CN102598195A - 分布式离子源加速镜筒 - Google Patents

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Abstract

离子束系统使用诸如阻性管的单独加速电极来在保持扩展、亦即分布式离子源处的低电场的同时将离子加速，从而改善分辨率。可以使用磁光陷阱作为离子源。

Description

分布式离子源加速镜筒
本申请要求来自2009年9月18日提交的美国临时专利申请号61/243,572的优先权，其被通过引用结合到本文中。
技术领域
本发明涉及带电粒子束系统且特别地在包括扩展离子源的离子束系统中有用。
背景技术
大约30年来，高分辨率聚焦离子束（FIB）已被证明对诸如显微术、平版印刷术、微机械加工（离子铣削和材料沉积）以及掺杂剂注入的多种任务有用。多年来，已经开发了用于聚焦离子束应用的许多离子源，包括气相场电离、等离子体以及液态金属。在到目前为止开发的所有源中，液态金属离子源（LMIS）已被证明是最有用的，并且现在被最广泛地使用。液态金属离子源的有用性基本上源自于其非常高的亮度，其允许在将电流保持在1 pA至10 pA范围内的同时产生具有约10nm的斑点尺寸的聚焦离子束。这些特性为聚焦离子束提供了必要的分辨率和离子电流以执行一系列现有技术纳米技术任务。
尽管其被广泛使用，但现有离子源具有妨碍朝着更广泛的应用和更高的分辨率的发展的限制。由于用液态金属来润湿钨尖端的需要，能够在液态金属离子源中实施的不同粒子物种的数目略微受到限制。Ga是到目前为止使用的主要元素，虽然已展示了其它物种，包括Au、Al、Be和Cs。液态金属离子源还遭受极大的能量发散，超过几eV，这一般地被认为归因于在发射体的表面上非常小的发射区域附近发生的空间电荷效应。此能量加宽导致形成聚焦离子束的聚焦光学装置的色差，从而限制可实现的分辨率并迫使进行射束电流与分辨率之间的权衡。气相场电离源解决了这些问题中的某些，因为其能够用轻元素进行操作并具有较窄的能量发散，约1eV，但是电流明显更小，其不用重元素进行工作，并且其操作起来更麻烦。等离子体源也克服了液态金属离子源的某些问题，但是其亮度比其它两个源小几个数量级。关于液态金属和气相源的另一实际问题是现有源具有高亮度所需的纳米级有效源尺寸，被转换成对源位置稳定性的非常敏锐的灵敏度，这在聚焦离子束系统的构造中变成问题。
[因此，需要一种用于产生离子且特别是适合于宽范的应用的聚焦离子束的改进的系统和策略，所述应用例如为现场分析、材料沉积或注入、材料烧蚀。离子显微术、次级离子质谱法（SIMS）以及离子纳米机械加工。
用于“Magneto-optical Trap Ion Source”的美国专利公开号2008/0296483描述了一种用于聚焦离子束系统的的磁光陷阱离子源。 美国专利公开号2008/0296483描述了一种包括磁光陷阱（MOT）、电离激光器以及提取元件的系统。磁光陷阱产生全域（population）或“云状”的过冷中性原子。本文所使用的“过冷”意指比10毫开尔文更冷。图1示意性地示出典型MOT 100。激光束102减缓中性原子，并且具有沿着彼此相反的方向流动的电流的电磁体104将中性原子捕获在云106中。
当使用MOT作为磁光陷阱离子源（MOTIS）中的离子的源时，电离激光器使陷阱中的中性原子电离，并且该离子被电场提取且被以离子束的形式朝着靶加速。云中的冷温度产生具有理论上允许有10nm或以下的射束分辨率的优良特性的离子束。从此源产生的电流取决于磁光陷阱的工作参数，并且可以在从应要求的单个离子至超过100pA，是比使用常规离子源所可能的宽得多的范围。另外，通过磁光陷阱的使用能够被激光冷却的大范围的元素大大地扩展了能够产生并聚焦至离子束的离子物种的类型和范围。图9是示出在各种类型的离子源中能够使用哪些元素的周期表。
在不引发结果得到的射束中的大的能量发散的情况下，难以将来自非点状源的离子加速。离子源的空间范围越大，越难以将离子聚焦至点。要求系统中的改进以产生更小的探针尺寸并产生此类系统理论上能够产生的分辨率。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于形成聚焦带电粒子束、特别是从扩展离子源形成聚焦离子束的方法和设备。
优选实施例包括电极配置，其产生静电电位以在保持低能量发散的同时将来自分布式离子源的离子加速至高达到几十千伏特（kV）的能量。该电极配置在延长的距离内将离子加速。在某些实施例中，该电极配置减小使射束中的离子会聚或发散的静电透镜化（lensing），使得离子基本上准直地离开电极。在其它实施例中，电极配置使射束会聚或发散，并且根据在给定应用中使分辨率最优化所要求的，能够提供长或短、正或负的焦距。
前述内容已相当广泛地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更透彻地理解随后的本发明的详细说明。下面将描述本发明的附加特征和优点。本领域的技术人员应认识到可以容易地利用所公开的概念和特性实施例作为用于修改或设计用于执行本发明的相同目的的其它结构的基础。本领域的技术人员还应实现的是此类等效构造不脱离如随附权利要求所阐述的本发明的精神和范围。
附图说明
为了更透彻地理解本发明及其优点，现在对结合附图进行的以下描述进行参考，在附图中：
图1示意性地示出用于中性离子的现有技术磁光陷阱。
图2示出本发明的磁光离子源和电极的优选实施例。
图3示出与捕获铬原子并使其光子化有关的能级。
图4示出使离子束偏转并使其聚焦到样品上的离子光学镜筒的各部分。
图5示出使用图2的源和图4中的离子光学镜筒的各部分的本发明的优选离子镜筒。
图6A和6B是使用使用铬离子源的本发明的实施例获取的显微照片。
图7A和7B是使用使用锂离子源的本发明的实施例获取的显微照片。
图8是示出用于本发明的实施例的斑点标准偏差宽度对比射束能量的图表。
图9是被标记以示出在不同类型的离子源中能够容易地使用哪些元素的周期表。
具体实施方式
在MOTIS中，能够与离子束轴平行地或与该轴垂直地指引电离激光。如果电离激光被定向为垂直于离子束轴，则沿着垂直于射束轴的线产生离子，并且某些离子与光学轴的距离使得更加难以使离子聚焦到样品上的点。如果电离激光被沿着射束轴定向，则沿着光学轴产生离子，但是由于跨越云存在电位梯度，所以在陷阱中的不同位置处产生的离子在其离开陷阱时将具有不同的能量。具有不同能量的离子将在不同的位置处聚焦，亦即，射束将显示出色差，使靶处的斑点尺寸扩大，从而降低分辨率。
由于带电离子相互排斥，所以离子将获取垂直于射束轴的速度分量，其使得在非常小的提取场处离子越来越难以聚焦。此机制设定关于通过在源区域中使用小电场能够将能量发散和关联色差减小到什么程度的下限。
通过在离子源处保持小电场，能够获得小的能量发散和高分辨率。然而，如果离子将被加速至几keV，则如在大多数聚焦离子束应用中所要求的，则在MOT处的小场将要求或者加速在长距离内发生或者沿着射束路径远离源的更强的电场。如果使用由良导体制成的常规静电电极，加速将在长距离内发生，则这些电极的面积将必须约为将其分离的距离的平方，以便保证场均匀性。这不是优选的，因为在许多应用中，电极结构将是不切实际地大的。替代地，如果在较小距离内将离子加速，则射束将经历强静电透镜化。如果透镜化引发离子在靶之前沿着射束路径达到焦点（所谓的‘交叉点（cross-over）’），则离子间库伦力将降低离子束的质量且在射束被重新聚焦时再次地导致较大的斑点尺寸。虽然具有交叉点是不期望的，但在某些实施例中其是可接受的设计折衷。
本发明的实施例解决了这些问题并从扩展离子源产生高分辨率射束。本发明的实施例提供一种电极结构，其从源提取离子并将离子加速，优选地至几keV或几十keV。在某些实施例中，来自源的离子优选地是基本上准直或平行的，亦即既不会聚也不发散。
基本上准直意味着在仍将离子加速至2000eV的同时，获得大于正250mm或小于负250mm的焦距。在其它实施例中，在将离子束加速至2000eV的同时获得大于正1000mm或小于负1000mm的焦距或大于正10000mm或小于负10000mm的焦距。在其它实施例中，电极可以充当使射束在末级透镜之前更强地发散的透镜。在其它实施例中，电极可以充当会聚透镜。
在某些实施例中，通过提供跨越中性原子云的源电场和扩展电场来实现改善的分辨率，所述扩展电场在离子离开源的区域之后继续使其加速。通过使扩展电场本质上等于源场，能够减小或消除等势线的曲率，从而减小或消除透镜化。用“本质上等于”意指扩展场强度在约30%内、更优选地在约20%内、甚至更优选地在约10%内且最优选地在约5%或以下内与源场强度相同。
在优选实施例中，离子的源在两个平面、优选地圆盘形电极之间。这些电极的表面具有跨越该表面施加的均匀电位。该圆盘具有足够大的直径，使得此电位随后产生用穿过圆盘的孔使离子朝着圆盘中的一个加速的均匀电场。具有孔的圆盘被称为提取电极。另一圆盘被称为源电极。两个圆盘电极之间的区域被称为源区。在通过孔之后，离子进入优选地由长管状阻性（resistive）电极产生的扩展场区。此电极可以包括例如由有限但低导电率的掺杂玻璃制成的管或在其内或外表面上具有优选地均匀的阻性涂层的绝缘管。当在管的两端施加电位时，阻性涂层沿着管的长度提供均匀电场。管的长度是圆盘间隔的长度的许多倍。在优选实施例中，管长度是圆盘间隔的超过5倍，圆盘间隔的超过10倍，圆盘间隔的超过20倍或圆盘间隔的约25倍。
通过在器件的整个长度上保持小的均匀电场，可以保持源中的小能量发散并避免透镜化。阻性元件的使用允许在沿着垂直于射束传播的方向保持电极结构紧凑的同时产生均匀场。在另一实施例中，使用处于逐渐减小的电位的一系列电极来产生具有减小的透镜化的近似均匀场。
带电粒子在电场径向地不均匀时被聚焦，亦即沿着光学轴的电场不同于离轴电场，因此朝向射束的边缘的离子被与轴上的离子不同地偏转，使得离轴离子会聚或发散。聚焦例如通过电极中的孔周围的边缘效应发生。加速电极通过在大的距离内散布电压降并逐渐地将电位减小至接近于样品的电位来减小或消除边缘化。
因此，优选实施例由于其在保持低能量发散且在某些实施例中避免交叉点的同时将分布式离子源加速的能力而能够提供比现有技术系统更高的分辨率。其还可以应用于其中离子源大于几百纳米的其它离子束系统。
优选实施例允许将锂离子加速至高达10 keV或以上的能量，同时保持射束准直和用于10μm离子源尺寸的小于0.4 eV的源能量发散。
在图2中示出MOTIS 200的一个实施例的离子产生和加速区的示意图。MOTIS 200包括MOT以捕获并冷却来自原子束的中性原子，诸如铬或锂原子。例如在美国专利公开号2008/0296483中更详细地描述了MOTIS，其被通过引用结合到本文中。MOT是由六个激光束202（示出4个，有进入页面和从页面出来的未示出射束）与由一对相反取向的环状强永久NdFeB磁体（未示出）形成的四极磁场的零点的交叉产生的。在一个实施例中，这些磁体具有75 mm的外径和38 mm的内径、25 mm的厚度且Br＝1.3 T。当间隔开215mm时，这些磁体产生沿着磁化轴为0.16 T m-1的梯度且在垂直于此轴的平面内为0.08 T m -1的梯度。
激光是由Ti:Sapphire激光器（未示出）的输出的二次谐波发生产生的，其随后被二极管泵浦固态激光器（未示出）泵浦。标称地具有4mm的1/e2直径的6个激光束中的每一个中的几毫瓦足以产生原子陷阱。激光束被调谐为刚好在被用于冷却的电子能跃迁级以下。图3例如示出用于冷却和光致电离的铬中的相关能级。当捕获铬离子时，激光束在425nm下被调谐为刚好在Cr 7 S3→ 7 P4跃迁以下。捕获的冷铬原子系综或云204一般地是球状对称的，并具有近似高斯密度分布，根据磁场梯度和激光束强度、失调和对准，其具有从50μm至500μm的标准偏差半径。能够通过关闭激光并允许原子暂时自由地膨胀来测量被捕获原子的温度。一个实施例中的从原子分布的膨胀速率推断的温度是100±15 μΚ。电离激光束206被通过MOT沿着离子束轴聚焦（轴向电离）并具有标准偏差5μm的本质上高斯射束腰部（20 μm的1/e2直径）。
离子210在由相隔15mm的两个平行板产生的电场中被提取，第一板即源电极220，由具有透明、导电涂层222的熔融二氧化硅窗口组成，导电涂层由诸如氧化铟锡（ITO）的材料制成。第二板即提取板224包括约100μm厚且具有反射铝涂层226的硅电极。 提取板224在中心处具有孔228，离子通过该孔。离子在加速电极（诸如阻性管230）中被加速至其最终能量，阻性管230的起点刚好在硅电极224的内表面以下，并且其远端被接地。阻性管是已知的，并且可以例如使用掺杂玻璃或通过在绝缘玻璃管的内侧上提供阻性涂层来产生。例如在授予Nagai等人的“Electrostatic Lens and Method for Producing the Same”的美国专利号5,444,256中和在授予Laprade的“Conductive Tube for Use as a Reflectron Lens”的美国专利号7,154,086中描述了阻性管电极。在用于形成铬离子射束的一个实施例中，管230为约265mm长，具有约25mm的外径和约125mm的内径。孔228具有4mm的直径且管230的末端位于板224的内表面以下0.4mm处。在某些实施例中，可以将管230的近端电连接至板224的内表面。在其它实施例中，可以将管230的近端连接到单独的电源。
在某些实施例中，施加于源电极220、提取电极224和管230的相对末端的电压被选择为使得阻性管中的电场与源电极220与提取电极224之间的均匀电场相同。由于这两个区域中的场是相等的，并且由于反射铝电极与阻性管的起点之间的距离是小的，所以当离子从板之间的区域通过至阻性管中是，本质上不存在透镜化。然而，离子在其离开阻性管时经历相对弱的发散透镜。在一个实施例中，管出口与聚焦光学装置之间的自由飞行距离小于100mm。因此，聚焦透镜处的离子束直径应与源宽度的非常接近，其通常被设置为10μm。
离子的加速由其中产生离子的原子系综的区域与靶之间的电位差确定。管电极的远端通常处于与靶相同的电位，亦即处于接地电位，虽然施加于管电极的远端的电压对于不同的应用可能是不同的。电压降的部分和因此的加速在源和提取电极之间发生且部分在提取电极与管230的远端之间发生。在一个实施例中，调整源和提取电极之间的距离、管电极的长度与施加于电极的电压以产生导致离开加速电极的离子基本上被准直的电场。技术人员能够通过模拟、射线跟踪、计算和实验来容易地确定用于特定应用的适当电压和尺寸。
在上述系统几何结构的一个应用中，源电极220与提取电极226之间的电压是100V，因此，在电极之间平均中途上产生的离子通过孔228以50 eV的平均能量出现。管两端的电压是例如2000 V。源电极随后被偏置至2100V，因此，提取电极和管230的顶部处的电压是2000V，并且管230的远端被接地。
在优选实施例中，大部分离子加速在提取电极的外面和在加速电极中发生。在某些实施例中，超过50 %、超过75%、超过90%、超过95%或超过97.5%的加速在提取电极外面发生。
图4示出优选聚焦光学装置400由三个部分组成：双轴双极偏转器402、三元件单透镜404以及用于次级电子检测的沟道电子倍增器406。优选地在离子束路径中不存在射束限制孔径。在一个实施例中，由具有100V的范围和50μs的设定时间的快速放大器来供应偏转板电压402。放大器上的电压范围允许从几纳米直至几毫米的射束偏转。
图5示意性地示出体现本发明的聚焦离子束系统。离子是在MOTIS 502中的过冷原子系综中产生的且在加速电极504中被加速至期望的能量以便对靶512进行成像或处理。离子束506从加速电极504出现并被偏转器508定位且在靶上进行扫描。物镜510（优选地静电单透镜）使离子束506聚焦到靶512上，其被定位于样品台514、优选地三轴精密台上。次级带电粒子520、即电子和离子是在受到离子束506的撞击时从靶发射的，并且次级粒子被诸如闪烁器—光电倍增器或多通道板的粒子检测器516检测到。
在一个实施例中，离子被投射到在28mm的工作距离（被定义为从透镜的最近表面至靶的距离）处的包括微通道板和荧光屏的靶上或安装在17mm的工作距离处的样品台上。对于0.2 pA离子束而言，次级离子从这些靶开始计数直至2×l05 s-1。
图6A和6B示出本发明的实施例的使用具有10μm小孔的微通道板的铬离子束以两个不同的放大倍率形成的图像。射束能量是2keV且射束尺寸是250nm。图像是300×300像素且是在90秒内获取的。板中的10μm小孔被清楚地分辨，显示出良好的分辨率和对比度。图7A和7B示出使用具有2keV射束能的锂离子束产生的板的两个不同放大倍率下的图像。
虽然上述优选实施例使用铬源，但其它优选实施例使用不同类型的离子。MOTIS能够使用在图9中被指示为具有用于激光冷却的适当电子跃迁的元件、亦即能够容易地在MOTIS中使用的元件中的任何一个。
锂源被认为对形成离子束图像特别有用。虽然上述优选实施例使用MOT源，但本发明在使用扩展源、亦即非点离子源的其它离子束系统中将是有用的，其中，虚拟离子源大于几百纳米。
因此，本发明的一方面包括一种用于提供用于被指引到样品台上的样品的聚焦离子束的离子的离子源，包括：
源区，用于包含过冷中性原子；
源电极，其在源区的一侧上；
提取电极，其在形成源电极的源区的相对侧上，提取电极具有孔，源电极和提取电极提供跨越源区具有源电场强度的源电场；
能量源，其用于使过冷中性原子中的至少某些电离以产生离子，该离子被源电场加速通过孔；以及
阻性管，其沿着管具有不同的电位以从提取电极中的孔接收离子并将离子加速。
在某些实施例中，阻性管的一端处于与提取电极基本上相同的电位，并且其中，阻性管的另一端处于与靶基本上相同的电位。
在某些实施例中，离开阻性管的离子基本上被准直。
在某些实施例中，基本上准直的离子是由使离子会聚或发散以提供大于250 mm、大于1000 mm或大于10,000 mm的量值的正或负离子焦距的提取电极和阻性管一起产生的。
在某些实施例中，离子在源区中被加速且在阻性管中被进一步加速，由阻性管中的电场引起的离子的能量变化是由源区中的电场引起的能量变化的至少10倍。
在某些实施例中，源区包括用于减慢并捕获中性原子的磁光陷阱。
在某些实施例中，阻性管从提取电极的5mm内且在远离源电极的方向的方向上延伸。
在某些实施例中，阻性管包括具有阻性涂层的绝缘管。
在某些实施例中，提取电极和阻性管一起将离子会聚或发散或提供大于50mm的量值的正或负离子焦距。
本发明的某些实施例包括一种用于提供用于被指引到样品台上的样品的聚焦离子束的离子的离子源，包括：
源区，用于包含过冷中性原子；
源电极，其在源区的一侧上；
提取电极，其在形成源电极的源区的相对侧上，提取电极具有孔，源电极和提取电极提供跨越源区具有源电场强度的源电场；
能量源，其用于使过冷中性原子中的至少某些电离以产生离子，该离子被源电场加速通过孔；
至少一个扩展电极，其提供从具有孔的该电极延伸的扩展电场，扩展电场的强度刚刚超过孔，与源电场的强度相差小于百分之三十，从而减小或消除了离子离开源区时的聚焦效应。
在某些实施例中，源区包括用于减慢并捕获中性原子的磁光陷阱。
在某些实施例中，所述至少一个加速电极包括从提取电极附近延伸且远离源电极的阻性管。
在某些实施例中，最接近于提取电极的阻性管的末端处的电位与作为提取电极的电位相差小于20%。
在某些实施例中，最接近于提取电极的阻性管处于与提取电极大约相同的电位。
在某些实施例中，所述系统还包括用于使离子束聚焦到样品上的离子聚焦透镜，并且其中，距离提取电极最远的阻性管的电位末端处于与样品近似相同的电位。
在某些实施例中，所述至少一个加速电极包括一系列电极且还包括用于在电极变得更加远离源区时向该系列中的电极供应逐渐减小的电压的电压源。
在某些实施例中，本发明包括一种用于提供用于被指引到样品台上的样品的聚焦离子束的离子的离子源，包括：
源区，其用于提供离子；
一个或多个电极，其用于在扩展源区处提供电位；
提取电极，其具有孔，该提取电极提供用于从源区提取离子的电场；以及
加速电极，其在沿着电极管的不同点处具有不同电位以便从提取电极中的孔接收离子并将该离子加速。
在某些实施例中，所述加速电极在大于源区的尺寸的5倍的距离内使离子加速。
本发明还包括一种聚焦离子束系统，其包括上述离子源中的任何一个、用于使从源区提取的离子束偏转的偏转电极；以及用于将离子束聚焦到样品保持器上的样品上的聚焦透镜。在某些实施例中，所述聚焦离子束系统不具有位于提取电极与样品保持器之间的限束孔径。
虽然已详细地描述了本发明及其优点，但应当理解的是在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下可以在本文中进行各种变更、替换和修改。此外，本申请的范围并不意图局限于本说明书中所述的过程、机器、制品、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域的技术人员将容易地从本发明的公开认识到的，根据本发明，可以利用执行与本文所述的相应实施例基本上相同的功能或实现基本上相同的结果的目前存在或稍后将开发的过程、机器、制品、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求意图在其范围内包括此类过程、机器、制品、物质组成、装置、方法或步骤。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于提供用于被指引到样品台上的样品的聚焦离子束的离子的离子源，包括：
源区，用于包含过冷中性原子；
源电极，其在源区的一侧上；
提取电极，其在源区的与源电极相对的一侧，提取电极具有孔，源电极和提取电极提供跨越源区具有源电场强度的源电场；
能量源，其用于使过冷中性原子中的至少某些电离以产生离子，该离子被源电场加速通过孔；以及
阻性管，其沿着管具有不同的电位以从提取电极中的孔接收离子并将离子加速。
2.权利要求1的离子源，其中，所述阻性管的一端处于与提取电极基本上相同的电位，并且其中，所述阻性管的另一端处于与靶基本上相同的电位。
3.权利要求1的离子源，其中，离开阻性管的离子基本上被准直。
4.权利要求3的离子源，其中，所述提取电极和所述阻性管一起使粒子会聚或发散以提供大于250mm的量值的正或负离子焦距。
5.权利要求3的离子源，其中，所述提取电极和所述阻性管一起使粒子会聚或发散或提供大于1000mm的量值的正或负离子焦距。
6.权利要求1的离子源，其中，离子在源区中被加速并在阻性管内被进一步加速，由阻性管中的电场引起的离子的能量变化为由源区中的电场引起的能量变化的至少10倍。
7.权利要求1的离子源，其中，所述源区包括用于减慢并捕获中性原子的磁光陷阱。
8.权利要求1的离子源，其中，所述阻性管从提取电极的5mm内并在远离源电极的方向上延伸。
9.权利要求1的离子源，其中，所述阻性管包括具有阻性涂层的绝缘管。
10.权利要求1的离子源，其中，所述提取电极和所述阻性管一起使粒子会聚或发散或提供大于50mm的量值的正或负离子焦距。
11.一种聚焦离子束系统，包括：
权利要求1的离子源；
偏转电极，其用于使从源区提取的离子束偏转；以及
聚焦透镜，其用于使离子束聚焦到样品保持器上的样品上。
12.权利要求11的聚焦离子束系统，其中，没有射束限定孔径被定位于提取电极与样品保持器之间。
13.一种用于提供用于被指引到样品台上的样品的聚焦离子束的离子的离子源，包括：
源区，用于包含过冷中性原子；
源电极，其在源区的一侧上；
提取电极，其在源区的与源电极相对的一侧，提取电极具有孔，所述源电极和所述提取电极提供跨越源区的具有源电场强度的源电场；
能量源，其用于使过冷中性原子中的至少某些电离以产生离子，该离子被源电场加速通过孔；
至少一个加速电极，其提供从具有孔的提取电极延伸的扩展电场，扩展电场的强度刚刚超过孔，与由透镜实现的源电场的强度相差小于百分之三十，从而减小或消除了离子离开源区时的聚焦效应。
14.权利要求13的离子源，其中，所述源区包括用于减慢并捕获中性原子的磁光陷阱。
15.权利要求13的离子源，其中，所述至少一个加速电极中的一个包括从提取电极附近延伸且远离源电极的阻性管。
16.权利要求15的离子源，其中，所述阻性管包括具有阻性涂层的绝缘管。
17.权利要求15的离子源，其中，最接近于提取电极的阻性管的末端处的电位与提取电极的电位相差小于20%。
18.权利要求17的离子源，其中，最接近于提取电极的阻性管的末端处于与提取电极大约相同的电位。
19.权利要求15的离子源，其中，所述系统还包括用于使离子束聚焦到样品上的离子聚焦透镜，并且其中，距离提取电极最远的阻性管的末端处的电位处于与样品近似相同的电位。
20.权利要求15的离子源，其中，所述至少一个加速电极包括一系列电极且还包括用于在电极变得更加远离源区时向该系列中的电极供应逐渐减小的电压的电压源。
21.一种用于提供用于被指引到样品台上的样品的聚焦离子束的离子的离子源，包括：
源区，其用于提供离子；
一个或多个电极，其用于在扩展源区处提供电位；
提取电极，其具有孔，该提取电极提供用于从源区提取离子的电场；以及
加速电极，其在沿着电极管的不同点处具有不同电位以便从提取电极中的孔接收离子并将该离子加速。
22.权利要求21的离子源，其中，所述加速电极是阻性管。
23.权利要求21的离子源，其中，离开阻性管的离子基本上被准直。
24.权利要求21的离子源，其中，离开阻性管的离子束是发散的。
25.权利要求21的离子源，其中，所述加速电极在大于源区的尺寸5倍的距离内将离子加速。
26.一种包括依照权利要求21所述的离子源的聚焦离子束系统。

Claims (26)

1.一种用于提供用于被指引到样品台上的样品的聚焦离子束的离子的离子源，包括：
源区，用于包含过冷中性原子；
源电极，其在源区的一侧上；
提取电极，其在形成源电极的源区的相对侧上，提取电极具有孔，源电极和提取电极提供跨越源区具有源电场强度的源电场；
能量源，其用于使过冷中性原子中的至少某些电离以产生离子，该离子被源电场加速通过孔；以及
阻性管，其沿着管具有不同的电位以从提取电极中的孔接收离子并将离子加速。
2.权利要求1的离子源，其中，所述阻性管的一端处于与提取电极基本上相同的电位，并且其中，所述阻性管的另一端处于与靶基本上相同的电位。
3.权利要求1的离子源，其中，离开阻性管的离子基本上被准直。
4.权利要求3的离子源，其中，所述提取电极和所述阻性管一起使粒子会聚或发散以提供大于250mm的量值的正或负离子焦距。
5.权利要求3的离子源，其中，所述提取电极和所述阻性管一起使粒子会聚或发散或提供大于1000mm的量值的正或负离子焦距。
6.权利要求1的离子源，其中，离子在源区中被加速并在阻性管内被进一步加速，由阻性管中的电场引起的离子的能量变化为由源区中的电场引起的能量变化的至少10倍。
7.权利要求1的离子源，其中，所述源区包括用于减慢并捕获中性原子的磁光陷阱。
8.权利要求1的离子源，其中，所述阻性管从提取电极的5mm内并在远离源电极的方向上延伸。
9.权利要求1的离子源，其中，所述阻性管包括具有阻性涂层的绝缘管。
10.权利要求1的离子源，其中，所述提取电极和所述阻性管一起使粒子会聚或发散或提供大于50mm的量值的正或负离子焦距。
11.一种聚焦离子束系统，包括：
权利要求1的离子源；
偏转电极，其用于使从源区提取的离子束偏转；以及
聚焦透镜，其用于使离子束聚焦到样品保持器上的样品上。
12.权利要求11的聚焦离子束系统，其中，没有射束限定孔径被定位于提取电极与样品保持器之间。
13.一种用于提供用于被指引到样品台上的样品的聚焦离子束的离子的离子源，包括：
源区，用于包含过冷中性原子；
源电极，其在源区的一侧上；
提取电极，其在形成源电极的源区的相对侧上，提取电极具有孔，源电极和提取电极提供跨越源区具有源电场强度的源电场；
能量源，其用于使过冷中性原子中的至少某些电离以产生离子，该离子被源电场加速通过孔；
至少一个扩展电极，其提供从具有孔的该电极延伸的扩展电场，扩展电场的强度刚刚超过孔，与源电场的强度相差小于百分之三十，从而减小或消除了离子离开源区时的聚焦效应。
14.权利要求13的离子源，其中，所述源区包括用于减慢并捕获中性原子的磁光陷阱。
15.权利要求13的离子源，其中，所述至少一个加速电极包括从提取电极附近延伸且远离源电极的阻性管。
16.权利要求15的离子源，其中，所述阻性管包括具有阻性涂层的绝缘管。
17.权利要求15的离子源，其中，最接近于提取电极的阻性管的末端处的电位与提取电极的电位相差小于20%。
18.权利要求17的离子源，其中，最接近于提取电极的阻性管的末端处于与提取电极大约相同的电位。
19.权利要求15的离子源，其中，所述系统还包括用于使离子束聚焦到样品上的离子聚焦透镜，并且其中，距离提取电极最远的阻性管的末端处的电位处于与样品近似相同的电位。
20.权利要求1的离子源，其中，所述至少一个加速电极包括一系列电极且还包括用于在电极变得更加远离源区时向该系列中的电极供应逐渐减小的电压的电压源。
21.一种用于提供用于被指引到样品台上的样品的聚焦离子束的离子的离子源，包括：
源区，其用于提供离子；
一个或多个电极，其用于在扩展源区处提供电位；
提取电极，其具有孔，该提取电极提供用于从源区提取离子的电场；以及
加速电极，其在沿着电极管的不同点处具有不同电位以便从提取电极中的孔接收离子并将该离子加速。
22.权利要求21的离子源，其中，所述加速电极是阻性管。
23.权利要求21的离子源，其中，离开阻性管的离子基本上被准直。
24.权利要求21的离子源，其中，离开阻性管的离子束是发散的。
25.权利要求21的离子源，其中，所述加速电极在大于源区的尺寸5倍的距离内将离子加速。
26.一种包括依照权利要求1所述的离子源的聚焦离子束系统。
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