DE1196806B - Verfahren und Einrichtung zur automatischen Fokussierung des Ladungstraegerstrahles in Geraeten zur Materialbearbeitung mittels Ladungstraegerstrahl - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H 05b

Deutsche Kl.: 21h-30/02

Nummer: 1196 806

Aktenzeichen: Z 9079 VIII d/21 h

Anmeldetag: 18. November 1961

Auslegetag: 15.JuIi 1965

Bei den bekannten zur Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl dienenden Geräten wird der Auftreffpunkt des Strahles auf dem Werkstück mit einem Einblickmikroskop beobachtet. Der das Gerät bedienende kann so die Positionierung des Strahles auf dem Werkstück und die Einstellung des engsten Strahlquerschnittes auf die Werkstückoberfläche kontrollieren. Soll der Bearbeitungsvorgang automatisch ablaufen, so ist die automatische Positionierung des Ladungsträgerstrahles auf dem Werkstück mit übliehen Mitteln, z. B. Photozellen und Nachlaufsteuerungen, durchführbar.

Es ist auch bekannt, bei Geräten zur Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahles in der Nähe der Bearbeitungsstelle einen für Licht oder Wärme empfindlichen Strahlungsempfänger anzuordnen und Mittel zur Steuerung der Brennweite der im Strahlengang angeordneten Linse in Abhängigkeit von Strom oder Spannung dieses Strahlungsempfängers vorzusehen. Diese bekannte Einrichtung hat jedoch »o den Nachteil, daß sie nicht sehr genau arbeitet.

Ferner ist ein Gerät zum Schweißen mit Hilfe eines Elektronenstrahles bekannt, bei welchem der Elektronenstrahl mittels zweier Fokussierungslinsen auf das Werkstück fokussiert wird. Zwischen diesen beiden Linsen ist eine Lochblende angeordnet. Um Aufschmelzungen der Lochblende zu vermeiden, ist es notwendig, daß unabhängig von der Einstellung des Strahlstromes der Elektronenstrahl stets in der Verfahren und Einrichtung zur automatischen
Fokussierung des Ladungsträgerstrahles in
Geräten zur Materialbearbeitung mittels
Ladungsträgerstrahl

Anmelder:

United Aircraft Corporation,

East Hartford, Conn. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dr.-Ing. A. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Fritz Schleich, Unterkochen (Württ);

Dr. Justus Sienknecht, Frankfurt/M.

kathode kreissymmetrisch Sondenelektroden anzuordnen, welche die von der Antikathode emittierten Sekundärelektronen auffangen. Die Richtungsverteiöffnung der Lochblende den kleinsten Durchmesser 30 lung der aufgefangenen Sekundärelektronen wird zur aufweist. Zur Erfüllung dieser Forderung ist bei dem automatischen Steuerung der Richtung des Elekbekannten Gerät die Lochblende mit einem Ver- tronenstrahles auf die gewünschte Auftreffstelle auf stärker und einem phasenabhängigen Gleichrichter der Antikathode benutzt.

verbunden. Der der Kathode zugelegenen Fokussie- Schließlich ist noch eine Einrichtung zum

rungslinse wird zusätzlich zum Fokussierungsstrom 35 Schweißen mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles beein kleiner Wechselstrom zugeführt. Dadurch verän- kannt, bei welcher die an der Unterseite des Werkdert sich der Durchmesser des engsten Strahlquer- Stückes austretenden Streu- und Sekundärelektronen schnittes periodisch. Liegt der Fokus in der Loch- zur automatischen Steuerung der Intensität des Elekblendenebene, dann verschwindet die Grundfrequenz tronenstrahles oder zur Steuerung des Werkstückder von der Lochblende abgenommenen Wechsel- 40 oder Strahlvorschubes benutzt werden. An Stelle der spannung. Dieser Sachverhalt wird über den phasen- Messung der Streu- und Sekundärelektronen ist auch abhängigen Gleichrichter zur automatischen Regelung des Fokussierungsstromes durch die kathodennahe Linse benutzt.

Diese bekannte Einrichtung ist nur in der Lage, den Fokus des Elektronenstrahles auf den Mittelpunkt der genannten Lochblende einzuregeln. Zur Regelung der Fokussierung des Ladungsträgerstrahles auf das zu bearbeitende Werkstück selbst ist die bekannte Einrichtung jedoch nicht geeignet.

Bei Röntgenröhren mit dach- oder spitzförmiger Antikathode ist es bekannt, im Raum vor der Antischon der vom isolierten Werkstück abfließende Strom zum gleichen vorgenannten Zweck gemessen worden.

Es ist nun das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Fokussierung des Ladungsträgerstrahles auf das zu bearbeitende Werkstück anzugeben, welche frei von den Nachteilen der erwähnten bekannten Verfahren ist und welche darüber hinaus einige wesentliche Vorteile mit sich bringt. So kann es beispielsweise bei der Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl

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notwendig sein, die Fokussierung so zu wählen, daß Stückoberfläche ausgehenden Elektronenstrom. Dader engste Strahlquerschnitt in Richtung der Strahl- durch wird der Gesamtstrom der vom Objekt ausachse in einer vorgegebenen Entfernung von der gehenden Ladungsträger geringer und erreicht Werkstückoberfläche liegt. Dies ist mit den bekannten schließlich ein Minimum. Dieses Minimum tritt geMitteln nur sehr unvollkommen zu erreichen. Da- 5 nau dann ein, wenn der optimale Fokussierungszugegen ist eine solche Einstellung bei dem Verfahren stand des Elektronenstrahles erreicht ist. In diesem bzw. bei der Einrichtung nach der vorliegenden Er- Moment wird der durch die Fokussierungslinse findung ohne weiteres durchführbar. fließende Strom festgehalten, so daß also auch der

Bei dem neuen Verfahren zur automatischen optimale Fokussierungszustand fixiert bleibt.
Fokussierung des Ladungsträgerstrahles auf das zu io Bei der Bearbeitung von Wolfram kann der posibearbeitende Werkstück in Geräten zur Materialbear- tive Ionenstrom so groß werden, daß er im Zustand beitung mittels Ladungsträgerstrahles wird der durch der Fokussierung den Elektronenstrom überwiegt, die Fokussierungslinse fließende Strom in seiner d.h. also, daß eine Umpolung des vom Werkstück Stärke periodisch verändert. Gemäß der Erfindung wegfließenden Stromes auftritt,
wird gleichzeitig mit der periodischen Änderung der 15 Wird in an sich bekannter Weise der vom Objekt Linsenstromstärke die Menge der vom Objekt aus- zur Erde abfließende Strom gemessen, so tritt, wie gehenden Ladungsträger gemessen, und es wird bei auf Grund der obigen Ausführungen ohne weiteres Erreichen eines Extremwertes dieser Menge der in ersichtlich ist, im Zustand der optimalen Fokussiediesem Moment durch die Fokussierungslinse rung ein Maximum des vom Objekt abfließenden fließende Strom festgehalten. Das Auftreten dieses ao Stromes auf.

Extremwertes ist ein eindeutiges Kriterium für das Wird ein Objekt mit niedriger Elektronenemission

Erreichen des optimalen Fokussierungszustandes des und niedrigem Schmelzpunkt, z. B. ein Werkstück Ladungsträgerstrahles. Es wird also bei dem neuen aus Stahl, bearbeitet, so werden bei dem Verfahren Verfahren die Brechkraft der Fokussierungslinse nach der Erfindung die vom Objekt ausgehenden Laperiodisch verändert, wobei diese Veränderung bei 25 dungsträger beschleunigt und sodann aufgefangen, Erreichen des Fokussierungszustandes automatisch und es wird bei Erreichen eines Maximums des Aufunterbrochen wird. Dadurch wird erreicht, daß beim fängerstromes der durch die Fokussierungslinse Bearbeitungsvorgang der engste Strahlquerschnitt un- fließende Strom festgehalten. Es ist in diesem Fall abhängig von Variationen der Werkstückdicke und auch möglich, das Objekt negativ vorzuspannen und der Wahl der Strahlstromstärke immer auf der Werk- 30 den vom Objekt abfließenden Strom zu messen, wostückoberfläche erhalten bleibt. bei jedoch der durch die Fokussierungslinse fließende

Soll ein Objekt mit hoher Elektronenemission und Strom bei Erreichen eines Minimums des abfließenhohem Schmelzpunkt, z. B. ein Werkstück aus Wolf- den Stromes festgehalten wird,
ram, bearbeitet werden, so werden die auf der dem Auch bei der Bearbeitung eines Objektes mit nied-

Strahl zugewandten Seite vom Objekt ausgehenden 35 riger Elektronenemission und niedrigem Schmelz-Ladungsträger aufgefangen, und es wird bei Er- punkt tritt zunächst im defokussierten Zustand des reichen eines Minimums des Auffängerstromes der Elektronenstrahles eine Reflexion von Elektronen durch die Fokussierungslinse fließende Strom fest- auf. Wird der Fokussierungszustand des Strahles vergehalten. In ähnlicher Weise kann auch der vom Ob- bessert, so tritt auch hier eine thermische Elektronenjekt abfließende Strom in an sich bekannter Weise 40 emission auf. Gleichzeitig verdampft jedoch das gemessen werden, wobei jedoch der durch die Fokus- Material, so daß also nur sehr wenige positive Ionen sierungslinse fließende Strom bei Erreichen eines erzeugt werden. Die emittierten thermischen Elek-Maximums des abgeleiteten Stromes festgehalten tronen gelangen durch die Vorspannung zum Aufwird, fänger und summieren sich zu den reflektierten Elek-

Diesem Einstellverfahren liegt der im folgenden 45 tronen. Im Zustand der optimalen Fokussierung tritt näher beschriebene Effekt zugrunde. dann ein Maximum des Auffängerstromes auf.

Trifft ein intensitätsreicher Elektronenstrahl auf Wie ohne weiteres einzusehen ist, tritt im Zustand

eine Materialoberfläche, so wird, wie bekannte Unter- der optimalen Fokussierung ein Minimum des vom suchungen gezeigt haben, ein Teil der Elektronen die Objekt gegen Erde abfließenden Stromes auf, voraus-Oberfläche des Werkstücks wieder verlassen. Diese 50 gesetzt, daß das Objekt negativ vorgespannt ist.
Reflexion oder auch Rückdiffusion der Elektronen ist Es ist auch möglich, bei der Bearbeitung eines Ob-

abhängig von verschiedenen Eigenschaften, so z.B. jektes mit hoher Elektronenemission und hohem Ordnungszahl, Oberflächenbeschaffenheit usw. des Schmelzpunkt den Auffänger positiv vorzuspannen, bearbeiteten Werkstückes. Sie ist jedoch in dem Dadurch gelangt auch in diesem Fall die thermisch interessierenden Spannungsbereich von 25 bis einigen 55 emittierten Elektronen zum Auffänger, so daß also 100 kV eine gut meßbare Größe. Solange der auf die auch hier im Zustand der optimalen Fokussierung Werkstückoberfläche auftreffende Elektronenstrahl ein Maximum des Auffängerstromes auftritt,
defokussiert ist, ist seine Energiedichte so gering, daß Die beschriebene automatische Fokussierung

lediglich Elektronen reflektiert werden. Eine ther- arbeitet in der beschriebenen Art und Weise sehr gemische Elektronenemission tritt noch nicht auf. Wird 60 nau, wenn der Ladungsträgerstrahl in bekannter nun der Fokussierungszustand des Elektronenstrahles Weise impulsförmig zur Wirkung gebracht wird, verbessert, so wird das Objekt so hoch erhitzt, daß Trifft dagegen der Ladungsträgerstrahl kontinuierlich eine thermische Elektronenemission auftritt. Das auf das Werkstück auf, so bildet sich beim Messen Material verdampft nicht, sondern es emittiert lang- der Menge der vom Objekt ausgehenden Ladungssame Elektroden. Wird der Fokussierungszustand des 65 träger kein eindeutig auswertbares Extremum des Elektronenstrahles weiter verbessert, so treten Stromes aus. Vielmehr entsteht zwischen dem Stromschließlich auch positive Ionen auf. Diese positiven anstieg und dem Stromabfall ein verhältnismäßig Ionen kompensieren teilweise den von der Werk- flacher Kurvenverlauf, der zudem noch durch un-

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regelmäßige Stromschwankungen unterbrochen sein rung der Stärke des durch die Fokussierungslinse

kann. In diesem Fall wird vorteilhaft automatisch fließenden Stromes sowie Schaltmittel zum Außer-

der Symmetriepunkt zwischen den Flanken des betriebsetzen dieser Vorrichtung in Abhängigkeit von

Stromanstieges und des Stromabfalles festgestellt, der Amplitude des Auffängerstromes,

und es wird der bei Erreichen dieses Symmetrie- 5 Wird der vom Objekt abfließende Strom zur Ein-

punktes durch die Fokussierungslinse fließende Strom stellung des Fokussierungszustandes verwendet, so

festgehalten. wird das zu bearbeitende Objekt in an sich bekannter

Der Symmetriepunkt muß nicht genau in der Mitte Weise isoliert gelagert und über einen Widerstand zwischen den Flanken des Stromanstieges und des mit Erde verbunden. Der durch diesen Widerstand Stromabfalles gelegen sein, sondern er kann durch io fließende Strom wird gemessen, und bei Erreichen elektrische Mittel nach einer Seite verschoben eines Extremwertes dieses Stromes wird der werden. In diesem Fall wird durch einen Vorversuch durch die Fokussierungslinse fließende Strom festermittelt, welche Lage des Symmetriepunktes der ge- gehalten.

nauen Fokussierung entspricht und die Schaltmittel In vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Einrichtung

zur Feststellung des Symmetriepunktes werden dann 15 zur automatischen Fokussierung so auszubilden, daß

so eingestellt, daß dieser Punkt automatisch stets auf zwischen Fokussierungslinse und Werkstück je ein

die durch den Vorversuch ermittelte Lage eingestellt zum Auffangen der vom Werkstück ausgehenden

wird. Elektronen bzw. Ionen dienender Auffänger vorge-

Um den Bereich, innerhalb dessen der durch die sehen ist, wobei der Elektronenauffänger gegenüber Fokussierungslinse fließende Strom periodisch ver- 20 dem Werkstück positiv vorgespannt ist und einen ihm ändert wird, möglichst klein halten zu können, ist es vorgeordneten Ablenkmagneten aufweist. Durch vorteilhaft, den durch die Fokussierungslinse fließen- diesen Ablenkmagneten wird gewährleistet, daß nur den Strom mittels mechanischer oder optischer Elektronen auf den Elektronenauffänger fallen, da Mittel, welche zur Abtastung der Werkstückober- die Ionen infolge ihrer großen Masse kaum abgefläche dienen, so einzustellen, daß der Ladungsträger- 25 lenkt werden. Beide Auffänger sind mit einer zum strahl grob fokussiert ist. Die Stärke des Linsen- Feststellen der Differenz der Auffängerströme und stromes wird sodann mit diesem voreingestellten zum Abschalten der Vorrichtung zur periodischen Wert als Mittelwert periodisch verändert, und die Änderung der Stärke des durch die Fokussierungs-Feineinstellung erfolgt nach dem oben geschilderten linse fließenden Stromes bei Erreichen eines Mini-Verfahren. 30 mums der Differenz der beiden Auffängerströme

Es ist auch möglich, zu Beginn des Bearbeitungs- dienenden Schaltvorrichtung verbunden.

Vorganges den durch die Fokussierungslinse fließen- Die Erfindung wird im folgenden an Hand der

den Strom langsam ansteigen zu lassen und dieses Ausführungsbeispiele darstellenden Fig. 1 bis 11

Ansteigen bei Erreichen eines bestimmten vorge- näher erläutert. Dabei zeigt

wählten Wertes des Auffängerstromes oder des vom 35 F i g. 1 ein mit der neuen Einrichtung zur autoObjekt abfließenden Stromes zu unterbrechen. So- matischen Fokussierung des Ladungsträgerstrahles dann setzt ausgehend von diesem Wert die beschrie- ausgerüstetes Gerät zur Materialbearbeitung mittels bene periodische Änderung des Linsenstromes ein. Ladungsträgerstrahl, teilweise im Schnitt gezeichnet, Der erwähnte vorgewählte Wert ist dabei so einge- Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Werkstellt, daß bei der anschließenden periodischen 4° Stückes und des Auffängers,

Linsenstromänderung der Fokussierungszustand der Fig. 3a und 3b die Formen des auf dem Bild-Linse mit Sicherheit erreicht wird. schirm eines mit dem Werkstück verbundenen

Die Frequenz der Linsenstromänderung ist vorteil- Oszillographen aufgezeichneten Ladungsträgerstrahlhaft niedrig und liegt im Bereich zwischen 1 und impulses im defokussierten und im fokussierten Zu-15 Hz. 45 stand des Strahles,

Eine besonders hohe Empfindlichkeit und weit- F i g. 4 die Abhängigkeit des Auffängerstromes j_A

gehende Unabhängigkeit von den Verschiedenheiten von dem durch die Fokussierungslinse fließenden

der bearbeiteten Materialien erhält man dann, wenn Strom j_L bei der Bearbeitung eines Werkstückes aus

der beim Messen der Menge der vom Objekt aus- Wolfram,

gehenden Ladungsträger entstehende Strom einem 50 Fig. 5a ein isoliert gelagertes Werkstück sowie Speicher zugeführt wird, der jeweils den vorher- die Schaltung zur Messung des vom Objekt abfließengehenden Wert dieses Stromes mit dem nächstfolgen- den Stromes,

den Wert vergleicht und der den Linsenstrom bei Fig. 5b die Abhängigkeit des vom Objekt abdem jeweils festgestellten Extremwert festhält. fließenden Stromes von dem durch die Fokussie-Soll der Ort des engsten Strahlquerschnitts ober- 55 rungslinse fließenden Strom,

oder unterhalb der Werkstückoberfläche festgelegt F i g. 6 eine vergrößerte Darstellung des Werkwerden, so wird der beim Messen der Menge der vom Stücks und des zugeordneten Auffängers, bei welcher Objekt ausgehenden Ladungsträger entstehende der Auffänger positiv vorgespannt ist,
Strom zeitlich verzögert. Durch entsprechende Ein- Fig. 7a und 7b die Formen eines auf einem mit stellung der Verzögerungszeit läßt sich dann ohne 60 dem Werkstück verbundenen Oszillographen aufgeweiteres erreichen, daß die Stelle des engsten Strahl- zeichneten Ladungsträgerstrahlimpulses bei dequerschnitts in Strahlrichtung gesehen eine vorgege- fokussiertem und fokussiertem Ladungsträgerstrahl, bene Strecke ober- oder unterhalb der Werkstück- F i g. 8 die Abhängigkeit des Auffängerstromes j_A oberfläche gelegen ist. von dem durch die Fokussierungslinse fließenden

Die Einrichtung nach der Erfindung enthält einen 65 Strom j_L bei der Bearbeitung eines Objektes mit nied-

zwischen der Fokussierungslinse und dem zu bearbei- riger Elektronenemission und niedrigem Schmelz-

tenden Werkstück angeordneten Auffänger, eine an punkt, beispielsweise eines Objektes aus Stahl mit

sich bekannte Vorrichtung zur periodischen Ände- einem impulsförmig gesteuerten Ladungsträgerstrahl,

F i g. 9 die in F i g. 8 dargestellte Abhängigkeit, wobei jedoch der Ladungsträgerstrahl kontinuierlich auf das Werkstück auftrifft,

F i g. 10 die vergrößerte Darstellung eines Werkstückes, welchem ein Elektronen- und ein Ionenauffänger zugeordnet ist,

Fi g. 11 ein Werkstück und einen in verschiedenen Fokussierungszuständen gezeichneten Ladungsträgerstrahl.

Hochspannungskabels dem Gerät S zugeführt. Dieses Gerät dient zur Erzeugung der regelbaren Heizspannung und der regelbaren Steuerzylindervorspannung. Diese Spannungen werden über ein Hochspannungsist ein Ablenksystem 6 angeordnet, welches zur Justierung des Elektronenstrahls 11 dient. Der Generator 7 dient zur Stromversorgung des Ablenksystems 6.

Unterhalb des Ablenksystems 6 ist eine Blende 8 angeordnet, welche mittels der Knöpfe 9 und 10 in der Papierebene und senkrecht zur Papierebene be-

spielsweise mit einem Potentiometer verbunden, und der durch dieses Potentiometer fließende Strom gelangt zu einem Speicher 33. Dieser Speicher ist mit dem Elektromotor 18 verbunden, wobei entsprechend 5 der Umdrehungszahl des Motors 18 die Speicherzeit eingestellt wird.

Nach Ablauf der eingestellten Verzögerungszeit wird vom Speicher 33 ein Signal zum Generator 34 geliefert. Durch dieses Signal wird der durch die Bei dem in Fig. 1 dargestellten Gerät zur Mate- io Fokussierungslinse 13 fließende Strom eingestellt, rialbearbeitung mittels eines Elektronenstrahls ist Die Wirkungsweise der Einrichtung zur automa-

mit 1 die Kathode, mit 2 der Steuerzylinder und mit tischen Fokussierung ist folgende: Beim Bewegen des 3 die geerdete Anode des Strahlerzeugungssystems Werkstücks 15 in Schweißrichtung wird zunächst bezeichnet. Im Gerät 4 wird eine Hochspannung von über den Abtaster 31 in der geschilderten Weise der beispielsweise 100 kV erzeugt und mittels eines 15 Mittelwert des durch die Fokussierungslinse 13

fließenden Stromes eingestellt. Dabei ist die Zeit, über welche das Signal im Speicher 33 gespeichert wird, so eingestellt, daß das entsprechende, den Mittelwert des Linsenstromes festlegende Signal erst dann zum

kabel dem Strahlerzeugungssystem 1, 2, 3 zugeführt, ao Generator 34 geliefert wird, wenn sich das Werkstück In Strahlrichtung gesehen unterhalb der Anode 3 15 so weit weiterbewegt hat, daß der vom Taster 31

angemessene Punkt der Oberfläche unter die Auftreffstelle des Elektronenstrahls 11 zu liegen kommt. Der Speicher 33 kann beispielsweise als Magnet-25 band mit zwei Köpfen ausgebildet sein, wobei der eine Kopf zur Aufnahme des vom Potentiometer 32 gelieferten Signals und der andere Kopf zur Weitergabe dieses Signals an den Generator 34 dient. Die

wegt werden kann. Nach erfolgter Justierung des _{m n} Geschwindigkeit des Magnetbandes wird dabei über Elektronenstrahls 11 fällt dieser durch ein geerdetes 30 den Elektromotor 18 beeinflußt. Rohr 12 und wird mittels der elektromagnetischen Mittels des Abtasters 31 wird also der durch die

Linse 13 auf das im Bearbeitungsraum 28 angeord- Fokussierungslinse 13 fließende Strom so eingestellt, nete Werkstück 15 fokussiert. daß eine grobe Fokussierung des Elektronenstrahls

Ein unterhalb der Fokussierungslinse 13 angeord- 11 auf das Werkstück 15 erreicht ist. Zugleich wird netes elektromagnetisches Ablenksystem 14, zu dessen 35 über einen weiteren Elektromotor 35 der Linsen-Stromversorgung der Generator 19 vorgesehen ist, stromgenerator 34 so beeinflußt, daß durch die dient zur Ablenkung des Elektronenstrahls 11 relativ Fokussierungslinse 13 ein Strom fließt, welcher perizum Werkstück 15. odisch um den voreingestellten Wert schwankt. Die

Zur Beobachtung des auf das Werkstück 15 auf- Amplitude der Linsenstromänderung ist so gewählt, treffenden Elektronenstrahls 11 dient ein optisches 40 daß mit Sicherheit im Verlauf einer Periode der System, welches die mikroskopische Auflichtbeleuch- exakte Fokussierungszustand des Strahls 11 durchtung des Werkstücks 15 erlaubt. Dieses System be- laufen wird. Der Elektronenstrahl 11 durchläuft wähsteht aus einem Beleuchtungssystem 20, welches par- rend der periodischen Änderung des Stromes durch alleles Licht liefert. Dieses Licht wird über zwei die Fokussierungslinse 13 verschiedene Fokussiemetallische Prismen 21 und 22 auf eine in axialer 45 rungszustände, wie sie beispielsweise in Fig. 11 dar-Richtung verschiebbare Linse 23 reflektiert und wird gestellt sind. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, ist von dieser auf die Schicht 15 fokussiert. Unterhalb der Strahl 11a unterhalb der Werkstückoberfläche der Linse 23 ist eine auswechselbare Glasplatte 24 fokussiert, der Strahl 11 b ist auf die Werkstückoberangeordnet, welche die Linse vor etwaigen Verun- fläche fokussiert, während der Strahl 11 c oberhalb reinigungen schützt. Die Linse 23 wird zusammen 50 der Werkstückoberfläche fokussiert ist. mit der Glasplatte 24 mittels des Knopfes 25 in Im defokussierten Zustand des Elektronenstrahls

axialer Richtung bewegt. 11, wie er beispielsweise in F i g. 2 gestrichelt dar-

Das von der Oberfläche des Werkstücks 15 reflek- gestellt ist, gelangen lediglich von der Werkstücktierte bzw. ausgehende Licht wird durch die Linse 23 oberfläche 15 reflektierte Elektronen zum Auffänger parallel gerichtet und über den Spiegel 26 in das als 55 30. Dieser Auffänger ist in F i g. 2 über ein Strom-Stereomikroskop ausgebildete Beobachtungssystem meßgerät37 mit Erde verbunden, während in der 27gelenkt. Darstellung der Fig. 1 der Auffänger mit einem

Im Bearbeitungsraum 28 ist das Werkstück 15 mit- Schaltgerät 36 in Verbindung steht. In der Darsteltels der Haltevorrichtung 16 auf einem schematisch lung der F i g. 2 ist weiterhin zum Zwecke der besdargestellten Kreuztisch 17 angeordnet, welcher mit- 60 seren Darstellung das Werkstück 15 über einen tels des Elektromotors 18 in Richtung des Pfeiles be- Widerstand 38 mit Erde verbunden, wobei die am wegt werden kann. Widerstand 38 abfallende Spannung einem Oszillo-

Zwischen dem Ablenksystem 14 und dem Werk- graphen 39 zugeführt wird.

stück 15 ist ein Auffänger 30 ausklappbar angeord- Wird der Elektronenstrahl 11 impulsförmig zur

net, welcher mittels eines Isolators 29 gehaltert ist. 65 Wirkung gebracht, so wird auf dem Leuchtschirm des Weiterhin befindet sich im Bearbeitungsraum 28 ein Oszillographen 39 der in F i g. 3 a wiedergegebene mechanischer Abtaster 31, welcher über ein Ritzel Spannungsverlauf aufgezeichnet, solange der Elekein Zahnrad 32 verdreht. Das Zahnrad 32 ist bei- tronenstrahl 11 defokussiert ist. Wird nunmehr der

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Fokussierungszustand des Elektronenstrahls 11 ver- rigem Schmelzpunkt, z.B. aus Stahl. Fig. 7a zeigt bessert, so werden schließlich vom Werkstück 15 wiederum den auf dem Leuchtschirm des Oszillothermische Elektronen emittiert, und es treten gleich- grapen 39 aufgezeichneten Elektronenstrahlimpuls, zeitig positive Ionen auf. Auf dem Leuchtschirm des wenn der Elektronenstrahl 11 defokussiert ist. Im Oszillographen 39 kann man dabei beobachten, daß 5 fokussierten Zustand des Strahls 11 wird der aufgeder Impuls schmäler wird, wie dies in Fig. 3b dar- zeichnete Impuls schmaler, wie dies Fig. 7b zeigt, gestellt ist. Besteht beispielsweise das Werkstück 15 Es tritt jedoch kein positiver Teil des aufgezeichneten aus Wolfram, so tritt, wie aus Fig. 3b ersichtlich Impulses auf.

ist, am Ende des schmaler gewordenen Impulses noch Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit des Auffängerein kurzer Anstieg nach der positiven Seite auf. io stromes j_A von dem durch die Fokussierungslinse 13

Der Verlauf des Auffängerstromes j_A in Abhängig- fließenden Strom }_L. Wie aus dieser Figur zu erkeit von dem durch die Fokussierungslinse 13 fließen- kennen ist, erreicht der Auffängerstrom j_A dann ein den Strom }_L ist in F i g. 4 dargestellt. Wie aus dieser Maximum, wenn der Elektronenstrahl 11 den opti-Figur zu erkennen ist, tritt im defokussierten Zustand malen Fokussierungszustand erreicht hat. Die in des Elektronenstrahls 11 ein ständig wachsender 15 Fig. 1 dargestellte Schaltvorrichtung 36 ist in Elektronenstrom zum Auffänger 30 auf. Im Fokus- diesem Fall so ausgebildet, daß sie den Elektromotor sierungszustand des Elektronenstrahls 11 erreicht der 35 dann abschaltet, wenn der Auffängerstrom sein Auffängerstrom j_A ein Minimum, wobei er im Falle Maximum erreicht.

der Bearbeitung von Wolfram sogar nach der posi- Die Schaltvorrichtung 36 ist zweckmäßig so aus-

tiven Seite ansteigt. Wie aus Fig. 4 zu erkennen ist, 20 gebildet, daß sie einen Speicher enthält, der jeweils ist das Minimum des Auffängerstromes sehr scharf den vorhergehenden Wert des Auffängerstromes mit ausgeprägt. Sobald dieses Minimum erreicht ist, wird dem nächstfolgenden Wert vergleicht. Wenn die optiüber das Schaltgerät 36 in F i g. 1 der Elektromotor male Fokussierung erreicht ist, d. h. wenn der Auf-35 abgeschaltet. Dadurch bleibt der in diesem Augen- fängerstrom seinen Extremwert überschreiten will, so blick durch die Fokussierungslinse 13 fließende Strom 25 wird der Abschaltimpuls für den Elektromotor 35 geerhalten, so daß also der Elektronenstrahl 11, wie in liefert. Eine solche Schaltvorrichtung kann immer F i g. 2 mit ausgezogenen Linien dargestellt, auf die verwendet werden, unabhängig davon, ob der AbOberfläche des Werkstücks 15 fokussiert bleibt. schaltimpuls bei Erreichen eines Maximums oder

Der Generator 34 kann beispielsweise so ausge- eines Minimums des Auffängerstromes erzeugt bildet sein, daß er ein den Linsenstrom festlegendes 30 werden soll.

Potentiometer enthält. Dieses Potentiometer wird Bei dem in F i g. 6 dargestellten Ausführungsbei-

durch die vom Speicher 33 gelieferten Signale in spiel beträgt die Vorspannung des Auffängers 41 geseiner Gesamtheit verdreht. Der Abgriff des Potentio- genüber dem Werkstück 15 etwa 6 bis 20 V. Spannt meters wird über den Elektromotor 35 periodisch um man das Werkstück 15 etwa mit derselben Vorspaneine Mittellage bewegt. Es ist ohne weiteres einzu- 35 nung negativ gegen Erde vor und verwendet den über sehen, daß in diesem Fall durch eine Verdrehung des den Widerstand 38 nach Erde abfließenden Strom gesamten Potentiometers der Mittelwert des durch zur Einstellung der Fokussierung, so muß der Elekdie Fokussierungslinse 13 fließenden Stromes einge- tromotor35 dann abgeschaltet werden, wenn dieser stellt wird, während mittels des Elektromotors 15 abfließende Strom ein Minimum erreicht,
eine periodische Stromänderung hervorgerufen wird. 40 F i g. 9 zeigt die Abhängigkeit des Auffänger-

Es ist vorteilhaft, die automatische Fokussierung stromes }_A von dem durch die Fokussierungslinse 13 nur in gewissen zeitlichen Abständen durchzuführen fließenden Strom j_L für den Fall, daß das in F i g. 6 und in der Zwischenzeit den Auffänger 30 aus der dargestellte Werkstück 15 mit einem kontinuierlich unmittelbaren Umgebung des Strahls 11 herauszu- auftreffenden Ladungsträgerstrahl beaufschlagt wird, klappen, um eine Verschmutzung des Auffängers 45 Wie man erkennt, bildet sich hier kein eindeutig ausdurch verdampfte Materialpartikeln zu vermeiden. Es wertbares Maximum aus, sondern es entsteht zwikann dabei eine automatisch wirkende Vorrichtung sehen dem Stromanstieg und dem Stromabfall ein vorgesehen sein, welche den Auffänger 30 jeweils flacher Stromverlauf, der zudem noch durch unregelnach bestimmten Zeiten oder auch in Abhängigkeit mäßige Stromschwankungen unterbrochen ist. In von der Größe des vom Abtaster 31 gelieferten Si- 50 diesem Fall ist die Schaltvorrichtung 36 der F i g. 1 gnals wieder in die in Fig. 1 gezeichnete Stellung so ausgebildet, daß sie automatisch den Symmetrieeinklappt. punkt 50 zwischen den Flanken des Stromanstiegs

In F i g. 5 a ist das Werkstück 15 mittels eines Iso- und des Stromabfalls feststellt und bei Erreichen lators 40 auf dem Kreuztisch 17 gelagert. Zur auto- dieses Punktes den durch die Fokussierungslinse matischen Fokussierung wird hier ein Strommeßgerät 55 fließenden Strom festhält. Der Symmetriepunkt 50 41 verwendet, welches den vom Objekt abfließenden muß nicht unbedingt genau in der Mitte zwischen Strom % mißt. Dieser Strom erreicht, wie Fig. 5b den Flanken des Stromanstiegs und des Stromabfalls zeigt, dann ein Maximum, wenn der Elektronenstrahl liegen, sondern er kann automatisch durch die Schalt-11 fokussiert ist. Es ist also in diesem Fall die Schalt- vorrichtung 36 nach der Seite verschoben werden, vorrichtung 36 der F i g. 1 so ausgebildet, daß sie den 60 wenn durch einen Vorversuch ermittelt wurde, daß Elektromotor 35 außer Funktion setzt, sobald der dem genauen Fokussierungszustand des Ladungsvom Objekt abfließende Strom sein Maximum er- trägerstrahls eine andere Lage des Symmetriepunktes reicht. entspricht.

Fig. 6 zeigt einen vergrößerten Teilschnitt des In Fig. 10 ist oberhalb des Werkstücks 15 eine

Werkstücks 15, dem ein gegenüber dem Werkstück 65 Blende 42 angeordnet, welche zwei symmetrisch anpositiv vorgespannter Auffänger 41 zugeordnet ist. geordnete Schlitze aufweist. Die durch diese Schlitze Das Werkstück 15 besteht in diesem Fall aus einem hindurchtretenden Ladungsträger durchlaufen das Metall mit niedriger Elektronenemission und nied- Feld des Ablenkmagneten 43. Durch dieses Ablenk-

feld werden die vom Werkstück 15 ausgehenden Elektronen abgelenkt und gelangen zum Auffänger 45. Dieser Auffänger ist gegenüber dem Werkstück positiv vorgespannt, wobei die Vorspannung wiederum im Bereich von 6 bis 20 V liegt. Die vom Werkstück 15 ausgehenden Ionen werden infolge ihrer großen Masse vom Ablenkmagnetfeld 43 kaum beeinflußt und gelangen zum Auffänger 44.

Besteht das Werkstück 15 aus einem Material von hohem Schmelzpunkt und hoher Elektronenemission, so ist sowohl der vom Werkstück ausgehende Ionenstrom als auch der vom Werkstück ausgehende Elektronenstrom im Zustand der optimalen Fokussierung des Stroms 11 am größten. Infolgedessen wird das Gerät 46, welches zur Feststellung der Differenz der Auffängerströme der beiden Auffänger 44 und 45 dient, ein Minimum anzeigen, sobald der Elektronenstrahl 11 den optimalen Fokussierungszustand erreicht hat. Das in diesem Moment vom Gerät 46 erzeugte Signal wird dem Elektromagneten 35 zügeführt, so daß also dieser Motor abgeschaltet wird.

Durch die in Fig. 10 dargestellte Einrichtung erreicht man eine besonders hohe Genauigkeit.

Soll der engste Strahlquerschnitt des Elektronenstrahls 11 nicht auf der Oberfläche des Werkstücks 15, sondern um einen bestimmten Betrag darunter- oder darüberliegen, so wird das Schaltgerät 36 so ausgebildet, daß es das Signal zum Abschalten des Elektromotors 35 erst nach einer von Hand einstellbaren Verzögerungszeit weitergibt. In diesem Fall läßt sich also erreichen, daß beispielsweise der in Fig. 11 dargestellte Fokussierungszustand 11 α erreicht wird, bei welchem der Elektronenstrahl unterhalb der Werkstückoberfläche fokussiert ist. Es läßt sich auch der in Fi g. 11 mit lic bezeichnete Fokussierungszustand erreichen, bei welchem der Strahl 11 so fokussiert ist, daß der engste Strahlquerschnitt oberhalb der Werkstückoberfläche liegt. Durch entsprechende Einstellung der Verzögerungszeit des Schaltgliedes 36 kann der Abstand des Ortes engsten Strahlquerschnitts von der Werkstückoberfläche verändert werden.

Claims (15)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur automatischen Fokussierung des Ladungsträgerstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück in Geräten zur Materialbearbeitung mittels Ladungsträgerstrahl, bei welchem der durch die Fokussierungslinse fließende Strom in seiner Stärke periodisch verändert wird, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der periodischen Änderung der Linsenstromstärke die Menge der vom Objekt ausgehenden Ladungsträger gemessen wird und daß bei Erreichen eines Extremwertes dieser Menge der in diesem Moment durch die Fokussierungslinse fließende Strom festgehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ein Objekt mit hoher Elektronenemission und hohem Schmelzpunkt bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der dem Strahl zugewandten Seite vom Objekt ausgehenden Ladungsträger aufgefangen werden und daß bei Erreichen eines Minimums des Auffängerstromes der durch die Fokussierungslinse fließende Strom festgehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ein Objekt mit niedriger Elektronenemission und niedrigem Schmelzpunkt bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der dem Strahl zugewandten Seite vom Objekt ausgehenden Ladungsträger beschleunigt und sodann aufgefangen werden und daß bei Erreichen eines Maximums des Auffängerstromes der durch die Fokussierungslinse fließende Strom festgehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ein Objekt mit hoher Elektronenemission und hohem Schmelzpunkt bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der vom Objekt abfließende Strom gemessen wird und daß bei Erreichen eines Maximums dieses Stromes der durch die Fokussierungslinse fließende Strom festgehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ein Objekt mit niedriger Elektronenemission und niedrigem Schmelzpunkt bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv negativ vorgespannt ist und daß in an sich bekannter Weise der vom Objekt abfließende Strom gemessen wird und daß bei Erreichen eines Minimums dieses Stromes der durch die Fokussierungslinse fließende Strom festgehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem in der Umgebung des Extremwertes sehr flachen Kurvenverlauf des zu messenden Stromes elektronisch der Symmetriepunkt zwischen den Flanken des Stromanstieges und des Stromabfalles festgestellt wird und daß bei Erreichen dieses Symmetriepunktes der durch die Fokussierungslinse fließende Strom festgehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch mechanische oder optische Mittel, welche zur Abtastung der Werkstückoberfläche dienen, der durch die Fokussierungslinse fließende Strom so eingestellt wird, daß der Ladungsträgerstrahl grob fokussiert ist und daß danach die Stärke des Linsenstromes mit diesem voreingestellten Wert als Mittelwert periodisch verändert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Linsenstromänderung niedrig ist.

9. Verfahren nach Ansprach 1 und einem oder mehreren der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der beim Messen der Menge der vom Objekt ausgehenden Ladungsträger entstehende Strom einem Speicher zugeführt wird, der jeweils den vorhergehenden Wert dieses Stromes mit dem nächstfolgenden Wert vergleicht und der den Linsenstrom bei dem jeweils festgestellten Extremwert festhält.

10. Verfahren nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Festlegung des engsten Strahlquerschnitts ober- oder unterhalb der Werkstückoberfläche der beim Messen der Menge der vom Objekt ausgehenden Ladungsträger entstehende Strom zeitlich verzögert wird.

11. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Ansprach 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Fokussierungslinse und dem zu bearbeitenden Werkstück ein Auffänger für die vom Werkstück ausgehenden Ladungsträger sowie eine an sich bekannte Vorrichtung zur perio-

dischen Änderung der Stärke des durch die Fokussierungslinse fließenden Stromes vorgesehen sind und daß Schaltmittel zum Außerbetriebsetzen dieser Vorrichtung in Abhängigkeit von der Amplitude des Auffängerstromes angeordnet sind.

12. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das zu bearbeitende Objekt isoliert gelagert und über einen Widerstand mit Erde verbunden ist und daß eine an sich bekannte Vorrichtung zur periodischen Änderung der Stärke des durch die Fokussierungslinse fließenden Stromes vorgesehen ist und daß Schaltmittel zum Außerbetriebsetzen dieser Vorrichtung in Abhängigkeit von der Amplitude des durch den Widerstand fließenden Stromes vorgesehen sind.

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum periodischen Verändern der Stärke des durch die Fokussierungslinse fließenden Stromes aus

einem über einen Elektromotor betätigten Potentiometer besteht.

14. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Fokussierungslinse und Werkstück je ein zum Auffangen der vom Werkstück ausgehenden Elektronen bzw. Ionen dienender Auffänger vorgesehen ist, wobei der Elektronenauffänger gegenüber dem Werkstück positiv vorgespannt ist und einen ihm vorgeordneten Ablenkmagneten aufweist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß beide Auffänger mit einer zum Feststellen der Differenz der Auffängerströme und zum Abschalten der Linsenwobblung bei Erreichen eines Minimums dieser Differenz dienenden Schaltvorrichtung verbunden sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1087295,1063286, 1100835;
Welding lournal vom August 1960, S. 791 bis 796.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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