JP2019149387A - 小型偏向磁石 - Google Patents

Abstract

【課題】電子およびイオンビームの偏向および集束のための小型磁石を提供する。【解決手段】粒子ビーム装置は磁石を備え、装置は、電子およびイオンビームを放射するように構成される粒子ビームソースと、ほぼ矩形の形状に配置される複数のヨークと、複数のコイルから成るコイルセットとを備え、そこにおいて、複数のコイルの巻線は、複数のヨーク全体に均一に分布されて、その周りに巻かれ、そこにおいて、コイルセットは、双極子および４極子場の両方を発生するように構成され、そこにおいて、磁石は、電子およびイオンビームを偏向させて、集束させるように構成される。【選択図】図１

Description

本願は、「電子およびイオンビームの偏向および集束のための小型磁石」という名称の２０１７年４月２７日に出願された同時係属米国仮特許出願第６２／４９１，１２２号の特許法§１１９（ｅ）の下の優先権の利益を主張するものである。上述した出願の開示は、参照によって本願明細書に引用したものとする。

本開示は、磁石、より詳細には、電子およびイオンビームの偏向および集束のための小型磁石に関する。

多くの荷電粒子ビーム装置は、ビーム偏向、走査、および集束磁石を必要とする。装置は、特に、ブラウン管、Ｘ線管、電子ビームコンピュータ断層撮影スキャナ、クライストロン、走査型電子顕微鏡、ヘリウムイオン電子顕微鏡、電子およびイオンリソグラフィー装置を含む。

ビーム偏向磁石が均一（双極子）磁場を有して、更に４極子集束場を発生することは望ましい。磁石は偏向角のある範囲で走査可能でなければならず、そして場構成要素は最初のビーム軸の周りに磁気的に回転可能でなければならない。磁石の上述の設計要件に対する過去の解決策は、通常、複雑な磁気コイル配置を必要とした。

本開示は、電子およびイオンビームの偏向および集束のための磁石を対象としている。一実施態様では、磁石は双極子および４極子場を同じコイルセットから発生する。

一実施態様では、磁石を含む粒子ビーム装置が開示される。装置は、電子およびイオンビームを放射するように構成される粒子ビームソースと、ほぼ矩形の形状に配置される複数のヨークと、複数のコイルを含むコイルセットとを含み、そこにおいて、複数のコイルの巻線は、複数のヨーク全体に均一に分布されて、その周りに巻かれ、そこにおいて、コイルセットは、双極子および４極子場の両方を発生するように構成され、そこにおいて、磁石は電子およびイオンビームを偏向して集束するように構成される。

別の実施態様において、ある磁石が開示される。磁石は、ほぼ矩形の形状に配置される複数のヨークと、複数のコイルを含むコイルセットとを含み、そこにおいて、複数のコイルの巻線は、複数のヨーク全体に均一に分布されて、その周りに巻かれ、そこにおいて、コイルセットは、双極子および４極子場の両方を発生するように構成される。

他の特徴および利点は、例えば、本開示の態様を例示する本説明から明らかになるであろう。

本開示の詳細は、その構造および動作の両方に関して、類似の参照符号が類似の部品を指す添付図面の検討によってある程度収集できる。

本開示の一実施態様による小型磁石の三次元図である。 本開示の一つの実施態様による小型磁石の断面図（ｘ−ｚ面）である。 本開示の一つの実施態様による小型磁石の別の断面図（ｙ−ｚ面）である。 本開示の一つの実施態様による小型磁石の別の断面図（ｘ−ｙ面）である。 ２つのＹコイルにおける等しい電流による双極子磁場（Ｂ_ｙ）の例示グラフである。 ２つのＸコイルにおける等しい電流による双極子磁場（Ｂ_ｘ）の例示グラフである。 ２つのＹコイルにおける対向する電流による４極子磁場の例示グラフである。 ２つのＹコイルにおける複合電流による、複合双極子および４極子磁場の例示グラフである。 ヨークの角の４つのＱＢコイルにおける電流による４５度４極子磁場の一例を示す。 本開示の一実施態様による２つの半分に構成されるヨークを示す。 平行平面を持つ磁石の磁気ヨークが同一のストリップに分けられる本開示の一実施態様を示す。

上述の通り、ビーム偏向磁石の上述の設計要件に対する過去の解決策は、通常、複雑な磁気コイル配置を必要とした。本開示の特定の実施態様は、磁石設計の複雑さを著しく減らす代替解決策を提供する。すなわち、代替解決策は、双極子および４極子場がコイルの別々のセットによって発生する従来の設計とは対照的に同じコイルセットから双極子および４極子場を発生する磁石を含む。

更に、本願明細書に記載されている代替解決策の設計は、単純であるだけでなく、いくつかの従来設計とは異なり、磁石は、管が完成されたあとにビーム管のまわりに組み立てることもできる。更に、新しく設計された磁石は、従来設計より大きな偏向角を生じることができる。これらの説明を読んだ後に、本開示をさまざまな実施態様およびアプリケーションで実行する方法が明らかになる。しかしながら、本開示のさまざまな実施態様が本願明細書に記載されるけれども、これらの実施態様は、単に例として提示されるものであり、限定するものではないと理解される。このように、さまざまな実施態様のこの詳細な説明は、本開示の範囲または幅を制限するものと解してはならない。

図１は、本開示の一実施態様による小型磁石１００の三次元図である。一実施態様では、小型磁石１００は、粒子ビーム装置、例えばブラウン管、Ｘ線管、電子ビームコンピュータ断層撮影スキャナ、クライストロン、走査型電子顕微鏡、ヘリウムイオン電子顕微鏡、または電子およびイオンリソグラフィー装置で使用される。粒子ビーム装置は、磁石に加えて、粒子ビームソースを含むこともできる。このように、一実施態様において、小型磁石１００は、粒子ビームソースにより放射される電子およびイオンビームの偏向および集束のために用いられる。

図１の図示の実施態様において、小型磁石１００は、形状において（ｘ−ｙ面で）ほぼ矩形である入口開口１１０を備えたホーン形である。代替実施態様において、ほぼ矩形の形状は、八角形の角１２０、１２２、１２４、１２６も含む（例えば、角は４５度の角度である）。一実施態様において、八角形の角１２０、１２２、１２４、１２６のコイルは、４極子タイプＢ（ＱＢ）として構成される。一実施態様において、下流側のヨークの出口輪郭は、均一場によって、偏向による、自然の集束効果のそれに対抗するために用いることができる４極子集束場を提供するために円弧形である。

図２Ａは、本開示の一実施態様による小型磁石１００の断面図（ｘ−ｚ面）２００である。図２Ａの断面図２００は、コイルＹ１（２１０）およびコイルＹ２（２１２）およびヨーク２２０、２２２を示す。設計は、ビーム偏向が大部分は一つの平面（すなわち、ｘ−ｚ面）にあると仮定する。図２Ａの図示の実施態様において、形は、コイル電流がヨークのそれぞれの表面全体に一様に分布するという条件で、非常に均一の内部双極子磁場を有する標準的な「ウインドウフレーム」設計に基づく。図２Ａはまた、ビームの磁界分布が同一である磁気ヨークおよびコイルのためのいくつかの代替形状２３０、２３２、２３４を例示する。

図２Ｂは、本開示の一実施態様による小型磁石１００の別の断面図（ｙ−ｚ面）２５０である。図２Ｂの断面図２５０はヨーク２２０も示す。

図３は、本開示の一実施態様による小型磁石１００の別の断面図（ｘ−ｙ面）３００である。図３の例示の実施態様において、さまざまなコイルは、図１、２Ａ、２Ｂ、および３に定められる座標系に関して示される（コイルＹ１（３１０）、コイルＹ２（３１２）、コイルＸ１_Ｌ（３２０）、コイルＸ１_Ｒ（３２２）、Ｘ２_Ｌ（３３０）、Ｘ２_Ｒ（３３２）と表される）。

各コイルの巻線は、ヨークのそれらのそれぞれの表面全体に均一に分布する。それらが機械的にヨークの別々の半分にあるにもかかわらず、Ｘコイル３２０／３２２または３３０／３３２の各対（Ｌ、Ｒ）は、単一コイルとして電気的に接続される。ヨークの２つの半分は、突き合わせ継ぎ手３４０、３４２で連結されて、そこでは、ヨーク内の支配的な磁場Ｂ_ｙによって継ぎ手３４０または３４２全体に磁束がゼロである。

図３の例示の実施態様において、Ｘコイル３２０、３２２、３３０、３３２、およびＹコイル３１０、３１２の電流は、後述するように双極子および４極子磁場の両方を発生する。図３に示される断面が、通常、矩形であるにもかかわらず、（ｚ方向の）ビーム方向に平行なその形は、ホーン形であるかまたは平行平面でありえる。図３はまた、任意のＱＢコイル（例えば、３５０）を示す。図１に関して上述したように、下流側のヨークの出口輪郭は、均一場によって、偏向による、自然の集束効果のそれに対抗するために用いることができる４極子集束場を提供するために円弧形である。この円弧の半径の算出を以下に説明する。

図１、２Ａ、２Ｂ、および３のいろいろな図として示される小型磁石１００の設計の背後のアルゴリズムを後述する。ゆえに、ある場合には、小型磁石１００のコイル電流は以下のように書くことができる。
Ｉ_Ｙ１＝Ｉ_ＤＹ＋Ｉ_ＱＹ ［１］
Ｉ_Ｙ２＝Ｉ_ＤＹ―Ｉ_ＱＹ ［２］
Ｉ_Ｘ１＝Ｉ_ＤＸ＋Ｉ_ＱＸ ［３］
Ｉ_Ｘ２＝Ｉ_ＤＸ―Ｉ_ＱＸ ［４］
ここで、
Ｉ_ＤＹ＝コイルＹの双極子電流
Ｉ_ＱＹ＝コイルＹの４極子電流
Ｉ_ＤＸ＝コイルＸの双極子電流
Ｉ_ＱＸ＝コイルＸの４極子電流
全４つの構成要素電流は独立している。

アンペアの周回路の法則を用いて、式１〜４に記載されているコイル電流は、以下のようにビームの領域に磁場を発生する。
ここで、
Ｎ_Ｙ＝各別々のＹコイルの巻数
Ｎ_Ｘ＝各別々のＸコイルの巻数
μ_ｏ＝透磁係数
μ＝磁気ヨーク材料の透磁率
ｗ＝ヨークの内部幅
ｇ＝ヨークの垂直高さ。

ゆえに、上記の磁場およびコイル電流に基づいて、有効な磁場勾配の大きさは、以下の通りである。
したがって、４極子レンズ強度は、以下の通りに算出できる。
ここで、
Ｌ（δ）＝磁石の有効長
ｅ＝電子電荷
ｃ＝光の速度
ｐはビーム運動量である。

一実施態様において、２つのＹコイルは、別々の電流Ｉ_Ｙ１およびＩ_Ｙ２を供給される。別の実施態様において、各コイルは２つの巻線を含み、一方は双極子電流Ｉ_ＤＹを通し、そして他方は４極子電流Ｉ_ＱＹを通す。ある実施態様を別のものより優先して選択する決定は、実際的な考慮点、例えばコイルドライバーのコストに依存する。

偏向がゼロでない場合、磁場の双極子構成要素は、電子ビーム光学系において円筒状および４極子集束強度の両方を有する薄いレンズ素子によって近似できる。このように、偏向が、最大偏向（δ）およびビーム出口角（β）で、入射ビーム軸Ｌ（０）に沿った磁石の所与の長さに対して、（図２Ａに示すように）完全にｘ−ｚ面にあるように、Ｉ_ＤＹが支配的なコイル電流である近似において、
ここで、

それから、磁石の放射集束強度（それはビーム半径だけの関数であり、方位角度φから独立している）は、ｇ／Ｌ（０）の１次で、以下
の通りに算出され、そして４極子集束強度は、以下
の通りに算出される。

総集束強度は、Ｔ＝Ｓ＋Ｑ^＊ｃｏｓ（２φ）である。これらの定義は、コイルおよびヨークの形状に関係なく適用される。このように、ｘ−ｚ面の総集束強度（Ｔ）がＳ＋Ｑであり、そしてｙ−ｚ面でＳ−Ｑであると述べるのに、それは十分であるはずである。

それから、ヨークの出口境界の対応する半径は以下
の通りに算出され、ここで、βおよびＲの必要な値は、δおよびＱの必要な最大値に対して算出できる。

最大偏向におけるＳの設計値は、入射電子ビームの必要な最小拡散を決定する。偏向のより小さい値で、ソレノイド集束レンズは、双極子場のより小さい集束強度を補償するためにビーム光学糸に含むことができる。

多くのアプリケーションは、４極子集束強度（Ｑ）が０またはほぼ０であることを必要とすることがありえる。したがって、これは、β≒１／２＊δおよびＲ≒Ｌ（０）であることを必要とすることがありえる。Ｑが小さいが、このアプリケーションのようにゼロではない場合、βおよびＲの適切な値は、最大偏向でＱの必要な値を生じるように選ばれる。より小さい偏向で、４極子強度は、上記の通りに必要な場勾配（∂Ｂ_ｙ／∂ｘ）を発生するためにコイル電流Ｉ_ＱＹにより補充される。

一つの例示の実施態様において、ヨークは、厚みが１．５ｍｍ以上である高品質ミューメタル（例えば、５０，０００より大きい透磁率（μ）を有するソフト材強磁性体）である。コイルは単一層であり、ここで、各層は、ヨークに直接巻かれた１４アメリカ針金規格（ＡＷＧ）銅線を使用する。このように、例えば、長さ（Ｌ（０））＝１２５ｍｍ、幅（ｗ）＝１２５ｍｍ、および隙間（ｇ）＝５０ｍｍの設計寸法を使用して、２００ｋＶビーム４５度を偏向させるために必要とする磁場の双極子成分は、９４ガウスである。これは、Ｙコイルの各々における３７５アンペア回数により提供される。これらのコイルは、好ましくは、図３に示すようにターンタッチングによって巻かれる。これは、１３．３Ａの最大線電流を備えたＮ_Ｙ＝２８回数に結果としてなる。３．１度の最大垂直偏向は、Ｘコイルの対ごとに、例えば、最高５０アンペア回数により提供される。各Ｘコイルの各半分は、２．５Ａの電流を備えた１０回数を有する。Ｘコイルの回数は、示されるように広く、そして均一に間隔を置いて配置される。

図２Ａに示すように、磁石ヨークの出口側は、磁石の上流のビーム軸に集中する円弧を形成する。この構成は、磁石の双極子場が両方の平面にほぼ等しい集束強度を有する収束レンズとして作用することを確実にする。より大きい偏向角で、４極子場は、ヨークのこの輪郭によってビーム出口で発生する。それは偏向により有効な集束をほぼキャンセルする。全体の４極子レンズの結果として生じる強度は、例えば、４５度の偏向で約０．２ジオプターである。より小さい偏向角の場合は、総４極子レンズ強度は、ほぼ同じ値であることも必要とする。必要な４極子場強度は、例えば、Ｉ_ＱＹ＝０．３３ＡのＹコイルの対向する電流により供給される。Ｉ_ＱＸが冗長であるので、それは使用されない。

図４は、２つのＹコイルの等しい電流による双極子磁場（Ｂ_ｙ）の例示のグラフである。

図５は、２つのＸコイルの等しい電流による双極子磁場（Ｂ_ｘ）の例示のグラフである。

図６は、２つのＹコイルの対向する電流による４極子磁場の例示のグラフである。

図７は、２つのＹコイルの複合電流による、複合双極子および４極子磁場の例示のグラフである。

回転可能な４極子場のための八角形のオプションを使用する代替実施態様において、偏向後の必要なビームプロフィールが楕円で、垂直または水平にその主軸を方向付けられない場合、直角４極子場は、主コイルの４極子場と組み合せるために必要である（座標軸に関して４５度で方向付けられる）。この種の場を発生するために必要とするＱＢコイル３５０の位置は、図３に示され、そして図１に例示される。

図８は、ヨークの角における４つのＱＢコイルの電流による４５度の４極子磁場の一例を示す。

図９は、本開示の一実施態様による２つの半分９１０、９１２に構成されるヨーク９００を示す。図９の例示の実施態様において、２つの半分９１０、９１２は、位置９２０、９２２で一緒に締め付けられて、そこではミューメタルにおける磁気誘導は、主偏向場に対してゼロに近い。クランプはビーム管システムへの取付けを容易にする。一実施態様において、２つの半分９１０、９１２は、真鍮のネジによって取り付けられる非磁性ストリップによって固定できる。

一実施態様において、磁石１０００が、コイル電流および磁場が急速に変化しなければならない走査ビーム管において用いることになっている場合、磁気ヨークにおいて誘導される渦電流を防止することが必要でありえる。これは、ミューメタルにスロットをつけ、そして／または材料の多層１０１０を使用することによって達成できる。図１０は、すべてのミューメタル・ストリップが有利に同一である本開示の一実施態様を示す。

これらの実施態様に対するさまざまな変更態様は、当業者にとって容易に明らかであり、そして本願明細書に記載されている一般的な原理は、本開示の趣旨または範囲を逸脱せずに他の実施態様に適用できる。したがって、技術は上記の特定の例に限られていない。このように、本願明細書に示される説明および図面は、本開示のすぐに可能な実施態様を表わして、従って、本開示によって広く予想される内容を表わすことを理解すべきである。本開示の範囲が、当業者にとって明らかになることがありえる他の実施態様を完全に含み、そして本開示の範囲が、したがって添付の請求の範囲以外の何によっても制限されないと更に理解される。

Claims (15)

1. 磁石であって、
   一組の４つの表面および一組の４つの角を有するヨークと、
   それぞれ、前記一組の４つの表面上に各々巻かれる、第１の一組の４つのコイルと、
   それぞれ、前記一組の４つの角上に各々巻かれる、第２の一組の４つのコイルと、
   を備える、磁石。
2. 前記第２の一組の４つのコイルは、前記第２の一組の４つのコイル内の電流に応答して、４極子磁場を提供するために互いに電気的に接続される、請求項１に記載の磁石。
3. 前記ヨークは、円弧輪郭を伴う出口側を有する、請求項２に記載の磁石。
4. 前記一組の４つの表面内の一対の表面は、前記出口側に前記円弧輪郭を有する、請求項３に記載の磁石。
5. 前記一対の表面は互いに平行である、請求項４に記載の磁石。
6. 前記ヨークはホーン形状である、請求項５に記載の磁石。
7. 前記ヨークは、円弧輪郭を伴う出口側を有する、請求項１に記載の磁石。
8. 前記ヨークは、一緒に取り付けられる２つの部分を備える、請求項１に記載の磁石。
9. 前記２つの部分のうち第１の部分は、ある表面の第１の部分を含み、前記２つの部分のうち第２の部分は、前記ある表面の第２の部分を含み、前記ある表面上に巻かれる、前記第１の一組の４つのコイル内のコイルは、
   前記ある表面の第１の部分上に巻かれる第１の部分コイルと、
   前記ある表面の第２の部分上に巻かれる第２の部分コイルであって、前記第２の部分コイルは、前記第１の一組の４つのコイル内のコイルを形成するために、前記第１の部分コイルに電気的に接続される、第２の部分コイルと、
   を備える、請求項８に記載の磁石。
10. 前記ヨークはミューメタルを備える、請求項１に記載の磁石。
11. システムであって、
    ビーム管システムと、
    前記ビーム管システムに取り付けられる磁石であって、前記磁石は、
    一組の４つの表面および一組の４つの角を有するヨークと、
    それぞれ、前記一組の４つの表面上に各々巻かれる、第１の一組の４つのコイルと、
    それぞれ、前記一組の４つの角上に各々巻かれる、第２の一組の４つのコイルと、
    を備える、磁石と、
    電子を放射するように構成される粒子ビームソースであって、前記磁石は、前記第１の一組の４つのコイル内の電流に応答して、放射された電子を偏向させるために前記ビーム管システムに取り付けられる、粒子ビームソースと、
    を備える、システム。
12. 前記ヨークは、円弧輪郭を伴う出口側を有し、前記磁石は、前記第１の一組の４つのコイル内の電流に応答して、前記放射された電子のための収束レンズを提供するように構成される、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記磁石は、前記第１の一組の４つのコイル内の電流に応答して、第１の平面および第２の平面内で前記放射された電子を偏向させるウインドウフレーム設計を有する、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記ヨークは、円弧輪郭を伴う出口側を有し、
    前記磁石は、前記第１の一組の４つのコイル内の電流に応答して、前記第１の平面および前記第２の平面内で前記放射された電子のための収束レンズを提供するように構成され、
    前記第２の一組の４つのコイルは、前記第２の一組の４つのコイル内の電流に応答して、４極子磁場を提供するために互いに電気的に接続される、
    請求項１３に記載のシステム。
15. 前記ヨークはミューメタルを備える、請求項１１に記載のシステム。