Glas
ist in seinen vielfältigen
Formen und Varianten eines der am meisten verwendeten Rohmaterialien
für optische
Zwecke. Für
technische Zwecke müssen
in der Regel auch großvolumige
Glaskörper eine
ganze Reihe von Anforderungen erfüllen, insbesondere hinsichtlich
der Reinheit der Homogenität und
der Defektfreiheit, damit die Durchstrahlung des Glaskörpers verzerrungs-
und abschwächungsfrei möglich ist.
Für optische
Bauteile werden zunehmend auch Kristalle verwendet, insbesondere
für Wellenlängen, die
außerhalb
des sichtbaren Bereichs liegen und für die Gläser nicht mehr besonders gut
durchlässig
sind. So besteht zum Beispiel eine zunehmende Nachfrage nach monokristallinem
Material aus Alkali- und Erdalkalifluoriden (CaF2,
BaF2, SrF2, NaF, KF,
CsF, usw.) für
W-Anwendungen wie
die W-Lithographie/Mikrolithographie sowie für Linsen und Planteilen (Fenster)
und Prismen für
Bestrahlungs- und Abbildungsgeräte
oder auch z.B. Fernrohre für
die Astronomie. Gleichermaßen
stellen Kristalle im infraroten Spektralbereich die Basis für viele
optische Elemente dar.
Insbesondere
Calciumfluorid-Einkristalle (CaF2) werden
als Ausgangsmaterial für
optische Komponenten in der DW-Photolithographie (DUV = Deep UV)
bei Wellenlängen
um und unter 200 nm, insbesondere für die Wellenlängen 248
nm, 193 nm und 157 nm der verwendeten Excimerlaser benötigt. Die
optischen Komponenten sind üblicherweise
Linsen und Prismen in den sogenannten Steppern oder den Excimerlasern
und dienen insbesondere dazu, bei der Herstellung von Halbleiterschaltkreisen
die feinen Schaltungsstrukturen der integrierten Schaltungen auf
die bei der Photolithographie verwendeten Masken und/oder auf die
photolackbeschichteten Halbleiterscheiben optisch abzubilden.
CaF2-Kristalle für die Anwendung in der Projektionsoptik
für den
W- und DUV-Bereich müssen zunächst frei
von den gröbsten
Fehlern sein, etwa von Korngrenzen, d.h. das Rohmaterial muß ein Einkristall
sein. Die Qualität
eines Kristalls wird in der Praxis jedoch nicht nur durch solche
Großwinkelkorngrenzen,
sondern auch durch eine Vielzahl oft kleiner Defekte begrenzt, die
trotz ihrer geringen. räumlichen
Ausdehnung starke lokale Variationen der optischen Eigenschaften
im Volumen des Rohmaterials hervorrufen.
Die
in den genannten Einkristallen auftretenden lokalen Defekte sind
Einschlüsse,
Blasen, Schleier, kristallographische Versetzungen, Gleitebenen
oder Gleitbänder
(Flächendefekte)
und Kleinwinkelkorngrenzen mit geringen Orientierungsunterschieden
(weniger als 10 Grad). An Kleinwinkelkorngrenzen lagern sich häufig Verunreinigungen
an, im Falle des CaF2 zum Beispiel CaO-Ausscheidungen, die
zu lokalen Inhomogenitäten
des Brechungsindex führen
können.
Derzeit
erfolgt die Bewertung der inneren optischen Qualitätsmerkmale
sowohl bei Gläsern
als auch Kristallen durch einen Prüfer. Die Klassifizierung des
optischen Rohmaterials bzw. Rohlings hängt damit von der Erfahrung
und den Fähigkeiten des
jeweiligen Prüfers
ab und ist in keiner Weise einheitlich.
Einkristalle
werden in Kristallzuchtanlagen hergestellt. Die geometrische Form
und Größe des Kristalls
wird dabei weitgehend durch die Zuchtanordnung bestimmt. Die Kristalle
müssen
daher anschließend
durch Sägen
und dergleichen in die gewünschte
Ausgangsform gebracht werden. Ähnliches
gilt für
technische Gläser,
die oft in großen
Tiegeln erschmolzen und anschließend zurechtgeschnitten werden.
Die Herstellung solcher großvolumiger
(d.h. mit einem Durchmesser > 25
cm, insbesondere ≥ 30
cm) Materialkörper
(Glasblock, Rohkristalle, etc.) als Ausgangsmaterial für optische
Elemente, die möglichst
frei sein sollen von optischen Inhomogenitäten, ist jedoch sehr kostspielig.
Bei
der Herstellung eines optischen Elementes wird aber regelmäßig angestrebt,
dieses so aus dem großvolumigen
Materialkörper
des Rohlings herauszuschneiden, daß sein Volumen so homogen wie
möglich
ist und ggf. im Materialkörper
vorliegende Inhomogenitäten,
wie Schleier, Kleinwinkelkorngrenzen etc., außerhalb der Schnittlinien liegen.
Bislang wurde, um dies sicherzustellen, mehr oder weniger großzügig um derartige
Inhomogenitäten
herumgeschnitten und versucht, aus dem verbleibenden Material optische
Elemente der gewünschten
Größe herzustellen.
Es war daher bislang nicht möglich,
den mehr oder weniger "sauberen" Teil eines solchen
Materialkörpers
zielgerichtet optimal auszunutzen.
Bei
den großen,
mechanisch in Einzelstücke gewünschter
Größe zu trennenden
Rohmaterialstücken
ist somit eine Schnittoptimierung bezüglich der Aufteilung des Ausgangsmaterials
nach Qualitätskriterien
bisher nur ansatzweise möglich
und das Ergebnis hängt
sehr von der Erfahrung und Sorgfalt des Prü fers ab. Bei der Charakterisierung
der Rohmaterialien spielen dabei die kleinräumigen Defekte wegen ihrer
schlechten Erfaßbarkeit
bislang nur eine untergeordnete Rolle und die Qualitätsbestimmung
erfolgt überwiegend
anhand von langreichweitigen, leichter zu erkennenden Inhomogenitäten.
Aufgabe
der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zur Qualitätskontrolle
und Schnittoptimierung von optischen Rohmaterialien durch eine Erfassung
und Klassifikation von Qualitätsmerkmalen
in optischen Rohmaterialien.
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem
im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich,
in der dreidimensionalen Raumform des Körpers bzw. Rohlings eine dreidimensionale
Abbildung der im untersuchten Körper
aufgefundenen Defekte bzw. Inhomogenitäten zu erzeugen. In diesem dreidimensionalen
Gesamtbild des Körpers
lassen sich dann die optischen Elemente unter bestmöglichster
Ausnutzung des verbleibenden defektfreien Raumes im Körper ggf.
unter Zuhilfenahme eines an sich bekannten Iterationsverfahrens
anordnen. Dies ist insbesondere bei außergewöhnlich kostspieligen Rohmaterialien,
wie großvolumigen
Einkristallen, von besonderem Vorteil, weil diese eine kristallorientierungsabhängige Zuteilung
ermöglichen.
Die
Bestimmung der durch die äußere Oberfläche des
Körpers
definierten Raumform ist an sich bekannt und beispielsweise durch
Tasten oder mittels Triangulation der optischen Kohärenztomografie wie
z.B. mittels eines Spektralradars möglich. Derartige Methoden werden
zur Objektvermessung zum Beispiel bei historischen Bauten oder Kunstobjekten, aber
auch bei der Bestimmung von Prothesen, insbesondere Gelenkprothesen,
häufig
verwendet. Dabei wird mittels eines kalibrierten optischen 3D-Sensors die
Oberfläche
eines Körpers
aufgenommen. Aus den dabei erhaltenen Werten ist dann beispielsweise mittels
des sogenannten "reverse
engineering", nach Kalibrierung
eine Oberflächenrekonstruktion
und Modellierung des Objektes mittels Datenverarbeitung möglich.
In
einem weiteren Schritt werden dann die optischen Eigenschaften des
Objektes, insbesondere die räumliche
Lage der jeweiligen Defekte bzw. Inhomogenitäten im Inneren des Objekts
in einzelnen Schicht- oder Körperebenen
bestimmt. Dies ist beispielsweise mittels Fokussierung unterschiedlicher Brennebenen
oder auch lagenweise möglich.
Die optischen Eigenschaften werden dabei üblicherweise mittels eines
Detektors erfasst, wie z.B. einem punktförmigen, linienförmigen oder
flächenhaften
elektronischen Detektor. Ein bevorzugter Detektor ist eine CCD-Kamera.
Eine weitere Möglichkeit
ist beispielsweise die aus der Medizin bekannte Technik der Computertomografie.
Zur
Bestimmung von Blockgrenzen wird der Körper zwischen Polarisationsfiltern
angeordnet und die Polarisationsänderungen
auf an sich bekannte Weise bestimmt. Dieser Vorgang wird anschließend von
mehreren Seiten bzw. mit unterschiedlichen Lichtdurchtrittsrichtungen
wiederholt. Auf diese Weise wird eine räumliche Darstellung der gesamten
im Kristall auftretenden Blockgrenzflächen und anderer Verunreinigungen
erfaßt.
Prinzipiell
ist es möglich,
Inhomogenitäten sowohl
auf der Rückseite
der Strahlenquelle, d. h. mit dem durchtretenden Strahl, als auch
auf der bestrahlten Seite, d. h. mit dem reflektierten Strahl, zu
bestimmen. Darüber
hinaus ist es auch möglich,
den an den Störungen
im Körper
seitlich gestreuten Strahl zu erfassen.
Werden
derartige Verfahren aus mindestens drei Betrachtungsrichtungen durchgeführt, dann kann
mittels der optischen Triangulation die genaue Lage der einzelnen
Inhomogenitäten
genau festgehalten werden. Üblicherweise
werden vier bis acht Betrachtungsrichtungen zur Bestimmung verwendet, wobei
in Einzelfällen
auch bis zu 25 Einzelbetrachtungen möglich sein könnnen.
Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich für
sämtliche
optische Rohmaterialien, wie z.B. Gläser, Kristalle sowie Kunststoffe,
wobei orientierte Einkristalle, optisches Glas sowie Quarzglas bevorzugt
sind. Unter den Einkristallmaterialien sind CaF2, BaF2, MgF2, SrF2, NaF, KF und CsF besonders bevorzugt.
In
einer weiteren erfindungsgemäß bevorzugten
Ausführungsform
wird die Oberfläche
des zu untersuchenden Körpers
zur Erhöhung
der Ein- und Auskopplung der Sondierungsstrahlen, d. h. zur Verringerung
der Reflektion an der Oberfläche
beim Einund/oder Austritt mit einem Kopplungshilfsmittel versehen.
Ein bevorzugtes Kopplungshilfsmittel ist beispielsweise Immersionsöl, wie dies
aus der Mikroskopie bekannt ist.
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird an das zu untersuchende Objekt ein Paßstück angesetzt, welches an die
Körperoberfläche in der
zu betrachtenden Richtung formschlüssig angepaßt ist. Auf der der Sondierungsstrahlung
zugewandten Seite ist dieses Paßstück eben,
so daß die elektromagnetische
Welle möglichst
senkrecht eintreten kann. Auf diese Weise werden Artefakte vermieden,
wie sie z. B. entstehen, wenn die Strahlung unter verschiedenen
Winkeln in die Körperoberfläche eintritt
und dabei unterschiedlich gebeugt wird, da hier die Welle generell
senkrecht zur Oberfläche
in das Paßstück eintritt
und von dort in den Körper übertritt.
Auch hier ist es bevorzugt, zwischen Paßstück und dem Objekt ein Kopplungshilfsmittel
wie beispielsweise Immersionsöl
anzuordnen. Die Hilfsmittel weisen vorzugsweise eine ähnliche
Brechung auf wie das zu untersuchende Material. Dadurch kann der
Aufwand zur optischen Bearbeitung der Prüflingsoberfläche klein
gehalten werden.
Im
erfindungsgemäßen Verfahren
wird vorzugsweise Sondierungsstrahlung eingesetzt, welche das zu
untersuchende Objektmaterial möglichst
ohne Absorption durchdringen kann. Ausgenommen hiervon ist natürlich die
Strahlung, ggf. auch Schallwelle, welche zur Erfassung der Oberfläche bzw.
zur Raumform des Objektes verwendet wird. Bevorzugte Sondierungsstrahlung
ist insbesondere im sichtbaren Spektralbereich Licht, insbesondere
kohärentes
Licht wie z. B. Laserlicht, mono- oder auch polychromatisches Licht
und/oder polarisiertes Licht.
Erfindungsgemäß werden
die Qualitätsmerkmale
eines optischen Volumens vorzugsweise mit Hilfe der vor allem aus
der Medizin bekannten Tomographietechnik bestimmt, wobei der Körper bzw.
dessen Volumen in aus Bildpunkten oder Pixel aufgebauten zwei- oder
dreidimensionale Schnitt- oder Ausschnittbilder zerlegt wird. Die
Bildpunkte dieser Schnitt- oder Ausschnittbilder werden dann durch eine
rechnergesteuerte Bildverarbeitung hinsichtlich der Qualitätsmerkmale
analysiert und klassifiziert, wobei die gefundenen Defekte bezüglich ihrer
räumlichen
Lage, ihrer Ausdehnung und Intensität erfaßt und bewertet werden.
Zur
Schnittoptimierung erfolgt eine vorzugsweise rechnergesteuerte Aufteilung
des Rohmaterialvolumens durch Vergleichen von Sollmerkmalen mit
den am aktuellen Rohmaterial gefundenen Qualitätsmerkmalen unter Berücksichtigung
von Randparametern wie benötigten
Schnittaufmaßen
und Optimierung der Schnittführung
mit minimalen Schnittverlusten. Eine derartige Auf teilung ist z.
B. mittels an sich bekannten Iterationsverfahren möglich.
Die
erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit
eine vollständige
Bestimmung und Bewertung aller Qualitätsmerkmale eines optischen
Volumens mit dem Ziel einer optimierten Materialverwendung für unterschiedliche
Lieferprodukte. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anzuwenden
bei der ganzheitlichen und automatischen Zerteilung und Zuteilung von
Körpern,
die starken lokalen Variationen der optischen Eigenschaften im Volumen
unterliegen.
Ein
besonderer Vorteil der Erfindung ist, daß limitierte und teure Materialien,
wie zum Beispiel CaF2 durch minimierte Schnittverluste
und Erhöhung der
Ausbeute erheblich besser ausgenutzt werden können. Wenn gewünscht, kann
das Verfahren interaktiv ausgestaltet werden, um Mitarbeiter bei
der optimierten Zuteilung zu unterstützen.
Mit
dem Begriff Tomographie wird die Erzeugung von in der Regel zweidimensionalen
Schnittbildern von einem zu untersuchenden Körper anhand einer Vielzahl
unterschiedlicher Projektionen einer Sondierungsstrahlung, die nach
Durchlaufen des Körpers
von Detektoren aufgenommen wird, bezeichnet. Die Signale von den
Detektoren werden anschließend
so verarbeitet, daß sich
das gewünschte Bild
ergibt. Die Verarbeitung der Signale ist aufwendig und kann nur
mit leistungsfähigen
Rechnern erfolgen, deshalb auch die Bezeichnung Computer-Tomographie,
abgekürzt
CT. Eine ähnliche
Bildverarbeitung erfolgt bei der Bilderzeugung mittels Kern- oder
Elektronenspinresonanz (NMR, ESR). Die Bildverarbeitungstechniken
sind allgemein bekannt, vor allem aus der Medizin.
Im
Prinzip ist mit dieser Technik auch eine dreidimensionale Darstellung
von Ausschnitten aus dem Prüfkörper möglich, die dann
mit einem herzustellenden optischen Element verglichen bzw. daran angepaßt werden
können,
bzw. beim Vorliegen einer Vielzahl von unterschiedlichen optischen
Elementen kann jeweils dasjenige ausgewählt werden, welches am besten
den defektfreien Raum ausnützt.
Als
Sondierungsstrahlung können
elektromagnetische Wellen wie Lichtstrahlen, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen;
Teilchenstrahlung wie Elektronen- oder Positronenstrahlung; oder
akustische Wellen wie Ultraschallstrahlen verwendet werden. Diese
Art von Sondierungsstrahlung wird von außen eingestrahlt, im Inneren
des untersuchten Körpers
verändert
(gebeugt, geschwächt,
gestreut usw.) und nach dem Austreten aus dem Körper von Detektoren erfaßt. Die
detektierte Sondierungsstrahlung kann auch im Körperinneren selbst erzeugt
werden, etwa durch Fluoreszenz oder durch Resonanzeffekte wie bei
der ESR und der NMR, wobei dann Art und Umfang der Entstehung Aussagen über das
Körperinnere
zulassen.
Die
Auswahl der Sondierungsstrahlung erfolgt anhand der zu untersuchenden
Eigenschaften des Körpers,
das heißt
unter Berücksichtigung
der Wechselwirkung der Sondierungsstrahlung mit dem Körper bzw.
den Defekten im Körper,
die erfaßt
werden sollen. Voraussetzung ist natürlich in der Regel, daß die Sondierungsstrahlung
den zu prüfenden
Körper
nicht verändert.
Die Untersuchung soll im Rahmen der Qualitätskontrolle schließlich die
Eigenschaften feststellen, die für
die spätere
Verwendung des Körpers
wichtig sind (zerstörungsfreie
Prüfung). Bei
lichtdurchlässigen
Kristallen wie CaF2 ist zum Beispiel zu
beachten, daß Strahlungen
großer
Intensität
oder hoher Quantenenergie die Transmissionseigenschaften dauerhaft
verändern
können.
Auch
soll die Sondierungsstrahlung unter relativ geringem Aufwand in
den zu prüfenden
Körper eingekoppelt
werden können.
So ist zwar bei optischen Körpern
vor deren Vermessung eine Politur üblich, der Aufwand dafür sollte
aber das übliche Maß nicht überschreiten.
Zur
Ermittlung der Eigenschaften von Kristallen sind folgende Meßverfahren
anwendbar:
Korngrenzen, Einschlüsse und Schleier lassen sich wie
die Fluoreszenz mit Licht, vorzugsweise mit Laserlicht, geeigneter
Wellenlänge(n)
im Durchlicht oder anhand des Streulichts erfassen. Verwendung finden
alle zur Qualifizierung des Rohmaterials benötigten Messtechniken.
Die
kristallographische Orientierung wird üblicherweise mittels Röntgenstrahlung,
vorzugsweise an einem Spaltstück,
festgestellt. Prinzipiell ist es natürlich auch möglich die
Orientierung direkt am Kristall zu bestimmen.
Die
spannungsinduzierte Doppelbrechung wird vorzugsweise mit polarisiertem
Licht (im Polariskop) sichtbar gemacht.
Zur
Beurteilung der Qualität
des zu prüfenden
Körpers
können,
und werden in der Regel auch, mehrere Meßverfahren kombiniert und die
für die
einzelnen Meßverfahren
erhaltenen Tomographiebilder geeignet überlagert, etwa in verschiedenen
Farben, um alle relevanten Defekte des geprüften Körpers in einer einzigen Darstellung
erkennbar zu machen.
Anhand
eines solchen Defektbildes kann dann das Gesamtvolumen des zu prüfenden Körpers entsprechend
den vorgegebenen Kriterien in Einzelstücke aufgeteilt werden.
Zur
Erstellung eines tomographischen Abbildes eines gewünschten
Bereiches in dem zu prüfenden
Körper
wird vorzugsweise wie folgt vorgegangen:
Zuerst wird durch
eine optische Vorrichtung die Außenkontur, d.h. die Raumform
des zu vermessenden Prüflings,
z.B. eines CaF2-Einkristalls, geometrisch erfaßt und als
Koordinatensystem etabliert.
Dann wird die Oberfläche des
Prüflings
für das
Einkoppeln und Auskoppeln der Sondierungsstrahlung mit geeigneten
Kopplungshilfsmitteln hinreichend transparent gemacht. Als Sondierungsstrahlung
können
wie erwähnt
zum Beispiel Lichtstrahlen, Röntgenstrahlen,
aber auch Schallwellen verwendet werden. Für Licht- oder Laserstrahlen
kann zum Beispiel eine optisch nicht blanke Oberfläche mit
Immersionsöl
belegt werden, um einen optischen Zugang zur Inspektion des Prüflingsinneren
zu schaffen. Auch ein Polieren der Oberfläche ist hierzu möglich.
Mit
der Sondierungsstrahlung (z.B. einem Laserstrahl) und einer Abtastvorrichtung
wird das Innere des Prüflings
vollständig
abgetastet. Die wieder austretende bzw. reflektierte und an Qualitätsdefekten
gestörte
(abgeschwächte)
oder abgelenkte (gestreute) Strahlung wird von einer Detektoreinheit
erfaßt
und durch eine Bildverarbeitung üblicher
und bekannter Art werden dann die an der Detektoreinheit erfaßten Signale
analysiert und hinsichtlich vorgegebener Merkmale klassifiziert.
Die
so gefundenen Strukturen werden dann bezüglich ihrer räumlichen
Lage, ihrer Ausdehnung und Intensität erfaßt und in das Koordinatensystem des
Prüflings
eingebettet. Zu den gefundenen Strukturen können neben Defektstrukturen
wie Korn grenzen, Gleitbänder,
Blasen, Einschlüsse
usw. auch die Kristallorientierung zählen.
Schließlich werden
die gewonnenen Daten zur Weiterverwendung in eine Datenbank eingetragen.
Der
Ablauf bei der optimierten Zuteilung von Material für einen
aktuellen Lieferbedarf ist dann wie folgt:
- 1.
Aufstellung einer Zielfunktion mit den Kriterien zur Durchführung der
Optimierung.
- 2. Rechnergesteuerte Zerlegung des Auftragsbestandes nach Geometrien,
Qualitätsmerkmalen und
Lieferterminen.
- 3. Ablage der Qualitätskenngrößen in einer
datentechnisch auswertbaren Umgebung (Datenbank).
- 4. Rechnergesteuerte (oder rechnergestützt interaktive) Zuteilung
des Materials durch Vergleich der Auftragsmerkmale mit den am Rohmaterial gefundenen
Qualitätsmerkmalen
unter Berücksichtigung
von Randparametern wie benötigten Schnittaufmaßen.
- 5. Rechnergesteuerte Optimierung der Schnittführung zur
optimalen Materialverwendung mit minimalen Schnittverlusten.
- 6. Vorgabe der Schnittführung
an die Trenntechnik (z.B. Sägen,
Spalten, Brechen usw.).
Die
Zuteilung erfolgt dabei auf der Basis der Abnehmer-Spezifikation,
der verfügbaren
Qualität, der
Lieferbarkeit, der Zuteilungs- bzw. Qualifizierungstechnik und von
Lieferpräferenzen.
Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es auch möglich,
Linsen, Prismen, Lichtleitstäbe,
optische Fenster sowie optischen Geräte für die DUV-Lithographie herzustellen.
Das Verfahren findet daher auch insbesondere Anwendung zur Herstellung
von Steppern und Excimerlasern und somit auch zur Herstellung von
integrierten Schaltungen sowie elektronischer Geräte wie Computerchips
enthaltenden Computern sowie anderer elektronischer Geräte, welche
chipartige integrierte Schaltungen enthalten.