DE4446230A1 - Anordnung zur Filterung von Ionen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Filterung von Ionen gemäß der Gattung der Patentansprüche und ist insbesondere zur Ionenimplantation und bei ionenstrahlgestützten Schichtprozessen sowie als Massenspek­ trometer verwendbar.

Massenseparierte Ionenstrahlen für ionenstrahlgestützte Schichtprozesse sind im wesentlichen in zwei Anwendungsgebieten bekannt. Zum ersten werden massenseparierte Ionenstrahlen im Hoch- oder Ultrahochvakuum (10^-5 bis 10^-8 mbar) in Ionenimplantationsanlagen verwendet (Ryssel H., Ruge, I.; "Ionenimplantation", Geest & Portig, [1978]); die Ionen werden bei Energien von ca. 10 keV bis über 1 MeV fortgeleitet. Ionen­ strahlströme bis etwa 10 mA (Amemiya, K., Tokiguchi, K.; Sakudo, N., J. Vac. Sci. & Technol. A, Vol. 9, [1991], 307-311) werden erreicht, der Strahldurchmesser beträgt auf dem Substrat max. ca. 100 mm (Banneberg, J.G.; Saris, F.W.; Nucl. Instr. & Meth., B, Vol. B 37-38, [1989], 398-402). Größere Flächen werden durch Wobbeln des Ionen­ strahls bearbeitet. Weil die Massenseparation fast ausschließlich in Sektorfeldmagneten durchgeführt wird, kann der Ionenstrahldurchmesser an dieser Stelle aus physikalischen Gründen kaum über 20 mm erhöht werden. Dafür ist die Massenauflösung oft kleiner als eine Masseeinheit, so daß die Trennung von Isotopen kein Problem darstellt. Eine Untertei­ lung des Ionenstrahls in Teilionenstrahlen zur Erhöhung der Stromdichte ist aufgrund der Wirkungsweise der Massenseparation im Sektorfeld­ magneten nicht möglich. Werden sehr große Ströme und Strahldurch­ messer in Implantationsanlagen benötigt, wie das bspw. für die Hart­ stoffimplantation an Maschinenteilen der Fall ist, wird auf die Massen­ separation gänzlich verzichtet, was den Bereich der verwendbaren Aus­ gangsgase stark einschränkt (Langguth, K.; Kluge, A.; Ryssel, H.; Nucl. Instr. & Meth. B, Vol. B 59-60, [1991], 718-211 Fujihana, T.; Sekiguchi, A., Okabe, Y. et. al., Surface & Coatings Techn. Vol. 51, [1992], 19-23).

Zum zweiten werden massenseparierte Ionenstrahlsysteme für Ionen­ ströme im µA-Bereich im Ultrahochvakuum verwendet, z. B. für Dotierungszwecke (Deguchi, M.; Yoshida, A.; et. al.; Jap. J. of Appl. Phys. Vol. 29, [1990], 1493-1496/Maruno, S.; Morishita, Y.; Isu, T.; J. of Electronic Materials Vol. 17, [1988], 21-24) und Ionenfeinstrahl­ anwendungen (Melngailis, J.; Nucl. Instr. & Meth. B80/81 [1993], 1271- 1280). Sie bestehen aus einer Ionenquelle eines beliebigen Typs und einem ausgeprägten, differentiell gepumpten System, in dem der Ionen­ strahl (Durchmesser max. 10 mm) i.a. durch ein Wien-Filter als Massen­ separator geführt wird. Durch mehrstufige differentiell gepumpte Systeme kann der Einsatz im Ultrahochvakuum bis 10^-10 mbar möglich gemacht werden (Tokuyama, T.; et. al.; Nucl. Instr. & Meth. 182/183 [1981], 241- 250). Zur Bearbeitung größerer Substratflächen können eine Strahlaufwei­ tung und ein Ablenksystem verwendet werden.

Die vorstehend genannten Ionenstrahlsysteme mit Massenseparation zeichnen sich dadurch aus, daß eine hohe Massenauflösung bei kleinen oder mittleren Ionenströmen und Bearbeitungsflächen erbracht wird.

Weiterhin ist es bekannt, hohe Ionenströme auf großen Substratflächen ohne jede Massenseparation aus Ionenquellen, wie bspw. Kaufmann-, Hochfrequenz- oder ECR-Ionenquellen (Brown, I. G.; "The Physics and Technology of Ion Sources", John Wiley & Sons, [1988]), mittels Gitter­ extraktion zu erzeugen. Dabei wird ein Ionenstrahl über ein Extraktions­ system aus i.d.R. zwei Lochgittern auf Ionenenergie bis max. 30 keV extrahiert (Korzec, D.; Engemann, J.; J. Vac. Sci. Technol. B 7(6) [1989] 1448-1453). Durch die Teilung des Ionenstrahls in eine Vielzahl von Teilstrahlen von 1 bis 5 mm Durchmesser sind die in den Teilstrahlen enthaltenen Raumladungen klein, und die Raumladungsbegrenzung setzt erst bei hohen Stromdichten ein. Es werden Gesamtstrahldurchmesser bis ca. 400 mm und Ionenströme über 100 mA hiermit erreicht. Jedoch werden die Einsatzmöglichkeiten derartiger Ionenquellen vor allem beim Einsatz organischer Ausgangsgase (Precursor) aufgrund der fehlenden Massenseparation und des hohen Neutralgasanfalls in der Vakuum­ prozeßkammer (ca. 10^-4 mbar) stark eingeengt (Cuomo, J. J., Rossnagel, S. M., Kaufmann H. R., "Handbook of Ion Beam Processing Tech nology", Noyes Publications, [1989]).

Auch sind Hochfrequenz-Laufzeit-Massenspektrometer bekannt (Benett, W.H.; J. of Appl. Physics, Vol. 21, [1950], 143-149/Cannon, W.W.; Testerman, M. K.; Journal of Appl. Phys. Vol. 27, [1956], 1283-1286), die als kleine und billige Massenspektrometer z. B. zur Gasanalyse ver­ wendet werden (Iwamoto, J. et. al.; Rev. of the Radio Res. Lab. Vol. 28, [1982]/Ezhov, V.F.; Knyaz′kov, V.A.; et. al. Instr. & Exp. Techniques Vol. 36, [1993], 429-433). Sie filtern Ionenströme im pA- und nA-Be­ reich. In einer Anordnung bestehend aus 11 bis 15 i.d.R. äquidistanten Maschengittern. Ältere Hochfrequenz-Laufzeit-Massenspektrometer (Benett-Typ) ersetzen einen Teil der Gitter durch einen definierten Ab­ stand. Nur die Ionen, die im Maschengittersystem genügend Energie auf­ genommen haben, können ein letztes, auf Gegenpotential befindliches Gitter durchdringen. Es wird damit ein Ionenstrahl bei Strömen gefiltert, die klein gegen die Raumladungsbegrenzung sind.

Bekannt ist ferner die Beschleunigung von Ionen in Linearbeschleunigern, die Ionen bis auf Energien über 50 MeV beschleunigen (E.Creutz in: S. Flügge; "Encyclopedia of Physics, Vol. XLIV, Nuclear Instrumentation I", Springer Verlag New York [1959], 340-389). In ihnen wird ein Lauf­ zeitsystem verwendet, dessen Elemente so gestaltet sind, daß immer ein minimaler Wandkontakt der Ionen gesichert ist (Odera, M.; in Schriber S.O., 1976 Proton Linear Accelerator Coufer., Chalk River, Ont. Canada, Atomic Energy of Canada [1976], 62-66). Andernfalls würden störende Verunreinigungen infolge von Sputtereffekten im Ionenstrahl auftreten. Eine Massenfilterung findet zwar prinzipiell im Linearbeschleuniger statt, wird aber aufgrund der eben geschilderten Nebeneffekte unterbunden, indem ein bereits massenreiner Strahl in das Beschleunigersystem einge­ führt wird. Bei den leistungsfähigen Geräten dieser Art werden die Beschleunigungsspannungen über stehende Wellen in einem Hohlraum­ resonator erzeugt oder mittels Wanderwellen vor allem Elektronen beschleunigt. Bei einem derartigen Linearbeschleuniger sind ein Kanal oder einige Kanäle für die Ionen vorgesehen, deren Elemente entspre­ chend der Geschwindigkeitszunahme gestaffelt sind. Er dient grundsätz­ lich der Beschleunigung von Ionen auf hohe Energien. Daß diese Beschleunigung massenselektiv ist, beeinflußt zwar die Reinheit des Ionenstrahls günstig, wird aber nicht zur Massenfilterung ausgenutzt.

Auch sind Ionenlinearbeschleuniger bekannt, bei denen der Strahl in ver­ hältnismäßig wenige (bis 16) Teilstrahlen zerlegt wird (Urbanus, W.H.; et.al.; Nucl. Instr. & Meth. Vol. B37 [1989], 508-511) und in die Lauf­ zeitelemente statische Quadrupolsysteme zur Strahlführung integriert sind (Weis, T.; Klein, H.; Schempp, A.; Nucl. Instr. & Meth. B24-25 [1987], 787-790). Dynamisch betriebene, führende Quadrupolsysteme sind aller­ dings unbekannt.

Zur Massenseparation von Ionen sind die bekannten Linearbeschleuniger weniger geeignet, weil sie einen oder nur wenige Ionenkanäle aufweisen, groß und aufwendig sind und hohe Ionenenergien erzeugen.

Die weiterhin bekannten Quadrupolmassenspektrometer werden zwar in Niederenergiebereichen betrieben, und zwar regelmäßig nur für einen Strahl mit niedriger Stromdichte. Für Bearbeitungs- oder Implantations­ vorgänge sind diese Massenspektrometer jedoch nicht verwendbar.

Schließlich ist es bekannt, mit massenseparierten Ionenstrahlen bei relativ niedrigen Temperaturen epitaktische Schichten herzustellen. Dazu bedient man sich angepaßter Sektorfeld-Massenspektrometer bei Strömen im µA- Bereich. Der Strahldurchmesser und damit der Probendurchmesser liegt allerdings unter 10 mm. MBE- und andere Schichtabscheideverfahren im mittleren bis hohen Ultrahochvakuum werden mit Ionenstrahlverfähren kombiniert, um Dotierungen in eine Schicht einzubringen oder ionen­ strahlgestützte Schichtabscheidung durchzuführen. Allerdings fehlen, um effektiv arbeiten zu können, großflächige Ionenstrahlsysteme (Shimuzu, S.; Tsukakashi, O.; et.al; J. Vac. Sci & Technol. B 3 [1985], 554-559/ Chason, E.; Bedrossian, P.; et.al.; Appl. Phys. Lett. Vol. 57, [1990], 1793- 1795).

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung zur Ionenfilterung und Massentrennung zu schaffen, die für Stromdichten nahe der Raum­ ladungsbegrenzung bei Ionenenergien kleiner als 5 keV geeignet ist und eine großflächige Ionenstrahleinwirkung auf Empfänger bzw. Substrate im Hoch- bzw. Ultrahochvakuum ermöglicht. Es soll insbesondere ein hoher Ionendurchsatz erreicht und nicht massengerechte Ionen komplett abge­ führt und/oder neutralisiert werden.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Aufgrund der Unterteilung in Ionenteilstrahlen können in den Kanälen höhere Ionenströme bei ver­ gleichsweise niedrigen Ionenenergien transportiert werden. Der Gesamtstrahldurchmesser (Gesamtstrahlquerschnitt), die Summe der Durchmesser bzw. Querabmessungen der einzelnen Kanäle, hat eine physikalisch bedingte Obergrenze bei etwa 400 mm.

Die Filterung von Ionen unterschiedlicher Masse (m/e-Verhältnis) erfolgt im wesentlichen dadurch, daß die Ionen zuerst sämtlich auf die gleiche Energie W₀ beschleunigt werden. Die Ionengeschwindigkeiten

wobei m die Ionenmasse ist, sind damit massenabhängig. In den Kanälen wird zwischen den einzelnen Elementen den Ionen definiert Energie durch ein HF-Feld zugeführt, die nur von den Ionen maximal auf­ genommen werden kann, die aufgrund ihrer Geschwindigkeiten in einer Halbwelle gerade ein Element durchfliegen. Weiterhin werden durch Gleichspannungspotentiale alle Ionen zusätzlich im wesentlichen abge­ bremst, so daß Ionen, die asynchron zur Änderung des HF-Feldes fliegen, sehr schnell zum Stillstand an den Kanalwänden kommen und ausgefiltert sind. In Abhängigkeit von den so entstehenden Raumladungen ist es sinn­ voll, die Querabmessungen der Kanäle mit zunehmender Länge größer oder kleiner zu gestalten. Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung ist es aber von Vorteil, wenn die Kanäle untereinander und über ihre gesamte Länge gleiche Durchmesser, vorzugsweise 0,5 bis 5 mm, haben. Die Längen der Kanalabschnitte, die jeweils aus einem kanalformenden Element und einem Abstand zwischen zwei kanal­ formenden Elementen bestehen, sind im wesentlichen gleich dem Kanal­ durchmesser; vorzugsweise sind sie größer als der Kanaldurchmesser. Die Abstände können zu den Elementen proportional sein.

Eine erste günstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich, wenn die kanalformenden Elemente durchgehende Aus­ nehmungen, bspw. Bohrungen in einer Platte sind, und im Ionenfilter mehrere, vorzugsweise sieben bis fünfzehn Platten unterschiedlicher Dicke nacheinander angeordnet sind. Je nach dem Herstellungsverfahren und Verwendungszweck können die Ausnehmungen eine zylindrischen, konischen oder quadratischen Querschnitt aufweisen. Die Ausnehmungen können in der Nähe der Plattenoberflächen mit ebenflächigen oder gekrümmtflächigen Fasen versehen sein. Sie können auch die Form von zwei mit ihren kleineren Deckflächen aneinanderstoßenden Kegel­ stumpfen haben. Durch die schrägen Flächen der Ausnehmungen kommt es zu einer günstigen Feldgestaltung in den Kanälen und zu einer Mini­ mierung des Absputterns an den Ausnehmungsrändern. Diese Ausfüh­ rungsform wird im folgenden als Lochfilter bezeichnet.

Während beim Lochfilter jedes Element nur mit einem Potential auf die Ionen wirken kann, ergibt sich eine zweite günstige Ausführungsform (Spaltfilter), wenn in jedem Element ein zweites elektrisches Feld quer zur Ionenflugrichtung in bestimmter Weise wirkt.

Vorteilhaft bestehen die Kanäle im wesentlichen aus konzentrisch zur geometrischen Achse der Anordnung ausgebildeten Ringspalten, bei denen in radialer Richtung zwischen elektrisch leitfähigen Blechen (Schalen) Spalte zum Ionendurchtritt mit Spalten ohne Ionendurchtritt, die mit einem nichtleitenden Material ausgefüllt sein können, miteinander abwechseln. Zur Einhaltung der Dicke der Spaltkanäle sind in radialer Richtung Abstandshalter vorgesehen, die die Bleche reproduzierbar haltern. Vorteilhaft sind die Kanalabschnitte in den Elementen in axialer Richtung gekrümmt ausgebildet, so daß die Filterwirkung begünstigt wird. Die Krümmung der aufeinanderfolgenden Abschnitte eines Kanals hängt von der Wechselwirkung zwischen den beschleunigenden und abbrem­ senden elektrischen Feldern in Ionenflugrichtung ab und hat eine alter­ nierende Krümmungsrichtung. Zur Anpassung des Ionenstroms von der geraden in die um eine Achse gewendelte Bewegung der Ionen sind der Eintritts- und der Austrittsquerschnitt jedes Kanals senkrecht zur Flugrichtung der auszufilternden Ionen und zur geometrischen Achse der Anordnung gerichtet. Es ist also am Beginn und am Ende des Kanals je ein Anpaßstück vorgesehen, das nur die Hälfte seiner vorbestimmten Länge hat.

Der Spaltfilter kann auch aus linearen plattenkondensatorähnlichen Elementen aufgebaut sein, so daß Kanäle mit rechteckigem Querschnitt entstehen. Im Gegensatz zum obigen Ringspaltfilter ergibt sich eine hin­ sichtlich der Filterung günstige Ausführungsform, wenn die Krümmung aller Kanalabschnitte gleiche Richtung haben.

Schließlich ergibt sich eine dritte günstige, als Quadrupolfilter bezeich­ nete Lösungsvariante, wenn an Stelle von einem Querfeld zwei senkrecht zueinander stehende Querfelder verwendet werden. Hierzu besteht jedes kanalbildende Element aus vier Bauteilen, die ein Quadrupolfeld quer zur Ionenstrahlachse bilden. Die Bauteile können aus Stäben oder Platten bestehen, die gerade oder vorzugsweise hyperbelförmig in Querrichtung gekrümmt sind. Bei plattenförmiger Ausbildung können diese Bauteile kammförmig ineinander greifen und in Richtung senkrecht zum Ionen­ strahl ein alternierendes Quadrupolfeld erzeugen.

Unabhängig davon, ob es sich um ein erfindungsgemäßes Lochplatten-, Ringspalt- oder Quadrupolfilter handelt, muß die Lage der Öffnungen im Extraktionssystem der Lage der Öffnungen im Filter entsprechen. Eine Anpassung der Form der Löcher im Extraktionssystem an die Kanalform ist empfehlenswert.

Bei allen Ausführungsformen wird zwischen die Elemente in axialer Richtung ein HF-Feld angelegt, das die Ionenbeschleunigung bewirkt. Alle ungeraden Elemente liegen hochfrequenzmäßig auf Masse, die dazwischen befindlichen Elemente an einer HF-Beschleunigungs­ spannung. Diese Spannung wird über ein elektrisches Netzwerk so zuge­ führt, daß alle Elemente weiterhin mit einem definierten Gleich­ spannungspotential versehen sind.

Möglich ist auch eine HF-Beschaltung, bei der die axiale HF-Beschleuni­ gungsspannung symmetrisch zugeführt wird, d. h. sowohl die ungerad­ zahligen als auch die geradzahlige Elemente werden mit einem symmetri­ schen Ausgang des die HF-Spannung bereitstellenden Netzwerkes (HF- Übertrager) verbunden und die erforderlichen Gleichspannungspotentiale zugeführt.

Spalt- und Quadrupolfelder erfordern neben dieser Beschaltung, die im wesentlichen den axialen Potentialverlauf im Filter festlegt, noch eine zweite phasenverschobene HF-Spannung gleicher Frequenz aber ver­ schiedener Amplitude. Eine günstige Ausfürungsform ergibt sich, wenn die Phasenverschiebung ± 90° beträgt. Diese HF-Spannung muß zum jeweiligen axialen Gleich- und HF-Potential des Elementes symmetrisch addiert werden.

Anstelle der Gleichspannungen einschließlich der Spannungen am Extraktionssystem können auch Rechteckspannungen mit einem einstell­ baren Tastverhältnis verwendet werden, deren Frequenzen klein gegen die verwendete Hochfrequenz (20 bis 100 kHz) ist. Dadurch wird verhindert, daß beim Filtern von schichtbildenden Ionen (z. B. polymerisierende organische Fragmente) isolierende Schichten im Filter den Potential­ verlauf stören.

Beide HF-Spannungen sollen sinusförmigen Verlauf haben. Zur Steige­ rung des Massentrennvermögens ist es vorteilhaft, HF-Rechteckspan­ nungen mit einstellbarem Tastverhältnis zu verwenden.

Vorteilhaft ist es, die Elemente in axialer Richtung mit einem Gleich­ spannungspotentialverlauf zu belegen, um die Filterwirkung zu erhöhen. Eine vorteilhafte erfindungsgemäße Lösung ergibt sich, wenn hierdurch eine die Ionen bremsende Potentialbarriere von der maximalen Größe

über die Elemente verteilt entsteht. Neben der bremsenden Wirkung hat dieser Gleichspannungspotentialverlauf die Aufgabe, den Teilionenstrahl im Kanal zu führen, um eine hohe Ionentransmission zu erreichen. Aus ionenoptischen Gründen sind auch andere Potential­ barrieren vorteilhaft, z. B. ein moduliert ansteigender Potentialverlauf.

Nach dem Durchlaufen der Elemente des Laufzeitsystems haben die Ionen i.d.R. eine Ionenenergie, die für bestimmte Anwendungen zu niedrig ist. Es ist günstig, den Ionenstrahl noch durch ein nachfolgendes Nachbeschleunigungselement auf eine dem Anwendungszweck angepaßte Ionenenergie zu bringen.

Vorteilhaft sind die Kanäle mit mindestens zwei Ummantelungen ver­ sehen, die ein differentiell gepumptes System zur angepaßten Vakuum­ erzeugung ermöglichen. In den aufeinanderfolgenden Kanalabschnitten werden also Vakua mit geringer werdenden Drücken erzeugt, um insbe­ sondere den Neutralgasdruck im Rezipienten zu senken.

Die erfindungsgemäße Lösung kann neben ihrer Anwendung als groß­ flächiger Breitbandmassenseperator für Schichtprozesse auch als Massen­ spektrometer verwendet werden. Vorteilhaft ist es, hierzu das Nach­ beschleunigungselement durch ein den Ionenstrahl registrierendes Gerät (bspw. Faradayaufhänger) zu ersetzen und den Ionenstrom in Abhängig­ keit von der angelegten Frequenz als Massenspektrum des in die Ionen­ quelle eingelassenen Gases zu messen. Dabei ist es empfehlenswert, diesen Austausch an einem großflächigem Filter mit einer ausreichenden Anzahl von Kanälen, z. B. nur an ein bis drei Kanälen durchzuführen, um eine insitu-Kontrolle des zu filternden Massenspektrums zu ermöglichen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung in Verbindung mit einer Vakuumerzeugung,

Fig. 2 ein Blockschema zur Steuerung der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 3 das Laufzeitsystem der Anordnung gemäß Fig. 1 mit einem Netzwerk zur Einstellung beliebiger Gleichspan­ nungspotentialverläufe,

Fig. 4 einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung mit Lochfiltern,

Fig. 5 einen Kanal gemäß Fig. 4 in vergrößerter Darstellung im Längsschnitt mit gleichverteiltem Gegenpotential und Nachbeschleunigung,

Fig. 6a bis d günstige Gestaltungsformen für die Löcher eines Lochfilters,

Fig. 7 den zentralen Teil eines Querschnitts durch ein zweites, als Ringspaltfilter ausgebildetes Ausführungsbeispiel,

Fig. 8 einen Teil eines Längsschnitts durch das zweite Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 7 ohne Gegenpotential,

Fig. 9 einen Längsschnitt eines dritten, auf Quadrupolwir­ kungen beruhenden Ausführungsbeispiels mit Gegen­ potentialbarriere an einem Element und Nachbeschleuni­ gung,

Fig. 10 einen Querschnitt durch Fig. 9 entlang der Linie C-C,

Fig. 11 eine gekrümmte Ausführungsform der ein Quadrupol­ element formenden Platten und

Fig. 12 eine Ineinanderschachtelung von Quadropolelemente formenden Platten.

In Fig. 1 ist eine Anordnung 1 zur Filterung von Ionen dargestellt, die im umfassenden Fall nacheinander eine Ionenquelle 2 mit einem Gaseinlaß 3, ein Extraktionssystem 4, ein Laufzeitsystem 5 und einen Nachbeschleu­ niger 6 aufweist. Die Ionenquelle 2 kann in bekannter Weise ausgebildet sein (Kaufmann-, HF- oder ECR-Ionenquelle) und wird mit einem ge­ eigneten Gas 12 gespeist, aus dem Ionen in der Ionenquelle 2 erzeugt werden. Das Extraktionssystem 4 ist hinsichtlich seiner Gestaltung vom Laufzeitsystem 5 abhängig. Es besteht aus einem Screen- und einem Acceleratorgitter, die die Ionen aus dem Plasma der Ionenquelle extrahie­ ren, auf eine vorgegebenen Energie W₀ beschleunigen und die Elektronen aus dem Plasma zurückhalten. Das Extraktionssystem 4 bestimmt in hohem Maße den Durchsatz des Ionensystems. Das Laufzeitsystem 5 be­ steht aus einzelnen, noch zu beschreibenden Abschnitten 51, 52, 53, 54, 55, 56 die über die gesamte Länge des Laufzeitsystems reichende, zu einer Achse X-X im wesentlichen parallele Kanäle formen und deren Anzahl von der für den Anwendungsfall erforderlichen Beschleunigung und/oder Massenauflösung anhängt. Hinreichende Ergebnisse werden mit fünf bis neun, maximale Ergebnisse mit fünfzehn Abschnitten erreicht, wobei jeder Abschnitt aus einem kanalformenden Element und einem Abstand besteht. Der Nachbeschleuniger 6 bringt die Ionen auf eine dem Anwendungsfall angemessene Ionenenergie, bevor sie als Ionenstrahl 9 die erfindungsgemäße Anordnung verlassen.

Das Laufzeitsystem 5 einschließlich des Extraktionssystems 4 und des Nachbeschleunigers 6 ist von Vakuumkammern 7, 8, umgeben, von denen die der Ionenquelle 2 am nächsten liegende Kammer 7 das geringere Vakuum (10^-4 bis 10^-5 mbar) und die dem austretenden Ionenstrahl 9 am nächsten liegende Kammer 8 das höhere Vakuum (10^-5 bis 10^-7 mbar) aufweist. Jede Kammer wird durch ein Pumpensystem in Richtung der Pfeile 10, 11 evakuiert.

In Fig. 2 ist die Anordnung 1 zur Filterung von Ionen mit einem HF- Netzwerk 13 und einem Steuerteil 14 für die Ionenquelle 2 versehen. Außerdem sind eine Quelle 15 die Spannungsversorgung des in Fig. 1 erwähnten Screen- und Acceleratorgitters, die im Extraktionssystem 4 zusammengefaßt sind, eine Quelle 16 für eine HF-Spannung U_a zur Beschleunigung der Ionen im Laufzeitsystem 5, eine Quelle 17 für die Lieferung einer HF-Querspannung U_q, die im Zusammenhang mit Ring­ spalt- oder Quadrupolanordnungen zur Anwendung kommt, eine oder mehrere Gleichspannungsquellen 18 zur Erzeugung des Potentialverlaufs und der Potentialbarriere im Laufzeitsystem und eine Quelle 19 für eine Spannung U_N, die der Nachbeschleunigung der Ionen dient, bevor diese die Filteranordnung verlassen, vorgesehen. Zwischen den Quellen 16 und 17 einerseits und dem HF-Netzwerk 13 andererseits sind zur abgeschirm­ ten Übertragung der HF-Spannungen Koaxialkabel 20, 21 für 50 bis 75 Ω vorgesehen. Im übrigen sind zur Verbindung der Quellen 14, 15, 18, 19 mit dem Ionenfilter 1 und dem HF-Netzgerät 13 einfache Kabel 22 erfor­ derlich. Nicht alle genannten Spannungsquellen müssen vorhanden sein. Bestimmend hierfür sind Verwendungszweck und Aufbau der Filter­ anordnung 1.

Die Quelle 17 wird, wie bereits oben angedeutet, nur für Ringspalt- und Quadrupolanordnungen benötigt. Die Quelle 18 kann in den Fällen, in denen nur eine geringe Massenauflösung benötigt wird, weggelassen werden. Dies trifft im wesentlichen auf die Ringspalt- und Quadrupolfilter zu, die aufgrund ihrer modulierten Querfelder bereits eine ausreichende Massenfilterung erzeugen können. Die Nachbeschleunigungsquelle 19 kann bei Anwendung mit niedriger Ionenenergie ebenfalls entfallen.

In Fig. 3 sind einzelne Abschnitte 51 bis 58 des Laufzeitsystems 5 ent­ lang der Achse X-X dargestellt, von denen jeder eine Länge k_j, ein kanal­ formendes Element E_j der Länge l_j und einen Abstand s_j aufweist. Der erste Abschnitt 51 hat die Länge k_l, den Abstand s₁ und ein Element E₁ der Länge l₁. Analoges gilt für die folgenden (n-1) Abschnitte.

Ein aus dem Extraktionssystem 4 kommendes Ion 23 tritt mit einer Ener­ gie W₀ in das Laufzeitsystem 5 ein. In den Abständen s_i zwischen den Elementen E₁ wirkt auf das Ion 23 die axiale HF-Beschleunigungs­ spannung U_a sowie die zwischen den Elementen E₁ angelegte Gleich­ spannung ΔU_gj, die bei positivem Vorzeichen beschleunigend, bei negati­ vem Vorzeichen dagegen abbremsend wirkt. Nach Durchlaufen des j-ten Elements wird die Ionenenergie maximal

und nach Verlassen des Filters maximal

Die Ionen, die synchron mit der von seiner Frequenz abhängigen Ände­ rung des HF-Feldes fliegen, können maximal obige Energien erreichen, alle asynchron fliegenden Ionen haben geringere Energien, bzw. kommen zum Stillstand. Das Gegenfeld aus den Spannungen ΔU_gj wird als brem­ sendes Feld verwendet. Wenn die gesamte HF-Beschleunigung (n · e · U_a) größer als das gesamte Bremspotential

ist, nimmt die Ener­ gie der synchron fliegenden Ionen im Filter 5 zu, andernfalls nimmt sie ab. Vorteilhaft ist es, ein in der Summe bremsendes Feld zu verwenden und die HF-Beschleunigung und das Gegenfeld so einzustellen, daß die Ener­ gie nach dem Verlassen des Laufzeitsystems (W_n) noch größer als Null und kleiner als etwa W₀/3 ist.

Je nachdem ob die Energie der Ionen im Filter zu- oder abnehmen soll, müssen die Kanalabschnitte länger oder kurzer werden. Ein entscheiden­ des Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung ist daher die Dimensionie­ rung der Kanalabmessungen in Abhängigkeit von den angelegten Spannungen. Bezeichnet man mit U_sj = U_a + ΔU_gj die in der Summe im Abstand s_j wirkende Beschleunigungsspannung, so kann die Länge eines Elements E_j durch

berechnet werden. Dabei sind m die Ionenmasse, f die Frequenz der HF- Spannung und e die Elementarladung. Die Abmessung des zugehörigen Spaltes ergibt sich zu s_j = k_s · l_j, wobei k_s (= 0 bis ca. 1) einen vorzu­ gebenden Faktor darstellt. Die Länge des gesamten Kanalabschnittes beträgt dann k_j = s_j + l_j.

Eine vorteilhafte und schaltungsmäßig einfach zu realisierende erfin­ dungsgemäße Lösung ergibt sich, wenn das Gegenpotential als abbrem­ sendes Feld auf alle Elemente gleichmäßig verteilt wird, d. h. wenn ΔU_gj ≡ ΔU_g ist. Mit Einführung der Kenngrößen Freiflugkanallänge k₀ und Staffelungsparameter K gilt

wobei U_s = U_a + ΔU_g. Die Elementlänge beträgt

Die Spaltlänge beträgt wieder

s_j = k_s · l_j (6)

und die Frequenz ergibt sich in Abhängigkeit von der Masse zu

k₀ ist die Strecke, die ein mit W₀ fliegendes Ion in einer Halbwelle zurücklegt.

Mit dem Laufzeitsystem 5 ist ein elektrisches Netzwerk 24 zur Addition der nur an die geradzahligen Elemente E_j angelegten HF-Spannung U_a und der an alle Elemente E_j angelegten Gleichspannungen ΔU_gj verbunden. Die Kondensatoren C₁ dienen der potentialfreien Einkopplung der Hoch­ frequenz, die Widerstände R und die Kondensatoren C₂ halten die Hoch­ frequenz von den Gleichspannungsnetzteilen fern.

In Fig. 4 ist ein Querschnitt durch ein Laufzeitsystem dargestellt, das aus hintereinander angeordneten Lochfiltern 25 besteht, bei dem ein Ionen­ strahldurchmesser 26 wirksam ist und die Elemente E_j der Abschnitte 51 bis 58 (Fig. 3) durch rasterartig angeordnete Bohrungen 27 realisiert sind. Die entsprechenden Bohrungen der hintereinander angeordneten Loch­ filter 25 formen jeweils einen Kanal (Fig. 5), in dem ein Ionenteilstrahl geführt wird.

In Fig. 5 ist ein Kanal 30 mit einer Achse X-X und einem Durchmesser d dargestellt, der von einem aus einem Screengitter 41 und einem Acceleratorgitter 42 bestehenden Extraktionssystem 4, einem Laufzeit­ filter 5 mit einzelnen Abschnitten 51 bis 56 und einem Nachbeschleuniger 6 gebildet wird. Dabei wirkt das Acceleratorgitter 42 sowohl als Teil des Extraktionssystems 4 als auch als Element des Laufzeitsystems 5. Diese Lösung ist vorteilhaft, weil dadurch die Gesamtzahl der Lochgitter in der Filteranordnung verringert und Ionenstrahlverluste minimiert werden. Ein Plasma in der Ionenquelle 1 sendet Ionen aus, die auf ein Substrat oder einen Empfänger 29 auftreffen. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein gleichmäßig verteiltes Gegenfeld verwendet. Damit ergibt sich ein negati­ ver Staffelungsparameter K, und die Länge der Elemente l_j nimmt in Strahlrichtung ab. Ebenso werden die Längsabmessungen der Ladungs­ wolken mit den synchron fliegenden Ionen 28 kleiner, während sie den Kanal 30 passieren; jedoch sind diese Ladungswolken 28 nicht länger als die von ihnen jeweils passierten Abschnittselemente E₁ bis E₆. Zwischen dem Plasma 2 und dem Screengitter 41 besteht eine Spannung U_s von 0 bis 100 V, durch die die Ionen aus dem Plasma 2 herausgezogen werden. Zwischen dem Screengitter 41 und dem Acceleratorgitter 42 besteht eine Spannung U_acc von 100 bis 1000 V, durch die die Ionen auf eine Energie W₀ gebracht und beschleunigt werden. Das Gegenfeld wird in diesem Ausführungsbeispiel nur an einer Spannungsquelle U_g und den im Wider­ standsnetzwerk 24 befindlichen Widerstandsteilerketten gebildet. Die Addition der Beschleunigungsspannung erfolgt über R-C-Glieder (R und C₁). Die Nachbeschleunigung der Ionen erfolgt über die Nachbeschleuni­ gungsspannung U_N, die am Nachbeschleuniger 6 anliegt.

Die Anordnung, insbesondere die Filterabmessungen und die Frequenz der Beschleunigungsspannungen sind so getroffen, daß wenn sich eine Ladungswolke 28 im feldfreien Raum des Laufzeitsystems 5, im Durch­ tritt eines Elementes E_j befindet, ein Phasenwechsel stattfindet, weshalb ein Betreiben des Laufzeitsystems mit Rechteckimpulsen von Vorteil ist. Das Laufzeitsystem 5 durchläuft also ein gepulster Strom; nur Ionen, die zu einer bestimmten Phasenlage aus dem Extraktionssystem kommen, werden weiter beschleunigt.

Im Laufzeitsystem 5 werden durch die einzelnen Kanäle 30 die Teil­ strahlen ionenoptisch geführt, so daß durch die entsprechende Dimensio­ nierung die Verluste an Ionen klein gehalten werden können. Im Laufzeit­ system 5 wirkt eine durch den Gleichpotentialverlauf erzeugte Fokussie­ rung, die der raumladungsbedingten Expansion der Ionenstrahlung ent­ gegen wirkt und eine Führung der Ionen über die erforderliche Länge gewährleistet. Da während des Phasenwechsels der HF-Spannung U_a sich die separierten Ionen in einem HF-Element befinden, die Längen der die Kanäle passierenden Ionenwolken etwa mit den Elementenlängen über­ einstimmen, ergibt sich eine gegenüber dem Stand der Technik bei HF- Laufzeitmassenspektrometern bedeutende Erhöhung der Transparenz. Im Gegensatz zur äquidistanten Anordnung bei bekannten HF-Massen­ spektrometern ergeben sich erfindungsgemäße Abmessungen im Laufzeit­ system 5, die ein Optimum bzgl. der Transparenz und Massenauflösung ermöglichen.

In den Fig. 6a bis 6d sind im Querschnitt unterschiedliche Ausbil­ dungen für die Wandungen der Bohrungen bzw. Löcher 27 im jeweiligen Lochfilter 25 vorgesehen. Sie können abgerundet oder eckig, zylindrisch (Fig. 6a), konisch (Fig. 6b), doppelkonisch (Fig. 6c) oder zylindrisch mit Fasen (Fig. 6d) ausgebildet sein. Eine im Querschnitt ballige Ausbildung ist ebenfalls möglich. Die zur Achse X-X nicht parallelflächige Form der Ausbildung der Wandung verhindert bzw. reduziert ein Absputtern von Wandungsmaterial.

Als Wandungsmaterial werden Substanzen mit niedrigen Sputter­ koeffizienten, z. B. Graphit, oder Materialien verwendet, die falls sie abgesputtert und im Strahl transportiert werden, keine störenden Effekte auf dem Substrat hervorrufen, bspw. Silizium für die Ionenimplantation von Silizium.

In Fig. 7 ist ein Teil eines Ringspaltfilters 33 im Querschnitt dargestellt. Dabei sind aus elektrisch leitfähigen Blechen bestehende zylindrische Schalen 34, 37 in etwa gleichen radialen Abständen voneinander vorge­ sehen, wobei sich zwischen den Schalen abwechselnd ein Ringkanal 35 für die Ionenstrahlen und ein Ringkanal 36 für die Aufnahme eines nicht leitfähigen Materials befindet. Die innere der Schalen 34 schließt einen Kern aus nicht leitfähigem Material ein. Der Halterung und elektrischen Verbindung der Schalen 34, 37, die sich jeweils auf der selben Seite des nicht leitfähigen Materials befinden, dienen elektrisch leitfähige Ver­ bindungselemente 38, 39, die die entsprechenden Schalen 34, 37 an die jeweiligen Spannungsquellen anschließen.

Die Fig. 8 zeigt einen Teillängsschnitt zu Fig. 7 entlang der dort einge­ zeichneten Linie B-B. Der grundsätzliche Aufbau und die grundsätzliche Wirkungsweise wurde bereits zu den Fig. 1 und 3 beschrieben. Es wird ein Laufzeitsystem 5 ohne Gegenpotential verwendet; d. h., die Ionenenergie, die nach Verlassen des Extraktionssystems 4 W₀ beträgt, wird in den nachfolgenden Elementen E₁ bis E₅ weiter erhöht. Demzu­ folge ergibt sich eine Staffelung nach Formel (5) mit einem positiven Staffelungsparameter K nach Formel (4).

Während bei der erfindungsgemäßen Lösung mit dem Lochfilter (Fig. 4, 5, 6) ein bestimmter Gegenfeldpotentialverlauf als wesentliches Merk­ mal erzeugt wird, kann mit dem Ringspaltfilter vorteilhaft auch ohne Gegenfeldpotential, wie in Fig. 8 dargestellt, gearbeitet werden. Dies ist möglich, weil aufgrund des nur für die Synchronionen mitlaufenden zusätzlichen Querfeldes bereits eine ausreichende Massenseparation erreicht wird.

Der Ionenquelle 2 ist das aus dem Screengitter 41 und dem Accelerator­ gitter 42 bestehende Extraktionssystem 4 nachgeordnet, das hinsichtlich seiner geometrischen Form dem nachfolgenden, aus Abschnitten 331 bis 335 bestehenden Ringspaltfilter 33 angepaßt ist. Diese Abschnitte weisen alternierend gekrümmte Elemente E₁ bis E₅ auf, die die Ringkanäle 35, 36 der Fig. 7 bilden, die von den Schalen 34, 37 begrenzt sind und deren axiale Krümmung mit zunehmender Entfernung vom Extraktionssystem 4 abnimmt. Der Krümmungsradius der Elemente E₁ bis E₅ ist abhängig von der Ionenenergie der synchron fliegenden Ionen und wird in ähnlicher Weise berechnet wie die bereits aufgezeigte axiale Staffelung der Ele­ mente durch Formel (3). Der innere Kanal 36 und die weiteren Ring­ kanäle 36 sind mit einem nicht leitfähigen Material gefüllt und ent­ sprechen den Teilen des Extraktionssystems 4, die für Ionen nicht durch­ lässig sind. Die Ringkanäle 35 sind den für Ionen durchlässigen Teilen des Extraktionssystems 4 zugeordnet und leiten die zu filternden Ionen­ teilstrahlen zu einem nicht dargestellten Empfänger oder Substrat. Die Ringkanäle 35 sind so geformt, daß ihre dem Acceleratorgitter 42 zuge­ wandten Eintrittsflächen 31 und ihre empfängerseitigen Austrittsflächen 32, die zugleich Querschnittsflächen sind, zueinander und zum Accelera­ torgitter 42 im wesentlichen parallel sowie zur geometrischen Achse X-X des Ringspaltfilters 33 senkrecht gerichtet sind. Demzufolge haben die Elemente E₁ und E₅ nur die Hälfte ihrer berechneten Längen l_j. Die einzelnen Abschnitte 331 bis 335 enthalten Abstände s_j zwischen den Elementen E₁ bis E₅, deren Größen proportional zur Elementenlänge s_j = k_s · l_j gestaltet sind.

Zwischen der Ionenquelle 2 und dem Screengitter 41 besteht die elektri­ sche Spannung U_s und zwischen dem Screengitter 41 und dem Accelera­ torgitter 42 die elektrische Spannung U_acc, durch die die Ionen mit einer Anfangsenergie W₀ in das Ringspaltfilter (Laufzeitfilter) 33 gelangen. Außerdem ist ein Netzwerk 43 vorgesehen, in dem die HF-Spannung U_q symmetrisch zur axialen HF-Spannung U_a addiert wird. Die die Elemente E₁, E₃, E₅ einerseits begrenzenden Schalen 34 sind über Verbindungs­ elemente 381 und Leitungen 383 mit einem Ausgang 431 und die die Elemente E₁, E₃, E₅ andererseits begrenzenden Schalen 37 sind über Verbindungselemente 382 und Leitungen 384 mit einem zweiten Ausgang 432 des Netzwerkes 43 verbunden. Die die Elemente E₂, E₄ einerseits begrenzenden Schalen 34 sind über Verbindungselemente 391 und Leitungen 393 mit einem dritten Ausgang 433 und die die Elemente E₂, E₄ andererseits begrenzenden Schalen 37 sind über Verbindungselemente 392 und Leitungen 394 mit einem vierten Ausgang 434 des Netzwerkes 43 verbunden. U_a und U_q werden vom Steuerteil nach Fig. 2 von bspw. zwei nicht dargestellten synchronisierten Generatoren mit einer Phasen­ verschiebung von ± 90° geliefert.

Eine Gleichspannung U₁ erzeugt eine negative Vorspannung des gesam­ ten Filters 33 bzgl. Masse von ca. -75 bis -150 V und ermöglicht den Betrieb mit einem nicht dargestellten Neutralisator, damit nichtleitende Substrate mit einem durch Elektronen neutralisierten Ionenstrahl bearbei­ tet werden können.

Eine dritte vorteilhafte erfindungsgemäße Lösung ergibt sich, wenn die kanalbildenden Elemente zwei in lateraler Richtung modulierte Querfelder aufweisen, die die Form eines Quadrupolfeldes bilden und so geschaltet sind, daß für die synchron fliegende Ionenwolke sich ein alternierendes Stauchen und Strecken in je einer der Querrichtungen ergibt, wodurch auch hohe Raumladungen noch über die gesamte Kanallänge geführt werden können. Asynchron fliegende Ionenwolken werden dagegen auf die Kanalwände geführt.

Im Gegensatz zum Ringspaltfilter 33 (Fig. 8), der ohne Gegenpotential betrieben werden kann, weil die Bann der Synchronionen in axialer Richtung gekrümmt ist, wird der Quadrupolfilter vorteilhaft mit Gegen­ potential betrieben. Fig. 9 zeigt einen Quadrupolfilter, bei dem die Gegenpotentialbarriere auf das Element E₄ konzentriert ist. Das Element E₄ enthält die Gegenpotentialbarriere. Im Netzwerk 43 werden dazu U_q und die Gegenspannung addiert und die Platten 441 bis 444 des Elemen­ tes E₄ mit den Ausgängen 435 und 436 verbunden. Das Element E₅ dient der Nachbeschleunigung und ist mit den Ausgängen 437 und 438 des Netzwerkes 43 verbunden, auf die die Summe aus HF-Querspannung U_q und Nachbeschleunigungsspannung U_N geführt wird.

Der in Fig. 9 dargestellte Filter hat ein Lautzeitsystem aus fünf Abschnit­ ten (Acceleratorgitter und E₁ bis E₄). Die Massenauflösung kann gestei­ gert werden, indem größere ungeradzahlige Anzahlen von Elementen im Laufzeitsystem verwendet werden.

In Fig. 10 ist ein Querschnitt entlang der Linie C-C in Fig. 9 dargestellt, der die den Kanal 44 formenden Quadrupolplatten 441 bis 444, ihre Polungen +,- und ihre Anschlußleitungen 385 bis 388 erkennen läßt. Die gepunkteten Linien 45 innerhalb des Kanals 44 sind Feldlinien.

In Fig. 11 ist ein Kanalquerschnitt dargestellt, dessen Quadrupolplatten 441 bis 444 eine gekrümmte, den Feldlinien 45 angepaßte Innenform aufweisen und dadurch den Filterungsvorgang unterstützen.

In Fig. 12 ist ein Querschnitt eines mit Quadrupolplatten versehenen geradzahligen Laufzeitsystemelements (E₂) dargestellt, die rasterartig ineinandergeschachtelt sind, und zwar sind die in der Zeichnung senkrecht gerichteten Platten 442, 444 mit einem ersten Anschluß 386 und die waagerecht gerichteten Platten 441, 443 mit einem zweiten Anschluß 385 verbunden. Bei einem ungeradzahligen Element (E₁, E₃) werden die Quadrupolplatten 442, 444 an die Anschlüsse 387 und die Quadrupol­ platten 441, 443 an die Anschlüsse 388 gelegt. Bei den geradzahligen Elementen E₂ werden die Quadrupolplatten 442, 444 an die Anschlüsse 386 und die Quadrupolplatte 441, 443 an die Anschlüsse 385 gelegt. Dadurch ist es möglich, die nebeneinanderliegenden Elemente E_j eines jeden Abschnittes des Laufzeitsystems 5 (Fig. 9) technologisch günstig herzustellen.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeich­ nung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebi­ ger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszeichenliste

1 - Anordnung zur Filterung von Ionen
2 - Ionenquelle
3 - Gaseinlaß
4 - Extraktionssystem
5 - Laufzeitsystem
6 - Nachbeschleuniger
7, 8 - Vakuumkammern
9 - Ionenstrahl
10, 11 - Pfeile
12 - Gas
13, 24, 43 - Netzwerke
14 - Steuerteil
15 - Quelle für die Spannungsversorgung
16 - Quelle für die HF-Spannung U_a
17 - Quelle für die HF-Querspannung U_q
18 - Gleichspannungsquelle(n)
19 - Quelle für die Spannung U_N
20, 21 - Koaxialkabel
22 - einfache Kabel
23 - Ion
25 - Lochfilter
26 - Ionenstrahldurchmesser
27 - Bohrungen
28 - Ionenwolke
29 - Empfänger
30, 44 - Kanäle
31 - Eintrittsfläche
32 - Austrittsfläche
33 - Ringspaltfilter
34, 37 - Schalen
35, 36 - Ringkanäle
38, 39 - Verbindungselemente
41 - Screengitter
42 - Acceleratorgitter
45 - gepunktete Linien
51 bis 58, 331 bis 335 - Abschnitte
381, 382, 391, 392 - Verbindungselemente
383, 384, 393, 394 - Leitungen
385 bis 388 - Anschlußleitungen
431 bis 438 - Ausgänge
441 bis 444 - Platten (Quadrupolplatten)
E_j - Elemente
k_j - Länge eines Kanalabschnittes
l_j - Länge eines Elementes
s_j - Abstände
X-X - Achse
C₁, C₂ - Kondensatoren
R - Widerstände
U_a - axiale HF-Beschleunigungsspannung
U_acc - Acceleratorspannung
U_gj, ΔU_gj - Gleichspannungen
U_N - Nachbeschleunigungsspannung
U_s - Screengitterspannung
U_l - Gleichspannung am gesamten Filter
U_g - Gegenfeldgleichspannung

Claims (38)

1. Anordnung zur Filterung von Ionen eines bestimmten Massenbereichs aus einem Ionenstrom, der von einer Ionenquelle ausgeht und durch ein Extraktionssystem geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Ionenstrom durch parallel zueinander geführte Kanäle geführt wird, die in einzelne Abschnitte unterteilt sind und innerhalb der Abschnitte aus kanalformenden Elementen sowie zwischen diesen Elementen befindlichen Abständen bestehen, die mindestens 5% der jeweiligen Kanalquerabmessungen betragen,
• - an die Elemente mindestens eine Hochfrequenzspannung und eine dieser Hochfrequenzspannung überlagerte Gleichspannung angelegt sind und
• - die Längen der Elemente und die Abstände auf die angelegten Spannungen abgestimmt sind.

2. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle untereinander und über ihre gesamte Länge gleiche Querabmessungen aufweisen.

3. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querabmessungen der Kanäle mit zunehmender Kanallänge größer oder kleiner werden.

4. Anordnung zur Filterung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Kanalabschnitte im wesentlichen gleich den, vorzugsweise größer als die Kanalquerabmessungen sind.

5. Anordnung zur Filterung gemäß der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle in jedem Abschnitt durch Ausneh­ mungen einer Platte gebildet sind.

6. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen zylindrisch ausgebildet sind.

7. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen kegelstumpfförmig ausgebildet sind.

8. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen doppelkegelstumpfförmig gestaltet sind, deren kleinere Kegelstumpfbegrenzungsflächen sich im Inneren der Ausneh­ mungen befinden.

9. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen quadratischen Querschnitt haben.

10. Anordnung zur Filterung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ränder der Ausnehmungen mit Fasen ver­ sehen sind.

11. Anordnung zur Filterung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element aus zwei Platten besteht, die ein elektrisches Feld quer zur Ionenflugrichtung bilden.

12. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Platten in radialer Richtung ringförmig gestaltet und ineinander geschachtelt sind.

13. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß ebene Ablenkplatten quer zum Ionenstrahl und parallel zueinander angeordnet sind.

14. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kanäle in den Abschnitten in axialer Richtung gekrümmt sind.

15. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kanäle in axialer Richtung eine alternierende Krümmungsrichtung aufweisen.

16. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle eine gleichsinnige Krümmung auf­ weisen.

17. Anordnung zur Filterung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritts- und Austrittsquerschnitt jedes Kanals senkrecht zur Flugrichtung der auszufilternden Ionen gerichtet ist.

18. Anordnung zur Filterung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element aus vier Bauteilen besteht, die ein Quadrupolfeld quer zur Ionenflugrichtung bilden.

19. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bauteile als Stäbe ausgebildet sind.

20. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bauteile als Platten ausgebildet sind.

21. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile gekrümmt ausgebildet sind.

22. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeich­ net, daß die Bauteile hyperbelförmig quer zur Ionenflugrichtung gekrümmt sind.

23. Anordnung zur Filterung gemäß einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile kammartig ineinander greifen und in Richtung senkrecht zum Ionenstrahl ein alternierendes Quadrupolfeld erzeugen.

24. Anordnung zur Filterung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, 11 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Elemente ein HF-Feld in im wesentlicher axialer Richtung gelegt ist.

25. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 24, dadurch gekennzeich­ net, daß in abwechselnder Reihenfolge über eine Potentialklemm­ schaltung je ein Element an Masse und ein Element an die HF- Spannung angeschlossen ist.

26. Anordnung zur Filterung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, 11 oder 18 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elemente zusätzlich zum axialen HF-Feld ein vorgegebenes Gleichspannungspotential gelegt ist.

27. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeich­ net, daß der Gleichspannungspotentialverlauf an den Elementen in vorgebbarer Weise ansteigend oder abfallend ist.

28. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeich­ net, daß der Gleichspannungspotentialverlauf von Element zu Element moduliert ist.

29. Anordnung zur Filterung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, 11 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß an die spaltbildenden oder quadrupolerzeugenden Elemente eine zweite HF-Spannung angelegt ist, die bezüglich der ersten HF-Spannung eine abweichende Ampli­ tude und Phasenlage bei gleicher Frequenz hat, wobei das elektrische Feld der zweiten HF-Spannung im wesentlichen in lateraler Richtung wirkt.

30. Anordnung zur Filterung gemäß einem der Ansprüche 24 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die lateral wirkende HF-Spannung symmetrisch zu den axial angelegten Gleichspannungen und HF- Spannungen addiert und an die Spalt- bzw. Quadrupolelemente gelegt ist.

31. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 24 und 26, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Gleichspannungen einschließlich der Spannungen am Extraktionssystem Rechteckspannungen min einstell­ barem Tastverhältnis verwendet werden, deren Frequenz klein gegen die verwendete Hochfrequenz ist.

32. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 24 und 26, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten HF-Spannungen sinusförmig oder rechteckförmig mit einstellbarem Tastverhältnis sind.

33. Anordnung zur Filterung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, 11 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß durch den insgesamt in einem Kanal in axialer Richtung bestehenden Gleichspannungspotentialverlauf ein ionenbremsendes Gegenfeld von maxal W₀/e + n · U_a erzeugt wird, wobei W₀ die Energie der Ionen nach dem Extraktionssystem, n die Anzahl der Elemente und U_a die Amplitude der HF-Beschleunigungs­ spannung bedeuten.

34. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 33, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gegenfeld gleichmäßig auf alle Elemente verteilt ist.

35. Anordnung zur Filterung gemäß Anspruch 33, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gegenfeld auf einen Teil der Elemente verteilt ist.

36. Anordnung zur Filterung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Nachbeschleunigung oder Nach­ fokussierung des Ionenstrahls vorgesehen sind.

37. Anordnung zur Filterung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle mit mindestens zwei Ummantelungen versehen sind, die einer unterschiedlichen Vakuum­ erzeugung entsprechend den Kanalabschnitten dienen.

38. Anordnung zur Filterung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der HF-Spannung über einen, einem bestimmten Massenbereich entsprechenden Bereich geregelt wird und daß der den Filter verlassende Ionenstrahl auf ein den Ionenstrom registrierendes Gerät geleitet und dort gemessen wird.