DE3345573A1

DE3345573A1 - Device for reducing the divergence angle of an ion or electron source

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Publication number: DE3345573A1
Application number: DE19833345573
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-12-16
Filing date: 1983-12-16
Publication date: 1985-06-27

Abstract

The device for reducing the divergence angle for continuous or pulsed sources of charged particles contains coils and/or permanent magnets through which current flows in accordance with Fig. 1 and which possibly produce a magnetic field via ferromagnetic or ferrimagnetic pole shoes. During the formation of a free ion or electron, this magnetic field should be high, but should fall rapidly during or after its acceleration. This magnetic field drop then causes an electrostatic rotational field which reduces the transverse speed components of the beam of charged particles so that the originally divergent particle flight paths are largely parallel.

Description

Beschreibunz Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, die die Formierung von Ionen- oder Elektronenbündeln verbessern soll. Insbesondere soll der Divergenzwinkel des letztlich erzeugten Bündels geladener Teilchen verringert werden. Hierbei ist angenommen, daß wie in Abb.5 angedeutet, schon gebildete Ionen oder Elektronen (13) mit geringen Geschwindigkeiten durch eine Öffnung (14) in einer leitenden Oberfläche (15) hindurchtreten, bzw. daß sie wie in Abb.6 angedeutet, auf einer Festkörper- oder Flüssigkeitsoberfläche (1O) entstehen, z.B. durch Erhitzen dieser Oberfläche oder durch Beschuß dieser Oberfläche mit Laserlicht oder mit schnellen Elektronen, geladenen oder neutralen Atomen bzw. The invention relates to a device that enables the formation of ionic or to improve electron bundles. In particular, the divergence angle of the ultimately generated bundles of charged particles can be reduced. Here it is assumed that as indicated in Fig.5, ions or electrons (13) already formed with low Passing velocities through an opening (14) in a conductive surface (15), or that they are, as indicated in Fig.6, on a solid or liquid surface (1O) arise, e.g. by heating this surface or by bombarding it Surface with laser light or with fast electrons, charged or neutral Atoms or

Molekülen (1i), und daß in beiden Fällen diese geladenen Teilchen dann von der Oberfläche in einem elektrischen Feld beschleunigt werden. Im zweiten Fall handelt es sich hierbei um Oberflächen-Teilchenquellen wie etwa einer Laserionenquelle, SIMS (Sekundärionen) oder FAB (fast atom bombardment) Quelle, einer klassischen thermischen Ionen- oder Elektronen-Quelle, einer Flussigmetall-Ionen- oder -Elektronen-Quelle, einer Feldemissionselektronenquelle oder aber einer FI (Feld Ionisation-) oder FD (Felddesorptions-) ionenquelle. Im ersten Falle handelt es sich hierbei um eine EI (Elektronenstoß-) Ionenquelle, eine Gasentladungs-Elektronen oder Ionenquelle oder eine daraus abgeleitete CI (chemische) -Ionenquelle bzw. um eine sogenannte Johnson-Raiko-Quelle oder um eine der genannten Oberflächenquellen, bei der die gebildeten Ionen auf die erwähnte Öffnung leicht vorbeschleunigt worden waren. In diesem ersten Fall kann es sich auch um eine Gasstoßzelle handeln, oder um eine sehr dünne Folie, in der Molekülionen durch Stöße in teilweise geladene Submoleküle zerbrechen, die im wesentlichen mit der Geschwindigkeit der primären Molekulionen weiterfliegen.Molecules (1i), and that in both cases these charged particles then accelerated from the surface in an electric field. In the second In the case of surface particle sources such as a laser ion source, SIMS (secondary ions) or FAB (almost atom bombardment) source, a classic one thermal ion or electron source, a liquid metal ion or electron source, a field emission electron source or a FI (field ionization) or FD (Field desorption) ion source. In the first case, this is a EI (electron impact) ion source, a gas discharge electron or ion source or a CI (chemical) ion source derived therefrom or a so-called Johnson-Raiko-Quelle or one of the named surface sources where the ions formed had been slightly pre-accelerated onto the opening mentioned. In This first case can also be a gas collision cell, or a very thin film in which molecular ions collide with partially charged submolecules break up, essentially at the rate of the primary molecular ions fly on.

Während eine Beschleunigungsspannung VO auch bei einem endlich dicken Bündel geladener Teilchen im wesentlichen eine Teilchengeschwindigkeitskomponente in einer Richtung bewirkt, bewirkt in einer Ionen-oder Elektronenquelle die Anfangsenergie Ki Geschwindigkeitskomponenten in allen Raumrichtungen. Da bei einem Teilchen der Ladung ze die maximale kinetische Energie KO+Ki=-zeVO+Ki ist, sind die Teilchen maximal um den Winkel 2 gegeneinander geneigt, wobei 'gilt Im Falle einer Gasstoßzelle oder dünnen Folie dringt ein Molekül der Masse m1 + m2 in die Stoßzelle ein mit der Geschwindigkeit vO, in Richtung der Bündelachse und der Geschwindigkeit vt, senkrecht dazu.While an acceleration voltage VO essentially causes a particle velocity component in one direction even with a finite thick bundle of charged particles, in an ion or electron source the initial energy Ki produces velocity components in all spatial directions. Since the maximum kinetic energy of a particle with charge ze is KO + Ki = -zeVO + Ki, the particles are inclined towards each other by a maximum angle of 2, where 'applies In the case of a gas collision cell or a thin film, a molecule of mass m1 + m2 penetrates the collision cell with the velocity vO, in the direction of the bundle axis and the velocity vt, perpendicular to it.

Nach dem Molekiil-Molekül- oder Molekiil-Atom-StoA in dem Gas der Stoßzelle oder der erwähnten dünnen Folie, fliegen dann t4oleküle der Massen m1 und m2 mit Geschwindigkeiten von maximal vO+v1 bzw. voll2 in Richtung der ursprünglichen Bündelachse und vttvi bzw. vttv2 weiter, wobei die Größe von v1 und v2 sich aus der Bindungsenergie des ursprunglichen Moleküls und den Massen der beiden Bruchstücke bestimmt. Durch diesen Stoßprozess wird also der Divergenzwinkel des Teilchenbündels der Bruchstückionen größer als der der Mutterionen. Ähnliche Situationen sind gegeben, wenn Ionen oder Elektronen in einer Gasstoßzelle oder Folie gestreut oder auch nur umgeladen werden. hnlich wie bei den oben beschriebenen MoleKülen rührt die Ionen- oder Elektronenenergie in diesem Falle teilweise aus der Energie der Primärionen oder -Elektronen und teilweise aus einer Beschleunigung der Sekundär-Ionen oder -nleKtronen.According to the molecular-molecule or molecular-atom collision in the gas of the Collision cell or the thin foil mentioned, then molecules of mass m1 fly and m2 with speeds of a maximum of vO + v1 and fully2 in the direction of the original Bundle axis and vttvi or vttv2 continue, where the size of v1 and v2 are from the binding energy of the original molecule and the masses of the two fragments certainly. The divergence angle of the particle bundle thus becomes the result of this collision process the fragment ions larger than that of the parent ions. Similar situations exist when ions or electrons are scattered in a gas collision cell or foil or even only be reloaded. Similar to the molecules described above, the ionic or electron energy in this case partly from the energy of the primary ions or electrons and partly from an acceleration of the secondary ions or -nleKtrons.

Die Erfindung sieht nun vor, dem ganzen Beschleunigungsfeld oder einem Teil desselben einen Magnetfluß zu überlagern, dessen Richtung mit der Richtung des Beschleunigungsfeldes einen Winkel g einschließt, der auch Null sein kann. Diese Anordnung der Felder bewirkt, daß die zu der Richtung des Magnet feldes senkrechte Teilchengeschwindigkeitskompo nente nach Verlassen des Magnetfeldes weitgehend verschwindet, der Winkel S +a also verschwindet bzw. reduziert wird. The invention now provides for the entire acceleration field or to superimpose a magnetic flux on a part of the same, its direction with the direction of the acceleration field includes an angle g, which can also be zero. These Arrangement of the fields causes the field perpendicular to the direction of the magnetic field Particle velocity component largely disappears after leaving the magnetic field, the angle S + a thus disappears or is reduced.

Die Flugbahn eines Teilchens der Ladung ze und der Masse m; das sich in einer Magnetflußdichte B mit einer Geschwindigkeit vO parallel und einer Geschwindigkeit vt senkrecht zu dieser Magnetflußdichte bewegt, ist eine Schraubenlinie deren Achse mit der Richtung des Magnetfeldes zusammenfällt und die, wenn projiziert auf eine Ebene senkrecht zu dieser Achse, einen Kreis beschreibt mit dem Radius g = mvt/zeB (2) Nimmt das Magnetfeld nun zeitlich ab, oder verläßt das Teilchen zufolge seiner Longitudinalgeschwindigkeit vO ein Magnetfeld definierter Richtung und begrenzter Ausdehnung, so wirkt auf dieses Teilchen entsprechenc dem Induktionsgesetz auf dem Wege ds eine abbremsende Kraft wobei ds entlang dem projizierten Kreis mit dem Radius gemessen werden muß. Die Größe des Verlustes an Transversalenergie Kt = mvt/2 ist dKT = (dB/dt)2. ds/2Tg (3a) oder mit Gl.(2) und vt=ds/dt dKT = (mvt/2)(dB/B) (3b) Dies bedeutet, daß das Verhältnis von Transversalenergie KT zu Magnetflußdichte B konstant ist. Startet also ein Teilchen mit der anfäng-2 lichen Transversalenergie KtO=mv20/2 in einer Magnetflußdichte Bo und fällt diese Magnetflußdichte sodann auf Null ab, so sinkt auch die Transversalenergie auf Null ab. The trajectory of a particle of charge ze and mass m; that I in a magnetic flux density B with a speed v0 in parallel and a speed vt moved perpendicular to this magnetic flux density, a helix is its axis coincides with the direction of the magnetic field and which when projected onto a Plane perpendicular to this axis, describes a circle with the radius g = mvt / zeB (2) Does the magnetic field decrease over time or leave the particle as a result of it Longitudinal velocity vO a magnetic field of a defined direction and limited Expansion, then acts on this particle in accordance with the law of induction on the Paths ds a braking force where ds along the projected circle with the radius must be measured. the Amount of transverse energy loss Kt = mvt / 2 is dKT = (dB / dt) 2. ds / 2Tg (3a) or with equation (2) and vt = ds / dt dKT = (mvt / 2) (dB / B) (3b) This means that the ratio of the transverse energy KT to the magnetic flux density B is constant. So a particle starts with the initial 2 transverse energy KtO = mv20 / 2 in a magnetic flux density Bo and then this magnetic flux density falls drops to zero, the transverse energy also drops to zero.

Der beschriebene Effekt der Reduzierung der transversalen Energie funktioniert allerdings nur, wenn die Teilchenbewegung keinen anderen als den beschriebenen elektromagnetischen Kräften unterliegt. Stöße der Ionen oder Elektronen mit Restgasatomen müssen deshalb im Bereich des abfallenden Magnetfeldes so weit als möglich vermieden werden. Dies erfordert ein Vakuum, in dem die freie Weglänge merklich größer ist, als der Bereich, in dem die Magnetflußdichte von 90 auf 10 Prozent ihres Maximalwertes absinkt. Im Falle einer gepulsten Teilchenquelle ist es auch möglich, das ganze oder ein Teil des Magnetfeldes durch stromdurchflossene Spulen zu erzeugen, wobei der Spulenstrom zu einem bestimmten Zeitpunkt t5 abgeschaltet wird. An der Stelle, an der sich die Teilohenwolke während des Abschaltens oder Umpolens des Magnetfeldanteils, das durch stromdurchflossene Spulen erzeugt wird, befindet, muß dann das Vakuum so gut sein, daß die Zeit zwischen zwei Ion- oder Elektronen-Atom-Stößen merklich größer ist, als die Zeit in der die Magnetflußdichte sich von 90 auf 10 Prozent ihres Maximalunterschieds ändert. The described effect of reducing the transverse energy However, it only works if the particle movement does not differ from the one described subject to electromagnetic forces. Ions or electrons collide with residual gas atoms must therefore be avoided as far as possible in the area of the falling magnetic field will. This requires a vacuum in which the free path is noticeably greater, than the area in which the magnetic flux density goes from 90 to 10 percent of its maximum value sinks. In the case of a pulsed particle source, it is also possible to use the whole or to generate part of the magnetic field by current-carrying coils, wherein the coil current is switched off at a certain point in time t5. At the point on which the partial cloud is located when the magnetic field component is switched off or polarity reversed, which is generated by current-carrying coils, then the vacuum must be so good that the time between two ion or electron-atom collisions is noticeable is greater than the time in which the magnetic flux density increases from 90 to 10 percent their maximum difference changes.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung kann zwar die Größe der transversalen Geschwindigkeitskomponente der Teilchenbündel reduzieren, jedoch bleibt die durch die Beschleunigungsspannung sowie durch die" Anfangsenergie bedingte longitudinale Geschwindigkeitskomponente voll erhalten. Das heißt, daß die vorliegende Einrichtung zwar den Divergenzwinkel des Teilchenbündels reduziert, jedoch nicht die Breite der longitudinalen Geschwindigkeitsverteilung, was identisch ist mit der Feststellung, daß die Breite der Teilchen-Energieverteilung voll erhalten bleibt. A device according to the invention can indeed increase the size of the transversal Reduce the velocity component of the particle bundle, but it stays through the acceleration voltage as well as the " Initial energy conditioned longitudinal velocity component fully preserved. That is, the present Although the device reduces the divergence angle of the particle beam, it does not the width of the longitudinal velocity distribution, which is identical to the finding that the width of the particle energy distribution is fully preserved.

Erfindungsgemäß kann das Magnetfeld wie in Abb.1 angedeutet, durch stromdurchflossene Spulen (4) und/oder durch Permanentmagnete (5) realisiert werden. Durch geeignete Formgebung der stromdurchflossenen Spulen oder der Permanentmagnete oder aber von ferro- oder ferrimagnetischen (auf die Permanentmagnete oder die Spulen aufgesetzte) Polschuhen (2,6) ist es möglich die Magnetflußverteilung so zu formen, daß Nebenbedingungen der Teilchen-Erzeugung oder Beschleunigung möglichst gut erfüllt sind. Eine solche Möglichkeit ist es etwa, einen der Polschuhe (2) und/oder einen der Permanentmagnete (10) in Abb.1 als elektrisch isolierte Beschleunigungselektrode auszubilden, die durchbohrt ist, um den Teilchenstrahl (3) hindurchzulassen. In der Abb.1 könnte natürlich auch der Permanentmagnet (5) durch ein gleich großes Stück aus ferro- oder ferri-magnetischem Material ersetzt werden. Hierbei kann das Materialstück (5) aber auch das Materialstück (2) eine ebene Oberfläche haben, wie in Abb.1 angedeutet, oder aber eine geeignet geformte Oberfläche bekommen, wie für Teil (5) in Abb.4 alS Teil (11) oder (12) angedeutet ist. Hierdurch wird der Bereich des weitgehend homogenen Magnetfeldes vergrößert oder eine Konzentration des Magnetflusses an einem bestimmten Ort erreicht, etwa dort, wo de Teilchen gebildet werden. Um einen möglichst schnellen Abfall des Magnetfeldes zu erzielen, ist es wie in Abb.2 angedeutet auch möglich, den Strom in zwei benachbarten Spulen (7,8) entgegengesetzt fließen zu lassen, oder wie in Abb.3 angedeutet zwei Permanentmagnete (9) und (10.) gegeneinander arbeiten zu lassen. According to the invention, the magnetic field can, as indicated in Figure 1, through current-carrying coils (4) and / or by permanent magnets (5) can be realized. By suitably shaping the current-carrying coils or the permanent magnets or from ferromagnetic or ferrimagnetic (on the permanent magnets or the coils attached) pole pieces (2,6) it is possible to shape the magnetic flux distribution so that that constraints of particle generation or acceleration are met as well as possible are. One such possibility is, for example, one of the pole shoes (2) and / or one of the permanent magnets (10) in Fig. 1 as an electrically isolated acceleration electrode form, which is pierced in order to let the particle beam (3) through. In of Fig.1 could of course also be the permanent magnet (5) by an equally large one Pieces made of ferromagnetic or ferromagnetic material are replaced. Here it can Piece of material (5) but also the piece of material (2) have a flat surface, such as indicated in Fig.1, or get a suitably shaped surface, as for Part (5) in Figure 4 is indicated as part (11) or (12). This will make the area the largely homogeneous magnetic field or a concentration of the magnetic flux reached at a certain location, for example where the particles are formed. Around To achieve the fastest possible drop in the magnetic field, it is like in Fig. 2 indicated also possible to reverse the current in two adjacent coils (7, 8) to let flow, or as indicated in Fig. 3 two permanent magnets (9) and (10.) to work against each other.

Claims

PATENT CLAIMS Device for the production of continuous or pulsed ion bundles for mass spectrometers, ulass separators, ions in planters and ion lithography devices or electron straps for Braun see tubes, Electron microscopes or electron lithography equipment, the ions or Electrons either in a volume or on a solid or liquid surface be formed, that is, at least two -Electrodes (1,2) are present on different potentials, between which the formed, charged particles (3) are accelerated and that continues to be an or several coils (4) through which current flows and / or one or more permanent magnets (5) are present which superimpose a magnetic field on the electrostatic in such a way that that a magnetic field exists at places where ions or electrons are formed, which then drops from 90 to 10 percent of its maximum thickness along a break, which short is compared to or at least comparable to the free degl.-inge one Ions or electrons in this area, being the location of the drop in the magnetic field to lie at a point of the electric field where the charged particles either already have the full or only part of the acceleration energies.

2. Device according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that in the area of the drop in the magnetic field the magnetic field is parallel is to the direction of the electrostatic acceleration field or around a small Angle, on the other hand, is tilted.

3. Device for generating pulsed ion bundles for mass spectrometers, Mass separators, ion implanters and ion lithography devices or electron beams for Braun tubes, electron microscopes or electron lithography devices, wherein the ions or electrons for a short period of time either in a Volume or are formed on a solid or liquid surface, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that at least two electrodes (1,2) are present at different potentials, between which the formed, charged Particles (3) are accelerated and that one or more current flowing through it continues Coils (4) and one or more permanent magnets (5) the electrostatic a superimpose magnetic field in such a way that at the time of ion generation at the location he Ion formation a magnetic field then exists after the Teilohenwolke on the has been accelerated to full or to a part of the maximum energy by switching off, Reducing or switching the coil current is lowered, with the decrease of the magnetic field must take place so quickly that the time t in which the coil current The induced magnetic field changes from 90 to 10 percent of the difference between the start and end values wanders, is short compared to or at least comparable to the time between two Ion or electron residual gas atom collisions at the point where the ion cloud is during of the switch-off process of the magnetic field.

Device according to Claim 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the magnetic field is shaped so that it is in the area in which the Ion or electron cloud is located during the switch-off process of the magnetic field, is parallel to the direction of the electrostatic field or at a small angle on the other hand tilt'c.

5. Device according to one of claims 1 to 4, d a d u r c h g It is not noted that the ions or electrons are not in a usual Ion or electron source are formed, but that in the claims 1 and 2 mentioned volume is a gas collision cell and / or the mentioned surface a film contains, wherein the ions or electrons of the particle beam at a Place of high magnetic field, caused by collision or reloading processes - normally with noticeable forward speeds - after energetic primary ions or Electrons had been injected into this gas collision cell or foil.

6. Device according to one of claims 1 to 5, d a d u r c h g It is not noted that the ions or electrons do not first enter a volume or are formed on a surface, but that they are in this volume or be shot through a film, possibly at slightly different angles, to then either wholly or in fragments with the old or a changed cargo and the old speed or a speed that has changed slightly in terms of size and direction fly further, at the point of breaking of the molecule or at the point of transshipment, the aforementioned high magnetic field is effective.

7. Device according to one of claims 1 to S, d a d u r c h g It is not noted that several coils (7, 8) and / or several permanent magnets (9,10) are arranged so that the direction of the last part of the magnetic field the direction of the first part is essentially opposite.

8. Device according to at least one of claims 1 to 7, d a -d U r c n g e k e n n n e i c h n e t that the permanent magnets and / or current flowing through them Wear coil-forming pole shoes (2,6) that create a magnetic field.

9. Device according to at least one of claims 1 to 8, d a -d It is noted that there is a passage opening for the bundle of charged items Particles in one or more of the magnetic pole pieces (2) and / or permanent magnets (10) is present.

10. Device according to claim 9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that one or more of the pole shoes (2) or permanent magnets (10) at the same time an electrically insulated mounted intermediate screen or end electrode of the electrical Are the acceleration field.

11. Device according to at least one of claims 1 to 10, d a -d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that for the homogenization of the magnetic field or to concentrate the magnetic flux in one place, e.g. the place of the ionic or electron formation, if this is not directly on the surface of a pole piece or a permanent magnet, pole pieces or permanent magnets (11, 12) are used which have depressions in the central region.