(57)【要約】      （修正有）【課題】イオンをできるだけ小径上に集束することができ、２つの圧力領域を良好に分離できるイオンを集束および蓄積する装置を提供する。【解決手段】イオンを集束および蓄積する装置１３０１、および第１圧力領域を第２圧力領域から分離する装置に関し、特に、イオンの分析装置１４００に関する。上記の装置のうち少なくとも１つを有する粒子ビーム装置で、イオンを収容する容器１２０１と少なくとも１つの多重極ユニット１３０１を設ける。多重極ユニット１３０１は、長手方向軸線１３０７を有する貫通口１３０２を有し、また複数の電極を有する。これら電極の第１組は、長手方向軸線１３０７から第１径方向距離にあり、これら電極の第２組は、それぞれ、長手方向軸線１３０７から第２径方向距離にある。第１径方向距離は、第２径方向距離よりも小さい。【選択図】図７
2011171296.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンを集束および／または蓄積する装置であって、
少なくとも１つのイオンを収容する少なくとも１つの容器（１２０１）であって、少なくとも１つの排出口（１２０８）を有することを特徴とする、容器、および
多重極交流電場を発生させる少なくとも１つの多重極ユニット（１３０１）、
を備える装置において、
前記多重極ユニット（１３０１）は、前記容器（１２０１）の排出口（１２０８）に配置し、
前記多重極ユニット（１３０１）は、長手方向軸線（１３０７）を有する貫通口（１３０２）を有し、
前記多重極ユニット（１３０１）は、少なくとも１つの第１電極（１３０３Ａ）、少なくとも１つの第２電極（１３０３Ｂ）、少なくとも１つの第３電極（１３０３Ｃ）、少なくとも１つの第４電極（１３０３Ｄ）、少なくとも１つの第５電極（１３０３Ｅ）、少なくとも１つの第６電極（１３０３Ｆ）、少なくとも１つの第７電極（１３０３Ｇ）、および少なくとも１つの第８電極（１３０３Ｈ）を備え、
前記第１電極（１３０３Ａ）、前記第２電極（１３０３Ｂ）、前記第３電極（１３０３Ｃ）、および前記第４電極（１３０３Ｄ）は、前記貫通口（１３０２）の前記長手方向軸線（１３０７）から等しい径方向距離にあり、それぞれ、前記貫通口（１３０２）の前記長手方向軸線（１３０７）から第１径方向距離にあり、
前記第５電極（１３０３Ｅ）、前記第６電極（１３０３Ｆ）、前記第７電極（１３０３Ｇ）、および前記第８電極（１３０３Ｈ）は、前記貫通口（１３０２）の前記長手方向軸線（１３０７）から等しい径方向距離にあり、それぞれ、前記貫通口（１３０２）の前記長手方向軸線（１３０７）から第２径方向距離にあり、
前記第１径方向距離は、前記第２径方向距離よりも小さい、
装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置（１３０１）において、前記多重極ユニット（１３０１）は多重極交流電場を発生させる多重極ユニットとして構成する、装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置（１３０１）において、
前記多重極ユニット（１３０１）は、前記長手方向軸線（１３０７）に対して直角に配置した平面により規定される第１外面（１３０５）を有し、
前記第１電極（１３０３Ａ）、前記第２電極（１３０３Ｂ）、前記第３電極（１３０３Ｃ）、前記第４電極（１３０３Ｄ）、前記第５電極（１３０３Ｅ）、前記第６電極（１３０３Ｆ）、前記第７電極（１３０３Ｇ）、および／または前記第８電極（１３０３Ｈ）は、前記平面上及び／又は前記平面に隣接して配置される、
装置。
【請求項４】
請求項３に記載の装置（１３０１）において、
前記多重極ユニット（１３０１）は、前記多重極ユニット（１３０１）の前記第１外面（１３０５）の反対側に配置した第２外面（１３０６）を有し、
前記第１電極（１３０３Ａ）、前記第２電極（１３０３Ｂ）、前記第３電極（１３０３Ｃ）、前記第４電極（１３０３Ｄ）、前記第５電極（１３０３Ｅ）、前記第６電極（１３０３Ｆ）、前記第７電極（１３０３Ｇ）、および／または前記第８電極（１３０３Ｈ）は、前記第１外面（１３０５）から第２外面（１３０６）にわたり延在する、
装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置（１３０１）において、
前記第１外面（１３０５）および前記第２外面（１３０６）は離間し、該第１外面（１３０５）と該第２外面（１３０６）との間の距離は、次の範囲、すなわち、
０．５ｍｍから５０ｍｍの範囲、
０．５ｍｍから４０ｍｍの範囲、
０．５ｍｍから３０ｍｍの範囲、
０．５ｍｍから２０ｍｍの範囲、
０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲、または
０．５ｍｍから３ｍｍの範囲、
のうち１つの範囲内とした、装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置（１３０１）において、前記多重極ユニット（１３０１）はディスク状である、装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置（１３０１）において、
前記第１電極（１３０３Ａ）、前記第２電極（１３０３Ｂ）、前記第３電極（１３０３Ｃ）、前記第４電極（１３０３Ｄ）、前記第５電極（１３０３Ｅ）、前記第６電極（１３０３Ｆ）、前記第７電極（１３０３Ｇ）、および／または前記第８電極（１３０３Ｈ）は双曲的である、
装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置（１３０１）において、前記多重極ユニット（１３０１）は、少なくとも１つのプリント回路基板により構成した、装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置（１３０１）において、
前記貫通口（１３０２）は、前記長手方向軸線（１３０７）に対して径方向に長さを有し、該長さは、次の範囲、すなわち、
０．４ｍｍから１０ｍｍの範囲、
０．４ｍｍから５ｍｍの範囲、または
０．４ｍｍから１ｍｍの範囲、
のうち、少なくとも１つの範囲内とした、
装置。
【請求項１０】
軸線（１３０７）に沿って延在する細長い第１開口（１３２１）を備えた装置を有する、第１圧力領域を第２圧力領域から分離する装置（１３００）であって、
前記第１開口（１３２１）は、前記軸線（１３０７）に対して径方向長さを有し、
前記第１開口（１３２１）は、前記軸線に沿って軸方向長さを有し、該軸方向長さは前記径方向長さよりも大きく、
少なくとも１つの第１多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）および少なくとも１つの第２多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）を軸線に沿って配置した、
装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の装置（１３００）において、
次の特徴、すなわち、
前記第１多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ−１３１３Ｇ）は、前記第１開口の少なくとも一部である第１貫通口（１３２１）を有すること、
前記第２多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ−１３１３Ｇ）は、前記第１開口の少なくとも一部である第２貫通口（１３２１）を有すること、または
前記軸線（１３０７）を長手方向軸線として構成したこと、
という特徴のうち少なくとも１つを有する、装置。
【請求項１２】
請求項１０または１１に記載の装置（１３００）において、
次の特徴、すなわち、
前記第１多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）は、荷電粒子を輸送するように設計したこと、
前記第２多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）は、荷電粒子を輸送するように設計したこと、または
前記軸線（１３０７）を輸送軸線として構成したこと、
という特徴のうち少なくとも１つを有する、装置。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の装置（１３００）において、
次の特徴、すなわち、
前記第１多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）は、四重極デバイスとして構成したこと、または
前記第２多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）は、四重極デバイスとして構成したこと、
という特徴のうち少なくとも１つを有する、装置。
【請求項１４】
請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の装置（１３００）において、
該装置（１３００）は、次の特徴、すなわち、
前記第１多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）はディスク状であること、または
前記第２多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）はディスク状であること、
という特徴のうち少なくとも１つを有する、装置。
【請求項１５】
請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の装置（１３００）において、
該装置（１３００）は、次の特徴、すなわち、
前記第１多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）は、少なくとも１つの第１プリント回路基板で形成したこと、または
前記第２多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）は、少なくとも１つの第２プリント回路基板で形成したこと、
という特徴のうち少なくとも１つを有する、装置。
【請求項１６】
請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の装置（１３００）において、前記第２多重極デバイス（１３０３Ｂ〜１３１３Ｅ）の領域に排出装置（１３１６，１３１７，１３１８）を設けた、装置。
【請求項１７】
請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の装置（１３００）において、
前記第１開口（１３２１）の径方向長さは、次の範囲、すなわち、
０．４ｍｍ〜１０ｍｍの範囲、
０．４ｍｍ〜５ｍｍの範囲、または
０．４ｍｍ〜１ｍｍの範囲、
のうち、少なくとも１つの範囲内とした、装置。
【請求項１８】
請求項１０〜１７のいずれか一項に記載の装置（１３００）において、
前記第１多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）および／または前記第２多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）は、それぞれ、少なくとも１つの第１電極デバイス、少なくとも１つの第２電極デバイス、少なくとも１つの第３電極デバイス、および少なくとも１つの第４電極デバイスを備える、
装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の装置（１３００）において、
前記第１電極デバイス（１３０３Ａ）、前記第２電極デバイス（１３０３Ｂ）、前記第３電極デバイス（１３０３Ｃ）、および／または前記第４電極デバイス（１３０３Ｄ）は双曲的である、
装置。
【請求項２０】
請求項１０〜１９のいずれか一項に記載の装置（１３００）において、
該装置（１３００）は、次の特徴、すなわち、
前記第１多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）は、少なくとも１つの第１多重極ディスク（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）および少なくとも１つの第２多重極ディスク（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）を備えること、または
前記第２多重極デバイス（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）は、少なくとも１つの第３多重極ディスク（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）および少なくとも１つの第４多重極ディスク（１３１２，１３１３Ａ〜１３１３Ｇ）を備えること、
という特徴のうち少なくとも１つを有する、装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の装置（１３００）において、
該装置（１３００）は、次の特徴、すなわち、
前記第１多重極ディスク（１３１２，１３１３Ａ，１３１３Ｂ）および前記第２多重極ディスク（１３１２，１３１３Ａ，１３１３Ｂ）は、第１の密閉システムとして構成すること、または
前記第３多重極ディスク（１３１３Ｅ〜１３１３Ｇ）および前記第４多重極ディスク（１３１３Ｅ〜１３１３Ｇ）は、第２の密閉システムとして構成すること、
という特徴のうち少なくとも１つを有する、装置。
【請求項２２】
粒子ビーム装置（１）であって、
試料チャンバ（４９）、
前記試料チャンバ（４９）内に配置した試料（１６）、
少なくとも１つの第１粒子ビームカラム（２）であって、第１粒子ビームを生成する第１ビーム発生器（２７）および該第１粒子ビームを前記試料（１６）上に集束する第１対物レンズ（３１）を有することを特徴とする、少なくとも１つの第１粒子ビームカラム、
前記試料（１６）から放出される二次イオンを生成する少なくとも１つの手段（２，１５００，１５００Ａ，１５００Ｂ）、
前記二次イオンを捕集する少なくとも１つの捕集装置（１１００）、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の少なくとも１つの装置（１３０１）および／または
請求項１０〜２１のいずれか一項に記載の装置（１３００）、および
二次イオンを分析する分析ユニット（１４００）、
を備える、粒子ビーム装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載の粒子ビーム装置（１）において、
前記分析ユニット（１４００）は質量分析計として構成される、
粒子ビーム装置。
【請求項２４】
請求項２２または２３に記載の粒子ビーム装置（１）において、
前記分析ユニット（１４００）は、請求項１０〜２１のいずれか一項に記載の前記装置（１３００）に、連結素子（１００１）を用いて、取り外し可能に取り付けられる、
粒子ビーム装置。
【請求項２５】
請求項２２〜２４のいずれか一項に記載の粒子ビーム装置（１）において、該粒子ビーム装置（１）はレーザユニット（１５００，１５００Ａ，１５００Ｂ）を備える、粒子ビーム装置。
【請求項２６】
請求項２５に記載の粒子ビーム装置（１）において、
二次イオンを生成する前記手段は、前記レーザユニット（１５００，１５００Ａ，１５００Ｂ）を含む、
粒子ビーム装置。
【請求項２７】
請求項２２〜２６のいずれか一項に記載の粒子ビーム装置（１）において、
請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置（１３０１）上か、
請求項１０〜２１のいずれか一項に記載の装置（１３００）上か、または
前記分析ユニット（１４００）上に、
二次イオンを生成する前記手段が配置される、
粒子ビーム装置。
【請求項２８】
請求項２２〜２７のいずれか一項に記載の粒子ビーム装置（１）において、
該粒子ビーム装置（１）は少なくとも１つの第２粒子ビームカラム（３）を備え、
前記第２粒子ビームカラム（３）は、第２粒子ビームを生成する第２ビーム発生器（６）および該第２粒子ビームを前記試料（１６）上に集束する第２対物レンズ（１８）を備える、
粒子ビーム装置。
【請求項２９】
請求項２８に記載の粒子ビーム装置（１）において、
該粒子ビーム装置（１）は、次の特徴、すなわち、
前記第２粒子ビームカラム（３）を電子ビームカラムとして構成し、前記第１粒子ビームカラム（２）をイオンビームカラムとして構成したこと、または、
前記第１粒子ビームカラムをイオンビームカラムとして構成し、前記第２粒子ビームカラムをイオンビームカラムとして構成したこと、
という特徴のうちの１つを有する、粒子ビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンを集束および蓄積する装置、および第１圧力領域を第２圧力領域から分離する装置に関し、特に、イオン分析装置に関する。本発明は、また、上記の装置のうち少なくとも1つを有する粒子ビーム装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子ビーム装置は、特定の条件下における試料の特徴および挙動についての情報を得るため、非常に長期にわたり使用されてきている。このような粒子ビーム装置の１つとして電子ビームデバイスがあり、特に、走査型電子顕微鏡（以下、本明細書においてはＳＥＭとも称する）がある。
【０００３】
ＳＥＭの場合、ビーム発生器により電子ビーム（以下、本明細書においては「一次電子ビーム」とも称する）を生成し、ビーム案内システム、特に、対物レンズにより、検査対象試料にこの電子ビームを集束する。偏向装置により、一次電子ビームを検査対象試料表面にわたりラスタ状に通過させる。このとき、一次電子ビーム中の電子は試料成分と相互作用する。この相互作用の結果として、特に、相互作用粒子が発生する。特に、検査対象試料表面から電子（いわゆる二次電子）が放出され、一次電子ビームから電子が後方散乱される（いわゆる後方散乱電子）。これら二次電子および後方散乱電子を検出し、画像生成に用いる。その結果、検査対象試料表面の画像が得られる。
【０００４】
さらに、従来から、各装置の組み合わせにより試料を検査することが知られており、この装置においては、電子とイオンの両方を検査対象試料に通過させることができる。例として、ＳＥＭにイオンビームカラムを付加的に設けることが知られている。イオンビームカラム内に設けたイオンビーム発生器によりイオンを生成し、このイオンを用いて試料を結像するための前処理（例えば、試料からの表面の除去または試料への材料の塗布）等を行う。この場合、ＳＥＭを使用して、特に、この前処理等の観察を行い、処理済または未処理の試料をさらに検査する。
【０００５】
上記の画像生成に加え、相互作用粒子のエネルギーおよび／または質量をより詳細に分析することも可能である。例えば、質量分析法（mass spectrometry）で知られる方法において、二次イオンをより詳細に検査する。この方法は、ＳＩＭＳ（secondary ion mass spectrometry（二次イオン質量分析法））の略称で知られる。本方法において、検査対象試料表面に集束１次イオンビームを照射する。この過程で、相互作用粒子が発生し、これらの粒子は試料表面から放出された二次イオンとして、分析ユニットにおいて検出され質量分析法により検査される。この過程で、これらの二次イオンを、そのイオン質量およびイオン電荷に基づき選択および識別することにより、試料の組成について推断できる。
【０００６】
既知の粒子ビーム装置において、真空条件下（１０−３ｍｂａｒ（１０−１Ｐａ）から１０−７ｍｂａｒ（１０−５Ｐａ））で、通常は１０−６ｍｂａｒ（１０−４Ｐａ）の高真空を用いて、この検査対象試料に集束一次イオンビームを照射する。二次イオンも、高真空下で分析ユニットにより検査する。しかしながら、二次イオンの運動エネルギー分布は広域であるため、二次イオンを分析ユニットに直接注入するのは不都合がある。二次イオンを分析ユニットに送出するとともに、二次イオンを分析ユニットに注入する前にその運動エネルギー分布幅を減少させる、仲介ユニットが必要である。
【０００７】
二次イオンのエネルギーをガス粒子に伝達する装置は、従来より既知である。この装置は、内部領域を有する容器（コンテナ）を備え、その内部には不活性ガスが存在する。この容器には長手方向軸線を規定し、この軸線に沿って、第１電極、第２電極、第３電極、および第４電極が延在する。第１電極、第２電極、第３電極、および第４電極は、それぞれ、金属棒により構成される。各電極は四重極ユニットを構成し、容器内で四重極交流電場を発生させる。
【０００８】
イオンビームを用いて発生させた二次イオンは容器内に導入され、この二次イオンの運動エネルギーの一部は衝突によりガス粒子に伝達される。衝突速度を十分高くしてエネルギーを減少させるため、容器内は約５×１０−３ｍｂａｒ（５×１０−１Ｐａ）の低真空となっている。二次イオンの低真空における平均自由経路長はミリメートル領域である。容器内のガスの分圧が高いほど、衝突速度が高くなり、したがって二次イオンからガス粒子にエネルギーを伝達する能力も高くなる。容器を通過した後、二次イオンは熱エネルギーのみを持つことになるはずである。
【０００９】
二次イオンの運動エネルギーは、一方では径方向成分に、他方では軸方向成分に分割することができる。径方向成分により、二次イオンは、容器の長手方向軸線に対してそれぞれ互いに放射状に分散する。従来は、上記の四重極ユニットによりこの分散を減少させる。四重極ユニットにより、二次イオンが容器の長手方向軸線に沿って交流電場内に放射状に蓄積される。よって、四重極交流電場は蓄積電場である。原理上は、四重極ユニットはポールトラップのように機能し、二次イオンに復元力が作用する。
【００１０】
同様に、四重極ユニットを設けた容器内において、二次イオンは静的には蓄積されず、調和的に振動することがわかっている。この調和的振動を、以下、本明細書においてはマクロ振動と呼ぶ。二次イオンを四重極ユニット内に確実に蓄積するため、四重極交流電場により適切な蓄積力（ＦＳｔｏｒｅ）を与えなくてはならない。この蓄積力は、四重極交流電場振幅（ＵＱｕａｄ）の四重極交流電場周波数（ｆＱｕａｄ）に対する比に比例し、したがって、次式のようなる。
【００１１】
【数１】
2011171296.tif 000003
【００１２】
マクロ振動は、四重極交流電場の周波数において、別の振動、すなわち、マクロ振動に重畳されたミクロ振動状の振動を有することがわかっている。このミクロ振動の振幅（ＺＭｉｃｒｏ）は、四重極交流電場振幅（ＵＱｕａｄ）の四重極交流電場周波数（ｆＱｕａｄ）の二乗に対する比に比例する。
【００１３】
【数２】
2011171296.tif 000004
【００１４】
二次イオンが四重極ユニットの上記電極のうちの１つに衝突することに起因する二次イオンの損失を防ぐため、マクロ振動の振幅とミクロ振動の振幅の合計である全振動振幅が、二次イオンを導入した容器の内部領域の半径を超えないようにしなければならない。
【００１５】
マクロ振動の振幅は、二次イオンから十分に大量のエネルギーをガス粒子に伝達することにより、減少することができる。対照的に、ミクロ振動の振幅は、四重極交流電場の周波数を増加することにより減少することができる。しかしながら、四重極交流電場の周波数が増加すると、容器内において二次イオンに作用する復元力が減少し、その結果、二次イオンを容器内に確実に蓄積するためには四重極交流電場の振幅を増加させることが必要となる。
【００１６】
二次イオンがガス粒子に衝突すると運動エネルギーの径方向成分が減少し、その結果、マクロ振動の振幅が減少して、二次イオンが容器の長手方向軸線上に集束される。
【００１７】
運動エネルギーの軸方向成分により、二次イオンは容器の長手方向軸線に沿って分析ユニットの方へ向かい容器を確実に通過する。上記の衝突により、運動エネルギーの軸方向成分も減少し、しかしながら、その結果として二次イオンのうちのいくつかはエネルギーが不十分となり容器を完全に通過して分析ユニットまで到達することができなくなる。したがって、従来は、電位勾配を容器上に生成し、それぞれの点に関連した電位を長手方向軸線上の各点に印加する。この電位勾配により、二次イオンは分析ユニットへ向かって軸方向に移動する。この電位勾配は、電位が分析ユニットへ向かって連続的に減少するように構成され、容器の一端部の領域においては、分析ユニットの方へ向けた電位井戸を有する。二次イオンは容器を通過し、この過程でそのエネルギーをガス粒子に伝達し、最後に電位井戸に滞留する。
【００１８】
既知の四重極ユニットは、電位勾配を生成するためセグメントに分割される。すなわち、第１電極、第２電極、第３電極、および第４電極はそれぞれセグメントに分割される。各セグメントのセグメント長は十分に短く、電位の電場突抜け現象（パンチスルー）は各セグメントの中央においても十分に有効となる。電場突抜け現象がこのように有効となるのは、セグメント長が容器のコア径に実質的に相当するときであることがわかった。用語「コア径」とは、容器の内部領域半径のことであり、二次イオンが上記電極に衝突せずに移動可能な半径のことである。
【００１９】
上記容器は、第１端部および第２端部を有する。第１端部には吸入口を設け、この吸入口を経由して二次イオンが発生した領域から容器の内部領域に入射する。内部領域は高真空状態に維持される。吸入口には圧段を設ける。この圧段により、第１圧域（この場合は、例えば、試料チャンバ内の高真空域）を第２圧域（この場合は、容器の内部領域内の低真空域）から分離し、第１圧域の真空度が実質的に低下しないようにする。容器の第２端部には排出口を設け、この排出口を経由して二次イオンは容器から出て分析ユニットの方へ向かう。排出口にはさらなる圧段を設け、第２圧域（この場合は、容器の内部領域内の低真空域）を第３圧域（この場合は、分析ユニット内の高真空域）から分離し、第３圧域の真空度が実質的に低下しないようにする。
【００２０】
上記の従来技術については、例えば、特許文献１（独国特許出願公開第１０２００６０５９１６２号明細書）、特許文献２（米国特許出願第７，４７３，８９２号明細書）、特許文献３（欧州特許第１１８５８５７号明細書）、特許文献４（米国特許出願第５，００８，５３７号明細書）、特許文献５（米国特許出願第５，３７６，７９１号明細書）、および特許文献６（国際公開第０１／０４６１１号パンフレット）を参照されたい。さらに、特許文献７（米国特許出願公開第２００９／０２９４６４１号明細書）および特許文献８（米国特許第５，５７６，５４０号明細書）を参照されたい。
【００２１】
分析によれば、排出口にさらなる圧段を設けた構成による効果は小さくないことがわかった。いくつかの前提条件を順守する必要がある。圧段としての良好な効果を得るためには、終端電極には貫通口を設ける必要があり、その貫通口はできるだけ小さくし、またできるだけ長くする必要がある（通常は、小さいコアホールとして構成する）。この貫通口により容器を分析ユニットに連結し、二次イオンは貫通口を通過して分析ユニットの方へ向かう。例として、終端電極を導電性材料で形成した場合、終端電極は静電レンズとして機能する。二次イオンが終端電極上で反射もしくは終端電極に引き寄せられ、または終端電極により中性化されて、小さい貫通口を分析ユニットの方へ向かって通過しなくなる可能性がある。貫通口の径方向の大きさをやむを得ず大きくして、より多くの二次イオンを容器から分析ユニットに輸送することもできるが、この場合、終端電極の圧段としての特性が低下してしまう。なぜなら、小さい貫通口の径方向の大きさが大きくなると、容器からガス粒子が分析ユニット内に侵入し、その結果、分析ユニット内の高真空の劣化度が大きくなる。
【００２２】
終端電極を非導電性材料で形成することも望ましくない。なぜなら、終端電極に二次イオンが衝突した際に終端電極が帯電することにより擾乱電場が発生し、この擾乱電場が容器内の四重極交流電場を妨害する、または二次イオンを偏向させることがあるからである。この場合、四重極交流電場により生じた効果の一部が再度相殺されてしまう。このことが望ましくないのは明白である。
【００２３】
容器の内部領域を、軸方向に円錐形状の集束構造とし、この円錐形状の集束構造の最小径が容器の第２端部にくるように配置することも考慮した。このような構成により、容器のコア径はわずかに減少するであろう。しかしながら、この解決策も欠点がある。なぜなら、円錐形状の集束構造とすることにより、二次イオンの運動エネルギーの軸方向成分が再度二次イオンの運動エネルギーの径方向成分に変換されてしまい、その結果、二次イオンが、振幅の増加したマクロ振動を再度発生するからである。マクロ振動の振幅およびミクロ振動の振幅は、二次イオンが、圧段として構成した終端電極の貫通口を通過できないように設計することができる。さらに、分析によれば、この円錐形状の集束構造を機械的および電気的に実施するには多大な労力を要することがわかった。
【００２４】
圧段を、比較的大きいコア径を有する比較的長い導電性の管状容器として構成することも欠点がある。このような容器内には電場の存在しない領域ができてしまい、その結果、運動エネルギーの径方向成分により二次イオンの集束力の低下を引き起こす可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２５】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０２００６０５９１６２号明細書
【特許文献２】米国特許出願第７，４７３，８９２号明細書
【特許文献３】欧州特許第１１８５８５７号明細書
【特許文献４】米国特許出願第５，００８，５３７号明細書
【特許文献５】米国特許出願第５，３７６，７９１号明細書
【特許文献６】国際公開第０１／０４６１１号パンフレット
【特許文献７】米国特許出願公開第２００９／０２９４６４１号明細書
【特許文献８】米国特許第５，５７６，５４０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２６】
したがって、本発明は、イオンを集束および蓄積する装置および２つの圧力領域を互いに分離する装置であって、設計が簡易であり、イオンをできるだけ小径上に集束することができる一方、他方では良好な圧段特性を有する装置を明示することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明によれば、上記の目的は、請求項１に記載の特徴を有する装置により達成される。本発明によるさらなる装置は、請求項１０に記載の特徴により定義される。本発明による粒子ビーム装置は、請求項２２に記載の特徴により定義される。本発明のさらなる特徴は、以下の発明の詳細な説明、特許請求の範囲、および／または添付の図面により明らかになるであろう。
【００２８】
請求項１に記載の本発明による装置は、例えば二次イオン等のイオンを集束および／または蓄積する装置である。この装置は、所定の軸線を中心とする小半径内にイオンを集束するのに特に適している。例として、この半径は、０．２ｍｍから２ｍｍの範囲内である。さらなる範囲については、以下にさらに説明する。
【００２９】
本発明による装置は、少なくとも１つのイオンを収容する少なくとも１つの容器を備える。この容器は、例えば、ガス粒子を有するガスを内部に収容した容器であり、この容器内でイオンがガス粒子に衝突することによりエネルギーを伝達し、イオンは熱エネルギーに制動される。代案または追加として、イオンをガス粒子により断片化し、その結果として、同様に制動する。容器は、少なくとも１つの排出口を有する。排出口は、容器からイオンを分析ユニットに輸送するために設けたものである。本発明による装置は、さらに、多重極交流電場、例えば四重極電場を発生させる少なくとも１つの多重極ユニット、例えば、四重極ユニットを備える。この多重極ユニットは容器の排出口に配置され、長手方向軸線を有する貫通口を有する。以下により詳細にさらに説明するように、長手方向軸線は、例えば、輸送軸線として構成する。さらに、多重極ユニットには複数の電極、具体的には、少なくとも１つの第１電極、少なくとも１つの第２電極、少なくとも１つの第３電極、少なくとも１つの第４電極、少なくとも１つの第５電極、少なくとも１つの第６電極、少なくとも１つの第７電極、および少なくとも１つの第８電極を設ける。第１電極、第２電極、第３電極、および第４電極は、貫通口の長手方向軸線から等しい径方向距離にあり、貫通口の長手方向軸線から第１径方向距離にある。さらに、第５電極、第６電極、第７電極、および第８電極は、貫通口の長手方向軸線から等しい径方向距離にあり、貫通口の長手方向軸線から第２径方向距離にある。第１径方向距離は第２径方向距離よりも小さい。
【００３０】
特に、本発明による装置は、確実に２つの機能を果たす。一方では、多重極交流電場を利用して、イオンを貫通口の長手方向軸線領域に径方向に集束させることができる。第１電極、第２電極、第３電極、第４電極、第５電極、第６電極、第７電極、および第８電極は、対応する多重極交流電場、例えば四重極交流電場を発生させるように、接続する。特に、二次イオンは、貫通口の長手方向軸線を中心とする小半径内、例えば、０．２ｍｍから１ｍｍの範囲内に集束される。この範囲は、例えば、貫通口の径方向長さにほぼ相当する。したがって、本発明による装置を用いて、相当大きいコア径（例えば、２ｍｍから５０ｍｍの範囲）を有する第１案内システムから、比較的小さいコア径（例えば、０．１ｍｍから１ｍｍの範囲）を有する第２案内システムにイオンを輸送することができ、本発明による装置上でイオンが意図せず反射されて容器内に戻ること、または、本発明による装置上でイオンが中性化されてしまうことがない。さらに、このような構成とすることにより、イオンの運動エネルギーの軸方向成分がイオンの運動エネルギーの径方向成分に変換されてしまうのを防ぐ。本発明による装置は、特に、圧段として用いるのに適している。
【００３１】
他方では、本発明による装置の多重極ユニットは、適切な電位（以下の本明細書においては、ミラー電位と称する）とすることができる。多重極ユニットをミラー電位とすることにより、熱エネルギーに制動されていないイオンを多重極ユニットから容器内に反射して戻し、容器を再度通過させることができる。これにより、容器内で再度ガス粒子との衝突が起こり、その結果、反射されたイオンからさらにエネルギーを伝達することができる。イオンが熱エネルギーに制動されると、ミラー電位を速やかに停止する。
【００３２】
本発明による装置の一実施形態によれば、追加または代案として、多重極ユニットは、平面により規定した第１外面を有する。例として、この平面は長手方向軸線に対し直角に配置する。さらに、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極、第５電極、第６電極、第７電極、および第８電極は、平面上および／または平面に隣接して配置する。
【００３３】
さらに、本発明による装置のさらなる実施形態によれば、追加または代案として、多重極ユニットは、多重極ユニットの第１外面の反対側に配置した第２外面を有する。第１電極、第２電極、第３電極、第４電極、第５電極、第６電極、第７電極、および第８電極は第１外面から第２外面にわたり延在する。代案として、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極、第５電極、第６電極、第７電極、および／または第８電極は第１外面上および／または第２外面に配置する。例えば、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極を第１外面上に配置する。第５電極、第６電極、第７電極、および第８電極を第２外面上に配置する。
【００３４】
本発明による装置のさらなる実施形態によれば、追加または代案として、第１外面と第２外面を離間して、第１外面と第２外面との間の距離が、次の範囲、すなわち、０．５ｍｍから５０ｍｍの範囲、０．５ｍｍから４０ｍｍの範囲、０．５ｍｍから３０ｍｍの範囲、０．５ｍｍから２０ｍｍの範囲、０．５ｍｍから１０ｍｍの範囲、または０．５ｍｍから３ｍｍの範囲のうちの１つの範囲内となるようにする。一実施形態において、この距離は実質的に１ｍｍである。
【００３５】
本発明による装置のさらに別の実施形態によれば、多重極ユニットはディスク状である。この場合、ディスク状の設計とは、各電極を長手方向軸線に対して直角に配置した平面構造により構成することを意味する。例として、多重極ユニットは、長手方向軸線に沿って所定の長さを有する。しかしながら、本発明はディスク状に限定されるものではない。多重極ユニットは、本発明に適したその他の形状とすることができる。例えば、多重極ユニットを略円形とすることができる。この追加または代案として、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極、第５電極、第６電極、第７電極、および／または第８電極は双曲的である。この双曲電極に関しては、以下に、より詳細にさらに説明する。例として、本発明による装置の一実施形態において、多重極ユニットはディスク状であり、１２個または１６個の双曲電極を備える。
【００３６】
本発明による装置のさらなる実施形態によれば、追加または代案として、多重極ユニットを少なくとも１つのプリント回路基板として構成する。例として、プリント回路基板をエポキシ樹脂または非導電性材料、例えば、セラミックまたはプラスチックにより形成する。さらに、プリント回路基板を可曲性および／または可撓性の材料で形成する。このプリント回路基板の実施形態は、製造が簡易なため、特に有利である。例えば、貫通口は容易に形成でき、例えば、プリント回路基板を圧延することにより形成できる。隣接する電極は絶縁層により互いに絶縁され、例えば、容量分圧器により駆動して、多重極交流電場を発生させる。
【００３７】
本発明による装置のさらなる実施形態によれば、追加または代案として、貫通口は長手方向軸線に対して径方向に長さを有し、この長さは、次の範囲、すなわち、０．４ｍｍから１０ｍｍの範囲、０．４ｍｍから５ｍｍの範囲、または０．４ｍｍから１ｍｍの範囲のうち、少なくとも１つの範囲内である。
【００３８】
本発明は、請求項１０に記載の特徴を有する装置に関する。この装置は、第１圧力領域を第２圧力領域から分離することを目的としたものである。したがって、この装置は圧段である。したがって、以下、本明細書においては圧段装置とも称する。
【００３９】
圧段装置は、軸線に沿って延在する細長い第１開口を有する。第１開口は、軸線に対して径方向長さを有し、さらに軸線に沿って軸方向長さを有する。軸方向長さは径方向長さよりも大きい。例として、軸方向長さは、径方向長さの、少なくとも４倍、少なくとも６倍、少なくとも８倍、少なくとも１０倍、少なくとも１５倍、少なくとも２０倍、少なくとも３０倍、少なくとも４０倍、または少なくとも５０倍である。少なくとも１つの第１多重極デバイスおよび少なくとも１つの第２多重極デバイスを軸線に沿って配置する。
【００４０】
分析によれば、第１開口を上記のように構成し、各多重極デバイスを上記のように配置することにより、軸線に沿って多重極交流電場を上記のように発生させることで、一方では軸線を中心とする小半径内にイオンを確実に集束させることができ、他方では良好な圧段特性を得ることができる。
【００４１】
本発明の一実施形態において、代案または追加として、圧段装置は、次の特徴、すなわち、第１多重極デバイスが少なくとも第１開口の一部である第１貫通口を有すること、第２多重極デバイスが少なくとも第１開口の一部である第２貫通口を有すること、または、軸線を長手方向軸線として構成したこと、という特徴のうち少なくとも１つを有する。
【００４２】
本発明のさらなる実施形態において、代案または追加として、圧段装置は、次の特徴、すなわち、第１多重極デバイスは荷電粒子（例えば、イオン）を輸送するように設計したこと、第２多重極デバイスは荷電粒子（例えば、イオン）を輸送するように設計したこと、または軸線を輸送軸線として構成したこと、という特徴のうち少なくとも１つを有する。
【００４３】
圧段装置のさらなる実施形態において、追加または代案として、圧段装置は、次の特徴、すなわち、第１多重極デバイスはディスク状であること、または第２多重極デバイスはディスク状であること、という特徴のうち少なくとも１つを有する。用語「ディスク状」に関する説明については、以上および以下の記載を参照されたい。
【００４４】
圧段装置のさらなる実施形態において、追加または代案として、圧段装置は、次の特徴、すなわち、第１多重極デバイスを少なくとも１つの第１プリント回路基板で形成したこと、または第２多重極デバイスを少なくとも１つの第２プリント回路基板で形成したこと、という特徴のうち少なくとも１つを有する。特に本実施形態に関して、特に上記のプリント回路基板の材料に関しては、上記において先に説明したとおりである。
【００４５】
圧段装置のさらに別の実施形態によれば、追加または代案として、排出装置を第２多重極デバイスの領域に設ける。この構成は、ガス粒子が容器から圧段装置に侵入する際に特に有利である。ガス粒子を排出装置により再度除去し、分析ユニットには侵入できないようにする。
【００４６】
圧段装置の一実施形態によれば、追加または代案として、第１開口の径方向長さは、次の範囲、すなわち、０．４ｍｍから１０ｍｍの範囲、０．４ｍｍから５ｍｍの範囲、または０．４ｍｍから１ｍｍの範囲のうち、少なくとも１つの範囲内とする。
【００４７】
圧段装置のさらに別の実施形態によれば、追加または代案として、第１多重極デバイスおよび／または第２多重極デバイスは、それぞれ、少なくとも１つの第１電極デバイス、少なくとも１つの第２電極デバイス、少なくとも１つの第３電極デバイス、および少なくとも１つの第４電極デバイスを備える。この代案または追加として、圧段装置の一実施形態によれば、第１電極デバイス、第２電極デバイス、第３電極デバイス、および／または前記第４電極デバイスは双曲的である。双曲電極の実施形態に関しては、以下により詳細にさらに記載する。
【００４８】
圧段装置の一実施形態によれば、追加または代案として、圧段装置は、次の特徴、すなわち、第１多重極デバイスは少なくとも１つの第１多重極ディスク（例えば、第１四重極ディスク）および少なくとも１つの第２多重極ディスク（例えば、第２四重極ディスク）を備えること、または第２多重極デバイスは少なくとも１つの第３多重極ディスク（例えば、第３四重極ディスク）および少なくとも１つの第４多重極ディスク（例えば、第４四重極ディスク）を備えること、という特徴のうち少なくとも１つを有する。本実施形態の理由は以下のとおりである。できるだけ良好な圧段特性を得るため、有利には、圧段装置に複数の多重極ディスクを設ける。これについては、以下にさらに詳細に説明する。
【００４９】
圧段装置のさらなる実施形態によれば、追加または代案として、圧段装置は、次の特徴、すなわち、第１多重極ディスクおよび第２多重極ディスクは第１の密閉システムとして構成すること、または第３多重極ディスクおよび第４多重極ディスクは第２の密閉システムとして構成すること、という特徴のうち少なくとも１つを有する。これにより、イオンをできるだけ良好に長手方向軸線上に確実に集束することができ、良好な圧段特性を得ることができる。
【００５０】
本発明は、また、請求項２２に記載の特徴を有する粒子ビーム装置に関する。本発明による粒子ビーム装置は、内部に試料を配置した試料チャンバを有する。さらに、粒子ビーム装置は、少なくとも１つの第１粒子ビームカラムを備え、第１粒子ビームカラムは、第１粒子ビームを生成する第１ビーム発生器、第１粒子ビームを試料上に集束する第１対物レンズを有する。さらに、試料から放出される二次イオンを生成する少なくとも１つの手段、および二次イオンを捕集する少なくとも１つの捕集装置を、粒子ビーム装置上に設ける。捕集装置を用いて、二次イオンを少なくとも１つの分析ユニットの方へ通過させて二次イオンを分析する。さらに、本発明による粒子ビーム装置は、上記の特徴のうち少なくとも１つの特徴、または上記の特徴のうち少なくとも２つの特徴の組み合わせを有する上記の装置のうち少なくとも１つの装置を有する。
【００５１】
例として、本発明による粒子ビーム装置において、第１粒子ビームカラムは、二次イオンを生成する手段を構成し、イオンビームカラムとして構成される。しかしながら、以下により詳細にさらに説明するように、本発明はこれに限定されない。
【００５２】
本発明による粒子ビーム装置の一実施形態において、分析ユニットは、追加または代案として、質量分析計として、例えば、飛行時間形質量分析計またはイオントラップ質量分析計として構成する。特に、分析ユニットは、追加または代案として、上記装置のうちの一つの実施形態のうちの１つに、連結デバイスを介して取り外し可能に取り付ける。したがって、分析ユニットは交換可能な設計とすることができる。
【００５３】
本発明による粒子ビーム装置のさらなる実施形態において、粒子ビーム装置は、追加または代案として、レーザユニットを備える。例として、二次イオンを生成する手段はレーザユニットを含む。レーザユニットは、第１粒子ビームカラムの追加または代替として設けることができ、二次イオンを発生する。
【００５４】
本発明による粒子ビーム装置のさらに別の実施形態によれば、追加または代案として、二次イオンを生成する手段を上記装置のうちの１つの装置に取り付ける。例えば、レーザユニットを上記装置のうちの１つの装置に取り付けてレーザビームが上記装置のうちの少なくとも１つを通過して試料にまで達するようにする。この追加または代案として、二次イオンを生成する手段、例えば、レーザユニットを、分析ユニットに取り付けることができる。
【００５５】
本発明による粒子ビーム装置のさらに別の実施形態において、追加または代案として、第２粒子ビームカラムを設け、第２粒子ビームカラムは、第２粒子ビームを生成する第２ビーム発生器および第２粒子ビームを試料上に集束する第２対物レンズを有する。特に、第２粒子ビームカラムは電子ビームカラムとして構成し、第１粒子ビームカラムをイオンビームカラムとして構成する。この代案として、第２粒子ビームカラムをイオンビームカラムとして構成することができ、第１粒子ビームカラムを電子ビームカラムとして構成することができる。さらなる代替的な実施形態においては、第１粒子ビームカラムおよび第２粒子ビームカラムはどちらもそれぞれイオンビームカラムとして構成する。
【００５６】
以下に、本発明を、例示的な実施形態および図面に基づき、さらに詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】粒子ビーム装置の概略図である。
【図２】図１に示す粒子ビーム装置のさらなる概略図である。
【図３】粒子分析装置の概略側面図である。
【図４】図２に示す試料の領域の概略図である。
【図５Ａ】エネルギー伝達装置の概略図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示すエネルギー伝達装置のさらなる概略図である。
【図５Ｃ】図５Ａに示すエネルギー伝達装置により発生した四重極交流電場の概略図である。
【図６】誘導電位のプロファイルを示す概略図である。
【図７】図５Ｂに示すエネルギー伝達装置の一端部、イオン輸送ユニット、および分析ユニットを示す概略図である。
【図８】図７に示す四重極ディスクの平面図である。
【図９】四重極ディスクの図８におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図１０】イオン輸送ユニットの概略図である。
【図１１】イオン輸送ユニットにおける電位プロファイルの例示的な第１実施形態を示す概略図である。
【図１２】イオン輸送ユニットにおける電位プロファイルの例示的な第２実施形態を示す概略図である。
【図１３】イオン輸送ユニットのさらなる概略図である。
【図１４】イオン輸送ユニットにおける電位プロファイルの例示的な第３実施形態を示す概略図である。
【図１５】蓄積セルの概略図である。
【図１６】さらなる粒子分析装置のさらなる概略側面図である。
【図１７Ａ】図１６に示す粒子分析装置の粒子ビーム装置内における配置を示す概略図である。
【図１７Ｂ】図１６に示す粒子分析装置の粒子ビーム装置内における配置を示すさらなる概略図である。
【図１７Ｃ】図１６に示す粒子分析装置の粒子ビーム装置内における配置を示すさらに別の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
図１は、本発明による粒子ビーム装置の一実施形態を示す概略図である。粒子ビーム装置１は、イオンビームカラムとして構成した第１粒子ビームカラム２、および電子ビームカラムとして構成した第２粒子ビームカラム３を有する。第１粒子ビームカラム２および第２粒子ビームカラム３は、内部に検査対象試料１６を配置した試料チャンバ４９に取り付ける。本発明は、第１粒子ビームカラム２をイオンビームカラムとして構成し、第２粒子ビームカラム３を電子ビームカラムとして構成することに限定されないことを明示的に述べておく。実際には、本発明において、第１粒子ビームカラム２を電子ビームカラムとして構成し、第２粒子ビームカラム３をイオンビームカラムとして構成することもできる。本発明のさらなる実施形態においては、第１粒子ビームカラム２および第２粒子ビームカラム３の両方をイオンビームカラムとして構成する。
【００５９】
図２は、図１に示す粒子ビーム装置１を詳細に示す図である。明瞭に図示するため、試料チャンバ４９は図示していない。イオンビームカラムとして構成した第１粒子ビームカラム２は第１光軸４を有する。さらに、電子ビームカラムとして構成した第２粒子ビームカラム３は第２光軸５を有する。
【００６０】
以下に、まず、電子ビームカラムとして構成した第２粒子ビームカラム３について説明する。第２粒子ビームカラム３は、第２ビーム発生器６、第１電極７、第２電極８、および第３電極９を有する。例として、第２ビーム発生器６は、熱電界エミッタである。第１電極７は抑制電極としての機能し、一方、第２電極８は抽出電極として機能する。第３電極９は陽極であるとともに、ビーム案内管１０の一端部を形成する。第２ビーム発生器６は、第２粒子ビームを電子ビームとして生成する。第２ビーム発生器６から出射された電子は、第２ビーム発生器６と第３電極９との間の電位差により、陽極電位に加速される。この電位差は、例えば、１ｋＶから３０ｋＶまでの範囲内である。電子ビームとしての第２粒子ビームは、ビーム案内管１０を通過し、検査対象の試料１６上に集束される。これについては、以下により詳細に説明する。
【００６１】
ビーム案内管１０は、第１環状コイル１２およびヨーク１３を有するコリメータ装置１１を貫通する。第２ビーム発生器６から試料１６の方向に見て、コリメータ装置１１に続き、ピンホールダイアフラム１４および検出器１５を、ビーム案内管１０内に第２光軸５に沿って配置する。第１検出器は中央開口１７を有する。その後、ビーム案内管１０は、第２対物レンズ１８の孔を貫通する。第２対物レンズ１８により、第２粒子ビームを試料１６上に集束する。この目的のため、第２対物レンズ１８は磁気レンズ１９および静電レンズ２０を有する。磁気レンズ１９には、第２環状コイル２１、内側磁極片２２、および外側磁極片２３を設ける。静電レンズ２０は、ビーム案内管１０の端部２４および終端電極２５を有する。ビーム案内管１０の端部２４は終端電極２５とともに静電減速装置を形成する。ビーム案内管１０の端部２４およびビーム案内管１０は、ともに陽極電位にあり、一方、終端電極２５および試料１６の電位は陽極電位よりも低い。このような構成により、第２粒子ビーム中の電子を、試料１６を検査する際に必要な所望のエネルギーレベルに制動することができる。第２粒子ビームカラム３は、さらに、ラスタ手段２６を有し、このラスタ手段により第２粒子ビームを偏向して、試料１６上をラスタ状に走査することができる。
【００６２】
結像のため、ビーム案内管１０内に配置した検出器１５により、第２粒子ビームと試料１６との間の相互作用により生じる二次電子および／または後方散乱電子を検出する。検出器１５が発生する信号を電子装置（図示せず）に送信し、結像を行う。
【００６３】
試料１６を試料ステージ（図示せず）に配置することにより、試料１６は、互いに直交する３本の軸線（具体的には、ｘ軸線、ｙ軸線、およびｚ軸線）上を移動可能に配置される。さらに、試料ステージは、互いに直行する２本の回転軸を中心に回転させることができる。したがって、試料１６を所望の位置に移動することが可能である。
【００６４】
既述のように、第１粒子ビームカラム２はイオンビームカラムとして構成される。第１粒子ビームカラム２は、イオン源として構成した第１ビーム発生器２７を備える。第１ビーム発生器２７により、第１粒子ビームをイオンビームとして生成する。さらに、第１粒子ビームカラム２には、抽出電極２８およびコリメータ２９を設ける。コリメータ２９に続いて、試料１６の方向に第１光軸４に沿って可変アパーチャ３０を設ける。集束レンズとして構成した第１対物レンズ３１により、第１粒子ビームを試料１６上に集束する。ラスタ電極３２を設けて、第１粒子ビームで試料１６上をラスタ状に走査するようにする。
【００６５】
第１粒子ビームが試料１６に達すると、第１粒子ビームは試料１６の成分と相互作用する。この過程で、第１相互作用粒子、特に、二次イオンが生じ、試料１６から放出される。ここで、これら第１相互作用粒子を粒子分析装置１０００により検出し測定する。
【００６６】
図３は、粒子分析装置１０００の概略側面図である。粒子分析装置１０００は、抽出ユニット１１００として構成した捕集装置、エネルギー伝達装置１２００、イオン輸送装置１３００、および分析ユニット１４００を備える。エネルギー伝達装置は、具体的には、第１相互作用粒子（例えば、二次イオン）から中性ガス粒子にエネルギーを伝達するものである。イオン輸送ユニット１３００および分析ユニット１４００は、連結素子１００１を介して試料チャンバ４９に取り外し可能に取り付ける。このような構成により、異なる分析ユニットを使用することができる。
【００６７】
以下に、粒子分析装置１０００の個々のユニットをより詳細に説明する。
【００６８】
図４は、図２に示す領域、具体的には、試料１６の領域をより詳細に示す概略図である。
図４において、抽出ユニット１１００、および試料１６の領域に配置した第１粒子ビームカラム２の端部を示す。二次イオンは、試料１６から外側に向かう半球領域の全域にわたって放出され、その運動エネルギーは不均一であり、すなわち運動エネルギーは分散している。十分な数の二次イオンを測定できるようにするため、抽出ユニット１１００により二次イオンを粒子分析装置１０００内に注入する。抽出ユニット１１００は、第１中空体として構成した第１引き出し電極１１３６を備える。この第１引き出し電極１１３６には、第１吸入口１１３９および第１キャビティ１１３５を設ける。第２中空体として構成した第２引き出し電極１１３７を第１キャビティ１１３５内に配置する。第２引き出し電極は、第２吸入口１１４０および第２キャビティ１１３８を有する。ここに示した例示的な実施形態において、試料１６の領域に配置した第１粒子ビームカラム２の端部には制御電極４１を設ける。制御電極４１は、第１粒子ビームカラム２を部分的に、または、完全に包囲するように設ける。さらに、制御電極４１は、第１粒子ビームカラム２の外面４３上の凹所４２内に配置される。制御電極４１の外面および第１粒子ビームカラム２の外面４３は連続平面を構成する。しかしながら、本発明による制御電極４１の配置はこのような構成に限定されないことを、明示的に述べておく。実際には、制御電極４１は任意の配置とすることができる。例えば、制御電極を第１粒子ビームカラム２の外面４３上に載置することもできる。
【００６９】
前述したように、図４は概略図であると見なされるべきものである。図４においては、より明瞭に示すため、個々の要素は非常に誇張して図示されている。特に、第１キャビティ１１３５を極小として、特に第２吸入口１１４０と第１吸入口１１３９との間の距離が相当短くなるように（例えば、１ｍｍから１５ｍｍまでの範囲内、特に１０ｍｍとなるように）する。
【００７０】
第１引き出し電極１１３６は、第１抽出電位にある。第１抽出電圧は、第１抽出電位と試料電位との間の第１電位差である。例示的な本実施形態において、接地電位（０Ｖ）を試料電位とするが、試料電位は接地電位に限定されない。実際には、異なる値を取ることもできる。第１抽出電圧と、結果的に、第１抽出電位とは、第１電圧源ユニット１１４４により調節することができる。
【００７１】
第２引き出し電極１１３７も任意の電位、具体的には第２抽出電位にあるようにする。第２抽出電圧は、第２抽出電位と試料電位との間の第２電位差である。第２抽出電圧すなわち第２抽出電位は、第２電圧源ユニット１１４８により設定することができる。第１抽出電位および第２抽出電位は同じ大きさとすることができる。さらなる実施形態において、第１抽出電位および第２抽出電位の大きさは異なるものとする。
【００７２】
さらなる実施形態において、第１引き出し電極１１３６の第１端面１１４１は第１抽出電位にあり、一方、対照的に、第１引き出し電極１１３６のその他の部分はこれとは異なる電位（例えば接地電位）にある。同様に、第２引き出し電極１１３７の第２端面１１４２を第２抽出電位とし、一方、対照的に、第２引き出し電極１１３７のその他の部分はこれとは異なる電位（例えば接地電位）とすることもできる。
【００７３】
制御電極４１も、任意の電位、具体的には制御電極電位にある。制御電極電圧は、制御電極電位と試料電位との間の第３電位差である。制御電極電圧すなわち制御電極電位は、第３電圧源ユニット４６により調節することができる。
【００７４】
第２粒子ビームカラム３の終端電極２５にも、ある程度同様の条件が適用される。終端電極２５は、任意の電位、具体的には終端電極電位にある。終端電極電圧は、終端電極電位と試料電位との間の第４電位差である。終端電極電圧と、結果的に、終端電極電位とは、第４電圧源ユニット４７（図２参照）により調節することができる。
【００７５】
ここで、試料電位、第１抽出電位、第２抽出電位、制御電極電位、および／または終端電極電位を相互に整合して抽出電場を発生させるようにする。これにより、十分な量の第１相互作用粒子が二次イオンとして第１引き出し電極１１３６の第１キャビティ１１３５内の第１吸入口１１３９を通過し、第２引き出し電極１１３７の第２キャビティ１１３８内の第２吸入口１１４０を確実に通過するようにする。
【００７６】
高真空条件を利用して、イオンビームを用いて二次イオンを発生させる。以下により詳細にさらに説明するが、エネルギー伝達装置１２００は低真空条件下で動作し、第１引き出し電極１１３６および第２引き出し電極１１３７はそれぞれ圧段として機能する。第１引き出し電極１１３６の第１吸入口１１３９を大きくすれば、より多くの二次イオンを粒子分析装置１０００に注入することができる。これは第２引き出し電極１１３７の第２吸入口１１４０についても同様である。しかしながら、もし第１吸入口１１３９および／または第２吸入口１１４０が非常に大きいと、圧段として作用する第１引き出し電極１１３６および第２引き出し電極１１３７の効果が低減する。さらに、抽出電場も減少する。これは、抽出電場をさらに増強することにより相殺することができる。しかしながら、この増強により、二次イオンに付加的な運動エネルギーが供給されてしまう。
【００７７】
さらに、第２引き出し電極１１３７を用いて、下流のエネルギー伝達装置１２００に二次イオンをできるだけ集束して導入する。選択する第２抽出電位が高くなるにつれ、第２引き出し電極１１３７の集束効果は増大することがわかった。
【００７８】
既に述べたように、本実施形態において、試料電位は接地電位である。さらに、第１抽出電位および／または第２抽出電位は（−２０）Ｖから（−５００）Ｖの範囲に、制御電極電位は２００Ｖから８００Ｖの範囲に、および／または終端電極電位は（０Ｖ）から（−１２０Ｖ）の範囲にある。
【００７９】
図５Ａおよび図５Ｂは、エネルギー伝達装置１２００の概略図である。以下に、より詳細に説明するように、この装置は二次イオンの輸送にも用いられる。
【００８０】
エネルギー伝達装置１２００は管状容器１２０１を有し、この管状容器は第１容器端部１２０７およびセグメントの領域（排出口）１２０８（第２２セグメント１２０２Ｖ）を有する。これについては以下にさらに説明する。第１長手方向軸線１２０５として構成した輸送軸線に沿って、管状容器１２０１の長手方向の長さは１００ｍｍから５００ｍｍの範囲であり、または２００ｍｍから４００ｍｍの範囲である。例えば、管状容器１２０１の長手方向の長さは３５０ｍｍである。
【００８１】
第１容器端部１２０７は抽出ユニット１１００に連結する。一方、領域１２０８はイオン輸送ユニット１３００上に取り付ける。
【００８２】
管状容器１２０１は第１内部領域１２０６を有する。フレキシブルプリント回路基板を第１内部領域１２０６の一壁部に取り付け、この回路基板を管状容器１２０１の第１長手方向軸線１２０５に沿って多数のセグメントに分割する。具体的には、第１セグメント１２０２Ａ、第２セグメント１２０２Ｂ、第３セグメント１２０２Ｃ、第４セグメント１２０２Ｄ、第５セグメント１２０２Ｅ、第６セグメント１２０２Ｆ、第７セグメント１２０２Ｇ、第８セグメント１２０２Ｈ、第９セグメント１２０２Ｉ、第１０セグメント１２０２Ｊ、第１１セグメント１２０２Ｋ、第１２セグメント１２０２Ｌ、第１３セグメント１２０２Ｍ、第１４セグメント１２０２Ｎ、第１５セグメント１２０２Ｏ、第１６セグメント１２０２Ｐ、第１７セグメント１２０２Ｑ、第１８セグメント１２０２Ｒ、第１９セグメント１２０２Ｓ、第２０セグメント１２０２Ｔ、第２１セグメント１２０２Ｕ、および第２２セグメント１２０２Ｖに分割する。上記の各セグメントはそれぞれ、フレキシブルプリント回路基板上に配置したプリント回路基板電極１２０３を有する。フレキシブルプリント回路基板を形成する材料は非導電性材料である。絶縁素子１２０４はそれぞれ２つのプリント回路基板電極１２０３の間に配置され、非導電性材料により形成される。例として、図５Ａにおいては、図５Ｂに示す第１セグメント１２０２Ａの断面を示す。プリント回路基板電極１２０３および絶縁素子１２０４は、第１内部領域１２０６の全周囲にわたって配置される。
【００８３】
上記セグメント１２０２Ａ〜１２０２Ｖの１つ１つはそれ自体が四重極ユニットに相当し、四重極交流電場を電気的に誘導する。このことは、上記セグメント１２０２Ａ〜１２０２Ｖそれぞれのプリント回路基板電極に電位を印加することにより、各セグメント１２０２Ａ〜１２０２Ｖはそれぞれ四重極交流電場を発生することを意味する。この場合、上記セグメント１２０２Ａ〜１２０２Ｖのそれぞれは、各セグメント１２０２Ａ〜１２０２Ｖの発生する四重極交流電場が同一となるように構成する。図５Ｃは四重極交流電場の概略図であり、第１セグメント１２０２Ａの等電位線を示す。
【００８４】
特に、フレキシブルプリント回路基板の個々の素子は、フレキシブルプリント回路基板内にあらかじめ配置された導体トラックにより接続される。このように、接続は簡素な形式となっている。
【００８５】
ここで、本発明は、フレキシブルプリント回路基板を使用することに限定されないことを明示的に述べておく。実際には、本発明において、複数のフレキシブルプリント回路基板を用いることもできる。例えば、上記セグメント１２０２Ａ〜１２０２Ｖのそれぞれまたは全てをフレキシブルプリント回路基板により構成することもできる。
【００８６】
管状容器１２０１の第１内部領域１２０６は円形であり、コア径ＫＲを有する。コア径ＫＲは、例えば、２ｍｍから５０ｍｍの範囲にあり、または８ｍｍから２０ｍｍの範囲にあり、または９ｍｍから１２ｍｍの範囲にある。例として、コア径ＫＲを１５ｍｍ、１０ｍｍ、９、ｍｍ、または８ｍｍとする。
【００８７】
上記セグメント１２０２Ａ〜１２０２Ｖは、それぞれ、第１長手方向軸線１２０５方向に長手方向の長さを有し、この長さはコア径ＫＲにほぼ相当するものとすることができる。前述のように、各セグメントの長さはコア径に適応させる必要がある。上述のようにプリント回路基板電極１２０３を配置することにより、棒電極を用いる従来のシステムに比べ、コア径ＫＲを増大することができる。
【００８８】
管状容器１２０１の第１内部領域１２０６には、ガス粒子を有するガスが充填されている。第１内部領域１２０６内のガスの分圧は、図示しない供給装置により調節することができる。
【００８９】
抽出ユニット１１００から管状容器１２０１の第１内部領域１２０６に入射する二次イオンは、ガス粒子に衝突することによりその運動エネルギーの一部をガス粒子に伝達する。これにより、二次イオンのエネルギーが減少し、二次イオンは制動される。衝突速度を十分高くしてエネルギーを減少させるため、管状容器１２０１の第１内部領域１２０６を、例えば、約５×１０−３ｍｂａｒ（５×１０−１Ｐａ）の低真空とする。管状容器１２０１の第１内部領域１２０６内におけるガスの分圧が高いほど、衝突速度が高くなり、したがって二次イオンからガス粒子にエネルギーを伝達する能力も高くなる。第１容器端部１２０７から領域１２０８まで管状容器１２０１を通過した後、二次イオンは熱エネルギーのみを持つことになるはずである。
【００９０】
さらなる実施形態において、追加または代案として、抽出ユニット１１００から管状容器１２０１の第１内部領域１２０６に入射する二次イオンは、中性ガス粒子に衝突して断片化し、したがって、二次イオンのエネルギーは同様に減少する。この過程によっても二次イオンは制動される。
【００９１】
上述のように、二次イオンの運動エネルギーを、一方では径方向成分に分割し、他方では軸方向成分に分割することができる。径方向成分により、二次イオンは、管状容器１２０１の第１長手方向軸線１２０５に対して放射状に分散される。この分散を四重極交流電場により減少させる。四重極交流電場により、二次イオンは、第１長手方向軸線１２０５を中心とする小半径内に、管状容器１２０１の第１長手方向軸線１２０５に沿って蓄積する。より正確には、二次イオンがガス粒子と衝突すること、および／または上記のように断片化することにより、運動エネルギーの径方向成分が減少し、その結果、上記のマクロ振動の振幅が減少し、二次イオンは管状容器１２０１の第１長手方向軸線１２０５上に集束する。
【００９２】
運動エネルギーの軸方向成分により、二次イオンは管状容器１２０１の第１長手方向軸線１２０５に沿ってイオン輸送ユニット１３００に向かい管状容器１２０１を確実に通過する。上記の衝突および／または上記の断片化によっても軸方向運動エネルギーは減少するが、しかしながら、その結果として二次イオンのうちのいくつかはエネルギーが不十分となり管状容器１２０１を完全に通過することができなくなる。したがって、上記セグメント１２０２Ａ〜１２０２Ｖのそれぞれを第２電子回路（図５Ｂ参照）に接続し、管状容器１２０１の第１長手方向軸線１２０５に沿って、第１長手方向軸線１２０５上の各点において設けた点に関連する誘導電位（guiding potentialによる誘導電位勾配を生成するようにする。誘導電位勾配により、二次イオンは第１長手方向軸線１２０５に沿って管状容器１２０１の領域１２０８へ向かい軸方向に移動する。誘導電位勾配は、誘導電位が領域１２０８へ向かって連続的に減少するように構成され、領域１２０８内に電位井戸を有する。図６に、誘導電位１２１２のプロファイルを示す。このグラフにおいて、誘導電位１２１２を、第１長手方向軸線１２０５における位置の関数として示す。経時的に一定の、個々に異なる電位を、輸送軸線（この場合は、第１長手方向軸線１２０５）に沿って配置された上記のセグメント１２０２Ａ〜１２０２Ｖのそれぞれのプリント回路基板電極に印加する。これは、図６におけるセグメント電位１２１１の階段状プロファイルにより示される。この階段状プロファイルは、実質的に誘導電位１２１２のプロファイルとなる。誘導電位１２１２は管状容器１２０１の第１容器端部１２０７において最大であり、領域１２０８へ向かって連続的に減少する。管状容器１２０１の領域１２０８には電位井戸１２１０が設けられる。二次イオンは管状容器１２０１を通過し、この過程でそのエネルギーをガス粒子に伝達して、最後に電位井戸１２１０に滞留する。電位井戸１２１０は別の箇所に設けることもできることを明示的に述べておく。例えば、さらなる例示的な実施形態において、電位井戸１２１０を、イオン輸送ユニット１３００の領域において、領域１２０８の後方に設ける。ここでの唯一の重要な要素は、二次イオンが管状容器１２０１を通過する際にそのエネルギーを伝達し、電位井戸１２１０に滞留するという点のみである。
【００９３】
マクロ振動の振幅は、二次イオンからガス粒子へ十分に多量のエネルギーを伝達することにより減少することができる。一方、ミクロ振動の振幅は、上記セグメント１２０２Ａ〜１２０２Ｖのそれぞれの四重極交流電場の周波数を増加させることにより減少することができる。しかしながら、四重極交流電場の周波数を増加すると、管状容器１２０１内で二次イオンに作用する復元力が減少し、その結果、管状容器１２０１内に二次イオンを確実に蓄積するためには四重極交流電場の振幅を増加させる必要がある。
【００９４】
図７に領域１２０８を示す。この場合、上記セグメント１２０２Ａ〜１２０２Ｖは、本実施形態において、管状容器１２０１の内壁にすぐ隣接しないように配置する。図７に示すように、第１四重極ディスク（多重極ユニット）１３０１を領域１２０８に配置する。第１四重極ディスク１３０１は複合双曲的である。これは、複数の双曲的なプリント回路基板電極を備えていることを意味する。この代案として、プリント回路基板電極を半円形とする。第１四重極ディスク１３０１はディスク状に構成される。ディスク状に構成した実施形態とは、双曲的なプリント回路基板電極を、（第１長手方向軸線１２０５または第２長手方向軸線１３０７として構成した）輸送軸線に対して直角に配置した平面構造とすることを意味する。第１四重極ディスク１３０１は、輸送軸線に沿って所定の長さを有する。これについては、以下においてさらに詳細に説明する。ここに記載した例示的な実施形態において、第１四重極ディスク１３０１には１２の双曲的なプリント回路基板電極を設ける。図８は、第１四重極ディスク１３０１の平面図である。第１四重極ディスク１３０１は、第１双曲プリント回路基板電極１３０３Ａ、第２双曲プリント回路基板電極１３０３Ｂ、第３双曲プリント回路基板電極１３０３Ｃ、第４双曲プリント回路基板電極１３０３Ｄ、第５双曲プリント回路基板電極１３０３Ｅ、第６双曲プリント回路基板電極１３０３Ｆ、第７双曲プリント回路基板電極１３０３Ｇ、第８双曲プリント回路基板電極１３０３Ｈ、第９双曲プリント回路基板電極１３０３Ｉ、第１０双曲プリント回路基板電極１３０３Ｊ、第１１双曲プリント回路基板電極１３０３Ｋ、および第１２双曲プリント回路基板電極１３０３Ｌを有する。上述したように、上記のプリント回路基板電極１３０３Ａ〜１３０３Ｌはすべて双曲的である。本明細書における以上および以下の記載において、電極が双曲的であるということは、（この場合は、プリント回路基板電極１３０３Ａ〜１３０３Ｌのうち）、互いに対向して配置され、輸送軸線（この場合は第２長手方向軸線１３０７）から頂点までの距離が等しい２つの双曲電極（例えば、第１双曲プリント回路基板電極１３０３Ａおよび第３双曲プリント回路基板電極１３０３Ｃ）が、次の双曲方程式を満たすことを意味する。
【００９５】
【数３】
2011171296.tif 000005
【００９６】
ここで、ｘおよびｙはデカルト座標であり、ａおよびｂは各電極の頂点と輸送軸線との間の距離である。隣接するプリント回路基板電極は、例えば図８に示す第２双曲プリント回路基板電極１３０３Ｂ、第６双曲プリント回路基板電極１３０３Ｆ、および第１０双曲プリント回路基板電極１３０３Ｊのように、絶縁層１３０４により互いに絶縁される。一方、上記のさらなるプリント回路基板電極１３０３Ａ，１３０３Ｅ，１３０３Ｉ，１３０３Ｃ，１３０３Ｇ，１３０３Ｋ，１３０３Ｄ，１３０３Ｈおよび１３０３Ｌのそれぞれについても同様の条件下にある。さらに、隣接する双曲プリント回路基板電極を、例えば、容量分圧器（図示せず）により駆動し、四重極交流電場を発生させるようにする。しかしながら、本発明は、容量分圧器を用いることに限定されない。実際には、任意の適切な駆動機構を用いることができ、例えば、それぞれの場合において、双曲プリント回路基板電極１３０３Ａ〜１３０３Ｌのそれぞれに電源ユニットを１つ設けて駆動することができる。
【００９７】
第１四重極ディスク１３０１は、第１貫通口１３０２を有する。第１貫通口は、第１双曲プリント回路基板電極１３０３Ａの頂点、第２双曲プリント回路基板電極１３０３Ｂの頂点、第３双曲プリント回路基板電極１３０３Ｃの頂点、および第４双曲プリント回路基板電極１３０３Ｄの頂点により境界される。第１四重極ディスク１３０１にプリント回路基板を用いることは、製造が容易なため、特に有利である。例えば、第１貫通口１３０２は容易に作製でき、例えば、プリント回路基板を圧延することにより作製できる。第１貫通口１３０２の長さは輸送軸線に対して径方向にあり、輸送軸線は第１貫通口１３０２の第２長手方向軸線１３０７として管状容器１２０１の第１長手方向軸線１２０５に対して延在する。この長さは、この場合、上記の頂点のうち互いに対向して配置された２つの点の間の距離であり、長さの範囲は、次の範囲、すなわち、０．２ｍｍから１０ｍｍ、０．２ｍｍから５ｍｍ、または０．２ｍｍから１ｍｍの範囲のうちの少なくとも１つである。
【００９８】
第１双曲プリント回路基板電極１３０３Ａ、第２双曲プリント回路基板電極１３０３Ｂ、第３双曲プリント回路基板電極１３０３Ｃ、および第４双曲プリント回路基板電極１３０３Ｄは、第１貫通口１３０２の第２長手方向軸線１３０７から等しい径方向距離にあり、それぞれ第１貫通口１３０２の第２長手方向軸線１３０７から第１径方向距離にある。この場合、本明細書における以上および以下の記載において、径方向距離は、各双曲プリント回路基板電極の第２長手方向軸線１３０７に最近接する頂点と第１貫通口１３０２の第２長手方向軸線１３０７との間の距離により規定される。さらに、第５双曲プリント回路基板電極１３０３Ｅ、第６双曲プリント回路基板電極１３０３Ｆ、第７双曲プリント回路基板電極１３０３Ｇ、および第８双曲プリント回路基板電極１３０３Ｈは、第１貫通口１３０２の第２長手方向軸線１３０７から等しい径方向距離にあり、それぞれ第１貫通口１３０２の第２長手方向軸線１３０７から第２径方向距離にある。さらに、第９双曲プリント回路基板電極１３０３Ｉ、第１０双曲プリント回路基板電極１３０３Ｊ、第１１双曲プリント回路基板電極１３０３Ｋ、および第１２双曲プリント回路基板電極１３０３Ｌは第１貫通口１３０２の第２長手方向軸線１３０７から等しい径方向距離にあり、それぞれ第１貫通口１３０２の第２長手方向軸線１３０７から第３径方向距離にある。第１径方向距離は第２径方向距離よりも小さい。同様に、第２径方向距離は、第３径方向距離よりも小さい。
【００９９】
図９は、第１四重極ディスク１３０１の図８におけるＡ−Ａ線断面図である。図９において、第１双曲プリント回路基板電極１３０３Ａおよび第３双曲プリント回路基板電極１３０３Ｃを概略的に示す。第１四重極ディスク１３０１は、第１外面１３０５および第２外面１３０６を有する。第１外面１３０５および第２外面１３０６は互いに離間し、第１外面１３０５と第２外面１３０６との間の距離Ａ１の範囲は、次の範囲、すなわち、１ｍｍから５０ｍｍ、１ｍｍから４０ｍｍ、１ｍｍから３０ｍｍ、１ｍｍから２０ｍｍ、または１ｍｍから５ｍｍまでの範囲のうちの１つである。明確に図示はしないが、上記の双曲的プリント回路基板電極１３０３Ａ〜１３０３Ｌはそれぞれ第１外面１３０５により形成される平面上に配置され、第１外面１３０５から第２外面１３０６にわたり延設することができる。
【０１００】
図７からわかるように、第１四重極ディスク１３０１に続いて、ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａおよびディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂを設ける。この場合、上記の各四重極デバイスおよび以下においても説明する各四重極デバイスをディスク状とした実施形態とすることは、以下においても説明する電極デバイスが平面構造により形成され、この平面構造は輸送軸線（この場合は第２長手方向軸線１３０７）に対して直角に配置されていることを意味する。ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａおよびディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂは、それぞれ、４つの双曲電極デバイスを有する。例示的な本実施形態において、それぞれが四重極交流電場を発生する。この代案として、電極デバイスを半円形とする。ガス吸入口１３０９をディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａおよびディスク状の第２四重極デバイス１３０３Ｂと同じ高さに設け、このガス吸入口１３０９からガスが流入し、既に説明したように二次イオンと相互作用する。ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａおよびディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂは、どちらも第１貫通口１３０２に相当する貫通口を有する。
【０１０１】
第１四重極ディスク１３０１とディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａとの間の第１中間領域１３１０、およびディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａとディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂとの間の第２中間領域１３１１は密閉されておらず、したがって、ガスを分散させることができ、特に、上記セグメント１２０２Ａ〜１２０２Ｖを配置した領域までガスを分散させることができる。
【０１０２】
第１四重極ディスク１３０１、ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａ、およびディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂは、一方で、エネルギー伝達装置１２００の一部である。このことは、第１四重極ディスク１３０１、ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａ、およびディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂの領域においても二次イオンからのエネルギーを中性ガス粒子に伝達することができることを意味する。しかしながら、他方では、以下により詳細にさらに説明するように、第１四重極ディスク１３０１、ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａは、イオン輸送ユニット１３００の一部でもある。
【０１０３】
第１四重極ディスク１３０１は少なくとも２つの機能を有する。一方では、第１四重極ディスク１３０１に適切な電位（以下、本明細書においてはミラー電位と称する）を印加することができる。これにより、熱エネルギーにまで制動されていない二次イオンを第１四重極ディスク１３０１から管状容器１２０１に反射して、二次イオンを管状容器１２０１に再度通過させることができる。ここで、再度、管状容器１２０１内でガス粒子との衝突が起こり、その結果、これらの反射された二次イオンはエネルギーをさらに中性ガス粒子に伝達する。上記の誘導電位により、二次イオンは領域１２０８の方へ確実に再度輸送される。二次イオンが熱エネルギーに達すると、ミラー電位の印加を速やかに停止する。
【０１０４】
他方では、第１四重極ディスク１３０１により二次イオンを第２長手方向軸線１３０７上に集束する。電位パルスを用いて、上記の電位井戸１２１０に蓄積された二次イオンを導電電位にて第１貫通口１３０２まで上昇させることもできる。代替的な実施形態においては、上記電位井戸１２１０を、第１四重極ディスク１３０１、ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａ、およびディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂの領域に形成する。
【０１０５】
第１四重極ディスク１３０１により、二次イオンを蓄積する四重極交流電場が確実に利用可能となり、二次イオンが第２長手方向軸線１３０７の領域に放射状に集束される。例として、二次イオンは、第２長手方向軸線１３０７を中心とする、例えば、０．２ｍｍから５ｍｍの範囲にある小半径内に集束される。この小半径は、第１貫通口１３０２の径方向長さにほぼ相当する。その結果、第１四重極ディスク１３０１により、コア径が非常に大きい二次イオンの第１案内システム（例示的な本実施形態において、例えば、コア径が５ｍｍから１５ｍｍの範囲にある管状容器１２０１）とコア径が比較的小さい（例えば、０．１ｍｍから５ｍｍの範囲にある）第２案内システム（以下により詳細に説明する）との間で移動させることができ、二次イオンが第１四重極ディスク１３０１において反射して管状容器１２０１に意図せず戻ってしまうことや、第１四重極ディスク１３０１で中性化されてしまうことはない。さらに、第１四重極ディスク１３０１により、二次イオンの運動エネルギーの軸方向成分が二次イオンの運動エネルギーの径方向成分に変換されてしまうのを防ぐ。
【０１０６】
二次イオンが第１四重極ディスク１３０１の上記の双曲プリント回路基板電極１３０３Ａ〜１３０３Ｄの１つに衝突することに起因する二次イオンの損失を防ぐため、マクロ振動の振幅とミクロ振動の振幅の合計である全振動振幅が、第１貫通口１３０２の半径を超えないようにしなければならない。そうしないと、第１四重極ディスク１３０１にミラー電位が印加され、上述したように、二次イオンが熱エネルギーとなるまで管状容器１２０１を再度通過する。第１貫通口１３０２は、熱エネルギーを有する二次イオンが第１四重極ディスク１３０１の上記双曲プリント回路基板電極１３０３Ａ〜１３０３Ｄのうちの１つに衝突することなく第１貫通口１３０２を通過できるように設計する。
【０１０７】
既に説明したように、図６に示す電位井戸１２１０を異なる箇所に設けることもできる。たとえば、さらなる例示的な実施形態においては、イオン輸送ユニット１３００の領域内において、電位井戸１２１０を領域１２０８の後方に配置する。例として、電位井戸１２１０を、第１四重極ディスク１３０１、ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａ、およびディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂの領域に形成する。この場合、例として、ディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂには終端電位を印加し、これにより電位井戸を生成する。この電位井戸は、例えば、電位井戸１２１０の一部である。
【０１０８】
図７からわかるように、第２四重極ディスク１３１２はディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂに隣接し、第１四重極ディスク１３０１と実質的に同一となるように構成する。しかしながら、このような構成とすることは必要不可欠ではない。実際には、さらなる実施形態においては、第２四重極ディスク１３１２を、例えば、ディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂと同様の構成とする。第２四重極ディスク１３１２により、第２四重極ディスク１３１２内の第２貫通口１３２１を貫通する第２長手方向軸線１３０７上に二次イオンを集束する。第２貫通口１３２１は第１貫通口１３０２よりも小さい。例として、第２貫通口１３２１の大きさは、０．４ｍｍから２ｍｍの範囲である。
【０１０９】
上述したように、二次イオンから十分な量のエネルギーをガス粒子に伝達することにより、マクロ振動の振幅を減少することができる。一方、ミクロ振動の振幅は、四重極交流電場の周波数を増加させることにより、減少することができる。しかしながら、四重極交流電場の周波数を増加すると、二次イオンに作用する復元力が減少し、その結果、二次イオンを確実に蓄積するためには四重極交流電場の振幅を増加させる必要がある。個々のコア径とコア径との間において周波数が急変するのを抑制するため、有利には、コア径を２段階で（具体的には、一方では第１四重極ディスク１３０１により、また他方では第２四重極ディスク１３１２により）減少させる。
【０１１０】
ディスク状の第３四重極デバイス１３１３Ａ、ディスク状の第４四重極デバイス１３１３Ｂ、ディスク状の第５四重極デバイス１３１３Ｃ、ディスク状の第６四重極デバイス１３１３Ｄ、ディスク状の第７四重極デバイス１３１３Ｅ、ディスク状の第８四重極デバイス１３１３Ｆ、およびディスク状の第９四重極デバイス１３１３Ｇを、第２長手方向軸線１３０７に沿って、第２四重極ディスク１３１２に続いて設ける。上記のディスク状の各四重極デバイス１３１３Ａ〜１３１３Ｇはそれぞれ第２貫通口１３２１と同一の貫通口を有する。
【０１１１】
ディスク状の第３四重極デバイス１３１３Ａ、ディスク状の第４四重極デバイス１３１３Ｂ、ディスク状の第５四重極デバイス１３１３Ｃ、ディスク状の第６四重極デバイス１３１３Ｄ、ディスク状の第７四重極デバイス１３１３Ｅ、ディスク状の第８四重極デバイス１３１３Ｆ、およびディスク状の第９四重極デバイス１３１３Ｇは、それぞれ、第１電極デバイス、第２電極デバイス、第３電極デバイス、および第４電極デバイスを有する。第１電極デバイス、第２電極デバイス、第３電極デバイス、および第４電極デバイスは全て双曲的である。上記のディスク状の各四重極デバイス１３１３Ａ〜１３１３Ｇは、それぞれに関連付けられた電極デバイスにより四重極交流電場を発生させる。
【０１１２】
第１四重極ディスク１３０１、第２四重極ディスク１３１２、ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａ、ディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂ、および、ディスク状の第３四重極デバイス１３１３Ａからディスク状の第９四重極デバイス１３１３Ｇは、イオン輸送ユニット１３００の一部であり、これについては以下により詳細にさらに説明する。さらに、第２四重極ディスク１３１２、およびディスク状の第３四重極デバイス１３１３Ａからディスク状の第９四重極デバイス１３１３Ｇは、また一方では、圧段の一部であり、これについては以下に説明する。
【０１１３】
第１四重極ディスク１３０１、ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａ、ディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂ、および第２四重極ディスク１３１２の領域は、二次イオンが衝突によりエネルギーを中性ガス粒子に伝達することができるような十分に高いガス圧が依然存在する。
【０１１４】
第２四重極ディスク１３１２、ディスク状の第３四重極デバイス１３１３Ａ、およびディスク状の第４四重極デバイス１３１３Ｂは、密閉システムとして構成する。この目的のため、第２四重極ディスク１３１２とディスク状の第３四重極デバイス１３１３Ａとの間の第３中間領域１３１４、およびディスク状の第３四重極デバイス１３１３Ａとディスク状の第４四重極デバイス１３１３Ｂとの間の第４中間領域１３１５はシールにより密閉する。このシールは必要に応じて構成することができる。例として、シールはＯリングとして構成し、および／または電気的に絶縁とする。さらに、例えば、電荷を防ぐため、シールの自由内径は第２貫通口１３２１より大きくすることができる。
【０１１５】
ディスク状の第７四重極デバイス１３１３Ｅ、ディスク状の第８四重極デバイス１３１３Ｆ、およびディスク状の第９四重極デバイス１３１３Ｇも、同様に、密閉システムとして構成する。この目的のため、ディスク状の第７四重極デバイス１３１３Ｅとディスク状の第８四重極デバイス１３１３Ｆとの間の第８中間領域１３１９、およびディスク状の第８四重極デバイス１３１３Ｆとディスク状の第９四重極デバイス１３１３Ｇとの間の第９中間領域１３２０はシールにより密閉する。シールに関する上記の説明をここにも適用する。
【０１１６】
ディスク状の第４四重極デバイス１３１３Ｂとディスク状の第５四重極デバイス１３１３Ｃとの間に、排出チャネルとして構成した第５中間領域１３１６を配置する。さらに、ディスク状の第５四重極デバイス１３１３Ｃとディスク状の第６四重極デバイス１３１３Ｄとの間に、同様に排出チャネルとして構成した第６中間領域１３１７を配置する。ディスク状の第６四重極デバイス１３１３Ｄとディスク状の第７四重極デバイス１３１３Ｅとの間に、排出チャネルとして構成した第７中間領域１３１８を配置する。上記の各排出チャネルは、チャネル１３２９を介してポンプユニット（図示せず）に連結する。この構成は、ガス粒子が管状容器１２０１からイオン輸送ユニット１３００に侵入するときに特に有利である。ガス粒子は、その後、上記の各排出チャネルを経由してポンプユニットにより除去され、分析ユニット１４００にはガス粒子が実質的に侵入しないようにする。
【０１１７】
さらに、上記のディスク状の各四重極デバイス１３１３Ａ〜１３１３Ｇは、それぞれプリント回路基板で形成する。
【０１１８】
第２貫通口１３２１の大きさの範囲は、次の範囲、すなわち、０．４ｍｍから１０ｍｍ、０．４ｍｍから５ｍｍ、または０．４ｍｍから２ｍｍの範囲のうちの１つである。
【０１１９】
第２四重極ディスク１３１２および上記のディスク状の各四重極デバイス１３１３Ａ〜１３１３Ｇを上記のように配置して圧段を分割して四重極交流電場を発生させることにより、一方では、二次イオンを第２長手方向軸線１３０７周囲の小領域に確実に集束することができ、他方では、良好な圧段特性を確実に得ることができる。圧段は、実質的にイオン輸送ユニット１３００の大部分にわたって広がる。
【０１２０】
イオン輸送ユニット１３００の全ての素子も、さらなる機能を持ち、その機能について以下に説明する。
【０１２１】
図１０も同様にイオン輸送ユニット１３００の上記素子の概略断面図である。第１四重極ディスク１３０１、第２四重極ディスク１３１２、およびディスク状の各四重極デバイス１３０８Ａ，１３０８Ｂおよび１３１３Ａ〜１３１３Ｇには、電子回路１３２４によりそれぞれ個々に電位を印加する。第１四重極ディスク１３０１には、したがって、第１電位を印加し、第２四重極ディスク１３１２には第２電位を印加し、ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａには第３電位を印加し、ディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂには第４電位を印加し、ディスク状の第３四重極デバイス１３１３Ａには第５電位を印加し、ディスク状の第４四重極イス１３１３Ｂには第６電位を印加し、ディスク状の第５四重極デバイス１３１３Ｃには第７電位を印加し、ディスク状の第６四重極デバイス１３１３Ｄには第８電位を印加し、ディスク状の第７四重極デバイス１３１３Ｅには第９電位を印加し、ディスク状の第８四重極デバイス１３１３Ｆには第１０電位を印加し、ディスク状の第９四重極デバイス１３１３Ｇには第１１電位を印加する。第１電位〜第１１電位は個々に設定することができる。
【０１２２】
上記の個々に調節可能な第１電位〜第１１電位のほか、イオン輸送ユニット１３００に発生させた四重極交流電場により、熱エネルギーに制動された二次イオンを、この二次イオンに運動エネルギーを特に供給せずとも、分析ユニット１４００に輸送することができる。この目的のため、電位井戸が生成されるように、個々の四重極交流電場および印加する調節可能な第１電位〜第１１電位を設定する。ここで、この設定および輸送について、複数の例示的な実施形態に基づき説明する。
【０１２３】
まず、図１１に、第１四重極ディスク１３０１、第２四重極ディスク１３１２、ディスク状の四重極デバイス１３０８Ａ，１３０８Ｂ、および１３１３Ａ〜１３１３Ｇの概略図を示す。また、さらなるディスク状の四重極デバイス、具体的には、ディスク状の第１０四重極デバイス１３１３Ｈ、ディスク状の第１１四重極デバイス１３１３Ｉ、ディスク状の第１２四重極デバイス１３１３Ｊ、ディスク状の第１３四重極デバイス１３１３Ｋ、およびディスク状の第１４四重極デバイス１３１３Ｌを設ける。上記のディスク状の四重極デバイス１３１３Ｈ〜１３１３Ｌには、それぞれ、電子回路、例えば、電子回路１３２４により個々に電位を印加する。ディスク状の第１０四重極デバイス１３１３Ｈには、したがって、第１２電位を印加し、ディスク状の第１１四重極デバイス１３１３Ｉには第１３電位を印加し、ディスク状の第１２四重極デバイス１３１３Ｊには第１４電位を印加し、ディスク状の第１３四重極デバイス１３１３Ｋには第１５電位を印加し、ディスク状の第１４四重極デバイス１３１３Ｌには第１６電位を印加する。この第１２電位〜第１６電位は個々に設定することができる。これは、イオン輸送ユニット１３００は、図７に示すユニットよりも多くのユニットまたは少ないユニットを常に有することができることを示すことを意図したものである。ディスク状の第１４四重極デバイス１３１３Ｌに続いて分析ユニット１４００を設ける。分析ユニットは、例えば、イオン輸送ユニット１３００に取り外し可能に取り付ける。しかしながら、以下に説明するように、これらの実施形態は全て常に同様に動作する。
【０１２４】
上述したように、第１電位〜第１６電位は個々に設定することができる。この目的のため、四重極ディスク１３０１，１３１２およびディスク状の四重極デバイス１３０８Ａ，１３０８Ｂおよび１３１３Ａ〜１３１３Ｌにそれぞれ対応する電位を個々に印加する。例として、第１電位〜第１６電位が互いに異なるように設定する。また、第１電位値から第２電位値に切り替えを行う際は、例えば、帯電プロセスを利用して調整処理も行う。調整処理により、イオン輸送ユニット１３００内に特定の電位プロファイルを形成することができる。図１１ａ〜図１１ｈに、イオン輸送ユニット１３００における全電位の時間プロファイルを示す。この全電位は第１電位〜第１６電位により構成される。図１１ａは、時間的に最初の全電位の瞬時記録を示し、図１１ｈは時間的に最新の全電位の瞬時記録を示す。このグラフにおいて、各電位は第２長手方向軸線１３０７上の位置の関数として表される。参照符号１３２５にて示す階段状電位プロファイルは、全電位のプロファイルの一瞬間を考慮した際に発生するものである。参照符合１３２６は理想電位プロファイルを示す。第１電位〜第１６電位をそれぞれ切り替えて、図示した全電位のプロファイルを形成するようにする。ここに示す例示的な実施形態における最大全電位は数ボルトの範囲、例えば、２Ｖから３Ｖの範囲にある。まず、図１１ａに電位井戸を示し、電位井戸の左歯面１３２７は、熱エネルギーのみをまだ有している二次イオンを第１四重極ディスク１３０１の領域から電位井戸に落下させることができるように構成する。右歯面１３２８は、ディスク状の第１１四重極デバイス１３１３Ｉおよびディスク状の第１２四重極デバイス１３１３Ｊの領域に設け、二次イオンが電位井戸の右歯面１３２８から出られないように十分な傾斜を持つように構成する。左歯面１３２７はまた、この領域のガス圧がまだ十分に高く二次イオンが衝突により中性ガス粒子にエネルギーを伝達できる場合にも、二次イオンが電位井戸から出られないような構成とする。このような構成により、二次イオンが電位井戸から出られないようにする。図１１に示す状態を、ここで、所定時間（例えば、約数ミリ秒の間）維持する。この所定時間（蓄積時間）の間に、二次イオンを電位井戸内に捕集（二次イオンを蓄積）する。第１電位〜第６電位をここで切り替え、左歯面１３２７が右歯面１３２８に向かって移動させる（図１１ｂ〜図１１ｈ）。その結果、電位井戸は最も狭くなる。このように左歯面１３２７が移動することにより、二次イオンも同様に右歯面１３２８の方へ強制的に移動する。このようにして、二次イオンをイオン輸送ユニット１３００内に輸送する。第１電位〜第１６電位をここで切り替えて、左歯面１３２７と右歯面１３２８を第２長手方向軸線１３０７に沿って移動させ、電位井戸内の二次イオンが分析ユニット１４００のすぐ手前まで移動するようにする。
【０１２５】
図１２に、二次イオンのイオン輸送ユニット１３００内への輸送のさらなる例示的な実施形態を示す。図１２は図１１に基づいているため、まずは上記の記載を参照されたい。図１２ａ〜図１２ｈに、イオン輸送ユニット１３００における全電位の時間プロファイルを示す。この全電位は、第１電位〜第１６電位により構成される。図１２ａは時間的に最初の全電位の瞬時記録を示し、図１２ｈは時間的に最新の全電位の瞬時記録を示す。最大全電位は、この場合も、数ボルトの範囲、例えば、２Ｖから３Ｖの範囲にある。まず、図１２ａに電位井戸を示し、電位井戸の左歯面１３２７は、熱エネルギーのみをまだ有している二次イオンを第１四重極ディスク１３０１の領域から電位井戸に落下させることができるように構成する。右歯面１３２８は、ディスク状の第３四重極デバイス１３１３Ａの領域およびディスク状の第４四重極デバイス１３１３Ｂ領域に設け、二次イオンが電位井戸の右歯面１３２８から出られないように十分な傾斜を持つように構成する。左歯面１３２７も、この領域のガス圧がまだ十分に高く二次イオンが衝突により中性ガス粒子にエネルギーを伝達できる場合にも、二次イオンが電位井戸から出られないような構成とする。このような構成により、二次イオンが電位井戸から出られないようにする。図１１ａとは対照的に、図１２ａに示す電位井戸は大幅に狭くなっている。図１２ａの状態を、ここで、所定時間（例えば、約数ミリ秒の間）維持する。この所定時間（蓄積時間）の間に、二次イオンを電位井戸内に捕集（二次イオンを蓄積）する。第１電位〜第１６電位をここで切り替え、左歯面１３２７と右歯面１３２８を第２長手方向軸線１３０７に沿って移動させる（図１２ｂ〜図１２ｈ）。したがって、二次イオンが蓄積した電位井戸も移動する。このように左歯面１３２７および右歯面１３２８が移動することにより、二次イオンは分析ユニット１４００の方へ強制的に移動する。このようにして、二次イオンをイオン輸送ユニット１３００内に輸送する。二次イオンが分析ユニット１４００のすぐ手前に位置するまで、左歯面１３２７および右歯面１３２８は移動を続ける。
【０１２６】
さらなる実施形態において、図１３に概略的に示すように、イオン輸送ユニット１３００内の各ユニットを並列に接続する。例示的な本実施形態において、第１四重極ディスク１３０１、ディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂ、ディスク状の第３四重極デバイス１３１３Ａ、ディスク状の第５四重極デバイス１３１３Ｃ、ディスク状の第７四重極デバイス１３１３Ｅ、およびディスク状の第９四重極デバイス１３１３Ｇを並列に接続する。さらに、ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａ、第２四重極ディスク１３１２、ディスク状の第４四重極デバイス１３１３Ｂ、ディスク状の第６四重極デバイス１３１３Ｄ、およびディスク状の第８四重極デバイス１３１３Ｆを並列に接続する。その他の実施形態においては、その他の並列回路、特に互いに相当距離を隔てた四重極デバイスの並列回路を設けることを明示的に述べておく。
【０１２７】
並列接続に関するさらなる例示的な実施形態を図１４に示す。図１４は図１１に基づいているため、まずは上記の記載を参照されたい。図１４ａ〜図１４ｈに、イオン輸送ユニット１３００における全電位の時間プロファイルを示す。この全電位は、第１電位〜第１６電位により構成される。図１４ａは時間的に最初の全電位の瞬時記録を示し、図１４ｈは時間的に最新の全電位の瞬時記録を示す。最大全電位は、この場合も、数ボルトの範囲、例えば、２Ｖから３Ｖの範囲にある。図１４に示す例示的な実施形態において、並列接続するのは、次の各ユニット、すなわち、第１四重極ディスク１３０１およびディスク状の第７四重極デバイス１３１３Ｅ、ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａおよびディスク状の第８四重極デバイス１３１３Ｆ、ディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂおよびディスク状の第９四重極デバイス１３１３Ｇ、第２四重極ディスク１３１２およびディスク状の第１０四重極デバイス１３１３Ｈ、ディスク状の第３四重極デバイス１３１３Ａおよびディスク状の第１１四重極デバイス１３１３Ｉ、ディスク状の第４四重極デバイス１３１３Ｂおよびディスク状の第１２四重極デバイス１３１３Ｊ、ディスク状の第５四重極デバイス１３１３Ｃおよびディスク状の第１３四重極デバイス１３１３Ｋ、およびディスク状の第６四重極デバイス１３１３Ｄおよびディスク状の第１４四重極デバイス１３１３Ｌ、である。まず、図１４に第１電位井戸および第２電位井戸を示す。第１電位井戸は、第１左歯面１３２７Ａおよび第１右歯面１３２８Ａを有する。第２電位井戸は、第２左歯面１３２７Ｂおよび第２右歯面１３２８Ｂを有する。第１電位井戸の第１左歯面１３２７Ａは、熱エネルギーのみをまだ有している二次イオンを第１四重極ディスク１３０１の領域から第１電位井戸に落下させることができるように構成する。第１右歯面１３２８Ａは、ディスク状の第４四重極デバイス１３１３Ｂおよびディスク状の第５四重極デバイス１３１３Ｃの領域に設け、二次イオンが第１電位井戸の第１右歯面１３２８Ａから出られないように十分な傾斜を持つように構成する。第１左歯面１３２７Ａも、この領域のガス圧がまだ十分に高く二次イオンが衝突により中性ガス粒子にエネルギーを伝達できる場合にも、二次イオンが第１電位井戸から出られないような構成とする。このような構成により、二次イオンが電位井戸から出られないようにする。図１４ａの状態を、ここで、所定時間（例えば、約数ミリ秒の間）維持する。この所定時間（蓄積時間）の間に、二次イオンを電位井戸内に捕集（二次イオンを蓄積）する。第１電位〜第１６電位を切り替えて、一方では第１左歯面１３２７Ａおよび第１右歯面１３２８Ａを、他方では、第２左歯面１３２７Ｂおよび第２右歯面１３２８Ｂを第２長手方向軸線１３０７に沿って移動させる（図１４ｂ〜図１４ｈ）。したがって、第１電位井戸および第２電位井戸は両方とも移動する。このように第１左歯面１３２７Ａおよび第１右歯面１３２８Ａが移動することにより、二次イオンは分析ユニット１４００の方へ輸送される。二次イオンが分析ユニット１４００のわずか手前に位置するまで、第１左歯面１３２７Ａおよび第１右歯面１３２８Ａを移動する。図１４に示す例示的な実施形態において、新しい電位井戸が繰り返し生成される。図１４ｄ〜図１４ｈからわかるように、第３左歯面１３２７Ｃおよび第３右歯面１３２８Ｃを有する第３電位井戸が生成される。二次イオンを、ここで、再度この第３電位井戸に落下させることができる。続いて、第３電位井戸を、正確には上記と同様の方法により、第２長手方向軸線１３０７に沿って移動させる。図１４を考慮すると、イオン輸送ユニット１３００内において電位井戸の波が分析ユニット１４００の方へ移動するような印象を受ける。この場合、各電位井戸の左歯面および右歯面は徐々に形成される。
【０１２８】
上記の実施形態によれば、この輸送方法においては、二次イオンに有意な運動エネルギーが供給されない。二次イオンは、第２長手方向軸線１３０７に対し、軸方向および径方向に集束されたままとなる。
【０１２９】
イオン輸送ユニット１３００内に発生する四重極交流電場のうちの１つにおける不可避的な電場誤差により、上記の四重極デバイス１３０８Ａ、１３０８Ｂ、および１３１３Ａ〜１３１３Ｌのうち２つのデバイス間の領域において、例えば、ディスク状の第１四重極デバイス１３０８Ａとディスク状の第２四重極デバイス１３０８Ｂとの間の領域において、二次イオンが運動エネルギーを吸収する可能性がある。したがって、この領域を、またはイオン輸送ユニット１３００全体を、比較的短く構成することは考慮に値する。しかしながら、これは、イオン輸送ユニット１３００のさらなる機能の効果、具体的には、圧段としての効果を減少させることになる。ここで、上記の解決策（二次イオン輸送の際に圧段を分散させること）は、この良好な妥協案として示される。
【０１３０】
ここに示す例示的な本実施形態における分析ユニット１４００（すなわち、検出ユニット）は質量分析計として、例えば、飛行時間形質量分析計またはイオントラップ質量分析計として構成する。特に、分析ユニット１４００は、既に上述したように、交換可能に構成される。図１５は、イオントラップ計量分析計の蓄積セル１４０４の概略断面図である。蓄積セル１４０４はポールトラップとして構成され、環状電極１４０１、第１エンドキャップ電極１４０２、および第２エンドキャップ電極１４０３を備える。環状電極１４０１は、第１軸線１４０７を中心に回転対称となるように配置される。第１エンドキャップ電極１４０２および第２エンドキャップ電極１４０３も同様に第１軸線１４０７を中心に回転対称となるように配置される。環状電極１４０１は開口部１４０６を有し、この開口部を通してイオン輸送ユニット１３００から蓄積セル１４０４内の第２内部領域に二次イオンを注入することができる。二次イオン注入中は蓄積セル１４０４内の蓄積領域は停止している。電気パルスを用いて二次イオンを蓄積セル１４０４内に注入する。これらの二次イオンは、イオン輸送ユニット１３００から分析ユニット１４００に輸送され、上記電位井戸のうち蓄積セル１４０４のすぐ手前の電位井戸に滞留していたものである。このパルスにより、これら二次イオンに運動エネルギーが供給されるが、各二次イオンにも同様に運動エネルギーが供給される。この結果、質量分散が起こる。同一時間内に、軽量の二次イオンは重量のある二次イオンよりも長距離を後方に移動する。このことは、重量のある二次イオンが開口部１４０６を通過して蓄積セル１４０４に第２内部領域１４０５に入る前に、軽量の二次イオンが環状電極１４０１に到達してしまうという問題につながることがある。質量分散の影響を低減するため、第１エンドキャップ電極１４０２および第２エンドキャップ電極１４０３を介して電位を印加し、蓄積セル１４０４の内部領域１４０５に静的四重極電場が発生するようにし、二次イオンが蓄積セル１４０４の中央で制動されるようにする。上記の電位は、したがって、制動電位とも呼ばれる。軽量の二次イオンは、重量のある二次イオンよりも前に、一度に制動電位の影響を受け、その結果、重量のある二次イオンが軽量の二次イオンを「制止」することができる。重量のある二次イオンが蓄積セル１４０４の第２内部領域１４０５に入射すると、蓄積領域を速やかに起動する。
【０１３１】
パルスにより、蓄積セル１４０４に入射する際の二次イオンの運動エネルギーの径方向成分を、イオン輸送ユニット１３００内の二次イオンの運動エネルギーの径方向成分よりも大きくすることができる。蓄積セル１４０４に入射する際の二次イオンの運動エネルギーの径方向成分はできるだけ低く（例えば、約数百ｍｅＶ）とする必要がある。そうでないと、蓄積セル１４０４内で二次イオンの電位エネルギーに変換されてしまうからである。この場合、蓄積セル１４０４の第２内部領域１４０５内の二次イオンのマクロ振動の振幅が高くなり、分析のための二次イオンが失われる。
【０１３２】
図１６は、図２に示す粒子ビーム装置１に設けた粒子分析装置１０００のさらなる実施形態の概略側面図である。図１６は図３に基づいている。同一の部品には同一の参照符号を付して示す。粒子分析装置１０００は、抽出ユニット１１００、エネルギー伝達装置１２００、イオン輸送ユニット１３００、および分析ユニット１４００を備える。イオン輸送ユニット１３００および分析ユニット１４００は、連結素子１００１を介して試料チャンバ４９に取り外し可能に取り付ける。分析ユニット１４００にレーザユニット１５００を追加的に取り付け、レーザビームを分析ユニット１４００、イオン輸送ユニット１３００、エネルギー伝達装置１２００、および抽出ユニット１１００に通過させ、試料１６に到達させることができるようにする。図１７Ａに、粒子ビーム装置１内における粒子分析装置１０００の概略配置を示す。この場合、明瞭さを向上させるため、図１７Ａには試料１６、第１粒子ビームカラム２、第２粒子ビームカラム３、抽出ユニット１１００、およびレーザユニット１５００のみを示す。試料１６をレーザビームで露光することで、イオンビームによる二次イオン発生の追加または代案として、試料１６上でさらに二次イオンを発生させることができる。そして、さらなる二次イオンを粒子分析装置１０００により分析する。この実施形態は、レーザビームで比較的広域を照射することにより、所定時間内において、イオンビームのみの場合より多くの二次イオンが試料１６から発生する点で有利である。これにより、蓄積時間が短縮され、すなわち、二次イオンが上記電位井戸に捕集され、二次イオンの質量分析をより迅速に行うことができるようになる。本実施形態は、誘電性試料の検査にも有利である。これら誘電性試料はイオンが衝突すると帯電し、その結果、第２粒子ビームカラム３による電子を利用する結像が不可能になる。このため、イオンビームのかわりに、レーザユニット１５００のレーザビームのみを用いて二次イオンを生成することができる。
【０１３３】
さらに、図１７Ａに示す実施形態において、有利には、レーザユニット１５００が粒子分析装置１０００の軸線に平行に配置されるように、レーザユニット１５００と粒子分析装置１０００とを配列する。この構成により、試料チャンバにレーザユニット１５００のための付加的な接続を設けることが不要になる。
【０１３４】
さらに別の実施形態において、レーザユニット１５００のレーザビームを用いて光周波数における光学的結像を行うことが可能となる。これにより、電子またはイオンによる結像に加え、試料１６の表面をさらなる検査方法で検査することができる。
【０１３５】
さらなる実施形態において、レーザユニット１５００のレーザビームを用いて、試料の位置決めおよびイオンビームと電子ビームとの一致点の発見を行う。
【０１３６】
さらに別の実施形態において、レーザビームのエネルギーを用いて、試料１６から放出された中性粒子をイオン化することができる。これにより、粒子分析装置１０００による分析効率が向上する。
【０１３７】
さらに、レーザユニット１５００のレーザビームにより試料１６のある一定の領域を加熱することができる。これにより、試料１６の検査をその温度の係数として行うことが可能となる。さらに、二次イオンの仕事関数を減少することができ、二次イオンの「収量」を増加させることができる。
【０１３８】
さらなる実施形態において、レーザ光により二次イオンの分光分析を行うことができる。
【０１３９】
さらに、上記の例示的な実施形態において、試料１６にイオンビームおよびレーザユニット１５００からのレーザビームを交互に、または、連続的に照射する。例えば、レーザビームにより試料１６から材料を大まかに除去することができる。これにより二次イオンが発生し、その二次イオンを分析する。粒子分析装置１０００により特定の要素が確認されるまで、大まかな除去を行う。その後、集束イオンビームを用いて微細な除去を行う。
【０１４０】
図１７Ｂは、図１７Ａに示す例示的な実施形態に基づくものである。同一の部品には同一の参照符号を付して示す。したがって、まずは、上記の記載を参照されたい。上記の記載は図１７Ｂに示す例示的な実施形態にも適用される。図１７Ａに示す例示的な実施形態とは対照的に、図１７Ｂに示す例示的な実施形態においては、レーザユニット１５００は粒子分析装置１０００上ではなく、側方の試料チャンバ４９上に配置する。
【０１４１】
図１７Ｃも同様に、図１７Ａに示す例示的な実施形態に基づくものである。同一の部品には同一の参照符号を付して示す。したがって、まずは、上記の記載を参照されたい。上記の記載は図１７Ｃに示す例示的な実施形態にも適用される。図１７Ａに示す例示的な実施形態とは対照的に、図１７Ｃに示す例示的な実施形態においては、２つのレーザユニットを設ける。第１レーザユニット１５００Ａを粒子分析装置１０００上（例えば、分析ユニット１４００）に取り付ける。さらに、第２レーザユニット１５００Ｂを試料チャンバ４９上に配置する。第１レーザユニット１５００Ａおよび第２レーザユニット１５００Ｂはどちらも上述した機能のうち少なくとも１つを有する。
【０１４２】
また、上記の発明、特に、本発明の上記の全ての実施形態は、正電荷を持つイオンおよび負電荷を持つイオンの両方に適していることを明示的に述べておく。上記の電位は、当業者により、上記の電位を反転および適合させることにより適宜選択されるものである。
【符号の説明】
【０１４３】
１  粒子ビーム装置
２  第１粒子ビームカラム（イオンビームカラム）
３  第２粒子ビームカラム（電子ビームカラム）
４  第１光軸
５  第２光軸
６  第２ビーム発生器
７  第１電極
８  第２電極
９  第３電極
１０  ビーム案内管
１１  コリメータ装置
１２  第１環状コイル
１３  ヨーク
１４  ピンホールダイアフラム
１５  検出器
１６  試料
１７  中央開口
１８  第２対物レンズ
１９  磁気レンズ
２０  静電レンズ
２１  第２環状コイル
２２  内側磁極片
２３  外側磁極片
２４  ビーム案内管の端部
２５  終端電極
２６  ラスタ手段
２７  第１ビーム発生器
２８  抽出電極
２９  コリメータ
３０  可変アパーチャ
３１  第１対物レンズ
３２  ラスタ電極
４１  制御電極
４２  凹所
４３  外面
４６  第３電圧源ユニット
４７  第４電圧源ユニット
４９  試料チャンバ
１０００  粒子分析装置
１００１  （試料チャンバへの）連結素子
１１００  抽出ユニット
１１３５  第１キャビティ
１１３６  第１引き出し電極
１１３７  第２引き出し電極
１１３８  第２キャビティ
１１３９  第１吸入口
１１４０  第２吸入口
１１４１  第１端面
１１４２  第２端面
１１４４  第１電圧源ユニット
１１４８  第２電圧源ユニット
１２００  エネルギー伝達装置
１２０１  管状容器
１２０２Ａ  第１セグメント
１２０２Ｂ  第２セグメント
１２０２Ｃ  第３セグメント
１２０２Ｄ  第４セグメント
１２０２Ｅ  第５セグメント
１２０２Ｆ  第６セグメント
１２０２Ｇ  第７セグメント
１２０２Ｈ  第８セグメント
１２０２Ｉ  第９セグメント
１２０２Ｊ  第１０セグメント
１２０２Ｋ  第１１セグメント
１２０２Ｌ  第１２セグメント
１２０２Ｍ  第１３セグメント
１２０２Ｎ  第１４セグメント
１２０２Ｏ  第１５セグメント
１２０２Ｐ  第１６セグメント
１２０２Ｑ  第１７セグメント
１２０２Ｒ  第１８セグメント
１２０２Ｓ  第１９セグメント
１２０２Ｔ  第２０セグメント
１２０２Ｕ  第２１セグメント
１２０２Ｖ  第２２セグメント
１２０３  プリント回路基板電極
１２０４  絶縁素子
１２０５  第１長手方向軸線
１２０６  第１内部領域
１２０７  第１容器端部
１２０８  第２２セグメント１２０２Ｖの領域
１２０９  第２電子回路
１２１０  電位井戸
１２１１  セグメント電位
１２１２  誘導電位
１３００  イオン輸送ユニット
１３０１  第１四重極ディスク
１３０２  第１貫通口
１３０３Ａ  第１双曲プリント回路基板電極
１３０３Ｂ  第２双曲プリント回路基板電極
１３０３Ｃ  第３双曲プリント回路基板電極
１３０３Ｄ  第４双曲プリント回路基板電極
１３０３Ｅ  第５双曲プリント回路基板電極
１３０３Ｆ  第６双曲プリント回路基板電極
１３０３Ｇ  第７双曲プリント回路基板電極
１３０３Ｈ  第８双曲プリント回路基板電極
１３０３Ｉ  第９双曲プリント回路基板電極
１３０３Ｊ  第１０双曲プリント回路基板電極
１３０３Ｋ  第１１双曲プリント回路基板電極
１３０３Ｌ  第１２双曲プリント回路基板電極
１３０４  絶縁層
１３０５  第１外面
１３０６  第２外面
１３０７  第２長手方向軸線
１３０８Ａ  ディスク状の第１四重極四重極デバイス
１３０８Ｂ  ディスク状の第２四重極デバイス
１３０９  ガス吸入口
１３１０  第１中間領域
１３１１  第２中間領域
１３１２  第２四重極ディスク
１３１３Ａ  ディスク状の第３四重極デバイス
１３１３Ｂ  ディスク状の第４四重極デバイス
１３１３Ｃ  ディスク状の第５四重極デバイス
１３１３Ｄ  ディスク状の第６四重極デバイス
１３１３Ｅ  ディスク状の第７四重極デバイス
１３１３Ｆ  ディスク状の第８四重極デバイス
１３１３Ｇ  ディスク状の第９四重極デバイス
１３１３Ｈ  ディスク状の第１０四重極デバイス
１３１３Ｉ  ディスク状の第１１四重極デバイス
１３１３Ｊ  ディスク状の第１２四重極デバイス
１３１３Ｋ  ディスク状の第１３四重極デバイス
１３１３Ｌ  ディスク状の第１４四重極デバイス
１３１４  第３中間領域
１３１５  第４中間領域
１３１６  第５中間領域
１３１７  第６中間領域
１３１８  第７中間領域
１３１９  第８中間領域
１３２０  第９中間領域
１３２１  第２貫通口
１３２４  電子回路
１３２５  階段状電位プロファイル
１３２６  理想電位プロファイル
１３２７  左歯面
１３２７Ａ  第１左歯面  
１３２７Ｂ  第２左歯面  
１３２７Ｃ  第３左歯面
１３２８  右歯面
１３２８Ａ  第１右歯面
１３２８Ｂ  第２右歯面
１３２８Ｃ  第３右歯面
１３２９  チャネル
１４００  分析ユニット
１４０１  環状電極
１４０２  第１エンドキャップ電極
１４０３  第２エンドキャップ電極
１４０４  蓄積セル
１４０５  第２内部領域（蓄積セル）
１４０６  開口部
１４０７  第１軸線
１５００  レーザユニット
１５００Ａ  第１レーザユニット
１５００Ｂ  第２レーザユニット
ＫＲ  コア径
Ａ１  距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【外国語明細書】
2011171296000001.pdf