DE1515200B2

DE1515200B2 - Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahls

Info

Publication number: DE1515200B2
Application number: DE1515200A
Authority: DE
Inventors: Edgar Dr. 8031 Gilching Meyer
Original assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: Steigerwald Strahltecknik GmbH
Priority date: 1964-08-05
Filing date: 1964-08-05
Publication date: 1973-11-22
Also published as: BE667877A; SE322674B; NL6510195A; US3417224A; DE1515200A1; GB1086578A; NL154051B; DE1515200C3; AT263168B; CH436516A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahls mit einer ladungsträger-optischen Linse zur Fokussierung des Strahls zu einem an der Bearbeitungsstelle liegenden Brennfleck.

Bei der Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahls 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 Ladungsträgerstrahl üblicherweise mit einer elektromagnetischen 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

N_ F

JU

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 π r² hindurchgehende Strom / ist vom Quadrat der Strahlapertur α im Brennfleck abhängig. Für gegebene Beschleunigungsspannung U und gegebene Temperatur T_K der Kathode ist nämlich der Richtstrahlwert

R =

nr-ποί-

für einen gegebenen Strahlerzeuger eine Konstante. Hieraus folgt:

also die Abhängigkeit des Stromes / vom Quadrat der Apertur. Die Größe der nutzbaren Apertur α ist nun im wesentlichen vom öffnungsfehler der Fokussierungslinse abhängig. Wächst α bei gegebenem öffnungsfehler 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 elektromagnetischen Linsen nur eine bestimmte, von der Größe der nutzbaren Apertur α abhängige Leistungsdichte

im Brennfleck des Strahles zu erreichen. Diese erreichbare Leistungsdichte ist in vielen Fällen zu gering, so daß unerwünscht lange Bearbeitungszeiten notwendig werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugründe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art in der Weise auszubilden, daß im Brennfleck eine höhere Leistungsdichte zu erreichen ist als bei der Verwendung der üblichen ladungsträger-optischen Linsen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bearbeitungsstelle im Bereich oder in der Nähe des axialen Feldstärkemaximums der Linse angeordnet ist. Auf Grund dieser Maßnahme wird eine Vergrößerung der nutzbaren Strahlapertur und damit eine maximale Strahlstromdichte im Brennfleck erreicht.

Wie Untersuchungen erwiesen haben, ist der Öffnungsfehler z.B. einer zur Fokussierung eines Ladungsträgerstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück verwendeten magnetischen Linse dann am kleinsten, wenn die Feldstärke ihr axiales Maximum in der Bearbeitungsstelle am Werkstück bzw. im Brennfleck

■rf besitzt. Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung ist daher sowohl eine Verringerung bzw. eine Minimalisierung des Öffnungsfehlers einer solchen Linse als auch eine Vergrößerung der Strahlapertur gewährleistet. Bei großer Apertur des bearbeitenden Ladungsträgerstrahlenbündels wird aber auch ein entsprechend höherer Strahlstrom erzielt, da dieser Strom, wie weiter oben bereits erläutert worden ist, proportional dem Quadrat der Strahlapertur ist. Infolgedessen lassen sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die angestrebten maximalen Leistungsdichten an Bearbeitungsstellen auf Werkstücksoberflächen erhalten, wie sie vor allem bei den verschiedensten Problemen der abtragenden Materialbearbeitung erwünscht sind.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist eine magnetische Fokussierungslinse auf ihrer der Strahlquelle zugewandten Seite einen durchbohrten Polschuh und auf ihrer der Strahlquelle abgewandten Seite einen dem durchbohrten Polschuh gegenüberstehenden Stift aus magnetischem Material auf, auf

W); 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 PoI-

, schuhlinsen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ferner 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 vorteil-

; haft, den Stift durch ein Material zu halten, das ma-

! gnetisch möglichst leitfähig ist, aber elektrisch isolierend wirkt und zwischen oberem Polschuh und Stift eine elektrische Spannung anzulegen. Auf diese

j Weise wird der magnetischen Linse eine elektrische

überlagert.

j Zur Regelung der Linsenbrennweite ist es zweck-

; mäßig, 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 aufweist.

Da der Ladungsträgerstrahl z. B. nach dem Durchbohren bzw. Durchschweißen eines 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 Strahls meldet und/oder den Strahl abschaltet bzw. das Werkstück weiterbewegt, sobald der Strahl 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.

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 für sich eine einzelne Linse dar, deren Wirkung von der Wirkung der anderen einzelnen Linsen verschieden sein kann.

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

Die Vorrichtung nach der Erfindung wird im folgenden an Hand der lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden F i g. 1 bis 9 näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch eine Fokussierungslinse,

F i g. 2 einen um 90° gegen den in F i g. 1 dargestellten Schnitt versetzten Schnitt durch die Linse,

Fig. 3.und 4 jeweils einen Schnitt durch weitere Ausführungsbeispiele,

F i g. 5 einen Schnitt durch eine mit durchbohrtem Stift versehene Linse,

F i g. 6 eine Ansicht eines in Sektoren unterteilten Stiftes,

F i g. 7 die Draufsicht des in F i g. 6 dargestellten Stiftes,

F i g. 8 einen Schnitt durch eine elektromagnetische Linse, der eine elektrische Linse überlagert ist,

F i g. 9 eine perspektivische Ansicht einer Fokussierungslinse mit mehreren Stiften.

In F i g. 1 ist mit 1 eine elektromagnetische Fokussierungslinse 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. Ein Korpuskularstrahl 6, beispielsweise ein Elektronenstrahl, wird durch diese Linse auf das zu bearbeitende Objekt 7 fokussiert, welches auf dem Stift 3 angeordnet ist. Wie F i g. 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 F i g. 3 dargestellte elektromagnetische Fo-

kussierungslinse 1 weist einen Stift 10 auf, dessen oberer Teil zugespitzt ist und der mittels des Gewindes 11 axial verschiebbar angeordnet ist. Durch die Spitze des Stiftes 10 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 F i g. 4 dargestellten elektromagnetischen Fokussierungslinse 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.

F i g. 5 zeigt eine elektromagnetische Fokussierungslinse 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 F i g. 6 und 7 zeigen einen Stift, welcher in vier ■ Sektoren 19, 20, 21 und 22 unterteilt ist. Wie aus F i g. 6 hervorgeht, sind die Sektoren 19 und 20 jeweils mit Zusatzwicklungen 23 und 24 versehen. Ebenso tragen die Sektoren 21 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.

F i g. 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 Fokussierungslinse ist damit eine elektrostatische Beschleunigungslinse überlagert, wobei der Stift 14 die eine Linsenelektrode und der obere

ίο Polschuh 2 die andere Linsenelektrode bildet.

Fig. 9 zeigt eine elektromagnetische Fokussierungslinse 25, 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 30 auf. Durch diese Schlitze kann das zu bearbeitende Objekt zu- und abgeführt werden. Dem Polschuh 33 stehen mehrere Stifte, z. B. die 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 F i g. 9 dargestellte Mehrfachlinse findet vor allem dann Verwendung, wenn mehrere Strahlerzeugungssysteme vorgesehen sind. Jeder der Stifte bildet dann eine Fokussierungslinse, so daß also an einem Objekt zu gleicher Zeit mehrere Bearbeitungen durchgeführt werden können.

Patentschutz wird nur begehrt jeweils für die Gesamtheit der Merkmale eines jeden Anspruches, also einschließlich seiner Rückbeziehung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahls mit einer ladungsträger-optischen Linse zur Fokussierung des Strahls zu einem an der Bearbeitungsstelle liegenden Brennfleck, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitungsstelle im Bereich oder in der Nähe des axialen Feldstärkemaximums der Linse angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine magnetische Fokussierungslinse (1; 25) auf ihrer der Strahlquelle zugewandten Seite einen durchbohrten Polschuh (2; 33) und auf ihrer der Strahlseite abgewandten Seite einen dem durchgebohrten Polschuh gegenüberstehenden Stift (3; 10; 12; 15; 19 bis 22; 14; 31, 32) aus magnetischem Material aufweist, auf dem das zu bearbeitende Objekt (7) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (3; 10; 12) zugespitzt ist (Fig. 2 bis 4).

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (10) zur Regelung der Linsenbrennweite axial verschiebbar angeordnet ist (Fig. 3).

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (12) zur Erzielung einer Ablenkwirkung eine exzentrisch gelagerte Spitze aufweist und drehbar angeordnet ist (Fig. 4).

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des Astigmatismus das Oberteil des Stiftes (12) einen länglichen Querschnitt aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (15) durchbohrt und in der Bohrung (16) eine Auffangelektrode (17) angeordnet ist (F i g. 5).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift elektrisch isoliert gehaltert und mit einer Anordnung verbunden ist, die das Auftreffen des Strahls (6) auf den Stift anzeigt und/oder dabei den Strahl abschaltet oder das Werkstück (7) weiterbewegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (19 bis 22) sektorenförmig unterteilt ist und daß jeder dieser Sektoren (19, 20, 21, 22) mit einer Zusatzwicklung (23, 24) versehen ist (F i g. 6 und 7).

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (14) elektrisch gehaltert ist und daß an ihn ein vom Potential des oberen Polschuhs (2) verschiedenes Potential gelegt ist (Fig. 8).

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

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem durchbohrten Polschuh (33) einer magnetischen Linse (25) mehrere Stifte (31, 32) gegenüberstehen (F i g. 9).

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

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

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

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbohrung des der Strahlquelle zugewandten Polschuhes als Spalt (26) ausgebildet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, gekennzeichnet durch eine elektromagnetische Fokussierungslinse, deren Wicklung (4, 5; 27, 28) zweiteilig ausgebildet ist und deren Spulentopf zwei zwischen den Wicklungsteilen angeordnete, einander gegenüberliegende Durchbrüche (8, 9; 29, 30) aufweist, die zur Zu- und Abführung des zu bearbeitenden Objektes (7) dienen.