DE1940056A1

DE1940056A1 - Vorrichtung zur Freihaltung des Strahlweges und seiner Umgebung von stoerender Materie fuer Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschinen

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Publication number: DE1940056A1
Application number: DE19691940056
Authority: DE
Inventors: auf Nichtnennung M Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1969-08-06
Filing date: 1969-08-06
Publication date: 1971-03-25
Also published as: GB1313145A; FR2056665A5; US3622741A; DE1940056B2; DE1940056C3

Description

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Karl-Heinz Steigerwald

München

55

Haderunstraße la

München, 5. August 1969 Anwaltsakte M-8o3

Vorrichtung zur Freihaltung des Strahlweges und seiner Umgebung von störender Materie für Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschinen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung in Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschinen zur Freihaltung des Strahlweges des Arbeitsstrahls von Verunreinigungen, mit einer dem Arbeitsstrahl zugeordneten Blendeneinrichtung zum Auffangen von Verunreinigungen.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschinen kommt es an der Strahlauftreffstelle zum Verdampfen oder Verspratzen von Material, das dann in der Maschine als Verunreinigung störend in Erscheinung tritt und inbesondere in der Strahlquelle Hochspannungsüberschläge verursachen kann. Die dem Arbeitsstrahl üblicherweise zugeordneten Blendeneinrichtungen halten zwar einen großen Teil derartiger Verunreinigungen zurück, können jedoch die direkt im Strahlweg fliegenden Verunreinigungsteilchen nicht zurückhalten.

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Um die geschilderten Störungen zu vermeiden, ist vorgeschlagen · worden, den Arbeitsstrahl mit Hilfe besonderer Ablenkeinrichtungen durch axial gegeneinander versetzte Blenden zu leiten. Dabei werden dem Arbeitsstrahl Ablenkfehler aufgeprägt, die mit entsprechendem Aufwand kompensiert werden müssen, damit sich die Eigenschaften des Arbeitsflecks nicht verschlechtern. Andere Vorschläge zur Vermeidung der genannten Störung beziehen sich auf die Verwendung prismatischer Beschleunigungsstrecken, z.B. mit elektrostatischen Feldern mit gebogener oder gekippter Rotationsachse, oder von rotationssymmetrischen elektrostatischen Linsen, die den störenden Strom von Verunreinigungen aus dem Arbeitsstrahl herausfiltern sollen. Auch bei Anordnungen nach diesen Vorschlägen treten jedoch entscheidende Nachteile in Erscheinung. Bei prismatischen Beschleunigungsfeldern wird wohl die Kathode geschützt, nicht aber verhindert, daß Schmutz in die Beschleunigungsstrecke eindringt. Elektrostatische Linsenanordnungen wirken nur auf geladene Teilchen, und da der Isonisierungsgrad infolge der bei Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschinen sehr hohen Elektronengeschwindigkeit sehr gering ist, wird der gröAte Teil der neutralen Teilchen nicht herausgefiltert. ·

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Strahlquelle mit ein- f achen Mitteln in hoch wirksamer Weise vo» Verunreinigungen zu ι schützen.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch eine im Bereich des Strahlweges des Arbeitsstrahls wirksame Ioni- :

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ORIGINAL INSPECTED

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sierungseinrichtung und eine Ablenkeinrichtung zur Erzeugung eines im Bereich des Strahlweges wirksamen Ablenkfeldes für elektrisch geladene Teilchen, wobei die Ionisierungseinrichtung so ausgelegt ist, daß sie mit einer im Vergleich zum Arbeitsstrahl größeren Ionisierungswahrscheinlichkeit ionisierend auf atomare oder größere Teilchen einwirkt, und wobei die Ablenkeinrichtung so ausgelegt ist, daß sie auf elektrisch geladene Teilchen, die sich im Bereich thermischer Geschwindigkeiten bewegen, eine zur Entfernung dieser Teilchen aus dem Strahlweg des Arbeitsstrahles ausreichende Ablenkwirkung ausübt.und den Elektronenstrahl praktisch unbeeinflußt läßt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die Verwendung einer besonderen Ionisierungeeinrichtung mit hoher Ionisierungsrate erreicht, daß ein großer Anteil der zunächst nicht geladenen Verunreinigungsteilchen ionisiert wird. Diese ionisierten Teilchen können dann infolge ihrer relativ niedrigen, im wesentlichen thermischen Geschwindigkeiten leicht durch verhältnismäßig schwache Ablenkeinrichtungen, die auf die im Verhältnis schnellen Elektronen des Arbeitsstrahls keine merkliche Ablenkwirkung ausüben, wirksam aus dem Strahlweg des ArbeitsStrahls herausgelenkt und von der Blendeneinrichtung zurückgehalten werden.

^! Die Ionisierungseinrichtung kann in verschiedenster Weise ausge- j j führt werden, beispielsweise können ionisierende Strahlen wie Ultraviolett-Strahlung, langsame Elektronen oder dergleichen ver- j wendet werden. Auch die Ablenkeinrichtung kann in der verschiedensten Weise ausgeführt werden, beispielsweise mit Hilfe elek-

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trostatischer, elektromagnetischer oder magnetostatischer Ablenkeinheiten. Versuche bei üblichen Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschinen mit Strahlleistungen zwischen 1 und Io kW haben gezeigt, daß bei Verwendung von Ionisierungseinrichtungen, die mit langsamen Elektroden arbeiten, diese langsamen Elektronen im Strahlweg des ArbeitsStrahls über eine Strecke von Io cm mit einer

2
Stromdichte von 1 Ampere pro cm angewendet werden können, wobei sich gegenüber Anordnungen ohne zusätzliche Ionisierung eine entscheidende Verbesserung ,der Abscheidewirkung ergab. Ferner hat sich gezeigt, daß bei Verwendung von elektrostatischen Ablenkeinrichtungen sehr niedrige Ablenkspannungen, beispielsweise von wenigen loo V, verwendet werden können; bei derart niedrigen Ablenkspannungen werden Elektronen des Arbeitsstrahls, die z.B. Energien in der Größenordnung o,l MeV haben, nur unwesentlich abgelenkt, und die Eigenschaften des Arbeitsstrahls werden praktisch nicht verändert.

Ausgestaltungen der Erfindung, die insbesondere im Sinne einer Erhöhung der Ionisierungsrate und einer verstärkten Ablenkung von erfindungswesentlicher Bedeutung sein können, sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

ι Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen ■ in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen stark vereinfachten scheraatisehen Längsschnitt durch eine Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine mit Ablenkeinrichtungen, ,

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Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden schematischen Längsschnitt durch eine Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 eine den Fign. 1 und 2 entsprechende Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Bearbeitungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 eine gegenüber den Fign. 1 bis 3 vergrößerte Teildarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 5 eine quer zum Arbeitsstrahl genommene schematische Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 6 eine ebenfalls quer zum Arbeitsstrahl genommene schematische Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 7 eine wie in den Fign. 1 bis 3 im Axialschnitt des Strahls liegende Teildarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 8 eine senkrecht zum Strahl genommene schematische Schnittdarstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform,

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung der in Fig. 8 darge- , stellten Autführungsform, '

. 5 .109813/O7U _}

Fig. Io eine schematische Axialschnitt-Darstellung, einer weiteren Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte Elektronenstrahlmaschine enthält als wesentliche Bestandteile eine Kathode 2, eine Steuerelektrode 4, eine Anode 6 und eine Fokussxerungseinrxchtung 8. Der Arbeitsstrahl Io mit der Strahlachse 12 wird in der Fokussiereinrichtung 8 auf die Bearbeitungsstelle 14 eines zu bearbeitenden Werkstücks 16 fokussiert. Bei der Bearbeitung kann es sich beispielsweise um Fräsen, Bohren, Schneiden, Schweißen, Erwärmen, Vergüten und dergleichen handeln. Während der Bearbeitung werden vom Werkstück 16 insbesondere an der Bearbeitungsstelle 14 Stoffe abgegeben, beispielsweise okkludierte Gase, verdampftes Werkstückmaterial, wegspratzende Werkstückteilchen und dergleichen, die für den Strahlweg der Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine und insbesondere für deren Beschleunxgungsstrecke unerwünschte Verunreinigungen darstellen. Um den Strahlweg möglichst weitgehend von derartigen Verunreinigungen freizuhalten, ist eine Blendeneinrichtung vorgesehen, die im einfachsten Fall eine einzige Blende aufweist, z.B. die in den Figuren dargestellte Anodenblende 6. Vorteilhaft wird eine weitere Blende über dem Werkstück angebracht; in den Figuren Blende 18. Die dargestellte Maschine enthält ferner eine weitere Blende 2o unterhalb der Fokussxerungseinrxchtung 8. Die öffnungen der Blenden sind dem an der betreffenden Stelle des Strahlweges vorliegenden Strahldurchmesser angepaßt.

Die in Fig. 1 aufgestellte Maschine enthält ferner eine Ablenk-

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einrichtung für ionisierte Bestandteile der Verunreinigungen, und zwar ist hier die Ablenkeinrichtung als elektrostatische Ablenkeinrichtung ausgeführt und besteht aus zwei plattenförmigen Ablenkelektroden 22, 24, die längs des Strahlweges angeordnet und vorzugsweise auswechselbar ausgebildet sind. Die Ablenkelektroden können auch eine dem Strahlquerschnitt angepaßte gekrümmte Form haben. Die Potentiale der Ablenkelektroden 22 und 24 sind mit Ul bzw. U2 bezeichnet.· Diese Potentiale sind klein gegen die bei der Bildung des Arbeitsstrahls Io verwendete Beschleunigungsspannung, die zwischen dem Kathodensystem 2,4 und der Anode 6 zur Anwendung kommt und größenordnungsmäßig im Bereich loo kV liegen kann. Die Potentiale der Ablenkelektroden können beispielsweise Ul = 0 Volt und U2 = -loo Volt betragen. Bei Ablenkspannungen in dieser Größenordnung wird der aus verhältnismäßig schnellen Elektronen bestehende Arbeitsstrahl Io nicht merklich abgelenkt j da jedoch die Geschwindigkeiten der an der Bearbeitungsstelle IH freigesetzten Verunrexnxgungsteilchen verhältnismäßig niedrig und im wesentlichen durch die an der Bearbeitungsstelle herrschende Temperatur bestimmt sind, genügen derartige Ablenkspannungen, um ionisierte Verunreinigungsteilchen aus dem Strahlweg zu entfernen. Derartige Teilchen setzen sich dann entweder auf den Ablenkelektroden selbst oder auf anschließenden Blenden, z.B. der Blende 2o oder der Anodenblende 6, ab. Es ist klar, daß mit der angenommenen Polarität der Ablenkelektroden j

' positive Verunreinigungsteilchen im Sinne der Fig. 1 nach links j Ί und negative Verunrexnxgungsteilchen nach rechts abgelenkt werdenL

In jedem Fall ist die Ablenkeinrichtung so ausgebildet, daß sie über einen Teil des Strahlweges des ArbeitsStrahls Io ein quer

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zum Strahlweg ablenkendes Ablenkfeld erzeugt.

Um die Wirkung noch zu verbessern, sind bei der in Fig. 1 dargestellten Maschine mehrere Ablenkeinrichtungen vorgesehen, und zwar außer der schon beschriebenen Ablenkeinrichtung mit den Ablenkelektroden 22 und 2h noch eine zweite, oberhalb der Fokussiereinrichtung 8 angeordnete Ablenkeinrichtung mit den Elektroden 26 und 28. Um die Auswirkung der Ablenkeinrichtungen auf den Arbeitsstrahl Io zu verringern, kann die zweite Ablenkeinrichtung 26, 28 mit umgekehrter Polarität wie die erste Ablenkeinrichtung 22, 2f betrieben werden; beispielsweise kann die Ablenkelektrode 26 auf einem Potential U₃ = -3oo Volt und die Ablenkelektrode 28 auf einem Potential U₁. = 0 Volt liegen. Es sei ausdrücklich betont, daß die angegebenen Potentialwerte lediglich Beispiele sind und daß man in der Praxis vielfach mit geringeren Potentialen, beispielsweise in der Größenordnung loo V, durchaus zufriedenstellende Ablenkwirkungen erzielen kann, insbesondere bei Arbeitsstrahlen mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser, bei denen die Ablenkelektroden dicht aneinander gerückt werden können. Es versteht sich ferner, daß auch die Ablenkelektroden 26, 28 vorzugsweise auswechselbar sind; auch die Blende 2o und die Anodenblende 6 können auswechselbar ausgeführt sein.

Da die verhältnismäßig schnellen Elektronen des ArbeitsStrahls Io eine nur geringe Ionisierungswirkung ausüben, ist bei der in Fig. 2 dargestellten Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschine eine im Bereich des Strahlweges des Arbeitsstrahls Io wirksame Ionisierungseinrichtung vorgesehen, die so ausgelegt ist, daß sie auf

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die im Strahlweg befindlichen Verunreinigungsteilchen mit erheblich größerer Wahrscheinlichkeit ionisierend einwirkt als der Arbeitsstrahl Io. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die aus den Ablenkelektroden 22 und 2U bestehende erste Ablenkeinrichtung mit einer ersten Ionisierungseinrichtung 3o versehen, die hier schematisch als Ultraviolettstrahler 32 dargestellt ist. Die zweite Ablenkeinrichtung, die aus den Ablenkelektroden 26 und 28 besteht, ist mit einer zweiten Ionisierungseinrichtung 34 versehen, die hier als Hilfselektronenquelle 36 mit einer über Zuleitungen 38, Io betriebenen Hilfskathode 42 dargestellt ist. Die Ionisiereinrichtungen 3o und 34 sind jeweils in den von der Strahlquelle 2, 4, 6 entfernten Endbereichen der zugehörigen Ablenkeinrichtungen 22, 24 bzw. 26, 28 angeordnet. Dies entspricht-der Tatsache, daß die Flugrichtung der Verunreinigungsteilchen allgemein entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der Elektronen des Hauptstrahls Io liegt, also im Sinne der Fign. 1 und 2 von unten nach oben. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wirken die Ionisierungseinrichtungen 32, 34 durch Ausschnitte 42*: 44 in den Ablenkelektroden auf den vom Arbeitsstrahl Io durchsetzten Raum ein. In bezug auf die mit einer Hilfskathode 42 arbeitende zweite Ionisierungseinrichtung 34 bedeutet dies, daß man die von der Hilfskathode 42 emittierten Hilfselektronen im Ablenkfeld zwischen den Abl»*enkelektroden 26 und 28 beschleunigen kann. Zu diesem Zweck wird die Ablenkelektrode 26, durch deren Ausschnitt 44 die Hilfselektronen quer zum Strahl in den Strahlweg eintreten, auf relativ negativem Potential be-

, trieben. Zum Beispiel kann das Potential U3 der Ablenkelektrode 26 0 Volt betragen, wahrend das Potential U4 der Ablenkelektrode {

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28 plus loo Volt betragen kann. Statt die von der Hilfselektronen quelle emittierten Elektronen im Ablenkfeld zu beschleunigen, kann man auch der Hilfselektronenquelle ein eigenes Beschleunigungssystem zuordnen; derartige Ausführungsformen werden weiter unten noch beschrieben.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 enthält ebenfalls eine Blendeneinrichtung mit den Blenden 18 und 2o, wobei es insbesondere von Bedeutung ist, daß oberhalb und zwischen den einzelnen Ablenkeinrichtungen Blenden vorgesehen sind, nämlich die Blenden 2o und 6. Falls man ein Auswechseln der Anodenblende 6 vermeiden möchte, kann man der Anodenblende 6 noch eine auswechselbare Blende (nicht dargestellt) vorschalten.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung«form ist die erste lonisierungsvorrichtung 3o ebenfalls als Hilfselektronenquelle 46 mit einer Hilfskathode 48 ausgebildet; die Hilfskathode wird über Zuleitungen 5o und 52 betrieben. Um das Ablenkfeld der unteren oder ersten Ablenkeinrichtung 22, 24 möglichst wenig zu stören, ist hinter der Hilfskathode 46 eine mit der Ablenkelektrode 24 verbundene Abschirmung 54 angeordnet. Eine weitere Besonderheit der Ausführungsform nach Fig. 3 besteht darin, daß die Hilfskathode 42 der zweiten Ionisierungseinrichtung 34 innerhalb der in üblicher Weise als Magnetspule ausgeführten Fokussierungseinrichtung 8 angeordnet ist. Dies hat zur Folge, daß die magnetische Fokussierungseinrichtung 8 in bezug auf die von der Hilfskathode 42 emittierten langsameren Hilfselektronen als eine magnetische Hilfseinrichtung wirkt} die die Bahnen dieser

Hilfselektronen in bekannter Weise durch Krümmung oder spiral- '

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artiges Aufwickeln verlängert und die Ionisierungswahrscheinlich-i keit in dem lonisierungsbereich zwischen den Ablenkelektroden 26 , und 28 entsprechend erhöht. Es ist natürlich ohne weiteres möglich, eine gesonderte magnetische Hilfseinrichtung vorzusehen, um die Bahnen der Hilfselektronen durch Krümmung oder Auswickeln zu verlängern.

Die Ausführungsform nach Fig. 4 entspricht im wesentlichen dem unteren Teil (erste Ablenk- und Ionisierungseinrichtung) der Fig. 3, jedoch mit dem Unterschied, daß der Hilfselektronenquelle 46 (mit der Hilfskathode 48) der ersten Ionisierungseinrichtung 3o ein eigenes Beschleunigungssystem zugeordnet ist, das aus der Hilfs-Steuerelektrode 56 und der Hilfsanode 58 besteht. Bei diesen beiden Elektroden kann es sich z.B. um sieb-

insbesondere

oder gitterartige Einrichtungen handeln;/die Hilfs-Steuerelektrode 56 kann aber auch als Schlitzblende oder dergleichen ausgeführt sein. Die Hilfs-Steuerelektrode 56 wird unter Umständen gemeinsam mit der Abschirmung 54 mit einem gegen die Hilfskathode 48 geringfügig negativen und vorzugsweise regelbaren Potential beschickt, während die Hilfsanode 58 mit einem gegen die Hilfskathode 48 positiven Potential gespeist wird, so daß die aus der Hilfskathode 48 austretenden Hilfselektronen in einer vom Potential der Hilfs-Steuerelektrode 56 steuerbaren Menge und Bündelung

von der Hilfsanode 58 beschleunigt werden und durch deren Maschen :

sowie durch den Ausschnitt 42 der Ablenkelektrode 24 in den Ioni- ·

ίsierungsbereich zwischen den Ablenkelektroden 22 und 24 eintreten.;

Fig. 4 erläutert schematisch die Ablenkung eines positiven und eines negativen Verunrexnxgungstexlchens zu der relativ negativen ^:

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Ablenkelektrode 24 bzw. der relativ positiven Ablenkelektrode Die Flugrichtung der Verunrexnxgungstexlchen ist durch den Pfeil 6o angedeutet, und die Richtung des ArbeitsStrahls durch den Pfeil 62. Die Pfeile 64 deuten Bahnen von Hilfselektronen an. Ferner ist in Fig. 4 noch angedeutet, daß die Teile der Ionisierungseinrichtung in zwei Isolierstoffblocks 66, 68 gehaltert sind, die ihrerseits mittels Schrauben 7o, 72 mit der Ablenkelektrode 24 verschraubt sind.

Fig. 5 zeigt schematisch in einer gegenüber den Fign. 1 bis 4 um 9o° gedrehten, quer zum Arbeitsstrahl Io liegenden Schnittebene eine Hilfselektronenquelle 74 mit einer Hilfskathode 76, die eine eigene Fokussxerungsexnrxchtung aufweist. Diese Fokussierungseinrichtung ist als elektrostatische Zylinderlinse ausgebildet uid besteht aus einer Hilfs-Steuerelektrode 78, die normalerweise auf einem gegenüber der Hilfskathode 76 gering-¹ fügig negativen, vorzugsweise regelbaren Potential gehalten wird, einer gegen die Hilfskathode 76 positiven Hilfsanode 8o und einer gegenüber der Kathode 76 negativen Ablenkelektrode 82. In diesen Elektroden sind parallel zur Hilfskathode 76 verlaufende Schlitze ausgebildet, wie dargestellt, und auf der anderen Seite des Arbeitsstrahls Io ist eine etwa parallel zur Ablenkelektrode 8,2 liegende, gegenüber der Hilfskathode 76 positive Ablenkelektrode 84 vorgesehen, so daß sich insgesamt etwa der durch die Striche 8 6 angedeutete Bahnverlauf der von der Hilfskathode 76 emittierten Hilfselektrorien ergibt. Die in Fig. 5 dargestellte elektrostatische Fokussierungseinrichtung für die Hilfselektronen! ergibt demnach mit der parallel zum Arbeitsstrahl verlaufenden |

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Hilfskathode 76 eine im wesentlichen strichförmige Fokussierung in der Ebene des Arbeitsstrahls Io, so daß dort die Ionisierungswahrscheinlichkeit entsprechend erhöht wird.

Fig. 6 zeigt eine mehrfache Anwendung des in Fig. 5 gezeigten Prinzips. Dabei sind um einen Teil des Umfangs des Arbeitsstrahls Io herum mehrere auf etwa gleichen Potentialen liegende Ablenkelektroden 82 und Hilfselektronenquellen 74 einschließlich je einer Hilfskathode 76 und einer Hilfs-Steuerelektrode 78 angeordnet, und in dem verbleibenden Teil des Umfangs ist die relativ positive Ablankelektrode 81 vorgesehen. Man erkennt ohne weiteres, daß entsprechend der in Fig. 6 gezeigten Darstellung die zu den einzelnen Hilfskathoden 76 gehörigen Elektroden 78, und 82 durch Umfangsabschnitte von teilzylindrischen Flächen gebildet werden können, zwischen denen entsprechende «ichlitartige Ausschnitte für den Durchtritt der wiederum etwa strichfÖrmig fokussierten Hilfselektronenbahnen 86 vorgesehen sind. Man erkennt, daß bei geeigneter Fokussierung entsprechend Fig. 6 eine Überschneidung der Hilfselektronenbahn 86 und eine dementsprechend hohe Hilfselektronen-Stromdichte in einem bestimmten Axialbereich des ArbeitestrahIs Io erzielt wird.

Die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform enthält eine Hilfselektronenquelle 88 mit einer den Arbeitsstrahl Io umgebenden ringförmigen Hilfskathode 9o. In St»ahlrichtung dagegen versetzt ist eine ebenfalls ringförmige Hilfsanode 92 vorgesehen, die die von der Hilfekathode 9o emittierten Hilfselektronen etwa parallel zum Arbeitsstrahl Io beschleunigt. Ferner ist bei der in ', Fig. 7 dargestellten Anordnung noch eine elektrostatische Fokus-

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siereinrichtung mit den Ringelektroden 94 und 96 vorhanden. Im · Betrieb kann beispielsweise die Elektrode 94· ein Potential von + loo V, die Elektrode 96 ein Potential von - looV und die Anode 92 ein Potential von + 3ooV aufweisen. Ferner kann noch eine (nicht dargestellte) Steuerelektrode in der Nähe der Hilfskathode 9o vorgesehen sein, um den Emissionsstrom in der bei Wehnelt-Elektroden bekannten Weise einstellen zu können. Durch die beschriebene Ausbildung der Hxlfselektronenquelle ergibt sich eine Fokussierung der Hilfselektronen in einem Axialbereich des Arbeitsstrahls Io und dementsprechend dort eine erhöhte Ionisierungsrate. Die in dem Ionisierungsbereich ionisierten Verunreinigungsteilchen werden, soweit sie nicht von der Blende 2o aufgefangen werden, in einer Ablenkeinrichtung aus dem Strahlweg des ArbeitsStrahls herausgelenkt. Diese Ablenkeinrichtung ist gegen die Strahlrichtung von der Hxlfselektronenquelle 88 abgesetzt, d.h. sie liegt auf der vom zu bearbeitenden Werkstück abgewandten Seite der Hilfselektronenquelle 88. Die Richtung des Arbeitsstrahls Io ist auch in Fig. 7 wieder durch einen Pfeil 62 angedeutet.

Fig. 7 erläutert ferner die Möglichkeit, durch Verwendung einer zusätzlichen magnetischen Hilfseinrichtung, die in Form eines Ringmagneten 98 dargestellt ist, eine zusätzliche Fokussierung der Hilfselektronen oder sogar (bei entsprechend starker magnetischer Hilfseinrichtung) eine Verlängerung der Hilfselektronenbahnen durch Krümmen oder Aufwickeln zu erzielen. Einige Hilfselektronenbahnen loo, die mit der Anordnung nach Fig. 7 erzielbar sind, sind ganz schematisch in Fig. 7 angedeutet; ferner_;

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JS-

sind auch einige magnetische Kraftlinien io2 eingezeichnet.

Bei der in den Fign. 8 und 9 dargestellten Ausführungsformen wird eine Hxlfselektronenquelle Io4 mit einer ebenso wie in den Fign.l bis 4 etwa parallel zum Arbeitsstrahl Io verlaufenden Hilfskathode Io6 verwendet. Die Hilfskathode Io6 ist von einem Gitter Io8 umgeben, das in der bei Elektronenröhren üblichen Weise aus einem Drahtnetz oder z.B. nach der in Fig. 9 gezeigten Art aus einer auf Stege llo, 112 aufgewickelten Drahtspirale bestehen kann. Das Gitter Io8 und der Arbeitsstrahl Io sind von einer Hüllelektrode UM- umgeben, die in Fig, 9 wieder als eine auf zwei Stege 116, 118 gewickelte Drahtspirale dargestellt 5st, jedoch auch aus einem Drahtnetz, einem gelochten oder ungelochten Blech oder dergleichen bestehen kann. Im Betrieb wird das Gitter Io8 auf einem gegenüber der Hilfskathode Io6 positiven Potential und die Hüllelektrode 111 auf einem gegenüber der Hilfskathode Io6 negativen Potential gehalten. Durch geeignete Wahl der Potentiale des Gitters Io8 und der Hüllelektrode 114 in bezug auf das Potential der Hilfselektrode Io6, und bei dazu passender Wahl des Durchgriffs des Gitters Io8 läßt sich ohne Schwierigkeiten erreichen, daß die von der Hilfskathode Io6 emittierten Elektronen in dem Zwischenraum zwischen dem Gitter Io8 und der Hüllelektrode 114 konzentriert werden, wobei sich durch das Zusammenspiel der Abstoßung der Hilfselektronen an der Hüllelektrode 114 und der Beschleunigung der Hilfselektronen durch das Gitter Io8 pendelnde Hilfselektronenbahnen ergeben, so daß die Ionisierungsrate im Bereich des Arbeitsstrahls Io stark erhöht ist. Die durch Ionisierung von Verunreinigungen erzeugten relativ schweren negativen j und positiven Teilchen werden zum Gitter Io8 bzw. zur Hüllelektro-i

de 114 hin abgelenkt und an diesen Elektroden zumindest teilweise · ^r "-"Ti - 1 098 1 3/071 4

abgeschieden. Zusätzlich können auch noch besondere Auffangelektroden vorgesehen werden (nicht dargestellt); insbesondere ist es !natürlich auch bei der Ausführungsform nach den Fign. 8 und 9 zweckmäßig, in den Axialbereichen außerhalb der gezeigten Ionisierungs- und Ablenkvorrichtung den Querschnitt außerhalb des ArbeitsStrahls Io durch Blenden abzudecken, an denen sich die Verunreinigungen abscheiden.

Die für den Betrieb der Ausführungsform nach den Fign. 8 und 9 günstigen Daten lassen sich durch Versuche leicht ermitteln; dies gilt z.B. für die verwendeten Potentiale sowie für den Durchgriff des Gitters Io8 und die Durchlässigkeit der Hüllelektrode 114. Grundsätzlich ist noch zu bemerken, daß bei der Ausführungsform nach den Fign. 8 und 9 das Gitter Io8 und die Hüllelektrode 114 als Ablenkeinrichtung arbeiten; es ist aber darüber hinaus auch noch möglich, zusätzliche Ablenkelektroden vorzusehen.

Wenn der Arbeitsstrahl in bekannter Weise über eine Druckstufenstrecke ausgeschleust wird, können Ablenk- und Ionisierungsein-, richtungen auch in den Zwischendruckkammern der Druckstufenstrecke oder sogar außerhalb der Druckstufenstrecke vorgesehen werden. Dabei können wegen de» verhältnismäßig hohen Gasdrucks auch Ionisierungseinrichtungen verwendet werden, bei denen zur Ionisierung dienende Hilfselektronen aus einer kalten Kathode,z.B. durch Spitzenentladung,oder in einem Hochstrombogen gewonnen werden, wobei gegebenenfalls noch magnetische Hilfseinrichtungen, z.B. nach Art des in Fig. 7 dargestellten Ringmagneten 98 verwendet ^: werden können, um die Hilfselektronenbahnen durch Krümmen oder Auf-

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wickeln zu verlängern. Eine Anordnung mit einem Hochstrombogen ist in Fig. Io schematisch dargestellt. In einer über dem Werkstück 16 liegenden Kammer 12o eines im übrigen nicht näher dargestellten Druckstufensystems sind Ablenkelektroden 22, 24 beiderseits des Strahlweges des ArbeitsStrahls Io angeordnet. Die Ionisierungseinrichtung wird hier vom Werkstück 16 und einer darüberliegenden Hilfselektrode 122 gebildet, die eine Blendenöffnung 124 für den Durchtritt des Arbeitsstrahls Io und einen diese öffnung umgebenden ringförmigen Vorsprung 126 aufweist. Zwischen diesem Vorsprung 126 und dem Werkstück 16 wird in bekannter Weise ein Hochstrom-Lichtbogen 128 gezündet und aufrechterhalten, in dem eine sehr starke elektrische Aufladung oder Ionisierung der durch die Blendenöffnung 124 gegen die

wird

Strahlrichtung fliegenden Verunreinigungen bewirkt/· Die Hilfselektrode 122 bildet, wie dargestellt, vorzugsweise die äußerste Abschlußwand des Druckstufensystems; in diesem Fall wird eine entsprechend feine Blendenöffnung 124 verwendet.

Allen dargestellten Ausführungsformen ist gemeinsam, daß die Beschleunigungsstrecke des Arbeitsstrahls, d.h. z.B. in den Figuren 1 bis 3 die Strecke zwischen der Kathode 2 und der Anode 6, außerhalb des Arbeitsbereiches der Ablenkeinrichtung liegt. Die Ablenkeinrichtung und die zugehörige Ionisierungseinrichtung liegen also in einem hochspannungsfreien Raum.

Andere Ausführungsformen sind möglich, ohne den Rahmen der Erfin-' dung zu verlassen. So können beispielsweise auch mehr als zwei . Ablenk- und Ionisierungseinrichtungen in Strahlrichtung hintereinander angeordnet sein.

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Claims

Patentansprüche

Il Vorrichtung in Elektronenstrahl-Bearbeitungsmaschinen zur Freihaltung des Strahlweges des ArbeitsStrahls von Verunreinigungen, mit einer dem Arbeitsstrahl zugeordneten Blendeneinrichtung zum Auffangen von Verunreinigungen, gekennzeichnet durch eine im Bereich des Strahlweges des Arbeitsstrahls wirksame lonisierungseinrichtung (3o; 34) und eine Ablenkeinrichtung zur Erzeugung eines im Bereich des Strählweges wirksamen Ablenkfeldes für elektrisch geladene Teilchen, wobei die lonisierungseinrichtung so ausgelegt ist, daß sie mit einer im Vergleich zum Arbeitsstrahl (Iq) größeren Ionisierungswahrscheinlichkeit ionisierend auf atomare oder größere Teilchen einwirkt, und wobei die Ablenkeinrichtung so ausgelegt ist, daß sie auf elektrisch geladene Teilchen, die sich im Bereich thermischer Geschwindigkeiten bewegen, eine zur Entfernung dieser Teilchen aus dem Strahlweg des Arbeitsstrahls Mo)' ausreichende Ablenkwirkung ausübt.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Ablenkeinrichtung entlang wenigstens einem Teil des Strahlweges des Arbeitsstrahls (10) ein quer zum Strahlweg ablenkendes Ablenkfeld erzeugt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierungseinrichtung (3Oj 34) in dem von der Quelle des Arbeitsstrahls entfernteren Endbereich der Ablenkeinrichtung angeordnet· ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere über je einen Teil des Strahlweges wirksame Ablenkeinrichtungen vorgesehen sind.

5· Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Ablenkeinrichtungen mit gegensinniger Ablenkwirkung wirksam sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ionisierungseinrichtungen (30; 34) über den Strahlweg verteilt vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ablenkeinrichtung wenigstens eine Ionisierungseinrichtung (30j 3^) zugeordnet ist. '" . ;

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8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einzelnen Ablenkeinrichtungen Blenden (20) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinrichtung elektrostatisch wirkende Ablenkelektroden (22,24;26,28) aufweist, die längs des Strahlweges angeordnet und vorzugsweise auswechselbar ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierungseinrichtung eine Hilfselektronenquelle (36; 46; 74; 88; 104) aufweist, die Elektronen mit im Vergleich zum Arbeitsstrahl (10) geringerer Energie erzeugt. '

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektronenquelle ein eigenes Beschleunigungssystem aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektronenquelle eine eigene Pokussiereinrichtung, insbesondere zur Erzielung einer etwa strich- oder linienförmigen Fokussierung, aufweist.

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13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ionisierung von Verunreinigungsteilchen eine Glimmentladungsstrecke in der Ionisierungseinrichtung vorgesehen ist.

1.4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,dadurch gekennzeichnet, daß zur Ionisierung von Verunreinigungsteilchen eine Hochstrombogen-Entladungsstrecke (128) in der Ionisierungseinrichtung vorgesehen ist (Fig. lo).

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochstrombogen-Entladungsstrecke (128) zwischen dem Auftreffbereich des Arbeitsstrahls auf dem Werkstück (16) und einer mit einer feinen Blendenöffnung (124) versehenen Hilfselektrode (122) verläuft (Fig. lo).

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Io bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektronenquelle (36; 46; 74; Io4) eine etwa parallel zum Arbeitsstrahl (lo) verlaufende Hilfskathode (42; 48; 76; Io6) aufveLst.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch ein die Hilfskathode (Io6) umgebendes Gitter (Io8) und eine den Arbeitsstrahl (lo) und das Gitter CIaB) umgebende Hüllelektrode (122) (Fign. 8 und 9).

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß im

Betrieb das Gitter (Io8) auf einem gegenüber der Hilfskathode

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(Io6) positiven Potential und die Hüllelektrode (111) auf einem gegenüber der Hilfskathode negativen Potential liegt, so daß' bei entsprechender gegenseitiger Abstimmung der Potentiale und des Gitterdurchgriffs die von der Hilfskathode (Io6) emittierten Hilfselektronen in dem Zwischenraum zwischen dem Gitter (I08) und der Hüllelektrode (Uf) konzentriert werden, insbesondere Pendelbahnen durchlaufen,und dort durch Ionisierung von Verunreinigungen relativ schwere negative und positive Teilchen erzeugen, von denen dienegativen Teilchen am Gitter (Io8) und die positiven Teilchen an der Hüllelektrode (111) konzentriert und zumindest teilweise unter Entladung abgeschieden werden (Fign. 8 und 9).

19. Vorrichtung nach Anspruch 9, in Verbindung mit einem der Ansprüche Io bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Ablenkelektroden seitlich zum Arbeitsstrahl CIo) vorgesehen und auf verschiedene elektrische Potentiale geladen sind, und daß die Hilfselektronenquelle so angeordnet ist, daß die von ihr abgegebenen, zur Ionisierung dienenden Hilfselektronen in dem elektrischen Feld zwischen den Ablenkelektroden beschleunigt werden (Fign. 2 bis 7).

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektronenquelle in oder vor einem Ausschnitt (44) der relativ negativen Ablenkelektrode (24; 26) angeordnet ist (Fign. 2 bis 4).

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21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 2o, dadurch gekennzeichnet, daß um einen Teil des Umfangs des Arbeitsstrahls (lo) herum mehrere auf etwa gleichen Potentialen liegende Ablenkelektro- ^; den (82) und Hilfselektronenquellen (74) verteilt sind und .; in dem verbleibenden Teil des Umfangs wenigstens eine relativ positive Ablenkelektrode (84) vorgesehen ist (Fig. 6).

22. Vorrichtung nach Anspruch Io oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektronenquelle (88) so angeordnet und ausgebildet ist, daß die von ihr emittierten, im Vergleich zu den Elektronen des ArbeitsStrahls langsamen Hilfselektronen sich im Bereich des Arbeitsstrahls etwa parallel zu diesem bewegen (Fig. 7).

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die ; Hilfselektronenquelle (88) eine den Strahlweg des Arbeitsstrahls (lo) zumindest teilweise und/oder stellenweise umgebende Hilfkathode (9o) und wenigstens eine dagegen in Richtung des Arbeitsstrahls versetzte, vorzugsweise ring- oder teilring+· förmige Hilfsanode (92) aufweist, die die von der Hilfskathode emittierten Hilfselektronen etwa parallel zum Arbeitsstrahl beschleunigt. .

;24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß we- j nigstens eine Ablenkeinrichtung in einem Axialbereich des Ar- .;

beitsstrahls auf der dem zu bearbeitenden Werkstück (16) abge-1 wandten Seite der Hilfselektronenquelle vorgesehen ist. ,

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25. Vorrichtung nach Anspruch 12 in Verbindung mit Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungseinrichtung der Hxlfselektronenquelle (88) so ausgebildet ist, daß sie die Hilfselektronen in einen etwa koaxial zum Arbeitsstrahl (lo) verlaufenden, etwa zylindrischen Fokusbereich konzentriert (Fig. 7).

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Io bis 25, gekennzeichnet durch eine magnetische Hilfseinrichtung (98), die in dem gewünschten Ionisierungsbereich die Bahnen der von der HilfselektronenquelLe (8 8) gelieferten Hilfselektronen in an sich bekannter Weise durch Krümmung verlängert (Fig. 7),

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, bei einem Elektronenstrahl-

*-** Bearbeitungsgerät.} das eine magnetische Fokus siereinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfselektronenquelle (36) und die mit ihr zusammenwirkenden Komponenten so angeordnet sind, daß die magnetische Fokussiereinrichtung (8) gleichzeitig die magnetische Hilfseinrichtung zum Krümmen der Bahnen der Hilfselektronen darstellt (Fig. 3).

28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsstrecke des Arbeitsstrahls (lo) außerhalb des Arbeitsbereichs der Ablenkeinrichtung liegt.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch ge- _;. kennzeichnet, daß die Blendeneinrichtung (6, 18, 2o) wenigstens eine auswechselbare Blende aufweist. ^j

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