CN102789948A - 用于控制ExB Wien过滤器中磁场分布的方法和结构 - Google Patents

用于控制ExB Wien过滤器中磁场分布的方法和结构 Download PDF

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Abstract

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。

Description

用于控制ExB Wien过滤器中磁场分布的方法和结构
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。
附图说明
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1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ExB Wien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——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1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-A。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1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1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。
入口间隔物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1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108一起压缩。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1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场两者，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1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1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V0。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。Ryoke 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 1 432和Rspacer 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 1 408和Rend cap 1 410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 1 412、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V420等。类似地用符号表示电流（例如经过电阻器Rgap 406的电流为I406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Rspacer 1 432、Rspacer 2 434、Rspacer 3 482和Rspacer 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V0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：
                                                                            [方程1]
                                                                          [方程2]
Figure 285146DEST_PATH_IMAGE003
                                                 [方程3]
Figure 680355DEST_PATH_IMAGE004
                                                             [方程4]
按照对称性，也可以进行以下假设：
Figure 557044DEST_PATH_IMAGE005
                                                                   [方程5]
            [方程6]
Figure 646540DEST_PATH_IMAGE007
                                                                   [方程7]
Figure 907757DEST_PATH_IMAGE008
                                                                   [方程8]
Figure 576636DEST_PATH_IMAGE009
                                                 [方程9]
为了将孔124和128中的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，电流I408和I458二者分别必须近似为零，因而根据电路图400不可能有跨Raperture或者Rend cap的电压降并且以下等式必须成立：
Figure 570000DEST_PATH_IMAGE010
                                                                                                     [方程10]
Figure 386646DEST_PATH_IMAGE011
                                                                         [方程11]
Figure 123658DEST_PATH_IMAGE012
                                   [方程12]
Figure 709360DEST_PATH_IMAGE013
                                                                                          [方程13]
将来自方程12和13的I1和I2代入方程5和7中给定：
                                                                                     [方程14]
                                                                                    [方程15]
将来自方程10的VB以及来自方程12和13的I1和I2代入方程8和9中给定：
Figure 718270DEST_PATH_IMAGE016
                                                                                          [方程16]
Figure 361741DEST_PATH_IMAGE017
                                                                                         [方程17]
将方程14与15之比设置成等于方程16与17之比给定：
Figure 696908DEST_PATH_IMAGE018
                                                      [方程18]
然后求解Rspacer给定：
Figure 488146DEST_PATH_IMAGE019
                                                                       [方程19]
因此，方程18示出了间隙磁阻与磁轭磁阻之比应当等于泄漏磁阻（即在极靴的边缘与端帽之间的磁阻）与间隔物的磁阻之比。应当进行用于间隔物130和132以及端帽122和126的材料和设计选择以尽可能接近地满足方程19，然而在现有技术中，一般由于用于具有所需磁性质的磁材料的选择数量有限而尚未实现满足方程19。
一般而言，以下成立（为了高效使用磁体106）：
Figure 566961DEST_PATH_IMAGE020
                                                                               [方程20]
然后根据方程18：
Figure 64938DEST_PATH_IMAGE021
                                                                             [方程21]
其中方程21中的不等式在插入方程19中的间隙、磁轭和泄漏磁阻的计算或者测量给定时充当对可能间隔物设计的定性指导。方程20和21可以在设计磁体磁轭和间隔物时充当定性指导。
对于在没有本发明具有不对称入口和出口几何形状（间隔物和/或端帽设计）的情况下的ExB滤质器的情况，以下方程成立：
         [方程22]
图5是现有技术的ExB滤质器中的轴向B场分布506的计算图500。图5中的示例对应于太小的间隔物磁阻从而允许来自磁体106的返回通量（向左流动）超过将在入口和出口孔中向右流动的泄漏通量。针对沿着Z轴的轴向位置502描绘在横向（X轴）方向上的B场504（离子束在+Z方向上行进）。分别与图2中的通量204和210对应的B场510和508相对于间隙场512（图2中的通量224）反转方向。入口孔124处于Z轴上的0 mm处，而出口孔128的中心处于约42mm。在入口孔124，通量204将如图2中所示向左。在B场中处于0mm的负下陷510对应于入口孔124内的场反转并且图示了在E场与B场之间的不良匹配。在出口孔128，负下陷508对应于如图2中所示向左的通量210，还图示了不良场匹配。
图6是现有技术的ExB滤质器中的轴向B场分布606的计算图600。图6中的示例对应于太大的间隔物磁阻从而允许来自磁体106的泄漏通量（向右流动）超过将在入口和出口孔中向左流动的返回通量。针对沿着Z轴的轴向位置602描绘在横向（X轴）方向上的B场604（离子束在+Z方向上行进）。分别与图2中的通量204和210对应的B场610和608在量值上增加并且具有与间隙场612（图2中的通量224）相同的方向。入口和出口孔如图5中那样定位于Z轴上。在入口孔124，通量204将向右（与图2中所示通量204相反）。在B场中处于0mm的正峰610对应于在入口孔124内的场集中（concentration）从而图示了在E与B场之间的不良匹配。在出口孔128，正峰608对应于向右的通量210（与图2中所示通量210相反），还图示了不良场匹配。与图5的比较示出了在E与B场之间的未匹配对于这一示例而言在入口124和出口128孔两者内明显更大（即峰608和610具有比下陷508和510高得多的B场量值）。
在图7-11中表征的本发明借助端帽中的磁垫片和端环中的磁塞垫片来实现上文描述的方程18中的比值的更接近匹配，由此遍及ExB的长度满足所需B/E比值时实现比仅借助用于间隔物130和132或者用于端帽122和126的材料选择而可能的灵活性大得多的灵活性。
图7是ExB滤质器700的等距四分之一剖视图，该剖视图示出了本发明的一个优选实施例。在图8中图示了截面C-C。磁极靴702附着到陶瓷绝缘体704，该绝缘体704附着到磁体706（通常为钕-铁-硼（NdFeB）或者钐-钴（SmCo）合金磁体，或者其他相似的高强度永磁体）。在本发明范围内的替代实施例中，电磁体线圈可以替换这里所示永磁体706。磁体706（通常成对——在剖视图700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708。
在图7中，待质量分离的离子束将经过向入口端帽722安装的入口环730中的孔724进入滤质器700。各种质量分离的离子束将经过向出口端帽726安装的出口环732中的出口孔728退出滤质器700。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7的左下到右上。这一偏转在多数情况下将小到足以使得这些非所选离子束将穿过出口孔728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728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702的内面之间生成执行对离子束的质量分离的磁场。在图8中示出了这些“间隙场”824。
与B场824垂直，在一对电极742之间建立电场，在示出的优选实施例中通过安装与绝缘体746相抵推动的螺杆744（穿入磁轭708中）来向内按压该对电极742。经过杆748实现与电极742的电连接，这些杆经过磁轭708和壳718中的出砂孔径向向外延伸并且在外端具有防电晕球754。这里所示电极和极靴配置对应于1988年12月6日颁布的美国4,789,787号中所示的配置（见其中图4A和4B），通过引用将其结合于此。入口端帽722具有加粗外环792，该外环782取代图1中所示现有技术的ExB滤质器的间隔物130。外环792具有用于增加外环的轴向磁阻的径向缝750。磁垫片790可以插入到缝750中以减少外环792的轴向磁阻。由于垫片790的数量、位置和磁导率机械可调整，所以有可能按小增量在宽范围内变化外环792的磁阻，由此实现端帽磁阻的比现有技术的ExB滤质器（诸如图1中所示ExB滤质器）中可能的调整精细得多的调整。相似考虑应用于具有加粗外环794和磁垫片796的出口端帽726中的径向缝756。
壳718围绕磁轭708而夹环720（由螺杆757压制（hold down））将端帽722和726以及间隔物718一起压缩。在ExB滤质器下面是用于校正ExB滤质器700所致的束偏转误差的X-Y束偏转器782。束偏转器782不是本发明的部分。
与图1和图2的现有技术的滤质器对照，根据本发明的滤质器700示范了B场和E场分布的接近得多的匹配。这一更佳匹配由机械可变磁阻1010、1060、1032、1034、1082和1084（见图10）实现。
图8是图示了ExB滤质器的磁路的侧横截面C-C 800，该横截面示出了本发明的一个优选实施例。箭头802-834图示了间隙、磁材料和磁体内的磁通量分布。B场824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742（在图7中示出了一个）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的。通量822和826在极靴702与磁轭708之间，其穿过磁体706和绝缘体704。在入口端帽722和入口环730内，通量802和806总是向左流动，其与在磁路的外侧周围流动的返回通量两者方向对应以及将泄漏通量828和830连接到磁体706的外端。类似地，在出口端帽726和出口环732内，通量808和812也总是向左流动，其与在磁路的外侧周围流动的返回通量两者方向对应以及将泄漏通量832和834连接到磁体806的外端。通量814和818连接于入口端帽722与磁轭708之间，从而穿过端帽722的外环792并且也穿过径向缝750内的任何磁垫片790。通量816和820连接于出口端帽726与磁轭708之间，从而穿过端帽726的外环794并且也穿过径向缝756内的任何磁垫片796。
现在考虑入口环730内的入口孔724以内的B场。不同于上文描述的现有技术的滤质器，在根据本发明的滤质器中，可以调整入口和出口孔内的磁场取向和量值以匹配电场和磁场，由此遍及ExB过滤器的长度均衡相反电力和磁力。如图8中所示，已经调整磁垫片790的数量、位置和磁导率以消除入口孔724内的B场，因此没有通量被示出跨孔724（与图2中的通量204比较）。下文对图9A、9B和10的讨论描述了用于实现入口孔724以内的B场减少的结构和方法。
如上文讨论的那样，入口端帽722和入口环730的功能是终止B场和E场两者，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B/E比值。由于入口端帽722和入口环730具有良好电导率，所以E场往往相当突然并且一般在孔724内实质上无E场地终止。为了正确的ExB操作，B场强度应当与E场成比例（轴上每处的比值相同），所以B场应当也在孔724内降至近似零强度。相似考虑应用于向端帽726安装的出口环732中的孔728以内的B场。不同于上文描述的现有技术的滤质器，在本发明的优选实施例中，可以使入口和出口孔724、728内的B场与E场成比例地降至近似零强度。使用这里描述的本发明以及对用来制作入口端帽722、出口端帽726、入口环730、出口环732、磁垫片790和磁垫片796的材料的适当选择，现在有可能将入口724和出口728孔（见图11）内的B场抵消至小于极靴702之间的间隙中的最大B场1112的百分之一。用于端帽、环和垫片的示例性适当材料包括具有适度磁导率的材料（诸如400系列不锈钢，具体为合金SS430）。
本发明因此实现一种用于实现E场和B场在ExB入口和出口处的良好匹配的机械方法和结构。如本领域技术人员熟悉的那样，更佳匹配减少ExB滤质器中的像差并且也实现从滤质器退出的更佳束对准。图9A、9B和10的讨论描述用于实现入口孔724以内的B场减少的结构和方法。可以在出口孔728内实现相同B场减少。
图9A是ExB滤质器的入口端帽722、入口环730和塞垫片906的示意平面视图900，该平面视图示了本发明的一个优选实施例。图8中的箭头802和806图示了入口端帽722和入口环730内的磁通量分布。如上文讨论的那样，在恰当选择入口端帽722、入口环730和垫片790的数量、形状和材料时，在孔724以内的磁场可以减少至小于极靴702之间的间隙中的最大B场的百分之一。图9A和9B图示了本发明的一个优选实施例的一些附加元件，这些元件实现对孔724以内的B场（包括B场量值和方向两者）的附加控制。
入口环730可以包括与入口端帽722不同的材料。在入口环730内，如图9A和9B中所示，通量坝902包围孔724的壁904从而形成对通量的一部分（诸如将通常与孔724更近地穿过的通量线914（例如见图3A中的通量线304））的更高磁阻屏障。通量线912与通量坝902距离更远并且因此在入口端帽722和入口环730内从右到左笔直流动更少偏离。在一些情况下，有可能的是，为了在孔724内和在孔724附近E场与B场的最优匹配，可能希望B场的一些局部偏转以例如在制造的ExB滤质器（其中不对称地磁化磁体706（普遍出现））中校正B场方向。
磁塞垫片906可以如图9A和9B中所示插入到通量坝902的各种部分中。用于磁塞垫片906的材料选择通常可以是软磁材料（诸如400系列不锈钢）或者更高磁导率的磁材料（诸如镍-铁合金）。虽然示出了塞垫片906为四个弧形段，但是诸多其他形状落入本发明的范围内，包括细环、具有更大围绕角度的弧形、在弧形周围具有可变厚度的弧形等。通过将一个或者多个磁塞垫片906定位于通量坝902内而又测量孔724内的B场，可以实现ExB滤质器的实时机械调整以优化在入口端环730附近和在孔724内的B场分布。图3B是本发明一个优选实施例的ExB滤质器的入口端帽722和具有孔724的入口环730的示意侧横截面D-D 950。
图10是与图8中所示磁路相似的电路1000。在这一示意图中，如图4中那样，利用它们与图7和图8中的Exb滤质器的各种元件的磁阻的相应对应性来标注电阻器。电池1002和1004具有代表两个磁体706的剩磁的电压V0。Rgap 1006代表在极靴702之间的间隙的磁阻，该间隙对应于离子穿过的ExB的物理孔。Ryoke 1016代表磁轭708的磁阻，该磁轭708将磁体706感应的多数通量从图8中的右磁体706的右侧周围向的左磁体706的左侧传送。Rflux valve 1 1032和Rflux valve 2 1034对应于跨两个通量阀（包括加粗外环792中的径向缝750的左侧和右侧并且可选地包含磁垫片790）的（可调整）磁阻。类似地，Rflux valve 3 1082和Rflux valve 4 1084对应于跨两个通量阀（包括加粗外环792中的径向缝756的左侧和右侧并且可选地包含磁垫片796）的（可调整）磁阻。Raperture 1 1008和Rend cap 1 1010平行从而分别代表跨入口孔724和在孔724周围（在入口端帽722和入口环730内）的磁阻。Raperture 2 1058和Rend cap 2 1060平行从而分别代表跨出口孔728和在孔728周围（在出口端帽726和出口环732内）的磁阻。最后，四个电阻器Rleak 1 1012、Rleak 2 1014、Rleak 3 1062和Rleak 4 1064代表在极靴702的边缘与两个端帽722和726的内表面之间的磁阻。在图8中图示了八个电压节点1020、1022、1024、1026、1028、1030、1074和1076，其中例如在节点1020处的电压用符号表示为V1020等。
用于图4的计算也应用于图10而明显编号替换对应于图10中的磁阻和磁体。在图4与图10之间的一个不同是四个固定间隔物磁阻Rspacer 1、Rspacer 2、Rspacer 3和Rspacer 4替换为四个机械可调整通量阀磁阻Rflux valve 1、Rflux valve 2、Rflux valve 3和Rflux valve 4并且固定端帽磁阻Rend cap 1和Rend cap 2也替换为可变端帽磁阻。通过向径向缝750中/从径向缝750插入/去除磁垫片790或者通过向径向峰750中插入具有不同磁导率的磁垫片790来实现入口通量阀磁阻的调整。通过向通量坝902中/从通量坝902插入/去除磁塞垫片90来实现或者通过向通量坝902中插入具有不同磁导率的磁通量垫片906来实现端帽磁阻的调整。
来自图4的结论也应用于图10（具体为可以用Rflux value替换Rspacer重新表示的方程18和19）：
Figure 849540DEST_PATH_IMAGE023
                                            [方程23]
Figure 466466DEST_PATH_IMAGE024
                                                             [方程24]
注意在方程23中，Rleak与Rflux value之比是用于ExB场匹配的所有事项而不是个别磁阻的值。因此只要使Rflux value对应地更小（通过调整或者添加更多垫片790和796），更接近的端帽到极靴间距（使Rleak更小）是可行的。根据本发明的一个优选实施例，更接近的端帽到极靴间距实现ExB过滤器总长度的减少。
对于具有不对称入口和出口几何形状（间隔物和端帽设计）的本发明一个优选实施例的ExB滤质器的情况，以下方程成立：
Figure 818950DEST_PATH_IMAGE025
              [方程25]
图11是用于本发明一个优选实施例的轴向B场分布1106的计算图1100。针对沿着Z轴的轴向位置1102描绘在横向（X轴）方向上的B场1104（离子束在+Z方向上行进）。在滤质器的入口处，B场1110从峰值1112平滑降至0特斯拉而无如图5中那样的负下陷510并且也无如图6中那样的二次峰610。类似地，在滤质器的出口处，B场1108平滑降至0特斯拉而无如图5中那样的负下陷508并且也无如图6中那样的二次峰608。因此，图1100图示了用于调整入口和出口B场以更接近地匹配E场、由此满足用于最优ExB操作的场匹配标准的本发明的优选实施例的有效性。
根据本发明的一些实施例，一种带电粒子束滤质器包括：一组电极，用于在滤质器内提供电场；一组磁体，用于在滤质器内提供磁通量，通量与电场垂直；磁轭，支撑电极和磁体，该磁轭提供用于磁通量的返回路径；入口端帽，包括用于束进入滤质器的入口孔和在入口端帽与磁轭之间的机械可调整磁阻；以及出口端帽，包括用于束退出滤质器的出口孔和在出口端帽与磁轭之间的机械可调整磁阻。
根据本发明的一些实施例，一种带电粒子束滤质器包括：一组电极，用于在滤质器内提供电场；一组磁体，用于在滤质器内提供磁通量，通量与电场垂直；磁轭，支撑电极和磁体，磁轭提供用于磁通量的返回路径；入口端帽，包括用于束进入滤质器的入口孔、在入口端帽的外边缘中的第一槽和配置于第一槽内以调整在入口端帽与磁轭之间的磁阻的多个磁垫片；以及出口端帽，包括用于束退出滤质器的出口孔、在出口端帽的外边缘中的第二槽和配置于第二槽内以调整在出口端帽与磁轭之间的磁阻的多个磁垫片。
在一些实施例中，使用磁垫片来调整在入口端帽与磁轭之间的磁阻，并且其中使用磁垫片来调整在出口端帽与磁轭之间的磁阻。在一些实施例中，磁垫片被配置成明显减少入口和出口孔内的磁场。在一些实施例中，磁垫片被配置成改变入口和/或出口孔内的磁场的方向。并且在一些实施例中，磁垫片被配置成将入口和出口孔内的磁场减少至滤质器内的最大磁通量的小于百分之一的量值。
在一些实施例中，带电粒子束滤质器还包括：入口通量坝，其包围入口孔；多个磁塞垫片，被配置于入口通量坝内以调整入口孔内的磁场取向和量值；出口通量坝，其包围出口孔；以及多个磁塞垫片，被配置于出口通量坝内以调整出口孔内的磁场取向和量值。在一些实施例中，将入口和出口孔内的磁场量值调整至滤质器内的最大磁通量的小于百分之一的量值。在一些实施例中，磁垫片和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。并且在一些实施例中，可以实现调整滤质器内的磁场而不改变形成滤质器的任何部件的材料。
在一些实施例中，该组磁体包括一组永磁体。并且在一些实施例中，该组磁体包括一组电磁体。
根据本发明的一些实施例，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，该滤质器包括：一组电极，用于在滤质器内提供电场；一组磁体，用于在滤质器内提供磁通量，磁通量与电场垂直；磁轭，支撑电极和磁体，磁轭提供用于磁通量的返回路径；入口端帽，包括用于束进入滤质器的入口孔和在入口端帽与磁轭之间的机械可调整磁阻；以及出口端帽，包括用于束退出滤质器的出口孔和在出口端帽与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入口孔内或者附近的磁场；（c）机械调整在入口端帽与磁轭之间的磁阻以将在入口孔内或者附近的测量的磁场减少至小于滤质器内的最大磁通量的百分之一；（d）配置磁场测量设备以测量在出口孔内或者附近的磁场；并且（e）机械调整在出口端帽与磁轭之间的磁阻以将在出口孔内或者附近的测量的磁场减少至小于滤质器内的最大磁通量的百分之一。
在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的一些实施例中，带电粒子束滤质器还包括：入口通量坝，其包围入口孔；多个磁塞垫片，其定位于入口通量坝内；出口通量坝，其包围出口孔；以及多个磁塞垫片，其定位于出口通量坝内；并且该方法还包括：配置磁场测量设备以测量在入口孔内或者附近的磁场取向和量值；机械配置入口通量坝内的磁塞垫片以调整入口孔内的磁场取向和量值；配置磁场测量设备以测量在出口孔内或者附近的磁场取向和量值；并且机械配置出口通量坝内的磁塞垫片以调整出口孔内的磁场取向和量值。
这里描述的发明具有广泛适用性并且可以提供如在上述示例中描述和示出的诸多益处。实施例将根据具体应用而大量变化，并且并非每个实施例都将提供本发明可实现的所有益处并且满足本发明可实现的所有目的。适合与本发明一起使用的离子束系统在商业上可例如从FEI公司（本申请的受让人）获得。
另外应当认识到可以经由计算机硬件、硬件与软件两者的组合或者由存储于非瞬态计算机可读存储器中的计算机指令实施或者控制本发明的实施例。可以根据在本说明书中描述的方法和附图使用标准编程技术——包括配置有计算机程序的非瞬态计算机可读存储介质（其中这样配置的存储介质使计算机以具体和预定义方式操作）——在计算机程序中实施方法。可以用高级过程或者面向对象编程语言实施每个程序以与计算机系统通信。然而如果希望则可以用汇编或者机器语言实施程序。在任何情况下，语言可以是编译或者解释语言。另外，程序可以运行于出于该目的而编程的专用电路上。
也可以在任何类型的计算平台（包括但不限于个人计算机、小型计算机、主机、工作站、联网或者分布式计算环境、与带电粒子工具或者其他成像设备分离、一体的或者通信的计算机平台等）中实施方法。可以在无论是可拆卸还是与计算平台一体的存储介质或者设备（诸如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等）上存储的机器可读代码中实施本发明的方面，使得它可由可编程计算机读取用于在计算机读取存储介质或者设备时配置和操作计算机以执行这里描述的过程。另外可以通过有线或者无线网络传输机器可读代码或者其部分。当这些和其他各种类型的计算机可读存储介质包含用于实施上文结合微处理器或者其他数据处理器描述的步骤的指令或者程序时，这里描述的本发明包括这样的介质。本发明也包括在根据这里描述的方法和技术来编程时的计算机本身。
计算机程序可以应用于输入数据以执行这里描述的功能并且由此变换输入数据以生成输出数据。输出信息应用于一个或者多个输出设备（诸如显示监视器）。在本发明的优选实施例中，变换的数据代表物理和有形对象（包括在显示器上产生对物理和有形对象的特定可视描绘）。
如这里使用的那样，可互换使用术语“B场”和“磁场”。术语“FIB”或者“聚焦离子束”这里用来指代任何校准离子束（包括离子光学器件聚焦的束和成形的离子束）。而且，对“在端帽内”、“在端帽附近”或者“在孔附近”的磁场的任何讨论将被理解为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的区域。
虽然已经详细描述了本发明及其优点，但是应当理解这里可以在此进行各种改变、替换和变更而不脱离如所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。另外，本申请的范围将不旨在限于在说明书中描述的过程、机器、制造品、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。如本领域普通技术人员将根据本发明的公开容易理解的那样，可以根据本发明利用执行与这里描述的对应实施例基本上相同功能或者实现基本上相同结果的当前存在或者以后待开发的过程、机器、制造品、物质组成、装置、方法或者步骤。因而所附权利要求书旨在于在它们的范围内包括这样的过程、机器、制造品、物质组成、装置、方法或者步骤。

Claims (20)

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1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1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1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1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；
（d）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
（e）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。
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