WO1999052650A1

WO1999052650A1 - Verfahren zur elektronenbestrahlung von schichten auf oberflächen von objekten sowie einrichtung zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: WO1999052650A1
Application number: PCT/DE1999/000337
Authority: WO
Inventors: Siegfried Panzer; Gösta MATTAUSCH; Siegfried Schiller; Rainer Bartel; Dieter Leffler; Tino Bobe
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1998-04-11
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2000-10-11
Also published as: DE19816246C1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Elektronenbestrahlung von Schichten, die auf Objekten aufgebracht sind, oder von oberflächennahen Bereichen von Objekten, mit dem die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften von Stoffen in der Oberfläche oder in oberflächennahen Bereichen verändert werden. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich auf die Härtung von Anstrichstoffen, beispielsweise von Farben und Lacken sowie von organisch/anorganischen Verbundsystemen, die auf Objekten mit dreidimensional geformten Oberflächen aufgebracht sind. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist robotertauglich und für einen breiten industriellen Anwendungsbereich wirtschaftlich einsetzbar.

Description

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Verfahren zur Elektronenbestrahlung von Schichten auf Oberflächen von Objekten sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Elektronenbestrahlung von Schichten, die auf Objekten aufgebracht sind, oder von oberflachennahen Bereichen der Objekte, um die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der Stoffe der auf der Oberflache aufgebrachten Schicht oder in oberflachennahen Bereichen zu verandern Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Härtung von elektronenhartbaren Anstrichstoffen, beispielsweise von Farben und Lacken sowie von organisch/anorganischen Verbundsystemen, die auf Objekten mit dreidimensional geformten Oberflachen aufgebracht sind Besonders zweckmäßig ist der Einsatz der Erfindung für die Veredlung hochbeanspruchter Oberflachen von Teilen des Kraftfahrzeug- und Flugzeugbaus, wie z B kratzfesten Beschichtungen auf gekrümmten Fensterscheiben oder von Fassaden- und Konstruktionselementen

Verfahren zur Elektronenbestrahlung von Oberflachenschichten sind beispielsweise in dem Standardwerk „Elektronenstrahltechnologie" von Schiller, Heisig und Panzer (Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart, 1977) dargelegt Darin wird unter anderem beschrieben, wie durch die Einwirkung von Elektronenstrahlen die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften von Stoffen modifiziert werden Besonders ist die Elektronenbestrahlung für die Härtung von Druckfarben, Kleb- und Anstrichstoffen verbreitet Das Verfahren nach dem bekannten Stand der Technik gestattet den Einsatz von losemittelfreien Systemen, die beispielsweise auf Acrylatbasis beruhen, wobei die Härtung des Anstrichstoffes durch einen vom Elektronenstrahl initiierten Polymerisationsprozess erfolgt Das Verfahren findet vor allem Anwendung bei der Herstellung von Klebfolien, zur Härtung von Druckfarben und zur Lackhartung in der Möbel- und holzverarbeitenden Industrie Gerade bei der letztgenannten Anwendung wird die gegenüber anderen Harteverfahren erzielbare hohe Ritzharte und abrasive Verschleißfestigkeit der Oberflachen geschätzt Um vorgegebene Eigenschaften zu erzielen ist es erforderlich, auf die

Oberflachenschicht eine vom beabsichtigten Effekt und den zu modifizierenden Stoffen abhangige, innerhalb bestimmter Toleranzen liegende Energiedosis mit dem Elektronenstrahl zu übertragen 2

Eine Einrichtung zur Anwendung des Verfahrens zur Farbhartung ist beispielsweise aus der Zeitschrift „Papιer+ Kunststoff Verarbeiter' , 1996, Heft 1 , Seiten 8 - 14, bekannt, bei dem eine Elektronenbestrahlungseinrichtung zur Druckfarben- und Lacktrocknung eingesetzt wird Diese Bestrahlungseinrichtung besteht im Wesentlichen aus einer Bestrahlungseinheit mit zugehörigen Versorgungs- und Steuereinrichtungen sowie Mitteln zum Transport des Bestrahlungsgutes durch das Elektronenstrahlfeld Die Bestrahlungseinheit besteht ihrerseits aus einem evakuierten Elektronenstrahlerzeuger mit einem angeschlossenen, vakuumdichten, aber für den Elektronenstrahl durchlassigen Strahlaustrittsfenster Im Elektronenstrahlerzeuger werden von einer Glühkatode Elektronen freigesetzt, in einem elektrischen Feld beschleunigt und zu einem Elektronenstrahl formiert Eine linear ausgedehnte Anordnung von Glühkatode und Beschleunigungselektrode gestattet die Erzeugung eines in einer Richtung breit ausgedehnten, vorhangartigen Elektronenstrahls

Weiterhin ist eine Art von Elektronenstrahlerzeugern vom Axialtyp bekannt, bei der ein rotationssymmetrischer Elektronenstrahl erzeugt und in einem angeschlossenen Scanner mittels einer Strahlablenkemheit entlang einer Linie nach einer zeitlinearen periodischen Ablenkfunktion gescannt wird

In beiden vorgenannten Fallen tritt der Elektronenstrahl durch das Strahlaustrittsfenster an Atmospharendruck aus Damit entsteht ein Elektronenstrahlfeld, dessen Breite im allgemeinen groß gegen seine Lange ist Zusammenfassend kann daher gesagt werden, daß die nach dem Stand der Technik bekannten Strahlerzeuger üblicherweise darauf ausgelegt sind, ein Elektronenstrahlfeld zu erzeugen, das im vorgegebenen Abstand zum Strahlaustrittsfenster homogene Eigenschaften besitzt Aufgrund der Gesetze der Elektronenstreuung unvermeidbar ist bei diesen Strahlerzeugern, daß sich die Eigenschaften des Elektronenstrahlfeldes mit zunehmendem Abstand vom Strahlaustrittsfenster andern, wahrend unabhängig davon die Eigenschaftshomogenitat in der Strahlbreite erhalten bleiben

Das Elektronenstrahlfeld ist prinzipiell charakterisierbar durch eine

Elektronendichteverteilung, eine Verteilung der Elektronenbewegungsrichtung und eine Energieverteilung Mit zunehmendem Abstand vom Strahlaustrittsfenster nimmt die Dispersion der Elektronenbewegungsrichtungen zu, ihr Mittelwert fallt jedoch mit der Beschleunigungsrichtung des Elektronenstrahls zusammen und definiert damit eine Bestrahlungsrichtung des Elektronenstrahlfeldes Die Dispersion der Energieverteilung der 3

Elektronen nimmt ebenfalls mit zunehmendem Abstand vom Strahlaustnttsfenster zu, demgegenüber nimmt der Mittelwert der Elektronenenergie ab Die Folge dieses Sachverhaltes ist daß die im vorstehend charakterisierten Elektronenstrahlfeld auf die Oberflache und den angrenzenden Eindringbereich der Elektronen übertragene Dosis in komplexer Weise abhangig ist von den Bestrahlungsbedingungen, insbesondere vom Abstand der Oberflache zum Strahlaustnttsfenster und dem Winkel zwischen der Oberflachennormalen und der Bestrahlungsrichtung

Bei den Elektronenbestrahlungsverfahren nach dem bekannten Stand der Technik wird das Bestrahlungsgut im konstanten Abstand gegenüber dem Strahlaustnttsfenster durch das Bestrahlungsfeld gefuhrt Die zulassige Breite des Bestrahlungsgutes wird dabei durch die Breite des Strahlaustrittsfensters begrenzt Bestrahlt werden Oberflachenschichten bis zu einigen 100 g/rm auf ebenen Tragern, wie Papier oder Folienbahnen und Platten Die Beschleunigungsspannung zur Erzeugung des Elektronenstrahls betragt je nach Anwendungsfall 100 bis 300 kV

Bei den Elektronenbestrahlungseinrichtungen nach dem Stand der Technik ist die Bestrahlungseinheit ortsfest montiert In fester räumlicher Zuordnung zu der Bestrahlungseinheit wird das Bestrahlungsgut durch das Elektronenstrahlfeld bewegt Die Bestrahlungseinheit und das Elektronenstrahlfeld sind dabei von einer Arbeitskabine umgeben, die als Strahlenschutzcontainment ausgebildet ist und den Austritt von Röntgenstrahlung zuverlässig vermeidet Die Arbeitskabine besitzt gegen Rontgenstrahlenaustπtt geschützte Zu- und Abfuhrkanale für das Bestrahlungsgut Die Bestrahlung erfolgt in der Regel unter Inertbedingungen im Bereich < 100 ppm O₂- Konzentration Zur Gewährleistung dieser Bedingungen wird die Kabine mit Inertgas, beispielsweise mit N,, gespult

Die Steuer- und Versorgungseinrichtungen für den Betrieb der Bestrahlungseinrichtung enthalten unter anderem Mittel zur Regelung und Konstanthaltung der Bestrahlungsbedingungen, insbesondere der Beschleunigungsspannung, des Strahlstromes und der Transportgeschwindigkeit des Bestrahlungsgutes Der Strahlstrom ist dabei in der Regel an die Geschwindigkeit des Bestrahlungsgutes gekoppelt Bei Bestrahlungseinheiten mit Axialelektronenstrahlkanonen und Scanner, wie sie beispielsweise aus dem genannten Stand der Technik bekannt sind, enthalten die Versorgungseinrichtungen zusätzlich einen Ablenkgenerator, über den der Elektronenstrahl mit festen Parametern und einer Frequenz 4

im Bereich von 100 Hz gescannt, d h , zeitlinear periodisch abgelenkt wird, z B nach einer Dreiecks- oder Sagezahnfunktion

Die nach diesem Stand der Technik bekannten Bestrahlungseinrichtungen haben gemeinsam, daß ein stationäres oder im Falle des Strahlscannens quasistationares Elektronenstrahlfeld mit über die Lange des Strahlaustrittsfensters konstanten Bestrahlungsbedingungen erzeugt wird Die daran gebundenen Bestrahlungsverfahren gestatten damit nur für ebene Produkte, die im konstanten Abstand zum Strahlaustnttsfenster das Bestrahlungsfeld passieren, eine Bestrahlung mit homogener Dosisverteilung

Aus dem bereits genannten Buch „Elektronenstrahltechnologie" ist weiterhin ein Verfahren zur Elektronenbestrahlung mit hohen Energien im Bereich von 1 MeV bekannt, nach dem Korper mit schwach gekrümmten Oberflachen in Elektronenstrahlfeldern der vorstehend beschriebenen Art bestrahlt werden Dies wird dadurch möglich, daß sich in diesem Fall die Eigenschaften des Bestrahlungsfeldes über einen größeren Bereich mit zunehmendem Abstand vom Strahlaustnttsfenster nur wenig ändern. Die Geometriegrenzen für die Oberflachengestalt der Korper werden hier in erster Linie durch den Winkel der Oberflachennormalen zur Strahlrichtung gesetzt, da die lokale Dosisverteilung an der Oberflache etwa vom Kosinus dieses Winkels abhängig ist. Für spezielle Anwendungen der Hochenergiebestrahlung, beispielsweise für die Strahlenvernetzung von Isoliermatenalien von Hochspannungskabeln, ist es auch bekannt, durch geeignete Anordnungen von Elektronenrückstreukörpern im Elektronenstrahlfeld eine hinreichend homogene Bestrahlung für derartige Bestrahlungsguter zu erreichen

Aus der Literaturstelle Haefer „Oberflachen- und Dünnschicht-Technologie", Teil II,

Oberflachenmodifikation durch Teilchen und Quanten, Springer- Verlag, 1991 , Seiten 131 bis 134, ist bekannt, Schichten auf dreidimensional strukturierten Ober lachen mit Elektronenstrahlen zu modifizieren Dazu wird der Elektronenstrahl mit relativ hoher Beschleunigungsspannung von z B 230 kV erzeugt, so daß er in der Bestrahlungsatmosphare eine genügend hohe Reichweite von etwa 20 cm besitzt. Die starke Dispersion der Bewegungsrichtung der Elektronen vor allem in der zweiten Hälfte der ver ugbaren Elektronenreichweite wird genutzt, um Oberflachenelemente mit unterschiedlicher Neigung zur Strahlrichtung hinreichend homogen zu bestrahlen. Die Gesamtwolbung der genügend homogen bestrahlbaren Oberflache ist daher auf einen Bruchteil der Elektronenreichweite in der Bestrahlungsatmosphare begrenzt Der erzielte 5

Vorteil wird durch eine vergleichsweise zur behandelbaren Schichtdicke hohe Beschleunigungsspannung erkauft Der Preis ist ein erhöhter anlagentechnischer Aufwand und eine reduzierte Energieeffizienz

Es ist auch bekannt, beliebig gekrümmte Oberflachen mit dem Elektronenstrahl derart zu beaufschlagen, daß die Oberfläche des Werkstuckes aufgeschmolzen wird Es handelt sich dabei um eine Randschichtveredelung, die zur Härtung der Oberflache - z B von Nocken - fuhrt (DE 41 30 462 C 1 ) Diese Losung hat den Nachteil, daß der Prozeß im Vakuum stattfinden muß, da der erforderliche Energieeintrag infolge der erforderlichen Dicke der Umschmelzschicht sehr hoch ist Außerdem ist diese Technologie nur für relativ kleine Teile bei hohen Produktionszahlen geeignet

Der Nachteil der aus dem Stand der Technik hervorgehenden bekannten Verfahren und Einrichtungen besteht dann, daß eine Übertragung der Hochenergiebestrahlung auf die Elektronenstrahlhartung dunner Oberflachenschichten auf Korpern mit weitgehend beliebiger, dreidimensional gekrümmter Oberflachen an den engen Grenzen der Verfahrensflexibilitat scheitert Darüber hinaus ist ein hoher technischer Aufwand erforderlich, der die Wirtschaftlichkeit der Verfahren und Einrichtungen für viele Anwendungen in Frage stellt

Der Erfindung egt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Elektronenbestrahlung und die zugehörige Einrichtung zu schaffen, welches es ermöglicht, Schichten, die auf Objekten aufgebracht sind, oder oberflachennahe Bereiche von Objekten in einer definierten Tiefe in ihren physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften zu verandern Die Objekte können weitgehend beliebig, dreidimensional gekrümmt sein Damit soll das mögliche

Anwendungsgebiet der Elektronenbestrahlung erweitert sowie ihre Kosteneffizienz und ihre Flexibilität gesteigert werden

Erfindungsgemaß wird die Aufgabe nach den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelost In zugehörigen Unteranspruchen 2 bis 10 sind zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemaßen Verfahrens beschrieben Eine Einrichtung zur Durchfuhrung des Verfahrens wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 1 realisiert In den zugehörigen Unteranspruchen 12 bis 18 sind zweckmäßige Ausgestaltungen der Einrichtung oeschπeben 6

Das erfindungsgemaße Verfahren besteht darin, Schichten auf Objekten oder oberflachennahe Bereiche von Objekten mit dreidimensional ausgebildeter Oberflache innerhalb zulassiger Toleranzen definiert derart zu bestrahlen und infolgedessen eine Eigenschaftsmodifikation der Oberflachenschicht durchzufuhren, daß das Objekt zumindest bezüglich von Teilflachen in einer für die Bestrahlung optimalen Position und Orientierung zum Strahlaustnttsfenster der Bestrahlungseinrichtung der Strahleinwirkung ausgesetzt wird Durch ein lückenloses Aneinanderreihen derartiger Teilflachen ist es möglich, die gesamte zu bestrahlende Flache des Objektes zu bestrahlen

Bedingt durch Elektronenstreuung im Strahlaustnttsfenster und im gaserfullten

Arbeitsabstand zwischen dem Strahlaustnttsfenster und der Oberflache des Objektes ergibt sich in den Randzonen der Teilflachen ein stetiger Abfall der Bestrahlungsdosis Die zu bestrahlenden Teilflachen werden deshalb so aneinandergereiht, daß die in den Randzonen aus zumindest zwei Bestrahlungsereignissen übertragenen Energiedosen sich zur benotigten Gesamtdosis erganzen Dabei wird die bekannte Tatsache ausgenutzt, daß der beabsichtigte Modifikationseffekt ausschließlich oder dominant von der Bestrahlungsdosis, nicht aber vom Zeitregime ihrer Übertragung abhangig ist

Innerhalb der Teilflache werden Unterschiede in den Bestrahlungsbedingungen für die einzelnen Flacheneiemente, wie sie etwa durch unterschiedlichen Abstand zum

Strahlaustnttsfenster oder unterschiedliche Winkel zwischen ihrer Oberflachennormalen und der Bestrahlungsrichtung, aber auch durch unterschiedliche Expositionszeiten aufgrund voneinander verschiedener Translationsgeschwindigkeiten hervorgerufen sein können, durch Anpassung des Intensitatsprofils in der Ebene des Strahlaustrittsfensters kompensiert Unter Intensitatsverteilung wird dabei die über die Expositionsdauer der Teilflache gemittelte Strahlstromdichteverteilung in der Ebene des Strahlaustrittsfensters verstanden

Dabei wird davon ausgegangen, daß der geometrische Verlauf der Oberflache des Objektes relativ zum Strahlaustnttsfenster bekannt ist und daß für die Exposition eines bestimmten Flachenelementes der Teilflache der Elektronenstrahl von einem dem Flachenelement zuordenbaren Ort beziehungsweise einem Flachenbereich des Strahlaustrittsfensters austritt Ausgenutzt wird weiterhin die Möglichkeit, bei gegebener Oberflachengeometrie das benotigte Intensitatsprofil in der Ebene des Strahlaustrittsfensters anhand der die Elektronenausbreitung in Materie bestimmenden Gesetze zu berechnen oder zur Vereinfachung gegebenenfalls unter Verwendung empirisch gestutzter oder empirischer 7

Methoden zu ermitteln, sowie unter Wahrung von Belastbarkeitsgrenzen des Strahlaustrittsfensters auch praktisch zu realisieren

Das Verfahren wird mit einer Einrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 1 durchgeführt, wobei im wesentlichen eine an sich bekannte Axialstrahlquelle für einen Elektronenstrahl mit einer in zwei Achsen frei programmierbaren Weitwinkelablenkung für den Elektronenstrahl kombiniert wird Die Ablenkung des axialen Elektronenstrahls erfolgt im Unterschied zum Stand der Technik nicht zeithnear und linienformig, sondern zweidimensional und innerhalb einer Ablenkpenode mit in weiten Grenzen variierbarer Momentangeschwindigkeit bzw. Strahlverweildauer. Zur Einstellung der technologisch relevanten Intensitatsprofile wird eine im Mittelfrequenzbereich arbeitende Ablenkemheit mit einer dazu angepaßten Strahlfuhrungselektronik verwendet

Entsprechend der Dosistiefenverteilung der Energieabsorption von Elektronen wird bei gegebener Stromdichte auf Flachenelemente, deren Abstand zum Strahlaustnttsfenster größer ist als die halbe Reichweite der Elektronen, eine mit zunehmendem Abstand geringere Dosis übertragen Diese Benachteiligung von Flächeneiementen mit größerem Abstand zum Strahlaustnttsfenster kann vorteilhaft durch eine erhöhte Intensität im zugeordneten Fensterbereich kompensiert werden Da diese Maßnahme jedoch den relativen Dosisgradienten über der zu bestrahlenden Schichtdicke nicht verändert, bestimmt der zulassige Dosisgradient bei gegebener Beschleunigungsspannung, gegebenem Strahlaustnttsfenster und gegebenem Gas zwischen dem Strahlaustnttsfenster und der Objektoberfläche letztlich den maximal möglichen Abstand eines zu bestrahlenden Flächenelementes zum Strahlaustnttsfenster.

Eine deutliche Erweiterung der Verfahrensflexibilitat bezuglich der Einstellbarkeit von Dosisgradienten, insbesondere jedoch der Toleπerbarkeit konturbedingter Variationen des Arbeitsabstandes innerhalb des momentanen Bestrahlungsbereiches ergäbe sich, wenn man zur Inertisierung nicht Stickstoff sondern ein Gas mit geringerer Dichte einsetzt, zweckmaßigerweise Helium Aus Kostengrunden ist es aber nicht akzeptabel, die gesamte Arbeitskabine mit Helium zu inertisieren Die Einrichtung zur Durchfuhrung des Bestrahlungsverfahrens ist deshalb mit einer Schutzgasfuhrung ausgestattet, die den Bereich der momentanen Strahleinwirkung auf die zu modifizierende Oberflachenschicht nur lokal mit reinem Helium oder einem Stickstoff-Helium-Gemisch inertisiert Ein weiterer Vorteil dieser Einrichtung ist es, daß damit der Verbrauch von hochreinem Inertgas auf ein 8

Minimum reduziert sowie die Anforderung an die globale Sauerstoffkonzentration in der Arbeitskabine deutlich entschärft werden kann, was neben den direkten Inertgaskosten insbesondere auch den Aufwand für die Ein- und Ausschleusung der Objekte reduziert

Die Strukturgroße der Oberflächendetails, auf die die Bestrahlungsbedingungen angepaßt werden können, wird nach kleinen Abmessungen hin vor allem durch die Richtungsdispersion der Elektronen infolge Streuung beim Passieren des Strahlaustrittsfensters und der anschließenden Gasstrecke begrenzt. Diese ist um so geringer, je höher die Elektronenenergie und je geringer der Abstand des Oberflächenelementes zum Strahlaustnttsfenster sowie dessen Flächenmasse sind

Ein wichtiges Element der erfmdungsgemaßen Bestrahlungseinheit ist deshalb ein spezielles, beispielsweise mit Wasser kühlbares Stützgitter, das die Verwendung besonders dunner Metallfoiien als Strahlaustnttsfenster ermöglicht. Damit können technologiegerecht kleine Werte der Richtungsdispersion der austretenden Elektronen auch noch bei niedrigen Beschleunigungsspannungen von kleiner als etwa 150 kV erzielt werden. Das hat den Vorteil, daß die Strahlquelle gegenüber dem durch Einrichtungen mit wesentlich höheren Beschleunigungsspannungen repräsentierten Stand der Technik leichter und kompakter ist, die Aufwendungen für das Strahlenschutzcontainment geringer sind und die Strahlungsbelastung des Objektes unterhalb der zu modifizierenden Oberflachenschicht gering ist.

Für die Bestrahlung von Oberflächen von Objekten, deren Ausdehnung groß gegenüber einer bestrahlbaren Teilfläche ist, ist es zweckmäßig, benachbarte Teilflächen zu Bestrahlungsbahnen zusammenzufassen. Die Bestrahlung einer solchen Bahn erfolgt dann während der Relativbewegung zwischen der jeweiligen Oberfläche des Objektes und der Bestrahlungseinheit. Dabei erfolgen die Ausrichtung der Oberfläche des Objektes zur Strahlrichtung und die Einstellung der Intensitatsverteilung in der Ebene des Strahlaustrittsfensters nach Maßgabe der im jeweiligen Element im Einwirkbereich des Elektronenstrahls befindlichen Teilfläche. Es ist ferner zweckmäßig, die Bestrahlung der Oberfläche der Objekte durch zellenförmiges Aneinanderreihen geeignet gewählter Bestrahlungsbahnen durchzuführen

Dabei können sowohl zur optimalen Positionierung von Strahlquelle und Objekt als auch zur Erzeugung der verfahrensbedingt notwendigen Vorscnubgeschwindigkeiten ein oder 9

mehrere Roboter zur Anwendung kommen Beispielsweise kann ein Roboter die Bestrahlungseinheit gegenüber dem Objekt bewegen Es ist aber auch vorteilhaft, mittels eines weiteren Roboters das jeweilige Objekt vor oder wahrend der Bestrahlung relativ zur Bestrahlungseinheit zu bewegen wahrend die Bestrahlungseinheit ruht oder aber gleichzeitig über den ersten Roboter jeweils senkrecht zur Bestrahlungsflache ausgerichtet wird

Ein weiterer technologischer Freiheitsgrad wird mit der erfmdungsgemaßen Bestrahlungseinrichtung dadurch erschlossen, daß das Strahlaustnttsfenster gegenüber der Strahlquelle drehbar angeordnet sein kann Das vereinfacht die Realisierung eines Bahnsteuerbetriebes, der für die Bestrahlung krummlinig begrenzter Bahnen auf Freiformflachen erforderlich ist

Bei den bisher dargelegten Verfahrensvarianten wurde stets vorausgesetzt, daß die Kontur der zu bestrahlenden Oberflache in analytischer Form oder als CAD-File gegeben ist Es ist mit der Erfindung aber auch möglich, unbekannte oder sehr grob tolerierte Konturen zeitgleich und unmittelbar in Verbindung mit dem Bestrahlungsvorgang zu bestimmen Dazu ist die Einrichtung zur Durchfuhrung des Bestrahlungsverfahrens mit Schnittstellen für die Ankopplung einer Digitalisiereinπchtung versehen Die damit ermittelten Konturdaten der Oberflache stehen dann online zur Berechnung und Einstellung der Intensitats- Verteilung, des erforderlichen Vorschubes und der optimalen Ausrichtung von Bestrahlungseinrichtung und Objekt zur Verfugung

Die optimale Ausrichtung der jeweils zu bestrahlenden Teilflache zum Strahlaustnttsfenster ist dann gegeben, wenn die Gesamtheit der Flachenelemente unter optimalen Bedingungen von den Elektronen beaufschlagt werden können Diese Voraussetzung ist in der Regel dann erfüllt, wenn der Abstand zum Strahlaustnttsfenster hinreichend klein ist und die Oberflachennormalen der Teilflachen einen Winkel kleiner als etwa 45° zur Strahlrichtung bilden

Eine Erweiterung des effektiv bestrahlbaren Winkeibereiches wird bei der erfmdungsgemaßen Bestrahlungseinrichtung erreicht, indem verstellbare Reflektorblenden unmittelbar unter dem Strahlaustnttsfenster angeordnet sind, die den austretenden Elektronenstrahl reflektieren Bei entsprechender Einstellung des Winkels der Reflektorblende gegenüber der Hauptaustrittsrichtung der Elektronenstrahlen können dann auch noch Teilbereiche von Oberflachen wirksam bestrahlt werden, deren Oberflachennormalen um mehr als 45° gegen die Oberflachennormale der Ebene des Strahlaustrittsfensters geneigt sind Der Vorteil gegenüber den bekannten starren Reflexionskorpern besteht dann, daß die Reflektorblenden in Verbindung mit der Roboterbewegung automatisch steuerbar und so flexibel an unterschiedliche Konturen anpaßbar sind

Als besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist noch einmal zusammenfassend hervorzuheben, daß beipielsweise das Harten elektronenstrahlhartbarer Lackschichten auf verschleißbeanspruchten, dreidimensional geformten Oberflachen der eingangs genannten Art möglich durchfuhrbar ist Dabei kann die Härtung sowohl unmittelbar nach dem Lackauftrag aus dem flussigen Zustand heraus oder nach einer Vorhartung mit UV-Strahlen erfolgen Bei vorausgegangener UV-Hartung kann es darüber hinaus vorteilhaft sein, die zusätzliche Elektronenstrahlhartung auf besonders verschleißexponierte Oberflachenbereiche zu beschranken

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus einer Bestrahlungseinheit zur Realisierung des erfindungsgemäßen Elektronenbestrahlungsverfahrens; Fig. 2 die Anordnung der Bestrahlungseinheit an einer Handlingeinrichtung, beispielsweise an einem Industrieroboter; Fig. 3 die schematische Darstellung des Bestrahlungsvorganges für die Oberfläche eines Wellbleches mit Aufteilung in individuelle Härtebahnen und Darstellung der für die

Bahnen (n-1 ), n und (n+1 ) zu einzustellenden Dosisverteilung D_k(x), sowie das für die Bahn n zu programmierende Intensitätsprofil ι(x, y) in der Fensterebene; Fig. 4a die Anordnung eines Winkelbleches relativ zum Strahlaustnttsfenster; Fig. 4b die Lage einer zu bestrahlenden Lackschicht auf diesem Winkelblech relativ zur Dosis-Tiefen-Verteilung für reinen Stickstoff und reines Helium als Inertgas;

Fig. 5 die Orientierung von Fenster und Objekt sowie das Intensitätsprofil am Beispiel der

Härtung der Mantelfläche eines Kegelstumpfes im Vorschubverfahren; Fig. 6 eine schematische Darstellung der Grundzüge eines Flash-Verfahrens anhand der impulsförmigen Bestrahlung von Kugelkappen mittels durch Überlagerung von Subzyklen gewonnener Expositionsmaske;

Fig. 7 die Bestrahlung einer 3D-Freιformfläche im Flash-Verfahren, wobei die Expositionsmaske durch Digitalisierung der Kontur und punktweise programmierbare

Verweildauern des Strahles erzeugt wurde; Fig. 8 die Anwendung des Flash-Verfahrens zur sequentiellen impulsförmigen Bestrahlung kompliziert strukturierter, großflächiger dreidimensionaler Konturen;

Fig. 8a eine Darstellung der beim Flash-Verfahren alternierenden Bestrahl- und

Positionierzyklen ; Fig. 9 eine Möglichkeit, die zu bestrahlende Kontur durch eine zusammen mit der

Strahlquelle bewegte Digitalisiereinnchtung zu ermitteln und die substratgerechten Intensitätsprofile online einzustellen;

Fig. 10 den Einsatz von automatisch schwenkbaren Reflektorblenden zur lokalen

Verbesserung der Einstrahlbedingungen an schwer zugänglichen Teilflächen Die Fig. 1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau einer Bestrahlungseinheit 1 zur Durchfuhrung eines Verfahrens zur Elektronenbestrahlung von Schichten auf Oberflächen von Objekten gemäß der Erfindung.

Die Bestrahlungseinheit 1 besteht im wesentlichen aus einer axialen Strahlquelle 1 1 und einem Strahlrohr 1.2. Die Strahlquelle 1 .1 weist ein rohrformiges, evakuierbares und an seiner Oberseite verschließbares Gehäuse 2 mit einer radial daran angeordneten Turbopumpe 2.1 sowie einen als vakuumdichte Buchse in das Gehäuse 2 integrierten Isolator 2.2 auf, in den das Hochspannungskabel 3 gesteckt ist. Innerhalb des Gehäuses 2 ist am Isolator 2.2 in axialer Richtung eine Katodeneinheit 4 angeschlossen, die aus einer an sich bekannten Glühkatode 4 1 und einer Steuerelektrode 4.2 besteht, die den Strahlstrom I eines aus der Glühkatode 4 1 austretenden axialen Elektronenstrahles 4.3 regelt. Die Strahlquelle 1 1 ist für eine Beschleunigungsspannung von 150 kV dimensioniert. Unter der Katodeneinheit 4 sind axial eine Anode 5 und eine Ablenkeinheit 6 angeordnet.

Die Ablenkemheit 6 ist so ausgelegt, daß sie den in der Strahlquelle 1.1 formierten und durch eine Anodenbohrung in Richtung Strahlerrohr 1.2 laufenden axialen Elektronenstrahl 4.3 mit einer Frequenz von 200 Hz bis 20 kHz innerhalb eines axialsymmetrischen Ablenkkegels 6.1 mit 50° Spitzenwinkel beliebig ablenken kann. Am Gehäuse 2 ist ferner außenliegend eine Montageplatte 7 zur Befestigung der Bestrahlungseinheit 1 an einer hier nicht dargestellten Halterung bzw. Handlingeinrichtung vorgesehen.

An das Gehäuse 2 anschließend, ist in axialer Richtung das Strahlrohr 1.2 angeflanscht, das um die Mittelachse, also polar, drehbar mit dem Gehäuse 2 der Strahlquelle 1 .1 verbunden ist und darüber hinaus mit nicht dargestellten Steuer- und Versorgungseinrichtungen in Verbindung steht. Der Polarwinkel zwischen Strahlquelle 1.1 und Strahlrohr 1.2 kann mit einem Servomotor 8 bei laufendem Betrieb eingestellt werden. An der zeichungsgemäß unteren Seite ist das Strahlrohr 1.2 mit einem vakuumdichten, wassergekühlten rechteckförmigen Strahlaustnttsfenster 9 verschlossen.

Das Strahlaustnttsfenster 9 mit einer Breite 9 1 und einer Lange 9.2 liegt vollständig innerhalb der Grundfläche des Ablenkkegels 6.1 und besteht im wesentlichen aus einem gekühlten Stützgitter, das mit einer für Elektronenstrahlen 9.3 weitgehend transparenten, dünnen Metallfolie bespannt ist. An seiner außen egenden Seite ist das Strahlaustnttsfenster mit einer Schutzgasführung 10 für Schutzgas 1 1 umgeben. 13

In der Fig. 2 ist die Bestrahlungseinheit 1 mit einem Industrieroboter 20 verbunden dargestellt Die Bestrahlungseinheit 1 und der Roboter 20 befinden sich innerhalb einer in Fig 2 nicht dargestellten geschlossenen Arbeitskabine, die als Strahlenschutzcontamment ausgebildet und mit Inertgas gefüllt ist

Der Industrieroboter 20 ist für vorliegenden Verwendungszweck in üblicher Weise mit einem standfesten Sockel 21 und einem Unterteil 22 verbunden und weist schwenk- und drehbar beweglich gelagerte Arme 23 und 24 auf Am distalen Ende des Armes 24 ist die Bestrahlungseinheit 1 befestigt Die Bestrahlungseinheit 1 kann somit in Verbindung mit nicht dargestellten Antriebs- und Steuereinrichtungen sowohl manuell als auch automatisch gesteuert in mehreren Freiheitsgraden bewegt werden, die durch Rundachsen unterschiedlicher räumlicher Orientierung realisiert und in Fig 2 durch Pfeile angedeutet sind

In der Fig. 3 ist in schematischer Darstellung die Durchfuhrung der Bestrahlung der Oberflache eines Wellbleches 30 gezeigt, das in einem kartesischen Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z liegt Eine zu hartende Lackschicht 31 ist lediglich wegen der leichteren Darstellbarkeit auf dessen Unterseite aufgetragen Die Elektronenstrahlen 9 3 werden mit der Bestrahlungseinheit 1 erzeugt, von der hier zur Vereinfachung der Darstellung nur das Strahlaustnttsfenster 9 gezeigt ist, und gegen die Lackschicht 31 gerichtet Der Abstand zwischen dem Strahlaustnttsfenster 9 und der Lackschicht 31 wird als Arbeitsabstand z_A bezeichnet

Die Kontur des Wellbleches 30 wird durch eine Funktion z(x, y) beschrieben Ist z(x, y) wie im gegebenen Ausfuhrungsbeispiel nicht konstant, so ändert sich natürlich auch der lokale Arbeitsabstand z_A Die Schwankungsbreite dieser Variation wird Δz_A genannt Die Kanten von Wellblech 30 und Strahlaustnttsfenster 9 sind parallel zur x- bzw y-Achse ausgerichtet Die Lange des Wellbleches 30 wird in y-Richtung gemessen Sie ist groß gegenüber der Lange 9 2 des Strahlaustrittsfensters 9 Die Breite des Wellbleches 30 wird in x-Richtung gemessen und ist ihrerseits großer als die Breite 9 1 des Strahlaustrittsfensters 9 Durch Relativbewegung der Bestrahlungseinheit 1 in y-Richtung mit der Vorschubgeschwindigkeit v wird von den Elektronenstrahlen 9 3 ein rechteckiger Streifen mit der Breite 9 1 des Strahlaustrittsfensters und beliebiger Lange erfaßt, der im Folgenden als Bestrahlungsbahn 32 bezeichnet wird Die Gesamtflache des Wellbleches 30 wird dann durch sukzessives Aneinanderreihen der Bestrahlungsbahnen 32 in x-Richtung bestrahlt Aus Produktivitats- gründen ist ein zellenförmiges Abrastern der Oberfläche, d h ein Durchlaufen benachbarter 14

Bestrahlungsbahnen 32 mit entgegengesetzter Vorschubrichtung v_k, zweckmäßig Dieses Verfahren, das nachfolgend als Vorschubverfahren bezeichnet werden wird, ist in Fig 3 am Beispiel der (n-1)-ten, der n-ten und der (n+1)-ten Bahn dargestellt Damit sich die individuellen Bestrahlungsdosen D_k(x) im Uberlappbereich der (n-1 )-ten und n-ten Einzelbahn zur Solldosis D_s summieren, ist das Intensitatsprofil in der Fensterebene so zu programmieren, daß innerhalb der k-ten Bestrahlungsbahn 32 eine trapezahnhche Dosisverteilung D_k(x) mit Kantenmodulation resultiert

D_k (x) = D 1 -

1 + exp((x - x, )/x_HIVB ) 1 + exp((x_r - x)/x_HIVB )

Dabei stellt der Parameter x_HWB die Steilheit des Flankenverlaufes ein, wahrend x, die linke und x die rechte Begrenzung der k-ten Bestrahlungsbahn 32 darstellen Als Breite für eine Bestrahlungsbahn 32, die kleiner oder gleich der Breite 9 1 des Strahlaustrittsfensters 9 sein muß, ist der Bereich zwischen zwei Maxima der Oberflachenkontur des Wellbleches 30 gewählt Beim Durchlaufen der ersten und letzten Bestrahlungsbahn 32 sind die x-Koordmaten der Kanten des Wellbleches 30 in das Intervall (x,+x_HWB X,-X_HWB) ^ZU legen

Der zur Realisierung der Dosisverteilung D_k(x) erforderliche Verlauf der Intensität i in der Ebene des Strahlaustrittsfensters 9 ist ebenfalls schematisch dargestellt Das Intensitatsprofil ι(x, y) berücksichtigt, daß sowohl mit wachsendem Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung der Elektronen und der Oberflachennormalen am Strahlauftreffort als auch mit wachsendem Arbeitsabstand z_A eine Anhebung der Intensität i im zum betrachteten Strahlauftreffort korrespondierenden Segment des Strahlaustrittsfensters 9 erforderlich ist Die Bestrahlungsbahnen 32 werden mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit v in von Bahn zu Bahn entgegengesetzter Vorschubrichtung v_k durchlaufen Auf Grund der Symmetrie des Wellbleches 30 bleiben dabei das Intensitatsprofil ι(x, y) und der Strahlstrom I konstant

Um den Einfluß des Schutzgases 10 auf die konkrete technologische Ausgestaltung des Verfahrens zu veranschaulichen, ist in der Fig. 4a die Ausrichtung eines stufenförmigen Winkelbleches 33 bezüglich des Strahlaustrittsfensters 9 dargestellt Das Winkelblech 33 tragt auf den beiden Flachen, die sich im Abstand z_A = 10 cm und z_A + Δz_A = 20 cm vom Strahlaustnttsfenster 9 befinden, eine Lackschicht 31 mit einer Flachenmasse von 60 g/m² Strahlaustnttsfenster 9, Lackschicht 31 und Winkelblech 33 sind aus Gründen der besseren Darstellbarkeit nichtmaßstablich gezeichnet In Fig. 4b ist die Dosis-Tiefen-Verteilung D(z) für 150 kV Beschleunigungsspannung angegeben, die den Verlauf der Energieabgabe der Elektronen in Abhängigkeit von der bereits durchstrahlten Flächenmasse beschreibt. Die Flachenmasse ist definitionsgemaß das Produkt aus der Dicke z und Dichte p, des Ausbreitungsmediums. In dieses Diagramm sind ein 10 μm dickes Strahlaustnttsfenster 9 aus Titan, das Schutzgas 1 1 und die Lackschicht 31 auf dem hier nicht dargestellten Winkelblech 33 maßstablich bezüglich der Flächenmasse für die beiden Grenzfalle eingetragen, daß als Schutzgas 1 1 zum einen reiner Stickstoff, zum anderen reines Helium zum Einsatz kommt.

Tolerierbare Dosisgradienten über der zu modifizierenden Lackschicht 31 werden erzielt, wenn sich diese im Bereich des Maximums der Dosis-Tiefen-Verteilung D(z) befindet Wird als Schutzgas 1 1 Stickstoff verwendet, so ist ein Arbeitsabstand z_A= 3 cm bis 7 cm vom Strahlaustnttsfenster 9 akzeptabel. Ist die konturbedingte Variation des Arbeitsabstandes Δz_A bei den gegebenen Parametern der Strahlquelle 1 .1 größer als etwa 4 cm, so wird dem Schutzgas 1 1 im erforderlichen Maße Helium beigemischt. Während sich die gegebene

Kontur des Winkelbleches 33 in einer Heliumatmosphäre ohne Weiteres härten ließe, wären die Dosisunterschiede zwischen beiden Teilstücken der Lackschicht 31 bei Bestrahlung in Stickstoffatmosphare selbst bei Verringerung des Arbeitsabstandes z_A unakzeptabel hoch.

In Fig. 5 ist die Bestrahlung eines Kegelstumpfes 40 dargestellt, der mit der

Winkelgeschwindigkeit φ um die Rotationsachse x' gedreht wird. Der Abstand eines Oberflächenelementes des Kegelstumpfes 40 am Ort x von der Rotationsachse x' ist mit r(x) bezeichnet. Der Arbeitsabstand z_A zwischen der auf der Mantelfläche des Kegelstumpfes 40 aufgetragenen Lackschicht 31 und dem Strahlaustnttsfenster 9 ändert sich während der Drehbewegung nicht. Da sich die Vorschubgeschwindigkeit aus v = r(x) • φ ergibt, wird zur Realisierung konstanter Bestrahlungsdosen in der Lackschicht 31 das Intensitätprofil ι(x, y) proportional zu r(x) in x-Richtung gewählt.

Die Ausführungsbeispiele in den Fig. 3 bis 5 zeichnet aus, daß sich die Oberflächen der zu bestrahlenden Objekte in Bestrahlungsbahnen 32 zerlegen lassen, innerhalb derer sich die Kontur der Oberflachen über eine Länge 9.2 des Strahlaustrittsfensters 9 hinweg nicht oder zumindest nur wenig ändert. Das ist allgemein als Voraussetzung für die Anwendbarkeit des Vorschubverfahrens anzusehen. lo

Ist diese Voraussetzung nicht gegeben, so werden alternativ die zur Härtung erforderlichen Energiedosen bei Vorschub v = 0 durch impulsförmige Freigabe des Strahlstromes während eines ganzzahligen Vielfachen der Strahlablenkpeπode über das Strahlaustnttsfenster mit stationärem, zweidimensionalen Intensitatsprofil i(x, y) eingestrahlt, das nachfolgend als Expositionsmaske bezeichnet ist. Der beschriebene Bestrahlungsvorgang wird im folgenden Flash-Verfahren genannt. Dabei können auch mehrere Objekte simultan bestrahlt werden. Die Anzahl der individuellen Expositionsmasken ist im wesentlichen nur durch die zur Verfugung stehende Fläche des Strahlenaustrittsfensters 9 begrenzt.

Die Expositionsmasken lassen sich zweckmäßig nach zwei verschiedenen Methoden erzeugen, die anhand der Fig. 6 und 7 dargestellt sind.

Besitzen die Substrate gewisse Symmetrien, wie etwa Kugel- oder Zylindersymmetrie, so ist die Führung des Elektronenstrahls mittels überlagerter Subzyklen programmtechnisch vorteilhaft. Unter Subzyklus ist dabei zu verstehen, daß der Elektronenstrahl eine einfache geometrische Figur, wie zum Beispiel eine Linie, ein Quadrat oder einen Kreis, mit konstanter Geschwindigkeit beschreibt. Die Überlagerung besteht dann dann, daß diese Grundfigur mehrfach durchlaufen wird. Ihre Größe und Lage wird dabei für jeden Subzyklus entsprechend der Geometrie der zugeordneten Objektfläche gewählt.

In Fig. 6 ist die simultane Härtung von Lackschichten 31 auf zwei Kugelkappen 41 dargestellt. Der axiale Elektronenstrahl 4.3 wird durch die Ablenkeinheit 6, die beide hier nicht dargestellt sind, so geführt, daß er in der Ebene des Strahlaustrittsfensters 9 mit konstanter Laufgeschwindigkeit zwei kongruente Figuren aus konzentrischen Kreisen beschreibt. Die Radien dieser Ablenkkreise 42 sind so gestaffelt, daß sich der für den Randbereich der Kugelkappen 41 aufgrund der starken Neigung der zu härtenden Oberfläche gegenüber der Hauptaustrittsrichtung der Elektronenstrahlen 9.3 erforderliche Intensitätshub aus der Summe der auf jedem individuellen Kreis konstanten Intensitäten ergibt

Handelt es sich bei den zu bestrahlenden Objekten um nichtsymmetrische Freiformflächen, so ist zunächst eine dreidimensionale Diskretisierung ihrer Konturen erforderlich.

In Fig. 7 ist dieses Prinzip am Beispiel eines Gehäuses 43 bildlich dargestellt Aus den j k-Werten z_k = z (x_ι# y_k) werden dann rechnergestützt die lokal erforderlichen Intensitäten ι_|k = ι (x_|( y_k) an den Koordinatenpunkten (x, y_k) ermittelt und durch punktweise programmierte Haltezeiten τ =τ (x_J( y_k) innerhalb eines j k Gitterpunkte 44 umfassenden Ablenkrasters eingestellt Die Ablenksteuerung für den Elektronenstrahl ist auf 1024 x 1024 mögliche Gitterpunkte 44 ausgelegt Die zu ausgewählten Punkten gehörenden Haltezeiten τ_k sind mit Diagrammsaulen 45 veranschaulicht

Die Fig. 8 veranschaulicht die Erweiterung des Flash-Verfahrens für Objekte, deren Ausdehnung großer als die Breite 9 1 und Lange 9 2 des Strahlaustrittsfensters 9 ist Dazu wird das Strahlaustnttsfenster 9 vor der Bestrahlung über der auf eine Freiformflache 46 aufgetragenen Lackschicht 31 so positioniert, daß die Langsachse der nicht dargestellten Bestrahlungseinheit 1 möglichst parallel zu den Oberflachennormalen der Flachenelemente des zu hartenden Teilstucks verlauft und daß sich dessen gesamte Kontur innerhalb eines vom toleπerbaren Dosis-Tiefen-Gradienten begrenzten Arbeitsabstandes z_A befinden Die Expositionsmaske wird an den Konturverlauf der unter dem Strahlaustnttsfenster 9 liegenden Teilflache der Lackschicht 31 angepaßt und diese dann durch impulsartige Freigabe des Strahlstromes I wahrend eines ganzzahligen Vielfachen der Strahlablenkperiode über das Strahlaustnttsfenster 9 gehartet Nach der Härtung einer Teilflache wird die Bestrahlungseinheit 1 über einer angrenzenden, noch nicht geharteten Teilflache positioniert und gleichzeitig eine neue Expositionsmaske generiert Die Begrenzung der Elementarbereiche 47 wird so gewählt, daß große Flachen lückenlos und mit hinreichender Dosiskonstanz entlang der überlappenden Saume von Teilflachen gefüllt werden Anstelle der hier gewählten rechteckigen Elementarbereiche 47 können auch andere Flachenformen verwendet werden

Die Fig. 8a verdeutlicht das aus abwechselndem Bestrahlen und Positionieren bestehende Flash-Verfahren anhand der zeitlichen Verlaufe von Vorschubgeschwindigkeit v und Strahlstrom I

Bei den bisherigen Ausfuhrungsbeispielen wurde stets davon ausgegangen, daß der Verlauf der Kontur z (x, y) entweder in analytischer Form oder als Datenfile an hinreichend dicht liegenden Stutzstellen bekannt ist

In Fig. 9 ist die Kopplung der Bestrahlungseinheit 1 , von der zur Vereinfachung lediglich das Strahlaustnttsfenster 9 angedeutet ist, mit einer Digitalisiereinnchtung 50 dargestellt Die Digitalisiereinnchtung 50 nimmt die Kontur der zu bestrahlenden Freiformflache 46 18

wahrend der Vorschubbewegung berührungsfrei mit Sensorsignalen 51 auf. Das erforderliche Intensitatsprofil sowie die optimale Orientierung der Bestrahlungseinheit 1 werden wahlweise im teach-m-Modus oder auch online berechnet und wahrend der Bestrahlung kontinuierlich an den aktuellen Einwirkort angepaßt. Die hier dargestellte technologische Variante ist sowohl für das Flash- als auch für das Vorschubverfahren realisierbar.

In der Fig. 10 ist vereinfacht die Anordnung einer Reflektorblende 52 seitlich unter dem Strahlaustnttsfenster 9 dargestellt. Die Reflektorblende 52 ist um einen Drehpunkt schwenkbar und parallel zur Ebene des Strahiaustnttsfensters 9 verschiebbar.

Die vom Strahlaustnttsfenster 9 ausgehenden Elektronenstrahlen 9.3 treffen annähernd senkrecht auf den parallel zum Strahlaustnttsfenster 9 liegenden Teil der Lackschicht 31 auf der Oberfläche eines Trägers 53 auf. Die Reflektorblende 52 wird so eingestellt, daß die von ihr reflektierten Elektronen 9.4 nun unter einem günstigen Einstrahlwinkel auch auf der Lackschicht 31 der senkrecht zum Strahlaustnttsfenster 9 liegenden Abkantung 54 auftreffen.

19

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen zur Patentanmeldung „Verfahren zur Elektronenbestrahlung von Schichten auf Oberflächen von Objekten sowie Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens"

1 Bestrahlungseinheit

1 1 Strahlquelle

1 .2 Strahlrohr

2 Gehäuse

2.1 Turbopumpe

2.2 Isolator

3 Hochspannungskabel

4 Katodeneinheit

4.1 Glühkatode

4.2 Steuerelektrode

4.3 axialer Elektronenstrahl

5 Anode

6 Ablenkeinheit

6.1 Ablenkkegel

7 Montageplatte

8 Servomotor

9 Strahlaustnttsfenster

9.1 Fensterbreite

9.2 Fensterlänge

9.3 Elektronenstrahlen

9.4 reflektierte Elektronen

10 Schutzgasführung

1 1 Schutzgas

20 Handlingeinrichtung, Roboter

21 Sockel

22 Unterteil

23 Arm

24 Arm 20

30 Wellblech

31 Lackschicht/Farbschicht

32 Bestrahlungsbahn

33 Winkelblech

40 Kegelstumpf

41 Kugelkappe

42 Ablenkkreis

43 Gehäuse

44 Gitterpunkt

45 Diagrammsäule

46 Freiformflache

47 bestrahlter Elementarbereich

50 Digitalisiereinnchtung

51 Sensorsignale

52 Reflektorblende

53 Träger

54 Abkantung

D_s Solldosis

D_k(x) Dosisverteilung in der k-ten Bestrahlungsbahn (32)

D(z) Dosis-Tiefen-Verteilung

i Intensität i(^χ,y) Intensitätsprofil

I Strahlstrom

J Laufindex k Laufindex r Radius

S Elektronenreichweite t Zeit u_B Beschleunigungsspannung

V Vorschubgeschwindigkeit

v_k Vorschubrichtung in der k-ten Bahn x Koordinatenrichtung x' Rotationsachse

Flankenbreite der Dosisverteilung D_k(x) x linke Begrenzung einer Bestrahlungsbahn (32) rechte Begrenzung einer Bestrahlungsbahn (32)

y Koordinatenrichtung

z Koordinatenrichtung z_A Arbeitsabstand

Δz_A Variation des Arbeitsabstandes z(x, y) Oberflächenkontur

φ Winkelgeschwindigkeit p_He Dichte von Helium p_N2 Dichte von Stickstoff τ Haltezeit je Gitterpunkt (44)

Claims

Patentansprüche

1 Verfahren zur Elektronenbestrahlung von Schichten auf Oberflächen von Objekten oder von oberflächennahen Bereichen von Objekten zur Veränderung der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften von Stoffen in der Schicht oder in den oberflachennahen Bereichen bei annäherndem Atmosphärendurck mittels einer Bestrahlungseinheit mit einem Strahlaustnttsfenster, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung der Oberfläche der Objekte oder deren aufgebrachter Schicht in einer Teilflache oder nacheinander in mehreren aneinandergrenzenden Teilflächen derart erfolgt, daß das Objekt in eine definierte, zur Bestrahlung der jeweiligen Teilfläche optimale Position bezüglich des Strahlaustrittsfensters (9) der Bestrahlungseinheit (1 ) gebracht wird, daß die Bestrahlung der jeweiligen Teilfläche in Orten des Strahlaustrittsfensters (9) zuordenbaren Flächenelementen derart erfolgt, daß das Intensitatsprofil i(x, y) eines Elektronenstrahls (9.3) in der Ebene des Strahlaustrittsfensters (9) nach Maßgabe der Bestrahlungsbedingungen der zugeordneten Flächenelemente gewählt wird und daß die erforderliche Energiedosis mit dem Elektronenstrahl (9.3) kontinuierlich auf das relativ zur Bestrahlungseinheit (1 ) mit definierter Vorschubgeschwindigkeit (v) bewegte Objekt oder impulsartig auf das ruhende Objekt übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Teilflächen auf der Oberflache des Objektes zu Bestrahlungsbahnen (32) zusammengefaßt und daß die Elektronenbestrahlung der Bestrahlungsbahnen (32) gleichzeitig mit der zugeordneten Relativbewegung zwischen dem Objekt und der Bestrahlungseinheit (1 ) erfolgt, wobei die Ausrichtung von Objekt und Bestrahlungseinheit (1 ) sowie das

Intensitatsprofil ι(x, y) in der Ebene des Strahlaustrittsfensters (9) entsprechend der im momentanen Strahleinwirkbereich befindlichen Teilflache des Objektes gewählt werden

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Langsachse des Strahlaustnttsfenster (9) wahrend der Bestrahlung einer Bestrahlungsbahn (32) stets parallel zur Vorschubsrichtung (v_n) ausgerichtet wird und unterschiedliche Verweildauern von Flächenelementen unter dem Strahlaustnttsfenster (9) durch angepaßte Programmierung des Intensitatsprofils ι(x, y) berücksichtigt werden. 23

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Intensitatsprofil (ι(x, y)) sowohl von Bestrahlungsbahn (32) zu Bestrahlungsbahn (32) als auch innerhalb einer Bestrahlungsbahn (32) nach Maßgabe der Kontur der Oberflache des Objektes bei kontinuierlichem Strahlbetrieb angepaßt wird

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Inertisierung des Bestrahlungsortes ein Schutzgas (1 1 ) eingesetzt wird, das aus reinem Stickstoff, reinem Helium oder einem Gemisch von Stickstoff und Helium besteht, wobei für starker kontuπerte Objekte mit hohem Heliumgehalt gearbeitet wird.

Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas (1 1 ) oder Schutzgasgemisch dem Bestrahlungsort lokal zugeführt wird

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Vorschubgeschwindigkeit (v) zwischen Bestrahlungseinheit (1 ) und Objekt sowie der Bestrahlungsvorgang alternieren und die zur Modifizierung der Oberflachenschicht erforderliche Dosisleistung durch eine objektbezogene, zweidimensionale und stationäre Expositionsmaske definiert sowie die in jeden Elementarbereich (47) integral einzustrahlende Energiedosis durch impulsformige zeitliche Steuerung der Leistung des Elektronenstrahles eingestellt wird

Verfahren nach Anspruch 2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung der gesamten Oberflache des Objektes durch das Aneinanderreihen von Bestrahlungsbahnen (32) oder bestrahlten Elementarbereichen (47) erfolgt

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bestimmung eines bauteilgerechten Intensitatsprofils (ι(x, y)) im Stoßbereich zwischen benachbarten Bestrahlungsbahnen oder bestrahlten Elementarbereichen (47) die Energieeintrage aus deren vorheriger beziehungsweise nachfolgender Bestrahlung mit berücksichtigt werden

Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Oberflache des zu bestrahlenden Objektes durch eine mitbewegte Digitalisiereinnchtung (50) vor dem Bestrahlungsvorgang ermittelt und aus den so erfaßten Konturdaten das in der Ebene des Strahlaustrittsfensters (9) erforderliche 24

Intensitatsprofil (ι(x, y)) im teach-in-Modus oder online berechnet und eingestellt werden.

1 1 Einrichtung zur Elektronenbestrahlung von Schichten auf Oberflachen von Objekten oder von oberflachennahen Bereichen von Objekten zur Veränderung der physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften von Stoffen in der Schicht oder in den oberflächennahen Bereichen nach Anspruch 1 , bestehend aus einer Bestrahlungseinheit mit einer Elektronenstrahlquelie vom Axialtyp mit wenigstens einer Strahlablenkeinheit, einem Strahlrohr, das in Strahlausbreitungsπchtung durch ein Strahlaustnttsfenster abgeschlossen ist, Versorgungs- und Steuereinrichtungen zum Betreiben der Bestrahlungseinheit, Mitteln zu ihrer Halterung und des zu bestrahlenden Objektes sowie zur Realisierung einer Relativbewegung zwischen der Bestrahlungseinheit und dem Objekt zueinander, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen eine Strahlablenksteuerung enthalten, mit der in mindestens einer Strahlablenkrichtung die lokale Ablenkgeschwindigkeit, punktweise definierte

Verweildauer oder die Überlagerung von Ablenksubzyklen des axialen Elektronenstrahles (4.3) und somit das Intensitätsprofil (i(x, y)) programmierbar ist, und daß die Mittel zur Aufnahme von Bestrahlungseinheit (1 ) und Objekt sowie zur Realisierung der Relativbewegung zueinander Mittel zur Ausrichtung der Oberfläche des Objektes oder von Teilflächen derselben zum Strahlaustrittsfenster (9) enthalten.

1 2 Einrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlrohr (1 .2) um die Achse der Strahlquelle (1 .1 ) motorisch drehbar an dieser angeordnet ist.

13 Einrichtung nach den Ansprüchen 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die x- und y-Achse des Intensitätsprofiles (ι(x,y)) mit dem polaren Verdrehwinkel zwischen Strahlrohr (1 .2) und Strahlquelle (1 .1 ) derart mitführbar sind, daß sie stets parallel zu den Kanten des Strahlaustrittsfensters (9) verlaufen

14 Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlaustnttsfenster (9) aus einer Leichtmetallfolie mit einer Dicke von vorzugsweise 10 μm besteht.

1 5 Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß unter dem Strahlaustnttsfenster (9) Reflektorblenden (52) angeordnet sind, die 25

wahrend des Bestrahlungsvorganges automatisch gegenüber der Hauptaustrittsrichtung der Elektronen (9 3) schwenkbar und parallel zur Ebene des Strahlaustrittsfensters (9) verschiebbar sind

16 Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 1 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Bestrahlungseinheit (1 ) eine das Strahlaustnttsfenster (9) umschließende Schutzgasfuhrung (10) angeordnet ist

17 Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß für die gegenseitige Positionierung, Orientierung und für die Erzeugung der Relativbewegung zwischen Bestrahlungseinheit (1 ) und den zu bestrahlenden Objekten ein oder mehrere Roboter (20) vorgesehen sind

18 Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an der Bestrahlungseinheit (1 ) eine zu deren Strahlaustnttsfenster (9) orientierte, die

Oberflachenkontur des Objektes erfassende Digitalisiereinnchtung (50) angeordnet ist

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