EP1463929A1 - Verfahren und anordnung zur fremdgaserkennung in optischen abbildungs- und/oder strahlführungssystemen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Erkennung von Fremdstoffen im Strahlengang optischer Abbildungs- oder Strahlführungssysteme (10), bei welchen das den Strahlengang und die optischen Komponenten (10') umschließende Gehäuse mit einem Schutzgas befüllt oder durchspült wird. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß das verwendete Schutzgas in einem Untersuchungsvolumen (3) einem intensitätsmodulierten 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.

Description

Verfahren und Anordnung zur Fremdgaserkennung in optischen Abbildungs- und/oder Strahlführungssystemen

Beschreibung

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Vorteilhafterweise wird das photoakustische Signal als Maß für die veränderten Abbildungseigenschaften des optischen Systems und/oder für die Konzentration der Fremdstoffe herangezogen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Der Evakuieranschluß 9 der Nachweiskammer wird über Leitung 23 mit einer Vakuumpumpe 24 verbunden und ist mit einem Evakuierventil 23' versehen.

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

• Evakuierventil 23' wird geöffnet, bis sich ein hinreichend tiefes Vaku- um 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 Befullventil 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 Befullventil 22' geschlossen und danach das Schutzgas auf eventuell enthaltene Fremdgase oder Verunreinigungen hin analysiert.

Die Reinigung der Nachweiskammer 3 kann dann durch ein hinreichend tiefes Evakuieren mittels des Evakuierventils 23' gesteuert werden.

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.

Claims

Patentansprüche

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.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das photoakustische Signal (5) als Maß für die veränderten Abbildungseigenschaften des optischen Systems ausgewertet wird.

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.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Analysewellenfeld (4') Frequenzanteile des Nutzwellenfeldes (1 ) enthält.

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.

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.

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.

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.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Analysewellenfeld (4') durch vorzugsweise periodisches Pulsen der Anregungs- leistung der Strahlquelle (11 ) intensitätsmoduliert wird.

10.Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Analy- senwellenfeld durch vorzugsweise periodisches Ausblenden intensitätsmoduliert wird.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Iδ.Anordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6,12) ein mechanisches Unterbrecherrad (12) aufweist.

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.

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.

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.