DE10321806A1

DE10321806A1 - Recognizing foreign gas in optical imaging and/or beam guiding systems comprises using protective gas in investigative volume which is subjected to intensity-modulated electromagnetic analysis wave field

Info

Publication number: DE10321806A1
Application number: DE2003121806
Authority: DE
Inventors: Gerhart Schroff; Michael Stetter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-05-14
Filing date: 2003-05-14
Publication date: 2004-12-30

Abstract

Recognizing foreign gas in optical imaging and/or beam guiding systems (10) comprises using a protective gas in an investigative volume (3) which is subjected to an intensity-modulated electromagnetic analysis wave field (4'). During the absorption or frequency amounts of the analysis wave field using the photo-acoustic effect a photo-acoustic signal (5) is produced to recognize the impurities and/or foreign gases. An independent claim is also included for an arrangement for recognizing foreign gas in optical imaging and/or beam guiding systems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erkennung von Fremdgasen bzw. Verunreinigungen im Strahlengang optischer Abbildungs- oder Strahlführungssysteme gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 16.The The invention relates to a method and an arrangement for detection of foreign gases or impurities in the beam path of optical imaging or beam delivery systems according to the generic term 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 Laserlicht 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.at optical imaging or beam guidance systems, as in the semiconductor industry for exposure of wafers or high-performance Laser cutting or laser welding systems are used, the entire beam path with an extreme pure gas, which is the laser light used or more generally the used electromagnetic waves are not absorbed, filled. This is supposed to disturbing influences of foreign gases or other contaminants such as very fine aerosols or Smoke or dust particles excluded on the imaging properties become. If the optical system cannot be built up sufficiently densely, the entire beam path becomes slow with an extremely pure gas flushed. A rinse the beam path may also be necessary if some outgas the components used in the construction of the optical system and therefore - mostly very slow and difficult to predict - foreign gases in the beam path reach. However, the use of very pure protective gases causes a lot 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 vorgeschlagen, 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.at Laser processing machines make it increasingly important the beam path flush with far less pure gases to be able because here the gas consumption due to the limited tightness possible of such a beam guidance system, caused by the very complex components and also partly very long beam guidance, is naturally high. This then results in the need for the gases used analyze more closely to the imaging properties of such systems not influenced by protective gases that are too contaminated. It A gas analysis using a mass spectrometer has already been proposed perform, yes this type of analysis is more for the laboratory area, but not for the suitable for continuous monitoring, because both the cost of such a measuring technique 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.Of these, based on the object of the invention, in a method and an arrangement of the type mentioned the influences of Foreign substances in the protective gas, even under harsh operating conditions quickly and reliably to record or evaluate.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die in den unabhängigen Patentansprüchen an gegebenen Merkmalskombinationen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Ansprüchen.to solution this task will be the combinations of features given in the independent claims proposed. Advantageous refinements and developments 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, elektromagnetischen 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 that between the individual optical components (such as mirrors, beam splitters, Lenses, optical gratings or prisms) contain gases that are optical Properties depend on the refractive index of the gas used. The significant influence of foreign gases or other impurities, which these electromagnetic useful wave fields radiating through the optical system absorb, it can then be seen in the fact that these foreign gases or impurities are local or in the entire beam path of the useful wave field to one warming of the shielding gas used and thus the refractive index of the gas and thus the imaging properties change.

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 photoakustischen 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, intensitätsmodulierten elektromagnetischen Analysewellenfeld ausgesetzt. Wird dieses Wellenfeld so gewählt, daß zumindest Frequenzanteile 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 elektromagnetischen 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 periodische 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 Massenspektrometern arbeiten, müßten hierzu erst alle in Betracht kommenden Fremdgase oder Verunrei nigungen 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 photoacoustic 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 chosen so that at least frequency components of these waves can be absorbed by the foreign gases or contaminants, then a part of the molecules and / or atoms of the foreign gases or contaminants is brought into an energetically excited state by absorption of the electromagnetic waves. Due to collisions with other molecules or atoms in the examination volume, the excited molecules or atoms can release all or part of their excitation energy and convert it, 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 examination volume means an increase in temperature and thus an increase in pressure (photoacoustic effect). The periodic pressure fluctuations result from the wave field radiated into the examination volume, which periodically changes in intensity. The great advantage of this type of determination of the influences of foreign gases or impurities lies in the direct connection between the heating of the protective gas and the photoacoustic used to detect these influences see signals. 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 will be determined and the expected thermal influences can 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.advantageously, the photoacoustic signal is used as a measure of the changed imaging properties of the optical system and / or for the concentration of foreign substances is used.

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 so that this Analysis wave field all or at least some frequency components of the Contains useful wave field and / or the useful wave field all and / or some frequency components of the Contains analysis wave field. A preferred embodiment of the invention provides that the spectral The composition of the useful wave field and the analysis wave field match.

Wird beispielsweise bei einer Laserschneidanlage ein CO₂-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 in such a way 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 still contains additional 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 intensitätsmodulierte 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 in that preferably by means of a Beam splitter or a partially transparent mirror or one with a drilled mirror or by a diffuser such as a thin one Wire a small amount of intensity 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 Another advantageous embodiment of the invention provides that the analysis wave field by pulsing the excitation power of the beam source or by periodic fading out, preferably by means of a mechanical one Breaker wheel is modulated in intensity.

Bei einigen Lasern, insbesondere bei vielen Eximerlasern, 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.at some lasers, especially many eximer lasers that are in the UV range can also emit a second laser beam very easily from the laser be decoupled by not only looking at the decoupling window, at which the useful laser beam emerges from the laser, laser power decouples from the laser resonator, but also on a resonator mirror or another component in the resonator, such as one Etalon, another laser beam with low laser power.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß das Untersuchungsvolumen innerhalb des Abbildungs- und/oder Strahlführungssystems so angeordnet wird, daß ohne große zeitliche Verzögerungen ein Gasaustausch möglich ist.A Another advantageous embodiment of the invention provides that the examination volume within of the imaging and / or beam guidance system is arranged so that without size time delays gas exchange possible is.

Die in dem Untersuchungsvolumen photoakustisch erzeugten Signale werden vorteilhafterweise in einem beispielsweise als Mikrofon ausgebildeten Schallsensor in elektrische Ausganssignale umgewandelt und unter Bestimmung ihrer Intensität ausgewertet.The signals generated in the examination volume advantageously in a microphone, for example Sound sensor converted into electrical output signals and below Determination of their intensity evaluated.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Laserstrahl (Nutzwellenfeld) einer CO₂-Laserbearbeitungsanlage, so wie er beispielsweise im Betrieb aus dem Schneid- oder Schweißkopf (30) der Anlage austritt, zur Fremdgasanalyse der in der Anlage verwendeten Luft oder Stickstoffs direkt herangezogen wird. Dieses hat den Vorteil, dass keine Einrichtungen zur Auskopplung einer Diagnosestrahlung (Analysewellenfeld) aus dem Nutzwellenfeld (1) benötigt wird. Hierzu kann der fokussierte oder auch der parallele Arbeitsstrahl) auf eine, der Nachweiskammer (3) vorgeschalteten Eingangsblende (31) (Durchmesser vorzugsweise 0,01 bis 40 mm) so gerichtet werden, dass der durch die Eingangsblende in die Nachweiskammer eintretende Laserstrahl diese nahezu parallel durchsetzt. Die Nachweiskammer kann vorzugsweise mittels eines Schwenkmechanismus für die Dauer der Konzentrationsbestimmung in den Strahlengang des Arbeitsstrahls gebracht und anschließend wieder herausbewegt werden. Zur einfachen Überwachung des Strahlengangs des Nutzwellenfeldes (1) in der Nachweiskammer (3) kann in einigem Abstand zur Eingangsblende, zwischen dieser und der Nachweiskammer (3) eine weitere Kontrollblende (32) (Durchmesser vorzugsweise 0,01 bis 42 mm) angebracht werden. Diese kann so ausgeführt werden, dass sie wie ein 4-Quadrantendetektor betrieben werden kann. D.h., durchsetzt der Laserstrahl das Loch dieser Kontrollblende (die Blende ist in vier thermisch isolierte Quadranten unterteilt) nicht exakt im Zentrum, so werden die einzelnen Quadranten der Blende unterschiedlich erwärmt, woraus dann je nach Temperaturdifferenz der einzelnen Quadranten ein Signal zur Erkennung der Position des Laserstrahls auf dieser Blende generiert werden kann und dem Anwender beispielsweise als Notausfunktion über einen Digitalausgang zur Verfügung gestellt werden kann. Sehr vorteilhaft für den Anwender ist, dass diese (4-Quadranten) Kontrollblende auch für die einfache Justierung des von der Laserbearbeitungsanlage bereitgestellten Laserlichtes (Nutzwellenfeld) herangezogen werden kann. Hierzu können die Signale der einzelnen Quadranten so elektronisch verarbeitet werden, dass der Arbeitsstrahl schnell und präzise (und vor allem ohne Justierhilfen) in seiner Lage zur Nachweiskammer positioniert werden kann. Der Strahlengang kann hierzu vorzugsweise auf einem Display visualisiert werden. Die Eingangsblende kann temperaturüberwacht werden (und als Notaussignal und/oder Schalter zur Verfügung gestellt werden) um zu hohe Laserleistungen auf der Eingangsblende sicher erkennen zu können und dem Anwender einen sicheren Betrieb zu ermöglichen. Zwischen Eingangsblende und Kontrollblende kann bei Bedarf auch noch ein Umlenkspiegel (33) angebracht werden. Auch kann mittels der Eingangsblenden und der vorzugsweise als 4-Quadrantendetektor ausgebildeten Kontrollblende (32) und/oder in Verbindung mit einem hinter der Nachweiskammer angeordneten Leistungsmesser (34) die genaue Fokuslage des aus der Laserbearbeitungsmaschine austretenden Nutzwellenfeldes (1) vermessen/bestimmt werden und muß nicht länger wie bisher üblich manuell ausgemessen werden. Um auch sehr zeitoptimiert (z.B. bei einer fest in eine Anlage integrierten Nachweiskammer, wenn in Arbeitspausen routinemäßig das verwendete Gas auf Fremdgase hin untersucht werden soll) arbeiten zu können, kann diese in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. Beispielsweise kann im Standbybetrieb durch eine vom Anwender frei definierbare Pulsfolge (Festlegung von Kodiersignalen mittels des 4-Quadrantendetektors) mitgeteilt werden, dass getriggert durch diese Pulsfolge eine Gasanalyse durchgeführt werden soll (mit einstellbarer zeitlicher Verzögerung).A further advantageous embodiment of the invention provides that the laser beam (useful wave field) of a CO ₂ laser processing system, such as that obtained during operation from the cutting or welding head ( 30 ) the system exits, is used directly for external gas analysis of the air or nitrogen used in the system. This has the advantage that no devices for decoupling diagnostic radiation (analysis wave field) from the useful wave field ( 1 ) is needed. For this purpose, the focused or the parallel working beam) can be directed onto one of the detection chambers ( 3 ) upstream input panel ( 31 ) (Diameter preferably 0.01 to 40 mm) so that the laser beam entering the detection chamber through the input aperture passes through it almost parallel. The detection chamber can preferably be brought into the beam path of the working beam by means of a swivel mechanism for the duration of the concentration determination and then moved out again. For simple monitoring of the beam path of the useful wave field ( 1 ) in the detection chamber ( 3 ) can be at some distance from the entrance panel, between it and the detection chamber ( 3 ) another control panel ( 32 ) (Diameter preferably 0.01 to 42 mm). This can be carried out in such a way that it can be operated like a 4-quadrant detector. This means that if the laser beam does not penetrate the hole of this control diaphragm (the diaphragm is divided into four thermally insulated quadrants) not exactly in the center, the individual quadrants of the diaphragm are heated differently, from which, depending on the temperature difference between the individual quadrants, a signal for detecting the position of the laser beam can be generated on this panel and can be made available to the user, for example, as an emergency stop function via a digital output. It is very advantageous for the user that this (4-quadrant) control panel can also be used for the simple adjustment of the laser light (useful wave field) provided by the laser processing system. For this purpose, the signals of the individual quadrants can be processed electronically so that the working beam can be quickly and precisely (and above all without adjustment aids) positioned in relation to the detection chamber. For this purpose, the beam path can preferably be visualized on a display. The input panel can be temperature-monitored (and made available as an emergency stop signal and / or switch) in order to be able to reliably detect excessive laser powers on the input panel and to enable the user to operate it safely. If necessary, a deflecting mirror can also be placed between the entrance panel and the control panel ( 33 ) are attached. Using the input diaphragms and the control diaphragm, which is preferably designed as a 4-quadrant detector ( 32 ) and / or in connection with a power meter located behind the detection chamber ( 34 ) the exact focus position of the useful wave field emerging from the laser processing machine ( 1 ) are measured / determined and no longer has to be measured manually as was previously the case. In order to be able to work in a very time-optimized manner (e.g. with a detection chamber permanently integrated into a system, if the gas used is to be routinely examined for foreign gases during breaks), this can be operated in various operating modes. For example, in standby mode, a pulse sequence that can be freely defined by the user (definition of coding signals using the 4-quadrant detector) can be used to indicate that a gas analysis is to be carried out triggered by this pulse sequence (with an adjustable time delay).

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der zwei Zeichnungen näher erläutert. Die erste Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Erkennung von Fremdgasen oder Verunreinigungen im Strahlengang eines optischen Strahlführungssystems nach dem photoakustischen Prinzip. Die zweite Figur zeigt die Nachweiskammer mit einer Blendenanordnung zur Ausrichtung und/oder Begrenzung des Nutzwellenfeldes.in the The invention is explained in more detail below with reference to the two drawings. The first figure shows a schematic representation of an arrangement for the detection of foreign gases or impurities in the beam path an optical beam guidance system according to the photoacoustic principle. The second figure shows the detection chamber with an aperture arrangement for aligning and / or limiting the Nutzwellenfeldes.

Bei dem in der ersten Figur 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 austreten. 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 in the first figure, the beam source designed as a laser emits 11 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 guidance system 10 which is the useful wave field 1 on the surface to be exposed or processed or evaporated 16 , for example, of wafers, metal sheets to be cut or targets to be heated in the case of laser fusion. Using the beam splitter 6 becomes from the useful wave field 1 the analysis wave field 4 decoupled. In the beam path of the analysis wave field 4 there is a decoupling window one after the other 19 and a modulation unit 12 , Through the decoupling window 19 can the analysis wave field 4 from the housing of the imaging or beam guidance system 10 escape. By means of the modulation unit 12 , which is preferably designed as a mechanical interrupter wheel, the analysis beam 4 be modulated in intensity. In the beam path of the analysis wave field modulated in this way 4 ' is the detection chamber 3 , It has an inlet and outlet window 18 . 18 ' , an interior that can be filled with gas 17 and an internal sound sensor designed as a microphone 7 on.

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 geeignet 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 photoakustisches Signal 5 ein eindeutiges Merkmal zur Beurteilung der Strahleigenschaften des optischen Abbildungs- oder Strahlführungssystems.The detection chamber 3 is with a filling connection 8th and an evacuation port 9 Mistake. 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. Because the intensity-modulated analysis wave field 4 ' the same spectral composition as the useful wave field at all times 1 possesses energy from the analysis wave field from the foreign gases or impurities contained in the protective gas 4 ' absorbs, albeit energy from the useful wave field 1 is absorbed. That when radiating through the detection chamber 3 radiation energy absorbed by the foreign gases or impurities contained in the protective gas leads to temperature changes according to the photoacoustic effect and thus to pressure fluctuations with the frequency impressed by the modulation frequency, which is at the sound sensor 7 can be converted into electrical output signals. As the temperature changes generated are directly proportional to the pressure fluctuations generated under suitably chosen boundary 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 modulation frequency to be detected, this creates a pressure fluctuation generated photoacoustic signal 5 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 Befüllventil 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 8th the detection chamber 3 is over the line 22 with the drain opening 21 of the beam guidance system 10 connected and with a filling valve 22 ' Mistake. Via the drain opening 21 can then be a sample of the in the beam delivery system 10 shielding gas can be removed for analysis. The imaging or beam delivery system 10 can through the inlet opening 20 filled with protective gas and / or flushed by continuously introducing protective gas. The protective 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 the detection chamber is via line 23 with a vacuum pump 24 connected and is with an evacuation valve 23 ' Mistake.

Die Analyse des Schutzgases auf Fremdgase und/oder Verunreinigungen hin wird wie folgt durchgeführt:

– Evakuierventil 23' wird geöffnet, bis sich ein hinreichend tiefes Vakuum in der Nachweiskammer 3 einstellt und/oder unterschritten wird. Das Vakuum kann vorzugsweise mittels eines in der Leitung 23 zwischen Evakuierventil 23' und Nachweiskammer 3 angebrachten Drucksensors gemessen werden;
– sodann wird das Befüllventil 22' in der Leitung 22 geöffnet, um eine 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 Befüllventil 22' geschlossen und danach das Schutzgas auf eventuell enthaltene Fremdgase oder Verunreinigungen hin analysiert.

The analysis of the shielding gas for foreign gases and / or impurities is carried out as follows:

- evacuation valve 23 ' is opened until there is a sufficiently deep vacuum in the detection chamber 3 is set and / or undercut. The vacuum can preferably be by means of a in the line 23 between evacuation valve 23 ' and detection chamber 3 attached pressure sensor can be measured;
- Then the filling valve 22 ' on the line 22 opened in order to be able to take a sample of the protective gas present in the beam guidance system;
- Then 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 ' closed. Once the on the line 23 between evacuation valve 23 ' and detection chamber 3 attached pressure sensor indicates the desired pressure, preferably atmospheric pressure, the filling valve 22 ' closed and then the protective gas is analyzed for any foreign gases or impurities.

Die Reinigung der Nachweiskammer 3 kann dann durch ein hinreichend tiefes Evakuieren mittels des Evakuierventils 23' gesteuert werden.Cleaning the detection chamber 3 can then be evacuated sufficiently deep using the evacuation valve 23 ' to be controlled.

Alternativ hierzu kann durch Anbringen einer Drossel in der Leitung zwischen Vakuumpumpe 24 und Evakuierventil 23' bei offenem Evakuierventil und offenem Befüllventil ein konstanter Volumenstrom durch die Nachweiskammer gesaugt werden und so eine kontinuierliche Analyse des Schutzgases durchgeführt werden.Alternatively, by installing a throttle in the line between the vacuum pump 24 and evacuation valve 23 ' With the evacuation valve and the filling valve open, a constant volume flow is sucked through the detection chamber and a continuous analysis of the protective gas is carried out.

Claims

Process for the detection of extraneous gas in optical imaging and / or beam guidance systems ( 10 ), in which one of an electromagnetic useful wave field ( 1 ) irradiated volume ( 2 ) of the optical imaging and / or beam guidance system ( 10 ) with a the frequency components of the useful wave field ( 1 ) non-absorbing protective gas is filled and / or flushed, characterized in that the protective gas used is in an examination volume ( 3 ) an intensity-modulated electromagnetic analysis wave field ( 4 ' ) is suspended, and that in the absorption of frequency components of the analysis wave field ( 4 ' ) a photoacoustic signal due to foreign gases and / or impurities using the photoacoustic effect ( 5 ) is generated to detect the impurities and / or foreign gases.

A 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.

Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the photoacoustic signal ( 5 ) is evaluated as a measure of the concentration of foreign gases and / or impurities.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the analysis wave field ( 4 ' ) Frequency components of the useful wave field ( 1 ) contains.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that all of the in the analysis wave field ( 4 ' ) contained frequency components also in the useful wave field ( 1 ) are included.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that all of the in the useful wave field ( 1 ) contained frequency components also in the analysis wave field ( 4 ' ) are included.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the spectral composition of the in the analysis wave field ( 4 ' ) contained frequency components with the spectral composition of the in the useful wave field ( 1 ) contained frequency components.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the analysis wave field ( 4 ' ) from a radiation source ( 11 ) and the imaging and / or beam guidance system ( 10 ) penetrating useful wave field ( 1 ) preferably using a beam splitter ( 6 ) is coupled out.

Method according to Claim 8, characterized in that the analysis wave field ( 4 ' ) by preferably periodically pulsing the excitation power of the beam source ( 11 ) is intensity modulated.

A method according to claim 8, characterized in that the analysis wave field by preferably periodic blanking intensity mo is dulated.

Method according to one of claims 1 to 10, characterized in that the examination volume ( 3 ) within the of the useful wave field ( 1 ) irradiated volume ( 2 ) of the optical imaging and / or beam guidance system ( 10 ) is arranged so that gas exchange between the two volumes ( 2 . 3 ) is possible.

Method according to one of Claims 1 to 11, characterized in that when the optical imaging and / or beam guidance system ( 10 ) at a drain opening ( 21 ) protective gas escaping into the test volume ( 3 ) is conducted.

Method according to one of claims 1 to 12, characterized in that the photoacoustic signal ( 5 ) by means of a sound sensor, preferably designed as a microphone ( 7 ) is generated so that it by means of the photoacoustic effect in the examination volume ( 3 ) generated pressure changes is proportional and evaluated while determining the intensity.

Method according to one of claims 1 to 13, characterized in that the from the useful wave field ( 1 ) irradiated volume ( 2 ) is flushed with the protective gas in such a way that foreign gases and / or impurities are distributed homogeneously in this volume.

Method according to one of claims 1 to 14, characterized in that that as Protective gas nitrogen and / or oxygen and / or helium and / or Hydrogen and / or argon is used.

Arrangement for the detection of foreign gases or contaminants in optical imaging and / or beam guidance systems ( 10 ), with a radiation source ( 11 ) for the emission of an electromagnetic useful wave field ( 1 ) and the beam path of the useful wave field ( 1 ) surrounding, which can be filled and / or flushed with protective gas, preferably through a housing of the imaging and / or beam guidance system ( 10 ) defined volume ( 2 ), characterized by a detection chamber that can be filled with the protective gas used ( 3 ), An institution ( 6 . 12 ) to create a detection chamber ( 3 ) penetrating intensity-modulated analysis wave field ( 4 ' ) and one in the detection chamber ( 3 ) arranged sound sensor ( 7 ) for the detection of the photo-acoustic effect in the detection chamber ( 3 ) generated pressure fluctuations.

Arrangement according to claim 16, characterized in that the device ( 6 . 12 ) a beam splitter ( 6 ) for decoupling the analysis wave field ( 4 ' ) from the useful wave field ( 1 ) includes.

Arrangement according to claim 16 or 17, characterized in that the device ( 6 . 12 ) a mechanical breaker wheel ( 12 ) having.

Arrangement according to one of claims 16 to 18, characterized in that the detection chamber ( 3 ) with a filling connection ( 8th ) and an evacuation connection ( 9 ) is provided for the protective gas.

Arrangement according to claim 19, characterized in that an outlet opening ( 21 ) of the beam guidance system ( 10 ) for passing protective gas over a line ( 22 ) with the filling connection ( 8th ) the detection chamber ( 3 ) connected is.

Arrangement according to claim 20, characterized in that in the line ( 22 ) between drain opening ( 21 ) and filling connection ( 8th ) a filling valve ( 22 ' ) for opening and closing the filling connection, and that the evacuation connection ( 9 ) via a line ( 23 ) and an evacuation valve arranged in it ( 23 ' ) with a vacuum pump ( 24 ) for evacuating and / or flushing the detection chamber ( 3 ) connected is.

Arrangement for the detection of foreign gases or contaminants in optical imaging and / or beam guidance systems ( 10 ), with a radiation source ( 11 ) for the emission of an electromagnetic useful wave field ( 1 ) and the beam path of the useful wave field ( 1 ) surrounding, which can be filled and / or flushed with protective gas, preferably through a housing of the imaging and / or beam guidance system ( 10 ) defined volume ( 2 ), characterized by a useful wave field that can be filled with the shielding gas used and that is preferably intensity-modulated ( 1 ) enforced detection chamber ( 3 ) and one in the detection chamber ( 3 ) arranged sound sensor ( 7 ) for the detection of the photo-acoustic effect in the detection chamber ( 3 ) generated pressure fluctuations.

Arrangement according to Claim 22, characterized by a device for preferably periodically pulsing the excitation power of the beam source ( 11 ) for intensity modulation of the useful wave field ( 1 ).

Arrangement according to claim 22, characterized in that the useful wave field ( 1 ) by preferably periodic blanking using a front of the detection chamber ( 3 ) attached mechanical breaker wheel is intensity modulated.