CN102737932A

CN102737932A - 从射束中去除了中性粒子的像差校正维恩ExB滤质器

Info

Publication number: CN102737932A
Application number: CN2012101079401A
Authority: CN
Inventors: D.塔格尔; N.W.帕克; M.W.乌特劳特
Original assignee: FEI Co
Current assignee: FEI Co
Priority date: 2011-04-15
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-04-13
Also published as: EP2511935A1; JP6128746B2; JP2012227141A; US20120261566A1; CN102737932B; EP2511935B1; US8283629B1

Abstract

本发明涉及从射束中去除了中性粒子的像差校正维恩ExB滤质器。一种用于离子束系统的滤质器包括至少两级并且降低色像差。一个实施例包括两个对称滤质器级，所述两个对称滤质器级的结合降低或者消除了色像差以及入口和出口边缘场误差。实施例也可以防止中性粒子抵达样本表面以及避免射束路径中的交叉。在一个实施例中，所述过滤器能够使来自生成多个种类的源的单一离子种类通过。在其他实施例中，所述过滤器能够使具有一定能量范围的单一离子种类通过并将所述多能量离子聚焦到衬底表面上的同一点。

Description

从射束中去除了中性粒子的像差校正维恩ExB滤质器

技术领域

本发明涉及一种聚焦离子束系统，尤其涉及具有生成多个离子种类（species）的离子源的聚焦离子束系统。

背景技术

一些聚焦离子束（FIB）镜筒旨在供发射多个离子种类的离子源采用。为了选择这些离子种类中的仅一种用于待聚焦到衬底上的射束，所述FIB镜筒通常将包括滤质器。一种类型的滤质器（“维恩（Wien）过滤器”）采用交叉的电场和磁场（ExB）使不需要的离子种类离轴偏转，由此使它们撞击质量分离隙孔，并且也被称为“ExB过滤器”。ExB过滤器根据本领域公知的原理工作：交叉的电场和磁场（两者大体垂直于通过滤质器的射束方向）在横切射束运动的相反方向上诱发作用于射束内的离子上的力。这两个力的相对强度是由电场和磁场强度确定的，所述强度由激励电极和磁极的电压源和电流源控制。

图1是聚焦离子束（FIB）镜筒104内的现有技术维恩（ExB）滤质器102的侧视剖面图，所述聚焦离子束（FIB）镜筒包括结合以将离子束聚焦到衬底表面112上的上透镜106和下透镜108。三个不同离子种类的离子110被示为由源尖端114发射，所述发射是由施加在源尖端114和提取器电极（未示出）之间的电压诱发的。这一源结构是液体金属离子源（LMIS）中的结构特有的，然而在现有技术中可以采用其他类型的离子源。然后，通过上透镜106将离子110聚焦到质量分离隙孔122的平面120内。维恩过滤器102包括生成静电场的电极130以及诸如线圈或永磁体（磁极将处于图1的平面的前面和后面）的磁场源（未示出）。维恩过滤器102使低质量离子136和高质量离子138离轴偏转，使中间质量离子140大部分未偏转。然后这些中间质量离子140穿过隙孔122，并由下透镜108聚焦到衬底表面112上。如下面的公式所示，对于相同的射束能量而言，低质量离子136比高质量离子138具有更高的速度。由于对于所有的离子（具有相同的电荷）而言，电力都是相同的，而磁力与速度成正比，因而磁场将使较快的低质量离子136比较慢的高质量离子138更大偏转——因此较低质量离子沿磁力的方向（向左）偏转而高质量离子沿电力的方向（向右）偏转。对于中间质量离子140而言，电力和磁力被平衡（即，沿相反方向具有相等的幅度），从而不产生净力。

在图1中，电场142在附图平面中是水平的（从左边的正电极130指向右边的负电极130，使作用于正离子上的电力朝右），而磁场144垂直于附图平面并指向所述平面之外（使作用于正离子上的磁力朝左）。如果离子源114正发射多个具有不同电荷质量比的离子种类，那么有可能将所述电场142和磁场144的强度设置成使得一个离子种类可以未偏转地穿过所述ExB滤质器——在图1中，这一种类为中间质量离子140。如图所示，低质量离子136和高质量离子138分别向左和向右偏转。只有中间质量离子140穿过质量分离隙孔122，然后由下透镜108聚焦到衬底表面112上。在ExB滤质器102的顶部和底部，场终止板150将电场和磁场均截断，由此降低边缘场（fringe-field）像差。

为了更好地理解ExB过滤器诱发的像差，图2示出了与图1中的相同的二透镜镜筒104和现有技术ExB滤质器102，但是去除了质量分离隙孔板120（参见图1）。注意，由于维恩过滤器的偏转，使三个不同种类（高质量、中间质量和低质量）的离子聚焦到衬底上的三个不同位置。由于色像差，所述ExB过滤器也将使具有相同的质量但是具有不同的能量的离子不同地偏转。

在没有隙孔板122的情况下，如图所示，所有的离子都将传到衬底表面112。所述ExB过滤器使低质量离子136在下透镜的平面上向左偏转而使高质量离子138在该平面上向右偏转。由上透镜106的聚焦效应和ExB滤质器102的质量分离效应相结合形成的三个交叉（crossover）（低质量交叉236、中间质量交叉240和高质量交叉238）形成了由下透镜108成像到衬底112上的“虚源”。由于所述ExB过滤器使这三个虚源在空间上分离，因而如图所示，它们在衬底112上的三个相应的图像也是分离的——衬底112上的分离距离是由透镜108从（所去除的）质量分离隙孔120的平面上的交叉236、240和238的对应分离而缩小的。类似地，ExB的色像差引起具有相同质量但是具有不同的能量的离子的分离。这可以从ExB过滤器处的离子速度的（非相对论）方程看出：

? m ? v² = n e V = 离子的能量

v = sqrt( 2 n e V / m) = 离子的速度

其中

m = 离子质量

v = 离子速度

n = 离子电荷状态（1=单电离，2=双电离）

e = 基本电荷

V = 电子枪中的加速电势。

如果ExB过滤器中的两个场是：

E = 电场

B = 磁场

那么，作用于以速度v穿过所述过滤器的离子上的净力将为：

F_总 = F_电 + F_磁 = n ? e ? [ E – (v/c) ? B ]

其中

F_电 = n ? e ? E

F_磁 = – n ? e ? (v/c) ? B（在方向上与F_电相反）。

因此，实际上将所述维恩过滤器看作是速度过滤器。由于不同质量（和相同标称能量）的离子将具有不同的速度（较低质量较快，较高质量较慢），因而通常将维恩过滤器用作（和称为）“滤质器”。然而，即使对于单一离子种类而言，由于任何类型的离子源所发射的离子的固有能量扩展（围绕标称能量）——例如来自液体金属离子源的能量扩展通常具有大约5eV的FWHM能量扩展，因而将存在速度的扩展。由于这些能量扩展导致的射束上的弥散效应引起色像差，这在不被校正的情况下将使衬底上的聚焦射束模糊。

图1所示的离子束镜筒的另一缺点在于其包括射束交叉，即射束路径中的其中离子与光轴相交的点。所述交叉具有三个有害影响：1）由于在交叉本身处使粒子更加靠近到一起，因而提高了静电斥力，2）形成交叉一般使射束直径在整个镜筒范围内更小（在与没有交叉的情况下的射束直径相比时），从而也增大空间电荷效应，以及3）在未透过的离子束的撞击点处提高了质量分离隙孔的溅射，因为这些射束被聚焦在所述隙孔的平面处（例如，在交叉236和238处），由此提高了射束电流密度并因此提高了垂直于质量分离隙孔的平面的溅射速率（即，聚焦的非选定射束比未聚焦的非选定射束更快地溅射通过所述隙孔）。

交叉处的静电斥力使射束扩展，从而降低了衬底表面处的射束电流密度。在所述交叉处，发生两种独立的静电斥力效应：

1) Boersch效应——这是由于轴向射束散射而导致的射束能量扩展。实质上，一个离子以另一个离子为代价获得能量；

2) Loeffler效应——这是带电粒子的侧向散射，从而引起最终的焦斑更大和/或更加模糊。

下面更详细描述的“Achromatic two-stage E x B mass filter for a focused ion beam column with collimated beam”, Teichert, J.和Tiunov, M. A., Meas. Sci. Technol. 4 (1993) pp. 754-763描述了一种与准直射束一起采用的具有降低的色像差的两级滤质器。

图1所示的镜筒的另一问题在于未聚焦的中性粒子能够抵达衬底表面112。离子源偶然也发射中性粒子，而其他中性粒子可能由在源尖端114和滤质器102之间发生的气体-离子碰撞产生。在图1的镜筒中，这些中性粒子中的一些将穿过隙孔122并抵达衬底。由于中性粒子不对聚焦透镜的场做出响应，因而不受隙孔板阻挡的中性粒子扩展在衬底表面112的通常比聚焦离子束扫描的区域大得多的区域上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的用于带电粒子束系统的滤质器。

一种用于离子束系统的滤质器包括至少两级并且降低了色像差。一个实施例包括两个对称级，所述两个级降低或者消除了色像差以及入口和出口边缘场像差。实施例也可以防止中性粒子抵达样本表面，以及消除射束路径中的交叉。在一个实施例中，所述过滤器能够使来自生成多个种类的源的单一离子种类通过。在其他实施例中，所述过滤器能够降低质量分离隙孔的溅射。

上文相当宽泛地概括了本发明的特征和技术优势，从而可以更好地理解以下对本发明的详细说明。在下文中将描述本发明的额外特征和优点。本领域的技术人员应当认识到，可以容易地利用所公开的理念和具体实施例作为基础来修改出或者设计出其他结构以实现本发明的相同目的。本领域的技术人员也应当认识到，这样的等同构造并不背离所附权利要求中阐述的本发明的精神和范围。

附图说明

为了更加透彻地理解本发明及其优点，现在将参考结合附图给出的以下说明，其中：

图1是二透镜聚焦离子束（FIB）镜筒内的现有技术维恩ExB滤质器的示意性侧视剖面图。

图2是来自图1的去除了质量分离隙孔使得所有的离子种类均透射至衬底的现有FIB镜筒的剖面图。

图3是本发明的实施例的示意性侧视剖面图，所述实施例具有二透镜FIB镜筒，所述镜筒具有双偏转像差校正ExB维恩滤质器。

图4是来自图3的二透镜FIB镜筒的示意性侧视剖面图，其示出了透射离子束的横向位移。

图5是来自图3的二透镜FIB镜筒的示意性侧视剖面图，其中去除了质量分离隙孔使得所有的离子种类均透射至衬底。

图6是具有双偏转ExB滤质器的二透镜镜筒的示意性侧视剖面图，其示出了所透射的具有静电偏转误差E1-E4的离子束的轨迹。

图7是具有双偏转ExB滤质器的二透镜镜筒的示意性侧视剖面图，其示出了所透射的具有磁偏转误差M1-M4的离子束的轨迹。

图8示出了本发明的方法的优选实施例。

具体实施方式

本发明的实施例相较于典型的现有技术离子束系统能够提供一个或多个优点。并非所有的实施例都将提供全部的益处。本发明的一些实施例提供了校正色像差的ExB滤质器。本发明的一些实施例防止了来自射束的中性粒子抵达衬底。本发明的一些实施例消除了对离子镜筒内的射束交叉的需要。本发明的一些实施例校正了由入口和出口电场和磁场诱发的射束像差。一些实施例降低了质量分离隙孔的溅射。

本发明的一些实施例通过如下步骤来校正色像差：使射束首先沿一个方向离轴偏转，然后使所述射束沿相反的方向偏转回来使得射束平行于且通常偏离其原始路径地离开过滤器，由此基本上消除色像差（与处于所述滤质器下面的聚焦光学器件结合起作用），如下面所解释。这种射束偏转消除了任何通过所述滤质器的直接路径，因而防止了中性粒子抵达衬底。本发明的一些实施例包括两个ExB过滤器，每一过滤器包括一级滤质器。文中采用的术语“滤质器”或“ExB过滤器”可以根据上下文指代多级过滤器中的单级或者指代多级过滤器。而且，术语“滤质器”也覆盖了按照速度或能量进行过滤的过滤器。

在很多聚焦离子束（FIB）应用中期望在衬底表面处实现最大化的电流密度。如上所述，射束电流密度可能因射束路径中的交叉处的提高空间电荷散射而降低。图3-7示出了不包括交叉因此能够提高射束电流密度的FIB镜筒设计。

在一个实施例中，一种包括滤质器的离子束镜筒包括用于提供不同质量的离子的离子源；用于使来自离子源的离子首先沿第一轴形成射束的第一透镜；提供远离第一轴的第一射束偏转的第一滤质器级；提供与所述第一射束偏转的偏转相反的第二射束偏转的第二滤质器级；用于使来自第二滤质器级的少于全部离子通过的质量分离隙孔；用于接收来自所述第二滤质器的离子并将这些离子聚焦到衬底表面上的第二透镜，所述第二滤质器级基本上消除了来自第一滤质器级的色像差。

图3示出了具有像差校正滤质器304的离子镜筒302，所述滤质器具有两级即上ExB过滤器306U和下ExB过滤器306L。如图1和图2中的那样，离子110从离子源尖端114发射。这一源结构是液体金属离子源（LMIS）中的结构特有的，然而在本发明中可以采用其他类型的离子源。然后通过上透镜106将离子110聚焦成基本平行的射束310。在完全平行的射束310中，可以将射束310内的各离子轨迹外推回到沿光轴380处于负无穷大的虚源（未示出）。“基本平行的”射束是如下的射束：该射束的虚源未必处于负无穷大，但是该射束的外推离子轨迹仍然在如下的位置与光轴380交叉，该位置与源尖端（上方或下方）的距离是离子镜筒302的全长的至少三倍。上ExB过滤器306U包括电极314U、场终止板316U和磁场源（未示出）。电极314U生成由箭头320U指示的处于附图平面内的电场（从左边的正电极314U指向右边的负电极314U——使作用于正离子上的电力朝右）。磁场源生成由圆圈322U指示的从附图出来的磁场（使作用于正离子上的磁力朝左）。下ExB过滤器306L包括电极314L、场终止板316L和磁场源（未示出）。电极314L生成由箭头320L指示的处于附图平面内的电场，其与上ExB过滤器306U中的电场320U方向相反、幅度相等。下ExB过滤器306L中的磁场源生成由叉322L指示的进入附图内的磁场，其与上ExB过滤器306U中的磁场322U方向相反、幅度相等。下ExB过滤器306L与上ExB过滤器306U对称，典型地具有等同的结构（旋转180°并且对称轴偏移了与图4中的偏移量402和404之和对应的距离326）并且生成方向相反、幅度相等的电场和磁场。

离子110包括如图所示的四个不同离子种类：低质量离子330、较低中间质量离子332、较高中间质量离子334和高质量离子336。低质量离子330、较高中间质量离子334和高质量离子336撞击质量分离隙孔板340，且未向下穿过隙孔342到下透镜108。如图所示，较低中间质量离子332既穿过了上ExB过滤器306U又穿过了下ExB过滤器306L。然后离子332穿过质量分离隙孔342，并由下透镜108聚焦到衬底表面112上。在现有技术中，通常对ExB过滤器进行调谐以使期望的离子（在这一例子中为较低中间质量）在无偏转的情况下通过。在图3的实施例中，使期望的离子偏转以穿过隙孔342，而一些不期望的离子（在这一例子中为较高中间质量334）连同中性粒子未偏转并且撞击隙孔板340。其他不期望的离子偏转得太多（低质量330）或者偏转得太少（高质量336）而无法穿过隙孔342。

中性粒子346未被ExB滤质器304中的电场和磁场偏转，因而径直穿过，从而撞击质量分离隙孔板340，因为隙孔板340中的孔342（其限定了ExB过滤器304的出射轴）从ExB过滤器304的入射轴380偏移了距离326。尽管图3的示意图没有表明对于未受透镜106偏转的中性粒子而言不存在到衬底112的路径，但是实际系统的几何结构通过本领域技术人员熟悉的各种装置而消除了这样的路径，诸如处于上ExB过滤器306U的入口处的隙孔和/或处于滤质器304下面的镜筒内某处的隙孔。通常，可以为场终止板316U和316L配置供离子束进入和离开所经过的开口，所述开口小到足以充当隙孔。由于冲击隙孔板340的离子未被聚焦到一点上，因而由离子溅射引起的隙孔板上的磨损在较宽的区域上扩展。因此，隙孔板340不太可能具有不需要的由受到阻挡的离子溅射穿过所述板的孔，因而隙孔板340将持续更长。

图4只示出了较低中间质量离子332的路径，该路径在穿过上ExB 306U时向左位移了量A 402，并且在穿过下ExB 306L时位移了相同的量A 404。位移402和404的结合为2A，使得射束332能够穿过隙孔342（其也偏移了距离2A），因此进入下透镜108以被聚焦到衬底表面112上。如图所示，上ExB滤质器306U和下ExB滤质器306L是等同的，被定位成相对于彼此具有围绕二重旋转对称轴406的180°旋转。对称轴406既垂直于上ExB 306U的轴，又垂直于质量分离方向（平行于E场320U），并且沿所述质量分离方向从上ExB 306U的轴偏移了距离A 404。因此，较低中间质量离子332在上ExB 306U的中心线上进入上ExB 306U，并且在下ExB 306L的中心线上离开下ExB 306L。

本发明的双滤质器配置与现有技术的区别在于将几个关键设计元素结合到一起，一些所述设计要素是现有技术中未发现的，如图4所示：

1) 隙孔板340中的质量分离隙孔342从滤质器304的入射轴向侧面偏移了距离2A。

2) 滤质器304具有旋转对称轴406，该轴与滤质器304的入射轴和出射轴二者均偏移了距离A。

3) 使下ExB过滤器306L围绕对称轴406相对于上ExB滤质器旋转180°，因此通过对称性，在离子束穿过上ExB 306U时诱发的任何像差倾向于在离子束以基本相反方向穿过下ExB 306L时得到消除（由于两个ExB过滤器306U和306L的180°相对取向）。相对于上ExB 306U的对称轴，离子束沿轴进入并且以离轴距离A 404离开。相对于下ExB 306L的对称轴，射束以相同的离轴距离A 402进入但是沿轴离开。

4) 下ExB过滤器306L的轴相对于上ExB过滤器306U的轴偏移，使得离子束沿上ExB 306U的对称轴进入并且沿下ExB 306L的对称轴离开。

5) 在滤质器内或者在滤质器下方不存在交叉，由此降低了空间电荷效应和隙孔溅射。

在现有技术中，在包括多个ExB元件的滤质器中，各个ExB元件的对称轴不如图4所示的那样偏移，并且各个ExB元件不按照180°相对取向定位以通过采用旋转对称性来消除像差。包括多个ExB元件的现有技术滤质器的特征在于将多个ExB元件（和质量分离隙孔）全部安装在同一轴上而在它们之间无相对的旋转定位。在“Achromatic two-stage E x B mass filter for a focused ion beam column with collimated beam”, Teichert, J.和Tiunov, M. A., Meas. Sci. Technol. 4 (1993) pp. 754-763中提供了包括多个ExB元件的现有技术滤质器的例子，其中所述两个ExB元件的特征在于：

1) 无它们的入射和出射对称轴的相对偏移。

2) 无所述ExB元件的180o相对取向。

3) 沿所述对称轴在所述两个ExB元件之间可变的射束隙孔——这一隙孔将倾向于阻挡一些轨迹。

4) 在两个ExB元件之间的像散校正装置以校正两个ExB元件的聚焦效应。

5) 无质量分离隙孔的偏移，其中两个ExB元件和所述质量分离隙孔全部是同轴的。

Teichert的文章包含了详细的像差公式以及对组合ExB滤质器的像差的计算，但是没有提及采用基本对称性（旋转对称性和ExB轴的偏移）来降低这些像差。而是考虑了诸如“极靴缝隙的最佳值、极靴宽度、电极宽度以及电极之间的缝隙（第3章第2段）”的设计特性。位于两个ExB元件之间的像散校正装置补偿两个ExB元件的聚焦效应。

在一个实施例中，硅-金合金液体金属离子源（LMIS）114可以生成分别具有1/28、2/28、1/(2*28)、1/197、2/197、1/(2*197)、2/(3*197)、1/(197+28)、2/(197+28)、2/(2*197+28)和2/(3*197+28)（以基本电荷/原子质量单位为单位）的电荷质量比的Si⁺、Si⁺⁺、Si₂ ⁺、Au⁺、Au⁺⁺、Au₂ ⁺、Au₃ ⁺⁺、AuSi⁺、AuSi⁺⁺、Au₂Si⁺⁺和Au₃Si⁺⁺离子。上ExB过滤器306U包括分离了大约10mm的如下电极314U，在所述电极之间具有大约6000V的电势差以生成大约600V/mm的电场强度。磁场强度322U大约为4500高斯。电极314U和314L的长度可以是平行于射束轴32mm。下ExB过滤器306L的配置等同于上ExB过滤器306U的配置，但是电场和磁场幅度相等且极性相反。

图5示出了与图3所示的FIB镜筒类似的FIB镜筒，但是去除了质量分离隙孔板以使得所有的离子（低质量、较低中间质量、较高中间质量和高质量）能够进入下透镜并被聚焦到衬底上——这一图示使得能够更好地理解色像差的校正（可以将其与图2相对于图1相比）。由于从下ExB 314L出现的所有离子看起来都从同一虚源（在负无穷大）发散，因而所有离子将与图3中的较低中间质量离子一样被聚焦到衬底上的相同位置（忽略下透镜中的像差效应）。这也意味着所有的较低中间质量离子不管其能量如何也将被聚焦到衬底上的相同位置，由此消除了由ExB维恩滤质器诱发的色像差。也就是说，不仅不同质量的离子被聚焦到衬底112上的同一斑点（在没有质量分离隙孔的情况下），而且相同质量和不同能量的离子也被聚焦到衬底112的同一斑点（忽略透镜108中的像差效应）。因此，将图5中的衬底处的射束位置与图2中的射束位置进行比较也示出了双偏转ExB过滤器的色像差校正作用。对于“基本平行的”射束330、332、334和336的情况而言，虚源与尖端114（上方或下方）的距离将等于镜筒302的长度的几倍，但是同一情形成立——所有的射束都将具有相同的虚源位置并因此将聚焦到衬底112上的同一斑点。

因此，本发明的双偏转ExB维恩过滤器通过使所有射束（具有各种质量和/或能量）的虚源保持在与具有标称质量和能量的射束（在这一例子中为较低中间质量离子342）的虚源相同的位置而校正了离子束中的色像差。

尽管在现有技术中采用终止板来降低ExB过滤器之外的电场和磁场，但是在ExB过滤器的入口和出口处仍然存在偶然的场变化，其将对射束生成不利影响。系统诸如图3-5中所示的采用多个ExB过滤器的系统能够降低这些不期望的场对射束的影响。在图6-7中示出了较低中间质量轨迹和ExB过滤器的这一对称性水平的重要性。

图6和图7示出了图3和图4的系统中的可能的静电和磁偏转误差的来源和校正。图6示出了从处于顶部的离子源114向下穿过滤质器304、然后由下透镜108聚焦到衬底表面112上的较低中间质量离子332的轨迹（弯曲中心线）。在所有的ExB滤质器中，存在入口和出口区域，在所述区域内电场和磁场从零变为ExB区域内的场强。在这些区域内，场从中央区域（具有电场和磁场）到ExB过滤器的外部（这里电场和磁场大约为零）尽可能骤然终止一般是有利的——这是采用场终止板（诸如图1和图2中的板150以及图3-7中的板316U和316L）而实现的。

然而，尽管利用所述终止板，在这一区域内仍然存在由下面几个原因诱发的像差：1)电场和磁场并非以正好相同的比率终止，因此诱发了作用于离子上的不适当的净力，以及2)场被弯曲（即，E场不平行于图1-7的平面或者B场不垂直于所述平面），从而导致平面外射束偏转。

在图6中示出了由于上ExB 306U和下ExB 306L中的电场而导致的四个示范性射束偏转误差E1-E4。像差E1-E4可能源自于上述各种起因。在上ExB 306U中，入口处的误差E1向左，而出口处的误差E2向右。在下ExB中，入口处的误差E3向左，而出口处的误差E4向右。现在，考虑上ExB滤质器306U和下ExB滤质器306L之间的围绕图4所示的二重旋转对称轴406的基本旋转对称性。假设上ExB滤质器和下ExB滤质器制造得非常精确并且具有等同的设计，那么可以忽略由加工误差或电压误差诱发的像差并假设所有误差对于上ExB滤质器和下ExB滤质器的入口和出口处的电场和磁场分布至关重要。通过对称性，我们将预期以下关系成立：

E4 = -E1

E3 = -E2

于是，穿过本发明的双偏转ExB滤质器的由于电场误差引起的总射束像差将为：

E1 + E2 + E3 + E4 = E1 + E2 + (-E2) + (-E1) = 0

因而，对于一阶（忽略组合误差），由于滤质器304的总体对称性而消除由上ExB过滤器和下ExB过滤器的入口和出口处的电场误差诱发的像差，所述滤质器304包括其间具有精确2A偏移量的上ExB 306U和下ExB 306L，所述2A偏移量正好对应于进入上ExB 306U的离子和离开下ExB 306L的离子之间的射束偏转。

图7是由上ExB 306U和下ExB 306L中的磁场导致的示范性射束偏转误差M1-M4的类似图示。在上ExB中，入口处的误差M1向右，而出口处的误差M2向下朝右。在下ExB中，入口处的误差M3向上朝左，而出口处的误差M4向左。再次上ExB过滤器和下ExB过滤器的组件的基本二重旋转对称性使得以下关系成立：

M4 = -M1

M3 = -M2

使得穿过本发明的双偏转ExB滤质器的由于磁场误差引起的总射束像差将为：

M1 + M2 + M3 + M4 = M1 + M2 + (-M2) + (-M1) = 0

因而，对于一阶（忽略组合误差），也消除由上ExB过滤器和下ExB过滤器的入口和出口处的磁场误差M1-M4诱发的像差，正如图6中的电场诱发误差E1-E4的情况一样。

因此，本发明的双偏转ExB滤质器实施例可以提供相对于现有技术的以下关键优点：

1) 以平行或基本平行的射束工作而不要求射束交叉。

2) 从离开滤质器的射束中去除了中性粒子。

3) 通过保持穿过滤质器的所有离子的虚源位置而消除了色像差。

4) 降低了由电场和磁场终止误差诱发的入口和出口像差。

5) 由于离子束电流密度的扩展而降低了质量分离隙孔的溅射。

6) 由于缺少交叉而降低了空间电荷射束能量和空间展宽。

图8示出了本发明的方法的优选实施例。在步骤802中，提供了生成具有不同质量的离子的离子源。在步骤804中，使来自离子源的离子形成射束。在步骤806中，使离子沿第一方向偏转，所述偏转对于具有不同质量的离子存在差异。在步骤808中，使离子沿第二方向偏转，所述偏转对于不同质量的离子存在差异，不同质量的离子沿第一方向的不同偏转与不同质量的离子沿第二方向的偏转差异消除，使得不同质量的离子在经过两次偏转之后沿相同的方向行进。

尽管描述了两个实施例，但是本领域技术人员将容易地认识到所述滤质器可以包括不同的场终止板的设计和概念、不同的生成磁场的方法（永磁体和/或电磁体）以及不同的极靴配置（参见与本发明同时提交的并且转让给本发明的受让人的“Wide Aperture Wien ExB mass filter”）。

尽管所描述的实施例将离子源与发射器尖端一起采用，但是本发明的实施例也可以运用不具有发射器尖端的离子源，诸如等离子体离子源。

图3和图4的实施例示出了射束和不具有射束交叉的离子镜筒，在本发明的实施例中也可以采用其中射束具有一个或多个交叉的镜筒。此外，根据本发明一些实施例也可以将不具有交叉的射束与单个ExB过滤器一起采用。尽管所描述的实施例采用了两个ExB过滤器，但是可以采用额外的过滤器。例如，可以采用四个过滤器以提供这样的射束，所述射束沿着与该射束进入第一过滤器相同的轴离开第四过滤器。也可以采用三个过滤器，其中所述三个过滤器的累积效果是提供与进入第一过滤器的射束平行的射束，最终射束与原始射束偏移或者未偏移。

尽管描述了ExB过滤器，但是也可以采用其他类型的过滤器，诸如球形或圆柱形电容器。

根据本发明的一个方面，一种包括滤质器的离子束镜筒包括：用于提供不同的电荷质量比的离子的离子源；用于将来自所述离子源的离子首先沿第一轴形成射束的第一透镜；提供远离所述第一轴的第一射束偏转的第一滤质器级，所述第一射束偏转取决于所述射束中的每一离子的电荷质量比，所述第一轴是所述第一滤质器级的对称轴；旋转对称轴，所述旋转对称轴的取向既垂直于所述第一轴又垂直于所述第一射束偏转，所述旋转对称轴平行于所述第一射束偏转进行偏移；围绕所述旋转对称轴180度定位的第二滤质器级，所述第二滤质器级的对称轴为第二轴，所述第二滤质器级提供与所述第一射束偏转的偏转相反的第二射束偏转，对于离开所述第二滤质器级的不同电荷质量比的离子之一而言，第一和第二滤质器级的偏转的结合等于第一和第二轴之间的位移；用于使来自所述第二滤质器级的少于所有离子通过的质量分离隙孔，所述质量分离隙孔以所述第二轴为中心；以及第二透镜，接收来自所述第二滤质器的离子并将这些离子聚焦到衬底表面上，所述第二滤质器级在衬底表面上基本消除了来自所述第一滤质器级的色像差。

根据本发明一些实施例，所述第一滤质器级和所述第二滤质器级为ExB过滤器。

根据本发明一些实施例，所述离子源为液体金属离子源。

根据本发明一些实施例，所述离子源为等离子体离子源。

根据本发明一些实施例，所述离子按照基本平行的射束进入所述第一滤质器级。

根据本发明一些实施例，所述第二透镜级聚焦来自位于无限远的虚源的不同能量的离子。

根据本发明一些实施例，所述第二滤质器级基本消除了来自所述第一滤质器级的边缘场像差。

根据本发明的另一方面，一种提供来自提供不同质量的离子的离子源的离子的射束的方法包括：提供来自离子源的具有不同质量的离子；使所述离子形成射束；使所述离子沿第一方向偏转，所述偏转对于不同质量的离子存在差异；以及使所述离子沿第二方向偏转，所述偏转对于不同质量的离子存在差异，不同质量的离子沿所述第一方向的不同偏转与不同质量的离子沿所述第二方向的偏转差异消除，使得不同质量的离子在两次偏转之后沿相同的方向行进。

根据本发明一些实施例，使所述离子沿第一方向偏转包括使所述离子穿过第一ExB滤质器，并且其中使所述离子沿第二方向偏转包括使所述离子穿过第二ExB滤质器。

根据本发明一些实施例，所述方法还包括使一些离子穿过隙孔同时阻挡其他离子，所述隙孔的中心从所述第一ExB过滤器的光轴偏移。

尽管已详细描述了本发明及其优点，但是应当理解在不背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这里做出各种变化、替代和更改。此外，本申请的范围并非旨在限于说明书中描述的所述过程、机器、制造、物质成分、装置、方法和步骤的具体实施例。如本领域普通技术人员将从本发明的公开容易地认识到，根据本发明可以利用当前存在的或者以后将开发的与在这里描述的对应实施例执行基本相同的功能或者获得基本相同的结果的过程、机器、制造、物质成分、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、物质成分、装置、方法或步骤均包含在其范围内。

Claims

1.一种包括滤质器的离子束镜筒，包括：

用于提供不同电荷质量比的离子的离子源；

用于使来自所述离子源的离子首先沿第一轴形成射束的第一透镜；

第一滤质器级，提供远离所述第一轴的第一射束偏转，所述第一射束偏转取决于所述射束中的每一离子的电荷质量比，所述第一轴是所述第一滤质器级的对称轴；

旋转对称轴，所述旋转对称轴的取向既垂直于所述第一轴又垂直于所述第一射束偏转，所述旋转对称轴平行于所述第一射束偏转进行偏移；

围绕所述旋转对称轴180度定位的第二滤质器级，所述第二滤质器级的对称轴为第二轴，所述第二滤质器级提供与所述第一射束偏转的偏转相反的第二射束偏转，对于离开所述第二滤质器级的不同电荷质量比的离子之一而言，第一和第二滤质器级的偏转的结合等于第一和第二轴之间的位移；

用于使来自所述第二滤质器级的少于所有离子通过的质量分离隙孔，所述质量分离隙孔以所述第二轴为中心；以及

第二透镜，接收来自所述第二滤质器的离子并将这些离子聚焦到衬底表面上，

所述第二滤质器级在所述衬底表面上基本消除了来自所述第一滤质器级的色像差。

2.根据权利要求1所述的离子束镜筒，其中所述第一滤质器级和所述第二滤质器级为ExB过滤器。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的离子束镜筒，其中所述离子源为液体金属离子源。

4.根据权利要求1或权利要求3所述的离子束镜筒，其中所述离子源为等离子体离子源。

5.根据上述权利要求中的任何一项所述的离子束镜筒，其中所述离子按照基本平行的射束进入所述第一滤质器级。

6.根据上述权利要求中的任何一项所述的离子束镜筒，其中所述第二透镜级聚焦来自位于无限远的虚源的不同能量的离子。

7.根据上述权利要求中的任何一项所述的离子束镜筒，其中所述第二滤质器级基本消除了来自所述第一滤质器级的边缘场像差。

8.一种提供离子射束的方法，所述离子来自提供不同质量的离子的离子源，所述方法包括：

提供来自离子源的具有不同质量的离子；

使所述离子形成射束；

使所述离子沿第一方向偏转，所述偏转对于不同质量的离子存在差异；以及

使所述离子沿第二方向偏转，所述偏转对于不同质量的离子存在差异，不同质量的离子沿所述第一方向的不同偏转与不同质量的离子沿所述第二方向的偏转差异消除，使得不同质量的离子在两次偏转之后沿相同的方向行进。

9.根据权利要求8所述的方法，其中使所述离子沿第一方向偏转包括使所述离子穿过第一ExB滤质器，并且其中使所述离子沿第二方向偏转包括使所述离子穿过第二ExB滤质器。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，还包括使一些离子穿过隙孔同时阻挡其他离子，所述隙孔的中心从所述第一ExB过滤器的光轴偏移。