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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz der Oberfläche eines optischen Bauteils, bei dem
- – ein Objekt, von dem gasförmige, flüssige oder feste Stoffe freigesetzt werden können, insbesondere ein zu bearbeitendes Werkstück, in einer evakuierten Vakuumkammer bereitgestellt wird,
- – eine optische Einrichtung zur Beobachtung und/oder Bearbeitung des Objektes verwendet wird, wobei zwischen dem Objekt und der optischen Einrichtung ein Strahlengang verläuft und die optische Einrichtung ein in dem Strahlengang positioniertes optisches Bauteil mit einer zu dem Objekt weisenden Oberfläche aufweist, die für von dem Objekt freigesetzte gasförmige, flüssige oder feste Stoffe zugänglich ist, und
- – die Oberfläche gegen die freigesetzten Stoffe geschützt wird.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere Laser- oder Elektronenstrahl-Bearbeitungsvorrichtung, mit
- – einer mittels Evakuierungsmitteln evakuierbaren Vakuumkammer, in der eine Werkstückaufnahme vorgesehen ist,
- – wenigstens einer optischen Einrichtung, wobei zwischen dieser und der Werkstückaufnahme ein Strahlengang verläuft,
- – einem in dem Strahlengang positionierten optischen Bauteil der optischen Einrichtung, mit einer zu der Werkstückaufnahme weisenden Oberfläche, die Verunreinigungen, welche durch eine Bearbeitung eines in der Werkstückaufnahme angeordneten Werkstückes verursacht werden können, zugänglich ist, und
- – einer Schutzeinrichtung zum Schutz gegen Verunreinigungen der Oberfläche.
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In einer evakuierten Vakuumkammer können von einem Objekt, bedingt durch chemische, physikalische oder mechanische Prozesse, insbesondere durch die Bearbeitung des Objektes mittels elektromagnetischer Strahlung oder Teilchenstrahlung gasförmige, flüssige oder feste Stoffe mit hoher Temperatur freigesetzt werden. Diese können beispielsweise als Atome, Moleküle oder Partikel, in Form von Dampf oder als Plasma aus dem Werkstück austreten. Infolge des in der Vakuumkammer herrschenden, für die Bearbeitung benötigten geringen Druckes stehen den emittierten Stoffen nur in geringem Maße Wechselwirkungspartner zur Verfügung, an welche sie ihre Energie abgegeben können. Folglich erreichen sie alle zugänglichen Oberflächen nahezu ungehindert und schlagen sich an diesen nieder.
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Die Anlagerung emittierter Stoffe auf Oberflächen stellt insbesondere für optische Bauteile, die in der Vakuumkammer verwendet werden, ein Problem dar. Dabei kann es sich um Spiegel, Linsen, Beugungsgitter oder Fenster zur Ein- bzw. Auskopplung des Strahlenganges in die bzw. aus der Vakuumkammer sowie Sensoren handeln. Die optischen Bauteile können dabei sowohl in Bearbeitungs- als auch Beobachtungsstrahlengängen positioniert sein, wobei die Strahlengänge sich beispielsweise orthogonal oder unter einem Winkel kleiner als 90° zu dem Objekt bzw. Werkstück erstrecken können. Spiegel und Linsen werden beispielsweise für die Strahlführung und Fokussierung eines Bearbeitungs-Laserstrahls benötigt, während Fenster zum Einsatz kommen, um den Blick auf die Bearbeitungsstelle an dem Werkstück in der Vakuumkammer freizugeben bzw. einen in der Vakuumkammer befindlichen Detektor oder Sensor, mit dem die Bearbeitung untersucht wird, gegenüber dem Kammerinnenraum zu verschließen.
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Die optischen Bauteile weisen im Allgemeinen diskrete optische Eigenschaften, insbesondere diskrete Transmissions- bzw. Reflexionseigenschaften auf, die nicht verändert werden dürfen, um gleichbleibende Bearbeitungs- bzw. Beobachtungsbedingungen zu gewährleisten. Schlägt sich auf der zugänglichen Oberfläche eines transparenten optischen Bauteils beispielsweise in Folge einer in der Vakuumkammer stattfindenden Werkstück-Bearbeitung Metall ab, so nimmt der Transmissionsgrad des optischen Bauteils ab und das optische Bauteil wird unbrauchbar. Das verunreinigte optische Bauteil muss dann aus der Vakuumkammer entnommen und gereinigt oder ersetzt werden.
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Um die Vakuumkammer für die Entnahme des Bauteils öffnen zu können muss sie zunächst vollständig belüftet werden, was mit einem hohen Zeitaufwand und somit langen Standzeiten der Vorrichtung verbunden ist. Ist eine Reinigung nicht möglich, muss das optische Bauteil erneuert werden, wodurch erhebliche Kosten verursacht werden. Daher gehen die Bestrebungen dahin, die Oberflächen optischer Komponenten, welche in evakuierten Vakuumkammern für Verunreinigungen zugänglich sind, zu schützen.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, eine Oberfläche zu schützen, indem ein transparentes Schutzelement, beispielsweise eine Glas- oder Kunststoffscheibe, in dem zwischen dem zu bearbeitenden Werkstück und der optischen Komponente verlaufenden Strahlengang positioniert wird. Das als transparente Blende dienende Schutzelement bietet eine alternative Oberfläche, auf welcher sich die Verunreinigungen niederschlagen, so dass diese die Oberfläche der optischen Komponente nicht erreichen. Der Strahlengang wird dabei bedingt durch die Transparenz des Schutzelementes nicht beeinflusst. Ist die Oberfläche des Schutzelementes verunreinigt, so muss dieses – anstelle des zu schützenden optischen Bauteils – gereinigt oder ersetzt werden, wofür ebenfalls eine zeitaufwendige Belüftung der Vakuumkammer erforderlich ist. Derartige Schutzelemente haben demzufolge keinen positiven Einfluss auf die Länge eines belüftungsfreien Betriebsintervalls der Vorrichtung.
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Um diesen Nachteil zu überwinden, sind großflächige Schutzelemente entwickelt worden, welche beweglich in dem Strahlengang positioniert sind. Ist beispielsweise nach einem bestimmten Bearbeitungsintervall ein derartiges Schutzelement über den optischen Querschnitt des Strahlengangs verunreinigt, wird das Schutzelement quer zum Strahlengang bewegt. So wird ein neuer Abschnitt des Schutzelements, der zuvor durch eine Schutzblende vor den Verunreinigungen geschützt war, in den optischen Querschnitt eingebracht, und die Bearbeitung kann ohne Belüftung der Kammer fortgesetzt werden. Dabei werden beispielsweise transparente Kunststofffilme verwendet, die in einer Kassette aufgerollt sind. Alternativ werden Glasringe eingesetzt, die um einen bestimmten Winkel verdreht werden, um einen sauberen Abschnitt des Schutzelementes in den Strahlengang zu bringen.
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An diesen Ausführungsformen wird jedoch als nachteilig empfunden, dass das Problem der sich niederschlagenden Verunreinigungen lediglich von der Oberfläche der optischen Komponente auf eine alternative Oberfläche eines vor der optischen Komponente positionierten Schutzelementes verlagert wird. Durch die Bereitstellung eines Schutzelementes mit einer großen Oberfläche, die nach und nach in den Strahlengang eingebracht werden kann, wird lediglich das Zeitintervall, nach welchem eine Reinigung bzw. ein Ersetzen des Schutzelementes erfolgen muss, verlängert. Ist die gesamte Oberfläche verunreinigt, muss auch bei dieser Ausführungsform eine Reinigung oder ein Wechsel des Schutzelementes und somit eine zeitaufwendige Belüftung der Vakuumkammer erfolgen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, durch das ein im Strahlengang positioniertes optisches Bauteil in einer evakuierten Vakuumkammer zuverlässig und über lange Zeit gegen Verunreinigungen geschützt wird, so dass wartungs- bzw. reinigungsbedingte Belüftungsvorgänge der Vakuumkammer in wesentlich geringerem Umfang anfallen. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer geeigneten Vorrichtung, mit der ein derartiges Verfahren angewendet werden kann.
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Die erstgenannte Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zwischen der Oberfläche und dem Objekt in dem Strahlengang ein in Richtung des Objekts gerichteter Gasstrom erzeugt wird. Mit anderen Worten liegt der Erfindung die Idee zugrunde, die Oberfläche eines optischen Bauteils in einer Vakuumkammer mit Hilfe eines von der Oberfläche wegweisenden Gasstroms zu schützen. Der erzeugte Gasstrom sollte dabei im Allgemeinen orthogonal zu der zu schützenden Oberfläche ausgerichtet werden.
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Erfindungsgemäß werden im Bereich des Beobachtungs- bzw. Bearbeitungsstrahlenganges gezielt Gasmoleküle als Stoßpartner für die von dem Objekt bzw. Werkstück emittierten Stoffe zur Verfügung gestellt. Die mittlere freie Weglänge der emittierten Atome, Moleküle bzw. Partikel wird in diesem Bereich durch den expandierenden Gasstrom deutlich reduziert und diese können ihre Energie an die Gasteilchen abgeben. Sie werden mittels des gerichteten Gasstroms gebremst und Metalldämpfe werden zur Kondensation gebracht, bevor sie in den Bereich der zu schützenden Oberfläche gelangen.
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Die freigesetzten Stoffe können sich demzufolge nicht als Verunreinigungen auf der Oberfläche in dem Strahlengang niederschlagen. Die optischen Eigenschaften des Bauteils bleiben erhalten und die Beobachtung und/oder Bearbeitung des Objekts bzw. Werkstücks kann unter gleichbleibenden Bedingungen sowie störungsfrei erfolgen. Eine Belüftung der Vakuumkammer für eine Reinigung bzw. ein Ersetzen von optischen Bauteilen ist folglich nur selten erforderlich. Die Verfügbarkeit der Vorrichtung ist somit gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht.
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Für den erfindungsgemäßen Schutz einer Oberfläche können beliebige, insbesondere inerte Gase verwendet werden. Zweckmäßiger Weise wird ein Gas verwendet, welches die in der Atmosphäre der Vakuumkammer ablaufenden Prozesse positiv beeinflusst. Mit dem gerichteten Gasstrom kann ferner der zusätzliche positive Effekt für den Bearbeitungsprozess erzielt werden, dass in der Kammer befindlicher Restsauerstoff verdrängt wird. Insbesondere Argon und Stickstoff eignen sich für die erfindungsgemäße Verwendung, da diese mit handelsüblichen Pumpen aus der Vakuumkammergefördert werden können und somit der Arbeitsdruck in der Vakuumkammer mittels gängiger Evakuierungsmittel aufrecht erhalten werden kann. Dabei reicht ein geringer Volumenstrom des Gases aus, der beispielsweise in Abhängigkeit des gewünschten Arbeitsdruckes in der Vakuumkammer gewählt bzw. eingestellt werden kann. In diesem Falle wäre der wählbare Volumenstrom nach oben hin allein durch die Pumpleistung der Evakuierungsmittel der Vakuumkammer begrenzt.
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In Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Gasstrom entlang des Strahlengangs geführt wird, insbesondere mittels eines sich objektseitig an die Oberfläche anschließenden Schutzgehäuses, welches einen Schutzraum umschließt und den Strahlengang umgibt und an dem objektseitig wenigstens eine Gasaustrittsöffnung vorgesehen ist, die den Strahlengang einfasst. Die Führung des Gasstroms entlang des Strahlengangs ist zweckmäßig, da auf diesem Wege gewährleistet wird, dass das Gas in den Bereich gebracht wird, in dem seine Schutzfunktion für die Oberfläche erforderlich ist, nämlich insbesondere zwischen der Oberfläche und der Quelle von Verunreinigungen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Gasstrom über mehr als die Hälfte der zwischen der Oberfläche und dem Objekt liegenden Strecke geführt wird, wodurch das Gas seine Schutzfunktion über eine weite Strecke ausüben kann.
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Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass
- – die Schutzeinrichtung ein sich an die Oberfläche werkstückaufnahmeseitig anschließendes Schutzgehäuse umfasst,
- – das Schutzgehäuse einen Schutzraum umschließt,
- – das Schutzgehäuse den Strahlengang umgibt,
- – Gaseinlassmittel für den Zutritt eines Gases in den Schutzraum vorgesehen sind,
- – das Schutzgehäuse wenigstens eine Gaseintrittsöffnung aufweist,
- – das Schutzgehäuse werkstückaufnahmeseitig wenigstens eine Gasaustrittsöffnung aufweist, und
- – die Gasaustrittsöffnung den Strahlengang einfasst.
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Der Schutz der Oberfläche erfolgt bei einer derartigen Vorrichtung mittels einer Schutzeinrichtung, die ein sich an die Oberfläche anschließendes Schutzgehäuse umfasst, welches einen Schutzraum umschließt. Der Schutzraum ist über die wenigstens eine Gasaustrittsöffnung mit der Vakuumkammer verbunden, die mit Hilfe des Evakuierungsmittels, das beispielsweise am Boden oder an einer Seite der Vakuumkammer an diese angeschlossen sein kann, evakuierbar ist. Demzufolge herrscht in dem Schutzraum ebenfalls Unterdruck, wenn die Vakuumkammer evakuiert ist. Über die Gaseinlassmittel kann Gas in den Schutzraum eingelassen werden, so dass ein Gasstrom in Richtung des Evakuierungsmittels der Vakuumkammer erzeugt wird. Das Gas wird dabei über das Schutzgehäuse entlang des Strahlenganges in Richtung der Werkstückaufnahme geführt, wobei es durch die wenigstens eine Gasaustrittsöffnung, welche den Strahlengang umgibt, aus dem Schutzraum in die Vakuumkammer eintritt. Das Schutzgehäuse ist vorzugsweise aus Metall gefertigt, wobei insbesondere Kupfer aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit geeignet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können im Rahmen aller Bearbeitungsverfahren eingesetzt werden, die in einer evakuierten Vakuumkammer erfolgen. Insbesondere im Rahmen des Elektronenstrahlschweißens, des Elektronenstrahlbohrens, der Elektronenstrahloberflächenbehandlung, bei dem CVD- oder PVD-Beschichten sowie dem Laserstrahlschweißen bei reduziertem Umgebungsdruck können Oberflächen optischer Bauteile erfindungsgemäß vor Verunreinigungen geschützt werden. Darüber hinaus können bestehende Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken konstruktiv angepasst werden, so dass in diesen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann.
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Ist in einer Vakuumkammer mehr als ein optisches Bauteil für bearbeitungsbedingte Verunreinigungen zugänglich, beispielsweise, wenn ein Bearbeitungs- und ein Beobachtungsstrahlengang vorgesehen ist, so kann selbstverständlich mehr als eine Oberfläche erfindungsgemäß vor Verunreinigungen geschützt werden.
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In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Schutzraum nur über die wenigstens eine Gasaustrittsöffnung mit der Vakuumkammer verbunden ist. Auf diesem Wege wird gewährleistet, dass Gas lediglich im Bereich des Strahlenganges aus dem Schutzraum in die Vakuumkammer strömt. Der Gasstrom wird so auf den Bereich des Strahlenganges beschränkt, in dem die Oberfläche vor Verunreinigungen zu schützen ist.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Gasaustrittsöffnung als Einschnürung des Schutzgehäuses ausgebildet. Der Querschnitt der Gasaustrittsöffnung wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass sie dem für die Beobachtung bzw. Bearbeitung erforderlichen Querschnitt des Strahlenganges entspricht. So wird erreicht, dass die Oberfläche nur im Bereich des Strahlengangs mittels des gerichteten Gasstroms geschützt wird. Die restliche Oberfläche des optischen Bauteils, welches im Allgemeinen einen Durchmesser aufweist, der den des Strahlenganges übersteigt, wird über das als Blende wirkende Schutzgehäuse gegen Verunreinigungen geschützt. Die derartige Anpassung der Gasaustrittsöffnung an den Strahlengang ermöglicht ferner einen optimalen Schutzprozess, weil die Strömungsgeschwindigkeit des Gases nach Art einer Düse erhöht wird, wenn dieses durch die – gegenüber dem Schutzgehäuse – verengte Gasaustrittsöffnung in die Vakuumkammer strömt. Die von der Bearbeitungsstelle an dem Werkstück emittierten Stoffe werden infolge dessen besonders effizient von der Oberfläche ferngehalten. Dabei trägt die Expansion des Gases zu einer zusätzlichen Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bei. Es ist so gewährleistet, dass gasförmige, flüssige und feste Stoffe, die von einem in der Werkstückaufnahme angeordneten Werkstück, welches bearbeitet wird, freigesetzt werden, nur in geringem Maße bzw. gar nicht in den von dem Gasstrom durchströmten Schutzraum gelangen, den das Schutzgehäuse einschließt. Die Oberfläche wird somit wirksam gegen Verunreinigungen geschützt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Schutzgehäuse hülsenförmig ausgebildet ist und/oder sich werkstückaufnahmeseitig verjüngt. Diese Form des Schutzgehäuses hat sich als besonders geeignet erwiesen. Die verjüngte Ausbildung gewährleistet, dass eine kontinuierliche Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit des Gases in Richtung des Werkstücks und somit ein effizienter Schutz der Oberfläche erzielt wird.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass sich das Schutzgehäuse entlang des Strahlenganges über mehr als die Hälfte der zwischen der Oberfläche und der Werkstückaufnahme liegenden Strecke erstreckt. So wird der Gasstrom über einen großen Teil der Strecke entlang des Strahlengangs geführt.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in dem Schutzgehäuse zumindest eine sich quer zu dem Strahlengang erstreckende Blende vorgesehen, die eine den Strahlengang einfassende Öffnung aufweist. Insbesondere sind mehrere Blenden axial beabstandet vorgesehen, die sich parallel zueinander erstrecken. Durch die in dem Schutzgehäuse angeordneten Blenden wird den von der Bearbeitungsstelle am Werkstück emittierten Atomen, Molekülen bzw. Partikeln eine große Oberfläche als potentielles „Ziel“ angeboten. An diesem können sich insbesondere Metalldämpfe, welche in das Schutzgehäuse gelangen, niederschlagen, bevor sie in den Bereich der zu schützenden Oberfläche gelangen. Wird eine Vielzahl von axial beabstandeten parallel zueinander angeordneten Blenden verwendet, wird eine große Oberfläche für den Niederschlag von Verunreinigungen dargeboten.
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Es kann zweckmäßig sein, dass die Blenden in an sich bekannter Weise nicht exakt quer zu dem Strahlengang angeordnet sind, um beispielsweise bei der Laserstrahl-Bearbeitung zu verhindern, dass Rückreflexe in das Lasersystem geworfen werden.
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Ferner kann eine Kühleinrichtung zum Kühlen der wenigstens einen Blende vorgesehen sein. Die Kühlung unterstützt den Kondensationsvorgang, so dass zusätzlich verhindert wird, dass Verunreinigungen in den Bereich der zu schützende Oberfläche gelangen. Die Kühlung kann insbesondere zu einem Niederschlag von Flüssigkeitsnebeln an den Blenden führen. Die Blenden sind – analog zu dem Schutzgehäuse – vorzugsweise aus Metall, insbesondere Kupfer gefertigt. Um einen optimalen Schutz der Oberfläche zu erzielen, kann die Anzahl der in dem Schutzgehäuse vorgesehenen Blenden sowie der Durchmesser der Öffnungen in den Blenden angepasst werden. Auch der Durchmesser der Gasaustrittsöffnung, sowie die Ausdehnung des Schutzgehäuses in Richtung des Strahlenganges sind variierbare Parameter.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das optische Bauteil als austauschbare Glasscheibe ausgebildet ist, die ebenfalls einen Teil der optischen Einrichtung bildet. Bei dieser kann es sich insbesondere um eine einfache, z.B. plane und damit kostengünstige Glasscheibe handeln. Die Glasscheibe ist dann zweckmäßigerweise in dem Strahlengang zwischen der Quelle von Verunreinigungen – dem Werkstück – und einem weiteren, insbesondere hochwertigen optischen Bauteil der optischen Einrichtung positioniert. Durch den erfindungsgemäß erzeugten Gasstrom wird verhindert, dass von dem bearbeiteten Werkstück freigesetzte Stoffe in den Bereich der Oberfläche der Glasscheibe gelangen. Diese wird demzufolge direkt und das von dem Werkstück aus gesehen hinter dieser positionierte hochwertige optische Bauteil indirekt gegen Verunreinigungen geschützt. Mit anderen Worten ist sichergestellt, dass falls trotz des Gasstroms Verunreinigungen in den Bereich der zugänglichen Oberfläche gelangen, ein kostengünstiges, auf einfachem Wege austauschbares optisches Bauteil verschmutzt wird, während das hinter diesem positionierte hochwertige Bauteil zuverlässig geschützt ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, dass das eine Ende des Schutzgehäuses von dem optischen Bauteil abgeschlossen ist. Insbesondere bei einem hülsenförmig ausgebildeten Schutzgehäuse kann das optische Bauteil das Schutzgehäuse als die oben erwähnte Glasscheibe abschließen. Dabei schließt es das Schutzgehäuse zweckmäßiger Weise an seinem von der Werkstückaufnahme abgewandten Ende ab.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die zumindest eine Gaseintrittsöffnung seitlich an dem Schutzgehäuse vorgesehen. Dies ist insbesondere zweckmäßig, wenn das optische Bauteil das Schutzgehäuse an seinem einen Ende abschließt.
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Dabei können mehrere Gaseintrittsöffnungen entlang des Umfangs des Schutzgehäuses vorzugsweise äquidistant beabstandet vorgesehen sein. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, dass gleichmäßig von allen Seiten Gas in den Schutzraum eintreten kann und sich eine symmetrische Strömung einstellt. Die Gaseintrittsöffnungen können dann über einen Ringkanal verbunden sein, der Teil der Gaseinlassmittel ist und über den das Gas an die Gaseintrittsöffnungen verteilt werden kann. Der Ringkanal kann innerhalb der Wandung des Schutzgehäuses angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gaseinlassmittel eine Vorkammer umfasst, die sich auf der von der Werkstückaufnahme abgewandten Seite des Schutzgehäuses an das Schutzgehäuse anschließt. Die Vorkammer ist dann über die wenigstens eine Gaseintrittsöffnung mit dem Schutzraum verbunden. Die Vorkammer ermöglicht eine gleichmäßige Gaszufuhr in den Schutzraum.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Vorkammer auf ihrer von dem Schutzgehäuse abgewandten Seite von einem Fenster abgeschlossen ist. Über dieses wird beispielsweise ein Bearbeitungs- oder Beobachtungsstrahlengang in die Vakuumkammer eingekoppelt.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Schutzgehäuse in einem Deckel der Vakuumkammer sitzt. Auf diese Weise kann das Schutzgehäuse auf einfachem Wege in der Vakuumkammer positioniert werden und ist leicht zugänglich.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt:
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1a eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit einer Schutzeinrichtung in einem Bearbeitungsstrahlengang,
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1b eine Detaildarstellung des Schutzgehäuses aus 1a,
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2 eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem alternativ geformten Schutzgehäuse,
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3a eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung in Werkstücken mit einer Schutzeinrichtung in einem Bearbeitungsstrahlengang,
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3b eine Detaildarstellung des Schutzgehäuses aus 3a,
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4 eine vierte erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem alternativ geformten Schutzgehäuse,
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5a eine fünfte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit einer Schutzeinrichtung in einem Beobachtungsstrahlengang,
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5b eine Detaildarstellung des Schutzgehäuses aus 5a.
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Die 1a zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bearbeitung von Werkstücken, die als Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung ausgebildet ist. Die Vorrichtung 1 umfasst eine aus Metall gefertigte evakuierbare Vakuumkammer 2 mit einer Bodenwand 3, Seitenwänden 4 und einem Deckel 5, der die Vakuumkammer 2 von oben luftdicht verschließt. Der Deckel 5 ist mittels nicht dargestellter Schrauben an den Seitenwänden 4 der Vakuumkammer 2 fixiert, in denen zu diesem Zweck entsprechend Gewinde 6 vorgesehen sind. Die Vakuumkammer 2 ist mittels nicht eingezeichneter Evakuierungsmittel, hier einer Vakuumpumpe, evakuiert. Die Vakuumpumpe ist an der Vakuumkammer 2 in deren unterem Bereich angeschlossen.
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Auf der Bodenwand 3 der Vakuumkammer 2 ist eine Werkstückaufnahme 7 vorgesehen, in der ein Werkstück 8 angeordnet ist, welches bearbeitet wird. Durch die Vakuumkammer 2 erstreckt sich zu diesem Zweck im Wesentlichen senkrecht ein Strahlengang 9 eines Bearbeitungs-Laserstrahls. Der Strahlengang 9 ist von oben durch ein Fenster 10, welches über einen Befestigungsringring mit Elastomerscheibe 11 an dem Deckel 5 gehalten ist, in die Vakuumkammer 2 eingekoppelt. Der Strahlengang 9 verläuft von einer optischen Einrichtung zu dem Werkstück 8, wobei von der optischen Einrichtung hier nur das letzte optische Bauteil – das Fenster 10 – dargestellt ist. Dessen zu dem Werkstück 8 weisende Oberfläche 12 ist für durch die Bearbeitung des Werkstücks 8 verursachte Verunreinigungen zugänglich.
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Zwischen dem Fenster 10 und dem Werkstück 8 ist eine Schutzeinrichtung 13 zum Schutz gegen Verunreinigungen der Oberfläche 12 vorgesehen. Diese umfasst ein sich an die Oberfläche 12 werkstückseitig anschließendes Schutzgehäuse 14, welches einen Schutzraum umschließt und den Strahlengang 9 umgibt. Das Schutzgehäuse 14 setzt sich aus einem Schutzring 14a, der hier als Teil des Deckels 5 ausgebildet ist, und einer in dem Schutzring 14a sitzenden Schutzhülse 14b zusammen. An dem Schutzgehäuse 14 ist werkstückseitig eine Gasaustrittsöffnung 15 vorgesehen, die den Strahlengang 9 einfasst. Die Gasaustrittsöffnung 15 ist hier als Einschnürung des Schutzgehäuses 14 ausgebildet und stellt die einzige Verbindung von dem Schutzraum mit dem Innenraum der Vakuumkammer 2 dar.
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Wie in 1b in der Detaildarstellung des Schutzgehäuses 14 gut zu erkennen ist, sind in dem Schutzgehäuse 14 insgesamt drei Blenden 16 vorgesehen, die sich quer zu dem Strahlengang 9 erstrecken und jeweils eine den Strahlengang 9 einfassende Öffnung 17 aufweisen. Die Größe der Öffnungen 17 nimmt dem Querschnitt des Strahlengangs 9 folgend nach oben hin von Blende 16 zu Blende 16 zu. Die Blenden 16 sind über Distanzhülsen 18 axial beabstandet in dem Schutzgehäuse 14 vorgesehen und erstrecken sich parallel zueinander. Ferner ist eine nicht eingezeichnete Kühleinrichtung zum Kühlen der Blenden 16 vorgesehen.
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Durch den Deckel 5 der Vakuumkammer 2 erstreckt sich ein Gaseinlasskanal 19, der in den Schutzraum mündet.
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Im Betrieb wird die Vakuumkammer 2 mittels der Vakuumpumpe kontinuierlich evakuiert. Das Werkstück 8 wird mit dem Laserstrahl bearbeitet. Dabei werden Atome, Moleküle und Partikel von der Bearbeitungsstelle an dem Werkstück 8 in die Vakuumkammer 2 emittiert. Infolge des in der Vakuumkammer 2 herrschenden Unterdrucks stehen den emittierten Stoffen nur in geringem Maße Wechselwirkungspartner zur Verfügung, an welche sie ihre Energie abgegeben können.
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Über den Gaseinlasskanal 19 wird simultan mit einem geringen Volumenstrom Gas in den Schutzraum eingelassen, indem ein zwischen der Gasquelle und der Vakuumkammer 2 vorgesehenes, nicht eingezeichnetes Ventil geöffnet wird. Da die Vakuumkammer 2 kontinuierlich evakuiert wird und der von dem Schutzgehäuse 14 umgebene Schutzraum mit der Vakuumkammer 2 verbunden ist, herrscht in diesem ebenfalls ein Unterdruck, und das Gas strömt von der Gasquelle in den Schutzraum. Aus dem Schutzraum strömt es durch die den Strahlengang 9 umgreifende Gasaustrittsöffnung 15 in die Vakuumkammer 2 und wird über die im unteren Bereich der Vakuumkammer 2 vorgesehene Vakuumpumpe wieder aus der Vakuumkammer 2 entfernt. Auf diesem Wege stellt sich ein aus dem Schutzraum durch die Gasaustrittsöffnung 15 in die Vakuumkammer 2 verlaufender Gasstrom ein, der senkrecht zu der zu schützenden Oberfläche 12 des Fensters 10 und von dieser in Richtung des Werkstückes 8 verläuft. Auf diesem Wege wird die Oberfläche 12 des Fensters 10 zuverlässig vor Verunreinigungen geschützt, die durch die Bearbeitung des Werkstücks 8 verursacht werden können.
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In der 2 ist eine zweite Vorrichtung 20 gezeigt, die sich von der Vorrichtung 1 aus 1a lediglich in der Ausgestaltung der Schutzeinrichtung unterscheidet. Bezüglich der Beschreibung der Komponenten, die identisch zu den Komponenten der in 1a gezeigten Vorrichtung 1 sind, wird daher auf die Beschreibung von 1a und 1b verwiesen. Aufgrund der Analogie der Komponenten sind in 2 korrespondierende Bezugszeichen für diese verwendet worden.
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Die hier dargestellte Schutzeinrichtung 21 umfasst ein Schutzgehäuse 22, welches sich analog zu dem in 1a dargestellten Schutzgehäuse 14 aus einem Schutzring 22a, der als Teil des Deckels 5 ausgebildet ist und einer in dem Schutzring 22a sitzenden Schutzhülse 22b zusammensetzt. Die Schutzhülse 22b verjüngt sich hier jedoch zum Werkstück 8 hin, so dass sie im Wesentlichen die Form eines hohlen Kegelstumpfes aufweist. Das Schutzgehäuse 22 erstreckt sich entlang des Strahlengangs 9 über etwa dreiviertel der zwischen der Oberfläche 12 des Fensters 10 und dem Werkstück 8 liegende Strecke. Über die große Ausdehnung des Schutzgehäuses 22 in Längsrichtung wird gewährleistet, dass der Gasstrom über eine weite Strecke entlang des Strahlenganges 9 geführt wird. Am oberen Ende des Schutzgehäuses ist eine einzige Blende 16 vorgesehen.
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Die 3a zeigt eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung 23 zur Bearbeitung von Werkstücken. Der untere Bereich der Vakuumkammer 2 ist identisch zu den beiden bereits gezeigten Vorrichtungen 1, 21 ausgebildet, weshalb auch hier auf die Beschreibung von 1a verwiesen wird. Bezugsziffern korrespondierender Komponenten sind übernommen worden.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung 23 ist der Deckel 24 auf alternative Weise ausgebildet. Er umschließt eine Vorkammer 25, welche Teil der Gaseinlassmittel ist und welche auf ihrer von dem Werkstück 8 wegweisenden Seite durch das Fenster 10 abgeschlossen wird. Der Gaseinlasskanal 19a mündet bei dieser Ausführungsform in die Vorkammer 25. An seiner zu dem Werkstück 8 weisenden Seite ist in dem Deckel 24 eine Öffnung 26 vorgesehen, in welcher ein Schutzgehäuse 27 der Schutzeinrichtung 13 sitzt. Wie in der Detaildarstellung in 3b gut zu erkennen, ist das von dem Werkstück 8 abweisende Ende des Schutzgehäuses 27 hier von einem als einfache Glasscheibe ausgebildeten kostengünstigen Schutzglas 28 abgeschlossen. Das Schutzglas 28, welches die mittels des Gasstroms zu schützenden Oberfläche 29 aufweist, ist ebenfalls Teil der optischen Einrichtung.
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Unterhalb des Schutzglases 28 ist in dem Schutzgehäuse 27 ferner eine Blende 30 angeordnet. Unterhalb dieser sind in dem Schutzgehäuse 27 insgesamt acht Gaseintrittsöffnungen 31 vorgesehen, welche über den Umfang äquidistant beabstandet angeordnet sind. Über die Gaseintrittsöffnungen 31 ist die Vorkammer 25 mit dem Schutzraum, welcher von dem Schutzgehäuse 27 umschlossen wird, strömungsverbunden.
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Im Betrieb wird über den Gaseinlasskanal 19a Gas in die Vorkammer 25 eingelassen und gelangt über die acht Gaseintrittsöffnungen 31 in den Schutzraum. Aus diesem strömt es analog zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel in die Vakuumkammer 2, wobei die zum Werkstück 8 weisende Oberfläche 29 des Schutzglases 28 durch den erzeugten Gasstrom direkt vor Verunreinigungen geschützt wird. Das von dem Werkstück 8 aus gesehen hinter dem Schutzglas 28 liegende Fenster 10, welches ein hochwertiges optisches Bauteil der optischen Einrichtung ist, wird so auf indirektem Wege zuverlässig gegen Verunreinigungen geschützt. Ist das kostengünstige Schutzglas 28 nach einer langen Betriebsdauer der Vorrichtung 23 Verschmutzt, so kann es auf einfachem Wege ausgetauscht werden, wobei nur geringe Wartungskosten entstehen.
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In 4 ist eine vierte erfindungsgemäße Vorrichtung 32 aus gezeigt. Diese ist praktisch identisch zu der in 3a gezeigten Vorrichtung 23 ausgebildet. Lediglich das Schutzgehäuse 33 ist anders gestaltet. Für die Beschreibung der identisch ausgebildeten Komponenten wird daher auf die 3a verwiesen.
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Das Schutzgehäuse 33 entspricht in seiner Form dem in 2 gezeigten Schutzgehäuse 22, hat jedoch an seinem oberseitigen Ende ein Schutzglas 28, welches das Schutzgehäuse abschließt. Korrespondierend zu der in 3a gezeigten Vorrichtung 23, sind in dem Schutzgehäuse 33 unterhalb des Schutzglases 28 insgesamt achte Gaseintrittsöffnungen 31 vorgesehen, über welche der Schutzraum mit der Vorkammer 25 strömungsverbunden ist.
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Im Betrieb wird analog zu der in 3a beschriebenen Vorrichtung 23 über den Gaseinlasskanal 19a Gas in die Vorkammer 25 eingelassen und gelangt über die acht Gaseintrittsöffnungen 31 in den Schutzraum. Aus diesem strömt es analog zu dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel in die Vakuumkammer 2, wobei die zum Werkstück 8 weisende Oberfläche 29 des Schutzglases 28 durch den erzeugten Gasstrom direkt und das hinter dieser positionierte Fenster 10 indirekt gegen Verunreinigungen geschützt wird.
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In 5a ist eine fünfte erfindungsgemäße Vorrichtung 34 zur Bearbeitung von Werkstücken dargestellt. Diese umfasst eine Vakuumkammer 2, deren unterer Bereich wiederum identisch zu bereits beschriebenen Ausführungsformen ist. In dem Deckel 35 ist hier kein Fenster für die Einkopplung eines in die Vakuumkammer 2 Bearbeitungsstrahles dargestellt. Der auf das Werkstück 8 gerichtete Bearbeitungsstrahlengang 36 ist in dieser Figur nur angedeutet.
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An der linken Kammerwand 37 ist eine Kamera 38 befestigt, die Teil der optischen Einrichtung ist und welche auf die Bearbeitungsstelle an dem Werkstück 8 gerichtet ist, so dass ein Beobachtungs-Strahlengang 39 zwischen der Kamera 38 und dem Werkstück 8 verläuft. Mit der Kamera 38 wird die Bearbeitung des Werkstücks 8 überwacht.
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Zwischen der Kamera 38 und dem Werkstück 8 ist eine Schutzeinrichtung 41 vorgesehen, welche ein hülsenförmig ausgebildetes Schutzgehäuse 42 umfasst. Dieses umschließt einen Schutzraum und umgibt den Beobachtungs-Strahlengang 39. Das Schutzgehäuse 42 ist an der Vorderseite der Kamera 38 befestigt, so dass die Kamera 38 das Schutzgehäuse 42 an seiner von dem Werkstück 8 abgewandten Seite verschließt. Das optische Bauteil mit der für Verunreinigungen zugänglichen Oberfläche ist hier durch ein in dem Schutzgehäuse 42 vor der Kamera 38 positioniertes Schutzfenster 40 gegeben, welches das nicht dargestellte Objektiv der Kamera 38 übergreift. Das Schutzgehäuse 42 weist an seiner zu dem Werkstück 8 weisenden Seite eine Gasaustrittsöffnung 43 auf, die hier ebenfalls als Einschnürung des Schutzgehäuses 42 ausgebildet ist. Die Gasaustrittsöffnung 43 stellt die einzige Verbindung des Schutzraums mit der Vakuumkammer 2 dar.
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Wie in 5b in der Detaildarstellung des Schutzgehäuses 42 gut zu erkennen ist, sind in dem Schutzgehäuse 42 zwei Blenden 16 vorgesehen, die sich quer zu dem Beobachtungs-Strahlengang 39 erstrecken und jeweils eine den Beobachtungs-Strahlengang 39 einfassende Öffnung 17 aufweisen. Die Größe der Öffnungen 17 nimmt dem Querschnitt des Beobachtungs-Strahlengangs 39 folgend zur Kamera 38 hin von Blende 16 zu Blende 16 zu. Die Blenden 16 sind über Distanzhülsen 18 axial beabstandet in dem Schutzgehäuse 42 vorgesehen und erstrecken sich parallel zueinander. Ferner ist eine nicht eingezeichnete Kühleinrichtung zum Kühlen der Blenden 16 vorgesehen.
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In der Wandung des Schutzgehäuses 42 ist ferner ein Ringkanal 44 vorgesehen, der Teil der Gaseinlassmittel ist. Dieser verbindet insgesamt acht in dem Schutzgehäuse 42 vorgesehene Gaseintrittsöffnungen 45 miteinander, die hier ebenfalls äquidistant beabstandet entlang des Umfangs des Schutzgehäuses 42 vorgesehen sind. Das Gaseinlassmittel umfasst ferner einen Schlauch 46, welcher eine Gasquelle mit einer zentralen Einlassöffnung 47, die sich durch die Wandung des Schutzgehäuses 42 erstreckt und in den Ringkanal 44 mündet, miteinander verbindet.
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Im Betrieb wird über den in die zentrale Einlassöffnung 47 mündenden Schlauch 46 Gas zugeführt. Dieses tritt in den Ringkanal 44 ein und wird auf die acht Gaseintrittsöffnungen 45 verteilt, so dass es von allen Seiten gleichmäßig in den Schutzraum gelangt. Das Gas strömt durch die Gasaustrittsöffnung 43 aus dem Schutzraum in die Vakuumkammer 2, wobei die zum Werkstück 8 weisende Oberfläche 48 des Schutzfensters 40 durch den erzeugten Gasstrom erfindungsgemäß gegen bearbeitungsbedingt von dem Werkstück 8 emittierte Stoffe geschützt wird. Das von dem Werkstück 8 aus gesehen hinter dem Schutzfenster 40 angeordnete hochwertige Kameraobjektiv wird so indirekt vor Verunreinigungen geschützt.
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Im Ergebnis kann die Beobachtung der Werkstückbearbeitung über einen langen Zeitraum unter konstanten Bedingungen erfolgen. Mit der Kamera 38 werden Werte gleichbleibender Qualität erfasst, da keine Verfälschung der Werte über eine Verunreinigung des Schutzfensters 40 verursacht wird. Sollten sich auf der Oberfläche 48 des Schutzfenster 40 nach einem langen Bearbeitungsintervall trotz des erfindungsgemäßen Schutzes Verunreinigungen niedergeschlagen haben, so kann es auf einfachem Wege ausgetauscht werden, wobei keine hohen Kosten entstehen.