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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines optischen Elements für EUV-Anwendungen, wobei Wärme von dem optischen Element auf einen Kühlkörper übertragen wird, und wobei über eine erste Zuleitung ein erstes Kühlmedium in einen Kühlkanal in dem Kühlkörper eingeleitet wird, derart, dass das erste Kühlmedium den Kühlkanal laminar durchströmt und dabei Wärme von dem Kühlkörper aufnimmt, wobei das erste Kühlmedium nach dem Durchströmen des Kühlkanals in eine Ableitung abgeleitet wird, die von dem optischen Element wegführt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kühlsystem zum Kühlen eines optischen Elements für EUV-Anwendungen, mit einem Kühlkörper zur Übertragung von Wärme von dem optischen Element auf den Kühlkörper, einem Kühlkanal in dem Kühlkörper und einer ersten Zuleitung zum Einleiten eines ersten Kühlmediums in den Kühlkanal, derart, dass das erste Kühlmedium den Kühlkörper laminar durchströmen und dabei Wärme von dem Kühlkörper aufnehmen kann, und mit einer von dem optischen Element wegführenden Ableitung für das erste Kühlmedium aus dem Kühlkanal.
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Ein Verfahren und ein Kühlsystem der eingangs genannten Art sind aus dem Dokument
US 7,591,561 B2 bekannt.
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Ein optisches Element für EUV-Anwendungen ist beispielsweise ein Spiegel einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithografie.
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Eine Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithografie wird beispielsweise zur Herstellung von feinstrukturierten elektronischen Bauelementen verwendet. Eine EUV-Projektionsbelichtungsanlage arbeitet mit kurzwelliger Strahlung, und zwar mit Strahlung im extremen Ultraviolett, abgekürzt als EUV-Strahlung, deren Wellenlänge beispielsweise im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 20 nm liegt.
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Bei einem optischen Element für EUV-Anwendungen ergibt sich als technisches Problem, dass sich das optische Element aufgrund der Beaufschlagung mit EUV-Strahlung stark aufheizt. Der Wärmeeintrag in das optische Element führt dazu, dass sich das optische Element während des Betriebes verformen kann. Die Deformation eines optischen Elements kann unerwünschte Abbildungsfehler der Projektionsbelichtungsanlage zur Folge haben.
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Es wurden daher Kühlsysteme vorgeschlagen, die dazu dienen, die im Betrieb aufgrund der Einwirkung der EUV-Strahlung in das optische Element eingetragene Wärme von dem optischen Element abzuführen, um das optische Element zu kühlen.
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In dem eingangs genannten Dokument
US 7,591,561 B2 wird vorgeschlagen, in einem Kühlkörper, der integraler Bestandteil des optischen Elements ist, eine Mehrzahl von Kühlkanälen vorzusehen, durch die ein Kühlmedium geleitet wird, wobei das Kühlmedium durch die Kühlkanäle laminar strömt.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung der Kühlkörper integraler Bestandteil des optischen Elements oder ein separater Kühlkörper sein kann, mit dem das optische Element, vorzugsweise wärmeleitend, verbunden ist. Außerdem versteht es sich, dass im Sinne der vorliegenden Erfindung der Kühlkörper eine Mehrzahl an Kühlkanälen und/oder Ableitungen für Kühlmedium aufweisen kann. Insoweit ist das Wort ”ein” in der vorliegenden Beschreibung und in den Ansprüchen nicht als Zahlwort, sondern als unbestimmter Artikel zu verstehen.
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Die laminare Strömung des Kühlmediums in dem Kühlkanal nahe zum optischen Element hat den Vorteil, dass durch die Strömung des Kühlmediums keine Vibrationen in das optische Element eingeführt werden. Solche Vibrationen würden die optischen Eigenschaften des optischen Elements beinträchtigen. Eine laminare Strömung des Kühlmediums hat demgegenüber den Nachteil, dass die Wärmeübertragung auf das Kühlmedium und die Abfuhr von Wärme durch das Kühlmedium im Vergleich zu einer turbulenten Strömung des Kühlmediums verringert ist (siehe beispielsweise den Grundlagenartikel von Melcom R. Howells in Opt. Eng. 35(4), Seiten 1187–1197, April 1996). Eine turbulente Strömung des Kühlmediums nahe zum optischen Element verursacht demgegenüber Vibrationen im optischen Element, während die Wärmeabfuhr gegenüber der laminaren Strömung verbessert ist.
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Der Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Kühlsystem der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine hinreichende Kühlung des optischen Elements gewährleistet ist, ohne dass die Kühlung zu Vibrationen des optischen Elements Anlass gibt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des eingangs genannten Verfahrens dadurch gelöst, dass in die Ableitung über eine zweite Zuleitung ein zweites Kühlmedium eingeleitet wird, das das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium stromabwärts der zweiten Zuleitung an einer Stelle, die von dem optischen Element weiter entfernt ist als der Kühlkanal, mit einem von extern in die Ableitung eingeleiteten Kraftfeld beaufschlagt werden, um das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium miteinander zu vermischen.
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Hinsichtlich des eingangs genannten Kühlsystems wird die der Erfindung zugrunde liegend Aufgabe dadurch gelöst, dass in die Ableitung eine zweite Zuleitung zum Einleiten eines zweiten Kühlmediums in die Ableitung mündet, und dass eine Mischeinrichtung zum Vermischen des ersten Kühlmediums mit dem zweiten Kühlmedium stromabwärts der zweiten Zuleitung außerhalb der Ableitung an einer Stelle angeordnet ist, die von dem optischen Element weiter entfernt ist als der Kühlkanal, wobei die Mischeinrichtung zur Beaufschlagung des ersten Kühlmediums und des zweiten Kühlmediums mit einem von extern in die Ableitung eingeleiteten Kraftfeld ausgebildet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Kühlsystem gehen davon aus, dass das Kühlmedium in dem Kühlkörper nahe zum optischen Element laminar strömt, um den Eintrag von Vibrationen in das optische Element zu vermeiden. Um die Wärmetransportfähigkeit des Kühlmediums zu erhöhen, wird in die Ableitung in größerer Entfernung vom optischen Element als der Entfernung des Kühlkanals vom optischen Element ein zweites Kühlmedium eingeleitet, wobei das erste und das zweite Kühlmedium in der Ableitung durch ein von extern in die Ableitung eingekoppeltes Kraftfeld miteinander vermischt werden, um so die Wärmeabfuhr zu verbessern. Über das in der Ableitung wirkende Kraftfeld werden das in der Ableitung strömende erste und zweite Kühlmedium mit anderen Worten agitiert, wodurch die Wärmeaustauschfläche zwischen dem ersten und zweiten Kühlmedium vergrößert und die Wärmeabtransportfähigkeit des Gemischs aus erstem und zweitem Kühlmedium deutlich verbessert wird. Die Vermischung des ersten und zweiten Kühlmediums in der Ableitung kann zwar zu Vibrationen der Ableitung führen, da aber die Vermischung des ersten und des zweiten Kühlmediums in größerer Entfernung vom optischen Element erfolgt als die Entfernung des Kühlkanals im Kühlkörper zum optischen Element, übertragen sich Vibrationen im Vermischungsbereich nicht oder allenfalls gering auf das optische Element aus. Ggf. kann die Ableitung im Bereich der Einwirkung des Kraftfeldes von dem Kühlkörper schwingungsentkoppelt sein.
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Ein von extern in die Ableitung eingeleitetes Kraftfeld kann beispielsweise ein von außen angelegter Druckgradient, ein elektrisches und/oder magnetisches Feld, ein akustisches Feld und dergleichen sein. Solche von extern in die Ableitung eingebrachte Kraftfelder haben gegenüber einer mechanischen Mischung mittels Rührwerken den Vorteil, dass es für die Dimensionierung der Ableitung keine Beschränkungen gibt, das heißt die Ableitung mit einem sehr kleinen Querschnitt im Bereich von wenigen Millimetern oder unter einem Millimeter ausgeführt werden kann.
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Die Zuleitung des zweiten Kühlmediums in die Ableitung kann in Abhängigkeit von der geforderten Kühlleistung erfolgen. Wenn die Kühlung des optischen Elements mit der laminaren Strömung des Kühlmediums in dem Kühlkanal ausreichend ist, kann die Zufuhr des zweiten Kühlmediums auch abgeschaltet werden, bspw. mittels gesteuerter Ventile.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens bilden das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium miteinander eine elektrische Doppelschicht aus, oder das erste und/oder das zweite Kühlmedium bildet mit einer Wand der Ableitung eine elektrische Doppelschicht aus, wobei das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium mit einem durch die Wand der Ableitung wirkenden elektrischen Wechselfeld als Kraftfeld beaufschlagt werden.
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Bei dem Kühlsystem sind das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium entsprechend vorzugsweise dazu geeignet, miteinander eine elektrische Doppelschicht auszubilden, oder das erste Kühlmedium und/oder das zweite Kühlmedium sind dazu geeignet, mit einer Wand der Ableitung eine elektrische Doppelschicht auszubilden, wobei die Mischeinrichtung zur Beaufschlagung des ersten Kühlmediums mit dem zweiten Kühlmedium mit einem durch die Wand der Ableitung wirkenden elektrischen Wechselfeld als Kraftfeld ausgebildet ist.
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Ein Mischer zum Mischen von zwei oder mehr Flüssigkeiten, der elektrische Doppelschichten zwischen Flüssigkeit und Wand oder Flüssigkeit und Flüssigkeit ausnutzt, ist in dem Dokument
DE 102 13 003 B4 beschrieben. Der dort beschriebene Mischer wird in der Mikrofluidik in der chemischen, pharmazeutischen oder biochemischen Prozessindustrie eingesetzt. Im Rahmen der vorstehenden Ausgestaltung kann nun der Effekt ausgenutzt werden, dass bei entsprechender Kühlmediumwahl das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium miteinander eine elektrische Doppelschicht ausbilden können, oder das erste und/oder das zweite Kühlmedium mit der Wand der Ableitung eine elektrische Doppelschicht ausbilden können, auf die das von außen durch die Wand der Ableitung wirkende oszillierende elektrische Wechselfeld Kräfte ausübt, die zu einer Agitation und damit Vermischung des ersten und zweiten Kühlmediums und zur Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche führt. Der Vorteil eines elektrischen Wechselfeldes als Kraftfeld besteht darin, dass sich die Stärke des elektrischen Wechselfelds und damit die Stärke der Agitation leicht kontrollieren lassen.
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Es versteht sich, dass die Wand der Ableitung zumindest im Bereich der Einwirkung des elektrischen Wechselfeldes nicht elektrisch leitfähig ist und damit nicht gegenüber dem elektrischen Wechselfeld abschirmend wirkt.
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Vorzugsweise verlaufen die Feldlinien des elektrischen Wechselfeldes etwa senkrecht zur Strömungsrichtung des ersten und zweiten Kühlmediums in der Ableitung.
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Weiter vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Stärke des Kraftfeldes so eingestellt, dass die Strömung des ersten Kühlmediums und des zweiten Kühlmediums in der Ableitung turbulent ist.
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Bei dem Kühlsystem ist entsprechend die Stärke des Kraftfeldes einstellbar, um eine turbulente Strömung des ersten Kühlmediums und des zweiten Kühlmediums in der Ableitung zu erzeugen.
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Wie bereits oben erwähnt, wird der Wärmetransport durch eine turbulente Strömung gegenüber einer laminaren Strömung verbessert. Durch die turbulente Strömung erzeugte Vibrationen wirken sich wegen der größeren Entfernung des Bereichs der turbulenten Strömung in der Ableitung von dem optischen Element nicht nachträglich auf das optische Element aus, wobei ggf. zusätzlich noch eine Schwingungsentkopplung des turbulenten Strömungsbereiches von dem optischen Element vorgesehen sein kann.
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Die Erfindung schafft somit vorzugsweise eine Kühlung mit zwei Kühlkreisläufen, und zwar einem laminaren Kühlkreislauf zur Wärmeaufnahme in unmittelbarer Nähe zum optischen Element, und mit einem turbulenten Kühlkreislauf in größerer Entfernung zum optischen Element.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird über zumindest eine dritte Zuleitung stromabwärts der zweiten Zuleitung zumindest ein drittes Kühlmedium in die Ableitung zugeführt, um das Gemisch aus erstem und zweitem Kühlmedium und das zumindest eine dritte Kühlmedium werden mit einem von extern in die Ableitung eingeleiteten Kraftfeld beaufschlagt, um das Gemisch aus erstem und zweitem Kühlmedium und das zumindest eine dritte Kühlmedium miteinander zu vermischen.
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Bei dem Kühlsystem mündet vorzugsweise zumindest eine dritte Zuleitung stromabwärts zur zweiten Zuleitung in die Ableitung, um zumindest ein drittes Kühlmedium in die Ableitung einzuleiten, und zumindest eine weitere Mischeinrichtung zum Vermischen des Gemischs aus erstem und zweitem Kühlmedium mit dem dritten Kühlmedium ist stromabwärts der zweiten Zuleitung außerhalb der Ableitung angeordnet, wobei die Mischeinrichtung zur Beaufschlagung des Gemischs aus erstem und zweitem Kühlmedium und des dritten Kühlmediums mit einem von extern in die Ableitung eingeleiteten Kraftfeld ausgebildet ist.
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In dieser Ausgestaltung des Kühlsystems und des Verfahrens wird somit eine Kaskade von Zuleitungen für Kühlmedien in die Ableitung geschaffen, durch die eine weitere Verbesserung des Wärmetransports und somit eine noch bessere Kühlung des optischen Elements erreicht wird. Das dritte Kühlmedium wird mit dem in der Ableitung vorhandenen Gemisch aus erstem und zweitem Kühlmedium durch das von außen wirkende Kraftfeld agitiert, wobei auch hier die Agitation derart sein kann, dass die Strömung des Gemischs aus erstem und zweitem Kühlmedium und drittem Kühlmedium turbulent wird.
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Auch im Falle der Ausgestaltung des Kühlsystems mit einer Kaskade von Zuleitungen von Kühlmedium in die Ableitung wird vorzugsweise der Effekt ausgenutzt, dass sich bei geeigneter Kühlmediumwahl eine elektrische Doppelschicht zwischen dem Gemisch aus erstem und zweitem Kühlmedium und dem zumindest einen dritten Kühlmedium miteinander ausbilden kann, oder sich eine elektrische Doppelschicht zwischen dem Gemisch aus erstem und zweitem Kühlmedium und/oder dem dritten Kühlmedium und der Wand der Ableitung ausbilden kann, wobei als Kraftfeld ein elektrisches Wechselfeld durch die Wand der Ableitung auf die elektrische Doppelschicht wirkt.
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Bei dem Verfahren und dem Kühlsystem können das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium und ggf. das zumindest eine dritte Kühlmedium gleiche Flüssigkeiten sein.
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Der Vorteil hierbei ist, dass das Kühlsystem insgesamt mit geringerem Aufwand ausgeführt werden kann, insbesondere ist im Fall, dass die Kühlmedien in einem Kühlmediumkreislauf nach Wärmeabfuhr, beispielsweise in einem Wärmetauscher, wieder den entsprechenden ersten, zweiten und dritten Zuleitungen zugeführt werden, keine Trennung der Kühlmedien vor der Wiederzuführung in die entsprechende Zuleitung erforderlich.
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Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium und/oder ggf. das zumindest eine dritte Kühlmedium unterschiedliche Flüssigkeiten sind.
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Hierdurch kann das Kühlsystem zwar aufwändiger als im Fall der zuvor genannten Ausgestaltung sein, jedoch kann diese Ausgestaltung den Vorteil haben, dass hinsichtlich ihrer elektrolytischen Eigenschaften unterschiedliche Flüssigkeiten verwendet werden, die an ihrer gegenseitigen Grenzschicht eine elektrische Doppelschicht bilden, so dass sie im Fall der Beaufschlagung der Kühlmedien mit einem elektrischen Wechselfeld besonders gut auf das elektrische Wechselfeld reagieren und eine stärkere Auffaltung der Grenzfläche zwischen den Kühlmedien und damit eine verbesserte Vermischung und damit erhöhter Wärmetransport erreicht wird.
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Im Fall der vorstehend genannten Ausgestaltung werden bei dem Verfahren das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium und/oder ggf. das zumindest eine dritte Kühlmedium nach Durchströmen der Ableitung und bevor sie der ersten und zweiten und/oder ggf. der zumindest einen dritten Zuleitung wieder zugeführt werden, voneinander getrennt.
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Das Kühlsystem weist dazu entsprechend eine Trenneinrichtung zwischen der Ableitung und der ersten, zweiten und/oder ggf. der zumindest einen dritten Zuleitung auf.
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Durch die Trenneinrichtung können die unterschiedlichen Kühlmedien wie im Fall von gleichen Kühlmedien in einem geschlossen Kühlmediumkreislauf zirkulieren, das heißt nach der Trennung des ersten, zweiten und/oder ggf. zumindest einen dritten Kühlmediums können diese wieder voneinander getrennt den ihnen zugeordneten Zuleitungen zugeführt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Kühlsystems ist in der Ableitung im Bereich der Wirkung des Kraftfeldes zumindest ein Strömungshindernis angeordnet.
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Ein solches Strömungshindernis kann beispielsweise ein Stift mit rundem oder eckigem Querschnitt sein, der sich mit seiner Längsachse senkrecht zur Hauptströmungsrichtung in der Ableitung erstreckt. Im Zusammenwirken mit dem Kraftfeld wird durch das zumindest eine Strömungshindernis die Mischung der Kühlmedien weiter verbessert, insbesondere kann der Wirkbereich des Kraftfeldes in Richtung der Hauptströmungsrichtung der Kühlmedien aufgrund des Vorhandenseins des zumindest einen Strömungshindernisses kürzer ausgestaltet werden, insbesondere wenn sich das zumindest eine Strömungshindernis am Beginn der Strecke der Einwirkung des Kraftfeldes befindet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Kühlsystems weist der Kühlkanal und/oder die Ableitung in zumindest einer Dimension eine lichte Weite von 1 mm oder darunter auf.
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Wie bereits erwähnt, können bei dem erfindungsgemäßen Kühlsystem und dem erfindungsgemäßen Verfahren mehr als nur ein Kühlkanal im Kühlkörper und auch mehr als nur eine Ableitung von dem oder den Kühlkanälen vorgesehen sein. Des Weiteren ist es im Rahmen der Erfindung möglich, den Kühlkörper in das optische Element zu integrieren; beispielsweise im Fall, dass das optische Element ein Spiegel ist, kann der Kühlkörper durch das Substrat des Spiegels gebildet oder in diesen integriert sein.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird mit Bezug auf diese hier noch näher beschrieben. Die einzige Figur zeigt ein Kühlsystem für ein optisches Element.
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In der Figur ist schematisch ein mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehenes Kühlsystem für ein optisches Element 12 und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein weiteres optisches Element 14 gezeigt.
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Das optische Element 12 und das optische Element 14 sind für EUV-Anwendungen ausgelegt. Das optische Element 12 und das optische Element 14 sind beispielsweise Spiegel einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithografie.
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Das optische Element 12 weist eine Strahlungseinfallseite 16, und das optische Element 14 weist eine Strahlungseinfallseite 18 auf. Im Betrieb der optischen Elemente 12 und 14 werden diese mit EUV-Strahlung 20 beaufschlagt.
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Die EUV-Strahlung 20 führt zu einem Wärmeeintrag in die optischen Elemente 12 und 14, wobei das Kühlsystem 10 der Kühlung der optischen Elemente 12 und 14 durch Abfuhr von Wärme von den optischen Elementen 12 und 14 dient.
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Das Kühlsystem 10 weist einen Kühlkörper 22 auf, mit dem die optischen Elemente 12 und 14 wärmeleitend verbunden sind. Dabei sind das optische Element 12 und 14 auf dem Kühlkörper 22 mechanisch befestigt, wobei Wärme von den optischen Elementen 12 und 14 konduktiv auf den Kühlkörper 22 übertragen wird. Die Wärmeleitfähigkeit ist hierbei wesentlich vom Kontaktdruck der optischen Elemente 12 und 14 auf den Kühlkörper 22 und den verwendeten Materialien abhängig. Als Materialien für die optischen Elemente 12 und 14 sind beispielsweise Kupfer, Stahl, Silizium oder Quarz möglich, und der Kühlkörper 22 kann aus einem elektrisch nichtleitenden Material wie Keramik, beispielsweise SiC, SSiC und dergleichen gefertigt sein. Der Kühlkörper 22 kann aber auch aus einem Metall, insbesondere Kupfer, Aluminium oder Stahl sein. Das Material des Kühlkörpers 22 kann anwendungsspezifisch gewählt werden, wobei die Materialwahl beispielsweise so getroffen wird, dass eine Anpassung des Wärmeausdehnungskoeffizienten an denjenigen der optischen Elemente 12, 14, eine Optimierung der Wärmeleitung, usw. erreicht wird.
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Anstelle einer mechanischen Verbindung der optischen Elemente 12 und 14 mit dem Kühlkörper 22 ist es ebenso möglich, dass der Kühlkörper 22 in die optischen Elemente 12 und 14 integriert ist; beispielsweise im Fall, dass die optischen Elemente 12 und 14 Spiegel sind, kann der Kühlkörper 22 in das jeweilige Spiegelsubstrat integriert sein. Außerdem ist es möglich, anstelle der hier gezeigten Anordnung, bei der den optischen Elementen 12 und 14 ein gemeinsamer Kühlkörper 22 zugeordnet ist, jedem optischen Element 12 und 14 einen eigenen Kühlkörper zuzuordnen.
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In dem Kühlkörper 22 ist ein Kühlkanal 24 vorhanden, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen ersten Abschnitt 24a und einen zweiten Abschnitt 24b aufweist. In den Kühlkanal mündet allgemein eine Zuleitung 26. Entsprechend der beiden Abschnitte 24a und 24b sind eine Zuleitung 26a und eine Zuleitung 26b vorhanden. Der Kühlkanal befindet sich in unmittelbarer Nähe zu den optischen Elementen 12, 14.
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Aus dem Kühlkanal 24, genauer gesagt den Abschnitten 24a und 24b des Kühlkanals 22, mündet eine Ableitung 28 aus, die von den optischen Elementen 12 und 14 weg führt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel führt die Ableitung 28 senkrecht zu dem Kühlkanal 24 und senkrecht von den optischen Elementen 12 und 14 weg, wobei es jedoch auch möglich ist, dass die Ableitung 30 seitlich, das heißt im Wesentlichen parallel zu der Kühlleitung 24 von den optischen Elementen 12 und 14 weg führt.
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Die Ableitung 28 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen ersten Abschnitt 30, einen sich daran anschließenden Abschnitt 32, zwei sich daran anschleißende verzweigende Abschnitte 34a und 34b sowie weitere sich daran anschließende Abschnitte 36a und 36b auf.
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In die Ableitung 28 mündet zwischen dem ersten Abschnitt 30 und dem zweiten Abschnitt 32 der Ableitung 28 eine zweite Zuleitung 38, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei zweite Zuleitungen 38a und 38b in die Ableitung 28 zwischen deren Abschnitt 30 und Abschnitt 32 münden.
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Stromabwärts von der Zuleitung 38 weist das Kühlsystem 10 eine erste Mischeinrichtung 40 auf, die außerhalb der Ableitung 28, hier außerhalb des zweiten Abschnitts 32 der Ableitung 28 angeordnet ist. Die Mischeinrichtung 40 ist an einer Stelle angeordnet, die von dem optischen Element 12 bzw. von dem optischen Element 14 weiter entfernt ist als der Kühlkanal 24, wie aus der Figur hervorgeht.
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Die Mischeinrichtung 40 ist dazu ausgebildet, ein Kraftfeld zu erzeugen, das durch eine Wand 42 der Ableitung 28, hier des zweiten Abschnittes 32 der Ableitung 28 hindurch in das Innere der Ableitung 28 wirkt.
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Die Mischeinrichtung 40 erzeugt dabei als Kraftfeld ein elektrisches Wechselfeld und weist hierzu zwei Elektroden 44a und 44b auf, die in der Art eines Plattenkondensators einander gegenüberstehen. Durch Anlegen einer Wechselspannung an den Elektroden 44a und 44b wird im Raum zwischen den Elektroden 44a und 44b ein elektrisches Wechselfeld erzeugt, wie mit E–(+) und E+(–) veranschaulicht ist. Die Feldlinien des elektrischen Wechselfeldes verlaufen dabei senkrecht zur Ableitung 28, genauer gesagt zum zweiten Abschnitt 32 der Ableitung 28.
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Im weiteren Verlauf der Ableitung 28, das heißt stromabwärts von dem zweiten Abschnitt 32 der Ableitung 28, mündet eine dritte Zuleitung 46 in die Ableitung 28. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei dritte Zuleitungen 46a und 46b vorhanden, wobei die dritte Zuleitung 46a in den Abschnitt 34a der Ableitung 28 und die dritte Zuleitung 46b in den Abschnitt 34b der Ableitung 28 mündet.
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Stromabwärts der Mündung der dritten Zuleitung 46a in den Abschnitt 44a der Ableitung 28 weist das Kühlsystem 10 eine zweite Mischeinrichtung 48 auf, die dazu ausgebildet ist, ein Kraftfeld zu erzeugen, um durch die Wand, hier einen Wandabschnitt 50 des Abschnitts 36a der Ableitung 28 hindurch in das Innere der Ableitung 28, hier des Abschnitts 36a der Ableitung 28 zu wirken. Wie im Falle der Mischeinrichtung 40 erzeugt die Mischeinrichtung 48 ein elektrisches Wechselfeld als Kraftfeld und weist dazu zwei Elektroden 52a und 52b auf. Das elektrische Wechselfeld, das von der Mischeinrichtung 48 erzeugt wird, wirkt auch hier senkrecht zur Ableitung 28, genauer gesagt senkrecht zu dem Abschnitt 36a der Ableitung 28.
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In gleicher Weise ist stromabwärts der Mündung der dritten Zuleitung 46b in den Abschnitt 34b der Ableitung 28 eine weitere Mischeinrichtung 54 angeordnet, die ein Kraftfeld erzeugt, das durch einen Wandabschnitt 56 hindurch in das Innere der Ableitung 28, hier des Abschnittes 36b der Ableitung 28 wirkt. In gleicher Weise wie die Mischeinrichtung 40 erzeugt die Mischeinrichtung 54 ein elektrisches Wechselfeld als Kraftfeld und weist dazu zwei Elektroden 58a und 58b auf. Das elektrische Wechselfeld wirkt dabei senkrecht zu dem Abschnitt 36b der Ableitung 28.
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Es versteht sich, dass zumindest die Wandabschnitte 42, 50 und 56 der Ableitung 28 aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material gefertigt sind, so dass die zuvor genannten elektrischen Wechselfelder, die von den Mischeinrichtungen 40, 48 und 54 erzeugt werden, von den Wandabschnitten 42, 50 und 56 nicht abgeschirmt werden.
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Nachfolgend werden ein Verfahren zum Kühlen der optischen Elemente 12 und 14, das mit dem Kühlsystem 10 durchgeführt werden kann, sowie weitere Komponenten des Kühlsystems 10 beschrieben.
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Bei einem Verfahren zum Kühlen der optischen Elemente 12 und 14 wird über die ersten Zuleitungen 26a und 26b ein erstes Kühlmedium in den Kühlkanal 24, hier die Abschnitte 24a und 24b eingeleitet. Das erste Kühlmedium wird dabei so in den Kühlkanal 24 eingeleitet, dass das erste Kühlmedium in dem Kühlkanal 24 laminar strömt. Als Kriterium für eine laminare Strömung wird die Reynoldszahl herangezogen, die von der charakteristischen Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums, der charakteristischen Länge des Kühlkanals 24, der kinematischen Viskosität bzw. der dynamischen Viskosität und der Dichte des Kühlmediums abhängt. Ab einem kritischen Wert der Reynoldszahl wird eine laminare Strömung instabil gegenüber kleinen Störungen. Bei einer Rohrströmung liegt der kritische Wert der Reynoldszahl bei ungefähr 2300. Um zu gewährleisten, dass die Strömung des ersten Kühlmediums in dem Kühlkanal 24 streng laminar ist, sind Reynoldszahlen von kleiner gleich 500 anzustreben.
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Allerdings ist die Reynoldszahl alleine nicht ausreichend, um eine laminare Strömung bzw. den Übergang zur turbulenten Strömung exakt zu bestimmen. Auch die Reibung des Kühlmediums an der Innenwand des Kühlkanals 24 spielt hier eine wesentliche Rolle.
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Die laminare Strömung des ersten Kühlmediums in den Abschnitten 24a und 24b des Kühlkanals 24 ist mit Pfeilen 60a und 60b angedeutet.
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Das erste Kühlmedium wird nach Durchströmen des Kühlkanals 24 dann in die Ableitung 28 abgeleitet, wobei in dem Abschnitt 30 die Strömung des ersten Kühlmediums weiterhin laminar ist, wie mit einem Pfeil 62 angedeutet ist. In der Ableitung 28 wird das erste Kühlmedium von den optischen Elementen 12 und 14 weg abgeleitet.
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Wenn die Kühlleistung der laminaren Strömung des ersten Kühlmediums nicht ausreichend ist, um die optischen Elemente 12 und 14 wie gewünscht zu kühlen, wird über die zweite Zuleitung 38, hier die Zuleitungen 38a und 38b ein zweites Kühlmedium gemäß einem Pfeil 64a bzw. 64b und weiterer Pfeile 66a, 66b in die Ableitung 28 eingeleitet.
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Das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium, die gemeinsam in den Abschnitt 32 der Ableitung 28 strömen, sind dazu geeignet, miteinander eine elektrische Doppelschicht auszubilden, oder das erste Kühlmedium und/oder das zweite Kühlmedium sind dazu geeignet, mit der Wand 42 des Abschnitts 32 der Ableitung 28 eine elektrische Doppelschicht auszubilden.
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Eine elektrische Doppelschicht können das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium miteinander ausbilden, wenn das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium verschiedene Flüssigkeiten mit verschiedenen elektrolytischen Eigenschaften sind, beispielsweise das erste Kühlmedium Wasser und das zweite Kühlmedium ein Alkohol, eine wässrige Lösung, eine Salzlösung oder eine organische Flüssigkeit ist. Die elektrische Doppelschicht wird sich dann an der Grenzfläche der beiden Kühlmedien ausbilden.
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Wenn das erste Kühlmedium und das zweite Kühlmedium gleiche Flüssigkeiten sind, wird sich bei entsprechender Materialwahl für die Wand 42 des Abschnitts 32 der Ableitung 28 und entsprechender Wahl der Flüssigkeit eine elektrische Doppelschicht zumindest an der Grenzschicht des jeweiligen Kühlmediums zur Wand 42 der Ableitung 28 ausbilden.
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In dem Abschnitt 32 der Ableitung 28 wirkt nun das von der Mischeinrichtung 40 erzeugte elektrische Wechselfeld auf die elektrische Doppelschicht, und zwar senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des ersten und zweiten Kühlmediums, wodurch eine Auffaltung der Grenzfläche zwischen dem ersten Kühlmedium und dem zweiten Kühlmedium bewirkt wird. Durch die Auffaltung der Grenzschicht zwischen dem ersten Kühlmedium und dem zweiten Kühlmedium werden diese beiden miteinander innig vermischt und die Wärmeaustauschfläche entsprechend vergrößert.
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Die Stärke des von der Mischeinrichtung 40 erzeugten elektrischen Wechselfeldes ist dabei einstellbar, wobei die Stärke des elektrischen Wechselfeldes mitunter so eingestellt werden kann, dass die Strömung des ersten und zweiten Kühlmediums in dem Abschnitt 32 der Ableitung 28 turbulent wird, wie mit Wirbellinien 67 angedeutet ist. Die starke Agitation des ersten und zweiten Kühlmediums erzeugt somit in dem Abschnitt 32 der Ableitung 28 eine turbulente Strömung, durch die der Wärmetransport durch das Kühlmedium verstärkt wird.
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Das Gemisch aus erstem und zweitem Kühlmedium strömt von dem Abschnitt 32 der Ableitung 28 gemäß der Verzweigung der Ableitung 28 in die Abschnitte 34a und 34b. In den Abschnitten 34a und 34b der Ableitung 28 ist die Strömung des Gemischs aus erstem und zweitem Kühlmedium wieder laminar, wie mit Pfeilen 68a und 68b angedeutet ist.
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Über die dritten Zuleitungen 46a und 46b wird im Fall, dass die Kühlleistung noch weiter erhöht werden soll, ein drittes Kühlmedium gemäß Pfeilen 70a, 72a bzw. 70b, 72b eingeleitet, so dass das Gemisch aus erstem Kühlmedium und zweitem Kühlmedium und das dritte Kühlmedium gemeinsam in den weiteren Abschnitt 36a bzw. 36b der Ableitung 28 strömen.
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Je nach Beschaffenheit des Gemischs aus erstem und zweitem Kühlmedium und des dritten Kühlmediums bilden das Gemisch aus erstem und zweitem Kühlmedium und das dritte Kühlmedium wieder eine elektrische Doppelschicht miteinander aus, oder das Gemisch aus erstem und zweitem Kühlmedium und/oder das dritte Kühlmedium bilden mit der Wand 50 bzw. 56 des Abschnittes 36a bzw. 36b der Ableitung 28 eine elektrische Doppelschicht aus. Mittels der Mischeinrichtung 48 bzw. der Mischeinrichtung 54 wird die Trennschicht zwischen dem Gemisch aus erstem und zweitem Kühlmedium und dem dritten Kühlmedium wieder aufgefaltet, so dass eine Vermischung stattfindet und je nach eingestellter Stärke des elektrischen Wechselfeldes, das durch die Mischeinrichtung 48 bzw. durch die Mischeinrichtung 54 erzeugt wird, die Strömung des Gemischs aus erstem und zweitem Kühlmedium und drittem Kühlmedium in dem Abschnitt 36a bzw. 36b turbulent ist.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das zweite Kühlmedium die gleiche Flüssigkeit wie das dritte Kühlmedium, wobei es jedoch auch möglich ist, dass das zweite Kühlmedium und das dritte Kühlmedium unterschiedliche Flüssigkeiten sind.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das erste Kühlmedium eine erste Flüssigkeit, und das zweite Kühlmedium und das dritte Kühlmedium sind eine gleiche zweite Flüssigkeit. Das erste Kühlmedium ist beispielsweise Wasser, und das zweite und dritte Kühlmedium sind ein Alkohol, eine Salzlösung, eine organische Flüssigkeit oder dergleichen.
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Der Ableitung 28 ist in diesem Fall eine Trenneinrichtung 76 stromabwärts nachgeordnet, in der die erste Flüssigkeit von der zweiten Flüssigkeit getrennt wird. Von der Trenneinrichtung 76 wird über eine erste Leitung 78 die erste Flüssigkeit (erstes Kühlmedium) ersten Wärmetauschern 80a und 80b zur Abgabe von Wärme von dem ersten Kühlmedium und zur Aufbereitung des ersten Kühlmediums zugeführt. Die Wärmetauscher befinden sich beispielsweise in einem externen Maschinenstand. Über weitere erste Leitungen 82a und 82b und Pumpenstände 84a und 84b sowie weitere erste Leitungen 86a und 86b wird das erste Kühlmedium wieder den Zuleitungen 26a und 26b in den Kühlkanal 24 zugeführt. Auf diese Weise zirkuliert das erste Kühlmedium gemäß einem ersten Kreislauf, der wegen der laminaren Strömung des Kühlmediums in dem Kühlkanal 24 einen laminaren Kühlkreislauf bildet.
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Die zweite Flüssigkeit, die im vorliegenden Fall das zweite und dritte Kühlmedium bildet, wird von der Trenneinrichtung 76 ausgehend über eine zweite Leitung 88 externen zweiten Wärmetauschern 90a, 90b zur Wärmeabgabe und Aufbereitung zugeführt, und über weitere zweite Leitungen 92a, 92b, zweiten Pumpenständen 94a, 94b und weiteren zweiten Leitungen 96a, 96b wird die zweite Flüssigkeit den Zuleitungen 46a, 46b in die Ableitung 28 und über noch weitere zweite Leitungen 98a und 98b den Zuleitungen 38a, 38b in die Ableitung wieder zugeführt.
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In den Leitungen 96a, 96b können schaltbare Ventile angeordnet sein, ebenso in den Leitungen 98a und 98b, so dass die Zuleitung des zweiten und dritten Kühlmediums zu den Zuleitungen 38a, 38b bzw. 46a, 46b nach Bedarf, das heißt nach erforderlicher Kühlleistung, zuschaltbar, abschaltbar oder drosselbar ist.
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Die zweite Flüssigkeit, die im vorliegenden Fall das zweite und dritte Kühlmedium bildet, zirkuliert somit in einem zweiten Kühlkreislauf, der aufgrund der Mischeinrichtungen 40, 48 und 54 und der Möglichkeit der Erzeugung einer turbulenten Strömung in den Abschnitten 32, 36a und 36b der Ableitung 28 einen turbulenten Kühlkreislauf bildet.
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In der Figur deutet eine Linie 100 eine Trennlinie an, oberhalb derer sich der laminare Bereich des Kühlsystems 10 befindet, und unterhalb derer sich der turbulente Bereich des Kühlsystems 10 befindet. Da sich der turbulente Bereich im Abstand zu den optischen Elementen 12 und 14 befindet, werden sich Vibrationen aufgrund der möglichen turbulenten Strömung von Kühlmedium von diesem Bereich nicht oder zumindest in geringerem Ausmaß auf die optischen Elemente 12 und 14 übertragen. Es kann zusätzlich auch eine Schwingungsentkopplung des turbulenten Bereichs von dem laminaren Bereich vorgesehen sein.
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In den Abschnitten 32, 36a und 36b der Ableitung 28 befinden sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel des Weiteren Strömungshindernisse 102, 104 und 106, die im Zusammenwirken mit den von den Mischeinrichtungen 40, 48 und 54 erzeugten elektrischen Wechselfeldern die Vermischung des ersten Kühlmediums mit dem zweiten Kühlmedium bzw. des Gemischs aus erstem und zweitem Kühlmedium mit dem dritten Kühlmedium noch weiter intensivieren und damit die Wärmeabfuhr noch weiter verbessern.
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Das erste Kühlmedium und das zweite bzw. dritte Kühlmedium werden in die Zuleitungen 26, 38 und 46 beispielsweise mit einer Flussrate im Bereich von etwa 1 nl/min bis etwa 5 nl/min zugeführt, vorzugsweise beträgt die Flussrate etwa 3 nl/min, wobei nl ein Normliter ist.
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Die gesamte die Ableitung 28 umgebende Wand kann mit dem Kühlkörper 22 einstückig ausgebildet sein, und beispielsweise ebenfalls aus einer Keramik, beispielsweise SiC, SSiC oder dergleichen gefertigt sein.
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Die als erstes, zweites und drittes Kühlmedium verwendeten Flüssigkeiten können beliebig gewählt werden, sofern sie geeignet sind, eine elektrische Doppelschicht mit der Wand der Ableitung oder miteinander auszubilden. Als Flüssigkeiten können beispielsweise Wasser, wässrige Lösungen, Salzlösungen, Alkohole oder organische Flüssigkeiten verwendet werden.
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Die von den Mischeinrichtungen 40, 48 und 54 erzeugte elektrische Feldstärke liegt vorzugsweise im Bereich von 1 V/mm bis etwa 500 V/mm.
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Der Kühlkanal 24 und/oder die Ableitung 28 weist in zumindest einer Dimension vorzugsweise eine Lichte von weniger als 1 mm, vorzugsweise eine lichte Weite im Bereich von etwa 50 μm bis 800 μm auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7591561 B2 [0003, 0008]
- DE 10213003 B4 [0019]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Melcom R. Howells in Opt. Eng. 35(4), Seiten 1187–1197, April 1996 [0010]
