DE1690626C3

DE1690626C3 - Verfahren und Anordnung zur Steuerung des Elektronenstrahles einer Elektronenstrahlanlage

Info

Publication number: DE1690626C3
Application number: DE1690626A
Authority: DE
Inventors: Shingo Imura; Kazumitsu Tanaka
Original assignee: Nihon Denshi KK
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1966-08-16
Filing date: 1967-08-16
Publication date: 1979-02-08
Also published as: DE1690626B2; US3513285A; FR1533755A; DE1690626A1; GB1201383A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Heranführen des Elektronenstrahls einer Elektronenstrahlanlage an einen BearbeitungspunLt eines Werkstücks, bei dem bei Übereinstimmung des Abtastpunktes des Elektronenstrahls mit einem im Abstand vom Bearbeitungspunkt befindlichen, markierten Bezugspunkt ein Signal durch einen Detektor zur Bestimmung der Ausgangslage für die Bearbeitung aufgenommen wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 31 12 391 bekannt. Der markierte Bezugspunkt, der die Gestalt einer öffnung hat, befindet sich beim bekannten Verfahren auf einem Werkstücksträger unmittelbar neben miteinander zu verschweißenden Werkstücken und hat einen Abstand vom Bearbeitungspunkt. Durch Bewegung der Elektronenstrahlquelle relativ zum Werkstücksträger wird die Elektronenstrahlquelle genau über dem markierten Bezugspunkt angeordnet Ein Signal zeigt dann an, daß die Justierung der Elektronenstrahlquelle relativ zum Werkstücksträger beendet ist Dann wird die Elektronenstrahlquelle über den zwar genau gemessenen Abstand verschoben. Die Positionierung des Elektronenstrahls relativ zum Werkstück erfolgt somit beim bekannten Verfahren lediglich indirekt über die Justierung des Werkstücksträgers.
Aus der US-PS 29 89 614 ist es bekannt, ein Werkstück mit Hilfe eines Strahles geladener Teilchen in Abhängigkeit von einem gespeicherten Programm zu bearbeiten. Es fehlt jedoch bei diesem bekannten Verfahren die Ermittlung der Abweichung der Werkstückslage von der Sollposition vor der eigentlichen Bearbeitung.

Aus der deutschen Patentschrift 10 72 763 ist es bekannt, bei einem Schweißverfahren zunächst das Werkstück mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahls verringerter Intensität abzutasten und dann, wenn er einen Bearbeitungspunkt erreicht hat, ein Signal zu erzeugen, welches die Strahlintensität für die anschließende Bearbeitung erhöht. Ein Hinweis daraut, wie der Ladungsträgerstrahl an den betreffenden Bearbeitungspunkt herangeführt wird, ist der deutschen Patentschrift

to 10 72 763 nicht zu entnehmen.

Bekannt ist außerdem, den Bearbeitungspunkt dadurch festzulegen, daß eine Abbildung der Werkstücksoberfläche durch Bestrahlung des Werkstücks mit einem Elektronenstrahl erzeugt wird. Zu diesem Zweck

» wird ein Schirmbild verwendet. Aufgrund der Eigenschaften des Schirms läßt sich mit dieser Maßnahme jedoch keine größere Genauigkeit als 10 μπι erreichen. Außerdem wird aufgrund der Strahlablenkung das zwischengelegte Bild undeutlich.

■to Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Heranführen eines Elektronenstrahls einer Elektronenstrahlanlage an den Bearbeitungspunkt eines Werkstücks zu schaffen, bei dem Abweichungen der Lage des markierten Bezugspunktes von einem bei der nachfolgenden Bearbeitung verwendeten gespeicherten Koordinatensystem berücksichtigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 ein Blockschaltbild,
F i g. 2 eine schematische Darstellung von Werkstück

γ-, und einzustellendem Bearbeitungspunkt,

Fig.3 schematisch ein Werkstück, auf dem vier Bezugspunkte markiert sind, und

Fig.4 ein Blockschaltdiagramm für die Abtastung der in Fig.3 dargestellten Bezugspunkte auf dem

to Werkstück.

Wie aus F i g. 1 zu entnehmen ist, ist innerhalb eines Gehäuses 1 einer Elektronenstrahlanlage ein Werkstück 5 angeordnet. Eine Elektronenkanone 2 erzeugt einen Elektronenstrahl, der durch eine Fokussierlinse 3

h^r) und durch eine Ablenkspule 4 auf das Werkstück 5 fokussiert wird. Das Werkstück soll einer bestimmten Behandlung, beispielsweise Fräsen oder Bohren, unterzogen werden. Als Bezugspunkt für das Heranführen

des Elektronenstrahls an den Bearbeitungspunkt ist eine Bohrung oder eine Randschicht vorgesehen. Solange der Bezugspunkt beim Abtasten des Werkstücks mit dem Elektronenstrahl noch nicht erfaßt wird, ist die Strahlintensität gegenüber der bei der eigentlichen Bearbeitung verringert Bei Übereinstimmung des markierten Bezugspunktes mit dem Abtastpunkt des Elektronenstrahls wird ein Signal von einem Detektor 6 abgegeben und über einen Verstärker 7 an einen Komparator 8 weitergegeben. Dieser Komparator gibt dann ein Signal an einen elektronischen Digital-Rechner 9 weiter.

Gemäß der vorliegenden Erfindung speichert der Digitalrechner 9 die Koordinaten eines Bearbeitungspunktes in einem Koordinatensystem, die daraufhin mit den dem Bezugspunkt entsprechenden Koordinaten gemäß dem Signal verglichen werden. Daraufhin wird df*r errechnete Verschiebewert zwischen dem Bearbeitungs- und dem Bezugspunkt genau in einrn proportionalen Strom umgewandelt und dieser den Beugungsspulen für die X- und Y- Richtung des Elektronenstrahls zugeführt Auf diese Weiss wird die Position des Werkstücks relativ zum Elektronenstrahl elektrisch durch Strahlablenkung gesteuert. Mit demselben Effekt kann der dem Verschiebewert entsprechende Strom einem Verstellmechanismus für das Werkstück zugeführt werden. Bei der Feststellung des Bezugspunktes wird der Elektronenstrahl digital gesteuert durch Digital-Analog-Wandler 10 und 11, deren Ausgang durch Verstärker 12, 13 verstärkt wird und den Ablenkspulen 4 für die X- und y-Richtung zugeführt wird. Auf die gleiche Weise werden die Befehle für die Zu- oder Abnahme der Strahlintensität vom Elektronenrechner über einen Digital-Analog-Wandler 15 und einen Verstärker 16 der Elektronenstrahlkanone 2 zugeführt. Nach der Bestätigung durch den Elektronenrechner 9, daß der Elektronenstrahl mit dem Bearbeitungspunkt zur Deckung gebracht ist wird die Strahlintensität entsprechend dem Befehl des Elektronenrechners für den eigentlichen Bearbeitungsvorgang gesteigert.

In F i g. 2 ist mit voll ausgezogenen Linien 28 ein Werkstückmuster dargestellt, auf dem ein theoretischer Bezugspunkt 21 festgelegt ist. Die Koordinaten dieses Bezugspunktes werden im Elektronenrechner 9 gespeichert und als Ursprung des Koordinatensystems eingesetzt. Weiterhin ist von vornherein die theoretische Position eines Bearbeitungspunktes 23 zusammen mit der Bearbeitungsart im Elektronenrechner 9 gespeichert. Das Werkstück wird nun innerhalb des Gehäuses der Elektronenstrahlanlage befestigt. Dabei ist es äußerst schwierig, den markierten Bezugspunkt 21a des Werkstücks mit dem theoretischen Bezugspunkt, der als Ursprung des Koordinatensystems gewählt ist, zur Übereinstimmung zu bringen. In Fi g. 2 .zeigt das gestrichelt gezeichnete Quadrat 25 die Lage des Werkstücks mit der tatsächlichen Position des Bearbeitungspunktes 23a. Es ist zu erkennen, daß der Bezugspunkt 21a des Werkstücks gegenüber dem Ursprung 21 des im Rechner gespeicherten Koordinatensystems verschoben ist und daß deshalb eine Feststellung der Lage des Bezugspunktes durch Bestrahlung des Werkstückes mit dem Elektronenstrahl erforderlich ist. Während dieses Feststellvorganges ist die Strahlintensität nicht ausreichend, um i'ine Bearbeitung des Werkstücks vorzunehmen. Die Digital-Analog-Wandler 10 und 11 werden so eingestellt, daß sie der Beueuneslinse 4 elektrischen Strom in einer Größe zuführen, der die intermittierende Bestrahlung des Werkstücks gemäß den Befehlen des Digitalrechners 9 bewirkt Beim Auftreffen des Strahles auf den Bezugspunkt 21a, d.h. an dem Punkt, an dem sich Koordinatenlinien X\ und Y\ schneiden, wird das entsprechend abgegebene Signal von dem Detektor erfaßt und dem Komparator 8 zugeführt In diesem wird es verglichen und dem Elektronenrechner 9 weitergeleitet Der Elektronenrechner bestätigt daraufhin die

ίο Position, in der der Elektronenstrahl auf den Bezugspunkt 21a auftrifft Die erforderlichen Verschiebewerte für das Werkstück sind demzufolge X\ und Y\, die in das im Rechner 9 gespeicherte Koordinatensystem eingebracht werden, um dessen Ursprung mit dem Bezugspunkt 21a zur Deckung zu bringen. Dazu werden die Verschiebewerte in einen ihnen proportionalen Strom oder eine proportionale Spannung gewandelt und entweder der Beugungslinse 4 oder einem Verstellmechanismus 14 zugeleitet Als Ergebnis wird nun der Elektronenstrahl elektrisch gesteuert, um entsprechend den Anweisungen des Rechners den Bearbeitungspunkt 23a zu bestrahlen. Hierzu wird die Strahlintensität automatisch gesteigert, um entsprechend dem gespeicherten Bearbeitungsvorgang die Bearbeitung vorzunehmen.

Um die Suche nach dem Bezugspunkt zu vereinfachen, kann der Beslrahlungsbereich des Werkstücks in mehrere kleine Bereiche unterteilt sein. Wenn in einem der kleinen Bereiche der Bezugspunkt nicht vorhanden

w ist, wird das Werkstück entsprechend einem Befehl durch den Rechner weiterbewegt und die Suche nach dem Bezugspunkt durch Bestrahlung eines weiteren der kleinen Bereiche fortgesetzt.

Es ist auch möglich, die Koordinatenlage des

j-, Bezugspunktes zu Beginn oder nach Beendigung des ersten Bearbeitungsvorganges zu markieren und die Lage im Rechner zu speichern.

Die bisherigen Ausführungen waren auf die Verwendung eines einzigen Bezugspunktes gerichtet. Es ist jedoch vorteilhaft, zwei oder mehrere Bezugspunkte zu wählen, wenn die Werkstückbewegung eine Rotation ist. In diesem Fall wird der Drehwinkel durch den Rechner 9 auf gleiche Weise wie bei Anwendung eines einzigen Bezugspunktes errechnet und anschließend der

■π entsprechende Kompensationsstrom oder die entsprechende Kompensationsspannung der Beugungslinse zugeführt.

In Fig.3 sind auf dem Werkstück zwei Sätze von Bezugsstellen dargestellt, wobei die Bezugsstellen jedes

κι Satzes um einen Abstand / auseinanderliegen. Fs hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Bezugsstellen die Form von Längsnuten zu geben. Außerdem kann durch die Wahl zweier Sätze von Bezugsstellen der Fehler bei der Identifizierung der Bezugsstellen, der auf Grund von

r> Sprüngen oder Lunkern entsteht, vermieden werden. In Fig.4 ist ein Komparatorkreis 41 dargestellt, der zur Feststellung der Signale dieser Art von Bezugsstellen geeignet ist Bei der Bestrahlung des Werkstücks mit dem Elektronenstrahl wird das Signal der Bezugsstelle

bo A durch einen Detektor 42 abgetastet und durch einen Verstärker 43 verstärkt. Das verstärkte Signal wird dann aufgespalten und einem Verzögerungskreis 44 und einem Und-Gatter 45 zugeführt. Dar Verzögerungskreis

verzögert das Signal um einen Betrag von Sekunden,

wobei / der bereits erwähnte Abstand zwischen den Bezugsstellen A und Sund ν die Strahlgeschwindigkeit des Elektronenstrahles ist. Wenn als nächstes der

Elektronenstrahl die Bezugsstelle B bestrahlt, wird das entsprechende Signal wiederum durch den Detektor 42 abgenommen und dem Komparator 41 über den Verstärker 43 zugeführt. Das Signal wird erneui aufgespalten und dem Verzögerungskreis 44 und dem Und-Gatter 45 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Signal entsprechend der Bezugsstelle A — verzögert

um den Betrag von _r Sekunden — dem Und-Gatter 45 zugeleitet und dadurch in diesem ein Ausgangssignal erzeugt. Ein Digitalrechner 46 speichert die Position der Bezugsstelle B entsprechend dem Ausgangssignal aus dem Und-Gatter 45. Sobald die Position der Bezugsstel

le B mit der ursprünglichen Position, die im Rechner 46 voreingestellt ist, übereinstimmt, erteilt dieser einen Befehl zur Werkstückbearbeitung, so daß ein entsprechender Strom der Elektronc-nstrahlkanone zur Strahl-) intisitätserhöhung zugeführt wird. Auf der voreingestellten, gespeicherten Position im Koordinatensystem des Rechners wird der Verschiebewert berechnet und der entsprechende Kompensaüonsstrom oder die entsprechende Kompensationsspannung der Beugelinse κι 4 zugeführt.

Wenn die Bewegung des Werstückes eine Drehung ist, werden die Bezugsstellen C und D zur Errechnung des Drehwinkels verwendet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Heranführen des Elektronenstrahls einer Elektronenstrahlanlage an einen Bearbeitungspunkt eines Werkstücks, bei dem bei Übereinstimmung des Abtastpunktes des Elektronenstrahls mit einem im Abstand vom Bearbeitungspunkt befindlichen, markierten Bezugspunkt ein Signal durch einen Detektor zur Bestimmung der Ausgangslage für die Bearbeitung aufgenommen wird, gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen:

a) das Werkstück (5) trägt mindestens einen markierten Bezugspunkt (21a,) und wird durch den Elektronenstrahl mit verringerter Strahlintensität abgetastet,

b) das vom Detektor aufgenommene Signal wird einem elektronischen Digitalrechner (9) zugeführt, der die Koordinaten eines theoretischen Bezugspunktes gespeichert enthält,

c) nach Errechnung des erforderlichen Verschiebeweges aus den gespeicherten Koordinaten des theoretischen Bezugspunktes (21) und den Koordinaten des markierten Bezugspunktes (2\a) wird aus den ebenfalls gespeicherten Koordinaten des theoretischen Bearbeitungspunktes (23) dessen tatsächliche Lage ermittelt,

d) dieser entsprechende Steuergrößen werden über Digital-Analog-Wandler (10, 11, 15) der Elektronenstrahlanlage zur Steuerung der Relativbewegung zwischen Elektronenstrahl und Werkstück (5) zugeführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Digital-Analog-Wandler (10, U, 15) analoge Ströme oder Spannungen einer Ablenkspule (4) der Elektronenstrahlanlage (2) zugeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Satz von markierten Bezugspunkten das vom Detektor (6) abgegebene Signal für die Übereinstimmung des Elektronenstrahles mit einem ersten Bezugspunkt (A) einem Komparator (41) zugeleitet wird, der aus einem Verzögerungskreis (44) und einem Und-Gatter (45) besteht, wobei der Verzögerungskreis (44) die Weitergabe dieses Signals an das Und-Gatter (45) um einen Zeitbetrag verzögert, der gleich der Zeit ist, um ein bei Übereinstimmung des Elektronenstrahls mit einem zweiten Bezugspunkt (B) vom Detektor abgegebenes Signal unmittelbar dem Und-Gatter zuzuleiten.