Anordnung zum Handhaben eines flüssigen Metalls zur Kühlung von umlaufenden Komponenten einer Strahlungsquelle auf Basis eines strahlungsemittierenden Plasmas

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Handhaben eines flüssigen Metalls zur Kühlung von umlaufenden Komponenten einer Strahlungsquelle auf Basis eines strahlungsemittierenden Plasmas. Die Erfindung findet vorzugsweise Anwendung in Strahlungsquellen für die photolithographische Herstellung von Halbleiterchips mittels kurzwelliger Strahlung im Röntgenbereich, insbesondere mittels extrem ultravioletter (EUV-)Strahlung.

Spezielle Kühlsysteme, bei denen als Kühlmedium Metall in Form einer Schmelze verwendet wird, sind bereits für verschiedenste Anwendungen, wie die Kühlung von Hochleistungsschaltkreisen, Kernreaktoren oder Strahlungsquellen für den Röntgenbereich bekannt. Flüssiges Metall hat den Vorteil einer sehr guten Wärmeleitfähigkeit und weist außerdem elektromagnetische Eigenschaften auf, wodurch die zum Erzeugen einer Kühlmittelströmung erforderlichen Pumpen klein, ohne bewegte Teile und außerhalb des Kühlmittels realisiert werden können.

Für eine Röntgenstrahlungsquelle ist in der US2012/0057680US 2012/0 057 680 A1A1 ein Kreislauf mit flüssigem Metall offenbart, bei dem das Metall unter hohem Druck als Emittermaterial in Tropfenform zur Plasmaerzeugung unter Elektronenstrahlbeschuss geführt wird. Das Metall wird hier jedoch nicht als Kühlmittel verwendet

Bei kurzwellig emittierenden Strahlungsquellen, z. B. extrem ultraviolett (EUV-)Strahlungsquellen, werden die zur Erzeugung des Plasmas verwendeten Komponenten, die sich durch die Plasmaerzeugung sehr stark aufheizen, mit einem flüssigen Metall gekühlt.

So wird bei einer in der EP2198674EP 2 198 674 B1B1 beschriebenen Strahlungsquelle einer rotierenden Scheibenelektrode ein Flüssiges Metall in einem Kühlkreislauf zugeführt und nach dem Elektrodenkontakt in eine Kühleinrichtung gepumpt. In der offenbarten kompakten Bauweise wird aber weder den enormen abzuführenden Wärmemengen noch dem einzuhaltenden Temperaturgefälle ausreichend Beachtung geschenkt.

Eine weitere solche Strahlungsquelle wird in der Patentschrift US7427766US 7 427 766 B2B2 offenbart. Die Strahlungsquelle arbeitet auf Grundlage eines zwischen zwei Elektroden erzeugten Entladungsplasmas, das EUV-Strahlung (im Bereich von 13,5 nm) emittiert. Die bei der Plasmaerzeugung stark erhitzten Komponenten sind in diesem Fall zwei rotierende Scheibenelektroden, die sich so gegenüberstehen, dass am Ort des geringsten Abstandes ihrer Umfangsflächen ein Entladungsbereich für die Erzeugung eines Entladungsplasmas zwischen den Elektroden entsteht. Bei der Rotation tauchen die Elektroden teilweise in jeweils ein Schmelzbad aus flüssigem Zinn ein, wobei das Zinn mehrere Aufgaben erfüllt, von denen die elektrische Kontaktierung und die Kühlung der Elektroden die wesentlichsten sind. Zugleich ist das Zinn in der US7427766US 7 427 766 B2B2 aber auch Emittermaterial für die EUV-Strahlungserzeugung, wobei das bei der Rotation aus dem Schmelzbad auf die Elektroden aufgetragene Zinn im Entladungsbereich mittels eines Lasers verdampft wird und eine elektrische Entladung das verdampfte Zinn in strahlungsemittierendes Plasma konvertiert. Die zum Erzeugen des Entladungsplasmas erforderlichen sehr hohen elektrischen Leistungen werden dabei zu einem Großteil in Abwärme umgesetzt, die von den Elektroden aufgenommen und durch das Eintauchen in das Schmelzbad abgeleitet wird. Wie die notwendige Abkühlung des erhitzten Zinnbads erfolgt, ist in der US7427766US 7 427 766 B2B2 jedoch nicht ausgeführt.

In diesem Zusammenhang offenbart die DE102005023060DE 10 2005 023 060 A1A1 eine Erweiterung des Zinnbads, indem das flüssige Metall als ein erstes Kühlmittel in ein Kühlsystem eingebunden wird. Das Kühlsystem weist einen Wärmetauscher auf, der außerhalb eines die Elektroden direkt einhausenden Elektrodengehäuses in einem Kühlkreislauf über ein Verbindungselement aus Kanälen oder Rohren in einem anderen Gefäßteil, der ein Reservoir des Metalls enthält, von der Metallschmelze (als erstes Kühlmittel) durchströmt wird. Von einem unteren Zulauf des Verbindungselements am spaltförmigen Tauchbad des Elektrodengehäuses wird das flüssige Metall infolge der mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Elektroden zu einem oberen Rücklauf des Verbindungselements nach oben getrieben und im Kreislauf durch das angrenzende Reservoir transportiert. Überschüssige Metallmengen stauen sich an einem Abstreifer und werden durch den dabei entstehenden Druck über den Rücklaufkanal ins Reservoir gepresst und vorteilhaft über ein Filter oder eine Oxidabscheidungskammer ins Reservoir zurückgeführt. Probleme der heißen, aggressiven metallischen Flüssigkeit nach der Aufheizung durch die Elektrode sind dabei weder erwähnt noch berücksichtigt.

Als Material für das Kühlgefäßsystem wird aus herstellungstechnischen und ökonomischen Gründen meist Edelstahl verwendet, das jedoch gegen elektrochemische Korrosion einer Metallschmelze (z. B. Lithium, Zinn etc.) und gegenüber mechanischer Erosion eines erhitzten Metalls nicht ausreichend resistent ist.

Allgemeine konstruktive Lösungen, wie mechanische Beanspruchungen von Gefäßwänden durch dynamische Metallschmelzen gemindert werden können, finden sich beispielsweise in den Schriften DE1800959DE 1 800 959 CC, DE1929025DE 19 29 025 AA oder EP1854571EP 1 854 571 B1B1.

Zur Eindämmung oder Verhinderung der Korrosion durch flüssiges Zinn sind für eine EUV-Strahlungsquelle bereits Maßnahmen aus der US2011/0101251US 2011/0 101 251 A1A1 bekannt, indem Bauteile einer EUV-Strahlungsquelle, deren Oberflächen direkt mit flüssigem Zinn in Kontakt kommen, mittels widerstandsfähiger Beschichtung vor Korrosion geschützt werden. Durch die korrosionshemmende Beschichtung der Bauteile wird neben der verlängerten Lebensdauer der Oberflächen auch die Reinheit der Zinnschmelze länger erhalten, indem diese nicht mit den Abfallprodukten der Korrosion kontaminiert wird.

Als Nachteil dieser Lösung verbleibt jedoch, dass durch eine Beschichtung mit TiN oder anderen aus der US2011/0101251US 2011/0 101 251 A1A1 bekannten Verbindungen zwar die Korrosion der inneren Gefäßoberflächen unterdrückt werden kann, in Kühlkreisläufen mit umlaufender Metallschmelze jedoch zur Strömungsrichtung geneigte oder gekrümmte Gefäßwände, wie beispielsweise Rohrkrümmungen etc., auf die die stark erhitzte Metallschmelze mechanisch prallt, trotz der Beschichtung einer starken Erosion ausgesetzt sind. An diesen Stellen bietet die Beschichtung keinen ausreichenden Schutz, sodass die Gefahren von Rohrdurchbrüchen und Kontaminationen der Metallschmelze, zwar zeitlich verzögert, aber in gleicher Weise auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit für das Handhaben eines flüssigen Metalls zur Kühlung von umlaufenden Komponenten einer plasmabasierten Strahlungsquelle zu finden, bei der die in einem Kühlkreislauf des flüssigen Metalls durch Korrosion, Erosion und Kontamination bedingte Beeinträchtigung der Eigenschaften des Metalls sowie die Erosion der hitze- und strömungsbelasteten Oberflächen von Rohren und Gefäßwänden minimiert werden. Eine erweiterte Aufgabe der Erfindung ist es, die Lebensdauer des Gesamtkühlsystems dadurch zu verlängern, dass der Instandhaltungsaufwand reduziert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zum Handhaben eines flüssigen Metalls zur Kühlung einer umlaufenden Komponente einer plasmabasierten Strahlungsquelle, bei der ein Gefäß zur Bereitstellung des flüssigen Metalls über zwei Rohre mit einem Quellenmodul, in dem strahlungsemittierendes Plasma erzeugt wird, in Verbindung steht, um das Metall in einem Kreislauf durch das Quellenmodul zu führen, wobei das Gefäß teilweise mit dem Metall gefüllt ist, sodass ein Reservoir von flüssigem Metall ausgebildet ist, um im Quellenmodul verbrauchtes Metall zu ersetzen, und eine Temperierungseinheit für das Metall vorhanden ist, die zur Einstellung der Temperatur des Gefäßes auf einen Temperaturbereich moderat oberhalb des Schmelzpunktes des Metalls) vorgesehen ist, dadurch gelöst, dass eine Pumpeinheit zum Bewegen des flüssigen Metalls im Kreislauf vorhanden ist, wobei ein Transport des Metalls von einer Handhabungseinrichtung für das Metall, die das Reservoir und die Pumpeinheit enthält, über ein Zuführungsrohr in das Quellenmodul eingerichtet ist, und dass ein Rückführungsrohr zum Zurückleiten von stark erhitztem Metall von dem Quellenmodul in die Handhabungseinheit mit dem Reservoir vorhanden ist, wobei das Rückführungsrohr vom Quellenmodul zum Reservoir als gerades geneigtes Rohr mit einem Gefälle zum Reservoir ausgebildet ist, um das erhitzte Metall unter Wirkung der Schwerkraft in möglichst laminarer Strömung in das Reservoir einzuleiten.

Vorzugsweise ragt das Rückführungsrohr dabei in das Gefäß mit dem Reservoir soweit hinein, dass das im Quellenmodul erhitzte Metall in das Reservoir eingeleitet wird, ohne eine Wand des Gefäßes mit Strömungskräften zu beaufschlagen. Dafür sind drei Ausführungsvarianten geeignet.

In einer besonders einfachen und vorteilhaften Variante ist das Rückführungsrohr so angeordnet, dass es direkt in das Reservoir eintaucht. In einer zweiten Variante weist das Rückführungsrohr ein Rohrende oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche des Reservoirs auf, wobei ein nach dem Rohrende angeordnetes Ablenkelement mit hoher Erosions- und Korrosionsbeständigkeit zur Einleitung des erhitzten Metalls in das Reservoir vorgesehen ist. In einer dritten Variante ist ein Auffangelement mit hoher Erosions- und Korrosionsbeständigkeit dem Ablenkelement in Richtung der Schwerkraft gegenüberliegend positioniert, wobei das Auffangelement unter einem flachen Winkel zur Oberfläche des Reservoirs eintauchend angeordnet ist.

Zweckmäßig ist mindestens innerhalb des Rückführungsrohres eine innere Beschichtung mit hoher Erosions- und Korrosionsbeständigkeit vorhanden. Zum Zwecke der vereinfachten Wartung ist mindestens im Rückführungsrohr eine Rohrverbindung zwischen dem Quellenmodul und dem Gefäß für das Handhaben des flüssigen Metalls vorgesehen, um einen Austausch von Rohrteilen zu ermöglichen. In einer weiteren bevorzugten Gestaltung ist ein separates inneres Rohr mit hoher Erosions- und Korrosionsbeständigkeit mindestens in einem Endbereich des Rückführungsrohres angeordnet, wobei das innere Rohr aufgrund der Rohrverbindung einfach austauschbar ist. Die Rohrverbindung ist vorteilhaft in Form eines die Rohrteile übergreifenden Ringes aus einem widerstandsfähigen Material mit einem gegenüber den Rohrteilen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet. Vorzugsweise wird der übergreifende Ring aus einem Metall oder einer Legierung aus der Gruppe der Elemente Titan, Vanadium, Chrom, Zirkonium, Niob, Molybdän, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Ruthenium, Osmium und Iridium mit einem gegenüber den Rohrteilen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt. Zweckmäßig ist die Rohrverbindung in Form eines die Rohrteile übergreifenden T-Profil-Ringes ausgebildet. Für den Fall des Einsatzes eines inneren Rohres kann die Rohrverbindung als übergreifender Ring aus einem widerstandsfähigen Material mit einem gegenüber den Rohrteilen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten direkt an dem inneren Rohr angeformt sein.

Das Gefäß zur Aufnahme des Reservoirs ist vorzugsweise als ein Zylinder mit geringer Höhe geformt und liegend angeordnet, wobei der Zylinder einen Innenraum aufweist, der mit dem Reservoir des flüssigen Metalls zu weniger als 80% gefüllt ist. Des Weiteren erweist es sich als vorteilhaft, dass das Gefäß oberhalb des Reservoirs des flüssigen Metalls in einer Mantelfläche des Zylinders von Rückführungsrohr und Zuführungsrohr durchstoßen ist. Das Gefäß weist zweckmäßig einen abnehmbaren Deckel auf, der eine Deckfläche des Zylinders darstellt. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass ein Schlackeabscheider im Gefäß vorhanden ist, der plattenförmig ausgebildet und mit einer Anzahl von Durchbrüchen versehen ist, um in einem oberen Bereich des Reservoirs eine Schlacke aus verunreinigtem oder oxidiertem Metall von einem Anschlussort des Anschlussrohres der Pumpeinheit abzuschirmen. Als flüssiges Metall wird vorteilhaft mindestens ein Element oder eine Legierung unter Beteiligung eines Elements aus der Gruppe von Lithium, Gallium, Zinn, Gadolinium und Terbium eingesetzt.

Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass in einem Kühlsystem, in dem das Kühlmittel ein Metall ist und im Kühlkreislauf im Bereich der Strahlungsquelle teilweise verbraucht wird, besondere Vorkehrungen getroffen werden müssen, um zusätzlich den korrosiven und erosiven Eigenschaften des metallischen Kühlmittels Rechnung zu tragen. Eine erste Maßnahme ist die Ausformung eines Reservoirs für das metallische Kühlmittel, um den an sich geringen, aber nicht unwesentlichen Metallverbrauch zu kompensieren. In dieses Reservoir fließt direkt das aus dem Quellenmodul der Strahlungsquelle zurück kommende stark erhitzte Metall, um eine Sofortkühlung durch Mischung im Reservoir zu erzielen. Dabei ist eine zweite Maßnahme darauf gerichtet, das heiße Metall unter Wirkung der Schwerkraft in einem zum Reservoir hin leicht geneigten Rohr möglichst in laminarer Strömung ins Reservoir einzuleiten, um die Erosion an Rohr- und Gefäßwänden gering zu halten. Dazu ist das Rückführungsrohr vorzugsweise gradlinig, unter flachem Eintrittswinkel zur Oberfläche des Reservoirs und mit geschwindigkeitsmindernden Maßnahmen versehen, die das heiße Metall am direkten Auftreffen oder Spritzen auf Wände des Gefäßes hindern. Obwohl das Metall im Vakuum durch das Quellenmodul geführt wird, ist eine durch die elektrische Entladung und deren Begleitprozesse (z. B. Plasmabildung, Hitzeentwicklung, Sputtern etc.) bedingte Erhitzung mit chemischer Aktivierung, Oxidation und Kontamination des metallischen Kühlmittels zu verzeichnen. Die dadurch eingetragenen Verunreinigungen des Metalls sammeln sich an der Oberfläche des Reservoirs des flüssigen Metalls als eine Art Schlacke an und können so vom weiteren Kreislauf des Metalls ausgeschlossen werden, indem als dritte Maßnahme das flüssige Metall für den Kreislauf aus einem unteren Teil des Reservoirs von einer Pumpeinheit abgesaugt und zum Zuführungsrohr des Quellenmoduls gepumpt wird. Das Metall durchläuft innerhalb seines Kreislaufs eine Temperierungseinheit, die einerseits dafür sorgt, dass bei betriebsbereitem Quellenmodul der Kreislauf stets oberhalb der Schmelztemperatur des flüssigen Metalls gehalten wird, und die andererseits dem metallischen Kühlmittel besonders intensiv Wärme dann entzieht, wenn dieses durch die gepulsten Entladungen (die typisch im Bereich zwischen 3 und 20 kHz liegen) stark aufgeheizt ist, und deren Kühlleistung dann drastisch reduziert wird, wenn sich das Quellenmodul in einer passiven Phase befindet (z. B. Belichtungspausen).

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, ein flüssiges Metall zur Kühlung von umlaufenden Komponenten einer plasmabasierten Strahlungsquelle zu handhaben, wobei die in einem Kühlkreislauf des flüssigen Metalls durch Korrosion, Erosion und Kontamination bedingte Beeinträchtigung der Eigenschaften des Metalls sowie die Erosion der hitze- und strömungsbelasteten Oberflächen von Rohren und Gefäßwänden minimiert werden. Außerdem führt ein verringerter Instandhaltungsaufwand zu einer deutlichen Verlängerung der Lebensdauer des gesamten Kühlsystems.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

1 einen schematischen Aufbau einer Anordnung zum Handhaben eines flüssigen Metalls zur Kühlung von rotierenden Komponenten in einer plasmabasierten Strahlungsquelle;

2 eine beispielhafte Gestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung mit einem gepumpten Kreislauf zwischen Quellenmodul (Wärmequelle), einem Vorratsvolumen und einem Kühlvolumen (Wärmesenke) der Handhabungseinrichtung, wobei der mit einer Strichpunktlinie umrandete Ausschnitt einen Einlaufbereich des vom Quellenmodul kommenden Rückführungsrohrs umreißt, dessen Ausgestaltungen in den folgenden 3a bi 3c genauer gezeigt ist;

3a eine erosionsmindernde Ausführung des Einlaufbereichs des Rückführungsrohres in Handhabungseinrichtung, bei der ein dem Rohrende gegenüber liegendes Ablenkelement (Prallkörper) und ein unterhalb des Rohrendes geneigt in die Reservoiroberfläche eintauchendes Auffangelement jeweils aus korrosions- und erosionsbeständigem Material vorhanden sind;

3b eine zu 3a alternative Ausführung des Auslaufbereichs des Rückführungsrohres mit oberhalb und unterhalb angeordneten, gleichsinnig geformten Ablenk- und Auffangelementen, die unter flachem Neigungswinkel in die Reservoiroberfläche eintauchen;

3c eine weitere zu 3a und 3b alternative Ausführung des Auslaufbereichs des Rückführungsrohrs, bei der das Rohrende soweit verlängert ist, dass dessen Auslaufbereich vollständig unterhalb der Reservoiroberfläche liegt;

4a eine weitere Gestaltung des Auslaufbereichs des Rückführungsrohres in einer Schnittansicht des Rückführungsrohres mit austauschbarem Auslaufbereich unter Einsatz einer Rohrverbindung in Form eines übergreifenden Ringes;

4b einen vergrößerten Ausschnitt der Rohrverbindung mit übergreifendem T-Profil-Ring in kaltem Zustand (z. B. Raumtemperatur);

4c einen vergrößerten Ausschnitt der Rohrverbindung mit übergreifendem Ring in aufgeheiztem Betriebszustand (oberhalb der Schmelztemperatur des flüssigen Metalls);

5a eine Ausführung der Rohrverbindung in einer Schnittansicht des Rückführungsrohres mit austauschbarem Innenrohr, an dem ein übergreifendes Ringprofil direkt angeformt ist;

5b ein vergrößerter Ausschnitt der Rohrverbindung mit Innenrohr in kaltem Zustand (z. B. bei erstarrtem metallischen Kühlmittel);

5c ein vergrößerter Ausschnitt der Rohrverbindung mit Innenrohr im aufgeheizten Betriebszustand (oberhalb der Schmelztemperatur des metallischen Kühlmittels).

In ihrem Grundaufbau besteht die Anordnung gemäß 1 aus einem Kühlkreislauf, in dem ein Quellenmodul 1 mit einer Handhabungseinrichtung 2 über ein Zuführungsrohr 3 und ein Rückführungsrohr 4 in Verbindung steht. Das Quellenmodul 1 zur Erzeugung eines kurzwellige Strahlung 11 emittierenden Plasmas 12 weist wenigstens eine umlaufende Komponente 13 auf, die in ein Bad aus flüssigem Metall 21 eintaucht, wobei das Metall 21 primär als Kühlmittel dient. Es kann aber – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – auch zusätzlich als Emittermaterial für die zu emittierende Strahlung 11 ausgewählt sein, sodass die infolge der Rotationsbewegung der umlaufenden Komponente 13 durch das Schmelzbad 14 des Metalls 21 hindurch aufgetragene Beschichtung 15 stets frisches Emittermaterial zur Verfügung stellt, das an einer definierten Position mittels eines fokussierten Strahls eines Lasers 16 (oder eines anderen Energiestrahls) ionisiert wird. Dabei sind zwei Varianten möglich. Zum einen kann diese Ionisation direkt mittels des Lasers 16 in das Strahlung 11 emittierende Plasma 12 überführt werden (lasererzeugtes Plasma – LPP). Zum anderen kann – entsprechend der mit gestrichelt gezeichneten Elementen ergänzten Darstellung in 1 – die umlaufende Komponente 13 ein gegenüberliegendes Pendant 13 aufweisen, zwischen denen eine gepulste Hochspannungsquelle 17 eine elektrische Entladung erzeugt. In diesem Fall wird erst nach einer durch den Laser 16 erzeugten Verdampfung eines Spots der Beschichtung 15 das verdampfte Emittermaterial mittels des Entladungsstromes in das die Strahlung 11 emittierende heiße Plasma 12 konvertiert.

Die Handhabungseinrichtung 2 enthält ein Gefäß 22 mit einem Reservoir 221 des flüssigen Metalls 21, eine Pumpeinheit 23 und eine Temperierungseinheit 24. In dieser Handhabungseinrichtung 2 sind vornehmlich folgende Probleme zu lösen. Erstens muss sichergestellt werden, dass stets ausreichend flüssiges Metall 21 für die Beschickung des Bades 14 im Quellenmodul 1 vorhanden ist und zweitens, dass dieses in ausreichender Qualität (reines Metall oder Legierung ohne Oxidationsprodukte oder Kontaminationen) vorliegt. Drittens muss das heiße flüssige Metall 21 auch eine ausreichende Wärmeisolation gegenüber der Umgebung aufweisen. All dies ist bei dem Plasmaerzeugungsprozess im Quellenmodul 1 nicht gewährleistet, da der Kreislauf im Quellenmodul 1 nicht hermetisch abgeschlossen ist und dort ständig Metall 21 verbraucht wird. Dem wird dadurch Rechnung getragen, dass ein hinreichend großes Reservoir 221 von flüssigem Metall 21 vorgehalten wird, das ein Vorratsvolumen 222 im Gefäß 22 zu höchstens 80% ausfüllt und den Verbrauch an Metall 21 über einen definierten Zeitraum decken kann und an dessen Oberfläche sich Oxide und Verunreinigungen (nachfolgend als Schlacke 212 bezeichnet) abscheiden können, sodass die Reinheit des Metalls 21 erhalten bleibt. Dafür ist die Entnahme des Metalls 21 aus dem Reservoir 221 nahe dem tiefsten Punkt des Gefäßes 22 gewählt, an dem ein Anschlussrohr 225 angebracht ist, das über eine Pumpeinheit 23 das flüssige Metall 21 in Richtung des Zuführungsrohres 3 bewegt. Nicht zuletzt wird das Gefäß 22 im Vakuum platziert, um das heiße flüssige Metall 21 thermisch gegenüber der Umgebung zu isolieren.

Zusätzlich kann ein Schlackeabscheider 226 innerhalb des Reservoirs 221 vorgesehen sein, der als Zwischenwand mit Löchern 227 oberhalb des Anschlussrohres 225 zur Pumpeinheit 23 geneigt angeordnet ist. Dadurch wird im Reservoir 221 eine unerwünschte Durchmischung des Metalls 21 mit dem oberen Bereich der bereits abgeschiedenen Schlacke 212 verhindert.

Als geeignetes Kühlmittel (flüssiges Metall 21) im Kreislauf für die Kühlung des Quellenmoduls 1 können Metalle oder Legierungen aus der Gruppe von Lithium (Li), Zinn (Sb), Gadalinium (Gd), Terbium (Tb) und Gallium (Ga) eingesetzt werden. Meist werden für diesen Zweck geeignete EUV-Emitter (wie Li, Sn, Gd, Tb) ausgewählt, die aber nicht notwendig Anwendung finden müssen, falls das Emittermaterial separat ins Quellenmodul 1 injiziert wird (wie es beispielsweise aus US7476884US 7,476,884 B2B2, US7531820US 7,531,820 B2B2 oder US7800086US 7,800,086 B2B2 bekannt ist).

Die Pumpeinheit 23 fördert das flüssige Metall 21 aus dem Reservoir 221 über das Anschlussrohr 225 in einen Durchführungskanal 223, der das Gefäß 22 oberhalb des Reservoirs 221 hermetisch abgeschlossen durchquert, bis zum Zuführungsrohr 3 für das Quellenmodul 1. Auf dem Weg durch das Gefäß 22 ist der Durchführungskanal 223 vorzugsweise aufgeweitet, um eine große Oberfläche für eine leistungsfähige Kühlung (z. B. Spraykühlung oder Heatpipe) zu realisieren. Dazu ist im Gefäß 22 ein Kühlvolumen 224 hermetisch vom Vorratsvolumen 222 des Reservoirs 221 abgeteilt und in einen Kreislauf der Temperierungseinheit 24 eingebunden.

In 2 ist eine Seitenansicht des Gefäßes 22 der Handhabungseinrichtung 2 gezeigt. Das Gehäuse 22 hat in diesem Beispiel die Form eines liegend angeordneten Zylinders geringer Höhe, wobei eine Grundfläche als abnehmbarer Gehäusedeckel (nicht dargestellt) gestaltet ist, der in 2 entfernt wurde, um den Einblick ins Innere des Gehäuses 22 zu gestatten. Das Gehäuse 22 weist im Inneren mindestens zwei voneinander hermetisch getrennte Kammern, ein Vorratsvolumen 222 für das Reservoir 221 von flüssigem Metall 21 sowie ein Kühlvolumen 224, auf. Ein über das Kühlvolumen 224 thermisch auf ein gewünschtes Temperaturniveau einzustellender Durchführungskanal 223 für das flüssige Metall 21 von der Pumpeinheit 23 ins Zuführungsrohr 3 zum Quellenmodul 1 kann sowohl im Kühlvolumen 224 eingebettet sein, sodass er allseitig vom Kühlvolumen 224 umgeben ist, oder er ist als separate Kammer zwischen Vorratsvolumen 222 und Kühlvolumen 224 angeordnet, wie er in der Ausführung gemäß 2 dargestellt ist.

Im Quellenmodul 1 wird das flüssige Metall 21 durch die Plasmaerzeugung stark erhitzt, indem die umlaufende Komponente 13 die vom Plasma 12 dissipierte Wärme ins Schmelzbad 14 überträgt und infolge deren Drehbewegung einen heißen Metallstrom 211 in das Rückführungsrohr 4 beschleunigt. Der heiße Metallstrom 211 wird durch das Rückführungsrohr 4 aufgrund der Wirkung der Schwerkraft selbsttätig in das Reservoir 221 eingeleitet, wobei das Rückführungsrohr 4 geneigt gegenüber der Oberfläche S des Reservoirs 221 in das Gefäß 22 eingebaut ist, um einen korrosions- und erosionsarmen Transport des heißen Metallstroms 211 zu erreichen. Vorzugsweise ist das Rückführungsrohr 4 vollkommen gerade ausgebildet, weist also keine Rohrkrümmungen auf. Im Vorratsvolumen 222 des Gefäßes 22 tritt eine Sofortkühlung des heißen Metallstromes 211 aus dem Rückführungsrohr 4 durch Mischung mit dem Reservoir 221 ein. Des Weiteren hat das Vorratsvolumen 222 neben der bereits erwähnten Reservoirhaltung zum Ersatz von im Quellenmodul 1 verbrauchtem Metall 21 eine Separierungsfunktion für verunreinigtes oder oxidiertes Metall, das infolge des „offenen” Kreislaufs des flüssigen Metalls 21 bei der Plasmaerzeugung im Quellenmodul 1 entsteht und vereinfacht als Schlacke 212 bezeichnet wird. Dazu ist im Vorratsvolumen 222 ein Schlackeabscheider 226 mit Löchern 227 vorgesehen, der als eine Zwischenwand mit gleichsinniger Neigung zum Rückführungsrohr 4 ausgebildet ist. Der Schlackeabscheider 226 schafft eine Barriere zwischen der Oberfläche S des Reservoirs 221, an der sich die Schlacke 212 ansammelt, und dem im unteren Teil Vorratsvolumens 222 montierten Anschlussrohr 225, mit dem das Metall 21 mittels der Pumpeinheit 23 aus dem Reservoir 221 entnommen und über den Durchführungskanal 223 und das Zuführungsrohr 3 wieder dem Quellenmodul 1 zugeführt wird.

Für das Zuführungsrohr 3 zum Quellenmodul 1 und den damit verbundenen Durchführungskanal 223 wird eine zum Rückführungsrohr 4 gleichsinnige Neigung gewählt, sodass auch das Anschlussrohr 225 vor und nach der Pumpeinheit 23 dazu angepasst geneigt ist. Die Pumpeinheit 23 enthält Pumpmittel ohne bewegte Teile und erzeugt den Fluss des Metalls 21 im Anschlussrohr 225 ausschließlich über Feldwirkungen von außen. Im Durchführungskanal 223 wird vorrangig für eine ausreichende Kühlung des Metalls 21 zu sorgen sein, wenn im Quellenmodul 1 Plasma 12 generiert und die dabei über die umlaufende Komponente 13 ins Schmelzbad 14 übertragene thermische Energie durch den ins Gefäß 22 zurückfließenden heißen Metallstrom 211 ins Reservoir 221 eingetragen wird. Nach der Sofortkühlung durch Mischung mit dem Reservoir 221 im Vorratsvolumen 222 wird das Metall 21 durch das Anschlussrohr 225 mittels der Pumpeinheit 23 in den Durchführungskanal 223 bewegt und dort auf ein Temperaturniveau eingestellt, das moderat (1 bis 50 K) oberhalb der Schmelztemperatur des verwendeten Metalls 21 liegt. Dabei hat die Temperierungseinheit 24 einen Kühlkreis derart zu betreiben, dass die Kühlung besonders effektiv arbeitet, wenn die Plasmaerzeugung, die zwar gepulst, aber quasi-kontinuierlich erfolgt, einen Dauerbetrieb realisiert, wodurch das Metall 21 erheblich aufgeheizt wird. Dafür bietet sich insbesondere die in 1 stilisiert dargestellte Spraykühlung an. Es können aber auch Maßnahmen zur Umsetzung eines Heatpipe-Prinzips zwischen dem Kühlvolumen 224 und der Temperierungseinheit 24 getroffen werden. Andernfalls, wenn die Plasmaerzeugung unterbrochen wird, muss die Temperierungseinheit 24 Vorkehrungen dafür enthalten, dass die Kühlleistung minimiert wird und gegebenenfalls eine Heizung des in der Temperierungseinheit 24 verwendeten Kühlmittels vorgesehen ist, mit der das Kühlmittel das Metall 21 über dessen Schmelztemperatur aufheizt.

Zusätzlich kann – wie es in 2 gezeigt ist – eine in das Reservoir 221 schräg eintauchende stützende Strebe 228 vorgesehen sein, die mit gleicher Neigung wie die übrigen Elemente, wie Durchführungskanal 223, Zuführungsrohr 3, Anschlussrohr 225, Schlackeabscheider 226 und Rückführungsrohr 4, im Gefäß 22 angeordnet ist. In diesem Fall kann die Strebe 228 zugleich als Befestigungsgrundlage für Füllstandssensoren 229, die beispielsweise als Kontaktsensoren an verschiedenen Höhenpositionen enden, zur Detektion des vorhandenen Niveaus der Oberfläche S des Reservoirs 221 verwendet werden und ein Nachfüllen des Reservoirs 221 ausgelöst werden, falls das Niveau der Oberfläche S den letzten Füllstandssensor 229 nicht mehr berührt.

Der in 2 mit einer Strichpunktlinie eingekreiste Bereich A_n ist in den folgenden 3a bis 3c nochmals vergrößert dargestellt, um weitere Maßnahmen zur Minderung der am Rückführungsrohr 4 und Vorratsvolumen 222 des Gefäßes 22 auftretenden Korrosions- und Erosionserscheinungen infolge des schnellen, heißen Metallstroms 211 näher zu erläutern.

In 3a ist eine Gestaltung A₁ des Einlaufbereichs des Rückführungsrohres 4 gezeigt, bei dem ein Ablenkelement 41 aus einem widerstandsfähigen Material, das sich sowohl chemisch als auch mechanisch als beständig gegen den heißen Metallstrom 211 erweist, der Austrittsöffnung des Rückführungsrohrs 4 gegenüberliegend angeordnet ist. Das Ablenkelement 41 kann aus verschiedensten widerstandsfähigen Metallen, wie Niob, Molybdän, Tantal, Wolfram, Rhenium, Titan, Vanadium, Chrom, Zirkonium, Hafnium, Ruthenium, Osmium oder Iridium bestehen, oder aus TZM (einer Legierung aus Titan, Zirkonium und Molybdän), Kohlenstoff, Siliziumdioxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder Ähnlichem gefertigt sein. Das Ablenkelement 41 ist vorzugsweise als ein ebener Prallkörper geformt und weist gegenüber der Strömungsrichtung des Rückführungsrohres 4 einen Winkel auf, der zu einer Ablenkung des heißen Metallstroms 211 ins Reservoir 221 führt. Wegen der Neigung des Rückführungsrohrs 4 kann das Ablenkelement 41 nahezu senkrecht zur Oberfläche S des Reservoirs 221 stehen. Zur Befestigung des Ablenkelements 41 ist in diesem Fall der Schlackeabscheider 226 vorgesehen. Das Ablenkelement 41 könnte aber auch an der darüber befindlichen Strebe 228 befestigt sein. Nach dem Aufprallen und Umlenken des heißen Metallstroms 211 am Ablenkelement 41 wird – zum Erosionsschutz der zylindrischen Außenwand des Gefäßes 22 – ein Auffangelement 42 so unterhalb des Rückführungsrohres 4 angebracht, dass der abgelenkte und bereits abgebremste Metallstrom 211 annähernd parallel zur zylindrischen Außenwand des Gefäßes 22 in die Tiefe des Reservoirs 221 gelenkt und dort durch Mischung mit dem Metall 21 des Reservoirs 221 abgekühlt wird.

3b zeigt eine gegenüber 3a modifizierte Variante A₂ des Einlaufbereichs des Rückführungsrohres 4. Hier weist das Ablenkelement 41 eine geschwungene Leitfläche angepasst zur Neigung des Rückführungsrohres 4 auf und liegt dem gleichartig geformten Auffangelement 42 im Wesentlichen parallel gegenüber. Beide Ablenk- und Auffangelemente 41 und 42, die wie oben beschrieben aus widerstandsfähigem Material hergestellt sind, lenken den heißen Metallstrom 211 von oberhalb der Oberfläche S des Reservoirs 221 unterhalb des Schlackeabscheiders 226, der auch in diesem Fall zur Befestigung des Ablenkelements 41 dienen kann. Das Ablenkelement 41 kann aber auch – wie das Auffangelement 42 – direkt am Gefäß 22 am Einlaufbereich des Rückführungsrohres 4 oder am Heizelement 228 befestigt sein.

In 3c ist eine weitere bevorzugte Gestaltung des Einlaufbereichs des Rückführungsrohres 4 dargestellt, bei der das vom Quellenmodul 1 kommende Rückführungsrohr 4 selbst die Einleitung des heißen Metallstroms 211 in das Vorratsvolumen 222 unterhalb der Oberfläche S des Reservoirs 221 ausführt. Dabei ist das Rückführungsrohr 4 soweit verlängert, dass es – bei gegebenenfalls größerer Neigung gegenüber der Oberfläche S des Reservoirs 221 – direkt in das Reservoir 221 eintaucht, sodass die Austrittsöffnung des Rückführungsrohrs 4 (bei jedem zulässigen Füllstand des Vorratsvolumens 222) unterhalb der Oberfläche S des Reservoirs 221 liegt und vorzugsweise den heißen Metallstrom 211 unterhalb des Schlackeabscheiders 226 einströmen lässt. Dabei kann auf widerstandsfähige Ablenk- und Auffangelemente 41 bzw. 42 verzichtet werden. Mit den drei vorstehend beschriebenen Ausführungen kann eine deutliche Erhöhung der Lebensdauer der Handhabungseinrichtung 2 erreicht werden, da die Standzeit des durch den heißen Metallstrom 211 stark beanspruchten Rückführungsrohres 4 erheblich verlängert wird und zusätzlich auch die Wände des Gefäßes 22 weniger erodiert werden.

Es können insbesondere (aber nicht ausschließlich) für die letzte Variante noch weitere Verbesserungen der Erosionsbeständigkeit der Handhabungseinrichtung 2 vorgenommen werden, indem das sehr stark beanspruchte Rückführungsrohr 4 in austauschbare Rohrteile 43 und 44 unterteilt wird, wie in 4a. Dabei wird das Rückführungsrohr 4 in Rohrteile 43 und 44 unterteilt, wobei das Rohrteil 44 mit dem Quellenmodul 1 in Verbindung steht und das Rohrteil 43 als End- und Auslaufbereich des Rückführungsrohrs 4 austauschbar sein soll. Die Rohrteile 43 und 44 werden durch einen übergreifenden Ring 45, der aus einem Material mit einem geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als die Rohrteile 43 und 44 gefertigt ist, miteinander verbunden. Durch diese Eigenschaft des Rings 45 wird sichergestellt, dass im heißen Betriebszustand (d. h. wenn das Metall 21 oberhalb seines Schmelzpunktes im flüssigen Aggregatzustand vorliegt) die Rohrteile 43 und 44 von innen gegen den übergreifenden Ring 45 gepresst werden und im kalten Zustand einfach auseinander genommen werden können. Die 4b und 4c zeigen den in 4a eingekreisten Verbindungsbereich B_n der Rohrteile 43 und 44 in nochmals vergrößerten Schnittdarstellungen B₁ bzw. B₂ einerseits im kalten Zustand (4b) und andererseits im heißen Betriebszustand (4c).

Wie in 4b zu erkennen ist, wird der übergreifende Ring 45 vorzugsweise als T-Profil ausgeführt und lässt gegenüber den Rohrteilen 43 und 44 eine definierte Lücke frei, die der Wärmeausdehnung der Rohrteile 43 und 44 Rechnung trägt und in Längsrichtung größer als in radialer Richtung ausfällt. In 4c ist dann im heißen Betriebszustand gegebenenfalls noch eine (kleinere) Lücke für eine weitere Längsausdehnung der Rohrteile 43 und 44 übrig, die radialen Lücken sind jedoch an den übergreifenden Dichtflächen 46 des Rings 45 fest verschlossen und bilden somit für das flüssige Metall 21 eine zuverlässig dichte Verbindung der Rohrteile 43 und 44 mittels des übergreifenden Rings 45. Für den übergreifenden Ring 45 wird das Material zusätzlich zum Wärmeausdehnungskoeffizienten unter dem Gesichtspunkt ausgewählt, dass es eine hohe Korrosions- und Erosionsbeständigkeit gegenüber dem flüssigen Metall 21 aufweist. Für den übergreifenden Ring 45 eignen sich vor allem Metalle der Nebengruppen der Perioden 4, 5 und 6 des Periodensystems der Elemente, insbesondere Titan, Vanadium, Chrom, Zirkonium, Niob, Molybdän, Hafnium, Tantal, Wolfram, Rhenium, Ruthenium, Osmium und Iridium sowie eine Legierung aus Titan, Zirkonium und Molybdän (TZM).

Eine zu 4a alternative Variante für eine vereinfachte Wartung des erosionsgefährdeten Rückführungsrohrs 4 ist in 5a abgebildet. Hier ist der Endbereich des Rückführungsrohres 4 als ein mit größerem Durchmesser dimensioniertes äußeres Rohrteil 43 ausgebildet, in das ein inneres Rohr 47 eingeschoben ist. Dieses innere Rohr 47 ist als austauschbares gerades Rohr mit einem angeformten übergreifenden Ring 45 in Richtung des Rohrteiles 44 ausgebildet. Es wird deshalb aus einem widerstandsfähigen Material mit einem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten gegenüber den Rohrteilen 43 und 44 gefertigt. Das äußere Rohrteil 43 wird in diesem Ausführungsbeispiel fest mit dem Gefäß 22 verbunden (z. B. geschweißt oder gelötet). In Analogie zu den 4a bis 4c, ist der in 5a eingekreiste Verbindungsbereich C_n in den vergrößerten Schnittdarstellungen C₁ bzw. C₂ einerseits für den kalten Zustand (5b) und andererseits für den heißen Betriebszustand (5c) dargestellt. Wie in 5b zu erkennen, weist das vom Quellenmodul 1 kommende Rohrteil 44 in diesem Beispiel einen Rohrkragen 48 auf, um eine Schubkraft gegen den angeformten Ring 45 und das äußere Rohrteil 43 beim Einfügen des inneren Rohres 47 aufzubringen, wodurch jeweils eine äußere grobe (nicht vakuumdichte und nicht unbedingt für das flüssige Metall 21 abdichtende) longitudinale Kontaktfläche zwischen den Rohrteilen 43 und 44 und dem angeformten Ring 45 des inneren Rohres 47 entsteht. Die eigentliche zuverlässige Dichtung für den heißen Metallstrom 211 wird – wie in 5c für den heißen Betriebszustand gezeigt – durch radiales Anpressen der Dichtflächen 46 des übergreifenden Ringes 45 sichergestellt. Eine radiale Abdichtung zwischen dem inneren Rohr 47 und dem äußeren Rohrteil 44 kommt in diesem Fall nicht zustande, ist aber aufgrund der Neigung des gesamten Rückführungsrohres 4 auch nicht erforderlich, da die Schwerkraft das flüssige Metall 21 an einem Aufsteigen durch den hohlzylinderförmigen Zwischenraum 49 hindert. Außerdem kommt auch keine Kapillarwirkung im Zwischenraum 49 zustande, weil die Oberflächen von innerem Rohr 47 und äußerem Rohrteil 43 nicht benetzend für das flüssige Metall 21 sind und sich der Zwischenraum 49 im heißen Zustand zusätzlich noch vergrößert. Das innere Rohr 47 mit dem angeformten übergreifenden Ring 45 wird – wie im vorstehenden Ausführungsbeispiel ausschließlich für den übergreifenden Ring 45 beschrieben – aus einem der dort angegebenen Materialien gefertigt, die eine ausreichend geringe Wärmeausdehnung sowie eine hinreichende Widerstandsfähigkeit gegen die vom heißen, flüssigen Metall 21 verursachte Korrosion und Erosion aufweisen.

Die zu den 4a–4c und 5a–5c beschriebenen Maßnahmen sind neben der vereinfachten Montage und Demontage von Quellenmodul 1 und Handhabungseinrichtung 2 vor allem aber auf eine Erhöhung der Lebensdauer der Handhabungseinrichtung 2 durch vereinfachten Austausch von Verschleißkomponenten gerichtet.

1

Quellenmodul

11

Strahlung

12

Plasma

13

umlaufende Komponente

14

Schmelzbad

15

Beschichtung (auf der umlaufenden Komponente)

16

Laser

17

gepulste Hochspannungsquelle

2

Handhabungseinrichtung (für flüssiges Metall)

21

(flüssiges) Metall

211

(heißer) Metallstrom

212

Schlacke

22

Gefäß

221

Reservoir

222

Vorratsvolumen

223

Durchführungskanal

224

Kühlvolumen

225

Anschlussrohr

226

Schlackeabscheider

227

Löcher

228

Strebe

229

Füllstandssensor

23

Pumpeinheit

24

Temperierungseinheit

3

Zuführungsrohr (zum Quellenmodul)

4

Rückführungsrohr (vom Quellenmodul)

41

Ablenkelement (Prallkörper)

42

Auffangelement

43

Rohrteil, äußeres Rohr

44

Rohrteil

45

(übergreifender) Ring

46

Dichtfläche

47

inneres Rohr

48

Rohrkragen

49

Zwischenraum

S

Oberfläche (des Metalls des Reservoirs)