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Die vorliegende Erfindung betrifft ein zerstörendes Prüfverfahren zur stichprobenartigen Qualitätskontrolle in der Serienfertigung insbesondere von Injektoren für Motorkraftstoff.
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Stand der Technik
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Für die Hochdruckeinspritzung von Dieselkraftstoff in den Brennraum eines Verbrennungsmotors werden Injektoren verwendet. Ein derartiger Injektor weist eine Düse auf, die in den Brennraum ragt. Durch diese Düse wird der flüssige Kraftstoff zugeführt. Der Kraftstoff wird bei der Expansion in den Brennraum durch Spritzlöcher zerstäubt. Spritzlöcher können insbesondere durch Funkenerosion in die Düse eingebracht werden. Ein aktiv geregeltes Verfahren zur Herstellung qualitativ hochwertiger Spritzlöcher ist aus der
EP 1 535 687 B1 bekannt.
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Im Laufe der Zeit können sich Verkokungsrückstände in den Spritzlöchern anlagern, wodurch sich ihr Querschnitt verändert. Dadurch verändert sich die Einspritzrate während der Öffnungsdauer des Injektors, und somit auch die pro Einspritzzyklus eindosierte Kraftstoffmenge. Es ist in Bezug auf die Emissionen und den Kraftstoffverbrauch des Motors wichtig, dass die tatsächlich eindosierte Kraftstoffmenge mit der vorgegebenen Sollmenge übereinstimmt.
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Daher ist beabsichtigt, die Innenwände der Spritzlöcher künftig mit einer Beschichtung zu versehen, die Verkokungsrückstände abweist. Hierbei stellt sich die Frage, wie in der Serienfertigung die Qualität der Beschichtung zu kontrollieren ist. Da der Durchmesser der Spritzlöcher in der Regel um die 100 µm beträgt, sind die Innenwände nur schwer zugänglich. Die metallurgische Präparation eines Schliffes oder Schnitts, der anschließend mikroskopisch begutachtet wird, ist für die stichprobenartige Prüfung in der Serienfertigung zu zeitaufwändig.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der Erfindung wurde ein Verfahren zur Qualitätskontrolle mindestens eines Hohlraums in einem Bauteil entwickelt. Der Hohlraum kann insbesondere eine Bohrung oder ein Loch sein. Das Bauteil kann insbesondere aus einem Metall, wie beispielsweise einem Stahl, bestehen.
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Erfindungsgemäß wird die Innenwand des Hohlraums, und/oder eine auf der Innenwand aufgebrachte Beschichtung, selektiv in Kontakt mit einem Plasma gebracht, so dass eine Materialprobe aus der Innenwand des Hohlraums, und/oder aus der Beschichtung, abgetragen wird. Aus der optischen Emission des Plasmas wird mindestens eine Eigenschaft der Materialprobe ausgewertet.
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Dabei ist der Begriff der optischen Emission ausdrücklich nicht auf Licht im sichtbaren Spektrum eingeschränkt, sondern umfasst beispielsweise auch infrarotes und ultraviolettes Licht.
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Es wurde erkannt, dass sich speziell in einem sehr kleinen Hohlraum selektiv ein Plasma erzeugen lässt, das die übrigen Bereiche des Bauteils nicht erfasst. Damit kann über den Einfluss des abgetragenen Materials auf die optische Emission des Plasmas selektiv das die Innenwand des Hohlraums untersucht werden.
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Das Plasma besteht unter anderem aus freien Elektronen und Ionen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Beim Aufprall auf die Innenwand kann ein Ion lokal Material aus der Innenwand herausschlagen. Dieses Material bildet eine Materialprobe, die innerhalb des Plasmas im gasförmigen Zustand vorliegt. Die Atome der Materialprobe werden nun durch die schnellen Elektronen angeregt und relaxieren wenig später wieder. Bei dieser Relaxation wird Energie frei, die in Form von Licht abgestrahlt wird. Da die Anregungsenergien für jedes Element anders sind, ist das Frequenzspektrum des Lichts elementspezifisch. Molekulares Material wird durch die hohe Temperatur des Plasmas in einzelne Atome dissoziiert, so dass jedes Atom für sich zu der optischen Emission beiträgt.
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Somit sind zwei wesentliche Eigenschaften, die sich aus der optischen Emission des Plasmas auswerten lassen, die Menge und die chemische Zusammensetzung der Materialprobe. Abhängig von der Zusammensetzung sind im Spektrum der optischen Emission bestimmte Linien vorhanden. Die Stöchiometrie dieser Zusammensetzung bestimmt die relative Intensität dieser Linien im Spektrum zueinander.
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Es ist auf der anderen Seite nicht zwingend erforderlich, die optische Emission spektroskopisch zu untersuchen. Bereits die Beobachtung einer einzigen Spektrallinie mit einem schmalbandigen Filter ermöglicht es, die Präsenz eines bestimmten Elements in der Materialprobe zu überwachen. Beispielsweise kann auf diese Weise untersucht werden, ob die Innenwand des Hohlraums mit einem bestimmten Kontaminanten verunreinigt ist. Ist die Innenwand des Hohlraums beschichtet, kann geprüft werden, ob die Materialprobe ausschließlich das Material der Beschichtung oder auch das Grundmaterial des Bauteils enthält. Letzteres kann beispielsweise als Signal dafür gewertet werden, dass die Beschichtung ungenügend haltbar ist oder Löcher aufweist.
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Daher wird in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Zusammensetzung der Materialprobe aus der Intensität I mindestens einer Spektrallinie der optischen Emission des Plasmas ausgewertet. Je mehr Spektrallinien untersucht werden, desto mehr Information kann über die Zusammensetzung der Materialprobe gewonnen werden.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens eine Eigenschaft einer Beschichtung auf der Innenwand des Hohlraums aus dem Zeitverlauf der Intensität I ausgewertet. Auf diese Weise kann beispielsweise die Dicke d der Beschichtung kontrolliert werden. Wird beispielsweise eine Spektrallinie ausgewertet, die für das Material der Beschichtung spezifisch ist, so wird die Intensität I dieser Spektrallinie nach Zündung des Plasmas schnell ansteigen und dann auf einem nahezu konstanten Niveau verharren, während die Beschichtung sukzessive abgetragen wird. Wenn das Material der Beschichtung zu Ende geht, wird die Intensität I abnehmen, bis die Spektrallinie schließlich ganz erlischt. Aus der Zeit, die für den vollständigen Abtrag der Beschichtung benötigt wird, kann die Dicke d der Beschichtung ausgewertet werden.
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Zur absoluten Bestimmung der Dicke d der Beschichtung ist die Abtragrate zu kalibrieren. Hierzu können beispielsweise mehrere Bauteile nach unterschiedlichen Abtragzeiten geschnitten oder geschliffen und die jeweils noch vorhandene Dicke d mit einem Referenzverfahren gemessen werden.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, neben einer für das Material der Beschichtung spezifischen Spektrallinie auch eine für das Grundmaterial des Bauteils spezifische Spektrallinie auszuwerten. Wenn das Material der Beschichtung zu Ende geht, wird sukzessive mehr von dem Grundmaterial abgetragen. Es kann dann simultan gemessen werden, mit welchem Zeitverlauf die Intensität I der für das Material der Beschichtung spezifischen Spektrallinie abfällt und mit welchem Zeitverlauf die Intensität I der für das Grundmaterial des Bauteils spezifischen Spektrallinie ansteigt. Aus dem Vergleich der beiden Zeitverläufe kann beispielsweise ausgewertet werden, auf welche Weise die Beschichtung versagt.
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Das Material der Beschichtung kann aus mehreren Elementen bestehen. Es kann beispielsweise eine Verbindung oder eine Legierung sein. Jedes der im Material der Beschichtung vorkommende Element kann dann als Indikator dafür ausgewählt werden, ob die aktuell abgetragene Materialprobe das Material der Beschichtung enthält. Vorteilhaft wird ein Element ausgewählt, das im Grundmaterial des Bauteils nicht vorkommt. Analog können beispielsweise bei einem Grundmaterial des Bauteils, das einen Grundwerkstoff und ein Legierungselement enthält, sowohl der Grundwerkstoff als auch das Legierungselement als Indikator dafür herangezogen werden, ob die aktuell abgetragene Materialprobe das Grundmaterial des Bauteils enthält.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Hohlkathodenentladung in dem Hohlraum als Plasma gewählt.
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Bei der bekannten Glimmentladungsspektroskopie (GDOS) wird die Oberfläche des Bauteils durch lonenbeschuss schichtweise zerstäubt und abgetragen. Für diese Untersuchungsmethode ist die Innenwand eines schmalen und zugleich tiefen Hohlraums, etwa eines Lochs mit großem Aspektverhältnis, unzugänglich. Eine Hohlkathodenentladung ist demgegenüber ein Werkzeug, das selektiv nur innerhalb des Hohlraums wirkt, also im Komplement des für GDOS zugänglichen Bereichs. Beim Kathodensputtern und anderen Beschichtungsverfahren gilt die Hohlkathodenentladung als Störeffekt, den es zu vermeiden gilt. Im Kontext der Erfindung wird die Hohlkathodenentladung also zweckentfremdet.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Bauteil in einer Gasatmosphäre mit einer elektrischen Spannung U beaufschlagt, wobei Druck und Zusammensetzung der Gasatmosphäre sowie die elektrische Spannung U so gewählt werden, dass durch das lokale elektrische Feld nur in dem Hohlraum Zündbedingungen für das Plasma erreicht werden. Dabei kann das Gas insbesondere ein Inertgas und bevorzugt ein Edelgas sein, wie beispielsweise Argon. Es können aber auch beispielsweise Stickstoff und Luft verwendet werden.
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Die elektrische Spannung U kann sowohl eine Gleichspannung als auch eine Wechselspannung sein, wobei beliebige Pulsformen und Frequenzen möglich sind. Der Druck der Gasatmosphäre kann von Atmosphärendruck bis in den Vakuumbereich, beispielsweise Grob-, Fein- oder Hochvakuum, variieren.
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Es genügt, ein metallisches oder in sonstiger Weise elektrisch leitend gemachtes Bauteil als Ganzes mit einer elektrischen Spannung U gegenüber einer Referenzelektrode zu beaufschlagen, um nur in dem Hohlraum das Plasma zu zünden. Vorteilhaft sind Druck und Zusammensetzung der Gasatmosphäre sowie die elektrische Spannung U weiterhin so gewählt, dass die Dicke der Plasmarandschicht in einem für die stabile Aufrechterhaltung des Plasmas günstigen Verhältnisses zu den Abmessungen des Hohlraums (etwa dem Durchmesser eines Lochs) steht.
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Die Eigenschaften des Plasmas, und damit auch die Rate des Materialabtrags von der Innenwand des Hohlraums, hängt bei gleicher elektrischer Spannung U sowie gleichem Druck und gleicher Zusammensetzung der Gasatmosphäre wesentlich von den Abmessungen und der Geometrie des Hohlraums ab. Zur stichprobenartigen Qualitätskontrolle in der Serienfertigung nominell identisch gefertigter Bauteile können beispielsweise ein oder mehrere Bauteile aus jeder Charge den genannten identischen Bedingungen ausgesetzt werden, und es kann die Intensität I einer oder mehrerer Spektrallinien in der optischen Emission des Plasmas überwacht werden. Diese Intensität I sollte dann nominell für alle Bauteile gleich sein. Eine deutlich von der Norm abweichende Intensität I kann als Signal dafür gewertet werden, dass die Geometrie des Hohlraums von der gewünschten Form abweicht. Das Bauteil kann dann beispielsweise für eine eingehende Untersuchung durch mikroskopische Begutachtung eines metallurgischen Schliffes oder Schnittes ausgewählt werden.
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In analoger Weise kann auch geprüft werden, ob die Dicke d einer Beschichtung auf der Innenwand des Hohlraums der Norm entspricht. Wenn die genannten Bedingungen konstant sind und Bauteile einschließlich der Beschichtung identisch gefertigt sind, dann sollte die Beschichtung bei allen Bauteilen nach der gleichen Zeit abgetragen sein. Aus diesbezüglichen Abweichungen von der Norm kann darauf geschlossen werden, dass die Beschichtung, und/oder der Hohlraum, nicht normgerecht gefertigt wurde. Wenn neben mindestens einer für die Beschichtung spezifischen Spektrallinie auch mindestens eine für das Grundmaterial des Bauteils spezifische Spektrallinie überwacht wird, kann auch eine Differentialdiagnose betrieben werden: Weicht die Zeit bis zum vollständigen Abtrag der Beschichtung von der Norm ab, zeigt aber der anschließende Abtrag des Grundmaterials das normale Verhalten, so ist der Fehler in der Herstellung der Beschichtung zu suchen. Weicht hingegen auch der Abtrag des Grundmaterials von der Norm ab, so war bereits die Herstellung des Hohlraums vor dem Aufbringen der Beschichtung fehlerhaft.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein durchgehendes Loch in dem Bauteil als Hohlraum gewählt. In einem derartigen Loch lässt sich am einfachsten eine Hohlkathodenentladung zünden und stationär aufrechterhalten.
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Vorteilhaft wird ein Loch mit einem Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser von mindestens 5, bevorzugt von mindestens 10, gewählt. Zum einen ist bei einem derartigen Aspektverhältnis die Innenwand des Lochs für andere Untersuchungsmethoden besonders schlecht zugänglich, so dass das Verfahren gemäß der Erfindung die schnellste Möglichkeit ist, an Informationen über die Beschaffenheit einer Beschichtung auf der Innenwand des Lochs zu gelangen. Zum anderen ist bei diesem Aspektverhältnis die Wirkung des Lochs als Hohlkathode besonders stark ausgeprägt. Es ist also besonders einfach, durch Beaufschlagung des Bauteils mit einer elektrischen Spannung in einer Gasatmosphäre ein Plasma selektiv in dem Loch zu zünden, ohne dass gleichzeitig noch an anderen Orten am Bauteil ein Plasma gebildet wird.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Bauteil mit mehreren nominell zumindest ähnlichen Hohlräumen gewählt. Dabei ist jedem Hohlraum ein eigenes Plasma zugeordnet. Die optischen Emissionen der einzelnen Plasmen werden unabhängig voneinander gemessen, vorzugsweise simultan.
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Wie zuvor erläutert, ist die Geometrie des Hohlraums ein wichtiger Parameter für die Zündung und Aufrechterhaltung des Plasmas. Dass die Geometrie eines von mehreren nominell identischen Hohlräumen von der Norm abweicht, kann sich im Extremfall darin zeigen, dass sich in diesem Hohlraum kein Plasma ausbildet, die optische Emission des diesem Hohlraum zugeordneten Plasmas also Null ist. Ansonsten werden auch kleine Geometrieabweichungen die Abtragrate im jeweiligen Hohlraum, und somit die Intensität I der für das abgetragene Material spezifischen Spektrallinie, stark ändern.
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Die gleichzeitige Beobachtung der mehreren Hohlräumen jeweils zugeordneten Plasmen spart also nicht nur Untersuchungszeit, sondern erleichtert es, durch den relativen Vergleich mehrerer Hohlräume untereinander auch ohne eine absolute Kalibrierung auf einen in einem Hohlraum vorliegenden Fehler zu schließen.
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Dies gilt auch für die Prüfung von Beschichtungen, die jeweils auf die Innenwände der Hohlräume aufgebracht sind. Ist beispielsweise die Beschichtung der Innenwand eines der Hohlräume im Vergleich zu den anderen Hohlräumen besonders schnell oder besonders langsam abgetragen, und/oder weicht die während des Abtrags der Beschichtung gemessene stationäre Intensität I der für das Material der Beschichtung spezifischen Spektrallinie in der optischen Emission eines der Plasmen signifikant von den anderen Plasmen ab, so kann auf einen Fabrikationsfehler des jeweiligen Hohlraums, und/oder der auf der Innenwand dieses Hohlraums aufgebrachten Beschichtung, geschlossen werden. Derartige Intensitätsunterschiede können insbesondere auf eine von der Norm abweichende Geometrie des betreffenden Hohlraums hindeuten.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung, die speziell für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Diese Vorrichtung umfasst eine evakuierbare Prozesskammer mit einer Zuführung für mindestens ein Gas sowie eine Spannungsquelle zur Beaufschlagung des Bauteils mit einer elektrischen Spannung U.
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Erfindungsgemäß ist mindestens ein Detektor für die optische Emission des Plasmas vorgesehen, wobei der Detektor selektiv das Gebiet des Hohlraums im Bauteil beobachtet.
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Die räumliche Selektivität erleichtert es, den im Vergleich zur insgesamt von dem Plasma emittierten Lichtintensität schwachen Beitrag der Materialprobe zur optischen Emission zu detektieren.
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Idealerweise ist die Vorrichtung zusätzlich dazu ausgebildet, nur in dem Hohlraum Zündbedingungen für das Plasma herzustellen, so dass der Rest des Bauteils frei von Plasma ist. Die gesamte vom Detektor registrierte Lichtintensität kann dann im Wesentlichen nur aus dem Plasma kommen, so dass eine zusätzliche räumliche Selektivität gegeben ist.
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Die räumliche Selektivität der Beobachtung kann auf physikalischem Wege hergestellt werden. So kann beispielsweise das aus dem Gebiet des Hohlraums emittierte Licht mit einer Linsenanordnung auf den Detektor fokussiert werden, und/oder der Detektor kann in Bezug auf den Abstand und die Winkelposition relativ zum Bauteil so ausgerichtet sein, dass im Wesentlichen nur das aus dem Gebiet des Hohlraums emittierte Licht in den Öffnungswinkel des Detektors fällt.
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Die räumliche Selektivität kann aber auch beispielsweise im Zuge der Signalverarbeitung hergestellt werden. So kann der Detektor beispielsweise ein positionssensitiver Detektor sein, auf dem das aus dem Gebiet des Hohlraums emittierte Licht an anderen Positionen eintrifft als das Licht aus anderen Quellen.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere Detektoren vorgesehen, von denen jeder selektiv das Gebiet eines anderen Hohlraums im Bauteil beobachtet. Auf diese Weise kann die optische Emission der mehreren Hohlräumen zugeordneten Plasmen simultan überwacht werden, so dass beispielsweise eine direkte Vergleichsmessung zwischen mehreren nominell identisch gefertigten und beschichteten Hohlräumen durchgeführt werden kann. Eine solche Vergleichsmessung ist nicht auf eine absolute Kalibrierung angewiesen und insbesondere für die Qualitätskontrolle von Bauteilen geeignet. Die weitaus meisten Fehler betreffen nicht alle nominell identischen Hohlräume in genau gleicher Weise, sondern äußern sich zumindest dahingehend, dass die Intensität I einer untersuchten Spektrallinie, die aus den verschiedenen Hohlräumen emittiert wird, in unterschiedlicher Weise geändert wird. Das Bauteil als Ganzes kann also in einfacher und schneller Weise als fehlerhaft eingestuft und einer genaueren Untersuchung zugeführt werden.
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Vorteilhaft wird das Verfahren, und/oder die Vorrichtung, gemäß der Erfindung zur Qualitätskontrolle mindestens eines Spritzlochs in der Düse eines Hochdruckinjektors für einen Motorkraftstoff verwendet. Insbesondere kann das Verfahren, und/oder die Vorrichtung, zur Erkennung von Unterschieden mehrerer Spritzlöcher an einer Düse untereinander verwendet werden. Da die Spritzlöcher Abmessungen der Größenordnung von ca. 100 µm haben, sind derartige Unterschiede nach dem derzeitigen Stand der Technik nur schwer nachweisbar. Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Figurenliste
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Es zeigt:
- 1 Prinzipskizze des Verfahrens 100;
- 2 Messung 132 des Abtrags einer Beschichtung 2c auf der Innenwand 2a des Hohlraums 2 in einem Bauteil 1.
- 3 Erstes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 zur Durchführung des Verfahrens 100.
- 4 Zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10, ausgebildet zur simultanen Untersuchung mehrerer Hohlräume 21-24.
- 5 Beispiel einer mit der Vorrichtung gemäß 4 durchgeführten Messung.
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Nach 1 wird in Schritt 110 des Verfahrens 100 ein Plasma 3 in einem Hohlraum 2 in einem Bauteil 1 mit der Innenwand 2a des Hohlraums 2 im Bauteil 1 in Kontakt gebracht. Ein beispielhaft eingezeichnetes Ion 3a trifft die Innenwand 2a des Hohlraums 2 und löst dort in Schritt 120 ein beispielhaft eingezeichnetes Atom 2b' als Materialprobe heraus. Dieses Atom 2b' wird von einem schnellen Elektron 3b angeregt und ist in diesem Zustand mit dem Bezugszeichen 2b'+ bezeichnet. Bei der Relaxation wird eine Spektrallinie 4b mit einer für das Atom 2b' spezifischen Frequenz abgestrahlt. Diese Spektrallinie 4b bildet gemeinsam mit anderen Lichtbestandteilen 4x, 4y und 4z die gesamte optische Emission 4 des Plasmas 3. Aus dieser optischen Emission 4 des Plasmas 3 wird in Schritt 130 eine Eigenschaft der Materialprobe 2b' ausgewertet. In dem in 1 gezeigten Beispiel wird in Schritt 131 aus der Intensität I der Spektrallinie 4b die Zusammensetzung der Materialprobe 2b' ermittelt: Je höher die Intensität I der Spektrallinie 4b ist, desto größer ist der Gehalt der Materialprobe 2b' an derjenigen Atomsorte, für die die Spektrallinie 4b spezifisch ist.
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2 zeigt schematisch, wie durch die Überwachung des Zeitverlaufs der Intensität I von Spektrallinien 4a und 4b der optischen Emission 4 aus dem Plasma 3 der Abtrag einer Beschichtung 2c von der Innenwand 2a des Hohlraums 2 im Bauteil 1 verfolgt werden kann. Die 2a, 2b und 2c verdeutlichen qualitativ die Unterschiede zwischen verschiedenen Stadien des Abtrags. 2d zeigt die Zeitverläufe der Intensitäten I(4a) und I(4b) der beiden Spektrallinien 4a und 4b über den gesamten Abtrag.
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In dem in 2a gezeigten Stadium ist die Beschichtung 2c auf der Innenwand 2a des Hohlraums 2 noch im Wesentlichen intakt. Die Dicke d dieser Beschichtung 2c hat also ihren nominellen Wert d0. Ein beispielhaft eingezeichnetes Ion 3a löst ein beispielhaft eingezeichnetes Atom 2b aus der Beschichtung 2c heraus. Im Plasma 3 wird dieses Atom 2b gemäß dem in 1 verdeutlichten Prozess, der hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mehr wiedergegeben ist, zur Emission von Licht auf der ersten Spektrallinie 4a angeregt. Diese Spektrallinie 4a bildet gemeinsam mit einem weiteren Lichtbestandteil 4x aus dem Plasma 3 die gesamte optische Emission 4 des Plasmas 3.
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In dem in 2b gezeigten Stadium ist die Dicke d der Beschichtung 2c schon auf den Wert d1 abgeschmolzen. Die Beschichtung 2c weist auch schon ein erstes Loch auf. Daher löst ein erstes Ion 3a, wie in 2a, ein Atom 2b aus der Beschichtung 2c heraus. Ein zweites Ion 3a' löst hingegen ein Atom 2b' unmittelbar aus der Innenwand 2a des Hohlraums 2 heraus. Im Unterschied zum Atom 2b aus der Beschichtung 2c wird das Atom 2b' aus der Innenwand 2a im Plasma 3 zur optischen Emission auf einer anderen, für das Grundmaterial des Bauteils 1 spezifischen Spektrallinie 4b angeregt.
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Die insgesamt in das Plasma 3 überführte Materialprobe 2b, 2b' enthält also zwei Atomsorten und trägt die für diese beiden Atomsorten jeweils spezifischen Spektrallinien 4a und 4b zur gesamten optischen Emission 4 aus dem Plasma 3 bei. Das relative Intensitätsverhältnis zwischen diesen beiden Spektrallinien 4a und 4b gibt Aufschluss über das Mengenverhältnis zwischen den beiden Atomsorten.
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In dem in 2c gezeigten Stadium ist die Beschichtung 2c komplett abgetragen. Jedes Ion 3a trägt nun nur noch ein Atom 2b' unmittelbar aus der Innenwand 2a des Hohlraums 2 ab. Dementsprechend ist die für das Material der Beschichtung 2a spezifische Spektrallinie 4a komplett erloschen. Die Materialprobe besteht nur noch aus dem Bestandteil 2b' und trägt nur noch die Spektrallinie 4b zur gesamten optischen Emission 4 aus dem Plasma 3 bei.
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2d zeigt die Verläufe I(4a) und I(4b) der Intensitäten der Spektrallinien 4a und 4b über der Zeit t in den drei Stadien A, B und C des Abtrags der Beschichtung 2c. Das Stadium A korrespondiert zu 2a, das Stadium B korrespondiert zu 2b, und das Stadium C korrespondiert zu 3c.
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Im Stadium A findet nach einem Einschwingvorgang ein im Wesentlichen stationärer Abtrag der Beschichtung 2c statt, d.h., die Rate der in das Plasma überführten und zur optischen Emission 4a angeregten Atome 2b aus der Beschichtung 2c ist konstant.
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Im Stadium B beginnt die Beschichtung 2c sukzessive zu versagen. Aus dem Vergleich der simultan gemessenen Zeitverläufe I(4a) und I(4b) in diesem Stadium B lassen sich Rückschlüsse über die Art und Weise dieses Versagens ziehen.
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Im Stadium C ist die Beschichtung 2c komplett verschwunden, und es wird, analog zum Stadium A, das Grundmaterial des Bauteils 1 sukzessive abgetragen.
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Das Zeitintervall T, das für den Abtrag der Beschichtung 2c benötigt wird, ist in dem in 2d gezeigten Beispiel definiert als das Zeitintervall vom Beginn des Abtrags bis zu dem Zeitpunkt, zu dem in der Materialprobe 2b, 2b' die Atome 2b' aus der Innenwand 2a des Hohlraums 2, also aus dem Grundmaterial des Bauteils 1, überwiegen. Dieser Zeitpunkt ist daran erkennbar, dass die Intensität I(4b) der für das Grundmaterial des Bauteils 1 spezifischen Spektrallinie 4b die Intensität I(4a) der für das Material der Beschichtung 2c spezifischen Spektrallinie 4a erreicht.
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3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zur Durchführung des Verfahrens 100. Die Vorrichtung umfasst eine evakuierbare Prozesskammer 11 mit einer Zuführung 12 für ein Gas 15 aus einem Vorratsbehälter 14. Die Zuführung 12 ist in Schritt 111 des Verfahrens 100 über ein zugehöriges Feindosierventil 13 regelbar. Auf diese Weise lässt sich in der Prozesskammer 11 ein stationäres Gleichgewicht zwischen der Zufuhr an Gas 15 und der Pumprate der in 3 nicht eingezeichneten Vakuumpumpen herstellen. Es entsteht eine Gasatmosphäre 16 mit konstantem Druck.
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In dieser Gasatmosphäre 16 ist das Bauteil 1, das den hier als durchgehendes Loch ausgebildeten Hohlraum 2 enthält, über eine regelbare Spannungsquelle 17 mit einer elektrischen Spannung U beaufschlagbar. Die Spannung U, beziehungsweise ihr Zeitprogramm U(t), wird in Schritt 112 eingestellt.
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Die Wahl der Zuführungsrate für das Gas 15 in Schritt 111 und die Wahl der Spannung U, beziehungsweise des Zeitprogramms U(t), in Schritt 112 bewirken in Kombination, dass sich selektiv im Hohlraum 2 im Bauteil 1 ein Plasma 3 ausbildet. Somit realisieren diese Maßnahmen den Schritt 110 des Verfahrens 100 und bringen die Innenwand 2a des Hohlraums 2 im Bauteil 1 selektiv mit dem Plasma 3 in Kontakt.
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Die optische Emission 4 des Plasmas 3, die in 3 nicht weiter aufgeschlüsselt ist, wird mit einem Detektor 18, der selektiv das Gebiet des Hohlraums 2 beobachtet, gemessen. Dieser Detektor 18 ist ein Spektrometer.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 zur Durchführung des Verfahrens 100. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Zuführung 12 und der Vorratsbehälter 14 für das Gas 15, sowie das Feindosierventil 13 zur Erzeugung der Gasatmosphäre 16 in der evakuierbaren Prozesskammer 11, weggelassen.
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Im Unterschied zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist dieses Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 mit seinen vier Detektoren 18a-18d dazu ausgebildet, vier Hohlräume 21-24 in ein und demselben Bauteil 1 simultan zu untersuchen. Jedem Hohlraum 21-24 ist jeweils ein eigenes Plasma 31-34 zugeordnet, und jeder Detektor 18a-18d misst selektiv nur die optische Emission 41-44 aus dem ihm zugeordneten Plasma 31-34. Die Innenwand 21a-24a eines jeden Hohlraums 21-24 ist mit einer Beschichtung 21c-24c versehen.
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5 zeigt schematisch den Zeitverlauf einer mit der in 4 gezeigten Vorrichtung 10 durchgeführten Messung. Die für die Messung der optischen Emission 41-44 aus den Plasmen 31-34 zuständigen Detektoren extrahieren aus dieser optischen Emission 41-44 jeweils die Spektrallinie 41a-44a, die für das Material der Beschichtung 2a in dem Hohlraum 2 spezifisch ist. Die Intensitäten I(41a), I(42a), I(43a) und I(44a) dieser Spektrallinien 41a-44a sind über der Zeit t aufgetragen.
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Die Intensitäten I(41a), I(42a) und I(43a) liegen im gesamten Zeitverlauf nahe beieinander. Die Intensität I(44a) ist durchweg signifikant geringer. Dies wird als Signal dafür gewertet, dass die Beschichtung 24c, und/oder die Geometrie des Hohlraums 24, fehlerhaft ist. Da die Beschichtung 24c innerhalb der gleichen Zeit abgetragen wird wie die anderen drei Beschichtungen 21c-23c, ist am wahrscheinlichsten, dass der Fehler in der Geometrie des Hohlraums 24 liegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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