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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Vermessen des Intensitätsprofils
eines Elektronenstrahls, insbesondere eines Strahls eines Elektronenstrahlbearbeitungsgeräts, und/
oder zum Vermessen einer Optik für
einen Elektronenstrahl und/oder zum Justieren einer Optik für einen
Elektronenstrahl, eine Meßstruktur
für ein
solches Verfahren und ein Elektronenstrahlbearbeitungsgerät.
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In der vorliegenden Beschreibung
und den Ansprüchen
soll unter Optik für
einen Elektronenstrahl eine beliebige Anordnung verstanden werden, welche
die Geometrie des Strahlquerschnittes eines Elektronenstrahles und/oder
die Ausrichtung der Strahlachse eines Elektronenstrahles beeinflussen kann.
Es sind dies in der Praxis elektrische und/oder magnetische optische
Komponenten, insbesondere elektrische und/oder magnetische Linsen,
Stigmatoren und Ablenker.
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Eine Optik kann durch eine einzige
solche Komponente gebildet sein oder meherer solche Komponenten
umfassen.
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Um z.B. beim Elektronenstrahlschweißen Schweißnähte mit
gleichbleibender und bekannter Güte
erzeugen zu können,
ist es von Vorteil, wenn man das Intensitätsprofil des im Elektronenstrahlschweißgerät verwendeten
Elektronenstrahls kennt und möglichst
unmittelbar vor dem Prozeß vermessen
kann.
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Auch die Kenntnis der Abbildungseigenschaften
einer Strahl-Optik des Elektronenstrahlbearbeitungsgeräts und die
Möglichkeit,
Strahlquerschnitt und Abbildungseigenschaften automatisch auf Sollwerte
einzuregeln wären
für das
Bearbeiten von Werkstücken
mit Elektronenstrahlschweißen
von Vorteil.
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Üblicherweise
erfolgt die Vermessung des Intensitätsprofils eines Elektronenstrahls
so, daß nacheinander
bekannte Teile des Elektronenstrahls in einen Auffänger, insbesondere
einen Faraday-Käfig
geleitet wird. Wie im Buch von Schultz "Elektronenstrahlschweißen", Fachbuchreihe Schweißtechnik,
DVS-Verlag auf den Seiten 15 bis 20 beschrieben, können verschiedenartige
Meßkörper eingesetzt
werden, um einen Teil des Strahls in den Auffänger zu leiten, wobei der Elektronenstrahl
mittels eines Magnetfelds relativ zu dem Meßkörper ausgelenkt wird, so daß nacheinander
verschiedene Querschnittsteile des Elektronenstrahls in den Auffänger gelangen.
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Der einfachste solche Meßkörper umfaßt eine
Schwellenkante. Zwei gegenüberliegende
derartige Meßkörper bilden
eine Meßstruktur
mit einer Schlitzblende, hinter der der durchgetretene Teil des Strahles
durcj einen dort liegenden Sensor gemessen wird. Durch eine solche
Meßstruktur
kann das Strahlprofil in einer Richtung vermessen werden. Mittels
einer Lochblende kann das Intensitätsprofil eines Elektronenstrahls
auch in einer zweiten Richtung dazu vermessen werden, wobei der
Elektronenstrahl Teilstrahl für
Teilstrahl nacheinander über
das Loch geleitet wird, mittels des o. g. Magnetfelds, wobei die Steuertechnik aus
der Rasterelektronenmikroskopie bekannt ist.
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Ein Nachteil im Stand der Technik
besteht darin, daß ein
auf der Achse der Elektronenkanone (nachstehend kurz: Strahlhauptachse)
angeordneter Auffänger
an der Stelle in einem Elektronenstrahlbearbeitungsgerät Platz
wegnimmt, wo das Werkstück angeordnet
wird. Ein abzweigend vom eigentlichen Elektronenstrahlengang in
einem zweiten Strahlengang angeordneter Auffänger (Sensor) braucht zusätzlichen
Platz. Auch hat man in diesem Falle für die Messung der Intensitätsprofile
nicht exakt dieselben Verhältnis
wie beim späteren
Schweißen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, bei
kompakter Bauweise des Gerätes
eine Elektronenstrahlvermessung zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe ist gelöst durch
ein Verfahren mit den im Anspruch 1 aufgeführten Merkmalen.
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Erfindungsgemäß wird der Elektronenstrahl durch
eine Relativbewegung zu einer Meßstruktur auf verschiedene
Stellen von dieser geleitet, die unterschiedliche Rückstreueigenschaften
aufweisen und der Elektronenstrom der Rückstreuelektronen wird in Abhängigkeit
von der Relativbewegung von Elektronenstrahl und Meßstruktur
gemessen.
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Unter Rückstreuelektronen wird im Rahmen der
vorliegenden Anmeldung jedes von einer Oberfläche mit einer Komponente in
Gegenrichtung zur eigentlichen Elektronenausbreitung zurückgesandte Elektronen
verstanden, d.h. Rückstreuelektronen
im engeren Sinne und Sekundärelektronen.
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Dadurch, daß die Rückstreuelektronen gemessen
werden, kann ein entsprechender Sensor, beispielsweise ein Sensorring,
um den Elektronenstrahl herum in der Nähe der ohnehin vorhandenen Auslenkmagnete
angeordnet werden, ohne daß zusätzlicher
Platz benötigt
wird.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist der, daß zu
seiner Durchführung
nur eine passive Meßstruktur
zusätzlich
benötigt
wird, so daß zum
Meßraum
keine zusätzlichen
elektrischen Leitungen verlegt werden müssen, was bei für die Serienfertigung
dienenden Elektronenstrahl-Schweißgeräten, bei den die Werkstücke auf Paletten
angeordnet ein- und ausgeschleust werden, mit Schwierigkeiten verbunden
wäre.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in Unteransprüchen
angegeben.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 2
hat den Vorteil, daß Meßstrukturen,
wie sie bereits bekannt sind, verwendet werden können, wobei der transmittierende
Teil der Meßstruktur,
also die Öffnung,
nicht rückstreut
und der Rest der Meßstruktur
zumindest schwach rückstreut.
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Bei einigen Elektronenstrahlbearbeitungsgeräten ist
ohnehin vorgesehen, daß ein
zu bearbeitungsendes Werkstück
mittels. einer Rasterelektronen-Bilderzeugungsfunktion vor dem Bearbeiten
betrachtet werden kann. In diesem Falle ist es von besonderem Vorteil,
die Erfindung einzusetzen, weil zur Bildgebung dieselben Sensoren
verwendet werden können,
wie sie als Rückstreuelektronenmeßgeräte dienen.
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Mit der Weiterbildung der Erfindung
gemäß Anspruch
3 erhält
man einen besonders guten Kontrast zwischen den durch den Meßkörper rückgestreuten
Elektronen, die zum Ausmessen des Querschnittsprofils des Elektronenstrahls
verwendet werden, und diffus von der Oberfläche einer Basis der Meßstruktur
etwa rückgestreuten
Elektronen.
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Auch die Weiterbildung der Erfindung
gemäß Anspruch
4 ist im Hinblick auf guten Kontrast bei der Ausmessung des Querschnittsprofiles
von Vorteil.
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Ist die zum Ausmessen des Strahlquerschnitts
dienende Rückstreufläche von
der Oberseite einer Basis der Meßstruktur beabstandet, wie
im Anspruch 5 angegeben, wirkt sich dies ebenfalls günstig auf
die Präzision
der Messung und den Kontrast der Querschnittsmessung aus.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
6 ist im Hinblick auf niedere Herstellungskosten für kleine
Rückstreuflächen und
im Hinblick auf guten Kontrast von Vorteil.
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Auch die Weiterbildung gemäß Anspruch
7 dient einer Verbesserung des Rückstreuverhaltens der
Rückstreufläche.
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Mit der Weiterbildung der Erfindung
gemäß Anspruch
8 wird erreicht, daß hinter
der Rückstreufläche liegende
Umfangsabschnitte der Nadel nicht zu zusätzlichen rückgestreuten Elektronen führen, was den
Kontrast des Meßverfahrens
beeinträchtigen würde.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
9 ist im Hinblick auf hohe Auflösung
des Meßverfahrens
von Vorteil.
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Gemäß Anspruch 10 werden die rückgestreuten
Elektronen auf sehr einfache Weise gemessen. Entsprechende Sensorringe
sind auch in solchen Elektronenstrahlbearbeitungsgeräten oft
schon vorhanden, bei denen auch die Möglichkeit zur rasterelektronischen
Bilderzeugung einer Werkstückoberfläche besteht.
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Im Prinzip kann man die Relativbewegung zwischen
Elektronenstrahl und Meßstruktur
sowohl durch eine Bewegung der Meßstruktur als auch durch eine
Bewegung des Elektronenstrahles (als auch durch eine Bewegung von
Elektronenstrahl und Meßstruktur)
erzeugen. Die im Anspruch 11 angegebene Art der Erzeugung der Relativbewegung
läßt sich
aber ohne mechanische Mittel und sehr rasch durchführen und
ermöglicht
auch die Bestimmung der Qualität
der Strahlablenkung durch die Optik.
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Verwendet man bei dem Verfahren zum
Bestimmen des Intensitätsprofiles
eines Elektronenstrahles eine Meßstruktur, wie sie im Anspruch
12 angegeben ist, so kann man das Intensitätsprofil gleichzeitig für eine Mehrzahl
unterschiedlicher Auslenkungswinkel des Elektronenstrahles messen.
Auf diese Weise läßt sich
ermitteln, ob und in welchem Ausmaße das Intensitätsprofil
von der Ablenkung des Elektronenstrahles abhängt.
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Dabei kann man mit dem Verfahren
gemäß Anspruch
13 das Intensitätsprofil.
innerhalb eines vorgegebenen Gesamt-Ablenkungsbereiches für den Elektronenstrahl
an verschiedenen gleichförmig über den
Ablenkbereich verteilten Stellen messen.
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Dabei ist mit der Weiterbildung gemäß Anspruch
14 gewährleistet,
daß die
Rückstreuflächen jeweils
senkrecht zur mittleren Richtung des Elektronenstrahles ausgerichtet
sind.
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Verwendet man gemäß Anspruch 15 kreisförmige Rückstreuflächen, so
verhalten sich diese Rückstreuflächen isotrop,
d.h., man kann in beliebiger Richtung über sie hinwegfahren, ohne
daß richtungsabhängige Korrekturen
der Meßsignale
notwendig wären.
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Verwendet man gemäß Anspruch 16 eine Meßstruktur
mit schmalen rückstreuenden
Bändern, so
kann man auf einfache Weise eine grobe Information der Intensitätsverteilung
im Elektronenstrahl über
eine größere Meßfläche hinweg
erhalten. Derartige Meßstrukturen
eignen sich auch gut zum Austesten der Abbildungseigenschaften der
Elektronenstrahl-Optik und als Ist-Signalgeber für eine Regelschaltung, mit
welcher der Querschnitt des Elektronenstrahles automatisch minimisiert
wird und/oder Soll-Abbildungseigenschaften der Optik eingestellt werden.
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Bei dem Verfahren gemäß Anspruch
17 wird das Intensitätsprofil
des Elektronenstrahles in zwei zueinander senkrechten Richtungen
gemessen, so daß man
eine vollständige
flächenhafte
Information über
die Energiedichte im Elektronenstrahl hat. Macht man dies für unterschiedliche
Fokussierungsbedingungen (Ändern
der Bestromung der Fokussierlinse) oder unterschiedliche Stellung
der Meßstruktur
auf der Strahlachse, so erhält
man eine komplette räumliche
Strahl-Tomographie.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
18 ist wiederum im Hinblick darauf von Vorteil, einerseits für die rückstreuenden
Oberflächen
oder die größere Durchlässigkeit
aufweisenden Oberflächen
den notwendigen mechanischen Halt zu schaffen, andererseits aber
zu verhindern, daß der
mechanische Halt für
die Oberflächenunregelmäßigkeiten bezüglich der
Absorption/Rückstreuung
in nennenswertem Maße
zu unerwünschten
gestreuten Elektronen führt.
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Das Verfahren gemäß Anspruch 19 gestattet es,
unter Verwendung einer regelmäßigen Meßstruktur,
die an sich für
die Vermessung des Intensitätsprofiles
eines Elektro nenstrahles gedacht war, zugleich auch die Abbildungseigenschaften
der Elektronenstrahl-Optik zu messen.
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Mit dem im Anspruch 20 angegebenen
Verfahren kann man sich auf einfache Weise ein einfach auswertbares
Gesamtbild über
die Abbildungseigenschaften der Optik verschaffen.
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Gemäß Anspruch 21 kann man automatisch den
Elektronenstrahl so fokussieren, daß der Querschnitt des Elektronenstrahles
ein Minimum annimmt.
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Die im Anspruch 22 angegebene Meßstruktur
hat einen mechanisch besonders einfachen Aufbau.
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Die Weiterbildung der Meßstruktur
gemäß Anspruch
23 dient wieder dazu, Verfälschungen
des Meßergebnisses
durch geometrische Effekte zu vermeiden.
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Eine Meßstruktur gemäß Anspruch
24 zeichnet sich durch mechanisch besonders einfachen Aufbau und
guten Kontrast aus.
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Dabei erhält man gemäß Anspruch 25 auf einfache
Weise präzise
räumlich
orientierte und gut rückstreuende
Rückstreuflächen.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
26 gewährleistet
wieder, daß die
Rückstreuflächen auf
einfache Weise zuverlässig
und bleibend im Raum orientiert werden, ohne daß die hierzu verwendeten mechanischen
Mittel zu unerwünschten rückgestreuten
Elektronen führen.
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Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
27 schafft eine Meßstruktur,
die wieder zum Messen des Querschnittsprofiles eine Elektronenstrahles
für unterschiedliche Auslenkungswinkel
geeignet ist und eine einfache Auswertung des Stromes rückgestreuter
Elektronen ermöglicht.
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Bei einer Meßstruktur, wie sie im Anspruch 28
angegeben ist, kann man einerseits auf einfache Weise die Abbildungseigenschaften
der Elektronenstrahl-Optik testen (über die Gitterlinien) und zugleich auch
die Intensitätsprofile
des Elektronenstrahles für unterschiedliche
Auslenkwinkel einfach ermitteln (über die Rückstreuflächen).
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Der Anspruch 29 betrifft eine Meßvefahren, mit
welchem aus dem Strom der durch die Meßstruktur hindurchtretenden
Elektronen der Strahlquerschnitt und/oder die Abbildungseigenschaften
der Optik ermittelt werden.
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Die Ansprüche 30 bis 33 betreffen Elektronenstrahl-Bearbeitungsgeräte, bei
denen auf einfache Weise das Intensitätsprofil des Elektronenstrahles
und die Abbildungseigenschaften der Optik für den Elektronenstrahl gemessen
werden können.
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Die Weiterbildungen gemäß Anspruch
34 und 35 sind im Hinblick auf scharfe und kontrastreiche Abbildung
kleiner bzw. ausgedehnter Rückstreuflächen einer
Meßstruktur
von vorteil.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren, mit
dem die Güte
der Optik des Elektronenstrahlbearbeitungsgerätes bestimmt wird, werden die
Sensoren zum Messen der Rückstreuelektronen
so verwendet, daß eine
rasterelektronische Aufnahme einer Meßstruktur gemacht, die Teile
mit unterschiedlichen Rückstreueigenschaften
aufweist, und diese Aufnahme wird dann ausgewertet. Aus Verzerrungen
in dem Bild kann, insbesondere auch unter Zuhilfenahme eines Rechners,
auf die Güte
der Magnetoptiken von Fokussiereinheit und Optik zurückgeschlossen
werden.
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Verwendet wird hierzu vorzugsweise
eine etwas andere Meßstruktur,
die eine regelmäßige Struktur,
insbesondere ein Gitter oder Netz umfaßt, damit übliche aus der Optik bekannte
Rechenverfahren zur Berechnung der Verzerrung eingesetzt werden
können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
bestehen die Gitter- oder Netzlinien aus einem stark rückstreuenden
Material, insbesondere einem Metall, während ihr Untergrund aus einem
nicht oder nur schwach rückstreuenden
Material gebildet ist, beispielsweise Graphit.
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Auch eine Meßstruktur mit regelmäßig angeordneten
Stellen erhöhter
Durchlässigkeit
(z. B. Bohrungen) oder mit regelmäßig angeordneten Stellen erhöhter Rückstreuung
(z.B. Rückstreuflächen) oder mit
einem Gitter oder Netz sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung,
wobei bevorzugte Ausführungsformen
die o.g. Materialeigenschaften aufweisen.
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Denkbar ist auch, daß eine Nadel
oder mehrere Nadeln mit geschliffener Endfläche oder andere Rückstreuelemente,
die beim Verfahren zum Vermessen des Intensitätsprofils eingesetzt wird/werden,
in eine Meßstruktur
mit Gitternetz vorzugsweise lösbar
eingesetzt sind, um sowohl Intensitätsprofile des Strahles als
auch Abbildungseigenschaften der Optik messen zu können.
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Alternativ kann man eine Rückstreuflächenanordnung
und eine rückstreuende
Gitteranordnung auch auf seitlich benachbarten Bereichen der Oberseite
der Basis einer Meßstruktur
vorsehen, so daß dies
Bereiche wahlweise auf die Hauptstrahlachse gestellt werden können.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben. Dort zeigen:
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1:
schematisch den Aufbau zum Vermessen des Intensitätsprofils
eines Elektronenstrahls eines Elektronenstrahlschweißgeräts;
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2:
schematisch den Aufbau zum Messen der Abbildungseigenschaften von
Magnetoptiken in einem Elektronenstrahlschweißgerät;
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3:
eine Aufsicht auf eine abgewandelte Meßstruktur mit ein Gitter bildenden
schmalen Rückstreubändern;
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4:
einen transversalen Schnitt durch die Meßstruktur nach 3 längs
der dortigen Schnittlinie IV-IV;
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5:
einen vergrößerten transversalen Schnitt
durch ein Rückstreuband
der Meßstruktur nach 3;
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6:
einen transversalen Mittenschnitt durch eine abgewandelte Meßstruktur;
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7:
einen transversalen Mittelschnitt durch eine nochmals abgewandelte
Meßstruktur;
und
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8:
eine Aufsicht auf eine weiter abgewandelte Meßstruktur.
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In einem Elektronenstrahlschweißgerät wird ein
Elektronenstrahl 10 von einer als einzelne Linse 12 gezeigten
steuerbaren Fokussiereinheit fokussiert. Diese kann insbe sondere
einen Stigmator (zwei unter 90° angeordnete
Zylinderlinsen) umfassen, die getrennt steuerbar sind, um die Form
des Strahlquerschnittes zu modifizieren, insbesondere auf Kreisform
zu bringen.
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In 1 ist
bei A die Hauptstrahlrichtung angedeutet, das ist die Richtung,
in welcher der Elektronenstrahl 10 von der nicht im einzelnen
dargestellten Elektronenkanone des Schweißgerätes erzeugt wird und in welcher
er auf ein Werkstück
(nicht dargestellt) unter Arbeitsbedingungen auftrifft, wenn er
nicht abgelenkt wird.
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Der Elektronenstrahl 10 kann
mittels einer magnetischen Ablenkeinheit 14, die hinter
der Linse 12 liegt, senkrecht zur Strahlrichtung abgelenkt
werden. Die Ablenkeinheit 14 umfaßt mindestens zwei getrennt
steuerbare Spulen (nicht im einzelnen gezeigt) zur Ablenkung des
Elektronenstrahles 10 in zwei zu einander senkrechten Richtungen.
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Die Fokussiereinheit 12 und
die Optik 14 bilden zusammen eine Optik 15 des
Elektronenstrahlschweißgerätes.
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Zum Vermessen des Intensitätsprofils
des Elektronenstrahls 10 ist eine im ganzen mit 16 bezeichnete
Meßstruktur
vorgesehen. Diese besteht aus einer als Graphitplatte 18 ausgebildeten
Basis mit einer ebenen Oberflächen 20,
von der im Zentralbereich, d.h. in dem Bereich, auf den der Elektronenstrahl 10 auftrifft,
wenn er von der Ablenkeinheit 14 nicht stark ausgelenkt
wird, senkrecht nach oben eine Wolframnadel 22 absteht.
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Die Wolframnadel 22 ist
an ihrer zur Elektronenstrahlquelle weisenden, senkrecht auf der
Hauptstrahlrichtung A stehenden ebenen Endfläche glatt geschliffen. Auch
die Oberfläche 20 der
Graphitplatte 18 steht senkrecht auf der Haupstrahlrichtung
A.
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Der Durchmesser der Wolframnadel 22 ist
so bemessen, daß er
deutlich kleiner als der Durchmesser des Elektronenstrahls 10 ist.
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Die Wahl der Materialien für die Meßstruktur 16 und
ihre Geometrie und Anordnung bewirken folgendes:
Die glattgeschliffene
transversale Endfläche
der Wolframnadel 22 wirkt stark rückstreuend, d.h. Elektronen
aus dem Elektronenstrahl 10 werden in die Richtung A, aus
der der Elektronenstrahl 10 kommt bzw. in eine Richtung
mit einer Komponente in die Richtung der Elektronenquelle, zurückgelenkt.
Rückstreuelektronen
von der Nadel 22, die erhalten werden, wenn der Elektronenstrahl 10 die
Spitze der Nadel 22 überstreicht,
sind in 1 schematisch
bei 24 andeutet. Die Graphitplatte 18 hingegen wirkt kaum rückstreuend,
so daß sich
die Wolframnadel 22 gegen die Oberfläche 20 stark abhebt.
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Die Rückstreuelektronen werden mittels
eines Sensorrings, der im ganzen mit 26 bezeichnet ist und aus vier
Sensorsegmenten 28 besteht, vermessen, wobei der Sensorring 26 den
Pfad des Elektronenstrahls im Querschnitt gesehen umgibt, wobei
der Sensorring ein herkömmlicher
Ring der Art ist, wie er üblicherweise
in rasterelektronischen Beobachtungseinrichtungen zum Auffangen
von Rückstreuelektronen
verwendet wird. Aus diesem Grund kann der Sensorring 26 sowohl
zur Messung des Stromes der Rückstreuelektronen
als auch zur Bildgebung verwendet werden.
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Bei der Erfindung geht es zunächst darum, die
Stärke
des Rückstreuelektronenstroms
zu bestimmen, wobei es nicht in erster Linie um die absolute Zahl
der Rückstreuelek tronen
geht, die ja von dem Sensorring gar nicht alle erfaßt werden,
sondern um das relative Intensitätsprofil
des Elektronenstrahls 10, also die Verteilung der Elektronen
im Elektronenstrahl 10 in zur Strahlrichtung senkrechter Richtung.
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Unter Strahlrichtung S soll die mittlere
Richtung des Elektronenstrahles verstanden werden, wie sie von der
Optik 14 erzeugt wird, abgesehen von Auslenkungen kleiner
Amplitude, die erfolgen, um den Elektronenstrahl 10 über der
Endfläche
einer Wolframnadel 22 zu rastern.
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Wird der Elektronenstrahl 10 von
der Ablenkeinheit 14 auf verschiedene Stellen der Meßstruktur 16 geleitet,
so erhöht
und erniedrigt sich die Zahl der Rückstreuelektronen 24 je
nach der Stelle auf der Meßstruktur 16,
auf die der Elektronenstrahl 10 auftrifft. Eine besonders
hohe Zahl von Rückstreuelektronen
wird erzielt, wenn der Elektronenstrahl 10 auf die Wolframnadel 22 trifft.
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Da der Elektronenstrahl 10 in
seinem Durchmesser in der Ebene der Meßstruktur 16 bzw.
der Oberfläche 20 größer ist
als die Wolframnadel 22, treffen beim Überstreichen der Wolframnadel 22 durch
den Elektronenstrahl 10 verschiedene Elektronenstrahlteile
auf die Wolframnadel auf, und eine unterschiedliche Intensität des Strahls
in diesen Teilen führt
zu einer unterschiedlichen Zahl von Rückstreuelektronen.
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Um das Strahlprofil systematisch
zu erfassen (bzw. bei Arbeitsbedingungen des Elektronenstrahl über die
Werkstückoberfläche zu führen), wird die
Optik 15 von einer Rechen-, Steuer- und Speichereinheit 30 elektronisch
gesteuert, und Signale von dem Sensorring werden der Rechen-, Steuer-
und Speichereinheit 30 zugeführt und in Abhängigkeit von
den Ablenk-Steuersignalen erfaßt.
Dabei sind die Fokussiereeinheit 12 und die Ablenkeinheit 14 getrennt
steuerbar.
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Dies bedeutet im Meßmodus,
daß in
Abhängigkeit
von einer Größe x (der
Auslenkung in x-Richtung; vgl. das Koordinatensystem in 1) und einer Größe y (der
Auslenkung in y-Richtung) des Elektronenstrahls 10, welche
durch die Optik 15 erzeugt wird, der Strom der Rückstreuelektronen 24,
die zum Sensorring 26 gelangen, erfaßt wird, wobei diese Daten
als dreidimensionale Flächen
(nicht gezeigt) ausgegeben werden können, oder auch in Form eines Bildes
32, das die Elektronendichte an einer bestimmten Stelle z des Elektronenstrahles
in einer zur Strahlrichtung S bzw. zur Hauptstrahlrichtung A senkrechten
Richtung wiedergibt.
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Mit einer anderen Meßstruktur,
die in 2 gezeigt ist
und dort im ganzen mit 34 bezeichnet ist, läßt sich unter Verwendung im
wesentlichen desselben Aufbaus die Güte der Linse 12 und
der Ablenkeinheit 14 vermessen, was eine wichtige Information
zur Beurteilung der Qualität
des Elektronenstrahlschweißgeräts darstellt.
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Die Meßstruktur 34 umfaßt auch
hier eine Graphitplatte 18 mit einer Oberfläche 20.
Im Zentralbereich der Graphitplatte 18 befindet sich auf
der Oberfläche 20 jedoch
ein Metallnetz 36, d.h. ein Netz, dessen Netzlinien aus
Metall bestehen. Das Netz kann direkt auf dem Graphit 18 aufliegen,
so daß auch
hier Rückstreuelektronen 24 von
den Linien des Netzes ausgesandt werden, während der Graphithintergrund
nicht rückstreuend
wirkt.
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Ein Unterschied zu 1 besteht auch insofern, als zur besseren
Abbildung des Netzes 36 der Ort von Linse 12 und Ablenkeinheit 14 vertauscht sind.
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Unter Verwendung eines üblichen
rasterelektronenmikroskopischen Bilderzeugungsverfahrens kann mittels
des Sensorrings 26 ein Bild 38 des Metallnetzes 36 vor
dem Graphituntergrund erzeugt werden. Mittels der dem Fachmann geläufigen Computerauswertung
des Bildes 38 kann aufgrund von Abweichungen der einzelnen Linien
von deren geradem Verlauf und den Verzerrungen am Rand des abgebildeten
Netzes auf die Güte
der Magnetoptiken der Ablenkeinheit 14 rückgeschlossen
werden.
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Die Meßstruktur 34 kann – in Abwandlung – Teil der
Meßstruktur 16 aus 1 sein, wobei dann die Wolframnadel 22 in
einer kleinen Graphitplatte in die große Graphitplatte 18 eingesetzt
wird, und wenn sie dann entfernt wird, ist das Metallnetz 36 in
der Graphitplatte 18 dann freigegeben.
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Möglicherweise
muß dann
die Linse 12 nachfokussiert werden, damit das Netz scharf
abgebildet wird, während
sie vorher auf die Oberfläche 20, aus
der die Wolframnadel 22 herausstand, fokussiert war. Alternativ
kann man die Entfernungsdifferenz auch durch eine aus Graphit gefertigte
Distanzplatte aufnehmen.
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Nochmals alternativ kann man ein
Nadelanordnung und eine Gitteranordnung auch nebeneinander liegend
auf einer gemeinsamen Basis-Graphitplatte vorsehen und die beiden
Teilbereiche der Graphitplatte alternativ in den Strahlengang stellen,
z.B. mit einer kalibrierten Gewindespindel oder mit einem kleinen
Arbeitszylinder und die Plattenendlagen vorgebenden Anschlägen.
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Die Meßstrukturen 16 und 34 bzw.
die oben angesprochenen kombinierten Meßstrukturen sind so ausgelegt,
daß sie
leicht und präzise
in das Elektronenstrahlschweißgerät eingesetzt
werden können und
auch leicht wieder entnommen werden können (z.B. unter Verwendung
von Paßstiften),
damit das Elektronenstrahlschweißgerät seine eigentliche Funktion
ausüben
kann. Es genügt
hierfür,
wenn in einer Abbildungsebene die Möglichkeit zur genau positionierten
Anbringung der Graphitplatte 18 besteht.
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Da die Meßstrukturen 16 und 34 passive Komponenten
sind, müssen
keine zusätzlichen
Leitungen in den Meßraum/Arbeitsraum
des Elektronenstrahlschweißgerätes verlegt
werden, um den Strahlquerschnitt und die abbildungseigenschaften
der Optik 15 zu bestimmen.
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3 zeigt
in Aufsicht eine Meßstruktur 16, die
wieder eine Basis 20 aus Graphit aufweist. Die obere Begrenzungsfläche der
Basis 20 ist konkav kugelförmig gewölbt, wobei der Radius der oberen Stirnfläche 40 dem
Abstand der Basis 20 vom Hauptpunkt H der Strahl-Ablenkeinheit 14 des
Elektronenstrahl-Schweißgerätes entspricht.
Unter dem "Hauptpunkt" soll derjenige Punkt
verstanden werden, an dem der Elektronenstrahl bei idealisierter
Darstellung von der Einfallsrichtung abknickt (ähnlich wie bei optischen Linsen).
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Auf die Stirnfläche 40 ist ein Netz 42 aufgebracht,
welches aus unter rechtem Winkel zueinander angeordneten Sätzen von
Rückstreubändern 44, 46 besteht.
Die Rückstreubänder 44, 46 sind
wieder aus einem Metall hoher Dichte wie z.B. Wolfram hergestellt
und können
auf eine beliebige bekannte Weise hergestellt sein, z.B. durch Herausschneiden
aus einem dünnen
polierten Blech mit einem Laserstrahl oder durch Aufkleben von entsprechend
schmalen polierten Bändern
im gewünschten
Muster auf die Stirnfläche 40.
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Wie aus 5 ersichtlich, ist der Querschnitt der
Rückstreubänder 46 rechteckig,
so daß deren freie
Oberseiten jeweils eine Rückstreufläche 48 bilden.
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Um mit einer solchen Meßstruktur
auch das Intensitätsprofil
für verschieden
Strahlauslenkungen messen zu können,
kann man in der Mitte ausgesuchter oder aller der Gitterzellen jeweils
eine vorzugsweise sehr kurze Wolframnadel 22 mit im wesentlichen
in der Fläche
der benachbarten Rückstreubänder 44, 46 liegender
Endfläche
vorsehen. Dadurch, daß man
den Elektronenstrahl mit kleiner Amplitude über den verschiedenen Wolframnadeln 22 aufrastert,
kann man dann die Intensitätsprofile des
Elektronenstrahles 10 für
unterschiedliche Auslenkwinkel messen, durch Auslenkung des Elektronenstrhles über die
Gitterlinien hinweg die Abblidungseigenschaften der durch Fokussiereinheit 12 und
Ablenkeinheit 14 gebildeten Optik 15.
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6 zeigt
einen Mittenschnitt durch eine weiter abgewandelte Meßstruktur 16,
bei welcher die Basis 20 einzelne Wolframnadeln 22 trägt, die
jeweils so schräg
gestellt sind, daß ihre
Achse durch den Hauptpunkt H der Elektronenstrahl-Ablenkeinheit verläuft. Die
Meßstruktur 16 nach 6 hat somit eine Vielzahl
von kleinen Rückstreuflächen, die
jeweils senkrecht auf der Richtung eines ausgelenkten Elektronenstrahles
stehen und gleichen Abstand vom Hauptpunkt H aufweisen.
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Die Wolframnadeln 22 sind
entweder so angeordnet, daß ihre
Fußabschnitte
auf der Oberseite der Basis 20 ein quadratisches Gitter
bilden, oder auch so, daß jeweils
ein Satz von Wolframnadeln 22 unter gleichem Abstand von
der Achse der Elektronenkanone angeordnet sind und die zu diesem
Satz gehörenden
Wolframnadeln 22 in Umfangs richtung unter äquidistantem
Winkelabstand angeordnet sind.
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Die weiter abgewandelte Meßstruktur
nach 7 ähnelt im
rechten Teil derjenigen nach 6 mit
der Maßgabe,
daß die
Enden der Wolframnadeln 22 alle in derselben Ebene liegen
und vorzugsweise dort so angeordnet sind, daß die Endflächen ein quadratisches Gitter
bilden.
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In der linken Hälfte von 7 stehen die Wolframnadeln 22 alle
senkrecht auf der Oberfläche der
Basis 20. Eine solche Anordnung der Wolframnadeln 22 kann
zuweilen dann von Interesse sein, wenn man nicht an der Intensitätsverteilung
der Elektronen im Elektronenstrahl an sich (senkerecht zur Strahlrichtung
S) interessiert ist sondern nur an der Elektronenverteilung, soweit
sie für
das Schweißen
relevant ist (oder auch dann, wenn der Ablenkradius groß gegen
die Auslenkstrecke ist). Da beim Schweißen die Werkstückoberfläche in der
Regel senkrecht auf der Hauptstrahlrichtung A der Elektronenkanone
steht, bilden die vielen rückstreuenden
Endflächen
der Wolframnadeln 22 gemäß der linken Hälfte von 7 die Werkstückoberfläche an einer
Vielzahl von Stützstellen
nach.
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Das Ausführungsbeispiel nach 8 zeigt eine Meßanordnung
zum Messen von Strahlquerschnitt und Abbildungseigenschaften, die
eine Meßstruktur 16 und
eine hinter dieser liegende elektrisch leitende Kollektorplatte 50 umfaßt. Die
Meßstruktur 16 besteht
aus einer Platte 52 aus Wolfram, in die in regelmäßigem Raster
kleinen Durchmesser aufweisende Bohrungen 54 eingearbeitet
sind, z.B. durch Elektronenstrahlbohren.
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Diese Anordnung arbeitet in Transmission und
misst den Strom der von der mit einem Strommesser (nicht gezeigt)
verbundenen Kollektorplatte 50 aufgefangenen Elektronen
in Abhängigkeit
von der Auslenkung (und ggf. der Fokussierung) des Elektronenstrahles.