DE1064168B - Device for generating and shaping a charge carrier beam - Google Patents

Device for generating and shaping a charge carrier beam

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DE1064168B DEZ6718A DEZ0006718A DE1064168B DE 1064168 B DE1064168 B DE 1064168B DE Z6718 A DEZ6718 A DE Z6718A DE Z0006718 A DEZ0006718 A DE Z0006718A DE 1064168 B DE1064168 B DE 1064168B
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Carl Zeiss SMT GmbH
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Description

DEUTSCHESGERMAN

Bei der Materialbearbeitung mit Ladungsträger-Strahlen besteht die Forderung, daß die Flächenintensität des auf das zu bearbeitende Objekt auf treffenden Ladungsträgerstrahles möglichst groß sein soll. Bei den bisher bekannten Einrichtungen wird zur Fokussierung des Ladungsträgerstrahles eine rotationssymmetrische Linse verwendet. Durch deren Linsenfehlerj vorzugsweise durch den Öffnungsfehler, wird jedoch die Erreichung der geforderten großen Flächenintensität verhindert.In the case of material processing with charge carrier beams, there is a requirement that the surface intensity of the charge carrier beam striking the object to be processed should be as large as possible. In the previously known devices, a rotationally symmetrical lens is used to focus the charge carrier beam. Their lens error j, preferably due to the aperture error, prevents the required large surface intensity from being achieved.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung und Formung eines zur Materialbearbeitung dienenden intensitätsreichen Ladungsträgerstrahles mit in Strahlrichtung gesehen hinter der Anode liegenden Linse. Der durch diese neue Einrichtung erzeugte Ladungsträgerstrahl hat eine sehr große Flächenintensität, wobei diese Intensität an den Rändern des Strahlquerschnitts sehr steil abfällt. Eine solche Intensitätsverteilung ist bei der Materialbearbeitung mit Ladungsträgerstrahlen sehr wichtig, da es zur Erzielung eines guten Bearbeitungsergebnisses notwendig ist, daß die Strahlintensität an den Rändern der Bearbeitungsstelle steil abfällt und über den Bearbeitungsquerschnitt eine gewünschte Verteilung aufweist. The present invention relates to a device for producing and shaping a material processing device serving high-intensity charge carrier beam seen in the direction of the beam behind the Anode lying lens. The charge carrier beam generated by this new device has a very large one Area intensity, whereby this intensity drops off very steeply at the edges of the beam cross-section. One Such an intensity distribution is very important when processing materials with charge carrier beams it is necessary to achieve a good machining result that the beam intensity at the edges the processing point drops steeply and has a desired distribution over the processing cross-section.

Die neue Einrichtung zur Erzeugung und Formung eines zur Materialbearbeitung dienenden intensitätsreichen Ladungsträgerstrahles enthält erfindungsgemäß ein einen Ladungsträgerstrahl großer Apertur erzeugendes Strahlerzeugungssystem sowie mindestens eine in an sich bekannter Weise hinsichtlich ihres Öffnungsfehlers korrigierte, zur Strahlfokussierung dienende Zylinderlinse. Mittels dieser neuen Einrichtung gelingt es, eine große emittierende Fläche der Kathode des Strahlerzeugungssystems zu erfassen und die unter großem öffnungswinkel aus diesem System austretenden Ladungsträger einwandfrei zu fokussieren, so daß also in der Fokussierungsebene eine große Flächenintensität erreicht wird. Die Verteilung dieser Intensität über den Strahlquerschnitt hat infolge der Verwendung einer öffnungsfehlerfreien Zylinderlinse die für eine Materialbearbeitung geforderte, nahezu rechteckförmige Gestalt.The new device for the production and shaping of a high-intensity material used for material processing According to the invention, the charge carrier beam contains a charge carrier beam with a large aperture generating beam generating system and at least one in a manner known per se with regard to Cylindrical lens used to focus the beam and corrected for its aperture error. By means of this new The device succeeds in capturing a large emitting area of the cathode of the beam generating system and the load carriers emerging from this system at a large opening angle are perfectly closed focus, so that a large area intensity is thus achieved in the focussing plane. The distribution this intensity over the beam cross-section has due to the use of an opening error-free Cylindrical lens the almost rectangular shape required for material processing.

Es ist vorteilhaft, das Strahlerzeugungssystem mit einer an sich bekannten, linienförmig ausgebildeten Kathode auszurüsten, wobei es notwendig ist, die Richtung der größten Ausdehnung der Kathode auf die Hauptachse der nachfolgenden, zur Strahlfokussierung dienenden Zylinderlinse auszurichten. Durch die Wahl einer solchen Kathode wird erreicht, daß eine größere emittierende Kathodenfläche ausgenutzt werden kann, als dies bei runden Kathoden der Fall ist.It is advantageous for the beam generation system to have a linear design known per se To equip cathode, it is necessary to the direction of greatest expansion of the cathode on align the main axis of the following cylinder lens used for beam focusing. By the choice of such a cathode is achieved in that a larger emitting cathode area is used than is the case with round cathodes.

Es ist möglich, und in manchen Fällen vorteilhaft,It is possible, and in some cases beneficial,

Einrichtung zur Erzeugung und Formung eines LadungsträgerstrahlesDevice for generating and shaping a charge carrier beam

Anmelder:
Fa. Carl Zeiss, Heidenheim/BrenzApplicant:
Carl Zeiss, Heidenheim / Brenz

Dipl.-Ing. Fritz Schleich, Unterkodien (Württ),
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Ing. Fritz Schleich, Subcodes (Württ),
has been named as the inventor

hinter der Anode des Strahlerzeugungssystems eine einfache zur Strahlfokussierung dienende Zylinderlinse anzuordnen. In diesem Fall entsteht in der Fokussierungsebene ein Strichfokus.behind the anode of the beam generation system is a simple cylindrical lens used to focus the beam to arrange. In this case, a line focus is created in the focussing plane.

Für gewisse Arten der Materialbearbeitung, wie zum Bohren runder Löcher, ist jedoch ein Strichfolcus zunächst nicht brauchbar. Es ist deshalb zweckmäßig, für solche Zwecke zwischen Objekt und Linse ein Drehfeld dergestalt einzuschalten, daß der Strichfokus um den Überkreuzungspunkt der langen und kurzen Achse als Zentrum rotiert.However, for certain types of material processing, such as drilling round holes, a stroke folcus is required not usable at first. It is therefore advisable to place an object between the object and the lens for such purposes Turn on the rotating field in such a way that the line focus is around the crossover point of the long and short The axis rotates as the center.

Die beschriebene, zur Strahlfokussierung dienende Zylinderlinse wird vorteilhaft als elektromagnetische Zylinderlinse ausgebildet. In diesem Fall ist man in der Lage, durch Änderung des Spulenstromes die Länge des in der Fokussierungsebene entstehenden Strichfokus bequem zu variieren. Auf diese Weise ist es möglich, den durch die Anwendung des Drehfeldes entstehenden runden Bohrstrahl in gewissen Grenzen zu variieren und damit den Durchmesser der gewünschten Bohrung einzustellen.The cylinder lens described, used for beam focusing, is advantageously an electromagnetic one Cylindrical lens formed. In this case you are able to change the coil current Easy to vary the length of the line focus arising in the focussing plane. That way is it is possible, within certain limits, to use the rotating field to reduce the round drilling beam to vary and thus set the diameter of the desired hole.

Bei der Herstellung von Fräsungen und Profilbohrungen erfordert aber die Verwendung einer Zylinderlinse mit nachgeschaltetem Drehfeld eine verhältnismäßig umständliche Strahlsteuerung. Es ist deshalb für diesen Zweck vorteilhaft, zwei oder mehrere hintereinandergeschaltete Zylinderlinsen zu verwenden, die einen geeigneten Strahl querschnitt erzeugen. Die Hauptachsen dieser Zylinderlinsen stehen dabei jeweils gekreuzt.In the production of millings and profile bores, however, requires the use of a cylindrical lens with a downstream rotating field a relatively cumbersome beam control. It is therefore it is advantageous for this purpose to add two or more cylinder lenses connected in series use that generate a suitable beam cross-section. The main axes of these cylinder lenses are each crossed.

Durch Verwendung mehrerer hintereinander angeordneter Zylinderlinsen gelingt es, auch Strahlen mit sehr hoher Beschleunigungsspannung und großer Apertur mit relativ kleinen Amperewindungszahlen in den einzelnen Bauelementen zu beherrschen. So ergibt sich für die Materialbearbeitung auch bei sehr hohen Intensitäten eine Strahlführung, die technisch leicht zu bewältigen ist.By using several cylindrical lenses arranged one behind the other, it is possible to also use rays very high acceleration voltage and large aperture with relatively small number of ampere turns in to master the individual components. This results in material processing even at very high Intensities a beam guidance that is technically easy to manage.

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Claims (1)

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach der Erfindung in schematischer Darstellung, Fig. 2 eine zweizählige Zylinderlinse in Ansicht \*on oben, Fig. 3 den mittels einer Zylinderlinse nach Fig. 2 erzeugten Brennileck eines Ladungsträgerstrahles. Fig. 3 a die Inteiisitiitsverteilung im Brennfleck des Ladungsträgerstrahles längs der Abszisse, Fig. 3 b die Intensitätsverteilung im Brennfleck des Ladungsträgerstrahles längs der Ordinate, Fig. 4 den mittels zweier gekreuzter zweizähliger Zylinderlinsen erzeugten Brennfieck eines Ladungsträgerstrahles, Fig. 5 eine vierzählige Zylinderlinse in Ansicht von oben. Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung zur Erzeugung und Formung eines zur AIaterialbearbeitung dienenden intensitätsreichen Ladungsträgerstrahles dient zur Erzeugung dieses Strahles ein aus einer Kathode 1, einer Wehneltelektrode 2 und einer geerdeten Anode 3 bestehendes Strahlerzeugungssystem. Die Kathode 1 ist dabei vorteilhaft linienförmig ausgebildet, d. h., ihre Ausdehnung senkrecht zur Zeichenebene ist größer als die Ausdehnung in der Zeichenebene. In Strahlrichtung gesehen hinter der Anode 3 sind zur Strahlfokussierung dienende Zylinderlinsen 4 und 5 angeordnet. Eine weitere Zylinderlinse 6 dient zur Erzeugung eines Drehfeldes. Ein mittels des Strahlerzeugungssystems erzeugter Ladungsträgerstrahl 8 wird durch die Zylinderlinsen 4 und 5 so fokussiert, daß in der Ebene des zu bearbeitenden Werkstückes 7 sein Bereich engsten Querschnitts liegt. Die zur Strahlfokussierung dienenden Zylinderlinsen 4 und 5 sind in an sich bekannter Weise hinsichtlich ihres Üffnungsfehlers korrigiert. Eine solche Korrektion kann durch entsprechende Formung der Polschuhe und/oder durch Anbringen von speziell geformten ferromagnetischen Teilen, welche die Verteilung des Feldes im Luftraum zwischen den Polen beeinflussen, bewirkt werden. Wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht, besteht jede der verwendeten Zylinderlinsen aus vier als gleichseitige Hyperbeln ausgebildeten Polschuhen 9, 18, 16 und 17, welche von elektromagnetischen Spulen 10, 13, 14 und 15 umgeben sind. Das magnetische Feld schließt sich einmal über die zum Durchtritt der Ladungsträger dienende zentrale Öffnung der Linse und zum anderen über einen ferromagnetischen Ring 11. Die ganze Zylinderlinse ist in einem Behälter 12 aus nicht ferromagnetischem Werkstoff eingebettet. Es ist dabei zweckmäßig, die Polschuhe und Spulen der Zylinderlinse in Kunstharz 19 einzugießen. Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, sind die verwendeten Zylinderlinsen so ausgebildet, daß sich ihre Spulen in an sich bekannter Weise in der senkrecht zur Achse des Ladungsträgerstrahles liegenden Ebene befinden. Dadurch wird eine möglichst flache Bauart der Zylinderlinse erreicht, was einmal hinsichtlich der Korrektur von Vorteil ist und was zum anderen einen geringen Platzbedarf der Linse in vertikaler Richtung gewährleistet. Es ist prinzipiell möglich, an Stelle der hier dargestellten elektromagnetischen Zylinderlinsen auch elektrostatische Zylinderlinsen zu verwenden. Die Verwendung elektrostatischer Zylinderlinsen bedingt jedoch, daß zur Fokussierung eines Landungsträgerstrahles hoher Beschleunigungsspannung sehr hohe Spannungen an die Elektroden angelegt werden müssen. Fig. 3 zeigt die Form des fokussierten Ladungsträgerstrahles auf der Oberfläche des Werkstückes 7. Wie man sieht, entsteht an dieser ,Stelle ein Strichfokus 20. In Fig. 3 a ist die Energieverteilung innerhalb des Brennfleckes 20 in Richtung der Abszisse x ίο dargestellt. Wie aus der Kurve 21 hervorgeht, hat diese Energieverteilung nahezu rechteckförmige Gestalt. Dieselben Verhältnisse zeigt Fig. 3 b, in welcher die Kurve 22 die Intensitätsverteilung des Brennfieckes 20 längs der Ordinate ν darstellt. Um den unter Verwendung nur einer Zylinderlinse entstehenden Strichfokus 20 zum Bohren runder Löcher in ein Werkstück 7 geeignet zu machen, wird mittels der Zylinderlinse 6 ein Drehfeld erzeugt, welches den Strichfokus um den Überkreuzungspunkt der langen und kurzen Achse als Zentrum dreht. Es entsteht auf diese Art der in Fig. 3 gestrichelt dargestellte runde Querschnitt 25 des wirksamen Bohrstrahles. Durch einfache Regelung des Spulenstromes gelingt es, die Länge des Strichfokus 20 bequem zu variieren, so daß es also möglich ist, den Durchmesser des Bohrstrahles 25 in gewissen Grenzen zu variieren. Verwendet man zur Strahlfokussierung nicht nur eine Zylinderlinse, sondern beispielsweise, wie in Fig. 1 dargestellt, zwei Zylinderlinsen 4 und 5, so entsteht in der Ebene des Werkstückes 7 ein kleeblattförmiger Brennfleck 23, welcher in Fig. 4 dargestellt ist. Ordnet man an Stelle von nur zwei Zylinderlinsen mehrere Zylinderlinsen hintereinander an, so wird die Gestalt des Brennfleckes mehr und mehr der Kreisform genähert. Man kann also in diesem Fall bei der Materialbearbeitung, insbesondere auch beim Bohren von runden Löchern, auf die ein Drehfeld erzeugende Zylinderlinse 6 verzichten. An Stelle der in Fig. 1 dargestellten beiden zweizähligen Zylinderlinsen 4 und 5 ist es auch möglich, eine vierzählige Zylinderlinse zu verwenden, welche beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist. Wie aus dieser Figur hervorgeht, enthält die vierzählige Zylinderlinse 24 acht Pole und acht elektromagnetische Spulen. Die Polschuhe sind auch in diesem Fall als gleichseitige Hyperbeln ausgebildet, und der übrige Aufbau der Zylinderlinse 24 gleicht vollkommen dem in Fig. 2 dargestellten Aufbau der Zylinderlinse 4. Durch die dargestellte und beschriebene Einrichtung gelingt es, unter Ausnutzung eines Strahlerzeugungssystems großer Apertur, einen besonders intensitätsreichen Ladungsträgerstrahl zu erzeugen, dessen Intensitätsverteilung im Brennfleck mindestens nahezu rechteckförmig ist. Mit Hilfe eines solchen Ladungsträgerstrahles können verschiedene Arten der Materialbearbeitung, wie Bohren, Fräsen oder Schweißen, ohne weiteres ausgeführt werden. Dabei ist es zur Erzielung eines guten Bearbeitungsergebnisses vorteilhaft, den Ladungsträgerstrahl 8 beispielsweise durch entsprechende Steuerung der Wehneltelektrode 2 des Strahlerzeugungssystems impulsförmig zu steuern. P ATENT A N SPRÜCHE:The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 5, which illustrate the exemplary embodiments. 1 shows an exemplary embodiment of the device according to the invention in a schematic representation, FIG. 2 shows a twofold cylinder lens in top view, FIG. 3 shows the focal point of a charge carrier beam generated by means of a cylinder lens according to FIG. 2. 3 a shows the distribution of intensity in the focal point of the charge carrier beam along the abscissa, FIG. 3 b shows the intensity distribution in the focal point of the charge carrier beam along the ordinate, FIG. 4 shows the focal point of a charge carrier beam generated by means of two crossed twofold cylinder lenses, FIG. 5 shows a four-fold cylinder lens in view from above. In the device shown in Fig. 1 for generating and shaping a high-intensity charge carrier beam used for material processing, a beam generating system consisting of a cathode 1, a Wehnelt electrode 2 and a grounded anode 3 is used to generate this beam. The cathode 1 is advantageously linear, d. That is, their extent perpendicular to the plane of the drawing is greater than the extent in the plane of the drawing. Cylindrical lenses 4 and 5 serving for beam focusing are arranged behind the anode 3 as seen in the beam direction. Another cylindrical lens 6 is used to generate a rotating field. A charge carrier beam 8 generated by means of the beam generating system is focused by the cylindrical lenses 4 and 5 in such a way that its area of the narrowest cross section lies in the plane of the workpiece 7 to be machined. The cylindrical lenses 4 and 5 used for beam focusing are corrected in a manner known per se with regard to their aperture error. Such a correction can be effected by appropriate shaping of the pole shoes and / or by attaching specially shaped ferromagnetic parts which influence the distribution of the field in the air space between the poles. As can be seen in particular from FIG. 2, each of the cylinder lenses used consists of four pole pieces 9, 18, 16 and 17 designed as equilateral hyperbolas, which are surrounded by electromagnetic coils 10, 13, 14 and 15. The magnetic field closes on the one hand via the central opening of the lens serving for the passage of charge carriers and on the other hand via a ferromagnetic ring 11. The entire cylinder lens is embedded in a container 12 made of non-ferromagnetic material. It is useful to cast the pole pieces and coils of the cylinder lens in synthetic resin 19. As can be seen from FIGS. 1 and 2, the cylindrical lenses used are designed so that their coils are located in a manner known per se in the plane perpendicular to the axis of the charge carrier beam. As a result, as flat a design as possible for the cylindrical lens is achieved, which is advantageous on the one hand with regard to the correction and on the other hand ensures that the lens requires little space in the vertical direction. In principle, it is also possible to use electrostatic cylinder lenses instead of the electromagnetic cylinder lenses shown here. However, the use of electrostatic cylinder lenses means that very high voltages have to be applied to the electrodes in order to focus a landing carrier beam with a high acceleration voltage. 3 shows the shape of the focused charge carrier beam on the surface of the workpiece 7. As you can see, a line focus 20 is created at this point. As can be seen from curve 21, this energy distribution has an almost rectangular shape. The same relationships are shown in FIG. 3 b, in which the curve 22 represents the intensity distribution of the focal point 20 along the ordinate ν. In order to make the line focus 20 produced using only one cylinder lens suitable for drilling round holes in a workpiece 7, a rotating field is generated by means of the cylinder lens 6, which rotates the line focus around the crossover point of the long and short axes as the center. In this way, the round cross-section 25 of the effective drilling beam, shown in dashed lines in FIG. 3, is produced. By simply regulating the coil current, it is possible to conveniently vary the length of the line focus 20, so that it is possible to vary the diameter of the drilling beam 25 within certain limits. If not only one cylinder lens is used for beam focusing, but, for example, as shown in FIG. 1, two cylinder lenses 4 and 5, a clover-leaf-shaped focal spot 23, which is shown in FIG. If, instead of just two cylinder lenses, several cylinder lenses are arranged one behind the other, the shape of the focal point is more and more approximated to the circular shape. In this case, the cylindrical lens 6 generating a rotating field can be dispensed with when machining the material, in particular when drilling round holes. Instead of the two two-fold cylinder lenses 4 and 5 shown in FIG. 1, it is also possible to use a four-fold cylinder lens, which is shown in FIG. 5, for example. As can be seen from this figure, the four-fold cylindrical lens 24 includes eight poles and eight electromagnetic coils. In this case, too, the pole shoes are designed as equilateral hyperbolas, and the rest of the structure of the cylindrical lens 24 is completely identical to the structure of the cylindrical lens 4 shown in FIG Generate high-intensity charge carrier beam whose intensity distribution in the focal point is at least almost rectangular. With the aid of such a charge carrier beam, various types of material processing, such as drilling, milling or welding, can be carried out without further ado. In order to achieve a good processing result, it is advantageous to control the charge carrier beam 8 in a pulse-like manner, for example by appropriately controlling the Wehnelt electrode 2 of the beam generation system. P ATENT A N PROBLEMS: 1. Einrichtung zur Erzeugung und Formung eines zur Materialbearbeitung dienenden intensitätsreichen Ladungsträgerstrahles mit in Strahlrichtung gesehen hinter der Anode liegender Linse, gekennzeichnet durch ein einen Ladungsträgerstrahl (8) großer Apertur erzeugendes Strahlerzeu- 1. Device for generating and shaping a high-intensity charge carrier beam used for material processing with a lens located behind the anode as seen in the direction of the beam, characterized by a radiation generator generating a charge carrier beam (8) with a large aperture.
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