DE102022205579A1 - Schwingungsüberwachte Laseroptik - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (12) zur Überwachung einer Laseroptik (16). Dabei misst zumindest ein Sensor (24) die/den von der Laseroptik (16) ausgehenden Vibrationen, Körperschall und/oder Schall. Die Messung kann auf eine Modulationsfrequenz eines durch die Laseroptik (16) geleiteten Laserstrahls (18) beschränkt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Messung mit einer Messung im Optimalbetrieb verglichen werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Laseranlage (10), insbesondere zur Durchführung eines solchen Verfahrens (12).

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Laseroptik einer Laseranlage. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Laseranlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
  • In Optiken für Hochleistungs-Laseranwendungen sind während des Betriebs entstehende Defekte, z.B. Einbrände oder Absorptionserhöhung durch Verschmutzung, eine häufig auftretende Ursache für ungeplante Wartungsfälle oder Beschädigungen an Maschinen. Die Erfindung dient der möglichst frühzeitigen Detektion von langsam akkummulierten Defekten (z.B. kontinuierlich zunehmender Verschmutzungsgrad) und/oder von Einzelvorfällen (z.B. das Entstehen von Einbränden auf Beschichtungen und Optiken durch auftretende Pulsspitzen oder Partikelabbrände). Dadurch kann frühzeitig Maschinenausfällen vorgebeugt werden.
  • Es ist der Anmelderin bekannt, den Betrieb einer Laseroptik durch Kontrolle einer Kühlmitteltemperatur zu überwachen. Bei Auftritt eines Defekts in der Laseroptik erwärmt sich diese, was durch die Überwachung der Kühlmitteltemperatur erfasst werden kann. Ein Anstieg der Kühlmitteltemperatur kann jedoch oftmals erst stark zeitverzögert erfasst werden.
  • Weiterhin ist es der Anmelderin bekannt, eine Laseroptik mittels Lichtquelle und Fotodiode zu überwachen. Eine solche Überwachung ist allerdings anfällig für Blitze von Partikeln, die durch die Laseroptik laufen, jedoch nicht zu Defekten der Laseroptik führen.
  • Weiterhin ist es der Anmelderin bekannt, Ausgangsgrößen der Laseranlage zu überwachen, beispielsweise Soll- und Istwerte der Laserleistung zu vergleichen. Auch in diesem Fall werden Defekte jedoch erst vergleichsweise spät detektiert.
  • Die der Anmelderin bekannten Verfahren sind nicht notwendigerweise öffentlich bekannt geworden.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das eine schnelle und zuverlässige Überwachung einer Laseranlage auf konstruktiv einfache Art und Weise erlaubt. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Laseranlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Laseranlage gemäß Anspruch 7. Die abhängigen Ansprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen wieder.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung einer Laseroptik einer Laseranlage mit den Verfahrensschritten:
    1. C) Durchlaufen eines Laserstrahls durch die Laseroptik;
    2. D) Erfassen der/des in der Laseroptik entstehenden Vibrationen, Körperschalls und/oder Schalls mittels eines Sensors;
    3. F) Erzeugen einer Ausgabe basierend auf den/dem gemessenen Vibrationen, Körperschall und/oder Schall.
  • An einem Defekt entsteht/entstehen eine laserinduzierte Schwingung/Körperschall und/oder Schall. Dabei wird an dem Defekt Laserleistung absorbiert, die zu einer Temperaturerhöhung und damit zu einer thermischen Ausdehnung der Laseroptik führt, und es werden Körperschall, Schall und/oder Vibrationen in der Laseroptik erzeugt. Ein solcher Defekt kann bspw. durch Ablation von Material der Laseroptik entstehen.
  • Kommt es zu einer plötzlichen Temperaturerhöhung, z.B. aufgrund von Partikelabbrand, Brechen der Laseroptik, Beschädigung von Beschichtungen der Laseroptik durch Pulsspitzen, Plasmadurchbrüchen im Umgebungsmedium oder auf der Laseroptik oder deren Beschichtung selbst, kann es sein, dass eine messbare Stoßwelle in der Laseroptik erzeugt wird. Falls sich die Laseroptik in einer Atmosphäre befindet, wird dann zusätzlich auch eine Schallwelle emittiert, die ebenfalls detektierbar ist.
  • Anhand des zeitlichen Verlaufs der erfassten Vibrationen, des erfassten Schalls und/oder Körperschalls, bspw. des Auftretens von Spitzen in dem erfassten Signal, kann auf ein solches Ereignis geschlossen werden.
  • Bei gepulsten Lasern oder leistungsmodulierten Lasern führt die Modulation der Laserleistung zu einer Modulation der absorbierten Leistung und somit zu einer pulsierenden Wärmequelle, die wiederum eine pulsierende thermische Ausdehnung und somit wiederum Vibrationen, Körperschall und Schallemission zur Folge hat. Zu erwarten ist somit eine um den absorbierenden Defekt herum lokalisierte Schall-, Vibrations- oder Körperschallquelle, deren Frequenz der Modulationsfrequenz des einfallenden Laserstrahls (z.B. der Pulsrepetitionsrate bei gepulsten Lasern oder die Modulations-/Regelfrequenz bei leistungsgeregelten kontinuierlichen Lasern) entspricht. Somit kann im Frequenzspektrum des emittierten Schalls, Körperschalls und/oder Vibrationen eine Amplitudenerhöhung im betreffenden Frequenzbereich gemessen werden. Die Intensität und damit die Amplitude dieses Schalls, Körperschalls und/oder dieser Vibrationen ist proportional zur mittleren absorbierten Leistung. Somit kann anhand der Amplitudenerhöhung direkt auf die absorbierte Leistung geschlossen werden.
  • Besonders bevorzugt sind die Sensoren dabei an der Laseroptik befestigt.
  • Besonders bevorzugt werden die in der Laseroptik entstehenden Vibrationen, Körperschall und/oder Schall mittels mindestens dreier Sensoren erfasst. Die mindestens drei Sensoren erfassen im Fall eines Defekts Schall, Körperschall und/oder Vibrationen zu jeweils unterschiedlichen Zeitpunkten. Durch Triangulation kann dann aus Laufzeitmessungen (im Falle einer Stoßwelle) oder Phasenunterschieden (im Falle einer frequenzbasierten Auswertung) auf die Position des Defekts im Volumen der Laseroptik geschlossen werden.
  • Durch Überwachung der Vibrationen, des Körperschalls und/oder des Schalls kann somit im Zeitbereich auf zeitlich diskrete Defektereignisse geschlossen werden, während die Analyse der Amplitudenverteilung im Frequenzbereich eine Detektion langsamerer Ereignisse, z.B. eine Absorptionserhöhung durch akkumulierte Verschmutzung, ermöglicht. Beide Auswerteverfahren sind dabei komplementär und können alternativ oder gleichzeitig angewandt werden.
  • Durch die Erfassung der/des von der Laseroptik emittierten Vibrationen, Körperschalls und/oder Schalls können auf einfache Art und Weise zuverlässig und frühzeitig in der Laseroptik auftretende Defekte erkannt werden. Mit anderen Worten ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine effiziente Überwachung einer Laseroptik, wobei zur Überwachung wenig Bauraum nötig ist.
  • Die Ausgabe kann, vorzugsweise optisch und/oder akustisch, auf einer Ausgabeeinrichtung erfolgen. Die Ausgabe kann einen Alarm umfassen, wenn die Ausgabe vordefinierte Schwellenwerte übersteigt.
  • Vorzugsweise wird die Messung im Verfahrensschritt D) auf einen Modulationsfrequenzbereich des Laserstrahls, insbesondere auf eine Pulsfrequenz des Laserstrahls, reduziert. Die Beschränkung kann durch einen Bandpassfilter erfolgen. Der Bandpassfilter kann in Form einer Hardware und/oder einer Software vorliegen. Der Modulationsfrequenzbereich des Laserstrahls beträgt vorzugsweise zwischen 10 kHz und 150 kHz, insbesondere zwischen 20 kHz und 130 kHz, besonders bevorzugt zwischen 30 kHz und 120 kHz.
  • In bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens weist das Verfahren zusätzlich folgende Verfahrensschritte auf:
    1. A) Durchlaufen des Laserstrahls durch die Laseroptik im defektfreien Zustand, also im Optimalbetrieb;
    2. B) Erfassen der/des in der Laseroptik entstehenden Vibrationen, Körperschalls und/oder Schalls im Optimalbetrieb mittels des Sensors und Speichern der erfassten Daten;
    3. E) Vergleichen der im Verfahrensschritt B) gespeicherten Daten mit den im Verfahrensschritt D) erfassten Daten und Erzeugen einer Ausgabe im Verfahrensschritt F) im Falle einer Abweichung der Daten.
  • Hierdurch können die im Optimalbetrieb erzeugten Vibrationen, der im Optimalbetrieb erzeugte Körperschall bzw. der im Optimalbetrieb erzeugte Schall unberücksichtigt bleiben und die unvorhergesehenen Abweichungen leicht erkannt werden. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die Ausgabe erst dann erzeugt, wenn die Abweichung der beiden Messungen einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet.
  • Besonders bevorzugt werden die/der in der Laseroptik entstehenden Vibrationen, Körperschall und/oder Schall im Optimalbetrieb in Abhängigkeit von der Laserleistung erfasst. Auf diese Weise werden Signalschwankungen, die durch eine gewollte Erhöhung der Laserleistung zustande kommen, herauskalibriert.
  • Vorzugsweise wird die Messung im Verfahrensschritt B), insbesondere wie im Verfahrensschritt D), auf einen Modulationsfrequenzbereich des Laserstrahls, insbesondere auf eine Pulsfrequenz des Laserstrahls, reduziert. Hierdurch können Hintergrundvibrationen, Hintergrundkörperschall bzw. Hintergrundschall ausgeblendet werden.
  • Im erfindungsgemäßen Verfahren kann/können ein MEMS-Vibrometer und/oder ein Lasertriangulationssensor als Sensor eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann folgender Sensor/können folgende Sensoren vorgesehen sein:
    1. a) ein Laservibrometer;
    2. b) ein Piezomikrofon, insbesondere mit Sensitivität im akustischen und/oder Ultraschallbereich; und/oder
    3. c) ein Mikrofon, insbesondere in Form eines optischen Mikrofons.
  • In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist das Verfahren folgenden Verfahrensschritt auf:
    1. G) Erzeugen von EUV-Strahlung durch Bestrahlung von Targetmaterial, insbesondere in Form eines Zinntröpfchens, durch den Laserstrahl.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Laseranlage, insbesondere zur Durchführung eines hier beschriebenen Verfahrens, mit einer Laseroptik zur Führung eines Laserstrahls, wobei die Laseranlage einen Sensor zur Überwachung der Laseroptik aufweist, wobei der Sensor in Form
    • - eines Vibrationssensors;
    • - eines Körperschallsensors; und/oder
    • - eines Schallsensors
    ausgebildet ist.
  • Die Laseranlage kann ein mit dem Laserstrahl bestrahlbares Targetmaterial zur Erzeugung von EUV-Strahlung aufweisen.
  • Die zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens genannten Verfahrensmerkmale beziehen sich zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf die Vorrichtung (Laseranlage) und umgekehrt.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung
    • 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Laseranlage zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei von einer Laseroptik ausgehende Schwingungen gemessen werden.
    • 2a zeigt die Amplitude gemessener Schwingungen der Laseroptik aus 1 über der Zeit, wobei ein Defekt der Laseroptik zunimmt.
    • 2b zeigt die zu 2a gemessenen Schwingungen nach dem Filtern bei ca. 50 kHz.
    • 2c zeigt die Amplitude gemessener Schwingungen der Laseroptik aus 1 über der Zeit im Optimalbetrieb.
    • 2d zeigt die Amplitude gemessener Schwingungen der Laseroptik aus 1 über der Zeit im Normalbetrieb nach Abzug der im Optimalbetrieb gemessenen Amplitude.
  • 1 zeigt eine Laseranlage 10 zur Durchführung eines Verfahrens 12. Die Laseranlage 10 weist eine Laserquelle 14 und eine Laseroptik 16 auf, wobei die Laseroptik 16 einen oder mehrere Spiegel und/oder eine oder mehrere Linsen aufweisen kann. Ein aus der Laseroptik 16 austretender Laserstrahl 18 bestrahlt ein Targetmaterial 20, hier in Form eines Zinntröpfchens. Hierdurch wird das Targetmaterial 20 zur Emission von EUV-Strahlung 22 angeregt.
  • An der Laseroptik 16, bspw. an einer Linse oder einem Spiegel ist ein Sensor 24 angeordnet. Der Sensor 24 ist zur Messung von Vibrationen, Körperschall und/oder Schall ausgebildet. Der Sensor 24 ist kabellos und/oder kabelgebunden mit einer Ausgabeeinrichtung 26 verbunden. Die mit dem Sensor 24 gemessenen Daten werden bearbeitet und/oder unbearbeitet in der Ausgabeeinrichtung 26 ausgegeben.
  • 2a zeigt die mit dem Sensor 24 gemessene Vibrations-, Körperschall- oder Schallamplitude in beliebigen Einheiten über der Zeit. Da der Laserstrahl 18 mit 50 kHz gepulst ist, werden vornehmlich im Abstand von 20 µs höhere Amplituden gemessen. Die Amplituden nehmen zu, was auf einen zunehmenden Defekt der Laseroptik 16 schließen lässt.
  • 2b zeigt das in 2a gemessene Signal nach dem Durchlaufen eines Bandpassfilters im Bereich von 50 kHz. Aus 2b ist noch deutlicher als aus 2a ersichtlich, dass die/der auf den gepulsten Laserstrahl 18 zurückzuführende(n) Vibrationen, Körperschall und/oder Schall zunimmt/zunehmen.
  • 2c zeigt eine 2a entsprechende Messung im Optimalbetrieb der Laseranlage 10. Die in 2c gezeigte Messung im Optimalbetrieb kann, insbesondere in der Ausgabeeinrichtung 26, hinterlegt werden.
  • 2d zeigt eine 2c entsprechende Messung im Normalbetrieb nach Subtraktion der Messung im Optimalbetrieb. Der Optimalbetrieb ist durch die gestrichelte Linie dargestellt. Der Normalbetrieb ist durch die gestrichelte und durchgezogene Linie dargestellt. Die tatsächlich ausgegebene Differenzmessung (durchgezogene Linie) zeigt die im Normalbetrieb gemessenen Signale nach Abzug der im Optimalbetrieb gemessenen Signale. In 2d ergibt sich für den Normalbetrieb im Vergleich zum Optimalbetrieb ein zusätzlicher Peak. Dieser zusätzliche Peak lässt auf einen plötzlich auftretenden Defekt schließen, bspw. einen Bruch einer vorgeschädigten Laseroptik, der zwischen zwei Laserpulsen entsteht. Die Amplitude der auf diesen zusätzlichen Peak folgenden Peaks ist höher als die Amplitude der diesem zusätzlichen Peak vorgelagerten Peaks, da die Laseroptik dann einen Defekt hat.
  • Da das Schallsignal mit der Frequenz und Phase des auf die Laseroptik auftreffenden Laserstrahls angeregt wird, ergibt sich für einen bspw. zeitlich zunehmenden Defekt für den Normalbetrieb ein ähnliches Bild wie in 2a, d.h. die Amplitude der jeweiligen Peaks nimmt kontinuierlich zu. Entsteht der Defekt beim Auftreffen des Laserstrahls auf die Laseroptik, entsteht kein zusätzlicher Peak wie in 2d gezeigt. Im Vergleich zum Optimalbetrieb nimmt lediglich die Amplitude der einzelnen Peaks zu. Durch die Konzentration auf die Abweichung vom Optimalbetrieb können spontan entstehende Defekte leicht detektiert werden.
  • Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend ein Verfahren 12 zur Überwachung einer Laseroptik 16. Dabei misst zumindest ein Sensor 24 die/den von der Laseroptik 16 ausgehenden Vibrationen, Körperschall und/oder Schall. Die Messung kann auf eine Modulationsfrequenz eines durch die Laseroptik 16 geleiteten Laserstrahls 18 beschränkt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Messung mit einer Messung im Optimalbetrieb verglichen werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Laseranlage 10, insbesondere zur Durchführung eines solchen Verfahrens 12.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Laseranlage
    12
    Verfahren
    14
    Laserquelle
    16
    Laseroptik
    18
    Laserstrahl
    20
    Targetmaterial
    22
    EUV-Strahlung
    24
    Sensor
    26
    Ausgabeeinrichtung

Claims (8)

  1. Verfahren (12) zur Überwachung einer Laseroptik (16) einer Laseranlage (10) mit den Verfahrensschritten: C) Führen eines Laserstrahls (18) durch die Laseroptik (16); D) Messen der in der Laseroptik (16) entstehenden Vibrationen, des in der Laseroptik (16) entstehenden Körperschalls und/oder des in der Laseroptik (16) entstehenden Schalls durch einen Sensor (24); F) Erzeugen einer Ausgabe der gemessenen Vibrationen, des Körperschalls und/oder Schalls; und/oder einer Ausgabe der Änderung der gemessenen Vibrationen, des Körperschalls und/oder Schalls.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Verfahrensschritt D) eine Messung der Vibrationen, des Körperschalls und/oder Schalls auf einen Modulationsfrequenzbereich des Laserstrahls (18) reduziert wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Verfahrensschritten: A) Führen eines Laserstrahls (18) durch die Laseroptik (16) im defektfreien Zustand; B) Messen der in der defektfreien Laseroptik (16) entstehenden Vibrationen, des in der Laseroptik (16) entstehenden Körperschalls und/oder des in der Laseroptik (16) entstehenden Schalls durch einen Sensor (24) und Hinterlegen dieser Messung; E) Vergleichen der im Verfahrensschritt B) hinterlegten Messung mit der Messung im Verfahrensschritt D) und Erzeugen einer Ausgabe im Verfahrensschritt F) bei einer Abweichung der beiden Messungen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3 in Verbindung mit Anspruch 2, bei dem im Verfahrensschritt B) eine Messung der Vibrationen, des Körperschalls und/oder Schalls auf einen Modulationsfrequenzbereich des Laserstrahls (18) reduziert wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem a) zur Messung der Vibrationen der Laseroptik (16) ein Sensor (24) in Form eines Laservibrometers eingesetzt wird; b) zur Messung des Körperschalls der Laseroptik ein Sensor (24) in Form eines Piezomikrofons mit Sensitivität im akustischen Bereich und/oder Ultraschallbereich an der Laseroptik (16) angeordnet ist; und/oder c) zur Messung des Schalls der Laseroptik (16) ein Mikrofon und/oder optisches Mikrofon eingesetzt wird, wobei die Laseroptik (16) in einer Gasatmosphäre angeordnet ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit dem Verfahrensschritt: G) Erzeugen von EUV-Strahlung (22) durch Bestrahlung von Targetmaterial (20) mit dem Laserstrahl (18).
  7. Laseranlage (10) zur Durchführung eines Verfahrens (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Laseroptik (16) zur Führung eines Laserstrahls (18), wobei die Laseranlage (10) einen Sensor (24) zur Überwachung der Laseroptik (16) aufweist, wobei der Sensor (24) in Form - eines Vibrationssensors zur Messung der Schwingungen der Laseroptik (16); - eines Körperschallsensors zur Messung des Körperschalls der Laseroptik (16); und/oder - eines Schallsensors zur Messung des von der Laseroptik (16) ausgehenden Schalls ausgebildet ist.
  8. Laseranlage nach Anspruch 7, bei der die Laseranlage (10) ein mit dem Laserstrahl (18) bestrahlbares Targetmaterial (20) zur Erzeugung von EUV-Strahlung (22) aufweist.
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