DE1033816B - Verfahren zum Bohren feiner Loecher - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Das Hauptpatent bezieht sich auf ein Verfahren zum Bohren feiner Löcher in im Vakuum untergebrachte Gegenstände mittels eines feinen Ladungsträgerstrahles.

Beim Bohren von sehr harten und spröden Materialien durch die örtliche Erhitzung mit Hilfe eines Ladungsträgerstrahles entstehen innerhalb des Materials starke Temperaturunterschiede. Hierdurch werden innere Spannungen erzeugt, die unter Umständen zu mechanischen Zerstörungen oder Veränderungen führen können.

Zur Vermeidung solcher Schaden wird bei dem Verfahren zum Bohren feiner Löcher in im Vakuum untergebrachte Gegenstände mittels eines feinen Ladungsträgerstrahles nach dem Patent 938 681 erfindungsgemäß das zu behandelnde Material während und/oder vor, gegebenenfalls auch nach der Beaufschlagung mit dem Ladungsträgerstrahl einer zusätzlichen Erhitzung unterworfen. Dieses Verfahren findet ebenso vorteilhafte Anwendung beim Fräsen von Gegenständen mittels Ladungsträgerstrahlen. Das Fräsen von Gegenständen mittels Ladungsträgerstrahlen wird in der Art vorgenommen, daß ein feiner Ladungsträgerstrahl relativ zum Werkstück bewegt wird. Dabei entstehen ebenso wie beim Bohren innerhalb des bearbeiteten Materials starke Temperaturunterschiede. Diese Temperaturunterschiede und damit die im Werkstück entstehenden inneren Spannungen werden durch die erfindungsgemäße zusätzliche Erhitzung des zu bearbeitenden Materials wesentlich herabgesetzt.

Es kann auch zweckmäßig sein, bei der Herstellung chemischer Verbindungen eines mittels Ladungsträgerstrahles erhitzten Materials dieses Material einer zusätzlichen Erhitzung zu unterwerfen und auf diese Art den Ablauf der chemischen Reaktion zu steuern.

Die erfindungsgemäße zusätzliche Erhitzung des zu bearbeitenden Materials wird besonders vorteilhaft bei der Bearbeitung von kristallinen bzw. kristallisierendem Material angewandt. Bei der Bearbeitung dieser Materialien läßt sich die Form der Flächen, die durch die Bearbeitung erzeugt werden sollen, häufig schwer durch die Form des Ladungsträgerstrahles allein bestimmen. Bei der Abkühlung nach dem Bearbeitungsvorgang können entsprechend der vom Material angenommenen Kristallstruktur Kristallwuchsflächen entstehen, welche beispielsweise beim Bohren von Löchern diese nicht kreisrund, sondern eckig begrenzen oder auch in die Lochkanäle hineinragen. Hier läßt sich eine Beeinflussung des Kristalli-· sationsverlaufs und damit der Form der Bearbeitungsflächen durch zusätzliche Heizung und eine gleichmäßig nach einer oder mehreren Bearbeitungsvorgängen erfolgende Abkühlung erreichen.

Verfahren zum Bohren feiner Löcher

Zusatz zum Patent 938 681

Anmelder:
Fa. Carl Zeiss, Heidenheim/Brenz

Dipl.-Phys. Karl Heinz Steigerwald, Mosbach (Bad.
ist als Erfinder genannt worden

Bei der Herstellung langer Bohrkanäle, beispielsweise in Stahl, besteht die Gefahr, daß das durch einen langen bereits abgekühlten Bohrkanal herausdampfende Material sich an den kalten Wänden wieder niederschlägt. Durch Aufheizen des Materials bis in die Nähe des Erweichungspunktes kann eine derartige Kondensation bis auf geringe Reste verhindert werden, so daß sich auf diese Weise eine besonders saubere Bearbeitungsmöglichkeit ergibt.

Grundsätzlich ist es bei vielen Bearbeitungsvorgängen von Vorteil, dem Material eine Aufheizung zu geben. Man benötigt auf diese Weise geringere Ladungsträgerstrahlintensitäten zur Bearbeitung bzw. man kann durch optische Mittel, wie z. B. Blenden, welche die Strahlintensität an sich verringern, schärfere Strahlbegrenzungen herstellen, ohne die Bearbeitungswirkung zu beeinträchtigen.

Durch die Behandlung von Gegenständen mittels Ladungsträgerstrahlen treten örtliche Aufladungen an oder in der Nähe der zu bearbeitenden Stelle auf, die, wenn sie einen bestimmten Betrag erreichen und überschreiten, zu unerwünschten Entladungserscheinungen, unter Umständen sogar zur Zerstörung der Oberfläche führen und insbesondere bei Bohrarbeiten die Erzeugung von Lochkanälen vorgeschriebener Form vereiteln.

Die erfindungsgemäße zusätzliche Aufheizung der

4-5 zu bearbeitenden Gegenstände erzeugt nun eine gewisse und jedenfalls ausreichende Fähigkeit zum Ausgleich der örtlichen Aufladungen durch Leitfähigkeitserhöhung, durch Erhöhung des Ionisationsgrades, oder durch Erzeugung sekundärer Elektronen. Durch die zusätzliche Erhitzung findet also eine Verteilung örtlicher hoher Ladungen statt, so daß sich keine Ansatzpunkte für Sprüherscheinungen bilden können. Beispielsweise tritt beim Bohren von Löchern in Diamanten der Fall ein, daß der Diamant fluoresziert.

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Fig. 2 eine Anordnung zur zusätzlichen Erhitzung des zu bearbeitenden Materials mittels elektromagnetischer Strahlung,

Fig. 3 ein Strahlerzeugungssystem zur Erzeugung 5 zweier Elektronenstrahlen,

Fig. 4 den Strahlengang in einer Anordnung zur zusätzlichen Aufheizung des zu bearbeitenden Materials mittels eines zweiten Ladungsträgerstrahls.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Elektronenstrahl-

Der Ladungsträgerstrahl, der . beispielsweise zum Bohren einer Ziehdüse auf eine bestimmte Stelle des Diamanten gerichtet war, rutscht weg und irrt unter Umständen ruhelos auf der Oberfläche des Diamanten hin und her. Durch zusätzliche Erhitzung des Diamanten während des Bearbeitungsvorganges kann der Ladungsträgerstrahl jedoch restlos beruhigt w-erden.

Es ist vorteilhaft, die erfindungsgemäße zusätzliche

Erhitzung des zu bearbeitenden Materials während io gerät wird die Elektronenstrahlquelle von einem und/oder vor, gegebenenfalls auch nach der Beauf- vakuumdicht auf ein Metallrohr 32 aufgesetzten Einschlagung mit dem Ladungsträgerstrahl, auf elek- führungsisolator 34 getragen und besteht aus einer irischem Wege vorzunehmen. Es kann zu diesem Fernfokuskathode mit der haarnadelförmigen Glüh-Zweck eine Heizplatte üblicher Art in der Umgebung kathode 17, dem Wehneltzylinder 15 und der konusdes zu bearbeitenden Gegenstandes vorgesehen sein 15 förmigen Hilfselektrode 16. Dieser Aufbau des Strahl- und zweckmäßig gleichzeitig als Lagerung für den zu erzeugungssystems gestattet es, den Brennpunkt der bearbeitenden Gegenstand dienen, so daß dessen Er- austretenden Elektronenstrahlen verhältnismäßig weit hitzung von der Heizplatte aus durch Wärmeleitung entfernt vom Strahlerzeugungssystem zu wählen. Das und Wärmestrahlung erfolgt. Es ist ferner vorteilhaft, Metallrohr 32 ist vakuumdicht und justierbar auf ein die zusätzliche Erhitzung induktiv oder kapazitiv mit- 20 Metallrohr 33 aufgesetzt, welches vakuumdicht auf tels Wechselstrom, vorzugsweise mittels Hochfrequenz, dem Eisengehäuse der elektromagnetischen Linse 28, vorzunehmen. welche den Luftspalt 35 enthält, gelagert ist. Durch

Besonders vorteilhaft ist es, die zusätzliche Erhit- die Elektronenstrahlquelle 17, 15, 16 und die Linse 28 zung mittels Ladungsträgerstrahlen vorzunehmen und wird ein geeignet geformter Elektronenstrahl erzeugt, hierzu gegebenenfalls denselben Ladungsträgerstrahl 25 der durch 30 angedeutet ist.

zu verwenden, der später zur Durchführung des Be- Innerhalb des Metallgehäuses 2 befindet sich der zu

handlungsvorganges dient. Während der zusätzlichen
Erhitzung bzw. vor Erhitzung des Materials kann in
diesem Fall der Ladungsträgerstrahl mit einer verringerten Intensität betrieben werden und durch 30 in der Deckplatte des Gehäuses 2 ein, auf der die Schwenken mittels elektrostatischer oder magnetischer magnetische Linse 28 vakuumdicht aufgesetzt ist. An Ablenkvorrichtungen, gegebenenfalls periodisch, über
die zu erhitzende Fläche geführt werden. Der Ladungsträgerstrahl kann weiterhin durch Veränderung der

elektronenoptischen Abbildungsmittel hinsichtlich der 35 lage7 eine übliche elektrische Heizplatte 1 angeordnet, Größe und gegebenenfalls der Form seines den zu er- deren Stromzuleitungen 3 an der Stelle4 vakuumdicht hitzenden Gegenstand beaufschlagenden Querschnittes durch das Gehäuse 2 hindurchgeführt sind. Die Heizgeändert werden. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, platte ist dabei auf der unteren Seite des zu bearbeieinen zweiten Ladungsträgerstrahl vorzusehen, der tenden Gegenstandes 6 angeordnet. Die Glasplatte 6 von einer besonderen Ladungsträgerstrahlquelle er- 40 wird von der Heizplatte 1 durch Wärmeleitung und zeugt wird und eine Querschnittsform besitzt, die der Wärmestrahlung auf eine Temperatur von beispielsgewünschten Erhitzung des zu bearbeitenden Materials weise 500 bis 600° C erwärmt. Die Heizplatte 1 ist in in der Umgebung der Bearbeitungsstelle angepaßt ist. der Mitte mit einer Durchbohrung 5 versehen. Der Eine Einrichtung zur Ausübung des erfmdungs- Elektronenstrahl 30 tritt nach Durchbohren der Glasgemäßen Verfahrens besteht zweckmäßig darin, daß 45 platte 6 durch diese öffnung 5 hindurch. Die Glasder durch das Strahlerzeugungssystem, vorzugsweise platte 6 wird lediglich in dem über der öffnung 5 unter Verwendung einer Fernfokuskathode und ge- liegenden Bereich bearbeitet, so daß die Bohrkanäle gebenenfalls ein weiteres ladungsträgeroptisches keine Störung durch etwa darunterliegende Metall-System, geformte Ladungsträgerstrahl in eine Kam- oder Eisenteile erfahren. Die in Fig. 1 dargestellte mer eintritt, in welcher das zu bearbeitende Material 50 Anordnung kann auch zur Herstellung von Spinnangeordnet ist und in welcher die zusätzliche Erhit- düsen verwendet werden.

zung des zu bearbeitenden Materials vorgenommen Eine andere Möglichkeit zur Aufheizung des zu bewird. Die Vorrichtung zur zusätzlichen Beheizung arbeitenden Gegenstandes zeigt Fig. 2. Eine Stahlwird dabei zweckmäßig, insbesondere für Bohrzwecke, platte7 ist in der Kammer 8, welche der Bearbeitungsderart gewählt und angeordnet, daß der Ladungs- 55 kammer 2 in Fig. 1 entspricht, angeordnet, und zwar trägerstrahl nach Durchbohren des zu bearbeitenden auf einer Unterlage 9. Auf die Bearbeitungskammer 8

ist vakuumdicht die elektromagnetische Linse 10 auf: gesetzt, welche der Linse 28 (Fig. 1) entspricht. Durch 11 ist der Elektronenstrahl angedeutet. Die Unter-60 lage 9 kann so ausgebildet sein, daß sie, ähnlich wie ein Kreuzschlitten, mit aufgesetzter Drehplatte arbeitet und infolgedessen jede beliebige Stelle der Stahlplatte 7 unter die Öffnung der magnetischen Linse 10 gefahren werden kann und somit an die Bearbeitungsstelle 30' Die Erfindung wird an Hand der Ausführungsbei- 65 gelangt,
spiele darstellenden Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Dabei Zur Aufheizung der Stahlplatte 7 ist unterhalb der-

bohrende Gegenstand, beispielsweise eine Glasplatte 6. In den Innenraum des Gehäuses 2 (»Bearbeitungsraum«) tritt der Elektronenstrahl 30 durch eine öffnung

der Stelle 30' (Bearbeitungsstelle) trifft der Elektronenstrahl 30 auf die zu bohrende Platte 6. In der Bearbeitungskammer 2 ist auf einer ringförmigen Unter

Gegenstandes erst nach Durchlaufen einer gewissen Strecke, welche ausreicht, ihn genügend zu schwächen, so daß er keine zerstörende Wirkung mehr ausüben kann, auf festes oder flüssiges Material trifft.

Es ist in den meisten Fällen vorteilhaft, die zusätzliche Erhitzung auf eine Temperatur vorzunehmen, die im Bereich von zwei bis vier Fünfteln der Schmelztemperatur des zu bearbeitenden Materials liegt.

Fig. 1 die Seitenansicht eines Elektronenstrahlgerätes zum Bohren feiner Löcher, im Schnitt gezeichnet,

selben eine Hochfrequenzinduktionsspule 12 angeordnet, welche aus einigen Windungen einer Kupferrohrschlange besteht, die auf den Einführungsisolatoren 70 13 in der Kammer 8 fest montiert ist. Die Spule 12

wird über die Anschlüsse 14 von einer normalen Hochfrequenzheizungsanlage,- beispielsweise einem Elektronenröhrengenerator, betrieben. Unter Umständen ist eine Kühlung der Induktionsspule 12 zweckmäßig, die dadurch bewirkt wird, daß die Kupferrohre, aus welchen die Spule 12 besteht, über Anschlüsse, welche in der Nähe von 14 angeordnet sind, von Kühlflüssigkeit durchströmt werden. Die Spule 12 ist so angeordnet, daß sie unter der Bearbeitungsstelle 30' liegt, vorzugsweise derart, daß ihre Längsachse mit der Längsachse des Ladungsträgerstrahles 11 zusammenfällt. Die zu bearbeitende Platte 7 kann nun beliebig längs ihrer Ebene verschoben werden, während immer wieder die mit dem Ladungsträgerstrahl zu bearbeitende Stelle mit Hilfe des von der Spule 12 erzeugten Hochfrequenzfeldes erhitzt wird. Die dargestellte Anordnung hat gleichzeitig den Vorteil, daß die Platte 7 in hohem Maße als Abschirmung des Hochfrequsnzfeldes der Spule 12 gegenüber dem Ladungsträgerstrahl 11 wirkt. Es können zusätzliche Abschirmbleche vorgesehen sein, um störende Einflüsse der Hochfrequenz auf den Ladungsträgerstrahl durch Abschirmung zu unterdrücken. Zum Zweck einer Temperaturkontrolle können an geeigneten Stellen der Apparatur Temperaturmeßeinrichtungen, beispielsweise ein Thermoelement, eine Photozelle, ein Pyrometer od. dgl., vorgesehen sein. Eine solche Temperaturkontrolle kann auch in der in Fig. 1 dargestellten Anordnung vorgenommen werden.

An Stelle von magnetischen Hochfrequenzfeldern können bei der Bearbeitung von elektrisch nichtleitenden Materialien Vorrichtungen zum dielektrischen Beheizen des zu bearbeitenden Materials vorgesehen sein. Dazu werden zweckmäßig Elektroden bzw. Platten eines mit Hochfrequenz beschickten Kondensators so angebracht, daß das zu bearbeitende Material in das Feld des Kondensators eingeführt wird.

Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für den Fall, daß zur zusätzlichen Erhitzung des zu bearbeitenden Materials ein besonderer Elektronenstrahl vorgesehen ist. Diese Möglichkeit der Aufheizung kann insbesondere Anwendung finden, wenn es sich darum handelt, nicht allzu ausgedehnte Bereiche des zu bearbeitenden Materials zusätzlich zu erhitzen oder aufzuheizen. Bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel sind zur Erzeugung der beiden Elektronenstrahlen zwei verschiedene Glühkathoden vorgesehen. Zur Erzeugung des Elektronenstrahles für die Bearbeitung dient eine Fernfokuskathode, mit der weit vorgestülpten zylinderförmigen Wehneltelektrode 15 und der trichterförmigen Elektrode 16. In der Bohrung der konusförmigen Elektrode 16 ist in üblicher Weise ein Wolframglühdraht 17 in Form einer Haarnadelkathode angeordnet. Der Konus 16 ist von einer weiteren konusförmigen Elektrode 18 umgeben, derart, daß zwischen 16 und 18 ein kegelstumpfförmiger Zwischenraum 19 vorhanden ist. In diesem Schlitz 19 ist ein kreisförmig gebogener Wolframdraht 20 angeordnet, welcher über die Stromzuleitungen 21 und 22 beheizt werden kann. Die Kathode 20 erzeugt infolge ihrer wesentlich größeren Abmessungen bei gleichem Strahlengang einen ausgedehnten diffusen Ladungsträgerstrahlfleck auf dem zu bearbeitenden Material. Die dadurch bedingte Aufheizung des zu bearbeitenden Materials kann durch Regelung des Heizstromes der Kathode 20 eingestellt werden. Eine andere Möglichkeit der Dosierung der Intensität des von der Kathode 20 ausgehenden Elektronenstrahles besteht darin, daß die Elektrode 18 isoliert angeordnet wird und ihr gegenüber der Kathode 20 eine regelbare negative Vorspannung erteilt wird.

Der Strahlengang einer derartigen Anordnung ist schematisch in der Fig. 4 dargestellt. Vom Strahlerzeugungssystem 23, das im einzelnen der Fig. 3 entspricht, geht der zentrale Ladungsträgerstrahl, der zur eigentlichen Materialbearbeitung dient, aus. Er durchsetzt die Blenden 24 und 25 und schließlich die nur durch ihre Polschuhe angedeutete elektromagnetische Linse 28, um dann an der Bearbeitungsstelle 26' (entsprechend 30' in Fig. 1) einen Elektronenfleck zu erzeugen, der dazu dienen kann, in dem zu bearbeitenden Gegenstand 6 einen Bohrkanal herzustellen. Die vorherige Aufheizung des zu bearbeitenden Gegenstandes erfolgt durch den zweiten Ladungsträgerstrahl 27, der schlauchförmige Gestalt besitzt. Er durchsetzt ebenfalls die Blende 24 und tritt durch kreisringförmige Schlitze 29 der Blende 25 hindurch. Der so in zwei Aperturbereichen die magnetische Linse 28 durchsetzende Strahl besteht aus dem zur eigentlichen Materialbearbeitung dienenden Kernstrahl 26 und dem die Umgebung der Bearbeitungsstelle 26' aufheizenden Außenstrahl 31. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, einen verhältnismäßig begrenzten Bereich eines zu bearbeitenden Materials bequem aufzuheizen und auch in einfacher Weise eine Automatisierung des gesamten Arbeitsvorganges vorzunehmen.

Wenn auch bevorzugt Strahlerzeugungssysteme mit Fernfokuskathode verwendet werden, so können beim Gegenstand der Erfindung doch auch andere Elektronenstrahlquellen Verwendung finden. Ferner können an Stelle von Elektronenstrahlen andersartige Ladungsträgerstrahlen, wie Ionenstrahlen, verwendet werden.

Claims (12)

Patentansprüche

1. Verfahren zum Bohren feiner Löcher in im Vakuum untergebrachte Gegenstände mittels eines feinen Ladungsträgerstrahles nach Patent 938 681, dadurch gekennzeichnet, daß das zu behandelnde Material während und/oder vor, gegebenenfalls auch nach der Beaufschlagung mit dem Ladungsträgerstrahl einer zusätzlichen Erhitzung unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung beim Fräsen von Gegenständen mittels Ladungsträgerstrahl.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung zur Herstellung chemischer Verbindungen eines mittels Ladungsträgerstrahl erhitzten Materials.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Erhitzung auf elektrischem Wege erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Erhitzung mittels Heizplatte erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Erhitzung induktiv oder kapazitiv mittels Wechselstrom, vorzugsweise mittels Hochfrequenz, erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Erhitzung mittels Ladungsträgerstrahles erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die zusätzliche Erhitzung ein zweiter Ladungsträgerstrahl vorgesehen ist, gegebenenfalls mit kreisringförmigem Querschnitt.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung des zu bearbeitenden

Materials mittels des auch zur Bearbeitung des Materials dienenden Ladungsträgerstrahles durchgeführt wird, beispielsweise bei verringerter Strahlintensität und/oder durch Schwenken des Ladungsträgerstrahles über die Fläche des zu bearbeitenden Materials, vorzugsweise unter Verwendung elektrostatischer oder elektromagnetischer bzw. elektronenoptischer Ablenkvorrichtungen.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4 und einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 9, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß die zusätzliche Erhitzung des zu bearbeitenden Materials auf eine Temperatur erfolgt, die im Bereich zwischen zwei und vier Fünfteln der Schmelztemperatur des zu bearbeitenden Gegenstandes liegt.

11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Strahlerzeugungssystem, vorzugsweise unter Verwendung einer Fernfokuskathode und

gegebenenfalls ein weiteres ladungsträgeroptisches System geformte Ladungsträgerstrahl in einen Raum eintritt, in welchem das zu bearbeitende Material angeordnet ist und in welchem die zusätzliche Erhitzung dieses Materials erfolgt.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung so gewählt und angeordnet ist, daß der Ladungsträgerstrahl nach Durchbohren des zu bearbeitenden Gegenstandes nicht auf festes oder flüssiges Material trifft.

In Betracht gezogene Druckschriften:
K. Woytacek, Lehrbuch der Glasbläserei, Hamburg 1923;

Schimpke-Horn, Praktisches Handbuch der gesamten Schweißtechnik, Vierte Auflage, 1948, S. 254, und 313;

Es pe-Knoll, Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik, Berlin 1936, S. 160, Fig. 167.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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