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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Durchführen von
Elektronenstrahlprozessen unterschiedlicher Art, mittels der sowohl
thermische Prozesse, wie zum Beispiel das Elektronenstrahlschweißen
oder das Randschichthärten metallischer Werkstoffe, als
auch nicht-thermische Prozesse, wie zum Beispiel das Vernetzen von
Kunststoffen oder das Härten von Lacken, durchführbar
sind. Die Vorrichtung ist vorzugsweise bei der Forschung und Entwicklung
auf dem Gebiet der Elektronenstrahltechnologie sowie bei der Aus-
und Weiterbildung einsetzbar.
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Stand der Technik
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Bekannte
Elektronenstrahlanlagen lassen sich bezogen auf deren Anwendungsbedingungen
im Wesentlichen nach zwei Grundprinzipien unterscheiden: Elektronenstrahlanlagen,
bei denen ein erzeugter Elektronenstrahl unter Vakuumbedingungen
auf ein zu behandelndes Objekt trifft und Elektronenstrahlanlagen,
bei denen ein erzeugter Elektronenstrahl in einer Luft- oder einer
anderen Gasumgebung bei verschiedenen Druckverhältnissen
auf ein zu behandelndes Objekt trifft. Ein Umrüsten bekannter
Elektronenstrahlanlagen von einem Grundprinzip auf das andere ist
bei den bisher gegebenen Anlagenkonfigurationen entweder nicht oder
nur mit sehr großem Aufwand möglich. Als Alternative
bleibt die Installation von zwei separaten Anlagen. Dazu sind jedoch
ein höherer Investitionsaufwand, ein größerer Platzbedarf
und höhere Betriebskosten erforderlich.
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Wie
bereits oben beschrieben, können mit Elektronenstrahlanlagen
je nach Wirkungsweise thermische Prozesse oder nicht-thermische
Prozesse durchgeführt werden. Kommen bei thermischen Prozessen überwiegend
Elektronenstrahlanlagen mit gebündeltem Elektronenstrahl
hoher Leistung zum Einsatz, sind bei nicht-thermischen Prozessen
meistens Elektronenstrahlanlagen erwünscht, die einen beispielsweise
durch Ablenkung aufgefächerten Elektronenstrahl erzeugen.
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Es
sind verschiedene Konfigurationen von Elektronenstrahlanlagen bekannt,
die bei thermischen Prozessen eingesetzt werden. Diese umfassen
mindestens einen Elektronenstrahlerzeuger, welcher im Wesentlichen
aus zwei Baugruppen, dem eigentlichen Strahl erzeugersystem und einem
Strahlführungssystem, besteht, wobei der Strahlerzeuger auf
oder an einer Vakuumkammer unterschiedlicher Art und Größe
installiert ist und einen Elektronenstrahl in die Vakuumkammer abgibt
(
DE 195 37 842 A1 ).
Für eine effektive Wirkungsweise des Elektronenstrahls
ist es dabei zweckmäßig, wenn der Elektronenstrahl
im Fein- oder auch Grobvakuum nur einen kurzen Weg bis zu einem
zu behandelnden Objekt zurücklegt.
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Bei
speziellen Anwendungen des Elektronenstrahlschweißens unter
Atmosphärenbedingungen (non vacuum electron beam welding)
werden Anlagen mit einer speziellen Strahlaustrittsdüse
eingesetzt. Diese Technik erlaubt das Herausführen eines fokussierten
Elektronenstrahls aus dem evakuierten Strahlerzeuger an den an Atmosphärendruck
liegenden Prozessort. Ein derart erzeugter Elektronenstrahl ist
jedoch nur sehr beschränkt für den Einsatz bei
nicht-thermischen Prozessen geeignet, weil das Energieniveau der
Elektronen bzw. die Energieverteilung innerhalb des Strahlquerschnittes
nicht für eine sinnvolle technologische Anwendung geeignet
ist. Eine Umrüstung von Elektronenstrahlanlagen aus dem
Gebiet der thermischen Elektronenstrahlprozesse für den
Einsatz bei nicht-thermischen Prozessen unter Atmosphärenbedingungen
ist aufwendig und unrentabel.
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Elektronenstrahlanlagen
für den nicht-thermischen Anwendungsfall bestehen üblicherweise aus
einem Strahlerzeuger und einem nach einem Strahlführungssystem
(auch Strahlführungsraum genannt) angeordneten Elektronenaustrittsfenster
DE 42 19 562 C1 (beispielsweise
als Titanfolie ausgebildet), durch welches ein oftmals defokussierter
Elektronenstrahl zum Prozessort unter Atmosphärenbedingungen
herausgeführt wird. Das Elektronenaustrittsfenster ist
mit einem relativ großen Arbeitsabstand zum Strahlführungssystem
angeordnet, um damit den erforderlichen Freiraum für die
mittels Strahlablenkung realisierbare Leistungsdichteverteilung über
die Fläche des Strahlaustrittsfensters zu schaffen. Der
Prozessort zum Behandeln eines Substrates ist nahe hinter dem Strahlaustrittsfenster
innerhalb einer Kammer angeordnet, um die beim Prozess entstehende
Röntgenstrahlung abzuschirmen und den Einsatz verschiedener
Prozessgasumgebungen zu ermöglichen. Ein Einsatz derartiger
Anlagen für Prozesse des Schweißens oder der thermischen
Randschichtbehandlung ist nicht möglich, weil die Leistungsdichte
des Strahls nach dem Durchdringen des Strahlaustrittsfensters für
einen Schweißprozess nicht ausreichend ist.
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Elektronenstrahlanlagen
für den Einsatz bei nicht-thermischen Prozessen auf der
Basis so genannter Linear- oder Bandstrahler (
DE 196 38 925 A1 ) ermöglichen
nicht das Generieren eines fokussierten Elektronenstrahls und sind
somit für thermische Anwendungen wie das Schweißen
generell nicht verwendbar. Insgesamt ist festzustellen, dass insbesondere
eine für den Einsatz in Forschung, Aus- und Weiterbildung
nutzbare Anlagentechnik mit Einsatzmöglichkeiten sowohl
bei thermischen wie auch nicht-thermischen Prozessen gegenwärtig
nicht verfügbar ist.
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Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde eine Vorrichtung
zu schaffen, mittels der sowohl thermische als auch nicht-thermische Elektronenstrahlprozesse
an Substraten ausführbar sind.
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Die
Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen
von Elektronenstrahlprozessen an mindestens einem Substrat umfasst
einen Axialstrahler zum Erzeugen eines Elektronenstrahls, der in
eine an den Axialstrahler angrenzende evakuierbare erste Arbeitskammer
gerichtet ist, sodass in der ersten Arbeitskammer thermische Elektronenstrahlprozesse durchführbar
sind. Des Weiteren weist die erste Arbeitskammer auf der dem Axialstrahler
gegenüberliegenden Seite in Elektronstrahlrichtung ein
Elektronenaustrittsfenster auf, durch welches Elektronen des Elektronenstrahls
in eine zweite Arbeitskammer hindurchtreten können. Auf
diese Weise können in der zweiten Arbeitskammer, welche
wahlweise auch evakuierbar ausgebildet sein kann, nicht-thermische Elektronenstrahlprozesse
an Substraten durchgeführt werden.
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Mit
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung können
daher sowohl thermische Elektronenstrahlprozesse in der ersten Arbeitskammer
oder auch nicht-thermische Elektronenstrahlprozesse in der zweiten
Arbeitskammer an einem Substrat durchgeführt werden.
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Im
einfachsten Fall sind die beiden Arbeitskammern Bestandteil einer
Gesamtarbeitskammer, welche durch eine das Elektronenaustrittsfenster
umfassende Zwischenwand in die erste und zweite Arbeitskammer unterteilt
ist. Alternativ können die erste und zweite Arbeitskammer
auch als separate Arbeitskammern ausgebildet sein, die entweder
aneinander koppelbar oder auch wieder voneinander trennbar sind.
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Bei
einer Ausführungsform weist die erste oder/und zweite Arbeitskammer
eine verschließbare Öffnung auf, durch die zu
behandelnde Substrate in die jeweilige Arbeitskammer eingebracht
und auch wieder daraus entfernt werden können. Sowohl in
der ersten als auch der zweiten Arbeitskammer kann ein Substrathalter
angeordnet sein.
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Die
Ausrichtung des Axialstrahlers ist vorzugsweise senkrecht oder waagerecht.
Die Achse des Axialstrahlers kann jedoch auch mit jedem anderen
Winkel bezüglich der Horizontalen ausgerichtet sein.
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Ein
verwendeter Axialstrahler verfügt vorteilhafter Weise über
eine Strahlablenksteuerung, mittels welcher der erzeugte Elektronenstrahl
ablenkbar ist und wodurch der Auftreffpunkt des Elektronenstrahls über
eine Strecke bzw. eine Fläche auf einem Substrat wirksam
werden kann. Alternativ kann aber auch ein Substrat zum Zwecke der
Behandlung durch einen Elektronenstrahl mittels eines Substrathalters
unter dem feststehenden Elektronenstrahl bewegt werden, oder aber
es wird sowohl der Elektronenstrahl mittels einer Strahlablenksteuerung
abgelenkt und gleichzeitig auch das Substrat mittels des Substrathalters
bewegt. Es ist daher ebenfalls vorteilhaft, wenn der Substrathalter
bewegbar und insbesondere in Elektronenstrahlrichtung verschiebbar
ausgebildet ist.
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Die
Strecke bzw. Fläche, innerhalb der ein Elektronenstrahl
mittels einer Strahlablenksteuerung auf einem Substrat wirksam werden
kann, ist umso größer, je weiter das Substrat
bzw. das Elektronenaustrittsfenster vom Strahlerzeuger entfernt
ist. So können unterschiedliche Anforderungen, die sich
aus einer Aufgabenstellung ergeben, auch unterschiedliche Entfernungen
eines Substrates vom Strahlerzeuger erfordern, welche dann mittels
des Substrathalters einstellbar sind. Nicht-thermische Aufgabenstellungen
erfordern gewöhnlich einen Substratabstand von einigen
Millimetern bis wenigen Zentimetern vom Elektronenaustrittsfenster.
Bei thermischen Anwendungen hingegen, wie beispielsweise dem Elektronenstrahlschweißen,
kann je nach Aufgabenstellung ein Substratabstand von wenigen Zentimetern
bis zu einem Meter und mehr vom Axialstrahler erforderlich sein.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform umfasst ein Elektronenaustrittsfenster
ein sicherheitstechnisches Mittel, mittels dem in der Strahlablenksteuerung
die einem jeden Elektronenaustrittsfenster zugeordneten Strahlführungsparameter
aktivierbar sind. Beim Einsatz verschiedener Elektronenaustrittsfenster
bestehen auch unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich von Parametern
einer Strahlablenksteuerung. So ist beispielsweise bei unterschiedlichen
Größen oder Formen eines Elektronenaustrittsfensters
auch die Fläche verschieden, welche mittels des Elektronenstrahls
abzurastern ist. Wird beispielsweise ein Elektronenaustrittsfenster
versehentlich mit auf den Elektronenstrahl bezogenen Strahlführungsparametern
beaufschlagt, die einem kleineren Elektronenaustrittsfenster zugeordnet
sind, kann der Energieeintrag pro Flächeneinheit zu hoch sein
und zur Beschädigung des Elektronenaustrittsfensters führen.
Mittels eines Steckkontaktes an jedem Elektronenaustrittsfenster
können beispielsweise die einem Elektronenaustrittsfenster
zugeordneten Strahlführungsparameter kodiert und somit
eine versehentlich falsche Einstellung von Strahlführungsparametern
verhindert werden. Damit kann beispielsweise auch verhindert werden,
dass ein gebündelter und unabgelenkter Elektronenstrahl
auf ein Elektronenaustrittsfenster trifft und dieses zerstört.
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Damit
mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verschiedenste
Aufgabenstellungen gelöst werden können, ist es
vorteilhaft, wenn am Axialstrahler verschiedene Beschleunigungsspannungen einstellbar
sind. Das Einwirken eines Elektronenstrahls auf Metalle umfasst
als meist negative Begleiterscheinung den Sachverhalt, dass gleichzeitig auch
Röntgenstrahlung freigesetzt wird. Bei einer Ausführungsform
weist die erste und/oder zweite Arbeitskammer deshalb eine Abschirmung
auf, welche an die bei der höchstmöglich einstellbaren
Beschleunigungsspannung auftretende prozessspezifische Röntgenstrahlung
angepasst ist.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform umfasst die zweite Arbeitskammer
einen Gaseinlass, mittels dem ein Gas (beispielsweise ein Schutzgas)
in die Arbeitskammer einlassbar ist.
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Weitere
Ausgestaltungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zeichnen sich dadurch aus, dass die erste oder/und die zweite Arbeitskammer über
ein Einblick-Fenster zur Prozessbeobachtung verfügen.
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Wenn
in der ersten Arbeitskammer thermische Elektronenstrahlprozesse
an einem Substrat durchgeführt werden, ist es vorteilhaft,
wenn das Elektronenaustrittsfenster mit einer Ab deckung geschützt
oder alternativ vollständig entfernt und durch eine vakuumdichte
Blindplatte ersetzt wird.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die einzige Fig. zeigt eine schematische
Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt
schematisch eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung im Schnitt. Eine bekannte Elektronenkanone 1 vom
Axialtyp ist auf der oberen Kammer 2 einer zweietagigen
Arbeitskammer installiert. Die untere Kammer 3 der zweietagigen
Arbeitskammer ist für einen Elektronenstrahl 6 in
einem definierten Ablenkbereich über ein elektronendurchlässiges
Strahlaustrittsfenster 4 erreichbar. Die obere Kammer 2 und
die untere Kammer 3 sind über getrennte Türen 7 zugänglich.
In der oberen Kammer 2 befindet sich eine Werkstückbewegungseinrichtung 8,
die sich in 1 außerhalb des Strahlaustrittsfensterbereiches
befindet, aber auch über das Strahlaustrittsfenster 4 und
dessen Abdeckung 5 bewegt werden kann und die mit speziellen
Mitteln zur Werkstückaufnahme ausgestattet werden kann. Damit
ist die Möglichkeit gegeben, die obere Kammer 2 in
Verbindung mit dem Elektronenstrahlerzeuger 1 und den zugehörigen
versorgungstechnischen Baugruppen als Anlage zum Elektronenstrahlschweißen oder
Härten zu benutzen. Die untere Kammer 3 muss für
diesen Einsatz nicht evakuiert sein.
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In
der unteren Kammer 3 ist eine Werkstückbewegungseinrichtung 9 angeordnet,
die höhenverstellbar die Bewegung von vorzugsweise flächenhaften
Werkstücken nahe unter dem Strahlaustrittsfenster 4 erlaubt.
Bei Nutzung der unteren Kammer 3 muss die obere Kammer 2 evakuiert,
die Fensterabdeckung 5 entfernt und die Werkstückbewegungseinrichtung 8 der
oberen Kammer 2 außerhalb des Strahlaustrittsfensters 4 positioniert
sein. Bei der Durchführung von nicht-thermischen Prozessen
in der unteren Kammer 3 kann diese prozessspezifisch mit
Schutzgas gespült, belüftet oder evakuiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19537842
A1 [0004]
- - DE 4219562 C1 [0006]
- - DE 19638925 A1 [0007]