DE1515200C3 - Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahls - Google Patents

Description

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im Brennfleck des Strahles zu erreichen. Diese er- den, indem man den Stift so ausbildet, daß sein Oberreichbare Leistungsdichte ist in vielen Fällen zu ge- teil einen länglichen Querschnitt aufweist,
ring, so daß unerwünscht lange Bearbeitungszeiten Da der Ladungsträgerstrahl z. B, nach dem Durchnotwendig werden. bohren bzw. Durchschweißen eines Werkstückes auf

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu- 5 den Stift auftrifft, ist es vorteilhaft, den Stift zu durch-

grunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bohren und in der Bohrung eine Auffangelektrode

in der Weise auszubilden, daß im Brennfleck eine anzuordnen. Mit dieser Auffangelektrode wird

höhere Leistungsdichte zu erreichen ist als bei der zweckmäßig eine Anordnung verbunden, die das

Verwendung der üblichen ladungsträger-optischen Auftreffen des Strahls meldet und/oder den Strahl

Linsen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß da- io abschaltet bzw. das Werkstück weiterbewegt, sobald

durch gelöst, daß die Bearbeitungsstelle im Bereich der Strahl auf die Auffangelektrode auf trifft. Es ist

oder in der Nähe des axialen Feldstärkemaximums auch möglich, den Stift elektrisch isoliert zu lagern

der Linse angeordnet ist. Auf Grund dieser Maß- und ihn selbst als Auffangelektrode zu verwenden,

nähme wird eine Vergrößerung der nutzbaren Strahl- Es kann auch vorteilhaft sein, den Stift sektoren-

apertur und damit eine maximale Strahlstromdichte 15 förmig zu unterteilen und jeden dieser Sektoren mit

im Brennfleck erreicht. einer Zusatzwicklung zu versehen. Auf diese Weise

Wie Untersuchungen erwiesen haben, ist der Öff- können Ablenkwirkungen erzielt werden; es ist auch

nungsfehler z. B. einer zur Fokussierung eines La- möglich, den Astigmatismus auf diese Weise zu kom-

dungsträgerstrahls auf das zu bearbeitende Werkstück pensieren,

verwendeten magnetischen Linse dann am kleinsten, 20 Werden mehrere Strahlerzeugungssysteme verwenwenn die Feldstärke ihr axiales Maximum in der Be- det, so ist es vorteilhaft, dem durchbohrten Polschuh arbeitungsstelle am Werkstück bzw. im Brennfleck der Linse mehrere Stifte gegenüberzustellen. Diese besitzt. Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Vor- Stifte können verschieden dick sein oder in verschierichtung ist daher sowohl eine Verringerung bzw. eine dener Höhe enden. Es ist auch möglich, jeden dieser Minimalisierung des Öffnungsfehlers einer solchen 25 Stifte mit einer Zusatzwicklung zu versehen. Dadurch Linse als auch eine Vergrößerung der Strahlapertur stellt jeder Stift für sich eine einzelne Linse dar, degewährleistet. Bei großer Apertur des bearbeitenden ren Wirkung von der Wirkung der anderen einzelnen Ladungsträgerstrahlenbündels wird aber auch ein Linsen verschieden sein kann,
entsprechend höherer Strahlstrom erzielt, da dieser Für die Zwecke der Materialbearbeitung wird man Strom, wie weiter oben bereits erläutert worden ist, 30 eine elektromagnetische Fokussierungslinse verwenproportional dem Quadrat der Strahlapertur ist. In- den und deren Wicklung zweiteilig ausbilden. Der folgedessen lassen sich bei der erfindungsgemäßen Spulentopf wird dann mit zwei zwischen den Wick-Vorrichtung die angestrebten maximalen Leistungs- lungsteilen eingeordneten, einander gegenüberliegendichten an Bearbeitungsstellen auf Werkstücksober- den Bohrungen oder Schlitzen versehen, die zur Zuflächen erhalten, wie sie vor allem bei den verschie- 35 und Abführung des zu bearbeitenden Objektes dienen, densten Problemen der abtragenden Materialbearbei- Die Vorrichtung nach der Erfindung wird im foltung erwünscht sind. genden an Hand der lediglich Ausführungsbeispiele

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weist darstellenden F i g. 1 bis 9 näher erläutert. Dabei zeigt

eine magnetische Fokussierungslinse auf ihrer der F i g. 1 einen Schnitt durch eine Fokussierungs-

Strahlquelle zugewandten Seite einen durchbohrten 40 linse,

Polschuh und auf ihrer der Strahlquelle abgewandten F i g. 2 einen um 90° gegen den in F i g. 1 darge-

Seite einen dem durchbohrten Polschuh gegenüber- stellten Schnitt versetzten Schnitt durch die Linse,

stehenden Stift aus magnetischem Material auf, auf Fig. 3.und 4 jeweils einen Schnitt durch weitere

dem das zu bearbeitende Objekt angeordnet ist. Da- Ausführungsbeispiele,

durch wird erreicht, daß das Feldstärkemaximum in 45 F i g. 5 einen Schnitt durch eine mit durchbohrtem

unmittelbarer Nähe des Objektes liegt. Die maximale Stift versehene Linse,

Feldstärke einer solchen Linse ist bei gleichen Am- F i g. 6 eine Ansicht eines in Sektoren unterteilten

perewindungszahlen höher als bei normalen Pol- Stiftes,

schuhlinsen. F i g. 7 die Draufsicht des in F i g. 6 dargestellten

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann 50 Stiftes,

ferner ein an seinem oberen Ende flach oder konkav F i g. 8 einen Schnitt durch eine elektromagnetische ■oder konvex geformter Stift verwendet werden, es Linse, der eine elektrische Linse überlagert ist,
ist jedoch vorteilhaft, den Stift zuzuspitzen, damit ein F i g. 9 eine perspektivische Ansicht einer Fokusmöglichst hohes Feldstärkemaximum erreicht wird. sierungslinse mit mehreren Stiften.

Es ist auch möglich und in vielen Fällen vorteil- 55 In F i g. 1 ist mit 1 eine elektromagnetische Fokushaft, den Stift durch ein Material zu halten, das ma- sierungslinse bezeichnet, welche den der Strahlquelle gnetisch möglichst leitfähig ist, aber elektrisch iso- zugewandten Polschuh 2 aufweist. Diesem Polschuh lierend wirkt und zwischen oberem Polschuh und ist ein Stift 3 aus magnetischem Material gegenüber-Stift eine elektrische Spannung anzulegen. Auf diese gestellt. Die Linse ist mit einer oberen Wicklung 4 Weise wird der magnetischen Linse eine elektrische 60 und einer unteren Wicklung 5 versehen. Ein Korpusüberlagert, kularstrahl 6, beispielsweise ein Elektronenstrahl,

Zur Regelung der Linsenbrennweite ist es zweck- wird durch diese Linse auf das zu bearbeitende Obmäßig, den Stift axial verschiebbar anzuordnen. jekt 7 fokussiert, welches auf dem Stift 3 angeordnet Weiterhin kann es in vielen Fällen vorteilhaft sein, ist. Wie F i g. 2 zeigt, ist der Mantel der Linse 1 mit wenn der Stift zur Erzielung einer Ablenkwirkung 65 zwei gegenüberliegenden Schlitzen 8 und 9 versehen, eine exzentrisch gelagerte Spitze aufweist und dreh- welche zur Zu- und Abführung des zu bearbeitenden bar angeordnet ist. In diesem Fall kann auch der Objektes 7 dienen.
Astigmatismus in gewissem Umfang kompensiert wer- Die in Fig. 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 B ohrung 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.

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 Fokussierungslinse ist damit eine elektrostatische Beschleunigungslinse überlagert, wobei der Stift 14 die eine Linsenelektrode und der obere Polschuh 2 die andere Linsenelektrode bildet.

F i g. 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 (13)

I 2 Patentansprüche:' }4' Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch r gekennzeichnet, daß die Stifte m verschiedener

1. Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Höhe enden.

eines Ladungsträgerstrahls mit einer ladungs- 15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch

träger-optischen Linse zur Fokussierung des 5 gekennzeichnet, daß jeder Stift eine Zusatzwick-

Strahls zu einem an der Bearbeitungsstelle liegen- lung trägt.

den Brennneck, dadurch gekennzeich- 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 net, daß die Bearbeitungsstelle im Bereich oder . bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchin der Nähe des axialen Feldstärkemaximums der bohrung des der Strahlquelle zugewandten Pol-Linse angeordnet ist. io schuhes als Spalt (26) ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 kennzeichnet, daß eine magnetische Fokussie- bis 16, gekennzeichnet durch eine elektromagnerungslinse (1; 25) auf ihrer der Strahlquelle zu- tische Fokussierungslinse, deren Wicklung (4, 5; gewandten Seite einen durchbohrten Polschuh 27, 28) zweiteilig ausgebildet ist und deren (2; 33) und auf ihrer der Strahlseite abgewandten 15 Spulentopf zwei zwischen den Wicklungsteilen Seite einen dem durchgebohrten Polschuh gegen- angeordnete, einander gegenüberliegende Durchüberstehenden Stift (3; 10; 12; 15; 19 bis 22; 14; brüche (8, 9; 29, 30) aufweist, die zur Zu- und 31, 32) aus magnetischem Material aufweist, auf Abführung des zu bearbeitenden Objektes (7) dem das zu bearbeitende Objekt (7) angeord- dienen. .

net ist. 20

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

ist (F i g. 2 bis 4). Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mate-

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- rialbearbeitung mittels eines Ladungsträgerstrahls mit kennzeichnet, daß der Stift (10) zur Regelung der 35 einer ladungsträger-optischen Linse zur Fokussierung Linsenbrennweite axial verschiebbar angeordnet des Strahls zu einem an der Bearbeitungsstelle liegenist (F i g. 3). den Brennfleck.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- Bei der Materialbearbeitung mittels eines Ladungskennzeichnet, daß der Stift (12) zur Erzielung trägerstrahls kommt es wesentlich darauf . an, in einer Ablenkwirkung eine exzentrisch gelagerte 30 einen Brennfleck mit vorgegebenem Radius r eine Spitze aufweist und drehbar angeordnet ist möglichst hohe Leistungsdichte zu konzentrieren. Zu (F i g. 4). diesem Zweck wird der von einem Strahlerzeugungs-

6. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 5, da- system ausgehende Ladungsträgerstrahl üblicherweise durch gekennzeichnet^ daß zur Kompensation mit einer elektromagnetischen Linse auf das zu bedes Astigmatismus das Oberteil des Stiftes (12) 35 arbeitende Werkstück fokussiert, bei der das fokuseinen länglichen Querschnitt aufweist. sierende Feld zwischen zwei konzentrischen, zentrisch

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 durchbohrten Polschuhen erzeugt wird, bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (15) _{Die Leistungsdichte ist gegeben du}rch durchbohrt und m der Bohrung (16) eine Auffangelektrode (17) angeordnet ist (Fig. 5). 4° N _ JU

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 ~^T ~ _ _{# fi} · bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift elektrisch isoliert gehaltert und mit einer Anordnung Die Höhe der Beschleunigungsspannung U wird verbunden ist, die das Auftreffen des Strahls (6) sinnvollerweise von vornherein so hoch gewählt, wie auf den Stift anzeigt und/oder dabei den Strahl 45 es der wirtschaftliche und technische Aufwand verabschaltet oder das Werkstück (7) weiterbewegt. riünftig erscheinen läßt. Der durch die Fläche π r²

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- hindurchgehende Strom / ist vom Quadrat der kennzeichnet, daß der Stift (19 bis 22) Sektoren- Strahlapertur α im Brennfleck abhängig. Für gegebene förmig unterteilt ist und daß jeder dieser Sek- Beschleunigungsspannung U und gegebene Temperatoren (19, 20, 21, 22) mit einer Zusatzwicklung 5° tür T_K der Kathode ist nämlich der Richtstrahlwert (23, 24) versehen ist (F i g. 6 und 7).

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- ^ _ ^ kennzeichnet, daß der Stift (14) elektrisch ge- πΓ²πα'-' haltert ist und daß an ihn ein vom Potential des

oberen Polschuhs (2) verschiedenes Potential ge- 55 für einen gegebenen Strahlerzeuger eine Konstante,

legt ist (Fig. 8). Hieraus folgt:

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch . j _ υ_π2/·2_α2 gekennzeichnet, daß der Stift in elektrisch von- ' '

einander isolierte Sektoren unterteilt ist, die zu also die Abhängigkeit des Stromes/ vom Quadrat Ablenkzwecken an unterschiedlichen Spannungen ^6o der Apertur. Die Größe der nutzbaren Apertur α ist

liegen. nun im wesentlichen vom öffnungsfehler der Fokus-

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- sierungslinse abhängig. Wächst α bei gegebenem öffkennzeichnet, daß dem durchbohrten Polschuh nungsfehler über eine bestimmte Größe, so tragen (33) einer magnetischen Linse (25) mehrere Stifte die dazugehörigen Strahlen nicht mehr zur Erhöhung (31, 32) gegenüberstehen (F i g. 9). ⁶5 des Stromes im Brennfleck bei. Aus diesem Grunde

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch ist bei den üblicherweise verwendeten elektromagnegekennzeichnet, daß die Stifte verschieden dick tischen Linsen nur eine bestimmte, von der Größe sind. der nutzbaren Apertur α abhängige Leistungsdichte