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Vorrichtung zur Prüfung der Oberfläche von Werkstücken
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und Anwendung der Vorrichtunq. ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Die vorliegende
Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Vorrichtung
zur Prüfung der Oberfläche von Werkstücken und die Anwendung der Vorrichtung.
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Die Oberflächenqualität von Werkstücken wird im allgemeinen an der
Größe der Abweichunq von einer vorgegebenen Sollgestalt gemessen. Je nach Abweichungsgrad
werden die Werkstücke in verschiedene Qualitätsklassen unterteilt.
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Charakteristische Oberflächemängel sind beispielsweise Welligkeiten,
gröbere Rauheiten, Kratzer, Risse, Löcher und so weiter.
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Die Messung derartiger Abweichungen von der Sollgestalt stellt in
der Fertigung vieler Maschinenerzeugnisse einen Schwerpunkt dar. Um die Genauigkeitsanforderungen
erfüllen zu können, ist es oft erforderlich, Qualitätskenngrößen bereits bei der
Herstellung der Werkstücke zu kennen und Abweichungen rechtzeitig und nach Möglichkeit
automatisch durch Änderung der Herstellungsbedingungen zu beeinflussen. Die berührungslose
und schnelle Ermittlung der Kenngröße ist hierbei von großer technischer Bedeutung.
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Vielfach genügen zur Oberflächenbeurteilung der subjektive Glanz-
und/oder Tasteindruck. Wird aber ein ojektiver Nachweis der Einhaltung enger Toleranzgrenzen
gefordert, so muß auf aufwendigere Prüfverfahren übergegangen werden.
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Bei dem im Einsatz befindlichen Prüfverfahren unterscheidet man berührende
und berührungslose Verfahren. Die berührenden Verfahren sind mechanische Verfahren,
während unter die berührungslosen Verfahren optische, pneumsatische und elektrische
Verfahren fallen.
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Bei modernen Fertigungstechniken haben sich die berührungslosen Verfahren
- und davon in erster Linie die optischen - durchgesetzt, weil nur diese Verfahren
den Vorteil bieten, daß die Meßgeräte in genügend großen Abständen von der zu prüfenden
Oberfläche angebracht werden können. Es lassen sich außerdem sehr kurze Prüfzeiten
erreichen und Verschleißerscheinungen vermeiden.
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Allen bisherigen Verfahren ist jedoch gemeinsam, daß die Meßdaten
seriell, das heißt, zeitlich nacheinander erfaßt und ausgewertet werden. Parallel
arbeitenden Verfahren, das heißt, Verfahren, bei denen mehrere Rechenprozesse gleichzeitig
durchgeführt werden, wäre wegen der kürzeren Verarbeitungszeiten der Vorzug zu geben.
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Aus der DE-OS 31 26 356 ist ein kohärentoptisches Verfahren zur Prüfung
der Oberfläche von Werkstücken bekannt, mit dem die wesentlichen Vorgänge des Prüfungsprozesses
parallel und damit schnell durchgeführt werden können.
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Die direkte kohärentoptische Parallelprüfung der Oberfläche ist allerdings
in den meisten Fällen nicht möglich, weil feine Oberflächenrauhigkeiten, die für
die Qualitätsbeurteilung der Oberfläche unwesentlich sind, ein Störsignal erzeugen,
welches das Nutzsignal vollständig überdecken kann. Hinzu kommt, daß beträchtliche
Absorptionsverluste auftreten können.
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Um diese Störungen zu unterdrücken, wird in der kohärentoptischen
Zeichenerkennung (siehe beispielsweise Israel J. of. Techn. 9 (1971), Nr. 3, Seiten
275 bis 279 oder Applied Optics 10/3 (1971)), das zu prüfende Objekt in
einem
Zwischenschritt auf beispielsweise eine fotografische.Platte abgebildet, wobei die
störenden Oberflächenrauheiten durch diffuse Beleuchtung nicht mehr in Erscheinung
treten und der Kontrast der Oberflächeninformation erhöht wird. Die Verarbeitungszeit
verkürzt sich wesentlich, wenn anstatt der Fotoplatten thermoplastische Aufzeichnungsmaterialien
eingesetzt werden (siehe Feinwerktechnik und Meßtechnik 84 (1976), Heft 2, Seite
50).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine auf der bekannten
thermoplastischen oder auch einer magnetooptischen Aufzeichnung und der bekannten
parallel arbeitenden kohärentoptischen Zeichenerkennung basierende schnell arbeitende
Vorrichtung zur optischen Prüfung der Oberfläche von Werkstücken zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gelöst, welche die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Gestaltungsmerkmale aufweist.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, bei der das Aufzeichnungsmaterial in Form eines bewegbaren Bandes.
ausgebildet ist, weist die im Anspruch 2-angegebenen Merkmale auf.
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Besonders zweckmäßig ist es dabei wiederum, wenn.das Band ein umlaufendes
endloses Band ist und die Vorrichtung gemäß Anspruch 3 ausgestaltet wird.
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Eine bevorzugte Transporteinrichtung der Vorrichtung gemäß Anspruch
3 ist im Anspruch 4 angegeben.
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Bevorzugterweise arbeitet die kohärentoptische Verarbeitungseinrichtung
gemäß Anspruch 5 nach einem kohärentoptischen Filterverfahren. Ein Beispiel für
eine derartige Verarbeitungseinrichtung ist in der DE-OS 31 26 356
beschrieben.
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Vorteilhafterweise wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Anspruch
6 zur Prüfung der Oberflächenrauhigkeit oder Welligkeit von in Bandform gezogenen
Kristallen verwendet.
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Insbesondere wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft zur
laufenden Überwachung eines Übergangs von der kontrollierten zur unkontrollierten
Kristallisation eines in Bandform gezogenen Kristalls verwendet (Anspruch 7). Dadurch
kann die Ziehtechnik bei der Herstellung von Halbleitermaterialien in Bandform gesteuert
werden. Beispielsweise ist es möglich, mit Hilfe von Steuerungseinrichtungen Bänder
aus Halbleitermaterial mit der gewünschten Oberfläche um den einer hohen Qualität
zu ziehen.
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Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel und an einem Anwendungsbeispiel
in der folgenden Beschreibung anhand der Figuren näher erläutert. Von den Figuren
zeigen: Figur 1 in schematischer Darstellung das Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
zur optischen Prüfung der Oberfläche von Werkstücken, und Figur 2 in schematischer
Darstellung eine Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen in Bandform, die mit der
Vorrichtung nach Figur 1 laufend überwacht werden kann.
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Die Vorrichtung nach Figur 1 besteht aus dem über die Rollen R1 bis
R4 umlaufenden und durch die Antriebsrolle R1 in Richtung des Pfeiles LR angetriebenen
Band A aus thermoplastischem Aufzeichnungsmaterial, von dem das gezogene Trum in
der Bildebene EB des generell mit E be-
zeichneten Episkops verläuft.
Das Episkop E weist zwei Lichtquellen 8 mit Hohlspiegel 81 auf, welche die Oberfläche
OW des zu prüfenden Werkstückes W von zwei Seiten schräg beleuchten. Das von der
Oberfläche OW zurückgeworfene Licht wird über einen Planspiegel 9 einem Projektionsobjektiv
10 zugeleitet, das in der Bildebene EB und damit auf dem bereits sensibilisierten
Aufzeichnungsmaterial des Bandes A ein reelles Bild erzeugt.
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Der so belichtete Abschnitt des Bandes A wird zur Bildentwicklungseinrichtung
BE transportiert und dort entwickelt. Das entwickelte Bild wird anschließend zur
kohärentoptischen Verarbeitungseinrichtung BA transportiert, wo sein Informationsgehalt
verarbeitet wird.
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Die kohärentoptische Verarbeitungseinrichtung BA entspricht aufbaumäßig
der in der DE-OS 31 26 356 beschriebenen Vorrichtung zum Prüfen einer Faser, die
nach einem kohärentoptischen Filterverfahren arbeitet.
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Dementsprechend weist die Verarbeitungseinrichtung BA einen Laser
1 auf, der einen Laserstrahl 11 ausstrahlt.
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Im Strahlengang dieses Laserstrahls 11 ist eine Aufweitungsoptik angeordnet,
aus welcher der aufgeweitete Laserstrahl als Parallelstrahl austritt, der das gezogene
Trum des Bandes A vertikal trifft und durchstrahlt. Im Strahlengang des durch das
gezogene Trum des Bandes A hindurchgegangenen Lichts ist eine Transformationslinse
4 angeordnet, in deren bildseitiger Brennebene 5 das zur Informationsauswertung
verwendete Filter anzuordnen ist.
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Eine hinter der Brennebene 5 der Transformationslinse 4 im Strahlengang
angeordnete Sammellinse 6 bildet ein in der objektseitigen Brennebene 3 der Transformationslinse
4 befindliches Bild auf eine Bildebene 7 reell ab, in der beispielsweise die lichtempfindliche
Fläche eines zum Aus-
werten der Bildinformation dienenden Detektors
angeordnet sein kann.
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Das in der Bildentwicklungseinrichtung BE entwickelte Bild der Oberfläche
OW wird durch Vorschub des Bandes A in der Richtung LR in den aufgeweiteten Laserstrahl
in die objektseitige Ebene 3 in der Nähe der Brennebene gebracht, die auch als Objektebene
zur Bildebene 7 des aus den Linsen 4 und 6 bestehenden optischen Systems angesehen
werden kann.
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Das zur Verarbeitung der Objektinformation verwendete Filter hängt
vom Anwendungsfall ab und kann mehr oder weniger der Fouriertransformierten der
Oberfläche OW angepaßt sein.
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Nach Beendigung des Filterungsvorganges oder der Auswertung wird das
entwickelte Bild durch Weitertransport des Bandes A der Bildlöscheinrichtung BL
zugeführt, wo das Bild wieder gelöscht wird. Danach wird der gelöschte Abschnitt
der Sensibilisierungseinrichtung SE zugeführt, wo der gelöschte Abschnitt des Bandes
wieder elektrostatisch aufgeladen und damit sensibilisiert wird, so daß der Abschnitt
erneut zur episkopischen Belichtung verwendet werden kann, wenn er in die Bildebene
EB des Epis kops E transportiert worden ist.
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Die Dauer eines Zyklus, in dem ein Bild aufgezeichnet und wieder gelöscht
wird, beträgt derzeit etwa 100 msec.
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Die beschriebene Vorrichtung läßt sich mit besonderem Vorteil zur
Prüfung der Oberflächenrauhigkeit bzw.
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Welligkeit von Kristallen anwenden, die in Bandform gezogen werden.
Diese Technik wird seit mehreren Jahren in große Umfang für Silizium in der Solartechnik
angewandt.
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Neben dem EFG (edge-defined film-fed growth)-Verfahren spielt in diesem
Rahmen neuerdings vor allem die sogenannte S-Web-Technik eine größere Rolle (siehe
beispiels-
weise Bekudo: J. Cryst. Growth 50 (1980), Seite 247).
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In der Figur 2 ist diese S-Web-Technik schematisch veranschaulicht.
Von einer Vorratsrolle 21 wird ein Carbonfasernetz 22 durch eine schlitzförmige
Ziehdüse 23 in einem mit Siliziumschmelze 24 gefüllten Tiegel 25 gezogen und das
mit Silizium beschichtete Netz 26 auf einer Aufwickelrolle 27 aufgewickelt. Die
Oberfläche des mit Silizium beschichteten Netzes 26, in dem das Silizium kristallin
vorliegt, weist insbesondere bei hohen Ziehgeschwindigkeiten periodische Dickenschwankungen
auf. Der Grund dafür liegt in Konvektionsströmungen und Temperaturfluktuationen
im Bereich 28 eines Schmelzmeniskus, der zwischen der Ziehdüse 23 und einer Kristallisationszone
29 liegt, und insbesondere an der Kristallisationsfront 291 der Kristallisationszone
29.
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Die Geometrie des Meniskus wird generell, das heißt auch bei den anderen
Techniken allein vom Abstand h der Kristallisationsfront 291 von der Ziehdüse 23
bestimmt.
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Wird durch Temperaturfluktuation in der Schmelze 24 diese Kristallisationsfront,
die mit der Schmelzpunktsisothermie identisch ist, etwa nach oben oder nach unten
verschoben, so muß das gezogene Siliziumband, das heißt das beschichtete Netz 26
im Fall der Figur 2 zwangsläufig dünner oder dicker werden. Aufzeichenbare Dickenschwankungen
lassen somit Rückschlüsse auf Temperaturschwankungen in der Si-Schmelze zu.
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Bei der Technik nach Figur 2 kann bei sehr hohen Ziehgeschwindigkeiten
beispielsweise von 1 m/min noch eine zusätzliche Störung auftreten, die eine Folge
unkontrollierter Maschenkristallisation ist. Dabei erfolgt die Kristallisation des
Schmelzfilms in den einzelnen Netzmaschen völlig individuell, und zwar vom Rand
der Masche her. Da sich Silizium beim Erstarren ähnlich wie Wasser ausdehnt, kommt
es hierbei im Zentrum der Masche zu Er-
hebungen, sogenannten Pickeln,
und das Siliziumband erhält eine rauhe Oberfläche, die bei der Weiterverarbeitung
stört.
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Erfolgt dagegen die Kristallisation in der Masche kontrolliert, so
lassen sich diese Pickel auf der Bandoberfläche vermeiden. Dies ist beispielsweise
dann der Fall, wenn das Siliziumband unter Bedingungen gezogen wird, bei denen senkrecht
zum Meniskus und zum entstehenden Siliziumband ein Temperaturgradient herrscht.
Dieser läßt die Siliziumschmelze im oberen Bereich des Meniskus auf der kälteren
Seite des Meniskus erstarren. Anschließend folgt dann die Erstarrung der Restschmelze
mit einer Kristallisation senkrecht zum Band und im allgemeinen in der Art, wie
sie für eine Maschenkristallisation üblich ist. Bei der Maschenkristallisation unter
den genannten Bedingungen ist die zuerst erstarrende Siliziumbandoberfläche völlig
glatt, die Rückseite dagegen im allgemeinen rauh, was für die Weiterverarbeitung
des Siliziumbandes nicht störend ist.
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Mit einer vorstehend beschriebenen Vorrichtung, beispielsweise mit
der Vorrichtung nach Figur 1 läßt sich der Übergang von der kontrollierten zur unkontrollierten
Kristallisation des Siliziumbandes leicht erkennen, so daß es mit Hilfe von Steuerungseinrichtungen
möglich ist, Siliziumbänder mit der gewünschten Oberfläche und einer hohen Qualität
zu ziehen. Dazu ist lediqlich die Oberfläche des kritischen Bereichs zwischen der
Schmelze 24 und dem oberen Ende der Kristallisationszone 29 episkopisch auf das
Band A abzubilden und eine fortlaufende Auswertung aufgezeichneter Bild in der Bildauswerteeinrichtung
vorzunehmen.
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2 Figuren
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