DE1515200A1

DE1515200A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Korpuskularstrahles

Info

Publication number: DE1515200A1
Application number: DE19641515200
Authority: DE
Inventors: Meyer Dr Edgar
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Priority date: 1964-08-05
Filing date: 1964-08-05
Publication date: 1969-09-18
Also published as: DE1515200B2; DE1515200C3; GB1086578A; NL6510195A; AT263168B; CH436516A; US3417224A; SE322674B; BE667877A; NL154051B

Description

K. H. STEIGERWALD GMBH ViASSERALPINGEN

Expl.

Verfahren und Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Korpuskularstrahles

Bei der Materialbearbeitung mittels eines Korpuskularstrahles kommt es wesentlich darauf an, in einen Brennfleck mit vorgegebenem Radius r eine möglichst hohe Leistungsdichte zu konzentrieren. Zu diesem Zweck wird der von einem Strahlerzeugungssystem ausgehende Korpuskularstrahl üblicherweise mit einer elektro-magnetischen Linse auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert, bei der das fokussierende Feld zwischen zwei konzentrischen zentrisch durchbohrten Polschuhen erzeugt wird.

Die Leistungsdichte ist gegeben durch

F 7fr-² ·

Die Höhe der Beschleunigungsspannung U wird sinnvollerweise von vornherein so hoch gewählt, wie es der wirtschaftliche und technische Aufwand vernünftig erscheinen läßt. Der durch die Fläche TTr hindurchgehende Strom J ist vom Quadrat der Strahlapertur oC im Brennfleck abhängig. Für gegebene Beschleunigungsspannung U und gegebene Temperatur T_v der Kathode ist nämlich der Richtstrahlwert

R= ^J

TTr²TT₀C²

für einen gegebenen Strahlerzeuger eine Konstante. ; Heraus folgt:

j = RTT² r²^² 909838/0492

also die Abhängigkeit des Stromes J vom Quadrat der Apertur. Die Größe der nutzbaren Apertur dC ist nun im wesentlichen vom üffnungsfehler der Fokussierungslinse abhängig.' Wächst d- bei gegebenem üffnungsfehler über eine bestimmte Größe, so tragen die dazugehörigen Strahlen nicht mehr zur Erhöhung des Stromes im Brennfleck bei. Aus diesem Grunde ist bei den üblicherweise verwendeten elektro-magnetisehen Linsen nur eine bestimmte, von der Größe der nutzbaren Apertur aC abhängige Leistungsdichte im Brennfleck des Strahles zu erreichen. Diese erreichbare Leistungsdichte ist in vielen Fällen zu gering, sodaß unerwünscht lange Bearbeitungszeiten notwendig werden.

Es ist nun das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Korpuskularstrahles anzugeben, welche es erlauben, im Brennfleck eine höhere Leistungsdichte zu erreichen als bei Verwendung der üblichen elektro-magnetischen Linsen.

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung, bei welcher zur Fokussierung des Korpuskularstrahles auf das zu bearbeitende Werkstück eine magnetische Linse verwendet ist. Untersuchungen haben gezeigt, daß der öffnungsfehler einer Linse dann am kleinsten ist, wenn die Feldstärke ihr axiales Maximum im Objekt bzw. im Brennfleck hat. Gemäß der Er- ^ findung wird nun der Brennfleck des Strahles und das zu bearbeitende Objekt in das axiale Feldmaximum der Fokussierungslinse oder in unmittelbarer Nähe dieses Maximums gelegt.

Bei einer bevorzugten Vorrichtung nach der Erfindung weist die Fokussierungslinse auf der der Strahlquelle zugewandten Seite einen durchbohrten Polschuh und auf der der Strahlquelle abgewandten Seite einen dem durchbohrten Polschuh

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gegenüberstehenden Stift aus magnetischem Material auf, auf dem.das zu bearbeitende Objekt angeordnet ist. Dadurch wird erreicht, daß das Feldstärkemaximum in unmittelbarer Nähe des Objektes liegt. Die maximale Feldstärke einer solchen Linse ist bei gleichen Amperewindungszahlen höher als bei normalen Polschuhlinsen.

Bei der neuen Vorrichtung kann ein an seinem oberen Ende flach oder konkav oder konvex geformter Stift verwendet werden, es ist jedoch vorteilhaft, den Stift zuzuspitzen, damit ein möglichst hohes Feldstärkemaximum erreicht wird.

Es ist auch möglich und in vielen Fällen vorteilhaft, den Stift durch ein Material zu halten, das magnetisch möglichst leitfähig ist, aber elektrisch isolierend wirkt und zwischen oberem Polschuh und Stift eine elektrische Spannung anzulegen. Auf diese Weise wird der magnetischen Linse eine elektrische überlagert.

Zur Regelung der Linsenbrennweite ist es zweckmäßig, den Stift axial verschiebbar anzuordnen. Weiterhin kann es in vielen Fällen vorteilhaft sein, wenn der Stift zur Erzielung einer Ablenkwirkung eine exzentrisch gelagerte Spitze aufweist und drehbar angeordnet ist. In diesem Fall kann auch der Astigmatismus in gewissem Umfang kompensiert werden, indem man den Stift so ausbildet, daß sein Oberteil einen länglichen Querschnitt aufweistι

Da bei der neuen Vorrichtung der Korpuskularstrahl nach dem Durchbohren bzw. Durchschweißen des Werkstückes auf den Stift auftrifft, ist es vorteilhaft, den Stift zu durchbohren und in der Bohrung eine Auffangelektrode anzuordnen. Mit dieser Auffangelektrode wird zweckmäßig eine Anordnung verbunden, die das Auftreffen des Strahles meldet und/oder den Korpuskularstrahl abschaltet bzw. das Werkstück weiter-

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bewegt, sobald der Korpuskularstrahl auf die Auffangelektrode auftrifft. Es ist auch möglich, den Stift elektrisch isoliert zu lagern und ihn selbst als Auffangelektrode zu verwenden.

Es kann auch vorteilhaft sein, den Stift sektorenförmig zu unterteilen und jeden dieser Sektoren mit einer Zusatzwicklung zu versehen. Auf diese Weise können Ablenkwirkungen erzielt werden, es ist auch möglich, den Astigmatismus auf diese Weise zu kompensieren.

f Werden mehrere Strahlerzeugungssysteme verwendet, so ist es vorteilhaft, dem durchbohrten Polschuh der Linse mehrere Stifte gegenüberzustellen. Diese Stifte können verschieden dick sein oder in verschiedener Höhe enden. Es ist auch möglich, jeden dieser Stifte mit einer Zusatzwicklung zu versehen. Dadurch stellt jeder Stift eine Einzellinse dar, deren Wirkung von der Wirkung der anderen Einzellinsen verschieden sein kann.

Für die Zwecke der Materialbearbeitung wird man eine elektromagnetische Pokussierungslinse verwenden, und deren Wicklung zweiteilig ausbilden. Der Spulentopf wird dann mit zwei zwischen den Wicklungsteilen eingeordneten, einander gegen-J überliegenden Bohrungen oder Schlitzen versehen, die zur Zu- und Abführung des zu bearbeitenden Objektes dienen.

Die Vorrichtung nach der Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren 1-8 näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine gemäß der Erfindung aufgebaute Fokussierungslinse;

Fig. 2 einen um 90° gegen den in Fig. 1 dargestellten Schnitt versetzten Schnitt durch die Linse;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der neuen Vorrichtung;

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- Λ" — "

Pig. 4 einen Schnitt durch ein weiteres Ausfuhrungsbeispxel;

Pig. 5 einen Schnitt durch eine mit durchbohrtem Stift versehene Linse;

Fig. 6 eine Ansicht eines in Sektoren unterteilten Stiftes; Fig. 7 die Draufsicht des in Fig. 6 dargestellten Stiftes;

Fig. 8 einen Schnitt durch eine elektro-magnetische Linse, der eine elektrische Linse überlagert ist;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer Pokussierungslxnse mit mehreren Stiften.

In Fig. 1 ist mit 1 eine elektro-magnetische Fokussxerungslxnse bezeichnet, welche den, der Strahlquelle zugewandten Polschuh 2 aufweist. Diesem Polschuh ist ein Stift 3 aus magnetischem Material gegenübergestellt. Die Linse ist mit einer oberen Wicklung 4 und einer unteren Wicklung 5 versehen. Der Korpuskularstrahl 6, beispielsweise ein Elektronenstrahl, wird durch diese Linse auf das zu bearbeitende Objekt 7 fokussiert, welches auf dem Stift 3 angeordnet ist. Wie Fig. 2 zeigt, ist der Mantel der Linse 1 mit zwei gegenüberliegenden Schlitzen 8 und 9 versehen, welche zur Zu- und Abführung des zu bearbeitenden Objektes 7 dienen.

Die in Fig. 3 dargestellte, elektro-magnetische Pokussierungslxnse 1 weist einen Stift 10 auf, dessen oberer Teil zügespitzt ist und der mittels des Gewindes 11 axial verschiebbar angeordnet ist. Durch die Spitze des Stiftes IO läßt sich eine hohe Feldstärke am Ort des zu bearbeitenden Werkstückes erreichen, während durch die Axialverschiebung des Stiftes die Brennweite der Linse verändert werden kann.

Bei der in Fig. 4 dargestellten elektro-magnetischen Fokussxerungslxnse 1 ist der Stift 12 mit einer exzentrisch gelagerten Spitze versehen und drehbar angeordnet. Durch diesen Stift läßt sich eine Ablenkwirkung auf den Strahl ausüben.

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Pig. 5 zeigt eine elektro-magnetische Pokussierungslinse 1, bei welcher der Stift 15 mit einer Bohrung 16 versehen ist. In dieser Bohrung ist eine Auffangelektrode 17 isoliert angeordnet. Diese Auffangelektrode ist mit einer Ableitung 18 versehen. Sobald der Strahl 6 durch das Objekt 7 hindurchtritt, fällt er auf die Auffangelektrode 17. Diese liefert ein Signal, welches zweckmäßig dazu verwendet wird das Auftreffen des Strahles anzuzeigen und/oder den Strahl 6 abzuschalten und/oder das Objekt 7 weiterzubewegen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen einen Stift, welcher in vier Sektoren 19, 20, 21 und 22 unterteilt ist. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, sind die Sektoren 19 und 20 jeweils mit Zusatzfc wicklungen 23 und 24 versehen. Ebenso tragen die Sektoren und 22 Zusatzwicklungen. Mit Hilfe dieser Zusatzwicklungen ist es möglich, das von jedem Sektor erzeugte Feld zu verändern und dadurch entweder eine Kompensation des Astigmatismus oder eine Ablenkung des Strahles hervorzurufen.

Fig. 8 zeigt eine Linse, deren Gehäuseboden 13 aus magnetisch leitendem, elektrisch isolierendem Material, beispielsweise aus Ferrit, besteht. Im Boden 13 ist der Stift 14 gehaltert. Dieser Stift kann zur Erzielung einer elektrostatischen Ablenkwirkung unterteilt sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zur Erhöhung der Konzentration des Strahles 6 eine positive Spannung an den Stift 14 gelegt. Der magnetischen P Pokussierungslinse ist damit eine elektrostatische Beschleunigungslinse überlagert.

Fig. 9 zeigt eine elektro-magnetische Fokussierungslinse, bei welcher der obere Polschuh 33 einen Spalt 26 bildet. Die Linse ist mit zwei getrennten Wicklungen 27 und 28 versehen und der Mantel der Linse weist die Schlitze 29 und 3O auf. Durch diese Schlitze kann das zu bearbeitende Objekt zu- und abgeführt werden. Dem Polschuh 33 stehen mehrere Stifte, z.B. die

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Stifte 31 und 32 gegenüber. Diese Stifte können, wie das Beispiel der Stifte 31 und 32 zeigt, verschieden dick sein. Sie können auch in verschiedener Höhe enden und am Ende länglich geformt sein. Auf diese Weise ist eine Flußregelung und eine Kompensation des Astigmatismus an jedem Stift möglich.

Die in Fig. 9 dargestellte Mehrfachlinse findet vor allem dann Verwendung, wenn mehrere Strahlerzeugungssysteme vorgesehen sind. Jeder der Stifte bildet dann eine Fokussierungslinse, sodaß also an einem Objekt zu gleicher Zeit mehrere Bearbeitungen durchgeführt werden können. "

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Materialbearbeitung mittels eines KorpuskularStrahles, bei welchem zur Fokussierung des Strahles eine ladungsträger-optische Linse verwendet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennfleck des Strahles und das zu bearbeitende Objekt in das axiale Feldmaximum oder in unmittelbare Nähe des Maximums gelegt werden.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine magnetische Fdkussierungslinse auf der der Strahlquelle zugewandten Seite einen durchbohrten Polschuh und auf der der Strahlseite abgewandten Seite einen dem durchbohrten Polschuh gegenüberstehenden Stift aus magnetischem Material aufweist, auf dem das zu bearbeitende Objekt angeordnet ist.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift zugespitzt ist.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift zur Regelung der Linsenbrennweite axial verschiebbar angeordnet ist.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift zur Erzielung einer Ablenkwirkung eine exzentrisch gelagerte Spitze aufweist und drehbar angeordnet ist.

Vorrichtung nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des Astigmatismus das Oberteil des Stiftes einen länglichen Querschnitt aufweist.

Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift durchbohrt und in der Bohrung eine Auffangelektrode angeordnet ist.

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Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift elektrisch isoliert gehaltert und mit einer Anordnung verbunden ist, die das Auftreffen des Strahles auf den Stift anzeigt und/oder dabei den Strahl abschaltet öder das Werkstück weiterbewegt.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift sektorenförmig unterteilt ist und daß jeder dieser Sektoren mit einer Zusatzwicklung versehen ist.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift elektrisch isoliert gehaltert ist und daß an ihm ein vom Potential des oberen Polschuhs verschiedenes Potential gelegt ist.

Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift in elektrisch voneinander isolierte Sektoren unterteilt ist, die zu Ablenkzwecken an unterschiedlichen Spannungen liegen.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem durchbohrten Polschuh einer magnetischen Linse mehrere Stifte gegenüberstehen.

Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte verschieden dick sind.

Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte in verschiedener Höhe enden.

Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stift eine Zusatzwicklung trägt.

Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daS die Durchbohrung des der Strahlquelle zugewandten Polschuhes eis Spalt ausgebildat ist.

ORIGINAL INSPECTED

Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 16, gekennzeichnet durch eine elektro-magnetische Fokussierungslinse, deren Wicklung zweiteilig ausgebildet ist_# und deren Spulentopf zwei zwischen den Wicklungsteilen angeordnete, einander gegenüberliegende Durchbrüche aufweist, die zur Zu- und Abführung des zu bearbeitenden Objektes dienen.

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