DE1118375B - Verfahren und Einrichtung zur Materialbearbeitung mittels Ladungstraegerstrahl - Google Patents

Description

Bei der Materialbearbeitung mit Ladungsträger-Strahlen, beispielsweise bei der Herstellung von Bohrungen oder Profilfräsungen, wird die zu bearbeitende Materialstelle durch Beschüß mit Ladungsträgern hoch erhitzt, so daß das Material an dieser Stelle verdampft.

Um eine für praktische Zwecke verwertbare Verdampfungsgeschwindigkeit, d. h. also in dem geschilderten Fall eine ausreichende Bohrgeschwindigkeit zu erzielen, muß der Ladungsträgerstrahl an der Auftreffstelle auf das Material eine ausreichend hohe Energiedichte aufweisen. Normalerweise wird zu diesem Zweck der Ladungsträgerstrahl so fokussiert, daß er seine Energie über die gesamte Bearbeitungsfläche gleichmäßig abgibt. Die Intensitätsverteilung Über den Arbeitsquerschnitt soll dabei möglichst rechteckig sein, d. h., die Intensität soll an den Grenzen der bearbeiteten Fläche von dem hohen zur Bearbeitung notwendigen Wert steil nach Null abfallen.

Es ist bekannt, in extrem dünne Folien mittels eines bewegten Ladungsträgerstrahles Löcher gewünschter Form einzubrennen. Es ist ebenso bekannt, in verhältnismäßig dicke Materialien mittels eines entsprechend fokussierten Ladungsträgerstrahles Löcher zu bohren, deren Form im wesentlichen der Form des Ladungsträgerstrahles entspricht. Mit zunehmender Größe der bearbeiteten Fläche ergibt sich bei diesem bekannten Bearbeitungsverfahren ein immer größerer thermisch beanspruchter Materialbezirk um den bearbeiteten Materialbereich. Dies bedeutet, daß unerwünscht große Schichten am Rand und unterhalb des bearbeiteten Bereiches aufgeschmolzen werden. Dadurch werden die Verluste erhöht, und der gewünschte Arbeitseffekt wird gestört.

Es ist das Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl anzugeben, welches eine schnelle, den thermodynamischen Verhältnissen dieses Bearbeitungsverfahrens angepaßte Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere die Herstellung von Profilfräsungen, ermöglicht und welches zu seiner Durchführung nur eine mit verhältnismäßig geringem Aufwand zu erstellende Einrichtung benötigt.

Profilfräsungen werden beispielsweise hergestellt in Einspritzdüsen, Spinndüsen, Filtern, Düsen zur Zuführung von Kühlflüssigkeiten usw.

Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Herstellung von Profilfräsungen mittels eines Ladungsträgerstrahles, dessen Arbeitsquerschnitt kleiner ist als die Fläche des zu bearbeitenden Materialbereiches und der, durch elektronenoptische Mittel ablenkbar, diesen Materialbereich bestreicht, und die Erfindung Verfahren und Einrichtung

zur Materialbearbeitung
mittels Ladungsträgerstrahl

Anmelder:
Fa. Carl Zeiss, Heidenheim/Brenz

Dr. Wolfgang Opitz, Aalen (Württ),

und Dipl.-Ing. Fritz Schleich, Unterkochen (Württ.), sind als Erfinder genannt worden

besteht darin, daß der Ladungsträgerstrahl innerhalb der Grenzen des zu bearbeitenden Materialbereiches stetig so über das Material geführt wird, daß die Energiekonzentration entlang den Randlinien dieses Bereiches am höchsten ist, und daß jedem Punkt dieses Bereiches in an sich bekannter Weise eine zur Materialverdampfung ausreichende Energie zugeführt wird.

Durch die Energiekonzentration an den Rändern des Bearbeitungsbereiches wird der dort sehr große Wärmeverlust kompensiert, so daß also die Herstellung einer einwandfreien Begrenzung des Bearbeitungsbereiches ermöglicht wird. Der erwähnte hohe Wärmeverlust an den Rändern des Bearbeitungsbereiches tritt infolge des hier sehr großen seitlichen Temperaturgradienten auf, welcher bewirkt, daß ein wesentlicher Teil der eingestrahlten Energie durch Wärmeleitung verlorengeht. Eine Energiehäufung an den Rändern der Bearbeitungsstelle wird gemäß einem älteren Vorschlag bei einer Rastersteuerung eines Ladungsträgerstrahles angewendet.

Bei dem Materialbearbeitungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Ladungsträgerstrahl so geführt, daß er das Material innerhalb der Grenzen des Bearbeitungsbereiches schichtweise abträgt. Dadurch wird erreicht, daß während der Materialabtragung keine größeren Stufen innerhalb des Bearbeitungsbereiches auftreten. Solche Stufen würden eine wesentliche Störung des Bearbeitungsverfahrens mit sich bringen.

Es ist auch ein Materialbearbeitungsverfahren bekannt, bei welchem ein intermittierend wirksamer Ladungsträgerstrahl, dessen Arbeitsquerschnitt kleiner

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ist als die Fläche des zu bearbeitenden Material- gesetzt sind. Zu diesem Zweck wird der Ladungsbereiches, diesen Bereich bestreicht. Bei diesem Ver- trägerstrahl mittels eines durch die betreffenden AbfahrenwirdderLadungsträgerstrahlinvorherbestimmlenkelemente fließenden Gleichstromes bis zur Mitteiter Weise in Sprüngen derart über den Bearbeitungs- Knie der jeweils zu bearbeitenden Teilfläche abgelenkt, bereich bewegt, daß zeitlich unmittelbar nacheinander 5 Die mittels des neuen Verfahrens herzustellenden bearbeitete Flächenelemente durch eine Strecke ge- Gesamtprofile können aus Teilflächen zusammentrennt sind, die größer als der Durchmesser eines gesetzt sein, welche, von der Mitte des Gesamtprofils solchen Flächenelementes ist und über welcher der aus gerechnet, nur die halbe Ausdehnung der oben-Strahl abgeschaltet wird oder nur sehr wenig auf das erwähnten Grundprofile haben. Der Ladungsträger-Material einwirkt. Der gesamte Bearbeitungsbereich io strahl wird in diesem Fall nach Bestreichen der einer wird schließlich vollständig aus einer Vielzahl von an- Teilfläche entsprechenden Hälfte eines Grundprofils einandergrenzenden bearbeiteten Flächenelementen so abgelenkt, daß die andere Hälfte dieses Grundzusammengesetzt. Dieses bekannte Bearbeitungsver- profils an einer mit einer weiteren Teilfläche zufahren weist sehr viele Vorteile auf, doch ist die Ein- sammenfallenden Stelle des Gesamtprofils geschrieben richtung zu seiner Durchführung sehr aufwendig; die 15 wird. Wird ein aus größeren Teilflächen bestehendes Erfindung bezweckt eine mit einfacheren Mitteln Gesamtprofil gefordert, so ist es vorteilhaft, die Teildurchzuführende Strahlsteuerung in Sprüngen. flächen entsprechend den obenerwähnten Grundpro-

Besonders vorteilhaft ist es, den Ladungsträger- filen zu wählen und den Ladungsträgerstrahl mittels strahl intermittierend zur Wirkung zu bringen. Dabei eines durch die entsprechenden Ablenkelemente wird die Steuerung so gewählt, daß zeitlich aufein- ao fließenden Gleichstromes vorabzulenken. In diesem anderfolgende Strahlimpulse an örtlich möglichst weit Fall wird also ohne eine Vergrößerung der zur Erauseinanderliegenden Stellen zur Wirkung gebracht zeugung der Grundprofile notwendigen Ablenkströme werden, wobei die Auftreffstellen der Strahlimpulse ein Gesamtprofil erzeugt, dessen Außenabmessungen während aufeinanderfolgender Abtastvorgänge gegen- größer sind als diejenigen des Grundprofils,
einander versetzt sind. Dies wird zweckmäßig dadurch 25 Zur Herstellung eines aus sich kreuzenden oder beerreicht, daß eine Synchronisation zwischen Impuls- rührenden Teilflächen zusammengesetzten Gesamtfolgefrequenz und Ablenkfrequenz vermieden wird, profils wird der Ladungsträgerstrahl zweckmäßig so so daß also der Ladungsträgerstrahl bei mehrfacher geführt, daß sowohl entlang den Randlinien des Pro-Überschreibung des Bearbeitungsbereiches nicht wie- fils als auch im äußeren, dem Kreuzungspunkt abgeder auf die gleichen Stellen auftrifft. Auf diese Weise 30 wandten Teil jeder Teilfläche eine Energiehäufung wird das Material innerhalb des Bearbeitungsbereiches auftritt. Auf diese Weise wird die in den äußeren trotz der diskontinuierlichen Wirkung des intermittie- Profilteilen gegenüber der Profilmitte vergrößerte renden Ladungsträgerstrahles über die Profilfläche Wärmeableitung kompensiert, so daß also auch die gleichmäßig schichtweise abgetragen. äußeren Profilteile genau entlang den vorgeschriebe-

Um zu erreichen, daß die Impulsfolgefrequenz kein 35 nen Randlinien ausgefräst werden,

ganzzahliges Vielfaches der Ablenkfrequenz ist, ist es Der Zweck, eine Energiehäufung im äußeren, dem

vorteilhaft, die Ablenkfrequenz durch Frequenzmodu- Kreuzungspunkt abgewandten Teil jeder Teilfläche

lation der Impulsfolgefrequenz mit einer im Verhält- zu erzeugen, kann auch dadurch erreicht werden, daß

nis dazu niedrigen Hilfsfrequenz zu erzeugen. die Energie des Ladungsträgerstrahles in vorgegebe-

Bei dem neuen Bearbeitungsverfahren kann der 40 ner Weise synchron mit der linear verlaufenden Strahl-Ladungsträgerstrahl in verhältnismäßig einfacher ablenkung geregelt wird. Bei einer intermittierenden Weise so gesteuert werden, daß er eine Vielzahl von Steuerung des Ladungsträgerstrahles ist es vorteilhaft, einfachen Grundprofilen aus dem Werkstück ausfräst. die Impulsamplitude, die Impulsdauer und die Im-Die dazu notwendigen Ablenkströme haben beispiels- pulsfolgefrequenz zu regem.

weise sinus-, trapez-, sägezahn- oder rechteckförmigen 45 Die vorliegende Erfindung betrifft sodann eine EinVerlauf und können demzufolge in einfach aufgebau- richtung mit einem an sich bekannten Gerät zur Mateten Generatoren erzeugt werden. rialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl, und die

Nähere Einzelheiten über die Art der Steuerung Erfindung besteht darin, daß das Gerät zusätzlich ein

des Ladungsträgerstrahles werden im Zusammenhang entsprechend der Axialsymmetrie der herzustellenden

mit den Figuren näher erläutert. . 50 Figur ausgelegtes Ablenksystem sowie mit diesem ver-

Mit Hilfe des neuen Bearbeitungsverfahrens gelingt bundene Schaltmittel zur Erzeugung und Zuführung es insbesondere, in einfacher Weise runde und ovale der Ablenkströme nach einem vorgegebenen Prosowie rechteckige und längliche, parallele oder nicht- gramm enthält. Diese Schaltmittel bestehen zweckparallele Ränder aufweisende Grundprofile zu. er- mäßig aus mindestens zwei, Ablenkströme verschiezeugen. . 55 denen zeitlichen Verlaufes liefernden Generatoren so-

Diese Grundprofile können zu axialsymmetrischen wie einer mit diesen Generatoren verbundenen, zur größeren Gesamtprofilen zusammengesetzt werden, Zuführung der Ablenkströme zu den Spulen des Abwobei diese Zusammensetzung elektronisch mittels lenksystems dienenden Schaltanordnung. Diese Schalteiner verhältnismäßig einfach aufgebauten Schaltan- anordnung selbst besteht vorteilhaft aus einer Anzahl Ordnung bewirkt wird. Diese Schaltanordnung ist so 60 mechanischer oder elektronischer Schalter, z. B. Reeingestellt, ' daß der Ladungsträgerstrahl beispiels- lais oder Schalttransistoren, die in Gruppen nacheinweise einsinnig, von der Mitte des Gesamtprofils aus- ander in periodischer Folge betätigt werden. Zweckgehend, nacheinander über die den Grundprofilen mäßig wird ein aus der Fernmeldetechnik bekanntes entsprechenden Teilflächen geführt wird und dabei Zählrelais oder ein elektronischer Ringzähler, der mit jeweils eine Schicht jeder Teilfläche abträgt. 65 jeder Stufe eine Gruppe von mechanischen oder elek-

Mittels des neuen Verfahrens gelingt es auch, Ge- tronischen Schaltern betätigt, verwendet. Es ist ebenso

samtprofile herzustellen, welche aus paarweise zuein- möglich,, die erwähnte Schaltanordnung . lediglich

ander parallel ausgerichteten Teilflächen zusammen- unter Verwendung von Transistoren aufzubauen.

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Bei der Einrichtung nach der Erfindung liefern die Vakuum stehenden Kammer 13 auf einem Tisch 12 Generatoren die zur Erzeugung der Grundprofile not- angeordnet, welches mittels einer Spindel 15 von links wendigen Ablenkströme, während mittels der erwähn- nach rechts oder umgekehrt verschoben werden kann, ten Schaltanordnung die Grundprofile in vorgegebe- Eine weitere Spindel 14 dient zur Verschiebung des ner Weise zu einem Gesamtprofil zusammengesetzt 5 Werkstückes senkrecht zur Papierebene,

werden. Das gesamte Programm zur Herstellung eines Zwischen der elektromagnetischen Linse 9 und

zusammengesetzten Profils ist also in der erwähnten dem Werkstück 11 ist ein elektromagnetisches Ab-

Schaltanordnung enthalten. lenksystem 10 angeordnet, welches zur Ablenkung

Die Schaltanordnung ist zweckmäßig so ausgebil- des Elektronenstrahles 6 in der Papierebene und

det und eingestellt, daß jeweils nach Bestreichen einer io senkrecht zur Papierebene dient. Das Ablenksystem

Teilfläche, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Um- 10 besteht, wie aus Fig. 2 hervorgeht, aus vier jeweils

polung der Ablenkspulen, die Rolle der zur Quer- und um 90° gegeneinander versetzten elektromagnetischen

Längsablenkung dienenden Ablenkspulen miteinander Spulen 25 bis 28, welche jeweils mit einem ferro-

vertauscht wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß magnetischen Kern 29 bis 32 ausgerüstet sind. Ein

die Teilflächen eines zusammengesetzten Profils ein- 15 ferromagnetischer Ring 33 dient als Rückflußweg für

seitig, von der Mitte des Gesamtprofils ausgehend, das Magnetfeld, welches in dem zum Strahldurchtritt

nacheinander bearbeitet werden. dienenden Rohr 34 entsteht. Sämtliche Spulen des

Es ist zweckmäßig, die zur Umschaltung der Ab- Ablenksystems sind in Kunstharz eingegossen. Das

lenkspulen dienende Schaltanordnung in der Weise Ablenksystem ist so ausgebildet, daß der Elektronen-

mit dem Steuerimpulsgenerator zu verbinden, daß die 20 strahl 5 bei Zuführung entsprechender Ablenkströme

Steuerimpulse während jedes Umschaltvorganges über ein verzeichnungsfreies Raster auf der Oberfläche des

eine vorgegebene Zeit unterdrückt werden. Auf diese Werkstückes 11 schreibt.

Weise wird mit Sicherheit vermieden, daß infolge von Im Gerät 17 wird eine Hochspannung von bei-

Einschwingvorgängen Strahlimpulse außerhalb der spielsweise 100 kV erzeugt und mittels eines mit,

eigentlichen Bearbeitungsstelle fallen. 25 einem Erdmantel versehenen Hochspannungskabels

Unter Umständen ist es auch vorteilhaft, die zur dem Gerät 18 zugeführt. Dieses Gerät dient zur Er-Umschaltung dienende Schaltanordnung in der Weise zeugung der regelbaren Heizspannung und der regelmit dem Steuerimpulsgenerator zu verbinden, daß die baren Steuerelektrodenvorspannung. Diese Spannun-Steuerimpulse während des Rücklaufes der Ablenk- gen werden über ein mit einem Erdmantel versehenen spannung unterdrückt werden. Auf diese Weise wird 3° dreiadriges Hochspannungskabel 19 in den ölgefüllt vermieden, daß infolge der magnetischen Eigen- ten Behälter 20 eingeführt. Die beispielsweise auf schäften der Ablenksysteme der Ladungsträgerstrahl —100 kV liegende Heizspannung wird direkt der während des Rücklaufes verschiedene Bereiche der Kathode 2 zugeleitet. Die Wehneltzylinderspannung Materialbearbeitungsstelle erfaßt. von beispielsweise —101 kV wird durch den Isolator-Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Aus- 35 ansatz der Sekundärwicklung des Hochspannungsführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 14 näher Isoliertransformators 21 zugeführt und gelangt von erläutert. Dabei zeigt dort aus direkt zur Steuerelektrode 3. Die Steuer-

Fig. 1 eine gemäß der Erfindung aufgebaute Ein- elektrodenvorspannung ist so eingestellt, daß im

richtung zur Herstellung von Profüfräsungen mittels Ruhezustand das Strahlerzeugungssystem gesperrt ist.

Ladungsträgerstrahl, 4° Mit 35 ist eine Schaltanordnung bezeichnet, welche

Fig. 2 eine Draufsicht auf das in der Einrichtung mit den Spulen des Ablenksystems 10 verbunden ist.

nach Fig. 1 enthaltene Ablenksystem, Mit der Schaltanordnung 35 sind weiterhin Genera-

Fig. 3 bis 8 verschiedene Grundprofile und die zur toren 36 bis 39 verbunden, welche zur Erzeugung der

Steuerung der jeweiligen Ablenkung des Ladungs- Ablenkströme dienen. Dabei dient beispielsweise der

trägerstrahles notwendigen Ablenkströme, 45 Generator 36 zur Erzeugung eines Ablenkstromes

Fig. 9 ein mittels intermittierend gesteuertem La- mit sägezahnförmigem Verlauf, der Generator 37 zur

dungsträgerstrahl hergestelltes Grundprofil und die Erzeugung eines Ablenkstromes mit sinusförmigem

zur Strahlsteuerung und Strahlablenkung notwendigen Verlauf, der Generator 38 zur Erzeugung eines Ab-

Ströme, lenkstromes mit rechteckförmigem Verlauf, während'

Fig. 10 und 11 aus Grundprofilen zusammengesetzte 50 der Generator 39 zur Erzeugung eines regelbaren

Profile und die zur Herstellung dieser Profile not- Gleichstromes dient,

wendigen Ablenkströme, Mit dem Isolier-Impulstransformator 21 ist ein

Fig. 12 und 13 Beispiele von zusammengesetzten Steuerimpulsgenerator 40 verbunden, welcher eben-

Profilen, falls mit der Schaltanordnung 35 in Verbindung steht.

Fig. 14 eine Draufsicht auf ein zur Herstellung des 55 Der Steuerimpulsgenerator 40 liefert positive Steuerin Fig. 13 dargestellten Profils verwendetes Strahlab- impulse, welche die Vorspannung des Strahlerzeulenksystem. gungssystems so weit abtragen, daß während der

In Fig. 1 ist mit 1 ein Vakuumgefäß bezeichnet, Dauer eines Steuerimpulses das Strahlerzeugungs-

in welchem ein aus der Kathode 2, der Steuerelek- system entsperrt wird und ein Elektronenstrahl-

trode 3 und der Anode 4 bestehendes Strahlerzeu- 60 impuls entsteht. Über die Schaltanordnung 35 wer-

gungssystem angeordnet ist. Zur weiteren Formung den die vom Steuerimpulsgenerator 40 gelieferten

des Elektronenstrahles 5 dient eine Blende 6, welche Steuerimpulse während des Rücklaufes der Ablenk-,

mittels der Einstellknöpfe 7 und 8 justiert werden spannung — und/oder bei der Herstellung von zu-,

kann. Eine elektromagnetische Linse 9, deren Strom- sammengesetzten Profilen während bestimmter Um-

versorgungsgerät mit 16 bezeichnet ist, dient zur 65 schaltzeiten — unterdrückt.

Fokussierung des Elektronenstrahles auf das zu be- Fig. 3 a zeigt ein rundes Grundprofil 41, dessen,

arbeitende Werkstück 11. Das Werkstück 11, bei- Durchmesser nur wenig größer ist als der wirksame

spielsweise eine Spinndüse, ist in einer ebenfalls unter Strahldurchmesser des Elektronenstrahles 5. Mittels

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der um 90° gegeneinander phasenverschobenen, vom schraffierten Streifen geführt wird. Bei dieser Strahl-Generator 38 gelieferten Ablenkströme 42 und 43 führung berührt der äußere Rand des wirksamen wird der Ladungsträgerstrahl so entlang der äußeren Strahlquerschnitts die äußere Begrenzungslinie des Randlinie des Profils 41 geführt, daß der äußere Profils.

Rand des wirksamen Strahlquerschnitts die Begren- 5 An Stelle des in Fig. 6 b dargestellten sägezahnzungslinie des Profils berührt. Dabei wird das in der förmigen Ablenkstromes kanu die Längsablenkung Mitte liegende Material, welches nicht vom Strahl des Elektronenstrahles auch mittels eines in Fig. 6d getroffen wird, genügend hoch erhitzt, um mit ab- dargestellten dachförmigen Ablenkstromes 53 begetragen zu werden. wirkt werden. Die Querablenkung erfolgt in diesem

Fig. 4 a zeigt ein rundes Grundprofil 44, dessen io Fall mittels des in Fig. 6 e dargestellten rechteck-Durchmesser vier- bis sechsmal so groß ist wie der förmigen Ablenkstromes 54. Der dachförmige Abwirksame Durchmesser des Elektronenstrahls 5. Zur lenkstrom 53 bewirkt, daß der Elektronenstrahl mit Herstellung dieses Profils wird der Elektronenstrahl 5 konstanter Geschwindigkeit entlang der schraffierten mittels der Ablenkströme 45 und 46 in zeitlichem Linien des Profils 50 hin- und hergeführt wird. Dabei Wechsel so auf zwei konzentrischen Kreislinien ge- 15 wechselt der Ladungsträgerstrahl jeweils nach Durchführt, daß der äußere Rand des wirksamen Strahl- kufen einer Linie auf die andere Linie über,
querschnitts die äußere Begrenzungslinie des Profils Fig. 7 a zeigt ein rechteckförmiges Grundprofil 55 berührt und daß das zwischen den Kreislinien und größerer Breite. Zu seiner Herstellung überstreicht das innerhalb der inneren Kreislinie liegende Material der Elektronenstrahl die gesamte Rechteckfläche, womit abgetragen wird. 20 bei seine Längsablenkung durch den in Fig. 7 b dar-

Fig. 5 a zeigt ein rundes Grundprofil 47 größeren gestellten sägezahnförmigen Ablenkstrom 56 und

Durchmessers. Zu seiner Herstellung wird der Elek- seine Querablenkung durch den in Fig. 7 c dargestell-

tronenstrahl 5 so über die am äußeren Rand des Pro- ten sinusförmigen Ablenkstrom 57 bewirkt wird. Die

fils gelegene schraffierte Kreisringfläche bewegt, daß Ablenkströme 56 und 57 sind nicht miteinander

der äußere Rand des wirksamen Strahlquerschnitts 25 synchronisiert, so daß also der Elektronenstrahl auf

die äußere Begrenzungslinie des Profils berührt und dem Profil 55 kein feststehendes Raster beschreibt,

daß entlang den beiden Begrenzungslinien eine Hau- Wie ohne weiteres zu erkennen ist, wird durch den

fung der Energie auftritt. Zu diesem Zweck werden sinusförmigen Querablenkstrom 57 bewirkt, daß der

die beiden um 90° gegeneinander phasenverschobe- Elektronenstrahl an den Rändern des Profils lang-

nen sinusförmigen Ablenkströme, von denen in 30 samer bewegt wird als über die Profilfläche hinweg,

Fig. 5 b nur der Ablenkstrom 48 dargestellt ist, mit- so daß also an den Profilrändern eine Energiehäuf ung

tels des trapezförmigen Stromes 49 moduliert. Die entsteht.

Frequenz des Ablenkstromes 49 ist dabei wesentlich An Stelle des in Fig. 7 b dargestellten sägezahn-

größer als die Frequenz des Ablenkstromes 48, wobei förmigen Ablenkstromes 56 kann zur Längsablenkung

durch entsprechende Frequenzwahl eine Synchroni- 35 des Elektronenstrahles über das Profil 55 auch der

sation zwischen diesen beiden Ablenkströmen ver- in Fig. 7d dargestellte Ablenkstrom 58 verwendet

mieden ist. Wie ohne weiteres aus Fig. 5 a zu erken- werden, der einen dachförmigen Verlauf mit ab-

nen ist, wird der Elektronenstrahl in diesem Fall geflachten Spitzen hat.

rasterförmig über die schraffierte Kreisringfläche ge- Während der Bereiche 59 des Ablenkstromes wird

führt, wobei aufeinanderfolgende Raster gegenein- 40 der Elektronenstrahl in Längsrichtung nicht ab-

ander verschoben sind. Durch die trapezförmige gelenkt, während der Querablenkstrom voll wirksam

Modulationsspannung 49 wird erreicht, daß der Elek- ist. Auf diese Weise wird eine Energiehäufung auch

tronenstrahl entlang den Randlinien des Kreisringes an den das Profil 55 in Querrichtung begrenzenden

langsamer bewegt wird als senkrecht zu diesen Kreis- Randlinien erreicht.

linien. Dadurch wird eine Häufung der Energie ent- 45 Fig. 8 a zeigt ein längliches Profil 60 mit nichtlang den Randlinien erreicht. parallelen Rändern. Zu seiner Herstellung wird der

Derselbe Effekt läßt sich erzielen, wenn die Ab- Elektronenstrahl mittels des in Fig. 8 b dargestellten,

lenkströme nicht trapezförmig, sondern sinusförmig im wesentlichen sinusförmig verlaufenden Ablenk-

amplitudenmoduliert werden. stromes 61 mit einer der Profilbreite umgekehrt pro-

Zur Erzeugung ovaler Grundprofile ist es notwen- 50 portionalen Geschwindigkeit in Längsrichtung gedig, die Amplituden der in den Fig. 3 b, 4 b und 5 b führt. Die Querablenkung des Elektronenstrahles erdargestellten, um 90° gegeneinander phasenverscho- folgt durch den synchron zur Längsablenkung amplibenen Ablenkströme verschieden groß zu machen. tudenmodulierten Ablenkstrom 63, dessen Modula-

Fig. 6 a zeigt ein längliches rechteckförmiges tionsspannung mit 62 bezeichnet ist. Durch diese Grundprofil 50, dessen Breite nur wenig größer ist 55 Amplitudenmodulation des Querablenkstromes erals der wirksame Strahldurchmesser. Der zur Längs- gibt sich die gewünschte Profilform. Der Querablenkablenkung des Elektronenstrahles 5 dienende Ab- strom 63 hat sinusförmigen Verlauf, so daß also an lenkstrom 51 hat den in Fig. 6 b dargestellten säge- den Rändern des Profils 60 eine Energiehäufung zahnförmigen zeitlichen Verlauf. Mittels dieses Ab- auftritt.

lenkstromes wird der Ladungsträgerstrahl mit kon- 60 Alle die in den Fig. 3 bis 8 dargestellten Grund-

stanter Geschwindigkeit in Längsrichtung des Profils profile werden zweckmäßig mit einem intermittierend

geführt. Zur Querablenkung des Ladungsträger- gesteuerten Ladungsträgerstrahl hergestellt. Die Im-

strahles dient ein rechteckförmiger Ablenkstrom 52, pulsfolgefrequenz ist dabei kein ganzzahliges Viel-

wie er in Fig. 6 c dargestellt ist. Wie aus den Fig. 6 b faches der Ablenkfrequenz.

und 6 c zu erkennen ist, sind die Ablenkströme 65 Fig. 9 a zeigt ein rechteckförmiges längliches

51 und 52 miteinander synchronisiert. Diese Syn- Grundprofil 50, zu dessen Herstellung jedoch ein mit

chronisation ist so gewählt, daß der Elektronen- den Ablenkströmen synchronisierter, intermittierend

strahl in zeitlichem Wechsel über die beiden gesteuerter Ladungsträgerstrahl verwendet ist. Der

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zur Längsablenkung des Ladungsträgerstrahles die- setzbar ist. Zu seiner Herstellung wird ein Längsnende Ablenkstrom 64 hat treppenförmigen Verlauf ablenkstrom 72 verwendet, welcher den aus Fig. 11 und ist in Fig. 9 b dargestellt. Der zum Ablenkstrom ersichtlichen Verlauf hat. Wie aus dieser Figur zu 64 ebenfalls synchronisierte Querablenkstrom 65 ist erkennen ist, hat der Längsablenkstrom 52 einen im in Fig. 9 c dargestellt. Die Synchronisation ist so ge- 5 wesentlichen sägezahnförmigen Verlauf, wobei jedoch wählt, daß der Elektronenstrahl nach jeder Treppen- die Spitzen des Sägezahnes abgeflacht sind. Durch stufe von einer Randlinie des Profils 50 auf die diese Abflachung wird erreicht, daß der Ladungsandere geführt wird. Die Modulation der Strahl- trägerstrahl am äußeren Ende jeder Teilfläche langer intensität ist so gewählt, daß zu jeder Treppenstufe verweilt als an dem dem Kreuzungspunkt nahedes Längsablenkstromes 64 ein Strahlimpuls 66 io liegenden Ende. Aus diesem Grunde wird also der gehört. Elektronenstrahl mittels des Querablenkstromes 73

Wählt man die Synchronisation der Ablenkströme (Fig. lic) am äußeren Ende jeder Teilfläche öfter in so, daß während des Rücklaufes des Längsablenk- Querrichtung bewegt als an dem anderen Ende der stromes der Querablenkstrom um eine halbe Periode Teilfläche, so daß eine Energiehäufung in den äußephasenverschoben wird, so schreibt der Elektronen- 15 ren Teilen der Kreuzbalken auftritt,
strahl auf dem Profil 50 zwei ineinandergeschachtelte Führt man den jeweils zur Längsablenkung die-

Raster, von denen eines in Fig. 9 a dargestellt ist. nenden Spulen des Ablenksystems einen Gleichstrom Der Abstand zweier Punkte der ineinandergeschach- zu, welcher eine Vorablenkung des Elektronentelten Raster ist dabei zweckmäßig kleiner als der Strahles 5 um die halbe Länge des Grundprofils bewirksame Strahldurchmesser. Wählt man von vorn- 20 wirkt, so läßt sich in diesem Fall ein kreuzförmiges herein die Treppenschritte des Längsablenkstromes Profil herstellen, dessen Balken die volle Länge des so, daß in einer Linie aufeinanderfolgende Strahl- Grundprofils aufweisen. Der zur Längsablenkung impulse einen Abstand haben, welcher kleiner ist als dienende Wechselstrom muß dabei gegenüber dem der wirksame Strahldurchmesser, so kann das ge- zur Erzeugung des Grundprofils dienenden Längssamte Profil 50 mittels eines einzigen Rasters ge- 25 ablenkstrom nicht erhöht werden,
schrieben werden. Fig. 13 zeigt ein aus den drei Balken 74,75 und 76

Aus den in den Fig. 3 bis 8 dargestellten Grund- bestehendes Profil, dessen einzelne Balken dem profilen werden durch entsprechende Programmie- Grundprofil 50 entsprechen. Zur Herstellung dieses rung mittels der in Fig. 1 dargestellten Schaltanord- Profils wird an Stelle des in Fig. 1 mit 10 bezeichnung35 zusammengesetzte Profile geschrieben. Ein 30 neten zweizähligen Ablenksystems das in Fig. 14 in solches Profil ist beispielsweise in Fig. 12 dargestellt. Draufsicht gezeichnete dreizählige Ablenksystem Wie ohne weiteres zu erkennen ist, besteht dieses verwendet. Dieses Ablenksystem besteht aus den Profil aus zwei gekreuzten Grundprofilen 60. Zu sechs Ablenkspulen 77 bis 82.
seiner Herstellung wird zunächst den Ablenkspulen Bei der Herstellung des in Fig. 13 dargestellten

25 und 27 der Längsablenkstrom 61 zugeführt, wäh- 35 Profils wird zunächst den Spulen 77, 78, 80 und 18 rend den Spulen 26 und 28 der Querablenkstrom 63 beispielsweise der in Fig. 11b dargestellte Ablenkzugeführt wird. Sobald der Elektronenstrahl die strom 72 zugeführt, während den Ablenkspulen 79 Hälfte des Grundprofils 60 geschrieben hat, wird und 82 der in Fig. 6 c dargestellte Querablenkstrom über die Schaltanordnung35 die Rolle der Längs- 52 zugeführt wird. Nachdem der Elektronenstrahls und Querablenkspulen miteinander vertauscht. 40 eine Randlinie der Teilfläche 74, von der Profilmitte

Aus diesem Grunde wird die nächste Hälfte des ausgehend, abgefahren hat, schaltet die Schaltanord-Grundprofils in einer um 90° verschobenen Stellung nung35 unter gleichzeitiger Umpolung der Ablenkgeschrieben. Durch fortgesetzte Umschaltung mittels spulen um, und zwar so, daß nunmehr die Spulen 78, der Relaisanordnung 35 wird schließlich das in 79, 81 und 82 zur Längsablenkung und die Spulen 77 Fig. 12 dargestellte zusammengesetzte Profil aus dem 45 und 80 zur Querablenkung dienen. Dadurch wird Werkstück 11 ausgefräst. eine Randlinie der Teilfläche 75 vom Elektronen-

Fig. 10 zeigt ein aus vier wechselweise parallel strahl abgefahren. Danach schaltet die Schaltanordzueinander angeordneten Grundprofilen 50 bestehen- nung 35 unter gleichzeitiger Umpolung wieder um, so des zusammengesetztes Profil. Zu seiner Herstellung daß nunmehr die Ablenkspulen 79, 80, 82 und 77 wird der Elektronenstrahl 5 mit Hilfe des in Fig. 10 50 zur Längsablenkung und die Spulen 79 und 81 zur dargestellten Längsablenkstromes 53 in Längsrich- Querablenkung dienen. Dabei fährt der Elektronentung geführt. Zugleich wird der Elektronenstrahl strahl eine Randlinie der Teilfläche 76 ab. Auf diese mittels eines vom Generator 39 gelieferten Gleich- Weise werden nacheinander die Balken 74, 75 und stromes 70 in Querrichtung so abgelenkt, daß der in 76 so lange abgetragen, bis das vollständige Profil Fig. 10 dargestellte Querablenkstrom 71 entsteht. 55 aus dem Werkstück 11 ausgefräst ist. Die Längs-Sobald der Elektronenstrahl die beiden Randlinien ablenkung des Elektronenstrahles erfolgt stets eindes oberen Grundprofils 50 abgefahren hat, wird mit- seitig von der Profilmitte ausgehend,
tels der Schaltanordnung 35 die Funktion der Längs- Auch die in den Fig. 10 bis 13 dargestellten zu-

und Querablenkspulen miteinander vertauscht, so sammengesetzten Profile werden zweckmäßig mittels daß der Elektronenstrahl 5 im nächsten Arbeitsgang 60 eines intermittierend gesteuerten Ladungsträgerstrahdie beiden Randlinien des linken Grundprofils ab- les hergestellt. Es ist dabei möglich, beispielsweise führt. Nach einer entsprechenden Anzahl von Um- bei der Herstellung des in Fig. 11 dargestellten zuschaltungen hat schließlich der Elektronenstrahls sammengesetzten Profils die Impulsamplitude, die aus dem Werkstück 11 das in Fig. 10 dargestellte Impulsdauer oder die Impulsfolgefrequenz so zu Gesamtprofil ausgefräst. 65 regeln, daß auch bei Verwendung eines sägezahn-

Fig. 11a zeigt ein kreuzförmiges Profil, welches, förmigen Ablenkstromes mit nicht abgeflachten wie ohne weiteres zu erkennen ist, aus dem Grund- Spitzen eine Energiehäufung in den äußeren Beprofilen55 entsprechenden Teilflächen zusammen- reichen der Grundprofile auftritt.

Claims (27)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung von Profilfräsungen mittels eines Ladungsträgersirahles, dessen Arbeitsquerschnitt kleiner ist als die Fläche des zu bearbeitenden Materialbereiches und der, durch elektronenoptische Mittel ablenkbar, diesen Materialbereich bestreicht, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl innerhalb der Grenzen des zu bearbeitenden Materialbereiches stetig derart über das Material geführt wird, daß die Energiekonzentration entlang den Randlinien dieses Bereiches am höchsten ist, und daß jedem Punkt dieses Bereiches in an sich bekannter Weise eine zur Materialverdampfung ausreichende Energie zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl so geführt wird, daß er das Material innerhalb der Grenzen des zu bearbeitenden Materialbereiches ao in an sich bekannter Weise schichtweise abträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl in an sich bekannter Weise intermittierend zur Wirkung gebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das an sich bekannte Auftreffen zeitlich aufeinanderfolgender Strahlimpulse an örtlich möglichst weit auseinanderliegenden Stellen dadurch zur Wirkung gebracht wird, daß in der stetigen Strahlführung periodische Impulse bzw. Impulsgruppen unterdrückt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgefrequenz kein ganzzahliges Vielfaches der Ablenkfrequenz ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkfrequenz durch Frequenzmodulation der Impulsfolgefrequenz mit einer im Verhältnis dazu niedrigen Hilfsfrequenz gewonnen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung runder oder ovaler Profilöffnungen, deren Durchmesser vier- bis sechsmal so groß ist wie der wirksame Strahldurchmesser, in zeitlichem Wechsel auf zwei konzentrischen Kreislinien geführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung runder oder ovaler Profile größeren Durchmessers so über eine am äußeren Rand des Profils gelegene Kreisringfläche bewegt wird, daß der äußere Rand des wirksamen Strahlquerschnitts die äußere Begrenzungslinie des Profils berührt, und daß entlang den beiden Begrenzungslinien eine Häufung der Energie auftritt.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung rechteckförmiger Profile einer Breite, die wenig größer ist als der wirksame Strahldurchmesser mit konstanter Geschwindigkeit, in zeitlichem Wechsel so entlang den beiden Längsbegrenzungslinien geführt wird, daß der äußere Rand des wirksamen Strahlquerschnitts die äußeren Begrenzungslinien des Profils berührt.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung rechteckförmiger Profile einer größeren Breite als der vierfache wirksame Strahldurchmesser so geführt wird, daß er die ganze Fläche überstreicht, und daß entlang den Randlinien des Profils eine Häufung der Energie auftritt.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung länglicher Profile mit nichtparallelen Rändern mit einer der wechselnden Profilbreite umgekehrt proportionalen Geschwindigkeit in Längsrichtung geführt und durch eine synchron zur Längsablenkung amplitudenmodulierte Ablenkgröße quer zur Längsrichtung bewegt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Synchronisation zwischen dem zur Längsablenkung des Ladungsträgerstrahles dienenden Ablenkstrom und dem zur Querablenkung dienenden Ablenkstrom vermieden wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Querablenkung des Ladungsträgerstrahles dienende Strom sinus-, trapez- oder rechteckförmigen Verlauf hat und daß seine Frequenz wesentlich höher ist als die Frequenz des zur Längsablenkung dienenden Stromes.

14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl nach einem festen Raster über den zu bearbeitenden Materialbereich geführt wird, wobei die Längsablenkung durch eine in der Art zur Impulsfolgefrequenz synchronisierte treppenförmige Ablenkgröße bewirkt wird, daß auf jede Stufe ein Strahlimpuls trifft und wobei die Querablenkung ebenfalls mit der Impulsfolgefrequenz synchronisiert ist.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung axialsymmetrischer, aus einer oder mehreren der in den Ansprüchen 9 bis 14 beschriebenen Grundprofile zusammensetzbarer Profile so geführt wird, daß er, einsinnig von der Mitte des Gesamtprofils ausgehend, nacheinander über die entsprechend den Grundprofilen aufgebauten Teilflächen geführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilflächen, von der Mitte des Gesamtprofils aus gerechnet, nur die halbe Ausdehnung der erwähnten Grundprofile haben und daß der Ladungsträgerstrahl nach Bestreichen der einer Teilfläche entsprechenden Hälfte eines Grundprofils so abgelenkt wird, daß die andere Hälfte des Grundprofils an einer mit einer weiteren Teilfläche zusammenfallenden Stelle des Gesamtprofils geschrieben wird.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilflächen den erwähnten Grundprofilen entsprechen und daß der Ladungsträgerstrahl mittels eines durch die entsprechenden Ablenkelemente fließenden Gleichstromes so vorabgelenkt wird, daß eine Randlinie des von ihm bestrichenen Grundprofils durch die Mitte des Gesamtprofils geht.

18. Verfahren nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung eines aus sich kreuzenden oder berührenden Teilflächen zusammengesetzten

Profils so geführt wird, daß sowohl entlang den Randlinien des Profils als auch im äußeren, dem Kreuzungspunkt abgewandten Teil jeder Teilfläche eine Energiehäufung auftritt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung eines kreuzförmigen Profils mittels eines Stromes in Richtung der Kreuzbalken abgelenkt wird, dessen Verlauf die Form eines Sägezahnes mit abgeflachten Spitzen hat.

20. Verfahren nach Anspruch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgerstrahl zur Herstellung zueinander parallel ausgerichteter Teilflächen eines Profils mittels eines durch die betreffenden Ablenkelemente fließenden Gleichstromes bis zur Mittellinie der jeweils zu bearbeitenden Teilfläche abgelenkt wird.

21. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einer Ladungsträgerstrahlquelle sowie Mitteln zur Formung und Fokussierung des Strahles auf das zu bearbeitende Material, gekennzeichnet durch ein hinter der Fokussierungslinse angeordnetes, entsprechend der Axialsymmetrie der herzustellenden Figur ausgelegtes, an sich bekanntes Ablenksystem sowie mit diesem verbundene Schaltmittel zur Erzeugung und Zuleitung der Ablenkströme nach einem vorgegebenen Programm.

22. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15 und Einrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch mindestens zwei, Ablenkströme verschiedenen zeitlichen Verlaufs liefernde Generatoren sowie durch eine mit diesen Generatoren verbundene, zur Zuführung der Ablenkströme zu den Spulen des Ablenksystems nach einem vorgegebenen Programm dienende Schaltanordnung.

23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltanordnung als Relais- und/oder Transistorschaltung ausgebildet ist.

24. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 17 und 20 und Einrichtung nach Anspruch 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Schaltanordnung auch ein Gleichstromgenerator verbunden ist.

25. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 16 und Einrichtung nach Anspruch 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltanordnung so ausgebildet und eingestellt ist, daß sie jeweils nach Bestreichen einer TeMäche eines Gesamtprofils, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Umpolung der Ablenkspulen, die Rolle der zur Quer- und Längsablenkung dienenden Ablenkspulen miteinander vertauscht.

26. Einrichtung nach Anspruch 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Umschaltung dienende Schaltanordnung in der Weise mit dem Steuerimpulsgenerator in Verbindung steht, daß die Steuerimpulse während jedes Umschaltvorganges über eine vorgegebene Zeit unterdrückt werden.

27. Einrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltanordnung mit einem die Vorspannung der Steuerelektrode des Strahlerzeugungssystems bestimmenden Generator in Verbindung steht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1053 691.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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