DE102023202039A1

DE102023202039A1 - Verfahren zum Kühlen einer Komponente und Lithographiesystem

Info

Publication number: DE102023202039A1
Application number: DE102023202039.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Hofmaier; Tanja Mueller
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2023-03-07
Filing date: 2023-03-07
Publication date: 2024-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer Komponente eines Lithographiesystems, insbesondere eines optischen Elements (Mi) oder eines Strukturbauteils, umfassend: Durchströmen einer in der Komponente gebildeten Hohlstruktur (27) mit einem Kühlmedium (28), das ein Gemisch aus einer Flüssigkeit (35) und mindestens einem Feststoff (36) bildet. Beim Durchströmen der Hohlstruktur (27) schmilzt zumindest ein Teil des Feststoffs (36) und/oder zumindest ein Teil des Feststoffs (36) wird in einem endothermen Lösungsvorgang in der Flüssigkeit (35) gelöst. Die Erfindung betrifft auch ein Lithographiesystem, umfassend: mindestens eine Komponente, die eine Hohlstruktur (27) zum Durchströmen mit einem Kühlmedium (28) aufweist, sowie eine Kühleinrichtung (32), die ausgebildet ist, die Hohlstruktur (27) mit einem Kühlmedium (28) zu durchströmen, das ein Gemisch aus einer Flüssigkeit (35) und mindestens einem Feststoff (36) bildet.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer Komponente eines Lithographiesystems, insbesondere eines optischen Elements oder eines Strukturbauteils, umfassend: Durchströmen einer in der Komponente gebildeten Hohlstruktur mit einem Kühlmedium. Die Erfindung betrifft auch ein Lithographiesystem, umfassend: mindestens eine Komponente, insbesondere ein optisches Element oder ein Strukturbauteil, die eine Hohlstruktur zum Durchströmen mit einem Kühlmedium aufweist, sowie eine Kühleinrichtung, die zum Durchströmen der Hohlstruktur mit dem Kühlmedium ausgebildet ist.
Bei dem Lithographiesystem kann es sich um eine Lithographieanlage zur Belichtung eines Wafers oder um eine andere optische Anordnung handeln, die für die Lithographie verwendet wird, beispielsweise um ein Inspektionssystem, z.B. zur Inspektion von in der Lithographie verwendeten Masken, Wafern, (Spiegel-)Elementen oder dergleichen. Das Lithographiesystem kann zur Verwendung für die EUV-Lithographie ausgebildet sein, beispielsweise in Form einer EUV-Lithographieanlage, die zur Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet wird und mit kurzwelliger Strahlung, so genannter EUV-Strahlung, bei einer Betriebswellenlänge zwischen ca. 5 nm und ca. 30 nm betrieben wird.
In Lithographiesystemen, speziell in EUV-Lithographieanlagen, entsteht Wärme u.a. durch die Absorption von EUV-Licht, die Beheizung von optischen Elementen z.B. in Form von Spiegeln, durch die elektrische Verlustleistung von Magnetspulen von Lorentz-Aktuatoren zur Kompensation der Gewichtskraft der Spiegel, etc. Die beim Betrieb eines Lithographiesystems entstehende Wärme kann abgeführt werden, indem die Komponenten des Lithographiesystems gekühlt werden.
Es ist bekannt, für die Temperierung von Komponenten in Lithographiesystemen geschlossene Kreisläufe eines Kühlmediums zu verwenden, die ein Wärmetransportsystem mit einem Zwei-Phasen-Übergang beinhalten. Diesen Wärmetransportsystemen liegt das Funktionsprinzip zugrunde, dass ein im geschlossenen Kreislauf vorhandenes flüssiges Kühlmedium bei der Erwärmung in den gasförmigen Zustand übergeht und bei der Abkühlung wieder zurück in den flüssigen Zustand wechselt. Bei dem geschlossenen Kreislauf des Kühlmediums kann es sich beispielsweise um ein Wärmerohr (engl. „Heatpipe“) handeln, wie dies z.B. in der DE102014203144A1 beschrieben ist. Der Transport des Kühlmediums von einem kühleren zu einem wärmeren Bereich des Wärmerohrs kann beispielsweise unter Ausnutzung der Kapillarwirkung erfolgen.
Bei dem geschlossenen Kühlmediumkreislauf kann es sich auch um einen abgeschlossenen Hohlraum handeln, der in einem optischen Element angeordnet ist und zumindest teilweise ein Fluid aufnimmt, um entlang eines Temperaturgradienten des optischen Elements Wärme zu transportieren, wobei das Fluid einen Phasenübergang durchläuft, wie dies in der DE102014206587A1 beschrieben ist. Zum Transportieren des Fluids entgegen des Temperaturgradienten kann der Hohlraum eine Transporteinrichtung aufweisen, die z.B. ausgebildet sein kann, das Fluid innerhalb des Hohlraums mit Hilfe von Kapillarkräften zu transportieren.
Neben der Kühlung von Komponenten eines Lithographiesystems, bei denen das Kühlmedium innerhalb eines abgeschlossenen Hohlraums enthalten ist, ist es auch bekannt, eine nicht von der Umgebung abgeschlossene Hohlstruktur in einer zu kühlenden Komponente zu bilden, die von einem Kühlmedium durchströmt wird. Eine solche nicht hermetisch abgeschlossene Hohlstruktur, die als Kühlkanal ausgebildet ist oder einen oder mehrere Kühlkanäle aufweisen kann, wird von dem Kühlmedium durchströmt und nimmt hierbei Wärme auf, wie dies beispielsweise in der DE102012221923A1 beschrieben ist.
Das in der DE102012221923A1 beschriebene Kühlsystem für eine Systemkomponente eines optischen Systems weist zumindest einen Kühlkanal und ein Kühlmedium zum Durchleiten durch den mindestens einen Kühlkanal, zum Aufnehmen von Wärme von der zumindest einen Systemkomponente und zum Abführen der Wärme auf. Bei dem Kühlmedium handelt es sich um ein nicht entflammbares dielektrisches Fluid, ausgenommen reines Wasser. Wenn das Kühlmedium in Form des dielektrischen Fluids in flüssiger Phase oder als Gemisch aus flüssiger und gasförmiger Phase vorliegt, kann der Effekt genutzt werden, dass das Kühlmedium die Wärme von der zumindest einen Systemkomponente im Phasenübergang von flüssig zu gasförmig als latente Wärme mit sehr hoher Wärmekapazität und entsprechend geringer Temperaturerhöhung des Kühlmediums aufnehmen kann (zweiphasige Kühlung). Für die zweiphasige Kühlung sollte das dielektrische Fluid einen Siedepunkt in einem Temperaturbereich von etwa 15°C bis etwa 50°C aufweisen, in dem typischerweise auch die Soll-Betriebstemperatur des optischen Systems liegt.
Für den Transport des Kühlmediums und somit die Wärmeabfuhr wird bei dem in der DE102012221923A1 beschriebenen Kühlsystem eine Strömung benötigt, die Wirbel hervorrufen kann, die zu strömungsinduzierten Vibrationen (engl. „flow-induced vibrations“) führt. Aufgrund von steigenden Wärmelasten der Komponenten von Lithographiesystemen, z.B. aufgrund höherer Leistungen der Lichtquellen, wird eine höhere Kühlleistung benötigt. Bei sonst gleichen Parametern wie Geometrie der Hohlstruktur und Temperatur des Kühlmediums erfordert eine höhere Kühlleistung eine höhere Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums, was die unerwünschten strömungsinduzierten Vibrationen verstärkt.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kühlen einer Komponente und ein Lithographiesystem mit verbesserter Kühlung bereitzustellen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem die Hohlstruktur mit einem Kühlmedium durchströmt wird, das ein Gemisch aus einer Flüssigkeit und mindestens einem Feststoff bildet. Die Verwendung eines Kühlmediums in Form eines Gemischs aus einer Flüssigkeit und (mindestens) einem Feststoff kann die Kühlung der Komponente verbessern, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Im einfachsten Fall handelt es sich bei der Hohlstruktur um einen oder um mehrere Kühlkanäle, die im Wesentlichen geradlinig durch die Komponente verlaufen. Es sind aber auch komplexere Hohlstrukturen möglich, die z.B. Verzweigungen aufweisen, um das Kühlmedium ausgehend von einer Einlassöffnung auf eine Mehrzahl von Kühlkanälen aufzuteilen, die parallel durchströmt werden und nachfolgend wieder in Richtung auf eines Auslassöffnung des Kühlmediums zusammenzuführen.
Bei einer Variante schmilzt zumindest ein Teil des Feststoffs beim Durchströmen der Hohlstruktur. Bei dieser Variante wird der Feststoff beim Durchströmen der Hohlstruktur von der festen Phase in die flüssige Phase umgewandelt, d.h. es findet ein Phasenübergang statt, bei dem von dem Kühlmedium Wärme in Form von (positiver) Schmelzenthalpie aufgenommen wird. Wie weiter oben beschrieben wurde, führt die aufgenommene Wärme so lange nicht zu einer Temperaturerhöhung, bis der Feststoff aufgeschmolzen ist (Zweiphasen-Kühlung), sodass ein gleichbleibender Temperaturverlauf entlang der Länge der mit dem Kühlfluid durchströmten Hohlstruktur sichergestellt werden kann. Die hier beschriebene Variante ist somit günstig, wenn die Komponente möglichst gleichmäßig gekühlt werden soll. Die Verwendung eines rein flüssigen Kühlmediums würde demgegenüber zu einem Temperaturanstieg und somit zu einem inhomogenen Temperaturverlauf bei der Strömung entlang der mit dem Kühlmedium durchströmten Hohlstruktur führen, wobei der Temperaturanstieg umso größer ist, je mehr Wärme in das Kühlfluid eingetragen wird.
Im Gegensatz zu dem in der DE102012221923A1 beschriebenen Phasenübergang von der flüssigen Phase in die Gasphase tritt beim Übergang des Feststoffs von der festen Phase in die flüssige Phase typischerweise keine Wirbelbildung in dem Kühlmedium auf. Bei der Umwandlung des Feststoffs von der festen in die flüssige Phase kann zudem latente Wärme in Form von Umwandlungsenthalpie mit sehr hoher Wärmekapazität aufgenommen werden. Bei gleicher Energieübertragung kann daher die Hohlstruktur von dem Kühlmedium, das ein Gemisch aus dem (mindestens einen) Feststoff und der Flüssigkeit bildet, langsamer durchströmt werden als von einem rein flüssigen Kühlmedium, ohne hierbei die Kühlleistung zu reduzieren. Die langsamere Strömungsgeschwindigkeit führt - bei gleicher Kühlleistung - zu einer Reduzierung der strömungsinduzierten Vibrationen.
Für das Schmelzen des Feststoffs ist es typischerweise erforderlich, dass die Temperatur der Komponente im Bereich der Hohlstruktur zumindest so groß oder größer als die Schmelztemperatur des Feststoffs ist (beim dem Fluiddruck, den das Kühlmedium beim Durchströmen der Hohlstruktur aufweist).
Bei einer Weiterbildung dieser Variante handelt es sich bei dem Feststoff um gefrorenes Öl oder um Eis (d.h. um Wasser in fester Form). Diese Feststoffe weisen eine vergleichsweise geringe Schmelztemperatur auf und schmelzen daher auch, wenn die Temperatur der Komponente in der Umgebung der Hohlstruktur vergleichsweise gering ist. Bei der Flüssigkeit, die in dem Kühlmedium enthalten ist, kann es sich in beiden Fällen beispielsweise um Wasser handeln.
Bei einer weiteren Variante handelt es sich bei dem Feststoff und der Flüssigkeit um zwei Phasen ein- und desselben Stoffs, bevorzugt um zwei Phasen von Wasser (d.h. um einen Slush). Handelt es sich bei dem Feststoff und der Flüssigkeit um zwei Phasen ein- und desselben Stoffs, wird typischerweise beim Durchströmen des Hohlraums der Feststoff aufgeschmolzen. Es versteht sich, dass neben einem Gemisch aus Wasser und Eis auch Kühlmedien verwendet werden können, die aus einer festen und einer flüssigen Phase eines anderen Stoffs bestehen. Auch kann das Kühlmedium ein zwei- oder mehrphasiges Gemisch aus zwei oder mehr unterschiedlichen Stoffen bilden, z.B. ein Gemisch aus gefrorenem Öl und Wasser, wie dies weiter oben beschrieben ist. Es versteht sich weiterhin, dass das Kühlmedium zusätzlich einen weiteren Feststoff aufweisen kann, beispielsweise ein Salz oder dergleichen (s.u.).
Bei einer Weiterbildung dieser Variante ist die Eintrittstemperatur des Kühlmediums in die Hohlstruktur nicht größer als eine Schmelztemperatur des Feststoffs. Insbesondere kann die Eintrittstemperatur des Kühlmediums geringfügig kleiner sein als die Schmelztemperatur des Feststoffs (bezogen auf den Druck, mit dem das Kühlmedium die Hohlstruktur durchströmt). Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Feststoff bereits vor dem Eintritt in die Hohlstruktur schmilzt.
Bei einer Variante des Verfahrens wird beim Durchströmen der Hohlstruktur der Feststoff in einem endothermen Lösungsvorgang in der Flüssigkeit gelöst. Bei dieser Variante wird bei dem Lösungsvorgang des Feststoffs Wärme aufgenommen, d.h. die Lösungsenthalpie des Lösungsvorgangs ist positiv. Bei dem Kühlmedium handelt es sich typischerweise um eine Kältemischung, bei der die Flüssigkeit das Lösemittel für den Feststoff bildet. Bei der hier beschriebenen Lösung des Feststoffs in der Flüssigkeit ist die Temperatur des Kühlmediums nicht inhärent stabil wie beim Schmelzen des Feststoffs, bei dem die Kühlleistung mit der Schmelzenthalpieleistung übereinstimmt, wobei die Kühlleistung die von außen in das Kühlmedium eingebrachte Wärmeleistung und die Enthalpieleistung den Energiefluss zum Bewerkstelligen des Phasenübergangs bezeichnen. Die Lösungsenthalpieleistung hängt nicht von der äußerlich zugeführten Wärmeleistung ab, sondern von der aktuellen Temperatur, der Korngröße/Oberfläche des zu lösenden Feststoffes und von der vorherrschenden Konzentration der Lösung. Eine Korngröße und Größenverteilung beim Einbringen des Feststoffs in die Flüssigkeit, die auf die Kühlleistung so abgestimmt sind, dass eine konstante Temperatur durch den Kühlkanal gehalten wird, ist grundsätzlich möglich. Abweichende Lösungsbedingungen können zu einem Anstieg aber auch zu einem Abfall der Temperatur in der Hohlstruktur bzw. in dem Kühlkanal führen.
Bei einer Weiterbildung handelt es sich bei dem Feststoff um ein Salz, das bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: NaCl, KI, NaNO₃, NH₄SCN, Na₂SO₄, Na₂HPO₄, Mn(NO₃)₂. Bei der Flüssigkeit, in welcher der Feststoff in Form des Salzes gelöst wird, handelt es sich typischerweise um Wasser, es können grundsätzlich aber auch andere Flüssigkeiten verwendet werden. Die genannten Salze weisen eine (ggf. geringfügige) positive Lösungsenthalpie bei der Lösung in Wasser auf.
Bei einer weiteren Variante ist der Feststoff ein Polymer, insbesondere Polyethylenglykol. Als Feststoff kann beispielsweise ein Polymer verwendet werden, das in einem endothermen Lösungsvorgang in Wasser lösbar ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Polymer um Polyethylenglykol handeln, das bei ausreichender Kettenlänge in Form eines Feststoffs vorliegt. Insbesondere kann es sich um PEG E600 mit einer mittleren Molekülmasse von ca. 600 g/mol handeln, das eine pastenartige Konstistenz aufweist.
Bei einer weiteren Variante liegt eine Eintrittstemperatur des Kühlmediums in die Komponente bei mehr als 15°C und bei weniger als 50°C. Beispielsweise kann die Eintrittstemperatur des Kühlmediums bei ca. 25°C liegen. Die Soll-Temperatur der Komponente liegt typischerweise in dem angegebenen Temperaturbereich und ist größer als die Eintrittstemperatur des Kühlmediums. Liegt die Eintrittstemperatur des Kühlmediums nur geringfügig unterhalb der Soll-Temperatur der Komponente im Betrieb des Lithographiesystems, wird beim Durchströmen der Hohlstruktur mit dem Kühlmedium im Vergleich zu einer herkömmlichen Kühlung der Temperaturgradient entlang der Hohlstruktur minimiert. Der Temperaturgradient von der Wärmequelle zum Kühlmedium, der quer zur Hohlstruktur bzw. zum Kühlkanal verläuft, und der im Fall einer Komponente in Form eines Spiegels ebenfalls möglichst klein gehalten werden sollte, kann hierdurch nur indirekt beeinflusst werden.
Es ist grundsätzlich möglich, dass der Feststoff schmilzt, weil die Temperatur in der Umgebung der Hohlstruktur größer ist als die Schmelztemperatur des Feststoffs und dass zusätzlich der Feststoff in einem endothermen Lösungsvorgang in der Flüssigkeit gelöst wird. Auch ist es möglich, dass das Kühlmedium zwei oder mehr Feststoffe aufweist, von denen einer beim Durchströmen der Hohlstruktur schmilzt und ein anderer, z.B. ein Salz, in der Flüssigkeit gelöst wird.
Bei einer weiteren Variante des Verfahrens liegt ein Stoffmengenanteil des Feststoffs in dem Kühlmedium bei weniger als 50% (50 mol %), bevorzugt bei weniger als 30% (30 mol %). Der Feststoffanteil des Gemischs sollte gering genug sein, um ein widerstandsarmes Fließen des Kühlmediums zu ermöglichen.

Die Art des Feststoffs hängt von der gewünschten Temperatur des Kühlmediums und vom Einsatzgebiet ab. In nachfolgender Tabelle werden beispielhaft mehrere Feststoffe, deren Schmelzpunkt, latente Wärme, Dichte sowie mögliche Einsatzgebiete genannt. PEG E600 weist bei Raumtemperatur eine pastenartige Konsistenz auf, bei den anderen Materialien handelt es sich um Salze. Tabelle

Material	Schmelzpunkt in °C	Latente Wärme in kJ/kg	Dichte in kg/m^3	Mögliches Einsatzgebiet
PEG E600	22	127,2	1126	Force Frame Kühlung
Na₂SO₄·10H₂O	32,4	248,3	1490	Spiegelkühlung
Na₂HPO₄·12H₂O	34 - 35	280	1522	Spiegelkühlung
Mn(NO₃)₂·6H₂O	25,5	126	1600	Kühlung Minienvironment

Für den Fall, dass der Feststoff beim Durchströmen der Hohlstruktur schmilzt, muss ein Feststoff ausgewählt werden, der im Bereich der Soll-Temperatur der Komponente und dem gegebenen Druck des Kühlmediums einen Phasenübergang aufweist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Lithographiesystem der eingangs genannten Art, bei dem die Kühleinrichtung ausgebildet ist, die Hohlstruktur mit einem Kühlmedium zu durchströmen, das ein Gemisch aus einer Flüssigkeit und mindestens einem Feststoff bildet. Auf diese Weise kann die Kühlung der Komponente verbessert werden, wie dies weiter oben in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben ist.
Bei der Komponente, welche die Hohlstruktur aufweist, kann es sich um ein optisches Element handeln, beispielsweise um einen Spiegel, insbesondere um einen Spiegel eines Projektionssystems einer EUV-Lithographieanlage handeln, es kann sich aber auch um eine andere Art von Komponente handeln. Bei der Komponente kann es sich beispielsweise um ein Strukturbauteil handeln, z.B. in Form einer Halterung, insbesondere in Form eines Rahmens für die Halterung von optischen Elementen, eines Rahmens für die Halterung von Sensoren oder in Form eines Tragrahmens, wie sie bei EUV-Lithographiesystemen, speziell bei EUV-Lithographieanlagen, eingesetzt werden. Bei derartigen Strukturbauteilen ist der Grundkörper häufig aus Materialien wie Aluminium, Stahl, Keramiken, z.B. SiSiC, etc. gebildet.
Bei einer Ausführungsform ist die Kühleinrichtung ausgebildet, die Hohlstruktur mit einem Kühlmedium zu durchströmen, das einen Feststoff in Form von gefrorenem Öl oder Eis aufweist. Wie weiter oben in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurde, schmilzt der Feststoff in diesem Fall beim Durchströmen der Hohlstruktur, wenn das Material der zu kühlenden Komponente in der Umgebung der Hohlstruktur größer ist als die Schmelztemperatur des Feststoffs. Bei der Flüssigkeit kann es sich um Wasser handeln, das Kühlmedium kann aber auch eine andere Art von Flüssigkeit aufweisen.
Bei einer Ausführungsform ist die Kühleinrichtung ausgebildet, die Hohlstruktur mit einem Kühlmedium zu durchströmen, das einen Feststoff in Form eines Salzes aufweist, das bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: NaCl, KI, NaNO₃, NH₄SCN, Na₂SO₄, Na₂HPO₄, Mn(NO₃)₂ oder das einen Feststoff in Form eines Polymers aufweist, insbesondere in Form von Polyethylenglykol. Bei der Flüssigkeit kann es sich in diesem Fall beispielsweise um Wasser handeln, das als Lösungsmittel für das Salz bzw. das Polymer dient. Es versteht sich, dass das Kühlmedium auch andere Salze aufweisen kann, die auf die Flüssigkeit derart abgestimmt sind, dass diese in der Flüssigkeit in einem endothermen Lösungsvorgang gelöst werden. Das jeweilige Salz kann in Form eines Hydrats vorliegen, beispielsweise kann es sich um Na₂SO₄·10H₂O, Na₂HPO₄·12H₂O oder um Mn(NO₃)₂·6H₂O handeln.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Kühleinrichtung ausgebildet, der Hohlstruktur das Kühlmedium mit einer Eintrittstemperatur zuzuführen, die nicht größer ist als eine Schmelztemperatur des Feststoffs. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Feststoff bereits teilweise schmilzt, bevor dieser die Hohlstruktur durchströmt.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Kühleinrichtung ausgebildet, der Hohlstruktur das Kühlmedium mit einer Eintrittstemperatur zuzuführen, die bei mehr als 15°C und bei weniger als 50°C liegt. In diesem Temperaturbereich liegt typischerweise die Soll-Temperatur der Komponente beim Betrieb des Lithographiesystems. Beispielsweise kann die Soll-Temperatur einer Komponente in Form eines Spiegels bei ca. 40°C liegen und die Soll-Temperatur von mechanischen Komponenten, beispielsweise von Tragrahmen, kann bei ca. 23°C liegen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Kühleinrichtung ausgebildet, der Hohlstruktur das Kühlmedium mit einem Stoffmengenanteil des Feststoffs von weniger als 50 %, bevorzugt von weniger als 30% zuzuführen Wie weiter oben beschrieben wurde, sollte der Feststoffanteil des Gemischs niedrig genug sein, um ein widerstandsarmes Fließen des Kühlmediums zu ermöglichen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt

1 schematisch im Meridionalschnitt eine Projektionsbelichtungsanlage für die EUV-Projektionslithografie,
2 schematisch einen Spiegel der Projektionsbelichtungsanlage von 1, der eine Hohlstruktur in Form eines Kühlkanals aufweist, der mit einem Kühlmedium in Form von Wasser durchströmt wird,
3 eine schematische Darstellung analog zu 2, bei der das Kühlmedium ein Gemisch aus Wasser und Eis bildet, wobei das Eis beim Durchströmen des Kühlkanals schmilzt, sowie
4 eine schematische Darstellung anlog zu 2, bei der das Kühlmedium ein Gemisch aus einem Salz und Wasser bildet, wobei das Salz beim Durchströmen des Kühlkanals in einem endothermen Lösungsvorgang gelöst wird.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf 1 exemplarisch die wesentlichen Bestandteile einer optischen Anordnung für die EUV-Lithographie in Form einer Projektionsbelichtungsanlage 1 für die Mikrolithographie beschrieben. Die Beschreibung des grundsätzlichen Aufbaus der Projektionsbelichtungsanlage 1 sowie von deren Bestandteilen ist hierbei nicht einschränkend zu verstehen.
Eine Ausführung eines Beleuchtungssystem 2 der Projektionsbelichtungsanlage 1 hat neben einer Licht- bzw. Strahlungsquelle 3 eine Beleuchtungsoptik 4 zur Beleuchtung eines Objektfeldes 5 in einer Objektebene 6. Bei einer alternativen Ausführung kann die Lichtquelle 3 auch als ein zum sonstigen Beleuchtungssystem separates Modul bereitgestellt sein. In diesem Fall umfasst das Beleuchtungssystem die Lichtquelle 3 nicht.
Beleuchtet wird ein im Objektfeld 5 angeordnetes Retikel 7. Das Retikel 7 ist von einem Retikelhalter 8 gehalten. Der Retikelhalter 8 ist über einen Retikelverlagerungsantrieb 9 insbesondere in einer Scanrichtung verlagerbar.
In 1 ist zur Erläuterung ein kartesisches xyz-Koordinatensystem eingezeichnet. Die x-Richtung verläuft senkrecht zur Zeichenebene hinein. Die y-Richtung verläuft horizontal und die z-Richtung verläuft vertikal. Die Scanrichtung verläuft in der 1 längs der y-Richtung. Die z-Richtung verläuft senkrecht zur Objektebene 6.
Die Projektionsbelichtungsanlage 1 umfasst ein Projektionssystem 10. Das Projektionssystem 10 dient zur Abbildung des Objektfeldes 5 in ein Bildfeld 11 in einer Bildebene 12. Abgebildet wird eine Struktur auf dem Retikel 7 auf eine lichtempfindliche Schicht eines im Bereich des Bildfeldes 11 in der Bildebene 12 angeordneten Wafers 13. Der Wafer 13 wird von einem Waferhalter 14 gehalten. Der Waferhalter 14 ist über einen Waferverlagerungsantrieb 15 insbesondere längs der y-Richtung verlagerbar. Die Verlagerung einerseits des Retikels 7 über den Retikelverlagerungsantrieb 9 und andererseits des Wafers 13 über den Waferverlagerungsantrrieb 15 kann synchronisiert zueinander erfolgen.
Bei der Strahlungsquelle 3 handelt es sich um eine EUV-Strahlungsquelle. Die Strahlungsquelle 3 emittiert insbesondere EUV-Strahlung 16, welche im Folgenden auch als Nutzstrahlung, Beleuchtungsstrahlung oder Beleuchtungslicht bezeichnet wird. Die Nutzstrahlung hat insbesondere eine Wellenlänge im Bereich zwischen 5 nm und 30 nm. Bei der Strahlungsquelle 3 kann es sich um eine Plasmaquelle handeln, zum Beispiel um eine LPP-Quelle (Laser Produced Plasma, mithilfe eines Lasers erzeugtes Plasma) oder um eine DPP-Quelle (Gas Discharged Produced Plasma, mittels Gasentladung erzeugtes Plasma). Es kann sich auch um eine synchrotronbasierte Strahlungsquelle handeln. Bei der Strahlungsquelle 3 kann es sich um einen Freie-Elektronen-Laser (Free-Electron-Laser, FEL) handeln.
Die Beleuchtungsstrahlung 16, die von der Strahlungsquelle 3 ausgeht, wird von einem Kollektorspiegel 17 gebündelt. Bei dem Kollektorspiegel 17 kann es sich um einen Kollektorspiegel mit einer oder mit mehreren ellipsoidalen und/oder hyperboloiden Reflexionsflächen handeln. Die mindestens eine Reflexionsfläche des Kollektorspiegels 17 kann im streifenden Einfall (Grazing Incidence, GI), also mit Einfallswinkeln größer als 45°, oder im normalen Einfall (Normal Incidence, NI), also mit Einfallwinkeln kleiner als 45°, mit der Beleuchtungsstrahlung 16 beaufschlagt werden. Der Kollektorspiegel 17 kann einerseits zur Optimierung seiner Reflektivität für die Nutzstrahlung und andererseits zur Unterdrückung von Falschlicht strukturiert und/oder beschichtet sein.
Nach dem Kollektorspiegel 17 propagiert die Beleuchtungsstrahlung 16 durch einen Zwischenfokus in einer Zwischenfokusebene 18. Die Zwischenfokusebene 18 kann eine Trennung zwischen einem Strahlungsquellenmodul, aufweisend die Strahlungsquelle 3 und den Kollektorspiegel 17, und der Beleuchtungsoptik 4 darstellen.
Die Beleuchtungsoptik 4 umfasst einen Umlenkspiegel 19 und diesem im Strahlengang nachgeordnet einen ersten Facettenspiegel 20. Bei dem Umlenkspiegel 19 kann es sich um einen planen Umlenkspiegel oder alternativ um einen Spiegel mit einer über die reine Umlenkungswirkung hinaus bündelbeeinflussenden Wirkung handeln. Alternativ oder zusätzlich kann der Umlenkspiegel 19 als Spektralfilter ausgeführt sein, der eine Nutzlichtwellenlänge der Beleuchtungsstrahlung 16 von Falschlicht einer hiervon abweichenden Wellenlänge trennt. Der erste Facettenspiegel 20 umfasst eine Vielzahl von einzelnen ersten Facetten 21, welche im Folgenden auch als Feldfacetten bezeichnet werden. Von diesen Facetten 21 sind in der 1 nur beispielhaft einige dargestellt. Im Strahlengang der Beleuchtungsoptik 4 ist dem ersten Facettenspiegel 20 nachgeordnet ein zweiter Facettenspiegel 22. Der zweite Facettenspiegel 22 umfasst eine Mehrzahl von zweiten Facetten 23.
Die Beleuchtungsoptik 4 bildet somit ein doppelt facettiertes System. Dieses grundlegende Prinzip wird auch als Wabenkondensor (Fly's Eye Integrator) bezeichnet. Mit Hilfe des zweiten Facettenspiegels 22 werden die einzelnen ersten Facetten 21 in das Objektfeld 5 abgebildet. Der zweite Facettenspiegel 22 ist der letzte bündelformende oder auch tatsächlich der letzte Spiegel für die Beleuchtungsstrahlung 16 im Strahlengang vor dem Objektfeld 5.
Das Projektionssystem 10 umfasst eine Mehrzahl von Spiegeln Mi, welche gemäß ihrer Anordnung im Strahlengang der Projektionsbelichtungsanlage 1 durchnummeriert sind.
Bei dem in der 1 dargestellten Beispiel umfasst das Projektionssystem 10 sechs Spiegel M1 bis M6. Alternativen mit vier, acht, zehn, zwölf oder einer anderen Anzahl an Spiegeln Mi sind ebenso möglich. Der vorletzte Spiegel M5 und der letzte Spiegel M6 haben jeweils eine Durchtrittsöffnung für die Beleuchtungsstrahlung 16. Bei dem Projektionssystem 10 handelt es sich um eine doppelt obskurierte Optik. Die Projektionsoptik 10 hat eine bildseitige numerische Apertur, die größer ist als 0,4 oder 0,5 und die auch größer sein kann als 0,6 und die beispielsweise 0,7 oder 0,75 betragen kann.
Die Spiegel Mi können, genauso wie die Spiegel der Beleuchtungsoptik 4, eine hoch reflektierende Beschichtung für die Beleuchtungsstrahlung 16 aufweisen.
2 zeigt beispielhaft einen Spiegel Mi des Projektionssystems von 1, der einen Grundkörper in Form eines Substrats 25 aufweist. Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem Material des Substrats 25 um Ultra Low Expansion Glass (ULE®). Das Substrat 25 kann auch aus einem anderen Material gebildet sein, das einen möglichst niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, beispielsweis aus einer Glaskeramik, z.B. aus Zerodur®.
An einer Oberfläche 25a des Substrats 25 ist eine reflektierende Beschichtung 26 aufgebracht. Die reflektierende Beschichtung 26 kann zur Reflexion der EUV-Strahlung 16 beispielsweise eine Mehrzahl von Schichtpaaren aus Materialien mit jeweils unterschiedlichem Realteil des Brechungsindexes aufweisen, die bei einer Wellenlänge der EUV-Strahlung 16 von 13,5 nm beispielsweise aus Si und Mo gebildet sein können.
Das Substrat 25 weist eine Hohlstruktur 27 in Form eines einzelnen, geradlinig verlaufenden Kühlkanals auf, der mit einem Kühlmedium 28 durchströmt wird, bei dem es sich bei dem in 2 gezeigten Beispiel um Kühlwasser handelt. Das in 2 durch einen Pfeil angedeutete Kühlmedium 28 tritt über eine Einlassöffnung 29 an einer in 2 links dargestellten Seitenfläche 30a in das Substrat 25 ein, um die Hohlstruktur 27 in Form des Kühlkanals zu durchströmen und auf diese Weise insbesondere die Oberfläche 25a des Substrats 25 zu kühlen, auf welche die reflektierende Beschichtung 26 aufgebracht ist.
Zur Zuführung des Kühlmediums 28 zu der Einlassöffnung 30 sowie zum Abführen des Kühlmediums 28 von einer Auslassöffnung 31 an der in 2 rechts dargestellten Seitenfläche 30b des Substrats 25 weist die Projektionsbelichtungsanlage 1 eine Temperier-Einrichtung in Form einer Kühleinrichtung 32 auf, die stark schematisch auch in 1 dargestellt ist. Die Kühleinrichtung 32 dient im gezeigten Beispiel zur Zuführung des Kühlmediums 28 in Form von Kühlwasser zu der Hohlstruktur 27 bzw. zu dem vierten Spiegel M4 und weist zu diesem Zweck eine Zuführungsleitung 33 auf, die mit der Einlassöffnung 29 fluiddicht verbunden ist. Die Kühleinrichtung 32 weist auch eine Abführungsleitung 34 auf, um das Kühlwasser 28 über die Auslassöffnung 31 von dem Substrat 25 bzw. von der Hohlstruktur 27 abzuführen. Auch die anderen Spiegel M1-M3, M5, M6 des Projektionssystems 10 sowie die Spiegel des Beleuchtungssystems 2 können zur Kühlung mit der Kühleinrichtung 32 oder ggf. mit weiteren zu diesem Zweck vorgesehenen Temperier- bzw. Kühleinrichtungen verbunden werden.
Das Substrat 25 erwärmt sich im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage 1 auf eine Temperatur, die größer ist als eine Eintrittstemperatur T_E des Kühlmediums 28 an der Einlassöffnung 29 der Hohlstruktur 27. Beim Durchströmen der Hohlstruktur 27 nimmt das Kühlmedium 28 daher Wärme aus dem Substrat 25 des Spiegels Mi auf. Die Temperatur des Kühlmediums 28 nimmt daher bei der Strömung des Kühlmediums 28 von der Einlassöffnung 29 zur Auslassöffnung 31 zu. Die Austrittstemperatur T_A des Kühlmediums 28 an der Auslassöffnung 31 ist daher größer als die Eintrittstemperatur T_E, d.h. das Kühlmedium 28 weist einen Temperaturgradienten auf, der in 2 durch die Zunahme des Grauanteils innerhalb der Hohlstruktur 27 angedeutet ist. Die Kühlung des Spiegels Mi mittels des Kühlmediums 28 ist daher nicht homogen.
Um eine homogene Kühlung des Spiegels Mi zu erreichen sowie um beim Durchströmen der Hohlstruktur 27 mehr Wärme aufzunehmen als dies bei dem in 2 beschriebenen Kühlmedium 28 in Form von Wasser der Fall ist, wird bei dem in 3 gezeigten Beispiel die Hohlstruktur 27 mit einem Kühlmedium 28 durchströmt, das ein Gemisch aus einer Flüssigkeit 35 und einem Feststoff 36 bildet. Bei der Flüssigkeit 35 handelt es sich beim in 3 gezeigten Beispiel um Wasser, bei dem Feststoff 36 um Eis bzw. um Eiskristalle, d.h. es handelt es sich bei dem Kühlmedium 28 um zwei Phasen ein- und desselben Stoffs. In 3 liegt die Eintrittstemperatur T_E des Kühlmediums 28 geringfügig unter der Schmelztemperatur Ts des Eises 36 (0°C bei Atmosphärendruck) oder entspricht der Schmelztemperatur Ts. Es versteht sich, dass die Schmelztemperatur Ts des Eises 36 auch vom Druck abhängig ist, mit dem das Kühlmedium 28 die Hohlstruktur 27 durchströmt. Beim Durchströmen der Hohlstruktur 27 wird Wärme auf das Kühlmedium 28 übertragen und bringt das Eis 36 zum Schmelzen, wie dies in 3 angedeutet ist. Der Energieeintrag führt so lange nicht zu einer Temperaturerhöhung des Kühlmediums 28, bis das Eis 36 vollständig aufgeschmolzen ist.
Bei dem in 3 beschriebenen Beispiel wird das Substrat 25 daher gleichmäßig vom Kühlmedium 28 gekühlt, d.h. die Austrittstemperatur T_A entspricht der Eintrittstemperatur T_E oder ist nur geringfügig größer als die Eintrittstemperatur T_E. Zudem wird bei gleichen Randbedingungen die Energieübertragung, d.h. die Kühlleistung des Kühlmediums 28 beim Durchströmen der Hohlstruktur 27, im Vergleich zu 2 erhöht. Es ist daher nicht erforderlich, zur Erhöhung der Kühlleistung die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums 28 zu erhöhen, was das Auftreten von strömungsinduzierten Vibrationen zur Folge haben könnte. Es versteht sich, dass die Eintrittstemperatur T_E des Kühlmediums 28 geringer ist als die Temperatur des Substrats 25 im Bereich der Hohlstruktur 27, um das Kühlen zu ermöglichen.
Anders als dies in 3 dargestellt ist, kann auch ein Kühlmedium 28 verwendet werden, das aus einem Gemisch besteht, das eine feste und eine flüssige Phase von zwei unterschiedlichen Stoffen enthält. Beispielsweise kann es sich bei dem Feststoff 36 um gefrorenes Öl handeln, das beim Durchströmen der Hohlstruktur 27 schmilzt, und bei der Flüssigkeit 35 um Wasser.
4 zeigt eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Kühlleistung des Kühlmediums 28, ohne hierbei die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums 28 erhöhen zu müssen. Bei dem in 4 gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem Kühlmedium 28 um ein Gemisch aus einem Salz 36 und einer Flüssigkeit 35, bei der es sich im gezeigten Beispiel um Wasser handelt. Bei dem Salz kann es sich beispielsweise um NaCl, KI, NaNO₃, NH₄SCN, Na₂SO₄, Na₂HPO₄ oder Mn(NO₃)₂ handeln. Das jeweilige Salz kann in Form eines Hydrats vorliegen, beispielsweise kann es sich um Na₂SO₄·10H₂O, Na₂HPO₄·12H₂O oder um Mn(NO₃)₂·6H₂O handeln. Die Salze werden in der Flüssigkeit in Form von Wasser 35 in einem endothermen Lösungsvorgang gelöst und bilden eine Kältemischung. Alternativ kann es sich bei dem Feststoff des Kühlmediums 28 um ein wasserlösliches Polymer handeln, beispielsweise um PEG E600. Die Eintrittstemperatur T_E des Kühlmediums 28 in die Hohlstruktur 27 liegt in diesem Fall bei mehr als 15°C und bei weniger als 50°C. Beispielsweise kann die Eintrittstemperatur T_E bei ca. 25°C liegen. Die Soll-Temperatur des Substrats 25 liegt im selben Temperaturbereich, ist aber größer als die Eintrittstemperatur T_E des Kühlmediums 25 in die Hohlstruktur 27.
Um ein widerstandsarmes Fließen des Kühlmediums 28 zu ermöglichen, ist die Kühleinrichtung 32 ausgebildet, der Hohlstruktur das Kühlmedium 28 mit einem Stoffmengenanteil des Feststoffs 36 von weniger als 50 %, typischerweise von weniger als 30% zuzuführen. Die Kühleinrichtung 32 kann ein Reservoir aufweisen, in dem das Kühlmedium 28 in Form des Gemischs mit dem gewünschten Stoffmengenanteil des Feststoffs 36 enthalten ist. Alternativ ist es möglich, dass die Kühleinrichtung 32 eine Mischeinrichtung aufweist, um den Feststoff 36 und die Flüssigkeit 35 zu mischen und hierbei das Kühlmedium 28 zu bilden.
Bei der Komponente, welche die Hohlstruktur 27 aufweist, muss es sich nicht zwingend um ein optisches Element in Form eines Spiegels Mi handeln. Es kann sich auch um ein anderes optisches Element oder um nicht-optisches Bauteil handeln, beispielsweise um ein Strukturbauteil der Projektionsbelichtungsanlage 1. Die Komponente, welche auf die weiter oben beschriebene Weise gekühlt wird, kann auch in einer anderen optischen Anordnung als der weiter oben beschriebenen Projektionsbelichtungsanlage 1 eingesetzt werden, beispielsweise in einer Lithographieanlage, die für den DUV/VUV-Wellenlängenbereich ausgelegt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014203144 A1 [0004]
DE 102014206587 A1 [0005]
DE 102012221923 A1 [0006, 0007, 0008, 0013]

Claims

Verfahren zum Kühlen einer Komponente eines Lithographiesystems (1), insbesondere eines optischen Elements (Mi) oder eines Strukturbauteils, umfassend: Durchströmen einer in der Komponente (Mi) gebildeten Hohlstruktur (27) mit einem Kühlmedium (28), dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlstruktur (27) mit einem Kühlmedium (28) durchströmt wird, das ein Gemisch aus einer Flüssigkeit (35) und mindestens einem Feststoff (36) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein Teil des Feststoffs (36) beim Durchströmen der Hohlstruktur (27) schmilzt.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem es sich bei dem Feststoff (36) um gefrorenes Öl oder um Eis handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem es sich bei dem Feststoff (36) und bei der Flüssigkeit (35) um zwei Phasen ein- und desselben Stoffs, bevorzugt um zwei Phasen von Wasser, handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Eintrittstemperatur (T_E) des Kühlmediums (28) in die Komponente (Mi) nicht größer als eine Schmelztemperatur (Ts) des Feststoffs (36) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest ein Teil des Feststoffs (36) beim Durchströmen der Hohlstruktur (27) in einem endothermen Lösungsvorgang in der Flüssigkeit (35) gelöst wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Feststoff (36) ein Salz ist, das bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: NaCl, KI, NaNO₃, NH₄SCN, Na₂SO₄, Na₂HPO₄, Mn(NO₃)₂.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Feststoff (36) ein Polymer ist, insbesondere Polyethylenglykol.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Eintrittstemperatur (T_E) des Kühlmediums (28) in die Komponente bei mehr als 15°C und bei weniger als 50°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Stoffmengenanteil des Feststoffs (36) in dem Kühlmedium (28) bei weniger als 50 %, bevorzugt bei weniger als 30% liegt.
Lithographiesystem (1), umfassend: mindestens eine Komponente, insbesondere ein optisches Element (Mi) oder ein Strukturbauteil, die eine Hohlstruktur (27) zum Durchströmen mit einem Kühlmedium (28) aufweist, sowie eine Kühleinrichtung (32), die zum Durchströmen der Hohlstruktur (27) mit dem Kühlmedium (28) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (32) ausgebildet ist, die Hohlstruktur (27) mit einem Kühlmedium (28) zu durchströmen, das ein Gemisch aus einer Flüssigkeit (35) und mindestens einem Feststoff (36) bildet.
Lithographiesystem nach Anspruch 11, bei dem die Kühleinrichtung (32) ausgebildet ist, die Hohlstruktur (27) mit einem Kühlmedium (28) zu durchströmen, das einen Feststoff (36) in Form von gefrorenem Öl oder Eis aufweist.
Lithographiesystem nach Anspruch 11 oder 12, bei dem die Kühleinrichtung (32) ausgebildet ist, die Hohlstruktur (27) mit einem Kühlmedium zu durchströmen, das einen Feststoff (36) in Form eines Salzes aufweist, das bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: NaCl, KI, NaNO₃, NH₄SCN, Na₂SO₄, Na₂HPO₄, Mn(NO₃)₂ oder das einen Feststoff (36) in Form eines Polymers aufweist, insbesondere in Form von Polyethylenglykol.
Lithographiesystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem die Kühleinrichtung (32) ausgebildet ist, der Hohlstruktur (27) das Kühlmedium (28) mit einer Eintrittstemperatur (T_E) zuzuführen, die nicht größer als eine Schmelztemperatur (Ts) des Feststoffs (36) ist.
Lithographiesystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem die Kühleinrichtung (32) ausgebildet ist, der Hohlstruktur (27) das Kühlmedium (28) mit einer Eintrittstemperatur (T_E) zuzuführen, die bei mehr als 15°C und bei weniger als 50°C liegt.
Lithographiesystem nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem die Kühleinrichtung (32) ausgebildet ist, der Hohlstruktur (27) das Kühlmedium (28) mit einem Stoffmengenanteil des Feststoffs (36) von weniger als 50 %, bevorzugt von weniger als 30% zuzuführen.