DE60217863T2 - Durchlassgitter zur Verwendung in Gerät zum Vermessen von Teilchenstrahlen und Verfahren zur Herstellung des Gitters - Google Patents

Durchlassgitter zur Verwendung in Gerät zum Vermessen von Teilchenstrahlen und Verfahren zur Herstellung des Gitters Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung eines Gitters zur Torsteuerung eines Stroms von geladenen Teilchen.
  • Gewisse Typen von Teilchenmessinstrumenten, wie z.B. Ionenbeweglichkeitsspektrometer, können ein Torsteuergerät zum Ein- und Ausschalten eines fließenden Stroms von Ionen oder anderen geladenen Teilchen benötigen. Dies wird erreicht, indem ein Drahtgitter im Pfad der Ionen angeordnet wird; ein alternierendes Aktivieren oder Deaktivieren des Gitters hält dann die Ionen fest bzw. ermöglicht ihnen zu fließen.
  • Gewisse Typen von Flugzeitspektrometern, wie z.B. diejenigen, die in der Arbeit von Vlasak, P.R. et al. mit dem Titel "An interleaved comb ion deflection gate for m/z selection in time-of-flight mass spectrometery" in Review of Scientific Instruments, Band 67, No. 1, Januar 1996, Seiten 68–72 beschrieben sind, verwenden auch ein Torsteuergerät.
  • Die üblichsten Verfahren, um dies zu erreichen, verwenden einen verzahnten Kamm von Drähten, der auch als ein Bradbury-Nielson-Tor bezeichnet wird. Ein solches Tor besteht aus zwei elektrisch isolierten Sätzen von gleichbeabstandeten Drähten, die in derselben Ebene liegen und im Potenzial alternieren. Wenn an die Drähte in Bezug zur Energie der geladenen Teilchen ein Null-Potenzial angelegt wird, wird die Flugbahn des geladenen Teilchenstrahls durch das Tor nicht abgelenkt. Um den Strahl abzulenken, werden Vorspannungspotenziale von gleicher Größe und entgegengesetzter Polarität an die zwei Sätze von Drähten angelegt. Diese Ablenkung erzeugt zwei separate Strahlen, deren Intensitätsmaximum jeweils einen Winkel Alpha in Bezug zum Pfad des nichtabgelenkten Strahls macht.
  • Ein Lösungsansatz zur Herstellung eines Torsteuergitters ist im US-Patent 4,150,319, erteilt an Nowak et al., offenbart. Bei dieser Technik wird ein ringförmiger Rahmen aus einer Keramik oder einem anderen geeigneten Hochtemperaturmaterial gefertigt. Die zwei Sätze von Drähten werden auf den Rahmen gewunden oder gefädelt. Jeder Satz von Drähten ist tatsächlich ein einzelner kontinuierlicher Drahtstrang, der zwischen zwei konzentrischen Serien von Durchgangslöchern, die fehlerfrei um die Peripherie des Rahmens gebohrt sind, hin und her gefädelt ist.
  • Eine andere Technik zur Herstellung eines solchen Tors ist im US-Patent 5,465,480, erteilt an Karl et al., beschrieben. Bei diesem Lösungsansatz werden die Torsteuergitterelemente aus einer dünnen Metallfolie durch Schneiden oder Ätzen der Folie erzeugt, um die Gitterstruktur zu erzeugen. Die Gitterelemente werden mit Seitenelektroden in einem gewünschten Muster verbunden, um die zwei Sätze von Drähten zu erzeugen. Die Foliengitterstruktur wird mechanisch stabil gemacht, indem sie an ein isolierendes Trägerelement angebracht wird. Nachdem die dann starre Gitterstruktur an dem isolierenden Trägerelement befestigt ist, werden die Gitterelemente von den Seitenelektroden selektiv getrennt, so dass das fingerartig ineinandergreifende Gitter gebildet wird.
  • Noch ein anderer Lösungsansatz zur Herstellung eines solchen Gitters wird in der Arbeit von Kimmel, J.R. et al. mit dem Titel "Novel Method for the Production of Finely Spaced Bradbury-Nielson Gates" in Review of Scientific Instruments, Band 72, No. 12, Dezember 2001, Seiten 4354–4357 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird zuerst eine Führung aus einem Polymerblock hergestellt. Die Führung weist eine Serie von in gleichem Abstand angeordneten parallelen Nuten auf. Ein Loch wird durch die Mitte des Polymerblocks gebohrt; dieses Loch fördert schließlich den Ionenstrahl. Der maschinell bearbeitete Polymerblock wird auf einer isolierten Seite eines H-förmigen Teils einer einseitigen kupferplattierten Leiterplatte montiert, wobei die Nuten vom Kopf zum Fuß des H laufen. Die Polymer-zu-Kupferplattierung-Kontakte werden dann unter Verwendung eines Epoxidharzes fixiert. Zwei kleine Teile der einseitigen kupferplattierten Leiterplatte werden auf der unteren Seite des Polymers in dem Gebiet fixiert, wo sich der Block über den mittleren Balken des H-förmigen Kupferrahmens erstreckt.
  • Eine handgekröpfte rotierende Schraube wird dann als ein Webinstrument verwendet. Insbesondere läuft ein vergoldeter Wolframdraht von einer Spule über eine Richtschraube und wird mit der handgekröpften Schraube durch ein Band gekoppelt. Das lose Ende des Drahts wird dann wie z.B. unter Verwendung eines Epoxidharzes fixiert. Ein Gewicht wird zwischen der Richtschraube und der Spule an dem Draht aufgehängt, um eine konstante Drahtspannung bereitzustellen.
  • Beginnend an einer Seite des Mittenlochs wird die Handkurbel gedreht, was den Rahmen dreht, wobei der Faden von der Spule gezogen wird. Während man durch ein Mikroskop blickt, führt ein Monteur einen ersten Drahtsatz durch alternierende Nuten in der Oberfläche des Polymers und um den Rahmen zu, wobei darauf geachtet wird, dass beide Kontakte bei jedem Durchlauf berührt werden. Nachdem der Draht quer über die ganze Breite der Öffnung gewunden ist, wird der Draht an beiden Kupferkontakten auf jeder Seite des Lochs unter Verwendung eines Epoxidharzes gebunden. Eine Rasierklinge wird dann verwendet, um das Segment des Drahts zwischen den zwei Kontakten auf der dem Polymer entgegengesetzten Seite des Rahmens zu entfernen.
  • Unter Verwendung derselben Prozedur wie für den ersten Drahtsatz wird dann ein zweiter Drahtsatz durch die Nuten, die zwischen den Drähten des ersten Satzes angeordnet sind, gewunden. Die Enden der Drähte werden dann geschnitten, wobei Draht nur auf der Polymerseite des Rahmens zurückgelassen wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es gibt Unzulänglichkeiten bei jedem der Lösungsansätze nach dem Stand der Technik, um solche Gitterelemente zu fertigen. Z.B. ist die in dem Nowak-Patent beschriebene Technik von der genauen Platzierung von zwei Sätzen von ausgerichteten Löchern auf jeder Seite eines Rings abhängig. Da sie einen einzelnen Drahtstrang verwendet, der durch die Löcher handgewebt wird, berücksichtigt sie nicht die Notwendigkeit, unter Drähten in dem montierten Gitter eine konstante mechanische Spannung zu gewährleisten. Sofern nicht die mechanische Spannung über alle Drähte des Gitters verhältnismäßig gleichförmig ist, werden unerwünschte Artefakte durch eine unregelmäßige Spannung eingeführt. Z.B. könnte bei erhöhten Betriebstemperaturen der größere Expansionskoeffizient des Metalls im Vergleich mit dem Keramikträger auch bewirken, dass die Drähte durchsacken, wobei sie möglicherweise kurzgeschlossen werden, wenn sie nicht richtig vorgespannt sind. Desgleichen führt die ungenaue Beschaffenheit eines Unter-Zugspannung-Setzens des Drahts von Hand oft zu Drähten, die nicht gleichförmig parallel sind. Deshalb klingt das zum Gitter normale Feld nicht so schnell ab wie theoretisch möglich.
  • Zusätzlich können für Hochgeschwindigkeitsanwendungen die Phasenverzögerungen, die von einer Ausbreitung des Vorspannungsstroms entlang den einzelnen kontinuierlichen Strängen vom Kontaktpunkt resultieren, bewirken, dass die Ionen eine Ablenkung zu unterschiedlichen Zeiten erfahren, abhängig davon, wo sie sich gerade im Strahlpfad befinden.
  • Weiter sind, weil der Rahmen bei Nowak kreisförmig ist, die einzelnen Drähte von unterschiedlichen Längen. Dies bedeutet, dass jeder Draht dann eine unterschiedliche charakteristische Impedanz gegen einen Strom, der durch ihn fließt, zeigt. Dies führt desgleichen unterschiedliche Wirkungen gegen unterschiedliche Ionen ein, abhängig davon, wo sie sich gerade im Strahlpfad befinden. Folglich werden Ionen, die sich in der Mitte des Strahls fortbewegen, einer anderen elektrischen Kraft ausgesetzt als Ionen, die sich im äußeren Teil des Strahls fortbewegen, wo die Gitterdrähte kürzer sind.
  • Schließlich beschränkt die erforderliche Dicke der Trägerstruktur bei Nowak, wie nahe zwei Gitter in Bezug zu einander platziert werden können.
  • Kimmel's Lösungsansatz, der Nowak's ähnelt, webt einen einzelnen Faden um einen Rahmen. Er erfordert auch, dass der Monteur den Draht sorgfältig durch eine von den alternierend beabstandeten Nuten zuführt. Die einzelnen Drähte in dem Satz werden dann an den Kupferkontakten unter Verwendung von Epoxidharz gebunden. Das Verfahren zur maschinellen Bearbeitung eines Polymerblocks bis auf kleine Toleranzen von 0,005 mm für jeden Gitterdraht kann verhältnismäßig kostspielige Maschinenwerkzeuge erfordern.
  • Weiter, wenn der einzelne Draht während eines Windens oder eines beliebigen Teils des Prozesses bricht, muss man noch einmal vom Anfang anfangen, um den Draht wieder zu spannen. Die Montageprozedur, an die gedacht wird, ist augenscheinlich so langwierig, dass Kimmel selbst veranschlagt, dass man ungefähr drei Stunden braucht, um ein einziges Tor herzustellen.
  • Die Anwesenheit von großen Mengen von isolierenden Polymeroberflächen in der Nähe des Strahlpfads kann wesentliche Aufladungswirkungen hervorrufen, die für den Betrieb des Tors insbesondere zur Torsteuerung von niederenergetischen Elektronen nachteilig sein könnten. Weiter mag ein Gerät, das aus einem Polymer mit Epoxidharzbindungen gebildet ist, die hohen erwarteten Betriebstemperaturen von einigen Anwendungen, wie z.B. Ionenbeweglichkeitsspektroskopie, nicht überleben.
  • Der in dem Karl-Patent beschriebene Prozess liefert ein Gitter mit Drähten mit einer gleichförmigen Spannung. Eine separate Trägerstruktur für das folienartige Gitterelement muss aus Rohren gefertigt werden, und die dünne Metallfolie muss dann an die Gitterstruktur angebracht werden. Diese Geometrie ist augenscheinlich zur Ionenbeweglichkeitsspektroskopie bequem, erlaubt aber nicht, dass Schlitze oder Durchgangsöffnungen auf beiden Seiten eng beabstandet werden. Während das schnelle Aufladen und Entladen des Tors durch die busartige Struktur erleichtert wird, ist es wahrscheinlich, dass die "Ohren", die sich jenseits des Tors erstrecken, starke Reflexionen erzeugen, die für einen Ultrahochgeschwindigkeitsbetrieb nachteilig sein würden, wie z.B. bei einer Elektronen-TOF-Spektroskopie. Schließlich ist die Rotationssymmetrie des Karl-Geräts für eine fehlerfreie Ausrichtung der Gitterdrähte in Bezug zu Durchgangsöffnungen, die vor oder hinter dem Tor platziert sind, nicht bequem.
  • Die vorliegende Erfindung trachtet danach, diese Unzulänglichkeiten mit einer Konstruktion für eine Torsteuerungselektrode und ein Verfahren zu ihrer Fertigung wie folgt zu überwinden.
  • Das Gitter wird unter Verwendung eines Substrats gefertigt, das aus einer Keramik, wie z.B. Aluminiumoxid, gebildet ist. Das Substrat dient als ein rechteckiger Rahmen für ein Gitter von gleichförmig beabstandeten Drähten, die quer über ein rechteckiges Mittenloch gestreckt sind. Auf jeder Seite des Rahmens in nächster Nähe zum Loch ist eine Linie von Kontaktflecken gebildet.
  • Benachbart zur Linie von Kontaktflecken ist auf ihrer substratauswärts gelegenen Seite ein Paar von Sammelschienen gebildet. Die Kontaktflecken und die Sammelschienen stellen eine Weise dar, die Drähte in die gewünschten zwei separaten Drahtsätze von alternierendem Potenzial zu verbinden. Genauer gesagt dienen die Kontaktflecken, die auf jeder Seite der Öffnung gebildet sind, als Kontaktpunkte für ein Ende jedes Drahts. Die Kontaktflecken sind substrateinwärts der Sammelschienen entlang jeder Seite der Öffnung alternierend und in gleichem Abstand angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform können die Kontaktflecken z.B. jede Seite der Mittenöffnung hinunter beabstandet sein. Die Kontaktflecken dienen als elektrisch offene Abschlusspunkte für die Enden der Gitterdrähte, die nicht mit den Sammelschienen verbunden sind.
  • Die Sammelschienen dienen dazu, Drähte miteinander zu verbinden, die zu einem gegebenen Drahtsatz gehören.
  • Es werden auch Schritte zur Fertigung des Gitters gemäß der Erfindung ausgeführt. Zuerst wird der Trägerrahmen aus einem isolierenden Substrat, wie z.B. Aluminiumoxid, hergestellt. Ein rechteckig geformtes Mittenloch wird in dem Aluminiumoxid oder der anderen Keramik gebildet. Der Trägerrahmen, der z.B. mit Laserstrahl geschnitten sein kann, kann ein Inch (1 Inch = 2,57 cm) mal ein Inch sein, wobei ein Loch von einem halben Inch mal einem halben Inch in seiner Mitte platziert ist.
  • Es wird dann durch Vakuumverdampfung von Gold auf die Oberfläche von beiden Seiten der Keramik ein Metallfilm abgelagert, wobei z.B. Chrom als eine Haftschicht verwendet wird. Der Metallfilm wird dann auf der Vorderseite gemustert, um die leitenden Elemente auf jeder Seite des Lochs zu bilden. Diese leitenden Elemente umfassen die Masseebene, linke und rechte Sammelschienen und Kontaktfleckenelemente. Das gewünschte Metallisierungsmuster kann durch einen Fotoresist- und chemischen Ätzprozess, einen Lift-Off-Prozess oder durch Verwendung einer physischen Maske während einer Verdampfung festgelegt werden. Das Metall auf der Rückseite bleibt wie abgelagert, um als eine Masseebene zu dienen.
  • In der nächsten Folge von Schritten werden die Gitterdrähte am gefertigten Rahmen angebracht. Bei diesem Prozess wird eine Spule von Draht bereitgestellt, die als die Gitterdrähte dienen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Draht ein Golddraht von 0,0050 cm (0,002 Inch) Durchmesser, und der Zwischenraum von benachbarten Drähten beträgt 0,050 cm (0,020 Inch), um eine Transmission von ungefähr 90% zu erzielen. Eine Spanneinrichtung ist vorgesehen, um eine konstante Spannung auf den Draht zu platzieren. Die Spule kann z.B. auf einem Dorn angeordnet sein, und ein hängendes Gewicht, das an das Ende eines Fadenstrangs angebracht ist, um den Dorn gewickelt sein. Das Gewicht wird eingestellt, um den Draht mit einem spezifischen gewählten Wert kleiner als die Streckgrenze des Drahts zu spannen.
  • Das freie Ende des Drahts wird dann an einer Drahtklemme befestigt, so dass es in Bezug zur Spitze eines Parallelspaltschweißers genau angeordnet werden kann. Der Rahmen wird dann bewegt, so dass der erste Kontaktfleck auf der linken Seite des Rahmens unter der Spitze angeordnet ist. An diesem Punkt wird der Draht an die Mitte des Kontaktflecks gebondet. Der Parallelspaltschweißer liefert eine verhältnismäßig unmittelbare Bondierung des Drahts am Kontaktfleck. Der Monteur kann dann das freie Ende des Drahts ziehen, um ihn von der Bondierung frei zu brechen, oder bis später warten, um die freien Enden von sämtlichen Drähten abzuschneiden.
  • Der Draht wird dann an die Sammelschiene auf der rechten Seite des Rahmens gebondet. Das freie Ende des Drahts wird dann gezogen, um es von diesen Bondkontaktflecken frei zu brechen, oder es wird geschnitten.
  • In einem nächsten Schritt wird der Rahmen bewegt, so dass die Sammelschiene auf der linken Seite unter der Spitze angeordnet ist, und der Draht wird zwischen dem ersten und zweiten Kontaktfleck zentriert. Der Draht wird dann an die linke Sammelschiene gebondet.
  • Das freie Ende des Drahts wird dann gezogen, um es von der Bondierung frei zu brechen, und der Draht wird dann an die Mitte des nächsten verfügbaren Kontaktflecks auf der rechten Seite des Rahmens gebondet. Das freie Ende des Drahts wird dann gezogen, um den Draht von der Bondierung frei zu brechen, oder der Draht wird an diesem Punkt geschnitten.
  • Der Prozess wird dann wiederholt, um ein Parallelgitter von gleichförmig beabstandeten und gespannten Drähten mit einem gleichförmigen Abstand voneinander zu erzeugen. Indem das freie Ende des Drahts einzeln fixiert wird, wie z.B. indem es an entweder dem Kontaktfleck oder der Sammelschiene auf einer Seite des Rahmens durch Parallelspaltschweißung angebracht wird, während der Draht bei einer konstanten Spannung gehalten wird, und es dann an die entgegengesetzte Seite des Rahmens gebondet wird, wird eine absolute Verträglichkeit in der Spannung, die auf jeden Draht des ganzen Gitters ausgeübt wird, gewährleistet.
  • Dieser Verdrahtungsprozess kann von Hand fortschreiten, indem ein mechanischer Kreuztisch verwendet wird, um die Anordnung in Bezug zur Spitze des Schweißers fehlerfrei und leicht zu positionieren. Er kann auch ein rechnergesteuerter Prozess ähnlich zu demjenigen sein, der beim Drahtbonden von Halbleiterbauelementen in Gehäusen verwendet wird.
  • Ein Fertigen der Sammelschiene und Abschlusskontaktflecken als ein gemusterter Metallfilm auf einem Keramiksubstrat erzeugt auch einen Vorteil, den Verfahren nach dem Stand der Technik nicht erzeugen. Insbesondere bilden die Sammelschienen und Drähte eine charakteristische Impedanz, die der elektronischen Schaltungsanordnung dargeboten wird, die die Gitterspannung treibt. Indem die Sammelschienen hinsichtlich ihrer Dicke und Breite auf dem Keramiksubstrat sowie auch der Größe der Kontaktflecken bei einer gesteuerten Toleranz gehalten werden, kann gewährleistet werden, dass sich die charakteristische Impedanz der Drahtgitteranordnung und insbesondere der Sammelschiene selbst derjenigen der Treiberschaltungsanordnung anpasst. Dies wiederum beseitigt zusätzlich eine andere Unverträglichkeit bei Lösungsansätzen nach dem Stand der Technik.
  • Das Verfahren ermöglicht auch eine Fertigung von Toren mit Drähten, die mehrere Male kleiner im Durchmesser sind, als diejenigen, die durch andere Verfahren verwendet werden.
  • Die metallisierten Oberflächen der Keramik verringern die Möglichkeit eines Oberflächenladungsaufbaus während eines Betriebs, da beide, die "Vorderseite" sowie die "Rückseite" metallisiert sind.
  • Der Draht kann so ausgewählt werden, dass der thermische Expansionskoeffizient des Drahts in Bezug zur Keramik abnimmt, wobei z.B. Alloy 46 verwendet wird.
  • Ein Gitter, das gemäß der Erfindung konstruiert ist, eignet sich auch zur Ausführung in Quadrupolstrukturen und Multipolstrukturen höherer Ordnung. Z.B. können zwei Gitter direkt gegenüber platziert werden – in diesem Fall muss der Zwischenraum zwischen den Gittern annähernd gleich dem Zwischenraum zwischen den Drähten sein. Nowak und ähnliche Lösungsansätze nach dem Stand der Technik, die verhältnismäßig dicke Rahmen verwenden, eignen sich nicht zur Ausführung in solchen Multipolstrukturen.
  • Z.B. können die Sammelschienen und die Drähte in Bezug zu einer Mittellinie des Trägerrahmens symmetrisch platziert sein, so dass sich durch Platzieren eines zweiten Gitters über dem ersten die Schienen von derselben Polarität gegenüberliegen (um einen Überschlag zwischen +V und –V zu vermeiden), während sich Drähte von entgegengesetzter Polarität gegenüberliegen würden, so dass ein Quadrupolfeld erzeugt wird. Das Quadrupolfeld weist eine höhere Ablenkkraft für dieselbe angelegte Spannung auf, was Energieverfälschungswirkungen verringert.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die vorhergehenden und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden spezielleren Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich, wie in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht, in denen sich überall in den unterschiedlichen Ansichten gleiche Bezugszeichen auf dieselben Teile beziehen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, eine Betonung liegt stattdessen auf einer Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung.
  • 1 ist eine Draufsicht auf die Ergebnisse eines ersten Schritts eines Fertigens des Rahmens, in dem das Mittenloch geschnitten worden ist.
  • 2 ist eine Ansicht des Rahmens nach einem zweiten Schritt, wobei Metallisierungsmuster für Masseebene, Sammelschiene und Kontaktflecken dargestellt sind.
  • 3 ist eine Draufsicht auf das fertiggestellte Gitter.
  • 4 veranschaulicht einen Teil eines Prozesses zur Aufrechterhaltung einer konstanten Spannung auf dem Draht.
  • Die 5–8 stellen dar, wie der Rahmen in Bezug zur Bonderspitze während einer Montage bewegt wird.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Eine Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung folgt.
  • Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um einen verzahnten Kamm von Drähten herzustellen, der als ein Bradbury-Nielson-Tor bekannt ist. Ein solches Tor besteht aus zwei elektrisch isolierten Sätzen von gleichbeabstandeten Drähten, die in derselben Ebene liegen und im angelegten Spannungpotenzial alternieren.
  • Man hat erkannt, dass diese Tore eine viel kleinere effektive Feldgröße aufweisen als die üblicher verwendeten Ablenkplatten. Sie können z.B. verwendet werden, um Ionenstrah len in Flugzeitmassenspektrometern (TOF-MS) zu modulieren, um eine Masse-zu-Ladung-Selektion zu erzielen. Solche Tore werden auch üblicherweise in Ionenbeweglichkeitsmassenspektrometern verwendet, um die Injektion von Ionenpaketen in eine Laufzeitröhre zu regeln.
  • Sie sind auch bei Hadmard-Flugzeitmassenspektrometern eingesetzt worden, um die Ionenstrahlquelle mit einer Pseudozufallsfolge von Ein- und Aus-Impulsen zu modulieren. Weil das detektierte Signal dann eine Faltung der TOF-Massenspektren ist, kann das Signal entfaltet werden, indem wieder die Pseudozufallsfolge angewandt wird, so dass sich das Einzelmassenspektrum ergibt. Die resultierende Auflösung des Instruments hängt von der Modulationsschaltzeit ab, d.h., wie schnell die notwendige Spannung an die Drähte angelegt werden kann.
  • 1 ist eine Veranschaulichung eines Rahmens 10, der zur Bereitstellung eines Substrats für ein Drahtgitter, das gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, verwendet wird. Der Rahmen 10 besteht aus einem isolierenden starren Material, typischerweise einer Keramik, wie z.B. Aluminiumoxid. Der Rahmen 10 kann eine Außenabmessung von z.B. ein Inch mal ein Inch aufweisen, mit einer Dicke von 0,0381 cm (0,015 Inch). Ein Loch 12 ist in die Mitte des Substratmaterials geschnitten; hier ist das Loch ungefähr 1,27 cm mal 1,27 cm (0,5 Inch mal 0,5 Inch). Das Loch kann unter Verwendung eines Lasers geschnitten werden.
  • Der nächste Schritt besteht darin, einen Metallfilm von einem gewünschten Muster abzulagern. Ein solches Muster ist in 2 dargestellt. Das Muster umfasst z.B. Masseebenenflächen 14-1, 14-2, 14-3, 14-4 (insgesamt: die Masseebenenflächen 14), Sammelschienen 16-L, 16-R und Kontaktflecken 18-L-1, 18-L-2, ... 18-L-n und 18-R-1, 18-R-2, ... 18-R-m.
  • Das Metallisierungsmuster kann durch Ablagerung eines Metallfilms auf der Oberfläche des Keramiksubstrats hergestellt werden. Zahlreiche Techniken sind bekannt, um dies zu erzielen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann dies durch Vakuumverdampfen von Gold mit einer Chromhaftschicht geschehen. Die Metallisierungsmuster können dann z.B. durch einen Fotoresist- und chemischen Ätzprozess festgelegt werden.
  • Die Masseebenenflächen 14 umgeben im Allgemeinen die Peripherie des Rahmens 10. Sie dienen dazu, das Gebiet, das das Gitter von Drähten umgibt, elektrisch festzulegen, die schließlich quer über das Loch 12 gespannt werden.
  • Wie bald ersichtlich wird, liefern die Sammelschienen 16 einen Weg, um jeden der zwei Sätze von Gitterdrähten elektrisch zu verbinden. Die Sammelschiene 16-L, die auf der linken Seite des Rahmens angeordnet ist, wird verwendet, um Drähte miteinander zu verbinden, die auf der rechten Seite des Rahmens enden. Desgleichen wird die Sammelschiene 16-R, die auf der rechten Seite des Rahmens angeordnet ist, verwendet, um Drähte miteinander zu verbinden, die auf der linken Seite des Rahmens enden.
  • Die Kontaktflecken 18 liefern eine Stelle, um ein Ende der respektiven Drähte abzuschließen. Ein erster Satz von Kontaktflecken 18-L-1, 18-L-2, ... 18-L-n verläuft entlang der linken Seite des Rahmens benachbart zum Mittenloch 12. Ein zweiter Satz von Kontaktflecken 18-R-1, 18-R-2, ... 18-R-n verläuft entlang der rechten Seite des Rahmens auch benachbart zum Loch 12. Man beachte, dass die Kontaktflecken 18 so festgelegt sind, dass Metall um die Peripherie von allen vier Seiten derselben geätzt wird. Dies isoliert z.B. den Kontaktfleck 18-L-1 von dem Kontaktfleck 18-L-2, indem ein elektrisch offener Abschlusspunkt bereitgestellt wird.
  • Der Zwischenraum der Kontaktflecken 18 in einer vertikalen Richtung wird so gewählt, dass er ungefähr doppelt so groß wie der gewünschte letztendliche Zwischenraum der Drähte ist. Z.B. sollte, wenn es gewünscht wird, ein Parallelgitter von zwei Sätzen von gleichförmig beabstandeten und gespannten Drähten mit einem Gitterzwischenraum von 0,050 cm (0,020 Inch) zwischen ihnen zu erzeugen, der Zwischenraum zwischen den Kontaktflecken 18-L auf der linken Seite des Rahmens 0,1016 cm (0,040 Inch) sein. Ein ähnlicher Satz von Kontaktflecken 18-R verläuft entlang der rechten Seite des Lochs 12 und dient dazu, den zweiten Satz von Drähten abzuschließen; wohingegen der erste Satz von Kontaktflecken 18-L den ersten Satz von Drähten abschließt.
  • Man beachte bitte, dass die Kontaktflecken 18-L auf der linken Seite des Rahmens in vertikaler Orientierung in Bezug zu den Kontaktflecken 18-R auf der rechten Seite des Rahmens versetzt sind. Dieser Versatz ist gleich dem gewünschten Zwischenraum zwischen den Gitterdrähten, d.h. 0,050 cm (0,020 Inch) in der bevorzugten Ausführungsform. Dies liefert eine Serie von Räumen 20-L-1 ... 20-L-n auf der linken Seite des Rahmens und ähnlich 20-R-1 ... 20-R-m auf der rechten Seite des Rahmens. Wie bald verständlich wird, sind diese Räume insofern wichtig, als sie einen Weg für den Draht liefern, an einem Kontaktfleck vorbeizulaufen und eine Verbindung mit einer Sammelschiene herzustellen, ohne dass ein Kurzschluss an einem benachbarten Fleck der Kontaktflecken 18 auf der Seite erfolgt, die entgegengesetzt zu der ist, in der er seinen Ursprung hatte.
  • Nach Fertigen des Metallisierungsmusters auf dem Rahmen 10 wird eine nächste Folge von Schritten verwendet, um Gitterdrähte quer über das Loch 12 anzubringen. Genauer gesagt wird jeder Gitterdraht von einer Seite des Rahmens quer hinüber zur anderen gestreckt. Ein Ende jedes Gitterdrahts ist schließlich an einem Abschnitt einer Sammelschiene 16 angebracht; das andere Ende jedes Gitterdrahts ist an einem der Kontaktflecken 18 angebracht.
  • Indem man sich nun spezieller 3 zuwendet, ist dort eine Zeichnung des fertiggestellten Gitters dargestellt. Man beachte, dass die Gitterdrähte 22 quer über das Loch gespannt worden sind. Jeder Draht stellt eine Verbindung mit einer Sammelschiene auf einem Ende und einem Kontaktfleck auf dem anderen Ende her. Genauer gesagt weist der erste Satz der Gitterdrähte 24-L ein Ende auf, das mit einem respektiven der Abschlusskontaktflecken 18-L auf der linken Seite des Rahmens verbunden ist. Jeder der Drähte in diesem ersten Satz 24-L stellt dann eine Verbindung mit der gemeinsamen Sammelschiene 16-2 auf der rechten Seite des Rahmens her. Ein zweiter Satz von Gitterdrähten 24-R weist ein erstes Ende auf, das eine Verbindung mit der gemeinsamen Sammelschiene 16-L herstellt und an einem der Abschlusskontaktflecken 18-R, die auf der rechten Seite des Rahmens angeordnet sind, endet.
  • Eine Darstellung, die eine Konfiguration zum Anbringen der Drähte in dieser gewünschten Form veranschaulicht, ist in 4 dargestellt. Bereitgestellt sind eine Drahtspule 50, eine Spanneinrichtung, einschließlich eines Dorns 52, einer Scheibe 54, eines Fadenstrangs 64 und eines Gewichts 56. Eine Schweißspitze 62, wie z.B. von einem Parallelspaltschweißer, ist auch bereitgestellt.
  • Der Draht 58 ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Golddraht von einem Durchmesser von 0,0050 cm (0,002 Inch).
  • Die Spanneinrichtung wird durch Montieren einer Spule auf dem Dorn 52 bereitgestellt. Eine respektives erstes Ende des Fadenstrangs 64 ist um den Dorn 52 gewickelt und wird dann über eine oder mehrere Scheiben 54 zu einem Gewicht 56 zugeführt. Das Gewicht 56 darf frei hängen. Der Betrag des Gewichts wird so gewählt, dass die Spannung auf einem Abschnitt des Drahts 58 eingestellt wird, das dann quer über den oberen Teil des Rahmens 40 gestreckt wird.
  • Ein x-y-Positionierkreuztisch 68 wird vorgesehen, der den Rahmen in zwei orthogonalen Richtungen genau anordnen kann.
  • Ein Montageprozess kann nun mit Bezug auf 4 beschrieben werden, die eine Seitenansicht von einem Anfangsschritt ist, während auch auf die 5–8 Bezug genommen wird, die Ansichten sind, die während einer Montage von oben aufgenommen sind. Ein Mittenlinien 70-Bezug in den 5–8 veranschaulicht, wie der Rahmen durch einen x-y-Positionierkreuztisch 68 positioniert werden kann – der in Bezug zu der Schweißspitze 62 bewegbar ist, um eine Anbringung der Drähte an die Sammelschienen 16 und die Kontaktflecken 18 zu ermöglichen.
  • In einem ersten Montageschritt wird das freie Ende des Drahts von der Spule 50 genommen und durch eine Führung 66 geführt, die in einer Drahtklemme 60 endet. Die Drahtklemme 60 liefert einen Weg, den Draht 58 in Bezug zur Spitze 62 anzuordnen.
  • In einem nächsten Schritt zur Erzeugung eines Gitters wird der Rahmen 40 so bewegt, dass die Spitze 62 auf dem ersten Kontaktfleck 18-L-1 auf der linken Seite des Rahmens zentriert wird, wie in 5 dargestellt. Die Schweißspitze 62 wird dann in engem Kontakt mit dem Kontaktfleck 18-L-1 platziert, um den Draht an die Mitte des Kontaktflecks 18-L-1 zu bonden. Ein Teil des Drahts zur linken Seite des Kontaktflecks wird dann gezogen oder gebogen, um ihn von der Bondierung frei zu brechen. Jedoch versteht es sich, dass diese freien Enden von Draht, nachdem sie von der Klemme freigesetzt worden sind, an ihrem Ort gelassen und später abgeschnitten werden können, wie z.B. mit einem Schneidwerkzeug.
  • Ein nächster Schritt, um diesen neuen Draht an der rechten Seite des Gitters anzubringen, wird dann durchgeführt, wie in 6 dargestellt. In diesem Schritt wird der Kreuztisch 68 so bewegt, dass die Bondierungsspitze 62 auf der rechten Seite des Rahmens 40 ist. Der Draht, der nun an dem Kontaktfleck 18-L-1 auf der linken Seite des Rahmens angebracht worden ist, muss an der Sammelschiene 16-R auf der rechten Seite des Rahmens angebracht werden. Der Rahmen 40 wird nach links bewegt, bis die Spitze 62 auf der Sammelschiene 16-R zentriert ist. Der Rahmen 40 wird nicht in der orthogonalen Richtung bewegt, wobei Sorge getragen wird, um zu gewährleisten, dass der Draht durch den Raum 20-R-1 ohne einen Kurzschluss an jeglichen benachbarten Kontaktflecken 18-R auf der rechten Seite des Rahmens hindurch verläuft. Siehe 7. Der Draht 58 wird dann an der Sammelschiene 16-R auf der rechten Seite des Rahmens angebracht. Diese Anbringung wird durch Parallelspaltschweißen gesichert.
  • Der Rahmen 40 wird dann weiter weg nach links bewegt, wie auch in 7 dargestellt, die Klemme 60 wird auf dem Draht 58 in Eingriff gebracht, und der Draht 58 wird dann gezogen, um ihn von der Bondierung frei zu brechen, oder er wird geschnitten.
  • Der nächste Schritt besteht darin, einen zweiten Drahtabschnitt 23 zu fertigen, der ein Draht ist, der auf seiner linken Seite an einer Sammelschiene 16-L und auf seiner rechten Seite einem Kontaktfleck 18-R-1 endet. Der Rahmen wird, wie in 8 dargestellt, durch z.B. einen Schraubenmechanismus auf dem Kreuztisch 68 mit einem angebrachten Kalibermechanismus, um die Stelle in der orthogonalen Richtung genau zu messen, genau in der orthogonalen Richtung bewegt. Der Rahmen wird in der orthogonalen Richtung einen Abstand bewegt, der gleich dem Gitterdrahtzwischenraum ist, der die Hälfte des Abstands zwischen benachbarten Kontaktflecken ist. Der Rahmen 40 wird dann bewegt, bis die Spitze 62 auf der Sammelschiene 16-L auf der linken Seite zentriert ist, ähnlich zu 5. Wieder, der Rahmen 40 wird nicht in der orthogonalen Richtung bewegt, wobei gewährleistet wird, dass der Rahmen durch den Raum 20-L-1 zwischen dem ersten Kontaktfleck 18-L-1 und zweiten Kontaktfleck 18-L-2 auf der linken Seite des Rahmens hindurch verläuft, so dass er zu keinem von diesen Kontaktflecken einen Kurzschluss macht. Der Draht wird dann an die Sammelschiene 16-L auf der linken Seite des Rahmens gebondet. Das freie Ende des Drahts wird dann gezogen, um es von der Bondierung frei zu brechen, oder so gelassen, um später abgeschnitten zu werden.
  • Der Rahmen 40 wird dann bewegt, bis die Spitze 62 auf dem Kontaktfleck 18-R-1 auf der rechten Seite des Rahmens zentriert ist. Nachdem er mit dem Parallelspaltschweißer bondiert ist, wird er von der Bondierung geschnitten oder sonst gebrochen.
  • Diese Prozedur wird dann eine Anzahl von Malen wiederholt, um ein Parallelgitter von zwei Sätzen von Drähten zu erzeugen, die gleichförmig beabstandet und gespannt sind.
  • Es kann nun entnommen werden, wie die Sammelschienen 16-L und 16-R einen bequemen Weg liefern, um die Drähte miteinander zu verbinden, die mit den respektiven der zwei Sätze verbunden sind. Die Erfinder haben auch erkannt, dass die Sammelschienen 16 sorgfältig in ihrer spezifischen Breite 60 und Filmtiefe gewählt werden sollten. Genauer gesagt stellen die Sammelschienen 16 (wie ein beliebiger elektrischer Kreis) eine Impedanz gegenüber der Schaltungsanordnung dar, die das respektive Drahtgitter mit der Modulationsspannung treibt. Die Breite von Golddrähten stellt eine elektrische Impedanz dar und wirkt folglich auf eine Weise, die ziemlich ähnlich zu einer Mikrostripübertragungsleitung ist. Eine respektive charakteristische Impedanz der Sammelschiene und der Drahtgitterstruktur kann folglich bestimmt werden, um eine Übertragung des elektrischen Signals von der Modulationsschaltungsanordnung zum Gitter zu optimieren. Die Breite der Sammelschienen 16 wird dann so gewählt, dass sie sich der charakteristischen Impedanz anpasst. In einer bevorzugten Ausführungsform mit einer charakteristischen Impedanz von 50 Ohm bei charakteristischer Konstruktion und oben angegeben Abmessungen des Drahtgitters ist die Breite der Sammelschiene 16 ungefähr 0,0431 cm (0,017 Inch), wenn die Sammelschienenlänge ungefähr 2,54 cm (1 Inch) ist. Das Metallisierungsmuster kann gesteuert werden, so dass die Tiefe etwa 0,010 mm ist.
  • Es würde auch bequem sein, das Gold so zu mustern, dass die oberflächenmontierten Widerstände zwischen den Sammelschienen und dem Masseebenengebiet platziert werden können, um einen leiterplattenintegrierten Abschluss der Übertragungsleitungssignale bereitzustellen, insbesondere für die Niederspannungsanwendungen, wo eine Gesamtverlustleistung kein Problem ist.
  • Während diese Erfindung insbesondere mit Bezügen auf bevorzugte Ausführungsformen derselben dargestellt und beschrieben worden ist, versteht es sich für Fachleute, dass verschiedene Änderungen in der Form und in Einzelheiten daran vorgenommen werden können, ohne dass man vom durch die angefügten Ansprüche umfassten Bereich der Erfindung abweicht.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Fertigung eines Torsteuergitters zur Verwendung in einem Teilchenstrahlmessgerät, wobei das Torsteuergitter einen ersten und zweiten Satz von parallelen in gleichem Abstand angeordneten Drähten aufweist, wobei das Gitter angeordnet ist, um ein alternierend geladenes elektrisches Potenzial mit dem ersten und zweiten Drahtsatz zu verbinden, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Bereitstellen eines isolierenden Substrats mit einem Loch in mindestens einem Teil desselben; Festlegen einer ersten Serie von leitenden Befestigungspunkten auf einer ersten Seite des Lochs, die mit dem doppelten Abstand des resultierenden gewünschten Gitterdrahtzwischenraums beabstandet sind, und auch Bereitstellen einer zweiten Serie von leitenden Befestigungspunkten auf einer zweiten Seite des Lochs, die auch mit dem doppelten Abstand des resultierenden gewünschten Drahtgitterzwischenraums beabstandet sind; Mustern einer leitenden Schicht auf dem Substrat, wobei die leitende Schicht eine erste Sammelbahn auf der zweiten Seite des Lochs und eine zweite Sammelbahn auf der ersten Seite des Lochs festlegt; Bonden eines ersten Satzes von beabstandeten parallelen Drähten, so dass ein erstes Ende derselben an einem respektiven Punkt der ersten Serie von Befestigungspunkten gebondet wird und so dass ein zweites Ende derselben an der ersten Sammelbahn gebondet wird, wobei die Drähte im ersten Satz dadurch das Loch überspannen; und Bonden eines zweiten Satzes von beabstandeten parallelen Drähten, so dass ein erstes Ende derselben an einem respektiven Punkt der zweiten Serie von Befestigungspunkten gebondet wird, so dass ein zweites Ende derselben an der zweiten Sammelbahn gebondet wird, wobei die Drähte im zweiten Satz dadurch auch das Loch überspannen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 und entweder: a) wobei mindestens eine von der ersten Sammelbahn oder zweiten Sammelbahn eine Sammelschiene ist, die zu den Befestigungspunkten auf ihrer respektiven Seite des Lochs parallel verläuft; b) wobei mindestens eine von der ersten Sammelbahn oder zweiten Sammelbahn substratauswärts von einem respektiven Punkt der Serie von Befestigungspunkten angeordnet wird; c) wobei die erste Serie von Befestigungspunkten von der zweiten Serie von Befestigungspunkten in der Position versetzt wird, wobei der Versatz entlang einer Achse erfolgt, die senkrecht zu einer Achse ist, entlang welcher die Drähte gespannt sind; oder d) wobei das Substrat aus Aluminiumoxid gebildet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Befestigungspunkte jeweils weiter durch einen leitenden Kontaktfleck festgelegt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3 und entweder: a) wobei die Drähte unter Verwendung eines Parallelspaltschweißers an den leitenden Kontaktflecken und Sammelbahnen gebondet werden, b) wobei die leitenden Kontaktflecken auf dem Substrat durch die Schritte festgelegt werden: Ablagern eines Metalls; und Festlegen eines Musters durch einen Prozess, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem chemischen Ätzprozess, einem Lift-Off-Prozess und einer physischen Maskierung während des Schritts einer Ablagerung eines Metalls zusammengesetzt ist, in welchem Fall fakultativ der Schritt einer Ablagerung eines Metalls durch Aufbringung einer Klebschicht, gefolgt durch Ablagerung des Metalls, durchgeführt wird; oder c) wobei mindestens einer der Schritte eines Bondens des ersten oder zweiten Satzes von Drähten weiter umfasst: Ausrichten eines Drahts über dem Substrat von einer Seite des Lochs zur anderen Seite; Bonden des Drahts an einen respektiven Fleck der leitenden Kontaktflecken an der ersten Seite des Lochs; und Bonden des Drahts an eine Sammelbahn auf der zweiten Seite des Lochs, in welchem Fall fakultativ entweder: i) der Schritt eines Ausrichtens eines Drahts weiter den Schritt eines Unter-Zugspannung-Setzens des Drahts umfasst; ii) das Verfahren zusätzlich umfasst: Brechen eines Endes des Drahts; Ausrichten des Drahts von einem leitenden Kontaktfleck auf der zweiten Seite des Lochs zur Sammelbahn auf der ersten Seite des Lochs; und Bonden des Drahts an jedem von dem respektiven leitenden Kontaktfleck und Sammelbahn.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 und entweder: a) wobei die Breite der Sammelbahn so gebildet wird, dass sie einer gewünschten charakteristischen Impedanz einer Schaltungsanordnung entspricht, die zum Treiben einer Spannung auf dem Drahtgitter verwendet wird; oder b) zusätzlich umfassend in mindestens einem ausgewählten Bondierungsschritt: Verwenden eines Positionierkreuztischs, um das Substrat und mindestens einen Draht auszurichten.
  6. Torsteuergitter zur Verwendung in einem Teilchenstrahlmessgerät, umfassend: ein isolierendes Substrat, das als ein Rahmen (10) für mindestens zwei Sätze von Drähten (22, 24-1, 24-2) dient, wobei das isolierende Substrat eine Öffnung (12) aufweist; eine leitende Schicht, die auf dem Substrat gemustert ist, wobei die leitende Schicht einen Satz von leitenden Teilen auf entgegengesetzten Seiten des im Substrat gebildeten Lochs (12) bereitstellt, wobei die leitenden Teile umfassen: mindestens zwei leitende Endkontaktflecken (18-L, 18-R), die auf jeder Seite der Öffnung (12) gebildet sind, die mit dem doppelten Abstand des gewünschten resultierenden Gitterdrahtzwischenraums beabstandet sind; mindestens zwei Sammelschienen (16-L, 16-R), wobei eine Sammelschiene auf jeder Seite der Öffnung (12) benachbart zu den Endkontaktflecken (18-L, 18-R) auf ihrer respektiven Seite angeordnet ist; und wobei die Drähte mit den Endkontaktflecken (18-L, 18-R) und den Sammelschienen (16-L, 16-R) in einem vorbestimmten Muster verbunden sind, um zwei separate Sätze von in gleichem Abstand räumlich getrennten parallelen Drähten von unterschiedlichem Potenzial bereitzustellen.
  7. Torsteuergitter nach Anspruch 6, bei dem die Kontaktflecken (18-L, 18-R), die auf jeder Seite der Öffnung (12) gebildet sind, als Befestigungspunkte für ein Ende eines Drahts dienen, und fakultativ, wobei die Kontaktflecken (18-L, 18-R) als elektrisch offene Endpunkte für die Enden der Gitterdrähte dienen, die nicht mit den Sammelschienen (16-L, 16-R) verbunden sind.
  8. Torsteuergitter nach Anspruch 6, bei dem die Kontaktflecken (18-L, 18-R) entlang jeder Seite der Öffnung (12) alternierend und in gleichem Abstand beabstandet sind.
  9. Gitter nach Anspruch 6 und entweder: a) wobei die Kontaktflecken (18-L, 18-R) in nächster Nähe zur Öffnung (12) substrateinwärts von den Sammelschienen (16-L, 16-R) angeordnet sind; b) wobei die Sammelschienen (16-L, 16-R) dazu dienen, um Drähte miteinander zu verbinden, die zu einem gegebenen Drahtsatz gehören; c) wobei das Substrat (10) aus einer Keramik gebildet ist; d) wobei die Öffnung (12) rechteckig ist; oder e) wobei die Impedanz der Sammelschienen (16-L, 16-R) derjenigen eines treibenden elektronischen Bauelements entspricht.
  10. Gitter nach Anspruch 6, bei dem die Sammelschienen (16-L, 16-R) über einen Widerstand mit einer einzigen Rückleitung verbunden sind und fakultativ, wobei der Widerstand einen Widerstandswert aufweist, der einer charakteristischen Impedanz der Sammelschienen (16-L, 16-R) entspricht.
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