EP2263076A1 - Verfahren zur thermographischen prüfung nichtmetallischer werkstoffe, insbesondere beschichteter nichtmetallischer werkstoffe, sowie verfahren zu deren herstellung und verfahrensgemäss hergestellter körper - Google Patents

Verfahren zur thermographischen prüfung nichtmetallischer werkstoffe, insbesondere beschichteter nichtmetallischer werkstoffe, sowie verfahren zu deren herstellung und verfahrensgemäss hergestellter körper

Info

Publication number
EP2263076A1
EP2263076A1 EP09725446A EP09725446A EP2263076A1 EP 2263076 A1 EP2263076 A1 EP 2263076A1 EP 09725446 A EP09725446 A EP 09725446A EP 09725446 A EP09725446 A EP 09725446A EP 2263076 A1 EP2263076 A1 EP 2263076A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coating
layer
metallic
ceramic
silicon nitride
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09725446A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Ortner
Klaus Gerstner
Ralph Neubecker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schott AG filed Critical Schott AG
Publication of EP2263076A1 publication Critical patent/EP2263076A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/38—Concrete; Lime; Mortar; Gypsum; Bricks; Ceramics; Glass
    • G01N33/388—Ceramics

Definitions

  • thermographic testing of non-metallic materials in particular coated non-metallic materials, as well as processes for their preparation and according to the method produced body
  • the invention relates to a method for thermographic testing of non-metallic materials, in particular coated non-metallic materials.
  • Thermographic testing methods have been used, for example, to test metallic materials
  • WO 2006/037359 A1 discloses a thermographic process in which the time course of the
  • thermographic testing of coated turbine blades is known. With the thermographic measurement of coated metallic body is provided by the high thermal conductivity of the metal over the very reduced thermal conductivity of the coating, a fairly acceptable temporal temperature profile for determining material parameters.
  • layers containing ceramic or particles, including sintered particles can for example be optically barely or not distinguishable from the coated ceramic substrate.
  • the object of the invention is to enable or to improve the testing or even the measurement of layer jobs, in particular non-metallic layer jobs, on non-metallic materials.
  • thermographic processes which can be coated, even coated non-metallic.
  • thermography still meaningful and even beyond can be calibrated and metrologically usable to achieve results.
  • a very important application of this process is in the testing of barrier coated fused silica crucibles, such as quartz crucibles for silicon production.
  • Silicon is often melted in silicon nitride coated fused silica crucibles to silicon ingots, also referred to as ingots.
  • the silicon nitride coating prevents the molten silicon from reacting with the crucible material and damaging or even penetrating the crucible.
  • the previous test method for evaluating the protective layer quality consists of a visual inspection during the spraying of the first layer with a Siliziumnitridschlicker, which is subsequently fixed by a thermal process.
  • the optical test had to be carried out during the spraying, since this layer can hardly be perceived after thermal fixing with visual means. It is used in this procedure Essentially a thin white film is applied to a white substrate.
  • silicon nitride slip as understood is any liquid-viscous mixture in which silicon nitride is dispersed and / or dissolved.
  • the invention provides a method for the thermographic examination of non-metallic materials, in particular coated non-metallic materials, wherein at least part of the surface of the non-metallic material, preferably a part of the surface provided with a non-metallic coating, in particular by means of a short energy pulse, preferably a light pulse or by periodic heat input, a heating made and the temporal and local temperature history recorded at least at several consecutive times.
  • the invention also provides bodies prepared according to the invention, the layers of which only have a deviation of less than 20 ⁇ m, as a rule even less than 5 ⁇ m, from their nominal layer thickness, which is of great advantage, in particular for barrier coatings.
  • the Fourier down-transformed of the recorded temporal temperature profile was determined spatially resolved and for a time t or a defined Phase shown after the entry of the energy pulse spatially resolved, thereby detecting the thermal diffusion of the energy or heat pulse through the layer and based on their thickness.
  • the convolution signal of the time profile of the energy pulse with the recorded temporal temperature profile could advantageously also be determined spatially resolved for a shift time t and displayed in a spatially resolved manner.
  • the coating with a water and particles, in particular sinterable particles, containing suspension, in particular a slurry, preferably by
  • the sinterable particles preferably comprise silicon nitride and / or the ceramic material comprises a SiO 2 -containing ceramic, in particular quartz.
  • thermographic test was carried out prior to the thermal fixing process, because then it was possible to ensure, even before the thermally stressing and energy-intensive fixing process, that the required minimum layer thickness was present at all points of the coating.
  • At least one drying step was carried out at a temperature of more than 20 ° C. and for a period of more than 2 hours, preferably of more than 3 hours and most preferably of more than 5 hours.
  • the measurement was also surprisingly meaningful when the non-metallic material comprised a ceramic and the coating a barrier coating.
  • Silicon nitride layer covered which are virtually indistinguishable from each other, could still be achieved metrologically relevant results.
  • the ceramic had a wall thickness of about 5 mm to 50 mm at the coated location and the silicon nitride coating a thickness of 50 microns to 500 microns.
  • the ceramic had a wall thickness of about 15 mm at the coated location and the silicon nitride coating a thickness of 100 ⁇ m to 300 ⁇ m. Even if the layer system was a multi-layer system, relevant statements of the test method could be obtained without the multilayer structure significantly falsifying the measurements.
  • the multi-layer system comprised silicon nitride layers, which were applied layer by layer by means of a slurry and subsequently by means of a thermal
  • the method was also applicable if the material had the shape of a, preferably rectangular crucible, since even at oblique angles, for example in the crucible corners, unexpectedly precise results were obtained.
  • a threshold value for the layer thickness of the coating it was possible to specify a threshold value for the layer thickness of the coating to be tested at a defined time after the energy input, which threshold value could be used as a measure of a minimum layer thickness for the test for each location of the coating.
  • thermographic test method according to the invention in particular also with the drying steps, it was also successfully attempted to use this test method also for measuring purposes.
  • sample body comprising a non-metallic material
  • the sample body had layers with different predetermined layer thicknesses at different points and the values associated with these predetermined layer thicknesses are determined for calibrating the measured values.
  • the invention also encompasses a method for producing a non-metallic body with a non-metallic coating, a method for thermographic examination and a method for measuring the layer thickness, as will be described in more detail below.
  • the non-metallic layer on the non-metallic body for example of barrier layers, it is also used. This can reduce costs and avoid hazards, as faulty
  • Production results can be minimized and layer thicknesses can be provided at a high quality level.
  • Coating are part of the present invention.
  • the invention also provides bodies prepared according to the invention whose layers have only a deviation of less than 20 .mu.m, usually even less than 5 .mu.m, from their nominal layer thickness, because iteratively can not be applied correctly Make corrections that can even be made automatically when the imaging values are acquired.
  • FIG. 1 shows typical absorption bands in the near, middle and far infrared spectral range, as can be obtained, for example, in the atmosphere.
  • FIG. 2 shows a typical thermographic structure by means of which exemplary measurements were carried out for the invention
  • FIG. 3 shows a thermographic image of the phase difference obtained in the thermographic structure shown in FIG. 2 (thus after the Fourier transformation) of a quartz material body partially coated with silicon nitride layer
  • FIG. 4 shows a representation of the temperature profile
  • Figure 5 is a double logarithmic representation of
  • FIG. 6 shows a two-dimensional representation of the height level of a quartz material or quartz body measured with a white light interferometer, which, like the body, is shown in FIG in Figure 3 is partially coated with a silicon nitride layer, with a line drawn across a coated portion and a not 7 shows a mean height profile calculated from the two-dimensional white light interferometer recording of FIG. 6, which extends along the line shown in FIG. 6, FIG.
  • FIG. 14 is a photographic Representation of the in FIG. 14 shown Quarzgut-, in particular quartz crucible, obliquely from above, substantially from the same direction as shown in Figures 11 to 13 shown,
  • FIG. 16 shows the local measured by pulse thermography
  • FIG. 17 shows the local measured by pulse thermography
  • FIG. 18 shows the temperature distribution at a quartz material coated with six different layer thicknesses, in particular quartz bodies.
  • the layer quality which means the existence of a minimum layer thickness, their intactness, such as freedom from cracks and delamination from the coated surface, is of grave importance.
  • Siliconware used crucibles can greatly increase their service life, if it can be ascertained with certainty that these crucibles still have the necessary minimum layer thickness for the production process of the ingot at all necessary points, in particular the points in contact with silicon.
  • each layer can then be reliably examined before the thermally stressing and energy-intensive and cost-intensive fixing process in its layered quality and either released or otherwise reworked, which was extremely helpful, in particular with spatially resolved measurements.
  • FIG. 1 shows exemplary typical absorption bands in the near, middle and far infrared spectral range, as obtained, for example, in the atmosphere.
  • thermographic examination could considerably improve the quality of the measurements.
  • At least one drying step was carried out at a temperature of more than 20 ° C. for a period of more than 2 hours, preferably of more than 3 hours and most preferably of more than 5 hours.
  • FIG. 2 shows, by way of example only, the test setup by means of which exemplary measurements were carried out for the invention.
  • the reference numeral 1 is a thermal camera provided, which had about 600 by 500 pixels spatial resolution and which recorded the image of the surface of a provided with a coating 5 ceramic body 2.
  • the surface of the body 2 was illuminated as homogeneously as possible in order to ensure a homogeneous over the surface of the body 2 energy input.
  • the flash units 3 and 4 were operated synchronized with the thermal camera 1, so that a fixed temporal image sequence of two-dimensional data could be recorded.
  • the short-term light output of all flash units is defined here, regardless of whether it takes place absolutely simultaneously or offset by a small amount of time.
  • the workpiece used in carrying out the method according to the invention was a ceramic Quarzgut-, in particular quartz body, on whose surface four differently coated areas I to IV were encountered, see for example Figure 18.
  • Silicon nitride crystals in a glassy solidified matrix reduces the hardness of Si 3 N 4 compared to Si carbide, but allows the stem-like recrystallization of the ⁇ -silicon nitride crystals during the sintering process, which results in a significantly increased fracture toughness compared to silicon carbide and boron carbide.
  • the high fracture toughness in combination with small defect sizes gives
  • Silicon nitride the highest strength among the engineering ceramic materials.
  • the combination of high strength, low coefficient of thermal expansion and relatively low modulus of elasticity makes Si 3 N 4 ceramics particularly suitable for components subject to thermal shock and is used, for example, as an insert for cast iron materials (inter alia in interrupted section) or for handling aluminum melts.
  • Silicon nitride ceramics are suitable for use temperatures up to about 1300 0 C with a suitable choice of a refractory glass phase (for example, by the addition of yttria). This definition should also apply to the purposes of the present invention.
  • a silicon nitride-containing layer which contains particulate non-sintered, particulate sintered and / or ceramic constituents is also referred to as the silicon nitride layer.
  • ceramics are largely formed from inorganic, fine-grained raw materials with addition of water at room temperature and then dried objects which are in one subsequent firing above 900 0 C to harder, more durable objects are sintered.
  • the term also includes materials based on metal oxides.
  • quartz is in this description, a high-Si02-containing refractory material, in particular a high-Si02 ceramic, understood, whose SiO 2 content is greater than 98%.
  • high-purity quartz as this is preferably used, the SiO.sub.2 content is more than 99.99%, this material being produced as a sintered ceramic from an aqueous slip, thus an aqueous, paritcular SiO.sub.2-containing suspension.
  • Region IV had no coating, whereas the coating in regions III to I became progressively thicker. See, for example, FIG. 18.
  • the coating thicknesses were about 70 ⁇ m in the region I, about 140 ⁇ m in the region II and about 220 ⁇ m in the region III.
  • the coating was a barrier coating, which included in particular a silicon nitride layer, as used for example in the production of silicon.
  • the various thicknesses were obtained by multiple application of a Siliziumnitridschlickers, which is subsequently baked or fixed by means of a thermal fixing process on the surface has been.
  • This coating was applied with the suspension containing water and particles, in particular sinterable particles, preferably by spraying, brushing, rolling, dipping and / or by means of a laminar film coating.
  • the coating was subsequently subjected to a thermal fixation process.
  • the particles preferably comprise silicon nitride and / or the ceramic material comprises a SiO 2 -containing ceramic, in particular quartz.
  • thermographic image of the surface of the Quarzal institutions 2 directly after an energy input by means of a light pulse, the flash units 3 and 4 showed almost no difference in the intensity recorded by the different pixels of the thermal camera directly after exposure.
  • Figure 18 The thermographic image of the surface of the Quarzal couples 2, directly after an energy input by means of a light pulse, the flash units 3 and 4 showed almost no difference in the intensity recorded by the different pixels of the thermal camera directly after exposure.
  • Coating 5 provided points and was heated at the same points without coating substantially the same.
  • thermographic image of the surface of the Quarzal couples at a defined time after the light pulse showed a locally attributable to the layer thickness intensity curve, as with increasing layer thickness and the intensity recorded by the individual pixels of the thermal camera 1 increased.
  • An InSb quantum detector with a pixel count of 640x512 pixels was used, as it is marketed for example by Thermosensork GmbH.
  • Quantum detector type designation InSb 640 SM made by Thermosensorik GmbH.
  • the FPA (Focal Plane) camera offers a resolution of 640 x 512 pixels with a readout frequency of 100 Hz for the full screen, which can be increased by limiting the field of view to up to 1000 Hz.
  • the InSb detector is sensitive in the wavelength range from 1 ⁇ m to 5 ⁇ m, which is limited to the range of 3 ⁇ m to 5 ⁇ m due to the limited transmission behavior of the 28 mm objective used.
  • the light sources were two high-performance flash lamps with a total energy of 12 kJ.
  • the flash duration was slightly more than 10 mS and intensity or the maximum energy input of the flash units 12 kJ per pulse, the distance of the flash units to the measured surface was between 20 and 40 cm.
  • a video sequence of the sample is taken by the camera for a set period of time: the sequence includes a short time before the flash is fired, the flash itself and the subsequent cooling of the sample.
  • the sequence length was set to 300 images at a recording frequency of 100 Hz. The measurements were carried out with maximum flash power of 12 kJ.
  • the Fourier transform of the recorded temporal temperature profile was determined spatially resolved and displayed spatially resolved for a time t or a defined phase after the entry of the energy pulse, thereby detecting the thermal diffusion of the energy or heat pulse through the layer and thereupon its thickness.
  • the convolution signal of the time profile of the energy pulse with the recorded temporal temperature profile could advantageously also be determined spatially resolved for a shift time t and displayed in a spatially resolved manner.
  • Flash devices in mathematical approximation is essentially a Dirac pulse.
  • FIG. 3 in which a quartz body 2 coated with a silicon nitride layer 5 is shown.
  • thermographic structure shown in Figure 2 was used.
  • Figure 4 shows a representation of the temperature profile upon diffusion of a Dirac temperature pulse in a semi-infinite homogeneous medium with a heat-imparting constituent starting from the surface as Function of Time
  • Figure 5 is a double logarithmic representation of the temperature profile upon diffusion of a Dirac temperature pulse in a semi-infinite homogeneous medium with a heat-imparting component of the surface starting as a function of time, the location of the heat accumulation of the peak in Figure 5 assigned is.
  • FIG. 6 shows a two-dimensional representation of the local layer thickness profile measured with a white light interferometer on the surface of a quartz body 2, which is partially coated with a silicon nitride layer 5, along a coated section and along an uncoated section of its surface.
  • FIG. 7 shows the local layer thickness or height profile, measured with a white light interferometer, along the line drawn in FIG. 6, which extends transversely to a coated section and an uncoated section.
  • non-destructive white-light interferometry can only be used for small areas and for essentially two-dimensional bodies, that is to say bodies having only a few micrometers of height difference and, consequently, is not suitable for larger areas and three-dimensional bodies having a greater height difference.
  • interferometers must be adjusted with an accuracy in the wavelength range, both at a distance and with respect to their tilting relative to the measurement surface, which practically precludes their use for mass production.
  • the heat pulse passes without any further action from the surface into the interior of the material and the flash duration is so short that the energy input occurs substantially everywhere on the exposed surface at the same time, this pulse usually proceeds perpendicularly to the surface in the volume and the Infrarotkamrea and also used for lighting flash units or lamps must not be aligned exactly to this surface to be measured.
  • the Fourier transform or convolution that is performed essentially measures the shape of the signal and less its absolute value. But precisely its shape is decisive for the measured layer thickness, as will be shown later.
  • Intensity threshold for the individual pixels are given at a defined time after the energy input, which could be specified and used as a measure of a minimum layer thickness for the test for each location of the coating.
  • this method proved to be surprisingly precise and even allowed a calibration based on a multiple coated specimen with locally different layer thicknesses.
  • test also includes a measurement, in particular a measurement based on a calibration, as described in more detail below.
  • FIG. 8 shows in its upper area a two-dimensional representation of the local intensity curve as described above on the surface of a quartz body which is coated with several silicon nitride layers which run stepwise, from left to right, in number at the surface of the quartz body and thus in their total thickness, and in their lower section, individual measurements made on each step of the same body for calibration purposes using a confocal reference method.
  • a confocal reference method a method was used, as described for example in DE 10 200 40 49541.
  • the respective sample body had at different points layers with different predetermined layer thicknesses, which are shown for example in Figures 9 and 10 as measuring points in their respective abscissa.
  • the ordinates of FIGS. 9 and 10 respectively show values designated as IR count values which correspond in height to the value of the above-described Fourier signal and similarly also to that of the described convolution signal.
  • FIG. 9 shows a two-dimensional representation of a calibration obtained with the coated fused quartz material, in particular quartz bodies, illustrated in FIG. 8, in which locally measured layer thicknesses of the silicon nitride layer applied to the quartz body were assigned to the absolute gray values obtained by pulse thermography.
  • the layer thickness of a layer to be measured can now be obtained by comparison and / or linear interpolation for each location with the calibrated values shown, for example, in FIG.
  • FIG. 10 shows a two-dimensional representation of one of the similar calibrations shown in FIG. 9, in which the absolute gray values obtained by pulse thermography and thus their layer thickness values were determined for two different distances.
  • the two images were taken in each case for a distance of the infrared camera to the measured surface of 450 mm and 650 mm and show very clearly that this distance has only a very small influence on the measured layer thickness.
  • the local resolution was in the lateral direction, thus substantially parallel to the surface of the sample body about 50 pixels (dots) per cm and perpendicular to the surface of the sample body thus in its depth about 20 ⁇ m as explained above.
  • FIG. 11 shows the locally measured intensity and therefore layer thickness profile on the surface of a quartz crucible, which had no coating at all, viewed obliquely from above, as measured by pulse thermography.
  • FIG. 12 shows the locally measured intensity and thus layer thickness profile on the surface of a quartz crucible, which is completely coated with a silicon nitride layer, which was applied to it in a first coating step with a spray coating, seen obliquely from above, in FIG pulsation thermometrically measured local intensity and thus layer thickness profile at the surface of the quartz crucible shown in Figure 12, which is additionally completely coated with a second silicon nitride layer, which was applied in a second coating step with a spray coating on the first layer, seen obliquely from above, and FIG.
  • FIG. 14 shows the local intensity and intensity measurements by pulse thermography thus layer thickness profile at the surface of the quartz crucible shown in Figure 12 and Figure 13, which is additionally completely coated with a third silicon nitride layer, which was applied in a third coating step with a spray coating on the second layer, after a drying time of about 20 minutes after the third spray coating seen obliquely from above,
  • Figure 15 shows a photographic representation of the in
  • Figure 14 shown quartz crucible, obliquely from above, substantially from the same direction as shown in Figures 11 to 13 shown,
  • the ceramic had a wall thickness of about 5 mm to 50 mm at the coated point and the silicon nitride coating had a thickness of 50 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the ceramic had a wall thickness of about 15 mm at the coated point and the silicon nitride coating a thickness of 100 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • the silicon nitride layer system was a multilayer system which acted as a barrier to the molten silicon.
  • the crucible was rectangular and had a depth of about 50 cm with a width of about 40 cm by 40 cm.
  • Further preferred dimensions of the rectangular crucible were preferably at its first bottom side 650 to 950 mm by 650 to 950 mm at its second bottom side and 400 to 600 mm in height at its side walls. These crucibles were coated in their interior either over the entire surface or almost the entire surface, this means with an upper edge of a few, that is up to 10 cm, coated so that the layer was within the specified deviations from the nominal layer thickness.
  • FIG. 16 shows the locally measured intensity intensity and thus layer thickness profile on the pulse-thermographically measured surface
  • FIG. 17 shows the locally measured intensity and therefore layer thickness profile measured on the surface of a further quartz crucible, which has an intact silicon nitride layer, seen obliquely from above, as measured by pulse thermography.
  • the invention allows by their method non-metallic body with non-metallic coating to produce, in particular ceramic body with ceramic coating, which particularly high
  • the material or the crucible material can also consist of sintered silicon nitride, graphite, and / or fiber-reinforced graphite.
  • the method according to the invention is used during the coating and before the thermal fixation of the ceramic layer, it is possible to detect points with too low a coating and to locally repair them.
  • a deviation of less than 20 microns from the target layer thickness could be achieved. In most cases, this deviation was less than 5 microns, of which target layer thickness in an area of the surface of 10 by 10 cm, preferably 100 by 100 cm.
  • a relevant coating area is understood to mean the area which later comes into contact with the semiconductor melt and consequently has to provide the barrier properties. This relevant area can also be have an upper edge of a few cm, which is still outside this precise layer thickness.
  • thermographic lock-in process in which, instead of a heat pulse, a periodic heat input, for example as a sinusoidal function over time, was measured and measured synchronously.
  • this method is an excellent means for testing the coating quality, especially of ceramic barrier layers on ceramic substrates, including three-dimensional ceramic substrates.
  • ceramic materials or bodies are also to be understood as meaning glass-ceramic materials or bodies.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermographischen Prüfung nichtmetallischer Werkstoffe, insbesondere beschichteter nichtmetallischer Werkstoffe, bei welchem zumindest in einem Teil der Oberfläche des nichtmetallischen Werkstoffs, vorzugsweise einem mit einer nichtmetallischen Beschichtung versehenen Teil der Oberfläche, insbesondere mittels eines kurzen Energiepulses, vorzugsweise eines Lichtpulses, oder durch periodischen Wärmeeintrag eine Erwärmung vorgenommen und der zeitliche und örtliche Temperaturverlauf zumindest zu mehreren aufeinander folgenden Zeitpunkten aufgezeichnet wird kann sowie ein Herstellungsverfahren, bei welchem dieses Anwendung findet und nach dem Herstellungsverfahren hergestellte Gegenstände.

Description

Verfahren zur thermographischen Prüfung nichtmetallischer Werkstoffe, insbesondere beschichteter nichtmetallischer Werkstoffe, sowie Verfahren zu deren Herstellung und verfahrensgemäß hergestellter Körper
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermographischen Prüfung nichtmetallischer Werkstoffe, insbesondere beschichteter nichtmetallischer Werkstoffe.
Verfahren zur thermographischen Prüfung werden bis dato beispielsweise zur Prüfung metallischer Werkstoffe auf
Fehlstellen des Materials selbst oder von auf dem Material angebrachten Beschichtungen verwendet.
Die WO 2006/037359 Al offenbart ein thermographisches Verfahren, bei welchem der zeitliche Verlauf der
Oberflächentemperatur analysiert wird, wobei diese Analyse als Funktion der zeitlichen Logarithmen und der Logarithmen der Temperatur vorgenommen wird. Als Materialien werden metallische Materialien, wie beispielsweise Turbinenschaufeln untersucht.
Aus dem Artikel "Automatisches System zur thermographischen Prüfung von Gasturbinenschaufeln", W. Heinrich et al. DGZfP-Jahrestagung 2003 ZfP Anwendung, Entwicklung und Forschung, ist die thermographische Prüfung beschichteter Turbinenschaufeln bekannt. Mit der thermographischen Messung beschichteter metallischer Körper wird durch die hohe thermische Leitfähigkeit des Metalls gegenüber der sehr verminderten thermischen Leitfähigkeit der Beschichtung ein recht passabler zeitlicher Temperaturverlauf zur Ermittlung von Materialparametern bereitgestellt .
Ein Problem bestand bisher jedoch darin, die Dicke oder Vollständigkeit eines Schichtauftrags dünner nichtmetallischer Schichten auf nichtmetallischen Werkstoffen, beispielsweise Schutzschichten auf keramischen Werkstoffen, zu Prüfen oder sogar zu Messen.
Dieses Problem stellt sich regelmäßig um so schwieriger dar, je ähnlicher sich diese Schichten sind. Insbesondere keramische oder Partikel, auch gesinterte Partikel, enthaltende Schichten können beispielsweise optisch kaum oder nicht mehr von dem beschichteten keramischen Substrat unterscheidbar sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Prüfung oder sogar die Messung von Schichtaufträgen, insbesondere nichtmetallischen Schichtaufträgen auf nichtmetallischen Werkstoffen zu ermöglichen oder zu verbessern.
In Überraschender Weise haben die Erfinder herausgefunden, dass sich mittels thermographischer Verfahren auch nichtmetallische Werkstoffe untersuchen lassen, welche beschichtet, sogar nichtmetallisch beschichtet sein können.
Trotz der schlechten thermischen Leitfähigkeit sowohl des Werkstoffs als auch von dessen Beschichtung haben die Erfinder herausgefunden, dass sich mittels der Thermographie noch aussagekräftige und darüber hinaus sogar kalibrierbare sowie meßtechnisch nutzbare Resultate erzielen lassen.
Eine sehr wichtige Anwendung dieses Verfahrens findet sich in der Prüfung von mit einer Barrierebeschichtung versehenen Quarzgut-Tiegeln, wie beispielsweise Quarzal- Tiegeln für die Siliziumherstellung.
Silizium wird häufig in mit Siliziumnitrid beschichteten Quarzgut-Tiegeln zu Siliziumbarren, welche auch als Ingots bezeichnet werden, erschmolzen. Die Siliziumnitrid- beschichtung verhindert dabei, dass das geschmolzene Silizium in Reaktion mit dem Tiegelmaterial tritt und den Tiegel beschädigt oder gar durchdringt.
Die Herstellung derartiger Quarzgut- oder ähnlicher beschichteter Tiegel ist beispielsweise beschrieben in DE 10 2005 029 039 Al, WO 2006/005416 Al, DE 103 42 042 Al, EPl 570 117 Bl, WO 2007/003354 Al, WO 2005/106084 Al, DE 10 2005 050 593 Al, EP 0 963 464 Bl, WO 98/35075, US 6,479 108 B2, WO 2006/107769 A2, US 5,431,869, DE 10 2007 015 184 Al, US 2007/0074653 Al, US 4,741,925, US 6,491,971 B2, WO, 2007/039310 Al, WO 2004/053207, US 2002/146510, US
2002/083886 Al.
Das bisherige Prüfverfahren zur Beurteilung der Schutzschichtgüte besteht aus einer visuellen Inspektion während des Aufsprühens der ersten Schicht mit einem Siliziumnitridschlicker, welcher nachfolgend durch ein thermisches Verfahren fixiert wird.
Die optische Prüfung musste während des Aufsprühens vorgenommen werden, da sich diese Schicht nach dem thermischen Fixieren mit visuellen Mitteln nahezu nicht mehr wahrnehmen lässt. Es wird bei diesem Verfahren im Wesentlichen ein dünner weißer Film auf einem weißen Substrat aufgebracht.
Als Siliziumnitridschlicker wird hierbei jegliche flüssig- viskose Mischung verstanden, in welcher sich Siliziumnitrid dispergiert und/oder gelöst befindet.
Ferner war es bekannt, diese Schichten nach dem Aufsprühen mittels eines stichprobenartigen Kratztests zu untersuchen, wodurch aber die Schicht zumindest am Ort der Prüfung jeweils zerstört wurde.
Mit Blick auf den hohen Gefährdungstatbestand für Mensch und Material bei der Herstellung des Siliziums bestand besonders für diese Anwendung ein sehr hoher Bedarf an der Verbesserung der zur Verfügung stehenden Prüf- und Messverfahren.
Nicht nur immens hohe Kosten beim Verlust eines Tiegels und dessen Material sondern auch die Gefährdung durch flüssiges, mit sehr hoher Temperatur austretendes Silizium machen den Bedarf an diese verbesserten Verfahren deutlich.
Ein prüf- und messtechnisches Problem bestand somit gerade bei dieser Werkstoff- Schichtsystemkombination darin, dass der dünne Schichtauftrag optisch kaum vom darunter liegenden keramischen Trägermaterial zu unterscheiden war.
Insbesondere auch die in den mittels Schlicker aufgetragenen Schichten vermuteten Inhomogenitäten ließen thermische Verfahren, insbesondere zur Messung der Dicke einer solchen Schicht, als in deren Aussage kritisch erscheinen . Folglich bestand zunächst auch die Vermutung, dass thermische Messungen, insbesondere im infraroten Spektralbereich, keine signifikanten Ergebnisse bringen würden und war die Überraschung der Erfinder um so größer bei Erhalt der nachfolgend dargestellten Ergebnisse.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur thermographischen Prüfung nichtmetallischer Werkstoffe, insbesondere beschichteter nichtmetallischer Werkstoffe zur Verfügung, bei welchem zumindest in einem Teil der Oberfläche des nichtmetallischen Werkstoffs, vorzugsweise einem mit einer nichtmetallischen Beschichtung versehenen Teil der Oberfläche, insbesondere mittels eines kurzen Energiepulses, vorzugsweise eines Lichtpulses oder durch periodischen Wärmeeintrag, eine Erwärmung vorgenommen und der zeitliche und örtliche Temperaturverlauf zumindest zu mehreren aufeinander folgenden Zeitpunkten aufgezeichnet wird.
Ferner stellt die Erfindung auch erfindungsgemäß hergestellte Körper bereit, deren Schichten nur noch eine Abweichung von weniger als 20 μm, in der Regel sogar von weniger als 5 μm, von deren Sollschichtdicke aufeisen, welches insbesondere für Barrierebeschichtungen von hohem Vorteil ist.
Vorteilhaft war es dabei, mit einer bildgebenden Infrarotkamera zeit- und ortsaufgelöst aufzuzeichnen, da hierbei sofort fehlerafte Bereiche oder Bereiche mit unzureichender Beschichtungsdicke erkennbar wurden.
Vorteilhaft wurde die Fourierücktransformierte des aufgezeichneten zeitlichen Temperaturverlaufs ortsaufgelöst ermittelt und für einen Zeitpunkt t oder eine definierte Phase nach dem Eintrag des Energiepulses ortsaufgelöst dargestellt, um hierdurch die thermische Diffusion des Energie- oder Wärmepulses durch die Schicht und darauf basierend deren Dicke zu erfassen.
Hierzu konnte vorteilhaft auch das Faltungssgignal des zeitlichen Verlaufs des Energiepulses mit dem aufgezeichneten zeitlichen Temperaturverlauf für einen Verschiebungszeitpunkt t ortsaufgelöst ermittelt und ortsaufgelöst dargestellt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausfϋhrungsform wurde die Beschichtung mit einer Wasser und Partikel, insbesondere sinterfähige Partikel, enthaltenden Suspension, insbesondere einem Schlicker, vorzugsweise durch
Aufsprühen, Aufstreichen, Aufrollen, Tauchen und/oder mittels Belegung mit einem laminaren Film aufgebracht und nachfolgend einem thermischen Fixierungsverfahren unterzogen.
Bei dieser Ausführungsform haben die sinterfähigen Partikel bevorzugt Siliziumnitrid umfasst und/oder der keramische Werkstoff eine SiO2 haltige Keramik, insbesondere Quarzal.
Besonders vorteilhaft war es, wenn dabei die thermographische Prüfung vor dem thermischen Fixierungsverfahren durchgeführt wurde, denn dann konnte noch vor der thermisch belastenden und Energie- kostenintensiven Fixiervorgang sicher gestellt werden, dass an allen Stellen der Beschichtung die nötige Mindestschichtdicke vorlag.
Ferner haben die Erfinder herausgefunden, dass sehr wichtig ist, vor der thermographischen Prüfung einen Trocknungsschritt durchzuführen, insbesondere dann, wenn noch kein thermisches Fixieren durchgeführt wurde. Ohne diese Schritt zeigten sich gravierende Schwankungen in den erhaltenen Ergebnissen, welche zu dramatischen Fehlbewertungen der Schichtdicken sowie der Intaktheit des Schichtsystems geführt hätten. Ferner konnte man den
Trocknungsvorgang beobachten, da sich während der Trocknung die Werte der Schichtdicke stetig änderten, bis diese eine im im Wesentlichen getrockneten Zustand stabile Grenze erreichten.
Vorzugsweise wurde hierzu zumindest ein Trocknungsschritt bei einer Temperatur von mehr als 200C und für einen Zeitraum von mehr als 2 h, vorzugsweise von mehr als 3h und am bevorzugtesten von mehr als 5h durchgeführt.
Überraschend aussagekräftig war auch die Messung, wenn der nichtmetallische Werkstoff eine Keramik und die Beschichtung eine Barrierebeschichtung umfaßte.
Selbst wenn die Keramik Quarzgut, wie beispielsweise Quarzal und die Barrierebeschichtung eine
Siliziumnitridschicht umfaßte, welche optisch nahezu nicht voneinander unterscheidbar sind, konnten noch messtechnisch relevante Ergebnisse erzielt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wies die Keramik an der beschichteten Stelle eine Wandstärke von etwa 5 mm bis 50 mm und die Siliziumnitrid-Beschichtung eine Dicke von 50 μm bis 500 μm auf.
Bei der bevorzugtesten Ausführungsform wies die Keramik an der beschichteten Stelle eine Wandstärke von etwa 15 mm und die Siliziumnitrid-Beschichtung eine Dicke von 100 μm bis 300 μm auf. Auch wenn das Schichtsystem ein Mehrschichtsystem war, konnten relevante Aussagen des Prüfverfahrens erhalten werden, ohne dass der mehrschichtige Aufbau hierbei die Messungen in erheblichem Maße verfälschte.
Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasste das Mehrschichtsystem Siliziumnitridschichten, welche schichtweise zunächst mittels eines Schlickers aufgetragen und nachfolgend mittels eines thermischen
Fixierungsverfahrens an der Keramik fixiert wurden.
Überraschend gut war das Verfahren auch anwendbar, wenn der Werkstoff die Form eines, vorzugsweise rechteckförmigen Tiegels hatte, da hierbei selbst unter schrägen Winkeln, beispielsweise in den Tiegelecken, unerwartet präzise Ergebnisse erhalten wurden.
Bei einer besonders einfachen Verfahrensform konnte für die zu prüfende Schichtdicke der Beschichtung ein Schwellwert zu einem definierten Zeitpunkt nach dem Energieeintrag vorgegeben werden, welcher als Maß für eine Mindestschichtdicke für die Prüfung für jeden Ort der Beschichtung verwendbar war.
Da die Erfinder mit dem erfindungsgemäßen thermographischen Prüfverfahren, insbesondere mit auch mit den Trocknungsschritten, so gute Ergebnisse erzielen konnten, wurde ebenfalls mit Erfolg versucht, dieses Prüfverfahren auch zu Meßzwecken zu verwenden.
Hierzu wurden Referenzmessungen an einem Probenkörper, der einen nichtmetallischen Werkstoff umfaßte, durchgeführt wobei der Probenkörper an verschiedenen Stellen Schichten mit verschiedenen vorgegebenen Schichtdicken aufwies und die diesen vorgegeben Schichtdicken zugeordneten Werte zur Kalibrierung der Messwerte ermittelt.
Vorteilhaft und überraschend genau konnten danach ortsaufgelösten Messung der Schichtdicke einer nichtmetallischen Schicht an einem nichtmetallischen Körper, bei welchem die Schichtdicke durch Vergleich und/oder Interpolation der vorhergehend ermittelten und kalibrierten Werte ortsaufgelöst gewonnen werden.
Hierbei wurde überraschend genau eine
Schichtdickenauflösung von 20 μm bei einem System mit einer Siliziumnitridchicht auf einem Quarzgut-, insbesondere Quarzalkörper zur Verfügung gestellt. 20μm war die kleinste, in einer Stufenprobe realisierte Messung bzw. Höhendifferenz, d.h. direkt durch die Kamera gemessene Tiefenänderung. Die später ermittelte Kalibrierkurve zeigt rein rechnerisch einen Wert der Auflösung von lμm pro Grauwertänderung. Folglich betrug die maximal erreichbare Auflösung der Schichtdickenmessung in überraschend guter
Weise sogar nur etwa 1 μm. Praktisch wurden jedoch so gut wie immer Auflösungen von besser als 5 μm erreicht. *
Überraschend gut waren auch die Ergebnisse, welche ebenfalls der vorstehend erwähnten messtechnischen
Auflösung genügen konnten, für dreidimensionale Körper, insbesondere keramisch beschichtete keramische Körper erreicht werden. Es war nicht klar, dass eine den Wärmepuls erzeugende Ausleuchtung und zugleich eine so präzise Messung noch möglich ist, wenn der gemessene Körper nicht nur eine zweidimensional, also eine flächige, sondern eine dreidimensionale Erstreckung aufweist, also beispielsweise Anteile, die wie bei einem Tiegel wie beispielsweise dessen Seitenwände, senkrecht oder schräg zu dessen Grundfläche verlaufen .
Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines nichtmtetallischen Körpers mit einer nichtmetallischen Beschichtung, ein Verfahren zur thermographischen Prüfung und ein Verfahren zur Messung der Schichtdicke, wie es nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird.
Insbesondere zur Sicherstellung einer Mindestschichtdicke der nichtmetallischen Schicht an dem nichtmetallischen Körper, beispielsweise von Barriereschichten, findet es ebenfalls Verwendung. Hierdurch lassen sich Kosten senken sowie Gefährdungen vermeiden, da fehlerhafte
Produktionsergebnisse minimiert und Schichtdicken auf hohem Qualitätsniveau bereitgestellt werden können.
Auch die verfahrensgemäß hergestellten und herstellbaren nichtmtetallischen Körper mit nichtmetallischer
Beschichtung sind Teil der vorliegenden Erfindung.
Mit diesen überraschend guten Resultaten stellt die Erfindung auch erfindungsgemäß hergestellte Körper bereit, deren Schichten nur noch eine Abweichung von weniger als 20 μm, in der Regel sogar von weniger als 5 μm, von deren Sollschichtdicke aufweisen, denn iterativ lassen sich an noch nicht korrekt aufgetragenen Stellen Nachbesserungen vornehmen, die bei Erfassung der bildgebenden Werte sogar automatisiert vorgenommen werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Figuren anhand bevorzugter Ausführungsformen detaillierter beschrieben. Es zeigen
Figur 1 typische Absorptionsbanden im nahen, mittleren und fernen infraroten Spektralbereich, wie diese beispielsweise in der Atmosphäre erhalten werden können,
Figur 2 einen typischen thermographischen Aufbau, mittels welchem für die Erfindung beispielhafte Messungen durchgeführt wurden,
Figur 3 eine in dem in Figur 2 gezeigten thermographischen Aufbau erhaltene thermographische Aufnahme der Phasendifferenz (somit nach der Fouriertransformation) eines teilweise mit Siliziumnitridschicht beschichteten Quarzgutkörpers, Figur 4 eine Darstellung des Temperaturverlaufs bei
Diffusion eines Dirac-Temperaturpulses in ein halb unendliches homogenes Medium mit einem einen Wärmestau auslösenden Bestandteil von dessen
Oberfläche ausgehend als Funktion der Zeit, Figur 5 eine doppelt logarithmische Darstellung des
Temperaturverlaufs bei Diffusion eines Dirac- Temperaturpulses in ein halb unendliches homogenes Medium mit einem einen Wärmestau auslösenden Bestandteil von dessen Oberfläche ausgehend als Funktion der Zeit, Figur 6 eine zweidimensionale Darstellung der mit einem Weisslichtinterferometer gemessenen Höhenstufe eines Quarzgut- bzw. Quarzalkörpers, der wie der Körper in Figur 3 teilweise mit einer Siliziumnitridschicht beschichtet ist, mit einer eingezeichneten Linie, die quer zu einem beschichteten Abschnitt und einem nicht beschichteten Abschnitt von dessen Oberfläche verläuft, Figur 7 ein aus der zweidimensionalen Weisslicht- interferometeraufnähme aus Figur 6 berechnetes mittleres Höhenprofil, welches sich entlang der in Figur 6 gezeigten Linie erstreckt,
Figur 8 in deren oberen Bereich eine zweidimensionale Darstellung des pulsthermographisch gemessenen lokalen Intensitätsverlaufs an der Oberfläche eines Quarzgut-, insbesondere Quarzalkörpers, der mit mehreren Siliziumnitridschichten beschichtet ist, welche stufenweise, von links nach rechts verlaufend, in deren Anzahl an der Oberfläche des Quarzalkörpers und somit in deren gesamter Dicke zunehmen sowie in deren unterem Abschnitt exemplarisch dargestellte Einzelmessungen mit einem konfokalen
Referenzmessverfahrendurchgeführt zur Ermittlung der wahren Höhenstufen und Durchführung der Kalibrierung der Kalibriekurven die unter anderem mit den in Figur 8 dargestellten beschichteten Quarzgut-, insbesondere Quarzalkörpern (und weiteren) gewonnen wurden, bei welcher den pulsthermographisch gewonnenen Absolutgrauwerten lokal gemessene Schichtdicken der auf den Quarzalkörper aufgetragenen Siliziumnitridschicht zugeordnet wurden, Figur 10 eine zweidimensionale Darstellung einer der in
Figur 9 dargestellten ähnlichen Kalibrierung, bei welcher die pulsthermographisch gewonnenen
Absolutgrauwerte und somit deren
Schichtdickenwerte für zwei verschiedene Abstände ermittelt wurden, Figur 11 den pulsthermographisch gemessenen lokalen Intensitäts- und somit Schichtdickenverlauf an der Oberfläche eines Quarzgut-, insbesondere Quarzaltiegels, der keinerlei Beschichtung aufwies, schräg von oben her gesehen, Figur 12 den pulsthermographisch gemessenen lokalen
Intensitäts- und somit Schichtdickenverlauf an der Oberfläche eines Quarzgut-, insbesondere Quarzaltiegels, der vollständig mit einer Siliziumnitridschicht beschichtet ist, die in einem ersten Beschichtungsschritt mit einer
Sprühbeschichtung auf diesen aufgebracht wurde, schräg von oben her gesehen, Figur 13 den pulsthermographisch gemessenen lokalen
Intensitäts- und somit Schichtdickenverlauf an der Oberfläche des in Figur 12 dargestellten
Quarzgut-, insbesondere Quarzaltiegels, der zusätzlich vollständig noch mit einer zweiten Siliziumnitridschicht beschichtet ist, die in einem zweiten Beschichtungsschritt mit einer Sprühbeschichtung auf die erste Schicht aufgebracht wurde, schräg von oben her gesehen, Figur 14 den pulsthermographisch gemessenen lokalen
Intensitäts- und somit Schichtdickenverlauf an der Oberfläche des in Figur 12 und Figur 13 dargestellten Quarzgut-, insbesondere
Quarzaltiegels, der zusätzlich vollständig noch mit einer dritten Siliziumnitridschicht beschichtet ist, die in einem dritten Beschichtungsschritt mit einer Sprühbeschichtung auf die zweite Schicht aufgebracht wurde, nach einer Trocknungszeit von ca. 20 Minuten nach der dritten Sprühbeschichtung schräg von oben her gesehen, Figur 15 eine photographische Darstellung des in Figur 14 dargestellten Quarzgut-, insbesondere Quarzaltiegels, schräg von oben her, im Wesentlichen aus der gleichen Richtung wie in den Figuren 11 bis 13 gesehen dargestellt,
Figur 16 den pulsthermographisch gemessenen lokalen
Intensitäts- und somit Schichtdickenverlauf an der Oberfläche eines weiteren Quarzgut-, insbesondere Quarzaltiegels welcher eine fehlerhafte Siliziumnitridschicht aufweist, schräg von oben her gesehen,
Figur 17 den pulsthermographisch gemessenen lokalen
Intensitäts- und somit Schichtdickenverlauf an der Oberfläche eines nochmals weiteren Quarzgut-, insbesondere Quarzaltiegels welcher eine intakte Siliziumnitridschicht aufweist, schräg von oben her gesehen,
Figur 18 die Temperaturverteilung an einem mit sechs verschiedenen Schichtdicken beschichteteten Quarzgut, insbesondere Quarzalköper .
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Bei der Beschichtung von Quarzguttiegeln mit Barriereschichten, insbesondere mit keramischen Barriereschichten, kommt der Schichtgüte, dies bedeutet dem Vorhandensein einer Mindestschichtdicke, deren Intaktheit wie der Freiheit von Rissen und Ablösungen von der beschichtete Oberfläche gravierende Bedeutung zu.
Auch die Untersuchung von bereits für die
Siliziumherstellung benutzten Tiegeln kann deren Standzeit weit erhöhen, wenn mit Sicherheit festgestellt werden kann, dass diese Tiegel an allen notwendigen Stellen, insbesondere den mit Silizium in Kontakt tretenden Stellen noch die nötige Mindestschichtdicke für den Herstellungsvorgang des Ingots aufweisen.
Ein besonders vorteilhafter Zeitpunkt liegt jedoch gerade auch dann vor, wenn diese Untersuchung vor dem thermischen Fixierungsverfahren des auf den keramischen Quarzgut-, insbesondere Quarzalkörper aufgetragenen Schlickers durchgeführt wird.
Zum einen kann dann jede Schicht noch vor dem thermisch belastenden und Energie- und kostenintensiven Fixiervorgang sicher in deren Schichtgualität untersucht und entweder frei gegeben oder andernfalls nachgearbeitet werden, welches insbesondere mit ortsaufgelösten Messungen extrem hilfreich war.
Zunächst stellten die Erfinder aber fest, dass nach dem Auftrag des Schlickers keine zuverlässigen Messwerte zu erhalten waren, da eine Zuordnung der durch thermische Messungen gewonnen Schichtdickenwerte zu mit alternativen Verfahren gemessenen Werten fehl ging.
Alternative Meßverfahren sind beispielsweise mikroskopische (konfokale) und elektronenmikroskopische Meßverfahren sowie Kratztests, die an Schnittflächen des beschichteten Körpers durchgeführt werden können, letztere jedoch nicht zerstörungsfrei und somit für die Produktion nur wenig geeignet sind.
Es stellte sich die Frage, waren es keramische Inhomogenitäten, Risse, Dichteschwankungen, Zusammensetzungsschwankungen der Keramik oder Verschmutzungen, welche zu diesen Fehlmessungen führten oder waren thermische Meßverfahren für derartige keramische Schichtsysteme generell nicht geeignet.
Es wird nachfolgend auf Figur 1 Bezug genommen, welche beispielhaft typische Absorptionsbanden im nahen, mittleren und fernen infraroten Spektralbereich, wie diese beispielsweise in der Atmosphäre erhalten werden, zeigt.
Die Erfinder fanden heraus, dass gerade das Lösungsmittel, insbesondere Wasser, welches im Schlicker vorhanden war zu diesen erheblichen Messabweichungen führte, dessen Absorptionsbanden gut aus Figur 1 zu erkennen sind.
Insbesondere dann, wenn noch kein thermisches Fixieren durchgeführt wurde, konnte ein noch vor der thermographischen Prüfung durchgeführter Trocknungsschritt die Qualität der Messungen erheblich verbessern.
Ohne diese Schritt zeigten sich jedoch gravierende Schwankungen in den erhaltenen Ergebnissen, welche zu dramatischen Fehlbewertungen der Schichtdicken sowie der Intaktheit des Schichtsystems geführt hätten.
Vorzugsweise wurde hierzu zumindest ein Trocknungsschritt bei einer Temperatur von mehr als 20 0C für einen Zeitraum von mehr als 2 h, vorzugsweise von mehr als 3h und am bevorzugtesten von mehr als 5h durchgeführt.
Nachfolgend wird auf Figur 2 Bezug genommen, welche lediglich beispielhaft den Prüfaufbau zeigt, mittels welchem für die Erfindung beispielhafte Messungen durchgeführt wurden.
Mit dem Bezugszeichen 1 ist eine Thermokamera versehen, welche etwa 600 mal 500 Pixel Ortsauflösung aufwies und welche das Bild der Oberfläche eines mit einer Beschichtung 5 versehenen Keramikkörpers 2 aufzeichnete.
Mittels der Blitzgeräte 3 und 4 wurde die Oberfläche des Körpers 2 möglichst homogen ausgeleuchtet, um einen über die Fläche des Körpers 2 möglichst homogenen Energieeintrag zu gewährleisten.
Die Blitzgeräte 3 und 4 wurden mit der Thermokamera 1 synchronisiert betrieben, so dass eine feste zeitliche Bildfolge zweidimensionaler Daten aufgezeichnet werden konnte .
Als Lichtpuls für den thermischen Energieeintrag wird hier die kurzzeitige Lichtabgabe aller Blitzgeräte definiert, egal ob diese wirklich absolut gleichzeitig oder nur um einen geringen zeitlichen Betrag versetzt stattfindet.
Das bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Werkstück war ein keramischer Quarzgut-, insbesondere Quarzalkörper, an dessen Oberfläche vier unterschiedlich beschichtete Bereiche I bis IV anzutreffen waren, siehe beispielsweise Figur 18.
Die Herstellung derartiger, im Wesentlichen keramisch beschichteter Keramiken ist beispielhaft beschrieben in DE 10 2005 029 039 Al, WO 2006/005416 Al, DE 103 42 042 Al, EPl 570 117 Bl, WO 2007/003354 Al, WO 2005/106084 Al, DE 10 2005 050 593 Al, EP 0 963 464 Bl, WO 98/35075, US 6,479 108 B2, WO 2006/107769 A2, US 5,431,869, DE 10 2007 015 184 Al, US 2007/0074653 Al, US 4,741,925, US 6,491,971 B2 , WO, 2007/039310 Al, WO 2004/053207, US 2002/146510, US 2002/083886 Al. Wikipedia definiert technisches Siliziumnitrid als eine Nichtoxid-Keramik, die in der Regel aus ß-
Siliziumnitridkristallen in einer glasig erstarrten Matrix besteht. Der Glasphasenanteil reduziert die Härte von Si3N4 im Vergleich zu Siiciumcarbid, ermöglicht aber die stengelige Umkristallisation der ß-Siliziumnitridkristalle während des Sintervorgangs, was eine im Vergleich zu Siliziumcarbid und Borcarbid deutlich erhöhte Bruchzähigkeit bewirkt. Die hohe Bruchzähigkeit in Kombination mit kleinen Defektgrößen verleiht
Siliziumnitrid die höchste Festigkeit unter den ingenieurkeramischen Werkstoffen. Durch die Kombination von hoher Festigkeit, niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten und relativ kleinem Elastizitätsmodul eignet sich Si3N4- Keramik besonders für thermoschockbeanspruchte Bauteile, und wird zum Beispiel als Wendeschneidplatte für Eisengusswerkstoffe (unter anderem im unterbrochenen Schnitt) oder zur Handhabung von Aluminiumschmelzen eingesetzt. Siliziumnitridkeramiken sind bei geeigneter Wahl einer refraktären Glasphase (zum Beispiel durch den Zusatz von Yttriumoxid) für Einsatztemperaturen bis etwa 1300 0C geeignet. Diese Definition soll auch für die Zwecke der vorliegenden Erfindung gelten.
Als Siliziumnitridschicht wird für die Zwecke der vorliegenden Erfindung auch eine Siliziumnitrid enthaltende Schicht bezeichnet, welche partikuläre nicht gesinterte, partikuläre gesinterte und/oder keramische Bestandteile enthält .
Laut der freien Enzyklopädie Wikipedia, deren Definition auch dieser Beschreibung zu Grunde gelegt wird, sind Keramiken weitgehend aus anorganischen, feinkörnigen Rohstoffen unter Wasserzugabe bei Raumtemperatur geformte und danach getrocknete Gegenstände, die in einem anschließenden Brennprozess oberhalb 900 0C zu härteren, dauerhafteren Gegenständen gesintert werden. Der Begriff schließt auch Werkstoffe auf der Grundlage von Metalloxiden ein.
Gleiches soll für die Zwecke dieser Beschreibung auch für keramische Körper und keramische Schichten als deren Definition gelten.
Unter dem Begriff Quarzal sei in dieser Beschreibung ein Hoch-Si02 haltiges Feuerfestmaterial, insbesondere eine Hoch-Si02 haltige Keramik, verstanden, deren SiO2-Anteil bei mehr als 98 % liegt. Bei hochreinem Quarzal, wie dieses bevorzugt verwendet wird, liegt der SiO2-Anteil bei mehr als 99,99 %, wobei dieser Werkstoff als Sinterkeramik aus einem wässrigen Schlicker, somit einer wässrigen, paritkuläres SiO2 enthaltender Suspension, hergestellt wird.
Der Bereich IV wies keine Beschichtung auf, wohingegen die Beschichtung in den Bereichen III bis I zunehmend dicker wurde. Siehe beispielsweise Figur 18.
Die Beschichtungsdicken betrugen im Bereich I etwa 70 μm, im Bereich II etwa 140 μm und im Bereich III etwa 220 μm.
Die Beschichtung war eine Barrierebeschichtung, welche insbesondere eine Siliziumnitridschicht umfaßte, wie diese beispielsweise bei der Herstellung von Silizium eingesetzt wird.
Die verschiedenen Dicken wurden durch einem Mehrfachauftrag eines Siliziumnitridschlickers erhalten, welcher nachfolgend mittels eines thermischen Fixierungsverfahrens an der Oberfläche eingebrannt beziehungsweise fixiert wurde. Es wurde diese Beschichtung mit der Wasser und Partikel, insbesondere sinterfähige Partikel, enthaltenden Suspension, vorzugsweise durch Aufsprühen, Aufstreichen, Aufrollen, Tauchen und/oder mittels Belegung mit einem laminaren Film aufgebracht.
Für die Zwecke der Fertigung wurde die Beschichtung nachfolgend einem thermischen Fixierungsverfahren unterzogen.
Bei dieser Ausführungsform haben die Partikel bevorzugt Siliziumnitrid umfasst und/oder der keramische Werkstoff eine SiO2 haltige Keramik, insbesondere Quarzal.
Die thermographische Aufnahme der Oberfläche des Quarzalstücks 2, direkt nach einem Energieeintrag mittels eines Lichtpulses, der Blitzgeräte 3 und 4 zeigte direkt nach der Belichtung nahezu keine Unterschiede in der von den verschiedenen Pixeln der Thermokamera aufgezeichneten Intensität. Siehe hierzu beispielsweise auch Bild 18.
Hierdurch ist die überraschend homogene Erwärmung der gesamten Oberfläche gut zu erkennen. Es ist auch zu erkennen, dass die Oberfläche sowohl an den mit der
Beschichtung 5 versehenen Stellen und an den Stellen ohne Beschichtung im Wesentlichen gleich erwärmt wurde.
Die thermographische Aufnahme der Oberfläche des Quarzalstücks zu einem definierten Zeitpunkt nach dem Lichtpuls zeigte einen örtlich zur Schichtdicke zuordenbaren Intensitätsverlauf, da mit zunehmender Schichtdicke auch die von den einzelnen Pixeln der Thermokamera 1 aufgezeichnete Intensität zunahm. Dieser erste, zunächst in den Figuren noch nicht dargestellte Versuch wurde präziser wie nachfolgend detailliert beschrieben weiterentwickelt.
Es wurde ein InSb-Quantendetektor verwendet mit einer Pixelzahl von 640x512 Pixeln, wie dieser beispielsweise von der Firma Thermosensork GmbH vertrieben wird.
Die Messungen wurden mit dem InSb-
Quantendetektor (Typbezeichnung InSb 640 SM) der Firma Thermosensorik GmbH durchgeführt. Die FPA(Focal Plane) - Kamera bietet eine Auflösung von 640 x 512 Pixeln mit einer Auslesefrequenz von 100 Hz für das Vollbild, die durch Einschränkung des Bildfeldes auf bis zu 1000 Hz gesteigert werden kann. Der InSb-Detektor ist empfindlich im Wellenlängenbereich von 1 μm bis 5 μm, was durch das begrenzte Transmissionsverhalten des verwendeten 28 mm- Objektivs auf den Bereich 3 μm bis 5 μm eingeschränkt wird. Als Lichtquellen dienten zwei Hochleistungsblitzlampen mit einer Gesamtenergie von 12 kJ.
Die Blitzdauer betrug etwas mehr als 10 mS und Intensität bzw. der maximale Energieeintrag der Blitzgeräte 12 kJ pro Puls, der Abstand der Blitzgeräte zur gemessenen Oberfläche lag zwischen 20 und 40 cm.
Während der Messung wird von der Kamera über einen einstellbaren Zeitraum eine Videosequenz der Probe aufgenommen: Die Sequenz umfaßt einen kurzen Zeitraum vor Auslösen des Blitzes, den Blitz selbst und das anschließende Abkühlen der Probe. Nach einer Reihe von Vorversuchen wurde die Sequenzlänge auf 300 Bilder bei einer Aufnahmefrequenz von 100 Hz festgelegt. Die Messungen wurden mit maximaler Blitzleistung durchgeführt von 12 kJ.
Vorteilhaft wurde die Fouriertransformierte des aufgezeichneten zeitlichen Temperaturverlaufs ortsaufgelöst ermittelt und für einen Zeitpunkt t oder eine definierte Phase nach dem Eintrag des Energiepulses ortsaufgelöst dargestellt, um hierdurch die thermische Diffusion des Energie- oder Wärmepulses durch die Schicht und darauf basierend deren Dicke zu erfassen.
Hierzu konnte vorteilhaft auch das Faltungssgignal des zeitlichen Verlaufs des Energiepulses mit dem aufgezeichneten zeitlichen Temperaturverlauf für einen Verschiebungszeitpunkt t ortsaufgelöst ermittelt und ortsaufgelöst dargestellt werden.
Für diese Zwecke stellte die kurze Leuchtdauer der
Blitzgeräte in mathematischer Näherung im Wesentlichen einen Dirac-Puls dar.
Nachfolgend wird auf Figur 3 Bezug genommen, in welcher ein mit einer Siliziumnitridchicht 5 beschichteter Quarzalkörper 2 dargestellt ist.
Für diese Aufnahme wurde der in Figur 2 dargestellte thermographische Aufbau verwendet.
Figur 4 zeig eine Darstellung des Temperaturverlaufs bei Diffusion eines Dirac-Temperaturpulses in einen halb unendliches homogenes Medium mit einem einen Wärmestau auslösenden Bestandteil von dessen Oberfläche ausgehend als Funktion der Zeit und Figur 5 eine doppelt logarithmische Darstellung des Temperaturverlaufs bei Diffusion eines Dirac-Temperaturpulses in einen halb unendliches homogenes Medium mit einem einen Wärmestau auslösenden Bestandteil von dessen Oberfläche ausgehend als Funktion der Zeit, wobei der Ort des Wärmestaus dem Peak in Figur 5 zugeordnet ist.
Figur 6 zeigt eine zweidimensionale Darstellung des mit einem Weißlichtinterferometer gemessenen lokalen Schichtdickenverlaufs an der Oberfläche eines Quarzalkörpers 2, der teilweise mit einer Siliziumnitridschicht 5 beschichtet ist, entlang eines beschichteten Abschnitts und entlang eines nicht beschichteten Abschnitts von dessen Oberfläche.
Figur 7 zeigt den mit einem Weißlichtinterferometer gemessenen lokalen Schichtdicken- bzw. Höhenverlauf entlang der in Figur 6 eingezeichneten Linie, die quer zu einem beschichteten Abschnitt und einem nicht beschichteten Abschnitt verläuft.
Es lässt sich die zerstörungsfreie Weißlichtinterferometrie jedoch nur für kleine Flächen und für im Wesentlichen zweidimensionale Körper verwenden, dies bedeutet, Körper, die nur wenige Mikrometer Höhendifferenz aufweisen und ist folglich nicht für größere Flächen und dreidimensionale Körper, die eine größere Höhendifferenz aufweisen, geeignet.
Ferner müssen Interferometer mit einer Genauigkeit im Wellenlängenbereich sowohl im Abstand als auch bezüglich deren Verkippung relativ zur Messoberfläche justiert werden, welches deren Einsatz für eine Serienfertigung praktisch ausschließt. Da bei der Thermographie der Wärmepuls ohne weiteres Zutun jedoch selbst von der Oberfläche in das Innere des Werkstoffs läuft und die Blitzdauer so kurz ist, dass der Energieeintrag im Wesentlichen überall auf der belichteten Oberfläche gleichzeitig erfolgt, läuft dieser Puls in der Regel von sich aus senkrecht zur Oberfläche in das Volumen und muß die Infrarotkamrea und auch die zur Beleuchtung eingesetzten Blitzgeräte oder Lampen nicht genau zu dieser zu messenden Oberfläche ausgerichtet sein. Ferner wird durch die vorgenommene Fouriertransformation oder Faltung im Wesentliche die Form des Signals gemessen und weniger dessen Absolutwert. Aber gerade dessen Form ist maßgeblich für die gemessene Schichtdicke, wie an späterem Ort noch gezeigt werden wird.
Aber auch eine reine zeitlich versetzte Messung, bei welcher lediglich die Erfassung der Temperaturverteilung zu einem festgelegten Zeitpunkt nach dem Zünden der Blitzgeräte erfolgte, war erfindungsgemäß möglich und konnte passable, jedoch nicht wirklich kalibrierfähige Meßergebnisse bereit stellen. Siehe hierzu ebenfalls das Beispiel aus Figur 18.
Folglich konnte für die zu prüfende Schichtdicke der Beschichtung ein Schwellwert, hier ein
Intensitätsschwellenwert für die einzelnen Pixel, zu einem definierten Zeitpunkt nach dem Energieeintrag vorgegeben werden, welcher als Maß für eine Mindestschichtdicke für die Prüfung für jeden Ort der Beschichtung vorgegeben und verwendet werden konnte.
Über die reine Messung einer Mindestschichtdicke hinaus erwies sich dieses Verfahren als überraschend präzise und erlaubte sogar eine Kalibrierung anhand eines mehrfach beschichteten Probekörpers mit örtlich verschiedenen Schichtdicken.
Im Sinne dieser Beschreibung umfasst der Begriff Prüfung auch eine Messung, insbesondere eine Messung basierend auf einer Kalibrierung, wie diese nachfolgend detaillierter beschrieben wird.
Figur 8 zeigt in deren oberen Bereich eine zweidimensionale Darstellung des wie vorstehend beschrieben pulsthermographisch gemessenen lokalen Intensitätsverlaufs an der Oberfläche eines Quarzalkörpers, der mit mehreren Siliziumnitridschichten beschichtet ist, welche stufenweise, von links nach rechts verlaufend, in deren Anzahl an der Oberfläche des Quarzalkörpers und somit in deren gesamter Dicke zunehmen sowie in deren unterem Abschnitt Einzelmessungen, die zu Kalibrierungszwecken Mit einem konfokalen Referenzverfahren an den einzelnen Stufen desselben Körpers vorgenommen wurden. Exemplarisch wurden jedoch nur einzelne gezeigt. Zur konfokalen Referenzmessung wurde ein Verfahren verwendet, wie dieses beispielsweise beschrieben ist in DE 10 200 40 49541.
Die Referenzessungen wurden an diesem oder an mehreren Probenkörper durchgeführt, wobei die diesen vorgegeben Schichtdicken zugeordnete Werte zur Kalibrierung der Messwerte ermittelt wurden.
Der jeweilige Probenkörper wies an verschiedenen Stellen Schichten mit verschiedenen vorgegebenen Schichtdicken auf, die beispielsweise in den Figuren 9 und 10 als Meßpunkte in deren jeweiliger Abszisse dargestellt sind. Die Ordinaten der Figuren 9 und 10 zeigen jeweils als IR- Zählwerte bezeichnete Werte, welche in deren Höhe dem Wert des vorstehend beschriebenen Fouriersignals und ähnlich auch dem des beschriebenen Faltungssignals entsprechen.
Figur 9 zeigt dabei eine zweidimensionale Darstellung einer Kalibrierung der mit den in Figur 8 dargestellten beschichteten Quarzgut-, insbesondere Quarzalkörpern gewonnen wurde, bei welcher den pulsthermographisch gewonnenen Absolutgrauwerten lokal gemessene Schichtdicken der auf den Quarzalkörper aufgetragenen Siliziumnitridschicht zugeordnet wurden.
Die Schichtdicke einer zu messenden Schicht kann nun durch Vergleich und/oder lineare Interpolation für jeden Ort mit den beispielsweise in Figur 9 dargestellten kalibrierten Werten gewonnen werden.
Figur 10 zeigt eine zweidimensionale Darstellung einer der in Figur 9 dargestellten ähnlichen Kalibrierung, bei welcher die pulsthermographisch gewonnenen Absolutgrauwerte und somit deren Schichtdickenwerte für zwei verschiedene Abstände ermittelt wurden.
Die beiden Aufnahmen wurden jeweils für einen Abstand der Infrarot-Kamera zur gemessenen Oberfläche von 450 mm und 650 mm gewonnen und zeigen sehr deutlich, dass dieser Abstand nur einen sehr geringen Einfluß auf die gemessene Schichtdicke hat.
Somit zeigte sich dieses Verfahren auch als hervorragend geeignet für die Messung dreidimensionaler Körper.
Die örtliche Auflösung betrug in lateraler Richtung, somit im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Probenkörpers etwa ca. 50 Pixel (Punkte) pro cm und senkrecht zur Oberfläche des Probenkörpers somit in dessen Tiefe etwa 20μm wie vorstehend erläutert.
Ferner war es möglich, Einschlüsse oder lokale unter der Schicht befindliche Bereiche ohne Kontakt zum Substrat zu erkennen, selbst, wenn diese noch nicht zu Rissen oder ansonsten optisch detektierbaren Änderungen geführte hatten.
Nachfolgend werden weitere Meßbeispiele gezeigt, welche erfindungsgemäß bereitgestellt wurden.
Figur 11 zeigt den pulsthermographisch gemessenen lokalen Intensitäts- und somit Schichtdickenverlauf an der Oberfläche eines Quarzaltiegels, der keinerlei Beschichtung aufwies, schräg von oben her gesehen.
Figur 12 zeigt den pulsthermographisch gemessenen lokalen Intensitäts- und somit Schichtdickenverlauf an der Oberfläche eines Quarzaltiegels, der vollständig mit einer Siliziumnitridschicht beschichtet ist, die in einem ersten Beschichtungsschritt mit einer Sprühbeschichtung auf diesen aufgebracht wurde, schräg von oben her gesehen, in Figur 13 ist de pulsthermographisch gemessene lokale Intensitäts- und somit Schichtdickenverlauf an der Oberfläche des in Figur 12 dargestellten Quarzaltiegels, der zusätzlich vollständig noch mit einer zweiten Siliziumnitridschicht beschichtet ist, die in einem zweiten Beschichtungsschritt mit einer Sprühbeschichtung auf die erste Schicht aufgebracht wurde, schräg von oben her gesehen, gezeigt und Figur 14 stellt den pulsthermographisch gemessenen lokalen Intensitäts- und somit Schichtdickenverlauf an der Oberfläche des in Figur 12 und Figur 13 dargestellten Quarzaltiegels, der zusätzlich vollständig noch mit einer dritten Siliziumnitridschicht beschichtet ist, die in einem dritten Beschichtungsschritt mit einer Sprühbeschichtung auf die zweite Schicht aufgebracht wurde, nach einer Trocknungszeit von ca. 20 Minuten nach der dritten Sprühbeschichtung schräg von oben her gesehen,
Figur 15 zeigt eine photographische Darstellung des in
Figur 14 dargestellten Quarzaltiegels, schräg von oben her, im Wesentlichen aus der gleichen Richtung wie in den Figuren 11 bis 13 gesehen dargestellt,
Generell wies die Keramik an der beschichteten Stelle eine Wandstärke von etwa 5 mm bis 50 mm und die Siliziumnitrid- Beschichtung eine Dicke von 50 μm bis 500 μm auf.
Bei den Quarzaltiegeln für die Siliziumherstellung wies die Keramik an der beschichteten Stelle eine Wandstärke von etwa 15 mm und die Siliziumnitrid-Beschichtung eine Dicke von 100 μm bis 300 μm auf.
Dabei war das Siliziumnitridschichtsystem ein Mehrschichtsystem, welches als Barriere gegenüber dem geschmolzenen Silizium wirkte.
Der Tiegel war rechteckförmig und hatte eine Tiefe von etwa 50 cm bei einer Breite von ca 40 cm mal 40 cm.
Weitere bevorzugte Maße des rechteckförmigen Tiegels betrugen bevorzugt bei dessen erster Bodenseite 650 bis 950 mm mal 650 bis 950 mm bei dessen zweiter Bodenseite und 400 bis 600 mm an Höhe bei dessen Seitenwänden. Diese Tiegel wurden in deren Inneren entweder vollflächig oder fast vollflächig, dies bedeutet mit einem oberen Rand von wenigen, dies heißt bis zu 10 cm, so beschichtet, dass die Schicht innerhalb der angegebenen Abweichungen von der Sollschichtdicke lag.
Neben der vorstehenden ortsaufgelösten reinen Dickenmessung konnten aber auch Schichtfehler erkannt werden, wie diese beispielsweise bei Delaminationen oder Rißbildungen auftreten, wie dieses die nachfolgend beschriebenen Figuren beispielhaft zeigen.
Figur 16 zeigt den pulsthermographisch gemessenen lokalen Intensitäts- und somit Schichtdickenverlauf an der
Oberfläche eines weiteren Quarzaltiegels welcher eine fehlerhafte Siliziumnitridschicht aufweist, schräg von oben her gesehen. Hierzu wurden in der Beschichtung definiert Risse und Delaminationen erzeugt.
Figur 17 zeigt hingegen den pulsthermographisch gemessenen lokalen Intensitäts- und somit Schichtdickenverlauf an der Oberfläche eines nochmals weiteren Quarzaltiegels welcher eine intakte Siliziumnitridschicht aufweist, schräg von oben her gesehen,
Die Erfindung ermöglicht durch deren Verfahren nichtmetallische Körper mit nichtmetallischer Beschichtung, herzustellen, insbesondere keramische Körper mit keramischer Beschichtung, welche besonders hohe
Schichtqualität und hohe Standzeiten, insbesondere bei der Verwendung der Keramikschicht als Barriereschicht haben. Die Erfinder haben gezeigt, dass der Werkstoff oder das Tiegelmaterial auch aus gesintertem Siliziumnitrid, Graphit, und/oder faserverstärktem Graphit bestehen kann.
Verwendet man das erfindungsgemäße Verfahren bei der Beschichtung und vor der thermischen Fixierung der keramischen Schicht, können Stellen mit zu geringer Beschichtung erkannt und lokal ausgebessert werden.
Somit kann bereits vor der thermischen Fixierung sichergestellt werden, dass ein korrekter Schichtauftrag mit Sollschichtstärke innerhalb der gewünschten Toleranz vorliegt .
Bei einen nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere
Quarzgut, Quarzal, gesintertes Siliziumnitrid, Graphit und/oder faserverstärktes Graphit und einer daran angebrachte Siliziumnitridschicht konnte eine Abweichung von weniger als 20 μm von der Sollschichtdicke erreicht werden. In den meisten Fällen betrug diese Abweichung weniger als 5 μm, von deren Sollschichtdicke in einem Bereich der Oberfläche von 10 mal 10 cm, bevorzugt von 100 mal 100 cm.
Es war sogar möglich, diese Genauigkeit im Wesentlichen im gesamten relevanten Beschichtungsbereich aufrecht zu erhalten, insbesondere durch nachfolgenden Schichtauftrag an Stellen mit zu geringer Beschichtung, insbesondere vor deren thermischer Fixierung.
Als relevanter Beschichtungsbereich wird dabei der Bereich verstanden, der später mit der Halbleiterschmelze in Kontakt tritt und folglich die Barriereeigenschaften bereit stellen muss. Dieser relevante Bereich kann also auch noch einen oberen Rand von einigen wenigen cm aufweisen, der noch außerhalb dieser präzisen Schichtdicke liegt.
Ähnlich gute Ergebnisse konnten die Erfinder mit einem thermographischen Lock-In-Verfahren realisieren, bei welchem statt eines Wärmepulses ein periodischer Wärmeeintrag, beispielsweise als Sinusfunktion in deren zeitlichem Verlauf, vorgenommen und phasensynchron gemessen wurde .
Folglich stellt dieses Verfahren ein hervorragendes Mittel zur Prüfung der Beschichtungsqualität , insbesondere auch von keramischen Barriereschichten auf keramischen Substraten, auch dreidimensionalen keramischen Substraten dar.
Als keramische Werkstoffe oder Körper sollen im Sinne der Erfindung auch glaskeramische Werkstoffe oder Körper verstanden werden.
Die Untersuchungen und die Sicherstellung von reproduzierbaren Ergebnissen der Erfinder haben diesen Erfolg erst ermöglicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur thermographischen Prüfung nichtmetallischer Werkstoffe, insbesondere beschichteter nichtmetallischer Werkstoffe, bei welchem zumindest in einem Teil der Oberfläche des nichtmetallischen Werkstoffs, vorzugsweise einem mit einer nichtmetallischen Beschichtung versehenen Teil der Oberfläche, insbesondere mittels eines kurzen Energiepulses, vorzugsweise eines Lichtpulses, oder durch periodischen Wärmeeintrag eine Erwärmung vorgenommen und der zeitliche und örtliche Temperaturverlauf zumindest zu mehreren aufeinander folgenden Zeitpunkten aufgezeichnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturverlauf mit einer bildgebenden Infrarotkamera zeitaufgelöst aufgezeichnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Fouriertransformierte des aufgezeichneten zeitlichen Temperaturverlaufs ortsaufgelöst ermittelt und für eine bestimmte Phase oder einen Zeitpunkt t nach dem Eintrag des Energiepulses ortsaufgelöst dargestellt wird und/oder das Faltungssgignal des zeitlichen Verlaufs des Energiepulses mit dem aufgezeichneten zeitlichen Temperaturverlauf für einen Verschiebungszeitpunkt t ortsaufgelöst ermittelt und ortsaufgelöst dargestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmetallische Werkstoff eine Keramik umfaßt und die Beschichtung eine Barrierebeschichtung umfaßt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmetallische Werkstoff eine Keramik umfaßt und die Beschichtung eine keramische Beschichtung, insbesondere eine keramische Barrierebeschichtung, umfaßt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik Quarzgut, insbesondere Quarzal, sowie gesintertes Siliziumnitrid, Graphit, und faserverstärktes Graphit umfaßt und die Barrierebeschichtung eine Siliziumnitridschicht, insbesondere eine keramische Siliziumnitridschicht umfaßt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit einer Wasser und Partikel, insbesondere sinterfähige, Partikel enthaltenden Suspension, insbesondere einem Schlicker, vorzugsweise durch Aufsprühen, Aufstreichen, Aufrollen, Tauchen und/oder mittels Belegung mit einem laminaren Film aufgebracht wird und nachfolgend einem thermischen Fixierungsverfahren unterzogen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die sinterfähigen Partikel Siliziumnitrid umfassen und/oder der keramische Werkstoff eine SiO2 haltige Keramik, insbesondere Quarzal umfasst.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die thermographische Prüfung vor dem thermischen Fixierungsverfahren durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor der thermographischen Prüfung ein Trocknungsschritt durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Trocknungsschritt bei einer Temperatur von mehr als 200C für einen Zeitraum von mindestens 2 h, vorzugsweise von mehr als 3h und am bevorzugtesten von mehr als 5h durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansrpüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik an der beschichteten Stelle eine Wandstärke von etwa 5 mm bis 50 mm und die Siliziumnitrid-Beschichtung eine Dicke von 50 μm bis 500 μm aufweist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik an der beschichteten Stelle eine Wandstärke von etwa 15 mm und die Siliziumnitrid- Beschichtung eine Dicke von 100 μm bis 300 μm aufweist.
14. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Beschichtung ein Schichtsystem, insbesondere ein Mehrschichtsystem umfasst.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrschichtsystem Siliziumnitridschichten umfasst, welche schichtweise zunächst mittels eines Schlickers aufgetragen und nachfolgend mittels eines thermischen
Fixierungsverfahrens an der Keramik fixiert wird und die thermographische Prüfung vorzugsweise nach mindestens einem Schichtauftrag und vor mindestens einem Trocknungsschritt durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff die Form eines, vorzugsweise rechteckförmigen Tiegels hat, welcher bevorzugt die Bodenmaße von 650 bis 950 mm mal 650 bis 950 mm bei einer Hohe der Seitenwand von 400 bis 600 mm aufwies .
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die zu prüfende
Schichtdicke der Beschichtung ein Schwellwert zu einem definierten Zeitpunkt nach dem Energieeintrag vorgegeben wird, welcher als Maß für eine Mindestschichtdicke für die Prüfung für jeden Ort der Beschichtung verwendbar ist.
18. Verfahren zur Messung der Schichtdicke einer nichtmetallischen Schicht auf einem nichtmetallischen Korper, umfassend ein thermographisches Prüfverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem
Referenzessungen an einem Probenkorper, der einen nichtmetallischen Werkstoff umfasst, durchgeführt werden, wobei der Probenkorper an verschiedenen Stellen Schichten mit verschiedenen vorgegebenen Schichtdicken aufweist und die diesen vorgegeben Schichtdicken zugeordneten Werte der thermographischen Messung zur Kalibrierung der thermographischen Messung von Schichtdicken ermittelt werden.
20. Verfahren zur ortsaufgelosten Messung der Schichtdicke einer nichtmetallischen Schicht an einem nichtmetallischen Korper, bei welchem die Schichtdicke durch Vergleich und/oder Interpolation der nach Anspruch 19 ermittelten und kalibrierten Werte ortsaufgelost gewonnen wird.
21. Verfahren zur Herstellung eines nichtmtetallischen Korpers mit einer nichtmetallischen Beschichtung umfassend ein Verfahren zur thermographischen Prüfung nach Anspruch 1 bis 17 oder ein Verfahren zur Messung der Schichtdicke nach Anspruch 18 bis 20, insbesondere zur Sicherstellung einer Mindestschichtdicke der nichtmetallischen Schicht an dem nichtmetallischen Körper.
22. Nichtmetallischer Körper mit nichtmetallischer
Beschichtung, gekennzeichnet durch dessen Herstellung mit Verwendung eines Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 21.
23. Nichtmetallischer Körper mit nichtmetallischer
Beschichtung, gekennzeichnet durch dessen Herstellbarkeit mit Verwendung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 21.
24. Nichtmetallischer Körper nach Anspruch 23, umfassend einen nichtmetallischen Werkstoff, insbesondere Quarzgut, Quarzal, gesintertes Siliziumnitrid, Graphit und/oder faserverstärktes Graphit und eine daran angebrachte Siliziumnitridschicht mit einer Abweichung von weniger als 20 μm, bevorzugt von weniger als 5 μm, von deren
Sollschichtdicke in einem Bereich der Oberfläche von 10 mal 10 cm, bevorzugt von 100 mal 100 cm und am bevorzugtesten im Wesentlichen im gesamten relevanten Beschichtungsbereich .
EP09725446A 2008-03-28 2009-03-28 Verfahren zur thermographischen prüfung nichtmetallischer werkstoffe, insbesondere beschichteter nichtmetallischer werkstoffe, sowie verfahren zu deren herstellung und verfahrensgemäss hergestellter körper Withdrawn EP2263076A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008016272 2008-03-28
PCT/EP2009/002284 WO2009118199A1 (de) 2008-03-28 2009-03-28 Verfahren zur thermographischen prüfung nichtmetallischer werkstoffe, insbesondere beschichteter nichtmetallischer werkstoffe, sowie verfahren zu deren herstellung und verfahrensgemäss hergestellter körper

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2263076A1 true EP2263076A1 (de) 2010-12-22

Family

ID=40809936

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP09725446A Withdrawn EP2263076A1 (de) 2008-03-28 2009-03-28 Verfahren zur thermographischen prüfung nichtmetallischer werkstoffe, insbesondere beschichteter nichtmetallischer werkstoffe, sowie verfahren zu deren herstellung und verfahrensgemäss hergestellter körper

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20110189379A1 (de)
EP (1) EP2263076A1 (de)
WO (1) WO2009118199A1 (de)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2960970B1 (fr) * 2010-06-03 2015-02-20 Snecma Mesure de l'endommagement d'une barriere thermique d'aube de turbine
FR2979014B1 (fr) * 2011-08-10 2013-08-30 Snecma Procede de determination de l'apparition de decohesions dans une couche de revetement en ceramique transparente formee sur un substrat
JP5469653B2 (ja) * 2011-12-12 2014-04-16 本田技研工業株式会社 非破壊検査システム
US9337470B2 (en) * 2012-10-19 2016-05-10 Ut-Battelle, Llc Method and apparatus for in-situ drying investigation and optimization of slurry drying methodology
JP6318429B2 (ja) * 2014-05-30 2018-05-09 一般財団法人電力中央研究所 コーティング層における剥離の非破壊検査方法および非破壊検査装置
DE102014225775B4 (de) 2014-12-12 2018-12-06 Bundesdruckerei Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung eines korrekten Haftmittelauftrags
US10728426B1 (en) 2016-08-17 2020-07-28 United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Contrast based imaging and analysis computer-implemented method to analyze pulse thermography data for nondestructive evaluation
US10241036B2 (en) * 2017-05-08 2019-03-26 Siemens Energy, Inc. Laser thermography
JP7176356B2 (ja) * 2017-11-27 2022-11-22 株式会社豊田中央研究所 計測装置、計測方法、及びプログラム
DE102019112238A1 (de) * 2019-05-10 2020-11-12 HELLA GmbH & Co. KGaA Verfahren zur Kontrolle der Beschichtung eines elektronischen Bauteils
DE102022113940A1 (de) * 2022-06-02 2023-12-07 Schott Ag Verfahren zum Feststellen eines thermischen Qualitätsmaßes eines Probenkörpers

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3103428A (en) * 1963-09-10 Method of casting pure silicon shapes
US4090851A (en) * 1976-10-15 1978-05-23 Rca Corporation Si3 N4 Coated crucible and die means for growing single crystalline silicon sheets
US6165425A (en) * 1997-02-06 2000-12-26 Bayer Aktiengesellschaft Melting pot with silicon protective layers, method for applying said layer and the use thereof
DE10202326A1 (de) 2002-01-23 2003-11-13 Fraunhofer Ges Forschung Verfahren zur Prüfung der Haftung von Beschichtungen auf einem Substrat
JP4106400B2 (ja) * 2003-09-05 2008-06-25 株式会社テクノネットワーク四国 厚さ計測装置および厚さ計測方法
WO2006037359A1 (en) 2004-10-04 2006-04-13 Siemens Aktiengesellschaft Method for determining material parameters of an object from temperature-versus-time (t - t) data
EP1974077A2 (de) * 2006-01-20 2008-10-01 BP Corporation North America Inc. Verfahren und vorrichtungen zur herstellung von monokristallin-formsilicium und monokristallin-formsiliciumkörper für die fotovoltaik

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2009118199A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009118199A1 (de) 2009-10-01
US20110189379A1 (en) 2011-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2263076A1 (de) Verfahren zur thermographischen prüfung nichtmetallischer werkstoffe, insbesondere beschichteter nichtmetallischer werkstoffe, sowie verfahren zu deren herstellung und verfahrensgemäss hergestellter körper
EP2733458B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur sinterung eines objektes unter bestimmung des geometrischen oberflächenprofils des objektes
EP2026054B1 (de) Verfahren zur optischen Kontrolle des Verlaufs von auf einer Oberfläche eines Körpers erfolgenden physikalischen und/oder chemischen Prozessen
EP2580570B1 (de) Verfahren zur berührungslosen, zerstörungsfreien bestimmung der härte, porosität und/oder mechanischen spannungen an werkstoffen oder verbundwerkstoffen
DE102014114181B4 (de) Verfahren zum Untersuchen eines Substrats und entsprechende Vorrichtung
DE102015211853B3 (de) Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche eines Metallbandes sowie Metallbandbeschichtungsvorrichtung
WO2006074938A1 (de) Thermographie-verfahren und -vorrichtung zur bestimmung des schädigungszustandes eines bauteiles
DE102014224852A1 (de) Verfahren zur berührungslosen, zerstörungsfreien Bestimmung von Inhomogenitäten und/oder Defekten an Oberflächen von Bauteilen oder Proben
EP3134726A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum erkennen von nickelsulfid-einschlüssen in einer glasplatte
DE4301987A1 (de) Apparat und Verfahren zur Bestimmung der spezifischen Wärmekapazität mittels Wärmepuls und gleichzeitig Ermittlung der Temperaturleitfähigkeit
DE102013002602B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in Glas
DE19601788C1 (de) Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von Bruchparametern bei einer Hochtemperaturwerkstoffprüfung
EP3133384B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur thermo-optischen untersuchung von proben
DE102010048741B4 (de) Verfahren zur Prüfung der Graphit-Offenlegung an einer Zylinder-Lauffläche eines Zylinders aus Graugusswerkstoff
EP0919802B1 (de) Verfahren zum Prüfen der Eigenschaft einer Beschichtung
DE10202326A1 (de) Verfahren zur Prüfung der Haftung von Beschichtungen auf einem Substrat
DE4131040C2 (de) Apparat und Verfahren zur Temperaturleitfähigkeitsmessung
Mey et al. High-Temperature Resistant and Gas-Tight Coatings for Long-Term Heat Treatments using the Example of α-Cu-Al-Zn
DE102011113572B3 (de) Verfahren zur schnellen Bestimmung der separaten Anteile von Volumen- und Oberflächenabsorption von optischen Medien, eine Vorrichtung hierzu sowie deren Verwendung
DE10210209A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Streulichtinspektion transparenter Prüflinge
EP3708997A1 (de) Vorrichtung sowie verfahren zur messung von probenparametern während eines einbettvorgangs in einen einbettwerkstoff
EP1319933A1 (de) Sensor zur kontaktlosen Bestimmung eines Umgebungsparameters mit räumlicher und zeitlicher Auflösung und Verwendung desselben zur Bestimmung der Modenstruktur von Laserstrahlen
WO2023232461A1 (de) VERFAHREN ZUM FESTSTELLEN EINES THERMISCHEN QUALITÄTSMAßES EINES PROBENKÖRPERS
DE102012101467B4 (de) Vorrichtung zur thermografischen Prüfung auf Defekte insbesondere auf Risse in Oberflächen und Hohlräumen
EP1744147A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur optischen Prüfung von Carbon-Keramik-Brems- und Kupplungskomponenten

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20101027

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO SE SI SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL BA RS

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: NEUBECKER, RALPH

Inventor name: GERSTNER, KLAUS

Inventor name: ORTNER, ANDREAS

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: NEUBECKER, RALPH

Inventor name: ORTNER, ANDREAS

Inventor name: GERSTNER, KLAUS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20120823

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20151001