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Die Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie mit einer elektrischen Spule nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die elektrische Spule kann dabei bspw. Teil eines Aktuators, vorzugsweise eines Elektromagneten, insbesondere für einen Umlenkspiegel in einem EUV-Beleuchtungssystem für die Halbleiter-Lithographie sein. Dabei kann ein Aktuator auch mehrere elektrische Spulen enthalten.
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Nach dem Stand der Technik werden die von dem Aktuator erzeugten Wärmelasten mittels Wärmeübertragung in einen Kühlblock abgegeben, der dann weiter von einem Kühlsystem gekühlt werden kann. Dabei wird die Wärme jedoch typischerweise bevorzugt aus den äußeren Bereichen beispielsweise einer Spule abgeführt, so dass die Effizienz einer derartigen Kühlung im Wesentlichen durch die Qualität des Wärmeübergangs an der Oberfläche der Spule limitiert ist.
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Erschwerend kommt hinzu, dass in einer Hochvakuum-Umgebung, wie sie insbesondere in einem EUV-Beleuchtungssystem für die Halbleiter-Lithographie erforderlich ist, als Wärmeübertragungsmechanismen lediglich Strahlung und Wärmeleitung zur Verfügung stehen, da kein umgebendes Medium vorhanden ist, welches durch Konvektion zum Abführen der Wärme beitragen könnte. Ein lokaler, nicht gewünschter Wärmeüberschuss wirkt sich jedoch prinzipiell nachteilig auf die Leistungsfähigkeit der zugehörigen Projektionsbelichtungsanlage und oftmals auch nachteilig auf die Lebensdauer der verwendeten Spulen aus.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich somit die Aufgabe, die Wärme, welche in einer elektrischen Spule im Betrieb entsteht, vergleichsweise schnell abzuführen und damit die Leistungsfähigkeit einer zugehörigen Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie sicher zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Projektionsbelichtungsanlage mit den im unabhängigen Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Varianten und Ausführungsformen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Projektionsbelichtungsanlage für die Halbleiterlithographie zeigt wenigstens eine elektrische Spule sowie ein wärmeleitendes Element zum Abführen von Wärme aus der Spule, wobei das wärmeleitende Element mindestens teilweise im Innenbereich der Spule angeordnet ist. Auf diese Weise kann die ohmsche Wärme in der Spule am Ort ihrer Entstehung besser abgeführt werden. Damit können beispielsweise Deformationen von optischen Oberflächen, die durch die Wärmelasten, die von den Aktuatoren induziert werden, entstehen, vermieden werden. Insbesondere kann das Entstehen von sogenannten Hot Spots, die sich negativ auf die Lebensdauer und Leistung von optischen Beschichtungen des zugehörigen Elementes auswirken können, wirksam unterbunden werden. Durch die verbesserte Kühlung insbesondere im Inneren der Spule kann auch vermieden werden, dass die Lackisolierung der Spulendrähte aufschmilzt, was zu Kurzschlüssen und damit einer verringerten Leistungsfähigkeit der Spule führen würde. Aufgrund der verbesserten Kühlung eröffnet sich darüber hinaus die Möglichkeit, stärkere Aktuatoren zu verwenden, wodurch Designfreiheitsgrade bei der Auslegung der zugehörigen Projektionsbelichtungsanlage gewonnen werden können.
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Das wenigstens eine wärmeleitende Element kann insbesondere auf seiner der Spule abgewandten Seite mit wenigstens einem Kühlkörper verbunden sein, welcher dem weiteren Abführen der Wärme aus dem System dient. Für eine verbesserte Wärmeabfuhr je nach Systemanforderungen ist es auch denkbar, dass der genannte Kühlkörper seinerseits thermisch mit einem oder mehreren weiteren Kühlkörpern in Verbindung steht. Mit anderen Worten kann eine Kaskade von Kühlkörpern realisiert sein. Unter "Kühlkörper" sind vorliegend alle Komponenten zu verstehen, welche geeignet sind, eine Wärmesenke zu bilden. Auch Wärmetauscher wären somit als Kühlkörper im Sinne der vorliegenden Ausführungen zu sehen.
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Das wärmeleitende Element kann insbesondere röhren- oder schlauchförmig ausgebildet sein, so dass in seinem Inneren ein Kühlmedium geführt werden kann.
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In einer vorteilhaften Variante der Erfindung kann das wärmeleitende Element wenigstens ein Bestandteil der Wicklung der Spule sein oder parallel zu den Spulenwindungen verlaufen. Mit anderen Worten besteht die Möglichkeit, eine separate Kühlmittelleitung als wärmeleitendes Element mit der elektrisch kontaktierten Wicklung der Spule mindestens abschnittsweise parallel zu wickeln, so dass in den betroffenen Bereichen eine praktisch homogene Kühlung möglich wird. Ebenso ist es denkbar, das Verhältnis Kühlmittelleitung zu Spulendraht entsprechend einer erwarteten ohmschen Wärmeleistungsdichte in der Spule anzupassen, so dass im Ergebnis eine homogene Temperaturverteilung unter Vermeidung von Hot Spots in der Spule erreicht werden kann. Insbesondere kann die Kühlmittelleitung als wärmeleitendes Element selbst als äußerste Wicklungsschicht oder ein Teil derselben verwendet werden und wirkt in diesem Fall in der Art eines Kühlmantels. Da in diesem Fall die Kühlmittelleitung als Spulenbestandteil angesehen werden kann und damit die Spule erst auf der Außenseite der Kühlmittelleitung bzw. der äußersten Wicklungsschicht endet, verläuft die Kühlmittelleitung auch in diesem Fall mindestens teilweise im Innenbereich der Spule.
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Daneben kann in einer weiteren Variante der Erfindung ein hohl ausgebildeter Spulendraht selbst für die Herstellung mindestens von Teilen der Spulenwicklung verwendet werden. Mittels der damit erreichten Doppelfunktionalität der hohlen Leitungen bzw. Wicklungen einerseits als Kühlung und andererseits als Spule zur Erzeugung des Magnetfeldes, kann in einfacher und kostengünstiger Weise die erforderliche Kühlwirkung gesteigert werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, ein elektrisch nicht leitfähiges Kühlmittel zu verwenden, um die Gefahr elektrischer Kurzschlüsse zu reduzieren.
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Um die Leitungslänge kurz zu halten und damit die erforderliche Pumpleistung gering halten zu können, kann es sinnvoll sein, die Leitungen parallel zu betreiben. Mit anderen Worten kann eine Mehrzahl von röhren- oder schlauchförmigen wärmeleitenden Elementen parallel gewickelt werden, so dass sich die von dem Kühlmittel zu durchströmende Gesamtlänge reduziert, was die erforderliche Pumpleistung verringert und ferner die Möglichkeit eröffnet, mit kleineren Röhren/Schlauchquerschnitten zu arbeiten.
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Diese Variante ist sowohl für den Fall denkbar, dass die wärmeleitenden Elemente zusätzlich zu den elektrisch kontaktieren Spulenwindungen verwendet werden, wie auch für den Fall, dass die wärmeleitenden Elemente Bestandteil der – elektrisch kontaktierten – Wicklung der Spule ist. In diesem Fall könnte zusätzlich noch eine separate elektrische Ansteuerung der jeweiligen wie oben beschrieben erzeugten Teilwicklungen erreicht werden. Hierdurch eröffnen sich neue Möglichkeiten im Hinblick auf die Regelung/Steuerung des zugehörigen Aktuators. Auch eine separate Ansteuerung der parallelen Leitungen durch das Kühlsystem ist denkbar, so dass im Ergebnis eine ausgesprochen flexible, ortsaufgelöste Kühlung möglich wird. Ein Steuerung/Regelung der Kühlung kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass einerseits die Temperatur, andererseits der Volumenstrom des Kühlmediums für den jeweiligen Kühlkreislauf entsprechend den jeweiligen Anforderungen gewählt wird. Selbstverständlich können die genannten Parameter auch gleichzeitig als Stellgrößen einer Regelung/Steuerung verwendet werden.
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Das Kühlmedium kann flüssig oder gasförmig oder kombiniert flüssig/gasförmig ausgebildet sein. Eine geringe Viskosität des Kühlmediums im Bereich von 100µPa·s–25000µPa·s ist von Vorteil, um die erforderliche Pumpleistung gering halten zu können. Zudem ist ein Kühlmedium mit höherer spezifischer Wärmekapazität, insbesondere im Bereich von 1000 J/(kg·K)–6500 J/(kg·K) vorteilhaft, um den für eine ausreichende Kühlung erforderlichen Volumenstrom zu begrenzen.
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Das Kühlmedium kann insbesondere Wasser, Kohlendioxid, R134A, Methanol oder Ethanol enthalten. Darüber hinaus dient es der Haltbarkeit und der Betriebssicherheit des zugehörigen Systems, wenn ein chemisch inertes Kühlmittel verwendet wird.
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Das wärmeleitende Element kann als wärmeleitendes Element mit geschlossenem Zwei-Phasen-Kühlkreislauf (nachfolgend: "Zweiphasenelement") realisiert sein. Derartige Elemente sind insbesondere als Wärmeleitrohre, auch als Heat-Pipe bezeichnet, ausgestaltet. Alternativ kann das wärmeleitende Element als Zwei-Phasen-Thermosiphon oder als Loop Heat Pipe ausgestaltet sein. Das Zweiphasenelement kann als solches als Spulendraht des Aktuators verwendet werden, wobei die Zweiphasenelemente in Reihe oder parallel zu einander verlaufen können. Unter einer Anordnung "in Reihe" ist dabei insbesondere der Fall zu verstehen, dass derjenige Teil eines Zweiphasenelementes, an welchem die Kondensation der Arbeitsflüssigkeit erfolgt (nachfolgend "Kühlzone" genannt), in thermischen Kontakt mit demjenigen Teil eines weiteren Zweiphasenelementes steht, an welchem die Verdampfung der Arbeitsflüssigkeit erfolgt (nachfolgend "Heizzone" genannt). Eine Verwendung des Zweiphasenelementes als elektrischer Bestandteil der Spule, also als Teil der stromdurchflossenen Spulenwindungen, ist jedoch nicht zwingend; es ist ebenso denkbar, das Zweiphasenelement parallel zu einer ohnehin vorhandenen Wicklung einer Spule einzusetzen.
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Das Zweiphasenelement kann in einer weiteren Variante der Erfindung von der Außenseite der Spule in diese eingeführt sein und mit seiner Heizzone im Bereich eines Hot Spots angeordnet sein. Ebenso oder zusätzlich kann das Zweiphasenelement auch in dem Kern, vorzugsweise dem Eisenkern, der elektrischen Spule integriert werden. Ferner könnte sich das Zweiphasenelement zwischen dem Eisenkern und einem Bereich eines Hot Spots innerhalb des Eisenkerns befinden.
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Es ist ferner denkbar, dass Zweiphasenelemente in der Umgebung der Spule oder an den Außenbereichen der Spule oder des Kerns angeordnet sind. Auf diese Weise kann Wärme definiert aus der Umgebung der Spule abgeführt werden. Die Zweiphasenelemente können zwischen dem Spulenkern und der Umgebung in beliebiger Kombination und in einer anderen Ausrichtung als hier beschrieben angeordnet sein. Die Zweiphasenelemente können insbesondere mit einem zweiten Kühler außerhalb der Spule in thermischer Verbindung stehen, um Wärme aus dem Antrieb bzw. Aktuator bzw. der Spule abzuführen. Hierzu kann ein üblicher Einphasen-Kühler mit größeren Kanälen oder eine alternativ ausgestaltete Kühleinrichtung verwendet werden.
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Ein Vorteil der Verwendung eines Zweiphasenelementes besteht darin, dass in diesem Fall die mechanischen Nachteile einer Rohrleitung oder eines Schlauchs, durch welche aktiv ein Kühlmedium gepumpt wird – insbesondere durch die Strömung des Mediums verursachte Schwingungen – beim Wärmeleitelement sehr selten auftreten. Auch andere Arbeitsflüssigkeiten sind – abhängig vom Arbeitsbereich bzw. der Kühlertemperatur – denkbar.
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Insgesamt sind für Zweiphasensysteme bzw. Zweiphasenelemente Arbeitsflüssigkeiten vorteilhaft, welche eine spezifische Verdampfungswärme im Bereich von 60kJ/kg bis 2600kJ/kg aufweisen. Das wärmeleitende Element kann einteilig ausgestaltet sein. Dabei kann das wärmeleitende Element als Lötbaugruppe kostengünstig hergestellt werden.
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Insbesondere kann das wärmeleitende Element austauschbar sein. Vorteilhaft ist, dass nach dem Entfernen des wärmeleitenden Elements eine Vor-Ort-Reparatur oder eine Anpassung der elektrischen Spule oder des zugehörigen Aktuators möglich ist. Die einzelnen Bauteile können herausziehbar am Spulenkörper angeordnet sein, so dass man das entsprechende Bauteil von der Seite der Wicklung der elektrischen Spule herausziehen könnte und dann vor Ort auswechseln oder reparieren kann.
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Der Kühlkörper kann mit einer Flüssigkeitskühlung, vorzugsweise Wasserkühlung, betrieben sein und/oder der Kühlkörper kann als Platten- oder Leistenkühler ausgeführt sein. Vorteil von Wasser ist, dass dieses eine vergleichsweise hohe spezifische Wärmekapazität aufweist und die Wärme sehr effektiv abtransportiert. Der Kühlkörper kann alternativ auch mit einer der vorstehend genannten Flüssigkeiten, z.B. einem chemisch inerten Kühlmittel, Kohlendioxid, R134A, Methanol oder Ethanol betrieben werden. Der Kühlkörper kann als Einphasen- oder Zweiphasensystem betrieben werden. Der Kühlkörper kann auch im Bereich unter 0°C betrieben werden, vorzugsweise mit einer Glykol-Wasserkühlung. Somit kann die Betriebstemperatur des Systems insgesamt verringert werden, so dass sich insbesondere das Auftreten unerwünschter Deformationen reduzieren lässt.
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Die elektrische Spule kann Teil eines Aktuators eines Multilayer-Spiegels für die EUV-Lithographie sein.
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Insgesamt ist eine Vielzahl von Anwendungen des erfindungsgemäßen Konzeptes in Projektionsbelichtungsanlagen für die Halbleiterlithographie denkbar, beispielsweise im Bereich des Beleuchtungssystems, dort insbesondere im Bereich der Lichtquelle, des Kollektors, oder der Beleuchtungsoptik, der Projektionsoptik, des Retikelhalters oder auch des Waferhalters.
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Des Weiteren kann die elektrische Spule eines Aktuators in unterschiedlichen Bereichen unterschiedlich stark gekühlt werden. Hierzu ist es insbesondere denkbar, mit einzelnen Wärmeleitelementen unterschiedliche regel- und/oder steuerbare Kühlkörper zu verbinden, wobei die Kühlkörper einzeln ansteuerbar sind. Ebenso kann ein Kühlkörper mit mehreren lokal angepassten Kühlzonen zur Anwendung kommen, wobei den Kühlzonen unterschiedliche Wärmeleitelemente zugeordnet sind. In beiden Fällen wird im Ergebnis eine lokal adaptierbare und/oder einstellbare Kühlung der elektrischen Spule ermöglicht.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Projektionsbelichtungsanlage, in welcher die Erfindung zum Einsatz kommen kann,
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2 eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Spule, mit einem Wärmeleitelement nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung
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3 eine schematische Querschnittsdarstellung einer alternativen Ausführungsform einer elektrischen Spule mit einem eingeschobenen wärmeleitenden Element,
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4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform einer elektrischen Spule mit einer Heat-Pipe als wärmeleitendes Element, und
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5 in tabellarischer Form eine Übersicht geeigneter Kühlmedien.
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1 zeigt exemplarisch den prinzipiellen Aufbau einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage 400 für die Mikrolithographie, in welcher die Erfindung Anwendung finden kann. Ein Beleuchtungssystem 401 der Projektionsbelichtungsanlage 400 weist neben einer Lichtquelle 402 eine Beleuchtungsoptik 403 zur Beleuchtung eines Objektfeldes 404 in einer Objektebene 405 auf. Beleuchtet wird ein im Objektfeld 404 angeordnetes Retikel 406, das von einem schematisch dargestellten Retikelhalter 407 gehalten ist. Eine lediglich schematisch dargestellte Projektionsoptik 408 dient zur Abbildung des Objektfeldes 404 in ein Bildfeld 409 in eine Bildebene 410. Abgebildet wird eine Struktur auf dem Retikel 406 auf eine lichtempfindliche Schicht eines im Bereich des Bildfeldes 409 in der Bildebene 410 angeordneten Wafers 411, der von einem ebenfalls ausschnittsweise dargestellten Waferhalter 412 gehalten ist. Die Lichtquelle 402 kann Nutzstrahlung insbesondere im Bereich zwischen 5 nm und 30 nm emittieren.
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Eine mittels der Lichtquelle erzeugte EUV-Strahlung 413 wird mittels eines in der Lichtquelle 402 integrierten Kollektors derart ausgerichtet, dass sie im Bereich einer Zwischenfokusebene 414 einen Zwischenfokus durchläuft, bevor sie auf einen Feldfacettenspiegel 415 trifft. Nach dem Feldfacettenspiegel 415 wird die EUV-Strahlung 413 von einem Pupillenfacettenspiegel 416 reflektiert. Unter Zuhilfenahme des Pupillenfacettenspiegels 416 und einer optischen Baugruppe 417 mit Spiegeln 418, 419 und 420 werden Feldfacetten des Feldfacettenspiegels 415 in das Objektfeld 404 abgebildet.
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Im Betrieb der in 1 dargestellten Projektionsbelichtungsanlage 400 werden beispielsweise die Spiegel 418, 419 und 420 mittels sogenannter Lorentzaktuatoren in ihrer Position gehalten, wobei die Lorentzaktuatoren mit Spulen ausgestattet sind, mittels derer eine magnetische Lagerung der Spiegel erreicht werden kann.
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2 zeigt in einer ersten exemplarischen Ausführungsform der Erfindung eine Spule 1, welche zum Abführen von Wärme in einen Kühlkörper 3 über das wärmeleitende Element 2 mit dem Kühlkörper 3 verbunden ist. Eine derartige Spule kann beispielsweise in einem der oben genannten Lorentzaktuatoren Verwendung finden. Der Wärmeübertrag aus der elektrischen Spule 1 in den Kühlkörper 3 erfolgt über das wärmeleitende Element 2, welches im gezeigten Beispiel röhren- oder schlauchförmig ausgebildet ist, so dass in seinem Inneren das Kühlmedium 4 geführt werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das wärmeleitende Element 2 Bestandteil einer – in der Figur als Ausschnittsvergrößerung dargestellten – Wicklung 5 der Spule 1. Mit dem wärmeleitenden Element 2 kann eine homogene Temperaturverteilung unter Vermeidung von Hot Spots HS in der Spule 1 erreicht werden.
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Das Kühlmedium 4 tritt an einem Eingang in den Kühlkörper 3 ein, wobei die Fließrichtung durch den Pfeil E dargestellt ist, und tritt an einem Ausgang aus dem Kühlkörper 3 aus, wobei die Fließrichtung durch den Pfeil A dargestellt ist. Der Kühlkörper 3 kann – nicht näher dargestellt – als Platten- oder Leistenkühler ausgeführt sein. Der Kühlkörper 3 kann aus einem Werkstoff hergestellt sein, welcher vorzugsweise Kupfer, Aluminium, Edelstahl oder deren Legierungen enthalten kann.
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3 zeigt eine Schnittdarstellung einer Spule 1', die einen im gezeigten Beispiel ringförmigen Kühlkörper 3' aufweist, welcher um die Spule 1' herum gelegt ist. Dabei ist der Kühlkörper 3' einstückig mit dem wärmeleitenden Element 2' ausgebildet, welches in die Spule 1' eingeführt ist und Wärme aus dieser abführt. Das wärmeleitende Element 2' ist im gezeigten Beispiel als einfacher Wärmeleiter ausgebildet, von der Außenseite der Spule 1' her in diese eingeführt und im Bereich des Hot Spots HS angeordnet. Es ist ferner denkbar, dass das wärmeleitende Element 2' auch in der Umgebung der Spule 1' oder an den Außenbereichen der Spule 1' oder des in der Figur nicht gezeigten Kerns der Spule 1' angeordnet ist. Auf diese Weise kann Wärme definiert aus der Umgebung der Spule 1' abgeführt werden. Das wärmeleitende Element 2' kann zwischen dem Kern der Spule 1' und der Umgebung in beliebiger Kombination und in einer anderen Ausrichtung als hier beschrieben angeordnet sein. Die Spulenwicklung der Spule 1' ist durch den elektrischen Leiter 7 gebildet.
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4 zeigt in einer weiteren Variante der Erfindung eine Schnittdarstellung einer Spule 1'', welche im Unterschied zu dem in 3 dargestellten wärmeleitenden Element 2' ein Wärmeleitrohr 2'' (Heat Pipe) zwischen der Spule 1'' und dem Kühlkörper 3'' aufweist. Auch Mischformen bzw. Kombinationen der in den 2–4 gezeigten Konzepte sind denkbar.
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5 zeigt eine tabellarische Übersicht geeigneter Kühlmedien. Dabei sind sowohl Kühlmedien enthalten, welche sich für eine Einphasenkühlung eignen, als auch Kühlmedien, die bevorzugt für eine Zweiphasenkühlung in Frage kommen. Die in 5 aufgezeigten thermophysikalischen Eigenschaften sind die Sättigungstemperatur bei einem Betriebsdruck von 1 bar; der Sättigungsdruck bei einer Temperatur von 22 °C, welche eine bevorzugte Betriebstemperatur bei EUV-Projektionsbelichtungsanlagen darstellt; der Tripelpunkt; die kritische Temperatur; der kritische Druck; das Dichteverhältnis, welches das Verhältnis zwischen der Dichte der flüssigen Phase und der Dichte der Gasphase widerspiegelt; die Viskosität mit 40% Gasanteil in einem zweiphasigen Zustand; die Flüssigkeitsviskosität; die Flüssigkeitsdichte; die spezifische Wärmekapazität bei einer Temperatur von 25°C; die Durchschlagsfestigkeit für einen Spalt von 0,25 cm; die Dielektrizitätskonstante und das Global Warming Potential (GWP).
