DE4341149A1 - Vielschicht-Multipol - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Optik ge­ ladener Teilchen und insbesondere das Gebiet von Quadru­ pol-Massenfiltern. Die Multipoltechnologie wird allgemein für die Optik geladener Teilchen verwendet, was das Tren­ nen, Fokussieren oder Kollimieren von geladenen Teilchen (d. h. Ionen, Elektronen usw.) umfaßt. Eine hauptsächliche Anwendung der Multipoltechnologie sind Quadrupol-Massen­ filter. Massenfilter sind Geräte zum Analysieren der che­ mischen Zusammensetzung von Materie unter Verwendung von elektrischen Feldern zum Trennen von geladenen Teilchen. Quadrupol-Massenfilter besitzen vier parallele langge­ streckte Pole (d. h. Elektroden) und einander gegenüberlie­ gende parallele Pole sind elektrisch verbunden. Die Pole besitzen einen Querschnitt, welcher einer hyperbolischen Kurve in einem entsprechenden Quadranten um einen gemein­ samen Ursprung sehr nahe kommt.

Ein Hochfrequenz-Leistungsverstärker treibt beide Paare von Polen. Ein ausgewähltes Hochfrequenzsignal, das zu einem positiven Gleichstrompotential addiert ist, treibt eine Gruppe von Polen. Ein Hochfrequenzsignal, welches um 180° gegenüber dem Signal phasenverschoben ist, das an das erste Paar angelegt wird, treibt, zu einem negativen Gleichstrompotential addiert, das andere Paar von Polen.

Das Hochfrequenzfeld dominiert die Bewegung der relativ leichten geladenen Teilchen und lenkt sie aus dem funktio­ nellen Zentralbereich des Quadrupolfilters aus. Das Gleichstromfeld dominiert die relativ schweren geladenen Teilchen und führt dazu, daß die Pole geladene Teilchen mit entgegengesetzter Ladung anziehen und absorbieren. Geladene Teilchen mit einem entsprechenden dazwischen lie­ genden Gewicht können eine allgemein längliche Trajektorie durch das Zentrum des Quadrupols aufgrund der Kompensation von Hochfrequenz- und Gleichstromeffekten durchlaufen.

Durch geeignetes Wählen der Hochfrequenz- und Gleichstrom­ komponenten des Massenselektionsfelds innerhalb des Qua­ drupols kann der Quadrupol jede Masse innerhalb des Betriebsbereichs der Einheit für die Detektion und Messung wählen. Alternativ kann ein Quadrupol als ein Hochpaßfil­ ter fungieren. Die Gleichstromkomponente ist null und die Hochfrequenzamplitude legt die Transmissionsgrenze für kleine Massen fest.

Der theoretisch ideale Querschnitt für die vier Pole eines Quadrupol-Massenfilters besteht aus vier hyperbolischen Kurven, welche sich in ihren jeweiligen Quadranten bis unendlich erstrecken. Allgemein approximieren Quadrupol- Massenfilter nur den Teil der hyperbolischen Kurven in der Nähe des Ursprungs. Sie approximieren die Kurven mit fe­ sten Metallstäben (d. h. Molybdän oder rostfreier Stahl), welche zu einer gewünschten Form geschliffen worden sind. Die Quadrupol-Massenfilter bewahren die gewünschte rela­ tive Anordnung der vier geschliffenen Stäbe durch eine Fassung aus Keramik oder einem anderen starren, nicht lei­ tenden Material.

Es gibt jedoch verschiedene Nachteile dieser Vierstab-Im­ plementierung eines Quadrupolfilters: Kosten, Gewicht, Volumen und Anfälligkeit für eine Fehljustierung. So ist z. B. das Schleifen von identischen hyperbolischen Flächen an vier mehrere Zoll langen Molybdänstäben sowohl hin­ sichtlich der Zeit als auch der Materialien aufwendig. Weiterhin ist nur die hyperbolische Oberfläche elektrisch nützlich. Das Volumen des Stabs erfüllt nur begrenzte Funktionen, wie das Gewährleisten von Steifheit. Wenn eine innere oder äußere Kraft an den vier Stäben in der Kera­ mikfassung rüttelt, kann eine Fehljustierung leicht auf­ treten. Weiterhin kann diese Fehljustierung durch das blo­ ße Auge nicht zu erkennen sein und dennoch die Funk­ tionsfähigkeit negativ beeinflussen.

Das US-Patent 3 328 146 (Method of Producing An Analyzer Elektrode System For Mass Spectrometers), welches an Hän­ lein erteilt wurde und an die Siemens-Schuckertwerke AG übertragen wurde, und das US-Patent 4 885 500 ("Quartz Quadrupole For Mass Filter"), welches an Hansen et al. erteilt wurde und an die Hewlett-Packard Company übertra­ gen wurde, beschreiben Quadrupol-Massenfilter, welche aus einer Glas-Quadrupolröhre und dünnen Metallstreifen herge­ stellt werden. Die Glas-Quadrupolröhre besitzt einen Quer­ schnitt aus vier verbundenen, abgeschnittenen Hyperbeln, Halbkreisen usw., welche ein Substrat für die vier Pole des Quadrupols bilden. Dünne Metallstreifen liegen an die­ sen vier Polsubstraten an und erzeugen vier Pole mit einem hyperbolischen Querschnitt, was ein elektrisches Feld mit einer hyperbolischen Form erzeugt.

Glas-Quadrupol-Massenfilter haben den Vorteil, daß sie die wesentlichen Probleme der Vierstab-Quadrupol-Massenfilter beseitigen: Gewicht, Volumen, Herstellungskosten und An­ fälligkeit für eine Fehljustierung. Die Glas-Quadrupolmas­ senfilter besitzen den Vorteil eines stark reduzierten Gewichts und Volumens aufgrund der Ersetzung der schwer schmelzbaren Metallstäbe durch Glas und dünne Metallstrei­ fen. Glas verringert in hohem Maße die Herstellungskosten, da es billig ist und sich leicht zu der gewünschten Qua­ drupolform eines Dorns umformt. Dies verringert die Kosten und die Zeit für das Schleifen von schwer schmelzbaren Metallstäben von vier Stäben pro Massenfilter auf einen Dorn, welcher viele Massenfilter formt. Außerdem ist Glas in der Regel weniger anfällig für kleine inelastische De­ formationen als schwer schmelzbare Metalle, so daß Glas- Quadrupole gültige Messungen erzeugen, bis das Glas zer­ bricht.

Quadrupol-Massenfilter trennen geladene Teilchen, deren Verhältnis Masse/Ladung um ungefähr eine atomare Massen­ einheit differiert. Um dies zu erreichen, müssen die Pole genau geformte hyperbolische elektrische Felder erzeugen. Außerdem sollten die elektrischen Felder, welche von zwei benachbarten Polen erzeugt werden, um 180° phasenverscho­ ben sein, aber ansonsten eine identische Form und Größe besitzen. Wenn die Pole nicht in der Lage sind, elektri­ sche Felder mit diesen Eigenschaften zu erzeugen, kann der Ausgang des Quadrupols schlechter als optimal sein und der Quadrupol besitzt eine verringerte Auflösung. Um elektri­ sche Felder mit den obengenannten Eigenschaften zu erzeugen, müssen die Pole dick genug sein, damit der Widerstand in der Längsrichtung der Pole sehr klein ist und die Pole müssen sich genau an das Glassubstrat des Quadrupols anpassen, so daß sie einen hyperbolischen Querschnitt besitzen.

Das US-Patent 3 328 146 offenbart, eine einzelne mit einem Metall metallisierte oder verspiegelte Oberfläche auf den hyperbolischen Glasoberflächen zu bilden, indem Gold dar­ auf aufgedampft oder von einer Kathode aufgesputtert wird. Diese Goldpole können mehrere, darunter die folgenden Pro­ bleme haben: geringe Haftfähigkeit, einen relativ hohen Widerstand aufgrund einer dünnen Goldschicht, nichtgleich­ förmige Dicke. Weiterhin kann es schwierig sein, sie kon­ sistent unter Herstellungsbedingungen zu erzeugen. Die schlechte Haftfähigkeit resultiert teilweise aus den schwachen Bindungen, welche reines Gold mit Glas bildet. Goldoxide können gebildet werden, welche starke Bindungen bilden würden; sie würden sich jedoch wieder in reines Gold bei den hohen Temperaturen zurückverwandeln, die ty­ pisch für einen Quadrupol-Massenfilter im Betrieb sind. Dieses reine Gold würde von dem Quadrupol abblättern. Ein relativ hoher Widerstand würde einen Spannungsabfall ent­ lang der Pollänge von ungefähr 4 bis 12 Zoll erzeugen und die Fähigkeit des Massenfilters beeinträchtigen, geladene Teilchen zu trennen. Ein weiteres Problem bei dem aufge­ sputterten Goldpol würde in der nicht gleichförmigen Dicke des Pols liegen, welche die Form des elektrischen Felds verzerren und die Fähigkeit des Quadrupol-Massenfilters beeinträchtigen würde, geladene Teilchen zu trennen.

Das US-Patent 4 885 500 lehrt das Erzeugen von Polen durch das Anbringen von dünnen Silberstreifen mit einer haftfä­ higen Rückseite ("silver tape" (Silberband)) auf die hy­ perbolischen Flächen der inneren Oberfläche des Glassub­ strats. Das Silberband muß sich gleichförmig an die hyper­ bolischen Flächen des Glassubstrats anpassen, um Pole mit einem hyperbolischen Querschnitt und elektrische Felder mit der gewünschten hyperbolischen Form zu erzeugen. Die hauptsächlichen Nachteile der bislang existierenden Glas- Quadrupol-Massenfilter umfassen die Verunreinigung des Silberbands durch nachfolgendes Verarbeiten und die Schwierigkeit, sie in einer genau kontrollierten Weise herzustellen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Multipol-Massen­ filter mit einer hohen Beständigkeit, einer hohen Leistung und einer hohen Produktionsausbeute zu schaffen.

Die Erfindung schafft einen Vielschicht-Multipol mit einem isolierenden Multipolsubstrat mit Öffnungen, Dünnschicht- Metallisierungssubstraten, welche an das gekrümmte Innere des Multipolsubstrats angeformt sind, und präzisionsge­ formten Polen, welche durch Galvanisieren (oder stromloses Metallisieren) auf die Metallisierungssubstrate aufge­ bracht wurden. Weiterhin umfaßt die vorliegende Erfindung eine Dünnschicht-Haftlage, welche das Metallisierungssub­ strat an das gekrümmte Innere des Multipolsubstrats bin­ det. Diese Haftlage kann auch als Diffusionsbarriere fun­ gieren. Alternativ kann der Multipol eine getrennte Diffu­ sionsbarrierenschicht aufweisen.

Das Multipolsubstrat besitzt eine gerade Anzahl von ge­ trennten Abschnitten für die Pole, welche jeweils eine innere Oberfläche mit einem allgemein hyperbolischen Quer­ schnitt besitzen. Die Pole sind durch Brücken verbunden, welche Öffnungen aufweisen. Es können mehrere Öffnungen in jeder Brücke oder eine längliche Öffnung pro Brücke vor­ handen sein. Die Öffnungen haben den Vorteil, daß sie das Aufbauen der Metallisierungssubstrate, der Haftschicht und der Diffusionsbarrierenschicht auf dem gekrümmten Inneren des Multipolsubstrats erleichtern. Zusätzlich beseitigen diese Öffnungen große Abschnitte der Grenzfläche Pol/Brük­ ke, wo sich eine elektrische Ladung aufbaut, die elektri­ schen Massenselektionsfelder, welche durch die Pole er­ zeugt werden, verzerrt und die Trennung von geladenen Teilchen stört. Diese Öffnungen haben den zusätzlichen Vorteil, daß sie die Vakuumleitfähigkeit erleichtern.

Die Haftlage ist eine Dünnschichtlage, welche starke Bin­ dungen mit dem Multipolsubstrat bildet. Weiterhin kann die Haftlage die Funktion einer Diffusionsbarriere erfüllen. Die Dünnschicht-Metallisierungssubstrate, welche auf die Haftlage oder direkt auf das Multipolsubstrat gesputtert werden, bilden eine oxidfreie Oberfläche für das Galvani­ sieren. Die Pole werden auf die Metallisierungssubstrate bis zu einer gewünschten Dicke durch Galvanisieren aufge­ bracht. Eine zusätzliche Schicht, eine dünne Diffusions­ barrierenschicht, kann auf der Haftschicht abgeschieden werden, um die Diffusion des Substrats und der ver­ schiedenen Schichten zu verhindern.

Diese Konfiguration hat den Vorteil, daß sie dauerhafte Hochleistungs-Pole mit einer hohen Herstellungsausbeute liefert. Die Dünnschicht-Haftlage bindet die Pole dauer­ haft an das isolierende Substrat. Die Dünnheit der Haftla­ ge und der Metallisierungssubstratschicht gestattet es ih­ nen, sich genau an die inneren Oberflächen des Multipol­ substrats anzupassen, so daß sie Pole mit einer Metalli­ sierungsoberfläche liefern, welche die hyperbolische Form der inneren Oberflächen des Multipolsubstrats reprodu­ ziert. Galvanisierprozesse bilden Pole mit geringem Wider­ stand, gleichförmiger Dicke und einem nahezu idealen hy­ perbolischen Querschnitt, so daß erfindungsgemäße Hochlei­ stungs-Multipole eine konsistente und vorhersagbare Wir­ kungsweise haben und hohe Herstellungsausbeuten erreicht werden.

Das Multipolsubstrat kann vergrößerte Brücken besitzen, welche die Grenzfläche Pol/Brücke und die Ladungen, die sich dort ansammeln, von der Mittelachse des Multipols weg verlagern. Dies hat den Vorteil, daß die Verzerrung der elektrischen Massenselektionsfelder wesentlich reduziert wird, weil die Stärke des elektrischen Störfelds, welches durch die angesammelte Ladung an der Grenzfläche Pol/Brük­ ke erzeugt wird, mit dem Verhältnis eins über dem Quadrat des Abstands von der Grenzfläche Pol/Brücke abnimmt.

Ein Multipol gemäß der vorliegenden Erfindung hat den Vor­ beil einer konsistenten und vorhersagbaren Wirkungsweise, einer großen Dauerhaftigkeit, einer hohen Leistungsfähig­ keit und einer großen Herstellungsausbeute. Die dauerhaf­ ten Pole erzeugen elektrische Massenselektionsfelder mit einem nahezu idealen hyperbolischen Querschnitt, weil die Pole einen geringen Widerstand und eine gleichförmige Dik­ ke aufweisen und sich an die hyperbolische Form der lang­ gestreckten Substratabschnitte anpassen. Die Öffnungen verhindern das Aufbauen von elektrischer Ladung, welche die durch die Pole erzeugten Massenselektionsfelder ver­ zerrt. Die vergrößerten Brücken verlagern die Grenzfläche Pol/Brücke von dem Zentrum des Multipols weg, wo die Tren­ nung der geladenen Teilchen, das Fokussieren oder Kolli­ mieren stattfindet. All dies wird mit automatisierten Prä­ zisions-Herstellungsverfahren erreicht, welche zu einer hohen Herstellungsausbeute führen.

Die Erfindung ist im folgenden in Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. In den Zeichnungsfiguren zeigt

Fig. 1 die bevorzugte Ausführungsform des Viel­ schicht-Quadrupol-Massenfilters,

Fig. 2 einen Querschnitt der bevorzugten Ausfüh­ rungsform des Vielschicht-Quadrupol-Massen­ filters entlang der Linie 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 Einzelheiten der Vielschichtstruktur, welche durch das Rechteck 3 in Fig. 2 eingeschlossen ist, für die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 Einzelheiten der Vielschichtstruktur, welche durch das Rechteck 3 in Fig. 2 eingeschlossen ist, für eine alternative Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 Einzelheiten der Vielschichtstruktur, welche durch das Rechteck 3 in Fig. 2 eingeschlossen ist, für eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6A eine isometrische Ansicht einer weiteren Aus­ führungsform des Vielschicht-Quadrupol-Mas­ senfilters, welche langgestreckte Öffnungen besitzt,

Fig. 6B einen Querschnitt der weiteren Ausführungs­ form des Vielschicht-Quadrupol-Massenfilters entlang der Linie 6B-6B in Fig. 6A,

Fig. 7A eine isometrische Ansicht einer weiteren Aus­ führungsform des Vielschicht-Quadrupol-Mas­ senfilters mit vergrößerten Brücken,

Fig. 7B einen Querschnitt der weiteren Ausführungs­ form des Vielschicht-Quadrupol-Massenfilters entlang der Linie 7B-7B, welche in Fig. 7A gezeigt ist,

Fig. 7C den Dorn, welcher verwendet wird, um das Qua­ drupolsubstrat mit ausgedehnten Brücken her­ zustellen, welches in Fig. 7A und 7B gezeigt ist,

Fig. 8A-8D die Schritte beim Herstellen des Quadrupol­ substrats,

Fig. 9A und 9B die Maske, welche die Brücken von gesputter­ tem Metall abschirmt.

Ein Fachmann wird ohne weiteres die Vorteile und Merkmale der offenbarten Erfindung nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnun­ gen erkennen.

Die bevorzugte Ausführungsform des Vielschicht-Multipols ist ein Quadrupol-Massenfilter, welcher geladene Teilchen in einem Strahl von geladenen Teilchen entsprechend ihrem Verhältnis Masse/Ladung trennt. Weitere Ausführungsformen der Erfindung können sechs, acht oder mehr Pole besitzen und einen Strahl von geladenen Teilchen fokussieren oder kollimieren, anstatt die geladenen Teilchen zu trennen. Diese weiteren Ausführungsformen werden im wesentlichen in derselben Weise wie der Quadrupol-Massenfilter herge­ stellt.

Fig. 1 zeigt eine isometrische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform eines Quadrupol-Massenfilters 20. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt des Vielschicht-Quadrupol-Massen­ filters 20 entlang der Linie 2-2 der Fig. 1. Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen einen vergrößerten Abschnitt der Vielschicht­ struktur, eine Brücke 26, einen Pol 30 und eine Grenzflä­ che Pol/Brücke 34 für verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.

Die bevorzugte Ausführungsform des Vielschicht-Quadrupol- Massenfilters 20 besitzt ein Glas-Quadrupolsubstrat 22. Das Quadrupolsubstrat 22 könnte jedoch aus anderen Mate­ rialien gebildet werden, ohne aus dem Bereich der Erfin­ dung zu fallen. Die hauptsächliche Anforderung an ein Ma­ terial für ein Quadrupolsubstrat 22 besteht darin, daß es elektrisch isolierend ist.

Die Verlustzahl ist das Produkt der Isolationskonstante und des Leistungsfaktors (Tangens des Verlustwinkels) für ein Material. Die dielektrische Konstante legt die Menge an Energie fest, welche unwiderruflich als Wärme aufgrund der Bewegung von Dipolen in einem Hochfrequenzfeld verlo­ ren geht. Allgemein verliert ein Substrat einen größeren Anteil seiner Energie in Form von Wärme, wenn die Tempera­ tur des Substrats wächst. Quadrupol-Massenfilter arbeiten typischerweise bei Frequenzen zwischen 800 kHz und 4 MHz.

Die Bedeutung der Verlustzahl im Zusammenhang von Massen­ filtern hängt mit dem thermischen Durchgehen in dem Sub­ strat zusammen. Ein thermisches Durchgehen tritt auf, wenn die Menge an Wärme, welche innerhalb des Materials erzeugt wird, die Wärme übersteigt, die von dem Glas abgestrahlt werden kann. Die daraus entstehende erhöhte Glastemperatur verringert den Volumenwiderstand des Glases und erhöht die Verlustzahl, was den Hochfrequenz-Leistungsverstärke, ver­ anlaßt, mehr Leistung zu erzeugen, was eine noch größere Wärmeerzeugung hervorruft. Dieser positive Rückkopplungs­ zyklus charakterisiert das thermische Durchgehen, was schließlich mehr Leistung erfordert, als geliefert werden kann. Das Risiko eines thermischen Durchgehens wächst bei hohen Masseneinstellungen, welche höhere Hochfrequenzspan­ nungen erfordern. Dementsprechend erfordern Hochleistungs- Massenfilter Substrate mit geringen Verlustzahlen.

Der Volumenwiderstand ist ein Maß für die isolierenden Eigenschaften eines Glases. Der Volumenwiderstand hat ei­ nen starken Einfluß auf das Risiko eines dielektrischen Versagens bei hohen Temperaturen. Mit anderen Worten ist es bei einem Glas mit einem hohen Volumenwiderstand we­ sentlich weniger wahrscheinlich, daß es einen Durchschlag erleidet und in inakzeptabler Weise den Hochfrequenz-Lei­ stungsverstärker belastet. Der Volumenwiderstand wird hier in Einheiten von log₁₀ des Volumenwiderstands in Ωcm ange­ geben. Ein Volumenwiderstand von ungefähr 10 bei 250°C ist für Hochleistungsanwendungen angemessen.

Thermische Widerstandsfähigkeit bezieht sich auf die Fä­ higkeit eines Glases, einer Beschädigung während des Er­ wärmens und Abkühlens zu widerstehen. Die hier verwendeten Werte beziehen sich auf die maximale Temperatur, auf wel­ che eine plattenförmige Probe erhitzt und dann in Wasser bei 10°C geworfen werden kann, ohne daß sie bricht. Wäh­ rend dieses Szenarium nicht genau bei der Umgebung eines Massenfilters reproduziert wird, hängt die thermische Wi­ derstandsfähigkeit hinreichend mit anderen thermischen Variablen von Interesse zusammen, wie der unteren Entspan­ nungstemperatur, dem Glühpunkt, dem Erweichungspunkt und dem Arbeitspunkt, um als allgemeines Indiz für die Dauer­ haftigkeit unter temperaturveränderlichen Bedingungen zu dienen. Im allgemeinen hängt die Widerstandsfähigkeit ge­ gen thermische Belastung mit der Härte oder Viskosität eines Glases zusammen.

Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist ein Maß für das Ausmaß, in welchem sich ein Material ausdehnt, wenn es erwärmt wird. Wenn der Koeffizient negativ ist, zieht sich das Material zusammen, wenn es erhitzt wird. Dieser Para­ meter beeinflußt die Formbarkeit des Substrats, weil das Substrat sich bei hohen Temperaturen an einen Dorn anpas­ sen muß, der seine Abmessungen bei dem Vorgang ändert. Dieser Parameter ist wichtig, weil Änderungen der Abmes­ sungen die Stabilität der Massenachse, die Filterauflösung und die Transmission beeinträchtigen. Ein höher Ausdeh­ nungskoeffizient bedeutet auch, daß ein Quadrupol, der seine Temperatur ändert, eine Änderung im Durchmesser und dementsprechend eine Verschiebung der Massenzuordnung er­ fährt. Für eine größtmögliche Einfachheit und Zuverlässig­ keit sowohl bei der Herstellung als auch beim Betrieb sollte der thermische Ausdehnungskoeffizient positiv sein und so nahe bei null wie möglich liegen.

Kehrt man nun zu Fig. 1 zurück, so ist die bevorzugte Aus­ führungsform des Vielschicht-Quadrupol-Massenfilters 20 ungefähr 10,2 cm bis 30,5 cm (4 bis 12 inch) lang. Er be­ sitzt vier Pole 30, welche sich an der gewölbten inneren Oberfläche des Quadrupolsubstrats 22 befinden. Die Brücken 26 verbinden die vier Pole 30 und versehen das Quadrupol­ substrat 22 mit struktureller Steifheit. Die Brücken 26 besitzen Öffnungen 24, welche das Bilden der Pole 30 er­ leichtern und das Ansammeln von elektrischer Ladung an der Grenzfläche Pol/Brücke 34 verhindern. Die bevorzugte Aus­ führungsform des Quadrupolsubstrats 22, das in Fig. 1 ge­ zeigt ist, ist ungefähr 1,5 mm dick, besitzt drei Öffnun­ gen 24 pro Brücke, welche ungefähr 50 mm lang sind, und vier Brücken 26 pro Paar von benachbarten Polen 30.

Elektrische Ladung sammelt sich an der Grenzfläche der leitenden Pole 30 und der isolierenden Brücken 26 an. Die­ se angesammelte elektrische Ladung erzeugt elektrische Felder, welche die Massenselektionsfelder verzerren, die durch die Pole 30 erzeugt werden. Diese Beeinträchtigung ist insbesondere störend, wenn eine hohe Spannungseinstel­ lung vor einer niedrigen Spannungseinstellung gewählt wird, z. B. wenn man von einer hohen Masseneinstellung zu einer niedrigen Masseneinstellung übergeht. Die Ladungs­ akkumulation ist am größten bei hohen Masseneinstellungen, da die Felder bei diesen Einstellungen am größten sind. Wenn die Masseneinstellung von einer hohen Masseneinstel­ lung auf eine niedere Masseneinstellung umgestellt wird, beginnt die angesammelte Ladung zu dissipieren, erzeugt jedoch während dieser Dissipation elektrische Felder, wel­ che die Massenselektionsfelder verzerren, welche durch die Pole erzeugt werden, und welche das Durchlaufen von gela­ denen Teilchen verhindern. Elektrische Ladung sammelt sich an einer Grenzfläche Leiter/Isolator an. Das Entfernen von Abschnitten der isolierenden Brücke 26 aus dem Quadrupol­ substrat 22 erzeugt Öffnungen 24 und beseitigt die ent­ sprechende Grenzfläche Leiter/Isolator, wo sich elektri­ sche Ladung ansammelt, und die schädlichen elektrischen Felder, welche sie erzeugt.

Das Quadrupolsubstrat 22 wird hergestellt, indem eine hei­ ße Glasröhre an einen Dorn 110 angepaßt wird, der in Fig. 8A gezeigt ist. Der Dorn 110 sollte aus einem hitzebestän­ digen Metall oder einer Legierung oder einem Verbundmetall eines hitzbeständigen Metalls, wie Molybdän oder Wolfram, oder eine Legierung von Hafnium, Kohlenstoff und Molybdän sein, so daß er seine Form behält, nachdem er wiederhol­ termaßen den hohen Temperaturen ausgesetzt war, die ver­ wendet werden, um das Glas-Quadrupolsubstrat 22 zu formen. Der Dorn 110 muß mit der erforderlichen Präzision abge­ spannt, geschliffen und poliert sein, so daß seine äußeren Abmessungen den gewünschten inneren Abmessungen des Qua­ drupolsubstrats 22 bei der Bildungstemperatur entsprechen. Da die Metalle einen größeren thermischen Ausdehnungskoef­ fizienten als Glas besitzen, muß der Dorn 110 geringfügig kleiner als das gewünschte Innere des Quadrupolsubstrats 22 bei Raumtemperatur sein.

Eine Glasröhre 112 wie in Fig. 8B gezeigt mit einem kreis­ förmigen Querschnitt und einem geeigneten Durchmesser und einer geeigneten Dicke wird an einem Ende 114 verschlos­ sen. Der Dorn 110 wird axial in die Glasröhre 112 einge­ führt und das offene Ende 116 der Glasröhre wird mit einer Vakuumpumpe verbunden. Der Umgebungsdruck drückt die er­ hitzte Glasröhre 112 dicht auf den Dorn 110. Sobald sich die vakuumgeformte Glasröhre 118 an den Dorn 110 anpaßt, kühlen sie und der Dorn sich ab. Während dieser Phase zieht sich der Dorn 110 zusammen, weg von der vakuumge­ formten Glasröhre 118, so daß die Glasröhre 118, die in Fig. 8C gezeigt ist, leicht entfernt werden kann.

Sobald die vakuumgeformte Glasröhre 118 entfernt ist, wird sie auf die gewünschte Länge, für die bevorzugte Ausfüh­ rungsform 10,2 cm bis 30,5 cm (4 inch bis 12 inch), ge­ schnitten. Die Abschnitte der Brücken 120, die in Fig. 1 gezeigt sind, werden geschliffen oder abgefräst, um die Öffnungen 122 zu erzeugen.

Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen Einzelheiten der Struktur, wel­ che durch das Rechteck 3 in Fig. 2 eingeschlossen ist, für verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Fig. 3 zeigt Einzelheiten für die bevorzugte Ausführungsform der Erfin­ dung und die Fig. 4 und 5 zeigen Einzelheiten für alterna­ tive Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 3 zeigt eine dünne Adhäsions/Diffusionsbarrieren­ schicht 40, welche starke Bindungen mit dem Quadrupolsub­ strat 22, dem Dünnschicht-Metallisierungssubstrat 44 und dem galvanisierten Pol 30 bildet. In der bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung ist das Quadrupolsubstrat 22 Glas. Andere Materialien könnten verwendet werden, Glas ist jedoch wegen der vorangehend genannten Gründe bevor­ zugt.

Die bevorzugte Ausführungsform besitzt Metallisierungssub­ strate 44, welche aus Gold hergestellt werden. Andere Me­ talle könnten jedoch verwendet werden, ohne sich aus dem Bereich der Erfindung zu entfernen. Edelmetalle sind be­ vorzugt, weil sie keinen Oxidfilm in einer Luftumgebung entwickeln, relativ inert sind und einen geringen spezifi­ schen Widerstand besitzen. Ein Metallisierungssubstrat mit einer oxidfreien Oberfläche ist wünschenswert, weil galva­ nisierte Metalle keine starken Bindungen mit Metalloxiden bilden. Edelmetall-Metallisierungssubstrate 44 vereinfa­ chen das Planen von Herstellungsverfahren, weil sie rela­ tiv inert sind und gelagert werden können, bis sie ge­ braucht werden. Das Bilden von Metallisierungssubstraten aus einem Edelmetall mit geringem spezifischen Widerstand ermöglicht es, daß sie dünn sind und einen geringen Wider­ stand besitzen. Wie vorangehend erörtert ist der Wider­ stand direkt proportional zum spezifischen Widerstand und umgekehrt proportional zu der Querschnittsfläche. Dünne Metallisierungssubstrate 44 haben den Vorteil einer größe­ ren Dauerhaftigkeit, weil die Spannungen innerhalb der Schicht geringer sind und die Haftung besser ist. Ein zu­ sätzlicher Vorteil von dünnen Metallisierungssubstraten 44 ist ihre Fähigkeit, sich genau an die hyperbolischen Pol­ substrate anzupassen, die in Fig. 2 gezeigt sind, und eine nahezu ideale hyperbolische Oberfläche für das Galvanisie­ ren zu bilden.

Gold und andere Edelmetalle bilden keine starken Bindungen mit Glas. Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung löst dieses Problem durch Aufsputtern einer dünnen Adhä­ sions/Diffussionsbarrierenschicht 40 auf das Glasquadru­ polsubstrat 22. Titan und Chrom bilden starke Bindungen mit Glas, können jedoch bei Temperaturen oberhalb von 150° diffundieren. Die Diffusion der Haftschicht weg von dem Substrat könnte Haftprobleme verursachen, den Galvanisie­ rungsprozeß stören und möglicherweise die Oberflächenleit­ fähigkeit der danach metallisierten Pole 30 verändern. Wolfram hat hervorragende Diffusionseigenschaften. Die Wolfram/Siliziumdioxid-Bindungen sind jedoch schwächer als die Titan/Siliziumdioxidbindungen oder die Chrom/Silizium­ dioxid-Bindungen. Die bevorzugte Ausführungsform der Er­ findung nützt den Vorteil der Diffusionscharakteristik von Wolfram und die starken Bindungen, welche Titan mit Sili­ ziumdioxid bildet, aus, indem auf die inneren Oberflächen von Quadrupolsubstraten 22 eine Dünnschicht-Titan/Wolfram- Lage aufgesputtert wird, welche eine Mischung aus 10%-15% Titan und 85%-90% Wolfram ist.

Fig. 9B zeigt die Maske 124, welche die in Fig. 8D gezeig­ ten Brücken 120 gegen das Beschichten mit gesputtertem Me­ tall abschirmt. Die in Fig. 9B gezeigte Maske besitzt Kä­ sten 126, welche die in Fig. 9A gezeigten Brücken 120 vollständig umschließen. Außerdem besitzt die in Fig. 9B gezeigte Maske Löcher 128, welche sich mit der in Fig. 8D gezeigten Öffnung 122 ausrichten, so daß das gesputterte Metall die inneren Oberflächen des Quadrupolsubstrats er­ reichen kann. Die in Fig. 9A gezeigte Maske 124 wird durch Stanzen eines Musters oder durch chemisches Fräsen zur Bildung des mit einem Muster versehenen Metallstreifens 130 hergestellt, der in Fig. 9A gezeigt ist. Der mit einem Muster versehenen Metallstreifen 130 wird entlang der Per­ forationen 132 gebogen, um die in Fig. 9B gezeigten auf­ recht stehenden Abschnitte 134 zu bilden und Kästen 126 werden befestigt, um die Endversion der Maske 124 zu bil­ den.

Der größte Teil des gesputterten Metalls haftet an der äußeren Oberfläche des in Fig. 2 gezeigten Quadrupolsub­ strats 22 an. Er bildet eine Nebenprodukt-Metallisierungs­ schicht 32 und nur ein kleiner Teil des gesputterten Me­ talls haftet an den Polsubstraten 28 an. Um Dünnschicht­ lagen auf dem Polsubstrat 28 zu bilden, welche die ge­ wünschte Dicke haben, ist es nötig, eine dicke Nebenpro­ dukt-Metallisierungsschicht 32 abzuscheiden. Die für die Dünnschichtlagen gewählten Metalle müssen Schichten mit geringer Spannung bilden, um das Brechen der Nebenprodukt- Metallisierungsschicht 32 zu verhindern. Ein Vorteil der Verwendung einer Titan/Wolframmischung für die Haftschicht besteht darin, daß sie eine Nebenprodukt-Metallisierungs­ schicht 32 mit relativ geringer Spannung bildet.

Da Gold, das bevorzugte Metall für das Metallisierungssub­ strat 44, nicht an dem Oxid von Titan/Wolfram anhaftet und Titan/Wolfram als Fangstoff (Getter) wirken und Verunrei­ nigen absorbieren, wird das Metallisierungssubstrat 44 auf die Haftschicht 40 kurz nach der Bildung dieser Schicht gesputtert. Die Metallisierungssubstrat-Schicht 44 dichtet den teilweise aufgebauten Quadrupol-Massenfilter ab, so daß er über Wochen gelagert werden kann, bevor die Metal­ lisierungsschritte beginnen.

Der Pol 30, welcher in Fig. 3 gezeigt ist, wird auf das Metallisierungssubstrat 44 galvanisiert oder stromlos me­ tallisiert, so daß der Pol 30 einen Widerstand von unge­ fähr 0,1 Ω von einem Ende zum anderen aufweist, was einen wesentlichen Spannungsabfall entlang der Länge des Pols 30 verhindert. Die Dicke des Pols 30 variiert zwischen 2,5 und 3,0 µm, in Abhängigkeit von dem spezifischen Wider­ stand des metallisierten Golds und der Breite des Pols. Die bevorzugte Ausführungsform setzt eine zylindrische Anode in den teilweise gebauten Quadrupol-Massenfilter 20 ein, welcher das Metallisierungssubstrat 44 aufweist. Das Bilden von Polen 30 durch Galvanisieren hat den Vorteil daß Pole mit genauen Toleranzen hergestellt werden. Die Dicke des Pols 30, die Gleichförmigkeit der Dicke des Pols 30 und der Widerstand des Pols 30 können genau überwacht werden. Das Bilden der Pole 30 durch Galvanisieren oder stromloses Metallisieren hat den Vorteil, daß es weniger Zeit und Geld erfordert und weniger Gold verschwendet. Weiterhin hat das Galvanisieren den Vorteil, daß dickere Pole mit einem geringeren Widerstand gebildet werden.

Gold ist das bevorzugte Metall für Pole wegen seines ge­ ringen spezifischen Widerstands, welcher die Dicke der Pole 30 verringert. Dünne Pole 30 haben den Vorteil einer größeren Dauerhaftigkeit, weil in der Polschicht geringere Spannungen vorhanden sind und weil der Pol besser an dem Quadrupolsubstrat anhaftet. Das Galvanisieren von anderen Metallen auf die Metallisierungssubstrate 44 zum Bilden von Polen 30 fällt nicht aus dem Bereich der Erfindung.

Fig. 4 zeigt Einzelheiten der Struktur, welche in Fig. 2 durch das Rechteck 3 eingeschlossen ist, für eine alterna­ tive Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform besitzt eine separate Haftschicht und eine separate Diffu­ sionsbarrierenschicht. Titan, Chrom oder ein anderes Me­ tall bilden die Haftschicht 40. Eine Diffusionsbarrieren­ schicht 42, welche auf die Oberseite der Haftschicht 40 gesputtert ist, hindert sie daran, zu dem Metallisierungs­ substrat 44 zu diffundieren, wo sie die oxidfreie Oberflä­ che des Metallisierungssubstrat 44 verunreinigen würde. Weiterhin verhindert die Diffusionsbarrierenschicht 42, daß das Edelmetall des Metallisierungssubstrats 44 in die Haftschicht 40 wandert, wo es die Bindung zwischen dem Glas und dem Glassubstrat schwächen würde. Die Diffusions­ barrierenschicht 42 wird aus Platin, Wolfram oder einem anderen Material gebildet. Das Metallisierungssubstrat 44 wird durch Sputtern auf die Diffusionsbarrierenschicht 42 aufgebracht und die Pole 30 werden in der vorangehend be­ schriebenen Weise galvanisiert.

Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfin­ dung, welche nicht eine Haftschicht oder eine Diffusions­ barrierenschicht aufweist. Das Quadrupolsubstrat 22 ist chemisch mikrogeätzt (mit Hilfe eines Trocken- oder Naß­ ätzverfahrens), so daß eine mikroskopisch rauhe Oberfläche gebildet wird, welche eine mechanische Haftung erzeugt. Das Metallisierungssubstrat 44 wird direkt auf die mikro­ geätzte Quadrupoloberfläche durch Sputtern abgeschieden und die Pole 30 werden in der vorangehend beschriebenen Weise galvanisiert.

Die Fig. 6A und 6B zeigen einen Quadrupol-Massenfilter 60 mit verlängerten Öffnungen. Fig. 6A zeigt eine isometri­ sche Ansicht und Fig. 6B zeigt eine Querschnittsansicht. Der Quadrupol-Massenfilter 60 besitzt ein Quadrupolsub­ strat 62 mit acht an den Enden befindlichen Brücken .66 und vier lange Öffnungen 64, welche sich über seinen größten Teil erstrecken. Das Quadrupolsubstrat 62 muß dicker als das in Fig. 1 gezeigte Quadrupolsubstrat 22 sein, weil es weniger Brücken besitzt, und seine strukturelle Steifheit basiert auf seiner Dicke von 3 bis 5 mm. Das Quadrupolsub­ strat mit den länglichen Öffnungen 62 wird auf dieselbe Weise wie das Quadrupolsubstrat 22 hergestellt, das in Fig. 1 gezeigt ist.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Länge der Grenzfläche Pol/Brücke 34 auf die Länge der an den Enden befindlichen Brücken 66 verringert wird, so daß die Menge an unerwünschter Ladung verringert wird. Weiterhin hat diese Ausführungsform den Vorteil, daß sie das Ansammeln von unerwünschter Ladung auf die Enden des Quadrupolsub­ strats 62 einschränkt, wo sie durch eine den Spannungsgra­ dienten verringernde Verbindung wie eine Kaliumsilikatver­ bindung kontrolliert werden kann.

Fig. 7A zeigt eine isometrische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Quadrupol-Massenfilters 80, welcher vergrößerte Brücken 86 besitzt, und Fig. 7B zeigt einen Querschnitt davon. Die vergrößerten Brücken 86 erhöhen den Abstand zwischen der in Fig. 7B gezeigten Grenzfläche Pol/Brücke 90 und der Mittelachse des Quadrupol-Massenfil­ ters, wo der größte Teil der Trennung geladener Teilchen stattfindet. Das Erhöhen dieses Abstands hat den Effekt, daß der verzerrende Einfluß der angesammelten elektrischen Ladung auf das Massenselektionsfeld abnimmt, weil die Am­ plitude des Verzerrungsfeldes, welches durch die Grenzflä­ che Pol/Brücke 90 erzeugt wird, in etwa mit dem Quadrat des Abstands von der Grenzfläche Pol/Brücke 90 abnimmt. Ein weiterer Vorteil der in Fig. 7A gezeigten Ausführungs­ form ist die Abwesenheit einer Visierlinie zwischen der Grenzfläche Pol/Brücke 90 und der Mittelachse des Quadru­ pol-Massenfilters 80.

Die Fig. 7C zeigt einen Querschnitt eines Dorns 92, wel­ cher zum Bilden eines Quadrupolsubstrats mit ausgedehnten Brücken 82 verwendet wird. Der Dorn 92 wird aus den glei­ chen Materialien und in derselben Weise wie der in Fig. 8A gezeigte Dorn 110 hergestellt. Das Quadrupolsubstrat mit vergrößerten Brücken 82 kann in derselben Weise wie das Quadrupolsubstrat 22 der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform hergestellt werden. Eine Glasröhre 112, welche über den Dorn 92 paßt, muß eine wesentliche Strecke einfallen, bevor sie den Dorn 92 abdichtet. Dabei ist der tiefste Teil des Dorns 92 der wichtigste Teil des Dorns 92: das hyperbolische Polsubstrat 88. Ein alternatives Verfahren ist ein Zweischritt-Prozeß, welcher die Glasröh­ re zweimal einfallen läßt, das erste Mal auf einen Dorn mit großzügigen Toleranzen und als nächstes auf den Dorn 92, welcher geringfügig kleiner ist und entsprechend den genauen Vorgaben hergestellt ist.

Wenn die ausgedehnten Brücken 86 entfernt werden, um lange Öffnungen 84 zu bilden, bilden sich U-Kanäle, welche dem Quadrupolsubstrat 80 mit vergrößerten Brücken eine robuste mechanische Unterstützung geben. Die in Fig. 8A gezeigte Glasröhre 110 kann die Dicke des Glases aufweisen, das verwendet wird, um das in Fig. 1 dargestellte Quadrupol­ substrat 22 herzustellen.

Jedes der hier offenbarten Quadrupolsubstrate kann mit irgendeiner der Vielschichtstrukturen oder Abwandlungen der Vielschichtstrukturen beschichtet werden, ohne sich aus dem Bereich der Erfindung zu entfernen. Abweichungen der Vielschichtstrukur, welche im Bereich der Erfindung liegen, umfassen die Verwendung von Ersatzmetallen für die verschiedenen Schichten und die Verwendung einer Haft­ schicht ohne die Verwendung einer Diffusionsbarrieren­ schicht.

Alle Publikationen und Patentanmeldungen, welche in der Beschreibung zitiert werden, sind hier zur Bezugnahme so enthalten, als ob jede Publikation oder Patentanmeldung konkret und individuell als zur Bezugnahme enthalten be­ zeichnet wäre.

Die vorangehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungs­ form der Erfindung wurde zum Zwecke der Illustration und Beschreibung gegeben. Es ist nicht beabsichtigt, daß sie umfassend ist oder die Erfindung auf die genaue offenbarte Form beschränkt. Offensichtlich sind angesichts der vor­ angehenden Lehre viele Modifikationen und Abwandlungen möglich. Die Ausführungsformen wurden gewählt, um die be­ ste Ausführungsform der Erfindung möglichst gut zu erklä­ ren. Daher ist beabsichtigt, daß der Umfang der Erfindung durch die Ansprüche bestimmt wird.

Claims (10)

1. Multipolvorrichtung, welche umfaßt:
ein Multipolsubstrat (22), welches eine gerade Zahl von Polsubstraten (28) mit inneren Oberflächen aufweist, wel­ che einen allgemein hyperbolischen Querschnitt besitzen, wobei die Polsubstrate (28) in parallelen, einander gegen­ überliegenden Paaren angeordnet sind und Brücken (26) be­ nachbarte Paare von Polsubstraten (28) verbinden, Öffnungen (24) in den Brücken (26) und
Pole (30), welche konform zu den inneren Oberflächen der Polsubstrate (28) sind.

2. Multipolvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Multipolsubstrat ein Quadrupolsubstrat (22) ist, welches vier Polsubstrate (28) aufweist.

3. Multipolvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich mehrere Öffnungen (24) in jeder Brücke (26) befinden.

4. Multipolvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Öffnung (64) in jeder Brücke (66) befindet.

5. Multipolvorrichtung nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (24; 64) eine Breite aufweist, welche gleich der Breite der Brücke (26; 66) ist, so daß die Öffnung (44; 64) die Grenzfläche zwischen dem Pol (30) und der Brücke (26; 66) über die Länge der Öffnung (24; 64) beseitigt.

6. Multipolvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brücken (86) derart verlängert sind, daß die Grenzfläche (90) zwischen dem Pol (30) und der Brücke (86) von der Zentralachse des Multipolsubstrats (82) zurückversetzt ist.

7. Multipolvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Metallisierungssubstrate (44), welche an die inneren Ober­ flächen der Polsubstrate (28) angeformt sind und einen allgemein hyperbolischen Querschnitt besitzen, und galvanisierte Pole (30), welche auf die Metallisie­ rungssubstrate (44) derart aufgebracht sind, daß die Pole (30) einen allgemein hyperbolischen Querschnitt besitzen.

8. Multipolvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich eine Haftschicht (40) zwischen dem Mul­ tipolsubstrat (22) und den Metallisierungssubstraten (44) befindet, welches die Metallisierungssubstrate (44) an das Multipolsubstrat (22) bindet.

9. Verfahren zum Herstellen eines Multipols, welches die folgenden Schritte umfaßt:

• - Formen eines Multipolsubstrats, welches eine gerade Anzahl von Polsubstraten mit inneren Oberflächen auf­ weist, die einen allgemein hyperbolischen Querschnitt besitzen, wobei die Polsubstrate in parallelen, einan­ der gegenüberliegenden Paaren angeordnet sind und Brüc­ ken mit überbrückenden inneren Oberflächen benachbarte Paare von Polsubstraten verbinden,
• - Bilden einer Öffnung in den Brücken, und
• - Bilden von Polen durch konformes Anformen an den inneren Oberflächen der Polsubstrate.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Bildens der Pole die folgenden Unter­ schritte umfaßt:

• - Aufsputtern eines Metallisierungssubstrats auf die in­ neren Oberflächen der Polsubstrate und
• - galvanisches Aufbringen der Pole auf die Metallisierungssubstrate.