DE3742197A1 - Energiefilter fuer geladene partikel - Google Patents

Energiefilter fuer geladene partikel

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    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/44Energy spectrometers, e.g. alpha-, beta-spectrometers
    • H01J49/46Static spectrometers
    • H01J49/48Static spectrometers using electrostatic analysers, e.g. cylindrical sector, Wien filter

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Energiefilter für geladene Partikel und insbesondere auf Einrichtungen, die geladene Partikel mit Energien innerhalb eines engen Energiebereichs auswählen können.
Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS) ist eine Oberflächen­ analysetechnik, welche Materialien danach charakterisiert, daß die Masse von Sekundärionen bestimmt wird, die aus dem Material ausgelöst werden. Um maximale Massenauflösung zu erzielen, dürfen nur solche Sekundärionen mit Energien innerhalb eines relativ schmalen Bereichs in das Massenanalysegerät eintreten, s. den Aufsatz "New Wide Angle, High Transmission Energy Analyzer for Secondary Ion Mass Spectrometry" von M.W. Siegel und M. J. Vasile in "Rev. Sci. Instrum." 52 (11) November 1981, Seiten 1603 bis 1615.
Es sind verschiedene Ionenenergiefilter zur Durchführung dieses Zwecks konstruiert worden. In allen Konstruktionen werden die Ionen elektrostatischen oder magnetostatischen Feldern unterworfen, kombiniert mit die Flugbahn auswählenden Öffnungen. Filterkonstruktio­ nen, die ein elektrostatisches Feld zwischen zwei konzentrischen Halbkugeln erzeugen, sind populär. Wenn der Abstand zwischen den Halbkugeln zunimmt, um größere elliptische Umläufe zu ermöglichen, wird die Arbeitsweise unglücklicherweise durch zunehmend größere Randfelder zwischen den Kanten der beiden Halbkugeln beeinträchtigt.
Ein Ionenenergiefilter vorbekannter Art weist ein Kraftfeld E mit sphärischer Symmetrie auf, wobei E∝ ist, ähnlich dem, das zwischen zwei konzentrischen Kugeln erzeugt werden würde, indem eine Halbkugel auf einer unendlichen Ebene verwendet wird, bei einer Potentialverteilung auf der Ebene, die der Beziehung V∝ folgt, wobei r der radiale Abstand vom Mittelpunkt der Ebene ist, s. US-PS 41 26 781. Wegen der auf der Ebene aufgestellten Randbedingung wird eine zweite, größere Halbkugel nicht benötigt, und ausfransende Randfelder werden vermieden. Im obengenannten US-Patent sowie in dem Aufsatz von Siegel wird eine Widerstandsscheibe bestimmter Gestalt zur Errichtung der Potentialverteilung proportional zu 1/r verwendet.
Diese Widerstandsscheibe besteht aus einem keramischen Material, welches mit Metallpartikeln versetzt ist. Unglücklicherweise ist dieses imprägnierte keramische Material porös und deshalb für Anwendungen im Hochvakuum wenig brauchbar. Außerdem hat es ein schlechtes elektrisches Verhalten wegen der nicht gleichförmigen Widerstands­ verteilung und der zufällig angeordneten Ladung auf ihrer Oberfläche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, daß die Potentialverteilung in eine Anzahl von äquipotentialen, konzentrischen Ringen segmentiert werden kann und daß diese Ringe nicht koplanar sein müssen, vorausgesetzt, daß die daran angelegten Potentiale der Beziehung V∝ gehorchen. Das Problem der Schaffung eines Ionenenergiefilters mit verbessertem elektrischem Verhalten in einer SIMS- Kammer wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Demgemäß gibt es eine Mehrzahl von kreisförmigen, leitenden Platten, die jeweils ein zentral angeordnetes Loch unter­ schiedlicher Größe gegenüber allen anderen Platten aufweisen. Die Platten werden zur Bildung eines Stapels miteinander und mit einer Basisplatte zusammengesetzt, wobei jede Platte von jeder anderen Platte elektrisch isoliert ist. Die Basisplatte besitzt eine leitende, halbkuglige Struktur, die in ihrem Mittelpunkt montiert ist, und die Gesamtheit der Platten besitzen, wo benötigt, zwei Bohrungen, die um einen vorbestimmten Abstand vom Mittelpunkt sich gegenüber­ stehend angeordnet sind und durch welche die Ionen hindurchtreten können. Jede Platte weist außerdem eine Anschlußfahne auf, die mit einer unterschiedlichen Verbindung in einer Serie von Widerständen verbunden ist. Durch Wahl der Durchmesser der zentralen Löcher in den Platten und der Werte der Widerstände führt die Anlage einer einzigen Spannung an die gesamte Serie der Widerstände zu einer Potential­ verteilung, die proportional zum Kehrwert der Radien ist.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Ionen­ energiefilters gemäß Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt des Ionenenergiefilters in Fig. 1,
Fig. 3 eine vergrößerte Einzelheit aus Fig. 2 im Bereich der einen Zusammenhalte-Schraube,
Fig. 4 eine Ansicht der Basisplatte in dem Ionenenergie­ filter,
Fig. 5 eine Ansicht einer repräsentativen Platte, die in dem Ionenenergiefilter verwendet wird, und
Fig. 6 eine Ansicht des obersten Rings in dem Ionen­ energiefilter.
Ein Ionenenergiefilter kann gemäß Erfindung dadurch herge­ stellt werden, daß 19 dünne, rostfreie Stahlplatten der in Fig. 5 gezeigten Art hergestellt werden. Jede Platte hat ein mittiges Loch mit einem Innendurchmesser, der von Platte zu Platte verschieden ist. Jede Platte 500 besitzt eine Anschlußfahne 520 an einer jeweilig einzigartigen Stelle am Umfang der Platte, d. h. die Anschlußstellen sind wiederum unterschiedlich angeordnet. Wie das mittige Loch hinsichtlich der Größe zunimmt, bewegt sich die Stelle der Anschluß­ fahne entgegen dem Uhrzeigersinn, wenn die Platten von oben betrachtet werden.
Ein Ionenenergiefilter unter Verwendung dieses Satzes von Platten kann durch die Herstellung einer rostfreien Stahlplatte 400 des in Fig. 4 gezeigten Typs konstruiert werden. Eine metallische Halbkugel 230 ist an der mittigen Bohrung 430 der Basisplatte angeschraubt, wie in Fig. 2 dargestellt. Jeweils ein keramisches Rohr 271 ist in einer zugeordneten Stufenbohrung 403 bis 410 angeordnet. Ein flacher Ring 311 aus Polytetrafluoräthylen ist um jeden der acht keramischen Rohre und benachbart der Basisplatte 400 angeordnet. Eine Platte 500 der in Fig. 5 gezeigten Art mit dem kleinsten zentralen Loch ist auf die acht keramischen Rohre gesteckt. Die Platte wird so ausgerichtet, daß die Bohrungen 501 und 502 mit den Bohrungen 401 und 402 der Basisplatte fluchten und daß die Anschlußfahne 520 benachbart der Öffnung 720 der Basisplatte steht. Die Platte wird dann weiterhin so ausgerichtet, daß die acht Bohrungen 503 bis 510 zu den acht keramischen Rohren fluchten. Die jeweilige Platte wird dann entlang der keramischen Rohre verschoben, bis sie die acht Ringe aus Polytetrafluoräthylen berührt. Die Montage von abwechslenden Schichten von Ringen aus Polytetrafluoräthylen und Platten wird fortgesetzt, bis alle 19 flachen Platten eingebaut sind. Die Platten werden in der Reihenfolge mit größer werdendem, zentralem Loch eingebaut. Nach dem letzten eingebauten Satz der Ringe aus Polytetrafluoräthylen wird ein oberster Ring 600 des in Fig. 6 gezeigten Typs eingebaut, welcher Stufenbohrungen 603 bis 610 zur Aufnahme der keramischen Rohre aufweist, wie das hinsichtlich zweier Rohre in Fig. 2 dargestellt ist.
Ein keramischer Schulterring 272 (Fig. 2) umgibt jeden der acht Maschinenschrauben 261, die jeweils in ein zugeordnetes Loch 403 bis 410 der Basisplatte von der Unterseite eingefügt sind. Die Schrauben werden durch die keramischen Rohre zu den Schraubbohrungen 603 bis 610 im obersten Ring 600 geführt. Die Schrauben sind so weit in diese Bohrungen eingeschraubt und angezogen, bis die Ringe aus Polytetrafluoräthylen auf ihre Solldicke zusammengepreßt sind. Der zusammengesetzte Stapel wird in der Querschnittszeichnung nach Fig. 2 dargestellt.
Nach der Montage in der oben beschriebenen Weise und von oben gesehen, bilden die Anschlußfahnen 520 an den Platten 500 eine linkshändige Schraube, wobei die Anschlußfahnen einen gleichmäßigen Abstand voneinander aufweisen, wie in Fig. 1 dargestellt. Ein Widerstand ist zwischen jeweils benachbarten Anschlußfahnen gelötet. Widerstände sind auch zwischen der untersten, flachen Platte 500 und der Basisplatte und zwischen der obersten, flachen Platte 500 und dem obersten Ring 600 geschaltet. Alle Widerstände besitzen den gleichen Widerstandswert. Ein Draht ist mit der Basisplatte 400 und ein anderer Draht mit dem obersten Ring 600 verbunden. Wenn diese Drähte an eine Spannungsquelle angeschlossen werden, führt der durch die Kette gleicher Widerstände fließende Strom zu Spannungsabfällen gleichen Wertes und damit Potentialstufen hinsichtlich des Satzes der Platten.
Um das Filter am Ende eines Quadrupol-Massenfilters zu stützen, wird eine Isolierscheibe 241 (Fig. 2) auf der Unterseite des Basisplatte 400 befestigt. Eine metallische Kappe 242 ist wiederum an der Isolierscheibe befestigt. Entlang der Achse der Bohrung 401 weisen die Scheibe und die Kappe jeweils eine Bohrung auf, die jedoch einen wesentlich größeren Durchmesser als die Bohrung 401 in der Basisplatte 400 besitzen. Die isolierende Scheibe 241 und die metallische Kappe 242 werden auf die Achse der Bohrung 401 zentriert und weisen solche Durchmesser auf, daß sie nicht mit der Bohrung 402 zusammenstoßen, welches die Eintrittsöffnung des Ionenenergiefilters ist.
Wenn das Energiefilter in einer Umgebung verwendet werden soll, welches starke umgebende elektromagnetische Felder aufweist, können sich diese Felder und die vom Filter erzeugten Felder stören. Um dies zu verhindern, kann eine große metallische Halbkugel konzentrisch zur kleinen metallischen Halbkugel 230 auf dem sich verjüngenden Rand des obersten Ringes 600 befestigt werden. Ein kleines Loch muß in der äußeren Halbkugel vorgesehen sein, um den Eintritt des primären Ionenstrahls zu ermöglichen. Der Mittelpunkt dieses Lochs muß auf der Achse der Eintrittsöffnung des Energiefilters sein, die durch die Bohrungen 402 und 502 bestimmt wird.
Jeder Widerstand 150 wird durch Wickeln von Widerstandsdraht (mit einer Zusammensetzung von 73% Nickel, 20% Chrom und 7% ver­ schiedener Metalle, wie Aluminium und Eisen) auf einen festen, keramischen Körper, um einen Widerstand von 503 Ohm zu erzeugen, hergestellt. Für die 20 hergestellten Widerstände reichte der Widerstandswert von 502 bis 505 Ohm mit einem Temperaturgang von ±20 ppm/°C. Kupferlötleitungen mit Stahldrähten bei 40% leitendem Kupferüberzug wurden an dem Ende des jeweiligen keramischen Körpers befestigt, um eine Einrichtung zur externen Verbindung mit dem Widerstandsdraht zu schaffen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß das Ionen­ energiefilter aus einem Stapel von 20 dünnen Metallplatten zusammen­ gesetzt ist, die jeweils voneinander isoliert sind und von denen jedes ein mittig angeordnetes Loch mit einem kennzeichnenden Durchmesser aufweist. Die der Ebene des Ursprungs des halbkugeligen Feldes nächste Platte hat das Loch mit dem kleinsten Radius. Die Radien der Löcher in den nachfolgenden Platten nehmen mit zunehmendem Abstand vom Ursprung zu. Das relative Potential jeder Platte wird durch eine Kette von 20 Widerständen bestimmt, die jeweils eine Verbindung zu einer Platte haben. Wenn Gleichstrom durch die Widerstandskette fließt, entwickeln sich an jeder Verbindung Potentiale und deshalb auch auf jeder Platte.
Aus konstruktiven Gründen haben die Platten und die isolierenden Abstandshalter die gleiche Dicke, und alle Widerstände haben den gleichen Wert, was zu gleichen Potentialschritten entlang der nacheinander aufgereihten Widerstände führt. Die Durchmesser in den Bohrungen der Platten sind so gewählt, daß diese Potential- schritte die Beziehung V∝ erfüllen, wobei V die Spannung an der Platte und r der Radius des Lochs ist. Jede Platte besitzt eine Anschlußfahne, die sich jenseits des Außendurchmessers der im großen und ganzen kreisförmigen Platte erstreckt und so angeordnet ist, daß, wenn die Platten zur Bildung eines Stapels zusammengesetzt sind, die Anschlußfahnen in gleichen Abständen am Umfang des Stapels vorkommen.
Dadurch können die Widerstandsleitungen von Anschluß zu Anschluß befestigt werden, was die Verdrahtung weitaus vereinfacht. Nur zwei Drähte - die Enden der Widerstandskette - werden zur Energie­ versorgung des Filters benötigt.
Die beiden sich diametral gegenüberstehenden Öffnungen, gebildet durch die Bohrungen 501 und 502 in jeder der Platten, sind in dem Stapel der Platten und in der Basisplatte darunter (durch die Bohrungen 401 und 402) so angeordnet, daß der Eintritt und der Austritt von Sekundärionen ermöglicht wird. Eine der Öffnungen dient als Eintrittsöffnung und die andere als Austrittsöffnung. Diese Öffnungen wirken außerdem noch als Linsen. Wenn positive Ionen für Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) gefiltert werden, wird die mittige Halbkugel 230 auf das maximale, negative Potential des Filters vorgespannt. Weil die Halbkugel 230 direkt auf der Basisplatte 400 montiert ist und die zu analysierende Materialprobe genau unterhalb der Eintrittsöffnung in dieser Platte angeordnet wird, werden die die Probe verlassenden positiven Ionen in die Eintritts­ öffnung der Basisplatte beschleunigt. Dies erhöht den Wirkungsgrad des Filters zur Sammlung von Sekundärionen. Die Ionen auf ihrem Weg ins Innere des Filters müssen durch die Eintrittsöffnung hindurch­ treten, die durch die Löcher in den Platten gebildet werden. Jede Platte, an der sie vorbeistreichen, ist weniger negativ vorgespannt als die vorhergehende Platte. Die Ionen unterliegen deshalb einer abnehmenden Beschleunigung. Die Wirkung dieser abnehmenden Beschleunigung besteht darin, die Ionen in das zentrale Kraftfeld des Filters mit der Energie einzubringen, die für nahe, kreisförmige Umläufe erforderlich ist.
Wenn die ausgewählten Ionen sich der Austrittsöffnung der Platte nähern, werden sie durch die zunehmenden, negativen Potentiale der Platten und der Basisplatte zum Auslaß des Filters beschleunigt. Wenn die Ionen zwischen der Basisplatte und dem Quadrupol-Massenanalysegerät fliegen, unterliegen sie einer Verzögerung wegen des großen negativen Potentials der Basisplatte, relativ zu dem virtuellen Grund der Quadrupol-achse. Diese Verzögerung ist für die richtige Massenanalyse notwendig.
Die obige Beschreibung bezieht sich auf ein Ausführungs­ beispiel der Erfindung. Es können zahlreiche Abweichungen durchge­ führt werden, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise können die Widerstände mit ungleichen Werten hergestellt und die Durchmesser der mittigen Löcher in den Platten können demgemäß eingestellt sein, um weiterhin eine Potentialverteilung zu erzielen, die proportional zum Reziprokwert des radialen Abstandes vom Zentrum ist.

Claims (3)

1. Energiefilter für geladene Partikel mit folgenden Merkmalen:
eine kreisförmige Basisplatte (400) weist einen Mittelpunkt (430) und zwei sich gegenüberstehende Bohrungen (401, 402) in bestimmtem Abstand von dem Mittelpunkt auf;
eine leitende halbkuglige Struktur (230) ist zentral auf der Basisplatte (400) montiert;
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
das Filter weist eine Mehrzahl von kreisförmigen, leitenden Platten (500) auf, die jeweils ein mittig angeordnetes Loch unterschiedlicher Größe gegenüber den entsprechenden Löchern der Mehrzahl der Platten besitzen;
bei einem Teil der Platten ist der Radius des zentral angeordneten Lochs geringer als der vorbestimmte Abstand, welcher durch zwei diametral gegenüberliegend angeordnete, im vorbestimmtem Abstand vom Mittelpunkt angeordnete Bohrungen (501, 502) in diesen Platten bestimmt wird;
die Platten (500) sind auf der Basisplatte (400) zur Bildung eines Stapels zusammengesetzt, in welchem jede Platte (500) elektrisch von den anderen Platten isoliert ist und jede Platte in dem Stapel so angeordnet ist, daß alle Platten in größerer Entfernung von der Basisplatte größere zentrale Löcher aufweisen;
die beiden Bohrungen (401, 402, 501, 502) in den Platten (500) und in der Basisplatte (400) fluchten zueinander, um eine Eintritts- und Austrittsöffnung in dem Stapel zu bilden;
eine Einrichtung legt unterschiedliches Potential an jede einzelne Platte (500) an.
2. Energiefilter für geladene Partikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Platten (500) eine Anschlußfahne (520) aufweist, die von dem Stapel an unterschiedlicher Stelle, gesehen vom Umfang des Stapels, absteht, daß die Einrichtung zur Anlage unterschiedlicher Potentiale einen Serienstrang von Widerständen (150) aufweist, und daß die Verbindung zwischen benachbarten Wider­ ständen (150) zu jeweils einer unterschiedlichen Anschlußfahne (520) geführt ist.
3. Energiefilter für geladene Partikel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Widerstand der Reihenanordnung den gleichen Widerstandswert hat und der Radius des mittig angeordneten Loches in jeder Platte (500) so gewählt ist, daß die auf jeder Platte (500) anzutreffende Spannung proportional zum Reziprokwert der radialen Entfernung vom Mittelpunkt ist.
DE19873742197 1986-12-22 1987-12-12 Energiefilter fuer geladene partikel Granted DE3742197A1 (de)

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