DE3742197A1 - Energiefilter fuer geladene partikel - Google Patents
Energiefilter fuer geladene partikelInfo
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- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
- H01J49/44—Energy spectrometers, e.g. alpha-, beta-spectrometers
- H01J49/46—Static spectrometers
- H01J49/48—Static spectrometers using electrostatic analysers, e.g. cylindrical sector, Wien filter
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
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- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
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.
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.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US06/944,451 US4742224A (en) | 1986-12-22 | 1986-12-22 | Charged particle energy filter |
Publications (2)
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