jedoch bekannt ist, dass sie eine sehr eingeschränkte numerische Apertur haben. Das führt zu einer Reduzierung der Auflösung der optischen Systeme und kann nur durch eine weitere Verkürzung der verwendeten Wellenlänge kompensiert werden.
Zur Erzeugung von EUV-Strahlung (im Wellenlängenbereich von 11–14 nm) sind mehrere geeignete Technologien bekannt, wobei die Strahlungserzeugung aus laserinduzierten Plasmen und aus Gasentladungsplasmen das größte Potenzial bieten. Für Gasentladungsplasmen gibt es wiederum mehrere Konzepte, z.B. Plasmafokus, Kapillarentladung, Hohlkatodenentladung und die Z-Pinch-Entladung. Bei der letzteren Technologie sind besonders große Anstrengungen auf die Kühlung der Elektroden zu richten, wobei jedoch die dafür entwickelten Aufgaben-Lösungs-Konzepte auch auf die anderen Gasentladungstechnologien übertragbar sind.

Im Stand der Technik sind Lösungen zur Elektrodenkühlung grundsätzlich an einen Kühlkreislauf gekoppelt, wobei vor allem Kühlkanäle mit Rippenstrukturen in den Elektrodenkörpern zum Einsatz kommen.

So ist aus der DE 102 60 458 B3 (bzw. US 6,815,900 B2 ) eine Strahlungsquelle zur Erzeugung von EUV-Strahlung auf Basis eines Gasentladungsplasmas bekannt, die zur Erreichung einer hohen durchschnittlichen Strahlungsleistung und Langzeitstabilität optimierte konzentrische Elektrodengehäuse beschreibt, in deren Innenraum die Gasentladung zwischen jeweils kragenförmig gestalteter Anode und Katode stattfindet.

In den Wänden der Elektrodengehäuse sind bis zu den Elektrodenkragen jeweils Kühlkanäle, Hohlräume mit Rippen, porösem Material oder Kapillarstrukturen (sogenannte Heat-Pipe-Anordnungen) vorhanden, die von einem Kühlmedium durchströmt werden.

In der US 2004/0071267 A1 ist eine Plasmafokus-Strahlungsquelle zur Erzeugung von EUV-Strahlung unter Verwendung von Lithiumdampf mit ebenfalls koaxialer Anoden- und Katodenkonfiguration offenbart. Zur Erosionsminderung und Lebensdauererhöhung der Elektroden ist – um die Elektrodenspitzen, auch wenn diese aus hochschmelzendem Wolfram bestehen, unterhalb der Schmelztemperatur zu halten – neben kombinierter Wärmestrahlungs- und Wärmeleitungskühlung eine zusätzliche sogenannte Heat-Pipe-Kühlung vorgesehen. Dabei wird das Prinzip der Flüssigkeitsverdampfung im erhitzten Bereich und der Kondensation in einem kalten Bereich des Wärmerohres ausgenutzt, wobei die Rückführung der Flüssigkeit über einen Docht erfolgt. Aufgrund der hohen latenten Verdampfungswärme bei Verdampfung und Kondensation von Lithium (Verdampfungswärme von 21 kJ/g) ist damit die Abfuhr einer Wärmelast von ca. 5 kW ohne hohe Massenströme möglich.

Des Weiteren ist aus der US 2004/0160155 A1 eine Gasentladungs-EUV-Quelle bekannt, die mittels eines Metallhalogen-Gases, das mit der aus dem Plasma austretenden Debris ein Metallhalogenid erzeugt, aus dem Plasma austretende Debris unterdrückt. Dabei hat die Quelle eine spezielle Anode, die differenziell unterschiedlich dotiertes Keramikmaterial (z.B. Siliziumkarbid oder Aluminiumoxid), das als Dotierungen Bornitrid oder ein Metalloxid (wie SiO oder TiO₂) enthält, um in einem ersten Bereich elektrisch leitend und in einem zweiten Bereich wärmeleitend zu sein, wobei der erste Bereich der Elektrodenoberfläche zugeordnet ist. Diese Elektrode wird dann durch einen hohlen Innenraum, der zwei Kühlmedienkanäle aufweist oder poröses Metall, das die Kühlmitteldurchlässe definiert, gekühlt.

Die Nachteile des Einsatzes aller vorhergehend beschriebenen Lösungen zur Elektrodenkühlung sind zum einen der vergleichsweise hohe Kostenaufwand für die Herstellung, insbesondere bei Kühlung mit Bündeln kapillarer Strukturen oder mit porösem Material, die die Kosten und die Kompaktheit einfacher Kühlmechanismen (z.B. mit Rippen versehene Kühlkanäle) um ein Vielfaches übersteigen. Zum anderen erweisen sich die Unmöglichkeit einer monolithischen Bauweise, die Komplexität und der relativ große Platzbedarf, um die speziellen Strukturen zur Oberflächenvergrößerung in die Elektroden zu integrieren, als nachteilig.

Da die Komplexität, die Abmessungen, vor allem aber die Kosten einer solchen Strahlungsquelle nach dem oben beschriebenen Gasentladungskonzept letztendlich den Erfolg oder das Scheitern der Strahlungsquellen beim Einsatz in der Halbleiterlithographie bestimmen, muss versucht werden, die einzelnen Komponenten (wie z.B. die Elektroden mit Kühleinrichtungen) bei geringem technischen und finanziellem Aufwand mit gleicher oder höherer Leistungsfähigkeit (insbesondere Lebensdauer) im Vergleich zu derzeit höchstentwickelten Technologien zu entwickeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit für gasentladungsbasierte kurzwellige Strahlungsquellen mit hoher durchschnittlicher Strahlungsleistung im quasi-kontinuierlichen Entladungsbetrieb zu finden, die mit preiswerten, einfachen Mitteln effektive Kühlungsprinzipien realisieren, um ein temporäres Erschmelzen der Elektrodenoberflächen zu verhindern und somit eine große Lebensdauer der Elektroden zu gestatten, ohne dass erheblich größere Elektrodengehäuse und größere Kühlmittelmengen erforderlich sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung auf Basis eines durch Gasentladung erzeugten heißen Plasmas, enthaltend eine Entladungskammer, die von einem ersten und zweiten koaxialen Elektrodengehäuse umschlossen und evakuiert ist, in die ein Arbeitsgas unter definiertem Druck eingeleitet wird und die eine Austrittsöffnung für die kurzwellige Strahlung aufweist, wobei beide Elektrodengehäuse durch eine Isolatorschicht elektrisch durchschlagfest gegeneinander isoliert sind und das zweite Elektrodengehäuse mit einem verengten Ausgang in das erste Elektrodengehäuse hineinragt und das erste Elektrodengehäuse um die Austrittsöffnung und das zweite Elektrodengehäuse am verengten Ausgang jeweils einen Elektrodenkragen aufweisen, so dass die Gasentladung zur Erzeugung des strahlenden Plasmas gezielt zwischen diesen Elektrodenkragen innerhalb der Entladungskammer des ersten Elektrodengehäuses gezündet wird, und bis zu den Elektrodenkragen Kühlkanäle zur Durchströmung mit einem Kühlmittel in das Elektrodenmaterial integriert sind, dadurch gelöst, dass die Kühlkanäle radial bis auf wenige Millimeter an thermisch hoch belastete Oberflächenbereiche der Elektrodenkragen herangeführt sind und im Bereich der hoch belasteten Oberfläche im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse der Elektrodengehäuse einen verengten Kanalabschnitt zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit eines umlaufenden Kühlmittels aufweisen, und dass der verengte Kanalabschnitt mit Kanalstrukturen zur Vergrößerung der inneren Oberfläche und zur weiteren Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des umlaufenden Kühlmittels versehen sind, wobei die Kanalstrukturen durch geeignete Oberflächenbearbeitung der verengten Kanalabschnitte erzeugt sind.

Vorteilhaft sind die verengten Kanalabschnitte durch nachträglichen Materialabtrag mit einer Kanalstruktur versehen. Der Materialabtrag ist vorteilhaft durch Raustrahlen mit einem Material großer Korngröße, insbesondere einem der Strahlmaterialien Hartgussgranulat, Glasstrahlperlen, Stahlkies oder Korund erzeugt. Der verengte Kanalabschnitt kann aber auch erosiv durch Ätzen oder Materialzerstäubung strukturiert sein.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der verengte Kanalabschnitt durch nachträgliche Beschichtung mit einer Kanalstruktur versehen. Zweckmäßig wird der verengte Kanalabschnitt durch Materialauftrag von Granulat strukturiert, wobei das Granulat aus mindestens einem Metall, einer Metalllegierung oder einer Metallkeramik mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit besteht. Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass das Granulat wenigstens eines der Metalle Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Molybdän, Wolfram oder eine Legierung davon beinhaltet. Vorzugsweise besteht es aus einer der Legierungen MoCu, WCu oder AgCu oder aus einer der Metallkeramiken AlO, SiC oder AlN besteht. Das Granulat kann ferner vorteilhaft aus Diamant bestehen.

Der Durchmesser eines verengten Kanalabschnitts ist zweckmäßig an die Korngröße des verwendeten Granulats angepasst, wobei der Durchmesser des Kanalabschnitts wenigstens doppelt so groß ist wie die Korngröße des Granulats. Vorteilhaft beträgt der Durchmesser des verengten Kanalabschnitts zwischen 100 μm und 2 mm.

In einer vorteilhaften Gestaltung der Kühlstruktur der Elektrodengehäuse ist der verengte Kanalabschnitt als konzentrischer Ringspalt um die Symmetrieachse der Elektrodengehäuse ausgeführt.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung werden verengte Kanalabschnitte durch Bohrungen erzeugt. In letzterer Variante ergibt sich der Vorteil, dass eine Kanalstruktur durch Einschneiden eines Innengewindes ausgeführt werden kann.

Die verengten Kanalabschnitte werden vorzugsweise von einem Kühlmittel mit niedriger Viskosität durchströmt. Dafür kommen zweckmäßig deionisiertes Wasser oder ein spezielles Öl, insbesondere Galden, zum Einsatz.

Des Weiteren wird die Aufgabe der Erfindung bei einem Verfahren zur Herstellung von kühlmitteldurchströmten Elektrodengehäusen für durch Gasentladung erzeugtes heißes Plasma, bei dem eine Entladungskammer von einem ersten und zweiten koaxialen Elektrodengehäuse umschlossen und evakuiert ist, in die ein Arbeitsgas unter definiertem Druck eingeleitet wird, wobei beide Elektrodengehäuse durch eine Isolatorschicht elektrisch durchschlagfest gegeneinander isoliert sind und Kühlkanäle aufweisen, und das zweite Elektrodengehäuse mit einem verengten Ausgang in das erste Elektrodengehäuse hineinragt, um eine Gasentladung mit einem gegenüberliegenden Bereich des ersten Elektrodengehäuses zu ermöglichen, dadurch gelöst, dass die Kühlkanäle in mindestens zwei unterschiedlichen Orthogonalebenen zu einer Symmetrieachse der Elektrodengehäuse radial von außen nach innen in die Elektrodengehäuse bis auf einen Abstand zu den thermisch hochbelasteten Oberflächen von wenigen Millimetern gebohrt werden, und dass ein verengter Kanalabschnitt im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse so ausgenommen wird, dass er einen Verbindungskanal geringen Durchmessers zwischen jeweils zwei Kühlkanälen unterschiedlicher Orthogonalebenen in einem Endbereich der radial eingebohrten Kühlkanäle herstellen.

Vorteilhaft wird der verengte Kanalabschnitt als schmaler Ringspalt konzentrisch zur Symmetrieachse ausgefräst, so dass er in einem Elektrodengehäuse zusammenhängend und vollständig den Elektrodenkragen umgibt, wobei zwei Kühlkanäle als Eingang und als Ausgang für das umlaufende Kühlmittel in den unterschiedlichen Orthogonalebenen einander gegenüberliegend bezüglich der Symmetrieachse angeordnet sind.

In einer weiteren zweckmäßigen Ausführung werden verengte Kanalabschnitte als Bohrungen koaxial zur Symmetrieachse ins Elektrodenmaterial gebohrt, wobei eine Vielfachanordnung von solchen gleichverteilt gebohrten Kanalabschnitten erzeugt wird, die den Elektrodenkragen innerhalb des Elektrodengehäuses entlang einer zur Symmetrieachse (6) konzentrischen Zylindermantelfläche umgibt.

Zweckmäßig werden die verengten Kanalabschnitte durch Materialabtrag mit einer Kanalstruktur zur Vergrößerung der inneren Oberfläche versehen. Die Kanalstruktur wird vorzugsweise durch Scheiden eines Gewindes, durch Ätzen oder durch Materialzerstäubung erzeugt.

In einer zweiten Grundvariante werden die verengten Kanalabschnitte durch Materialauftrag (Belegung) mit einer Kanalstruktur versehen. Zweckmäßig wird die Kanalstruktur in diesem Fall durch ein Granulat aus Metall, Metalllegierung oder Metallkeramik mit guter Wärmeleitfähigkeit erzeugt und mit Sprüh- und Spritztechniken auf die Innenwände der verengten Kanalabschnitte aufgetragen. Dabei erfolgt die Fixierung des Granulats an den Innenflächen des Kanalabschnittes durch Anschmelzen des Granulats, durch einfaches Beschießen der Oberfläche mit dem entsprechenden Granulat unter sehr hohem Druck oder insbesondere bei Metallkeramiken – aber nicht darauf beschränkt – durch eine Lotverbindung.

An den Elektrodengehäusen verbleibende Öffnungen, die bei der Erzeugung der verengten Kanalabschnitte entstanden, aber für den Kühlmittelumlauf nicht erforderlich sind, werden zweckmäßig durch Verschlussstopfen aus Elektrodenmaterial hermetisch verschlossen. Das kann durch Verschmelzen des Verschlussstopfens in der Öffnung oder durch Einschrauben und Verschmelzen eines Gewindestiftes oder einer Schraube erfolgen.

Ferner können an den Elektrodengehäusen verbliebene Öffnungen, die bei der Erzeugung der verengten Kanalabschnitte entstanden, aber für den Kühlmittelumlauf nicht erforderlich sind, durch Abdecken mit wenigstens einem Teil, der integraler Bestandteil des Elektrodengehäuses ist oder wird, hermetisch verschlossen werden.

Der abdeckende Teil des Elektrodengehäuses kann einerseits durch Trennen des Elektrodengehäuses entlang einer geeigneten Schnittebene, wobei das Trennen vor dem Einbringen von Kanalabschnitten erfolgt, erzeugt werden oder andererseits durch geeignete Formgebung von passfähigen separaten Teilen aus Hauptteil und abdeckendem Teil des Elektrodengehäuses erzeugt werden, wobei die separaten Teile des Elektrodengehäuses nach dem Einbringen von verengten Kanalabschnitten in den Hauptteil entlang einer fiktiven Schnittebene zusammengefügt werden.

Die Erfindung basiert auf der Überlegung, dass durch eine optimierte Elektrodengeometrie in Kombination mit geeigneter Materialauswahl und einem effizienteren Wärmeübergang erheblich größere Energiemengen kontinuierlich in die Entladungseinheit eingespeist werden können, ohne dass es an den Elektroden zu erhöhter Elektrodenerosion durch Erschmelzen der Elektrodenoberflächen kommt. Dabei ist das Problem der Schaffung effektiver Kühlstrukturen mit vertretbarem technischem und finanziellem Aufwand zu lösen. Das Wesen der Erfindung liegt folglich darin, die Kühlkanäle für das Kühlmedium so nahe wie möglich an die hochbeanspruchten Elektrodenoberflächen heranzuführen und dazu mit einfachen Bearbeitungsschritten erzeugte strukturierte Kühlkanäle in geeignet geformte Elektrodengehäuse einzubringen, so dass das Kühlmedium mit hoher Geschwindigkeit nahe an den hochbeanspruchten Elektrodenbereichen in verengten Kanalabschnitten mit möglichst großer innerer Oberfläche vorbeiströmt.

Mit der Erfindung ist es möglich, für gasentladungsbasierte kurzwellige Strahlungsquellen mit hoher durchschnittlicher Strahlungsleistung im quasi-kontinuierlichen Entladungsbetrieb die Lebensdauer der Elektroden zu erhöhen, indem mit preiswerten, herstellungstechnisch einfachen Mitteln effektive Kühlungsprinzipien realisiert werden, die ein temporäres Erschmelzen der Elektrodenoberflächen verhindern.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Strahlungsquelle mit einer Elektrodenkühlung, bei der zusätzliche Kühlkanäle mit verengtem Querschnitt und mit gleichzeitig durch geeignete Oberflächenbehandlung strukturierter vergrößerter Oberfläche im Bereich der hochbeanspruchten Elektrodenoberflächen (Elektrodenkragen) vorhanden sind,
2: eine vergleichende Darstellung der Strahlungsquelle mit zwei effektiven, aber kostspieligen Kühlmechanismen gemäß dem Stand der Technik, Elektrodenkühlung mittels Durchströmung von porösem Material bzw. einer kapillaren Struktur,
3: eine Ausführungsvariante der Erfindung mit Kühlkanälen, die in hochbeanspruchten Bereichen der Elektroden eine vergrößerte Oberfläche durch Einbringung von Granulat aufweisen und die Elektrodengehäuse mit einer Vakuumisolation ausgestattet sind,
4: eine Ausführungsform der Erfindung mit Kühlkanälen, die als Bohrungen mit einer Gewindestruktur gefertigt wurden,
5: einen Axialschnitt durch ein Elektrodengehäuse mit schematischer Darstellung eines Herstellungsverfahrens zum Einbringen a) von verengten Kanalabschnitten mit Gewindebohrung und b) zum Einbringen von Bohrungen mit Granulatbeschichtung;
6a: eine Variante zur Gestaltung der Kühlkanäle und der verengten Kanalabschnitte mit einem Ring aus einer Vielzahl von koaxialen Einzelbohrungen, dargestellt in einem Axialschnitt des Elektrodengehäuses analog zu 5a und einer zugehörigen Draufsicht-Schnittzeichnung in einer Orthogonalschnittebene B-B;
6b: eine weitere Gestaltung der Kühlkanäle und der verengten Kanalabschnitte mit einem konzentrischen Ringspalt, dargestellt in einem Axialschnitt des Elektrodengehäuses analog zu 5a und einer zugehörigen Draufsicht-Schnittzeichnung in einer Orthogonalschnittebene B-B.
Die erfindungsgemäße Strahlungsquelle besteht in ihrem Grundaufbau – wie in 1 dargestellt – aus einem ersten Elektrodengehäuse 1 und einem zweiten Elektrodengehäuse 2, die durch eine isolierende Schicht 23, bestehend aus elektrisch hochisolierenden Materialien, Gasen oder auch einem Hochvakuum, hochspannungsfest gegeneinander isoliert sind, einer Vorionisationseinheit 3, die koaxial innerhalb des zweiten Elektrodengehäuses 2 angeordnet ist, einer Gasbereitstellungseinheit 7 zur definierten geregelten Zuführung eines Arbeitsgases in das erste und zweite Elektrodengehäuse 1 und 2, die Teil einer Vakuumeinheit 4 sind, in denen mittels einer Vakuumpumpeinrichtung 41 ein Unterdruck realisiert ist.
Die beiden Elektrodengehäuse 1 und 2 sind koaxial zueinander angeordnet und weisen an jeweils einer ihrer Stirnflächen einen Elektrodenkragen 12 bzw. 22 auf, wobei der Elektrodenkragen 22 des zweiten Elektrodengehäuses 2 in das erste Elektrodengehäuse 1 hineinragt und – unterstützt durch einen rohrförmigen Isolator 13 im Inneren des ersten Elektrodengehäuses 1 – in der durch das zweite Elektrodengehäuse 2 gebildete Entladungskammer 52 definierte Entladungsstrecken zum Elektrodenkragen 12 des ersten Elektrodengehäuses 1 vorgibt.
Die Vorionisationseinheit 3 beinhaltet ein Isolatorröhrchen 33 aus hochisolierender Keramik, durch das eine axialsymmetrisch zur Symmetrieachse 6 ausgebildete Vorionisationselektrode 32 ins Innere des zweiten Elektrodengehäuses 2 hineingeführt ist, von deren Ende in der Vorionisationskammer 31 über das Isolatorröhrchen 33 bis zur Gegenelektrode, die zweckmäßig durch die rückwärtige Stirnfläche des zweiten Elektrodengehäuses 2 gebildet ist, eine Oberflächengleitentladung 35 generiert wird. In der Vorionisationskammer 31 und der Entladungskammer 52, die Teil einer Vakuumeinheit 4 sind, wird mittels einer angeschlossenen Vakuumpumpeinrichtung 41 ein definierter Unterdruck erzeugt, wobei über mindestens einen Gaseinlass 71 von einer geregelten Gasbereitstellungseinheit 7 Arbeitsgas für die Gasentladung eingeleitet wird.
Nach Zufuhr unter einem bestimmten Gasdruck wird das Arbeitsgas innerhalb der Vorionisationskammer 31 von der Vorionisationseinheit 3, die gegenüber dem zweiten Elektrodengehäuse 2 vom Vorionisationsimpulsgenerator 34 mit Spannung beaufschlagt wird, durch die oben erwähnte Oberflächengleitentladung 35 vorionisiert. Durch einen verengten Ausgang 21 des zweiten Elektrodengehäuses 2 gelangt das vorionisierte Arbeitsgas in die vom ersten Elektrodengehäuse 1 gebildete Entladungskammer 52, in der durch das Anlegen einer Hochspannung des Hochspannungsimpulsgenerators 24 an die beiden Elektrodengehäuse 1 und 2 zwischen dem Elektrodenkragen 22 des zweiten Elektrodengehäuses 2 und dem Elektrodenkragen 12 des ersten Elektrodengehäuses 1 ein Gasentladungsstrom fließt, der infolge seines induzierten Magnetfeldes ein in der Symmetrieachse 6 komprimiertes heißes Plasma 5 (Plasmasäule) generiert.
Zur Erzeugung der Gasentladung ist – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – das erste Elektrodengehäuse 1 als Katode und das zweite Elektrodengehäuse 2 als Anode geschaltet und der Hochspannungsimpulsgenerator 24 so ausgelegt, dass dessen Spannung und dessen eingespeiste Energie groß genug sind, um zwischen der Anode und der Katode (gepulst mit einer Frequenz zwischen 1 Hz und 10 kHz) Gasentladungen zu zünden, die jeweils ein Plasma 5 so hoher Temperatur und Dichte erzeugen, dass ein hinreichend großer Anteil extrem ultravioletter (EUV-)Strahlung 51 durch die Austrittsöffnung 11 des ersten Elektrodengehäuses 1 emittiert wird.
Aufgrund der erheblichen Wärmestrahlung aus dem erzeugten heißen Plasma 5 und der durch die hohen Gasentladungsströme verursachten Erhitzung der Elektrodenkragen 12 und 22 ist eine sehr intensive Kühlung der Elektrodensystems notwendig. Eine einfache (äußere) Kühlung der Elektrodengehäuse 1 und 2, wie sie beispielsweise in US 6,815,900 B2 beschrieben ist, kann – obwohl aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt – wie üblich betrieben werden, indem sie ebenfalls an ein in 1 gezeigtes Wärmetauschersystem 8 mit Kühlmittelreservoir 81 und Kühlmittelpumpeinheit 82 angeschlossen wird.
Ein spezielles Kühlsystem gemäß der Erfindung weist dann gezielt je Elektrodengehäuse 1 und 2 separate Kühlkanäle 83 auf, die bis in die thermisch hochbeanspruchten Oberflächenbereiche der Elektrodengehäuse 1 bzw. 2, nämlich der Elektrodenkragen 12 und 22, geführt sind. In der Nähe der Oberflächenbereiche der Elektrodenkragen 12 und 22 weisen die Kühlkanäle 83 verengte Kanalabschnitte 84 (mit verringertem Durchmesser) und eine Kanalstruktur 85 zur relativen Oberflächenvergrößerung (durch innere Strukturierung) auf, um einerseits die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums und andererseits die zum Wärmeübergang verfügbare Oberfläche zu vergrößern.
Die Kanalabschnitte 84 werden mit derart kleinen Querschnitten erzeugt, dass bei gleichbleibendem Kühlmitteldurchsatz (Kühlmittelvolumen pro Zeiteinheit) das Kühlmittel seine Fließgeschwindigkeit in den Kanalabschnitten 84 erhöht, so dass die von den hochbelasteten Elektrodenkragen 12 und 22 abgegebene Wärme schneller vom umfließenden Kühlmittel abgeleitet wird.
Zur Steigerung der Durchflussgeschwindigkeit durch die Kanalabschnitte 84, werden kleine effektive Kanalquerschnitte (d.h. nach Strukturierung des Kanalabschnitts 84) von ca. 1 Millimeter abwärts bis zu etwa 100 Mikrometern bevorzugt, falls ein ausreichend hoher Kühlflüssigkeitsdruck zur Verfügung steht. In diesem Fall können trotz des kleinen Querschnitts aufgrund des Gesamtvolumens einer Vielzahl von Kühlkanälen 83 und Kanalabschnitten 84 ein Kühlmitteldurchfluss von etwa 10 Liter/Minute eingestellt und – vergleichbar mit den effektivsten Kühlprinzipien des Standes der Technik – einige kW/cm² bis fast 10 kW/cm² Kühlleistung erzielt werden.
Um den Unterschied der Erfindung zu den bekannten effektivsten Kühlstrukturen des Standes der Technik zu verdeutlichen, sind in 2 in einer erfindungsgemäß (in Analogie zu 1) gestalteten Strahlungsquelle in den beiden Elektrodengehäusen 1 bzw. 2 zwei unterschiedliche bekannte Kühlprinzipien gemäß dem Stand der Technik, eine mit porösem Material 86 und eine mit kapillarer Struktur 87, schematisch integriert dargestellt.
Dabei sind im ersten Elektrodengehäuse 1 für die Kühlmitteldurchströmung Hohlräume mit porösem Material 86 ausgestattet, was einer Vergrößerung der Oberfläche der Kühlkanäle 83 dient und somit eine Erhöhung der Wärmeabfuhr mittels des durchströmenden Kühlmittels ermöglicht. Im zweiten Elektrodengehäuse 2 ist eine kapillare Struktur 87 zur Verbesserung der Wärmeabfuhr gezeigt, bei der im Innern eine Flüssigkeit (oder einen Festkörper, der sich in einem bestimmten Zustand verflüssigt) vorhanden ist, die in die engen Kanäle der kapillaren Struktur 87 eindringen kann, durch die vom Elektrodengehäuse 2 aufgenommenen Wärme verdampft, sich innerhalb eines geschlossenen Gefäßes zu einem äußeren kälteren Teil bewegt, wo sie dann kondensiert und sich durch Kapillarkräfte wieder zur heißeren Region zurückbewegt, um den Zyklus zu wiederholen.
Während bei Verwendung von porösem Material 86, wie es in 2 im Elektrodengehäuse 1 vorgesehen ist, Wärme mit Leistungsdichten von 10 kW/cm² aus der Peripherie der Elektrodengehäuse 1 bzw. 2 abgeführt werden können, ist der Einsatz von kapillaren Strukturen 87 sogar noch effektiver und ermöglicht selbst das Abführen von Wärme mit Leistungsdichten jenseits der 10 kW/cm².
Die Integration solcher anspruchsvollen Kühlstrukturen 86 und 87 in die hochbeanspruchten Elektrodenbereiche gemäß der Erfindung ist zwar prinzipiell möglich, jedoch nicht zu vernünftigen Kosten realisierbar, da die hochbeanspruchten Elektrodenbereiche zusätzlich noch durch spezielle Materialschmelzen von Wolfram, Tantal oder Molybdän, vorzugsweise mit Kupfer legiert, in ihren Eigenschaften (erhöhter Schmelzpunkt und verbesserte Wärme- und/oder elektrische Leitfähigkeit) anzupassen sind und einen monolithischen Aufbau der Elektrodenkragen 12 bzw. 22 mit den kompliziert zu fertigenden Kühlstrukturen 86 und 87 verhindern.
Für eine effektive und kostengünstige Kühlung der besonders belasteten Elektrodenbereiche, der Elektrodenkragen 12 und 22, befinden sich deshalb (gemäß der in 1 dargestellten Grundvariante der Erfindung) im ersten und zweiten Elektrodengehäuse 1 bzw. 2 Kühlkanäle 83, die im oberflächennahen Bereich (minimaler Abstand zur Oberfläche ca. 10 mm bei erwarteter Lebensdauer von ca. 10⁸ Impulsen) der Elektrodenkragen 12 bzw. 22 Kanalabschnitte 84 mit verringertem Durchmesser und zusätzlicher Kanalstruktur 85 aufweisen.
Die Kühlkanäle 83 sind über Kühlmittelschläuche oder -leitungen an ein Kühlmittelreservoir 81 und eine geeignete Kühlmittelpumpeinheit 82 angeschlossen, die jeweils mit einem leistungsfähigen Wärmetauschersystem 8 verbunden sind. Als Kühlmittel werden Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität, hoher elektrischer Wärmekapazität und geringer elektrischer Leitfähigkeit eingesetzt (wie spezielle Öle, z.B. Galden, entmineralisiertes oder deionisiertes Wasser etc.). Die Kühlkanäle 83 können generell bis zu einigen Millimetern im Durchmesser betragen, sollten sich aber an den Stellen verengen, die die beschriebenen kühlungsverbessernden Kanalabschnitte 84 darstellen, da diese der heißen Oberfläche am nächsten sind. Bei ausreichend hohem Kühlflüssigkeitsdruck sind effektive Querschnitte der verengten Kanalabschnitte 84 zwischen 0,1 mm und 1 mm zu bevorzugen, um die Durchflussgeschwindigkeit noch weiter zu erhöhen.
Für einen nachträglichen Granulatauftrag könnte der Rohdurchmesser der Kanalabschnitte 84 bis zu 2 mm betragen.
Der Abstand der verengten Kanalabschnitte 84 zur heißen Elektrodenoberfläche sollte so klein wie möglich gewählt werden, beträgt aber vorzugsweise 5 mm oder mehr, da für eine lange Lebensdauer der Elektroden genug Erosionsmaterial zur Verfügung stehen muss. Dabei hängt die mittlere Temperatur der Oberfläche am Elektrodenkragen 12 bzw. 22 wesentlich von der Entladungsfrequenz (Eingangsleistung) ab. Nimmt man die Schmelztemperatur von Wolfram, die 3650 K beträgt, so wird bei einer Entladungsfrequenz von ca. 4 kHz die Schmelztemperatur von Wolfram (3650 K) fast erreicht. Da die sich einstellende Temperatur am Elektrodenkragen 12 bzw. 22 zum Abstand des Kanalabschnitts 84 von der Elektrodenoberfläche direkt proportional ist, würde sich bei einer Abstandsverringerung von 5 mm auf 2,5 mm auch die Temperatur annähernd halbieren. Allerdings steht, wie bereits oben erwähnt, dem entgegen, dass dann an der Oberfläche des Elektrodenkragens 12 bzw. 22 nicht genug Material für die unvermeidbare Elektrodenerosion zur Verfügung steht, um die bezweckte Erhöhung der Elektrodenlebensdauer tatsächlich zu erreichen.
Beim Durchströmen der Kühlkanäle 83 nimmt das Kühlmittel insbesondere im durchmesserreduzierten Kanalabschnitt 84 mit der Kanalstruktur 85 die an den Elektrodenkragen 12 und 22 durch den Betrieb der Strahlungsquelle der entstandene überschüssige Wärme auf und gibt diese durch Konvektion und Wärmeleitung über das Kühlmittelreservoir 81 an das Wärmetauschersystem 8 ab, um dann von der Kühlmittelpumpeinheit 82 erneut in die Kühlkanäle 83 befördert zu werden.
Die in 1 stilisiert darstellten Kanalabschnitte 84 mit verringertem Querschnitt und Kanalstruktur 85 werden im Inneren der Elektrodengehäuse 1 und 2 dadurch erzeugt, dass Bohrungen geringen Durchmessers eingebracht und anschließend mit der Kanalstruktur 85 versehen werden. Das geschieht – wie in 3 dargestellt – vorzugsweise durch Beschichtung mit Granulat 88, das aus einem Metall oder einer Metallkeramik mit sehr guten Wärmeleiteigenschaften, wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Wolfram oder Molybdän oder deren Legierungen, wie z.B. MoCu, WCu, AgCu, o.ä., oder Keramiken, wie AlO, SiC, AlN etc., oder aus Diamant besteht.
Die Art und Weise der Einbringung von Kanalstrukturen 85 wird nachfolgend durch die stilisierten Darstellungen des Elektrodengehäuses 1 mit Einbringung von Kühlkanälen 83 und Kanalabschnitten 84 in 5a und 5b sowie 6a und 6b gezeigt (wobei die Vorgehensweise für das Elektrodengehäuse 2 völlig analog ist).
Zur Erzeugung der Kühlstrukturen wird – gemäß 5a – das Elektrodengehäuse 1 oberhalb des Elektrodenkragens 12 aufgetrennt in zwei Teile (oder es wurde bereits in zwei passenden Teilen gefertigt), in die zunächst die radialen Kühlkanäle 83 entsprechend 6a oder 6b eingearbeitet werden, um dann von der Trennebene A-A des Elektrodengehäuses 1 koaxiale oberflächennahe Kanalabschnitte 84 mit geringerem Durchmesser einzubohren. In die einseitig offene Bohrung des Kanalabschnitts 84 wird nachträglich die Kanalstruktur 85 eingebracht. Dazu werden Metall- oder Metallkeramikpartikel in Form von Granulat 88 durch Metallbelegungstechniken, wie Sprüh- bzw. Spritzverfahren unter oberflächlichem Erschmelzen des Granulats 88, ggf. nachfolgendes Sintern oder durch Granulatbeschuss der entsprechenden Oberflächen unter Hochdruck oder durch geeignete Lotverbindung (insbesondere für metallkeramisches Granulat 88) auf die Innenwände der verengten Kanalabschnitte 84 aufgetragen und nahezu homogen gebunden (z.B. verschmolzen oder gelötet).
Die Korngröße des aufgetragenen Granulats 88 (oder auch Kügelchen o.ä.) hängt vom verwendeten Material, von der gewählten Aufbringungstechnik und dem vorhandenen Querschnitt des Kanalabschnitts 84 in den Elektrodengehäusen 1 und 2 ab. Sie kann von einigen Mikrometern bis hin zu einigen Millimetern betragen.
Zum Beispiel können Kupfergranulat oder -kügelchen mit Korngrößen von bis zu 1 mm oder aber Diamantgranulat mit Korngrößen von kaum mehr als 0,1 mm mittels Hochdruck auf die Innenwände der Kanalabschnitte 84 aufgebracht werden.
Vorzugsweise sind wärmeleitende Teile aus Kupfer oder Kupferanteilen gefertigt, so dass das Granulat 88 entsprechend ebenfalls aus Kupfer oder Kupferlegierungen bestehen sollte.
Eine solche Vergrößerung der effektiven Oberfläche der oberflächennahen Kanalabschnitte 84 der Kühlkanäle 83, wie sie in 3 gezeigt ist, ermöglicht auf einfache Weise einen schnelleren Wärmeübergang zum durchströmenden Kühlmittel. Die Belegung der Innenflächen der Kanalabschnitte 84 mit Granulat 88 erzielt eine Wärmeabfuhr von bis zu einigen kW/cm², die der Wärmeabfuhr beim Einsatz von porösen Materialien sehr nahe kommt, jedoch mit vergleichsweise niedrigem technischen Aufwand erzielt wird.
Die übrigen Funktionen der Strahlungsquelle von 3 laufen in gleicher Weise ab, wie zu 1 beschrieben. Eine konstruktive Besonderheit stellt allerdings die Isolation zwischen den beiden Elektrodengehäusen 1 und 2 dar. Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Isolatorscheibe, wird gemäß 3 als Isolatorschicht 23 ein Vakuumspalt verwendet, der – angeschlossen an die Vakuumpumpeinrichtung 41 der Vakuumeinheit 4 – die durchschlagfeste Trennung der Elektrodengehäuse 1 und 2 sicherstellt. Der Vorteil liegt vor allem darin, dass eine zunehmende Leitfähigkeit, wie sie bei Keramikisolatoren durch Ablagerung von gespattertem Elektrodenmaterial zu verzeichnen ist, nicht auftritt.
In einer anderen Ausführungsvariante, die aus 1 stilisiert dargestellt ist, wird der jeweilige verengte Kanalabschnitt 84 in den Elektrodengehäusen 1 und 2 nachfolgend gezielt bearbeitet, indem durch geeignete Oberflächenbehandlungsverfahren, wie zum Beispiel durch Raustrahlen (mit Strahlmaterialien, wie zum Beispiel: Hartgussgranulat, Glasstrahlperlen, Stahlkies oder Korund), Ätztechniken oder durch Zerstäubungsverfahren strukturiert wird. Diese Strukturierung der Kanalabschnitte 85 führt zu einem verbesserten Wärmeaustausch von bis zu einigen kW/cm², der bei geringerem technischen Aufwand mit den hochentwickelten Kühlprinzipien poröser oder kapillarer Strukturen 86 bzw. 87 (2) ein durchaus vergleichbares Ergebnis darstellt.
In der Ausführung von 4 wird eine verbesserte Wärmeabfuhr an das umfließende Kühlmittel dadurch erreicht, dass eine Oberflächenvergrößerung der Kanalabschnitte 84 beider Elektrodengehäuse 1 und 2 durch Schneiden eines Gewindes 89 in jeden verengten Kanalabschnitt 84 bewirkt wird, wobei die effektive Wärmeabgabe an das umfließende Kühlmittel gesteigert wird und ebenfalls bis zu einigen kW/cm² betragen kann. Bei Kühlmitteldurchsätzen von einigen wenigen Litern bis hin zu einigen zehn Litern pro Minute und Drücken von einigen wenigen Bar bis hin zu einigen zehn Bar, muss der gesamte Kühlkreislauf, bestehend aus einem Wärmetauschersystem 8, einem Kühlmittelreservoir 81, einer Kühlmittelpumpeinheit 82 und den dazugehörigen Kühlmittelzuleitungen, für diese Betriebsbedingungen entsprechend mit Pumpen von einigen Kilowatt Leistung ausgelegt sein.
Die minimalen Herstellungskosten eines durch diese Kanalstruktur 85 in Form eines Gewindes 89 gekühlten Elektrodengehäuses 1 bzw. 2 im Bereich nahe der Elektrodenoberfläche bzw. der Elektrodenkragen 12 und 22 rechtfertigen die einmalige erhöhte Investition in einen leistungsfähigeren Kühlkreislauf. Ferner können bei dieser Kanalstruktur 85 die Kanalabschnitte 84 auch noch zusätzlich mit Granulat 88 (wie zu 3 beschrieben) beschichtet werden, um durch Rauigkeitserhöhung die wirksame Oberfläche der Kanalabschnitte 84 noch weiter zu erhöhen.
5 verdeutlicht in den Teildarstellungen von 5a und 5b zwei bevorzugte erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung verengter Kanalabschnitte 84 mit Kanalstrukturen 85 im ersten Elektrodengehäuse 1. Für das zweite Elektrodengehäuse 2 erfolgen alle Schritte in gleicher Weise.
5a zeigt, dass bei einem Elektrodengehäuse 1 in einem ersten Schritt für die Schaffung eines verengten und oberflächenvergrößerten Kanalabschnitts 84 der Kühlkanäle 83 entlang eines Kreisringes Bohrungen mit kleinem Durchmesser (zwischen 100 μm und 1 mm) in der Nähe der Oberfläche des Elektrodenkragens 12 eingebracht werden. Der Abstand zu den Oberflächen sollte für eine effiziente Wärmeabfuhr so klein wie möglich gehalten werden, hängt jedoch in starkem Maße von der verwendeten Elektrodengeometrie und der erwünschten Lebensdauer ab. Typische Abstände zwischen der zu kühlenden Oberfläche und den Kanalabschnitten 84 sind 5–10 mm. Ein Abstand von weniger als 5 mm macht in der Regel keinen Sinn, da für die unvermeidbare Elektrodenerosion ausreichend Material zur Verfügung zur Verfügung stehen muss, damit der Kühlkreislauf nicht nach kurzer Betriebsdauer bereits geöffnet wird.
In einem zweiten Schritt wird als Oberflächenstrukturierung in die Bohrung ein Gewinde 89 eingeschnitten, das eine Vergrößerung der inneren Oberfläche der verengten Kanalabschnitte 84 gemäß der Darstellung von 4 erzeugt.
Nach dem Einbringen der achsparallelen Bohrungen und dem Einschneiden von Gewinden 89, gleichverteilt und koaxial um die Symmetrieachse 6 entlang des gesamten Elektrodenkragens 12 des Elektrodengehäuses 1, werden in einem dritten Schritt größere Bohrungen in radialer Richtung des Elektrodengehäuses 1 derart ausgeführt, dass jeweils zwei dieser radialen Bohrungen in parallelen Ebenen mittig auf den durch die kleinere Bohrung erzeugten Kanalabschnitt 84 mit Gewinde 89 treffen und als Zuführung und Abführung (Kühlkanäle 83) der verengten Kanalabschnitt 84 wirken. Einer dieser Kühlkanäle 83 stellt für einen Kanalabschnitt 84 die Zuleitung und einer die Ableitung für das Kühlmittel dar und zwischen ihnen liegt der wirksame verengte, durch das Gewinde 89 strukturierte Kanalabschnitt 84.
Im vierten Schritt werden die nicht benötigten, oberhalb des vertikal höchstgelegenen der beiden Kühlkanäle 83 Abschnitte der Gewindebohrung 89 mit einer Verschlussschraube 9 zur Abdichtung des gesamten Kühlkanals 83 und 84 verschlossen, so dass der verengte Kanalabschnitt 84 nur noch die beiden im Axialschnitt benachbarten Kühlkanäle 83 miteinander verbindet.
Ein zweites Herstellungsverfahren für die Kühlkanäle 83 und die verengten Kanalabschnitte 84 ist in 5b dargestellt. Hier wird in einem ersten Schritt das Elektrodengehäuse 1 orthogonal zur Symmetrieachse 6 aufgetrennt in einen oberen und einen unteren Teil (oder gleich in zwei so zueinander passenden Teilen hergestellt).
In einem zweiten Schritt werden – im Unterschied zu 5a – zunächst die radial zur Symmetrieachse 6 gerichteten Bohrungen für die Kühlkanäle 83 in den unteren Teil des Elektrodengehäuses 1 gebohrt.
Danach erfolgt im dritten Schritt von der Trennebene A-A aus die Verbindung der beiden Kühlkanäle 83 durch eine Bohrung mit geringerem Durchmesser, der den verengten Kanalabschnitt 84 darstellt. Daraus ergibt sich die unter 6a in einem Horizontalschnitt gezeigte Vielkanalstruktur.
Man kann die Kanalabschnitte 84 aber auch in Form eines zylindrischen Ringspaltes (nur in 6b dargestellt) zusammenfassen, so dass sie koaxial um die Symmetrieachse 6 um den Elektrodenkragen 12 herum einen geschlossenen Spalt bilden. Der zylindrische Ringspalt kann durch eine um die Symmetrieachse 6 rotierende Fräse oder mittels einer Lochkreissäge, bei der das innenliegende Material des Lochkreises stehen bleibt, erzeugt werden, so dass nur eine schmale Schnittfuge (Ringspalt) entsteht. Der dritte Verfahrensschritt des Bohrens der verengten Kanalabschnitte 84 wird in diesem Fall durch einen Kreisring-Schnitt um die Symmetrieachse 6 ersetzt, der aber durchaus als eine unvollständige Lochkreis-Bohrung, bei der der Bohrkern stehen bleibt, aufgefasst werden kann. Bei dieser Gestaltung der verengten Kanalabschnitte 84 im zweiten Herstellungsschritt ist jeweils ein nur Kühlkanal 83 für die Zuführung des Kühlmittels und ein Kühlkanal 83 als Ausgang für den Anschluss an das Wärmetauschersystem 8 (wie in 1 dargestellt) zu bohren, wobei die beiden Kühlkanäle 83 in unterschiedlichen Horizontalebenen des Elektrodenkragens 12 (bzw. 22) und um 180° um die Symmetrieachse 6 versetzt angeordnet sind.
Im vierten Herstellungsschritt wird Granulat 88 eingespritzt und in Schritt 5 durch entsprechende Temperierung T (z.B. durch Sintern, Löten oder in Kombination mit dem vierten Bearbeitungsschritt durch Hochdruckauftrag des Granulats 88) mit den Innenflächen des Kanalabschnitts 84 verschmolzen. Dadurch entsteht im Kanalabschnitt 84 ein effektiver Kanaldurchmesser von vorzugsweise wenigen 100 μm.
Die durch die Bohrung oder das Herausarbeiten eines Ringspaltes um den gesamten Elektrodenkragen 12 verursachte überflüssige Öffnung des Kanalabschnitts 84 bis zur Trennfläche A-A wird dann im sechsten Schritt durch Aufsetzen des oberen Teils des Elektrodengehäuses 1 und Verschmelzen der beiden Oberflächen der Trennebene A-A zum kompletten Elektrodengehäuse 1 zusammengefügt und abgedichtet.
In 6a und 6b werden zur Veranschaulichung des Kühlsystems in einem Elektrodengehäuse 1 gemäß der Erfindung als obere Teildarstellung nochmals ein zu 5a äquivalenter Axialschnitt des Elektrodengehäuses 1 gezeigt, wobei diesem eine in der Schnittebene B-B geschnittene Draufsicht zugeordnet ist.
Wie die untere Schnittdarstellung von 6a anschaulich erkennen lässt, sind die verengten Kanalabschnitte 84 gleichverteilt um die Symmetrieachse 6 eingebracht und je nach Kühlungsanforderungen möglichst eng benachbart angeordnet. Der kürzeste Abstand der Kanalabschnitte 84 zur thermische hoch beanspruchten Oberfläche des Elektrodenkragens 12 beträgt in der Regel zwischen 5 und 10 mm. Eine wesentliche Unterschreitung dieses Abstandes an den hart beanspruchten Oberflächen würde zur Verkürzung der Lebensdauer durch zu schnelle Abtragung der Restschichtstärke des Elektrodenkragens 12 infolge der Elektrodenerosion führen, die dem mit der effektiven Elektrodenkühlung verfolgten Zweck der Erhöhung der Lebensdauer entgegenwirkt.
Zu jedem der vertikalen Kanalabschnitte 84 sind gemäß 6a die größer dimensionierten Kühlkanäle 83 als Zu- und Abfuhrkanäle für das Kühlmittel in zwei verschiedenen Orthogonalebenen zur Symmetrieachse 6 bis in den verengten Kanalabschnitt 84 hineingebohrt.
Der Kühlmittelumlauf erfolgt von der Peripherie des Elektrodengehäuses 1 durch Anschluss einer Zuleitung von der Kühlmittelpumpeinheit 82 (nur in 1 bis 4 gezeichnet) an einen der Kühlkanäle 83 und wird dann mit hohem Druck (in der Regel 2 bar bis 20 bar durch den verengten Kanalabschnitt 84 gedrückt, dessen Oberfläche vorzugsweise mit den oben erwähnten Methoden vergrößert wurde.
Die Wärme, die beim Betrieb der Strahlungsquelle vornehmlich durch ohmsches Heizen und durch Strahlungserwärmung der der generierten Strahlung direkt ausgesetzten Bereiche der Elektrodengehäuse an den Elektrodengehäusen entsteht, wird durch das die Kühlkanäle 83 einströmende Kühlmittel in den verengten Kanalabschnitten 84 aufgenommen und gelangt über einen entsprechenden Ausgang der Kühlkanäle 83 und über Zuleitungen in den Kühlkreislauf zum Wärmetauschersystem 8, wo die Wärme abgegeben wird. Das Kühlmittel wird über die Kühlmittelpumpeinheit 82 zum entsprechenden Eingang der Kühlkanäle 83 gepumpt, um darauffolgend wieder mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit durch die verengten Kanalabschnitte 84 des Elektrodengehäuses 1 gepresst zu werden.
Die in 6a gezeigte Vielkanalstruktur aus Kühlkanälen 83 und verengten Kanalabschnitten 84 ist nur eine Möglichkeit.
Eine herstellungstechnisch noch einfachere Gestaltung der Kühlstruktur für einen Elektrodenkragen 12 (bzw. 22) zeigt in 6b.
Die verengten Kanalabschnitte 84 sind hier zu einem zylindrischen Ringspalt zusammengefasst, der konzentrisch zur Symmetrieachse 6 den Elektrodenkragen 12 umgibt. Diese Form des vollständig umschließenden Kanalabschnitts 84 kann entweder durch Rotation um die Symmetrieachse 6 eingefräst werden oder mit einer Lochkreissäge eingeschnitten werden, wobei der Lochausschnitt (der den Elektrodenkragen 12 darstellt) stehen bleibt, weil der Lochkreiseinschnitt an der unteren (zur Orthogonalschnittebene B-B parallelen) Orthogonalebene der Kühlkanäle 83 endet.
Die Kühlkanäle 83 können dabei so angeordnet werden, dass es jeweils nur einen Eingang und einen Ausgang für die Kühlflüssigkeit gibt. In 6b sind deshalb die beiden Anschlüsse (Eingang, Ausgang) um 180° versetzt in unterschiedlichen Orthogonalebenen angebracht. Bei genügend hohem Druck strömt dann das Kühlmedium von dem als Eingang angeschlossenen Kühlkanal 83 über den Ringspalt sowohl in beiden Richtungen um den jeweiligen Halbumfang als auch vertikal in Richtung der oberen Orthogonalebene, in der sich – gegenüber liegend zum Kühlmitteleingang – der als Ausgang fungierende Kühlkanal 83 befindet. Da das Kühlmedium an allen Punkten entlang des Umfanges mit hohem Druck durch die Verengung gepresst wird, sind relativ hohen Durchflüsse von 10l/min und mehr möglich bei Kanalverengungen 84 von wenigen hundert Mikrometern.

1: erstes Elektrodengehäuse
11: Austrittsöffnung
12: Elektrodenkragen
13: rohrförmiger Isolator
2: zweites Elektrodengehäuse
21: verengter Ausgang
22: Elektrodenkragen
23: elektrisch isolierende Schicht
24: Hochspannungsimpulsgenerator
3: Vorionisationseinheit
31: Vorionisationskammer
32: Vorionisationselektrode
33: Isolatorröhrchen
34: Vorionisationsimpulsgenerator
35: Gleitentladung
4: Vakuumkammer
41: Vakuumpumpeinrichtung
5: Plasma
51: emittierte Strahlung
52: Entladungskammer
6: Symmetrieachse
7: Gasbereitstellungseinheit
8: Wärmetauschersystem
81: Kühlmittelreservoir
82: Kühlmittelpumpeinheit
83: Kühlkanal (radial)
84: (verengter) Kanalabschnitt
85: Kanalstruktur
86: poröses Material
87: kapillare Struktur
88: Granulat
89: Gewinde
9: Verschluss(schraube)
A-A: Schnittebene
B-B: Orthogonalschnittebene

Claims

Anordnung zur Erzeugung kurzwelliger Strahlung auf Basis eines durch Gasentladung erzeugten heißen Plasmas, enthaltend eine Entladungskammer, die von einem ersten und zweiten koaxialen Elektrodengehäuse umschlossen und evakuiert ist, in die ein Arbeitsgas unter definiertem Druck eingeleitet wird und die eine Austrittsöffnung für die kurzwellige Strahlung aufweist, wobei beide Elektrodengehäuse durch eine Isolatorschicht elektrisch durchschlagfest gegeneinander isoliert sind und das zweite Elektrodengehäuse mit einem verengten Ausgang in das erste Elektrodengehäuse hineinragt und das erste Elektrodengehäuse um die Austrittsöffnung und das zweite Elektrodengehäuse am verengten Ausgang jeweils einen Elektrodenkragen aufweisen, so dass die Gasentladung zur Erzeugung des strahlenden Plasmas gezielt zwischen diesen Elektrodenkragen innerhalb der Entladungskammer des ersten Elektrodengehäuses gezündet wird, und bis zu den Elektrodenkragen Kühlkanäle zur Durchströmung mit einem Kühlmittel in das Elektrodenmaterial integriert sind, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kühlkanäle (83) radial bis auf wenige Millimeter an thermisch hoch belastete Oberflächenbereiche der Elektrodenkragen (12, 22) herangeführt sind und im Bereich der hoch belasteten Oberfläche im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse (6) der Elektrodengehäuse (1, 2) einen verengten Kanalabschnitt (84) zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit eines umlaufenden Kühlmittels aufweisen, und – der verengte Kanalabschnitt (84) mit Kanalstrukturen (85) zur Vergrößerung der inneren Oberfläche und zur weiteren Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des umlaufenden Kühlmittels versehen sind, wobei die Kanalstrukturen (85) durch geeignete Oberflächenbearbeitung der verengten Kanalabschnitte (84) erzeugt sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verengte Kanalabschnitt (84) durch nachträglichen Materialabtrag strukturiert ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Materialabtrag durch Raustrahlen mit einem der Strahlmaterialien von Hartgussgranulat, Glasstrahlperlen, Stahlkies oder Korund erzeugt ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der verengte Kanalabschnitt (84) durch Materialabtrag mittels Ätzen strukturiert ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der verengte Kanalabschnitt (84) durch Materialabtrag mittels Materialzerstäubung strukturiert ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verengte Kanalabschnitt (84) durch nachträgliche Beschichtung strukturiert ist.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der verengte Kanalabschnitt (84) durch Materialauftrag von Granulat (88) strukturiert ist.
Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (88) aus mindestens einem Metall, einer Metalllegierung oder Metallkeramik mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit besteht.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (88) aus wenigstens einem der Metalle Kupfer, Aluminium, Silber, Gold, Molybdän, Wolfram oder einer Legierung davon besteht.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (88) aus einer der Legierungen MoCu, WCu oder AgCu besteht.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (88) aus einer der Metallkeramiken AlO, SiC oder AlN besteht.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (88) aus Diamant besteht.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des verengten Kanalabschnitts (84) an die Korngröße des verwendeten Granulats (88) angepasst ist, wobei der Durchmesser des Kanalabschnitts (84) wenigstens doppelt so groß ist wie die Korngröße des Granulats (88).
Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des verengten Kanalabschnitts (84) zwischen 100 μm und 2 mm beträgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verengte Kanalabschnitt (84) als koaxialer Ringspalt um die Symmetrieachse (6) ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verengte Kanalabschnitt (84) als Bohrung ausgeführt ist.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der verengte Kanalabschnitt (84) als Bohrung durch Einschneiden eines Gewindes (89) strukturiert ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verengten Kanalabschnitte (84) von einem Kühlmittel mit niedriger Viskosität durchströmt sind.
Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel mit niedriger Viskosität deionisiertes Wasser eingesetzt ist.
Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel ein spezielles Öl mit niedriger Viskosität, vorzugsweise Galden, eingesetzt ist.
Verfahren zur Herstellung von kühlmitteldurchströmten Elektrodengehäusen für durch Gasentladung erzeugtes heißes Plasma, bei dem eine Entladungskammer von einem ersten und zweiten koaxialen Elektrodengehäuse umschlossen und evakuiert ist, in die ein Arbeitsgas unter definiertem Druck eingeleitet wird, wobei beide Elektrodengehäuse durch eine Isolatorschicht elektrisch durchschlagfest gegeneinander isoliert sind und Kühlkanäle aufweisen, und das zweite Elektrodengehäuse mit einem verengten Ausgang in das erste Elektrodengehäuse hineinragt, um eine Gasentladung mit einem gegenüberliegenden Bereich des ersten Elektrodengehäuses zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kühlkanäle (83) in mindestens zwei unterschiedlichen Orthogonalebenen zu einer Symmetrieachse (6) der Elektrodengehäuse (1, 2) radial von außen nach innen in die Elektrodengehäuse (1, 2) bis auf einen Abstand zu den thermisch hochbelasteten Oberflächen von wenigen Millimetern gebohrt werden, und – ein verengter Kanalabschnitt (84) im Wesentlichen parallel zur Symmetrieachse (6) so ausgenommen wird, dass er einen Verbindungskanal (84) geringen Durchmessers zwischen jeweils zwei Kühlkanälen (83) unterschiedlicher Orthogonalebenen in einem Endbereich der radialen Kühlkanäle (83) herstellen.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der verengte Kanalabschnitt (84) als Ringspalt konzentrisch zur Symmetrieachse (6) ausgefräst wird, so dass er in einem Elektrodengehäuse (1, 2) zusammenhängend den Elektrodenkragen (12; 22) vollständig umgibt, wobei zwei Kühlkanäle (83) als Eingang und als Ausgang für das umlaufende Kühlmittel in den unterschiedlichen Orthogonalebenen einander gegenüberliegend bezüglich der Symmetrieachse (6) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der verengte Kanalabschnitt (84) als Bohrung koaxial zur Symmetrieachse (6) gebohrt wird, wobei eine Vielfachanordnung von solchen gleichverteilt gebohrten Kanalabschnitten (84) erzeugt wird, die den Elektrodenkragen (12; 22) innerhalb des Elektrodengehäuses (1, 2) entlang einer zur Symmetrieachse (6) konzentrischen Zylindermantelfläche umgibt.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die verengten Kanalabschnitte (84) durch Materialabtrag mit einer Kanalstruktur (85) zur Vergrößerung der inneren Oberfläche versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (85) durch Einschneiden eines Gewindes (89) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (85) durch Ätzen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (85) durch Materialzerstäubung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die verengten Kanalabschnitte (84) durch Materialauftrag mit einer Kanalstruktur (85) versehen werden.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalstruktur (85) durch Belegen mit einem Granulat (88) aus Metall, Metalllegierung oder Metallkeramik mit guter Wärmeleitfähigkeit erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (88) durch Sprüh- oder Spritztechniken auf die Innenflächen des Kanalabschnittes (84) aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (88) an den Innenflächen des Kanalabschnittes (84) durch nachfolgendes Sintern fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (88) an den Innenflächen des Kanalabschnittes (84) durch eine Lotverbindung fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass an den Elektrodengehäusen (1, 2) Öffnungen, die bei der Erzeugung der verengten Kanalabschnitte (84) entstanden, aber für den Kühlmittelumlauf nicht erforderlich sind, durch Verschlussstopfen (9) aus Elektrodenmaterial hermetisch verschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussstopfen (9) in der Öffnung verschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlussstopfen (9) eingeschraubt und verschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in den Elektrodengehäusen (1, 2) Öffnungen, die bei der Erzeugung der verengten Kanalabschnitte (84) entstanden, aber für den Kühlmittelumlauf nicht erforderlich sind, durch Abdecken mit wenigstens einem Teil, der integraler Bestandteil des Elektrodengehäuses (1, 2) wird, hermetisch verschlossen werden.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der abdeckende Teil des Elektrodengehäuses (1, 2) durch Trennen des Elektrodengehäuses (1, 2) entlang einer geeigneten Schnittebene (A-A), wobei das Trennen vor dem Einbringen von Kanalabschnitten (84) erfolgt, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der abdeckende Teil des Elektrodengehäuses (1, 2) durch geeignete Formgebung von passfähigen separaten Teilen von Hauptteil und abdeckendem Teil des Elektrodengehäuses (1, 2) erzeugt wird, wobei die separaten Teile des Elektrodengehäuses (1, 2) nach dem Einbringen von Kanalabschnitten (84) in den Hauptteil entlang einer fiktiven Schnittebene (A-A) zusammengefügt werden.