Beschreibung

Elektronenstrahl-Gravierverfahren

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektronen- strahl-Gravierverfahren, insbesondere zur Herstel¬ lung von Druckformen zur schnell aufeinander¬ folgenden Erzeugung von Vertiefungen unterschied- licher Größe in der Oberfläche eines Werkstücks, wobei, die unterschiedlichen Vertiefungen durch ^' unterschiedliche Einwirkung des Elektronenstrahls erzeugt werden.

Zugrundeliegender Stand der Technik

In der US-PS 4,028,523 sind ein Energiestrahl- Gravierverfahren und eine Einrichtung zum Durch¬ führen des Verfahrens beschrieben, wobei zur Herstellung einer Tiefdruckform näpfchenförmige Vertiefungen in der Oberfläche eines Werkstücks, in diesem Falle eines Tiefdruckzylinders erzeugt werden. Hierzu wird die Größe der zu erzeugenden Näpfchen durch kürzere oder längere Einwirkdauer des Elektronenstrahls auf die Werkstoffoberfläche bestimmt. Dies geschieht dadurch, daß der Ξlek- tronenstrahl in den Zeiträumen, in denen kein Bearbeitungseffekt auftreten soll, die Werkstoff¬ oberfläche nicht trifft, sondern an geeigneter

ORIGINAL ^nm " ^OMPI

Stelle innerhalb des Elektronenstrahlerzeugers, seitlich in einem "Sumpf" (Auffänger) , abgelenkt wird. Dies erfolgt mittels einer zusätzlichen Ablenkanordnung, die als elektrostatische oder elektromagnetische Ablenkeinrichtung ausgebildet ist (Blankingeffekt).

Die Variation der Näpfchengröße, ^' d. h. des Näpf¬ chenvolumens, das jeweils ein Maß für die beim Druckprozeß von der Druckform übertragende Farbe ist, kann unter Variation der Strahlintensität, der Einsatzdauer und der Strahlfokussierung er¬ folgen, wobei ein entsprechender Materialabtrag in der Druckformoberfläche stattfindet. Die Fokussierung wird während der Einsatzzeit des Elektronenstrahls so gesteuert, daß die Fokus¬ ebene bei kleinen Näpfchen näher an der Ober¬ fläche liegt als bei großen Näpfchen.

Solche Graviersysteme haben sich aber bis heute in der Praxis nicht durchgesetzt, obschon sie wegen der trägheitslosen Steuerung des Elektro¬ nenstrahls an sich eine wesentliche höhere Arbeitsgeschwindigkeit erlauben als Gravierver- fahren, die z. B. mittels elektromagnetisch angetriebener Stichel arbeiten oder als das herkömmliche Stzverfahren.

Eine der Ursachen hierfür ist das schlechte Ein- laufverhalten bei Gravurbeginn und in Gravur¬ pausen, was sich dadurch bemerkbar macht, daß sich bei hoher Arbeitsfrequenz, d. h. kurzer Gravierdauer pro Näpfchen und hoher Strahlinten¬ sität die Näpfchengeometrie, d. h. Form und

«AD ORIGINAL j

JB.EA

Volumen der Näpfchen stark ändert, so daß bei Beginn der Gravur oder auch bei einem späteren Eingravieren in die Druckform falsche Näpfchen graviert werden, wodurch die gesamte Druckform unbrauchbar wird.

Beim Einschalten des Elektronenstrahls bzw. beim Wiedereinschalten und bei der laufenden Ablenkung (Blanking) zwischen der Gravur der einzelnen Näpfchen baut sich durch die Ionisation des Rest¬ gases innerhalb des Volumens des Strahlerzeugers eine positive Raumladung auf, die den statischen Fokuszustand des Elektronenstrahls ungünstig be¬ einflußt, d . h. unkontrollierbar macht. Bis sich ein statischer Zustand eingestellt hat, vergeht eine gewisse Zeit, innerhalb der die vorgenannten Näpfchenverformungen auftreten, was aber für die Herstellung einer einwandfreien Druckform nicht in Kauf genommen werden kann.

Dieser Effekt trat bisher bei Materialbearbeitung mit ^* Elektronenstrahl und bei Elektronenstrahl- schweißgeräten nicht störend auf. Bei der Her¬ stellung von Druckformen für die Drucktechnik müssen dagegen feinste Strukturen mit sehr hoher Dynamik erzeugt werden, so daß dieser Effekt stark in negativer Weise hervortritt, da das Auge beim Betrachten eines Druckproduktes auf Fehler, die durch fehlerhafte Druckformen, d. h. fehler- haft gravierte Näpfchen erzeugt ^" werden, besonders stark reagiert.

Offenbarung; der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Auf-

BAD ORIGINAL

J E2.

_ O PI

gäbe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden und ein ^* neues verbessertes Verfahren zur schnellen aufeinanderfolgenden Erzeugung von Vertiefungen oder Löchern innerhalb der Oberfläche eines Werkstücks, insbesondere einer Tiefdruckform anzugeben.

Die Erfindung erreicht dies durch den kennzeich¬ nenden Teil der in den Ansprüchen 1 und 2 angege- benen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 3 und 4 beschrieben.

Kurze Beschreibung der Erfindung - Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figur näher erläutert.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Die Figur zeigt schematisch ein Elektronen- Strahlerzeugungssystem, wie es im Prinzip in der US-PS 4,028,523 in Figur 3 dargestellt ist. Das Elektronenstrahlerzeugungssystem ¹ 1 liegt mittels einer gleitenden Spezialcichtung 2 auf einen rotierenden Tiefdruckzylinder 3 auf. Die Spezial- dichtung 2 kann z. B. ger_äß DE-OS 28 19 993 oder DE-OS 28 34 457 bzw. DE-OS 28 34 458 ausgebildet sein.

Das Elektronenstrahlerzeugungssystem 1 besteht im wesentlichen aus drei Karnεrn, dem Strahlerzeu¬ ger 4, dem Strahlformungs- bzw. -führungsteil 5 und der Bearbeitungskamner 6. Der Strahlerzeuger 4 enthält eine Glühkathode 41, einen Wehneltzylin- der 42, eine Anode 43 und eine Vakuumpumpe 44.

Das Teil 5 enthält gestrichelt gezeichnet eine Ablenkanordnung 51 mit einem Strahlsumpf 52, der aus einem ringförmigen Metallteil bestehen kann. Während der Pausen zwischen der Gravur der ein- zelnen Näpfchen wird der Strahl mittels der

Ablenkeinheit 51 aus dem Zentrum des Elektronen- strahlerzeugungssyste s und damit von der Ober¬ fläche des zu bearbeitenden Werkstücks abgelenkt. Diese Ablenkanordnung mit Strahlfänger, welche . ein sogenanntes "Blanking-System" darstellt, kann ebenso ausgebildet sein wie bei der US-PS 4.028,523, aber das System wird anders betrieben. Gemäß der einen Ausführungsform der Erfindung wird der Elektronenstrahl nicht während der gesamten Pause zwischen der Gravur von zwei aufeinanderfolgenden Näpfchen ausgeschaltet, d. h. abgelenkt, sondern er wird mittels des Blanking-Systems in den Gra- vurpausen mehrfach impulsartig auf die zu bearbei¬ tende Oberfläche gerichtet, damit sich im Verlauf des Strahlengangs keine neue Raumladung aufbaut. Bei genügend häufiger Folge von Ξinzelimpulsen und bei einer solchen Bemessung der Impulsdauer, daß kein Bearbeitungseffekt auftritt, bleibt der Ionisationszustand innerhalb des Strahlerzeugers und insbesondere in dem Bereich, der für die

Fokussierung maßgebend ist, unverändert, so daß kein Anlaufeffekt auftritt.

Die Figur zeigt weiterhin in dem Strahlformungs- teil eine dynamische Fokusspule -53 und eine sta¬ tische Fokusspule 54, die während der Gravur der Näpfchen die eingangs beschriebene Fokussierung durchführen. Die Wirkungsweise einer solchen

Fokussierung entspricht derjenigen, wie sie in der US-PS 4,028,523 beschrieben ist.

Bei der zweiten Ausführungsform gemäß der Erfin- düng wird der Elektronenstrahl während der Gra¬ vurpausen nicht von der Oberfläche des Druck¬ zylinders abgelenkt, sondern er bleibt auf dieser stehen, wird aber defokussiert. Die Defokussie- rung erfolgt in dem Maße, daß ebenfalls kein Bearbeitungseffekt auftritt ^' . Die auf die Ober¬ fläche des rotierenden Druckzylinders übertra¬ gene Energie wird von diesem aufgenommen und weggeleitet. Dieses dauernde Stehenbleiben des Elektronenstrahls auf der Druckformoberfläche führt ebenfalls dazu, daß der Ionisationszustand innerhalb des Elektronenstrahlerzeugungersystems konstant bleibt und sich keine Raumladung aufbauen kann, wodurch die eingangs genannten Anlau effekte ebenfalls vermieden werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen, daß die statische und dynamische Fokusspule gemäß DE-OS 27 52 598 ausgebildet sind, bei der die dynamische Linse innerhalb der sta- tischen Linse angeordnet ist. Dies hat den Vor¬ teil, daß man mit wesentlich geringerer Steuer¬ leistung für die dynamische Fokusspule auskommt und daß durch diese spezielle Spulenausbildung eine kürzere Ausbildung des gesamten Elektronen- Strahlererzeugersystem möglich ist.

Der Ordnung halber sei noch erwähnt, daß sowohl an dem Strahlformungsteil eine Vakuumpumpe 55 als auch an der Bearbeitungskammer 6 eine separate

Vakuumpumpe 61 angeschlossen sind. Dies hat den Vorteil, daß innerhalb der einzelnen Kammern mit für die. jeweiligen Belange erforderlichem gestuf¬ ten Vakuum gearbeitet -werden kann und daß die einzelnen Stufen gegebenenfalls voneinander abge¬ trennt werden können, ohne daß das gesamte System neu evakuiert werden muß.

Wie bereits erwähnt, sind der Betrieb der ein- zelnen Elektroden und deren Ansteuerung dem Fach¬ mann allgemein bekannt, weshalb nochmals auf die US-PS 4,028,523 verwiesen wird. Speziell für das Anwendungsgebiet der Elektronenstrahlgravur in der Drucktechnik sei noch darauf hingewiesen, daß die Anspannung der dynamischen Fokuslϊnse tonwert- abhängig ist, d . h von der Näpfchengröße abhängt. Bei kleinvolumigen Näpfchen werden kurze Fokus¬ impulse abgegeben, ^' bei großvolumigen Näpfchen lange Fokusimpulse, was einen Stromsteuerbereich von 0,5 bis etwa 1 Amp. an der dynamischen Fokus¬ spule ausmacht. Bei der Defokussierung in den Gravurpausen wird die dynamische Linse stromlos gemacht. Der Strahldurchmesser auf der Bearbei¬ tungsfläche liegt bei der Gravur etwa bei 100 um und bei Defokussierung etwa bei 400 um. Diese

Defokussierung reicht wegen der guten Wärmeleitung der Kupferoberfläche der üblichen Kupferdruck¬ zylinder aus, um einen Bearbeitungseffekt inner¬ halb der Gravurpausen zu vermeiden.

Die ^' vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf das Gebiet der Herstellung von Tiefdruckzylin¬ dern, sondern kann ebenfalls zur Herstellung feiner Strukturen, bei denen es auf äußerste Prä-

BAD ORIGINAL

zision ankommt, so z. B. bei der Herstellung von modernen Halbleiterbauelementen, bei der Perfora¬ tion feinster Folien usw. d. h. bei allen Anwen¬ dungsgebieten für Elektronenstrahlerzeugungs- syste e, bei denen es auf eine schnelle Elektro- nenstrahlschuß-Folgefrequenz ankommt und der eingangs beschriebene negative Effekt vermieden werden soll.

O PI