WO2003058213A1 - Method and array for the detection of foreign gas in optical imaging and/or beam control systems - Google Patents

Method and array for the detection of foreign gas in optical imaging and/or beam control systems Download PDF

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WO2003058213A1 PCT/EP2002/014806 EP0214806W WO03058213A1 WO 2003058213 A1 WO2003058213 A1 WO 2003058213A1 EP 0214806 W EP0214806 W EP 0214806W WO 03058213 A1 WO03058213 A1 WO 03058213A1
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Abstract

The invention relates to a method and an array for detecting foreign substances in the beam path of optical imaging or beam control systems (10), in which the housing enclosing the beam path and the optical components (10') is filled or flushed with a protective gas. Said protective gas is exposed to an intensity-modulated electromagnetic analytical wavefield (4') in a test volume (3). A photoacoustic signal (5) is generated for detecting impurities or foreign gases by means of the photoacoustic effect created when frequency components of the analytical wavefield (4') are absorbed by said foreign gases and/or impurities.

Description

Verfahren und Anordnung zur Fremdgaserkennung in optischen Abbildungs- und/oder StrahlführungssystemenMethod and arrangement for foreign gas detection in optical imaging and / or beam guidance systems
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erkennung von Fremdgasen bzw. Verunreinigungen im Strahlengang optischer Abbildungsoder Strahlführungssysteme gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 16.The invention relates to a method and an arrangement for the detection of foreign gases or impurities in the beam path of optical imaging or beam guiding systems according to the preamble of claims 1 and 16.
Bei optischen Abbildungs- oder Strahlführungssystemen, wie sie in der Halbleiterindustrie zum Belichten von Wafern oder bei leistungsstarken Laserschneid- oder Laserschweißanlagen eingesetzt werden, wird der gesamte Strahlengang mit einem extrem reinen Gas, welches das verwendete Laser- licht oder allgemeiner die verwendeten elektromagnetischen Wellen nicht absorbiert, gefüllt. Hierdurch sollen störende Einflüsse von Fremdgasen oder anderen Verunreinigungen wie sehr feinen Aerosolen oder Rauch- oder Staubpartikeln auf die Abbildungseigenschaften ausgeschlossen werden. Kann das optische System nicht hinreichend dicht aufgebaut werden, so wird der gesamte Strahlengang mit einem extrem reinen Gas langsam durchspült. Ein Durchspülen des Strahlenganges kann aber auch dann notwendig werden, wenn einige der beim Aufbau des optischen Systems verwendeten Komponenten ausgasen und somit - meist sehr langsam und schwer vorhersehbar - Fremdgase in den Strahlengang gelangen. Der Einsatz sehr reiner Schutzgase verursacht jedoch sehr hohe Kosten.In optical imaging or beam guidance systems, such as those used in the semiconductor industry for exposing wafers or in high-performance laser cutting or laser welding systems, the entire beam path is filled with an extremely pure gas that does not absorb the laser light used or, more generally, the electromagnetic waves used , filled. In this way, disruptive influences of foreign gases or other impurities such as very fine aerosols or smoke or dust particles on the imaging properties are to be excluded. If the optical system cannot be built up sufficiently densely, the entire beam path is slowly flushed with an extremely pure gas. Flushing the beam path may also be necessary if some of the components used in the construction of the optical system outgas and thus - mostly very slowly and hard to predict - foreign gases get into the beam path. However, the use of very pure protective gases causes very high costs.
Bei Laserbearbeitungsmaschinen wird es zunehmend wichtiger den Strahlengang mit weit weniger reinen Gasen spülen zu können, da hier der Gasverbrauch aufgrund der nur bedingt möglichen Dichtheit eines solchen Strahlführungssystems, hervorgerufen durch die sehr komplexen Komponenten und auch teils sehr lange Strahlführung, naturgemäß hoch ist. Hieraus ergibt sich dann die Notwendigkeit, die verwendeten Gase genauer zu analysieren, um die Abbildungseigenschaften solcher Systeme nicht durch zu stark verunreinigte Schutzgase zu beeinflussen. Es wurde bereits vorge- schlagen, eine Gasanalyse mittels Massenspektrometer durchzuführen, doch ist diese Art der Analytik eher für den Laborbereich, nicht aber für die kontinuierliche Überwachung geeignet, da sowohl die Kosten für solch eine Messtechnik als auch der personelle Aufwand sehr hoch sind.In laser processing machines, it is becoming increasingly important to be able to purge the beam path with far less pure gases, since the gas consumption is naturally high due to the limited tightness of such a beam guidance system, caused by the very complex components and sometimes very long beam guidance. This then results in the need to analyze the gases used more precisely so as not to influence the imaging properties of such systems by excessively contaminated protective gases. It has already been suggested that a gas analysis be carried out using a mass spectrometer, but this type of analysis is more for the laboratory area, but not for that Continuous monitoring is suitable, since both the costs for such a measurement technology and the personnel expenditure are very high.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren und einer Anordnung der eingangs genannten Art die Einflüsse von im Schutzgas befindlichen Fremdstoffen auch unter rauen Einsatzbedingungen rasch und zuverlässig zu erfassen bzw. zu bewerten.Proceeding from this, the object of the invention is to use a method and an arrangement of the type mentioned in the introduction to rapidly and reliably detect and evaluate the influences of foreign substances present in the protective gas, even under harsh operating conditions.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den unabhängigen Patentansprü- chen angegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen.To achieve this object, the combinations of features specified in the independent patent claims are proposed. Advantageous refinements and developments of the invention result from the respective dependent claims.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei optischen Systemen, die zwischen den einzelnen optischen Komponenten (wie etwa Spiegeln, Strahlteilern, Linsen, optischen Gittern oder Prismen) Gase enthalten, die optischen Eigenschaften vom Brechungsindex des verwendeten Gases abhängen. Der wesentliche Einfluss von Fremdgasen oder anderen Verunreinigungen, welche diese, das optische System durchstrahlenden, elektromag- netischen Nutzwellenfelder absorbieren, ist dann darin zu sehen, daß diese Fremdgase oder Verunreinigungen lokal oder auch im gesamten Strahlengang des Nutzwellenfeldes zu einer Erwärmung des verwendeten Schutzgases führen und damit den Brechungsindex des Gases und somit die Abbildungseigenschaften verändern.The invention is based on the knowledge that in optical systems which contain gases between the individual optical components (such as mirrors, beam splitters, lenses, optical gratings or prisms), the optical properties depend on the refractive index of the gas used. The essential influence of foreign gases or other contaminants, which absorb these electromagnetic useful wave fields radiating through the optical system, can be seen in the fact that these foreign gases or contaminants locally or also in the entire beam path of the useful wave field lead to heating of the protective gas used and thus changing the refractive index of the gas and thus the imaging properties.
Um diese Einflüsse von Fremdgasen oder Verunreinigungen auf die optischen Eigenschaften optischer Systeme sicher erkennen zu können, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß das den Strahlengang und meist auch die optischen Komponenten umgebende Schutzgas mittels des photo- akustischen Effektes auf solche Fremdgase oder Verunreinigungen hin untersucht wird. Hierbei wird das zu untersuchende Schutzgas in einem Untersuchungsvolumen einem von einer Strahlquelle (beispielsweise von einem Laser) emittierten, intensitatsmodulierten elektromagnetischen Analysewellenfeld ausgesetzt. Wird dieses Wellenfeld so gewählt, daß zumindest Fre- quenzanteile dieser Wellen von den Fremdgasen oder Verunreinigungen absorbiert werden können, so wird ein Teil der Moleküle und/oder Atome der Fremdgase oder Verunreinigungen durch Absorption der elektromagneti- sehen Wellen in einen energetisch angeregten Zustand gebracht. Durch Stöße mit anderen Molekülen oder Atomen in dem Untersuchungsvolumen können die angeregten Moleküle oder Atome ihre Anregungsenergie ganz oder teilweise abgeben und beispielsweise in Translations-, Rotations-, und Schwingungsenergie der Stoßpartner umwandeln. Die Erhöhung der Translationsenergie der im Untersuchungsvolumen vorhandenen Moleküle oder Atome bedeutet eine Temperaturerhöhung und damit einen Druckanstieg (photoakustischer Effekt). Durch das in das Untersuchungsvolumen eingestrahlte, periodisch in der Intensität veränderte Wellenfeld, ergeben sich pe- riodische Druckschwankungen. Der große Vorteil dieser Art der Ermittlung der Einflüsse von Fremdgasen oder Verunreinigungen ist in dem direkten Zusammenhang zwischen Erwärmung des Schutzgases und dem der Erkennung dieser Einflüsse dienenden photoakustischen Signale zu sehen. Wollte man hingegen mit Massenspektrometem arbeiten, müßten hierzu erst alle in Betracht kommenden Fremdgase oder Verunreinigungen erkannt und eindeutig identifiziert werden, deren Konzentration ermittelt werden und über ein umfangreiches Tabellenwerk die daraus zu erwartenden thermischen Einflüsse errechnet werden.In order to be able to reliably recognize these influences of foreign gases or impurities on the optical properties of optical systems, it is proposed according to the invention that the protective gas surrounding the beam path and usually also the optical components is examined for such foreign gases or impurities by means of the photo-acoustic effect , In this case, the shielding gas to be examined is exposed in an examination volume to an intensity-modulated electromagnetic analysis wave field emitted by a beam source (for example by a laser). If this wave field is selected so that at least frequency fractions of these waves can be absorbed by the foreign gases or contaminants, part of the molecules and / or atoms of the foreign gases or contaminants are absorbed by the electromagnetic see waves brought into an energetically excited state. By collisions with other molecules or atoms in the examination volume, the excited molecules or atoms can release their excitation energy in whole or in part and convert them, for example, into translation, rotation and vibration energy of the collision partners. The increase in the translation energy of the molecules or atoms present in the investigation volume means an increase in temperature and thus an increase in pressure (photoacoustic effect). Periodic pressure fluctuations result from the wave field radiated into the examination volume and changed in intensity periodically. The great advantage of this type of determination of the influences of foreign gases or impurities is to be seen in the direct connection between the heating of the protective gas and the photoacoustic signals used to identify these influences. If, on the other hand, you wanted to work with mass spectrometers, you would first have to identify and clearly identify all foreign gases or impurities in question, their concentration should be determined and the expected thermal influences should be calculated using a comprehensive table.
Vorteilhafterweise wird das photoakustische Signal als Maß für die veränderten Abbildungseigenschaften des optischen Systems und/oder für die Konzentration der Fremdstoffe herangezogen.The photoacoustic signal is advantageously used as a measure for the changed imaging properties of the optical system and / or for the concentration of the foreign substances.
Die spektrale Zusammensetzung kann vorteilhafterweise so gewählt werden, daß das Analysewellenfeld alle oder zumindest einige Frequenzanteile des Nutzwellenfeldes enthält und/oder das Nutzwellenfeld alle und/oder einige Frequenzanteile des Analysewellenfeldes enthält. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die spektrale Zusammensetzung des Nutzwellenfeldes und des Analysewellenfeldes übereinstimmen.The spectral composition can advantageously be chosen such that the analysis wave field contains all or at least some frequency components of the useful wave field and / or the useful wave field contains all and / or some frequency components of the analysis wave field. A preferred embodiment of the invention provides that the spectral composition of the useful wave field and the analysis wave field match.
Wird beispielsweise bei einer Laserschneidanlage ein Cθ2-Laser eingesetzt und der Laser im 10,6 μm Bereich so betrieben, daß das emittierte Laserlicht nur die P(16), P(18), P(20), P(22), P(24) und P(30) Linien enthält, so kann zur Abschätzung des Einflusses von Fremdgasen oder Verunreinigungen auf die Abbildungseigenschaften der Laserschneidanlage (und damit auf die Schneidqualität) ein Analyselaserstrahl verwendet werden, der vorzugsweise nur eine, mehrere oder alle dieser Laserlinien oder noch weitere zusätzliche Laserlinien enthält. Enthält der Analyselaserstrahl alle Laserlinien des Nutzlaserstrahls, aber keine weiteren, so kann vorteilhafterweise die Intensitätsverteilung der einzelnen Linien des Analyselaserstrahls gleich der Intensitätsverteilung der Linien des Nutzlaserstrahls (mit welchem geschnitten wird) gewählt werden. Analog kann natürlich auch bei Abbildungssystemen von Belichtungssystemen die Lichtquellen im UV-Bereich einsetzen, oder auch bei Laserfusionsanordnungen usw. verfahren werden.If, for example, a CO 2 laser is used in a laser cutting system and the laser is operated in the 10.6 μm range so that the emitted laser light only the P (16), P (18), P (20), P (22), P ( 24) and P (30) lines, an analysis laser beam can be used to estimate the influence of foreign gases or impurities on the imaging properties of the laser cutting system (and thus on the cutting quality), which preferably only one, several or all of these laser lines or even more additional Contains laser lines. If the analysis laser beam contains all laser lines of the useful laser beam, but no further ones, then the intensity distribution of the individual lines of the analysis laser beam can advantageously be selected to be equal to the intensity distribution of the lines of the useful laser beam (with which the cut is made). Analogously, of course, the light sources in the UV range can also be used in imaging systems of exposure systems, or the procedure can also be used in laser fusion arrangements, etc.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das intensitäts- modulierte Analysewellenfeld dadurch erzeugt wird, daß vorzugsweise mittels eines Strahlteilers oder eines teildurchlässigen Spiegels oder eines mit einer Bohrung versehenen Spiegels oder durch einen Streukörper, wie etwa ein dünner Draht ein geringer Intensitätsanteil aus dem Nutzwellenfeld ausgekoppelt wird.A preferred embodiment of the invention provides that the intensity-modulated analysis wave field is generated by preferably using a beam splitter or a partially transparent mirror or a mirror provided with a bore or a scattering body, such as a thin wire, for a low intensity component from the useful wave field is decoupled.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Analysewellenfeld durch ein Pulsen der Anregungsleistung der Strahlquelle oder durch periodisches Ausblenden vorzugsweise mittels eines mechanischen Unterbrecherrades in der Intensität moduliert wird.A further advantageous embodiment of the invention provides that the intensity of the analysis wave field is modulated by pulsing the excitation power of the beam source or by periodic masking, preferably by means of a mechanical interrupter wheel.
Bei einigen Lasern, insbesondere bei vielen Eximerlasem, die im UV-Bereich emittieren, kann auch ein zweiter Laserstrahl sehr einfach aus dem Laser ausgekoppelt werden, indem man nicht nur an dem Auskoppelfenster, an welchem der Nutzlaserstrahl aus dem Laser austritt, Laserleistung aus dem Laserresonator auskoppelt, sondern auch an einem Resonatorspiegel oder einem anderen im Resonator befindlichen Bauteil, wie etwa einem Etalon, einen weiteren Laserstrahl mit geringer Laserleistung auskoppelt.With some lasers, in particular with many Eximer lasers that emit in the UV range, a second laser beam can also be coupled out of the laser very simply by not only laser power from the laser resonator at the output window at which the useful laser beam emerges from the laser decouples, but also on a resonator mirror or another component located in the resonator, such as an etalon, decouples another laser beam with low laser power.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Un- tersuchungsvolumen innerhalb des Abbildungs- und/oder Strahlführungssystems so angeordnet wird, daß ohne große zeitliche Verzögerungen ein Gasaustausch möglich ist.A further advantageous embodiment of the invention provides that the examination volume is arranged within the imaging and / or beam guidance system in such a way that gas exchange is possible without great time delays.
Die in dem Untersuchungsvolumen photoakustisch erzeugten Signale wer- den vorteilhafterweise in einem beispielsweise als Mikrofon ausgebildeten Schallsensor in elektrische Ausganssignale umgewandelt und unter Bestimmung ihrer Intensität ausgewertet. lm Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Erkennung von Fremdgasen oder Verunreinigungen im Strahlengang eines optischen Strahlführungssystems nach dem photoakustischen Prinzip.The signals that are photoacoustically generated in the examination volume are advantageously converted into electrical output signals in a sound sensor designed, for example, as a microphone and evaluated with determination of their intensity. The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. The single figure shows a schematic representation of an arrangement for the detection of foreign gases or impurities in the beam path of an optical beam guidance system based on the photoacoustic principle.
Bei dem dargestellten Laserbearbeitungsgerät emittiert die als Laser ausgebildete Strahlquelle 11 den Nutzwellenstrahl 1 als kollimierten, leicht divergenten Laserstrahl. Im Strahlengang des Nutzwellenfeldes 1 befindet sich ein Strahlteiler 6 und danach die eigentlichen optischen Komponenten 10' des optischen Abbildungs- oder Strahlführungssystems 10, welche das Nutzwellenfeld 1 auf die zu belichtende oder zu bearbeitende oder zu verdampfende Oberfläche 16, beispielsweise von Wafern, zu schneidenden Blechen oder bei der Laserfusion aufzuheizenden Targets geeignet abbilden sollen. Mittels des Strahlteilers 6 wird aus dem Nutzwellenfeld 1 das Analysewellenfeld 4 ausgekoppelt. Im Strahlengang des Analysewellenfeldes 4 befinden sich nacheinander ein Auskoppelfenster 19 und eine Modulationseinheit 12. Durch das Auskoppelfenster 19 kann das Analysewellenfeld 4 aus dem Gehäuse des Abbildungs- oder Strahlführungssystems 10 austre- ten. Mittels der Modulationseinheit 12, welche vorzugsweise als mechanisches Unterbrecherrad ausgebildet wird, kann der Analysestrahl 4 in der Intensität moduliert werden. Im Strahlengang des so modulierten Analysewellenfeldes 4' befindet sich die Nachweiskammer 3. Sie weist ein Ein- und Auslaßfenster 18, 18', einen mit Gas befüllbaren Innenraum 17 und einen im Innenraum angeordneten, als Mikrofon ausgebildeten Schallsensor 7 auf.In the laser processing device shown, the beam source 11 designed as a laser emits the useful wave beam 1 as a collimated, slightly divergent laser beam. In the beam path of the useful wave field 1 there is a beam splitter 6 and then the actual optical components 10 ′ of the optical imaging or beam guiding system 10, which direct the useful wave field 1 onto the surface 16 to be exposed, processed or evaporated, for example of wafers to be cut or should suitably image targets to be heated in laser fusion. The analysis wave field 4 is coupled out of the useful wave field 1 by means of the beam splitter 6. A decoupling window 19 and a modulation unit 12 are located one after the other in the beam path of the analysis wave field 4. The analysis wave field 4 can emerge from the housing of the imaging or beam guidance system 10 through the decoupling window 19. By means of the modulation unit 12, which is preferably designed as a mechanical interrupter wheel, the analysis beam 4 can be modulated in intensity. The detection chamber 3 is located in the beam path of the analysis wave field 4 'modulated in this way. It has an inlet and outlet window 18, 18', an interior 17 which can be filled with gas and an acoustic sensor 7 arranged in the interior and designed as a microphone.
Die Nachweiskammer 3 ist mit einem Befüllanschluß 8 und einem Evakuieranschluß 9 versehen. Sie kann mittels dieser Anschlüsse mit dem auf Fremdgase oder Verunreinigungen hin zu untersuchenden Schutzgas befüllt werden und nach einer Analyse wieder geleert, evakuiert oder auch gespült werden. Da das intensitätsmodulierte Analysewellenfeld 4' zu jedem Zeitpunkt dieselbe spektrale Zusammensetzung wie das Nutzwellenfeld 1 besitzt, wird von den im Schutzgas enthaltenen Fremdgasen oder Verunreinigungen genau dann Energie aus dem Analysewellenfeld 4' absorbiert, wenn auch Energie aus dem Nutzwellenfeld 1 absorbiert wird. Die beim Durchstrahlen der Nachweiskammer 3 durch die in dem Schutzgas enthaltenen Fremdgase oder Verunreinigungen absorbierte Strahlenergie führt nach dem photoakustischen Effekt zu Temperaturänderungen und damit zu Druckschwankungen mit der durch die Modulationsfrequenz aufgeprägten Frequenz, die an dem Schallsensor 7 in elektrische Ausgangssignale umgewandelt werden können. Da die erzeugten Temperaturänderungen unter ge- eignet gewählten Randbedingungen, wie etwa eine auf den Strahldurchmesser, die Dimensionen der Nachweiskammer, das verwendete Schutzgas, den in der Nachweiskammer eingestellten Druck und die zu detektierenden Fremdgase abgestimmte Modulationsfrequenz, zu den erzeugten Druckschwankungen direkt proportional sind, bildet ein so erzeugtes photoakusti- sches Signal 5 ein eindeutiges Merkmal zur Beurteilung der Strahleigenschaften des optischen Abbildungs- oder Strahlführungssystems.The detection chamber 3 is provided with a filling connection 8 and an evacuation connection 9. It can be filled with the protective gas to be examined for foreign gases or impurities by means of these connections and, after an analysis, emptied, evacuated or also flushed. Since the intensity-modulated analysis wave field 4 'has the same spectral composition as the useful wave field 1 at all times, energy from the analysis wave field 4' is absorbed by the foreign gases or impurities contained in the protective gas if and only if energy from the useful wave field 1 is also absorbed. The radiation energy absorbed when the detection chamber 3 is irradiated by the foreign gases or impurities contained in the protective gas leads to Photoacoustic effect on temperature changes and thus on pressure fluctuations with the frequency impressed by the modulation frequency, which can be converted at the sound sensor 7 into electrical output signals. Since the temperature changes generated are directly proportional to the pressure fluctuations generated under suitable conditions, such as a beam diameter, the dimensions of the detection chamber, the shielding gas used, the pressure set in the detection chamber and the external gases to be detected a photoacoustic signal 5 generated in this way is a unique feature for assessing the beam properties of the optical imaging or beam guidance system.
Der Befüllanschluß 8 der Nachweiskammer 3 ist über die Leitung 22 mit der Ablassöffnung 21 des Strahlführungssystems 10 verbunden und mit einem Befullventil 22' versehen. Über die Ablassöffnung 21 kann dann eine Probe des in dem Strahlführungssystem 10 befindlichen Schutzgases für eine Analyse entnommen werden. Das Abbildungs- oder Strahlführungssystem 10 kann über die Einlassöffnung 20 mit Schutzgas befüllt und/oder durch kontinuierliches Einleiten von Schutzgas gespült werden. Das Schutzgas tritt dann an undichten Stellen oder sonstigen Öffnungen aus dem Strahlführungssystem wieder aus.The filling connection 8 of the detection chamber 3 is connected via the line 22 to the drain opening 21 of the beam guidance system 10 and is provided with a filling valve 22 '. A sample of the protective gas located in the beam guiding system 10 can then be taken via the discharge opening 21 for analysis. The imaging or beam guidance system 10 can be filled with protective gas via the inlet opening 20 and / or flushed by continuously introducing protective gas. The shielding gas then emerges from the beam guidance system at leaks or other openings.
Der Evakuieranschluß 9 der Nachweiskammer wird über Leitung 23 mit einer Vakuumpumpe 24 verbunden und ist mit einem Evakuierventil 23' versehen.The evacuation connection 9 of the detection chamber is connected to a vacuum pump 24 via line 23 and is provided with an evacuation valve 23 '.
Die Analyse des Schutzgases auf Fremdgase und/oder Verunreinigungen hin wird wie folgt durchgeführt:The shielding gas is analyzed for foreign gases and / or impurities as follows:
• Evakuierventil 23' wird geöffnet, bis sich ein hinreichend tiefes Vaku- um in der Nachweiskammer 3 einstellt und/oder unterschritten wird.Evacuation valve 23 'is opened until a sufficiently deep vacuum is established in the detection chamber 3 and / or the pressure falls below.
Das Vakuum kann vorzugsweise mittels eines in der Leitung 23 zwischen Evakuierventil 23' und Nachweiskammer 3 angebrachten Drucksensors gemessen werden;The vacuum can preferably be measured by means of a pressure sensor installed in the line 23 between the evacuation valve 23 'and the detection chamber 3;
• sodann wird das Befullventil 22' in der Leitung 22 geöffnet, um eine• Then the filling valve 22 'in line 22 is opened to one
Probe des in dem Strahlführungssystem vorhandenen Schutzgases entnehmen zu können; • sodann wird nach einer kurzen Wartezeit, vorzugsweise ein bis zwei Sekunden, in denen die Leitungen 22, 23 und die Nachweiskammer durchspült werden, das Evakuierventil 23' geschlossen. Sobald der in der Leitung 23 zwischen Evakuierventil 23' und Nachweiskammer 3 angebrachte Drucksensor den gewünschten Druck, vorzugsweise Atmosphärendruck anzeigt, wird das Befullventil 22' geschlossen und danach das Schutzgas auf eventuell enthaltene Fremdgase oder Verunreinigungen hin analysiert.To be able to take a sample of the protective gas present in the beam guidance system; • After a short waiting time, preferably one to two seconds, in which the lines 22, 23 and the detection chamber are flushed, the evacuation valve 23 'is closed. As soon as the pressure sensor mounted in line 23 between the evacuation valve 23 'and the detection chamber 3 indicates the desired pressure, preferably atmospheric pressure, the filling valve 22' is closed and the protective gas is then analyzed for any foreign gases or impurities that may be present.
Die Reinigung der Nachweiskammer 3 kann dann durch ein hinreichend tiefes Evakuieren mittels des Evakuierventils 23' gesteuert werden.The cleaning of the detection chamber 3 can then be controlled by a sufficiently deep evacuation by means of the evacuation valve 23 '.
Alternativ hierzu kann durch Anbringen einer Drossel in der Leitung zwischen Vakuumpumpe 24 und Evakuierventil 23' bei offenem Evakuierventil und offenem Befullventil ein konstanter Volumenstrom durch die Nachweiskammer gesaugt werden und so eine kontinuierliche Analyse des Schutzgases durchgeführt werden. Alternatively, a constant volume flow can be drawn through the detection chamber by attaching a throttle in the line between the vacuum pump 24 and the evacuation valve 23 'with the evacuation valve and the filling valve open, so that a continuous analysis of the protective gas can be carried out.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Fremdgaserkennung in optischen Abbildungs- und/oder Strahlführungssystemen (10), bei welchen ein von einem elektromagneti- sehen Nutzwellenfeld (1 ) durchstrahltes Volumen (2) des optischen Abbildungs- und/oder Strahlführungssystems (10) mit einem die Frequenzanteile des Nutzwellenfeldes (1 ) nicht absorbierenden Schutzgas gefüllt und/oder durchspült wird, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Schutzgas in einem Untersuchungsvolumen (3) einem intensitätsmodulier- ten elektromagnetischen Analysewellenfeld (4') ausgesetzt wird, und daß bei der Absorption von Frequenzanteilen des Analysewellenfeldes (4') durch Fremdgase und/oder Verunreinigungen mittels des photoakustischen Effektes ein photoakustisches Signal (5) zur Erkennung der Verunreinigungen und/oder Fremdgase erzeugt wird.1. A method for the detection of extraneous gas in optical imaging and / or beam guidance systems (10), in which a volume (2) of the optical imaging and / or beam guidance system (10) irradiated by an electromagnetic useful wave field (1) has a frequency component of the Useful wave field (1) non-absorbing shielding gas is filled and / or flushed through, characterized in that the shielding gas used is exposed to an intensity-modulated electromagnetic analysis wave field (4 ') in an examination volume (3), and that in the absorption of frequency components of the analysis wave field ( 4 ') by means of foreign gases and / or impurities, a photoacoustic signal (5) for detecting the impurities and / or foreign gases is generated by means of the photoacoustic effect.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das photoakustische Signal (5) als Maß für die veränderten Abbildungseigenschaften des optischen Systems ausgewertet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the photoacoustic signal (5) is evaluated as a measure of the changed imaging properties of the optical system.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das photoakustische Signal (5) als Maß für die Konzentration der Fremdgase und/oder Verunreinigungen ausgewertet wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the photoacoustic signal (5) is evaluated as a measure of the concentration of the foreign gases and / or impurities.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Analysewellenfeld (4') Frequenzanteile des Nutzwellenfeldes (1 ) enthält.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the analysis wave field (4 ') contains frequency components of the useful wave field (1).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle der im Analysewellenfeld (4') enthaltenen Frequenzanteile auch im Nutzwellenfeld (1) enthalten sind.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that all of the frequency components contained in the analysis wave field (4 ') are also contained in the useful wave field (1).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle der im Nutzwellenfeld (1 ) enthaltenen Frequenzanteile auch im Analysewellenfeld (4') enthalten sind. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that all of the frequency components contained in the useful wave field (1) are also contained in the analysis wave field (4 ').
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Zusammensetzung der im Analysewellenfeld (4') enthaltenen Frequenzanteile mit der spektralen Zusammensetzung der im Nutzwellenfeld (1 ) enthaltenen Frequenzanteile übereinstimmt.7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the spectral composition of the frequency components contained in the analysis wave field (4 ') matches the spectral composition of the frequency components contained in the useful wave field (1).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Analysewellenfeld (4') aus dem von einer Strahlquelle (11) emittierten und das Abbildungs- und/oder Strahlführungssystem (10) durch- setzenden Nutzwellenfeld (1 ) vorzugsweise mittels eines Strahlteilers (6) ausgekoppelt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the analysis wave field (4 ') from the emitted by a beam source (11) and the imaging and / or beam guidance system (10) enforcing useful wave field (1) preferably by means a beam splitter (6) is coupled out.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Analysewellenfeld (4') durch vorzugsweise periodisches Pulsen der Anregungs- leistung der Strahlquelle (11 ) intensitätsmoduliert wird.9. The method according to claim 8, characterized in that the analysis wave field (4 ') is intensity-modulated by preferably periodic pulsing of the excitation power of the beam source (11).
10.Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Analy- senwellenfeld durch vorzugsweise periodisches Ausblenden intensitätsmoduliert wird.10. The method according to claim 8, characterized in that the analysis wave field is intensity-modulated by preferably periodic masking.
11.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Untersuchungsvolumen (3) innerhalb des von dem Nutzwellenfeld (1 ) durchstrahlten Volumens (2) des optischen Abbildungsund/oder Strahlführungssystems (10) so angeordnet ist, daß ein Gasaus- tausch zwischen beiden Volumina (2,3) möglich ist.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that the examination volume (3) within the volume (2) of the optical imaging and / or beam guidance system (10) irradiated by the useful wave field (1) is arranged such that a gas discharge exchange between the two volumes (2,3) is possible.
12.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß das bei einem Durchspülen des optischen Abbildungs- und/oder Strahlführungssystems (10) an einer Ablassöffnung (21) austretende Schutzgas in das Untersuchungsvolumen (3) geleitet wird.12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the protective gas emerging at a discharge opening (21) when the optical imaging and / or beam guidance system (10) is flushed is passed into the examination volume (3).
13.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das photoakustische Signal (5) so mittels eines vorzugsweise als Mikrophon ausgebildeten Schallsensors (7) erzeugt wird, daß es den mit- tels des photoakustischen Effekts in dem Untersuchungsvolumen (3) er- zeugten Druckänderungen proportional ist und unter Bestimmung der Intensität ausgewertet wird.13.The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the photoacoustic signal (5) is generated by means of a sound sensor (7), preferably designed as a microphone, in such a way that it uses the photoacoustic effect in the examination volume (3). he- witnessed changes in pressure is proportional and evaluated while determining the intensity.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeich- net, daß das von dem Nutzwellenfeld (1 ) durchstrahlte Volumen (2) so mit dem Schutzgas durchspült wird, daß sich Fremdgase und/oder Verunreinigungen homogen in diesem Volumen verteilen.14. The method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that the volume (2) irradiated by the useful wave field (1) is flushed with the protective gas in such a way that foreign gases and / or impurities are homogeneously distributed in this volume.
15.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeich- net, daß als Schutzgas Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder Helium und/oder Wasserstoff und/oder Argon verwendet wird.15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that nitrogen and / or oxygen and / or helium and / or hydrogen and / or argon is used as the protective gas.
16.Anordnung zur Erkennung von Fremdgasen oder Verunreinigungen in optischen Abbildungs- und/oder Strahlführungssystemen (10), mit einer Strahlquelle (11 ) zur Emission eines elektromagnetischen Nutzwellenfeldes (1) und einem den Strahlengang des Nutzwellenfeldes (1) umgebenden, mit Schutzgas befüllbaren und/oder durchspülbaren, vorzugsweise durch ein Gehäuse des Abbildungs- und/oder Strahlführungssystems (10) definierten Volumen (2), gekennzeichnet durch eine mit dem verwende- ten Schutzgas befüllbare Nachweiskammer (3), eine Einrichtung (6,12) zur Erzeugung eines die Nachweiskammer (3) durchsetzenden intensitatsmodulierten Analysewellenfeldes (4') und einen in der Nachweiskammer (3) angeordneten Schallsensor (7) zur Erfassung von durch den photoakustischen Effekt in der Nachweiskammer (3) erzeugten Druckschwan- kungen.16. Arrangement for the detection of foreign gases or impurities in optical imaging and / or beam guidance systems (10), with a beam source (11) for the emission of an electromagnetic useful wave field (1) and one that can be filled with protective gas and surrounds the beam path of the useful wave field (1) / or flushable volume (2), preferably defined by a housing of the imaging and / or beam guidance system (10), characterized by a detection chamber (3) which can be filled with the protective gas used, a device (6, 12) for generating a Detection chamber (3) penetrating intensity-modulated analysis wave field (4 ') and a sound sensor (7) arranged in the detection chamber (3) for detecting pressure fluctuations generated by the photoacoustic effect in the detection chamber (3).
17.Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6,12) einen Strahlteiler (6) zum Auskoppeln des Analysewellenfeldes (4') aus dem Nutzwellenfeld (1 ) umfaßt.17. Arrangement according to claim 16, characterized in that the device (6, 12) comprises a beam splitter (6) for decoupling the analysis wave field (4 ') from the useful wave field (1).
Iδ.Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6,12) ein mechanisches Unterbrecherrad (12) aufweist. Iδ.Anordnung according to claim 16 or 17, characterized in that the device (6,12) has a mechanical interrupter wheel (12).
19.Anordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachweiskammer (3) mit einem Befüllanschluß (8) und einem Evakuieranschluß (9) für das Schutzgas versehen ist.19. Arrangement according to one of claims 16 to 18, characterized in that the detection chamber (3) is provided with a filling connection (8) and an evacuation connection (9) for the protective gas.
20.Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablassöffnung (21) des Strahlführungssystems (10) zum Überleiten von Schutzgas über eine Leitung (22) mit dem Befüllanschluß (8) der Nachweiskammer (3) verbunden ist.20.The arrangement according to claim 19, characterized in that a drain opening (21) of the beam guidance system (10) for passing protective gas over a line (22) with the filling connection (8) of the detection chamber (3) is connected.
21. Anordnung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitung (22) zwischen Ablassöffnung (21) und Befüllanschluß (8) ein Befullventil (22') zum Öffnen und Verschließen des Befüllanschlusses angeordnet ist, und daß der Evakuieranschluß (9) über eine Leitung (23) und ein darin angeordnetes Evakuierventil (23') mit einer Vakuumpumpe (24) zum Evakuieren und/oder Spülen der Nachweiskammer (3) verbunden ist. 21. The arrangement according to claim 20, characterized in that a filling valve (22 ') for opening and closing the filling connection is arranged in the line (22) between the drain opening (21) and filling connection (8), and that the evacuation connection (9) via a line (23) and an evacuation valve (23 ') arranged therein is connected to a vacuum pump (24) for evacuating and / or flushing the detection chamber (3).
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