专利名称：用于控制ExB Wien过滤器中磁场分布的方法和结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及带电粒子束系统并且具体地涉及一种用于离子束系统的滤质器。
背景技术：
一些聚焦离子束(FIB)柱旨在用于与发射多个离子种类的离子源一起使用。为了选择用于将聚焦到衬底上的束的这些离子种类中的仅一种，FIB柱通常将包括滤质器。一类滤质器(“Wien过滤器”)使用交叉电和磁场(ExB)来偏转非所需离子种类离轴，由此使它们撞击质量分离孔(mass-separation aperture)。这类过滤器也称为“ExB过滤器”。设置电和磁场的相对强度使得所需离子种类将未偏转地穿过滤质器、然后穿过质量分离孔并且将最终聚焦于衬底表面上。离子在“物理孔”(也就是电和磁极面围绕的区域)内穿过Wien过滤器。理想地， 磁场和电场的量值将沿着穿过滤质器的整个束轴具有相同比值。一般而言，在现有技术中，各种电极和极靴(pole piece)配置已经用来实现这一场匹配目标，但是在端帽附近维持恰当场比值一直成问题，端帽在滤质器的入口和出口处终止电和磁场。通常，端帽具有小孔，离子束经过这些小孔进入和退出滤质器。平滑地终止电场而在孔内无E场反转或者额外E场峰就用于端帽金属的任何合理电导率而言相对容易。反言之，由于磁材料具有比电导率成比例低得多的磁导率(与空气或者真空比较)，所以已经发现终止B场而在孔内无负过冲(negative overshoot)或者额外B场峰困难得多。需要的是一种允许调整在ExB滤质器的入口和出口孔内和附近的B场分布以在滤质器的整个轴向长度上(包括经过入口和出口孔)获得在E场与B场分布之间的更佳匹配的改进方法和装置。将希望纯机械实现B场到E场的此类调整而无需向ExB滤质器添加用于B场调整的电磁体电源和电磁线圈。
发明内容
本发明的目的因此是提供一种用于与聚焦离子束系统一起使用的改进ExB Wien滤质器。根据本发明优选实施例的ExB过滤器提供一种用于机械调整磁场分布以及入口和出口孔以实现电场与磁场之间的更佳匹配、由此遍及ExB过滤器的长度(包括在端帽附近以及在入口和出口孔内)均衡相反电力(electric force)和磁力(magnetic force)的结构和方法。本发明的又一目的是通过允许在端帽与极靴之间的更近的内部间距来实现根据本发明优选实施例设计的ExB滤质器的长度减少。前文已经相当广义地概括了本发明的特征和技术优点以便可以更好地理解以下对本发明的详细描述。此后将描述本发明的附加特征和优点。本领域技术人员应当理解，可以容易地利用公开的概念和具体实施例作为用于修改或者设计用于实现本发明的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员也应当认识到这样的等效构造未脱离如在所附权利要求书中阐述的本发明的精神和范围。
为了更透彻理解本发明及其优点，现在结合附图参考下文描述，在附图中
图I是现有技术的ExB滤质器的等距(isometric)四分之一剖视图。图2是图示了现有技术的ExB滤质器的磁路的侧横截面。图3A是现有技术的ExB滤质器的入口端帽的示意平面图。图3B是现有技术的ExB滤质器的入口端帽的示意侧横截面。图4是与图2中所示磁路相似的电路。图5是现有技术的ExB滤质器中的轴向B场分布的计算图，其中在入口和出口孔内的B场相对于间隙场(gap field)反向。 图6是现有技术的ExB滤质器中的轴向B场分布的计算图，其中在入口和出口孔内的B场具有与间隙场相同的方向。图7是根据本发明一个优选实施例的ExB滤质器的等距四分之一剖视图。图8是图示了根据本发明一个优选实施例的ExB滤质器的磁路的侧横截面。图9A是根据本发明一个优选实施例的ExB滤质器的入口端帽的示意平面视图。图9B是根据本发明一个优选实施例的ExB滤质器的入口端帽的示意侧横截面视图。图10是与图8中所示磁路相似的电路。图11是用于根据本发明一个优选实施例的滤质器的轴向B场分布的计算图。附图不旨在按比例绘制。在附图中，在各种图中图示的每个相同或者接近相同的部件由相同标号代表。出于清楚的考虑，可以不在每幅图中标注每个部件。
具体实施例方式本发明的优选实施例提供一种用于机械调整ExB滤质器的磁场分布以及入口和出口孔以实现在电场与磁场之间的更佳匹配、由此遍及ExB过滤器的长度(包括在端帽内表面与极靴的边缘之间以及在入口和出口孔内)均衡相反电力和磁力的方法和结构。优选地，根据本发明的ExB滤质器的入口和出口端帽的外边缘配置有具有径向缝的更厚环。在该径向缝内，可以适配和调整磁垫片(shim)以实现端帽内的两个通量分布的平衡1)与在滤质器的外侧周围的返回路径对应的通量——这一通量主要由在极靴之间延伸并且对穿过滤质器的离子感应力的通量构成；以及2)与从极靴的边缘到端帽的“泄漏(leakage)”对应的通量——实质上“浪费” 了这一通量，因为它未执行滤质器的离子束偏转功能。这两个通量分布一般将在入口和出口孔附近的端帽内在相反方向上流动。使用包围入口和出口孔两者的圆形通量坝(flux dam)内的磁塞垫片来实现在端帽附近和在孔内的B场的附加机械调整。本发明的优选实施例实现纯机械B场调整而无需电磁场线圈或者电源。这一优点甚至应用于运用电磁体来激发磁极靴的本发明的优选实施例，因为泄漏B场将针对本发明的永磁体或者电磁体优选实施例而出现。在端帽附近和在孔内的B场的纯机械调整与现有技术的电磁体方法相比的优点包括更大简易性、更低成本、无功率耗散和高B场稳定性(因为不存在电源波动)。可以使用高斯计探测入口和出口孔中的B场而又调整端帽径向缝内的磁垫片的数量、位置和组成(即磁导率)并且也调整包围入口和出口孔的通量坝内的磁塞垫片的数量、位置和组成(即磁导率)来实现实时B场调整。“B场调整”包括磁场量值的减少(优选至峰量值的百分之一以下)以及改变磁场的方向两者。如下文描述的那样使用磁垫片可以用来改变方向(+或者_)。然而使用磁塞垫片可以将出口和出口孔内以及附近的磁场方向改变成任何角度。这可能是重要的，因为申请人已经实验确定磁场可能由于滤质器部件材料中的不均匀而有时在各种方向上移位。本发明的实施例因此提供相对于典型现有技术的滤质器和聚焦离子束系统而言的一个或者多个优点。并非所有实施例都将提供所有益处。本发明的一些实施例提供一种可以基于种类的电荷/质量比分离束中的离子种类的ExB滤质器。本发明的一些实施例可以提供机械可变磁场分布。本发明的一些实施例提供入口和出口孔内的机械可变磁场。本发明的一些实施例提供对入口和出口孔内和附近的磁场量值的机械控制。
为了更完全地解释本发明的方法和结构，现在将更详细地描述现有技术的ExBWien过滤器。在ExB Wien过滤器的设计中，有用于恰当ExB质量分离的两个标准
1)E和B场应当垂直，
2)E和B场应当在所有点具有相同强度比B/E以便消除将向相同电荷质量比的离子施加的磁力的电力。为了最大化离子经过具有恰当质量过滤的滤质器的传输(用于每处相同电荷质量的力消除)，希望在滤质器的尽可能多的轴向长度上在最大可能孔之上——理想地从入口孔一直经过过滤器到出口孔一满足这两个标准。在针对经过滤质器的离子束轨迹的一些部分未满足这两个标准的程度上，将有增加的光学像差(aberration)和束未对准，这两者造成滤质器的性能减少并且因而造成包括滤质器的聚焦离子束系统。图I是现有技术的ExB滤质器100的等距四分之一剖视图。在图2中图示了截面A-A0磁极靴102附着到陶瓷绝缘体104，该绝缘体附着到磁体106(诸如钕-铁-硼(NdFeB)或者钐-钴(SmCo)合金磁体或者其他相似高强度永磁体)。在替代实施例中，电磁体线圈可以替换这里所示永磁体106。磁体106 (通常成对——在剖视图100中仅一个可见)附着到通常包括相对高饱和磁材料(诸如镍-铁(例如NiFe43或者NiFe48))的磁轭108。在图I中，待质量分离的离子束将经过入口端帽122中的孔124进入滤质器100。各种质量分离的离子束将经过出口端帽126中的出口孔128退出滤质器100。一般而言，将沿着E场轴偏转非所选离子种类(即离子束中的无需在采样上聚焦的那些种类)的角度偏转——从图I的左下到右上。在多数情况下，这一偏转将小到足以使得这些非所选离子束将穿过出口孔128以由ExB滤质器下面的质量分离孔(未示出)阻挡。所选离子束将近似穿过出口孔128的中心并且然后穿过质量分离孔以聚焦于样本上。在两个极靴102的内面之间生成执行离子束的质量分离的磁场。在图2中示出了这些“间隙场”224。与B场224垂直，在一对电极142之间建立电场，在所示实施例中通过安装与绝缘体146相抵推动的螺杆144 (screw)(穿入磁轭108中)来向内按压该对电极142。经过杆148实现与电极142的电连接,这些杆经过磁轭108和壳118中的出砂孔(clearance hole)沿径向向外延伸并且在外端具有防电晕球154。这里所示电极和极靴配置对应于1988年12月6日颁发的美国专利号4，789，787中所示配置(见其中图4A和4B)，通过引用将其结合于此。A 口间隔物130和出口间隔物132分别将端帽122和126与磁轭108分离。用于间隔物130的材料选择确定在径向(与离子束大体上垂直)流动于入口端帽122内的通量与轴向(与离子束大体上平行)流动于磁轭108内的通量之间的磁耦合程度(图4中的磁阻432和434)。类似地，用于间隔物132的材料选择确定在径向流动于出口端帽132内的通量与轴向流动于磁轭108内的通量之间的磁耦合程度(图4中的磁阻482和484)。间隔物130和132可以由非磁材料(诸如铝或者300系列不锈钢)制成以减少磁耦合(即用于图4中的磁阻432、434、482和484的较大值)。间隔物130和132可以由磁材料(诸如NiFe43、NiFe48或者400系列不锈钢)制成以增加磁耦合(即用于磁阻432、434、482和484的较小值)。一般在ExB滤质器100 (诸如图I中所示ExB滤质器)中，由于用于间隔物130和132的材料选择数量有限而难以或者不可能精确实现所需水平的磁耦合。本发明的目的是提供一种用于在端帽122和126到磁轭108之间的磁耦合的机械可变调整以近似实现所需水平的磁耦合(见图10中的可调磁阻1032、1034、1082、1010和1060)的手段。壳118围绕磁轭108而夹环(clamping ring) 120 (由螺杆156压制)将端帽122和126、间隔物130和132以及磁轭108—起压缩。在ExB滤质器下面是用于校正ExB滤质器100所致的束偏转误差的X-Y束偏转器182。
图2是图示了现有技术的ExB滤质器的磁路的侧横截面A-A 200。箭头202-234图示了间隙、磁材料和磁体内的磁通量分布。B场224为穿过ExB滤质器的离子束“所见”并且对离子生成磁力，该磁力大体上与在两个电极142 (如图I中所示)之间的E场感应的力在方向上相反并且在量值上相似或者相同。通量222和226在极靴102与磁轭108之间，其穿过磁体106和绝缘体104。在入口端帽122内，通量202和206总是向左流动，这与在磁路的外侧周围流动的返回通量的方向对应以及将泄漏通量228和230连接到磁体106的外端。类似地，在出口端帽126内，通量208和212也总是向左流动，这与在磁路的外侧周围流动的返回通量的方向对应以及将泄漏通量232和234连接到磁体106的外端。通量214和218连接于入口端帽122与磁轭108之间，其穿过间隔物130。通量216和220连接于出口端帽126与磁轭108之间，其穿过间隔物132。由于入口端帽122具有良好的电导率，所以E场往往相当突然并且一般在孔124内实质上无E场地被终止。由于为了正确的ExB操作，B场强度应当与E场成比例(在轴上每处具有相同比值)，所以B场应当也在孔124内降至近似零强度。相似考虑应用于端帽126中的孔128以内的通量210。然而在图2中，在入口孔124以内的B场示出了指向左的通量204。这意味着来自磁体106的返回通量202和206的量超过泄漏通量228和230 (这些通量将在端帽122内向右)。因此在间隙场224与通量204之间存在B场反转(见图5中的下陷510)。如果通量204指向右，则这将意味着来自磁体106的返回通量202和206的量少于泄漏通量228和230。在该情况下，在间隙场224与通量204之间将无通量反转(见图6中的峰610)。然而入口端帽122的功能是终止B场和E场琢者，而理想地根据沿着ExB滤质器的轴的距离而具有近似相同的减少速率，由此保持正确的B/E比值。在一些境况中，在用来制作间隔物130和132的材料选择不同时，有可能控制通量204和210的方向，但是一般难以确切匹配返回通量和间隙通量以便接近抵消通量204和210。用于调整通量204和210的方向和量值的另一选项可以是用来制作端帽122和126的材料的选择。具有适度磁导率的适当材料的例子包括400系列不锈钢(诸如合金SS430)。然而这些解决方案比下文描述的本发明实施例受限制和不灵活得多。图3A是入口端帽122的示意平面视图300，该端帽122具有图I和图2的现有技术的ExB滤质器100的孔124。箭头302、304和306图示了在入口端帽122内并且越过孔124的磁通分布。孔124扰乱什么将通常是端帽122内的均匀右到左通量分布；然而通量线302距孔124足够远以表现最小扰乱。与孔124最接近的通量线304具有最大扰乱——如所示的卷绕于孔124周围。如上文讨论的那样，越过孔124，通量306具有大体上均匀的分布，该分部具有由在从磁体106流动的返回通量202和206与来自极靴102的边缘的泄漏通量228和230之间的平衡确定的量值。图3B是入口端帽122的示意侧横截面B-B 350，该端帽122具有现有技术的ExB的孔124。在孔124内的通量306图示了端帽122未恰当终止现有技术的滤质器100中的B场。图4是与图2中所示磁路相似的电路400。在这一示意图中，利用它们与图I和图2中的Exb滤质器的各种元件的磁阻的相应对应性标注电阻器。电池402和404具有代表两个磁体106的剩磁(remanence)的电压Vtlt5 Rgap 406代表在极靴102之间的间隙的磁 阻，该间隙对应于离子穿过的ExB的物理孔。Rytjke 416代表磁轭108的磁阻，该磁轭108将磁体106感应的多数通量从图2中的右磁体106的右侧周围向的左磁体106的左侧传送。Rspacer ! 432和Rspacra 2 434分别对应于跨图2中的入口端帽122的左和右边缘处的间隔物130的磁阻。类似地，Rspacer 3 482和Rspacer 4 484分别对应于跨图2中的出口端帽126的左和右边缘处的间隔物132的磁阻。Raperture I 408和Rend cap ι 410平行从而分别代表跨入口孔124和在孔124周围(在入口端帽122内)的磁阻。Raperture 2 458和Rend cap 2 460平行从而分别代表跨出口孔128和在孔128周围(在出口端帽126内)的磁阻。最后，四个电阻器Rleak! 412,Rleak 2 414,Rleak 3 462和Rleak 4 464代表在极靴102的边缘与两个端帽122和126的内表面之间的磁阻。在图4中图示了八个电压节点420、422、424、426、428、430、474和476，其中例如在节点420的电压用符号表示为V42tl等。类似地用符号表示电流(例如经过电阻器Rgap 406的电流为I4tl6等)。在ExB滤质器(将为该ExB滤质器进行间隔物130和132中的材料选择(以便将孔124和128内的B场减少至极靴102之间的间隙中的最大B场的尽可能小的百分比))中，除了 Rspaeer ! 432,Rspacer 2 434、Rspaeer 3 482 和 Rspaeer 4 484 之外的所有磁阻由 ExB滤质器的设计预先确定。磁体106的强度Vtl也由磁体材料选择(例如钕-铁-硼、钐-钴或者铝镍钴合金)预先确定。为了以下分析中的简单，进行以下假设和定义
RciItl I .... Rcml ^ -.φ 2 -[方程 I]
R-ri|touirs: I ————— ^Hfντ ι v I — lWC'[方程2]
[方程3]
Rl-aik 'I ------R-kml, ^ ------ Rk-ι 4 - Rk[方程 4]
按照对称性，也可以进行以下假设
V=德 V:: = Ujin. RiMfiI -- 2[方f王 5]
权利要求
1.一种带电粒子束滤质器，包括 一组电极，用于在所述滤质器内提供电场； 一组磁体，用于在所述滤质器内提供磁通量，所述通量与所述电场垂直； 磁轭，支撑所述电极和磁体，所述磁轭提供用于所述磁通量的返回路径； 入口端帽，包括用于所述束进入所述滤质器的入口孔和在所述入口端帽与所述磁轭之间的机械可调整磁阻；以及 出口端帽，包括用于所述束退出所述滤质器的出口孔和在所述出口端帽与所述磁轭之间的机械可调整磁阻。
2.根据权利要求I所述的带电粒子束滤质器，其中使用磁垫片来调整在所述入口端帽与所述磁轭之间的所述磁阻，并且其中使用磁垫片来调整在所述出口端帽与所述磁轭之间的所述磁阻。
3.根据权利要求2所述的带电粒子束滤质器，其中所述磁垫片被配置成明显减少所述入口和出口孔内的磁场。
4.根据权利要求2所述的带电粒子束滤质器，其中所述磁垫片被配置成改变所述入口和/或出口孔内的磁场的方向。
5.根据权利要求2所述的带电粒子束滤质器，其中所述磁垫片被配置成将所述入口和出口孔内的磁场减少至所述滤质器内的最大磁通量的小于百分之一的量值。
6.根据权利要求I所述的带电粒子束滤质器，还包括 入口通量坝，其包围所述入口孔； 多个磁塞垫片，被配置于所述入口通量坝内以调整所述入口孔内的磁场取向和量值； 出口通量坝，其包围所述出口孔；以及 多个磁塞垫片，被配置于所述出口通量坝内以调整所述出口孔内的磁场取向和量值。
7.根据权利要求6所述的带电粒子束滤质器，其中将所述入口和出口孔内的磁场量值调整至所述滤质器内的最大磁通量的小于百分之一的量值。
8.根据权利要求6所述的带电粒子束滤质器，其中所述磁垫片和所述磁塞垫片可以用来遍及ExB过滤器的长度均衡相反电力和磁力。
9.根据权利要求6所述的带电粒子束滤质器，其中可以实现调整所述滤质器内的磁场而不改变形成所述滤质器的任何部件的材料。
10.根据权利要求I所述的带电粒子束滤质器，其中所述组磁体包括一组永磁体。
11.根据权利要求I所述的带电粒子束滤质器，其中所述组磁体包括一组电磁体。
12.一种带电粒子束滤质器，包括 一组电极，用于在所述滤质器内提供电场； 一组磁体，用于在所述滤质器内提供磁通量，所述通量与所述电场垂直； 磁轭，支撑所述电极和磁体，所述磁轭提供用于所述磁通量的返回路径； 入口端帽，包括用于所述束进入所述滤质器的入口孔、在所述入口端帽的外边缘中的第一槽和配置于所述第一槽内以调整在所述入口端帽与所述磁轭之间的磁阻的多个磁垫片；以及 出口端帽，包括用于所述束退出所述滤质器的出口孔、在所述出口端帽的外边缘中的第二槽和配置于所述第二槽内以调整在所述出口端帽与所述磁轭之间的磁阻的多个磁垫片。
13.根据权利要求12所述的带电粒子束滤质器，其中所述磁垫片被配置成明显减少所述入口和出口孔内的磁场。
14.根据权利要求12所述的带电粒子束滤质器，其中所述磁垫片被配置成将所述入口和出口孔内的磁场减少至所述滤质器内的最大磁通量的小于百分之一的量值。
15.根据权利要求12所述的带电粒子束滤质器，还包括 入口通量坝，其包围所述入口孔； 多个磁塞垫片，被配置于所述入口通量坝内以调整所述入口孔内的磁场取向和量值； 出口通量坝，其包围所述出口孔；以及 多个磁塞垫片，被配置于所述出口通量坝内以调整所述出口孔内的磁场取向和量值。
16.根据权利要求15所述的带电粒子束滤质器，其中将所述入口和出口孔内的磁场量值被调整至所述滤质器内的最大磁通量的小于百分之一的量值。
17.根据权利要求15所述的带电粒子束滤质器，其中所述磁垫片和所述磁塞垫片可以用来遍及ExB过滤器的长度均衡相反电力和磁力。
18.根据权利要求15所述的带电粒子束滤质器，其中可以实现调整所述滤质器内的磁场而不改变形成所述滤质器的任何部件的材料。
19.一种用于机械调整带电粒子束滤质器的入口和出口孔内的磁场的方法，包括以下步骤 (a)提供带电粒子束滤质器，所述滤质器包括 一组电极，用于在所述滤质器内提供电场； 一组磁体，用于在所述滤质器内提供磁通量，所述磁通量与所述电场垂直； 磁轭，支撑所述电极和磁体，所述磁轭提供用于所述磁通量的返回路径； 入口端帽，包括用于所述束进入所述滤质器的入口孔和在所述入口端帽与所述磁轭之间的机械可调整磁阻；以及 出口端帽，包括用于所述束退出所述滤质器的出口孔和在所述出口端帽与所述磁轭之间的机械可调整磁阻； (b)配置磁场测量设备以测量在所述入口孔内或者附近的磁场； (C)机械调整在所述入口端帽与所述磁轭之间的磁阻以将在所述入口孔内或者附近的测量的磁场减少至小于所述滤质器内的最大磁通量的百分之一； Cd)配置磁场测量设备以测量在所述出口孔内或者附近的磁场；并且Ce)机械调整在所述出口端帽与所述磁轭之间的磁阻以将在所述出口孔内或者附近的测量的磁场减少至小于所述滤质器内的最大磁通量的百分之一。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述带电粒子束滤质器还包括 入口通量坝，其包围所述入口孔； 多个磁塞垫片，定位于所述入口通量坝内； 出口通量坝，其包围所述出口孔；以及 多个磁塞垫片，定位于所述出口通量坝内；并且所述方法还包括 配置磁场测量设备以测量在所述入口孔内或者附近的磁场取向和量值； 机械配置所述入口通量坝内的所述磁塞垫片以调整所述入口孔内的磁场取向和量值； 配置磁场测量设备以测量在所述出口孔内或者附近的磁场取向和量值；并且机械配置所述出口通量坝内的所述磁塞垫片以调整所述出口孔内的磁场取向和量值。
全文摘要
本发明涉及用于控制ExB Wien过滤器中磁场分布的方法和结构。一种ExB Wien滤质器提供用于机械调整在滤质器入口和出口端帽的磁场分布的方法和结构。可以通过在入口和出口端帽的外径的缝隙内配置多个磁垫片并且也通过在包围入口和出口孔的圆形通量坝内配置多个磁塞垫片来修改通量返回路径的磁阻。本发明的用于磁场的纯机械调整与现有技术的电磁体调整方法比较的优点包括更大可靠性、简单性、更低成本和无功率耗散。本发明可以将永磁体或者电磁体用于生成质量分离磁场。
文档编号H01J37/141GK102789948SQ201210155278
公开日2012年11月21日 申请日期2012年5月18日 优先权日2011年5月19日
发明者J.B.麦金 申请人:Fei 公司