DE2541943A1

DE2541943A1 - Electron beam engraving device control - using secondary electron detector near workpiece to produce engraved surface image

Info

Publication number: DE2541943A1
Application number: DE19752541943
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Dr Rer Nat Fuchs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-19
Filing date: 1975-09-19
Publication date: 1977-03-24

Abstract

Electron beam engraving device uses a four-pole deflection system for the electron beam. A secondary electron detector registers the electrons emitted by the workpiece. An image processing unit (I) produces a picture of the engraved surface. (I) comprises a picture tube and a memory and is controlled by analogue signals of the number of electrons, registered by the secondary electron detector, and a deflecting voltage.

Description

Elektronen strahlgraviervorrichtungElectron beam engraving device

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mit einem Elektronenstrahl, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 ausgeführt ist, insbesondere eine Elektronenstrahlgraviervorrichtung.The invention relates to a device for machining a workpiece with an electron beam as set out in the preamble of claim 1 is, in particular, an electron beam engraving apparatus.

Tiefdruckzylinder für den Rotationstiefdruck werden heute mit elektronisch gesteuerten Graviermaschinen hergestellt. Bei diesen Maschinen wird das zu druckende Muster in Masterform durch einen Diamantstichel in den Tiefdruck zylinder übertragen. Jeder Rasterpunkt ist ein Näpfchen mit einem Durchmesser bis zu 100 /um, wld einer Tiefe zwischen 5 bis 50 /um. Diese Näpfchen nehmen beim Druckprozeß zunächst die Druckfarbe auf und übertragen sie darin auf das Papier. Um beim Druck eine bestimmte Gradation zu erreichen, muß das Volunen bzw. die Graviertiefe eines jeden Näpfchens bei der Herstellung sehr genau und frei wählbar einstellbar sein. Die Einstellung der jeweils lokal erforderlichen Graviertiefe erfolgt elektronisch:, der Antrieb der Diainantstichel elektromagnetisch. Eine derartige Graviermaschine ist beispielsweise der Helio-Klischograph der Firma Dr. Ing. R. Hell GmbH; Kiel.Rotogravure cylinders for rotogravure printing are being used electronically today controlled engraving machines. With these machines, the will be printed Transfer the pattern in master form into the gravure cylinder using a diamond stylus. Each raster point is a cell with a diameter of up to 100 / um, wld one Depth between 5 to 50 / µm. These cells initially take the Printing ink and transfer it to the paper. To get a certain when printing To achieve gradation, the volume or the engraving depth of each cell must be be very precisely and freely adjustable during manufacture. The setting the locally required engraving depth is done electronically :, the drive the diamond engraver electromagnetic. Such an engraving machine is for example the Helio-Klischograph from Dr. Ing. R. Hell GmbH; Kiel.

In der Druckschrift K. H. von Grote, K. H. Steigerwald, Optik 36, Heft 1, (1972) S. iii bis 123 wurde bereits vorgeschlagen, Tiefdruckplatten mit einem gebündelten Elektronenstrahl statt mit einem Diamantstichel zu gravieren. Die Elektronen besitzen dabei eine mittlere Energie von ca. 50 keV, und der Elekronenstrahl hat eine Leistung von ca. 2 kW.In the publication K. H. von Grote, K. H. Steigerwald, Optik 36, Issue 1, (1972) pp. Iii to 123 has already been proposed to use gravure printing plates engrave with a focused electron beam instead of a diamond graver. The electrons have an average energy of approx. 50 keV, and the electron beam has an output of approx. 2 kW.

Bislang bereitet die Uberwachung der gerade erfolgten Gravur Schwierigkeiten, dennwegen des umfangreichen Aufbaus einer Elektronengraviermaschine ist eine optische Gravurkontrolle nur bei solchen Teilen der gravierten Fläche möglich, die weit ab von der gerade gravierten Fläche liegen.So far, the monitoring of the engraving that has just been carried out has caused difficulties, because of the extensive structure of a Electron engraving machine an optical engraving control is only possible for those parts of the engraved area, which are far from the surface that has just been engraved.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektronengraviermaschine anzugeben, bei der insbesondere der Vorgang der Gravur einfach zu überwachen ist.The object of the invention is to provide an electron engraving machine, where, in particular, the engraving process is easy to monitor.

Diese Aufgabe wird durch eine Elektronengraviermaschine, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist, gelöst, wobei diese Maschine entsprechend dem Kemlzeichen dieses Anspruches ausgebildet ist.This task is performed by an electron engraving machine such as the one in the The preamble of claim 1 is given, solved, with this machine accordingly the Kemlzeichen of this claim is formed.

Die Vorrichtung der Erfindung zeicirnet sich also dadurch aus, daß mittels des in der Vorrichtung erzeugten Elektronenstrahles nach dem Prinzip eines Rasterelektronenmikroskops ein Bild der zu gravierenden Oberfläche hergestellt werden kann, wobei der für eine BilElerstelllmg notwendige zusätzliche Aufwand sehr gering ist.The device of the invention is thus shown in that by means of the electron beam generated in the device according to the principle of a Scanning electron microscope can be used to produce an image of the surface to be engraved can, whereby the additional effort required for an image creation is very low is.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren erläutert.In the following, embodiments of the invention are based on the Figures explained.

Figur zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Elektronengraviermaschine gemäß der Erfindung.Figure shows the basic structure of an electron engraving machine according to the invention.

Figur 2 zeigt den Vorgang des Gravierens.Figure 2 shows the engraving process.

Figur 3 zeigt den Vorgang der Bildabtastung.Figure 3 shows the process of image scanning.

Die Figuren 4 bis 8 zeigen den Verlauf der Steuerspannungen beim Gravieren bzw. bei der Bildabtastung.Figures 4 to 8 show the course of the control voltages during engraving or when scanning the image.

Gemäß der Figur 1 besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine elektronenoptische Säule 1000 mit einer Kathode 1, einer Wehnelt-Elektrode 2, einer Anode 3, einer Strahlausblendung 4 und einer strahlbegrenzenden, vorzugsweise wassergekühlten Blende 5. Derartige Anordnungen sind an sich bekannt und beispielsweise in der eingangs genannten Druckschrift auf Seite 114 dargestellt. Weiterhin besitzt die Vorrichtung der Erfindung eine elektronenoptische Kondensorlinse 6, ein mindestens 4-poliges Ablenksystem 7, einen Stigmator 8 zum Korrigieren eines astigrnatischen Abbildungsfehlers der Elektronenlinsen, eine elektronenoptische Feinstrahllinse 9 und ein Blendensystem 10 zum Auffangen zurückgestreuter Elektronen bzw. zum Auffangen von Sekundärelektronen. Die Position 11 symbolisiert einen zu bearbeitenden TiefdruckzyliIIder. Die elektronenoptische Säule muß in einem hochevakuierbaren Raum angeordnet sein (nicht dargestellt). Von einer Spannungsversorgungseinheit 12 werdcn die Elemente der elektronenoptischen Säule elektrisch verw sorgt. Außerdem ist bei der Erfindung eine Dildverarbeitulgseillrichtuig 13 mit einer Bildröhre 14 und einem Bildspeicher 15 vorgesehen.According to FIG. 1, the device according to the invention has an electron-optical one Column 1000 with a cathode 1, a Wehnelt electrode 2, an anode 3, a Beam blanking 4 and one beam-limiting, preferably water-cooled Aperture 5. Such arrangements are known per se and, for example, in the introduction mentioned publication on page 114. The device also has According to the invention, an electron-optical condenser lens 6, at least a 4-pole one Deflection system 7, a stigmator 8 for correcting an astigmatism aberration of the electron lenses, an electron optical fine beam lens 9 and a diaphragm system 10 for collecting backscattered electrons or for collecting secondary electrons. The position 11 symbolizes a rotogravure cylinder to be processed. The electron optical Column must be arranged in a highly evacuable room (not shown). from a voltage supply unit 12, the elements of the electron-optical Electrically operated column. In addition, a dilding rope is correct in the invention 13 with a picture tube 14 and a picture memory 15 are provided.

Bei der Erzeugung eines Bildes der gravierten Fläche wird die Bildverarbeitungseinrichtung in der folgenden Weise mit der elektronenoptischen Säule verbunden: Wird an die Ablenkeinrichtung 7 der elektronenoptischen Säule eine Spannung Ux bzw. Uy gelegt, womit der Elektronenstrahl in einer x-Richtung bzw. y-Richtung abgelenkt wird, so wird an die Ablenkelektroden der Bildröhre 14 ein analoges Signal U' bzw. U' gegeben, womit eine analoge Auslenkung des bilderzeugenden Elektronenstrahles der Bildröhre erzeugt wird. Gleichzeitig kann dieses analoge Signal von-dem Speicher zu 5 15 gespeichert werden. Ein Sekundärelektronendetektor 16, wie er z.B. in der Druckschrift T.E. Everhart, R.F.M. Thomley, J. Scient. Instrum. 37 (1960) S. 246 bis 248 beschrieben ist, gibt an die Wehneltelektrode 2 ein analoges Signal, welches der Zahl der gezählten Sekundärelektronen entspricht, so daß die Helligkeit der Bildpunkte der Elektronenröhre von der jeweiligen Zahl der Sekundärelektronen abhängt, dieses Signal wird ebenfalls von dem Speicher 15 gespeichert. Die eingespeicherten Daten können jederzeit wieder abgerufen werden, so daß immer ein Bild der bereit gravierten Oberfläche hergestellt werden kann.When generating an image of the engraved area, the image processing device Connected to the electron optic column in the following manner: Connected to the Deflection device 7 applied to the electron-optical column a voltage Ux or Uy, with which the electron beam is deflected in an x-direction or y-direction, see above an analog signal U 'or U' is sent to the deflection electrodes of the picture tube 14, with which an analog deflection of the image-generating electron beam of the picture tube is produced. At the same time, this analog signal from the memory to 5 15 can be stored will. A secondary electron detector 16 such as that described in T.E. Everhart, R.F.M. Thomley, J. Scient. Instrum. 37 (1960) pp. 246 to 248 is, gives to the Wehnelt electrode 2 an analog signal, which is the number of counted Secondary electrons corresponds, so that the brightness of the pixels of the electron tube depends on the respective number of secondary electrons, this signal is also stored by the memory 15. The saved data can be retrieved at any time so that an image of the ready-engraved surface is always produced can be.

Anhand der folgenden Figuren wird die Betriebsweise der Vorrichtung erläutert.The operation of the device is illustrated by the following figures explained.

In der Figur 2 wird der Vorgang des Gravierens gezeigt: An die Anode wird gegenüber der Kathode eine Spannung von ca. 50 KV gelegt, so daß ein Elektronenstrahl 100 mit entsprechend energie-.The engraving process is shown in FIG. 2: On the anode a voltage of approx. 50 KV is applied to the cathode, so that an electron beam 100 with corresponding energy.

reichen Elektronen entsteht. Die Stärke des Elektronenstrahle 5 muß etwa 50 mh betragen. Mittels der elektronenoptischen Feinstrahllinse 9 wird der im Bereich der Anode liegende engste Strahlquerschnitt des Elektronenstrahles verkleinert auf den zu gravierenden Tiefdruckzylinder abgebildet. Dieser Zylinder kann sich, wie durch einen Pfeil symbolisiert istS mit konstante@ Geschwindigkeit drehen, durch entsprechende Ablenkspannungen Ux bzw. Uy wird der Elektronenstrahl mitgeführt, so daß der Auftreffpunkt des Elektronenstrahles während der Gravierzeit an einer bestimmten Stelle des Tieferuckzylinders verbleibt. Der Elektronen strahl graviert durch thermische Wechselwirkung mit dem Material des Tiefdruckzylinders ein Näpfchen, dessen Volumen durch die Strahlleistung und die Einwirkzeit des Elektronenstrahles vorgegeben ist.rich electrons are created. The strength of the electron beam 5 must be about 50 mh. By means of the electron optical fine beam lens 9, the The narrowest beam cross-section of the electron beam in the area of the anode is reduced depicted on the gravure cylinder to be engraved. This cylinder can as is symbolized by an arrow S rotate at constant @ speed, through corresponding deflection voltages Ux or Uy, the electron beam is carried along, so that the point of impact of the electron beam during the engraving time on a certain point of the Tieferuck cylinder remains. The electron beam is engraved a cell through thermal interaction with the material of the gravure cylinder, its volume due to the beam power and the exposure time of the electron beam is given.

-Während der folgenden Gravierpause wird der Elektronenstrahl entweder in seiner Intensität geschwächt, z.B. durch Anlegen einer entsprechenden Spannung al die Wehnelt-Elektrode, oder auf den Auffänger 5 gelenkt. z.B. durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Strahlausblendung4JDanaeh wird der Elektronenstrahl auf einen anderen vorgesehenen Auftreffpunkt auf dem Tiefdruck zylinder gelenkt.-During the following pause in engraving, the electron beam is either weakened in its intensity, e.g. by applying a corresponding voltage al the Wehnelt electrode, or directed onto the catcher 5. e.g. by creating a corresponding voltage to the beam blanking4JDanaeh is the electron beam steered to another intended point of impact on the gravure cylinder.

Anhand der Figur 3 wird dargestellt, wie ein vergrößertes Bild der gravierten Oberfläche aufgenommen Werden kann: Dazu wird das Gerät nach Art eines Rasterelektronenmikrokops betrieben, die Wehnelt-Elektrode wird so negativ gegenüber der Anode vorgespannt, daß ein Elektronenstrahl 101 mit geringer Intensität, z.B.Based on Figure 3 is shown how an enlarged image of the Engraved surface can be recorded: For this purpose, the device is like a Scanning electron microscope operated, the Wehnelt electrode is so negative compared the anode biased to generate a low intensity electron beam 101, e.g.

50 /uA, entsteht. Zusätzlich zur Feinstrahllinse wird die elektronenoptische Kondensorlinse eingeschaltet, so daß der engste Strahlauerschnitt des Elektronenstrahles im Bereich der Anode 2- kufig auf die abzutastende Oberfläche des Tiefdruckzylinders abgebildet wird. An das Ablenksystem 7 werden Spannungen Ux bzw.50 / uA. In addition to the fine beam lens, the electron optical Condenser lens turned on, so the tightest Beam cut of the electron beam in the area of the anode 2 runners on the surface to be scanned of the gravure cylinder is imaged. Tensions are applied to the deflection system 7 Ux or

Uy gelegt, so daß der Elektronenstrahl in einem Zeilenraster auf einer vorgegebenen Fläche, z.B. 1000 /um mal 1000 /um, über die abzutastende Fläche des Tiefdruckzylinders geführt wird. Ein Teil der Sekundärelektronen, die an jedem Punkt der abzutastenden Fläche des Tiefdruckzylinders ausgelöst werden, erreicht den Sekundärelektronendetektor, an den eine Saugspannung Us gelegt ist. Die Bildverarbeitungseinr-ichtmg erhält, wie bereits oben beschrieb-n, analoge Signale, so daß der bilderzeugende Elektronenstrahl der Bildröhre in der gleichen Weise abgelenkt wird wie der Elektronenstrahl 101 in der elektronenoptischen Spule Die Heiligkeit des bilderzeugenden Elektronenstrahles ist abhängig von der Zahl der Sekundärelektronen am Sekundärelektronendetektor.Uy placed so that the electron beam in a line grid on a given area, e.g. 1000 / um times 1000 / um, over the area of the Gravure cylinder is performed. Part of the secondary electrons that are at each point the surface of the gravure cylinder to be scanned is triggered, reaches the secondary electron detector, to which a suction voltage Us is applied. The image processing facility receives as already described above, analog signals, so that the image-generating electron beam of the picture tube is deflected in the same way as the electron beam 101 in the electron-optical coil The sacredness of the image-generating electron beam depends on the number of secondary electrons on the secondary electron detector.

Die Abbildung einer ausgewählten Gravierfläche nach Art eines Rasterelektronenmikroskops ist vorteilhaft ur die Kontrolle der Gravierqualität. So kann sofort festgestellt werden, ob eine Nachgravur an einzelnen Stellen erforderlich ist, gleichzeitig können mit der Bildeinrichtung diese Stellen elektronenmikroskopisch lokalisiert und für eine gezielte Nachgravur justiert werden.The image of a selected engraving area in the manner of a scanning electron microscope is beneficial for checking the quality of the engraving. So it can be determined immediately whether a re-engraving is required at individual points can be done at the same time with the imaging device these points are localized electron microscopically and for a specific re-engraving can be adjusted.

Anhand der Figuren 4 bis 8 wird gezeigt,wie die elektronenoptischen Elemente der Elektronensäule bei der Gravur bzw. bei der Abbildung anzusteuern sind. Dargestellt wird ein vorteilhaftes Verfahren, bei dem abwechselnd ein Bearbeitungsschritt und ein Abbildungsvorgang erfolgt.Using FIGS. 4 to 8, it is shown how the electron-optical Elements of the electron column are to be controlled in the engraving or in the illustration. An advantageous method is shown in which one machining step alternates and an imaging process occurs.

Die Figur 4 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung an der Wehnelt-Elektrode, Uw Während der Gravur ist Uw schwach negativ gegenüber der Kathodenspannung, während der Abbildung stark negativ.Figure 4 shows the time course of the voltage at the Wehnelt electrode, Uw During the engraving, Uw is slightly negative compared to the cathode voltage, while the figure strongly negative.

Damit wird gemäß der Figur 5 ein Elektronenstrahl erreicht, dessen Intensität I während der Gravur einen hohen und während der Abbildung einen niedrigen Wert besitzt.An electron beam is thus achieved according to FIG Intensity I is high during engraving and low during imaging Owns value.

Die Figuren 6 und 7 zeigen, welche Spannungen an das Ablenksystem angelegt werden, um den Elektronenstrahl in einer x-Richtung bzw.Figures 6 and 7 show the voltages applied to the deflection system be applied to the electron beam in an x-direction or

in einer y-Richtung auszulenken. Das Beispiel ist (willkürlich) so gewählt, daß die x-Richtung mit der Bewegungsrichtung der-Ober fläche des Tiefdruckzylinders zusammenfällt. Während der Gravur wird die Ablenkspannung Ux für die x-Richtung kontinuierlich erhöht, damit wird die Bewegung des Tiefdruckzylinders kompensiert, so daß der Elektronenstrahl während der Gravur immer auf den gleichen Punkt auf der Oberfläche des Tiefdruckzylinders auftrifft. Die Ablenkspannung Uy für die y-Richtung bleibt konstant.to deflect in a y-direction. The example is (arbitrarily) like this chosen that the x-direction with the direction of movement of the upper surface of the gravure cylinder coincides. During the engraving, the deflection voltage is Ux for the x-direction continuously increased so that the movement of the gravure cylinder is compensated, so that the electron beam always points to the same point during the engraving hits the surface of the gravure cylinder. The deflection voltage Uy for the y direction stay constant.

Während der Abbildung steigt die Ablenkspannung Ux weiterhin in gleicher Weise an, da ja die Bewegung des Tiefdruckzylinders kompensiert werden soll, zusätzlich wird diese Ablenkspannung sägezainförmig moduliert, so daß der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls auf der Oberfläche des Tiefdnickzylindeis in x--Rlchttulg etwas hin und her wandert. Während der Gravur bleibt die Ablellk spannung zur Auslenkung des Elektronenstrahls in y-Riclitung konstant. Während der Abbildung wird diese Spannung Uy stufenweise erhöht, so daß der Elektronenstrahl schrittweise in y-Richtung ausgelenkt wird. Die Länge der Stufen entspricht, wie dargestellt, der Länge der Sägezähne der Spannung Ux.During the mapping, the deflection voltage Ux continues to rise at the same rate Instructions, since the movement of the gravure cylinder is to be compensated, in addition this deflection voltage is modulated in a sawtooth shape so that the point of impact of the Electron beam on the surface of the deep-cut cylinder in x - right slightly wanders back and forth. The deflection tension remains during the engraving of the electron beam in y-direction constant. During the illustration, this Voltage Uy increased in steps, so that the electron beam gradually moves in the y direction is deflected. As shown, the length of the steps corresponds to the length of the Saw teeth of the voltage Ux.

Gemäß Figur 8 wird an den Sekundärelektronendetektor während der Gravierphase Erdpotential gelegt. Während der Abbildungsphase liegt am Detektor eine Saugspannung Us, so daß Sekundärelektronen zum Detektor gesaugt werden.According to FIG. 8, the secondary electron detector is activated during the engraving phase Earth potential placed. During the imaging phase there is a suction voltage on the detector Us, so that secondary electrons are sucked to the detector.

4 Patentansprüche 8 Figuren L e e r s e i t e4 claims 8 figures L e r s e i t e

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Device for machining a workpiece with an electron beam, in particular an electron beam engraving device, with an at least 4-pole deflection system for the electron beam, thereby g It is not noted that a secondary electron detector (16) is used for registration of secondary electrons coming from the workpiece (11) is provided, and that one Image device (13) is provided, which with analog signals from a second rel electron detector registered number of electrons and one to the deflection system (7) the deflection voltage (Ux, Uy) that can be applied can be controlled.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c h -n e t that a memory (15) is vorgoschen for storing the analog signals.

3. A method for machining a workpiece by means of a device according to claim 2, characterized in that after each processing step an image scan of the workpiece surface processed in the processing step takes place, where the number of electrons registered and the deflection voltage are analogous Signals are stored in the memory (15).

4. The method according to claim 3, characterized in that it is e k e n n e i c h n e t that by means of the stored signals an image of the entire machined workpiece surface is produced.